La química detrás de los electrodos GMAW de acero dulce

La selección de un electrodo de acero al carbono dulce puede mejorar o disminuir en gran medida la productividad laboral y los costos totales de soldadura, razón por la cual es importante comprender la química detrás del metal de aporte. Imágenes: ESAB

A menudo se pregunta a los expertos en aplicaciones: "¿Cuál es el mejor alambre MIG?" La respuesta a esta pregunta con la soldadura por arco metálico con gas (GMAW) siempre es: “Uno que cumpla con los códigos de soldadura, las propiedades mecánicas y las especificaciones de procedimientos de soldadura (WPS) requeridas”.

Sin embargo, además de cumplir con los requisitos técnicos, los fabricantes deben considerar el costo total de soldadura. La mano de obra constituye un promedio del 75% al 85% de los costos totales de soldadura, mientras que los metales de aporte representan alrededor del 10%. La selección del metal de aporte óptimo puede mejorar o perjudicar en gran medida la productividad de la mano de obra y los costos totales de soldadura.

La siguiente es una descripción general de cómo la química del metal de aporte influye en los resultados de la soldadura, enfocándose en los electrodos para soldar acero al carbono dulce (Grado A36), porque son los electrodos más utilizados y los que la mayoría de las personas aprenden a usar primero.

Clasificación y Química

La Sociedad Americana de Soldadura (AWS) clasifica los electrodos de acero al carbono (consulte la Figura 1). Estos electrodos tienen una resistencia mínima a la tracción del metal de soldadura de 70,000 PSI, lo que los hace adecuados para soldar acero A36 consigo mismo o con otros grados de acero al carbono (solo necesita igualar el A36 porque tiene la resistencia más baja).

Al formular electrodos de acero al carbono, los fabricantes controlan hasta 17 materias primas diferentes (consulte la Figura 2). Los tres elementos principales de aleación son el carbono, el manganeso y el silicio. La AWS especifica las cantidades mínimas y máximas de estos elementos, pero los fabricantes pueden enfatizar los atributos de rendimiento controlando la química.

El carbono (C) influye en las propiedades estructurales y mecánicas más profundamente que cualquier otro elemento. Para los electrodos ER70, el carbono generalmente se mantiene entre 0.05% y 0.12%, lo que brinda resistencia al metal de soldadura sin afectar la ductilidad, la tenacidad y la porosidad.

Los fabricantes agregan otras aleaciones para controlar la desoxidación del charco de soldadura y ayudar a determinar las propiedades mecánicas de la soldadura. La desoxidación es la combinación de un elemento con oxígeno del charco de soldadura, lo que da como resultado la formación de escoria o isla de sílice en la superficie de la soldadura. Retirar el oxígeno del charco lo elimina como causa de la porosidad del metal de soldadura.

El silicio (Si) es el elemento desoxidante más común. Dependiendo del uso previsto, los electrodos generalmente contienen de 0.45% a 1% de la aleación. En este rango porcentual, el silicio exhibe una muy buena capacidad desoxidante. El aumento de silicio aumentará la resistencia de la soldadura con solo una pequeña disminución en la ductilidad y la tenacidad. Sin embargo, el metal de soldadura puede volverse sensible a las grietas si contiene más del 1% al 1.2 % de silicio. La aleación también influye en la fluidez del charco.

El manganeso (Mn) también es un desoxidante y fortalecedor común. El manganeso constituye del 1% al 2% de los electrodos de acero dulce. El aumento de los niveles de manganeso aumenta la resistencia del metal de soldadura en mayor medida que el silicio. El manganeso también reducirá la sensibilidad del metal de soldadura al agrietamiento en caliente.

El aluminio (Al), el titanio (Ti) y el circonio (Zr) son desoxidantes muy fuertes. Estos elementos se agregan a veces en dosis muy pequeñas, por lo general no más del 0.2% combinado. En este rango se logra algo de resistencia incrementada.

Figura 1. AWS clasifica los electrodos de acero al carbono según factores como la resistencia a la tracción y la composición química.

A menudo se agregan otros elementos como el níquel (Ni), el cromo (Cr) y el molibdeno (Mo) para mejorar las propiedades mecánicas o de resistencia a la corrosión. En pequeñas cantidades, se pueden utilizar en alambres de acero al carbono para mejorar la resistencia y tenacidad del depósito.

Por los números

Los electrodos GMAW para acero dulce suelen incluir la letra S (que indica que se trata de un electrodo sólido) y un indicador numérico (del 2 al 7) o la letra G. Los electrodos más utilizados son el S-3 y el S-6.

Aquí hay una breve guía de lo que significan estas designaciones de electrodos y por qué son populares, así como notas sobre otras químicas de electrodos para ayudar a guiar la selección.

Los electrodos S-2 “triplemente desoxidados” contienen aluminio, titanio y circonio (además de manganeso y silicio) y están diseñados para soldar sobre óxido y cascarillas de laminación. El charco de soldadura menos fluido facilita el control cuando se usa fuera de posición, lo que lo convierte en el alambre preferido para la soldadura en todas las posiciones de tuberías de diámetro pequeño.

Los electrodos S-3 y otros con bajos niveles de silicio producen un charco más rígido y un mayor control del perfil del talón trasero. Tienden a producir menos islas de sílice y más pequeñas. Para las piezas pintadas, los fabricantes suelen especificar el uso de un electrodo S-3.

Los electrodos S-4 tienen niveles más altos de silicio y manganeso que los electrodos S-3 y están destinados a aplicaciones que requieren niveles más altos de desoxidante. La clasificación ER70S-4 no requiere pruebas de conformidad de impacto Charpy.

Los electrodos S-6 tienen niveles más altos de silicio, lo que creará un arco más suave (reduciendo las salpicaduras) y mejorará la fluidez del charco ("empapado"). Esto promueve una transición suave en los extremos de la soldadura y aplana la corona del cordón. Los electrodos S-6 atraen a los usuarios porque facilitan la obtención de un buen cordón y requieren menos limpieza.

Los electrodos S-6 contienen más manganeso y silicio que actúan como desoxidantes para eliminar las impurezas. Un electrodo S-6 funciona mejor que el S-3 sobre pequeñas cantidades de cascarilla de laminación, aceite, suciedad y óxido. La contrapartida es que las impurezas eliminadas se manifiestan como islas de sílice. Las partes pintadas requieren limpieza (generalmente con una pistola de aguja), de lo contrario la isla de sílice eventualmente se desprenderá, creará una imperfección y posiblemente se oxidará.

Los electrodos S-7 tienen un mayor contenido de manganeso, lo que le da a la soldadura un mayor rendimiento y resistencia a la tracción. El nivel de silicio de este electrón está entre S-3 y S-6. Son adecuados para usar con CO₂ al 100% o una mezcla de gas de protección de argón/CO₂ (el CO₂ al 100% reduce el manganeso en el metal de soldadura; esto reduce su resistencia, lo cual según la aplicación puede o no ser un problema).

Los electrodos de bajo hidrógeno reducen el potencial de agrietamiento por hidrógeno, especialmente en materiales con propiedades mecánicas más duras. Una designación H4R indica menos de 4ml de hidrógeno difusible por 100g de soldadura depositada.

Si bien los cupones superior e inferior se soldaron con alambres S-6 y el proceso de transferencia por rociado, el cordón inferior requerirá mucha menos limpieza.

Los electrodos G (o GS) son electrodos de clasificación general que no tienen composición, propiedades mecánicas o requisitos de prueba, pero sus propiedades pueden cumplir o superar las de los electrodos clasificados por la AWS. Solo están destinados a aplicaciones de un solo paso, que pueden incluir aplicaciones especiales como soldadura de acero galvanizado.

Los electrodos sin clasificación a menudo son indicativos de una aplicación especial. Por ejemplo, los electrodos de “amolado fácil” están completamente desoxidados y diseñados para soldar sobre los niveles moderados de óxido y pintura que se encuentran en los trabajos de reparación de carrocerías de automóviles. El metal soldado se muele más fácilmente que la mayoría de los electrodos comerciales, lo que hace que la limpieza posterior a la soldadura sea más fácil y rápida.

Variaciones de formulación

Los fabricantes pueden enfatizar varios atributos de rendimiento de los electrodos mediante el control de la química, las tolerancias químicas, el revestimiento del electrodo y el proceso de fabricación.

Como resultado, aunque los electrodos de diferentes fabricantes tengan la misma designación, su desempeño puede variar ampliamente. Algunos ejemplos comunes incluyen:

• Química consistente. Los fabricantes de gran volumen y las aplicaciones de soldadura robótica priorizan el rendimiento consistente y predecible de lote a lote. La Figura 3 muestra la composición química de tres electrodos S-6. Las tolerancias más estrictas explican por qué los electrodos premium cuestan más, pero el rendimiento constante brinda más tiempo de actividad y reduce el costo total de propiedad.
• Estabilidad del Arco. Las salpicaduras y la porosidad se encuentran entre las principales causas de rectificado, reelaboración, problemas de calidad y tiempo de inactividad no planificado. La inestabilidad del arco es uno de los principales culpables de esto, especialmente con GMAW de cortocircuito. El uso de electrodos con una química consistente promueve la estabilidad del arco, lo que a su vez reducirá los costos totales de soldadura.
• Acero galvanizado. Los fabricantes de cables ofrecen productos químicos desarrollados para necesidades de aplicaciones específicas. Por ejemplo, la soldadura de acero galvanizado genera vapor de zinc que puede interferir con la estabilidad del arco, aumentar las salpicaduras y causar porosidad. Al controlar los elementos de micro aleación se pueden mitigar los problemas de vapor de zinc y mejorar los resultados.
• Islas de Sílice Baja. Estas químicas de alambre permiten a los fabricantes disfrutar de la fluidez del charco de un electrodo S-6 pero con una formación reducida de islas de sílice, y las islas que se forman se eliminan con facilidad.

Gas de protección y química

Los gases de protección para GMAW determinan el modo de transferencia de metal y la profundidad de penetración. En resumen, las mezclas de argón y CO₂ son los gases de protección más comunes para los electrodos de acero dulce. Una mezcla con alto contenido de argón (75% a 90% de argón, siendo el equilibrio CO₂ o CO₂ y oxígeno) logra un buen rendimiento mecánico y genera menos humo y menos salpicaduras, lo cual es más atractivo para el operador.

Sin embargo, las mezclas con alto contenido de argón cuestan más. El CO₂ es un gas menos costoso y proporciona el perfil de penetración más amplio y la mejor acción de limpieza. La compensación representa resultados de pruebas mecánicas ligeramente más bajos, más humos de soldadura, un arco más duro y más salpicaduras.

El CO₂ y el oxígeno son útiles en ocasiones porque promueven la estabilidad del arco y una buena fusión entre el charco de soldadura y el material base. El oxígeno es mucho más oxidante que el CO₂. En consecuencia, las adiciones de oxígeno al argón son generalmente inferiores al 10% en volumen, mientras que el 100% de CO₂ se puede utilizar para el GMAW de cortocircuito. Cuando se usan gases oxidantes, los electrodos deben contener elementos desoxidantes fuertes para suprimir la porosidad.

Generalmente, cuando se suelda con argón y 1% a 3% de oxígeno, o con mezclas de argón con bajo contenido de CO₂, la composición química del metal de soldadura no variará mucho del análisis del electrodo de alambre. Sin embargo, cuando se usa 100% de CO₂ y oxígeno en un gas de protección, se puede esperar una reducción de silicio, manganeso y otros elementos desoxidantes, mientras que los contenidos de níquel, cromo, molibdeno y carbono permanecerán constantes. Tenga en cuenta que los electrodos con un contenido de carbono muy bajo (0.04 % a 0.06 %) producirán un metal de soldadura con un contenido de carbono más alto cuando se utiliza 100% de CO₂.

En muchas aplicaciones de acero al carbono, el material base tiene una capa ligera de cascarilla de laminación, óxido ligero o aceite decapante que puede afectar el rendimiento de la soldadura si no se elimina antes de soldar. En este caso, es ideal usar un electrodo ER70S-6 con un alto contenido de argón, como una mezcla de 90% de argón/10% de CO₂ para transferencia por aspersión GMAW o un 80% a 85% de argón con CO₂ como equilibrio para corto circuito GMAW. Los desoxidantes del electrodo, combinados con 10% a 20% de CO₂, deben proporcionar una acción de limpieza adecuada y producir una soldadura con buena apariencia, buena penetración y transiciones suaves en la punta de la soldadura.

Pruebe con un carrete o tambor

Los fabricantes de metales de aporte actualizan continuamente la química y el empaque a medida que responden a las solicitudes de los clientes para ayudarlos a abordar las necesidades de la aplicación y los problemas de soldadura. El uso de una formulación moderna puede ayudar a los fabricantes a abordar muchas causas comunes de tiempo improductivo relacionadas con salpicaduras, porosidad, islas de sílice, desgaste de la punta de contacto y calidad de la soldadura. En una era en la que los fabricantes luchan por encontrar más personas, el camino para aumentar la producción requiere tomar todas las medidas posibles para mantener a los operadores existentes soldando de manera eficiente, y eso incluye elegir el metal de aporte óptimo.

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