Evaluación de métodos de preparación de superficies sobre formaciones porosas en soldaduras de arco de metal de gas de aluminio

F.J. Hettes, Weiler Corporation fhettes@weilercorp.com
D.L. Ketron, EWI

El uso de aluminio para fabricar grandes estructuras está aumentando rápidamente, debido al reciente desarrollo de la industria de transporte. Algunos ejemplos de este fenómeno son:

 Barcos de alta velocidad con estructuras de 1500 toneladas 
   construidas totalmente de aluminio soldado
 Automóviles en los que se han desarrollado las estructuras del chasis 
   y el cuerpo del vehículo totalmente de aluminio soldado
 Trenes de alta velocidad que alcanzan las 140 mi/h, construidos
   utilizando extrusiones de aluminio soldado para dar forma a los vagones

El método de unión principal que se utiliza para estas fabricaciones de aluminio es la soldadura de arco de metal de gas (GMAW). A pesar de que la soldadura GMAW es un método de fabricación económico, la calidad de las soldaduras terminadas es muy difícil de controlar. El principal problema es la porosidad causado por la contaminación por hidrógeno. Al respecto, Weiler Corporation ofrece productos para limpiar la superficie de aluminio antes de soldar. Al trabajar con varios fabricantes de aluminio, Weiler llegó a la conclusión de que para el proceso de GMAW se requiere mucho más arte que ciencia. La mayoría de los fabricantes se enfrentan diariamente por problemas cuyas causas, por lo general, no son capaces de determinar. Algunos de los factores que afectan la porosidad son la humedad de la atmósfera, la contaminación por gases protectores, la posición para soldar, los parámetros para soldar, la contaminación del metal de base o de relleno, y la limpieza de la superficie. Cada cliente se enfrenta con el problema de porosidad y cada uno ha desarrollado soluciones que varían en eficacia. Algunas de las prácticas en este campo son:

 No limpiar antes de soldar
 Limpiar en masa las superficies durante las semanas anteriores a la fabricación
 Limpiar localmente las áreas que se van a soldar con abrasivos revestidos, 
   inmediatamente antes de soldarlas
 Limpiar localmente las áreas que se van a soldar con cepillos de alambre 
   inmediatamente antes de soldarlas
 Usar estrictamente abrasivos revestidos sin hierro
 Usar estrictamente cepillos de alambre fino

Investigación

Weiler Corporation estableció un contrato con el Instituto de Soldadura Edison (EWI) para investigar el efecto de varias herramientas de limpieza sobre la formación de porosidad en GMAW de aluminio. Con el fin de aislar el método de preparación de superficies como la única variable, todos los demás parámetros se mantuvieron constantes. Se utilizó un proceso de soldadura y una preparación, ambas óptimas para que fuera posible medir las herramientas de preparación de superficies y se siguió este procedimiento:

 Gas protector de argón en el grado de pureza para investigación
   (99.9995% de argón, <1.0 PPM de humedad)
 Material de relleno del mismo lote de material
 Material base del mismo lote de material
 Procedimiento óptimo de soldadura desarrollado para obtener fuerza
 Celda de soldadura robotizada utilizada para repetir la producción de las muestras de soldaduras
 Láminas de prueba desengrasadas con acetona antes de aplicar la 
   herramienta de preparación de superificies
 Uso de esmeriladoras eléctricas en lugar del uso de esmeriladoras 
   neumáticas (contaminación por aceite lubricante)
 Preparación de superficies aplicada a todas las superficies de la zona de soldadura

  Figura 1

La preparación de la soldadura se ilustra en la figura 1. 
Los parámetros utilizados fueron:

 Posición para soldar: 1F
 Ángulo guía a 15 grados
 Forma de empleo robotizada del soplete
 Soplete en tandem

Las soldaduras de prueba fueron soldaduras de cintas de 5/16". Cada una era de 1' de largo. Se probó un total de 10 herramientas diferentes de preparación de superficies, y cada una se utilizó para limpiar un total de 10' de material de prueba. El grupo de control lo constituyó un juego de soldaduras de prueba pulidas. El proceso de pulido retiró aproximadamente 1/32" de aluminio, lo cual garantizó que la soldadura se hiciera en superficies sin óxido. Entre las herramientas que se probaron están:

 Mecanizado en seco (control)
 Disco flap, grano 60 de circonio
 Disco flap, grano 36 de circonio
 Disco de fibra, grano 24 de óxido de aluminio
 Disco de fibra, grano 36 de óxido de aluminio
 Disco de fibra, grano 36 de óxido de aluminio (sin hierro)
 Cepillo de alambre de .020" de acero inoxidable anudado ondulado
 Cepillo de alambre de .014" de acero inoxidable anudado ondulado
 Cepillo de alambre de .0118" de acero inoxidable anudado ondulado
 Cepillo de alambre ondulado de .008" de acero inoxidable

Todas las soldaduras se llevaron a cabo al azar. Las soldaduras de prueba se hicieron en 3 días diferentes y todas las herramientas se utilizaron al azar cada día. Todas las soldaduras se hicieron tan pronto como fue posible después de limpiar la superficie en un lapso máximo de 2 horas. Un conjunto de pruebas con mecanizado en seco se llevó a cabo 2, 4, 6 y 30 días después de la limpieza. Se realizaron estas pruebas para evaluar el efecto de la demora en la formación de porosidad.

Resultados

Los resultados de las pruebas se midieron mediante radiografías y conteos físicos de la porosidad en cada muestra de soldadura. La preparación para la radiografía se muestra en la Figura 2. Los métodos de preparación de superficies se clasificaron con base en el promedio de porosidad que presentaban las 10 muestras de soldadura. Las muestras de soldadura individuales se dividieron en (4) de 3" y se evaluó la porosidad en cada intervalo. Los resultados se muestran en las Figuras 3 y 4. Los resultados de la Figura 3 no incluyen el primer intervalo de 3" (inicio de la soldadura). Los resultados de la Figura 4 incluyen los 4 intervalos. Esta área al principio de la soldadura presentó la mayoría de la porosidad que se formó en el largo completo de la soldadura. No hubo cambio en la clasificación con y sin el área de inicio de la soldadura.

Figura 2


Figura 3


Figura 4

Conclusiones

Todos los resultados de las pruebas sin incluir el área de inicio de la soldadura presentaron niveles aceptables de porosidad según el Código de aluminio estructural AWS D1.2-90. Se observaron diferencias en la cantidad de porosidad presente como consecuencia de los diferentes 
métodos de preparación de superficies. Se puede determinar que, excluyendo la zona de inicio de soldadura, el método con mecanizado en seco fue el mejor; sin embargo, varias de las otras herramientas estuvieron muy cerca de lograr el mismo resultado. Los resultados con el disco flap de grano 60 de circonio y con el cepillo de alambre de acero inoxidable de .020"se acercaron al de mecanizado en seco. Los resultados mostraron:

 Ninguna ventaja en especial comparado con el uso de discos de fibra sin hierro.
 Aunque los resultados no fueron decisivos, las pruebas indicaron que lo 
   mejor es limpiar justo antes  de soldar.
 Tanto los cepillos de alambre como los abrasivos revestidos son igualmente 
   eficaces para limpiar aluminio antes de soldar.

Se debe entender que la limpieza de la superficie es únicamente uno de los aspectos del control total del proceso que se debe tener en marcha para eliminar el hidrógeno del área que se desea soldar y garantizar soldaduras de alta calidad.

Para obtener una copia completa de este informe, comuníquese al Departamento de servicios de mercadeo de Weiler Corporation al 570-595-7495, Ext. 212. Para dirigir preguntas técnicas, comuníquese con Frank Hettes, Vicepresidente de Desarrollo de productos de Weiler, al 570-595-7495, Ext. 238.