Tecnologías
de unión

Soldadura Arco

Las tecnologías de unión y entre ellas los procesos de soldadura ocupan un papel clave en la ingeniería resultando imprescindibles para la fabricación actual de componentes, donde muchos de ellos presentan alguna unión soldada. La capacidad de crear uniones resistentes mecánicamente cuyas propiedades no se degraden en el tiempo es fundamental y se debe tener en cuenta en las etapas de diseño, fabricación e inspección. Estas uniones están presentes tanto en las grandes construcciones (edificios, transporte, conducciones de fluidos, etc.) como en las más pequeñas (dispositivos electrónicos, pequeños componentes,…). Es por ello que las tecnologías de unión se identifican como tecnologías facilitadoras clave para el desarrollo de procesos de fabricación innovadores y sostenibles.

En este contexto los procesos de soldadura por arco eléctrico ocupan una posición histórica relevante. Desarrollados intensamente a partir de la Primera Guerra Mundial, llegan hasta nuestros días como tecnologías maduras pero en continua expansión, demostrando durante este tiempo su capacidad de adaptación a los requerimientos cambiantes de la industria. Hoy en día, la elevada calidad de las uniones realizadas por arco unida a una alta productividad de estos procesos y a un coste más ajustado que otras tecnologías de unión, permiten posicionar muy competitivamente la soldadura al arco en el mercado.

En los procesos de soldadura por arco, la fuente de energía que se emplea para la fusión de la materia prima es un arco eléctrico. Dicho arco se establece entre un electrodo, que puede ser consumible o no, y las dos partes del metal base que se pretende unir. Con aplicación de electrodo consumible destacan los procesos MIG/MAG (de sus siglas en inglés Metal Inert or Active Gas); entre los de electrodo no-consumible destacan el proceso TIG (de sus siglas en inglés Tungsten Inert Gas) o el PAW (de la terminología inglesa Plasma Arc Welding) (ver Figura 1). Como procesos innovadores en el mercado cabe destacar variantes del proceso convencional MIG/MAG con un aporte térmico controlado y mayor estabilidad del arco eléctrico, como el proceso Cold Metal Transfer-CMT desarrollado por el fabricante austríaco Fronius, o variantes del proceso convencional TIG de mayor productividad como los procesos ArcTIG, TIGger o TIGSpeed desarrollados por diferentes fabricantes de equipos de soldadura.

Soluciones innovadoras

Actualmente el desarrollo de soluciones innovadoras en este ámbito está dirigido a incrementar la productividad de los procesos convencionales, mejorando asimismo la calidad de estas uniones soldadas. En paralelo, destaca la tendencia global hacia la digitalización y automatización de los procesos industriales o Industria 4.0 que irrumpe con fuerza en este ámbito impregnando la práctica totalidad de los desarrollos actuales dirigidos a los procesos de soldadura al arco. En líneas generales, persiguiendo los mismos objetivos anteriormente citados: elevar la productividad manteniendo una excelente calidad de la unión soldada, y adicionalmente impulsando la mejora en la trazabilidad y robustez de los procesos convencionales.

De forma más concreta, cabe destacar que hoy en día las innovaciones y mejoras en estos procesos están dirigidos hacia:

  • Adaptar los procesos de soldadura al arco convencionales a la amplia variedad de materiales a unir, incluyendo nuevos materiales como las aleaciones ligeras de titanio o aluminio, las superaleaciones base níquel, o materiales recubiertos como el acero galvanizado, entre otros.
  • Abordar uniones disimilares entre dos aleaciones metálicas (p.ej. uniones de acero con aleaciones de Al o Mg, uniones entre aleaciones de colada y aleaciones de forja, etc. )
  • Ampliar el intervalo de espesores de las partes a unir, considerando la tendencia global hacia el aligeramiento de las estructuras. y la introducción de nuevos materiales.

En qué estamos trabajando actualmente

El área de conocimiento en procesos de soldadura al arco de Lortek aborda líneas de investigación de carácter básico y líneas de investigación aplicada, orientadas hacia las necesidades industriales. Lortek dirige así mismo su actividad hacia la transferencia de conocimiento y soluciones hacia el tejido industrial.

Entre las líneas de especialización de Lortek enfocadas en dar soporte al tejido industrial en el ámbito de los procesos de soldadura al arco destacan:

  • Estudio de procesos de soldadura al arco innovadores dirigidos a incrementar la productividad, mejorar la calidad de la unión soldada y/o reducir el coste del proceso en comparación con las alternativas tradicionales que ofrece el mercado:
    • Procesos tipo tándem o de doble electrodo.
    • Procesos MIG/MAG de bajo aporte térmico.
    • Procesos TIG de alta productividad.

  • Monitorización de los procesos de soldadura al arco:
    • Adquisición, almacenamiento y visualización de variables eléctricas y variables de proceso en tiempo real (voltaje, intensidad, velocidad de hilo, velocidad de avance de soldadura, caudal de gas, posición de la antorcha, etc.).
    • Control de la calidad en línea: sensorización del proceso (cámaras de alta velocidad, termografía, sensores acústicos…).
    • Seguimiento de junta.

  • Control del proceso de soldadura: control adaptativo o control en tiempo real el proceso de soldadura.

  • Estudio de los procesos de unión y los procesos de reparación, recargue anticorrosivo y anti-desgaste por soldadura al arco.

  • Metalurgia de las uniones soldadas:
    • Caracterización metalúrgica de las uniones soldadas.
    • Estudio de la soldabilidad de aleaciones metálicas o uniones disimilares.
    • Estudio de los mecanismos y fenómenos de agrietamiento en caliente y frío, sensibilización y enfragilización asociados a la soldadura.
    • Optimización del comportamiento a corrosión de uniones de aceros inoxidables.
    • Estudio de tratamientos térmicos post-soldadura: evolución microestructural y de las propiedades de la unión.
  • Evaluación de la calidad en las uniones soldadas: defectología (i.e. porosidad, agrietamiento, faltas de fusión,…). Métodos destructivos y no destructivos. por soldadura al arco.
  • Equipamiento específico

    Planta piloto para el estudio de los procesos de soldadura al arco donde contamos con diversas células de soldadura robotizadas flexibles, con capacidad de adaptación de la configuración de las mismas (diferentes fuentes de potencia, modelos de antorcha, robots KUKA, FANUC, ABB, ejes externos, etc.).

    Las células de soldadura están disponibles para las actividades de I+D básicas y aplicadas y actividades de transferencia de tecnología, incluyendo fabricación de prototipos.

    Ofrecemos diferentes servicios de transferencia tecnológica a la industria.

    • Desarrollo y optimización de parámetros de soldadura para diversos procesos.
    • Desarrollo de procedimientos de soldadura.
    • Capacidad de adaptación a distintos códigos y normativas.
    • Diseño de uniones.
    • Selección de consumibles.
    • Estudios comparativos de diferentes procesos de soldadura o diferentes tecnologías. Selección.
    • Pruebas de concepto a escala laboratorio o ensayos de viabilidad para estudiar la industrialización del proceso y la integración del mismo en la cadena de producción.
    • Fabricación del primer demostrador: desarrollo de producto aplicando nuestro conocimiento y experiencia en soldadura.

    Conoce nuestro equipamiento específico:

    • 5 fuentes de potencia que dan acceso a un amplio abanico de tecnologías: Fronius TPSi, Fronius Transpuls (2), EWM Activarc, SBI plasma arc.
    • 1 eje lineal FLEXTRACK45 de Fronius para soldadura longitudinal mecanizada.
    • Robots de 6 ejes y 2 ejes externos adicionales FANUC y ABB.
    • CAD/CAM software: SKM y RobotStudio.
    • Arquitectura de comunicaciones desarrollada para captación, almacenamiento y visualización de variables de proceso.
    • Equipamiento disponible para control de proceso: seguidor de junta SERVO-ROBOT y SCANSONIC, cámaras termográficas, cámaras de alta velocidad, sensor acústico, pirómetros, termopares, cámaras de visión, etc.

    Publicaciones
    y descargas

    Publicaciones
    2019
    P. Alvarez, L.Vazquez, N. Ruiz, P. Rodriguez, A. Magaña, A. Niklas, F. Santos.
    “Comparison of hot cracking susceptibility of TIG and laser beam welded alloy 718 by Varestraint testing”. Metals, 2019.

    Casos de éxito

    Proceso de soldadura por arco de puntales para encofrado galvanizados

    Desafío

    La problemática asociada a los procesos de soldadura al arco de componentes galvanizados tiene su origen en la vaporización del Zinc que ocurre debido a las elevadas temperaturas características del arco voltaico. Estos vapores, que ejercen una elevada presión en la intercara recubrimiento-sustrato, cuando no son adecuadamente expulsados durante el proceso de soldeo quedan atrapados en el baño de soldadura y forman discontinuidades superficiales, esto es, defectos en forma de poros. Además de la porosidad descrita, la soldadura de aceros galvanizados lleva tradicionalmente asociada una elevada presencia de salpicaduras y, por tanto, una baja calidad estética de la misma. Por otra parte, los contaminantes residuales de la soldadura pueden afectar a la resistencia a la corrosión e interferir con las funciones del recubrimiento.

    Solución

    Desde Lortek se realiza un estudio comparativo de las distintas soluciones disponibles en el mercado para la soldadura por arco de aceros galvanizados, incluyendo diversas variables de estudio: tipo de consumibles (incluyendo hilos metálicos macizos y tubulares), diferentes gases de protección), tipo de proceso arco (procesos de bajo aporte térmico específicamente diseñados para este tipo de materiales (i.e. LSC, PMC, CMT, ), variables de proceso (intensidad de corriente, velocidad de avance de soldadura, etc.), estado inicial de la capa de recubrimiento, etc.

    Optimización y homologación del proceso de soldadura de tubos de un nuevo acero superdúplex

    Desafío

    Para la industria química y en concreto en las plantas industriales dedicadas a la fabricación de fertilizantes es un reto asegurar unas buenas propiedades en las uniones de aceros dúplex o superdúplex empleados en la fabricación de tubos para diversas infraestructuras. Esto es especialmente importante en el caso de realizar soldaduras en campo sobre todo cuando las soldaduras están expuestas a ambientes altamente corrosivos. El objetivo principal es asegurar unas buenas propiedades mecánicas, con una adecuada relación entre resistencia y tenacidad, junto con un buen comportamiento frente a la corrosión tanto de la soldadura como de la zona afectada térmicamente, evitando la formación de fases intermetálicas frágiles y asegurando un balance adecuado entre las fases austenita y ferrita.

    Solución

    Lortek participa en este proyecto en la fase de diseño y definición del proceso de soldadura a tope de tubos de un nuevo acero superdúplex en desarrollo por parte de la empresa vasca TUBACEX. Lortek define diversos niveles de actuación para afrontar la problemática descrita: * identificación de la influencia de los parámetros críticos: aporte térmico y temperatura entre pasadas en el proceso de soldadura del acero superdúplex por TUBACEX y homologación del proceso de soldadura TIG tanto automático como manual. En la Figura 4 se incluye un detalle de uno de los procedimientos de soldadura desarrollados por Lortek para TUBACEX en el marco de este proyecto.

    Retos

    Desafíos que hay que afrontar en los próximos años:

    Actualmente el mercado demanda procesos de soldadura al arco altamente eficientes, de alta productividad, robustos, repetitivos, donde se espera una calidad de las uniones excelente y menos dependiente de la mano de obra especializada. A estas exigencias se suma una presión creciente en la industria por reducir costes, la escasez en el mercado laboral de soldadores experimentados y una tendencia global hacia la utilización de nuevos materiales, nuevas combinaciones de los mismos y en espesores lejos de la práctica tradicional.

    Para hacer frente a estos retos los fabricantes desarrollan procesos innovadores basados en controles digitales del arco eléctrico avanzados estableciendo complejas relaciones entre las principales variables de proceso. Dirigidos a sectores y procesos industriales específicos buscan aumentar la velocidad de avance de soldadura, la tasa de aporte de material, reducir el aporte térmico y/o controlar la transferencia del metal a través del arco eléctrico reduciendo las proyecciones y la generación de defectos.

    Por otra parte, la digitalización de los procesos y la generación masiva de datos, permiten realizar aproximaciones novedosas al proceso de soldadura al arco basadas en la información captada, desconocida hasta ahora.

    La estrategia de Lortek se basa en la monitorización de los desarrollos tecnológico más importantes en el mercado, el desarrollo y personalización de soluciones propias y la transferencia excelente al tejido industrial para solventar los retos y necesidades de cada cliente y aplicación. Lortek persigue mantener una posición estratégica como colaborador tecnológico de primera elección en la identificación de soluciones, en el estudio preindustrial y en el acompañamiento durante la implementación industrial de las mismas para procesos de soldadura al arco.

    Dr. Pedro Álvarez

    Investigador Referente en WAAM, Uniones Arco y Láser.

    Doctor en Ciencias por la Universidad de Navarra. Desde 2007 es investigador en el área de Procesos. Actualmente lidera proyectos de investigación relacionados con tecnologías avanzadas de unión y fabricación aditiva de componentes metálicos. Está especializado en metalurgia y soldabilidad, tecnologías de soldadura (arco, láser, resistencia, fricción-agitación, chisporroteo). recargue y procesos de fabricación aditiva. Ha liderado diferentes proyectos europeos (2) y participado en otros como investigador (7). A nivel nacional ha participado en más de 60 proyectos de investigación básica y de investigación aplicada e innovación con empresas. Ha participado en numerosas conferencias internacionales relacionadas con fabricación aditiva y tecnologías de unión (más de 30) y es autor de 26 artículos científicos indexados que han sido referenciados 356 veces.

    Es miembro del comité Técnico de Normalización AEN/CTN 14.

    Es delegado de LORTEK en las plataformas europeas AM Platform y Joining Platform. Tiene buenas competencias de comunicación en euskara e inglés (certificado CAE), compromiso pleno y pasión por la investigación, el aprendizaje continuo y el desarrollo de negocio.

    Es profesor y coordinador del Curso de Ingeniero Internacional de soldadura (IWE) y del Master de Fabricación Aditiva Industrial (Universidad de Mondragón).

    En noviembre de 2018 recibió el reconocimiento del Gobierno Vasco como investigador excelente por su labor investigadora y mérito científico tecnológico.