Qué es la soldadura por arco sumergido?

La soldadura por arco sumergido (SAW), también conocida como soldadura automática por arco sumergido, es un método de soldadura por fusión en el que un arco eléctrico arde bajo una capa de fundente granular. Siendo uno de los métodos de soldadura mecanizada más eficientes disponibles en la actualidad, su proceso se completa bajo la protección del fundente, logrando automatización y alta eficiencia.

Sus ventajas, como la alta tasa de deposición, la excelente calidad de la soldadura, la alta eficiencia de producción y la mínima emisión de luz y humos del arco, la convierten en el proceso preferido para soldaduras rectas largas o soldaduras circunferenciales de gran diámetro. Es el principal método de soldadura en la fabricación de recipientes a presión pesados, tuberías de gran diámetro (como las tuberías de acero LSAW/SSAW), barcos, puentes y otras estructuras de acero importantes.

En los últimos años, a pesar de la aparición de diversos métodos de soldadura nuevos, altamente eficientes y de alta calidad, la soldadura por arco sumergido se mantiene firmemente establecida en sus ventajosas áreas de aplicación (soldaduras de gran volumen, largas y planas). En cuanto a la proporción de metal depositado en la fabricación industrial, la soldadura por arco sumergido ha mantenido una proporción estable de aproximadamente el 10%, lo que demuestra plenamente su papel fundamental en la fabricación de estructuras pesadas y críticas.

Principio del proceso de soldadura por arco sumergido: 

Durante la soldadura, se genera un arco eléctrico entre el alambre de soldadura alimentado continuamente y el metal base bajo una capa de fundente. El calor del arco funde el alambre de soldadura, parte del fundente y el metal base, formando un baño de fusión. Tras la solidificación del baño de fusión, se forma una soldadura y la superficie se cubre con escoria fácilmente eliminable. Todo el proceso está automatizado, con parámetros estables y buena reproducibilidad.

Proceso de soldadura automática por arco sumergido:
La soldadura automática por arco sumergido es un método de soldadura en el que el arco eléctrico se quema bajo una capa de fundente, y todo el proceso se completa automáticamente mediante maquinaria.

1. Preparación: Se aplica fundente granular uniformemente a la unión de la pieza de trabajo a través de un embudo. El alambre de soldadura desnudo se introduce en el área de soldadura a través de una punta de contacto mediante un mecanismo de alimentación de alambre. 

2. Ignición del arco y soldadura: Tras la energización, el alambre de soldadura y la pieza de trabajo encienden el arco eléctrico bajo la capa de fundente. El calor del arco funde el fundente local, el alambre de soldadura y el metal base, formando un baño de metal fundido protegido por escoria.

3. Movimiento automático: El carro de soldadura (que integra el mecanismo de alimentación de alambre, el embudo de fundente y el panel de control) transporta el arco eléctrico y se mueve a velocidad constante a lo largo del cordón de soldadura. El metal frontal se funde continuamente, mientras que el baño de metal fundido posterior se enfría y solidifica para formar el cordón de soldadura, y la escoria se solidifica formando una capa de escoria.

4. Funciones del material: El alambre de soldadura sirve como metal de aportación y electrodo, mientras que el fundente desempeña un papel en la protección, el tratamiento metalúrgico y la mejora de la formación de la soldadura. Este diseño independiente permite una optimización independiente; por ejemplo, el alambre de soldadura H08A combinado con el fundente HJ431 se utiliza a menudo para soldar acero con bajo contenido de carbono. Las fuentes de alimentación de alta capacidad para soldadura por arco de CC o CA se utilizan comúnmente.

Ventajas y limitaciones de la soldadura por arco sumergido:

Ventajas:
1. Alta calidad de la soldadura: El baño de fusión está bien protegido, lo que resulta en menos impurezas en el metal de soldadura. Con la selección adecuada del proceso de soldadura, se obtienen soldaduras estables y de alta calidad con mayor facilidad.

2. Alta eficiencia de producción: La longitud de extensión del alambre (desde la punta de la boquilla de contacto hasta la punta del arco) en la soldadura por arco sumergido es mucho menor que la de la soldadura por arco manual, generalmente alrededor de 50 mm. Además, utiliza alambre desnudo, lo que evita que el recubrimiento del electrodo se ponga al rojo vivo al aumentar la corriente. Esto permite el uso de una corriente mayor (5-10 veces mayor que en la soldadura manual), lo que resulta en una mayor penetración y una mayor productividad. Para soldaduras a tope inferiores a 20 mm, se eliminan los biseles y las holguras, lo que reduce la cantidad de metal de aportación.

3. Buenas condiciones de trabajo: Además de reducir la intensidad de trabajo de la operación manual, la luz del arco se integra bajo la capa de fundente, eliminando la radiación del arco, reduciendo los humos y aumentando la automatización, a la vez que reduce la intensidad de trabajo.
4. Ahorro de material y energía: Sin pérdida de carga del electrodo, lo que reduce el biselado del metal de aportación para placas de espesor medio y grueso; alta eficiencia térmica.

Limitaciones:
a. Ubicación limitada: Generalmente solo es adecuado para soldaduras horizontales o de ángulo pequeño (<15°).
b. Baja flexibilidad: El equipo es voluminoso e inadecuado para soldaduras cortas, irregulares y operaciones en espacios reducidos.
c. Altos requisitos de preparación: Se imponen requisitos estrictos en cuanto a la precisión del ensamblaje de la pieza, el biselado y la limpieza previa a la soldadura.
d. Proceso invisible: Los parámetros de soldadura deben supervisarse estrictamente y controlarse constantemente para garantizar la calidad.
e. Alta inversión inicial: Requiere equipo especializado y sistemas de recuperación de fundente.

Gran adaptabilidad de espesores y opciones de proceso:

La soldadura por arco sumergido es especialmente adecuada para soldar placas de espesor medio a grueso (normalmente de 6 mm a más de 300 mm). Sus opciones de proceso son flexibles:

a. Soldadura de un solo hilo: El método más básico y ampliamente utilizado.
b. Soldadura multihilo: El uso de hilos gemelos paralelos, hilos gemelos en tándem o hilos múltiples puede aumentar significativamente la eficiencia de deposición y la velocidad de soldadura. Se utiliza para placas ultra gruesas o aplicaciones con requisitos de productividad extremadamente altos. Para placas gruesas, la práctica habitual es utilizar soldadura multipasada con biselado para controlar con precisión la entrada de calor y la microestructura.

Soldadura por arco sumergido semiautomática:

La soldadura por arco sumergido semiautomática se realiza principalmente mediante manguera flexible. Se caracteriza por el uso de un hilo de soldadura de diámetro relativamente fino (2 mm o menos), que se introduce en el baño de fusión a través de una manguera curva. El movimiento del arco se realiza manualmente, mientras que la alimentación del hilo es automática. La soldadura semiautomática puede sustituir a la soldadura automática para soldar algunas soldaduras curvas y cortas, principalmente para soldaduras de filete, pero también para soldaduras a tope.

Selección de fluoruro y alambre:
La combinación del fundente y el alambre de soldadura es clave para maximizar el potencial de la soldadura por arco sumergido. Seleccionar el fundente y el alambre de soldadura adecuados para un proceso específico de soldadura por arco sumergido es crucial para obtener resultados óptimos. Si bien la soldadura por arco sumergido por sí sola es altamente eficiente, la productividad y la eficiencia pueden mejorarse aún más según el alambre y el fundente utilizados. El fundente no solo protege el baño de soldadura, sino que también contribuye a las propiedades mecánicas de la soldadura y aumenta la productividad. La formulación del fundente influye significativamente en estos factores, afectando la capacidad de conducción de corriente y la liberación de escoria. La capacidad de conducción de corriente se refiere a la capacidad de lograr la mayor eficiencia de deposición posible y un perfil de soldadura de alta calidad. La liberación de escoria de fundentes específicos influye en la selección del fundente, ya que algunos fundentes son más adecuados para ciertos diseños de soldadura que otros.

Una vez seleccionado el alambre de soldadura para la soldadura por arco sumergido según el grado del acero base, la elección del fundente adecuado resulta crucial para determinar el rendimiento general de la soldadura. El fundente no solo proporciona protección, sino que también afecta directamente las propiedades mecánicas del metal de soldadura (especialmente la tenacidad al impacto), la resistencia al agrietamiento, la tasa de defectos y la productividad de la soldadura mediante reacciones metalúrgicas.

El consumo de flúor se mide típicamente como la relación entre el fundente y la cantidad de alambre depositado. Para los fundentes fundidos convencionales, el coeficiente de consumo es de aproximadamente 1,0 a 1,2 (es decir, el peso del fundente consumido es aproximadamente de 1,0 a 1,2 veces el peso del alambre depositado). Los fundentes sinterizados (especialmente los cerámicos), debido a su menor densidad aparente y mayor adaptabilidad al proceso, suelen consumir entre un 10 % y un 30 % menos por unidad de peso que los fundentes fundidos bajo el mismo efecto del proceso, y reducen aún más las pérdidas de proceso gracias a sus excelentes propiedades de eliminación de escoria.

Tipos de flúor: 

Las opciones de selección de fundentes para soldadura por arco sumergido incluyen tipos activos y neutros. Una diferencia fundamental es que los fundentes activos alteran las propiedades químicas de la soldadura, mientras que los fundentes neutros no. Los fundentes activos se caracterizan por la presencia de silicio y manganeso. Estos elementos ayudan a mantener la resistencia a la tracción de la soldadura con altas entradas de calor, ayudan a mantener la soldadura suave a altas velocidades de avance y proporcionan una buena liberación de escoria.

a. Fundentes neutros: No alteran significativamente la composición química de la soldadura, son adecuados para soldaduras de múltiples pasadas y evitan la acumulación de elementos nocivos.
b. Fundentes activos: Contienen elementos desoxidantes como el silicio y el manganeso, que estabilizan el arco, mejoran la formación de la soldadura y la eliminación de escoria, especialmente beneficiosos para la soldadura de una o dos pasadas, pero pueden no ser adecuados para la soldadura de múltiples pasadas.

En general, los fundentes activos pueden ayudar a reducir el riesgo de una mala calidad de la soldadura y los costosos procesos de limpieza y retrabajo posteriores a la soldadura. Sin embargo, recuerde que los fundentes activos suelen ser más adecuados para la soldadura de una o dos pasadas. Los fundentes neutros son mejores para soldaduras multipasada de gran tamaño, ya que ayudan a evitar la formación de soldaduras frágiles y propensas a grietas.

Selección de alambre: Alambre sólido: El más utilizado, combinado con fundente para proporcionar las propiedades de soldadura requeridas. Alambre de soldadura con núcleo metálico: Puede mejorar la eficiencia de deposición entre un 15 % y un 30 %, a la vez que reduce la entrada de calor y el riesgo de deformación, lo que lo convierte en la opción preferida para soldaduras de alta eficiencia.

Cuándo se debe elegir la soldadura por arco sumergido?

La soldadura por arco sumergido es ideal cuando su producto cumple las siguientes características:

1. Forma estructural: Presenta cordones de soldadura rectos y largos o cordones circunferenciales de gran diámetro (como cordones longitudinales en tuberías y cordones circunferenciales en cilindros) para aprovechar al máximo sus ventajas de automatización y alta eficiencia.
2. Material y espesor: Se utiliza principalmente para acero al carbono o acero de baja aleación y alta resistencia, especialmente adecuado para soldar placas de espesor medio a ultragrueso, generalmente superiores a 6 mm.
3. Escala de producción: Adecuado para la producción en masa o la fabricación a gran escala de piezas individuales.
4. Posición de soldadura: Principalmente posiciones de soldadura planas o con ángulos muy pequeños.

Aplicaciones típicas exitosas:

a. Tuberías: Oleoductos y gasoductos de larga distancia (tuberías soldadas por arco sumergido con costura recta LSAW, tuberías soldadas por arco sumergido en espiral SAWH), tuberías municipales y de conservación de agua de gran diámetro.
b. Recipientes a presión y calderas: Costuras longitudinales y circunferenciales de tambores de calderas, contenedores de productos químicos y tanques de almacenamiento.
c. Estructuras pesadas de acero: Columnas cajón, vigas H, puentes tipo cajón, maquinaria portuaria y torres de aerogeneradores para edificios de gran altura.
d. Construcción naval e ingeniería marina: Placas de empalme planas de gran tamaño para cubiertas de barcos, mamparos y placas de fondo; cubiertas y módulos para plataformas marinas.
e. Fabricación y soldadura de maquinaria: Bases y bastidores para maquinaria de gran tamaño; Reparación de capas resistentes al desgaste y a la corrosión para rodillos grandes y álabes de turbinas.

Cuándo considerar otros métodos de soldadura?

Se recomienda optar por la soldadura MAG/MIG, la soldadura manual o la soldadura de espacio estrecho en las siguientes situaciones:

Posición de soldadura: Requiere soldadura en todas las posiciones, incluyendo soldadura vertical, horizontal y por encima de la cabeza.
Características de la pieza: Soldaduras cortas e irregulares o limitaciones de espacio estructural.
Materiales y espesor: Placas delgadas (<3 mm), acero inoxidable (comúnmente MAG) o aluminio (comúnmente MIG).
Flexibilidad de producción: Producción personalizada en lotes pequeños y de múltiples variedades.

Tendencias de desarrollo:

Con los avances tecnológicos, la aplicación de la soldadura por arco sumergido (SAW) está ampliando sus límites de las siguientes maneras:

1) SAW multialambre: Utilizando dos, tres o incluso cuatro alambres, la eficiencia de deposición puede aumentar de 2 a 4 veces, lo que resulta adecuado para soldar placas ultra gruesas o aplicaciones que requieren una productividad extremadamente alta.
2) Soldadura por arco sumergido de espacio estrecho: Se utiliza para soldar placas extremadamente gruesas (como en plantas de energía nuclear y recipientes a presión), lo que reduce significativamente la necesidad de metal de aportación y la deformación de la soldadura.
3) Integración con automatización/robótica: Mejora la flexibilidad y precisión de la soldadura en piezas complejas (como grandes superficies curvas).

Conclusión: 

La soldadura por arco sumergido sigue siendo el proceso de referencia para lograr eficiencia y calidad en la producción en masa de soldaduras rectas largas y circunferenciales de gran diámetro, ampliamente utilizadas en recipientes a presión, tuberías, estructuras pesadas de acero y construcción naval. Su valor es mayor en la soldadura de placas gruesas de gran volumen, regulares y en posición plana.

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