Porosidad e influencia de las mangueras en la soldadura de aluminio

La formación de poros en la soldadura de aluminio se suele considerar algo inevitable y se suele incurrir en el error de aceptar un contenido excesivo de poros o descartar por completo la posibilidad de reducirlos porque “es imposible soldar aluminio sin que se formen poros”.

Son muchos los posibles factores causantes de la formación de poros en una soldadura de aluminio. Una de las principales causas es el hidrógeno. Éste puede proceder de diversas fuentes, como los hidrocarburos de la grasa, aunque normalmente su presencia se achaca a la humedad. La humedad, a su vez, puede tener distintos orígenes. Los más conocidos son las corrientes de aire, la condensación de humedad en la superficie del metal o en la superficie del alambre de soldadura, el aire que se filtra por grietas en el sistema de suministro de gas de protección, etc. Otra posible fuente —menos conocida— de humedad es la manguera del gas de protección.

Puede distinguirse entre poros de origen mecánico y metalúrgico en función del proceso de formación en el metal depositado. Se denominan poros de origen mecánico aquellos que se deben a la encapsulación de gases por motivos estructurales. Este documento aborda la formación de poros de origen metalúrgico, esto es, los provocados por el distinto grado de solubilidad de los gases de los metales en las fases sólida y líquida. En la transición de la fase líquida a la fase sólida los gases disueltos deben eliminarse. Es lo que se denomina desgasificación.

En el caso del aluminio, el hidrógeno se considera la principal causa de porosidad. La solubilidad del hidrógeno en aluminio cambia de forma irregular en la fase de transición líquido/sólido. Durante el proceso de solidificación y formación de cristales, el hidrógeno se deposita en el fundente. El fundente se enriquece con hidrógeno. Si no se completa el proceso de desgasificación antes de que finalice la fase de solidificación, parte del hidrógeno queda atrapado entre los granos, formando porosidades (figura 1).

Dado que la conductividad térmica del aluminio es muy elevada, la velocidad de solidificación es relativamente alta. Por consiguiente, las burbujas de gas a menudo no pueden subir a la superficie del baño. Las rebasa el frente de solidificación y quedan atrapadas entre los granos, formando poros.

La cantidad de burbujas de gas que queden atrapadas dependerá de la tasa de solidificación. El aluminio puro posee un punto de solidificación definido, lo que lo hace especialmente susceptible a la formación de poros. Las aleaciones de aluminio, por su parte, poseen un intervalo de solidificación. Cuanto mayor sea dicho intervalo, más dura el proceso de cristalización y menor serán las probabilidades de que se formen porosidades en la aleación de aluminio.

Es posible reducir la porosidad utilizando materiales de base o de soldadura menos sensibles. No obstante, resulta más eficaz reducir el nivel de hidrógeno o humedad en la zona de soldadura.

Fuentes de hidrógeno en la soldadura de aluminio GMAW (soldadura por arco metálico en atmósfera de gas):

• Presencia de aceite y grasa en la superficie de la chapa
• Presencia de hidrógeno en las chapas de aluminio
• Presencia de hidrógeno en el alambre de soldadura
• Humedad

Fuentes de humedad:

• Películas de óxido en la superficie del alambre de soldadura o de la chapa
• Presencia de condensación de vapor de agua en la superficie del alambre de soldadura o de la chapa
• Presencia de aire en la zona de soldadura debido a una posición errónea del soplete
• Inyección de aire en la zona de soldadura debido a turbulencias en el flujo de gas de protección provocadas por suciedad depositada en la boquilla de gas.
• Presencia de aire en la zona de soldadura debido a los cables del soplete
• Presencia de aire en la zona de soldadura debido al cableado del sistema de suministro de gas
• Mangueras

La condensación se produce cuando el metal de base o de relleno está más frío que la temperatura ambiente. Por tanto, es necesario asegurarse de que el material de base se introduce en las instalaciones con suficiente antelación como para alcanzar la temperatura ambiente antes de proceder al soldado. El material de relleno no debe almacenarse por debajo de la temperatura ambiente de las instalaciones.

La siguiente ilustración muestra algunos casos de absorción de humedad directamente en la zona de soldadura.

Una de las fuentes de humedad en el gas de protección son las mangueras. Los plásticos disuelven y transportan la humedad. En este contexto se habla de:

• Absorción
• Difusión
• Permeabilidad
• Saturación
• Efusión

La humedad presente en la manguera es absorbida y transportada al gas de protección debido a la permeabilidad y la saturación. Los plásticos pueden absorber la humedad, hasta alcanzar su grado de saturación, y transferirla al gas de protección.

Si se absorbe o emite humedad, y en qué cantidad, depende del contenido de humedad y el grado de saturación del material.

El caso de la manguera de gas de protección es bien sencillo: el aire que rodea a la manguera contiene entre el 50 y el 60% de humedad relativa, lo que se corresponde con una humedad absoluta de 14.000 ppm – 17.000 ppm. La humedad absoluta del gas de protección del interior de la manguera es de en torno a 5 ppm. El gradiente de concentración es muy elevado y por tanto también lo es la presión de difusión. La manguera absorbe la humedad del aire y la transfiere al gas de protección.

Habida cuenta de que el hidrógeno es la principal causa de la porosidad de las soldaduras de aluminio y que la manguera es una de las principales fuentes de humedad, es necesario formularse dos preguntas básicas relativas a la relación entre humedad y porosidad:

1. ¿Cuánta humedad se introduce a través de la manguera?
2. ¿Cuánta humedad puede asumirse en el proceso de soldadura?

Para hallar esta relación llevamos a cabo un análisis basado en ensayos prácticos. El objetivo era averiguar la cantidad de humedad que se introduce en el proceso de soldadura, y durante cuánto tiempo, según el material de las mangueras. Para responder a la segunda pregunta, contaminamos el gas de protección con humedad y comprobamos con qué nivel de concentración se formaban los primeros poros apreciables. Utilizamos la soldadura por arco metálico en atmósfera de gas (GMAW), una de las técnicas de soldadura de aluminio más habituales.

3.1 ¿Cuánta humedad se introduce a través de la manguera?

Para responder a esta pregunta realizamos varios ensayos con mangueras de distintos materiales. Nuestro propósito era averiguar cuánta humedad se transfiere del material de la manguera al gas de protección y cuánto tiempo es necesario para que el gas esté en buenas condiciones. Todos los ensayos se realizaron con mangueras de 10 metros. Utilizamos mangueras de uso comercial, adquiridas en una tienda especializada en consumibles de soldadura. Antes de iniciar las pruebas, todas las mangueras permanecieron un tiempo almacenadas en nuestro laboratorio a una temperatura ambiente de 23 °C y una humedad muy baja, del 35%. La humedad absoluta era aproximadamente 10.000 ppm. El caudal de purga del gas de protección era de 10 l/min. Como gas de protección utilizamos argón de soldadura al 99,996%.

Para medir el contenido de humedad presente en el gas de protección en el segmento final de las mangueras utilizamos un dispositivo adecuado que permitía medir el intervalo de ppm.

El PTFE es especialmente resistente a la humedad, por lo que hicimos pruebas con este material para obtener valores de referencia.

Como puede observarse en este gráfico, el grado de saturación es distinto en cada material. La concentración inicial de humedad del gas de protección varía. El tiempo necesario para alcanzar una concentración constante también es diferente. El nivel más bajo alcanzable depende del material del que esté fabricada la manguera.

Después de varios minutos soldando, el contenido de humedad del gas de protección puede llegar a unos cuantos cientos de ppm.

Durante el proceso de purga la concentración de humedad de las mangueras disminuye. Según los resultados obtenidos, no es posible obtener un gas de protección de calidad aceptable con ninguna manguera de PVC. La alternativa más costosa es el PTFE. El PTFE ofrece tiempos de purgado breves y permite obtener una baja concentración de humedad. Sin embargo, entre sus principales desventajas se cuenta el hecho de que se dobla fácilmente y por tanto no puede utilizarse en rollo. Los resultados de los ensayos con PE fueron muy satisfactorios, pero la baja permeabilidad de este material también depende de los parámetros utilizados durante su fabricación. Por consiguiente, una manguera de otro fabricante puede arrojar resultados diferentes.

Hace años se inició un proyecto de investigación. Su objetivo era evaluar la permeabilidad de las mangueras y la cantidad de humedad que transferían los distintos materiales, afectando al proceso de soldadura. En realidad las mangueras no estaban indicadas para usarse enrolladas, como kits de mangueras de soldadura, pero los resultados de este proyecto corroboran las mediciones.

3.2 ¿Cuánta humedad puede asumirse en el proceso de soldadura?

En la bibliografía podemos hallar dos respuestas. McClure documentó la formación de poros con concentraciones de hidrógeno de hasta 100 ppm. La norma DIN EN ISO 14175 clasifica los gases y sus mezclas en distintos grupos. Los niveles de humedad admisibles son los siguientes: para el argón puro 40 ppm, para mezclas de dos componentes 80 ppm y para mezclas de tres componentes 120 ppm.

Ninguna de las respuestas es muy satisfactoria. Para poder averiguar la relación entre humedad y porosidad era necesario basar nuestro juicio en ensayos de carácter más práctico. Utilizamos la técnica de soldadura GMAW. Nuestro objetivo era averiguar el umbral de humedad en el que aparecen los primeros poros. En todos los ensayos de soldadura que llevamos a cabo el gas de protección se humedeció sistemáticamente con agua destilada. A continuación, se introdujo directamente en el soplete mediante mangueras de PTFE, para evitar toda influencia del material de la manguera. Medimos el contenido de humedad del gas de protección justo delante del soplete. En los distintos ensayos de soldadura se utilizaron varios contenidos de humedad dentro de un intervalo de entre 0 ppm y 2000 ppm.

Para medir el contenido de humedad presente en el gas de protección utilizamos un dispositivo adecuado que permitía medir el intervalo de ppm. Para asegurarnos de obtener un valor fiable del contenido de humedad, realizamos las mediciones inmediatamente frente al soplete.

Las muestras se soldaron mediante un proceso mecanizado de soldadura. De este modo nos aseguramos de que los resultados fuesen totalmente reproducibles. Para evitar los efectos de la preparación de las separaciones en los resultados, recurrimos a la soldadura por colada continua.

En la figura 6 se puede apreciar el suministro directo de gas de protección que recibe el soplete y la conexión de la manguera para medir el nivel de humedad.

Como material de base utilizamos una de las aleaciones de aluminio más habituales. AIMg³ es una de estas aleaciones, y se caracteriza por poseer una buena soldabilidad. Utilizamos alambre de soldadura AlMg 4,5 Mn.

El aumento de la humedad en el gas de protección es directamente proporcional a la formación de microporos (figura 7). Este tipo de poros pequeños y de disposición uniforme es típico de la soldadura GMAW (soldadura por arco metálico en atmósfera de gas). En las radiografías es difícil apreciar los poros.

Para poder apreciarlos realizamos una serie de microsecciones. Ello permitió comprobar la influencia de la humedad (Ver figura 8).

La evaluación y clasificación de los poros según su diámetro y frecuencia se realizaron de conformidad con DIN EN ISO 10042. Clasificaremos los poros en distintos grupos atendiendo a su diámetro y frecuencia. Debido a su reducido tamaño, es fácil que estos poros pasen inadvertidos.

Las mezclas de gases de protección más habituales contienen argón y helio. Las ventajas ya conocidas de los distintos gases de protección saltan a la vista. Cuanto mayor sea el porcentaje de helio, menos grumos tienen las costuras y mayor es la penetración.

Pero además de estas propiedades bien conocidas, según nuestros hallazgos, la composición del gas de protección influye en el grado de porosidad.

El análisis de las radiografías permitió documentar el primer “cambio en la configuración de la costura”. La evaluación arrojó los siguientes resultados:

Gas de protección radiografías microsecciones

• Argón 4,6 desde unas 490 ppm 300 ppm

• Aluline He30 desde unas 800 ppm 600 ppm

• Aluline He50 desde unas 1.250 ppm 1.000 ppm

Los límites indicados reflejan el primer cambio visible en la configuración de las costuras con respecto a las microsecciones. Cuanto mayor es el contenido de humedad más poros se forman y más visibles se hacen.

Para limitar adecuadamente la formación de poros en la soldadura de aluminio se deben evitar todas las posibles fuentes de hidrógeno o de humedad. Por consiguiente, es necesario:

• Preparar el material de base inmediatamente antes de proceder al soldado
• Comprobar la temperatura del material de base
• Almacenar el alambre de soldadura en un lugar cálido, seco y cubierto
• Utilizar el alambre ya abierto lo antes posible
• Realizar periódicamente pruebas de estanqueidad de la maquinaria y el equipo de soldadura
• Retirar incrustaciones de la boquilla de gas (para evitar turbulencias en el chorro de gas)
• Comprobar la existencia de fugas en el sistema de suministro de gas

El sistema de suministro de gas es muy delicado. Comienza en el regulador de presión y termina en la boquilla de gas. Es necesario inspeccionar los siguientes componentes periódicamente:

1. regulador de presión – estanqueidad
2. racor de la manguera en el regulador de presión – estanqueidad
3. manguera del cilindro al equipo de soldadura – estanqueidad, porosidad, material
4. racor que conecta la manguera al equipo de soldadura – estanqueidad
5. mangueras internas del equipo de soldadura (cuando sea posible) – estanqueidad, porosidad, material
6. manguera interna del sistema de mangueras – estanqueidad, porosidad, material
7. soplete y boquilla de gas – estanqueidad
8. alimentador de alambre – estanqueidad
9. boquilla del alambre y tubo guía de alambre – tamaño correcto

Las fugas, por pequeñas que sean, aumentan notablemente la presencia de aire y, por tanto, el nivel de humedad del gas de protección. La porosidad de las mangueras de gas de protección, incluso aunque sea baja, introduce aire en el sistema. Se suele pensar, erróneamente, que donde hay una fuga de gas no puede entrar el aire. Esto no es cierto. Por consiguiente, es recomendable sustituir las mangueras viejas. De este modo se ahorra dinero, tiempo y complicaciones.

Si el proceso de soldadura sigue generando porosidad se puede utilizar una mezcla de gas con base de argón y un porcentaje de helio de entre el 30% y el 50%.

Bibliografía

[1] Wolfgang Bergmann, Hanser Studien Bücher, Metallkunde Teil 1 [1989]: Grundlagen.

[2] Wolfgang Bergmann, Hanser Studien Bücher, Metallkunde Teil 2 [1991]: Anwendung.

[3] K. Röhrs, V. Michailov, H. Wohlfahrt, Institut für Schweißtechnik TU Braunschweig: Einfluß von Beimengungen zum Schutzgas beim Lichtbogenschweißen von Aluminiumwerkstoffen.

[4] Professor Dr.-Ing. Ulrich Dilthey, RWTH Aachen: Schweißtechnische Fertigungsverfahren 1 (2006).

[5] Professor Dr.-Ing. Ulrich Dilthey, RWTH Aachen: Schweißtechnische Fertigungsverfahren 2 (2005).

[6] B. Gorniak, T. Kleinbongartz, M. Holthaus und S. Keitel, Duisburg – DVS Berichtsband 275 / 2011: Einfluss der Nahtunregelmäßigkeiten auf die bruchmechanischen Kennwerte von WIG-geschweißten Aluminiumrohren.

[7] Dr. W. Mantel, München: Die MIG-Schweißung von Al-Legierungen (1965).

[8] Lic. Ingeniería B. Haas, Linde AG, Unterschleißheim: Schutzgasschweißen von Aluminium, Al-Dickdrahtverfahren, Einfluss des Heliums im Schutzgas (1972).

[9] U. Reisgen, U. Dilthey und D. Kampffmeyer, Aachen, DVS-Berichtsband 250 - Der Einfluss von Gasschläuchen beim Lichtbogenschweißen.

[10] Lic. Ingeniería Sven-Fridjof Goecke: Auswirkungen von Aktivgaszumischungen im vpm-Bereich zu Argon auf das MIG-Impulsschweißen von Aluminium (August 2004).

[11] Thier, H.: Ursachen der Porenbildung beim Schutzgasschweißen von Aluminium und Aluminiumlegierungen, Schweißen und Schneiden 25 (1973).