ES2204075T3

ES2204075T3 - Procedimiento de soldadura o corte por plasma o tig con gas no oxidante con contenido reducido de impurezas de h2o y/o de o2.

Info

Publication number: ES2204075T3
Application number: ES99400696T
Authority: ES
Inventors: Andre Borne; Francis Remy
Original assignee: Air Liquide SA; LAir Liquide SA a Directoire et Conseil de Surveillance pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Current assignee: Air Liquide SA; LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Priority date: 1998-03-26
Filing date: 1999-03-22
Publication date: 2004-04-16
Anticipated expiration: 2019-03-22
Also published as: US6069336A; DK0945207T3; EP0945207B1; CA2266931A1; BR9901037A; DE69908683D1; JPH11309579A; FR2776550B1; EP0945207A1; ZA992320B; PT945207E; FR2776550A1; DE69908683T2

Abstract

LA INVENCION SE REFIERE, POR UNA PARTE, A UN PROCEDIMIENTO PARA EL TRABAJO CON ARCO ELECTRICO, POR EJEMPLO, UN PROCEDIMIENTO DE CORTE CON PLASMA O SOLDADURA TIG, EN EL QUE UN SOPLETE SE ALIMENTA AL MENOS CON UN GAS NO OXIDANTE, ESTANDO DICHO SOPLETE DOTADO DE AL MENOS UN ELECTRODO DE METAL PURO O ALEADO, COMO POR EJEMPLO UN ELECTRODO DE VOLFRAMIO, CARACTERIZADO PORQUE DICHO GAS NO OXIDANTE CONTIENE UNA PROPORCION DE IMPUREZAS DEL TIPO DEL OXIGENO [O 2 ] INFERIOR A 80 PPMV Y UNA PROPORCION DE IMPUREZAS DEL TIPO DE VAPOR DE AGUA [H 2 O] INFERIOR A 400 PPMV Y, POR OTRA PARTE, EL MENCIONADO GAS DE SOLDADURA.

Description

Procedimiento de soldadura o corte por plasma o TIG con gas no oxidante con contenido reducido de impurezas de H_{2}O y/o de O_{2}.

La presente invención se refiere a un procedimiento de trabajo con arco eléctrico, tal como un procedimiento de soldadura por plasma o TIG, en el cual se utiliza un gas no oxidante que contiene una porción baja pero no nula de impurezas, en particular de impurezas de tipo oxígeno (O_{2}) y/o vapor de agua (H_{2}O).

En el alcance de la presente invención, se entiende por procedimiento de trabajo con arco eléctrico no solo un procedimiento de soldadura con arco, sino también un procedimiento de corte, de marcado, de recargue o de proyección, tales como los procedimientos con arco de plasma o TIG.

Habitualmente, una antorcha de trabajo con arco eléctrico, tal como una antorcha de corte por plasma, comprende un electrodo, fabricado en todo o en parte de un material emisor, el cual electrodo tiene una forma generalmente cilíndrica o cilíndrica-troncocónica, una tobera dispuesta coaxialmente con relación al electrodo y que forma un diafragma en el recorrido del arco por plasma, un circuito de refrigeración interno de la antorcha, particularmente del electrodo, y uno o más circuitos de distribución de gas de plasma en una cámara delimitada, por una parte, por el electrodo y su soporte y, por otra parte, por la parte interna de la tobera y de su soporte.

En funcionamiento, el electrodo esta unido a uno de los polos de una fuente de corriente, mientras que la tobera es unida al otro polo de dicha fuente de corriente.

Después de la ionización de una parte de un flujo gaseoso de plasma, que circula entre la extremidad inferior del electrodo y un canal de expulsión de los gases practicado en el seno de la tobera, se genero un primer arco eléctrico que forma así una columna de plasma de arco que nace en la base o en la proximidad de dicho electrodo y que se extiende a través de dicho canal de la tobera hacia el exterior y hasta los materiales a cortar o a soldar por ejemplo.

Según el tipo de utilización de la antorcha, el chorro de gas se regula a una potencia adecuada y se mantiene entre el electrodo, que forma por ejemplo el cátodo, y la tobera, que forma entonces el ánodo, durante toda la operación de soldadura o corte por ejemplo o, según el caso, el chorro de gas se transfiere a la pieza que se va a trabajar, antes de la elevación de la potencia, por acercamiento y conmutación eléctrica; formando la pieza entonces un ánodo y pudiendo ser desconectada eléctricamente la tobera.

Tales antorchas y tales procedimientos han sido particularmente descritos en los documentos EP-A-599709, EP-A-573330, US-A-5597497, WO-A-96/23620, US-A-5451739, EP-A-0787556, FR-A-2669847 y FR-A-2113144.

En algunos casos, la distribución de gas de plasma en la cámara delimitada por el electrodo y la tobera se efectúa, principalmente por razones técnicas o constructivas, según un plano de inyección sensiblemente perpendicular al eje del electrodo. Así, la inyección de gas en dicha cámara se puede hacer en corona centrada sobre el eje del electrodo, a través de una abertura continua y circular.

En otro caso, la inyección de gas en la cámara se puede realizar a través de una pieza que tiene forma de una corona en el seno de la cual se disponen aberturas calibradas en donde los ejes convergen y concurren con el eje del electrodo.

De manera análoga, una antorcha de soldadura TIG comprende un electrodo de wolframio generalmente puntiagudo o afilado; estableciéndose el arco eléctrico de soldadura entre dicho electrodo y la pieza a soldar.

Existe, sin embargo un problema que no ha sido resuelto de manera satisfactoria hasta ahora, a saber, el problema de deterioro o desgaste rápido del electrodo, durante el funcionamiento de la antorcha por plasma o de la antorcha TIG en un procedimiento de soldadura, corte o análogo.

En efecto, el tiempo de vida de un electrodo, en particular un electrodo de wolframio puro o aleado, depende de numerosos parámetros, tal como la potencia del arco eléctrico, la naturaleza y el gasto de gas, el ciclo de funcionamiento de la antorcha.

Ahora bien, el desgaste del electrodo esta muy penalizado del punto de vista industrial, dado que engendra operaciones de mantenimiento más frecuente para permitir una sustitución de las piezas usadas o un reafilado del electrodo en caso de una antorcha TIG, lo que solo se puede hacer después de desmontar la antorcha y implica entonces paradas frecuentes e intempestivas de la producción. El costo global del procedimiento de soldadura entonces se encuentra igualmente aumentado.

Además, el desgaste del electrodo provoca, por otra parte, una bajada notable de los rendimientos de la antorcha que conduce a una degradación de la calidad del trabajo realizado, por ejemplo una alteración de la calidad del corte obtenido.

El documento FR-A-2251153 subraya el problema de la oxidación de los electrodos de wolframio y preconiza, para intentar resolverlo, añadir 0,1 a 1% de hidrógeno al argón o al helio para obtener una mezcla gaseosa de plasma.

Por otra parte, el documento JP-A-06039554 describe un gas de protección para soldadura de aceros galvanizados que contiene hasta 7% de oxígeno y, además, dióxido de carbono.

El objeto de la presente invención es entonces resolver los problemas antes citados proponiendo un procedimiento que permita principalmente aumentar notablemente el tiempo de vida del electrodo, en particular de una antorcha de corte por plasma o de una antorcha de soldadura TIG.

La presente invención se refiere entonces a un procedimiento de trabajo con arco eléctrico según la reivindicación 1.

En efecto, los inventores de la presente invención han puesto en evidencia que la pureza del gas tiene una influencia notable sobre el tiempo de vida del electrodo, en particular en el caso de un electrodo de wolframio puro o aleado.

Así, los gases industriales, tal como el nitrógeno o el argón, habitualmente utilizados como gases de soldadura, corte o similares, contienen impurezas, principalmente del tipo oxígeno y/o vapor de agua, las cuales aceleran el desgaste del electrodo.

De allí, un control, un ajuste o una elección acertada de la cantidad de impurezas del gas utilizado permite llegar a resultados mejorados, principalmente un desgaste menos rápido del electrodo, una aumento de la estabilidad del arco, una disminución de la oxidación del cordón de soldadura o de los bordes de corte...

Preferentemente, según la invención, la medida de la cantidad de impurezas del gas en funcionamiento se efectúa dentro del cuerpo de la antorcha, ventajosamente en la proximidad del electrodo.

Preferentemente, el procedimiento según la invención comprende una o más de las características siguientes:

-: el gas en funcionamiento contiene menos de 50 ppmv de oxígeno, preferentemente menos de 25 ppmv de oxígeno, más preferentemente menos de 15 ppmv de oxígeno, ventajosamente menos de 10 ppmv de oxígeno;

-: el gas en funcionamiento contiene menos de 200 ppmv de vapor de agua, preferentemente menos de 100 ppmv de vapor de agua, más preferentemente menos de 50 ppmv de vapor de agua, ventajosamente menos de 25 ppmv de vapor de agua;

-: el gas en funcionamiento contiene más de 1 ppbv (partes por millardo en volumen) de oxígeno, más de 10 ppbv de oxígeno, más de 100 ppbv de oxígeno, más de 1 ppmv de oxígeno, más de 3 ppmv de oxígeno o más de 5 ppmv de oxígeno;

-: el gas en funcionamiento contiene más de 1 ppbv de vapor de agua, más de 10 ppbv de vapor de agua, más de 100 ppbv de vapor de agua, más de 1 ppmv de vapor de agua, más de 5 ppmv de vapor de agua o más de 10 ppmv de vapor de agua;

-: la suma de las proporciones en impurezas O_{2} y H_{2}O en el gas es tal que: [O_{2}]+[H_{2}O]\leq450 ppmv, preferentemente [O_{2}]+[H_{2}O]\leq200 ppmv, más preferentemente [O_{2}]+[H_{2}O]\leq80 ppmv, preferentemente [O_{2}]+[H_{2}O]\leq45 ppmv, ventajosamente [O_{2}]+[H_{2}O]\leq30 ppmv;

-: la relación de la proporción de oxígeno a la proporción de vapor de agua en el gas es tal que:

0 < [O_{2}]/[H_{2}O] \leq1/3;

-: se utiliza una antorcha provista de un electrodo de wolframio, de molibdeno, de cobre o sus aleaciones, es decir, una aleación que contiene uno o más de estos metales, preferentemente de wolframio;

-: el gas no oxidante se elige entre argón, nitrógeno, helio, hidrógeno o sus mezclas;

-: se elige entre los procedimientos de corte por plasma, de proyección por plasma, de soldadura por plasma, de marcado por plasma, de recargue por plasma, o de tratamiento térmico por arco de plasma;

-: se elige entre los procedimientos de soldadura TIG (por wolframio en gas inerte).

La invención se refiere igualmente a la puesta en funcionamiento del procedimiento anteriormente mencionado en una operación de corte por plasma de una estructura de metal o de aleación metálica, principalmente una estructura de acero, de aluminio o de acero inoxidable.

Según otro aspecto, la invención se refiere también a un gas de plasma susceptible de ser utilizado en un procedimiento tal como se define en la reivindicación 10.

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La invención se detallará ahora con la ayuda de los ejemplos y de las figuras que se acompañan, a modo ilustrativo pero no limitante.

Ejemplos

Los ensayos referidos en los ejemplos aquí más adelante sirven para mostrar la influencia de las impurezas O_{2} y H_{2}O sobre el desgaste del electrodo de una antorcha de plasma que pone en funcionamiento un gas no oxidante que contiene dichas impurezas.

En todos estos ejemplos, el gas no oxidante utilizado o bien es nitrógeno, o bien una mezcla argón/hidrógeno, y el electrodo utilizado es de wolframio.

Ejemplo 1 Influencia de las impurezas H_{2}O con gas del tipo nitrógeno

Se utiliza un nitrógeno artificialmente contaminado por cantidades variables de vapor de agua (H_{2}O), como gas no oxidante para alimentar una antorcha de corte por plasma.

Se determina la profundidad (en mm) de la hendidura o cráter del desgaste que aparece en el electrodo de wolframio en función del número de ciclos de encendido a los cuales se somete la antorcha, para diferentes cantidades de impurezas de H_{2}O del gas utilizado.

La duración total de un ciclo de encendido corresponde a la duración del encendido propiamente dicho del arco eléctrico a la cual se añade una duración de corte de alrededor de 15 segundos.

En este ejemplo 1, se considera que la cantidad de impurezas de O_{2} es despreciable (< 2 ppmv).

Además, los ensayos de las diferentes cantidades de impurezas de H_{2}O del gas se detienen cuando la profundidad del cráter llega a alrededor de 0,28 mm, considerada como una profundidad máxima aceptable después de la cual es obligatoria una sustitución del electrodo.

Los resultados obtenidos se representan en la figura 1, la cual muestra claramente que cuanto más disminuye la concentración de impurezas de H_{2}O, más disminuye la velocidad de desgaste del electrodo.

Así, para una cantidad de impurezas de H_{2}O del nitrógeno de 3 000 ppmv (partes por millón en volumen), la profundidad de 0,28 mm se obtiene solamente después de alrededor de 250 encendidos, mientras que para una cantidad de impurezas de H_{2}O de 24 ppmv, la profundidad de 0,28 mm se obtiene sólo después de 2 500 encendidos, es decir, que el tiempo de vida del electrodo se multiplica por 10.

Los resultados de la figura 1 han permitido establecer la curva de tiempo de vida (en minutos) del electrodo de wolframio en función de la cantidad (en ppmv) de impurezas H_{2}O del nitrógeno utilizado como gas de plasma, cuya curva se esquematiza en la figura 2.

A la vista de la figura 2, para poder garantizar un tiempo de vida del electrodo de al menos 5 horas durante una operación de corte por arco de plasma, es conveniente utilizar un gas no oxidante (nitrógeno) que contiene de alrededor de 450 ppmv de impurezas de H_{2}O, preferentemente alrededor de 400 ppmv.

Ejemplo 2 Influencia de las impurezas de O_{2} con gas no oxidante del tipo nitrógeno

Este ejemplo 2 es análogo al ejemplo 1, excepto por el hecho de que se contamina el nitrógeno utilizado como gas no oxidante, esta vez, con cantidades variables de impurezas del tipo O_{2}; considerándose ahora la cantidad de impurezas de H_{2}O como despreciable (< 2 ppmv de H_{2}O).

Los resultados obtenidos han sido señalados en las figuras 3 y 4, que son análogos a los de las figuras 1 y 2, respectivamente.

Más precisamente, la figura 3 muestra que cuanto más aumenta la cantidad de impurezas de O_{2} del gas, más rápido es el desgaste del electrodo de wolframio.

Además, la figura 4 pone claramente en evidencia que para obtener un tiempo de vida del electrodo de al menos 5 horas durante una operación de corte por arco de plasma, es conveniente tener cuidado de utilizar un gas no oxidante que contenga menos de 50 ppmv de O_{2} y, ventajosamente, menos de alrededor de 15 ppmv de impurezas de O_{2}.

Ejemplo 3 Influencia de las impurezas de O_{2} y/o de H_{2}O con un gas no oxidante del tipo Ar/H_{2}

Este ejemplo 3 es análogo a los ejemplos 1 y 2, con excepción del gas utilizado, el cual es una mezcla de argón y de hidrógeno (Ar/H_{2}) que comprende alrededor de 75% de Ar y alrededor de 25% de H_{2}.

Se evalúa el tiempo de vida (en horas) del electrodo de wolframio en presencia de la mezcla Ar/H_{2} y en función de la cantidad de impurezas de O_{2} y/o de H_{2}O de dicha mezcla gaseosa.

En este caso, para evaluar el desgaste del electrodo, se determina el valor de la tensión del arco con el transcurso del tiempo y se considera que el electrodo se deteriora en cuanto se asiste a una caída de tensión del arco de al menos 5 V.

Antes de cada arranque o encendido de la antorcha por plasma, se purgan los conductos con nitrógeno que contiene menos de 5 ppm de impurezas de H_{2}O y de O_{2} a fin de eliminar las eventuales impurezas que se encuentran en dichos conductos.

Los ensayos se realizan con un caudal de gas (Ar/H_{2}) de 10 L.min^{-1} y de 35 L.min^{-1}.

El ciclo de encendido/apagado de la antorcha de plasma de una duración total de alrededor de 6 minutos se repite alrededor de 24 veces.

Los resultados de los ensayos se señalan en la tabla siguiente.

TABLA

Ensayo Nº	Cantidad de H_{2}O	Cantidad de O_{2}	Tiempo de vida del
	(ppmv)	(ppmv)	electrodo (horas)
A	20	8	11
B	1000	8	4
C	40	8	19
D	40	110	13
E	850	150	4

Los ensayos A a E confirman las observaciones hechas en los ejemplos 1 y 2, a saber, que cuanto más se eleva la cantidad de impurezas de H_{2}O y de O_{2} del gas, más rápido es el desgaste del electrodo.

Así, a la vista de los ensayos A y B, se constata que, para 1 000 ppmv de impurezas de H_{2}O en la mezcla Ar/H_{2}, se produce una caída de 60% del tiempo de vida del electrodo comparado a una mezcla Ar/H_{2} que contiene sólo 20 ppmv de H_{2}O; siendo constante la cantidad de O_{2}.

También, a la vista de los ensayos C y D, se ve que un aumento de 100 ppmv de impurezas de O_{2} origina una caída del tiempo de vida del electrodo de alrededor de 30%; no variando la cantidad de H_{2}O.

Además, el ensayo E muestra que la presencia simultanea de impurezas de O_{2} y de H_{2}O en altas proporciones origina una caída de 80% del tiempo de vida del electrodo (comparado con el ensayo C).

Por otra parte, después del examen de las otras piezas que constituyen la antorcha de plasma, parece que la presencia de cantidades importantes de impurezas de O_{2} y de H_{2}O (ensayo E, por ejemplo) en el flujo gaseoso provoca un desgaste prematuro particularmente de la tobera de eyección del plasma y del arco eléctrico.

Se puede observar sin embargo que las diferencias de comportamientos observadas entre el ensayo A y el ensayo D se explican por la utilización de antorchas de plasma diferentes.

Los ejemplos 1 a 3 anteriores ilustran claramente que un estricto control de la cantidad de impurezas de tipo O_{2} y H_{2}O del gas no oxidante permite mejorar, de manera notable, el tiempo de vida de un electrodo de una antorcha de plasma que utiliza este gas de plasma no oxidante.

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Aunque los ensayos precedentes han sido realizados con medios de una antorcha de plasma utilizada en el conjunto de una operación de corte por plasma, los resultados obtenidos son a todos los efectos transferibles a los procedimientos de soldadura TIG, en los cuales la utilización de un gas no oxidante que tiene una baja cantidad de impurezas de H_{2}O y/o de O_{2} permite mejorar el tiempo de vida del electrodo más avanzado de wolframio.

En efecto, una cantidad elevada de impurezas de O_{2} y de H_{2}O conduce a un desgaste rápido de la punta del electrodo de wolframio y conduce entonces a una inestabilidad importante del arco y a un deterioro de la calidad de la soldadura realizada, que conduce particularmente a una fragilidad y/o una oxidación de la unión de la soldadura y/o una sensibilización de esta a la corrosión.

Se sigue entonces, habitualmente, una sustitución o un afilado más frecuente del electrodo de wolframio a fin de garantizar una soldadura TIG adecuada.

El procedimiento según la invención permite entonces resolver estos problemas con una introducción mínima de agentes oxidantes en la unión de soldadura.

Claims

1. Procedimiento de trabajo con arco eléctrico, en el cual se alimenta una antorcha con al menos un gas no oxidante, estando provista dicha antorcha de al menos un electrodo fabricado de metal puro o aleado, caracterizado porque dicho al menos un gas no oxidante contiene una cantidad de impurezas de tipo oxígeno menor que 80 ppmv y una cantidad de impurezas del tipo vapor de agua menor que 400 ppmv, y porque la relación de la cantidad de oxígeno a la cantidad de vapor de agua en el gas es tal que:

0 \leq [O_{2}]/[H_{2}O] \leq1/3.

2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque el gas contiene menos que 50 ppmv de oxígeno y menos que 200 ppmv de vapor de agua, preferentemente menos que 15 ppmv de oxígeno y menos que 50 ppmv de vapor de agua.

3. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 ó 2, caracterizado porque la suma de las cantidades de impurezas de oxígeno [O_{2}] y de impurezas de vapor de agua [H_{2}O] en el gas es tal que: [O_{2}]+[H_{2}O]\leq 450 ppmv.

4. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque la suma de las cantidades de impurezas de oxígeno [O_{2}] y de impurezas de vapor de agua [H_{2}O] en el gas es tal que: [O_{2}]+[H_{2}O]\leq 200 ppmv.

5. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque se usa una antorcha provista de un electrodo fabricado de wolframio, molibdeno, cobre o aleaciones de los mismos.

6. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque el gas no oxidante se elige entre argón, nitrógeno, helio, hidrógeno o mezclas de los mismos.

7. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque se elige entre los procedimientos de corte por plasma, de soldadura por plasma, de marcado por plasma, de recargue por plasma, de proyección por plasma o de tratamiento térmico con arco de plasma.

8. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque se elige entre los procedimientos de soldadura TIG.

9. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 7, que comprende una operación de corte de una estructura metálica o de aleación metálica, especialmente una estructura de acero, de acero inoxidable o de aluminio.

10. Gas no oxidante que comprende al menos un componente elegido entre argón, nitrógeno, helio, hidrógeno o mezclas de los mismos que puede ser usado en un procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizado porque contiene una cantidad de impurezas del tipo de oxígeno menor que 80 ppmv y una cantidad de impurezas del tipo vapor de agua menor que 400 ppmv, y porque la relación de la cantidad de oxígeno a la cantidad de vapor de agua en el gas es tal que:

0 \leq [O_{2}]/[H_{2}O] \leq1/3,

preferentemente una cantidad de impurezas de oxígeno menor que 15 ppmv y una cantidad de impurezas de vapor de agua menor que 50 ppmv.