Soldadura TIG orbital de tuberías de acero inoxidable/titanio de paredes delgadas para aplicaciones en salas blancas:
cómo lograr una soldadura repetible y cómo confirmar la calidad Traductor traducir

La soldadura TIG orbital automática (TIG) se ha convertido en el estándar para industrias donde el costo del error no se mide en el costo de una tubería, sino en el tiempo de inactividad de líneas de producción completas. Las industrias farmacéutica, de semiconductores y aeroespacial exigen tuberías que son físicamente imposibles de lograr manualmente con la consistencia requerida. El error humano, el temblor de las manos o la fatiga visual son inaceptables. La superficie interna de la soldadura debe ser tan lisa que impida el establecimiento de colonias bacterianas o la acumulación de agentes corrosivos.

Física del proceso en cámara cerrada

La tecnología principal para tuberías de diámetro pequeño y mediano (normalmente de 3 a 170 mm) son los cabezales de soldadura cerrados. A diferencia de los sistemas abiertos, en este caso el electrodo de tungsteno gira alrededor de una tubería estacionaria dentro de una cámara sellada llena de gas protector. Esto crea una microatmósfera única alrededor de la zona de fusión. La ausencia de oxígeno en la cámara evita la oxidación de la soldadura desde el exterior, pero la principal batalla por la calidad se da dentro de la tubería.

Una característica distintiva de la soldadura con matriz cerrada es la ausencia de alambre de relleno. La conexión se realiza fundiendo los bordes de las propias tuberías. Esto se denomina soldadura autógena. Este método elimina el riesgo de introducir contaminantes externos, pero impone requisitos de montaje extremadamente estrictos. Mientras que en la soldadura manual, el soldador puede "salvar" el hueco añadiendo más alambre de relleno, cualquier hueco en este punto provocará el colapso del baño de fusión o el adelgazamiento de la pared de soldadura.

Los ingenieros de procesos suelen subestimar el efecto de la gravedad en el baño de soldadura con espesores de pared delgados. Incluso con un espesor de 1,6 mm, el metal líquido se comporta de forma diferente en la posición de las 12 en punto (arriba) y en la de las 6 en punto (abajo). En la parte superior, la gravedad facilita la penetración empujando el baño hacia adentro. En la parte inferior, intenta tirar del metal hacia afuera, creando una holgura. La automatización compensa estas fuerzas, pero solo si el programa está correctamente configurado.

El operador debe controlar no solo la geometría de la cara final, sino también todos los parámetros de entrada. Ni siquiera los materiales de soldadura de la más alta calidad ni los gases costosos salvarán la unión si la separación entre las piezas supera las centésimas de milímetro permitidas. El ajuste de la unión debe ser perfecto: no se permiten separaciones y la desalineación de los bordes no debe superar el 10-15 % del espesor de la pared.

Soldadura orbital de acero inoxidable y titanio

Al trabajar con aceros inoxidables austeníticos (el grado más común es el 316L), el sobrecalentamiento es el principal problema. El acero inoxidable tiene baja conductividad térmica. El calor no se transfiere al cuerpo de la tubería, sino que se acumula en la zona de soldadura. Si no se controla la entrada de calor, se produce decoloración. Estas vetas iridiscentes no son solo un defecto visual, sino una capa de óxido de cromo desprovista de metal. En un entorno agresivo, es aquí donde se inicia la corrosión.

Para una producción "limpia" (UHP - Ultra Alta Pureza), las normas generalmente prohíben cualquier decoloración dentro de la tubería. Solo se permite un ligero tono pajizo, pero la soldadura ideal debe ser plateada. Esto se logra no solo con los ajustes de corriente, sino también con el contenido de oxígeno residual en el gas de protección.

Soldar titanio requiere una disciplina aún más rigurosa. El titanio es un metal extremadamente reactivo. Al calentarse por encima de 400 °C, comienza a absorber con avidez oxígeno, nitrógeno e hidrógeno de la atmósfera. Mientras que el acero tolera una breve ruptura de la protección, el titanio se vuelve quebradizo al instante. Una soldadura saturada de gas puede parecer normal, pero se agrietará con la primera carga de vibración. Al soldar tuberías de titanio mediante soldadura orbital, se realiza una purga durante un período más largo y se controla la temperatura del metal a la salida de la zona de protección.

La influencia del azufre en la composición del acero también altera la hidrodinámica del baño de soldadura. Una diferencia en el contenido de azufre entre dos tuberías soldadas (por ejemplo, una tubería tiene 0,005 % de azufre y un accesorio, 0,015 %) puede causar desplazamiento del arco y penetración asimétrica. Este fenómeno se conoce como efecto Marangoni: el metal líquido fluye desde zonas de baja tensión superficial a zonas de alta tensión superficial. El ingeniero de procesos debe verificar los números de colada de las soldaduras antes de comenzar el trabajo.

Gestión energética sectorial

La soldadura orbital no es un proceso monótono donde la corriente se aplica uniformemente de principio a fin. El proceso se divide en sectores. Normalmente, el círculo se divide en entre 4 y 12 segmentos, cada uno con sus propios parámetros.

Al inicio (generalmente en la posición "lateral" o "inferior"), se requiere una corriente alta para formar rápidamente un baño de soldadura. A medida que el electrodo asciende, se debe reducir el aporte de calor, ya que la tubería ya está caliente y la gravedad facilita la penetración. Durante el descenso (después de las 12 en punto), se ajusta la corriente de nuevo para evitar fugas del baño de soldadura. El proceso se completa superponiendo la soldadura: el arco pasa el punto de inicio entre 5 y 10 mm, reduciendo gradualmente la corriente (pendiente de salida) para soldar el cráter.

El modo de corriente pulsada es la herramienta principal para controlar el baño de soldadura en paredes delgadas. La corriente pulsada de alta frecuencia comprime el arco, dándole una forma de aguja, lo que garantiza una penetración profunda con un menor calentamiento general. La corriente pulsada de baja frecuencia permite que el metal cristalice en "láminas", paso a paso. Durante la pausa entre pulsos, el baño de soldadura se enfría parcialmente, evitando la perforación.

Protección y purga de gases

La purga inversa es un paso crucial. Se inyecta un gas inerte (argón con una pureza del 99,998 % o una mezcla con hidrógeno/helio) en la tubería. Para el acero inoxidable se suelen utilizar mezclas con un 2-5 % de hidrógeno: el hidrógeno fija el oxígeno residual y aumenta la temperatura del arco, lo que produce una soldadura más estrecha y uniforme. Sin embargo, el hidrógeno está estrictamente prohibido para el titanio debido al riesgo de fragilización por hidrógeno.

La presión del gas dentro de la tubería debe estar equilibrada. Una presión excesiva expulsará el metal fundido hacia afuera, formando una raíz cóncava. Una presión insuficiente provocará una flexión excesiva hacia adentro, lo que reducirá la sección transversal de la tubería. Los técnicos utilizan tapones especiales con orificios calibrados o sistemas con control automático de la presión interna.

Los analizadores de oxígeno residual son esenciales. No se debe comenzar a soldar hasta que el sensor registre una lectura inferior a 10-20 ppm (partes por millón). Intentar comenzar a soldar a simple vista, basándose únicamente en el tiempo de purga, suele provocar la falla de componentes costosos. El gas debe desplazar todo el aire, incluyendo las cantidades microscópicas en los poros metálicos y en la superficie de las bujías.

Electrodo de tungsteno como variable de precisión

La geometría de afilado del electrodo afecta directamente la forma del arco y la profundidad de penetración. Los cabezales de soldadura orbital utilizan electrodos precortados de longitud fija. El ángulo de afilado (generalmente de 15 a 30 grados) determina el ancho de la soldadura: cuanto más agudo sea el ángulo, más amplio será el arco y menor la profundidad de penetración. Un ángulo obtuso concentra la energía.

La superficie del electrodo debe pulirse. Las marcas de rectificado en el tungsteno pueden causar inestabilidad del arco eléctrico: los electrones se expulsan de los bordes afilados de las rayaduras, provocando que el arco se desvíe. Se utilizan electrodos aleados (cerio o lantano) en cabezales de soldadura cerrados, ya que el tungsteno puro no soporta la tensión térmica. Los electrodos de torio, antes populares, ahora se evitan debido a la baja radiactividad del polvo durante el afilado, lo cual contraviene las normas de seguridad de muchas industrias que utilizan salas blancas.

La distancia entre el electrodo y la pieza de trabajo (el espacio entre electrodos) se ajusta mecánicamente y no cambia durante la soldadura con el cabezal cerrado. Esto simplifica el sistema, ya que no requiere una unidad de control automático de voltaje de arco (AVC), pero sí exige que la tubería sea perfectamente ovalada. Si la tubería es ovalada, el espacio entre electrodos cambiará durante la rotación, lo que provocará una penetración desigual.

Control objetivo y validación

En la producción en masa, es imposible inspeccionar cada unión con rayos X o endoscopio, especialmente cuando se realizan miles de conexiones en una sola planta. Por lo tanto, el énfasis se centra en la validación del proceso. Si los parámetros de soldadura (corriente, voltaje, velocidad de rotación, flujo de gas) se mantienen dentro de una tolerancia estrecha durante todo el ciclo, la unión se considera aceptable.

Las modernas fuentes de alimentación para soldadura orbital actúan como registradores de datos. Registran los valores reales de los parámetros hasta varias veces por segundo. Al final de un turno, el técnico recibe un registro digital. Cualquier desviación, como una subida de tensión o un breve corte de gas, queda registrada. El sistema puede marcar automáticamente una soldadura como sospechosa.

La inspección visual (VII) y la endoscopia siguen siendo los principales métodos de inspección. Se inserta un endoscopio en la tubería para inspeccionar la raíz de la soldadura. El operador busca indicios de fusión incompleta, oxidación o inclusiones de tungsteno. Los colores de temple se clasifican según tablas de normas específicas (p. ej., ASME BPE). En aplicaciones farmacéuticas, la presencia de decoloraciones moradas o azules en el interior de la tubería constituye un defecto definitivo, que requiere cortar la sección y volver a soldarla.

Factor de preparación de la superficie

El mecanizado previo a la soldadura de los extremos es más importante que la propia soldadura. Cortar con una rueda abrasiva es inaceptable: sobrecalienta el metal, altera su estructura y deja partículas abrasivas. Solo se utilizan cortadores de tubos orbitales con puntas de acero rápido o carburo. Estos garantizan cortes perpendiculares y un acabado sin rebabas.

Tras el corte, se recorta la superficie para lograr una superficie perfectamente plana. A continuación, se realiza una limpieza a fondo. Se prohíbe el uso de disolventes clorados, ya que el arco produce fosgeno, que provoca la corrosión bajo tensión en el acero inoxidable. Se utilizan alcohol o acetona de alta pureza y toallitas sin pelusa. No toque la unión limpia con las manos desnudas, ya que las huellas dactilares aceitosas se convertirán en inclusiones de carbono y carburos durante la soldadura, lo que reducirá la resistencia a la corrosión.

La soldadura orbital es una tecnología disciplinada. La máquina realizará la tarea a la perfección solo si el operador garantiza las condiciones ideales. La repetibilidad es el resultado de un estricto cumplimiento de un protocolo, donde cada movimiento está regulado y cada variable se contabiliza y documenta.