Efecto de los Parámetros de la Corriente Alterna Pulsada en la Soldadura TIG de Aluminio AA1100 con Alimentación Tangencial de Alambre

Effect of Pulsed AC Parameters in TIG Welding of Aluminum A1100 with Tangential Wire Feeding

Resumen

Resumen  Debido a que la técnica de soldadura TOPTIG es considerada de alta productividad y al observar escasas aplicaciones con aleaciones de aluminio, se procede a estudiar el proceso TIG con entrada tangencial de alambre utilizando la corriente alterna de onda rectangular pulsada. Para alcanzar este objetivo se implementó un banco de pruebas constituido por una máquina de soldar multiprocesos DIGIPLUS A7, sistema de alimentación de alambre, torcha TIG adaptada para alimentación tangencial refrigerada por agua, gases, sistema de desplazamiento lineal de la torcha y un sistema de adquisición de datos (SAP). Se utilizaron cuatro niveles de tiempo en la polaridad positiva con un tiempo de pulso y tiempo de base iguales a 0,3 s. Se selecciona el ensayo para t+=3 ms por su apariencia y menos desgaste del electrodo procediendo a realizar un segundo conjunto de ensayos para verificar el efecto de la pulsación de la corriente con Tp =Tb de 0,3 s; 0,6 s y 1,0 s. Los cordones de soldadura se evaluaron por el aspecto superficial y su morfología. Sobre la base de estos resultados, con alimentación tangencial de alambre de forma mecanizada es posible realizar soldadura con una velocidad de alambre en la base y en el pulso de 0,8 m/min.

Palabras clave:
TOPTIG; Corriente alterna rectangular pulsada; Aluminio

Resumo

Abstract  Since the TOPTIG welding technique is considered highly productive, but few applications are observed with aluminum alloys, the TIG process with tangential wire feed using pulsed rectangular wave alternating current was studied. To achieve this objective, a test bench was implemented consisting of a DIGIPLUS A7 multi-process welding source, a wire feed system, a TIG torch adapted for tangential feed water-cooled, gases, a torch linear displacement system, and a data acquisition system (SAP). Four time levels were used in positive polarity with a pulse time and base time equal to 0,3 s. The test for t+ = 3 ms was selected due to its appearance and less electrode wear. A second set of tests was performed to verify the effect of current pulsation with Tp = Tb of 0,3 s; 0,6 s and 1,0 s. The weld beads were evaluated for their surface appearance and morphology. Based on these results, mechanized tangential wire feeding it is possible to perform welding with a wire speed at the base and pulse of 0,8 m/min.

Key-words:
TOPTIG; Pulsed rectangular alternating current; Aluminum

1. Introducción

En los últimos años una nueva variante del proceso de soldadura GTAW, comercialmente conocida como TOPTIG, ha despertado el interés en el sector industrial debido a la posibilidad de incrementar la productividad y facilitar también las operaciones de automatización (Silva et al. [¹]). En esta tecnología, el componente principal es una pistola TIG que permite la inserción de un alambre de forma tangencial, lo que le permite pasar por una región más cercana al electrodo de tungsteno, en comparación con las pistolas convencionales del proceso de soldadura TIG.

La investigación realizada por Silva et al. [¹] tuvo como objetivo desarrollar procedimientos para el pase de raíz y relleno utilizando tubos de acero inoxidable 304L, con un diámetro de 305 mm y un espesor de 12,7 mm. Los resultados muestran la utilización de velocidades de alimentación de alambre de aproximadamente 4,0 m/min y velocidades de soldadura de hasta 0,5 m/ min.

Labarca et al. [²] realizaron una comparación de la tasa de deposición de dos direccionadores de alambre para el proceso de soldadura TIG Cold Wire. El primer direccionador con entrada radial al arco (Convencional) simula la entrada del alambre de forma manual con un ángulo de 30° en relación con el sustrato. El segundo direccionador con entrada tangencial al arco PROTIG permite la entrada del alambre en el arco con un ángulo de 70° en relación con el sustrato. PROTIG es el nombre dado al prototipo diseñado por LPS – Laboratorio de Procesos de Soldadura, de la Universidad de Antofagasta, para realizar los ensayos (Patente N° solicitud 201903803, Chile). Con los depósitos realizados con la técnica PROTIG se obtuvo una tasa máxima de deposición de material de 1,37 kg/h o 6,0 m/min, sin embargo, para la técnica Convencional se obtuvo una tasa de deposición de material de 1,23 kg/h o 5,4 m/min.

Con el propósito de mejorar el procedimiento de soldadura de tubos de calderas, donde es utilizado el proceso de soldadura SMAW, los autores Vergara et al. [³] realizaron la propuesta de ejecutar la reparación con un proceso de soldadura más productivo denominado de TIG Cold Wire con alimentación mecanizada de alambre frio con el objetivo de conseguir mejor calidad en las uniones soldadas y repetibilidad. Los resultados del estudio revelaron que existe un aumento considerable de la productividad del proceso de soldadura TIG con alimentación mecanizada de alambre cuando es empleado el direccionador con entrada tangencial, aproximándose a la tasa de deposición del proceso de soldadura MIG/MAG, para un mismo diámetro de alambre.

Lagos et al. [⁴] realizaron un estudio para incrementar la productividad del proceso de soldadura TIG Cold Wire con alimentación de alambre mecanizada, trabajando en el diseño, modelado y fabricación de un dispositivo direccionador de alambre mejorado, logrando competir con otros procesos de soldadura de alta velocidad como es el proceso de soldadura MIG/MAG. Los cordones de soldadura se realizaron en posición plana utilizando planchas de acero SAE 1015 como material base y material de aporte el alambre ER70S-6 de 1,2 mm de diámetro. Los resultados obtenidos en las pruebas realizadas con el prototipo diseñado fueron prometedores en cuanto a la calidad de los cordones de soldadura, además, se logró el objetivo principal de llevar el proceso TIG a un nivel de competitividad en relación con otros procesos de soldadura de alta productividad alcanzando una velocidad de soldadura de 30 cm/min y una velocidad de alambre de 4,0 m/min.

Ayarkwa et al. [⁵] investigaron el efecto del porcentaje de actuación del electrodo en la polaridad positiva (% EP) del proceso de soldadura TIG con corriente alterna con aplicación en la manufactura aditiva para la fabricación de paredes lineales. El estudio consideró el efecto sobre la limpieza de óxido, las dimensiones lineales de la pared, la microestructura, las propiedades mecánicas y el efecto sobre el desgaste de los electrodos. Los resultados mostraron que al aumentar el porcentaje de tiempo del electrodo en la polaridad positiva (% EP) aumentó la tasa de desgaste del electrodo, lo que a su vez afectó la estabilidad del arco. Se observó que para los menores tiempos en la polaridad positiva no existe limpieza de óxidos presentando un cordón de mal aspecto conteniendo óxido sobre la superficie del cordón. Los mejores resultados se presentaron para mayores valores del porcentaje del tiempo en la polaridad positiva. Por otro lado, analizaron el ancho de la limpieza de óxidos en los cordones de soldadura. En la medida que se aumenta el porcentaje del tiempo en la polaridad positiva existe mayor ancho en la limpieza.

Wang et al. [⁶] presentan una investigación utilizando el proceso de soldadura TIG con alimentación radial de alambre, investigación realizada con el propósito de eliminar la porosidad y refinar la microestructura variando la frecuencia de pulso y los niveles de corriente de soldadura. Emplearon el alambre ER4043 de 1,2 mm de diámetro y como material base el aluminio AA1100. Las frecuencias de pulso utilizadas fueron de 2, 5, 10, 50, 200, 500 Hz con una velocidad de alambre de 1,0 m/min. De acuerdo a los resultados de los autores, es posible obtener granos finos y una microestructura uniforme cuando se emplean frecuencias de pulso y niveles de corriente bajas, esto es debido al rápido enfriamiento de la poza de fusión. Observaron también que al aumentar la frecuencia de pulsación la densidad del material presenta una tendencia de aumentar alcanzando el valor máximo a los 50 Hz, pero luego disminuye debido a la relación entre la formación de poros y el escape de gases.

Geng et al. [⁷] encontraron que cuando se utiliza el proceso de soldadura TIG con alimentación de alambre de forma radial en la manufactura aditiva, la entrada del alambre al arco se torna un factor crítico para la transferencia metálica. Los autores utilizaron el alambre de aluminio 5A06 de diámetro de 1,2 mm y con una velocidad de alimentación de 2,0 m/min. Además, variaciones del ángulo θ (ángulo de entrada del alambre con respecto al eje horizontal) y el valor de h (altura desde el substrato a la punta del alambre de forma vertical), se observan salpicaduras producto del incorrecto ajuste de la entrada de la punta del alambre al arco.

Wang et al. [⁸], realizaron un estudio en manufactura aditiva con alimentación lateral, posición que es muy común encontrar cuando se trata de piezas complejas. Tanto el material base como el material de aporte empleado fue la aleación de aluminio AA 2024. El alambre utilizado tiene un diámetro de 1,2 mm. En este caso se utilizó una temperatura de precalentamiento de 150° C. Los autores consiguieron velocidades de alambre de 4,0 m/min y concluyen que el control de la desviación de la punta del alambre en el arco voltaico es un factor clave en la estabilidad y en la precisión cuando el proceso es utilizado en la manufactura aditiva.

Cai et al. [⁹], realizaron un estudio en manufactura aditiva por arco eléctrico con alambre, utilizando el proceso de soldadura TIG con alimentación mecanizada de alambre. Al utilizar dos aleaciones de alambre, Ti6Al4V y Al, emplearon dos técnicas para la alimentación de alambre en el arco: Convencional y TOPTIG, respectivamente. La entrada del alambre Al en la técnica TOPTIG se realizó por la parte de atrás del arco mientras que la entrada del alambre Ti6Al4V en la técnica convencional se realizó por el frente del arco. Las velocidades de alambre empleadas para la técnica convencional fueron de 0,48 m/min a 0,76 m/min, mientras que, para la técnica TOPTIG las velocidades de alambre fueron de 0,7 m/min a 0,8 m/min.

Fu et al. [¹⁰], relatan que, en la fabricación aditiva por arco eléctrico con alambre en las aleaciones de aluminio, una forma de resolver los problemas asociados a la porosidad y la baja tasa de deposición es la utilización del proceso de soldadura TIG hot wire con alimentación de alambre de forma radial. En el estudio emplearon el alambre ER2024 de 1,2 mm de diámetro y como material base el aluminio AA2024 de 5 mm de espesor. En relación con la tasa de deposición en el proceso de soldadura TIG hot wire los autores alcanzaron velocidades de 1,80 a 3,50 m/min, valores bastante superiores cuando se compara con el proceso de soldadura TIG cold wire que fue de 1,00 m/min. La porosidad se redujo significativamente con la utilización del proceso de soldadura TIG hot wire con alimentación de alambre de forma radial, mejorando considerablemente las propiedades mecánicas.

Varios son los autores que han encontrado valores del tiempo en la polaridad positiva cuando se refieren a la soldadura del aluminio con corriente alterna de onda rectangular. La referencia [⁵] empleó tiempos entre 1 y 10 ms para niveles de corriente de 110 A. Para el tiempo de 1 ms en la polaridad positiva se observó alúmina sobre el cordón de soldadura. Para el tiempo de 2 ms se observaron cordones con un buen aspecto superficial. Para tiempos superiores a 2 ms se observó desgaste excesivo del electrodo. Por otro lado, la referencia [¹¹] relata que para un tiempo en la polaridad positiva de 1,3 ms es posible obtener limpieza catódica, menor degaste del electrodo y mayor penetración cuando se emplea la técnica autógena con una corriente eficaz de 100 A. Este autor realizó también ensayos con material de aporte utilizando la pulsación térmica. Las corrientes empleadas en la fase de pulso térmico y base térmica fueron de 155 A y 115 A, respectivamente. En ambas fases, los tiempos en cada polaridad fueron de 2,5 ms para la positiva y 17,5 ms para la negativa, respectivamente. La referencia [¹²] empleando corrientes de 100 A en la polaridad positiva y negativa estudiaron el efecto del tiempo en la polaridad positiva, sobre la limpieza catódica y el desgaste del electrodo, para 1,2, 3 y 4 ms. Para un tiempo en la polaridad positiva de 1 ms se consigue limpieza catódica y para un tiempo de 4 ms existe desgaste excesivo del electrodo de tungsteno. La referencia [¹³] señala que un ajuste de 19 ms en la polaridad negativa y 3 ms en la polaridad positiva son necesarios para soldar aluminio utilizando un formato de corriente alterna rectangular.

El análisis realizado a la bibliografía especializada revela que el proceso TIG con entrada tangencial, conocido comercialmente como TOPTIG, es utilizado ampliamente con aleaciones al carbono y aceros inoxidables con la finalidad de aumentar la tasa de deposición del proceso. En acero al carbono y en aceros inoxidables se han realizado estudios con velocidades de alambre de 4,0 a 6,0 m/min, cuando esta técnica es utilizada. Por otro lado, son varias las aplicaciones encontradas del proceso TIG con entrada radial en aleaciones de aluminio alcanzando valores de velocidad de alambre de 1,0 a 4,0 m/min.

En la Tabla 1 se muestran las comparaciones entre las diferentes técnicas discutidas en la bibliografía especializada: TOPTIG (tangencial), convencional (radial) y TIG hot wire. Además de la técnica, la tabla comparativa indica la aleación utilizada, la velocidad del alambre como también el diámetro del alambre.

Tabla 1
Comparación de la velocidad de alambre para las diferentes técnicas (Convencional, TOPTIG e Hot wire).

Referencia	Técnica	Material de aporte	Va (m/min) / Ø (mm)
Silva et al. [1]	TOPTIG	304L	4,0 / 1,0
Labarca et al. [2]	TOPTIG Convencional	ER70S-6	6,0 / 0,8 5,4 / 0,8
Vergara Díaz et al. [3]	TOPTIG	ER70S-6	4,0 / 0,8
Lagos et al. [4]	TOPTIG	ER70S-6	4,0 / 1,2
Ayarkwa et al. [5]	Convencional	5556	1,6 / (*)
Wang et al. [6]	Convencional	AA1100	1,0 / (*)
Geng et al. [7]	Convencional	5A06	2,0 / 1,2
Wang et al. [8]	Convencional	AA 2024	4,0 / 1,2
Cai et al. [9]	Convencional TOPTIG	Ti6Al4V Al	0,48-0,76 / 1,2 0,7-0,8 / 1,2
Fu et al. [10]	TIG hot wire TIG cold wire	ER2024	1,8-3,5 / 1,2 1,0 / 1,2

• Ø: Diámetro del alambre. (*): valor no informado por los autores.

Como se observa, el TOPTIG es considerado un proceso de soldadura de alta productividad y por otro lado se observan escasas aplicaciones con aleaciones de aluminio. En vista de esto, el presente trabajo tiene por objetivo evaluar el uso de la corriente alterna pulsada con formato de onda rectangular en el proceso de soldadura TIG con alimentación tangencial de alambre y de esta manera investigar el efecto de los diferentes tiempos de la polaridad positiva sobre la limpieza catódica promovida sobre la pieza, como también el desgaste del electrodo y la morfología de los cordones de soldadura producidos.

2. Materiales y Métodos

Para la realización de este trabajo, se implementó un banco de pruebas constituido por una máquina de soldar multiprocesos DIGIPLUS A7, sistema de alimentación de alambre, una torcha TIG adaptada para alimentación tangencial refrigerada por agua, gases, un sistema de desplazamiento lineal de la torcha y un sistema de adquisición de datos (SAP), Figura 1. Los cordones de soldadura se realizaron en la posición plana con alimentación mecanizada de alambre utilizando como material base el aluminio AA 1100 de dimensiones 240x70x3,0 mm y como material de aporte el alambre ER4043 de 1,2 mm de diámetro. El ángulo y/o truncado de la punta del electrodo de tungsteno fue confeccionado mediante un equipamiento comercial específico de cámara cerrada para evitar la contaminación del polvo del electrodo. La metalografía de las probetas se realizó mediante técnicas normales de lijado y pulido. Para revelar la región fundida se utilizó el ataque electrolítico en una solución de ácido oxálico saturado. Para la observación y obtención de las macrografías se empleó una lupa estereoscópica.

Figura 1
Banco de pruebas para el proceso de soldadura TIG con adición mecanizada de alambre.

• 1 Máquina de soldar.

• 2 Alimentador de alambre.

• 3 Pistola TIG adaptada.

• 4 Sistema de desplazamiento de la pistola.

• 5 Refrigeración de la pistola.

• 6 Gas.

• 7 Adquisición de datos.

A continuación, se definen los parámetros que se mantendrán constantes y las variables a estudiar. En este estudio el formato de la corriente a emplear es la corriente alterna de onda rectangular pulsada (Figura 2).

Figura 2
Esquema de la corriente alterna de onda rectangular pulsada con alimentación de alambre pulsado. Vap: Velocidad de alambre en el pulso. Vab: Velocidad de alambre en la base.

Para la determinación de la velocidad de alambre serán utilizados cuatro niveles del tiempo en la polaridad positiva (t+) y para cada uno de estos niveles se determinará la velocidad de alambre de acuerdo con la planificación de la Tabla 2. Los parámetros que se mantendrán constantes se exhiben en la Tabla 3.

La transferencia metálica utilizada será la de puente líquido como una forma de mantener la punta del alambre cerca de la poza de fusión. La alimentación de alambre se realizará por el frente de la torcha en el sentido del avance de la torcha adaptada.

Tabla 2
Parámetros para determinar la velocidad de alambre.

Ip+(A)	Ip-(A)	Ib+(A)	Ib-(A)
150	150	100	100
Tp=Tb=0,3 s
t+(ms)	t-(ms)	TA (ms)	fA(Hz)
1	19	20	50
2	18	20	50
3	17	20	50
4	16	20	50

• Ip+: Corriente de pulso en la polaridad positiva. Ip-: Corriente de pulso en la polaridad negativa. Ib+: Corriente de base en la polaridad positiva. Ib-: Corriente de base en la polaridad negativa. Tp: Tiempo de pulso. Tb: Tiempo de base. t+: Tiempo en la polaridad positiva. t-: Tiempo en la polaridad negativa. TA: Periodo en alta frecuencia. fA: Alta frecuencia.

Tabla 3
Parámetros de soldadura que se mantendrán constante durante los ensayos.

Parámetro	Unidad	Valor
Diámetro de electrodo	mm	2,4
Tipo de electrodo		EWTh-2.0
Ángulo en la punta	grado	90
Truncado		no
Tipo de gas		Argón
Caudal de gas	l/min	10
Longitud de arco	mm	5
Posición de soldadura		Plana
Velocidad de soldadura	cm/min	15
Tipo de alambre		ER 4043
Diámetro de alambre	mm	1,2
Extensión libre de electrodo	mm	15
Ángulo de entrada del alambre (medido entre el alambre y el electrodo)	°	20
Espacio entre el alambre y el electrodo para la formación de la gota	mm	3

Para investigar la influencia del tiempo de la corriente en la polaridad positiva, así como la pulsación de la corriente alterna pulsada se realizarán ensayos para tres niveles de Tp=Tb, de acuerdo con la estructura de la Figura 3 y de la Tabla 4. Los parámetros que se mantendrán fijos durante la ejecución de los ensayos se muestran en la Tabla 3.

Figura 3
Diagrama del plan de ensayos.

Tabla 4
Diseño experimental.

Ip+(A)	Ip+(A)	Ib+(A)	Ib-(A)
150	150	100	100
Tp=Tb=0,3 s
t+(ms)	t-(ms)	TA (ms)	fA(Hz)
1	19	20	50
2	18	20	50
3	17	20	50
4	16	20	50
Tp (s)	Tb (s)	TB (s)	fB (Hz)
1	1	2	0,5
0,6	0,6	1,2	0,8
0,3	0,3	0,6	1,7

• Tp: tiempo de pulso. Tb: tiempo de base. TB: Periodo en baja frecuencia. fB: Baja frecuencia. Ip+: Corriente de pulso positiva. Ip-: Corriente de pulso negativa. Ib+: Corriente de base positiva. Ib-: Corriente de base negativa. t+: tiempo en la polaridad positiva. t-: Tiempo en la polaridad negativa. TA: Periodo en alta frecuencia. fA: Alta frecuencia.$TB\mathrm{}=\mathrm{}Tp+Tb\mathrm{}fB=\mathrm{}1/TB$. .

Para la ejecución de los ensayos realizados en el presente estudio se utilizó y se mantuvo constante una longitud visible del stickout (l) de 3 mm y una longitud ^{de arco (l}0^{) de 5 mm. En la}Figura 4^{se muestra de forma esquemática el ajuste de estos dos} parámetros en la torcha de soldadura adaptada.

Figura 4
(a) Representación del ajuste de la longitud libre del electrodo l=3 mm. (b) Representación del ajuste de la longitud de arco lo=5 mm.

Las probetas se cortaron en el sentido transversal de cada cordón de soldadura utilizando una cortadora metalográfica con refrigeración. Se retiró una muestra por cordón de soldadura y luego fueron embutidas en baquelita para proceder a la preparación metalográfica de lijado, pulido y ataque electrolítico. Para la obtención de las macrografías se utilizó una lupa estereoscópica.

3. Resultados y Discusión

3.1. Ensayos para la determinación de la velocidad de alambre

La determinación de la velocidad de alambre para los cuatros niveles del tiempo en la polaridad positiva se realizó bajo los siguientes criterios:

1. La velocidad de alambre tiene el mismo valor en el tiempo de pulso (Vap) y en el tiempo de base (Vab).

2. Una vez programada la corriente de soldadura se inicia el proceso de adicionar alambre en el arco voltaico. La variación en la velocidad de alambre fue definida por el criterio de que la punta del alambre esté próxima de la poza de fusión. Llegando a esta etapa se fija la velocidad de alambre máxima soportada para el nivel de corriente y tiempo en la polaridad positiva programado.

3. La transferencia metálica utilizada es la de puente líquido.

4. La alimentación de alambre se realizó en el sentido del avance de la torcha de soldadura (por el frente de la torcha).

5. Debe existir limpieza catódica.

6. Mínimo desgaste del electrodo.

La Figura 5 muestra el comportamiento de la velocidad de alambre para los cuatro niveles del tiempo en la polaridad positiva t+ (1, 2, 3, 4 ms). En la medida que se aumenta el tiempo existe una disminución de la velocidad de alambre. Esto está relacionado con la variación en la potencia media del arco, que será analizada en el ítem 3.4 y estudiado por la referencia [¹²]. El cordón de soldadura para un tiempo de t+ =1 ms evidencia alúmina sobre su superficie y para un tiempo de t+ =4 ms existe desgaste del electrodo [⁵,¹²]. Por lo tanto, por el aspecto superficial, los autores seleccionan el ensayo 3 para un tiempo de t+= 3 ms y una velocidad de alambre de 0,8 m/min. Resultados semejantes fueron encontrados por Cai et al. [⁹], quienes utilizaron velocidades de alambre de 0,7 a 0,8 m/min cuando se empleó la técnica TOPTIG.

Figura 5
Velocidad de alambre para diferentes niveles del tiempo en la polaridad positiva. Vap: Velocidad de alambre en el pulso. Vab: Velocidad de alambre en la base.

3.2. Influencia del tiempo en la polaridad positiva

La Figura 6 muestra el aspecto superficial de los cordones de soldadura realizados durante los ensayos para diferentes tiempos en la polaridad positiva de la corriente de soldadura con formato rectangular alterna pulsada. Desde el punto de vista cualitativo se observa que los ensayos, desde el número dos al número cuatro, presentan la remoción de la alúmina, sin embargo, para un tiempo programado en la máquina de soldar de 𝑡+ = 1 ms (ensayo N° 1) no se percibe el efecto de limpieza. Resultados similares fueron encontrados por Ayarkwa et al. [⁵], quienes utilizaron tiempos en la polaridad positiva de 1 a 10 ms en una aleación de aluminio AA 6082-T6.

Figura 6
Aspecto superficial de los cordones de soldadura realizados para diferentes tiempos en la polaridad positiva con alimentación constante de alambre (Vap=Vab).

La Figura 7 presenta los oscilogramas de corriente y tensión de los distintos ensayos realizados, variando el tiempo en la polaridad positiva y manteniendo todos los otros parámetros constantes.

Figura 7
Oscilograma de corriente y tensión de los cordones de soldadura realizados para diferentes tiempos en la polaridad positiva con alimentación constante de alambre (Vap=Vab).

En estos oscilogramas se observa que la tensión en la polaridad negativa siempre resulta menor que en la polaridad positiva, esto toma relevancia al considerar que se utilizaron los mismos niveles de corriente en la polaridad positiva y negativa tanto en la fase de pulso (Tp) como en la fase de base (Tb). Esta observación fue realizada también por Dutra [¹¹] quien presenta un estudio sobre el efecto del tiempo en la polaridad positiva utilizando como material base la aleación AA 1200. LaTabla 5 muestra las tensiones medias determinadas separadamente para las polaridades negativas y positivas para los diferentes tiempos en la polaridad positiva.

Tabla 5
Tensiones medias determinadas separadamente para las polaridades negativas y positivas.

Tiempo en la polaridad positiva (ms)	Fase de base Tensión media positiva (V)	Tensión media negativa (V)	Fase de pulso Tensión media positiva (V)	Tensión media negativa (V)
1	14,8	11,5	15,1	13,6
2	16,2	12,0	17,3	14,5
3	16,2	10,7	17,9	13,5
4	16,1	9,3	17,3	10,7

Se observa que en la medida que se aumenta el tiempo en la polaridad positiva del electrodo de tungsteno existe una disminución de la tensión en el arco en la polaridad negativa, este efecto puede ser explicado por la eficiencia que presenta el electrodo de tungsteno en el efecto termoiónico, el cual se calienta en la polaridad positiva ayudando a la emisión termoiónica [¹¹]. También se puede atribuir esta disminución de la tensión en el arco en la polaridad negativa a un mejor desempeño producto de una mayor ionización del gas, ofreciendo condiciones necesarias para que el flujo de electrones tenga lugar con una menor tensión [¹¹].

Con la ayuda de los oscilogramas de corriente y tensión presentados en la Figura 7 se podrá determinar la potencia media del arco en la polaridad negativa para explicar las variaciones que experimenta el ancho del cordón de soldadura, la penetración y la región fundida revelado en las macrografías.

La Figura 8 exhibe las macrografías para todos los ensayos realizados, desde el N° 1 al N° 4, en los cuales se fue variando el tiempo en la fase positiva considerando un periodo T de 20 ms el cual se mantuvo constante para todos los experimentos.

Figura 8
Secciones transversales de los cordones realizados variando el tiempo en la polaridad positiva. Vap=Vab. Tp=Tb=0,3 ms.

En estos registros fotográficos adquiridos se observa el ancho (L) y el refuerzo (R). Debido a los parámetros de soldadura empleados para este material base con espesor de 3 mm ocurre penetración total. Las macrografías de los cordones de soldadura realizados dejan en evidencia, desde el punto de vista cualitativo, que en la medida que se aumenta el tiempo en la fase positiva de la corriente alterna de onda rectangular pulsada, existe una disminución en la región fundida y en la penetración de esta misma. Para una buena interpretación de lo anterior es importante destacar que la corriente utilizada en la polaridad positiva y en la polaridad negativa, en la fase de pulso como en la fase de base, siempre se programó en el mismo nivel de 150 A en el pulso y 100 A en la base, empleando el formato rectangular balanceada en la corriente.

3.3. Ancho de la limpieza de óxidos

La Figura 9 muestra un esquema de la medición del ancho de la región de limpieza de óxidos y la región fundida. El formato de escamas que presenta el cordón de soldadura es atribuible al echo que se utilizó la corriente alterna pulsada.

Figura 9
Zona de limpieza y región fundida.

Para verificar el efecto del tiempo en la polaridad positiva sobre la limpieza catódica se realizaron cuatro ensayos utilizando cuatro niveles de tiempo en la polaridad positiva: 1, 2, 3 y 4 ms. Los resultados del aspecto superficial se muestran en la Figura 10.

Figura 10
Influencia de la variación del tiempo en la polaridad positiva sobre la limpieza catódica con alimentación continua de alambre (Vap=Vab).

Un análisis realizado a los cordones de soldadura de la Figura 10, desde el punto de vista cualitativo, se observa que el proceso TIG con alimentación tangencial de alambre y utilizando corriente alterna rectangular pulsada, es muy sensible a las variaciones del tiempo en la polaridad positiva. Al programar un tiempo de 1 a 2 ms se advierte un cambio significativo sobre la limpieza de la capa de óxido. Para un tiempo de 1 ms se percibe que no existe limpieza de la capa de óxido y el aspecto del cordón de soldadura se presenta con óxido esparcido sobre la superficie.

De acuerdo con los estudios realizados por Dutra [¹¹] y Galleguillos et al. [¹²], cuando se emplea el proceso de soldadura TIG de forma autógena el valor mínimo del tiempo en la polaridad positiva para producir la limpieza de óxidos y generar el menor desgaste del electrodo es de 1,3 y 1,0 ms, respectivamente. En base a lo expuesto por estos autores y a los resultados experimentales obtenidos en este trabajo se observa que cuando se emplea la técnica con alimentación de alambre de forma tangencial y se programa el tiempo mínimo en la polaridad positiva, la limpieza de óxidos resulta ineficiente, contrario a lo que sucede cuando se emplea la técnica de forma autógena.

La Tabla 6 exhibe los valores de la zona de limpieza de la forma que se indica esquemáticamente en la Figura 9. El promedio de los valores de la zona de limpieza de la Tabla 6 se muestran de forma gráfica en la Figura 11.

Tabla 6
Valores de la zona de limpieza catódica.

Ensayo N°	t+ (ms)	Medida 1 (mm)	Medida 2 (mm)	Medida 3 (mm)	Promedio ZL (mm)
1	1	0,00	0,00	0,00	0,00
2	2	10,00	10,58	10,15	10,20
3	3	11,38	11,00	10,35	10,90
4	4	10,97	10,81	11,93	11,20

• t+: Tiempo en la polaridad positiva. ZL: Zona de Limpieza.

Figura 11
Variación de la zona de limpieza de óxidos en función del tiempo en la polaridad positiva.

En el gráfico de la Figura 11 se exhibe el promedio de los valores de la zona de limpieza (promedio de tres medidas), donde se puede observar que en la medida que se aumenta el tiempo en la polaridad positiva existe un aumento en el ancho de la región de la limpieza de óxidos. Resultados similares son relatados por los autores Ayarkwa et al. [⁵] quienes utilizaron el proceso de soldadura TIG convencional con entrada radial de alambre con un ángulo de entrada de 36° con respecto al material base AA 6082-T6.

3.4. Potencia del arco

La Tabla 7 muestra la potencia media del arco para el tiempo de pulso y para el tiempo de base cuando se utiliza la corriente alterna pulsada de onda rectangular. Estos valores corresponden a la fase negativa de la corriente alterna, ya que es en esta fase donde ocurre la fusión del material base.

Tabla 7
Potencia del arco en el tiempo de pulso (Tp) y en el tiempo de base (Tb).

Ensayo	Tiempo t+	Corriente eficaz (A)		Tensión eficaz (V)		Potencia en el arco (kW)
N°	(ms)	Fase de pulso Tp	Fase de base Tb	Fase de pulso Tp	Fase de base Tb	Fase de base Tp	Fase de base Tb
1	1	147,5	99,7	13,4	12,3	1,95	1,2
2	2	147,3	99,6	14,8	13,4	2,1	1,32
3	3	147.9	100	13.5	12,2	1,87	1,13
4	4	147,8	99,8	13	11,8	1,74	1,15

• t+: Tiempo en la polaridad positiva.

En base a los oscilogramas de corriente y tensión, obtenidos para cada ensayo del tiempo en la polaridad positiva, fue posible determinar la potencia media, que consiste en la media aritmética de los resultados obtenidos al realizar el producto punto a punto entre la corriente y la tensión, conforme indica la Ecuación 1.

Potencia media del arco = $\frac{\sum _{i=1}^{n}Ii*Ui}{n}\left(W\right)$ (1)

Con el apoyo de los datos de la Tabla 7 se obtiene el gráfico de la Figura 12. En esta figura se puede observar que en la medida que se aumenta el tiempo en la polaridad positiva existe una disminución de la potencia del arco. Esta tendencia se da para el tiempo de pulso (Tp) y para el tiempo de base (Tb). Resultados similares fueron encontrados por Dutra [¹¹] y Galleguillos et al. [¹²] utilizando la técnica autógena en materiales de base AA1200 y AA1100, respectivamente.

Figura 12
Potencia media en el arco para el tiempo de pulso (Tp) y tiempo de base (Tb).

Con el auxilio de la Figura 12 se explica la disminución que experimenta la región fundida de las macrografías de la Figura 8 cuando se aumenta el tiempo en la polaridad positiva.

3.5. Morfología de los cordones de soldadura y área fundida

De forma cuantitativa se realizará un análisis a los parámetros geométricos de los cordones de soldadura para los diferentes tiempos en la polaridad positiva empleando la corriente alterna de onda rectangular pulsada y con alimentación constante de alambre. Se ha realizado la medición de los parámetros geométricos utilizando el software comercial ImageJ, los resultados de las mediciones se muestran en la Tabla 8.

Tabla 8
Parámetros geométricos de los cordones de soldadura.

Ensayo N°	t+	L (mm)	R (mm)	P (mm)	Af (mm2)
1	1	7,80	0,70	3,00	22,63
2	2	7,86	0,54	3,00	23,12
3	3	7,50	0,69	3,00	21,62
4	4	6,47	0,83	3,00	17,13

• t+: Tiempo en la polaridad positiva, L: Ancho, R: Refuerzo, P: Penetración, Af: Área fundida.

En la Figura 13a se presenta de forma gráfica el ancho de los cordones de soldadura. Se observa que en la medida que se aumenta el tiempo en la polaridad positiva, se puede apreciar una clara disminución del ancho del cordón, esto se explica por la disminución de la potencia media del arco, tal como se muestra en la Figura 12.

Figura 13
Relación entre el tiempo en la polaridad positiva y el (a) ancho L del cordón, (b) refuerzo R y (c) área fundida.

La disminución de la potencia media que existe en la medida que se incrementa el tiempo en la polaridad positiva trae como consecuencia un aumento en el refuerzo del cordón, tal como se muestra en la Figura 13b. Se grafica en la Figura 13c la relación entre el área de la región fundida y el tiempo en la polaridad positiva en que permanece el electrodo de tungsteno. Se puede inferir a partir de esta figura que a medida que se aumenta el tiempo en la fase positiva, disminuye el área de la región fundida. Lo anterior puede ser explicado por la Figura 12, la cual indica que la potencia del arco disminuye en la medida que se aumenta el tiempo en la polaridad positiva.

3.6. Influencia del efecto del pulso de la corriente alterna de onda rectangular pulsada

La Figura 14 presenta las macrografías y el aspecto superficial de los cordones de soldadura realizados para diferentes frecuencias de pulso utilizando la corriente alterna rectangular pulsada. Una vez que se ejecutó el conjunto de ensayos de la Tabla 9, relacionados con el tiempo en la polaridad positiva en cuatro niveles, se procede a seleccionar el mejor de los ensayos desde el punto de vista cualitativo.

Figura 14
Secciones transversales de los cordones y aspecto superficial utilizando corriente alterna pulsada con variación en la frecuencia de pulso. a) fB = 0,5 Hz, b) fB = 0,83 Hz, c) fB = 1,67 Hz.

Tabla 9
Parámetros para estudiar el efecto de la pulsación de la corriente alterna.

Ip+(A)	Ip-(A)	Ib+(A)	Ib-(A)
150	150	100	100
Tp (s)	Tb (s)	TB (s)	fB (Hz)
1	1	2	0,5
0,6	0,6	1,2	0,8
0,3	0,3	0,6	1,7

• Ip+: Corriente de pulso positiva. Ip-: Corriente de pulso negativa. Ib+: Corriente de base positiva. Ib-: Corriente de base negativa. Tp: tiempo de pulso. Tb: tiempo de base. TB: Periodo en baja frecuencia. fB: Baja frecuencia. TB = Tp+Tb, fB= 1/TB.

El criterio adoptado por los autores de este trabajo fue a través del aspecto superficial, penetración total, limpieza de óxidos, menor desgaste del electrodo y aspecto de la raíz del cordón de soldadura. El ensayo seleccionado es el que se realizó con un tiempo t+ =3 ms.

La Figura 15 muestra los oscilogramas de corriente y tensión donde se ha destacado en rojo el formato de pulsado siguiendo el ejemplo de Dutra [¹¹], esclareciendo de mejor forma las regulaciones realizadas en la máquina de soldar de la corriente en el pulso (Tp) y la corriente de soldadura en la base (Tb).

Figura 15
Oscilogramas de corriente y tensión obtenidos para las diferentes frecuencias de pulsación de la corriente.

Para las tres frecuencias ensayadas se selecciona la frecuencia fB=1,67 Hz (Tp = Tb = 0,3 s) considerando como criterio de aceptación el aspecto superficial y las discontinuidades producidas en la raíz del cordón de soldadura. La Figura 16 muestra el aspecto superficial de la raíz del cordón de soldadura para las tres frecuencias estudiadas.

Figura 16
Aspecto superficial utilizando corriente alterna pulsada con variación en la frecuencia de pulso. Vs=15 cm/min.

Es importante destacar que la velocidad de soldadura empleada en los ensayos siempre fue de 15 cm/min, por lo tanto, estas discontinuidades en la raíz pueden ser minimizadas si se disminuye la velocidad de soldadura, siempre y cuando esta disminución de la velocidad de soldadura no afecte en la productividad. Por otro lado, en la Figura 16 se ha señalado la dirección de soldadura para explicar la falta de fusión al inicio del cordón de soldadura (raíz), esto se debe a que la plancha se encuentra fría al iniciar el desplazamiento de la pistola una vez realizada la abertura del arco. Haciendo uso del programa ImageJ se realizaron las medidas de la distancia entre escamas de la Figura 16. Los resultados se representan en la Tabla 10.

Tabla 10
Distancia entre escamas (ʎ).

Distancia entre escamas ʎ (mm)	Tp=Tb (s)	fB (Hz)	Medida 1 (mm)	Medida 2 (mm)	Medida 3 (mm)	Promedio (mm)
3,9	1,0	0,50	3,75	4,11	3,93	3,90
2,6	0,6	0,83	1,99	1,99	3,84	2,60
1,7	0,3	1,67	1,60	1,90	1,65	1,70

• Tp: Tiempo de pulso. Tb: Tiempo de base. fB: Baja frecuencia.

La Figura 17 muestra de forma gráfica la distancia entre escamas (ʎ) donde se evidencia que en la medida que se aumenta la frecuencia de pulso existe una disminución en la distancia entre escamas logrando una raíz homogénea como se indica con la frecuencia de 1,67 Hz.

Figura 17
Distancia entre escamas (ʎ) en función de la frecuencia de pulso fB.

3.7. Desgaste del electrodo

La Figura 18 muestra el aspecto superficial del electrodo de tungsteno para diferentes tiempos en la fase positiva de la corriente alterna de onda rectangular pulsada. Se observa en las fotografías que en la medida que se aumenta el tiempo en la polaridad positiva (𝑡+), existe un desgaste considerable en la punta del electrodo, este hecho ocurrido debe ser considerado y tomado en cuenta al momento de producir soldaduras con corriente alterna de onda rectangular pulsada, debido a que debe existir un equilibrio entre limpieza de la capa de óxido y desgaste del electrodo. Resultados similares fueron encontrados por Galleguillos et al. [¹²] quienes utilizaron la técnica autógena y un ángulo en la punta del electrodo de 45°.

Figura 18
Fotografías del desgaste de los electrodos para diferentes tiempos de polaridad positiva y negativa. Tempo de arco abierto de 40 s.

4. Conclusiones

El presente trabajo es una contribución que ha permitido ampliar el conocimiento sobre la información relacionada al proceso de soldadura TIG del aluminio con alimentación tangencial de alambre. Por lo expuesto, es posible concluir que:

• La escasa bibliografía del proceso de soldadura TIG con alimentación tangencial de alambre aplicada en aleaciones de aluminio evidenció que el proceso presenta una baja productividad, muy al contrario, a lo que sucede con las aleaciones de acero al carbono y aceros inoxidables.

• Se observa que cuando se emplea la técnica con alimentación de alambre de forma tangencial y se programa el tiempo mínimo en la polaridad positiva, la limpieza de óxidos resulta ineficiente, resultado opuesto a lo que sucede cuando se emplea la técnica de forma autógena.

• Debe ser cuidadosa la selección del tiempo en la polaridad positiva, ya que está demostrado que en la medida que se aumenta el tiempo en la polaridad positiva existe una disminución en la potencia del arco en la polaridad negativa, lo que influye en la morfología de los cordones de soldadura. Por otro lado, esta variación está relacionada con la limpieza de óxido como también al desgaste del electrodo de tungsteno.

• Los parámetros de soldadura programados, específicamente los relacionados a la corriente alterna de onda rectangular pulsada, sobre una plancha AA 1100 de 3,0 mm de espesor permiten una velocidad de alambre de 0,8 m/min.

• Valores superiores de velocidad de alambre traerá como consecuencia que la punta del alambre impacte en el material base y quede retenido el material de aporte en los rodillos del sistema de alimentador de alambre paralizando el proceso.

• Aunque se lograron resultados satisfactorios, para los parámetros de soldadura aquí estudiados, no es rentable utilizar una técnica de alta productividad en la soldadura del aluminio con alimentación mecanizada de alambre ya que se alcanzan los mismos resultados y desempeño cuando se emplea la técnica convencional.

Agradecimientos

Los autores de este trabajo agradecen al Plan de Fortalecimiento VRIIP código ANT20992 de la Universidad de Antofagasta, Chile.

• Como citá:
  Flores CP, Villegas PC, Maldonado MC, Díaz VV, Cunha TV. Efecto de los parámetros de la corriente alterna pulsada en la soldadura TIG de aluminio AA1100 con alimentación tangencial de alambre. Rev. Soldag. Insp. 2025;30:e3015. https://doi.org/10.1590/0104-9224/SI30.15
• Financiamento
  Plan de Fortalecimiento VRIIP código ANT20992 de la Universidad de Antofagasta, Chile.
• Declaraciones y afirmaciones
  Todos los datos que respaldan los resultados de este estudio se encuentran incluidos en el manuscrito.

Referencias

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• Editor:
  Paulo José Modenesi.

Disponibilidad de datos

Todos los datos que respaldan los resultados de este estudio se encuentran incluidos en el manuscrito.

Fechas de Publicación

• Publicación en esta colección
  21 Nov 2025
• Fecha del número
  2025

Histórico

• Recibido
  22 Mar 2025
• Acepto
  28 Ago 2025