Puntas de contacto de soldadura para aplicaciones por impulsos.

Una punta de contacto (140) para un soplete de soldadura (130),

incluyendo la punta de contacto:

un cuerpo (142) que tiene un extremo de descarga frontal (144) un extremo de alimentación posterior opuesto (146) y un ánima (148) que se extiende a través de dicho cuerpo; y

un capuchón (152) montado sobre dicho cuerpo en dicho extremo frontal, teniendo dicho capuchón una abertura (158) generalmente alineada con dicho ánima,

definiendo una parte de dicho ánima en el extremo frontal de dicho cuerpo y al menos una parte de dicha abertura en dicho capuchón, un área de contacto (160) para una varilla de electrodo consumible (150); y

estando compuesto dicho cuerpo de un material seleccionado del grupo que consiste de cobre o una aleación de cobre, teniendo dicho cuerpo una conductividad eléctrica que es mayor que la conductividad eléctrica de dicho capuchón,

caracterizado por que dicho capuchón está compuesto de un material que tiene una conductividad eléctrica de entre 1,74 × 107 y 4,35 x 107 Siemens por metro a 20° C.

Puntas de contacto de soldadura para aplicaciones por impulsos

CAMPO TÉCNICO

Este invento se refiere a puntas de contacto para un soplete de soldadura GMAW (soldadura por arco metálico con gas) , MIG (gas metálico inerte) , MAG (gas metálico activo) , SAW (soldadura por arco sumergido) , o FCAW (soldadura por arco con núcleo de fundente) , y más particularmente a una punta de contacto que tiene una durabilidad incrementada, especialmente en aplicaciones de soldadura por impulsos.

ANTECEDENTES DEL INVENTO

Un soplete de soldadura convencional incluye generalmente un conjunto de cable conectado a un cuerpo de soplete, un cuello de cisne que se extiende desde el cuerpo, y un cabezal de soplete en un extremo distal del cuello de cisne. El cabezal del soplete incluye típicamente un cabezal de retención y/o difusor, una punta de contacto, y una boquilla. La varilla de soldadura (electrodo consumible) y el gas de protección son alimentados a través del conjunto de cable y del cuello de cisne al cabezal del soplete, donde la varilla de soldadura y el gas de protección son alimentados fuera de la punta de contacto.

Las técnicas comunes de soldadura con metal emplean calor generado por la formación de un arco eléctrico para provocar la transición de una pieza a soldar a un estado fundido, y la adición de un metal de relleno procedente de la varilla de soldadura. La energía (por ejemplo la corriente de soldadura) es transferida desde el conjunto de cable y el cuello de cisne a través de los componentes frontales del soplete que incluyen el cabezal de retención y la punta de contacto, a la varilla de soldadura de electrodo consumible. Cuando se acciona un gatillo sobre el soplete de soldadura o se asigna una señal de "activación" mediante un controlador robot/automático, la varilla del electrodo es hecha avanzar hacia la punta de contacto, en cuyo punto la corriente es conducida desde la punta de contacto a la varilla de soldadura saliente. Un arco de corriente se forma entre la varilla de electrodo y la pieza a soldar, completando un circuito y generando suficiente calor para fundir la varilla de electrodo para formar una soldadura con la pieza. El gas de protección ayuda a generar el arco y protege la soldadura. Cuando la varilla de electrodo es consumida y resulta una parte de la soldadura, una nueva varilla de electrodo es hecha avanzar, reemplazando de modo continuo a la varilla de electrodo consumida y manteniendo el arco de soldadura.

Con el fin de aumentar las velocidades de soldadura (por ejemplo la velocidad de desplazamiento) y reducir la generación de salpicaduras en aplicaciones de soldadura, se han utilizado fuentes de energía de soldadura que emplean formas de onda modernas que están representadas por impulsos y cortocircuito controlado. Estas formas de onda utilizan típicamente corriente de pico elevada en un corto período de impulso y un gradiente o tasa de rampa de corriente elevado. Por ejemplo, 300 amperios son usualmente considerados como una corriente elevada para una varilla de electrodo de acero macizo de 1, 14 mm (0.045 pulgadas) de diámetro exterior (OD) en aplicaciones de soldadura de tensión constante. En contraste, en aplicaciones de soldadura por impulsos es común que esta misma varilla de electrodo sea soldada a una corriente de pico de 450 amperios. Esta corriente un 50% mayor da como resultado un 125% más de generación de calor (en julios) en la interfaz de punta de contacto - varilla de electrodo, de acuerdo con la regla de E=I2RT donde E representa el calor en julios, I representa la corriente, R representa la resistencia eléctrica a través de la interfaz de punta de contacto - varilla de electrodo y t representa un período o duración de tiempo.

La elevada corriente de soldadura y la elevada transferencia de gradiente de rampa de corriente a través de la interfaz punta de contacto - varilla de electrodo durante aplicaciones de soldadura por impulsos causa la fusión o evaporación local (por ejemplo erosión del arco) tanto sobre la varilla de electrodo como sobre la punta de contacto. Por ejemplo, se forman marcas de combustión sobre la varilla de electrodo cuando es alimentada a través de la punta de contacto. Este diseño de marcas de combustión sobre la varilla del electrodo es una característica de la moderna soldadura de forma de onda por impulsos y no se ve sobre la varilla de electrodo alimentada a través de puntas de contacto durante modos de soldadura de tensión constante. La erosión del arco durante las aplicaciones de soldadura por impulsos causa la eliminación de desgaste sustancial de la punta de contacto, y los datos prácticos indican que las puntas de contacto se deterioran más rápidamente en las aplicaciones de soldadura por impulsos en comparación con las aplicaciones de tensión constante. Como la corriente de soldadura de pico y el gradiente de rampa de corriente en las aplicaciones de soldadura por impulsos son más elevados, la duración de vida de la punta de contacto resulta más corta.

El gráfico mostrado en la fig. 1 es un trazado de la corriente de soldadura 10 real medida (en amperios) y la tensión de soldadura 11 (en voltios) de una punta de contacto con respecto al tiempo en una aplicación de soldadura por impulsos típica. La forma de la curva de corriente 10 de soldadura es común para una punta de contacto que se ha deteriorado a lo largo del tiempo. Cuando una punta de contacto es nueva, la corriente de arranque de soldadura es elevada y la tensión de arranque de soldadura es baja (véase tiempo de Arco activado = 0) . Como la punta de contacto se deteriora con el uso, la eficiencia de transferencia de energía a través de la interfaz de la punta de contacto y de la varilla del electrodo disminuye, dando como resultado una caída en la corriente de soldadura. Así, la fuente de energía ha de contribuir con más fuerza eléctrica (es decir tensión de soldadura más elevada) para compensar la caída de corriente causada por el deterioro de la punta de contacto. Cuando la corriente cae a un cierto valor, el consumo de energía en el arco de soldadura es insuficiente para mantener la fusión apropiada de la varilla del electrodo y una acumulación de soldadura apropiada, dando como resultado un arco inestable y defectos de soldadura tales como "perlas delgadas", " perlas rotas", y "longitud de pata", "humedecimiento" o "penetración" insuficientes. Este es el mecanismo de fallo más común para puntas de contacto utilizadas en procesos modernos de soldadura por impulsos o de cortocircuito controlado, y requiere la sustitución de la punta de contacto gastada por una nueva punta de contacto para mantener la calidad de producción.

Además, con el desarrollo de aceros de baja aleación de elevada resistencia mecánica, las piezas de plancha/chapa de acero utilizadas hoy son significativamente más delgadas que en el pasado. Con el fin de no fundir a través de estas chapas delgadas, las formas de onda de soldadura moderna utilizan típicamente una entrada de baja energía y producen una longitud de arco controlada estrechamente. Así, los parámetros de soldadura son establecidos al comienzo de la soldadura con una nueva punta de contacto de modo que no excedan de un cierto nivel. De otro modo, pueden ocurrir defectos de soldadura tales como "fusión que atraviesa" o "corte". Al mismo tiempo, la corriente de soldadura debe ser mantenida por encima de un umbral inferior con el fin de mantener un arco estable. Estos requisitos estrechan la ventana aceptable (máximo superior y mínimo inferior) de la corriente de soldadura que una punta de contacto debe proporcionar, acortando también la vida útil de la punta de contacto.

Aunque se han hecho muchos esfuerzos en mejorar los materiales y el diseño de las puntas de contacto de los sopletes de soldadura para mitigar el deterioro de la punta de contacto, casi ninguno de estos esfuerzos se ha enfocado sobre los mecanismos de deterioro de la punta de contacto de modo que se mejore la vida de la punta de contacto. Los dos parámetros de deterioros significativos para la punta de contacto son la corriente de arranque de soldadura y la pendiente de la curva de la corriente de soldadura a lo largo del tiempo. Es evidente que la vida de la punta de contacto puede ser mejorada de manera significativa si la curva de la corriente de soldadura puede ser ajustada para que tenga una forma tal como se ha mostrado mediante la línea de trazos 12. La curva hipotética 12 de la corriente de soldadura tiene una corriente de arranque de soldadura inferior cuando la punta de contacto está nueva (en el instante = 0) , y una pendiente menor (valor absoluto de la pendiente de la curva) cuando la punta de contacto es utilizada a lo largo del tiempo.

Además, un factor ignorado es que la resistencia eléctrica... [Seguir leyendo]

1. Una punta de contacto (140) para un soplete de soldadura (130) , incluyendo la punta de contacto:

un cuerpo (142) que tiene un extremo de descarga frontal (144) un extremo de alimentación posterior opuesto (146) y un ánima (148) que se extiende a través de dicho cuerpo; y

un capuchón (152) montado sobre dicho cuerpo en dicho extremo frontal, teniendo dicho capuchón una abertura (158) generalmente alineada con dicho ánima,

definiendo una parte de dicho ánima en el extremo frontal de dicho cuerpo y al menos una parte de dicha abertura en dicho capuchón, un área de contacto (160) para una varilla de electrodo consumible (150) ; y

estando compuesto dicho cuerpo de un material seleccionado del grupo que consiste de cobre o una aleación de cobre, teniendo dicho cuerpo una conductividad eléctrica que es mayor que la conductividad eléctrica de dicho capuchón,

caracterizado por que dicho capuchón está compuesto de un material que tiene una conductividad eléctrica de entre 1, 74 × 107 y 4, 35 x 107 Siemens por metro a 20° C.

2. La punta de contacto (140) según la reivindicación 1, en la que dicho capuchón (152) está compuesto de un compuesto de matriz metálica de cobre.

3. La punta de contacto (140) según la reivindicación 2, en la que el compuesto de matriz metálica de cobre es o bien cobre reforzado con cerámica o bien una aleación de cobre reforzada con cerámica.

4. La punta de contacto (140) según la reivindicación 3, en la que un material de refuerzo cerámico compuesto de matriz metálica de cobre tiene la forma de uno seleccionado del grupo que consiste de una estructura porosa, partículas, fibras, copos, y una mezcla de uno o más de partículas, fibras, y copos.

5. La punta de contacto (140) según la reivindicación 1, en la que dicho cuerpo (142) tiene una conductividad eléctrica no inferior a 4, 35 x 107 Siemens por metro a 20° C.

6. La punta de contacto (140) según la reivindicación 1, en la que la abertura (158) en dicho capuchón (152) tienen una longitud de aproximadamente 3 a 7 mm.

7. La punta de contacto (140) según la reivindicación 1, en la que dicho capuchón (152) es montado sobre dicho cuerpo (142) mediante o bien por presión, forja, soldadura blanda, soldadura dura, recalcado, y roscado.

8. La punta de contacto (140) según la reivindicación 1, en la que dicho capuchón (252) incluye más de una capa (280, 281, 282, 283) . 9. La punta de contacto (140) según la reivindicación 8, en la que cada capa (280, 281, 282, 283) tiene un grosor de hasta

aproximadamente 4 mm.

10. La punta de contacto (140) según la reivindicación 8, en la que la abertura en dicho capuchón (252) tiene una longitud de aproximadamente 17 mm o menos. 11. La punta de contacto (140) según la reivindicación 8, en la que dicho capuchón (252) tiene una conductividad eléctrica

que varía de forma escalonada entre dichas capas adyacentes (280, 281, 282, 283) .

12. La punta de contacto (140) según la reivindicación 1, en la que dicho capuchón (352) está integrado en dicho cuerpo (342) . 13. La punta de contacto (140) según la reivindicación 12, en la que dicho capuchón (352) es un material compuesto de

gradiente, y la conductividad eléctrica de dicho capuchón disminuye desde el extremo frontal de dicho cuerpo (342) a un

extremo frontal de dicho capuchón. 14. La punta de contacto (140) según la reivindicación 12, en la que dicho capuchón (352) tiene un grosor de hasta aproximadamente 17 mm.

15. La punta de contacto (140) según la reivindicación 1, en la que dicho capuchón (452) es una inserción montada en dicho ánima (448) en el extremo frontal de dicho cuerpo (442) . 16. Un conjunto de soplete de soldadura (130) que comprende: un cuerpo de soplete (132) ; un cuello (134) que se extiende desde un extremo delantero de dicho cuerpo de soplete (132) ;

un cabezal de retención (138) montado sobre un extremo distal de dicho cuello (134) ; y la punta de contacto (140) según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5 montada sobre dicho cabezal de retención (138) .