Proceso de Arco Sumergido (SAW/121) — Guía Técnica Completa
Introducción y Campo de Aplicación
El proceso de Arco Sumergido (SAW — Submerged Arc Welding), designado 121 según ISO 4063, es un proceso de soldadura por fusión en el que el arco eléctrico se forma entre un electrodo de hilo continuo y la pieza, totalmente cubierto por una capa de fundente granular. El arco no es visible — está literalmente sumergido en el fundente, lo que confiere al proceso características únicas.
El SAW es el proceso con la mayor tasa de deposición de todos los procesos por arco eléctrico (hasta 25 kg/h en configuraciones multi-hilo) y la mayor eficiencia térmica (η ≈ 0,99 según AWS Welding Handbook), haciéndolo ideal para soldaduras largas, rectas, de gran sección y en posición plana u horizontal.
Se utiliza ampliamente en construcción naval, recipientes a presión, tuberías de gran diámetro, estructuras offshore, puentes y torres eólicas.
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Principio de Funcionamiento
El proceso SAW sigue esta secuencia operativa:
| Etapa | Descripción |
|---|---|
| 1 | El fundente granular se deposita delante del arco, cubriendo la zona de soldadura |
| 2 | El hilo continuo se alimenta automáticamente hacia la junta |
| 3 | El arco funde el hilo, el material base y parte del fundente, formando escoria líquida |
| 4 | La escoria solidifica sobre el cordón, protegiéndolo durante el enfriamiento |
| 5 | El fundente no fundido se recupera por aspiración y se reutiliza |
La protección del baño de fusión es asegurada exclusivamente por el fundente — no hay gas de protección externo. La escoria formada tiene funciones metalúrgicas (desoxidación, adición de elementos de aleación) y funciones de protección (contra la oxidación atmosférica y control de la velocidad de enfriamiento).
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Variantes del Proceso según ISO 4063
La ISO 4063 clasifica diversas variantes del arco sumergido:
| Nº ISO 4063 | Designación | Tipo de Electrodo |
|---|---|---|
| 121 | SAW con hilo sólido | Hilo sólido (más común) |
| 122 | SAW con cinta (strip cladding) | Cinta metálica para revestimiento |
| 124 | SAW con polvo metálico | Hilo + adición de polvo en el fundente |
| 125 | SAW con hilo tubular | Hilo tubular con fundente interno |
Las configuraciones de electrodos más utilizadas industrialmente son:
| Configuración | Descripción | Tasa de Deposición Típica |
|---|---|---|
| Hilo único (single wire) | 1 electrodo, 1 fuente | 5–10 kg/h |
| Tándem (twin arc) | 2 electrodos en línea, 2 fuentes | 10–18 kg/h |
| Multi-hilo (multi-wire) | 3–5 electrodos, fuentes independientes | 15–25 kg/h |
| Cinta (strip) | Cinta ancha para revestimiento | 8–15 kg/h (cladding) |
En la configuración tándem, el primer arco (DC+) asegura la penetración y el segundo arco (AC) realiza el relleno, permitiendo velocidades de soldadura hasta 3 m/min en espesores delgados.
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Clasificación de Fundentes — EN ISO 14174
El fundente es el consumible más crítico en el proceso SAW. La norma EN ISO 14174 clasifica los fundentes según varios criterios:
Por método de fabricación
| Tipo | Fabricación | Características |
|---|---|---|
| Fundido (F) | Materias primas fundidas en horno, solidificadas y trituradas | Granos vítreos, homogéneos; higroscópicos; buena consistencia; limitados en adición de desoxidantes y ferroaleaciones |
| Aglomerado (B) | Polvos mezclados con aglutinante (silicato de sodio/potasio), granulados y secados a 400–800 °C | Pueden incorporar ferroaleaciones y desoxidantes; menos higroscópicos; menor consumo de corriente |
| Sinterizado (S) | Similar al aglomerado pero sinterizado a temperatura más elevada | Mayor resistencia mecánica de los granos; menor absorción de humedad |
| Mezclado (M) | Mezcla mecánica de dos o más tipos | Permite ajuste fino de propiedades |
Por índice de basicidad (BI)
El índice de basicidad clasifica el comportamiento metalúrgico del fundente:
| Clasificación | BI (Boniszewski) | Efecto en el Cordón |
|---|---|---|
| Ácido | BI < 1,0 | Buen aspecto superficial; escoria fácil de retirar; menor tenacidad |
| Neutro | 1,0 ≤ BI ≤ 1,2 | Equilibrio entre aspecto y propiedades mecánicas |
| Básico | BI > 1,2 | Mejor tenacidad al impacto; menor contenido de oxígeno en el cordón; escoria más difícil de retirar |
| Altamente básico | BI > 2,0 | Máxima tenacidad; usado en recipientes a presión y aplicaciones criogénicas |
BI = (CaO + MgO + BaO + SrO + Na₂O + K₂O + Li₂O + CaF₂ + 0,5(MnO + FeO)) / (SiO₂ + 0,5(Al₂O₃ + TiO₂ + ZrO₂))
Cuidados con el fundente
| Parámetro | Requisito |
|---|---|
| Almacenamiento | Lugar seco, temperatura >10 °C por encima de la ambiente, HR < 50% |
| Secado (aglomerados) | 250–350 °C durante 2–4 h antes de usar (si expuesto a humedad) |
| Secado (fundidos) | Generalmente no necesario (vítreos, baja absorción) |
| Reutilización | Fundente recuperado debe cribarse y mezclarse con fundente nuevo (máx. 50/50) |
| Contaminación | Nunca mezclar fundentes de marcas/tipos diferentes |
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Clasificación de Combinaciones Alambre-Fundente — EN ISO 14171
La norma EN ISO 14171 clasifica las combinaciones hilo sólido + fundente para soldadura de aceros no aleados y de grano fino. La clasificación sigue el formato:
ISO 14171-A (sistema basado en la resistencia a la tracción):
Ejemplo: S 50 4 AB S2
| Posición | Significado | Ejemplo |
|---|---|---|
| S | Hilo sólido para arco sumergido | S |
| 50 | Resistencia a la tracción mínima en MPa (×10) | 500 MPa |
| 4 | Energía absorbida 47 J a −40 °C | −40 °C |
| AB | Tipo de fundente (A=ácido, B=básico, AB=neutro) | Neutro |
| S2 | Clasificación del hilo sólido | S2 |
Hilos sólidos más comunes
| Designación | Composición típica (%) | Aplicación |
|---|---|---|
| S1 | 0,06–0,14 C; 0,80–1,25 Mn | Aceros de construcción general |
| S2 | 0,06–0,14 C; 1,40–1,85 Mn; 0,15–0,35 Si | Aceros estructurales, recipientes a presión |
| S3 | 0,06–0,14 C; 1,40–1,85 Mn; 0,45–0,75 Si | Mayores requisitos de desoxidación |
| S4 | 0,06–0,14 C; 1,65–2,20 Mn; ≤ 0,50 Si; 0,30–0,60 Mo | Aceros de alta resistencia, servicio a alta temperatura |
Diámetros de hilo típicos: 2,0 mm; 2,4 mm; 3,2 mm; 4,0 mm; 5,0 mm.
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Parámetros de Soldadura por Espesor
Los parámetros varían significativamente con el espesor del material y la preparación de la junta:
Juntas a tope — hilo único, DC+
| Espesor (mm) | Ø Hilo (mm) | Corriente (A) | Tensión (V) | Vel. Soldadura (cm/min) | Nº Pasadas |
|---|---|---|---|---|---|
| 6 | 2,4 | 350–400 | 28–30 | 50–70 | 1 |
| 8 | 3,2 | 400–450 | 28–31 | 45–60 | 1 |
| 10 | 3,2 | 450–500 | 30–32 | 40–55 | 1–2 |
| 12 | 4,0 | 500–550 | 30–33 | 35–50 | 1–2 |
| 16 | 4,0 | 550–600 | 31–34 | 30–45 | 2 |
| 20 | 4,0 | 550–650 | 32–35 | 25–40 | 2–3 |
| 25 | 4,0–5,0 | 600–700 | 33–36 | 25–35 | 3–4 |
| 30–40 | 4,0–5,0 | 600–750 | 33–38 | 20–35 | Multi-pasada |
Juntas en ángulo — hilo único
| Cateto (mm) | Ø Hilo (mm) | Corriente (A) | Tensión (V) | Vel. Soldadura (cm/min) |
|---|---|---|---|---|
| 5 | 2,4 | 350–400 | 28–30 | 60–80 |
| 6 | 3,2 | 400–450 | 29–31 | 50–65 |
| 8 | 3,2 | 450–550 | 30–33 | 40–55 |
| 10 | 4,0 | 550–650 | 32–35 | 30–45 |
| 12 | 4,0 | 600–700 | 33–36 | 25–40 |
Variables esenciales y su influencia
| Parámetro | Efecto al aumentar |
|---|---|
| Corriente (A) | Aumenta penetración y tasa de deposición; cordón más estrecho |
| Tensión (V) | Aumenta anchura del cordón; cordón más plano; mayor consumo de fundente |
| Velocidad de soldadura | Disminuye penetración y anchura; riesgo de mordeduras a velocidad excesiva |
| Diámetro del hilo | Mayor diámetro = menor penetración para la misma corriente; cordón más ancho |
| Extensión libre del electrodo (stick-out) | Aumenta tasa de deposición; disminuye penetración (efecto Joule en el hilo) |
| Polaridad DC+ | Máxima penetración (70% del calor en la pieza) |
| Polaridad DC− | Mayor tasa de deposición, menor penetración (70% del calor en el electrodo) |
| Corriente AC | Compromiso entre penetración y tasa de deposición; elimina soplo magnético |
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Preparación de Juntas para SAW
El SAW opera normalmente en posición PA (plana) o PB (horizontal en ángulo). La preparación de la junta es crítica:
| Tipo de Junta | Espesor (mm) | Ángulo Chaflán | Holgura Raíz | Talón |
|---|---|---|---|---|
| I (sin chaflán) | ≤ 12 (1 lado), ≤ 16 (2 lados) | 0° | 0–1 mm | N/A |
| V | 12–30 | 50–60° | 0–2 mm | 2–3 mm |
| X (doble V) | 20–60 | 50–60° | 0 mm | 2–4 mm |
| U | > 30 | 10–20° | 0–2 mm | 3–5 mm |
| K (doble U) | > 40 | 10–20° | 0 mm | 3–5 mm |
Para juntas sin chaflán hasta 12 mm, el SAW puede soldar de un solo lado con backing cerámico o soporte de fundente, eliminando la necesidad de pasada de raíz manual.
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Equipamiento
El equipamiento SAW se compone de:
| Componente | Función |
|---|---|
| Fuente de energía | CC (DC) o CA (AC); fuentes de 600–1500 A; curva característica de tensión constante (CC) |
| Alimentador de hilo | Velocidad controlada, sincronizada con la corriente |
| Cabezal de soldadura | Guía el hilo y el tubo de contacto; alineación con la junta |
| Tolva de fundente | Depósito de fundente con válvula de control de caudal |
| Sistema de recuperación | Aspirador que recoge el fundente no fundido para reutilización |
| Sistema de desplazamiento | Tractor, columna y lanza, o pórtico (según la aplicación) |
En la configuración tándem, cada electrodo tiene su propia fuente. Típicamente el primer arco opera en DC+ (penetración) y el segundo en AC (relleno y reducción de soplo magnético).
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Ventajas y Limitaciones
Ventajas
| Ventaja | Detalle |
|---|---|
| Eficiencia térmica máxima | η ≈ 0,99 — prácticamente toda la energía va a la soldadura |
| Tasa de deposición elevada | 5–25 kg/h según la configuración |
| Calidad metalúrgica | Excelente protección del baño; bajo contenido de hidrógeno (< 5 ml/100g con fundente básico) |
| Sin radiación UV visible | Arco cubierto por el fundente — no requiere protección facial específica para el operador |
| Sin salpicaduras | El fundente contiene todas las proyecciones |
| Automatización total | Proceso totalmente mecanizado; excelente repetibilidad |
| Penetración profunda | Permite soldar espesores hasta 16 mm sin chaflán (I-joint, 2 lados) |
Limitaciones
| Limitación | Detalle |
|---|---|
| Posición de soldadura | Limitado a PA (plana) y PB (horizontal en ángulo) |
| Accesibilidad | Equipo pesado; no aplicable en campo en muchas situaciones |
| Espesor mínimo | Generalmente ≥ 5 mm (corrientes elevadas en espesores delgados causan perforación) |
| Visibilidad cero | El operador no ve el arco ni el baño — alineación y parámetros deben estar correctos antes de iniciar |
| Coste del equipo | Inversión inicial elevada comparada con SMAW o GMAW |
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Defectos Típicos y Prevención
| Defecto (Nº ISO 6520) | Causa Principal | Prevención |
|---|---|---|
| Porosidad (2011/2012) | Humedad en el fundente; contaminación de la junta (óxido, aceite, pintura) | Secar fundente; limpiar junta; cribar fundente reutilizado |
| Inclusiones de escoria (301) | Limpieza insuficiente entre pasadas; fundente inadecuado; velocidad excesiva | Limpiar escoria completamente entre pasadas; ajustar velocidad |
| Falta de fusión (401) | Corriente insuficiente; desalineación del hilo; apertura de raíz insuficiente | Verificar alineación; aumentar corriente; corregir preparación |
| Falta de penetración (402) | Corriente baja; velocidad alta; holgura de raíz insuficiente | Aumentar corriente; reducir velocidad; corregir holgura |
| Mordeduras (5011/5012) | Tensión excesiva; velocidad excesiva | Reducir tensión; reducir velocidad |
| Fisuración en caliente (100) | S y P elevados en el metal base; relación W/D inadecuada | Controlar composición química; ajustar parámetros para W/D > 1,2 |
| Fisuración en frío (H₂) | Hidrógeno difusible; acero templable; tensiones residuales | Usar fundente básico seco; precalentar; controlar aporte térmico |
| Cordón asimétrico | Desalineación del cabezal; posicionamiento incorrecto | Verificar alineación antes de iniciar; usar sistemas de seguimiento de junta |
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Aplicaciones Industriales
| Sector | Aplicación Típica | Ventaja Principal |
|---|---|---|
| Construcción naval | Paneles de casco, cubierta, mamparos | Elevada productividad en chapas largas |
| Recipientes a presión | Costuras longitudinales y circunferenciales | Calidad metalúrgica; bajo H₂ |
| Tubería (Oil & Gas) | Soldadura longitudinal de tubos (espiral y UOE) | Velocidad (tándem hasta 3 m/min) |
| Estructuras offshore | Nudos tubulares, patas de plataformas | Penetración profunda; fiabilidad |
| Torres eólicas | Virolas y bridas | Soldadura circunferencial continua |
| Puentes metálicos | Vigas de alma llena, tableros ortotrópicos | Automatización total; repetibilidad |
| Revestimiento (cladding) | Overlay de acero inoxidable sobre acero al carbono | Strip cladding (Nº 122) con cinta |
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Normas de Referencia
| Norma | Contenido |
|---|---|
| ISO 4063 | Designación de los procesos de soldadura |
| EN ISO 14171 | Clasificación de combinaciones alambre-fundente para aceros no aleados y de grano fino |
| EN ISO 14174 | Clasificación de fundentes para arco sumergido |
| ISO 9692-2 | Preparación de juntas para arco sumergido |
| ISO 15614-1 | Cualificación de procedimientos de soldadura |
| ISO 9606-1 | Cualificación de soldadores (SAW parcialmente mecanizado: 121, 125) |
| EN ISO 14731 | Coordinación de soldadura |
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*Artículo técnico basado en EN ISO 14174, EN ISO 14171, ISO 4063, ISO 9692-2, AWS Welding Handbook — Metalurgia de Soldadura y Lincoln Electric — The Procedure Handbook of Arc Welding. Publicado en WeldFC Academy.*