30_31_32_ SOLDADURA

30Parte VIIIProcesos de unin y ensamble

FUNDAMENTOS DE SOLDADURACONTENIDO DEL CAPTULO

30.1 Perspectiva de la tecnologa de la soldadura 30.1.1 Tipos de procesos de soldadura 30.1.2 La soldadura como una operacin comercial30.2 Unin soldada 30.2.1 Tipos de uniones 30.2.2 Tipos de soldaduras30.3 Fsica de la soldadura 30.3.1 Densidad de potencia 30.3.2 Balance de calor en la soldadura por fusin30.4 Caractersticas de una junta soldada por fusin

En esta parte del libro, se consideran los procesos que se utilizan para unir dos o ms piezas en una entidad ensamblada. stos se identifican en el tronco inferior de la figura 1.4. Por lo general, el trmino unin generalmente se usa para la soldadura fuerte, la dura, la suave y el pegado adhesivo, que forman entre las piezas una unin que no puede separarse con facilidad. El trmino ensamble se refiere usualmente a los mtodos mecnicos para juntar dos piezas. Algunos de ellos permiten un desensamble sencillo, mientras que otros no. El ensamble mecnico se cubre en el captulo 33. La soldadura dura, la suave y el pegado adhesivo se analizan en el captulo 32. Se inicia la cobertura de los procesos de unin y ensamble con la soldadura que se analiza en este captulo y el siguiente.

La soldadura es un proceso de unin de materiales en el cual se funden las superficies de contacto de dos o ms piezas mediante la aplicacin conveniente de calor y/o presin. Muchos procesos de soldadura se obtienen solamente por calor, sin aplicar presin; otros mediante una combinacin de calor y presin; y otros ms, nicamente por presin, sin suministrar calor externo. En algunos procesos de soldadura se agrega un material de relleno para facilitar la fusin. El ensamblaje de partes que se unen mediante soldadura se denomina ensamblaje soldado. La soldadura se asocia por lo regular con piezas metlicas, pero el proceso tambin se usa para unir plsticos. El anlisis de la soldadura en este texto se enfocar en la unin de metales.

La soldadura es un proceso relativamente nuevo (nota histrica 30.1). Su importancia comercial y tecnolgica se deriva de lo siguiente:

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690 Captulo 30/Fundamentos de soldadura

La soldadura proporciona una unin permanente. Las piezas soldadas se convierten en una sola entidad.

La unin soldada puede ser ms fuerte que los materiales originales, si se usa un metal de relleno que tenga propiedades de resistencia superiores a las de los materiales origi-nales y si se emplean las tcnicas de soldadura adecuadas.

Por lo general, la soldadura es la forma ms econmica de unir componentes, en tr-minos del uso de materiales y costos de fabricacin. Los mtodos mecnicos alterna-tivos de ensamble requieren alteraciones ms complejas de las formas (por ejemplo, el taladrado de orificios) y la adicin de sujetadores (por ejemplo, remaches o tuercas). Usualmente, el ensamble mecnico resultante es ms pesado que la soldadura corres-pondiente.

La soldadura no se limita al ambiente de fbrica. Puede realizarse en el campo.

Aunque la soldadura tiene las ventajas indicadas, tambin tiene ciertas limitaciones y desventajas (o desventajas potenciales):

La mayora de las operaciones de soldadura se realizan en forma manual y son caras en trminos de costo de mano de obra. Muchas operaciones de soldadura se consideran rutinas especializadas y la mano de obra para realizar estas operaciones puede ser escasa.

La mayora de los procesos de soldadura son inherentemente peligrosos debido a que implican el uso de mucha energa.

Como la soldadura logra una unin permanente entre los componentes, no permite un desensamble adecuado. Si se requiere un desensamble ocasional de producto (para re-paracin o mantenimiento), no debe usarse la soldadura como mtodo de ensamble.

La unin soldada puede tener ciertos defectos de calidad que son difciles de detectar y que pueden reducir la resistencia de la unin.

Nota histrica 30.1 Orgenes de la soldadura.

A unque la soldadura se considera un proceso relativamente nuevo tal como se practica en la actualidad, sus orgenes se remontan a pocas antiguas. Alrededor del ao 1000 a.C., los egipcios y otros pueblos en el rea oriental del Mediterrneo aprendieron a obtener la soldadura por forjado (seccin 31.5.2). Como una extensin natural del forjado trmico, la usaron para fabricar armas, herramientas y otros implementos. Los arquelogos han recuperado artculos de bronce soldados por forjado de las pirmides de Egipto. Desde estos comienzos hasta la Edad Media, el comercio de soldadura por forjado llev el arte de la soldadura por martilleo a un alto nivel de madurez. En India y Europa se han encontrado objetos de hierro y otros metales soldados que datan de esos tiempos.

No fue sino hasta el siglo XIX cuando se establecieron las bases tecnolgicas de la soldadura moderna. Durante este periodo se hicieron dos descubrimientos importantes, ambos atribuidos al cientfico ingls sir Humphrey Davy: 1) el arco elctrico y 2) el gas acetileno.

Alrededor de 1801, Davy observ que poda generarse un arco elctrico entre dos electrodos de carbono. Sin embargo, no fue sino hasta mediados del siglo XIX, cuando hubo la corriente elctrica suficiente para sostener la soldadura con arco, cuando se invent el generador elctrico Fue el ruso

Nikolai Benardos, que preparaba un laboratorio en Francia, quien obtuvo una serie de patentes para el proceso de soldadura con arco de carbono (una en Inglaterra en 1885 y otra en Estados Unidos en 1887). A finales de ese siglo, la soldadura con arco de carbono se haba convertido en un proceso comercial muy popular para unir metales.

Los inventos de Benardos parecen haberse limitado a la soldadura con arco de carbono. En 1892, el estadounidense Charles Coffin obtuvo una patente en Estados Unidos por el invento de un proceso de soldadura con arco elctrico, utilizando un electrodo de metal. La caracterstica singular fue que el electrodo agreg un relleno de metal a la unin soldada (el proceso de soldadura con arco de carbono no deposita un material de relleno). Despus se concibi la idea de recubrir el electrodo de metal (para proteger el proceso de soldadura de la atmsfera), y desde alrededor de 1900 se hicieron mejoras al proceso de soldadura con arco elctrico metlico en Inglaterra y Suecia.

Entre 1885 y 1900, E. Thompson desarroll varias formas de soldadura por resistencia. stas incluyen la soldadura de puntos y la de costura, dos mtodos de unin que se usan ampliamente en la actualidad en el procesamiento de lminas de metal.

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30.1 PERSPECTIVA DE LA TECNOLOGA DE LA SOLDADURA

La soldadura implica la fusin o unin localizada de dos piezas metlicas en sus superficies de empalme. stas son las superficies de la pieza que estn en contacto o muy cercanas para ser unidas. Por lo general, la soldadura se realiza sobre piezas hechas del mismo metal, pero es posible usar algunas operaciones para unir metales diferentes.

30.1.1 Tipos de procesos de soldadura

La American Welding Society ha catalogado ms de 50 tipos diferentes de operaciones de soldadura que utilizan diversos tipos o combinaciones de energa para proporcionar la energa requerida. Los procesos de soldadura pueden dividirse en dos grupos principales: 1) soldadura por fusin y 2) soldadura de estado slido.

Soldadura por fusin Los procesos de soldadura por fusin usan calor para fundir los metales base; en muchas de las operaciones se agrega un metal de relleno a la combinacin fundida para facilitar el proceso y proporcionar volumen y resistencia a la unin soldada. Una operacin de soldadura por fusin en la cual no se agrega un metal de relleno se deno-mina soldadura autgena. La categora por fusin incluye los procesos de soldadura de uso ms amplio, los cuales pueden organizarse en los siguientes grupos generales (las iniciales entre parntesis son designaciones en ingls, de la American Welding Society):

Soldadura con arco (AW). Se refiere a un grupo de procesos de soldadura en los cuales el calentamiento de los metales se obtiene mediante un arco elctrico, como se muestra en la figura 30.1. Algunas de las operaciones de soldadura con arco tambin aplican presin durante el proceso, y la mayora utiliza un metal de relleno.

Soldadura por resistencia (RW). Se obtiene la fusin usando el calor de una resisten-cia elctrica para el flujo de una corriente que pasa entre las superficies de empalme de dos piezas sostenidas juntas bajo presin.

Seccin 30.1/Perspectiva de la tecnologa de la soldadura 691

Aunque Davy descubri el gas acetileno a principios del siglo XIX, la soldadura con oxgeno y gas combustible requiri el invento posterior de sopletes para combinar el acetileno y el oxgeno, alrededor de 1900. Durante la dcada de 1890, se mezclaron el hidrgeno y el gas natural con el oxgeno para soldadura, pero la flama obtenida con el

oxiacetileno obtuvo temperaturas significativamente ms altas.

Los procesos de soldadura con arco, soldadura por resistencia y soldadura con oxgeno y gas combustible constituyen por mucho la mayora de las operaciones de soldadura que se ejecutan en la actualidad.

FIGURA 30.1 Fundamentos de la soldadura con arco: 1) antes de la soldadura, 2) durante la soldadura (se funde el metal base y se agrega el metal de relleno a la combinacin fundida, y 3) la soldadura terminada. Existen muchas variaciones del proceso de soldadura con arco.

Electrodo Metal de relleno

Arco

Gas protectorCombinacin fundida

Unin soldada

Metal base PenetracinDos piezas que se van a soldar

1) Vista frontal (antes) 2) Vista de la seccin transversal (durante la soldadura)

3) Vista frontal (despus)

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Soldadura con oxgeno y gas combustible (OFW). Estos procesos de unin usan un gas de oxgeno combustible, tal como una mezcla de oxgeno y acetileno, para producir una flama caliente para fundir la base metlica y el metal de relleno, en caso de que se utilice alguno.

Otros procesos de soldadura por fusin. Adems de los tipos anteriores, hay otros pro-cesos de soldadura que producen la fusin de los metales unidos; como ejemplo pue-den mencionarse la soldadura con haz de electrones y la soldadura con rayo lser.

Tambin se usan ciertos procesos de arco y de oxgeno y gas combustible para cortar metales (secciones 26.3.4 y 26.3.5).

Soldadura de estado slido La soldadura de estado slido se refiere a los procesos de unin en los cuales la fusin proviene slo de la aplicacin de presin o de una combi-nacin de calor y presin. Si se usa calor, la temperatura del proceso est por debajo del punto de fusin de los metales que se van a soldar. En los procesos de estado slido no se utiliza un metal de relleno. Algunos procesos representativos de soldadura en este grupo son los siguientes:

Soldadura por difusin (DFW). Se colocan juntas dos superficies bajo presin a una temperatura elevada y las piezas se sueldan por medio de fusin de estado slido.

Soldadura por friccin (FRW). En este proceso, la coalescencia se obtiene mediante el calor de la friccin entre dos superficies.

Soldadura ultrasnica (USW). Se realiza aplicando una presin moderada entre las dos piezas y un movimiento oscilatorio a frecuencias ultrasnicas en una direccin paralela a las superficies de contacto. La combinacin de las fuerzas normales y vibra-torias produce intensas tensiones que remueven las pelculas superficiales y obtienen la unin atmica de las superficies.

En el captulo 31 se describen los diferentes procesos de soldadura con mayor detalle. La exploracin anterior proporciona una referencia suficiente para el anlisis de la termi-nologa y los principios de soldadura que se incluyen en este captulo.

30.1.2 La soldadura como una operacin comercial

Las principales aplicaciones de la soldadura son: 1) la construccin, por ejemplo, edificios y puentes; 2) la produccin de tuberas, recipientes a presin, calderas y tanques de almace-namiento; 3) la construccin naval; 4) las industrias aeronutica y espacial; y 5) los autom-viles y los ferrocarriles [4]. La soldadura se realiza en diferentes instalaciones y en diversas industrias. Debido a su versatilidad como tcnica de ensamble para productos comerciales, muchas operaciones de soldadura se ejecutan en fbricas. Sin embargo, varios de los pro-cesos de soldadura tradicionales, tales como la soldadura con arco elctrico y la soldadura con oxgeno y gas combustible, emplean equipo que se mueve con facilidad, por lo que estas operaciones no se limitan a la fbrica. Pueden realizarse en lugares de construccin, en patios, en las instalaciones de un cliente y en los talleres de reparacin de automviles.

La mayora de las operaciones de soldadura requiere un trabajo intenso. Por ejem-plo, la soldadura con arco elctrico la realiza un trabajador calificado, llamado soldador, quien controla manualmente la trayectoria o colocacin de la soldadura para unir piezas individuales en una unidad ms grande. En las operaciones de fbrica donde se realiza la soldadura con arco en forma manual, con frecuencia el soldador trabaja con un segundo trabajador, llamado ajustador. El trabajo del ajustador es ordenar los componentes indi-viduales para el soldador antes de practicar la soldadura. Se usan sujetadores y posiciona-dores de soldadura para ayudar en esta funcin. Un sujetador de soldadura es un disposi-tivo para asegurar y sostener los componentes en una posicin fija para la soldadura. Esta instalacin se fabrica sobre pedido para la forma particular de la soldadura y, por lo tanto, debe tener una justificacin econmica con base en la cantidad de ensambles que se van a producir. Un posicionador de soldadura es un dispositivo que sostiene las piezas y tambin mueve el ensamble a la posicin deseada para soldar. La diferencia entre este dispositivo y

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un sujetador de soldadura es que sostiene las piezas en una sola posicin fija. Por lo general, la posicin deseada es aqulla en la que la trayectoria de soldadura es plana y horizontal.

El aspecto de seguridad La soldadura es inherentemente peligrosa para los trabajadores. Quienes ejecutan estas operaciones deben tomar estrictas medidas de seguridad. Las altas temperaturas de los metales fundidos en la soldadura son un peligro obvio. En la solda-dura con gas, los combustibles (por ejemplo, el acetileno) corren el riesgo de incendiarse. La mayora de los procesos usan mucha energa para producir la fusin de las superficies de las piezas que se van a unir. En muchos procesos de soldadura, la corriente elctrica es la fuente de energa trmica, por lo que existe el riesgo de una descarga elctrica para el trabajador. Ciertos procesos de soldadura tienen sus propios peligros particulares. Por ejemplo, en la soldadura con arco elctrico, se emite radiacin ultravioleta, la cual es pe-ligrosa para los ojos. El soldador debe usar una careta especial que incluye una ventana oscura con un filtro. Esta ventana filtra la radiacin peligrosa, pero es tan oscura que deja al soldador virtualmente ciego, excepto cuando se descarga el arco elctrico. Las chispas y las salpicaduras de metal fundido, el humo y los vapores aumentan los riesgos asociados con las operaciones de soldadura. Deben usarse instalaciones ventiladas para extraer los va-pores peligrosos que generan algunos de los fluidos y metales fundidos que se usan en la soldadura. Si la operacin se realiza en un rea cerrada, se requiere de trajes o capuchas con ventilacin especial.

Automatizacin en la soldadura Debido a los riesgos de la soldadura manual y a los es-fuerzos de aumentar la productividad y mejorar la calidad de los productos, se han creado diversas formas de mecanizacin y automatizacin. Las categoras incluyen la soldadura con mquina, la soldadura automtica y la soldadura robtica.

La soldadura con mquina puede definirse como una soldadura mecanizada con equipo que realiza la operacin bajo la supervisin continua de un operador. Normalmen-te se realiza mediante una cabeza para soldadura que se mueve por medios mecnicos en relacin con el trabajo estacionario, o moviendo el trabajo en relacin con la cabeza de soldadura estacionaria. El trabajador humano debe observar continuamente e interactuar con el equipo para controlar la operacin.

Si el equipo es capaz de realizar la operacin sin el ajuste de los controles por parte de un operador humano, se denomina soldadura automtica. Un trabajador casi siempre est presente para vigilar el proceso y detectar variaciones de las condiciones normales. Lo que distingue la soldadura automtica de la soldadura con mquina es un controlador del ciclo de soldadura para regular el movimiento del arco elctrico y la posicin de la pieza de trabajo sin atencin humana continua. La soldadura automtica requiere un su-jetador o un posicionador de soldadura para colocar el trabajo en relacin con la cabeza de soldadura. Tambin se requiere un mayor grado de consistencia y precisin en las pie-zas componentes usadas en el proceso. Por estas razones, la soldadura automtica slo se justifica para grandes producciones.

En la soldadura robtica se usa un robot industrial o un manipulador programable que controla en forma automtica el movimiento de la cabeza para soldar con respecto al trabajo (seccin 38.2.3). El alcance verstil del brazo del robot permite el uso de suje-tadores relativamente simples, y la capacidad del robot para reprogramarse con nuevas configuraciones de las piezas permite que esta forma de automatizacin se justifique para cantidades de produccin relativamente bajas. Una tpica celda robtica de soldadura con arco consta de dos instalaciones para soldadura y un ajustador humano para cargar y des-cargar piezas mientras el robot efecta la soldadura. Adems de la soldadura con arco, tambin se usan robots industriales en las plantas de ensamble final de automviles para realizar soldadura por resistencia sobre carroceras (figura 39.11).

30.2 UNIN SOLDADALa soldadura produce una conexin slida entre dos piezas, denominada unin soldada. sta es el empalme de los bordes o las superficies de las piezas que se han unido mediante solda-

Seccin 30.2/Unin soldada 693

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dura. En esta seccin, se cubren dos clasificaciones relativas a las uniones soldadas: 1) tipos de uniones y 2) tipos de soldaduras que se usan para unir las piezas que forman la unin.

30.2.1 Tipos de uniones

Existen cinco tipos bsicos de uniones para pegar dos piezas de una junta. Los cinco tipos de unin no estn limitados a la soldadura; tambin se aplican a otras tcnicas de unin y sujecin. De acuerdo con la figura 30.2, los cinco tipos de unin pueden definirse como sigue:

a) Unin empalmada. En este tipo de unin, las piezas se encuentran en el mismo plano y se unen en sus bordes.

b) Unin de esquina. Las piezas en una unin de esquina forman un ngulo recto y se unen en la esquina del ngulo.

c) Unin superpuesta. Esta unin consiste en dos piezas que se sobreponen.d) Unin en te. En la unin en te, una pieza es perpendicular a la otra en una forma pa-

recida a la letra T.e) Unin de bordes. Las piezas en una unin de bordes estn paralelas con al menos uno

de sus bordes en comn y la unin se hace en el(los) borde(s) comn(es).

30.2.2 Tipos de soldaduras

Cada una de las uniones anteriores puede hacerse mediante soldadura. Es adecuado distinguir entre el tipo de unin y el modo en que se suelda, es decir, el tipo de soldadura. Las diferencias entre los tipos de soldadura estn en la forma (el tipo de unin) y el proceso de soldadura.

Se usa soldadura de filete para rellenar los bordes de las placas creadas mediante uniones de esquina, sobrepuestas y en te, como en la figura 30.3. Se usa un metal de relleno para proporcionar una seccin transversal con una forma aproximada a la de un tringulo recto. Es el tipo de soldadura ms comn en la soldadura con arco y en la de oxgeno y gas combustible porque requiere una mnima preparacin de los bordes, pues se usan los bordes cuadrados bsicos de las partes. Las soldaduras de filete pueden ser sencillas o dobles (es decir, pueden soldarse en uno o ambos lados) y continuas o intermitentes (esto es, soldadas a lo largo de toda la longitud de la unin o con espacio sin soldar a lo largo de la pieza).

FIGURA 30.2 Cinco tipos bsicos de uniones: a) empalmada, b) de esquina, c) superpuesta, d) en te y e) de bordes.

a) b) c) d) e)

FIGURA 30.3 Diversas formas de soldaduras de filete: a) unin de esquina con filete interno nico; b) unin de esquina con filete externo nico; c) unin sobrepuesta con filete doble y d) unin en te con filete doble. Las lneas punteadas muestran los bordes originales de las piezas.

Unin soldada

a) b) c) d)

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Las soldaduras con surco por lo general requieren que se moldeen las orillas de las piezas en un surco para facilitar la penetracin de la soldadura. Las formas con surco in-cluyen un cuadrado, un bisel, la V, la U y la J, en lados sencillos o dobles, como se muestra en la figura 30.4. Se usa metal de relleno para saturar la unin, por lo general, mediante soldadura con arco elctrico o con oxgeno y gas combustible. Con frecuencia se preparan los bordes de las piezas ms all de un cuadrado bsico, aunque se requiera de un procesa-miento adicional, para aumentar la resistencia de la unin soldada o donde se van a soldar piezas ms gruesas. Aunque se asocia ms estrechamente con una unin empalmada, la soldadura con surco se usa en todos los tipos de uniones, excepto en la sobrepuesta.

Las soldaduras con insertos y las soldaduras ranuradas se usan para unir placas planas, como se muestra en la figura 30.5, usando uno o ms huecos o ranuras en la pieza superior, que despus se rellenan con metal para fundir las dos piezas.

En la figura 30.6 se muestran la soldadura de puntos y la soldadura de costura, usa-das para uniones sobrepuestas. Una soldadura de puntos es una pequea seccin fundida entre las superficies de dos lminas o placas. Normalmente se requieren varias soldaduras de puntos para unir las piezas. Se asocia ms estrechamente con la soldadura por resis-tencia. Una soldadura de costura es similar a una de puntos, excepto que consiste en una seccin fundida ms o menos continua entre las dos lminas o placas.

Seccin 30.2/Unin soldada 695

FIGURA 30.4 Algunas soldaduras con surco tpicas: a) soldadura con surco cuadrado, un lado; b) soldadura con surco en bisel nico; c) soldadura con surco en V nico; d) soldadura con surco en U nico; e) soldadura con surco en J nico; f ) soldadura con surco en V doble para secciones ms gruesas. Las lneas punteadas muestran los bordes originales de las piezas.

Unin soldada

a) b) c)

d) e) f)

FIGURA 30.6 a) Soldadura de puntos y b) soldadura de costura.

Soldadura con inserto

Ranura en la parte superior para soldar

Hueco en la parte superior

a) b)

Soldaduras de puntos

Dos piezas de lmina metlicaVista de corte

parcial

Vista de corte que muestra la seccin fundida (soldada)

Vista de corte que muestra la costura fundida (soldada)Soldadura de costura

Seccin sobrepuesta

Pieza de lmina metlica

FIGURA 30.5 a) Soldadura con inserto y b) soldadura ranurada.

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En la figura 30.7 se muestran soldaduras en rebordes y soldaduras en superficies. Una soldadura en rebordes se hace en los bordes de dos (o ms) piezas, por lo general, lminas metlicas o placas delgadas, en donde al menos una de las piezas est en un reborde, como en la figura 30.7a). Una soldadura en superficie no se usa para unir piezas, sino para depo-sitar metal de relleno sobre la superficie de una pieza base en una o ms gotas de soldadu-ra. Las gotas de soldadura pueden colocarse en una serie de lneas paralelas sobrepuestas, con lo que se cubren grandes reas de la pieza base. El propsito es aumentar el espesor de la placa o proporcionar un recubrimiento protector sobre la superficie.

30.3 FSICA DE LA SOLDADURA

Aunque existen varios mecanismos para lograr la coalescencia de la soldadura, la fusin es por mucho el medio ms comn. En esta seccin se consideran las relaciones fsicas que permiten la fusin de la soldadura. Primero se examina el aspecto de la densidad de poten-cia y su importancia y, despus, se definen las ecuaciones de calor y potencia que describen un proceso de soldadura.

30.3.1 Densidad de potencia

Para lograr la fusin, se aplica una fuente de energa calorfica de alta densidad a las su-perficies de empalme y las temperaturas resultantes son suficientes para producir la fusin localizada de los metales base. Si se agrega un metal de relleno, la densidad calorfica debe ser suficientemente alta para fundirlo tambin. La densidad calorfica se define como la potencia transferida al trabajo por unidad de rea superficial, W/mm2 (Btu/s-in2). El tiem-po para fundir el metal es inversamente proporcional a la densidad de potencia. A bajas densidades de potencia, se requiere una gran cantidad de tiempo para producir la fusin. Si la densidad de potencia es demasiado baja, el calor se conduce al trabajo tan rpidamente como se transmite a la superficie y nunca ocurre la fusin. Se ha encontrado que la mnima densidad de potencia requerida para fundir la mayora de los metales en la soldadura es de aproximadamente 10 W/mm2 (6 Btu/s-in2). Conforme aumenta la densidad calorfica, se reduce el tiempo de fusin. Si la densidad de potencia es demasiado alta, un poco arriba de 105 W/mm2 (60 000 But/s-in2), las temperaturas localizadas vaporizan el metal en la regin afectada. Por lo tanto, existe un rango de valores prcticos para la densidad de potencia, dentro del cual puede ejecutarse la soldadura. Las diferencias entre los procesos de sol-dadura en este rango son: 1) la velocidad a la que se realiza la soldadura y/o 2) el tamao de la regin que puede soldarse. En la tabla 30.1 se proporciona una comparacin de la densidad de potencia para los grupos principales de procesos de soldadura por fusin. La soldadura con oxgeno y gas combustible es capaz de generar grandes cantidades de calor, pero la densidad de calor es relativamente baja debido a que se extiende sobre un rea grande. El gas oxiacetileno, el ms caliente de los combustibles para la OFW, arde a una temperatura mxima de alrededor de 3500 C (6300 F). En comparacin, la soldadura con arco produce una alta energa sobre un rea ms pequea, lo que da por resultado

FIGURA 30.7 a) Soldadura en reborde y b) soldadura en superficie

Soldadura en reborde

Dos piezas de lmina metlica

Gotas de soldadura en superficie

Pieza bsica nica

a) b)

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temperaturas locales de 5500 a 6600 C (10 000 a 12 000 F). Por razones metalrgicas, es conveniente fundir metales con el mnimo de energa y en general se prefieren las densi-dades de potencia altas.

La densidad de potencia puede calcularse como la potencia que entra a la superficie dividida entre el rea superficial correspondiente:

PDP

A= (28.1)

donde PD densidad de potencia, W/mm2 (Btu/s-in2); P potencia que entra a la superfi-cie, W (Btu/s); y A rea superficial por la que entra energa, mm2 (in2). Este asunto resul-ta ms complicado de lo que indica la ecuacin (30.1). Una complicacin es que la fuente de potencia (por ejemplo, el arco) se mueve en muchos procesos de soldadura, lo que da por resultado un calentamiento previo a la operacin y un calentamiento posterior a sta. Otra dificultad es que la densidad de potencia no es uniforme por toda la superficie afecta-da; se distribuye como una funcin del rea, segn lo demuestra el siguiente ejemplo.

Una fuente de calor transfiere 3000 W a la superficie de una pieza metlica. El calor afecta la superficie en un rea circular, con intensidades variables dentro del crculo. La distribu-cin es la siguiente: 70% de la potencia se transfiere dentro de un crculo de 5 mm de di-metro y 90% se transfiere dentro de un crculo concntrico de 12 mm de dimetro. Cules son las densidades de potencia en: a) el crculo interno de 5 mm de dimetro y b) el anillo con un dimetro de 12 mm que se encuentra alrededor del crculo interno?

Solucin: a) El crculo interno tiene un rea A = ( )12 5

4

2 2

19.63 mm2.

La potencia dentro de esta rea P 0.70 3000 2100 W.

Por lo tanto, la densidad de potencia PD 2100

19 63. 107 W/mm2.

b) El rea del anillo exterior del crculo interno es: A = ( )12 5

4

2 2

93.4 mm2.

La potencia en esta regin es P 0.9(3000) 2100 600 W.

Por lo tanto, la densidad de potencia PD =600

93 4. 6.4 W/mm2.

Observacin: La densidad de potencia parece lo suficientemente alta para fundir en el crculo interno, pero es probable que no sea suficiente en el anillo exterior de este crculo interno.

30.3.2 Balance de calor en la soldadura por fusin

La cantidad de calor requerida para fundir un cierto volumen de metal es la suma de:1) el calor para elevar la temperatura del metal slido a su punto de fusin, el cual depende

Seccin 30.3/Fsica de la soldadura 697

TABLA 30.1 Comparacin de varios procesos de soldadura por fusin con base en sus densidades de potencia.

Densidad de potencia aproximada

Proceso de soldadura W/mm2 Btu/s-in2

Soldadura con oxgeno y gas 10 6combustible

Soldadura con arco 50 30Soldadura por resistencia 1 000 600Soldadura con rayo lser 9 000 5 000Soldadura con haz de electrones 10 000 6 000

EJEMPLO 30.1 Densidad de potencia en la soldadura

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del calor especfico volumtrico del metal, 2) el punto de fusin del metal y 3) el calor para transformar el metal de la fase slida a la lquida en el punto de fusin, que depende de la temperatura de fusin del metal. Para una aproximacin razonable, esta cantidad de calor puede estimarse mediante la siguiente ecuacin [5]:

Um KTm2 (30.2)

donde Um la unidad de energa para fundir (es decir, la cantidad de calor requerida para fundir una unidad de volumen de metal, empezando a temperatura ambiente), J/mm3 (Btu/in3); Tm punto de fusin del metal en una escala de temperatura absoluta, K (R); y K constante cuyo valor es 3.33 106 cuando se usa la escala Kelvin (y K 1.467 105 para la escala de temperatura Rankine). Las temperaturas de fusin absoluta para los metales seleccionados se presentan en la tabla 30.2.

No toda la energa generada en la fuente de calor se usa para fundir el metal soldado. Existen dos mecanismos de transferencia de calor en el trabajo, ambos reducen la cantidad de calor disponible para el proceso de soldadura. El primer mecanismo es la transferencia de calor entre la fuente de calor y la superficie de trabajo. Este proceso tiene cierto factor de transferencia de calor f1, definido como la razn del calor real que recibe la pieza de trabajo dividida entre el calor total que genera la fuente. El segundo mecanismo implica la conduccin del calor lejos del rea de soldadura para disiparse a travs del metal de tra-bajo, por lo que slo una porcin del calor transferido a la superficie est disponible para fusin. Este factor de fusin f2 es la proporcin del calor que recibe la superficie de trabajo que puede usarse para fusin. El efecto combinado de estos dos factores reduce la energa calorfica disponible para la soldadura como sigue:

Hw f1f2H (30.3)

donde Hw calor neto disponible para soldadura, J (Btu), f1 factor de transferencia de calor, f2 factor de fusin y H calor total generado por el proceso de soldadura, J (Btu).

El valor de los factores f1 y f2 se encuentra en un rango que va de cero a uno. Resulta adecuado separar los conceptos para f1 y f2, aun cuando acten juntos durante el proceso de soldadura. El factor de transferencia de calor f1 est determinado en gran parte por el pro-ceso de soldadura y la capacidad de convertir la fuente de potencia (por ejemplo, energa elctrica) en un calor utilizable en la superficie de trabajo. A este respecto, los procesos de soldadura con arco son relativamente eficientes, mientras que los procesos de soldadura con oxgeno y gas combustible son relativamente ineficientes.

El factor de fusin f2 depende del proceso de soldadura, pero tambin est influido por las propiedades trmicas del metal, la configuracin de la unin y el espesor de la pieza. Los metales con alta conductividad trmica, como el aluminio y el cobre, representan un

TABLA 30.2 Temperaturas de fusin sobre la escala de temperatura absoluta de metales seleccionados.

Temperatura de fusin Temperatura de fusin

Metal Ka Rb Metal Ka Rb

Aleaciones de aluminio 930 1 680 Aceros 1 760 3 160Hierro fundido 1 530 2 760 Al bajo carbono 1 700 3 060Cobre y aleaciones Al medio carbono 1 650 2 960

Puro 1 350 2 440 Al alto carbono 1 700 3 060Latn, marina 1 160 2 090 Aleacin bajaBronce (90 Cu-10 Sn) 1 120 2 010 Aceros inoxidables

Inconel 1 660 3 000 Austentico 1 670 3 010Magnesio 940 1 700 Martenstico 1 700 3 060Nquel 1 720 3 110 Titanio 2 070 3730

Basado en los valores de [1].aEscala Kelvin temperatura en centgrados (Celsius) 273.bEscala Rankine temperatura en Fahrenheit 460.

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problema para la soldadura, debido a la rpida disipacin del calor en el momento de hacer contacto con el rea de contacto. El problema aumenta con las fuentes calorficas para soldadura que poseen bajas densidades de energa (por ejemplo, la soldadura con oxgeno y gas combustible), debido a que la entrada de calor se extiende sobre un rea ms grande, lo que facilita la conduccin en el trabajo. En general, una alta densidad de potencia combinada con un material de trabajo de baja conductividad produce un alto factor de fusin.

Ahora puede escribirse una ecuacin de equilibrio entre la entrada de energa y la energa necesaria para soldar:

Hw UmV (30.4)

donde Hw energa calorfica neta entregada a la operacin, J (Btu); Um energa unita-ria requerida para fundir el metal, J/mm3 (Btu/in3); y V volumen de metal fundido, mm3 (in3).

La mayora de las operaciones de soldadura son procesos de velocidad; esto es, la energa calorfica neta Hw se entrega a cierta velocidad y la gota de soldadura se forma a cierta velocidad de viaje. Por ejemplo, esto es caracterstico de la mayora de las opera-ciones de soldadura con arco y muchas de las actividades de soldadura con oxgeno y gas combustible. Por lo tanto, resulta adecuado expresar la ecuacin (30.4) en forma de una ecuacin de balance de la velocidad:

RHw UmRWV (30.5)

donde RHw velocidad de la energa calorfica proporcionada para la operacin de soldadura, J/s W (Btu/min); y RWV velocidad volumtrica de metal soldado, en mm

3/s (in3/min). En la soldadura de una gota continua, la velocidad volumtrica del metal soldado es el producto de rea de soldadura Aw y la velocidad de viaje v. Sustituyendo estos trminos en la ecua-cin anterior, la ecuacin de balance de la velocidad ahora puede expresarse como:

RHw f1f2RH UmAw (30.6)

donde f1 y f2 son los factores de transferencia de calor y de fusin; RH tasa de entrada de energa generada por la fuente de energa para la soldadura, W (Btu/min); Aw rea de la seccin transversal de la soldadura, mm2 (in2); y v la velocidad de viaje de la operacin de soldadura, en mm/s (in/min). En el captulo 31 se analiza cmo se generan la densidad de potencia en la ecuacin (30.1) y la tasa de entrada de energa de la ecuacin (30.6) para algunos de los procesos individuales de soldadura.

La fuente de potencia en una instalacin para soldadura particular es capaz de generar 3500 W que pueden transferirse a la superficie de trabajo con un factor de transferencia de calor 0.7. El metal que se va a soldar es de acero al bajo carbono, cuya temperatura de fusin segn la tabla 30.2 es de 1760 K. El factor de fusin en la operacin es de 0.5. Se realizar una soldadura de filete continua con un rea de seccin transversal de 20 mm2. Determine la velocidad de viaje a la cual puede realizarse la operacin de soldadura.

Solucin: Primero se encontrar la energa unitaria requerida para fundir el metal Um a partir de la ecuacin (30.2).

Um 3.33(106) 17602 10.3 J/mm3

Si se reordena la ecuacin (30.6) para despejar la velocidad de viaje, se tiene vf f R

U AH

m w

=1 2 , y

si se resuelve para las condiciones del problema, y =0 7 0 5 3500

10 3 200

. ( . )( )

. ( ) 5.95 mm/s.

30.4 CARACTERSTICAS DE UNA JUNTA SOLDADA POR FUSIN

La mayora de las uniones soldadas que se consideraron con anterioridad son soldadas por fusin. Como se ilustra en la seccin transversal de la figura 30.8a), una junta soldada

Seccin 30.4/Caractersticas de una junta soldada por fusin 699

EJEMPLO 30.2 Velocidad de viaje en soldadura

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por fusin tpica, a la cual se ha agregado un metal de relleno, consiste en varias zonas: 1) zona de fusin, 2) interfaz de la soldadura, 3) zona afectada por el calor y 4) zona de metal base no afectada.

La zona de fusin consiste en una mezcla de metal de aporte y de metal base que se ha fundido por completo. Esta zona se caracteriza por un alto grado de homogeneidad en-tre los metales componentes que se han fundido durante la soldadura. La mezcla de estos componentes est motivada en gran medida por la conveccin en la combinacin de solda-dura fundida. La solidificacin en la zona de fusin se asemeja a un proceso de fundicin. En la soldadura, el molde se forma por medio de los bordes o superficies no fundidos de los componentes que se estn soldando. La diferencia significativa entre la solidificacin en fundicin y la soldadura es que en esta ltima ocurre un crecimiento de grano epitaxial. El lector debe recordar que durante la fundicin se forman granos metlicos a partir de la fusin, mediante la nucleacin de partculas slidas en la pared de fusin, seguida por el crecimiento del grano. En contraste, en el proceso de soldadura se evita la etapa de nuclea-cin a travs del mecanismo de crecimiento de grano epitaxial, en el cual los tomos de la combinacin fundida se solidifican sobre los sitios reticulares preexistentes del metal base slido adyacente. En consecuencia, la estructura del grano en el rea de fusin cerca de la zona afectada por calor tiende a imitar la orientacin cristalogrfica de la zona afectada por calor circundante. Ms all, dentro de la zona de fusin se desarrolla una orientacin preferencial, en la cual los granos estn aproximadamente perpendiculares a los lmites de la interface de soldadura. La estructura resultante en la zona de fusin solidificada tiende a presentar granos gruesos en columna, como se muestra en la figura 30.8b). La estructura del grano depende de varios factores que incluyen el proceso de soldadura, los metales que se sueldan (por ejemplo, metales idnticos contra metales diferentes), si se utiliza un metal de relleno y la velocidad de alimentacin a la que se obtiene la soldadura. Un anlisis detallado de la metalurgia de soldadura est ms all del enfoque de este texto, pero los lectores interesados pueden consultar varias de las referencias [3], [4], [5].

La segunda zona en la unin soldada es la interfaz de soldadura, una estrecha fron-tera que separa la zona de fusin de la zona afectada por el calor. La interfaz consiste en una banda delgada de metal base fundido o parcialmente fundido durante el proceso de fusin (se localiza dentro de los granos), el cual se ha solidificado inmediatamente despus, antes de mezclarse con el metal en la zona de fusin. Por lo tanto, su composicin qumica es idntica a la del metal base.

La tercera zona en la soldadura por fusin tpica es la zona afectada por el calor (HAZ, por sus siglas en ingls). En esta zona, el metal ha experimentado temperaturas me-nores a su punto de fusin, aunque lo suficientemente altas para producir cambios microes-tructurales en el metal slido. La composicin qumica en la zona afectada por el calor es igual a la del metal base, pero esta zona ha sido tratada con calor debido a las temperaturas de soldadura, por lo que se han alterado sus propiedades y estructura. La cantidad de dao metalrgico en la HAZ depende de factores como la cantidad de calor que ha ingresado y la temperatura pico alcanzada, la distancia de la zona de fusin, el intervalo de tiempo en el que ha estado sujeto el metal a altas temperaturas, la velocidad de enfriamiento y las

FIGURA 30.8 Seccin transversal de una junta soldada por fusin tpica: a) zonas principales en la unin y b) estructuras de grano tpicas.

Zona de fusin

Interfaz de soldadura

Zona afectada por el calor (HAZ)Zona de metal base no afectado

Granos en columna en la zona de fusin

Granos gruesos en la HAZ cercanos a la interfaz de soldadura

Granos ms finos en la HAZ lejanos a la interfaz de soldadura

Granos originales trabajados en fro

a) b)

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propiedades trmicas del metal. Por lo general, el efecto sobre las propiedades mecnicas en la zona afectada por el calor es negativo y, con frecuencia, en esta regin ocurren fallas en la junta soldada.

Conforme aumenta la distancia de la zona de fusin, finalmente se alcanza la zona de metal base no afectada, en la cual no ha ocurrido un cambio metalrgico. Sin embargo, es probable que el metal base que rodea la HAZ est en un estado de alto esfuerzo residual, ocasionado por la contraccin en la zona de fusin.

Cuestionario de opcin mltiple 701

REFERENCIAS

[1] Cary. H. B. y Helzer, S. C., Modern Welding Technology, 6a. ed., Pearson/Prentice-Hall, Upper Saddle River, N.J., 2005.

[2] Datsko. J., Material Properties and Manufacturing Processes, John Wiley & Sons, Inc., Nueva York, 1966, captulo 4.

[3] Messler. R. W., Jr., Principles of Welding: Processes, Physics, Chemistry, and Metallurgy, John Wiley & Sons, Inc., Nueva York, 1999.

[4] Metals Handbook, 9a. ed., vol. 6, Welding, Brazing, and Sol-dering. ASM International, Materials Park, Ohio, 1993.

[5] Welding Handbook, 8a. ed., vol. 1, Welding Technology, Ame-rican Welding Society, Miami, Florida, 1987.

[6] Wick, C. y Veilleux. R. F., Tool and Manufacturing Engineers Handbook, 4a. ed., vol. IV, Quality Control and Assembly, Society of Manufacturing Engineers, Dearborn, Mich., 1987.

PREGUNTAS DE REPASO

30.1. Cules son las ventajas y desventajas de la soldadura en comparacin con otros tipos de operaciones de ensamble?

30.2. Cules fueron los dos descubrimientos de Sir Humphrey Davy que condujeron al desarrollo de la tecnologa de sol-dadura moderna?

30.3. Qu significa el trmino superficie de empalme? 30.4. Defina el trmino soldadura por fusin. 30.5. Cul es la diferencia fundamental entre una soldadura por

fusin y una soldadura de estado slido? 30.6. Qu es una soldadura autgena? 30.7. Analice las razones por las que casi todas las operaciones de

soldadura son inherentemente peligrosas. 30.8. Cul es la diferencia entre la soldadura con mquina y la

soldadura automtica?

30.9. Mencione y dibuje los cinco tipos de uniones.30.10. Defina y dibuje una soldadura de filete.30.11. Defina y dibuje una soldadura con surco.30.12. Por qu es diferente una soldadura en superficie a otros

tipos de soldadura?30.13. Por qu es deseable usar fuentes de energa para soldadura

que tengan densidades calorficas altas?30.14. Qu es la energa de fusin unitaria en la soldadura y cu-

les son los factores de los que depende?30.15. Defina y distinga los trminos factor de transferencia de ca-

lor y factor de fusin en la soldadura.30.16. Qu es la zona afectada por el calor (HAZ) en una solda-

dura por fusin?

CUESTIONARIO DE OPCIN MLTIPLE

En las siguientes preguntas de opcin mltiple hay un total de 14 respuestas correctas (algunas preguntas tienen varias respuestas correctas). Para obtener una calificacin perfecta hay que dar todas las respuestas correctas del cuestionario. Cada respuesta correcta vale un punto. Por cada respuesta omitida o errnea, la calificacin se reduce en un punto, y cada respuesta adicional que sobrepase el nmero correcto de respuestas reduce la calificacin en un punto. El porcentaje de calificacin se basa en el nmero total de respuestas correctas.

30.1. Slo puede ejecutarse una soldadura sobre metales que tie-nen el mismo punto de fusin; de lo contrario, el metal con la temperatura de fusin ms baja siempre se derrite mien-tras que el otro permanece slido: a) verdadero o b) falso.

30.2. Una soldadura de filete puede usarse para unir cul de los siguientes tipos de junta? (tres respuestas correctas): a) empalmada, b) de esquina, c) de bordes, d) superpuesta, e) en te.

30.3. Una soldadura de filete tiene una forma de seccin trans-versal que es aproximadamente: a) rectangular, b) redonda, c) cuadrada o d) triangular.

30.4. Las soldaduras con surco se asocian ms estrechamente con cul de los siguientes tipos de unin?: a) empalmada, b) de esquina, c) de bordes, d) superpuesta o e) en te.

30.5. Una soldadura de reborde se asocia ms estrechamente con cul de los siguientes tipos de unin? a) empalmada, b) de esquina, c) de bordes, d) sobrepuesta o e) en te.

30.6. Por razones metalrgicas, resulta deseable fundir el metal de soldadura con el mnimo ingreso de energa. Cul de las siguientes fuentes de calor es la ms consistente con este objetivo?: a) potencia alta, b) densidad de potencia alta, c) potencia baja o d) densidad de potencia baja.

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30.7. La cantidad de calor requerido para fundir un volumen de-terminado de metal depende mucho de cul de las siguien-tes propiedades? (las tres mejores respuestas): a) coeficien-te de expansin trmica, b) calor de fusin, c) temperatura de fusin, d) mdulo de elasticidad, e) calor especfico, f) conductividad trmica y g) difusividad trmica.

30.8. El factor de transferencia de calor en soldadura se define correctamente mediante cul de las siguientes descrip-ciones?: a) la proporcin de calor recibido en la superfi-cie de trabajo que se usa para la fusin, b) la proporcin del calor total generado en la fuente que se recibe en la superficie de trabajo, c) la proporcin del calor total generado en la fuente que se usa para la fusin o d) la

proporcin del calor total generado en la fuente que se usa para la soldadura.

30.9. El factor de fusin en la soldadura se define correctamente mediante cul de las siguientes descripciones?: a) la pro-porcin de calor recibido en la superficie de trabajo que se usa para la fusin, b) la proporcin del calor total generado en la fuente que se recibe en la superficie de trabajo, c) la proporcin del calor total generado en la fuente que se usa para la fusin o d) la proporcin del calor total generado en la fuente que se usa para la soldadura.

30.10. En una soldadura siempre ocurren fallas en la zona de fu-sin de la unin soldada, puesto que sta es la parte de la unin que se ha fundido: a) verdadero o b) falso.

PROBLEMASDiseo de uniones 30.1. Elabore diagramas que muestren cmo se prepararan y

alinearan entre s los bordes de las piezas y tambin mues-tre la seccin transversal de la soldadura para los siguientes procesos: a) soldadura cuadrada con surco, en ambos lados, para una soldadura empalmada y b) soldadura con filete nico para una unin superpuesta.

30.2. Elabore diagramas que muestren cmo se prepararan y alinearan entre s los bordes de las piezas y tambin mues-tre la seccin transversal de la soldadura para los siguientes procesos: a) soldadura de filete nico para una unin en te; y b) soldadura con surco en U doble para una soldadura empalmada.

Densidad de potencia 30.3. Una fuente de calor puede transferir 3 500 J/s a la superfi-

cie de una pieza metlica. El rea calentada es circular y la intensidad calorfica disminuye conforme aumenta el radio, de la siguiente manera: 70% del calor se concentra en un rea circular con un dimetro de 3.75 mm. Es suficiente la densidad de potencia resultante para fundir el metal?

30.4. En un proceso de soldadura con rayo lser, cul es la can-tidad de calor por unidad de tiempo (J/s) que se transfiere al material si el calor se concentra en un crculo con un di-metro de 0.2 mm? Suponga la densidad de potencia que se proporciona en la tabla 30.1.

30.5. Una fuente de calor para soldadura es capaz de transferir 150 Btu/min a la superficie de una pieza metlica. El rea calentada es aproximadamente circular y la intensidad calo-rfica disminuye conforme aumenta el radio, de la siguiente manera: 50% de la potencia se transfiere dentro de un cr-culo de 0.1 in de dimetro y 75% se transfiere dentro de un crculo concntrico de 0.25 in de dimetro. Cul es la densidad de potencia en: a) el crculo interno de 0.1 in de dimetro y b) el anillo de 0.25 in de dimetro que se encuen-tra alrededor del crculo interno?, c) son suficientes estas densidades de potencia para fundir el metal?

Energa de fusin unitaria

30.6. Calcule la energa unitaria para la fusin de los siguientes metales: a) aluminio y b) acero al simple bajo carbono.

30.7. Calcule la energa unitaria para la fusin de los siguientes metales: a) cobre y b) titanio.

30.8. Realice los clculos y grafique sobre ejes con escalas linea-les la relacin para la energa de fusin unitaria como una funcin de la temperatura. Utilice temperaturas como las siguientes para construir la grfica: 200 C, 400 C, 600 C, 800 C, 1 000 C, 1 200 C, 1 400 C, 1 600 C, 1 800 C y 2 000 C. En la grfica, marque las posiciones de algunos de los metales para soldadura de la tabla 30.2.

30.9. Realice los clculos y grafique sobre ejes con escalas linea-les la relacin para la energa de fusin unitaria como una funcin de la temperatura. Utilice temperaturas como las siguientes para construir la grfica: 500 F, 1 000 F, 1 500 F,

2 000 F, 2 500 F, 3 000 F y 3 500 F. En la grfica, marque las posiciones de algunos de los metales para soldadura de la tabla 30.2.

30.10. Una soldadura de filete tiene un rea de seccin transversal de 25.0 mm2 y una longitud de 300 mm. a) Que cantidad de calor (en joules) se requiere para lograr la soldadura si el metal que se va a soldar es acero al bajo carbono? b) Cun-to calor debe generarse en la fuente de soldadura si el factor de transferencia de calor es de 0.75 y el factor de fusin de 0.63?

30.11. Una soldadura con surco en U se usa para soldar en forma empalmada 2 piezas de placa de titanio con un espesor de 7.0 mm. El surco en U se prepara con un cortador de fresa de manera que el radio del surco es de 3.0 mm. Durante el proceso, la penetracin de la soldadura ocasiona un material


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adicional de 1.5 mm que debe fundirse. El rea de seccin transversal final puede aproximarse mediante un semicrcu-lo con un radio de 4.5 mm. La longitud de la soldadura es de 200 mm. El factor de fusin de la instalacin es de 0.57 y el factor de transferencia de calor es de 0.86. a) Qu cantidad de calor (en joules) se requiere para fundir el volumen de metal en esta soldadura? b) Cul es el calor requerido que se genera en la fuente de soldadura?

30.12. Una soldadura de surco tiene un rea de seccin transversal 0.045 in2 y una longitud de 10 in. a) Qu cantidad de ca-lor (en Btu) se requiere para lograr la soldadura si el metal que se va a soldar es acero al medio carbono? b) Cunto calor debe generarse en la fuente de soldadura si el factor de transferencia de calor es de 0.9 y el factor de fusin de 0.7?

30.13. Resuelva el problema anterior, pero ahora considere que el metal que se va a soldar es el aluminio y el factor de fusin correspondiente es la mitad del valor para el acero.

30.14. En un experimento controlado, se requieren 3 700 J para fundir la cantidad de metal que se encuentra en una gota de

soldadura con un rea de seccin transversal de 6.0 mm2 y una longitud de 150.0 mm. a) Utilice la tabla 30.2 para de-terminar cul es el material ms probable. b) Si el factor de transferencia de calor es de 0.85 y el factor de fusin es de 0.55, para un proceso de soldadura cunto calor debe generarse en la fuente para poder lograr la soldadura?

30.15. Calcule la energa de fusin unitaria para a) el aluminio y b) el acero, como la suma de: 1) el calor requerido para elevar la temperatura del metal desde la temperatura ambiente a su punto de fusin, lo cual es el producto del calor espec-fico volumtrico y el aumento de temperatura; y 2) el calor de fusin, de manera que su valor pueda compararse con la energa unitaria de fusin calculada mediante la ecuacin (30.2). Use unidades de uso comn en Estados Unidos o del Sistema Internacional. Encuentre los valores de las pro-piedades necesarias en estos clculos ya sea en este texto u en otras referencias. Estn los valores lo suficientemente cerca para validar la ecuacin (30.2)?

Balance de energa en la soldadura

30.16. La potencia generada en cierta operacin de soldadura con arco es de 3000 W. sta se transfiere a la superficie de tra-bajo con un factor de transferencia de calor de 0.9. El metal que se va a soldar es cobre, cuyo punto de fusin se propor-ciona en la tabla 30.2. Suponga que el factor de fusin es de 0.25. Se realizar una soldadura de filete continua con un rea de seccin transversal de 15.0 mm2. Determine la velocidad de viaje a la cual se llevar a cabo la operacin de soldadura.

30.17. Resuelva el problema anterior, pero ahora considere que el metal que se va a soldar es acero al alto carbono, el rea de seccin transversal de la soldadura de 25.0 mm2 y el factor de fusin es de 0.6.

30.18. Se realiza cierta operacin de soldadura con surco sobre una aleacin de aluminio. El rea de seccin transversal de la soldadura es de 30.0 mm2. La velocidad de soldadura es de 4.00 mm/s. El factor de transferencia de calor es de 0.92 y el factor de fusin es de 0.48. La temperatura de fusin de la aleacin de aluminio es de 650 C. Determine la velocidad de generacin de calor requerida en la fuente de soldadura para realizar esta operacin.

30.19. La fuente de potencia en una operacin de soldadura par-ticular genera 125 Btu/min, que se transfiere a la superficie de trabajo con un factor de transferencia de calor de 0.8. El punto de fusin para el metal que se va a soldar es de 1800 F y su factor de fusin de 0.5. Se realizar una soldadura de filete continua con un rea de seccin transversal de 0.04 in2. Determine el nivel de velocidad de viaje en la que puede conseguirse la operacin de soldadura.

30.20. En cierta operacin para hacer una soldadura de filete, el rea de seccin transversal es de 0.025 in2 y la velocidad de viaje es de 15 in/min. Si el factor de transferencia de calor es de 0.95 y el factor de fusin es 0.5, y el punto de fusin es de 2 000 F para el metal que se va a soldar, determine la ve-locidad de generacin de calor requerida en la fuente para lograr esta soldadura.

30.21. Se usa una soldadura de filete para unir dos placas de ace-ro al medio carbono, cada una con un espesor de 5.0 mm.

Las placas se unen en un ngulo de 90 usando una unin de esquina con filete interno. La velocidad de la cabeza de soldadura es de 6 mm/s. Suponga que la seccin transversal de la gota de soldadura se aproxima a un tringulo issceles rectngulo con una longitud de 4.5 mm, el factor de trans-ferencia de calor es de 0.80 y el factor de fusin es de 0.58. Determine la tasa de generacin de calor requerida en la fuente de soldadura para realizar esta operacin.

30.22. Se realiz una soldadura de puntos usando un proceso de soldadura con arco. En la operacin se unieron dos placas de aluminio, cada una con un espesor de 1/16 de in. El metal fundido form una pepita con un dimetro de 1/4 de in. La operacin requiri tener encendido el arco durante 4 se-gundos. Suponga que la pepita final tena el mismo espesor que las placas de aluminio, que el factor de transferencia de calor era de 0.80 y que el factor de fusin era de 0.50. De-termine la tasa de generacin de calor que se requiri en la fuente para realizar esta soldadura.

30.23. Se aplicar una soldadura de superficie a una placa rectan-gular de acero al bajo carbono de 200 mm por 350 mm. El metal que se aplicar es de un grado de acero ms duro (una aleacin), cuyo punto de fusin se supone que es el mismo. Se agregar un espesor de 2.0 mm a la placa, pero con la pene-tracin en el metal base, el espesor total fundido durante la soldadura es igual a 6.0 mm, en promedio. Se aplicar a la superficie haciendo una serie de gotas de soldadura pa-ralelas sobrepuestas que corren a lo largo de la placa. La operacin se realizar en forma automtica con las gotas dispersas en una operacin continua larga a una velocidad de viaje de 7.0 mm/s, usando pases de soldadura separados por 5 mm. Suponga que la gota de soldadura es rectangular con una seccin transversal de 5 mm por 6 mm. No tome en cuenta las complicaciones menores de los cambios de direc-cin en los extremos de la placa. Si se supone que el factor de transferencia de calor es de 0.8 y el factor de fusin de 0.6, determine a) la tasa de generacin de calor necesaria en la fuente de soldadura y b) el tiempo que se requerir para terminar la operacin superficial.

Problemas 703

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30.24. La superficie del cojinete de un eje hecho de acero al alto carbono se ha desgastado ms all de su vida til. Cuando era nuevo, su dimetro era de 4.00 in. Para restaurarlo, el dimetro se torne hasta 3.90 in, para proporcionar una su-perficie uniforme. Despus, el eje se construy de manera que su tamao aument por la deposicin de una capa su-perficial de soldadura, la cual se deposit con un patrn en espiral usando una sola pasada sobre un torno. Despus de la capa de soldadura, el eje se torne de nuevo para alcanzar su dimetro original de 4.00 in. El metal de soldadura de-positado tena una composicin similar al acero del eje. La longitud de la superficie del cojinete era de 7.0 in. Durante la operacin de soldadura, el aparato de soldadura se uni

al portaherramientas, el cual se aliment a travs de la ca-beza del torno conforme el eje rotaba. El eje gir a una ve-locidad de 4.0 rev/min. La altura de la gota de soldadura era de 3/32 de in por encima de la superficie original. Adems, la gota de soldadura penetr 1/16 de in dentro de la superficie del eje. La anchura de la gota de soldadura era de 0.25 in, por lo que la alimentacin en el torno se fij en 0.25 in/rev. Si se supone que la transferencia de calor era de 0.80 y el factor de fusin era de 0.65, determine a) la velocidad rela-tiva entre la pieza de trabajo y la cabeza de soldadura, b) la velocidad de generacin de calor en la fuente de soldadura y c) cunto tiempo se requiri para terminar la actividad de soldadura dentro de esta operacin.


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31 PROCESOS DE SOLDADURACONTENIDO DEL CAPTULO

31.1 Soldadura con arco31.1.1 Tecnologa general de la soldadura con arco 31.1.2 Procesos de AW, electrodos consumibles31.1.3 Procesos de AW, electrodos no consumibles

31.2 Soldadura por resistencia31.2.1 Fuente de potencia en la soldadura por resistencia31.2.2 Procesos de soldadura por resistencia

31.3 Soldadura con oxgeno y gas combustible31.3.1 Soldadura con oxiacetileno31.3.2 Gases alternativos para la soldadura con oxgeno y gas combustible

31.4 Otros procesos de soldadura por fusin31.4.1 Soldadura con haz de electrones31.4.2 Soldadura con haz lser31.4.3 Soldadura con electroescoria31.4.4 Soldadura con termita

31.5 Soldadura de estado slido31.5.1 Consideraciones generales en la soldadura de estado slido31.5.2 Procesos de soldadura de estado slido

31.6 Calidad de la soldadura31.6.1 Esfuerzos y distorsiones residuales31.6.2 Defectos de la soldadura31.6.3 Mtodos de inspeccin y prueba

31.7 Soldabilidad31.8 Consideraciones de diseo en la soldadura

Los procesos de soldadura se dividen en dos categoras principales: 1) soldadura por fu-sin en la cual se logra una coalescencia al fundirse las dos superficies que se van a unir, en algunos casos aadiendo un metal de relleno a la unin; y 2) soldadura de estado slido, en la cual se usa calor o presin para obtener la coalescencia, pero los metales base no se funden y no se agrega un metal de relleno.

La soldadura por fusin es por mucho la categora ms importante. Incluye 1) la soldadura con arco, 2) la soldadura por resistencia, 3) la soldadura con oxgeno y gas com-bustible y 4) otros procesos de soldadura por fusin, es decir, aquellos que no pueden clasificarse en alguno de los primeros tres tipos. Los procesos de soldadura por fusin se

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706 Captulo 31/Procesos de soldadura

analizan en las primeras cuatro secciones de este captulo. En la seccin 31.5 se cubren las operaciones de soldadura de estado slido, y en las tres secciones finales del captulo se examinan temas relacionados con todas las operaciones de soldadura: calidad de la solda-dura, soldabilidad y diseo para soldadura.

31.1 SOLDADURA CON ARCO

La soldadura con arco elctrico (AW, por sus siglas en ingls) es un proceso de soldadura por fusin en el cual la coalescencia de los metales se obtiene mediante el calor de un arco elctrico entre un electrodo y el trabajo. Se usa el mismo proceso bsico en el corte con arco elctrico (seccin 26.3.4). En la figura 31.1 se muestra un proceso genrico de AW. Un arco elctrico es una descarga de corriente elctrica a travs de una separacin en un circuito. Se sustenta por la presencia de una columna de gas trmicamente ionizada (llamada plasma) a travs de la cual fluye la corriente. Para iniciar el arco en un proceso de AW, se acerca el electrodo a la pieza de trabajo; despus del contacto el electrodo se separa rpidamente de la pieza a una distancia corta. La energa elctrica del arco as for-mado produce temperaturas de 5 500 C (10 000 F) o mayores, que son lo suficientemente calientes para fundir cualquier metal. Se forma un pozo de metal fundido, que consiste en el (los) metal(es) base y metal de relleno (si se usa alguno), cerca de la punta del electrodo. En la mayora de los procesos de soldadura con arco, se agrega un metal de relleno durante la operacin para aumentar el volumen y fortalecer la unin soldada. Conforme el electro-do se mueve a lo largo de la unin, el pozo de metal fundido se solidifica de inmediato.

El movimiento que dirige al electrodo hacia el trabajo se consigue ya sea mediante un soldador humano (soldadura manual) o por medios mecnicos (es decir, soldadura con mquina, soldadura automtica o soldadura robtica). Uno de los aspectos problemticos de la soldadura manual con arco es que la calidad de la unin soldada depende de la habi-lidad y tica de trabajo del soldador. La productividad tambin es un aspecto a considerar. Con frecuencia, la productividad se mide como tiempo de arco (tambin llamado tiempo con el arco encendido), es decir, la proporcin de las horas trabajadas en las que se obtiene una soldadura con arco:

Tiempo de arco (tiempo que el arco est encendido)/(horas trabajadas) (31.1)

Esta definicin de productividad puede aplicarse a un soldador individual o a una estacin de trabajo mecanizada. Para la soldadura manual, el tiempo de arco es generalmente de alrededor de 20%. Se requiere de periodos de descanso frecuentes para que el soldador venza la fatiga en la soldadura manual con arco, donde existen condiciones de tensin en la

FIGURA 31.1 Configuracin bsica y circuito elctrico de un proceso de soldadura con arco.

Soporte del electrodo

Cable del electrodoElectrodo (consumible o no consumible)

Direccin de la carrera

Metal de re-lleno (algunas

veces)Mquina soldadora

Arco

Trabajo

Metal soldado solidificado

Fuente de corriente alterna o directa

Metal soldado fundido Sujetador Cable de trabajo

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coordinacin manual-visual. El tiempo de arco aumenta alrededor de 50% (ms o menos, dependiendo de la operacin) para la soldadura con mquina, automtica y robtica.

31.1.1 Tecnologa general de la soldadura con arco

Antes de describir los procesos individuales de AW elctrico, resulta conveniente examinar algunos de los aspectos tcnicos generales que se aplican a estos procesos.

Electrodos Los electrodos que se usan en los procesos de AW se clasifican como consu-mibles y no consumibles. Los electrodos consumibles proporcionan el metal de relleno en la soldadura con arco. Estos electrodos estn disponibles en dos formas principales: varillas (tambin llamados bastones) y alambres. Las varillas para soldadura normalmente tienen una longitud de 225 a 450 mm (9 a 18 in) y un dimetro de 9.5 mm (3/8 in) o menos. El problema con las varillas de soldadura consumibles, al menos en las operaciones de solda-dura en produccin, es que deben cambiarse de manera peridica, lo que reduce el tiempo de arco del soldador. El alambre para soldadura consumible tiene la ventaja de que puede alimentarse en forma continua al pozo soldado desde rollos que contienen alambre en grandes cantidades; con esto se evitan las interrupciones frecuentes que ocurren cuando se usan las varillas para soldar. Tanto en forma de varilla como de alambre el arco consume al electrodo durante el proceso de soldadura y ste se aade a la unin soldada como metal de relleno.

Los electrodos no consumibles estn hechos de tungsteno (o en raras ocasiones de carbono), los cuales resisten la fusin mediante el arco. A pesar de su nombre, un elec-trodo no consumible se desgasta en forma gradual durante el proceso de soldadura (la vaporizacin es el mecanismo principal) y ocurre en forma similar al desgaste gradual de una herramienta de corte en una operacin de maquinado. Para los procesos de AW que utilizan electrodos no consumibles, cualquier metal de relleno usado en la operacin debe proporcionarse mediante un alambre separado que se alimenta dentro del pozo soldado.

Proteccin del arco elctrico En la soldadura con arco, las altas temperaturas provocan que los metales que se unen reaccionen intensamente al oxgeno, nitrgeno e hidrgeno del aire. Las propiedades mecnicas de la unin soldada pueden degradarse seriamente por estas reacciones. A fin de proteger la operacin de soldadura de este resultado no deseado, casi todos los procesos de AW proporcionan algn medio para proteger el arco del aire circundante. Esto se logra al cubrir la punta del electrodo, el arco y el pozo de sol-dadura fundida con un manto de gas o fundente o ambos, lo que inhibe la exposicin del metal soldado al aire.

Los gases de proteccin comunes incluyen el argn y el helio, pues ambos son inertes. En la soldadura de metales ferrosos con ciertos procesos de AW se usa oxgeno y dixido de carbono, por lo general en combinacin con Ar o He, para producir una atmsfera oxi-dante o para controlar la forma de la soldadura.

Un fundente es una sustancia usada para evitar la formacin de xidos y otros conta-minantes no deseados o para disolverlos y facilitar su remocin. Durante la soldadura, el fundente se derrite y se convierte en una escoria lquida que cubre la operacin y protege el metal de soldadura fundido. La escoria se endurece despus del enfriamiento y debe re-moverse con cincel o cepillo. Por lo general, un fundente est formulado para cumplir con varias funciones adicionales que incluyen: 1) proporcionar una atmsfera protectora para la soldadura, 2) estabilizar el arco y 3) reducir las salpicaduras.

El mtodo de aplicacin del fundente es diferente para cada proceso. Entre las tc-nicas de adicin se encuentran: 1) vaciar fundente granular en la operacin de soldadura, 2) usar un electrodo de varilla cubierto con material fundente, en el cual el recubrimiento se derrite durante la soldadura para cubrir la operacin y 3) usar electrodos tubulares que contienen fundente en el ncleo, el cual se libera conforme se consume el electrodo. Estas tcnicas se analizan con mayor profundidad en las descripciones particulares de los proce-sos de AW.

Seccin 31.1/Soldadura con arco 707

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Fuente de potencia en la soldadura con arco En la soldadura con arco se usa tanto la corriente directa (CD) como la corriente alterna (CA). Las mquinas de CA son menos costosas al comprarlas y operarlas, pero por lo general estn limitadas a la soldadura de metales ferrosos. El equipo de CD puede usarse en todos los metales con buenos resulta-dos y generalmente destaca por un mejor control del arco.

En todos los procesos de soldadura con arco elctrico, la potencia necesaria para realizar la operacin es el producto de la corriente I que pasa por el arco y el voltaje E a travs del mismo. Esta potencia se convierte en calor, pero no todo el calor se transfiere a la superficie de trabajo. La conveccin, la conduccin, la radiacin y las salpicaduras representan prdidas que reducen la cantidad de calor utilizable. El efecto de las prdidas se expresa mediante el factor de transferencia de calor f1 (seccin 28.3). Algunos valores representativos de f1 para varios procesos de AW se proporcionan en la tabla 31.1. El factor de transferencia de calor es mayor para los procesos de AW que usan electrodos consu-mibles, debido a que la mayora del calor consumido para fundir el electrodo se transfiere subsecuentemente al trabajo como metal fundido. El proceso con el valor f1 ms bajo en la tabla 31.1 es la soldadura con arco de tungsteno y gas, que usa un electrodo no consumible. El factor de fusin f2 (seccin 30.3) reduce ms el calor disponible para la soldadura. El equilibrio de potencia resultante en la soldadura con arco se define mediante

RHw f1f2IE UmAwv (31.2)

donde E voltaje, V; I corriente, A; y los otros trminos se definen igual que en la seccin 30.3. Las unidades de RHw son watts (corriente multiplicada por voltaje), que son iguales a joules/s. Esto puede convertirse a Btu/s si se recuerda que 1 Btu 1 055 joules.

Una operacin de soldadura con arco de tungsteno y gas se realiza con una corriente de 300 A y un voltaje de 20 V. El factor de fusin f2 0.5 y la energa de fusin unitaria para el metal Um 10 J/mm

3. Determine a) la potencia en la operacin, b) la tasa de generacin de calor en la soldadura y c) el flujo volumtrico de metal fundido.

Solucin: a) La potencia en esta operacin de soldadura con arco es

P IE (300 A)(20 V) 6000 W

b) De la tabla 31.1, el factor de transferencia de calor f1 0.7. La tasa del calor usada para la soldadura est dada por

RHw f1f2IE (0.7)(0.5)(6 000) 2 100 W 2 100 J/s

c) El flujo volumtrico del metal fundido es

RVW (2100 J/s)(10 J/mm3) 210 mm3/s

TABLA 31.1 Factores de transferencia de calor para varios procesos de soldadura con arco.

Factor de transferencia Proceso de soldadura con arcoa de calor tpico, f1

Soldadura con arco de metal protegido 0.9Soldadura con arco de metal y gas 0.9Soldadura con arco de ncleo fundente 0.9Soldadura con arco sumergido 0.95Soldadura con arco de tungsteno y gas 0.7

Recopilado de [5].aLos procesos de soldadura con arco se describen en las secciones 31.1.2 y 31.1.3.

EJEMPLO 31.1 Potencia en la soldadura con arco

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31.1.2 Procesos de AW, electrodos consumibles

En esta seccin se analizan varios procesos importantes de soldadura con arco que usan electrodos consumibles. Los smbolos utilizados aqu para los procesos de soldadura son los mismos que emplea la American Welding Society.

Soldadura con arco de metal protegido La soldadura con arco de metal protegido (SMAW, por sus siglas en ingls) es un proceso de AW que usa un electrodo consumible y consiste en una varilla de metal de relleno recubierta con materiales qumicos que proporcionan un fundente y proteccin. El proceso se ilustra en las figuras 31.2 y 31.3. La varilla de sol-dadura (en ocasiones, la SMAW se denomina soldadura de varilla) tiene de manera tpica una longitud entre 225 y 450 mm (9 y 18 in) y un dimetro de 2.5 a 9.5 mm (3/32 a 3/8 in). El metal de relleno usado en la varilla debe ser compatible con el metal que se va a soldar y, por lo tanto, la composicin debe ser muy parecida a la del metal base. El recubrimiento consiste en celulosa pulverizada (por ejemplo, polvos de algodn y madera) mezclados con xidos, carbonatos y otros ingredientes integrados mediante un aglutinante de silicato. Algunas veces se incluyen en el recubrimiento polvos metlicos para aumentar la cantidad de metal de relleno y agregar elementos aleantes. El calor del proceso de soldadura funde el recubrimiento y proporciona una atmsfera protectora y escoria para la operacin de soldadura. Tambin ayuda a estabilizar el arco y regula la velocidad a la que se funde el electrodo.


FIGURA 31.2 Soldadura con arco de metal protegido (soldadura de varilla) realizada por un soldador. (Fotografa cortesa de Hobart Brothers Company).

FIGURA 31.3 Soldadura con arco de metal protegido (SMAW).

Electrodo consumible

Recubrimiento del electrodo

Metal soldado fundido

Gas protector proveniente del

recubrimiento del electrodo


Escoria


Metal base

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Durante la operacin, el extremo de metal descubierto de la varilla de soldadura (opuesto a la punta con que se suelda) se sujeta en un soporte de electrodos conectado a la fuente de potencia. El soporte tiene una manija aislada para que lo tome y manipule el soldador. Las corrientes que se usan regularmente en la SMAW varan entre 30 y 300 A a voltajes de 15 a 45 V. La seleccin de los parmetros de potencia adecuados depende de los metales que se van a soldar, del tipo y longitud del electrodo, as como de la profundidad de penetracin de la soldadura requerida. El suministro de potencia, los cables de conexin y el soporte del electrodo pueden comprarse por unos cuantos miles de dlares.

Por lo general, la soldadura con arco de metal protegido se realiza en forma manual. Sus aplicaciones comunes incluyen la construccin, instalacin de tuberas, estructuras de maquinaria, construccin de embarcaciones, talleres de manufactura y trabajos de repara-cin. Se prefiere sobre la soldadura con oxgeno y gas combustible para secciones gruesas, por encima de 5 mm (3/16 in), debido a su mayor densidad de potencia. El equipo es por-ttil y de bajo costo, lo que convierte a la SMAW en el proceso ms verstil y de mayor uso entre los procesos de AW. Los metales base incluyen los aceros, los aceros inoxidables, los hierros colados y ciertas aleaciones no ferrosas. No se usa o se emplea rara vez en aluminio y sus aleaciones, al igual que en las aleaciones de cobre y titanio.

Una desventaja de la soldadura con arco de metal protegido como operacin de pro-duccin es el uso de varillas de electrodos consumibles, porque stas deben cambiarse en forma peridica a causa del desgaste. Lo anterior reduce el tiempo de arco en este proceso de soldadura. Otra limitacin es el nivel de corriente que puede usarse, porque la longi-tud del electrodo vara durante la operacin y sta afecta el calentamiento de la resistencia del electrodo, los niveles de corriente deben mantenerse dentro de un rango seguro o el recubrimiento se sobrecalentar y fundir prematuramente cuando se empiece a usar una nueva varilla de soldadura. Algunos de los otros procesos de AW vencen las limitaciones de la longitud de la varilla de soldadura en la SMAW, usando un electrodo de alambre que se alimenta en forma continua.

Soldadura con arco de metal y gas La soldadura con arco de metal y gas (GMAW, por sus siglas en ingls) es un proceso de AW en el cual el electrodo es un alambre metlico desnudo consumible y la proteccin se proporciona inundando el arco elctrico con un gas. El alambre desnudo se alimenta en forma continua y automtica desde un rollo a travs de la pistola de soldadura, como se ilustra en la figura 31.4. Asimismo, en la figura 31.5 se muestra una pistola de soldadura. En la GMAW se usan dimetros de alambre que van de 0.8 a 6.5 mm (1/32 a 1/4 in); el tamao depende del espesor de las piezas que se van a unir y de la velocidad de deposicin deseada. Los gases usados para proteccin incluyen gases inertes como el argn y el helio y tambin gases activos como el dixido de carbono. La seleccin de los gases (y mezclas de los mismos) dependen del metal que se va a soldar, as como de otros factores. Se usan gases inertes para soldar aleaciones de aluminio y aceros inoxidables, mientras que comnmente se usa CO2 para soldar aceros al bajo y mediano

FIGURA 31.4 Soldadura con arco de metal y gas (GMAW). Gas protector



Metal soldado fundidoMetal base

Gas protector

Boquilla

Alambre electrodo

Alimentacin desde el carrete

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carbono. La combinacin del alambre de electrodo desnudo y los gases protectores elimi-nan el recubrimiento de escoria en la gota de soldadura y, por ende, evitan la necesidad del esmerilado y limpieza manual de la escoria. Por lo tanto, el proceso de GMAW es ideal para hacer mltiples pasadas de soldadura en la misma unin.

Los diferentes metales en los que se usa la GMAW y las variaciones del proceso han dado origen a diferentes nombres para la soldadura con arco de metal y gas. La primera vez que se introdujo el proceso a fines de la dcada de 1940, se aplic a la soldadura de aluminio usando un gas inerte (argn) para proteccin del arco. Este proceso recibi el nombre de soldadura MIG (por metal inert gas welding, que significa soldadura metlica con gas inerte). Cuando este proceso de soldadura se aplic al acero, se encontr que los gases inertes eran costosos y se us CO2 como sustituto. Entonces, se aplic el trmino de soldadura con CO2. Algunos refinamientos en la GMAW para el acero condujeron al uso de mezclas de gases, incluidos CO2 y argn, e incluso oxgeno y argn.

La GMAW se usa ampliamente en operaciones de fabricacin para soldar diversos metales ferrosos y no ferrosos. Como usa alambre de soldadura continuo en lugar de va-rillas de soldadura, tiene una ventaja importante sobre la SMAW en trminos de tiempo de arco cuando se realiza en forma manual. Por la misma razn, tambin se presta a la automatizacin de la soldadura con arco. Los fragmentos de electrodo que quedan despus de la soldadura con varilla tambin implican desperdicio de metal de relleno, por lo que la utilizacin del material del electrodo es mayor con la GMAW. Otras caractersticas de la GMAW incluyen que no es necesario remover escoria (puesto que no se usa un fundente), velocidades de deposicin ms altas que en la SMAW y una buena versatilidad.

Soldadura con arco de ncleo fundente Este proceso de soldadura con arco fue desa-rrollado a principios de la dcada de 1950 como una adaptacin de la soldadura con arco de metal protegido, con el propsito de vencer las limitaciones impuestas por el uso de electrodos de varilla. La soldadura con arco de ncleo fundente (FCAW, por sus siglas en ingls) es un proceso en el cual el electrodo es un tubo consumible continuo que con-tiene fundente y otros ingredientes en su ncleo. Tales ingredientes incluyen elementos


FIGURA 31.5 Pistola para soldadura con arco elctrico de metal y gas. (Foto cortesa de Lincoln Electric Company).

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desoxidantes y aleantes. El alambre tubular con ncleo de fundente es flexible y, por ende, puede suministrarse en forma de rollos para que sea alimentado de manera continua a travs de la pistola para soldadura con arco. Existen dos versiones de la FCAW: 1) auto-protegida y 2) protegida con gas. En la primera versin de la FCAW, la proteccin se pro-porcionaba por medio de un ncleo de fundente; de all se obtuvo el nombre de soldadura con arco de ncleo fundente autoprotegida. El ncleo en esta forma de FCAW no slo in-cluye fundentes, sino tambin ingredientes que generan gases protectores para el arco. La segunda versin de FCAW, primordialmente para soldar aceros, obtiene la proteccin del arco mediante gases que se incorporan en forma externa, de manera similar a la soldadura con arco de metal y gas. Esta versin se llama soldadura con arco de ncleo fundente pro-tegida por gas. Debido a que utiliza un electrodo que contiene su propio fundente junto con gases protectores separados, podra considerarse una combinacin de la SMAW y la GMAW. Los gases protectores que se emplean de manera tpica son el dixido de carbono para aceros suaves, o mezclas de argn y dixido de carbono para aceros inoxidables. En la figura 31.6 se ilustra el proceso de FCAW, donde el gas (opcional) sirve para distinguir los dos tipos distintos.

La FCAW tiene ventajas similares a la GMAW, debido a la alimentacin continua del electrodo. Se usa primordialmente para soldar aceros y aceros inoxidables en un amplio rango de espesores de materias primas. Es notable su capacidad para producir uniones soldadas de muy alta calidad que son lisas y uniformes.

Soldadura electrogaseosa La soldadura electrogaseosa (EGW, por sus siglas en ingls) es un proceso de AW que usa un electrodo consumible continuo, ya sea de alambre con ncleo de fundente o alambre desnudo con gases protectores que se suministran en forma externa y zapatas de moldeo para contener el metal fundido. El proceso se aplica primor-dialmente a la soldadura empalmada vertical, como se muestra en la figura 31.7. Cuando se emplea al alambre de electrodo con ncleo fundente, no se suministran gases externos y el proceso puede considerarse una aplicacin especial de la FCAW autoprotegida. Cuando se usa un alambre de electrodo desnudo con gases protectores de una fuente externa, se considera un caso especial de la GMAW. Las zapatas de moldeo se enfran con agua para evitar su adicin al pozo soldado. Junto con los bordes de las piezas que se van a soldar, las zapatas forman un envase muy parecido al de una cavidad moldeada, dentro del cual se agrega de manera gradual el metal fundido del electrodo y las piezas base. El proceso se ejecuta en forma automtica, con una cabeza de soldadura mvil que se desplaza en forma vertical hacia arriba para llenar la cavidad en una sola pasada.

Las principales aplicaciones de la soldadura electrogaseosa son los aceros (al bajo y medio carbono, aleaciones bajas y ciertos aceros inoxidables), en la construccin de tan-ques de almacenamiento grandes y en la construccin de embarcaciones. Los espesores de la materia prima, de 12 a 75 mm (0.5 a 3.0 in), estn dentro de la capacidad de la EGW.

FIGURA 31.6 Soldadura con arco de ncleo fundente. La presencia o ausencia de gas protector incorporado desde el exterior distingue los dos tipos: 1) autoprotegida, en la cual el ncleo proporciona los ingredientes protectores y 2) protegida con gas, en la cualse suministra gases protectores externos.

Gas protector


Gas protector (opcional)Arco

Boquilla (opcional)

Tubo guaEscoria

Alambre de electrodo tubular

Ncleo de fundente

Alimentacin del carrete


Metal soldado fundidoMetal base

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Adems de la soldadura empalmada, tambin se usa para soldaduras de filete y de surco, siempre en una orientacin vertical. En ocasiones deben fabricarse zapatas de moldeo es-pecialmente diseadas para las formas que se van a unir.

Soldadura con arco sumergido Este proceso, creado durante la dcada de 1930, fue uno de los primeros de AW que se automatizaron. La soldadura con arco sumergido (SAW, por sus siglas en ingls) es un proceso que usa un electrodo de alambre desnudo consumible continuo y el arco se protege mediante una cobertura de fundente granular. El alambre del electrodo se alimenta en forma automtica desde un rollo hacia dentro del arco. El funden-te se introduce a la unin ligeramente adelante del arco de soldadura, por gravedad, desde un tanque alimentador, como se muestra en la figura 31.8. El manto de fundente granular cubre por completo la operacin de soldadura con arco, evitando chispas, salpicaduras y radiaciones que son muy peligrosas en otros procesos de AW. Por lo tanto, el operador de la SAW no necesita usar la molesta mscara protectora que se requiere en otras operacio-nes (pero los anteojos de seguridad y guantes protectores s son necesarios). La porcin de fundente ms cercana al arco se derrite y se mezcla con el metal de soldadura fundido para remover impurezas, que despus se solidifican en la parte superior de la unin soldada y forman una escoria con aspecto de cristal. La escoria y los granos de fundente no derreti-dos en la parte superior proporcionan una buena proteccin de la atmsfera y un buen ais-lamiento trmico para el rea de soldadura, lo que produce un enfriamiento relativamente bajo y una unin soldada de alta calidad, cuyos parmetros de tenacidad y ductilidad son notables. Como se aprecia en el esquema, el fundente no derretido que queda despus de la soldadura puede recuperarse y reutilizarse. La escoria slida que cubre la soldadura debe arrancarse, usualmente por medios manuales.


FIGURA 31.7 Soldadura electrogaseosa usando un alambre de electrodo con ncleo fundente: a) vista frontal sin zapata de moldeo para mayor claridad y b) vista lateral que muestra las zapatas de moldeo en ambos lados.

Alimentacin del alambre de electrodo con ncleo fundente

Cabeza de soldadura mvil (hacia arriba)

Piezabase Escoria fundida

Metal soldado fundidoMetal soldado solidificado

Zapata de moldeo (en ambos lados)Entrada de agua enfriadora

Salida de agua

a) b)

FIGURA 31.8 Soldadura con arco sumergido.

Electrodo consumible

Manto de fundente granular

Sistema de vaco para recuperacin del fundente granular

Escoria (fundente solidificado)Metal soldado solidificado

Metal de soldadura fundidoFundente fundido

Metal base


Fundente granular del tanque alimentador

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La soldadura con arco sumergido se usa ampliamente en la fabricacin de acero para formas estructurales (por ejemplo, vigas en I soldadas); costuras longitudinales y en forma de circunferencia para tubos de dimetro grande, tanques y recipientes de presin; y com-ponentes soldados para maquinaria pesada. En estos tipos de aplicaciones, se sueldan ruti-nariamente placas de acero con un espesor de 25 mm (1 in) y ms pesadas. Tambin pueden soldarse fcilmente con SAW aceros al bajo carbono, aleaciones bajas y aceros inoxidables; pero no aceros al alto carbono, aceros para herramientas y tampoco la mayora de los me-tales no ferrosos. Debido a la alimentacin mediante gravedad del fundente granular, las piezas siempre deben estar en una orientacin horizontal y con frecuencia se requiere una placa de respaldo bajo la unin durante la operacin de soldadura.

31.1.3 Procesos de AW, electrodos no consumiblesTodos los procesos AW analizados con anterioridad usan electrodos consumibles. La sol-dadura con arco de tungsteno y gas, la soldadura con arco de plasma y varios procesos ms usan electrodos no consumibles.

Soldadura con arco de tungsteno y gas La soldadura con arco de tungsteno y gas (GTAW, por sus siglas en ingls) es un proceso que usa un electrodo de tungsteno no con-sumible y un gas inerte para proteger el arco. Con frecuencia, este proceso se denomina soldadura TIG (por tungsten inert gas welding, que significa soldadura de tungsteno con gas inerte); en Europa se le denomina soldadura WIG (la W proviene del smbolo qu-mico del tungsteno o wolframio). El proceso de GTAW puede implementarse con o sin un metal de relleno. En la figura 31.9 se ilustra este ltimo caso. Cuando se usa un metal de relleno, ste se agrega al pozo soldado desde una varilla o alambre separado, la cual se funde mediante el calor del arco en lugar de transferirse a travs de ste como en un proceso de AW con electrodo consumible. El tungsteno es un buen material para electrodo debido a su alto punto de fusin de 3 410 C (6 170 F). Los gases protectores tpicos inclu-yen el argn, el helio o una mezcla de estos gases.

La GTAW es aplicable a casi todos los metales en un amplio rango de espesores para la materia prima. Tambin puede usarse para unir diferentes combinaciones de metales distintos. Su

30_31_32_ SOLDADURA

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