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SOLDADURA CAPÍTULO 1: INTRODUCCIÓN A LA SOLDADURA 1.1.- DEFINICIÓN: La soldadura es un proceso de fabricación que consiste en la unión de dos piezas de material mediante las fuerzas atractivas fundamentales que mantienen a los átomos en su posición. 1.2.- PROBLEMA FUNDAMENTAL DE LA SOLDADURA: Las superficies metálicas no son planas ni limpias, está compuesta de valles y crestas con una altura promedio de 200 mil capas atómicas. Los átomos superficiales son capaces de atraer otros átomos debido a que no están rodeados completamente. Esto hace que atraigan moléculas del aire, principalmente agua que luego reaccionan con los átomos del metal para formar óxidos. La capa de óxido es de naturaleza cristalina, al igual que el metal pero sus moléculas superficiales ejercen una atracción débil sobre las moléculas de oxígeno y nitrógeno. Para lograr la soldadura de dos piezas metálicas, es necesario remover cualquier capa no metálica de las superficies que entraran en contacto. Esto se puede hacer de dos maneras: combinando las capas no metálicas con alguna sustancia que haga que la
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SOLDADURA
CAPÍTULO 1: INTRODUCCIÓN A LA SOLDADURA
1.1.- DEFINICIÓN:
La soldadura es un proceso de fabricación que consiste en la unión de dos piezas de material mediante las fuerzas atractivas fundamentales que mantienen a los átomos en su posición.
1.2.- PROBLEMA FUNDAMENTAL DE LA SOLDADURA:
Las superficies metálicas no son planas ni limpias, está compuesta de valles y crestas con una altura promedio de 200 mil capas atómicas. Los átomos superficiales son capaces de atraer otros átomos debido a que no están rodeados completamente. Esto hace que atraigan moléculas del aire, principalmente agua que luego reaccionan con los átomos del metal para formar óxidos. La capa de óxido es de naturaleza cristalina, al igual que el metal pero sus moléculas superficiales ejercen una atracción débil sobre las moléculas de oxígeno y nitrógeno.
Para lograr la soldadura de dos piezas metálicas, es necesario remover cualquier capa no metálica de las superficies que entraran en contacto. Esto se puede hacer de dos maneras: combinando las capas no metálicas con alguna sustancia que haga que la mezcla sea de menor densidad que el metal fundido y por lo tanto haga que la capa no metálica flote y se aleje de la zona de la soldadura; la otra manera es la destrucción de estas capas no metálicas mediante deformación. Esto hace que se formen dos tipos de procesos de soldadura: los procesos de soldadura por fusión tales como: arco eléctrico, soldadura a gas, por plasma, etc. y los procesos de soldadura de estado sólido los cuales emplean deformaciones: soldadura en frio, ultrasonido y otros procesos son la combinación de calor y deformación: por forja, por resistencia eléctrica, por fricción, etc.
SOLDADURA
Unión de dos piezas de material mediante las fuerzas atractivas fundamentales que mantienen a los átomos en su
posición.
TIPOS DE PROCESOS DE SOLDADURA
Soldaduras de estado sólido (por deformación)
En frío Ultrasonido
Soldaduras de estado sólido (por fusión y deformación)
Forja Resistencia Eléctrica Fricción
Soldaduras por fusión Gas Arco Eléctrico Plasma Láser
CAPÍTULO 2: PROCESOS DE SOLDADURA
2.1 SOLDADURA DEL ESTADO SÓLIDO:
2.1.1.- Soldadura en frío:
Al tratar de unir dos superficies, el área de contacto inicial es muy pequeña debido a la orientación al azar de cada grano de las dos superficies. Adicionalmente, cuando se trata de dos superficies metálicas, estas están separadas por capas de óxido. El contacto se logra inicialmente en los puntos más altos.
Al aplicar presión, por un lado el metal se deforma plásticamente y los óxidos, que son frágiles, se fragmentan permitiendo el contacto metal-metal y por otro lado, el área de contacto de los granos aumentará a medida que la presión ejercida sobre la superficie aumente. Si la presión es suficientemente grande, se deformarán las asperezas a través de toda la superficie, hasta que las piezas entren en contacto íntimo total. Cuando esto ocurre se produce la soldadura teniendo esta zona una mayor resistencia que el metal original a consecuencia de la alta deformación ocurrida en la misma. Se espera que el esfuerzo aplicado supere el esfuerzo de fluencia del material. Se recomiendan presiones mayores del 10% del f.
Las matrices usadas en este proceso deben ser diseñadas de manera que la presión aplicada en el proceso ocasione que el metal deformado, el cual contiene las capas de óxido, se desplace hacia afuera alejándose de la soldadura. Por lo tanto la presión aplicada debe superar el límite de fluencia del material. Se dice que para lograr uniones satisfactorias es necesario aplicar deformaciones verdaderas mayores que uno (1) cuando se sueldan aluminio, cobre o hierro. También es importante la realización de una limpieza adecuada de las superficies antes del inicio del proceso (desengrasado y limpieza con cepillo).
Para mayor eficiencia de la soldadura en frío, es recomendable que al menos uno de los metales a soldar o ambos sean muy dúctiles y libres de endurecimiento por deformación. Se sabe que para lograr soldaduras satisfactorias, es necesario que el valor de deformación en la dirección x (Fig. 1), x (deformación de compresión) sea considerable (~ 1). Esta deformación
SOLDADURA EN FRIO
Se produce cuando al aplicar presión, por un lado, el metal se deforma plásticamente y los óxidos, que son frágiles, se fragmentan permitiendo el contacto metal-metal y, por otro lado, el área de contacto de los granos aumentará a medida que la presión ejercida sobre la superficie aumente.
Si la presión es suficientemente grande, se deformarán las asperezas a través de toda la superficie, hasta que las piezas entren en contacto íntimo total.
La zona soldada tiene una mayor resistencia debido a las altas deformaciones sufridas.
Se espera que el esfuerzo aplicado supere el esfuerzo de fluencia del material. Se recomiendan presiones mayores al 10% de f.
Las matrices deben ser diseñadas de manera que la presión aplicada en el proceso ocasione que el metal deformado, el cual contiene las capas de óxido, se desplace hacia afuera, alejándose de la soldadura.
Se dice que para lograr uniones satisfactorias es necesario aplicar deformaciones verdaderas mayores que uno (1) cuando se sueldan aluminio, cobre o hierro.
Es importante la realización de una limpieza adecuada de las superficies antes del inicio del proceso (desengrasado y limpieza con cepillo).
Para mayor eficiencia, es recomendable que al menos uno de los metales a soldar o ambos sean muy dúctiles y libres de endurecimiento por deformación.
Para lograr soldaduras satisfactorias, es necesario que el valor de deformación en la dirección x (x) (deformación de compresión) sea considerable (~ 1). Esta deformación produce la fractura de la capa de oxido e incrementa la resistencia de la zona soldada.
Por simetría se tiene que y= z= - x/2 (deformación por alargamiento). Las deformaciones en el plano yz producen la separación de la capa de óxido fracturada y permiten un mayor contacto metal-metal entre las piezas a soldar.
Este proceso es muy utilizado para la unión de aluminio, metales no ferrosos, cobre, níquel, zinc, plata, etc.
La presión de soldadura puede aplicarse por medios manuales o mecánicos, puede ser del tipo compresión lenta o de impacto dentro de un rango de 20.000 lb/pulg2 para el Al y 160.000 lb/pulg2 para el cobre.
produce la fractura de la capa de oxido e incrementa la resistencia de la zona soldada. Por simetría se tiene que y= z= - x/2 (deformación por alargamiento). Las deformaciones en el plano yz producen la separación de la
capa de óxido fracturada y permiten un mayor contacto metal-metal entre las piezas a soldar.
Este proceso es muy utilizado para la unión de aluminio, metales no ferrosos, cobre, níquel, zinc, plata, etc. La presión de soldadura puede aplicarse por medios manuales o mecánicos, puede ser del tipo compresión lenta o de impacto dentro de un rango de 20.000 lb/pulg2 para el Al y 160.000 lb/pulg2 para el cobre. Ver Fig. 1
2.1.2.- Soldadura por forja:
En el proceso de soldadura por forja, la soldadura se hace mediante la aplicación de presión a una temperatura elevada, después de que las superficies a unir han sido preparadas adecuadamente.
Con el aumento de temperatura se disminuye el límite de fluencia del material, lo que se traduce en un aumento del área de contacto metal-metal para una presión dada. La fusión del metal en la intercara no es necesaria para que se produzca la soldadura, en el caso de que esto ocurra, estará limitado a zonas muy pequeñas.
Adicionalmente, se prepara la superficie de manera de eliminar la mayor cantidad posible de óxido. Para ello puede ocurrir alguno o algunos de estos mecanismos:
El calor aplicado puede fundir al óxido de la capa superficial. En este caso el punto de fusión del óxido debe ser menor que el punto de fusión del metal, como es el caso de los aceros, cuyo óxido funde a 1.421 oC. Esto no puede hacerse con el aluminio dado el alto punto de fusión de su óxido.
Se puede disminuir el punto de fusión del óxido adicionando algún compuesto que forme con el óxido una mezcla de bajo punto de fusión (SiO2 con el OFe resulta en una mezcla con T=1.200oC de punto de fusión).
Se puede disolver el óxido en una sal de bajo punto de fusión.S0LDADURA POR FORJA
La soldadura se hace mediante la aplicación de presión a una temperatura elevada, después de que las superficies a unir han sido preparadas adecuadamente.
Con el aumento de temperatura se disminuye el límite de fluencia del material, lo que se traduce en un aumento del área de contacto metal-metal para una presión dada.
Se debe preparar la superficie de manera de eliminar la mayor cantidad posible de óxido.
Puede ocurrir alguno o algunos de estos mecanismos:
1.El calor aplicado puede fundir al óxido de la capa superficial. En este caso el punto de fusión del óxido debe ser menor que el punto de fusión del metal, como es el caso de los aceros, cuyo óxido funde a 1.421 oC. Esto no puede hacerse con el aluminio dado el alto punto de fusión de su óxido.
2.Se puede disminuir el punto de fusión del óxido adicionando algún compuesto que forme con el óxido una mezcla de bajo punto de fusión (SiO2 con el OFe resulta en una mezcla con T=1.200oC de punto de fusión).
3.Se puede disolver el óxido en una sal de bajo punto de fusión.
Es importante aplicar la presión en forma radial y comenzando en la parte interna y hacia afuera de manera de que las partículas de óxidos fundidos y remanentes puedan ser despedidos.
Debe existir una deformación plástica considerable para que la soldadura sea eficiente.
En este proceso se observa una zona afectada por el calor bien extensa y la tasa de enfriamiento es de moderada a lenta.
En cualquier caso, es importante aplicar la presión en forma radial y comenzando en la parte interna y hacia afuera de manera de que las partículas de óxidos fundidos y remanentes puedan ser despedidos. Es importante que exista una deformación plástica considerable para que la soldadura sea eficiente.
En este proceso se observa una zona afectada por el calor bien extensa y la tasa de enfriamiento es de moderada a lenta. Cuando se sueldan materiales trabajados en frío, aparecerá una zona de recristalización en la zona afectada por el calor. Ver Fig. 2
2.1.3.- Soldadura por resistencia eléctrica:
La soldadura por resistencia eléctrica es un proceso en el cual el calor es generado por el paso de una corriente eléctrica a través de la interfase a ser unida.
La generación de calor ocurre por lo siguiente: cuando se ponen en contacto dos superficies metálicas, bajo una cierta presión P, el área de contacto real es prácticamente óxido-óxido y solamente una pequeña fracción de este contacto tiene carácter metálico. Dado que los óxidos no son conductores de la
SOLDADURA POR RESISTENCIA ELECTRICA
La soldadura por resistencia eléctrica es un proceso en el cual el calor es generado por el paso de una corriente eléctrica a través de la interfase a ser unida.
La interfase posee una resistencia llamada “resistencia de contacto”, mucho mayor que la del metal o metales a soldar (por la presencia de los óxidos), ocasionando una generación de calor máxima justamente en la intercara.
Dada la relación del calor generado en un conductor en función de su resistencia, la intensidad de corriente que
por él pasa y el tiempo: q = I2 x R x t, en la intercara se espera una generación de calor de 106 veces mayor comparado con el calor de la zona alejada de la soldadura.
Otro efecto importante es la variación de la resistividad del metal con la temperatura, la cual aumenta con la misma. A su vez, la resistencia del material también aumentará con la temperatura: R = L/A.
PROCESOS QUE UTILIZAN EL PRINCIPIO DE RESISTENCIA ELECTRICA
Soldadura por puntos
Se usa para unir partes metálicas de menos de 3 mm de espesor. El botón tiene un tamaño aproximado de 5 a 10 mm.
Los materiales usados para los electrodos deben ser dúctiles para incrementar la zona de contacto metal-metal y deben poseer una conductividad eléctrica alta. Se pueden dividir en dos grupos: 1) aleaciones basadas en cobre y 2) compuestos metálicos refractarios (Cu y W). Para disminuir el desgaste de los electrodos, se hace necesario su refrigeración con agua mediante canales internos.
Los electrodos deben diseñarse de manera que el flujo de corriente en las piezas a unir sean iguales:
A1/A2 = (k2 x l1)/ (k1 x l2)
Las tasas de enfriamiento son muy elevadas (103 oC/seg). Estos hace que sólo es posible soldar materiales con una templabilidad prácticamente nula o muy baja: Aceros de muy bajo % C, aceros inoxidables austeníticos y aluminio.
Soldadura por resistencia eléctrica a tope
Se ponen en contacto o se acercan las dos superficies que se van a unir y se aplica una corriente eléctrica para calentar las superficies hasta su punto de fusión, después de lo cual las superficies se oprimen juntas para formar la soldadura.
Se usa en la soldadura de tiras de acero en operaciones con laminadoras, la unión de alambres y la soldadura de partes tubulares.
Esta soldadura es rápida e instantánea pero el equipo es costoso.
Soldadura continua
Los electrodos se sustituyen con ruedas giratorias y se hace una serie de soldaduras superpuestas a lo largo de la unión.
Presenta ciertas limitaciones: el proceso sólo se puede realizar en superficies a lo largo de una línea recta o ligeramente curvada, las esquinas agudas e irregularidades son difíciles de manejar, la deformación inicial forma parte del proceso por lo que se requieren de soportes bien diseñados para sostener el trabajo en la posición correcta.
El espaciamiento entre los botones o pepitas de soldadura depende de la velocidad del movimiento de las ruedas de electrodos y la aplicación de la corriente en el proceso (intervalo). En algunos casos, la corriente permanece en un nivel constante por lo que se produce una unión o soldadura continua.
Se utiliza en la soldadura de tanques de gasolina, silenciadores de automóviles y otros tipos de recipientes.
electricidad, solamente pasará corriente a través de esos contactos metálicos, en caso de que se imprimiera un voltaje a través de la interfase. Dada las razones antes expuestas, la interfase posee una resistencia llamada “resistencia de contacto”, mucho mayor que la del metal o metales a soldar, ocasionando una generación de calor máxima justamente en la intercara.
En la soldadura de metales, una presión P del orden del 10% del límite de fluencia, el área de contacto metal-metal es del orden de 10-3 veces el área de las piezas a ser soldadas, por lo tanto la densidad de corriente a través de estos puentes es de 103 veces la densidad de corriente de la zona alejada de la intercara. Ver Fig. 3.
Dada la relación del calor generado en un conductor en función de su resistencia, la intensidad de corriente que por él pasa y el tiempo:
q = I2 x R x t (1)
En la intercara se espera una generación de calor de 106 veces mayor comparado con el calor de la zona alejada de la soldadura.
Adicionalmente, otro efecto importante es la variación de la resistividad del metal con la temperatura, la cual aumenta con la misma. Para el acero ésta aumenta su valor 10 veces a 1000oC. La resistividad está relacionada con la resistencia eléctrica (R) del metal, su longitud (L) y su área (A):
R = L/A (2)
A medida que la temperatura aumenta, aumenta la resistencia de la intercara y por lo tanto el calor generado. Sumando todos estos factores, el efecto se traduce en que el metal se funda solamente en la intercara y se produzca el “botón” de soldadura en esa zona.
Existen varios procesos que utilizan el principio de resistencia eléctrica:
Soldadura por puntos Soldadura por resistencia eléctrica a tope Soldadura contínua
Soldadura por puntos: Es un proceso en el cual se obtiene la fusión de una posición de las superficies empalmantes de una unión superpuesta, mediante electrodos opuestos. El proceso se usa para unir partes de láminas metálicas con un grosor de 3 mm o menos, usando una serie de puntos de soldadura donde no se requiere uniones herméticas. El botón de soldadura tiene un tamaño aproximado de 5 a 10 mm.
Los materiales usados para los electrodos deben ser dúctiles para incrementar la zona de contacto metal-metal bajo las presiones del proceso, y deben poseer una conductividad eléctrica alta. Se pueden dividir en dos grupos: 1) aleaciones basadas en cobre y 2) compuestos metálicos refractarios, tales como combinaciones de cobre y tungsteno. Estos últimos son más resistentes al desgaste. Para disminuir el desgaste de los electrodos, se hace necesario su refrigeración con agua mediante canales internos.
Los electrodos deben diseñarse de manera que el flujo de corriente en las piezas a unir sea igual. Esto se logra si las conductancias de ambas piezas son iguales, lo cual se consigue variando las áreas de los electrodos en función del espesor de las láminas a unir (l) y de la conductividad de las mismas (k):
A1/A2 = (k2 x l1)/ (k1 x l2) (3)
El tiempo total del proceso es alrededor de un (1) segundo, lo que significa que las tasas de calentamiento y de enfriamiento son muy elevadas (103
oC/seg). Estos hace que sólo es posible soldar materiales con una templabilidad prácticamente nula o muy baja: Aceros de muy bajo % C, aceros inoxidables austeníticos y aluminio. Ver Fig. 4.
Para este proceso se utiliza una máquina especial llamada soldadora de puntos con balancín y tipo prensa (para espesores más grandes ya que puede aplicar más presión). Ver Fig. 5.
Soldadura por resistencia eléctrica a tope: Se ponen en contacto o se acercan las dos superficies que se van a unir y se aplica una corriente eléctrica para calentar las superficies hasta su punto de fusión, después de lo cual las superficies se oprimen juntas para formar la soldadura. Adicionalmente al calentamiento por resistencia, se generan ciertos arcos (llamados centelleos) dependiendo del alcance del contacto entre las superfices en contacto. Se usa en la soldadura de tiras de acero en operaciones con laminadoras, la unión de alambres y la soldadura de partes tubulares. Esta soldadura es rápida e instantánea pero el equipo es costoso. Ver Fig. 6.
Soldadura contínua: Los electrodos se sustituyen con ruedas giratorias y se hace una serie de soldaduras superpuestas a lo largo de la unión. Presenta ciertas limitaciones: el proceso sólo se puede realizar en superficies a lo largo de una línea recta o ligeramente curvada, las esquinas agudas e irregularidades son difíciles de manejar, la deformación inicial forma parte del proceso por lo
que se requieren de soportes bien diseñados para sostener el trabajo en la posición correcta. Ver Fig. 7 y 8.
El espaciamiento entre los botones o pepitas de soldadura depende de la velocidad del movimiento de las ruedas de electrodos y la aplicación de la corriente en el proceso. Normalmente, la rueda gira a una velocidad constante y la corriente se activa a intervalos de tiempo que coinciden con el espaciamiento deseado en los botones. En algunos casos, la corriente permanece en un nivel constante por lo que se produce una unión o soldadura contínua.
Se utiliza en la soldadura de tanques de gasolina, silenciadores de automóviles y otros tipos de recipientes.
Metalurgia de la soldadura por Resistencia eléctrica: Las transformaciones de fase que ocurren en el caso de soldar un acero no aleado de bajo contenido de carbono son las siguientes (Ver Fig. 9):
1.- Zona de fusión: El metal llega al estado líquido, su constitución es homogénea y las transformaciones de fase que ocurren se pueden predecir en función al ensayo Jominy correspondiente al metal base a soldar. Si la curva Jominy muestra alguna tendencia a formar martensita, esta se formará con toda seguridad dada la alta velocidad de enfriamiento. En este caso la soldabilidad de la unión es nula dada la alta fragilidad de dicha fase. En caso de que la curva Jominy no muestre tendencia a formar martensita, se formará una estructura perlítica con granos finos orientados en forma perpendicular a la superficie de fusión. Los óxidos presentes en la intercara se fundirán y se solidifican en forma globular y dispersa en todo el botón de soldadura.
2.- Línea de fusión: Las transformaciones son iguales a las que ocurren en los puntos cercanos a la zona afectada por el calor.
3.- Zona afectada por el calor: Se pueden identificar dos subzonas: la zona más cercana al botón donde se logró alcanzar una austenización homogénea y completa y la zona un poco más alejada donde la austenización fue parcial y no homogénea. En la primera subzona la microestructura final es perlita con grano circular parecido al metal base. En la otra subzona la austenita, que es de composición eutectoide y a la cual no se le dio tiempo para que se
homogenizara, se transforma como si fuera una acero 1080 de composición eutectoide. Este acero es templable y a las tasas de enfriamiento normales de este proceso se forma martensita. Esta se formará en pequeñas cantidades en los bordes de la zona afectada por el calor. En el caso de que el metal base este trabajado en frío, habrá una zona de recristalización, una banda angosta en la frontera con el metal base.
METALURGIA DE LA SOLDADURA POR RESISTENCIA ELÉCTRICA
1.- ZONA DE FUSIÓN:
EL METAL LLEGA AL ESTADO LÍQUIDO, SU CONSTITUCIÓN ES HOMOGÉNEA. SI LA CURVA JOMINY MUESTRA ALGUNA TENDENCIA A FORMAR MARTENSITA, ESTA SE FORMARÁ CON TODA SEGURIDAD DADA LA ALTA VELOCIDAD DE ENFRIAMIENTO. EN CASO DE QUE LA CURVA JOMINY NO MUESTRE TENDENCIA A FORMAR MARTENSITA, SE FORMARÁ UNA ESTRUCTURA PERLÍTICA CON GRANOS FINOS ORIENTADOS EN FORMA PERPENDICULAR A LA SUPERFICIE DE FUSIÓN. LOS ÓXIDOS PRESENTES EN LA INTERCARA SE FUNDIRÁN Y SE SOLIDIFICAN EN FORMA GLOBULAR Y DISPERSA EN TODO EL BOTÓN DE SOLDADURA.
2.- LÍNEA DE FUSIÓN:
LAS TRANSFORMACIONES SON IGUALES A LAS QUE OCURREN EN LOS PUNTOS CERCANOS A LA ZONA AFECTADA POR EL CALOR.
3.- ZONA AFECTADA POR EL CALOR:
EN LA ZONA MÁS CERCANA AL BOTÓN DONDE SE LOGRÓ ALCANZAR UNA AUSTENIZACIÓN HOMOGÉNEA LA MICROESTRUCTURA FINAL ES PERLITA. EN LA ZONA UN POCO MÁS ALEJADA DONDE LA AUSTENIZACIÓN FUE PARCIAL Y NO
HOMOGÉNEA LA AUSTENITA, QUE ES DE COMPOSICIÓN EUTECTOIDE, A LAS TASAS DE ENFRIAMIENTO NORMALES DE ESTE PROCESO ES POSIBLE QUE SE FORME MARTENSITA. ESTA SE FORMARÁ EN PEQUEÑAS CANTIDADES EN LOS BORDES DE LA ZONA AFECTADA POR EL CALOR. EN EL CASO DE QUE EL METAL BASE ESTE TRABAJADO EN FRÍO, HABRÁ UNA ZONA DE RECRISTALIZACIÓN, UNA BANDA ANGOSTA EN LA FRONTERA CON EL METAL BASE.
2.2 SOLDAURA POR FUSIÓN:
2.2.1. Soldadura por gases:
En este proceso de soldadura, se funden las piezas de trabajo con el calor de una llama, sin electricidad. La llama se produce por la combustión de un gas combustible con aire u oxígeno.
Los gases combustibles de uso más común son el acetileno, el hidrógeno, el gas natural, el propano, el butano, etc. Generalmente se queman estos gases con oxígeno para una mayor eficiencia en la temperatura de la llama. Ver Fig. 10.
Se debe estar seguro de que los metales a soldar o cortar por este procedimiento no reaccionen con los compuestos resultantes: carbono, hidrógeno, bióxido de carbono, agua.
La temperatura de la llama determina el tipo de gas a utilizar. La mezcla de oxígeno con acetileno (C2H2 - O2) es la que produce la temperatura más alta (aproximadamente 6.300 oF en el cono).
En el corte a la llama, cuando el gas combustible y el oxígeno calientan el metal al rojo, se lanza una corriente de oxígeno hacia el metal caliente, haciendo que este se separe o corte.
En la mayoría de las soldaduras se utiliza, para el caso de la mezcla acetileno-oxígeno, una llama neutra, con una relación de un mol de oxígeno por cada mol de acetileno (Ver Fig. 11):
C2H2 + O2 = 2CO + H2 + calor
Si la relación de C2H2 y O2 es mayor de 1, la llama se llama reductora o carburizante. Esta llama aumenta el contenido de carbono del cordón de soldadura, esto disminuye el punto de fusión del cordón lográndose un mejor control dimensional del mismo. Sin embargo hay que tener cuidado de que el aumento de carbono no favorezca la formación de martensita.
Si la relación de C2H2 y O2 es menor de 1, la llama se llama oxidante o descarburizante, ya que el exceso de O2 se mezcla con el carbono del cordón.
SOLDAURA POR FUSIÓN
SOLDADURA POR GAS
En este proceso de soldadura, se funden las piezas de trabajo con el calor de una llama. La llama se produce por la combustión de un gas combustible con aire u oxígeno.
Los gases combustibles de uso más común son el acetileno, el hidrógeno, el gas natural, el propano, el butano, etc. Generalmente se queman estos gases con oxígeno para una mayor eficiencia en la temperatura de la llama.
Se debe estar seguro de que los metales a soldar o cortar por este procedimiento no reaccionen con los compuestos resultantes: carbono, hidrógeno, bióxido de carbono, agua.
La temperatura de la llama determina el tipo de gas a utilizar. La mezcla de oxígeno con acetileno (C2H2 - O2) es la que produce la temperatura más alta (aproximadamente 6.300 oF en el cono).
En el corte a la llama, cuando el gas combustible y el oxígeno calientan el metal al rojo, se lanza una corriente de oxígeno hacia el metal caliente, haciendo que este se separe o corte.
En la mayoría de las soldaduras se utiliza, para el caso de la mezcla acetileno-oxígeno, una llama neutra, con una relación de un mol de oxígeno por cada mol de acetileno:
C2H2 + O2 = 2CO + H2 + calor
Si la relación de C2H2 y O2 es mayor de 1, la llama se llama reductora o carburizante. Esta llama aumenta el % C del cordón de soldadura, esto disminuye el punto de fusión del cordón lográndose un mejor control dimensional del mismo. Hay que tener cuidado de que el aumento de carbono no favorezca la formación de martensita.
Si la relación de C2H2 y O2 es menor de 1, la llama se llama oxidante o descarburizante, ya que el exceso de O2 se mezcla con el carbono del cordón.
La llama neutra, que es la usada con más frecuencia, está formada por tres partes: cono interno, donde se alcanza la mayor temperatura; la lengüeta de acetileno y la cubierta exterior la cual se extiende y protege, de la atmósfera circundante, las superficies de trabajo que se están soldando.
La soldadura con oxiacetileno usa un equipo portátil y relativamente barato. Por tanto es un proceso económico y versátil, conveniente para producción en bajas cantidades y trabajos de reparación.
Rara vez se usa para soldar láminas y placas más gruesas de 1/4” debido a lo costoso que saldría el proceso y a las ventajas de otros procesos (arco eléctrico) para estos casos.
Generalmente es un proceso manual y por lo tanto depende de la habilidad de soldador el producir una unión soldada de calidad.
Se caracteriza por ser un proceso que deja una zona afectada por el calor relativamente grande. Se utiliza, además, para procesos de precalentamiento y postcalentamientos
La llama neutra, que es la usada con más frecuencia, está formada por tres partes: cono interno, donde se alcanza la mayor temperatura; la lengüeta de acetileno y la cubierta exterior la cual se extiende y protege de la atmósfera circundante las superficies de trabajo que se están soldando.
La soldadura con oxiacetileno usa un equipo portátil y relativamente barato. Por tanto es un proceso económico y versátil, conveniente para producción en bajas cantidades y trabajos de reparación. Rara vez se usa para soldar láminas y placas más gruesas de 1/4” debido a lo costoso que saldría el proceso y a las ventajas de otros procesos (arco eléctrico) para estos casos. Generalmente es un proceso manual y por lo tanto depende de la habilidad de soldador el producir una unión soldada de calidad. Se caracteriza por ser un proceso que deja una zona afectada por el calor relativamente. Se utiliza, además, para procesos de precalentamiento y postcalentamientos
2.2.2.- Soldadura por arco eléctrico:
Es un proceso de soldadura por fusión en el cual la unificación de los metales se obtiene mediante el calor de un arco eléctrico entre un electrodo y el material de trabajo. Un arco eléctrico es una descarga de corriente eléctrica a través de una separación en un circuito. El circuito se sostiene por la presencia de una columna de gas térmicamente ionizada (denominada plasma) a través de la cual fluye la corriente. El arco eléctrico se inicia al acercar el electrodo a la pieza de trabajo, después del contacto el electrodo se separa rápidamente de la pieza a una distancia corta. La energía eléctrica del arco eléctrico así formado produce temperaturas de 10.000 oF (5.500oC) Ver Fig. 12.
Durante el proceso de soldadura, los electrones del gas son atraídos por el ánodo (+), en donde se convierte su energía cinética en energía térmica. Los iones positivos son atraídos por el cátodo (-) en donde convierten su energía cinética en térmica y generan un incremento de temperatura también en el cátodo. El campo eléctrico que produce el arco, acelera mucho más a lo electrones que a los iones del gas. Esto es debido a su menor masa y mayor trayectoria libre de choque. Esto hace que se caliente más el ánodo (2/3 de la energía) que el cátodo (1/3 de la energía).
SOLDADURA POR ARCO ELECTRICO
Es un proceso de soldadura por fusión en el cual la unificación de los metales se obtiene mediante el calor de un arco eléctrico entre un electrodo y el material de trabajo.
Un arco eléctrico es una descarga de corriente eléctrica a través de una separación en un circuito. El circuito se sostiene por la presencia de una columna de gas térmicamente ionizada (denominada plasma) a través de la cual fluye la corriente.
La energía eléctrica del arco eléctrico produce temperaturas de 10.000 oF (5.500oC).
Durante el proceso de soldadura, los electrones del gas son atraídos por el ánodo, en donde se convierte su energía cinética en energía térmica. Los iones positivos son atraídos por el cátodo en donde convierten su energía cinética en térmica y generan un incremento de temperatura también en el cátodo.
El campo eléctrico que produce el arco, acelera mucho más a los electrones que a los iones del gas. Esto es debido a su menor masa y mayor trayectoria libre de choque. Esto hace que se caliente más el ánodo (2/3 de la energía) que el cátodo (1/3 de la energía).
En el caso de que se utilice corriente alterna, la generación de calor es igual en el ánodo y en cátodo (1/2 de la energía c/u).
La decisión del tipo de corriente a utilizar, en muchos casos es tomada en función del tipo de soldadura a realizar. La polaridad directa refleja una soldadura con una menor penetración y mayor consumo de electrodo; la polaridad inversa refleja una soldadura con mayor penetración y un menor consumo del electrodo o menor altura del cordón; la corriente alterna se traduce en un cordón y una penetración medios.
Los valores usuales de intensidad de corriente están entre 50 a 300 Amp. En estos rangos, el voltaje del arco depende de la longitud del arco.
Durante el proceso, se forma un pozo de metal fundido que consiste en metal(es) base y metal de aporte (en caso de que se use). En la mayoría de los procesos se utiliza material de aporte para aumentar el volumen y fortalecer la unión soldada.
Conforme se mueve el electrodo a lo largo de la unión, el pozo de metal fundido se solidifica de inmediato.
El proceso puede ser manual (la calidad de la unión depende de la habilidad del soldador) o automático.
En el caso de que se utilice corriente alterna, la generación de calor es igual en el ánodo y en cátodo (1/2 de la energía c/u). En el caso de usar corriente contínua, la generación de calor es en promedio dos (2) veces mayor en el ánodo que en el cátodo.
La decisión del tipo de corriente a utilizar, en muchos casos es tomada en función del tipo de soldadura a realizar. La polaridad directa (electrodo - y metal +) refleja una soldadura con una mayor penetración y menor consumo de electrodo lo que se traduce en menor cantidad de material de aporte; la polaridad inversa (electrodo + y el metal -) refleja una soldadura con poca penetración y un mayor consumo del electrodo o mayor altura del cordón; la corriente alterna se traduce en un cordón y una penetración medios. Ver Fig. 13.
Los valores usuales de intensidad de corriente están entre 50 a 300 Amp. En estos rangos, el voltaje del arco depende de la longitud del arco.
Durante el proceso, se forma un pozo de metal fundido que consiste en metal(es) base y metal de aporte (en caso de que se use). En la mayoría de los
procesos se utiliza material de aporte para aumentar el volumen y fortalecer la unión soldada. Conforme se mueve el electrodo a lo largo de la unión, el pozo de metal fundido se solidifica de inmediato.
El proceso puede ser manual (la calidad de la unión depende de la habilidad del soldador) o automático.
Electrodos: Los electrodos usados en este proceso se denominan consumibles y no consumibles. Los electrodos consumibles involucran el metal de aporte en la soldadura; están disponibles en dos formas: varillas y alambres (puede alimentarse en forma contínua). Los electrodos no consumibles están hechos generalmente de Tungsteno, los cuales resisten la fusión (temperatura de fusión muy alta). Se desgasta gradualmente. El material de aporte en estos casos se proporciona separadamente.
Protección del arco: En la soldadura por arco eléctrico, las altas temperaturas provocan que los metales que se unen reaccionen con el oxígeno, nitrógeno e hidrógeno del aire, lo cual puede degradar seriamente las propiedades mecánicas de las partes a soldar. Para proteger la soldadura, se cubre la punta del electrodo, el arco eléctrico y el pozo de soldadura fundida con un manto de gas o fundente o ambos, lo que impide la exposición del metal soldado al aire.
Los gases de protección más usados son los gases inertes: argón y helio. Un fundente es una sustancia usada para evitar la formación de óxidos y otros contaminantes indeseados o para disolverlos y facilitar su remoción. Durante la soldadura, el fundente se derrite y convierte en una escoria líquida que cubre la operación y protege la soldadura.
Las funciones propias del fundente son: Proporcionar una atmósfera protectora para la soldadura. Estabilizar el arco eléctrico. Reducir las salpicaduras. Adición de aleantes. Combinación con las impurezas para formar escoria (flotante)
El método de aplicación del fundente es diferente para cada proceso. Entre las técnicas de incorporación se encuentran:
Vaciando el fundente granular en la operación de soldadura (Arco sumergido).
Electrodo de varilla cubierto con material fundente (electrodo recubierto). Electrodos tubulares que contienen fundente en el núcleo.
Los electrodos presentan una curva de comportamiento que muestra la relación de caída de potencial del proceso en función de la longitud de arco del mismo para cada electrodo en particular, este comportamiento se puede expresar por la ecuación de una línea recta:
E = ml + b
donde: E: Voltaje a través del arcol: Longitud del arcob: Voltaje para una l = 0
Las longitudes de arco más comunes son entre 1 - 4 mm. Existe una regla práctica que considera la longitud del arco aproximadamente igual al diámetro del electrodo, en caso de soldaduras a tope. Dentro de los valores usuales de
ELECTRODOS
Los electrodos usados en este proceso se denominan consumibles y no consumibles.
Los electrodos consumibles involucran el metal de aporte en la soldadura; están disponibles en dos formas: varillas y alambres (puede alimentarse en forma contínua).
Los electrodos no consumibles están hechos generalmente de Tungsteno, los cuales resisten la fusión (temperatura de fusión muy alta). Se desgasta gradualmente. El material de aporte en estos casos se proporciona separadamente.
Los electrodos presentan una curva de comportamiento que muestra la relación de caída de potencial del proceso en función de la longitud de arco del mismo para cada
electrodo en particular, este comportamiento se puede expresar por la ecuación de una línea recta:
E = ml + b
donde: E: Voltaje a través del arcol: Longitud del arcob: Voltaje para una l = 0
Las longitudes de arco más comunes son entre 1 - 4 mm. Existe una regla práctica que considera la longitud del arco aproximadamente igual al diámetro del electrodo, en caso de soldaduras a tope.
Dentro de los valores usuales de corrientes de operaciones, se puede decir que el voltaje del arco depende únicamente de la longitud del arco y no de la intensidad de corriente empleada, una vez establecidos los metales a unir y la atmósfera del arco.
PROTECCION DEL ARCO
En la soldadura por arco eléctrico, las altas temperaturas provocan que los metales que se unen reaccionen con el oxígeno, nitrógeno e hidrógeno del aire, lo cual puede degradar seriamente las propiedades mecánicas de las partes a soldar.
Para proteger la soldadura, se cubre la punta del electrodo, el arco eléctrico y el pozo de soldadura fundida con un manto de gas o fundente o ambos, lo que impide la exposición del metal soldado al aire.
Los gases de protección más usados son los gases inertes: argón y helio.
Un fundente es una sustancia usada para evitar la formación de óxidos y otros contaminantes indeseados o para disolverlos y facilitar su remoción. Durante la soldadura, el fundente se derrite y convierte en una escoria líquida que cubre la operación y protege la soldadura.
FUNDENTES
CONCEPTO:
Es una sustancia usada para evitar la formación de óxidos y otros contaminantes indeseados o para disolverlos y facilitar su remoción.
FUNCIONES
Proporcionar una atmósfera protectora para la soldadura. Estabilizar el arco eléctrico. Reducir las salpicaduras. Adición de aleantes.
Combinación con las impurezas para formar escoria (flotante).
METODOS DE APLICACIÓN
Vaciando el fundente granular en la operación de soldadura (Arco sumergido).
Electrodo de varilla cubierto con material fundente (electrodo recubierto).
Electrodos tubulares que contienen fundente en el núcleo.
corrientes de operaciones, se puede decir que el voltaje del arco depende únicamente de la longitud del arco y no de la intensidad de corriente empleada, una vez establecidos los metales y la atmósfera del arco. Ver Fig. 13.
Fuentes de energía en la soldadura por arco eléctrico: En la soldadura con arco eléctrico se utilizan tanto generadores de corriente directa o contínua como transformadores de corriente alterna.
Para el caso de generadores de corriente continua, las características de salida vienen definidas por la siguiente expresión:
E = Ei + nI
donde n = Ei/Is; Ei = kEo
siendo:E: Voltaje de salida (voltios)I: Corrienrte de salida (amperios)Eo: Vopltaje de circuito abierto (Voltios)Is: Corriente de circuito abierto (amperios)
k: constante (valor usual k = 1.15)
Estos generadores poseen dos controles, uno de ellos varía la corriente para un valor dado de voltaje de circuito abierto y no afecta el valor de este (Ver Fig. 14, curvas C y D y con A y B). El otro control varía el valor de voltaje de corto circuito y afecta la corriente de corto circuito Is. (Ver Fig. 14, curvas A y C).
Los transformadores de corriente alterna solo poseen un solo control de corriente de corto circuito. Estos poseen un voltaje de corto circuito mucho menor que los generadores de a-c, siendo por lo tanto más difícil iniciar y mantener el arco eléctrico usando los transformadores Ver Fig. 15.
Como se dijo anteriormente, las curvas de los electrodos están definidas por la relación entre la caida del potencial a través del arco y la longitud del mismo arrojando curvas de comportamientos como las señaladas en la Fig. 16.
Cada tipo de electrodo tendrá su comportamiento característico de la caída de potencial a través del arco en función de la longitud del mismo:
E = m x l + b
donde m y b = constantesl = longitud del arco
Conocida esta ecuación para un determinado electrodo, se define el potencial de operación al cual se va a trabajar (Ep). Se conoce que la longitud del arco ideal (para que se inicie la formación del arco) es aproximadamente el diámetro del electrodo.
Una vez conocidos los componentes del arco, del electrodo y del generador, se puede tratar de establecer una curva de comportamiento del circuito de soldadura.
Una forma de evaluar dicho comportamiento es estableciendo la relación de la potencia consumida en proceso con la longitud del arco. Este comportamiento puede variar dependiendo de la combinación electrodo-características seleccionadas de la máquina-longitud del arco. En la Fig 17 se muestran tres tipos de posibles comportamientos. La curva B muestra un máximo a valores usuales de longitud de arco; este tipo de comportamiento es adecuado cuando
se desea una mayor productividad en la soldadura, o lo que es lo mismo, una mayor velocidad de soldadura. La curva C muestra valores altos de potencias pero a longitudes de arco no usuales. La curva A muestra una disminución de la potencia con un aumento de la longitud del arco. Este comportamiento permite un mayor control del proceso y es muy usado cuando se suelda sobre la cabeza. La curva ideal, señalada como D, implicaría una potencia constante la cual no variará con la longitud del arco, lo que se traduciría en una soldadura homogénea. Este comportamiento no se presenta en la realidad, sin embargo establece un patrón ideal que nos ayuda a buscar los valores óptimos de operación. Para lograr una curva de este tipo habría que contar con un “generador hiperbólico” de potencia constante (ver Fig. 18):
E . I = K
Una vez establecido el valor de voltaje e intensidad de operación, este procedimiento nos ayuda a encontrar los valores de voltaje de circuito abierto (Eo) e Intensidad de circuito abierto (Is), que son los parámetros a establecer en la máquina a utilizar.
Para la determinación de los valores de operación de voltaje e intensidad, se debe tomar en cuenta el tipo de proceso de soldadura (posición de la soldadura, espesor de las partes a soldar, materiales a soldar, polaridad), lo cual es indicativo del tipo de electrodo a utilizar y la potencia a consumir (calor generado). Por lo cual, previamente se debe establecer el tipo de electrodo que se va a utilizar. Una vez seleccionado el electrodo (ecuación característica del electrodo), se puede determinar el voltaje de operación deseado estimando la longitud del arco como el diámetro del electrodo y sustituyéndolo en la ecuación del mismo. Con este voltaje y fijando el valor de potencia deseado se pude despejar de la ecuación anterior el valor de intensidad de corriente de operación. Otra forma es seleccionar el electrodo, consultar las tablas de valores de intensidad de corriente recomendadas para los mismos, seleccionar un valor de intensidad y despejar el voltaje de la ecuación anterior.
Para la determinación de Eo e Is se considerará el generador hiperbólico mencionado con anterioridad (Fig 18). Dado que P sea el punto de operación elegido. Cuales deberían ser los valores de Eo e Is, de manera de operar en el punto P, con la condición que la variación de la potencia debido a la variación de la longitud del arco sea mínima?. La respuesta de este problema puede
hallarse trazando la hipérbola de potencia constante que pase por P (graficando E vs I) y luego hallando la línea tangente en P:
E = W/I; dE/dI = -W/I2 = EI/ I2 = -E/I = n
E = Ei + nI; Ep = Ei + (-Ep/Ip) Ip; Ei = 2Ep
0 = 2Ep + (-Ep/Ip) Is; 2Ep = Ep/Ip Is; Is = 2Ip
Soldadura por arco eléctrico con electrodo revestido. Cuando el electrodo se va consumiendo, se forman gases provenientes de la combustión, estos gases junto con la escoria proveniente del revestimiento, protegen el pozo de soldadura y el arco de los contaminantes de la atmósfera. Ver Fig. 19.
FUENTES DE ENERGIA EN LA SOLDADURA POR ARCO ELECTRICO
En la soldadura con arco eléctrico se utilizan tanto generadores de corriente directa o contínua como transformadores de corriente alterna.
Para el caso de generadores de corriente continua, las características de salida vienen definida por la siguiente expresión:
E = Ei + nI
donde n = Ei/Is; Ei = kEo
siendo:E: Voltaje de salida (voltios)
I: Corriente de salida (amperios)Eo: Voltaje de circuito abierto (Voltios)Is: Corriente de circuito abierto (amperios)k: constante (valor usual k = 1.15)
Estos generadores poseen dos controles, uno de ellos varía la corriente para un valor dado de voltaje de circuito abierto y no afecta el valor de este. El otro control varía el valor de voltaje de corto circuito y afecta la corriente de corto circuito Is.
Los transformadores de corriente alterna solo poseen un solo control de corriente de corto circuito. Estos poseen un voltaje de corto circuito mucho menor que los generadores de a-c, siendo por lo tanto más difícil iniciar y mantener el arco eléctrico usando los transformadores.
Conocida la ecuación para un determinado electrodo
(E = m x l + b), se define el potencial de operación al cual se va a trabajar (Ep). Se conoce que la longitud del arco ideal es aproximadamente el diámetro del electrodo.
Una vez conocidos los componentes del arco, del electrodo y del generador, se puede tratar de establecer una curva de comportamiento del circuito de soldadura.
Una forma de evaluar dicho comportamiento es estableciendo la relación de la potencia consumida en el proceso con la longitud del arco.
Este comportamiento puede variar dependiendo de la combinación electrodo-características seleccionadas de la máquina-longitud del arco. La curva B (Fig. 17) muestra un máximo a valores usuales de longitud de arco; este tipo de comportamiento es adecuado cuando se desea una mayor productividad en la soldadura, o lo que es lo mismo, una mayor velocidad de soldadura.
La curva C muestra valores altos de potencias pero a longitudes de arco no usuales.
La curva A muestra una disminución de la potencia con un aumento de la longitud del arco. Este comportamiento permite un mayor control del proceso y es muy usado cuando se suelda sobre la cabeza.
La curva ideal, señalada como D, implicaría una potencia constante la cual no variará con la longitud del arco, lo que se traduciría en una soldadura homogénea.
Este comportamiento ideal no se presenta en la realidad, sin embargo establece un patrón ideal que ayuda a buscar los valores óptimos de operación. Para lograr una curva de
este tipo habría que contar con un “generador hiperbólico” de potencia constante:
E . I = K
Una vez establecido el valor de voltaje e intensidad de operación, el generador hiperbólico ayuda a encontrar los valores de voltaje de circuito abierto (Eo) e Intensidad de circuito abierto (Is), que son los parámetros a establecer en la máquina a utilizar.
Para la determinación de los valores de operación de voltaje e intensidad, se debe tomar en cuenta el tipo de proceso de soldadura (posición de la soldadura, espesor de las partes a soldar, materiales a soldar, polaridad), lo cual es indicativo del tipo de electrodo a utilizar y la potencia a consumir (calor generado).
Para la determinación de Eo e Is, considerando el generador hiperbólico, y definiendo P como el punto de operación elegido, se tiene trazando la hipérbola de potencia constante que pase por P (graficando E vs I) y luego hallando la línea tangente en P:
E = W/I; dE/dI = -W/I2 = EI/ I2 = -E/I = n
E = Ei + nI; Ep = Ei + (-Ep/Ip) Ip;
Ei = 2Ep
0 = 2Ep + (-Ep/Ip) Is; 2Ep = Ep/Ip Is;
Is = 2Ip
La selección de los electrodos revestidos se basan en el tipo de materiales a soldar y el valor de resistencia asociados a ellos, la posición de la soldadura a realizar, tipo de energía a aplicar, tipo de escoria a formar, magnitud de la penetración, presencia de elementos aleantes en el recubrimiento. En la Fig. 20 se muestran la clasificación de los electrodos según el Sistema AWS. Los electrodos se identifican de la siguiente manera:
E - XYWZ
XY = Valor de Su (Ksi) del material de aporte una vez depositadoW = Posición de la soldadura: 1- Todas
2 - Plana y horizontal3 - Plana
Z = Tipo de corriente
Los valores de W y Z combinados dan el tipo de recubrimiento y corriente a utilizar.
En la Fig. 21 se muestran las características de varios electrodos comerciales, su clasificación, categoría de la soldadura para la que se recomienda, características generales y aplicación. En general se utilizan cd(+) (pieza + y electrodo -) para penetraciones profundas y grandes espesores. La cd(-) se utiliza para espesores pequeños y bajas penetraciones.
Los electrodos deben estar libres de humedad para evitar fragilizaciones y agrietamientos de la soldadura.
El proceso de soldadura por arco con electrodo revestido debe tener, además, un control en la posición del electrodo según el tipo de junta a soldar. ver Fig. 22 y 23.
Soldadura por arco sumergido.La soldadura de arco sumergido es un proceso semiautomático o automático. Se emplean uno o dos electrodos metálicos desnudos y el arco se protege mediante una cubierta, de suministro independiente, de un fundente granular fusible. No hay evidencia visible del arco. El arco, el pozo de soldadura y el
SOLDADURA POR ARCO ELECTRICO CON ELECTRODO REVESTIDO
Cuando el electrodo se va consumiendo, se forman gases
provenientes de la combustión, estos gases junto con la escoria proveniente del revestimiento, protegen el pozo de soldadura y el arco de los contaminantes de la atmósfera.
La selección de los electrodos revestidos se basan en el tipo de materiales a soldar y el valor de resistencia asociados a ellos, la posición de la soldadura a realizar, tipo de energía a aplicar, tipo de escoria a formar, magnitud de la penetración, presencia de elementos aleantes en el recubrimiento.
Los electrodos se identifican de la siguiente manera:
E - XYWZ
XY = Valor de Su (Ksi) del material de aporte una vez depositadoW = Posición de la soldadura: 1- Todas
2 - Plana y horizontal3 - Plana
Z = Tipo de corriente
Los valores de W y Z combinados dan el tipo de recubrimiento y corriente a utilizar.
En general se utilizan cd invertida para penetraciones profundas y grandes espesores. La cd directa se utiliza para espesores pequeños y bajas penetraciones.
Los electrodos deben estar libres de humedad para evitar fragilizaciones y agrietamientos de la soldadura.
El proceso de soldadura por arco con electrodo revestido debe tener, además, un control en la posición del electrodo según el tipo de junta a soldar.
electrodo fundido están completamente sumergidos en el fundente conductor de alta resistencia. Ver Fig. 24.
Una cabeza de soldadura de diseño especial alimenta el electrodo contínuo y el fundente en forma separada. Variando la composición química del fundente puede soldarse una gran variedad de metales. La soldadura por arco sumergido es un proceso que se utiliza generalmente para soldaduras en línea recta.
Las principales ventajas de este proceso son las siguientes: No hay chisporroteo Se utilizan generalmente velocidades altas de deposición Se utiliza para soldar grandes espesores de chapa Como el proceso es generalmente automático, se produce cordones de alta
calidad y precisión. No se necesitan mayores protecciones para el operario.
Las principales desventajas del proceso son: El metal base debe estar libre de aceite y contaminantes para obtener
cordones de alta calidad. Se debe remover la escoria producida Solo se justifica para espesores de piezas mayores de 3/16”.
Soldadura con arco metálico y gas (MIG).Este proceso es un proceso de cd con polaridad invertida, en el cual el electrodo consumible, sólido y desnudo (en forma de alambre), es protegido de la atmósfera por una atmósfera protectora proporcionada en forma externa, en general bióxido de carbono, o de gases con base de helio. Se utiliza básicamente para soldar aceros inoxidables y metales no ferrosos. Ver Fig. 25.
Las ventajas de este proceso son: Se puede trabajar a grandes velocidades de deposición de material puesto
que no hay cambio de electrodo. Ausencia de escoria.
La principal desventaja es el hecho de que al no haber escoria se produce una rata de enfriamiento mayor lo que tiende a crear fragilidad en la soldadura.
SOLDADURA POR ARCO SUMERGIDO
La soldadura de arco sumergido es un proceso semiautomático o automático.
Se emplean uno o dos electrodos metálicos desnudos y el arco se protege mediante una cubierta, de suministro independiente, de un fundente granular fusible.
No hay evidencia visible del arco. El arco, el pozo de soldadura y el electrodo fundido están completamente sumergidos en el fundente conductor de alta resistencia.
Una cabeza de soldadura de diseño especial alimenta el electrodo contínuo y el fundente en forma separada.
Variando la composición química del fundente puede soldarse una gran variedad de metales.
La soldadura por arco sumergido es un proceso que se utiliza generalmente para soldaduras en línea recta.
PROCESO DE SOLDADURA POR ARCO SUMERGIDO
VENTAJAS:
No hay chisporroteo Se utilizan generalmente velocidades altas de deposición Se utiliza para soldar grandes espesores de chapa Como el proceso es generalmente automático, se produce
cordones de alta calidad y precisión. No se necesitan mayores protecciones para el operario.
DESVENTAJAS:
El metal base debe estar libre de aceite y contaminantes para obtener cordones de alta calidad.
Se debe remover la escoria producida Solo se justifica para espesores de piezas mayores de
3/16”.
PROCESO DE SOLDADURA MIG
DEFINICIÓN:
Este proceso es un proceso de cd con polaridad invertida, en el cual el electrodo consumible, sólido y desnudo (en forma de alambre), es protegido de la atmósfera por una atmósfera protectora proporcionada en forma externa.
VENTAJAS:
Se puede trabajar a grandes velocidades de deposición de material puesto que no hay cambio de electrodo.
Ausencia de escoria.
DESVENTAJA:
La principal desventaja es el hecho de que al no haber escoria se produce una rata de enfriamiento mayor lo que tiende a crear fragilidad en la soldadura.
Soldadura con arco de tungsteno y gas (TIG).
El proceso TIG (Tungsten inert gas) es un proceso de arco que utiliza un electrodo de Tungsteno prácticamente inconsumible (alto punto de fusión), y una atmósfera protectora de gas inerte suministrada en forma externa, generalmente de helio, argón o una mezcla de ambos. El material de aporte es adicionado en forma independiente en forma de varillas consumibles. Ver Fig. 26. Las técnicas de manipulación son similares a las utilizadas en el proceso MIG. Se usa una mano para manipular el soplete y la otra para alimentar el metal de aporte.
La alta intensidad de corriente producida por este proceso hace posible soldar a mayores velocidades y obtener mayor penetración que con la soldadura MIG y arco sumergido. Pueden hacerse soldaduras de calidad excepcional con este proceso. Se utiliza para la soldadura de Aluminios dado que da la oportunidad de resquebrajar las capas de óxidos formadas (con el uso de corriente alterna) y brinda una alta protección para evitar la formación de nuevos óxidos con altos puntos de fusión que son difíciles de controlar por otros procesos de soldadura.
2.3 CLASIFICACIÓN DE LAS SOLDADURAS:
2.3.1. Clasificación de acuerdo al material de aporte:
Autógena: Sin material de aporte. Homogénea: Cuando el material de aporte es igual al material base o
material a soldar. Heterogénea: - Cuando el material de aporte no es igual al material a
soldar.- Cuando no hay material de aporte y los metales bases a
soldar son diferentes.- Cuando tanto el material de aporte como los materiales
bases a soldar son diferentes.
2.3.2. Clasificación de acuerdo a la posición de ejecución: Ver Fig. 28
Plana: La soldadura se ejecuta n un plano horizontal.
Horizontal: La ejecución de la soldadura se efectúa sobre un plano vertical y se ejecuta en dirección horizontal.
Vertical: La ejecución de la soldadura se efectúa en dirección vertical sobre un plano vertical. Puede realizarse en sentido descendente o ascendente.
Sobre la cabeza: La ejecución de la soldadura se efectúa por encima del operario. El aporte se opone completamente a la gravedad.
2.3.3. Clasificación de acuerdo a la geometría de la unión: Ver Fig. 29 y 30
Soldadura a tope: Las partes a soldar se encuentran en el mismo plano y se unen en sus bordes. Se utilizan en las soldaduras de láminas de espesor igual o menor a 12.7 mm si se pueden soldar a ambos lados, y de espesor igual o menor a 6 mm si sólo se puede soldar por un sólo lado. La distancia que separa las partes a soldar (b) deberá estar comprendida entre 0 < b > t, siendo t el espesor de las partes a soldar. Las soldaduras a tope autógenas implican un valor de b = 0.
Soldadura en bisel: Se les realiza en los bordes de las partes a soldar una ranura o bisel para facilitar la penetración del cordón de soldadura. La forma del bisel puede ser en V, U, J, en lados sencillos o dobles. Se usa material de aporte para rellenar la unión. Se utilizan para la soldadura de láminas con espesores mayores a 6 mm, cuando se suelda por un sólo lado. Ver Fig. 31.
Soldadura solapada o superpuesta: Esta unión consiste en dos partes que se sobreponen.
Soldadura angulares o en filetes (en T): Una parte es perpendicular a la otra. Se usa material de aporte para realizar la unión. Es una de las soldaduras más usadas ya que no requiere preparación previa de las partes. Puede ser contínua o intermitentes, sencillas o dobles. Ver Fig. 32.
Soldadura en esquina: Las partes en este tipo de uniones forman un ángulo recto y se unen en la esquina del ángulo. Ver Fig. 33.
Unión de bordes: Las partes de la unión de bordes están paralelas con al menos uno de los bordes en común y la unión se hace en el borde en común.
2.4 SIMBOLOS EN LAS UNIONES SOLDADAS:
Según la geometría de la unión realizada, cada uno de los tipos de soldaduras realizadas se especifica gráficamente por un símbolo. Ver Figuras 34, 35, 36, 37, 38, 39 y 40.
2.5 EFICIENCIA DE LA SOLDADURA:
Es la relación entre las capacidades de transmisión de cargas de la soldadura y del metal base respectivamente. Se expresa de la siguiente manera:
s,x = Fs,x/Fmb,x
donde: Fs,x : Capacidad de transmisión de carga de la soldadura (Kgs, Kgs/cm).
Fmb,x: Capacidad de transmisión de carga del metal base (Kgs, Kgs/cm).
x: Fluencia, carga máxima, fatiga, impacto, etc.
El valor de la eficiencia puede ser menor, igual o mayor a la unidad, indicando que la soldadura tiene menor, igual o mayor capacidad de transmitir cargas que el metal base, respectivamente. El diseño de soldaduras debe tender a producir uniones con eficiencias cercanas a la unidad. En la práctica se usan eficiencias en el rango de 0,9 a 1,1.
Cuando se habla de “soldadura” se refiere a la porción de material que ha sido transformado durante el proceso. Cuando se habla de “metal base”, se refiere a la porción del material que no sufre cambio alguno durante el proceso.
EFICIENCIA DE LA SOLDADURA
Es la relación entre las capacidades de transmisión de cargas de la soldadura y del metal base respectivamente. Se expresa de la siguiente manera:
s,x = Fs,x/Fmb,x
donde: Fs,x : Capacidad de transmisión de carga de la soldadura (Kgs, Kgs/cm).
Fmb,x: Capacidad de transmisión de carga del metal base (Kgs, Kgs/cm).
x: Fluencia, carga máxima, fatiga, impacto, etc.
El valor de la eficiencia puede ser menor, igual o mayor a la unidad, indicando que la soldadura tiene menor, igual o mayor capacidad de transmitir cargas que el metal base, respectivamente.
El diseño de soldaduras debe tender a producir uniones con eficiencias cercanas a la unidad. En la práctica se usan eficiencias en el rango de 0,9 a 1,1.
Otro término asociado con la eficiencia de la soldadura es el término de “soldabilidad”: es la capacidad de producir una unión capaz de transmitir las cargas o solicitaciones durante el servicio.
En el caso de una soldadura en frío, la soldabilidad de la unión está definida por la ductilidad de los metales a soldar, es decir sólo serán soldables por este método los metales que posean una ductilidad considerable; o por lo menos que uno de los metales a soldar cumpla con esta condición.
En el caso de soldaduras por fusión, el término soldabilidad está asociado con la no formación de estructuras frágiles una vez realizada la soldadura. En el caso de soldaduras de acero por procesos de fusión, la soldabilidad está asociada con la no formación de martensita.
Otro término asociado con la eficiencia de la soldadura es el término de “soldabilidad”: es la capacidad de producir una unión capaz de transmitir las cargas o solicitaciones durante el servicio. En el caso de una soldadura en frío, la soldabilidad de la unión está definida por la ductilidad de los metales a soldar, es decir sólo serán soldables por este método los metales que posean una ductilidad considerable; o por lo menos que uno de los metales a soldar cumpla con esta condición. En el caso de soldaduras por fusión, el término soldabilidad está asociado con la no formación de estructuras frágiles una vez realizada la soldadura. En el caso de soldaduras de acero por procesos de fusión, la soldabilidad está asociada con la no formación de martensita.
CLASIFICACIÓN DE LAS SOLDADURAS
Clasificación de acuerdo al material de aporte:
Autógena: Sin material de aporte. Homogénea: Cuando el material de aporte es igual al material
base o material a soldar. Heterogénea: - Cuando el material de aporte no es igual al
material a soldar.- Cuando no hay material de aporte y los metales
bases a soldar son diferentes.- Cuando tanto el material de aporte como los
materiales bases a soldar son diferentes.
Clasificación de acuerdo a la posición de ejecución
Plana: La soldadura se ejecuta n un plano horizontal.
Horizontal: La ejecución de la soldadura se efectúa sobre un plano vertical y se ejecuta en dirección horizontal.
Vertical: La ejecución de la soldadura se efectúa en dirección vertical sobre un plano vertical. Puede realizarse en sentido descendente o ascendente.
Sobre la cabeza: La ejecución de la soldadura se efectúa por encima del operario. El aporte se opone completamente a la gravedad.
Clasificación de acuerdo a la geometría de la unión
Soldadura a tope: Las partes a soldar se encuentran en el mismo plano y se unen en sus bordes. Se utilizan en las soldaduras de láminas de espesor igual o menor a 12.7 mm si se pueden soldar a ambos lados, y de espesor igual o menor a 6 mm si sólo se puede soldar por un sólo lado. La distancia que separa las partes a soldar (b) deberá estar comprendida entre 0 < b > t, siendo t el espesor de las partes a soldar. Las soldaduras a tope autógenas implican un valor de b = 0.
Soldadura en bisel: Se les realiza en los bordes de las partes a soldar una ranura o bisel para facilitar la penetración del cordón de soldadura. La forma del bisel puede ser en V, U, J, en lados sencillos o dobles. Se usa material de aporte para rellenar la unión. Se utilizan para la soldadura de láminas con espesores mayores a 6 mm, cuando se suelda por un sólo lado.
Soldadura solapada o superpuesta: Esta unión consiste en dos partes que se sobreponen.
Soldadura angulares o en filetes (en T): Una parte es perpendicular a la otra. Se usa material de aporte para realizar la unión. Es una de las soldaduras más usadas ya que no requiere preparación previa de las partes. Puede ser contínua o intermitentes, sencillas o dobles.
Soldadura en esquina: Las partes en este tipo de uniones forman un ángulo recto y se unen en la esquina del ángulo.
Unión de bordes: Las partes de la unión de bordes están paralelas con al menos uno de los bordes en común y la unión se hace en el borde en común.
PROCESO DE SOLDADURA TIG
DEFINICIÓN:
El proceso TIG (Tungsten inert gas) es un proceso de arco que utiliza un electrodo de Tungsteno prácticamente inconsumible (alto punto de fusión), y una atmósfera protectora de gas inerte suministrada en forma externa.
VENTAJAS:
La alta intensidad de corriente producida por este proceso hace posible soldar a mayores velocidades y obtener mayor penetración que con la soldadura MIG y arco sumergido.
Pueden hacerse soldaduras de calidad excepcional con este proceso.
Se utiliza para la soldadura de Aluminios dado que da la oportunidad de resquebrajar las capas de óxidos formadas (con el uso de corriente alterna) y brinda una alta protección para evitar la formación de nuevos óxidos con altos puntos de fusión que son difíciles de controlar por otros procesos de soldadura.
DESVENTAJAS:
El material de aporte es adicionado en forma independiente en forma de varillas consumibles. Esto implica limitaciones en la cantidad y velocidad de deposición por el cambio continuo de la varilla de aporte.
Se usa una mano para manipular el soplete y la otra para alimentar el metal de aporte.
2.6 PENETRACIÓN DE SOLDADURAS DE ACEROS NO ALEADOS
La penetración de una soldadura es la profundidad de la zona de fusión debajo de la superficie original del material base. Ver Fig. 41.
La penetración incrementará con un incremento del calor que se genera en la superficie de trabajo. Incrementos en la corriente y en el voltaje de trabajo producirán un incremento en la penetración. La penetración variará inversamente con la velocidad de la soldadura.
Para comprender la variación de la penetración con el voltaje es importante tener en cuenta lo siguiente: El voltaje del arco es producto de la longitud del arco y a medida que la longitud aumenta la pérdida de calor por radiación también aumenta disminuyendo la eficiencia de la transmisión de calor al cordón. Para pequeñas longitudes de arco se consiguen un aumento de la penetración con un aumento del voltaje, pero si esta se sigue aumentando la pérdida por radiación afecta negativamente el proceso.
En soldaduras de arco sumergido es de esperarse una mayor penetración por haber menos pérdidas de calor por radiación.
La siguiente ecuación es el resultado de varios trabajos experimentales. Esta ecuación permite predecir el valor de la penetración en soldaduras con electrodos recubiertos en función del E, I y v. Esta ecuación es valida para aceros al carbono no aleados (< 4% de aleantes). En general la penetración varía inversamente con la conductividad térmica del metal base.
p = 6.66 x 10-4 x E0.56 x I1.40 x v-0.29 si I< 200 amp
p = 6.66 x 10-4 x E0.56 x I1.33 x v-0.33 si I> 200 amp
donde: p = penetración [mm]v = velocidad [cm/min]E = Voltaje [voltios]I= corriente [amperios]
PENETRACIÓN DE SOLDADURAS DE ACEROS NO ALEADOS
La penetración de una soldadura es la profundidad de la zona de fusión debajo de la superficie original del material base.
La penetración incrementará con un incremento del calor que se genera en la superficie de trabajo. Incrementos en la corriente y en el voltaje de trabajo producirán un incremento en la penetración.
La penetración variará inversamente con la velocidad de la soldadura.
El voltaje del arco es producto de la longitud del arco y a medida que la longitud aumenta la pérdida de calor por radiación también aumenta disminuyendo la eficiencia de la transmisión de calor al cordón.
Para pequeñas longitudes de arco se consiguen un aumento de la penetración con un aumento del voltaje, pero si esta se sigue aumentando la pérdida por radiación afecta negativamente el proceso.
En soldaduras de arco sumergido es de esperarse una mayor penetración por haber menos pérdidas de calor por radiación.
La siguiente ecuación predice el valor de penetración de un procesos de soldadura y es el resultado de varios trabajos experimentales:
p = 6.66 x 10-4 x E0.56 x I1.40 x v-0.29 si I< 200 amp
p = 6.66 x 10-4 x E0.56 x I1.33 x v-0.33 si I> 200 amp
donde: p = penetración [mm]v = velocidad [cm/min]E = Voltaje [voltios]I= corriente [amperios]
Estas ecuaciones son válidas si p es menor que t/2 (la mitad del espesor de la lámina). La constante K = 6.66 x 10-4 cambia a 2 x 10-5 si las unidades de v y p son plg.
Esta ecuación es valida para aceros al carbono no aleados (< 4% de aleantes).
En general la penetración varía inversamente con la conductividad térmica del metal base y su T de fusión.
Se obtiene mayor penetración si el diámetro del electrodo es menor, debido a una mayor densidad de corriente.
La humedad del aire afecta negativamente la penetración ya que se consume parte de la energía del arco en calentar las moléculas del aire.
Con polaridad inversa se genera mayor calor en la pieza de trabajo y por lo tanto la penetración es mayor.
Estas ecuaciones son válidas si p es menor que t/2 (la mitad del espesor de la lámina). La constante K = 6.66 x 10-4 cambia a 2 x 10-5 si las unidades de v y p son plg.
La penetración depende del diámetro del electrodo, de la humedad del aire y de la polaridad usada. Se obtiene mayor penetración si el diámetro del electrodo es menor, debido a una mayor densidad de corriente. La humedad del aire afecta negativamente la penetración ya que se consume parte de la energía del arco en calentar las moléculas del aire. Con polaridad directa se genera mayor calor en la pieza de trabajo y por lo tanto la penetración es mayor. Mientras mayor sea la temperatura de fusión del metal base, la penetración disminuirá y mientras mayor sea su conductividad térmica, menor será la penetración.
2.7 MATERIAL DEPOSITADO EN EL CORDÓN:
Para determinar la cantidad de material depositado en el cordón es necesario conocer el efecto de la intensidad y el voltaje sobre la velocidad de fusión del electrodo. Mediciones experimentales realizadas con electrodos del tipo E60Xxx están representadas por la siguiente ecuación:
Q = 7.05 x 10-4 x E x I
siendo Q = cantidad de metal fundido en cm3/min.
En procesos semiautomáticos y automáticos que permiten operar con valores de corriente más altos que los procesos manuales, se puede expresar el comportamiento promedio con la siguiente ecuación, para valores de I>400 amp:
Q = 1.63 x 10-3 x E x I
En soldaduras a tope, el material fundido no es depositado enteramente en el cordón, parte de éste se pierde por la proyección. Las eficiencias de posición están en el rango de 0.8 a 1.0. Este último valor para los electrodos E6014, que forman un cañón con el recubrimiento. En las soldaduras a bisel la eficiencia de deposición es igual a 1, = 1 si el electrodo se ubica dentro del bisel.
MATERIAL DEPOSITADO EN EL CORDÓN
Para determinar la cantidad de material depositado en el cordón es necesario conocer el efecto de la intensidad y el voltaje sobre la velocidad de fusión del electrodo.
Mediciones experimentales realizadas con electrodos del tipo E60Xxx están representadas por la siguiente ecuación:
Q = 7.05 x 10-4 x E x I
siendo Q = cantidad de metal fundido en cm3/min.
En procesos semiautomáticos y automáticos que permiten operar con valores de corriente más altos que los procesos manuales, se puede expresar el comportamiento promedio con la siguiente ecuación, para valores de I>400 amp:
Q = 1.63 x 10-3 x E x I
En soldaduras a tope, el material fundido no es depositado enteramente en el cordón, parte de éste se pierde por la proyección. Las eficiencias de posición están en el rango de 0.8 a 1.0.
La forma del cordón se puede interpretar de manera adecuada por una parábola invertida: a) la pendiente es cero en y; b) la pendiente negativa en y = +s/2.
La ecuación del perfil del cordón es por lo tanto:
y = h -4h/s2 x z2
y el área transversal del cordón se expresa por:
A = 2 y dz = 2/3 h x s
Mediciones realizadas sobre cordones, ejecutados en posición plana, muestran que s varía entre 6 y 7 veces el valor de h. Si se toma s = 6h, el área transversal del cordón se expresa:
A = 2/3 h x 6h = 4 h2
Por continuidad, se puede hallar la relación entre h, Q y v:
[cm3/min]Q = v [cm/min] x A [cm2]
Sustituyendo:
Q = v x 4h2
h = (Q/4v)1/2
El área del cordón en otro tipo de geometría del cordón sería:
A = A’ + 4h2
siendo A’= área del resto del cordón que no representa la hiperbola invertida.
La forma del cordón se puede interpretar de manera adecuada por una parábola invertida: a) la pendiente es cero en y; b) la pendiente negativa en y = +s/2. Ver Fig. 42.
La ecuación del perfil del cordón es por lo tanto:
y = h -4h/s2 x z2
y el área transversal del cordón se expresa por:
A = 2 y dz = 2/3 h x s
Mediciones realizadas sobre cordones, ejecutados en posición plana, muestran que s varía entre 6 y 7 veces el valor de h. Si se toma s = 6h, el área transversal del cordón se expresa:
A = 2/3 h x 6h = 4 h2
Por continuidad, se puede hallar la relación entre h, Q y v:
[cm3/min]Q = v [cm/min] x A [cm2]
Sustituyendo:
Q = v x 4h2
h = (Q/4v)1/2
El área del cordón en otro tipo de geometría del cordón sería:
A = A’ + 4h2
siendo A’= área del resto del cordón que no representa la hipérbola invertida
2.8 TASAS DE ENFRIAMIENTO EN SOLDADURAS POR FUSIÓN:
El enfriamiento de la zona de fusión y de la zona afectada por el calor, hasta temperaturas algo inferiores a la temperatura crítica inferior, en una soldadura por fusión, se produce fundamentalmente por la conducción de calor al metal base.
Las cantidades de calor transferidas por radiación y convección son de menor cuantía (< 4%). Por lo tanto, en la velocidad de enfriamiento influyen las propiedades térmicas del metal base, la temperatura inicial y el tamaño del mismo. La dimensión que más influye en la distribución de temperaturas y en las velocidades de enfriamiento es el espesor de la lámina a soldar.
Existe un gráfico que representa la solución al cálculo de velocidades de enfriamiento en soldaduras por fusión, en la cual se toma en cuenta la Energía generada en el arco por unidad de espesor de la chapa a ser soldada, la velocidad de soldadura y la temperatura inicial de la lámina. El gráfico es válido para soldaduras por fusión de aceros no aleados únicamente. Ver Fig. 43.
La Energía generada en el arco o Energía equivalente se calcula mediante la siguiente ecuación:
Eequ = (E x I/1000 x t) x [Kw/pulg]
La rata de enfriamiento o velocidad de enfriamiento se pueden predecir en función de las propiedades mecánicas (Dureza HB) de las microestructuras presentes en los metales involucrados y relacionando estas propiedades mecánicas con las distancias Jominy equivalentes, a través de gráficos, y a su vez, con las respectivas velocidades de enfriamiento asociadas a las mismas. Ver Fig. 44 y 45.
Existen ecuaciones que relacionan las durezas en escala Rockwell C y la Dureza Brinell, escala necesaria para usar los gráficos señalados:
HB = (40 Rc)0.8 20 < Rc < 43
HB = (1.183 Rc)1.51 13 < Rc < 68
La microestructura presente (tipo de microestructura y cantidad de la misma) en un determinado acero es el principal indicativo del comportamiento macro a nivel de propiedades mecánicas de dicho material. Es importante conocer las microestructuras esperadas en función del tratamiento térmico aplicado al acero en cuestión. En la Fig. 46 se muestran un estimado de dichas microestructura.
TASAS DE ENFRIAMIENTO EN SOLDADURAS POR FUSIÓN
El enfriamiento de la zona de fusión y de la zona afectada por el calor, hasta temperaturas algo inferiores a la temperatura crítica inferior, se produce fundamentalmente por la conducción de calor al metal base.
Las cantidades de calor transferidas por radiación y convección son de menor cuantía (< 4%). Por lo tanto, en la velocidad de enfriamiento influyen las propiedades térmicas del metal base, la temperatura inicial y el tamaño del mismo.
La dimensión que más influye en la distribución de temperaturas y en las velocidades de enfriamiento es el espesor de la lámina a soldar.
Existe un gráfico que representa la solución al cálculo de velocidades de enfriamiento en soldaduras por fusión, en la cual se toma en cuenta la Energía generada en el arco por unidad de espesor de la chapa a ser soldada, la velocidad de soldadura y la temperatura inicial de la lámina. El gráfico es válido para soldaduras por fusión de aceros no aleados únicamente.
La Energía generada en el arco o Energía equivalente se calcula mediante la siguiente ecuación:
Eequ = (E x I/1000 x t) x [Kw/pulg]
La rata de enfriamiento o velocidad de enfriamiento se pueden predecir en función de las propiedades mecánicas (Dureza HB) de las microestructuras presentes en los metales involucrados y relacionando estas propiedades mecánicas con las distancias Jominy equivalentes, a través
de gráficos, y a su vez, con las respectivas velocidades de enfriamiento asociadas a las mismas.
Existen ecuaciones que relacionan las durezas en escala Rockwell C y la Dureza Brinell, escala necesaria para usar los gráficos señalados:
HB = (40 Rc)0.8 20 < Rc < 43
HB = (1.183 Rc)1.51 13 < Rc < 68
La microestructura presente (tipo de microestructura y cantidad de la misma) en un determinado acero es el principal indicativo del comportamiento macro a nivel de propiedades mecánicas de dicho material.
Otro factor de suma importancia a tomar en cuenta es la cantidad de cada una de las estructuras presentes y las propiedades mecánicas de cada una de ellas por separado.
Conociendo el porcentaje o contenido de cada microestructura, lo cual está muy asociado con el contenido de carbono del acero (% Cequivalente), y el valor de las propiedades mecánicas de cada una de ellas en forma aislada, se puede estimar la misma propiedad mecánica en el acero, como un conjunto.
Otro factor de suma importancia a tomar en cuenta es la cantidad de cada una de las estructuras presentes y las propiedades mecánicas de cada una de ellas por separado. Conociendo el porcentaje o contenido de cada microestructura, lo cual está muy asociado con el contenido de carbono del acero, y el valor de las propiedades mecánicas de cada una de ellas en forma aislada, se puede estimar la misma propiedad mecánica en el acero, como un conjunto. Para ello es importante conocer el valor del contenido de carbono equivalente, donde se
toma en cuenta la influencia del contenido de los aleantes presentes sobre el valor nominal del contenido de carbono, es decir, cómo el contenido de aleantes desplazan, en el Diagrama Hierro-carbono, el punto eutectoide, tanto en lo que se refiere al contenido de Carbono como a la temperatura de transformación de dicho punto. En las Fig. 47 y 48 se muestran gráficamente estos efectos.
2.9 CAPACIDAD DE TRANSMISIÓN DE CARGAS ESTÁTICAS DE SOLDADURAS.
La capacidad de transmisión de cargas estáticas de un cordón de soldadura a tope, se muestra en la Fig. 49.
El valor de Fu/x, para la sección a-a’, se expresa por la ecuación siguiente:
Fu/x a-a’= 2 (h + p) Su1 (1)
Su1 = (h Suaporte + p Su metal base) / (h + p) (2)
Sustituyendo (2) en (1):
Fu/x a-a’ = 2 ( h Suaporte + p Su metal base ) (3)
Para la sección b-b’, se utiliza la Teoría de la energía de distorsión máxima para el análisis de fractura, ya que ésta describe mejor el comportamiento de los metales dúctiles. Esta teoría, para el caso presente, se define de la siguiente manera:
oct,crit = (2)1/2/3 Su1 (4)
Considerando que el estado de esfuerzos críticos se establecerá en los planos inclinados (simétricos) contenidos en la sección b-b’, por ser los planos de menor área, y en base al estado de equilibrio de la pieza en la dirección y, se tiene:
oct = [(1 + 2 cos2 )1/2/3 x (2)1/2 x l] (Fu/x) (5)
siendo l = longitud del plano inclinado y su inclinación. Cuando este esfuerzo alcanza el valor crítico expresado en (4), se puede establecer el valor crítico de Fu/x en ese punto, igualando (5) y (4):
(Fu/x) b-b’ = [2 x l / (1 + 2 cos2 )1/2] x Su1 (6)
por geometría de la soldadura se tiene. Ver Fig. 50:
= tg-1 (2 p / s), por lo tanto: l = p / sen
Sustituyendo (7) en (6), queda finalmente:
(Fu/x) b-b’ = [2 x p / sen (1 + 2 cos2 )1/2] x Su1 (8)
La expresión (8) es la ecuación definitiva de la capacidad de transmisión de carga de la sección b-b’, por unidad de longitud en dirección x. Es conveniente expresar el ángulo en función de las variables del proceso:
= tg-1 (p / 3h) (9)
La capacidad de transmisión de carga unitaria de la sección c-c’, según la similitud del estado de esfuerzos en ella, en comparación a un ensayo de tracción, es de la siguiente forma:
Fu/x c-c’= t x Su4 (10)
CAPACIDAD DE TRANSMISIÓN DE CARGAS ESTÁTICAS DE SOLDADURAS
La capacidad de transmisión de cargas estáticas de un cordón de soldadura a tope, se mide a través del valor de
Fu/x, para la sección a-a’, el cual se expresa por la ecuación siguiente:
Fu/x a-a’= 2 (h + p) Su1 (1)
Su1 = (h Suaporte + p Su metal base) / (h + p)(2)
Sustituyendo (2) en (1):
Fu/x a-a’ = 2 ( h Suaporte + p Su metal base ) (3)
Para la sección b-b’, se utiliza la Teoría de la energía de distorsión máxima para el análisis de fractura:
oct,crit = (2)1/2/3 Su1 (4)
Considerando que el estado de esfuerzos críticos se establecerá en los planos inclinados (simétricos) contenidos en la sección b-b’, por ser los planos de menor área, y en base al estado de equilibrio de la pieza en la dirección y, se tiene:
oct = [(1 + 2 cos2 )1/2/3 x (2)1/2 x l] (Fu/x) (5)
siendo l = longitud del plano inclinado y su inclinación.
Cuando este esfuerzo alcanza el valor crítico expresado en (4), se puede establecer el valor crítico de Fu/x en ese punto, igualando (5) y (4):
(Fu/x) b-b’ = [2 x l / (1 + 2 cos2 )1/2] x Su1 (6)
por geometría de la soldadura se tiene:
= tg-1 (2 p / s), por lo tanto: l = p / sen
Sustituyendo (7) en (6), queda finalmente:
(Fu/x) b-b’ = [2 x p / sen (1 + 2 cos2 )1/2] x Su1 (8)
Es conveniente expresar el ángulo en función de las variables del proceso:
= tg-1 (p / 3h) (9)
La capacidad de transmisión de carga unitaria de la sección c-c’, es de la siguiente forma:
Fu/x c-c’= t x Su4 (10)
CAPÍTULO 3: DEFECTOS Y CONTROL DE CALIDAD DE LA SOLDADURA
3.1 DEFECTOS EN LA SOLDADURA:
La generación de una falla en la soldadura, que no sea permitida por las especificaciones, constituye un defecto de la misma. Estos pueden estar relacionados con las dimensiones, discontinuidades estructurales u otras propiedades del producto (unión) en servicio.
Teniendo en cuenta el origen de los defectos, se les puede clasificar en tecnológicos y operacionales. Los primeros se deben a errores en la elección del proceso o del procedimiento de soldadura. Los defectos operacionales se atribuyen a modificaciones introducidas durante la operación de soldadura o a errores del operario.
Defectos con discontinuidades del cordón son: fisuras en caliente o frío, falta de penetración, falta de fusión, porosidad, socavaduras, inclusiones e irregularidades superficiales.
Fisuras en caliente: Tienen lugar durante el proceso de solidificación y es función de la composición química, la estructura y las tensiones actuantes. Ocurre cuando el metal soldado se va contrayendo ligado a los bordes sólidos del metal, generando diferencias de temperatura entre las dos zonas mencionadas y por lo tanto deformaciones localizadas. Este tipo de defectos de soldadura es el más serio debido a que constituye una discontinuidad del material y produce una importante reducción de la resistencia de la soldadura. Estas grietas en la soldadura se originan porque la soldadura o el metal base o ambos son frágiles o tienen una baja ductilidad, combinadas con una alta limitación durante la contracción. En general, este defecto debe repararse. Ver Fig. 51.
Fisuración en frío: Ocurre por debajo de la temperatura de solidus, puede presentarse en cordones cortos. Para evitarlas se hacen cordones suficientemente largos que soporten las tensiones de solidificación.
Falta de penetración: Ocurre cuando no se funde completamente la raíz de la soldadura (según las especificaciones señaladas en las normas al respecto). Se evidencia cuando el cordón no penetra el espesor total del metal base. Las causas más frecuentes son la baja intensidad de corriente, la preparación de la junta, alta velocidad de soldadura o a la falta de precalentamiento.
Fusión incompleta: Es cuando no ocurre la fusión a través de toda la sección transversal de la unión. Ver Fig. 52. Este es un defecto muy difícil de detectar en soldaduras de aluminio. Ocurre cuando la capa de óxido que está presente en la superficie no es totalmente removida por la acción limpiadora y escorificadora del arco o del fundente, lo cual impide que el
metal fundido pueda fluir en la superficie para formar el cordón. Tiene lugar en paradas del proceso o entre el cordón y el metal base.
Porosidad: Consiste en pequeños defectos en el metal de la soldadura, formados por gases atrapados durante la solidificación. Pueden tener forma esférica (burbujas) o forma alargada (cavidades en forma de gusano). Por lo general, las porosidades son el resultado de la inclusión de gases atmosféricos, así como de sulfuro en el metal de la soldadura o de contaminantes de la superficie (hidrógeno).
Socavaduras: Este defecto es una depresión o falta de llenado producido en el metal base y a lo largo del borde del cordón. Ocurre cuando se usan técnicas de soldadura o procedimientos impropios. Es un defecto muy serio ya que reduce la sección transversal de la zona soldada y por lo tanto su capacidad de resistir cargas. El cordón de soldadura debe tener cierto perfil deseado para una máxima resistencia. Ver Fig. 53.
Inclusiones: Las inclusiones son materiales sólidos metálicos o no metálicos atrapados en el metal de la soldadura. La forma más común son las inclusiones de escoria generadas durante el proceso de soldadura con arco eléctrico que utiliza fundente. En lugar de flotar en la parte superior del pozo, los globos de escoria quedan atrapados durante la solidificación del metal. Otra forma de inclusiones son los óxidos metálicos que se forman durante la soldadura de ciertos metales como el aluminio, los cuales normalmente tienen un recubrimiento superficial de Al2O3 de alto punto de fusión.
Otros defectos: Golpes de arco (cicatriz), salpicadura excesiva, etc.
3.2 CONTROL DE CALIDAD EN LA SOLDADURA:
Existen diversos métodos de inspección y prueba disponibles para verificar la calidad de una unión. Estos métodos han sido normalizados por la American Welding Society (AWS). Se dividen en tres categorías:
Inspección visual: La realiza visualmente un inspector, el cual vela por los siguientes puntos: 1) el apego a las especificaciones de tamaño, en el plano de la parte; 2) deformaciones; 3) grietas, cavidades, fusión incompleta y otros defectos visibles. El inspector determinará la necesidad de otro tipo de
pruebas. Sólo se pueden detectar defectos externos. Es un método rápido y sencillo. Puede usarse un lente de aumento.
Ensayos no destructivos: Incluye diversos métodos de inspección que no dañan la parte a evaluar.
1. Líquidos penetrantes: Es un método usado para detectar pequeños defectos tales como grietas y cavidades abiertas en la superficie. Se utilizan dos tipos de líquidos: de contraste y fluorescentes. El primero consiste en un líquido coloreado cuya capilaridad en los defectos permite detectar irregularidades superficiales. El segundo es visible cuando se expone a una luz ultravioleta, por lo tanto es mucho más sensible que el de contraste. El de contraste implica la aplicación de un líquido inicial (baja densidad), luego un fijador y por último un revelador.
2. Partículas magnéticas: Está limitado a los materiales ferromagnéticos. Se establece un campo magnético en la pieza y se dispersan partículas magnéticas (limadura de hierro) sobre la superficie. Los defectos superficiales aparecerán por distorsión del campo magnético, lo que provoca que las partículas magnéticas se concentren en esas regiones.
3. Ultrasonido: Implica el uso de un generador que emite ondas sónicas (ondas cortas) de alta frecuencia (>20 Hz) dirigidas a través de la pieza. Las discontinuidades (grietas, porosidades, inclusiones) se detectan mediante pérdidas de la transmisión del sonido. Estas ondas son recogidas y convertidas por un transductor a energía eléctrica para ser analizadas en una pantalla. La imagen se controla en la pantalla de un tubo de rayos catódicos. Si no existen defectos aparecen líneas rectas. Si las ondas encuentran defectos en su paso, se mostrarán en la pantalla unas líneas deformadas indicando el largo y la posición del defecto.
4. Radiografía: Usa rayos X o radiación gamma para detectar defectos internos en el metal de la soldadura. Este ensayo proporciona un registro con película fotográfica de los defectos presentados.
Ensayos destructivos: Son aquellos ensayos aplicados a la junta soldada, la cual tiene que ser de alguna forma seccionada o cortada con el fin de proporcionar probetas para su posterior ensayo.
1. Metalografía: Debe realizarse en escala macro y microscópica en la sección transversal de la soldadura, permitiendo revelar las distintas zonas microestructurales (zona de fusión, ZAC, tamaño y orientación de los granos, presencia de intermetálicos y otros defectos).
2. Dureza: Se aplica principalmente para detectar la amplitud de la zona afectada por el calor (ZAC). Dependiendo de la aleación, esta variará entre valores máximos y mínimos permisibles por las normas.
3. Tracción: El objetivo de este ensayo es la calificación del proceso y procedimiento de soldadura. Se obtiene información cuantitativa sobre la resistencia, punto de fluencia, % elongación, resistencia a la fatiga. Además, se puede detectar defectos de acuerdo a la forma de ruptura de la unión soldada
4. Impacto: Para determinar el comportamiento de la unión soldada a fuerzas de impacto, bajo condiciones específicas de temperatura de servicio.
DEFECTOS Y CONTROL DE CALIDAD DE LA SOLDADURA
DEFECTOS EN LA SOLDADURA
La generación de una falla en la soldadura, que no sea permitida por las especificaciones, constituye un defecto de la misma.
Estos pueden estar relacionados con las dimensiones, discontinuidades estructurales u otras propiedades del producto (unión) en servicio.
Teniendo en cuenta el origen de los defectos, se les puede clasificar en tecnológicos y operacionales.
Los defectos tecnológicos se deben a errores en la elección del proceso o del procedimiento de soldadura.
Los defectos operacionales se atribuyen a modificaciones introducidas durante la operación de soldadura o a errores del operario.
Defectos con discontinuidades del cordón son: fisuras en caliente o frío, falta de penetración, falta de fusión, porosidad, socavaduras, inclusiones e irregularidades superficiales.
TIPOS DE DEFECTOS
Fisuras en caliente: Tienen lugar durante el proceso de solidificación y es función de la composición química, la estructura y las tensiones actuantes. Ocurre cuando el metal soldado se va contrayendo ligado a los bordes sólidos del metal, generando diferencias de temperatura entre las dos zonas mencionadas y por lo tanto deformaciones localizadas. Este tipo de defectos de soldadura es el más serio debido a que constituye una discontinuidad del material y produce una importante reducción de la resistencia de la soldadura. Estas grietas en la soldadura se originan porque la soldadura o el metal base o ambos son frágiles o tienen una baja ductilidad,
combinadas con una alta limitación durante la contracción. En general, este defecto debe repararse.
Fisuración en frío: Ocurre por debajo de la temperatura de solidus, puede presentarse en cordones cortos. Para evitarlas se hacen cordones suficientemente largos que soporten las tensiones de solidificación.
Falta de penetración: Ocurre cuando no se funde completamente la raíz de la soldadura (según las especificaciones señaladas en las normas al respecto). Se evidencia cuando el cordón no penetra el espesor total del metal base. Las causas más frecuentes son la baja intensidad de corriente, la preparación de la junta, alta velocidad de soldadura o a la falta de precalentamiento.
Fusión incompleta: Es cuando no ocurre la fusión a través de toda la sección transversal de la unión. Este es un defecto muy difícil de detectar en soldaduras de aluminio. Ocurre cuando la capa de óxido que está presente en la superficie no es totalmente removida por la acción limpiadora y escorificadora del arco o del fundente, lo cual impide que el metal fundido pueda fluir en la superficie para formar el cordón. Tiene lugar en paradas del proceso o entre el cordón y el metal base.
Porosidad: Consiste en pequeños defectos en el metal de la soldadura, formados por gases atrapados durante la
solidificación. Pueden tener forma esférica (burbujas) o forma alargada (cavidades en forma de gusano). Por lo general, las porosidades son el resultado de la inclusión de gases atmosféricos, así como de sulfuro en el metal de la soldadura o de contaminantes de la superficie (hidrógeno).
Socavaduras: Este defecto es una depresión o falta de llenado producido en el metal base y a lo largo del borde del cordón. Ocurre cuando se usan técnicas de soldadura o procedimientos impropios. Es un defecto muy serio ya que reduce la sección transversal de la zona soldada y por lo tanto su capacidad de resistir cargas. El cordón de soldadura debe tener cierto perfil deseado para una máxima resistencia.
Inclusiones: Las inclusiones son materiales sólidos metálicos o no metálicos atrapados en el metal de la soldadura. La forma más común son las inclusiones de escoria generadas durante el proceso de soldadura con arco eléctrico que utiliza fundente. En lugar de flotar en la parte superior del pozo, los globos de escoria quedan atrapados durante la solidificación del metal. Otra forma de inclusiones son los óxidos metálicos que se forman durante la soldadura de ciertos metales como el aluminio, los cuales normalmente tienen un recubrimiento superficial de Al2O3 de alto punto de fusión.
Otros defectos: Golpes de arco (cicatriz), salpicadura excesiva, etc.
CONTROL DE CALIDAD EN LA SOLDADURA
Existen diversos métodos de inspección y prueba disponibles para verificar la calidad de una unión. Estos métodos han sido normalizados por la American Welding Society (AWS).
Se dividen en tres categorías: Inspección visual, Ensayos no destructivos, Ensayos destructivos
Inspección visual: La realiza visualmente un inspector, el cual vela por los siguientes puntos: 1) el apego a las especificaciones de tamaño, en el plano de la parte; 2) deformaciones; 3) grietas, cavidades, fusión incompleta y otros defectos visibles. El inspector determinará la necesidad de otro tipo de pruebas. Sólo se pueden detectar defectos externos. Es un método rápido y sencillo. Puede usarse un lente de aumento.
Ensayos no destructivos: Incluye diversos métodos de inspección que no dañan la parte a evaluar:
1.Líquidos penetrantes: Se usa para detectar pequeños defectos tales como grietas y cavidades abiertas en la superficie. Se utilizan dos tipos de líquidos: de contraste y fluorescentes. El primero consiste en líquidos coloreados (inicial de baja densidad, fijador y revelador) cuya capilaridad en los defectos permite detectar irregularidades superficiales. El segundo es visible cuando se expone a una luz ultravioleta, por lo tanto es mucho más sensible que el de contraste.
1.Partículas magnéticas: Está limitado a los materiales ferromagnéticos. Se establece un campo magnético en la pieza y se dispersan partículas magnéticas (limadura de hierro) sobre la superficie. Los defectos superficiales aparecerán por distorsión del campo magnético, lo que provoca que las partículas magnéticas se concentren en esas regiones.
1.Ultrasonido: Implica el uso de un generador que emite ondas sónicas (ondas cortas) de alta frecuencia (>20 Hz) dirigidas a través de la pieza. Las discontinuidades (grietas, porosidades, inclusiones) se detectan mediante pérdidas de la transmisión del sonido. Estas ondas son recogidas y convertidas por un transductor a energía eléctrica para ser analizadas en una pantalla. La imagen se controla en la pantalla de un tubo de rayos catódicos. Si no existen defectos aparecen líneas rectas. Si las ondas encuentran defectos en su paso, se mostrarán en la pantalla unas líneas deformadas indicando el largo y la posición del defecto.
1.Radiografía: Usa rayos X o radiación gamma para detectar defectos internos en el metal de la soldadura. Este ensayo proporciona un registro con película fotográfica de los defectos presentados.
Ensayos destructivos: Son aquellos ensayos aplicados a la junta soldada, la cual tiene que ser de alguna forma seccionada o cortada con el fin de proporcionar probetas para su posterior ensayo:
1.Metalografía: Debe realizarse en escala macro y microscópica, en la sección transversal de la soldadura, permitiendo revelar las distintas zonas microestructurales (zona de fusión, ZAC, tamaño y orientación de los granos, presencia de intermetálicos y otros defectos).
2.Dureza: Se aplica principalmente para detectar la amplitud de la zona afectada por el calor (ZAC). Dependiendo de la aleación, esta variará entre valores máximos y mínimos permisibles por las normas.
3.Tracción: El objetivo de este ensayo es la calificación del proceso y procedimiento de soldadura. Se obtiene información cuantitativa sobre la resistencia, punto de fluencia, % elongación, resistencia a la fatiga. Además, se puede detectar defectos de acuerdo a la forma de ruptura de la unión soldada
4.Impacto: Para determinar el comportamiento de la unión soldada a fuerzas de impacto, bajo condiciones específicas de temperatura de servicio.
