T-1-12B

ASOCIACIÓN ESPAÑOLA DE SOLDADURA Y TECNOLOGÍAS DE UNIÓN

-CURSO DE FORMACIÓN DE INGENIEROS EUROPEOS/INTERNACIONALES DE SOLDADURA-

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SSOOLLDDEEOO PPOORR EELLEECCTTRROOEESSCCOORRIIAA

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Septiembre 2004


-CURSO DE FORMACIÓN DE INGENIEROS EUROPEOS/INTERNACIONALES DE SOLDADURA- Tema 1.12b -1-

ÍNDICE

1.- DEFINICIÓN 1.1.- Equipo de Soldeo

2.- FUNDAMENTOS DEL SOLDEO POR ELECTROESCORIA 2.1.- Transferencia de calor 2.2.- Transferencia de Material 2.3.- Posición de Soldeo 2.4.- Modificación de la Microestructura

3.- PARÁMETROS DE SOLDEO

4.- CONSUMIBLES 4.1.- Fundentes 4.2.- Electrodos

5.- APLICACIONES 5.1.- Soldeo de aceros al carbono y baja aleación

5.1.1.- Caso específico: variables de soldeo para el soldeo de chapa de 25 a 45 mm 5.2.- Soldeo por electroescoria de aceros inoxidables 5.3.- Soldeo por electroescoria del aluminio 5.4.- Soldeo por electroescoria del Titanio 5.5.- Recubrimiento de superficies

6.- ASPECTOS METALÚRGICOS


1.- DEFINICIÓN

El soldeo por electroescoria está clasificado dentro de los procesos que utilizan el efecto Joule como mecanismo para producir la fusión del material base y del material de aporte. A diferencia del soldeo por resistencia convencional, el soldeo por electroescoria utiliza escorias conductoras con la doble finalidad de generar el calor suficiente para producir la fusión de los materiales, y a su vez proteger al metal fundido del contacto directo con la atmósfera. A pesar de ser conductoras las escorias fundidas ofrecen la suficiente resistencia eléctrica para generar el calor necesario, para fundir el material de aporte, suministrado en forma de alambre o pletina, y la superficie del material base, cuando son atravesadas por la corriente de soldeo (ver figura 1).

Este proceso, al igugruesa (> 50 mm), en p

Durante la ejecuciómediante dos, o más, zde la unión. De esta formaterial base, por los solidifica, y por la parte2).

-CURSO DE FORMACIÓN D

FIGURA 1

ESQUEMA DEL PROCESO: SOLDEO POR ELECTROESCORIA

al que el soldeo por electrogas, se utilizan fundamentalmente en la unión de chapa osición vertical o muy próxima a la misma.

n de la unión soldada, el baño de fusión, se mantiene confinado continuamente apatas de cobre refrigeradas, que se desplazan en vertical a lo largo de la longitud ma en todo momento el baño de fusión está limitado por dos lados por el espesor del otros dos lados por las zapatas de cobre, por la parte inferior por el cordón que superior está protegido por la escoria líquida que lo asila de la atmósfera (ver figura

E INGENIEROS EUROPEOS/INTERNACIONALES DE SOLDADURA- Tema 1.12b -2-


-CURSO DE FORMACIÓN DE INGENIEROS EUR

EJECUCIÓ

El material de aporte se suministra dsuministrando la corriente al la escoria cparcialmente el material de aporte (tempdel material sufre la fusión definitiva cua1925ºC).

1.1.- Equipo de Soldeo

El equipo de soldeo se compone de do

• Fuente de potencia.

• Cabezal de soldadura.

Las fuente de potencia utilizadas sonalto amperaje (750 A) diseñado paraalimentación continua del fundente encaarco eléctrico, con objeto de formar un pr

• El cabezal de soldadura const

• Motor de arrastre de alambre

• Bastidor para bobina.

• Sistema de posicionado cartes

• Zapatas de cobre (con sistem

• Boquilla y portaboquillas.

OPEOS/INTERNACIONALES DE SOLD

FIGURA 2

N DE LA SOLDADURA POR ELECTROESCO

e forma continua por la parte suonductora. El calor generado poreratura en superficie de 1650ºCndo entra en contacto con el bañ

s partes:

de tensión constante (fijamos t soldeo automático y semiau

rgado de formar la escoria. Soloimer baño fundido, una vez form

a de los siguientes elementos:

(c.c).

iano (husillos).

a de posicionado)

ADURA- Tema 1.12b -3-

RIA

perior. Este actúa como electrodo la escoria es suficiente para fundir para un acero al carbono), el resto o fundido (temperatura de baño de

ensión y velocidad de alambre) de tomático. El sistema permite la

en el inicio del soldeo se utiliza un ado éste, el arco se extingue.


-CURSO DE F

Las variadirecta resptensión poAmbas vaespecialme

La princprimero utisegundo ut

2.- FUND

Con objetransferencsoldeo.

2.1.- Tran

Dentro dproceso devarios órde– 40 kJ/mtérmicamenreducida te

ORMACIÓN DE INGENIEROS EUROPEOS/INTERNACIONALES DE SOLDADURA- Tema 1.12b -4-

FIGURA 3

CABEZAL DE SOLDEO POR ELECTROESCORIA

bles de soldeo principales son la tensión y la corriente de soldeo. La corriente de soldeo es la onsable de la velocidad de fusión del alambre – electrodo, y por tanto de la tasa deposición. La

r otro lado afecta a la penetración lateral sobre el metal base, y por tanto al ancho del cordón. riables son muy sensibles a la variación en las propiedades físicas de la escoria fundida, nte a su resistividad eléctrica y viscosidad.

ipal diferencia entre el soldeo por electroescoria y el soldeo por electrogas, radica en que el liza una escoria conductora para transportar la corriente y el calor a la zona de soldadura, y el iliza a tales fines un arco eléctrico.

AMENTOS DEL SOLDEO POR ELECTROESCORIA

to de entender este proceso de soldeo es importante analizar aspectos como el mecanismo de ia de calor implicado, el mecanismo de transferencia de material, y el efecto de la posición de

sferencia de calor

e los procesos de soldeo por fusión, quizá sea esté el que presente más similitudes con un fundición y colada. Esto supone que los aportes térmicos utilizados en este proceso difieran en nes de magnitud en comparación con los utilizados en procesos de soldeo por arco eléctrico (10 m). Esto afecta claramente a la microestructura del metal de soldadura y zona afectada te, y por ende a las propiedades mecánicas del mismo, considerándose a este efecto una

nacidad en ZAT, en comparación con otros procesos.


-CU

Si se compara el ciclo térmico de la soldadura por electroescoria con el correspondiente a un proceso de soldeo por arco (figura 4), se pueden extraer las siguientes conclusiones:

• Estructura basta de solidificación con grano muy recrecido.

funproutiap

la cadesoesaladeUnde

RSO DE FORMACIÓN DE INGENIEROS EUROPEOS/INTERNACIONALES DE SOLDADURA- Tema 1.12b -5-

• Anchura alta de la zona afectada térmicamente.

-18

260

540

815

1095

1370

1650

925

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

1

Soldeo electroescoria

Soldeo al arco

Tem

pera

tura

Cº

Tiempo, min

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1

Soldeo electroescoria

Soldeo al arco

Tem

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Cº

Tiempo, min

FIGURA 4

COMPARACIÓN DE LOS CICLOS TÉRMICOS EN EL SOLDEO AL ARCO Y POR ELECTROESCORIA

La cantidad de calor que se puede disipar a través de las zapatas de cobre es variable , y depende damentalmente del espesor de las chapas a soldar. En chapas gruesas (> 50 mm) la porción de calor, cedente de la escoria fundida y del baño, disipada por las zapatas de cobre, no alcanza el 10% del total,

lizándose el 60 % en el calentamiento y fusión del material base, el 20% en la fusión del material de orte, y el 10 % restante en el sobrecalentamiento del metal fundido.

La generación de calor y distribución del mismo en el seno de la escoria, está altamente condicionada por posición del electrodo. Un control exhaustivo de las variables del proceso, incluso con la aplicación de mpos electromagnéticos externos, pueden permitir reducir en dos o más el aporte térmico preciso. El uso sistemas multialambre, con patrones definidos en cuanto a su posición relativa en la escoria, son luciones empíricas que ayudan a conseguir una distribución de calor más uniforme en el seno de la coria (figura 5 y tabla 1). Así son fundamentales factores como el número de alambres, el espaciado entre mbres y la distancia entre los alambres y el metal base (considerando posible oscilación). La oscilación l los alambres estará condicionada por el espesor de la chapa y la distancia entre chapas considerada. valor adecuado de tiempo de oscilación transversal puede ser de 3 a 5 segundos, aplicando un tiempo retraso al final de cada oscilación para garantizar una adecuada penetración lateral.


-CURSO DE FO

Espesor d

19

25

75

75

130

2.2.- Trans

La transfeforma de gobásicamente

RMACIÓN DE INGENIEROS EUROPEOS/INTERNACIONALES DE SOLDADURA- Tema 1.12b -6-

FIGURA 5

S=45 mm

T

T

T

S0=13 mm

Espe

sor d

e la

cha

pa

alambre

S=45 mm

T

T

T

S0=13 mm

Espe

sor d

e la

cha

pa

alambre

SISTEMA MULTIALAMBRE EN EL SOLDEO POR ELECTROESCORIA

e la Chapa Número de Alambres Oscilación Separación de Chapas

-75 1 No 22-32

-130 1 Si 32-35

-150 2 No 32-35

-280 2 Si 32-35

-535 3 Si 35

TABLA 1

ferencia de Material

rencia del material desde el alambre a la escoria y de ésta al baño de fusión, se realiza en tas que se desprenden básicamente por gravedad desde el extremo del mismo (transferencia globular).



Durante el viaje de la gota a través de la escoria se produce una interacción química y metalúrgica entre ambas que condiciona la composición química y por ende las propiedades del metal de soldadura. Dicha interacción está condicionada por el tiempo de contacto entre gota y escoria. Cuanto mayor es la corriente de soldeo mayor es la velocidad de deposición y en consecuencia menor es el tiempo de interacción entre gota y escoria. Por el contrario cuanto mayor es el voltaje utilizado, mayor es el tiempo de interacción entre la gota y la escoria, ya que el alambre se retrae aumentando el espacio de separación entre su extremo y el baño fundido. Por otra parte el voltaje es el factor que más afecta al tamaño de gota, dado que un incremento en el mismo supone una disminución en el tamaño de gota.

El proceso de solidificación comienza desde la línea de fusión en el metal base y desde la superficie en contacto con las zapatas de cobre hacia el centro del cordón, y dado que el soldeo es en vertical, la solidificación se materializa de abajo a arriba.

La relación entre el ancho del baño de fusión (w) y su mayor penetración (h), lo que se conoce como factor de forma del baño, condiciona la calidad de la unión soldada. Factores de forma pequeños, es decir baños estrechos y profundos, no son, en general, deseables, ya que favorecen la acumulación de elementos residuales en las últimas zonas de solidificación (centro del cordón). Los factores que afectan más directamente al factor de forma del cordón son la intensidad de corriente, el voltaje y la conductividad térmica de la escoria fundida. Altos valores de intensidad favorecen un factor de forma pequeño no deseado, mientras que valores bajos de intensidad proporciona baños planos con alto factor de forma. Un incremento de tensión favorece la formación de baño poco profundos con alto factor de forma. Por otro lado la conductividad de la escoria condiciona la cantidad de calor que se genera por efecto Joule, en consecuencia, fundentes que generan escorias más conductoras generarán menos calor y por tanto baños más pequeños y menos profundos, lo que conducen a factores de forma altos.

2.3.- Posición de Soldeo

La posición natural del soldeo por electroescoria es la vertical. La estabilidad del proceso y la calidad de la unión soldada resultante están fuertemente condicionadas por el ángulo de inclinación con respecto a la vertical. La forma del baño, la extensión de la ZAT, etc, están influenciadas por las pérdidas de calor por radiación por la superficie superior (la cubierta por la escoria).

2.4.- Modificación de la Microestructura

La aplicación de campos magnéticos a la unión por electroescoria no es una práctica habitual, aunque puntualmente se ha podido comprobar como la aplicación de campos magnéticos produce un movimiento en el material fundido que conduce a la escoria fundida a desplazarse de zonas calientes a zonas frías, eliminando de esta forma la posibilidad de formación de mordeduras en el borde de cordón. No obstante los campos magnéticos pueden alterar el patrón de solidificación del metal de soldadura, debido a que inducen movimientos convectivos en el baño fundido.

Se ha comprobado, asimismo, que la aplicación de vibración mecánica a la escoria fundida proporciona cierto grado de afinamiento de grano en el metal de soldadura en estado de bruto de soldadura. Otras técnicas que se han utilizado para afinar el grano son la cavitación inducida por ultrasonidos, o el uso de elementos químicos afinadores de grano.



3.- PARÁMETROS DE SOLDEO

El aporte térmico es el factor que determina la cantidad de metal base que se funde, la cantidad de material aportado y el ciclo térmico de la soldadura, que a su vez define el ancho de la ZAT y la configuración de la microestructura del metal de soldadura.

Al contrario de lo que sucede en otros procesos de soldeo (ej: soldeo por arco) en el soldeo por electroescoria la velocidad de soldeo no es independiente de la intensidad de corriente. Asimismo complejas relaciones gobiernan la interrelación de la velocidad de alimentación del alambre con los mecanismos de fusión del alambre y transporte del material, y con los fenómenos eléctricos y térmicos que tienen lugar en la interface baño fundido y escoria fundida.

La relación entre la intensidad de soldeo, el voltaje y la velocidad de alimentación del alambre se puede sintetizar en la siguiente ecuación:

I = B.w1/2.V1/3

Donde I es la intensidad de soldeo, w es la velocidad de alimentación del alambre y V es el voltaje, siendo B una constante de proporcionalidad. Esta relación, que se ha extraído de forma empírica, nos sirve para determinar los valores de tensión e intensidad precisos para proporcionar el aporte térmico necesario para penetrar suficientemente el material base y no producir un ensanchamiento excesivo de la ZAT.

El aporte térmico por unidad de área de superficie de cordón E, puede obtenerse a través de la siguiente relación:

E = B [Lg/(2πr2(L+g))].[V5/3/I]

Donde L es el espesor del material base, g es la separación de chapas y r es el radio del electrodo. Donde se tienen en cuenta también factores geométricos.

En el soldeo por electroescoria un incremento en la intensidad de soldeo supone un incremento en la tasa de deposición, lo que eleva la velocidad de soldeo y en consecuencia disminuye el aporte térmico por unidad de área de cordón. De esta forma un incremento excesivo de intensidad de corriente, a tensión constante, puede producir falta de penetración en el material base. La ventana que recoge el conjunto de combinaciones posibles para el soldeo por electroescoria se esquematiza en la figura 6.


-CURSO DE FORMACIÓN DE ING

Diferentes configuracionediferentes ecuaciones.

4.- CONSUMIBLES

El proceso de soldeo por eescoria, y el alambre, que su

4.1.- Fundentes

Los fundentes utilizados ea la que presentan los fundefundidos, y solo para facilitaresistividad eléctrica, con obextinguido el arco inicial senecesario para la fusión del anula cuando se trabaja a al

Tres son las propiedadeeléctrica y su carácter químic

La viscosidad de la escdistribución del calor en la fundamentalmente de la natLa variación de la composic(por vaporización), modificarsiendo defectuosa su capacla temperatura y de la condusuperficie de la misma (inesaleación a soldar, dado quemientras que su temperatura

ENIEROS EUROPEOS/INTERNACIONALES DE SOLDADURA- Tema 1.12b -9-

FIGURA 6

VENTANA DE PARÁMETROS EN SOLDEO POR ELECTROESCORIA

s en el sistema de alimentación del alambre y del alambre mismo conducen a

lectroescoria utiliza dos consumibles fundamentales: el fundente, generador de pone el aporte de material.

A

B

CD

Volta

je, V

Intensidad, A

A

B

CD

Volta

je, V

Intensidad, A

n el soldeo por electroescoria deben gozar de una resistividad eléctrica superior ntes, por ejemplo para arco sumergido. Se utilizan fundamentalmente fundentes r el arranque se utilizan, ocasionalmente, fundentes aglomerados, de menor

jeto de facilitar el encendido del arco inicial. Una vez formado el baño fundido y añade fundente de alta resistividad eléctrica, con objeto de procurar el calor material base y el alambre de aporte. El uso de fundente de baja resistividad se tos valores de intensidad.

s principales del fundente: su viscosidad en estado fundido, su resistividad o – metalúrgico.

oria fundida afecta al movimiento convectivo de la misma y por tanto a la junta de unión. La fluidez (viscosidad), como propiedad reológica, depende uraleza de la escoria (composición química del fundente) y de la temperatura. ión química del fundente, asociada a la perdida de alguno de sus componentes á su viscosidad y resistividad eléctrica, lo que alterará el proceso en general, idad de protección. Además tales variaciones pueden ocasionar una subida de ctividad eléctrica de la escoria, lo que se traduce en el salto de arcos sobre la tabilidad). El fundente se debe seleccionar adecuadamente con respecto a la la temperatura de fusión del mismo tiene que ser inferior a la de la aleación, de ebullición debes ser superior a ésta.



La resistividad de la escoria fundida afecta al nivel de corriente que puede utilizarse. Una escoria con alta resistividad requiere poca intensidad, lo que se traduce en baño más pequeños y menor penetración lateral en el material base. Asimismo permite introducir más profundamente el electrodo en el baño de fusión, aún a valores más altos de voltaje. Si la conductividad de la escoria es alta, para alcanzar resultados similares requerirá mayores valores de intensidad, lo que elevará bastante la temperatura y acortará la extensión del electrodo. Para ciertos fundentes la conductividad de la escoria aumenta con la temperatura, con lo que se agrava el fenómeno, pudiendo llegar a producirse saltos de arco en la superficie de la escoria fundida. Una escoria muy viscosa puede producir inclusiones, mientras que una escoria demasiado fluida puede derramarse en el espacio entre las zapatas de cobre y el cordón de soldadura. En el soldeo de espesores finos se requiere una mayor fluidez de la escoria, que se mueva bien en espacios pequeños.

La escoria fundida no solo tiene la función de proteger el baño fundido de la acción de la atmósfera, si no que también actúa química y metalúrgicamente sobre el metal de soldadura. Los compuestos químicos que integran el fundente para el soldeo de un acero al carbono, son esencialmente óxidos de silicio, magnesio, calcio, titanio, manganeso, aluminio y distintos halogenuros. Así el CaF2, se añade con objeto de ajustar la resistividad, punto de fusión y viscosidad del a escoria fundida. Un contenido creciente en este compuesto se traduce en una disminución del punto de fusión, de la resistividad y la viscosidad. El TiO2 (rutilo), disminuye la resistividad, mientras que le Al2O3 la incrementa. El TiO2 aumenta la viscosidad de la escoria, y hace más difícil la separación de esta del metal una vez solidificado.

4.2.- Electrodos

Los electrodos utilizados en el soldeo por electroescoria pueden tener múltiples formas, desde alambres macizos, tubulares rellenos de fundente, hasta pletinas macizas o tubulares rellenas de fundente. Asimismo los sistemas de alimentación (boquillas) pueden ser consumibles o no consumibles. Normalmente serán consumibles y distarán de la superficie de la escoria fundida una distancia igual a 50-75 mm. En este último caso existe un sistema de alimentación automático cuya velocidad se ajusta con la de soldeo. En caso de boquillas estacionarias, estas se funden y forman parte del cordón de soldadura.

La composición química de los metales de aporte se ajustan a la de los metales base que se pretenden unir.

5.- APLICACIONES

5.1.- Soldeo de aceros al carbono y baja aleación

Esta es la aplicación más usual del soldeo por electroescoria, principalmente con espesores a partir de los 50 mm. El máximo espesor soldado ha sido de 900 mm. Se caracteriza por una alta eficiencia de deposición (99%). Proporciona altos valores de dilución del metal base, de hasta el 50 %.

El soldeo por electroescoria está presente en la fabricación de recipientes a presión, componentes nucleares, componentes de centrales energéticas, industria naval, fabricación de puentes, armas, prensas, maquinaria pesada...

El contenido de hidrógeno en metal de soldadura es bajo, por lo que no se suele requerir precalentamiento, y se caracteriza por proporcionar bajos niveles de tensiones residuales y de distorsión. Por el contrario la tenacidad del metal de soldadura y de la ZAT no es elevada, debido a que presentan microestructuras de grano grueso.



Con objeto de soldar chapas de acero de alto espesor (hasta 900 mm) se pueden utilizar dispositivos mulialambre.

En la tabla 2 se recogen las propiedades del metal de soldadura correspondiente al soldeo por electroescoria del acero al carbono.

Material (ASTM)

Espesor (mm)

Tipo de electrodo

Número de electrodos

Tratamiento Térmico

Límite Elástico

(Mpa)

Carga de

rotura (Mpa)

Elongación en 50 mm

(%)

Resiliencia (Charpy V, 12.2 ºC) J

metal soldadura grano fino


metal soldadura

grano grueso


ZAT

A204-A 89 Mn-Mo 1 Normalizado + Revenido

382 562 27 46 39 18

A515GR70 38 Mn-Mo 1 Alivio tensiones

358 579 26 61 35 10

A515GR70 51 Mn-Mo 1 Alivio tensiones

469 587 23 63 29 7

A515GR70 86 Mn-Mo 2 Normalizado + Revenido

396 537 29 46 45 30

A515GR70 171 Mn-Mo 2 Normalizado + Revenido

313 512 31 33 29 16

A302-B 76 Mn-Mo-Ni

1 Normalizado + Revenido

393 565 28 72 71 86

A387-C 76 1 ¼ Cr -½ Mo

2 Normalizado + Revenido

320 503 29 95 103 78

A387-D 83 2 ¼ Cr-1Mo

1 Alivio tensiones

396 565 25 63 68 65

A387-D 191 2 ¼ Cr-1Mo

2 Alivio tensiones

551 658 20 84 102 113

TABLA 2

PROPIEDADES MECÁNICAS DEL METAL DE SOLDADURA Y ZAT EN SOLDADURAS SOLDADAS POR ELECTROESCORIA

El uso del soldeo por electroescoria en la fabricación de elementos de puentes es frecuente. En este caso y con objeto de alcanzar unas propiedades óptimas se precisa la aplicación de un tratamiento térmico postsoldeo, que generalmente consiste en un alivio de tensiones, pero que de forma eventual puede requerir un tratamiento con austenización completa.


En la industria naval se aplica el soldeo por electroescoria, por ejemplo en la construcción de rigidizadores longitudinales y verticales del casco.

Con objeto de incrementar la productividad del proceso se han ideado variantes del mismo, como es la reducción de la separación entre las chapas a unir (hasta 12 mm). Al reducir la separación se reduce la cantidad de material que hay que depositar y en consecuencia la velocidad del proceso aumenta. Su principal limitación es la posibilidad de que salten arcos eléctricos entre el hilo y las paredes del material base. Asimismo la dilución del material base será mayor con esta variante del proceso con ranura estrecha.

Otras variantes, como el uso de metal de aporte en polvo, se utilizan con objeto de obtener una mejor tenacidad en metal de soldadura y ZAT (estructuras más finas). A tal objeto se utiliza como medio de transporte del material de aporte una corriente de argón. El uso de electrodos de banda rellenas de metal, es otra variante con la que se logra incrementar la tasa de deposición, y con ello la velocidad del proceso (hasta 38 kg/h). Añadir metal en polvo o de introducir un alambre frío adicional, forma suplementaria, resta calor al baño fundido, amortiguando los efectos de un exceso de calor en el mismo (ZAT ancha, grano grueso, pérdida de tenacidad,...)

5.1.1.- Caso específico: variables de soldeo para el soldeo de chapa de 25 a 45 mm

Preparación de bordes (figura 7): Bordes rectos con una tolerancia para la cuadratura del borde de +/- 5º. Desalineamiento máximo de 1 mm. Proceso de preparación de bordes: oxicorte. Separación de bordes según indica la tabla 3.


FIGURA 7

PREPARACIÓN DE BORDES

1 mm (max)

90 +/- 5

1 mm (max)

90 +/- 5



DIMENSIONADO

PREPARACIÓN E – e E

OBSERVACIÓN

0 16≤e≤40 Acero al carbono

0 30≤e≤45 Acero al carbono

0 E=20 NC-239 Acero de alta resistencia

5+/-1 25≤E≤40 Acero al carbono

5+/-1 35≤E≤45 Acero al carbono

TABLA 3

DIMENSIONADO DE LOS BORDES A UNIR

• Limpieza. Se deben eliminar todos los restos de rebabas de oxicorte, grasas, humedad, y otras materias. Cepillar las superficies de unión antes de la colocación de las zapatas de cobre.

• Consumibles. Alambre macizo de 2.5 – 3 mm. Tobera consumible revestida de fundente TC-7, de 9.5 mm de diámetro exterior. Fundente TC-7. La tobera se mantendrá en una estufa para preservarlas de la humedad. Se extraerán un máximo de 6 unidades por jornada. No golpear las tobera para que no se produzcan daños en el recubrimiento. Protegen el alambre contra la humedad (cuidar su almacenaje).



• Equipo. Fuente de alimentación de corriente continua, de característica horizontal (tensión constante), y de 750 A. Caja de control y cabezal a medida.

• Alienado de Tobera. Se procederá al alienado de la tobera para que equidiste de los bordes a unir. Durante el proceso se controla el calentamiento de las zapatas para determinar si la tobera a sufrido desalineamiento. Si se unen espesores distintos se debe acercar más la tobera a la chapa de mayor espesor.

• Zapatas. Construidas con cobre electrolítico, cuyas dimensiones y forma de rebaje se deben ajustar a los distintos espesores a unir. En este caso son fijas. Se ajustan a las chapas a unir correctamente en toda su longitud, para lo que se utilizan tres puntos de apriete, cuya presión se transmite a la zapata mediante un perfil de acero en forma de U. El apriete debe ser mayor en el centro que en los extremos para permitir la expansión de las zapatas durante su calentamiento. Antes de la colocación de las zapatas se debe limpiar las superficies de contacto entre esta y las chapas. El ajuste del apriete debe poderse regular durante el proceso.

• Parámetros de soldeo. Su fijación depende del espesor de las chapas a unir y de la separación de las mismas, que finalmente determina el aporte térmico preciso en el proceso. El calentamiento de la zapatas nos permite controlar in situ la progresión del proceso. En la tabla 4 se recogen unos parámetros orientativos según espesores.

Diferencia de espesores (mm) I (A) V (Voltios)

25-30 450 37

30-35 500 38

35-40 550 39

40-45 600 40

5.2.- Soldeo por electroescoria de aceros inoxidables

Se han efectuado uniones soldadas en aceros inoxidable austeníticos, presentando el metal de soldadura una alta resistencia al agrietamiento en filo de cuchillo, incluso tras mantener dicho material 5000 h a temperaturas entre 450 – 750 ºC.

Se ha logrado con éxito la unión de distintas aleaciones base níquel, como el la aleación 600 (25 mm de espesor) ó 114 mm de aleación 800, utilizando como metal de aporte aleación 82. En todos los casos el metal de soldadura presentó un excelente comportamiento a elevadas temperaturas. Hay que notar que una estructura de grano recrecido favorece la resistencia frente a la temofluencia.

5.3.- Soldeo por electroescoria del aluminio

La unión de conductores de aluminio de 240 mm de espesor es una aplicación típica de este tipo de proceso de soldeo. En este caso y con objeto de conseguir una mejor geometría y calidad del cordón se sustituye las zapata de cobre por zapatas de grafito.



La rápida formación de la alúmina a partir del aluminio, es un problema, que en el caso del soldeo por electroescoria se amortigua utilizando mayores contenidos de sales de fluor en la composición del fundente.

5.4.- Soldeo por electroescoria del Titanio

Debido a la alta reactividad que presenta el titanio frente a elementos interesticiales como el oxígeno, nitrógeno e hidrógeno, el soldeo por electroescoria debe realizarse utilizando fundentes ricos en haluros (especialmente el CaF2). Asimismo un gas inerte (argón) debe desplazar la atmósfera de la parte superior de la unión soldada. Asimismo el fundente se dopa con tierras raras para reducir el contenido en hidrógeno, nitrógeno y oxígeno. Se debe evitar la presencia de óxidos en el fundente.

Dada la alta resistividad eléctrica del titanio se suelen requerir diámetros de alambre altos para boquillas no consumibles.

5.5.- Recubrimiento de superficies

El soldeo por electroescoria puede utilizarse para recubrir bordes o superficies. En el primer caso el proceso se desarrolla en vertical, como ocurría con el soldeo, sustituyendo una de las chapas a unir por un bloque de cobre refrigerado. En el segundo caso la operación se realiza en posición plana con electrodos de banda ancha (hasta 150 mm). Se pueden conseguir diluciones no superiores al 10% con esta técnica, evitando, a su vez, la formación de posibles mordeduras, mediante la aplicación de campos magnéticos que ayudan a distribuir el calor y el material de forma uniforme.

6.- ASPECTOS METALÚRGICOS

Dadas las características del proceso de soldeo por electroescoria, claramente diferentes de las que gobiernan otros procesos de soldeo, cabe esperar un historial metalúrgico, también distinto.

La estructura y propiedades del metal de soldadura están determinadas por su composición química y por el ciclo térmico de la soldadura. La composición química del metal de soldadura no solo depende de la composición inicial del metal base y del metal de aporte, sino de la cinética de las reacciones químicas que tienen lugar entre la escoria y el metal fundido.

El conjunto principal de las reacciones antes citadas, ocurren entre el C, Si, Mn e impurezas O, S y el P. La cinética de estas reacciones está gobernada por la concentración de elementos en el baño fundido (procedentes del metal base y del metal de aporte), la concentración de óxidos en la escoria, la temperatura, el área de contacto entre el metal fundido y la escoria, y el tiempo de contacto entre la gota y la escorial.

Los cambios en el aporte térmico afectan a la composición del metal de soldadura ya que determinan el mapa de temperaturas y la velocidad del proceso (tiempo de contacto gota – escoria). La temperatura gobierna más intensamente ciertas reacciones como es la reducción del óxido de manganeso por el silicio.

Ciertos elementos de aleación se añaden con objeto de limitar el crecimiento de grano, como es el caso del aluminio o el titanio. Ambos forman con el nitrógeno nitruros que bloquean el borde de grano. Ambos actúan además como desoxidantes (el Ti contribuye a la reducción del óxido ferroso).

El carbono ejerce su efecto reductor sobre los óxidos metálicos, y también se combina con el oxígeno disuelto, formando CO y CO2.



En aceros de alta aleación, con contenidos altos de Cr, este es oxidado por la escoria, produciéndose la reducción de otros óxidos metálicos (Fe, Mn).

Los elementos residuales como el P y el S, proceden fundamentalmente del metal base y del metal de aporte. La eliminación del P es difícil en el proceso de soldeo por electroescoria, y este puede plantear serios problemas relacionados con la fragilización intergranular de los aceros al carbono. El azufre por su parte es el responsable del agrietamiento en caliente, siendo su presencia más fácil de controlar, añadiendo al fundente mayores cantidades de CaF2 ó CaO. El oxígeno es otra de las impurezas presentes en el proceso, procediendo este de la atmósfera, accede al metal de soldadura a través de la escoria protectora. Con objeto de evitar un crecimiento elevado del potencial de oxígeno, se protege la escoria con una corriente de gas inerte (argón).

Debido a los aportes térmicos altos y al lento enfriamiento la microestructura resultante es columnar de grano grueso. Dependiendo de cómo las variables de soldeo afectan al ciclo térmico, la microestructura columnar presenta variantes:

• Baños anchos y poco profundos (factores de forma altos), donde la transición de grano equiaxial al grano columnar tiene lugar muy cerca de la línea de fusión.

• Estructura columnar de grano fino en el centro del cordón, con transición de grano equiaxial a grano columnar lejos de la línea de fusión.

• Granos columnares que convergen en ángulo obtuso en el cetro del cordón, con transición de grano equiaxial a grano columnar cerca del centro de la soldadura.

• Granos columnares cerca del centro del cordón, con granos equiaxiales en el cetro del mismo.

De entre estas, las dos últimas, son las que ofrecen mayores riesgos frente al agrietamiento en caliente en línea media del cordón, ya que esta presentan factores de forma pequeños, los granos columnares convergen en ángulo obtuso y la transición de grano equiaxial a grano columnar se realiza cerca de la línea media del cordón (zona donde la segregación será máxima). Este fenómeno está favorecido por altos grados de embridamiento, bajos factores de forma (alta intensidad de soldeo y/o baja tensión), velocidad de soldeo excesiva. Por otro lado una velocidad de soldeo demasiado baja produce grano grueso e incrementa el tiempo de solidificación, lo que favorece los fenómenos de segregación y en consecuencia el agrietamiento en caliente.

La microestructura básica del metal de soldadura de un acero al carbono está compuesta de Ferrita primaria, ferrita intergranular y carburos en forma de perlita. Para aceros con contenido en elementos de aleación mayores, la estructura se compone básicamente de ferrita acicular, martensita, bainita y austenita retenida.

En algunos casos se ha detectado fisuración por licuación del borde de grano, debido fundamentalmente a la segregación en borde de grano, en el área entorno a la línea de fusión, de compuestos de bajo punto de fusión, como el sulfuro de hierro-manganeso. Dicho efecto se neutraliza añadiendo como aleantes Ti o Cerio, que fijan el azufre en forma de inclusiones de alto punto de fusión. Otros elementos como el P, N ó B, causan fragilidad intergranular. Dicha fragilización en combinación con las tensiones residuales pueden conducir a la formación de grietas en borde de grano. Otros elementos como el Sn, Sb, P y As tienden a producir fragilidad en el revenido.



Por otra parte las uniones soldadas por electroescoria no son, en general, susceptibles al agrietamiento en frío, ya que, si el procedimiento se aplica correctamente, los niveles de hidrógeno presentes en el metal de soldadura son bajos.

Igualmente los problemas de distorsión no son graves en este proceso, la distorsión puede cuantificarse en un 1 – 2 %. La deformación longitudinal es de 3 mm por cada 1.5 m de costura longitudinal. Con objeto de minimizar las distorsiones lo máximo posible, se recomienda realizar la unión a la máxima velocidad posible.

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