soldadura 1
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10. SOLDADURA
10.1 La soldadura.
Soldar es el proceso de unir o juntar metales, ya sea que se calientan las piezas
de metal hasta que se fundan y se unan entre sí o que se calienten a una
temperatura inferior a su punto de fusión y se unan o liguen con un metal
fundido como relleno.
Otro método es calentarlas hasta que se ablanden lo suficiente para poder
unirlas con un martillo a presión.
10. 2. HISTORIA DE LA SOLDADURA.
Es difícil obtener una relación exacta del perfeccionamiento de la soldadura y de
las personas que participaron, porque se estaban efectuando muchos
experimentos y técnicas de soldadura en diferentes países y al mismo tiempo.
Aunque el trabajo de los metales y la unión de los mismos datan de hace siglos,
tal parece que la soldadura, tal como la conocemos en la actualidad, hizo su
aportación alrededor del año 1900.
La historia de la soldadura no estaría completa sin mencionar las contribuciones
realizadas por los antiguos metalúrgicos.
En el tiempo del Imperio Romano ya se habían desarrollado algunos procesos,
los principales eran soldering brazing y la forja.
10.3. FUNDENTES PARA LA SOLDADURA.
10.3.1. Tipos y usos de fundentes:
Clasificación según sus efectos operacionales:
Los fundentes también se clasifican según su efecto en los resultados finales de
la operación de soldadura, existen dos categorías en este sentido y son los
Activos y los Neutros:
Activos: Los fundentes activos son aquellos que causan un cambio sustancial
en la composición química final del metal de soldadura cuando el voltaje de
soldadura (y por consiguiente la cantidad de Fundente) es cambiado. Los
fundentes fundidos generalmente aportan grandes cantidades de Magnesio y
Silicio al material de aporte, incrementando la resistencia, pero cuando se usa
fundente activo para hacer soldaduras de multifases, puede ocurrir una excesiva
acumulación de estos componentes resultando en una soldadura muy
vulnerable a las grietas y las fracturas, los fundentes activos deben ser usados
limitadamente en las soldaduras con pasos múltiples, especialmente sobre oxido
y escamas metálicas, un cuidado especial en la regulación del voltaje es
recomendado cuando se usa este tipo de fundentes en el procedimiento de
soldadura con pasos múltiples para evitar la saturación de Magnesio y Silicio, en
líneas generales, no es recomendado el uso de fundentes activos en soldaduras
de pasos múltiples en laminas de un diámetro superior a los 25 Mm. (1″).
Neutros: Como su clasificación misma lo dice este tipo de fundentes no causan
cambios significativos en la composición química del metal de aporte, ni
siquiera con variaciones de voltaje.
Los fundentes neutros no afectan la fuerza de la soldadura indiferentemente al
voltaje o numero de pases de soldadura que se apliquen. Como regla general, los
fundentes neutros deben ser parte de las especificaciones de las soldaduras con
pases múltiples.
El fundente: Entre las principales funciones del fundente para la soldadura de
arco sumergido podríamos enumerar las siguientes:
Protege la soldadura fundida de la interacción con la atmósfera.
- Limpia y desoxida la soldadura fundida
-Ayuda a controlar las propiedades químicas y mecánicas del metal de aporte en
la soldadura.
- Existen dos métodos importantes para elaborar los fundentes, Granulados y
fundido.
Uso de los fundentes:
El uso de estos es para fundir diferentes metales, entre ellos el plomo, el cobre,
es muy utilizado en los sistemas de soldaduras, El éxito de la soldadura depende
en gran parte del fundente. El mismo evita la oxidación durante el proceso de
soldadura, reduce los óxidos ya formados y disminuye la tensión superficial del
material de aporte.
TABLA DE MATERIALES UTILIZADOS COMO COMPONENTES DE
LOS FUNDENTES:
NOMBRE FORMULA NOMBRE FORMULA
Calcita CaCO3 Hierro Fe
Cordindón Al2O3 Óxido cálcico CaO
Criolita Na3AlF6 Magnesita MgCO3
Dolomita CaMg(CO3)2 Periclasa MgO
Ferosilicio FeSi2 Cuarzo SiO2
Fluorita CaF2 Rhodenita MnSiO3
Hausmanita Mn3O4
Hay diferentes tipos de fundente cada uno para la diferente clase de soldadura
Fundente líquido para la soldadura blanda a:
Base de cloruro de Zinc.
Fundente en pasta para la soldadura:
Blanda a base de cloruro de Zinc.
10.4. ELEMENTOS PARA LA SOLDADURA:
-Soplete: Es un aparato tubular en el que se inyecta por uno de sus extremos
una mezcla de oxígeno y un gas combustible, acetileno, hidrógeno, etc., que al
salir por la boquilla del extremo opuesto produce una llama de alto potencial
calórico, utilizada para soldar o cortar metales. El operario que maneja el
soplete lleva la cara y las manos protegidas.
Su uso: Es utilizado con regularidad en este oficio para soldar y calentar piezas,
aunque también es requerido a la hora de cortar.
Su función: La función de un soplete es mezclar y controlar el flujo de gases
necesarios para producir una llama Oxigas. Un soplete consiste de un cuerpo
con dos válvulas de entrada, un mezclador, y una boquilla de salida. Mejorando
la versatilidad puede disponer de un equipo de soldadura, y corte solo con el
cambio de algunos elementos sobre un rango común.
También el soplete tiene la función de dosificar los gases, mezclarlos y dar a la
llama una forma adecuada para soldar.
Tipos de sopletes:
Soplete de Soldadura: Estos se clasifican, en dos tipos, conforme a la forma de
mezcla de los gases.
Soplete tipo mezclador
Soplete tipo inyector
-Soplete mezclador: Este tipo también llamado de presión media, requiere
que los gases sean suministrados a presiones, generalmente superiores a 1 psi
(0.07 kg/cm2). En el caso del acetileno, la presión a emplear, queda restringida
entre 1 a 5 psi (0.07 a 1.05 kg/cm2) por razones de seguridad. El oxígeno,
generalmente, se emplea a la misma presión pre ajustada para el combustible.
-Soplete tipo inyector: Este tipo de soplete trabaja a una presión muy baja de
Acetileno, inferior en algunos casos a 1 psi (0.07 kg/cm2). Sin embargo, el
oxígeno des suministrado en un rango de presión desde 10 a 40 psi (0.7 a 2.8
kg/cm2), aumentándose necesariamente en la medida que el tamaño de la
boquilla sea mayor. Su funcionamiento se basa en que el oxigeno aspira el
acetileno y lo mezcla, antes de que ambos gases pasen a la boquilla. [1]
10.5. TIPOS DE SOLDADURA:
10.5.1. Soldadura (MIG/MAG ó GMAW).
Este procedimiento, conocido también como soldadura MIG/MAG, consiste en
mantener un arco entre un electrodo de hilo sólido continuo y la pieza a soldar.
Tanto el arco como el baño de soldadura se protegen mediante un gas que puede
ser activo o inerte. El procedimiento es adecuado para unir la mayoría de
materiales, disponiéndose de una amplia variedad de metales de aportación.
Descripción del proceso de soldadura MIG/MAG:
La soldadura por arco bajo gas protector con electrodo consumible es un
proceso en el que el Arco se establece entre un electrodo de hilo continuo y la
pieza a soldar, estando protegido de la atmósfera circundante por un gas inerte
(proceso MIG) o por un gas activo (proceso MAG).
En la siguiente figura se indican los elementos más importantes que intervienen
en el proceso:
El proceso puede ser:
Fig. 1. Soldadura MIG. [2]
SEMIAUTOMÁTICO: La tensión de arco, la velocidad de alimentación del
hilo, la intensidad de soldadura y el caudal de gas se regulan previamente. El
avance de la antorcha de soldadura se realiza manualmente.
AUTOMÁTICO: Todos los parámetros, incluso la velocidad de soldadura, se
regulan previamente, y su aplicación en el proceso es de forma automática.
ROBOTIZADO: Todos los parámetros de soldeo, así como las coordenadas
de localización de la junta a soldar, se programan mediante una unidad
específica para este fin. La soldadura la efectúa un robot al ejecutar esta
programación.
Este tipo de soldadura se utiliza principalmente para soldar aceros de bajo y
medio contenido de carbono, así como para soldar acero inoxidable, aluminio y
otros metales no férricos y tratamientos de recargue.
A continuación podemos observar los elementos más importantes que
intervienen en el proceso:
Fig.2. Proceso: 1. Dirección de la soldadura 2. Tubo de contacto 3. Hilo 4. Gas
protector 5. Soldadura 6 y 7. Piezas a unir. [3]
Ventajas de soldadura MIG/MAG:
Las principales ventajas que ofrece el proceso MIG/MAG son:
Se puede soldar en todas las posiciones
Ausencia de escoria para retirar
Buena apariencia o acabado (pocos salpicados)
Poca formación de gases contaminantes y tóxicos
Soldadura de buena calidad radiográfica
Soladura de espesores desde 0,7 a 6 mm sin preparación de bordes
Proceso semiautomático o automático (menos dependiente de la habilidad
de operador)
Alta productividad o alta tasa de metal adicionado (principal ventaja)
Las principales bondades de este proceso son la alta productividad y
excelente calidad; en otras palabras, se puede depositar grandes cantidades
de metal (tres veces más que con el proceso de electrodo revestido), con una
buena calidad.
Polaridad: Lo más normal es que en las máquinas de hoy en día se trabaje con
polaridad inversa o positiva (la pieza al negativo y el hilo de soldadura al
positivo. En algunos casos concretos en los que se requiera mayor temperatura
en la pieza que en el hilo se utilizan la polaridad directa o negativa ya que los
electrones siempre van de polo negativo al positivo produciéndose un mayor
aumento de temperatura en este último.
Constitución equipo de soldadura MIG/MAG: Las máquinas del tipo
estándar están formadas por diferentes elementos para poder llevar a cabo la
soldadura MIG/MAG.
Fig. 3.
Maquina de soldadura MIG/MAG. [4]
Un proceso relacionado, la SOLDADURA DE ARCO DE NÚCLEO
FUNDENTE(FCAW), usa un equipo similar al MIG pero utiliza un alambre
que consiste en un electrodo de acero rodeando un material de relleno en polvo.
Este alambre nucleado es más costoso que el alambre sólido estándar y puede
generar humos y/o escoria, pero permite incluso una velocidad más alta de
soldadura y mayor penetración del metal.
Fig. 4. Soldadura de arco de núcleo fundente. [5]
Hilos o alambres de soldadura: En la soldadura MIG/MAG, el electrodo
consiste en un hilo macizo o tubular continuo de diámetro que oscila entre 0,8
y 1,6 mm. Los diámetros comerciales son 0,8; 1,0; 1,2; y 1,6 mm, aunque no es
extraño encontrarse en grandes empresas con el empleo de diámetros
diferentes a estos, y que han sido hechos fabricar a requerimiento expreso. En
ciertos casos de soldeo con fuerte intensidad, se emplea hilo de 2,4 mm de
diámetro.
Debido a la potencia relativamente elevada empleada en la soldadura bajo gas
protector, la penetración del material en el metal de base es también alta. La
penetración está pues, en relación directa con el espesor del material de base y
con el diámetro del hilo utilizado. El efecto de la elección de un diámetro de hilo
muy grande, es decir, que exija para su fusión una potencia también elevada,
producirá una penetración excesivamente grande, y por esta causa se puede
llegar a atravesar o perforar la pieza a soldar. Por contra, un hilo de diámetro
demasiado pequeño, que no admite más que una potencia limitada, dará una
penetración poco profunda, y en muchos casos una resistencia mecánica
insuficiente.
Se presenta enrrollado por capas en bobinas de diversos tamaños. El hilo suele
estar recubierto de cobre para favorecer el contacto eléctrico con la boquilla,
disminuir rozamientos y protegerlo de la oxidación.
En general, la composición del hilo macizo suele ser similar a la del material
base; no obstante, para su elección, debe tenerse en cuenta la naturaleza del gas
protector, por lo que se debe seleccionar la pareja hilo-gas a conciencia.
Los hilos tubulares van rellenos normalmente con un polvo metálico o con flux,
o incluso con ambos. El relleno con polvo metálico, aparte de que puede aportar
algún elemento de aleación, mejora el rendimiento gravimétrico del hilo.
Gases de protección: En la soldadura MIG (Metal Inert Gas), el gas que
actúa como protección es inerte, es decir, que no actúa de manera activa en el
propio proceso, y por tanto, muy estable. En contrapartida, en la soldadura
MAG (Metal Activ Gas), el gas de protección se comporta como un gas inerte a
efectos de contaminación de la soldadura, pero, sin embargo, interviene
termodinámicamente en ella. [6] En efecto, en las zonas de alta temperatura del
arco, el gas se descompone absorbiendo calor, y se recompone inmediatamente
en la base del arco devolviendo esta energía en forma de calor.
10.5.2. SOLDADURA TIG.
La soldadura de arco, tungsteno y gas (GTAW), o la soldadura TIG (Tungsten
Inert Gas), se caracteriza por el empleo de un electrodo permanente de
tungsteno, aleado a veces con torio o zirconio en porcentajes no superiores a un
2%. Dada la elevada resistencia a la temperatura del tungsteno (funde a 3410
°C), acompañada de la protección del gas, la punta del electrodo apenas se
desgasta tras un uso prolongado. Los gases más utilizados para la protección del
arco en esta soldadura son el argón y el helio, o mezclas de ambos.
Se utiliza gas de protección cuyo objetivo es desplazar el aire, para eliminar la
posibilidad de contaminación de la soldadura por el oxígeno y nitrógeno
presente en la atmósfera
Características y ventajas del sistema TIG:
No se requiere de fundente y no hay necesidad de limpieza posterior en la
soldadura
No hay salpicadura, chispas ni emanaciones, al no circular metal de aporte a
través del arco
Brinda soldaduras de alta calidad en todas las posiciones, sin distorsión
Al igual que todos los sistemas de soldadura con protección gaseosa, el área
de soldadura es claramente visible
El sistema puede ser automatizado, controlando mecánicamente la pistola
y/o el metal de aporte
Las soldaduras hechas con sistema TIG son más fuertes, más resistentes a la
corrosión y más dúctiles que las realizadas con electrodos convencionales.
Equipo:
El equipo para sistema TIG consta básicamente de:
Fuente de poder
Unidad de alta frecuencia
Pistola
Suministro gas de protección
Suministro agua de enfriamiento
La pistola asegura el electrodo de tungsteno que conduce la corriente, el que
está rodeado por una boquilla de cerámica que hace fluir concéntricamente
el gas protector.
La pistola normalmente se refrigera por aire. Para intensidades de corriente
superiores a 200 A. Se utiliza refrigeración por agua, para evitar
recalentamiento del mango.
Aplicaciones típicas:
Soldeo de la primera pasada de tuberías de aceros aleados, aceros
inoxidables y aleaciones de Níquel.
Soldeo de equipos de Al, Ti y aleaciones de Ni.
Soldeo de tubos a la placa de los intercambiadores de calor
Soldeo interno de reactores de urea en acero inoxidable y Ti.
Fig. 5. Soldadura TIG. [7]
10.5.3. SOLDADURA POR ARCO PLASMA.
Es conocida técnicamente como PAW (Plasma Arc Welding), y utiliza los
mismos principios que la soldadura TIG, por lo que puede considerarse como
un desarrollo de este último proceso. Sin embargo, tanto la densidad energética
como las temperaturas son en este proceso mucho más elevadas ya que el estado
plasmático se alcanza cuando un gas es calentado a una temperatura suficiente
para conseguir su ionización, separando así el elemento en iones y electrones.
La mayor ventaja del proceso PAW es que su zona de impacto es dos o tres veces
inferior en comparación a la soldadura TIG, por lo que se convierte en una
técnica óptima para soldar metal de espesores pequeños.
En la soldadura por plasma la energía necesaria para conseguir la ionización la
proporciona el arco eléctrico que se establece entre un electrodo de tungsteno y
el metal base a soldar. Como soporte del arco se emplea un gas, generalmente
argón puro o en ciertos casos helio con pequeñas proporciones de hidrógeno,
que pasa a estado plasmático a través del orificio de la boquilla que estrangula el
arco, dirigiéndose al metal base un chorro concentrado que puede alcanzar los
28.000 ºC. El flujo de gas de plasma no suele ser suficiente para proteger de la
atmósfera al arco, el baño de fusión y al material expuesto al calentamiento. Por
ello a través de la envoltura de la pistola se aporta un segundo gas de protección,
que envuelve al conjunto.
La soldadura por plasma – PAW – se presenta en tres modalidades
1. Soldadura micro plasma, con corrientes de soldadura desde 0.1 A. Hasta 20
A.
2. Soldadura por fusión metal a metal, con corrientes de soldadura desde 20 A.
Hasta 100 Amp.
3. Soldadura Keyhole, por encima de los 100 Amp. En el cual el arco plasma
penetra todo el espesor del material a soldar.
Principalmente, se utiliza en uniones de alta calidad tales como en construcción
aeroespacial, plantas de procesos químicos e industrias petroleras.
Fig. 6. Boquilla de la soldadura por plasma. [8]
Fig. 7. Representacion de
la soldarura por Plasma. [9]
Fuentes:
ASM HANDBOOK VOLUME. WELDING BRAZERING AND SOLDERING
10.5.4. SOLDADURA POR ARCO.
Fundamentos:
El sistema de soldadura eléctrica con electrodo recubierto se caracteriza, por la
creación y mantenimiento de un arco eléctrico entre una varilla metálica
llamada electrodo, y la pieza a soldar. El electrodo recubierto está constituido
por una varilla metálica a la que se le da el nombre de alma o núcleo,
generalmente de forma cilíndrica, recubierta de un revestimiento de sustancias
no metálicas, cuya composición química puede ser muy variada, según las
características que se requieran en el uso. El revestimiento puede ser básico,
butílico y celulósico. Para realizar una soldadura por arco eléctrico se induce
una diferencia de potencial entre el electrodo y la pieza a soldar, con lo cual se
ioniza el aire entre ellos y pasa a ser conductor, de modo que se cierra el
circuito. El calor del arco funde parcialmente el material de base y funde el
material de aporte, el cual se deposita y crea el cordón de soldadura.
La soldadura por arco eléctrico es utilizada comúnmente debido a la facilidad de
transporte y a la economía de dicho proceso.
Fig. 8. Soldadura Por Arco. [10]
-Plasma: Está compuesto por electrones que transportan la corriente y que van
del polo negativo al positivo, de iones metálicos que van del polo positivo al
negativo, de átomos gaseosos que se van ionizando y estabilizándose conforme
pierden o ganan electrones, y de productos de la fusión tales como vapores que
ayudarán a la formación de una atmósfera protectora. Esta misma alcanza la
mayor temperatura del proceso.
-Llama: Es la zona que envuelve al plasma y presenta menor temperatura que
éste, formada por átomos que se disocian y recombinan desprendiendo calor
por la combustión del revestimiento del electrodo. Otorga al arco eléctrico su
forma cónica.
-Baño de fusión: La acción calorífica del arco provoca la fusión del material,
donde parte de éste se mezcla con el material de aportación del electrodo,
provocando la soldadura de las piezas una vez solidificado.
Cráter: Surco producido por el calentamiento del metal. Su forma y
profundidad vendrán dadas por el poder de penetración del electrodo.
-Cordón de soldadura: Está constituido por el metal base y el material de
aportación del electrodo y se pueden diferenciar dos partes: la escoria,
compuesta por impurezas que son segregadas durante la solidificación y que
posteriormente son eliminadas, y sobre el espesor, formado por la parte útil del
material de aportación y parte del metal base, la soldadura en sí.
-Electrodo: Son varillas metálicas preparadas para servir como polo del
circuito; en su extremo se genera el arco eléctrico. En algunos casos, sirven
también como material fundente. La varilla metálica a menudo va recubierta
por una combinación de materiales que varían de un electrodo a otro. El
recubrimiento en los electrodos tiene diversa funciones, éstas pueden resumirse
en las siguientes:
-Función eléctrica del recubrimiento
-Función física de la escoria
-Función metalúrgica del recubrimiento
10.5.5. SOLDADURA POR ARCO MANUAL CON ELECTRODOS
REVESTIDOS.
La característica más importante de la soldadura con electrodos revestidos, en
inglés Shield Metal Arc Welding (SMAW) o Manual Metal Arc
Welding (MMAW), es que el arco eléctrico se produce entre la pieza y un
electrodo metálico recubierto. El recubrimiento protege el interior del electrodo
hasta el momento de la fusión. Con el calor del arco, el extremo del electrodo
funde y se quema el recubrimiento, de modo que se obtiene la atmósfera
adecuada para que se produzca la transferencia de metal fundido desde el
núcleo del electrodo hasta el baño de fusión en el material base. Además los
aceros AWS en soldadura sirven para soldaduras de baja resistencia y muy
fuertes. Estas gotas de metal fundido caen recubiertas de escoria fundida
procedente de la fusión del recubrimiento del arco. La escoria flota en la
superficie y forma, por encima del cordón de soldadura, una capa protectora del
metal fundido.
Como son los propios electrodos los que aportan el flujo de metal fundido, será
necesario reponerlos cuando se desgasten. Los electrodos están compuestos de
dos piezas: el alma y el revestimiento.
El alma o varilla es alambre (de diámetro original 5.5 mm) que se comercializa
en rollos continuos. Tras obtener el material, el fabricante lo decapa
mecánicamente (a fin de eliminar el óxido y aumentar la pureza) y
posteriormente lo trefila para reducir su diámetro.
El revestimiento se produce mediante la combinación de una gran variedad de
elementos (minerales varios, celulosa, mármol, aleaciones, etc.)
convenientemente seleccionados y probados por los fabricantes, que mantienen
el proceso, cantidades y dosificaciones en riguroso secreto.
La composición y clasificación de cada tipo de electrodo está regulada por AWS
(American Welding Society), organismo de referencia mundial en el ámbito de
la soldadura.
Este tipo de soldaduras pueden ser efectuados bajo corriente tanto continua
como alterna. En corriente continua el arco es más estable y fácil de encender y
las salpicaduras son poco frecuentes; en cambio, el método es poco eficaz con
soldaduras de piezas gruesas. La corriente alterna posibilita el uso de electrodos
de mayor diámetro, con lo que el rendimiento a mayor escala también aumenta.
En cualquier caso, las intensidades de corriente oscilan entre 10 y
500 amperios.
El procedimiento es excelente para trabajos, reparación, fabricación y
construcción. Además, la soldadura SMAW es muy versátil. Su campo de
aplicaciones es enorme: casi todos los trabajos de pequeña y mediana soldadura
de taller se efectúan con electrodo revestido; se puede soldar metal de casi
cualquier espesor y se pueden hacer uniones de cualquier tipo.
Sin embargo, el procedimiento de soldadura con electrodo revestido no se
presta para su automatización o semi-automatización; su aplicación es
esencialmente manual. La longitud de los electrodos es relativamente corta: de
230 a 700 mm. Por tanto, es un proceso principalmente para soldadura a
pequeña escala.
10.5.6. SOLDADURA POR ELECTRODO NO CONSUMIBLE
PROTEGIDO.
En este tipo de soldadura se utiliza como medio de protección un chorro de gas
que impide la contaminación de la junta. Tanto este como el siguiente proceso
de soldeo tienen en común la protección del electrodo por medio de dicho gas.
La soldadura por electrodo no consumible, también llamada Soldadura (siglas
de Tungsten Inert Gas), se caracteriza por el empleo de un electrodo
permanente que normalmente, como indica el nombre, es de tungsteno.
A diferencia que en las soldaduras de electrodo consumible, en este caso el
metal que formará el cordón de soldadura debe ser añadido externamente, a no
ser que las piezas a soldar sean específicamente delgadas y no sea necesario. El
metal de aportación debe ser de la misma composición o similar que el metal
base; incluso, en algunos casos, puede utilizarse satisfactoriamente como
material de aportación una tira obtenida de las propias chapas a soldar.
La inyección del gas a la zona de soldeo se consigue mediante una canalización
que llega directamente a la punta del electrodo, rodeándolo. Dada la elevada
resistencia a la temperatura del tungsteno (funde a 3410 °C), acompañada de la
protección del gas, la punta del electrodo apenas se desgasta tras un uso
prolongado. Es conveniente, eso sí, repasar la terminación en punta, ya que una
geometría poco adecuada perjudicaría en gran medida la calidad del soldado.
Respecto al gas, los más utilizados son el argón, el helio, y mezclas de ambos. El
helio, gas noble (inerte, de ahí el nombre de soldadura por gas inerte) es más
usado en los Estados Unidos, dado que allí se obtiene de forma económica en
yacimientos de gas natural. Este gas deja un cordón de soldadura más achatado
y menos profundo que el argón. Este último, más utilizado en Europa por su
bajo precio en comparación con el helio, deja un cordón más triangular y que se
infiltra en la soldadura. Una mezcla de ambos gases proporcionará un cordón de
soldadura con características intermedias entre los dos.
La soldadura TIG se trabaja con corrientes continua y alterna. En corriente
continua y polaridad directa, las intensidades de corriente son del orden de 50 a
500 amperios. Con esta polarización se consigue mayor penetración y un
aumento en la duración del electrodo. Con polarización inversa, el baño de
fusión es mayor pero hay menor penetración; las intensidades oscilan entre 5 y
60 A. La corriente alterna combina las ventajas de las dos anteriores, pero en
contra da un arco poco estable y difícil de cebar.
La gran ventaja de este método de soldadura es, básicamente, la obtención de
cordones más resistentes, más dúctiles y menos sensibles a la corrosión que en
el resto de procedimientos, ya que el gas protector impide el contacto entre la
atmósfera y el baño de fusión. Además, dicho gas simplifica notablemente el
soldeo de metales no ferrosos, por no requerir el empleo de desoxidantes, con
las deformaciones o inclusiones de escoria que pueden implicar. Otra ventaja de
la soldadura por arco con protección gaseosa es la que permite obtener
soldaduras limpias y uniformes debido a la escasez de humos y proyecciones; la
movilidad del gas que rodea al arco transparente permite al soldador ver
claramente lo que está haciendo en todo momento, lo que repercute
favorablemente en la calidad de la soldadura. El cordón obtenido es por tanto de
un buen acabado superficial, que puede mejorarse con sencillas operaciones de
acabado, lo que incide favorablemente en los costes de producción. Además, la
deformación que se produce en las inmediaciones del cordón de soldadura es
menor.
Como inconvenientes está la necesidad de proporcionar un flujo continuo de
gas, con la subsiguiente instalación de tuberías, bombonas, etc., y el
encarecimiento que supone. Además, este método de soldadura requiere una
mano de obra muy especializada, lo que también aumenta los costes. Por tanto,
no es uno de los métodos más utilizados sino que se reserva para uniones con
necesidades especiales de acabado superficial y precisión.
10.5.7. SOLDADURA POR ELECTRODO CONSUMIBLE PROTEGIDO.
Este método resulta similar al anterior, con la salvedad de que en los dos tipos
de soldadura por electrodo consumible protegido, MIG (Metal Inert Gas) y MAG
(Metal Active Gas), es este electrodo el alimento del cordón de soldadura. El
arco eléctrico está protegido, como en el caso anterior, por un flujo continuo de
gas que garantiza una unión limpia y en buenas condiciones.
En la soldadura MIG, como su nombre indica, el gas es inerte; no participa en
modo alguno en la reacción de soldadura. Su función es proteger la zona crítica
de la soldadura de oxidaciones e impurezas exteriores. Se emplean usualmente
los mismos gases que en el caso de electrodo no consumible, argón, menos
frecuentemente helio, y mezcla de ambos.
En la soldadura MAG, en cambio, el gas utilizado participa de forma activa en la
soldadura. Su zona de influencia puede ser oxidante o reductora, ya se utilicen
gases como el dióxido o el argón mezclado con oxígeno. El problema de usar
CO2 en la soldadura es que la unión resultante, debido al oxígeno liberado,
resulta muy porosa. Además, sólo se puede usar para soldar acero, por lo que su
uso queda restringido a las ocasiones en las que es necesario soldar grandes
cantidades de material y en las que la porosidad resultante no es un problema a
tener en cuenta.
La flexibilidad es la característica más sobresaliente del método MIG / MAG, ya
que permite soldar aceros de baja aleación, aceros inoxidables, aluminio y
cobre, en espesores a partir de los 0,5 mm y en todas las posiciones. La
protección por gas garantiza un cordón de soldadura continuo y uniforme,
además de libre de impurezas y escorias. Además, la soldadura MIG / MAG es
un método limpio y compatible con todas las medidas de protección para el
medio ambiente. En contra, su mayor problema es la necesidad de aporte tanto
de gas como de electrodo, lo que multiplica las posibilidades de fallo del
aparato, además del lógico encarecimiento del proceso.
10.5.8. SOLDADURA POR ARCO SUMERGIDO.
La soldadura por arco sumergido (SAW) requiere una alimentación de electrodo
consumible continua, ya sea sólido o tubular (fundente). La zona fundida y la
zona del arco están protegidos de la contaminación atmosférica por estar
“sumergida” bajo un manto de flujo granular compuesto de óxido, dióxido de
silicio, óxido de manganeso, fluoruro de calcio y otros compuestos. En estado
líquido, el flux se vuelve conductor, y proporciona una trayectoria de corriente
entre el electrodo y la pieza. Esta capa gruesa de flux cubre completamente el
metal fundido evitando así salpicaduras y chispas, así como la disminución de la
intensa radiación ultravioleta y de la emisión humos, que son muy comunes en
la soldadura manual de metal por arco revestido (SMAW).
La SAW puede operarse tanto en modo automático como mecanizado, aunque
también existe la SAW semi-automática de pistola (portátil) con emisión de
flujo de alimentación a presión o por gravedad. El proceso normalmente se
limita a las posiciones de soldadura plana u horizontal (a pesar de que las
soldaduras en posición horizontal se hacen con una estructura especial para
depositar el flujo). Aunque el rango de intensidades usadas normalmente van
desde 300 a 2000 A, también se utilizan corrientes de hasta 5000 A (arcos
múltiples).
Esta soldadura utiliza un revestimiento en el electrodo de cinta plana
(p. e. 60 mm de ancho x 0,5 mm de espesor). Se puede utilizar energía
CC o CA, aunque la utilización de combinaciones entre ambas son muy
comunes en los sistemas de electrodos múltiples. Las fuentes de
alimentación más utilizadas son las de voltaje constante, aunque los
sistemas actuales disponen de una combinación de tensiones
constantes con un detector de tensión en el cable alimentador.
Electrodo: El material de relleno para la SAW generalmente es un alambre
estándar, así como otras formas especiales. Este alambre tiene normalmente un
espesor de entre 1,6 mm y 6 mm. En ciertas circunstancias, se pueden utilizar
un alambre trenzado para dar al arco un movimiento oscilante. Esto ayuda a
fundir la punta de la soldadura al metal base. [11]
Las variables clave del proceso SAW.
Velocidad de alimentación (principal factor en el control de corriente de
soldadura).
Arco de tensión.
Velocidad de desplazamiento.
Distancia del electrodo o contacto con la punta de trabajo.
Polaridad y el tipo de corriente (CA o CC) y balance variable de la corriente
CA.
Aplicaciones de los materiales:
Aceros al carbono (estructural y la construcción de barcos).
Aceros de baja aleación.
Aceros inoxidables.
Aleaciones de base níquel
Aplicaciones de superficie (frente al desgaste, la acumulación, superposición
y resistente a la corrosión de los aceros)
Ventajas:
Índices de deposición elevado (más 45 kg/h).
Factores de funcionamiento en las aplicaciones de mecanizado.
Penetración de la soldadura.
Se realizan fácilmente soldaduras robustas (con un buen proceso de diseño y
control)
Profundidad.
Soldaduras de alta velocidad en chapas finas de acero de hasta 5 m/min.
La luz ultravioleta y el humo emitidos son mínimos comparados con el
proceso de soldadura manual de metal por arco revestido (SMAW).
Prácticamente no es necesaria una preparación previa de los bordes.
El proceso es adecuado para trabajos de interior o al aire libre.
Distorsión mucho menor.
Las soldaduras realizadas son robustas, uniformes, resistentes a la ductilidad
y a la corrosión y tienen muy buen valor frente a impacto.
El arco siempre está cubierto bajo un manto de flux, por lo tanto no hay
posibilidad de salpicaduras de soldadura.
Del 50% al 90% del flujo es recuperable.
10.5.9. SOLDADURA POR ELECTROGAS.
La soldadura por electro gas, es un desarrollo de la soldadura por electroescoria,
siendo procedimientos similares en cuanto a su diseño y utilización. En vez de
escoria, el electrodo es fundido por un arco, que se establece en un gas de
protección, de la misma manera que en la soldadura MIG/MAG. Este método se
utiliza para soldar chapas con espesores desde 12 mm. Hasta 100 mm.,
utilizándose oscilación para materiales con espesores fuertes. Normalmente, la
junta es una simple unión-I con una separación. Las juntas- V también son
utilizadas. Cuando la soldadura es vertical – como por ejemplo, en tanques de
gran tamaño -, se pueden conseguir importantes ahorros de coste, si se compara
con la soldadura manual MIG/MAG.
Como en otros tipos de soldadura por arco con protección por gas, se pueden
utilizar hilos sólidos o tubulares, utilizándose los mismos tipos de gases de
protección. Comparado con la soldadura por electroescoria, este sistema
produce una zona térmicamente afectada (HAZ) más pequeña y por tanto
mejores valores de resiliencia. Con una extensión del electrodo más larga (stick
– out), se puede conseguir una velocidad de soldadura mayor, produciendo
menor fusión de material base y por tanto menos aporte calorífico.
Fig. 9. Soldadura por Electro gas. [12]
10.5.10. SOLDADURA A GAS.
El proceso más común de soldadura a gas es la soldadura oxiacetilénica,
también conocida como soldadura autógena o soldadura oxi-combustible. Es
uno de los más viejos y más versátiles procesos de soldadura, pero en años
recientes ha llegado a ser menos popular en aplicaciones industriales. Todavía
es usada extensamente para soldar tuberías y tubos, como también para trabajo
de reparación. El equipo es relativamente barato y simple, generalmente
empleando la combustión del acetileno en oxígeno para producir una
temperatura de la llama de soldadura de cerca de 3100 °C. Puesto que la llama
es menos concentrada que un arco eléctrico, causa un enfriamiento más lento de
la soldadura, que puede conducir a mayores tensiones residuales y distorsión de
soldadura, aunque facilita la soldadura de aceros de alta aleación.
La soldadura a gas fue uno de los primeros procesos de soldadura de fusión
desarrollados que demostraron ser aplicables a una extensa variedad de
materiales y aleaciones. Durante muchos años fue el método más útil para
soldar metales no ferrosos. Sigue siendo un proceso versátil e importante pero
su uso se ha restringido ampliamente a soldadura de chapa metálica, cobre y
aluminio. El equipo de soldadura a gas puede emplearse también para la
soldadura fuerte, blanda y corte de acero.
Tanto el oxígeno como el gas combustible son alimentados desde cilindros, o
algún suministro principal, a través de reductores de presión y a lo largo de una
tubería de goma hacia un soplete. En este, el flujo de los dos gases es regulado
por medio de válvulas de control, pasa a una cámara de mezcla y de ahí a una
boquilla. El caudal máximo de flujo de gas es controlado por el orificio de la
boquilla. Se inicia la combustión de dicha mezcla por medio de un mecanismo
de ignición (como un encendedor por fricción) y la llama resultante funde un
material de aporte (generalmente acero o aleaciones de zinc, estaño, cobre o
bronce) el cual permite un enlace de aleación con la superficie a soldar y es
suministrado por el operador del soplete.
Fig. 10. Soldadura por Gas. [13]
Tabla de las características térmicas de diversos gases combustibles
se indican en la siguiente tabla:
Gas
combustible
Temperatura
de
flama teórica
°C
Intensidad de
combustión cal/cm3
/s Uso
Acetileno 3 270 3 500
Soldadura y
corte
Metano 3 100 1 700
Soldadura
fuerte y
blanda
Propano 3 185 1 500
Soldadura
en general
Hidrógeno 2 810 2 100
Uso
limitado
El valor de una mezcla de gas combustible para el calentamiento depende de la
temperatura de la llama y la intensidad de la combustión.
En la práctica, esta soldadura es comúnmente usada con acetileno y oxígeno. El
aspecto de la llama resultado de esta combustión se muestra a continuación:
En el cono interno el acetileno, al ser oxidado, se transforma en hidrógeno y
monóxido de carbono según la siguiente reacción:
C2H2+O2→2CO+H2+E
En la parte externa de la flama estos gases se combinan con el oxígeno de la
atmósfera para formar dióxido de carbono y vapor de agua. Para obtener una
flama neutra, las escalas del volumen del flujo de acetileno y de oxígeno son
ajustadas hasta que el cono interno alcanza su tamaño máximo con una frontera
claramente definida. La composición de la envoltura carece entonces de
reacción a acero de bajo contenido de carbono. Si se suministra oxígeno en dosis
excesivas, el cono interno se hace más pequeño y puntiagudo y la flama
resultante descarburará el acero. Por otra parte, un exceso de acetileno hace que
el cono desarrolle una envoltura exterior en forma de pluma (como la de las
aves) y la flama será carburante.
Para acero de alto contenido de carbono y en el tratamiento de superficies duras
se utiliza flama carburante, esto con el fin de evitar la descarburación y producir
un depósito de fundición de alto contenido de carbono en la superficie, que
permitirá el enlace de la aleación de superficie sin dilución excesiva. Es
especialmente importante no soldar aceros austeníticos inoxidables con una
flama carburante ya que dará lugar a una subida de carbono, en consecuencia,
corrosión inter-granular.
10.5.11. SOLDADURA OXIACETILÉNICA.
Generalidades del proceso:
La soldadura oxiacetilénica es un proceso de soldadura por fusión que utiliza el
calor producido por una llama, obtenida por la combustión del gas acetileno con
el oxígeno, para fundir bien sea el metal base y el de aportación si se emplea.
Para conseguir la combustión es necesario el empleo de dos gases. Uno de ellos
tiene la calidad de consumirse durante la combustión. Gases combustibles son
el propano, metano, butano y otros, aunque en el proceso del que estamos
tratando empleamos el acetileno. El otro es un gas comburente, que es un gas
que aviva o acelera la combustión. Uno de los principales comburentes es el aire
formado por una mezcla de gases (Nitrógeno 78%, Oxígeno 21% y el restante 1%
de gases nobles). El gas comburente que se emplea en este procedimiento de
soldadura es el oxígeno puro.
Fig. 11. Soldadura Oxiacetilénica [14]
Equipamiento necesario para el
proceso:
La principal función de los equipos de soldadura oxiacetilénica es suministrar la
mezcla de gases combustible y comburente a una velocidad, presión y
proporción correcta. El equipo oxiacetilénico está formado por:
Las botellas o cilindros de oxígeno y acetileno: entre ambas hay que destacar
varias diferencias, pero la más representativa, aparte el tamaño, es el color.
La botella de oxígeno tiene el cuerpo negro y la ojiva blanca, mientras que la
de acetileno tiene el cuerpo rojo y ojiva marrón. Internamente la botella de
oxígeno es hueca de una pieza, mientras que la de acetileno tiene una
sustancia esponjosa en su interior, ya que para almacenarlo se disuelve en
acetona debido a que si se comprime solo explota.
Los manorreductores o reguladores: su propósito o función principal es
reducir la presión muy alta de una botella a una presión de trabajo más bajo
y seguro y además de permitir una circulación continua y uniforme del gas.
Las mangueras: que son tubos flexibles de goma por cuyo interior circula el
gas, siendo por tanto las encargadas de transportarlo desde las botellas hasta
el soplete. Los diámetros interiores son generalmente de 4 a 9 mm para el
oxígeno y de 6 a 11 mm para el acetileno. La manguera por la que circula el
oxígeno es de color azul y de color rojo por la que circula el acetileno.
Las válvulas de seguridad o anti retroceso: son las encargadas de prevenir un
retroceso de la llama desde el soplete hacia las mangueras o de las
mangueras a las botellas. También impiden la entrada de oxígeno o de aire
en la manguera y en la botella del acetileno.
El soplete o antorcha: cuya misión principal es asegurar la correcta mezcla
de los gases, de forma que exista un equilibrio entre la velocidad de salida y
la de inflamación.
Fig. 12. Instrumentos de soldadura oxiacetilénica. [15]
Gases utilizados en la soldadura oxiacetilénica:
Acetileno (C2H2): Es el más importante de los hidrocarburos gaseosos y
como combustible es el elemento más valioso. Es una composición química de
carbono e hidrógeno (2 partes de carbono por 2 de hidrógeno).
El acetileno se produce al ocurrir la reacción del agua con carburo de calcio. El
carburo de calcio se obtiene de hornos eléctricos mediante la reducción de la cal
viva con carbono.
El carburo de calcio y el agua se pone en contacto en recipientes adecuados
llamados generadores; generalmente los generadores de acetileno se construyen
con accesorios que los hacen funcionar automáticamente para producir
acetileno en la misma cantidad que consume el soplete dejando de generar tan
pronto se acaba la llama. Esto era utilizado anteriormente ya que hoy en día se
pueden adquirir fácilmente los tanques con acetileno para poder utilizarlo
directamente al soplete.
Características:
El acetileno es un gas incoloro e insípido sin sabor, pero de olor
característico semejante al agua miel de la caña.
Su potencia calorífica es de 13600 kcal/m3.
Dentro de sus varias propiedades posee una gran inestabilidad y bajo la
acción del calor o de la presión, puede descomponerse espontáneamente en
sus dos elementos, carbono e hidrógeno, produciendo una explosión.
Oxigeno (o2): Es un gas que se encuentra en la naturaleza mezclado o
combinado con otros elementos químicos, y es el principal en toda combustión:
La llama oxiacetilénica lo utiliza como gas comburente. En el aire existe
mezclado con nitrógeno y con varios gases nobles. El oxígeno es un gas inodoro,
incoloro e insípido.
La llama: se caracteriza por tener dos zonas bien delimitadas, el cono o dardo,
de color blanco deslumbrante y es donde se produce la combustión del oxígeno
y acetileno y el penacho que es donde se produce la combustión con el oxígeno
del aire de los productos no quemados.
Fig. 13. Llama de la soldadura oxiacetilénica. [16]
La zona de mayor temperatura es aquella que esta inmediatamente delante del
dardo y en el soldeo oxiacetilénico es la que se usa ya que es la de mayor
temperatura hasta 3200ºC, no en el caso del brazing.
La llama es fácilmente regulable ya que pueden obtenerse llamas estables con
diferentes proporciones de oxígeno y acetileno. En función de la proporción de
acetileno y oxígeno se disponen de los siguientes tipos de llama:
Llama de acetileno puro: se produce cuando se quema este en el aire.
Presenta una llama que va del amarillo al rojo naranja en su parte final y que
produce partículas de hollín en el aire. No tiene utilidad en soldadura.
Llama reductora: se genera cuando hay un exceso de acetileno. Partiendo de
la llama de acetileno puro, al aumentarse el porcentaje de oxígeno se hace
visible una zona brillante, dardo, seguida de un penacho acetilénico de color
verde pálido, que desaparece al igualarse las proporciones. Una forma de
comparar la proporción de acetileno con respecto al oxígeno, es comparando la
longitud del dardo con el penacho acetilénico medido desde la boquilla. Si este
es el doble de grande, habrá por tanto el doble de acetileno.
Llama neutra: misma proporción de acetileno que de oxígeno. No hay
penacho acetilénico.
Llama oxidante: hay un exceso de oxígeno que tiende a estrechar la llama a la
salida de la boquilla. No debe utilizarse en el soldeo de aceros.
10.5.12. SOLDADURA POR RESISTENCIA.
En la soldadura por resistencia o presión las piezas de metal que van a unirse
son presionadas juntas por los electrodos de la máquina soldadora de manera
que hagan un buen contacto eléctrico. Entonces se pasa la corriente eléctrica a
través de ellos, se los calienta hasta que empiecen a derretir en el punto donde
están en contacto El metal fundido de las dos piezas fluye y las piezas se unen;
entonces la corriente se apaga y el metal fundido se solidifica, formando una
conexión metálica sólida entre las dos piezas.
Fig. 14. Representación De la Soldadura por Resistencia. [17]
El término “Soldadura de Resistencia” viene del hecho de que es la propiedad
eléctrica de la resistencia del metal a ser soldado la que causa el calor que se
generará cuando la corriente fluye a través de él.
Fig. 15. Soldadura por resistencia mono punto, máquina tipo prensa. [18]
Usos: La soldadura por resistencia, y en particular la soldadura por puntos,
está especialmente indicada para el sector de la automoción, y particularmente
para la soldadura de las carrocerías, debido a los reducidos espesores de las
chapas empleadas en las mismas. Otra aplicación también importante de
la soldadura por resistencia, aunque no por puntos, es en la unión de varillas
para formar mallas (por ejemplo las típicas vallas de cierre de obras). [19]-
10.5.12.1. TIPOS DE SOLDADURA A RESISTENCIA.
10.5.12.1.1 SOLDADURA POR PUNTO.
Es un método de soldadura por resistencia que se basa
en presión y temperatura, en el que se calienta una parte de las piezas a soldar
por corriente eléctrica a temperaturas próximas a la fusión y se ejerce una
presión entre las mismas. Generalmente se destina a la soldadura de chapas o
láminas metálicas, aplicable normalmente entre 0,5mm y 3mm de espesor.
El soldeo por puntos es el más común y simple de los procedimientos
de soldadura por resistencia. Los materiales bases se deben disponer solapados
entre electrodos, que se encargan de aplicar secuencialmente la presión y la
corriente correspondiente al ciclo produciendo uno o varios puntos de
soldadura.
Fig. 16. Soldadora de punto de la Universidad Tecnológica de Pereira.
Foto de: José Luis Nati Montalvo.
El proceso de soldadura por puntos tiende a endurecer el material, hacer que se
deforme, reducir la resistencia a la fatiga del material, y puede estirar el
material. Los efectos físicos de la soldadura por puntos pueden crear fisuras
internas y grietas en la superficie. Las propiedades químicas afectadas son la
resistencia interna del metal y sus propiedades corrosivas. [20]
Es un tipo de soldadura que se cataloga por soldadura sin fusión del metal base
a soldar, se considera un proceso en el cual los electrodos utilizados no son
consumibles, además no se necesita material de aporte para que se produzca la
unión entre las dos piezas, se considera un tipo de soldadura rápida, limpia y
fuerte.
El material utilizado de los electrodos es una aleación de cobre con Cd, Cr, Be,
W con objeto de que presente una baja resistencia y una elevada oposición a la
deformación bajo una presión estando su dureza comprendida entre 130 y 160
HB. [22]
Fig. 17. Maquina de soldadura de punto. [21]
Las ventajas de la soldadura por puntos:
-El método de soldadura por resistencia permite la unión exacta, segura y
rápida de una gran variedad de tipos de materiales y formas.
-Chapas, perfiles, barras, piezas estampadas, cables o cordones pueden ser
soldados con mucha precisión entre electrodos puntiformes.
-Para evitar deformaciones no deseadas en la parte externa de la pieza, el
electrodo de contacto está concebido en este proceso de tal manera que se
produzca el mayor área de contacto posible.
-El uso de cabezales de soldadura múltiple es una solución viable para producir
múltiples contactos de soldadura por puntos para lograr así una mayor fuerza
de unión y aumentar la precisión.
-La soldadura por puntos es un método de probada eficacia para soldar a largo
plazo piezas con un gran número de los cabezales de soldadura disponibles. [23]
10.5.12.1.2. SOLDADURA POR ROLDANAS.
Los electrodos suelen ser de aleación de cobre y aplican una fuerza constante a
las superficies a unir a una velocidad controlada. La corriente de soldadura es
normalmente emitida en impulsos para dar una serie de puntos discretos, pero
puede ser continua para ciertas aplicaciones de alta velocidad donde las
diferencias de otro modo podrían producir problemas.
Fig. 18. Soldaduras por roldanas.
Esta corriente de soldadura se puede aplicar cuando los electrodos están en
movimiento o una vez están parados. Otro proceso es el de soldadura de puntos
por roldanas en el que los puntos no son continuos sino que están espaciados.
Este último es similar al proceso de soldadura por puntos pero el tiempo de
soldeo es inferior y las corrientes aplicadas mayores.
Los equipos de soldadura son normalmente fijos y los componentes a soldar son
manipulados entre las ruedas, esto permite hacer largas soldaduras continuas.
Una o las dos roldanas pueden ir movidas a motor. Al ser en forma de disco los
electrodos también pueden moverse o facilitar la circulación del material.
Además el proceso puede ser automatizado.
Fig. 19. Maquina de Soldadura por roldanas. [24]
Aplicación común: Una aplicación común de la soldadura de costura es la
fabricación de tubos de aceros redondos o rectangulares. La costura de
soldadura se utilizaba para la fabricación de latas de bebidas de acero, pero hoy
en día ya no se utiliza para esta finalidad debido a que actualmente estas latas
son de aluminio. [25]
10.5.12.1.3. SOLDADURA A TOPE.
Cuando en la unión de dos piezas toda la superficie en contacto entre ellas
forma parte de la soldadura le llamamos soldadura a tope. Este tipo de
soldadura tiene que cumplir el objetivo común de todos los procesos a soldar
por resistencia. Llevar a las superficies a soldar hasta la temperatura de fusión y
forja y aplicarles la presión de forja necesaria entre ellas según la sección a
soldar.
Se emplea principalmente para unir en prolongación o en Angulo perfiles
laminados. Chapas, tubos y piezas especiales con secciones soldadas de hasta
12000 mm2 y compite con ventajas con otros procedimientos alternativos son
más económicos y su presencia en el mercado está disminuyendo salvo para
aplicaciones especificas.
Fig. 20. Proceso Soldadura a tope.
10.5.12.1.3.1. TOPE SIMPLE.
Las piezas se ponen en contacto bajo presión y al conectar la corriente se
produce un aumento de temperatura en la zona de contacto que al alcanzar la
temperatura de forja suelda las piezas al aplastarse de material pastoso. En
principio basta con sujetar los extremos a ser soldados con unas mordazas
conectadas al secundario de un transformador que es quien suministra la
energía necesaria, poner esos extremos en contacto bajo presión para que
cuando se produzca el paso de amperios a través de la resistencia eléctrica de la
zona de contacto de las dos piezas se calienten, y se suelde bajo esa presión
cuando alcancen la temperatura de forja.
Fig. 21. Tope Simple
10.5.12.1.3.2. POR CENTELLO DIRECTO.
Las piezas se acercan a una velocidad variable mediante levas mecánicas o
sistemas eléctricos, neumáticos o hidráulicos e inicia una sucesión interrumpida
de mini-cortocircuitos entre las piezas el centello. Cuando se alcanza una
temperatura uniforme de fusión en ambas superficies se aplica la presión de
forja entre las piezas. Muy apta para producciones seriadas pero obliga a una
presentación de piezas muy regular y produce gran cantidad de chipas por ser
difícil el ajuste de los parámetros necesarios, permite soldar materiales
diferentes y secciones algo distintas en las piezas. [26]
Fig. 22. Por centello directo
10.5.12.1.4. SOLDADURA HILO AISLADO.
La unión sólida de cables aislados entre sí o con las piezas del conector en la
fabricación de componentes eléctricos y dispositivos que utilizan la soldadura
por resistencia requiere, antes de iniciar la soldadura con la corriente real de
soldadura, la eliminación de la capa de aislamiento, por ejemplo, de forma
mecánica, química o térmica. Las ventajas de quitar el aislamiento y efectuar la
soldadura en una sola operación son enormes. [27]
Fig. 23. Aplicación de soldadura de hilo aislado.
Las ventajas de la soldadura de hilo de cobre esmaltado:
-Quitar el aislamiento y formación de la cinta en una operación.
-Especialmente apropiado en la automatización.
-Supervisión del proceso.
10.5.13. SOLDADURA POR RAYOS LÁSER.
Los métodos de soldadura por rayo de energía, llamados soldadura por
rayo láser y soldadura por rayo de electrones, son procesos
relativamente nuevos que han llegado a ser absolutamente populares
en aplicaciones de alta producción. Los dos procesos son muy
similares, diferenciándose más notablemente en su fuente de energía.
La soldadura de rayo láser emplea un rayo láser altamente enfocado,
mientras que la soldadura de rayo de electrones es hecha en un vacío y
usa un haz de electrones. Ambas tienen una muy alta densidad de
energía, haciendo posible la penetración de soldadura profunda y
minimizando el tamaño del área de la soldadura. Ambos procesos son
extremadamente rápidos, y son fáciles de automatizar, haciéndolos
altamente productivos. Las desventajas primarias son sus muy altos
costos de equipo (aunque éstos están disminuyendo) y una
susceptibilidad al agrietamiento.
10.5.13.1. SOLDADURA RAYOS LÁSER.
La soldadura por rayo láser es un proceso de soldadura por fusión que utiliza la
energía aportada por un haz láser para fundir y recristalizar el material o los
materiales a unir, obteniéndose la correspondiente unión entre los elementos
involucrados. En la soldadura láser comúnmente no existe aportación de ningún
material externo y la soldadura se realiza por el calentamiento de la zona a
soldar, y la posterior aplicación de presión entre estos puntos.
Mediante espejos se focaliza toda la energía del láser en una zona muy reducida
del material. Cuando se llega a la temperatura de fusión, se produce la
ionización de la mezcla entre el material vaporizado y el gas protector. La
capacidad de absorción energética del plasma es mayor incluso que la del
material fundido, por lo que prácticamente toda la energía del láser se transmite
directamente y sin pérdidas al material a soldar.
La alta presión y alta temperatura causadas por la absorción de energía del
plasma, continúa mientras se produce el movimiento del cabezal arrastrando la
gota de plasma rodeada con material fundido a lo largo de todo el cordón de
soldadura. De ésta manera, gracias a la soldadura por haz láser se consigue un
cordón homogéneo dirigido a un pequeño área de la pieza, con lo que se reducen
así las posibilidades de alterar propiedades químicas y/o físicas del material
soldado.
Características: Una única longitud de onda, en una sola dirección, un color
puro, luz intensa.
Fig. 24. Representación Soldadura Rayos Láser. [28]
Fig. 25. Esquema de la Acción de la Soldadura a Laser. [29]
Principales materiales que se pueden soldar por láser: En la actualidad
ha habido un gran avance en este tipo de soldadura, ya que se puede soldar oro,
aleación ligera, materiales disimilares, y materiales plásticos, campo que está
avanzando a grandes velocidades y que ya se encuentra muy desarrollado.
También existe la soldadura láser híbrida, que es la que combina la soldadura
por rayo láser con la soldadura de arco para así poder obtener posiciones más
flexibles y velocidades de soldadura más altas.
Cobre, Níquel, Tungsteno, Aluminio, Acero inoxidable, Titanio, Columbio,
Tántalo, Dumet, Kovar, Zirconio, Plásticos.
Posicionamientos:
Para el proceso de soldadura por haz láser y en función de la aplicación se
pueden utilizar diferentes posicionamientos de las piezas a soldar.
-Soldadura en extremos: Se aplica el haz láser en la zona intermedia entre
dos piezas de espesor entre 1 y 6mm, la zona de unión ofrecerá más resistencia a
la tracción incluso que el material primitivo.
Fig. 26. Soldadura en extremos.
-Soldadura solapada: El láser se aplica sobre la superficie superior de una de
las piezas cuyo espesor no debe superar 3mm. La soldadura debido a la
penetración, alcanza la pieza inferior uniendo así las dos.
Fig. 28. Soldadura solapa.
-Soldadura en T: El funcionamiento es similar al anterior método con la
particularidad del posicionado de la pieza inferior.
Fig. 28. Soldadura T.
Campos de aplicación: En general cualquier sector industrial que requiera
soldadura para piezas de responsabilidad. En especial automoción, aeronáutica
o ferrocarril, piezas unitarias grandes, con cordones de soldadura largos. En
series altas (alta productividad del proceso) y medias de piezas estampadas que
requieran soldadura de alta calidad.
10.5.14. SOLDADURA CON RAYO DE ELECTRONES.
La soldadura por haz de electrones es un proceso de soldadura de fusión, que se
logra mediante el contacto de la pieza a soldar con un haz de electrones de alta
densidad energética. El haz de electrones es de pequeño diámetro y elevada
intensidad energética, lo cual permite atravesar grandes espesores de material
(hasta 65 milímetros de una sola pasada aproximadamente). El principio de
soldadura se puede explicar mediante el efecto keyhole (también denominado
como ojo de cerradura).
Fig. 29. Esquema de la Soldadura de haz de electrones.
Características:
-Capacidad para hacer soldaduras profundas y con cordones de soldadura
estrechos en una sola pasada.
-Soldadura casi uniforme y limpia, debido a que se realiza en un ambiente de -
vacío, lo cual evita la formación de óxidos y nitruros.
-Cantidad reducida de calor transmitida a la pieza, por lo que su micro-
estructura se ve menos alterada que mediante otros procedimientos.
-No se necesita metal de aportación.
-Las velocidades de soldadura son muy elevadas (hasta 2000 mm/min).
-Permitir la unión de una gran diversidad de materiales e incluso de multitud de
materiales distintos entre sí.
-El coste de los equipos es elevado.
-Genera rayos X, lo que requiere extremar las precauciones.
Proceso:
El proceso de soldadura mediante haz de electrones se efectúa en una cámara de
vacío. Encima de dicha cámara se encuentra una pistola de electrones. Las
piezas a soldar se colocan en un manipulador motorizado dentro de la cámara
de vacío produciendo así soldaduras axiales o lineales. La pistola de haz de
electrones, consta de un cátodo y un ánodo entre los que se genera una
diferencia de potencial y se induce el paso de corriente. Debajo del ánodo, hay
una lente magnética, para dirigir el haz de electrones hacia la zona de soldadura.
Equipo necesario:
-Cámara de vacío: La forma más usual de la cámara de trabajo es la cúbica,
ya que se puede trabajar con piezas de diferente forma, aunque para piezas
específicas como tubulares se puede diseñar una cámara de trabajo con forma
cilíndrica. La cámara de trabajo se ha de diseñar conforme a la pieza a trabajar.
Para generar la presión de trabajo en su interior se emplean diferentes tipos
de bombas de vacío: rotativas, difusoras y turbo-moleculares.
-Pistola de haz de electrones: En la pistola de electrones se encuentra el
cátodo, formado por una banda de Wolframio, por la cual fluye una fuerte
corriente alcanzando grandes temperaturas (2500 °C) que emitirá una corriente
de electrones. Por debajo de la pistola se encuentra un anillo ánodo que acelera
los electrones hasta un 50-70% la velocidad de la luz. La pistola se conecta a un
sistema de potencia, el cual genera la diferencia de potencial necesaria entre
cátodo y ánodo. Estos sistemas se pueden clasificar en dos tipos: Equipos de
baja tensión (15-60kV) y Equipos de alta tensión (100-200kV).
Metales Soldables:
Aceros al carbono y aleados, metales refractorios (W, Mo, Nb), Cobre y sus
aleaciones,Aleaciones de Magnesio, Aleaciones de Titanio, Berilio, Zirconio.
Aplicaciones:
-Industria aeroespacial.
-Industria automotriz: soldadura de engranes y turbocompresor.
-Construcción e ingeniería: valvulas, sierras, tanques blindados…
-Industria energética: calderas nucleares, recipientes para desechos
nucleares, turbinas de vapor. [30]
10.5.15. SOLDADURA DE ULTRASONIDO.
La soldadura ultrasónica es un proceso relativamente nuevo. Consiste en una
máquina con punta de base plana, se colocan los materiales uno encima de otro
y después se baja la punta de la máquina, esta emite una onda ultrasónica que
mueve las moléculas de ambos materiales provocando que estas se fundan. Los
parámetros deben de ser ajustados cada vez que se altera en espesor de pared de
los materiales a fundir. Una ejemplo de su uso en la industria es la de soldar
cables a terminales.
Las piezas a soldar no se calientan hasta el punto de fusión, sino que se sueldan
mediante la aplicación de presión y vibraciones mecánicas de alta frecuencia, las
vibraciones mecánicas usadas durante la soldadura ultrasónica de metales se
introducen en sentido horizontal.
Durante la soldadura ultrasónica de metales, un proceso complejo que se activa
participación de las fuerzas estáticas, fuerzas de cizallamiento oscilante y un
aumento de la temperatura moderada en el área de soldadura. La magnitud de
estos factores depende del grosor de las piezas, su estructura de superficie, y sus
propiedades mecánicas.
Las piezas se colocan entre un elemento de la máquina fija, es decir, el yunque y
el sonotrodo, que oscila horizontalmente durante el proceso de soldadura a alta
frecuencia (normalmente 20 o 35 o 40 kHz).
Fig. 30. Elementos de la Soldadura Ultrasónica.
Ventajas:
-La soldadura ultrasónica de metales uno muchas combinaciones de metales
disimiles, como con aluminio.
-Los tiempos usuales es alta y uniforme.
-No hay efectos adversos al ambiente.
-Necesidad moderada de habilidad y entrenamiento del operador para producir
uniones de alta calidad uniforme.
-La soldadura ultrasónica de metales no utiliza combustibles potencialmente
peligrosos, como soldadura o fundente.
-No hay acumulación de calentamiento de modo que se provoca fragilización en
zonas afectadas por el calor.
-La conductividad eléctrica es normalmente superior que la obtenida con
conexiones trenzadas o saldadas.
Limitaciones:
-La soldadura ultrasónica de metales se restringe a soldadura de solpa; no
puede hacer soldaduras de hilo.
-Solo se pueden soldar piezas con espesores menores a 3 mm.
-Solo se puede unir superficies planas o con curvatura mínima. Excepto para
alambres.
-No es adecuada para unir partes estañadas.
-El costo de capital es usualmente mayor que para el de soldadura ordinaria.
Aplicaciones:
Aparatos dementicos, Industria automotriz, Industria electro- comunicaciones,
Industria de acero/fundición, Industria Eléctrica. [31]
10.5.16. SOLDADURA EXPLOSIVA.
El proceso de soldadura por explosión se basa en la detonación de una carga
explosiva colocada adecuadamente y que obliga a uno de los metales que se
desean soldar a precipitarse aceleradamente sobre otro.
Una de las condiciones fundamentales para que se realice esta soldadura es la
existencia de un flujo o chorro limpiador que viaja inmediatamente por delante
del punto de colisión en el que la velocidad de la chapa, presión, ángulo y
velocidad del punto de colisión se controlan de manera que este flujo sea
forzado a salir de entre las chapas a alta velocidad, expulsando óxidos y
contaminantes, dejando así limpias las superficies de unión.
Entre las reducidas aplicaciones de esta soldadura están la calderería, para la
fabricación de recipientes a presión, y la industria eléctrica, para la fabricación
de juntas de transición donde entran en juego materiales difícilmente soldables
entre sí como el aluminio y el cobre.
El proceso de unión de materiales diferentes mediante soldadura por explosión
comienza por la limpieza de las superficies a unir. Aunque el barrido de la onda
explosiva ejerce una limpieza de la superficie es recomendable. A continuación
se coloca el material base, chapa #1, sobre el cual se va a explosionar y se le
colocan una especie de pequeñas pletinas de metal en forma de L distribuidas
por toda la superficie. Su función es únicamente que al colocar la chapa del otro
material, chapa #2, quede una separación conocida y uniforme. Después se
coloca un pequeño cerco alrededor de esta “construcción”, de forma que al
colocar el polvo explosivo sobre la chapa #2 quede distribuido por todos los
puntos incluidos los bordes y no se caiga. Por último se coloca el detonador,
generalmente a media distancia de la longitud media de la chapa pero junto a un
extremo (depende de las dimensiones de la chapa). Al realizar la detonación, la
onda expansiva aprieta una chapa contra la otra creando una “ola” que recorre
toda la chapa. Debido a esta, todas las pletinas así como suciedad son
expulsadas y con el calor generado por la explosión, los materiales quedan
unidos entre sí. [32]
Fig. 31. Soldadura por Explosión. [33]
10.5.17. SOLDADURA A FRIO.
La soldadura en frío o por contacto es un proceso de soldadura de
estado sólido que se lleva a cabo sin necesidad de ninguna fusión en la interfaz
de unión de las dos partes a soldar. A diferencia de la soldadura por fusión, los
procesos de soldadura en frío se realizan, sin que ningún líquido (o fase líquida)
esté presente en la articulación de las dos piezas que se sueldan.
Proceso:
La soldadura en frío fue reconocida como un fenómeno de los materiales en la
década de 1940. Entonces se descubrió que dos superficies planas y limpias de
metales similares, se adhieren firmemente si se ponen en contacto aplicando
el vacío y la presión apropiada. Un caso típico de soldadura en frío es una pepita
de oro, que se puede formar en los ríos auríferos por golpeo a lo largo de los
años de pequeñas partículas de oro con las piedras y cantos rodados del río.
En la soldadura en frío, se aplica presión a las piezas mediante matrices o rollos.
Debido a la deformación plástica que tiene lugar, es necesario que al menos una
de las piezas a ensamblar sea dúctil (pero preferiblemente las dos). Antes de la
soldadura, la interfaz es desgrasada, con cepillo de alambre, y frotada para sacar
las manchas de óxido.
Aplicaciones
La soldadura en frío puede ser utilizada para unir piezas pequeñas hechas de
metales blandos y dúctiles. Las aplicaciones incluyen cables de almacenaje y
conexiones eléctricas (como conectores con desplazamiento de aislamiento).
[34]
10.5.18. SOLDADURA POR FRICCIÓN.
La soldadura por fricción es un proceso de fase total de penetración sólida, el
cual puede ser implementado en la unión de laminas de metal (hasta ahora
principalmente para aluminio) sin llegar a su punto de fusión.
La soldadura por fricción, un cilindro de sección plana y un rotor perfilado, son
suavemente aproximados a las áreas a juntar las cuales son enfrentadas de tope.
Las partes tienen que ser aseguradas a una mesa de respaldo para evitar que
sean separadas por la fuerza a la que son sometidas. El calor de la fricción entre
el cilindro rotatorio de alta resistencia al desgaste y las piezas a ser soldadas
causan que los materiales se suavicen sin llegar al punto de fusión permitiendo
al cilindro rotatorio seguir la línea de soldadura a través de las piezas a trabajar.
El material plastificado es transferido al riel de borde del cilindro y forjado por
el contacto directo del soporte y el rotor perfilado. En el proceso de
enfriamiento, el proceso deja a su paso un cordón de fase sólida entre las dos
piezas.
Fig. 32. Representación de soldadura por fricción.
La soldadura por fricción puede ser usada para unir láminas de aluminio y
planchas sin la necesidad de usar material de aporte o ningún tipo de gases y
materiales de un espesor de 1.6 hasta 30 mm pueden ser soldados con total
penetración, sin porosidad o evasiones internas. Soldaduras altamente
integrales y de muy baja distorsión pueden ser logradas con éxito en la mayoría
de las aleaciones de aluminio, incluyendo aquellas consideradas “difíciles de
soldar” con las técnicas regulares.
Ventajas e inconvenientes:
Se trata de una soldadura que posee unos altos costes iniciales, en lo que a
inversión de maquinaria se refiere, pero no requiere costes adicionales porque
no necesita material de relleno ni gas protector (como por ejemplo la soldadura
TIG) por lo que no se producen humos tóxicos. Es un proceso bastante seguro
ya que no se producen arcos, chispas ni llamas. Debido a que toda la superficie
transversal está implicada en el proceso, se obtendrá una alta resistencia, bajas
tensiones de soldadura, las impurezas se eliminarán durante el proceso y no
existirá porosidad como sí pueden aparecer en otros procesos como la soldadura
por arco. No es un proceso tan versátil como puede ser la soldadura por
fricción-agitación. [35]
Se pueden producir geometrías que no son posibles en la forja o la fundición,
ahorrando material y operaciones, reduciendo el tiempo de ciclo y aumentando
la tasa de producción.
Aplicaciones:
Como se ha comentado anteriormente, la soldadura por fricción se suele
emplear en volúmenes cilíndricos como pueden ser los ejes de
transmisión, turbocompresores o las válvulas de coches, camiones o trenes.
[36]
10.5.19. SOLDADURA POR FRICCIÓN AGITACIÓN:
Es un nuevo concepto en soldadura en fase sólida por fricción especialmente
apto para la soldadura del aluminio y sus aleaciones que ofrece aspectos
interesantes y que en muchos casos puede reemplazar con ventaja a los procesos
usuales por arco. Es un proceso automático que permite soldar juntas a tope y a
solape de gran longitud y por consiguiente supera la mayor limitación del
proceso convencional por fricción que consiste precisamente en la restricción de
su aplicación a piezas con simetría de revolución.
Esta soldadura se basa esencialmente en la utilización de una herramienta
cilíndrica de un perfil especial, la cual se inserta entre las superficies de
encuentro de los materiales a unir con una cierta velocidad de rotación y bajo
una fuerza determinada. Las piezas deben estar rígidamente vinculadas a tope o
superpuestas para evitar su movimiento cuando avanza la herramienta a lo
largo de la junta produciendo la dispersión de los óxidos, la plastificación
localizada del material y la soldadura.
Fig. 33. Soldadura Fricción- Agitación [37]
Ventajas y limitaciones:
Las ventajas recogidas en este proceso son las mismas que las que se obtienen
en la fricción, habilidad para unir materiales disimilares, no necesita hilo de
relleno ni gas protector evitando así humos tóxicos, chispas o llamas, alta
resistencia mecánica de la unión a fatiga, tracción y torsión, bajas tensiones de
soldadura, también se ahorra material y operaciones.
Pero además se puede realizar en casi cualquier tipo de geometría de las piezas,
como veremos en la sección geometría de las uniones, y no necesitará lijado ni
cepillado posterior.
Por el contrario, en lo que a restricciones se refieren, las piezas a unir tendrán
que estar firmemente ancladas, no se podrán realizar uniones que requieran
deposición del metal, y se quedará un agujero en el final de la soldadura a no ser
que se utilice un perno retraible. [38]
Aplicaciones:
Industria naval y marina, Industria Aeroespacial, Transporte terrestre.
10.5.20. SOLDADURA POR DIFUSIÓN.
La soldadura por difusión, puede considerarse una extensión del proceso de
soldadura por presión a temperatura elevada y larga duración. Es un proceso en
estado sólido obtenido mediante la aplicación de calor y presión en medio de
una atmósfera controlada con un tiempo lo suficientemente necesario para que
ocurra la difusión o coalescencia. Dicha coalescencia se lleva a cabo mediante
una difusión en estado sólido.
El proceso de difusión es utilizado para unir metales de misma o diferente
composición, para la obtención de difusión con metales de diferente
composición se suele introducir con frecuencia entre los metales a unir una
pequeña capa de relleno como por ejemplo níquel, para promover la difusión de
los dos metales base.
Este proceso se lleva a cabo en tres procedimientos:
* Hace que las dos superficies se suelden a alta temperatura y presión,
aplanando las superficies de contacto, fragmentando las impurezas y
produciendo un área grande de contacto de átomo con átomo.
* Una vez obtenidas las superficies lo suficientemente comprimidas a
temperaturas altas, los átomos se difunden a través de los límites del grano, este
paso suele suceder con mucha rapidez aislando los huecos producidos por la
difusión en los límites del grano.
* Por último se eliminan por completo los huecos mencionados en el segundo
paso, produciéndose una difusión en volumen, la cual es muy lenta respecto de
la anterior.
Fig. 34. Pasos en la soldadura por difusión.
En el proceso de Soldadura o unión por difusión también se admiten dos formas
de enlace o unión: en forma o estado sólido y fase líquida.
Estado sólido: una delgada capa de óxido producida al inicio se disuelve en el
metal base y se separa difundiéndose, llegando a obtener la unión. La
temperatura empleada en estado sólido es de unos (0,7xTemperatura de fusión
del metal base) y las presiones son de unos 5-15 N/mm². La unión concluirá
transcurridos unos 2 o incluso 480 minutos dependiendo del material.
Fase líquida: Es posible que sea formada cuando se introduce una capa
intermedia o se ensamblan dos metales distintos a la temperatura de soldadura;
de hecho la temperatura de soldadura se ve limitada por la temperatura en la
cual se forma la fase líquida. Al rebosar la fase líquida sobre las caras de
contacto esta ayuda a la limpieza de dichas caras y proporciona un medio de
enlace entre las superficies; esto favorece que se vea reducida la necesidad de
deformación en las superficies de contacto y la soldadura pueda obtenerse a
presiones muy pequeñas.
Ventajas:
Una de las ventajas más importantes que motivaron al desarrollo de este tipo de
soldadura es la capacidad de unión de metales diferentes incluyendo aquellos
que son difíciles de unir por procesos convencionales de fusión. Materiales no
metálicos, como por ejemplo la cerámica o productos de
metal sinterizado podían ensamblarse a los metales de una forma
extraordinariamente resistente que nunca antes había sido posible de realizar.
La capacidad de soslayar dificultades metalúrgicas mediante un ensamblaje de
varios materiales a través de una capa intermedia de níquel muestra una ventaja
importante en este proceso; pero posiblemente una de las más importantes es
que la soldadura por difusión da un nuevo concepto de soldadura a si como
nuevos retos de unión sobre formas de unir materiales con una gran fiabilidad y
resistencia, se pueden realizar uniones en piezas con rebajes profundos, huecas
totalmente cerradas o incluso una dentro de otra. También cabe destacar que no
hay un límite en el número de uniones que se puedan realizar de una sola
operación, esto nos ayuda a abaratar los costes de tiempo.