1.- Consideraciones generales:

La soldadura es, en general, utilizada como parte de un proceso de fabricación que también utiliza otras operaciones mecánicas tales como: corte, maquinado, conformación mecánica, montaje, tratamientos térmicos y superficiales. Adicionalmente, las operaciones de soldadura pueden involucrar etapas de pre-calentamiento, de remoción de la raíz de la soldadura y otras. En el presente documento estas etapas y los otros procesos no son considerados; sin embargo, se debe dejar claro, que en una situación real, el costo de una operación de soldadura no será, en general, analizada de una forma aislada. De este modo, por ejemplo, la adopción de un procedimiento de soldadura más sofisticado (y más caro), puede llevar a una reducción de costos por la eliminación de etapas en el proceso de fabricación (por ejemplo, puede tornar desnecesario el pre-calentamiento o de un tratamiento térmico posterior).

Las operaciones de soldadura involucran un gran número de aspectos que pueden tener algún tipo de impacto en su costo final, como por ejemplo la utilización de materiales consumibles (metal de aporte, gas, fundentes y otros), el costo de la mano de obra y otros costos fijos, el gasto de energía eléctrica, los costos de mantenimiento y los de depreciación de los equipos y los costos de los equipos y materiales de protección, de las piezas, herramientas y otros materiales. En el presente documento, se considerarán solamente los tres primeros aspectos mencionados en este párrafo.

Los costos de una operación de soldadura será, en general, calculado para: (a) preparar la cotización o presupuesto de un servicio en particular, (b) comparar procedimientos de soldadura entre sí y con métodos alternativos de fabricación y (c) determinar la cantidad de materiales consumibles necesarios para la ejecución de un trabajo determinado.

Varios de los coeficientes y parámetros que aquí se mencionan pueden encontrarse en tablas. Sin embargo, algunos de ellos tienden a ser muy específicos para una dada empresa , o para un trabajo en particular, lo que se recomienda en todo caso determinarlos de manera práctica.

La determinación de los costos asociados con los consumibles en la soldadura y de la mano de obra se basa en el cálculo de la masa de metal depositado en un cordón de soldadura y del tiempo de

soldadura. Este cálculo se presentará en los siguientes puntos para el caso más simple de un único tipo de junta soldada y de una única estación de trabajo.

En la mayoría de las ecuaciones aquí presentadas no fueron incluidos factores de conversión por el uso de diferentes sistemas de unidades. Le cabe al usuario verificar cuidadosamente las unidades utilizadas para evitar problemas de consistencia sistémica.

2.- Cálculo de la masa de metal depositado (Md):

La cantidad de metal depositado en el cordón de soldadura se determina en función de su volumen. Para tal efecto, se hace necesario determinar el área de la forma geométrica de la sección transversal del cordón, la cual se multiplicará por la longitud total del cordón. Adicionalmente se hace necesario conocer la densidad del metal de aporte, el cual se multiplicará por el volumen anteriormente calculado. Algunos valores de densidades aproximadas de aleaciones más comunes se presentan en la tabla a continuación:

Tabla Nº 1: Valores de las densidades aproximadas de algunas aleaciones metálicas.

Aleación Densidad (g/cm3)Acero al carbono 7.8Acero inoxidable 8.0Aleaciones de cobre 8.6Aleaciones de aluminio

2.8

Aleaciones de níquel 8.6Aleaciones de titanio 4.7

Considérese la figura de una unión soldada, presentada a seguir:

En la figura, L corresponde a la longitud total del cordón de soldadura y As es el área transversal del cordón asociada con el metal depositado. De esta forma, el volumen del cordón se calcula por medio de la siguiente ecuación:

L

As

V = L*As

Si se conoce la densidad del metal de aporte (ρ) se procede entonces, a determinar la cantidad de metal depositado (Md) aplicando la siguiente ecuación:

Con la aplicación de la fórmula anterior determinamos la cantidad (gramos o libras) de metal depositado a lo largo del cordón de soldadura; sin embargo, debemos, adicionalmente, determinar el consumo equivalente de electrodos recubiertos para la ejecución del cordón de soldadura.

En este aspecto se hace necesario recurrir a datos tabulados, como por ejemplo los presentados por la Hobart Brothers Company (se hace hincapié en que para aquellos valores que no aparecen en la tabla, deberá realizarse la interpolación respectiva); o en todo caso, recurrir a cálculos bastante aproximados que relacionan la cantidad de metal depositado (Md) con la cantidad consumida de electrodo (Mce).

En estos cálculos se incluyen eventuales pérdidas de material en concepto de desperdicios y salpicaduras; lo cual representa, aproximadamente, un 80% adicional a la cantidad de metal depositado, o sea que la cantidad de electrodo consumido se calcula por medio de la siguiente ecuación:

3.- Cálculo del tiempo de soldadura (tarc – “tiempo de arco abierto”):

La determinación del tiempo de soldadura se puede realizar de dos maneras diferentes: (a) tomando en consideración la velocidad en la soldadura (v); (b) considerando la tasa o razón de deposición del proceso (zm)

3.1.- Considerando la velocidad en la soldadura (v):

3.2.- Considerando la tasa de deposición del proceso (zm):

Md = V*ρ

tarc = L/v

Mce = Md*(1.8)

La tasa de deposición (zm), es decir, la cantidad de material depositado por unidad de tiempo, depende de varios factores, incluyendo el proceso de soldadura, del tipo, del diámetro y de la longitud del electrodo, del tipo, de la polaridad y del nivel de la corriente utilizada. Una aproximación de la tasa de deposición puede obtenerse de datos presentados en la figura a continuación:

En la siguiente figura, se presentan valores de la tasa de deposición en la soldadura SAW de acero al carbono, con CC+ y longitud del electrodo de aproximadamente 25 mm en función de la corriente y del diámetro del electrodo.

El tiempo total de la operación de soldadura (tt), incluyendo el tiempo de arco abierto y el tiempo necesario para otras operaciones (remoción de escoria y resaltos, cambio de electrodos, posición del cabezote, etc, ) se calcula por medio de la siguiente ecuación:

tarc = Mce/zm

tt = tarc/φ

φ es el factor de ocupación o de marcha y algunos valores de referencia se presentan en la tabla a continuación:

Tabla Nº 2: Valores del factor de ocupación para diferentes modos de operación.

Modo de operación φ (%)Manual 05 – 30Semiautomático 10 – 60Mecanizado 40 – 90Automático 50 - 100

4.- Cálculo de los costos de la soldadura

4.1.- Costos de los electrodos (Ce)

El cálculo de los costos de los electrodos se realiza en función de la cantidad de electrodos consumidos (Mce) por el precio (Ceu) por peso de electrodo (por ejemplo $/lb o $/Kg) y dividido por la eficiencia práctica de la deposición (ψ):

Valores de eficiencia práctica de la deposición pueden obtenerse de la tabla a continuación

Tabla Nº 3: Valores típicos de ψ para diferentes procesos.

Proceso Características Ψ (%)

Electrodos recubiertos Longitud: 350 mm 55 – 65Longitud: 450 mm 60 – 70

AlambresSAW 95 – 10ESW 95 – 100GMAW 90 – 95

Alambres tubulares FCAW 80 – 85

Ce = Mce * Ceu/ψ

4.2.- Costos en la mano de obra (CMO)

El costo de la mano de obra requerido para realizar un trabajo de soldadura, es función del tiempo necesario para ejecutarlo, del factor de ocupación respectivo y del costo por unidad de tiempo de la mano de obra (Ch). Este costo se puede determinar por medio de la siguiente ecuación:

4.3.- Costos en energía eléctrica (Cee)

El costo de la energía eléctrica es función de la potencia (Kw) eléctrica media desprendida durante el proceso de soldadura, del tiempo de abertura del arco, de la eficiencia eléctrica del equipo de soldadura, la cual gira en torno de los 80% y del precio de la energía eléctrica (Pee) a nivel industrial ($/Kwh). Recordando que la potencia eléctrica es el producto de la corriente utilizada (Amperios) y el voltaje consumido (Voltios). De esta forma el costo de la energía eléctrica se puede determinar por medio de la siguiente ecuación:

5.- Ejemplo:

Determine el presupuesto en términos de material consumible (electrodos), mano de obra y de energía eléctrica requerido para la ejecución del siguiente trabajo:

CMO = tarc * Ch/φ

Cee = P*tarc*Pee/ψ

Trabajo solicitado y especificaciones

Condiciones operacionales

50 cerchas metálicas: cada una requiere de 120 uniones soldadas de 5 cm de longitud y ¼ plg (0.635 cm) de ancho. Se utilizarán electrodos E 6011 de 350 mm de longitud y 1/8 plg (0.3175 mm) de diámetro.

Soldadura manual: tasa de ocupación de 30%Eficiencia práctica de deposición 60%Eficiencia del equipo de soldadura 70%Costo de la mano de obra $1.55/hCosto de la energía eléctrica: $0.16/KwhCorriente utilizada: 120 ATensión eléctrica: 25 VTasa de deposición: 1.5 Kg/h

Resolución:

Un cordón =ancho de 0.635cm

Longitud de 5 cm. Considerando la sección transversal del cordón como de formato triangular, el volumen del cordón es ½*ancho^2* longitud, o sea:

V = ½*(0.635)^2*5*(cantidad de uniones)*(cantidad de cerchas) =

V= ½*(0.635)^2*5*120*50 = 6048.375 cm 3 , como el electrodo es de acero su peso específico es 7.8 g/cm3, con este dato se consigue determinar el peso del metal a depositar

Peso del metal a depositar = Volumen * el peso específico del metal

Peso del metal a depositar = 6048.375*7.8 = 47177.325 gramos que divido entre mil, da el peso en kilogramos.

Peso del metal a depositar = 47.177 Kg, se multiplica por 2.2 y se tiene la cantidad en libras

Peso del metal a depositar = 47.177* 2.2 = 103.79 lbs de metal.

Para determinar la cantidad de electrodo se multiplica el peso del metal por 1.8.

Peso teórico de electrodo requerido = 103.79 lbs* 1.8 = 186.82 lbs (84.92 Kg).

Para determinar la cantidad real de electrodo se divide entre la eficiencia (60%)

Peso real de electrodo requerido = 186.92 lbs/0.6 0 = 311.37 lbs

Costo de los electrodo = costo de la libra * la cantidad requerida, suponiendo que la libra de electrodo cuesta B/ 1.00, el costo en electrodo sería de $ 311.37.

Para determinar el tiempo teórico de soldadura se toma en consideración de que se deposita 1.5 Kg de electrodo por hora, como se requiere una cantidad de 84.92 Kg (186.82lbs) teóricas de electrodo, el tiempo para depositar esa cantidad es de 56.61horas.

Se calcula así: Tiempo teórico = Cantidad de electrodo teórica dividida entre la tasa de deposición.

= 84.92 /1.5 = 56.61 horas.

Para determinar el tiempo real que consumiría el soldador dependerá de la eficiencia que es de 30%, o sea que el tiempo real se calcula al dividir el tiempo teórico entre la eficiencia, o sea:

Tiempo real = Tiempo teórico/eficiencia = 56.61/0.3 = 188.7 horas.

Costo de la mano de obra = Costo por hora * tiempo de trabajo

Costo de la mano de obra = 1.55 * 188.7 = $/ 292.49

Electricidad:

Determinar la potencia consumida = Voltaje por amperaje = 120*25 = 3000 Watt, o sea 3 Kw.

Costo de electricidad = Potencia por el tiempo por el costo de la electricidad todo eso dividido entre la potencia de la máquina de soldar.

Costo de electricidad = (3*56.61*0.16)/0.7 =$ 38.82

Costo total para ejecutar la soldadura especificada es:

Costo de los electrodos + costo de la mano de obra + costo de electricidad

B/ 311.37 +B/ 292.49 +B/ 38.82 = $ 642.68