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Escuela Superior Politécnica del Litoral

Facultad de Ingeniería en Mecánica y

Ciencias de la Producción

LEMAT & LINDE-AGA

Práctica #1: “Soldadura”

Alumno: Bláss Hernández Castro

Paralelo: #1

Profesor: Msc. Omar Serrano

2015-2016

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I. RESUMEN. En la materia optativa Soldadura, se llevó a cabo una visita técnica a LINDE-AGA y se realizó una práctica en el Laboratorio de Soldadura de LEMAT-ESPOL. En ambas ocasiones, se permitió al estudiante obtener conocimiento práctico de lo que es la soldadura, sus principios, sus técnicas, sus peligros, su potencial industrial y económico para una nación. Este informe se elaboró como resumen de lo aprendido con la práctica; debido a que no se realizaron experimentos propiamente dichos, este reporte carece de conclusiones.

II. TEORÍA. II.1. Soldadura.-

La soldadura es un proceso de fabricación (escultural) que une a los materiales, generalmente metales o termoplásticos, haciendo uso de sus puntos de fusión. Es distinta de las técnicas que alcanzan temperatura más baja de unión de metales tales como soldadura fuerte y soldadura blanda, que no funden el metal base. Además de derretir el metal base, un material de relleno a menudo se añade a la articulación para formar un charco de material fundido (el cordón de soldadura) que se enfría para formar una unión que puede ser tan fuerte como el material base. La presión también puede ser usada en conjunción con el calor, o por sí misma, para producir una soldadura.

Fig. 1: Esquema de la soldadura.

Algunos de los métodos de soldadura más conocidos son:

SMAW - también conocido como "soldadura con electrodo revestido o soldadura eléctrica", utiliza un electrodo que tiene flujo, el protector para el charco, a su alrededor. El soporte del electrodo sostiene el electrodo ya que se derrite lentamente. La escoria protege el charco de soldadura de la contaminación atmosférica.

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GTAW - también conocido como TIG (tungsteno, gas inerte), utiliza un electrodo de tungsteno no consumible para producir la soldadura. El área de soldadura está protegida de la contaminación atmosférica por un gas protector inerte tal como argón o helio.

GMAW - comúnmente se denomina MIG (metal, gas inerte), utiliza una pistola de alimentación de alambre que alimenta el alambre a una velocidad ajustable y fluye un gas protector a base de argón o una mezcla de argón y dióxido de carbono (CO2) a lo largo el charco de soldadura para protegerla de la contaminación atmosférica.

FCAW con núcleo de fundente - casi idéntica a la soldadura MIG, excepto que utiliza un alambre tubular especial lleno de flujo; que puede ser utilizado con o sin gas de protección, en función de la carga.

SAW - usa un electrodo consumible con alimentación automática y una manta de flujo fusible granular. La soldadura fundido y la zona del arco están protegidos de la contaminación atmosférica al ser "sumergido" debajo de la manta de flujo.

ESW (Electro-escoria) - un proceso de soldadura pase altamente productiva, único para los materiales más gruesos entre 1 pulgada (25 mm) y 12 pulgadas (300 mm) en vertical o cercana a la posición vertical.

Muchas fuentes de energía diferentes pueden ser utilizadas para la soldadura, incluyendo una

llama de gas, un arco eléctrico, un láser, un haz de electrones, la fricción, y la ecografía. Aunque a menudo un proceso industrial, la soldadura se puede realizar en muchos entornos diferentes, incluyendo al aire libre, bajo el agua, y en el espacio exterior. La soldadura es una empresa peligrosa y se requieren precauciones para evitar quemaduras, descargas eléctricas, daños visión, inhalación de gases tóxicos y humos, y la exposición a la radiación ultravioleta intensa.

Se dice que la soldadura es un sistema porque intervienen los elementos propios de este, es

decir, las 5 M: mano de obra, materiales, máquinas, medio ambiente y medios escritos (procedimientos). La unión satisfactoria implica que debe pasar las pruebas mecánicas (tensión y doblez). Las técnicas son los diferentes procesos (SMAW, SAW, GTAW, etc.) utilizados para la situación más conveniente y favorable, lo que hace que sea lo más económico, sin dejar de lado la seguridad.

(A) (B)

Fig. 2: Circuito eléctrico del Arc Welding.

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II.2. Arc Welding.-

III) Descripción: Los procedimientos de soldaduras más empleados industrialmente son aquellos donde la fuente de calor tiene su origen en un arco eléctrico. La soldadura por arco eléctrico se basa en someter a dos conductores que están en contacto a una diferencia de potencial, por lo que termina estableciéndose una corriente eléctrica entre ambos. Si posteriormente se separan ambas piezas, se provoca una chispa que va a ionizar el aire circundante, permitiendo el paso de corriente a través del aire, aunque las piezas no estén en contacto. Los motivos principales de utilizar el establecimiento de un arco eléctrico son:

genera una concentración de calor en una zona muy delimitada;

se alcanzan temperaturas muy elevadas (> 5.000 ºC);

se puede establecer en atmósferas artificiales;

permite la posibilidad de establecerse en forma visible (arco descubierto) o invisible (arco sumergido o encubierto);

permite la posibilidad de establecerse de diversas formas, estableciendo diferentes métodos de soldeo según el caso (entre la pieza y un electrodo fusible, entre la pieza y un electrodo no fusible, entre dos electrodos fusibles o no fusibles, entre las propias piezas a unir).

Prácticamente, para el caso de la soldadura por arco eléctrico, su aplicación acapara todo el sector industrial, debido a las opciones que presentan tanto su automatización como su gran productividad. El arco eléctrico que se produce en todo proceso de soldadura se define como la corriente eléctrica que se establece a través del aire ionizado gracias a la diferencia de potencial inducida entre las partes (entre electrodo y pieza, o entre piezas a soldar). El arco eléctrico que se establece típicamente en los procesos de soldadura supone una descarga eléctrica en todo caso, que se caracteriza por su elevada intensidad de corriente (10-2000 A), bajo potencial o voltaje que se emplea (25-50 V), y su gran brillo y aporte de calor.

Fig. 3: Principio iónico de la soldadura por arco eléctrico.

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El calor provocado por el arco no sólo es intenso, sino que además está muy localizado, lo que resulta ideal para la operación de soldar. Las temperaturas alcanzadas son del orden de 3500°C. En el circuito eléctrico formado por los electrodos y el arco, la intensidad de corriente depende de la tensión y de la resistencia del circuito. Si los electrodos se acercan o se separan variará la resistencia y la intensidad y, por lo tanto, la energía se transformará en calor, con lo que la soldadura no será uniforme. Por lo tanto, desde un punto de vista práctico, esto quiere decir que para obtener soldaduras uniformes es imprescindible mantener constante la separación de los electrodos durante el proceso del soldeo. No obstante, en el siguiente apartado se profundiza sobre este asunto. B) Cebado y mantenimiento del arco: El proceso de soldadura comienza con el cebado del arco. Para que se origine el arco eléctrico, imprescindible para que ocurra la soldadura, hay que seguir la siguiente secuencia:

1. Hacemos tocar la pieza con el electrodo. Al tocar el electrodo la pieza, se cierra el circuito y se produce un paso de corriente eléctrica. Como consecuencia se origina en el punto de contacto una elevación de la intensidad, y por ende, una elevación de la temperatura en la zona de contacto hasta la incandescencia.

2. Cualquier metal en estado incandescente emite electrones, es lo que se conoce como efecto termoiónico.

3. A continuación se procede a separar el electrodo de la pieza, lo que va a permitir que los electrones emitidos ionizan el aire circundante, haciéndolo conductor, es lo que se llama efecto ionización.

Fig. 3: Cebado del arco.

Una vez establecido el arco, éste se logra mantener debido a una serie de factores que coinciden en el proceso. Por un lado, los electrones que se emiten por el metal incandescente son atraídos por la pieza que hace de ánodo (en caso de C.C. polaridad directa, es la pieza a soldar). Estos electrones debido a la velocidad que adquieren poseen una gran energía cinética. Por otro lado, los iones, átomos cargados con carga positiva (+), resultado de la ionización del aire son atraídos por el cátodo (en caso de C.C. polaridad directa, es el electrodo). El consiguiente choque de los iones sobre el cátodo, origina un aumento de la temperatura del cátodo, y por efecto termoiónico producen la emisión de más electrones que se dirigen hacia el ánodo, por lo que se mantiene el arco, y de paso, vuelven a ionizar más átomos del aire, cerrándose así el proceso. La elevada energía cinética de los electrones debido a su alta velocidad, produce que la temperatura que se alcanza en el ánodo (TA) sea mayor que la originada en la pieza que actúa como cátodo (TC):

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TC < TA TA – TC ~ 600 ºC

TA > 4000 ºC

Lo expuesto anteriormente tiene validez para el caso de uso de corriente continua. No obstante, la corriente alterna también se puede utilizar en algunos procesos para establecer el arco eléctrico, aunque su estabilidad va a ser menor. La corriente continua permite una selección más amplia de electrodos y escalas de corriente con arco más estable, por lo que suele preferirse para trabajos en posiciones difíciles y chapas finas. Con corriente continua, los dos tercios del calor los proporciona el polo positivo y el tercio restante el polo negativo. Los electrodos de fusión difícil, como los electrodos básicos, se funden mejor conectándolos al polo positivo. Lo más habitual para la soldadura por arco es emplear corriente continua con polaridad directa (C.C.P.D.)

Fig. 4: Polaridad directa. (Fuente DC).

Con esta configuración se consigue una mayor penetración de soldadura, y se evita que el electrodo se deteriore más rápidamente, dado que la temperatura que alcanza el electrodo (cátodo en caso de C.C.P.D.) es inferior a la de la pieza. No obstante, para algunos procesos se puede emplear la corriente continua polaridad inversa (C.C.P.I.).

Fig. 5: Polaridad inversa. (Fuente DC).

En este caso, se alcanza una penetración menor que si se usara polaridad directa. Es de aplicación sobretodo para soldar chapas finas. También se usa para soldar aleaciones no férreas, básicamente aluminio. Ello es debido a que durante el proceso de soldadura del aluminio, tiende a formarse en la superficie del cordón una capa de alúmina (u óxido de aluminio) que es necesario romper. Para ello el empleo de la polaridad inversa supone que la pieza pase a ser el cátodo (-) y a ella se dirigen para chocar los aniones originados por la ionización del aire, que al ser de mayor masa que los electrones, pueden romper con mayor facilidad esta capa de alúmina. Por otro lado, en esta configuración los electrodos alcanzan mayor temperatura, por lo que su duración de vida útil disminuye. Por último, decir que la corriente alterna (C.A.) sólo se puede emplear con electrodo revestido, dado que es lo que favorece para establecer el arco eléctrico.

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Fig. 6: Conexión con fuente AC.

Empleando C.A. se consiguen valores intermedios de penetración y deformaciones. Su uso es también idóneo para procesos de soldeo con electrodo no fusible (TIG) para soldadura de aluminio (Al). La corriente alterna consume menos energía y produce menos salpicaduras. También los transformadores requieren menos mantenimiento que las dinamos. La corriente alterna también se usa donde hay problemas de soplo del arco y en trabajos de soldadura en posición plana con chapas gruesas. C) Régimen eléctrico del arco: Una vez establecido el arco eléctrico, y siendo éste estable, la tensión o diferencia de potencial existente entre electrodo y pieza es suma de las tres caídas de tensión siguientes:

Caída de tensión catódica (Vc)

Caída de tensión en la columna del arco (Vo)

Caída de tensión anódica (Va)

Tanto las caídas de tensión catódica y anódica dependen del tipo de electrodo, mientras que la caída de tensión en el arco va a depender también de la intensidad de corriente que circula a su través y de la distancia entre electrodo y pieza.

Fig. 7: Caída de tensión total del electrodo.

Fig. 8: Voltaje en función de la corriente y la longitud del arco

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Valores normales de Vt se sitúa entre 20-60 Voltios. Como ya se ha dicho, Vc y Va son constantes (K) función del tipo de electrodo, mientras que Vo es función del electrodo, de la longitud de arco (L) y de la intensidad de corriente (I). Para mayor información sobre la estabilización del arco, su protección, soplado y la transferencia del material, consultar [3].

Tabla I: Intensidad, longitud y transferencia para distintos procesos de soldadura

Fig. 9: Mecanismo de transferencia de metal por cortocircuito, asocio a la salida de corriente de soldadura.

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III. PROCEDIMIENTOS. Existen una gran variedad de procedimientos de soldadura, donde la base de la fuente de calor es el arco eléctrico. Todos estos procedimientos se pueden agrupar en dos grandes grupos, por arco descubierto y por arco encubierto. A continuación se enumeran los distintos procedimientos agrupados en cada grupo: Arco descubierto:

Soldadura por arco manual con electrodos revestidos Soldadura bajo gas protector con electrodo no fusible (TIG, TIG Orbital, Plasma) Soldadura bajo gas protector con electrodo fusible (MIG, MAG, Oscilador, Electro-gas)

Arco encubierto:

Soldadura por arco sumergido Soldadura por electro-escoria (este procedimiento, aunque en realidad es un

procedimiento de soldadura por resistencia, el comienzo del proceso se realiza mediante un arco eléctrico)

Tabla II: Procesos de soldadura al arco más importantes

Procesos Fundamentos Materiales Gases

protectores

SMAW (recubierto)

Electrodo está constituido por una varilla metálica (alma o núcleo), de forma cilíndrica, recubierto de sustancias no metálicas, cuya composición química varía, según los requerimientos. El revestimiento puede ser básico, rutílico 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.

Plasma: Electrones que transportan la corriente y que van del polo negativo al positivo, con cationes metálicos, átomos gaseosos que se van ionizando y estabilizándose, y de productos de la fusión tales como vapores que formarán una atmósfera protectora. Llama: Zona que envuelve al plasma y presenta menor temperatura que éste, formada por átomos que se disocian y recombinan desprendiendo calor por combustión. Cráter: Surco producido por el calentamiento del metal. Cordón de soldadura: Está constituido por el metal base y el material de

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aportación del electrodo.

GMAW (gas)

Alimentación automática del electrodo continuo y consumible, protegido por un gas de procedencia externa. El operador hace los ajustes iniciales; el equipo regula automáticamente las características del arco. Soldador controla la velocidad, dirección del desplazamiento y posicionamiento de la pistola. La longitud del arco y la corriente son automáticos.

Pistolas Soldadoras: Para la producción e industria con corriente elevada y pistolas ligeras para soldadura fuera de posición (corriente baja). Unidad de Alimentación: Un motor eléctrico, rodillos impulsores y accesorios para mantener la alineación y la presión sobre el electrodo. Puede ubicarse en una posición remota. Control de Soldadura: Regula la velocidad del motor de alimentación del electrodo. Reguladores de Gas Protector: Proporciona una tasa de flujo constante de gas protector a presión atmosférica durante la soldadura.

Inertes: Argón y Helio Mezclas de Argón y Helio Mezclas de Oxigeno y CO2 con Argón y Helio CO2

FCAW (núcleo

fundente)

Aprovecha un arco entre un electrodo continuo de metal de aporte y el charco de soldadura. Se emplea con protección de un fundente contenido dentro del electrodo tubular, con o sin un escudo adicional de gas de procedencia externa, y sin aplicación de presión.

Pistolas Soldadoras: Están diseñadas de modo que se sostengan cómodamente, sean fáciles de manipular y duren largo tiempo. Unidad de Alimentación: Suministra el electrodo continuo al arco de soldadura con una velocidad constante. La rapidez de alimentación del electrodo determina el amperaje. Control de Soldadura: Regular la velocidad del motor de alimentación del electrodo.

Inertes: Argón y Helio Mezclas de Argón y Helio Mezclas de Oxigeno y CO2 con Argón y Helio CO2

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Fuente de Potencia: Similar a las que se usan para soldadura por arco de metal y gas (GMAW). Reguladores de Gas Protector: Los gases provienen de cilindros conectados mediante tuberías a estaciones de soldadura.

OFC-A (oxicorte)

Consiste de una llama dirigida por un soplete (combustión de los gases oxígeno-acetileno). El calor de la llama funde la superficie del metal base para formar una poza fundida. Se puede soldar con o sin material de aporte; es agregado para cubrir biseles y orificios. A medida que la llama se mueve a lo largo de la unión se produce el cordón. Se debe escoger el metal de aporte adecuado (poseer elementos desoxidantes para soldaduras de buena calidad). En algunos casos se requieren fundentes.

Cilindros de Gases: Los gases se encuentran almacenados en cilindros de acero que comprimen el fluido a 15 [MPa] y a 21[°C]. Válvulas de cilindros: Regulan el paso de los gases procedentes de los cilindros. Reguladores de presiones: Permiten aumentar o disminuir la presión a la que salen los gases antes de pasar por las boquillas. Es importante porque dependiendo del trabajo a realizarse se colocan los gases a una determinada presión.

IV. REFERENCIAS. [1] Welding, (s.f.). En Wikipedia (idioma ingles). Recuperado el 29 de noviembre del 2015 de https://en.wikipedia.org/wiki/Welding [2] El ABC de la soldadura por arco, (s.f.). En Kobelco Welding. Recuperado el 29 de noviembre del 2015 de http://www.kobelco-welding.jp/espanol/education-center/abc/index.html [3] Fundamentos de la soldadura por arco eléctrico, (s.f.). En Ingemecánica. Recuperado el 29 de noviembre del 2015 de http://ingemecanica.com/tutorialsemanal/tutorialn40.html