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NOTIACESCO • Edición Nº 4

PROCESOS DE SOLDADURA

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1. Uniones mediante SoldaduraLa soldadura puede defi nirse como un proceso de unión de partes, principalmente implicando la co-hesión localizada de ellas por fusión y/o presión, generalmente con un elemento o material de apor-te. Las piezas a unir se conocen como material base y el proceso conlleva a la formación de cristales co-munes por difusión en la frontera de unión.

Dentro de las características más importantes que se deben tener en cuenta para obtener excelentes resultados en el proceso de soldadura están: Com-posición química, tamaño de grano y el espesor de la placa.

a. Composición químicaEl elemento más importante que afecta la soldabi-lidad es el carbono, sin embargo, el efecto de otros elementos también se tiene en cuenta mediante una fórmula de carbono equivalente. Se obtienen mejores resultados en la soldadura a medida que el carbono equivalente es menor, debido a que la máxima dureza y la fragilidad, que un acero puede llegar a alcanzar después de un rápido descenso de temperatura con medios enfriadores, es direc-tamente proporcional al carbono equivalente. Esta relación se puede observar en la Figura 1. Aleaciones de Ni, Cr y Mo en el acero permiten el endurecimiento con bajas tasas de enfriamiento, incluso aumentando la dureza a distancias alejadas de la superfi cie; el precalentamiento es la solución más común para la disminución de la tasa de enfria-miento y dureza.

PROCESOS DE SOLDADURA

La soldadura como método de unión de dos piezas metálicas ha resultado ser un proceso vital en el desarrollo de las estructuras, fácil de emplear y con gran efectividad, implicando variables que deben ser consideradas detalladamente si se quiere un resultado óptimo. Hoy día la ciencia ha avanzado mucho en materia de soldadura, permitiendo la utilización de tecnologías vanguardistas como robots y procesos automáticos de gran velocidad, pero que en su mayor parte se realiza en taller. Este boletín describe los principales aspectos a tener en cuenta para una excelente unión de dos piezas soldadas, los procesos más comunes (Arco eléctrico, por llamas, por puntos y por presión) y recomendaciones generales para conseguir la cohesión idónea de las partes a unir.

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nen buenos resultados en la soldadura para aceros con un tamaño de grano fi no.

c. EspesorEn general, si el espesor a ser soldado disminuye, se mejora la soldabilidad del material. Las láminas grue-sas absorben el calor con tasas de enfriamiento más rápidas que las láminas delgadas usando el mismo tipo de soldadura. Una solución parcial para ello es precalentar la lámina y mantenerla a una tempera-tura de unos cientos de grados centígrados para las condiciones de operación de la soldadura.

2. Tipos de SoldaduraLos procesos de soldadura más conocidos son: Arco eléctrico, por llamas, por puntos, por presión, etc. Para su elección se debe realizar un análisis téc-nico económico. a. ArcoEl calor de fusión es obtenido mediante un arco eléctrico entre las piezas y un electrodo que puede ser de aporte o no. El electrodo puede ser una va-rilla metálica recubierta, dicho recubrimiento cuan-do se vaporiza es una de las formas empleadas para garantizar una atmósfera protectora para el mate-rial localmente fundido durante el proceso.

Los electrodos son diseñados usualmente para de-positar un material de aporte con un contenido del 0.008% a 0.12% de carbono para evitar agrietamiento.

b. Tamaño de GranoSe obtienen buenos resultados en la soldadura para aceros con un tamaño de grano fi no1; el tama-ño de grano es una de las principales variables que afectan la ductilidad y la resistencia al impacto. Un grano es una porción del material dentro del cual el arreglo de los átomos es casi idéntico. Los materia-les de ingeniería normalmente son policristalinos. La orientación del arreglo de átomos, ó estructura cristalina, es distinta en cada grano vecino. La zona donde se encuentran 2, ó más granos, se denomi-na límite de grano, y es la zona donde se detienen las dislocaciones producto de las cargas externas. Un método para controlar las propiedades de un material metálico es controlar su tamaño de grano. Al reducir este, se aumenta su cantidad, y en conse-cuencia se aumenta la cantidad de superfi cies lími-tes aumentando la resistencia del mismo. Se obtie-

Máxima dureza para acerosal carbono y aleados

70

60

50

40

30

20

100 0.20 0.40 0.60 0.80 0.0

255

180

140

MÁX

IMA

DURE

ZA, R

OCKW

ELL

C.

ESFU

ERZO

DE

TENS

IÓN

EQUI

VALE

NTE

Ksi

PORCENTAJE DE CARBONO

Figura 1. Máxima dureza obtenida para tasas de enfriamiento elevadas en función del porcentaje

de carbono del acero

(1) Se define “grano” como aquella estructura de segunda fase conformada por la aglomeración de celdas unitarias las cuales están constituidas por átomos. El acero estructural utilizado en ACESCO posee grano de tamaño fino para laminado en frío, grano grande para laminado en caliente y tamaño regular para el galvanizado. Los metales de grano pequeño tienen mayor resistencia a la tracción, mayor dureza y se distor-sionan menos durante el temple, así como también son menos susceptibles al agrietamiento. Los aceros de grano grande son más dúctiles.

Cable de masa

Máquinapara soldar Arco

Pieza

Cable del electrodo

Electrodo

Porta electrodo

Figura 1. Esquema general soldadura por arco eléctrico.

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mucha resistencia eléctrica, no se utilizan consumi-bles, es un proceso automatizable especial para es-pesores delgados.

d. Soldadura por presiónSe aplica calor sin lograr la fusión total, se llevan los materiales hasta el estado plástico y se aplica presión hasta conseguir la unión. Dentro de esta naturaleza de procesos incluye la soldadura por forja.

El siguiente esquema muestra la distribución de temperatura en las vecindades del metal base al momento de aplicar cualquier tipo de soldadura:

Figura 3 distribución de temperatura en ZAC.

3. Ventajas y desventajas de la soldaduraDentro de las ventajas y desventajas prácticas en la selección de la soldadura como método de co-nexión se pueden listar las siguientes:

Ventajas• Bajo cargas estáticas no inducen concentraciones de esfuerzo importantes y puede por tanto reem-plazar a los remaches con bajo nivel de ruido.

b. Llama o GasEl potencial eléctrico para obtener la coalescencia del metal base se obtiene de la llama generada en la quema de un combustible (Gas natural, Butano, Propano, Acetileno, Gasolina, etc.) en presencia de oxigeno, O2. Normalmente el metal de aporte es desnudo y se alcanzan temperaturas hasta de 3300°C dependiendo del material base.

Llave de corte

Manómetro de alta presión

Manómetro de baja presión

Llave de paso

Extintor

Combustible (C2H2)

Oxígeno (O2)

VálvulaAntirretroceso

VálvulaAntirretroceso

Manguerasflexibles

Boquilla

Soplete

c. Soldadura por resistenciaLas partes a unir se presionan una contra otra por un electrodo, se hace circular una corriente eleva-da y el potencial energético para la coalescencia se obtiene del efecto joule sobre materiales a unir de

Figura 2 Esquema general soldadura por llama.

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Figura 4. Confi guraciones de soldaduras

• Es un método de unión económicamen-te ventajoso para producción de volúmenes pequeños.

• Puede requerir procesos mecánicos más simples que otros métodos de unión como las roscadas o remachadas en determinados espesores, es-pecialmente en los bajos.

• Es un proceso fl exible en que la maquinaria utili-zada se puede adaptar fácilmente a cambios en el diseño con bajo costo herramental.

Desventajas• Limitado desempeño a cargas dinámicas que implica la realización de tratamientos mecánicos y térmicos para mejorarlo.

• Emisión de radiaciones y calor que pueden afec-tar la salud de los operarios.

• Elevada difi cultad para la separación.• Requiere de personal de adecuada califi cación para su realización.

• Introduce concentración de esfuerzos y tensio-nes residuales.

• Introduce deformaciones no deseables.• Puede requerir técnicas de inspección o ensayo especiales para garantizar la efi ciencia de la junta y controlar los defectos que pueden ser focos po-tenciales para la nucleación y crecimiento de fi su-ras, especialmente en carga dinámica o estática bajo determinadas condiciones de temperatura o químicas.

• Su diseño puede implicar la aplicación de mode-los de mecánica de la fractura.

4. Configuraciones de soldadura y posiciones del electrodoLas diferentes confi guraciones de uniones median-te soldaduras las encontramos en la Figura 4.

Las diferentes posiciones del soldador en las que se puede ejecutar las soldaduras se ilustran en la Figura 5. Figura 5. Posiciones de aplicación de soldadura

(a) Plana

(b) Horizontal

(c) Vertical

(d) Sobrecabeza

Soldadura acanalada Soldadura de fi lete

Soldaduras de Filete

Soldaduras a tope

Soldaduras traslapadas

Soldadura de borde

Agudo Agudo Múltiple

Convexo Concavo Garganta

Raíz

U simpleJ simple

Longitud del Cateto

Longitud del Cateto

Múltiple

V sencilla

V sencilla con apoyo

CuadradaBisel simple

Bisel doble

Bisel sencillo con apoyo

Doble V

Obtuso

Soldaduras de esquina

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Clasf. Corriente Arco Penetración Fundente y Escoria

EXX10EXXX1EXXX2EXXX3

EXXX4

EXXX5EXXX6EXXX8EXX20

EXX22

EXX24

EXX27

EXX28EXX48

DCEPAC o DCEPAC o DCENAC o DCEP o DCENAC o DCEP o DCENDCEPAC o DCEPAC o DCEPAC o DCEN

AC o DCEN o DCEPAC o DCEN o DCEPAC o DCEN o DCEPAC o DCEPAC o DCEP

PenetrantePenetranteMedianoSuave

Suave

MedianoMedianoMedianoMediano

Mediano

Suave

Mediano

MedianoMediano

ProfundaProfundaMediana

MedianaMedianaMedianaMediana

Mediana

Ligera

Mediana

MedianaMediana

Celuloso - Sodio (0-10% de polvo de hierro)Celuloso - Potasio (0-10% de polvo de hierro)Titanio - Sodio (0-10% de polvo de hierro)Titanio - Potasio (0-10% de polvo de hierro)

Titanio - Polvo de hierro (25-40% de polvo de hierro)

Bajo Hidrógeno - Sodio (0% de polvo de hierro)Bajo Hidrógeno - Potasio (0% de polvo de hierro)Bajo Hidrógeno - Polvo de hierro (25-40% de polvo de hierro)Óxido de hierro - Sodio (0% de polvo de hierro)

Óxido de hierro - Sodio (0% de polvo de hierro)

Titanio - Polvo de hierro (50% de polvo de hierro)

Öxido de hierro - Polvo de hierro (50% de polvo de hierro)

Bajo Hidrógeno - Polvo de hierro (50% de polvo de hierro)Bajo Hidrógeno - Polvo de hierro (25-40% de polvo de hierro)

DCEP - Corriente Directa Electrodo Positivo. DCEN - Corriente Directa Electrodo Negativo.Nota: El porcentaje del polvo de hierro esta calculado en base al peso del fundente.

Tabla 2. Codifi cación de usabilidad del electrodo

a. Soldadura de arco con metal de aporte protegido (SMAW)

Figura 6 Esquema de aplicación de soldadura SMAW en perfi les formados en frío.

5. Materiales y procedimientos de soldaduras en perfiles ACESCOEl Instituto Americano de Soldadura (American Welding Society, AWS) utiliza un sistema de codifi -cación para los electrodos de consumo con el obje-to de designar el esfuerzo de fl uencia y la combina-ción de sus recubrimientos.

Los procesos de soldadura discutidos en este boletín corresponden a los de arco: Soldadura de arco con me-tal de aporte protegido (shielded metal arc welding, SMAW), soldadura de arco sumergido (Submerged arc welding, SAW), soldadura de arco metálico gaseoso (Gas-metal arc welding, GMAW) y soldadura de arco con núcleo fundente (Flux-cored arc welding, FCAW). Estos procesos usan energía eléctrica de una descarga de arco entre el electrodo de acero y el metal base para proporcionar el calor de fusión. Los más utilizados para la formación de perfi les tipo “cajón” de Acesco y, en general, para el ensamble de estructuras metálicas con perfi les formados en frío son el SMAW y el GMAW, y su elección depende en gran medida de las condiciones ambientales del lugar donde se realice la obra.

En este proceso, se mantiene un Arco Eléctrico entre la punta de un electrodo cubierto (Coated Electro-de) y la pieza a trabajar. Las gotas de metal derretido son transferidas a través del arco y son convertidas en un cordón de soldadura; un escudo protector de gases es producido de la descomposición del material fundente que cubre el electrodo, además, el fundente también puede proveer algunos com-

Electrodo recubierto

PRINCIPIO DE SMAWTansferencia de metal

Arco

Gas de protección

Pieza de trabajo

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plementos a la aleación, la escoria derretida se es-curre sobre el cordón de soldadura donde protege el metal soldado aislándolo de la atmósfera durante la solidifi cación, esta escoria también ayuda a dar-le forma al cordón de soldadura especialmente en soldadura vertical y sobre cabeza. La escoria debe ser removida después de cada procedimiento.

En la corriente de arco, la humedad cae y libera áto-mos de hidrógeno los cuales son fácilmente solu-bles en el hierro fundido. Cuando se solidifi ca la sol-dadura, el hidrógeno se vuelve menos soluble y los átomos son expulsados combinándose para formar moléculas de H2 menos volátiles. Esta molécula de hidrógeno puede combinarse con los esfuerzos de contracción para ejercer presión en las imper-fecciones internas lo cual es sufi ciente para causar fi suras y grietas en la soldadura. Lo anterior puede prevenirse manteniendo el contenido de humedad de los electrodos consumibles bajo niveles específi -cos y un apropiado precalentamiento.

Existen dos tipos de Especifi caciones de la AWS para los electrodos del proceso SMAW: El AWS A5.1 y AWS A5.5 resumidos en las siguientes tablas:

Ejemplo: E-7018-MoE = Electrodo cubierto70 = 70 x 1000 Psi = 70.000 Psi de fuerza de tensión.1 = Cualquier posición, (de piso, horizontal, vertical y

sobre cabeza) (Ver Tabla 3)8 = AC o DCEP Corriente Alterna o Directa con Electrodo

Positivo “+” (Ver Tabla 2)Mo= Molibdeno en el material después de depositado.

Los electrodos con bajo contenido de hidrógeno E7015, E7016, E7018 y E7028 tienen recubrimientos especiales generados por tratamientos, mantenien-do un contenido de humedad limitada (Hidróge-no) por peso. A medida que el esfuerzo de tensión de diseño del metal base aumenta, se deben selec-cionar electrodos con bajo contenido de humedad para evitar el agrietamiento de la soldadura. Los electrodos se deben almacenar en hornos de seca-do para evitar que absorban humedad del ambien-te. Este método (SMAW) se emplea frecuentemen-te cuando se presentan altas velocidades de viento en el punto de ejecución de la soldadura.

Clasifi cación AWS para los metales de aporte de la especifi cación A5.1

Electrodo cubierto de acero “dulce”

E - X X X X(1) Lo identifica como electrodo.(2) y (3) Dos primeros dígitos indican su resistencia a la tensión x 1000 psi.(4) Indica posición que se debe usar para optimizar la operación del electrodo.(5) Indica la usabilidad del electrodo, Ej: tipo de corriente y tipo de fundente, en algunos

casos, tercer y cuarto dígito son muy significativos.

(1) (2) (3) (4) (5)

Tabla 1. Clasifi cación AWS A5.1


Electrodo cubierto de baja aleación de acero

E - X X X X - X X(1) Lo identifica como electrodo.(2) y (3) Dos primeros dígitos indican su resistencia a la tensión x 1000 psi.(4) Indica posición que se debe usar para optimizar la operación del electrodo.(5) Indica el uso del electrodo, Ej: Tipo de corriente y tipo de fundente, en algunos casos,

tercer y cuarto digito son muy significativos.(6) y (7) Composición química del material después de depositado.

(1) (2) (3) (4) (6)(5) (7)


Ejemplo: E-6010E = Electrodo cubierto.60 = 60 x 1000 Psi = 60.000 Psi de fuerza de tensión.1 = Cualquier posición (de piso, horizontal, vertical y so-

brecabeza) (Ver Tabla 3)0 = DCEP (Direct Current Electrode Positive) Corriente

Directa “DC” Electrodo Positivo “+” (Ver Tabla 2)

Clasf. Posición

EXX1X Cualquier posición (de piso, horizontal, sobrecabeza y vertical)

EXX2X Horizontal y de piso solamente

EXX3X De piso solamente

EXX4X De piso, sobrecabeza, horizontal y vertical hacia abajo

Tabla 3. Codifi cación para posición del electródo

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65% es aprovechado como parte de la soldadura, el uso de alambre solido y el alambre tubular ha incre-mentado la efi ciencia entre 80-95% a los procesos de soldadura.

El proceso MIG opera en D.C. (Corriente directa) usualmente con el alambre como electrodo posi-tivo. Las corrientes de soldadura varían desde unos 50 amperios hasta 600 amperios, en muchos casos en voltajes de 15V hasta 32V; se obtiene un arco au-to-estabilizado con el uso de un sistema de fuente de poder de potencia constante (voltaje constante) y una alimentación constante del alambre.

Existen dos especifi caciones de la AWS para elec-trodos de GMAW: A5.18 y A5.28.


Electrodos de acero al carbón para soldadura de arco protegida por gas

ER - XX S - X(1) Las primeras dos letras lo identifican como alambre o varilla desnudas.(2) Resistencia a la tensión x 1000 Psi.(3) La letra intermedia indica su estado físico sólido.(4) Composición química del alambre.

(1) (2) (3) (4)



Electrodos de acero al carbón para soldadura de arco protegida por gas

ER - XXX S - XXX(1) Las primeras dos letras lo identifican como alambre o varilla desnudas.(2) Los tres primeros números indican la resistencia a la tensión x 1000 Psi.(3) La letra intermedia indica su estado físico sólido.(4) Los últimos tres dígitos indican la composición química del alambre.

(1) (2) (3) (4)


b. Soldadura de arco metálico gaseoso (GMAW)

MIG ( SOLDADURA METAL GAS INERTE )

Metal

Gas inerte

Contacto

Tubo- Vc

Arco

Pieza de trabajo( perfiles )

La Soldadura de Arco Metálico Gaseoso (Gas Metal Arc Welding, GMAW) o soldadura MIG (Metal Inert Gas) es un proceso en el cual un arco eléctrico es mantenido entre un alambre sólido que funciona como electrodo continuo y la pieza de trabajo. El arco y la soldadura fundida son protegidos por un chorro de gas inerte o activo. El proceso puede ser usado en la mayoría de los metales y gama de alam-bres en diferentes aleaciones y aplicaciones.

La soldadura MIG es inherentemente más produc-tiva que la soldadura de arco manual, donde las pérdidas de productividad ocurren cada vez que el soldador se detiene para reemplazar el electrodo consumido. En la soldadura de arco manual tam-bién es notable la pérdida cuando el restante del electrodo que es sujetado por el portaelectrodo es desechado. Por cada kilogramo de varilla de elec-trodo cubierto comprado, solamente alrededor del

Figura 7. Esquema de aplicación de soldadura GMAW en perfi les formados en frío ACESCO

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Lo que determina la ejecución correcta de este pro-ceso es:

• La fl uidez de la soldadura fundida• La forma del cordón de la soldadura y sus bordes• La chispa o salpicaduras que genera (Spatter)• La condición de viento

Un buen procedimiento de soldadura está caracte-rizado por la poca presencia de porosidad, buena fusión y una terminación libre de grietas o rajaduras.

La porosidad, es una de las causas más frecuente-mente citadas de una soldadura pobremente eje-cutada, es causada por el exceso de oxígeno de la atmosfera, creada por el gas usado en el proceso y cualquier contaminación en el metal base, que, combinado con el carbón en el metal soldado forma diminutas burbujas de monóxido de carbono (CO).

Se han desarrollado alambres que contienen ele-mentos (desoxidantes), tales como manganeso (Mn), silicio (Si), titanio (Ti), aluminio (Al) y zirconio (Zr), con los cuales el oxígeno se combina preferi-blemente para formar escorias inofensivas.

La fl uidez de la soldadura fundida en el cordón de soldadura es muy importante debido a que, cuan-do ésta es sufi cientemente fl uyente mientras está en su estado líquido, tiende a moverse sola llenan-do los espacios hasta los bordes produciendo una forma rasa. Excesiva fl uidez podría generar proble-mas en la ejecución de la soldadura en ciertas po-siciones o haciendo soldaduras sobre fi letes cón-cavos horizontales. El incremento en el voltaje del arco tiende a incrementar la fl uidez, haciendo las soldaduras más rasas afectando la penetración de los bordes, generando más salpicaduras y podrían causar la perdida de elementos que forman parte de la aleación.

Se debe ejecutar en sitios cerrados, preferiblemen-te en taller, donde el soldador se encuentre prote-gido de elevadas velocidades de viento, ya que este desplazará la capa protectora gaseosa y permitirá la presencia de elementos indeseables provenientes de la humedad del ambiente que son perjudiciales para los resultados de la soldadura.

c. Soldadura de arco sumergido (SAW)Los procesos Soldadura de arco sumergido (SAW) automáticos y semiautomáticos proporcionan con-sistencia, alta calidad y depósitos económicos que son particularmente apropiados para soldaduras de gran longitud. Su mayor limitación es que el trabajo debe ser en posiciones de soldaduras plana u ho-rizontal. En el proceso SAW, los fundentes pueden ser fusionados o aglomerados (componentes en polvo fi no unidos mediante silicatos). Los funden-tes deben mantenerse secos en bodegas para evi-tar un incremento en el contenido de humedad y así impedir el agrietamiento en el acero.

d. Soldadura de arco con núcleo fundente (FCAW)Los electrodos de soldadura de arco con núcleo fundente (FCAW) son hechos mediante el forma-do de una cinta de lámina delgada en una forma de U y llenados con fundente. Después de cerrar el tubo, éstos son llevados a formar un rollo con-tinuo. AWS clasifica estos electrodos de acuerdo a: 1) Si se usa o no el dióxido de carbono como una protección separada de gas. 2) Si es aplica-ción sencilla o de múltiples pasadas. 3) El tipo de corriente 4) La posición de la soldadura y 5) propiedades mecánicas del metal de aporte. Se pueden conseguir altas tasas de producción de soldaduras con un equipo semiautomático que puede usarse en cualquier posición con el elec-trodo apropiado.

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