86 Ingeniería Eléctrica • Julio 2013

Nota técnica

Las soldaduras cuproaluminotérmicas para puestas a tierra y sus ensayos

eléctricos de calentamiento

Se analiza el ensayo de calen-

tamiento eléctrico de una solda-

dura cuproaluminotérmica -SCAT-

de un cable de cobre a muy alta

temperatura (1.000° aproximada-

mente) propuesta por los autores

en el estudio actual de la norma

IRAM 2315, en reemplazo de otro

ensayo de fusión del cable con una

SCAT (realizada a mitad del cable)

anteriormente propuesto en el

IRAM. En el Anexo A se dan las de-

finiciones normalizadas e ilustra-

das de las SCAT como una posible

introducción a esta nota técnica.

1. Los ensayos eléctricos de las SCAT en la norma IRAM 2315 [1]

Eran tres los ensayos propues-

tos hasta mayo de 2013:

- Ensayo de calentamiento/en-

friamiento (8.2.1 del esquema

2 de IRAM 2315)

- Ensayo de calentamiento y fu-

sión del conductor de cobre

con una unión soldada mode-

lo SS (8.2.2)

- Ensayo de calentamiento a muy

alta temperatura (teórica de

unos 1.000 °C) del conductor de

cobre de una unión soldada SS

2. Eliminación del ensayo 8.2.2 de fusión del conductor [2] [3]2.1 Este ensayo era el que está

en el recuadro

2.2 Razones de los autores para

proponer la eliminación del

ensayo 8.2.2

Al estudiar el tema, los autores

encontraron las razones siguientes:

A) El ensayo de fusión no está en

ninguna norma que trate del tema.

El que sí está es el de ~1.000 °C, en

la ANSI/UL 467:2004-09-03 (EE. UU.).

B) En la adjunta figura 1 pre-

sentamos la temperatura (teóri-

ca) θ (°C) en función de la energía

electrotérmica Q (kJ/kg) (kilojoule/

kilo de masa). Esta energía está de-

sarrollada, en el tiempo de ensayo,

por la corriente alterna de valor efi-

caz I (A), y comprende lo siguiente:

Por Ing. Juan Carlos Arcioni, IRAM, CGN, CEE; Ing. Jorge Francisco Giménez, CITEDEF

8.2.2 Calentamiento y fusión del conductor de cobre

8.2.2.1 Se utiliza la unión soldada del modelo SS, realizada en el centro de

un conductor de cobre de siete alambres, de una sección mínima nominal

de 4 mm2 y de un largo mínimo de 1 m.

8.2.2.2 Se hace circular la corriente de fusión del conductor hasta que fun-

da en un tiempo de 15 s como máximo

8.2.2.3 Se mide la corriente de fusión en su verdadero valor eficaz y el tiem-

po de duración de su aplicación, que se registran en el informe de ensayo.

8.2.2.4 El ensayo se da por aprobado si no se han fundido ni destruido las

soldaduras de una muestra de tres especímenes. Si algún espécimen falla-

ra se repite el ensayo con otra muestra de tres especímenes nuevos.

Ingeniería Eléctrica • Julio 2013 87

- el calor de masa para el calenta-

miento Qm del cable de Cu (cobre)

de 1 x 4 mm2- (1 metro) (IRAM 2004)

con su soldadura SS ubicada al me-

dio, por ejemplo. Este calor Qm ca-

lienta al conductor + SS hasta llegar

a θf = 1.100 °C de fusión del conduc-

tor de cobre (ver la figura 1).

- el calor latente de fusión Lf a la

temperatura de 1083 °C (teórica) que

permanece constante durante el lap-

so de fusión del metal cobre (Cu)

En la figura 1, con θ = f (Q), y el

la figura 2, con Q = F (t), se puede

apreciar que las funciones “f” y “F”

son matemáticamente disconti-

nuas porque el calor Lf introduce

la discontinuidad por el cambio de

estado físico: sólido (Cu) a líquido

(Cu) a la temperatura constante θf.

Este hecho físico (“fenómeno fí-

sico”) complica el ensayo y el man-

tenimiento de sus condiciones de

seguridad personal y técnica.

C) En la ANSI/UL 467-2004, en

su apartado 14.1 - short-time test

currents [en la columna tercera

(S mm2 – Cu), cuarta (tiempo, s) y

quinta (corriente de ensayo, A) se

especifica una función tabulada:

Ie = F [S (mm2 – Cu); t (s)]

representada en nuestra figu-

ra 3, que responde a un ensayo

de calentamiento adiabático que

debe ser resistido (o soportado)

por la unión soldada SS en nuestro

caso (ver 14.1 de la ANSI/UL 467-

2004: “The fitting shall not crack,

break or melt”).

3. Propuesta de los autores para el ensayo 8.2.3 de IRAM 2315

8.2.3 Ensayos de calentamien-

to a muy alta temperatura (teórica

de ≅ 1.000 °C) del conductor de

cobre de una unión soldada SS.

8.2.3.1 Se debe ensayar una

muestra de tres (o de cinco) espe-

címenes de uniones soldadas SS

(ver el 8.2.3.3).

A cada espécimen de unión sol-

dada del tipo (o modelo) SS realiza-

da sobre un conductor de cobre de

4 mm2 (siete alambres) se le aplica la

corriente Ie durante el tiempo Te de

corta duración, según la tabla XYZ.

8.2.3.2 Cada unión soldada, en-

sayada según el 8.2.3.1 no se debe

rajar, quebrar, romper o fundir

como consecuencia del calenta-

miento con la corriente Ie de corta

duración te.

8.2.3.3 Por convenio previo en-

tre fabricante y usuario se podrán

elegir otras secciones de cables de

cobre según la tabla XYZ.

Tabla XYZ - Ensayos de co-

rrientes Ie de corta duración te re-

sistida por uniones soldadas en

conductores de cobre

Sección nominal (cobre)

Corriente de ensayo Ie (valor

eficaz)

Tiempo te de

duración de Ie

mm2 A s2,5 350 44 570 46 850 410 1.160 616 1.850 625 2.900 635 4.060 650 4.700 970 6.580 995 8.930 9120 11.280 9150 14.100 9185 17.390 9

4. Complemento explicativo de la propuesta de 3

4.1 Tabla XYZ incorporando

las densidades de corriente Je en

el tiempo te

Nota: Tabla calculada según la tabla 14.1 de la norma ANSI/UL 467:2004-09-03 (USA)

Sección nominal (cobre)

Corriente de ensayo Ie (valor eficaz)

Tiempo te de duración de Ie

Densidad de corriente Je en el tiempo te

mm2 A s A/mm2

2,5 350 41424 570 4

6 850 410 1.160 6

11616 1.850 625 2.900 635 4.060 650 4.700 9

94

70 6.580 995 8.930 9120 11.280 9150 14.100 9185 17.390 9

Nota: Tabla calculada según la tabla 14.1 de la norma ANSI/UL 467:2004-09-03 (USA)

88 Ingeniería Eléctrica • Julio 2013

Nota técnica

4.2 Tabla UVW

Análisis termodinámico de

la tabla 14,1 (pág. 16) de la nor-

ma ANSI/UL 467 (2004/09/03),

reproducida en las tres primeras

columnas que siguen.

S cobre

t I ensayo

K Jt

mm2 s A As½/mm2

A/mm2

2,1 4 300 286 1453,3 4 470 285 1425,3 4 750 283 1428,4 4 1.180 281 14213,3 6 1.530 282 11521,2 6 2.450 283 11626,7 6 3.100 284 11633,6 6 3.900 284 11642,4 6 4.900 283 11653,5 9 5.050 283 9467,4 9 6.400 285 9585 9 8.030 283 94

107 9 10.100 283 94127 9 1.200 283 94

4.3 Cálculos para la tabla UVW

según el Anexo A, IRAM 2281-3,

año 2012:

4.3.1 Cálculo de la temperatura

final θf

K = K0 √ln(β+θf)/(β+θi); K = (I √t)/S

ln [(β+θf)/(β+θi)] = (K/K0)2

(β+θf)/(β+θi) = exp (K/K0)2

β+θf = (β+θi) exp (K/K0)2

Nota: se adoptaron, para calcular la tabla XYZ, los

valores subrayados de la densidad de corriente Jt

(A/mm2) de corriente Ie durante el tiempo t.

θf = (β+θi) exp (K/K0)2 - β

4.3.2 Cálculos de θf = F (K, θi)

a) Sea K = 281, 283, 285, calcu-

lar θf si θi = 30 °C

K θf (°C)281 1.007283 1.034285 1.062

b) Fusión de cobre: θf = 1.083 °C,

siendo θi = 30 °C

K = K0 √ln(β+θf)/(β+θi) =

226.1,267 ≅ 286,4 ∴ Kf ≅ 286-287

5. AgradecimientosLos autores de este artículo

agradecen al ingeniero Jorge Clapes

por su colaboración tecnológica en

el IRAM, y a Alejandro Menéndez de

Jesús, Romina Simone y Alejandra

Bocchio por la confección editorial.

1] Bibliografía

2] [1] IRAM -Instituto Argentino de Normaliza-

ción y Certificación- Buenos Aires

3] Norma IRAM 2315 Materiales para puesta a

tierra. Soldadura cuproaluminotérmica

4] Primera edición 1998

5] Segunda edición 1999

6] Tercera edición en estudio (2012 y 2013)

7] [2] Arcioni, Juan Carlos, Propuesta del

ensayo de calentamiento de un cable de cobre

con una soldadura SS (IRAM 2315) a muy alta

temperatura (1.000 °C aprox.) - Anexo 2 al acta

2-2013 (18/4/2013) y Anexo 2 a acta 3-2013

(23/5/2013) del subcomité Materiales para Pues-

ta a Tierra del IRAM (coordinador Ing. Salvador

David Carmona)

8] [3] American National Standards Institute

(ANSI)/Underwriters Laboratories (UL) – USA:

ANSI/UL 467:2004/09/13: “Standard for groun-

ding and bonding equipment”

100 200

200

500

700

1000

θ =1100

θi= 30

θ(°C)

θ400 500

LfQm

Fusión

Fusión a ~ 1100 ˚C

Calentamiento

Hipóte

sis LI

NEAL θ

= F

(Qm

)

600 (kJ/kg)

Figura 1. Temperatura θ (°C) del cable de cobre con una soldadura SS en un ensayo de calentamiento y de fusión en función del calor

(energía electrotérmica) Q (kJ/kg de masa) desarrollado por la corriente alterna Ie que lo recorre durante el tiempo de ensayo te (ver figura 2)

Ingeniería Eléctrica • Julio 2013 89

Q

t

( (kJkg

Qm (20 °C/1083 °C)

Lf (1083 °C)

Fusión a 1083 °C

Calor latente

Calentamiento hasta 1083 °C

10

419

628

20

100%

67%

33%

50% ~70% 100% (%)

Figura 2. Esquema del calor (energía electrotérmica) necesario para calentar un conductor de cobre desde θi = 20 °C hasta θf = 1.083 °C, y fundirlo a 1.083 °C

DatosQm (20°C/1.083 °C) = c m (θf – θi)c = 0,394 (kJ/kg K) Qm ≅ 419 kJ/kgm = 1 kgLf = 209 kJ/kg siendo θf = 1.083 °C = constQtotal = Qm + Lf = 628 kJ/kgt = tiempo de fusión (%)

Figura 3. Funciones Ie = F [S (mm2 Cu); te (s)] de corrientes Ie (A) de ensayo de cables de cobre de S (mm2) durante te (s) a muy alta temperatura (1.000 °C aprox. teórico) según la tabla 14.1 de ANSI/UL 467:2004 (EE.UU.) [3]

90 Ingeniería Eléctrica • Julio 2013

Nota técnica

Anexo ANorma IRAM 2315 (esquema 2 )

en estudio en el IRAM durante 2012 y 2013. Materiales para puesta a tierra. Soldadura cuproaluminotérmica.

Definiciones (versión de los au-tores del capítulo 3 de IRAM 2315 – Esquema 2/2012-2013)

3.1 Soldadura cuproalumino-térmica

Proceso de soldadura por ter-mofusión, donde el calor necesa-rio se obtiene por el efecto reduc-tor del aluminio sobre el óxido de cobre, que genera una reacción exotérmica de alta temperatura. El material de aporte es el cobre fundido y recalentado, resultante de dicha reacción termoquímica.

Nota: este proceso de soldadu-ra se ilustra en la figura 1.

3.2 Molde para soldaduras (ver 3.2 en figura A2)

Conjunto de piezas mecaniza-das de grafito u otro material, pro-vistas por el fabricante, necesarias

para la realización de cada tipo o modelo de soldadura.

3.3 Tipo o modelo de soldaduraSon las designadas en el anexo

C de esta norma de acuerdo con el criterio de utilización más común de la soldadura.

3.4 Carga o cartucho de sol-dadura (ver 3.4 en figura A2)

Cantidad de material de aporte (fraccionada y envasada por el fa-bricante) necesaria para cada tipo de soldadura. Se identifica conven-cionalmente por un número entero.

3.5 Elemento de ignición (ver 3.5 en la figura A2)

Elemento provisto por el fabri-cante (por ejemplo, polvo, mecha, dispositivo de chispa, etc.) conteni-do en un envase individual que se utiliza para provocar la ignición y la consecuente reacción termoquími-ca de la carga de la soldadura.

3.6 ManijasHerramientas intercambiables

de acero que permiten sujetar, manipular, abrir y cerrar los mol-des de dos partes, a causa de su alta temperatura de trabajo.

3.7 ArmadurasHerramientas intercambiables

de acero que permiten sujetar, manipular, abrir y cerrar los mol-des de particiones múltiples (dos o más partes) cuando tienen altas temperaturas de trabajo.

2.8 Disco metálico (ver 3.8 en la figura A2)

Pieza metálica circular cóncava que mantiene la carga de solda-dura dentro del crisol o embudo de molde y que permite (por su fusión a una temperatura prede-terminada) la colada del cobre fundido y recalentado sobre las piezas que deben ser soldadas.

Nota: en la figura A2 se da un ejemplo de una vista en corte de un molde con los elementos de soldadura definidos en 3.2, 3.4,

3.5 y 3.8.

Figura A1. Proceso de una soldadura cuproaluminotérmica

Figura A1a. Reacción exotérmica de una

soldadura

Figura A1b. Colada del material fundido

sobre las piezas a soldar

Figura A1c. Fin de la colada y formación

de la soldadura

Figura A1d. Soldadura finalizada

Ingeniería Eléctrica • Julio 2013 91

Anexo BExtracto del anexo C del es-

quema 2 de IRAM 2315:2012.

Designación de las uniones

soldadas de uso más común para

cables

Figura A2. Vista en corte de un molde de soldadura con las piezas a soldar (indicando entre paréntesis los apartados del capítulo 3, defini-ciones del esquema 2 de la norma IRAM 2315)