universidad autonoma san francisco
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UNIVERSIDAD AUTÓNOMA SAN FRANCISCO
FACULTAD DE INGENIERÍAS ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA MECÁNICA
TRABAJO DE INVESTIGACIÓN PARA OPTAR EL GRADO ACADÉMICO DE BACHILLER
AREQUIPA – PERÚ
2021
ESTUDIO DE GASES EMITIDOS EN LOS PROCESOS DE SOLDADURA ELÉCTRICA, MIG MAG Y TIG DEL TALLER DE SOLDADURA EN UNIVERSIDADES, AREQUIPA-
PERÚ, 2019
Presentado por el Egresado:
Choque Huisa, Edwin
Para optar el grado Académico de Bachiller
en Ingeniería Mecánica.
Asesor: Magister Luis Rubén Flores Pérez
Contenido Contenido ...................................................................................................................................... 1
Preámbulo .................................................................................................................................. 4
Planteamiento Teórico ............................................................................................................. 5
1. Problema de Investigación .............................................................................................. 5
1.1. Identificación del Problema: .................................................................................... 5
1.2. Enunciado del Problema: ......................................................................................... 5
2. Justificación ....................................................................................................................... 5
2.1. Aspecto Social ........................................................................................................... 5
2.2. Aspecto tecnológico. ................................................................................................ 6
2.3. Aspecto Económico .................................................................................................. 6
3. Alcance ................................................................................................................................ 7
4. Antecedentes de la Investigación .................................................................................. 7
5. Marco referencial ............................................................................................................. 12
Mercado................................................................................................................................. 13
Electrodo ............................................................................................................................... 15
6. Marco teórico ................................................................................................................... 16
Tipo de Material y composición ....................................................................................... 16
Clasificación General de Procesos de Soldadura ........................................................ 19
Soldadura por Arco Eléctrico ........................................................................................... 21
Fuentes de Energía ............................................................................................................. 22
Caída de tensión .............................................................................................................. 22
Procesos de Soldadura ...................................................................................................... 24
SMAW .................................................................................................................................... 24
Fundamentos básicos de la electricidad ........................................................................ 25
Varillas o fundentes para el Arco Eléctrico ................................................................ 27
Normas para la Soldadura. ............................................................................................ 29
Máquinas de soldar para arco eléctrico:.......................................................................... 30
GMAW .................................................................................................................................... 32
Electrodo y/o suministro de Alambre .......................................................................... 33
La clasificación de acuerdo al gas de protección ........................................................... 34
Ventajas.............................................................................................................................. 35
Limitaciones ....................................................................................................................... 36
Fuente de Energía ........................................................................................................... 37
Sistema de alimentación de Alambre .......................................................................... 38
Proceso de fundicion...................................................................................................... 41
Los materiales de aporte en MIG – MAG ........................................................................ 42
Maquina de soldar o fuente de Energia........................................................................... 44
Procesos TIG ........................................................................................................................ 46
Equipo de soldar ............................................................................................................. 47
Gas de protección ........................................................................................................... 48
Electrodos ......................................................................................................................... 49
Ventajas.............................................................................................................................. 49
Limitaciones ....................................................................................................................... 50
Aplicación y Seguridad para el proceso TIG ............................................................. 50
Causas y efectos a la salud por Proceso TIG ............................................................ 51
El proceso de soldadura Oxiacetilénica ......................................................................... 52
Procedimiento por soldadura Oxiacetilénica............................................................. 53
Material de Aporte ............................................................................................................. 54
Equipo de Soldar y fuente de Energía ......................................................................... 55
Variante de Soldadura por Oxiacetilénica .................................................................. 56
7. Marco Institucional.......................................................................................................... 58
Materiales, aleaciones y gases que afectan a la salud ................................................ 58
Límites de Exposición ........................................................................................................ 63
Clasificación de gases ....................................................................................................... 64
Humos por Soldadura ........................................................................................................ 64
Equipos de Protección ....................................................................................................... 66
Seguridad 3M ................................................................................................................... 66
8. Operacionalización de Variables de investigación ................................................... 69
9. Interrogantes de la investigación. ................................................................................ 69
10. Objetivos. ...................................................................................................................... 70
10.1 Objetivo General ......................................................................................................... 70
10.2 Objetivos específicos ................................................................................................ 70
11. Hipótesis. ...................................................................................................................... 71
PLANTEAMIENTO OPERACIONAL ...................................................................................... 72
1. Metodología de investigación. ...................................................................................... 72
2. Técnicas e instrumentos de recolección de datos ................................................... 72
2.1 Técnicas de recolección de datos ............................................................................. 72
2.2 Instrumentos de recolección de datos ..................................................................... 72
3. Campo de Verificación ................................................................................................... 72
3.1 Ubicación espacial: ................................................................................................. 72
3.2 Ubicación temporal ................................................................................................. 72
3.3 Unidades de estudio ............................................................................................... 73
3.3.1 Población ........................................................................................................... 73
3.3.2 Muestra .............................................................................................................. 73
4. Técnicas e instrumentos de recolección de datos ................................................... 73
Instrumentos ........................................................................................................................ 73
4.1 Organización .................................................................................................................. 73
4.2 Recursos ........................................................................................................................ 74
4.3 Interpretación de datos ................................................................................................ 74
4.4 Análisis de datos .......................................................................................................... 74
5. Cronograma ......................................................................................................................... 74
Conclusiones ........................................................................................................................... 76
Referencias .............................................................................................................................. 77
Preámbulo
En el Perú, directamente en el sur del país en la ciudad de Arequipa, dentro
del sector mecánico, la industria metal mecánica tiene una deficiencia en
procesos de soldadura antes, durante y después de realizar dicho proceso,
nos referimos a la contaminación producida por la misma donde la acción de
unión de metales por soldadura genera desechos y contaminación; como los
humos, particulados, sólidos y contaminación auditiva, se allá empresas y
Universidades del rubro no tienen desarrollado acciones preventivas que
ayuden a mitigar dicha contaminación y exponen a los operarios a producir
ciertas afecciones a la salud, por lo mismo se ha encontrado que antes de
tomar acciones sean preventivas o correctivas se debe realizar un estudio
que comience por los tipos de procesos de soldadura más comerciales o
usadas, las aleaciones a soldar, las fuentes de energía que se usan, los
materiales de aporte que se usan para el relleno y que se funden o queman,
también se debe estudiar o reconocer las reacciones que provocan en el
ambiente al llegar a un estado de fusión; conociendo todas estas premisas
estaremos dentro de la capacidad de usar el equipo de protección adecuada
para el soldador e implementar adecuadamente el área de trabajo.
Dentro de la formación universitaria se ha cursado procesos de soldadura
donde cada proceso presentaba distintos tipos de fuentes de energía y por
ende distintos tipos de contaminantes, como resultado se pudo experimentar
mareos, quemaduras leves y molestias nasales; por lo cual se presentó la
duda y se buscó saber que tan graves pueden ser estos contaminantes a
corto, mediano y largo plazo para la salud y que acciones se podría tomar.
Planteamiento Teórico
1. Problema de Investigación
1.1. Identificación del Problema:
En las universidades y centros de estudios como la Universidad
Autónoma San Francisco se encuentran áreas derivadas para procesos de
soldadura en modalidad de prácticas, en el caso de la mencionada
universidad se ubica en el taller de aprendizaje galpón “C”, donde se realizan
diferentes procesos de soldadura, los mismos que generan gases dañinos
que afectan al ambiente y la salud de los alumnos, particularmente durante
sus horas prácticas.
1.2. Enunciado del Problema:
En el taller para soldadura de la Universidad Autónoma San Francisco
se observa que carece de un sistema para la extracción de gases, los mismos
que son generados durante los procesos de soldadura, estos se desconocen
qué tipo de contaminación producen y si es directa e indirecta a los alumnos
que se encuentran en aprendizaje, para ello se estudiara y analizara que tipos
de gases son los emitidos.
2. Justificación
2.1. Aspecto Social
El estudio y análisis de gases emitidos por procesos de soldadura y
contaminación dentro de un taller de soldadura de aprendizaje o en el campo
laboral, tiene como objeto el conocer los contaminantes, poder identificarlos
y tomar acciones para la disminución de dichos contaminantes en todo taller
metal mecánico.
2.2. Aspecto tecnológico.
Al realizar el estudio de estos gases se podrá tomar acciones y se
evaluaran opciones para la disminución de estos contaminantes, las acciones
a tomar de forma más rápida y eficaz, es el uso de equipo de protección
personal para procesos de soldadura, como siguiente opción a tomar en
cuenta es adquirir un extractor de humos, para ello este extractor de humos
puede ser comprado o fabricado, y este deberá contar en el diseño regirse
de acuerdo a necesidades OSHA (norma reguladora medioambiental), dicho
estudio ayudara reconocer que tipos de gases son emitidos, afecciones hacia
el estudiante y valores permitidos.
2.3. Aspecto Económico
El estudio y conocimiento del tipo de gases que se hallan en los
procesos de soldadura, aquellos más usados en las industrias (arco eléctrico,
MIG MAG y TIG), podrá ayudar a prevenir enfermedades o desarrollo de
patologías que afecte la salud de los alumnos y docentes inmersos en el
curso teórico-práctico, también podrá ayudar a una implementación de
equipos para los alumnos respecto a protección personal y cierta
implementación para la extracción de gases o un taller de metal mecánica
mejor organizado.
3. Alcance
El análisis y estudio de gases por procesos de soldadura permitiría sugerir
posibles soluciones a la reducción del mismo, en tal caso se podrá tomar
acciones, el primer punto a enfatizar son los equipos de protección personal
(EPP) del alumnado para estos procesos, una segunda posible acción será la
implementación de una maquina extractora de humos en el taller de soldadura
en la Universidad Autónoma San Francisco, permitiendo el fácil proceso de
aprendizaje de todo alumno que este cursando y cursará Procesos de
Soldadura, con un óptimo ambiente de trabajo y la menor la cantidad posible de
gases emitidos por los procesos de soldadura, este estudio ayudara no solo a
los alumnos de la Universidad Autónoma San Francisco, también se podrá
replicar en todo centro de estudio que dicte procesos de soldadura.
4. Antecedentes de la Investigación
En los procesos de aprendizaje de los alumnos de ingenierías, como
Ingeniería Mecánica, Ingeniería Industrial y afines; se tiene programado en su
curricular el curso de formación universitaria “Procesos de soldadura: Arco eléctrico,
MIG-MAG y TIG”, para ello el curso se dicta en forma teórica y práctica. La
enseñanza en la parte práctica de los alumnos y docentes encuentra el problema
de una exposición de contacto directo con los procesos físico-químicos, por ende,
por los gases emanados, hollín o material particulado.
Los procesos de soldadura eléctrica y oxiacetilénica (Procesos presentes en
los talleres de la Universidad), son los procesos más comunes, fácil de operación,
económicos y comerciales en el mercado laboral, pero como contraparte se hace el
uso de fuentes de energías contaminantes al medio ambiente y a la persona, este
proceso opera con gases y materiales celulósicos con un alto nivel de contenido en
metales, como por ejemplo el material a fundir (electrodos consumibles), y por ello
se trabaja en ciertas condiciones en estos procesos. Se halla una serie
consecuencias al trabajar con estos procesos sin una buena protección personal y
un ambiente de trabajo inadecuado (talleres), estos factores provocan al estudiante
de sufrir daños en su salud de forma momentánea o permanente, si fuera el caso
de no tomar las acciones correspondientes antes, durante y después de inhalar los
gases de los procesos de soldeo.
Los procesos de soldadura tienen como concepto la unión de metales, por
ello tenemos dos o más piezas de metal a unir por medio de un proceso físico
químico producido por cierto cambio de temperatura en puntos específicos, esto se
logra llevando al material de aporte y material a soldar al punto de fusión, donde
ambos elementos deben de tener una aleación metálica de características similares,
en el mercado de metalmecánica para la unión de piezas metálicas o aleadas se
encuentran una gran variedad de procesos de soldeo o tipos de soldadura de
acuerdo al tipo de metal a unir y las funciones a cumplir de la pieza soldada, al
tener distintos procesos de soldeo pueden o no estar presentes el material de aporte
o electrodo consumible, en el caso de usar un material de aporte este es fundido al
momento de ser depositado entre los dos metales, estos electrodos pueden estar
revestidos con la finalidad de proteger la unión y en caso no tengan revestimiento
alguno se usaran gases y cambiara el proceso de soldeo a usar.
El material de aporte contiene un revestimiento que al ser quemado expulsa
gases químicos y cierto material solidificado, cuya función principal es de proteger
la soldadura y/o cordón como se mencionó anteriormente, esto en el caso de la
soldadura por arco eléctrico, ahora bien hay algunas excepciones donde no se
requiere material de aporte, debido a que en algunos tipos de soldadura se requiere
una cierta presión o haz eléctrico para la unión de los metales, como por ejemplo
tenemos al proceso de soldadura por puntos.
Las fuentes de energía en los procesos de soldadura tienen como función
principal el cambio de temperatura, es decir, producir calor en cierto punto del metal
donde se desea realizar la unión, estas fuentes pueden provenir de una llama de
fuego que resulta de la quema de gases combustibles; un ejemplo claro, económico,
muy comercial y de fácil aplicación en el campo de metal mecánica es la soldadura
oxiacetilénica, este proceso posee el nombre gracias a las fuentes de energía
usadas ya que se mezclan dos gases, el oxígeno y acetileno; como un segundo
ejemplo encontramos a la soldadura por arco eléctrico, este un proceso que se
realiza por una fuente de energía eléctrica, la energía eléctrica se genera por una
maquina conversor de energía eléctrica, la cual presenta un circuito abierto y para
realizar la unión o proceso de soldeo se debe cerrar dicho circuito con un
cortocircuito logrando un flujo de electrones constante en un circuito cerrado, para
poder realizar la unión se requiere que ciertos puntos lleguen al estado de fusión de
los metales, por ende se debe inducir a un corto circuito para que mediante un
electrodo y la pieza a soldar puedan fundirse, entonces el proceso o principio de
funcionamiento está dada por cierta resistencia eléctrica, esta resistencia eléctrica
es ofrecida por la corriente que al momento de pasar entre las piezas a soldar
permitan a los metales a llegar al punto de fusión y puedan unirse mediante el
material de aporte, en este caso el electrodo revestido.
Los electrodos como material de aporte en la soldadura eléctrica vienen
provistos de un revestimiento que al momento de fundirse generan gases y tienen
como función principal el cuidar el cordón que une los metales soldados, mientras
que la parte negativa resulta de los gases emanados ya que estos son dañinos para
los pulmones y el medio ambiente, estos gases pueden afectar la respiración de
todo aquel que se encuentre en el entorno.
Cualquier proceso de soldadura donde se requiera unir aleaciones metálicas
predispone que los metales tengan que alcanzar el estado de fusión y generen
gases, estos gases mayormente tóxicos al momento de emanarse pueden producir
una serie de riesgos nada desdeñables de diferente naturaleza hacia la salud, por
ello se debe tener en cuenta que hay riesgos de accidentes y riegos de
enfermedades que se producirán de acuerdo a la relación con la fuente de energía
utilizada para el proceso de soldeo, como por ejemplo tenemos las siguientes
fuentes de accidentes:
Energía eléctrica (electrocución, quemaduras, etc.).
Llamas (quemaduras, incendios, etc.).
Manejo de gases (explosión, incendios, quemaduras, etc.)
Relacionados con el proceso en sí: Generación de radiaciones no
ionizantes (perjudiciales para los ojos y la piel).
Generación de gases y humos tóxicos (su composición dependerá
del electrodo, los metales a soldar, la temperatura, etc.).
Operacionales complementarias como el amolado, cepillado,
desbarbado, etc.
Relacionado con el área de trabajo: lugares poco ventilados y/o
confinados, trabajos a altura.
Estudiantes de la Universidad de la Ciudad de México DF y profesionales del
medio hallaron que en los procesos como la soldadura por arco eléctrico sin
protección personal se tiene el riesgo de inhalar un aproximado de medio gramo de
partículas venenosas durante una jornada laboral de 8 horas continuas, lo que
generaría una intoxicación de 100 gramos al año y representaría 2.5 kilogramos en
25 años y como una consecuencia a largo plazo a través de los años esta persona
desarrollaría cáncer pulmonar, este es un estudio que fue realizado por la
Universidad de Ciudad de México, DF México.
La contaminación por procesos de soldeo presenta otra variante de
contaminación, que básicamente es la inhalación de humos metálicos provenientes
del metal de base y electrodo (material de aporte), estos gases emitidos
comúnmente por el tipo de soldeo pueden ser los óxidos de hierro, cobre, cromo,
níquel, manganeso, cobalto, aluminio, molibdeno, titanio, tungsteno, vanadio y
demás. Las aleaciones como el acero inoxidable que tiene una composición
químicamente rica en cromo y níquel, dentro de los procesos de soldadura resultan
un riesgo muy alto para los operarios o soldadores de padecer cáncer pulmonar,
debido a que los humos emitidos y la naturaleza de esta aleación compuesto de
cromo hexavalente, es un productor del elemento cancerígeno.
Repitiendo el concepto anterior de que todo tipo de metal puede ser unido
con otro metal de las mismas características o similar composición química
mediante el proceso de soldadura tenemos al manganeso, metal que al ser
expuesto a altas temperaturas en un proceso de soldadura emana gases tóxicos
que al entrar en contacto directo y una exposición de forma crónica o continua a
estos humos, pueden provocar efectos sobre el sistema nervioso central y como
resultado una enfermedad parecida al Parkinson, dicho esto el manganeso es uno
de los gases más tóxicos en los procesos de soldadura.
El cadmio es una aleación metálica muy comercial para la fabricación de
componentes o piezas metálicas, y que al momento de ser expuesto a cambios de
temperaturas muy altas emitirá gases dañinos, la inhalación y exposición frecuente
y directa del soldador e indirecta hacia el observador los afectará de forma aguda al
“órgano diana” el pulmón, una segunda afección será una falla crónica a los riñones.
5. Marco referencial
El OSALAN (Instituto Vasco de Seguridad y Salud laborales) institución
ubicada en la ciudad de Bilbao España, publico un artículo el año 2009 donde define
que los humos emitidos en los procesos de soldadura son una mezcla de partículas
y gases, que son emanados y generados dentro de la combustión de combustibles
sólidos y/o metales en un determinado punto de fusión, estas sustancias están
presentes en los procesos de soldeo y corte de metales, comúnmente los gases y
partículas metálicas son generados por fuentes de energía como los gases o laser,
por ejemplo, tenemos al proceso de oxicorte (Soldadura por oxiacetileno).
Estas sustancias se generan fundamentalmente en:
• La unión de piezas a soldar.
• Los recubrimientos superficiales de estas piezas (pintura, Niquelado, etc.).
• Los materiales de aporte utilizados en el proceso de soldadura (electrodo
revestido).
En los procesos de soldadura los humos generados son formados por el
calentamiento y descomposición de los materiales, entonces se tiene la
contaminación procedente del material base sea en un proceso de corte, vaciado o
demás; en cualquier de los casos el material base siempre llegara al punto de fusión
generando contaminantes.
Mercado
Los metales bases más usado en el mercado comercial para los procesos de
soldadura son los siguientes, el acero al carbono que al momento de entrar en
estado de fusión emite el hierro y manganeso; el acero inoxidable produce hierro,
manganeso, cromo y níquel; el Aluminio genera cobre, estaño y sub derivados como
el manganeso y el plomo; en conclusión la mayoría de estas aleaciones usadas
para la metal mecánica en procesos de soldadura siempre generan dos elementos
o sustancias contaminantes el manganeso y hierro, elementos químicos que
pueden producir cáncer pulmonar.
Se debe tener en cuenta que el metal más usado para la mecánica es el
hierro el cual obtendrá ciertas características al ser aleado con carbono u otros
aleaciones, las características más usuales y requeridas será la fácil maleabilidad,
buena conducción eléctrica, tenacidad y demás dependiendo a la función que vaya
a requerir la pieza a fabricar y/o soldar, por lo mismo se genera una gran variedad
de humos metálicos, información obtenida del profesor Aldo Pastinante en su página
Ajuste mecánico, Blog dirigido a estudiantes de escuelas técnicas.
El mercado actual comercializa distintos tipos de metales y materiales de
aporte (electrodo) con ciertos recubrimientos, uno de los recubrimientos más
comerciales es el galvanizado, este recubrimiento contiene compuestos como el
zinc y al llegar al estado de fusión o fundición generan óxido de zinc, también
tenemos un material común en el mercado de metales con recubrimiento es el metal
cromado que al estar expuesto a altas temperaturas genera oxido de cromo; otro
recubrimiento muy comercial es el niquelado que genera oxido de níquel, al igual
forma se tiene recubrimiento de cadmio que genera oxido de cadmio; además de
recubrimientos por elementos metálicos y químicos, encontramos los
recubrimientos a base del uso de pinturas, barnices, resinas o plásticos, todos ellos
al exponerse a cierto nivel de temperatura elevada generan monóxidos de carbono,
anhídrido carbónico y descomposición de sustancias orgánicas, entonces las
pinturas, barnices con compuestos de poliuretano pueden desprender disocianatos
dañinos al sistema respiratorio.
Electrodo
Los electrodos como material de aporte consumible deben tener la
composición en su núcleo similar a la del material base a soldar y la composición
del revestido puede contener solidos celulósicos, grafito cobreado u otros; estos
compuestos son especiales de acuerdo al tipo de material base a soldar; para el
caso de electrodos desnudos se usarán los revestimientos gaseosos, es decir otro
tipo de proceso de soldeo diferente al arco eléctrico como la soldadura
oxiacetilénica, TIG y MIG-MAG.
Los revestimientos que se usan en los procesos de soldadura sean solidos o
gaseosos tienen como fin el disminuir contaminantes procedentes del aire y posibles
impurezas que pueda poseer el material a soldar, por ejemplo, en los procesos de
oxicorte, TIG, MIG-MAG y arco eléctrico nos tiende a presentar cierta oxidación de
nitrógeno del aire y la contaminación del ozono con acciones de radiaciones
ultravioleta sobre el oxígeno del aire.
Fig. 1: Electrodo consumible – Proceso por Arco Eléctrico
6. Marco teórico
Para conocer que tipos de gases se emanan en los procesos de soldadura
se debe conocer los principios básicos de soldadura, también se debe enumerar
que tipo de soldaduras hay en el mercado comercial, los componentes,
herramientas a usar, los materiales que se aplicara para cada tipo de aleación
(metal con nivel de carbono) a soldar y los procesos antes – durante y después de
realizar la soldadura.
Tipo de Material y composición
El tipo de metal o material a usar esta diferenciado por el mayor o menor
número de contenido de carbono que le da ciertas características en cuanto a su
composición física, dicha composición se constituye por una infinidad de granos
metálicos y cada uno de estos granos constituye un arreglo periódico de átomos,
entonces este arreglo de granos metálicos ira formando una estructura cristalina o
Fig. 2: Electrodo no Consumible – Proceso MIG MAG
también conocida como retícula cristalina, la separación de estas retículas
cristalinas en distancias menores o mayores determinaran las propiedades
mecánicas de los metales y por ello se debe considerar que la unión de estas
retículas cristalinas dependen de como los átomos van ligados entre sí, esta
característica es elemental en este tipo de sólidos (aleaciones metálicas), por ello
ha de tenerse en cuenta que cada retícula cristalina tiene un límite o zona de
transición conocida como límite de grano, este límite de grano es la característica
que permitirá poner dos zonas de transición una frente al otro permitiendo la unión
o proceso de soldadura; en conclusión se tomara estas características y ciertas
condiciones para determinar el más adecuado proceso de soldeo que lleve al
contacto entre sí de esta partícula y la unión de su estructura metálica de una forma
controlada.
Para realizar un tipo de soldadura de forma adecuada y controlada se debe
comprender los procesos físicos reales de las superficies metálicas, los metales
presentan cierta rugosidad que a simple vista no puede ser observados, y de ahí se
entiende que para el reconocimiento del metal se dará mediante un microscopio
donde se podrá visualizar ciertas características, como los valles
microscópicamente compuestos y desiguales que comprenden las superficies
metálicas, si estos valles son extremadamente grandes o desiguales visibles al tacto
se tendrá la opción de cierta preparación mecánica debido a que agentes de la
superficie exterior ayudaran a reducir el contacto o unión de metales, como
resultado la unión soldada podría ser de mala calidad con características mecánicas
defectuosas.
Los factores externos como los ambientales, la humedad, el óxido y demás;
intervienen en la superficie metálica provocando ciertos problemas que no ayudan
a lograr una buena unión soldada, por consiguiente, la soldadura estudia todos los
medios adecuados y prácticos para producir uniones de átomos adecuados. En el
manual de soldadura de SOLDEXA nos especifica que para realizar uniones de
soldadura se debe emplear recursos que nos ayuden y permitan hacer una
clasificación de los procesos de soldadura.
Se entiende que cada proceso de soldadura debe buscar el contacto íntimo
mayor posible de los átomos y valles de dos metales, por ejemplo, la soldadura a
presión o por puntos busca someter a dos metales a una presión recíproca que
permitirá lograr un mayor contacto entre sí, ayudará a permitir y llevar a romper
agentes externos que impidan la unión de los metales.
Como se mencionó líneas arriba la soldadura por presión es un proceso que
busca someter a los metales y podemos usar energía térmica a cierto nivel sin llegar
Fig.3: Valles Microscópicos - Metal
al punto de fusión, ya que en dicho proceso se especifica que los metales a unir no
deben exceder el punto de fusión y a la par estar por debajo de este, en general el
usar energía térmica en cualquier proceso de soldadura ayudara a reducir la tensión
de la fluencia de los materiales que se soldaran, se reducirán los óxidos y por ende
se evaporizara la humedad que se encuentre en la superficie de los metales.
Otros procesos más comunes en el campo de la soldadura como el de arco
eléctrico y oxiacetilénica tienen como fin el fundir áreas determinadas o locales, para
no afectar el metal en su totalidad y lograr la eliminación de elementos externos ya
mencionados obteniendo un íntimo contacto.
Conociendo estos principios de soldadura, las múltiples posibles aplicaciones
que dependerán exclusivamente del material a soldar con características conocidas
como su espesor, su grado de dureza, las especificaciones operacionales y todo lo
que conlleve a la preparación de los metales a soldar en un determinado ambiente,
se hallara el más optimo proceso de soldeo una buena unión, otro factor a tallar es
conocer y determinar los costos del proceso de soldeo, y si se requerirá algún
proceso de acabado a la unión soldada.
Clasificación General de Procesos de Soldadura
En la siguiente imagen se presenta la clasificación y la carta maestra de los
procesos de soldadura como lo especifica el manual de soldadura para el soldador
de Soldexa – Oerlikon en su séptima edición.
La clasificación general de los procesos de soldadura está determinada por
el proceso de fusión y por presión; por fusión como el arco eléctrico, laser, haz
electrónico, aluminotérmica y las oxi-acetilénica; mientras el arco eléctrico se
ramifica es distintos procesos, este es el proceso más común y económico del
Fig. 5 Carta maestra de los procesos de soldadura (AWS)
Fig. 4 Clasificación General de los Proceso de Soldadura
mercado actual, con variantes respecto al material de aporte y fuente de energía a
usarse, teniendo en cuenta que en el mercado del arco eléctrico existen la soldadura
por medio de electrodo revestido, arco sumergido, arco abierto TIG, MIG-MAG,
hidrogeno atómico y plasma; por otro lado en el caso de soldadura por presión se
divide en dos tipos de procesos, la primera es la soldadura por presión a resistencia
la cual también tiene variantes como resistencia continua, proyección, punto, a tope,
electro escoria; y como segundo proceso de soldadura tenemos a presión en frio, el
cual se divide en soldadura por presión en frio de ultrasonido, Indentacion y
explosión.
Soldadura por Arco Eléctrico
La soldadura por arco eléctrico es un proceso que presenta dos tipos de
contaminación, la primera es la contaminación directa donde se genera químicos
nocivos, por ejemplo tenemos el humo metálico o particulados, estos humos se
comprenden por partículas metálicas desprendidas en el momento del depósito de
material de aporte o quemado de electrodo, los particulados son medidas en micras
y al momento de aglomerarse se presenta como una fina capa de polvo y pueden
causar problemas respiratorios, el segundo tipo de contaminación en el soldeo con
arco eléctrico es conocido como contaminantes físicos, es decir, el calor extremo
producido en la fundición del material de aporte y metal base, seguido del ruido que
se genera al realizarse el arco eléctrico o corto circuito. La soldadura eléctrica tiende
a ser la más comercial por su economía y fácil operación, pero por lo mismo en la
medida de operación o cuidado en el proceso por parte de operario son mínimas
causando mayor contaminación y accidentes.
Fuentes de Energía
Los fuentes de poder o la energía a usarse en los procesos de soldeo
requieren distintos niveles de poder en carga o trabajo, por ejemplo tenemos al
proceso automático donde el tiempo de trabajo o arco debe ser mayor que los
procesos normales, en el caso del proceso de soldeo por arco eléctrico habrá ciertas
interrupciones como en el momento del cambio de electrodo, ya que este es
consumible y también por fatiga del operario dentro de jornadas de trabajo
constante, a ello se denomina como ciclo de trabajo y el cual está representado por
el porcentaje de tiempo que la fuente de poder o máquina de soldar debe entregar,
esta es una corriente nominal al trabajo y el tiempo en que se determina este ciclo
es dentro de 10 minutos, entonces diremos que si tenemos un ciclo del 60% este
deberá entregar una corriente nominal durante 6 y cada 10 minutos, para procesos
automáticos el ciclo de trabajo debe ser del 100% y para ello se debe tener en
cuenta que los equipos de soldar deben ser de mayor tamaño donde las potencias
sean elevadas como de 750 amp. a más, y que normalmente son equipos de
soldadura automática y semiautomática, donde se empleara un rango de una hora
para determinar dicho ciclo de trabajo y al obtener el valor se probara la maquina
durante tres horas seguidas al 75% del ciclo de trabajo obtenido a corriente nominal,
estas pruebas deben ayudar a controlar la temperatura de la máquina y los
componentes de la misma.
Caída de tensión
Las máquinas de soldar en algunos casos son provistas de un voltímetro que
hace cálculos en cuanto a la salida de voltaje, este resultado se da entre la suma
del voltaje de arco, la porta electrodo, el electrodo, la conexión a la masa y pieza a
soldar, entonces conociendo que el proceso de soldadura es una operación de alta
corriente debemos saber que se presentaran caídas de tensión muy altas que
resultará como perdida de voltaje. La caída de tensión puede presentarse por otros
factores, como la de elementos o accesorios defectuosos, inadecuados o con
resistencia y reactancia baja, para estos otros factores se debe cumplir un estándar
emitido por las Normas NEMA (National Electrical Manufacturers Association) que
define que una caída en los cables de 2 voltios es lo máximo permisible.
Estas causas por caída de tensión ayudan a degradar los accesorios y
pueden causar un incendio o como el de generar gases tóxicos que será otra fuente
de contaminación para el operario.
La caída de tensión y la degradación de los materiales por un mal
mantenimiento, generan operaciones a altas temperaturas, también encontraremos
otras posibles fallas gracias a una ruptura de cable, conexiones malas o
desajustadas, falso contacto por polvo u oxidación, elementos inadecuados como
pinzas de menor tamaño, una conexión de masa a larga distancia y el usar
electrodos hasta su punto máximo, lo que provocaría un sobrecalentamiento del
porta electrodo; en resumen las corrientes elevadas y las caídas de voltaje afectan
el funcionamiento de una máquina de soldar y como resultado no se obtendría una
buena penetración del cordón de soldadura.
Procesos de Soldadura
SMAW
El proceso SMAW (shielded metal arc welding) o conocido también como
proceso de soldadura mediante arco metálico con electrodo (stick electrode
welding), es un proceso de fácil aplicación y operación simple, práctico para unir
piezas a bajo coste y con una gran capacidad de operación en distintas aleaciones.
El principio de funcionamiento de este proceso se da mediante la
transformación de la energía eléctrica a energía térmica, dicha temperatura excede
los cuatro mil grados centígrados (4000 °C) en caso lo amerite el metal base a
soldar, en este proceso la energía eléctrica se presenta mediante un flujo de
electrones que van formando un circuito cerrado que va conectada a la superficie
metálica (puesta a tierra-polo positivo) y la tenaza o porta electrodo que cierra dicho
circuito, transformando la energía eléctrica a energía térmica en una área local
determinada (área de cortocircuito) permitiendo el proceso de unión o un contacto
íntimo entre metales.
Las partes que componen este proceso son:
Fuente de poder (máquina de soldar)
Porta electrodo
Porta masa o pinza masa
Cables, conectores
Electrodo
El material fundido proviene del electrodo denominado como material aporte,
este es depositado en el espacio entre dos metales a unir, generando un cordón de
soldadura con su respectiva protección conocido como escoria que proviene del
revestimiento del electrodo o compuesto celulósico sólido.
En líneas generales es un proceso muy usado en sistemas de mantenimiento
y reparaciones metalmecánicas de maquinaria móvil o estacionaria en zonas
industriales o vehiculares.
El arco eléctrico genera distintos tipos de agentes contaminantes en su
proceso ya mencionados anteriormente, también se puede observar otro tipo de
contaminantes como la emisión de rayos visibles muy brillantes e invisibles, que
pueden generar quemaduras ligeras directas a la piel, en el manual del soldador de
SOLDEXA pone en hincapié el uso de equipo de protección personal adecuado de
operarios soldadores.
Fundamentos básicos de la electricidad
El principio físico de transformar energía eléctrica a energía térmica es que
cumpla la ley de Ohm 𝑈 = 𝑅 ∗ 𝐼, la sigla U conocido como la tensión o voltaje, R la
resistencia del arco e “I” la intensidad de corriente y para conocer la potencia del
arco que se expresará como 𝑃 = 𝑈 ∗ 𝐼 que será expresada en watts.
Para entender mejor que es un arco eléctrico se debe tener en cuenta
fundamentos básicos relacionados con electricidad y cómo es el circuito eléctrico.
En la soldadura por arco eléctrico se presenta dos clases de corriente
eléctrica, una de ellas es la corriente alterna que se halla como un flujo de corriente
que varía de una dirección a otra opuestamente, esta corriente es oscilatoria
representada por una línea senoidal en un tiempo estimado de 100 a 200 veces por
cada segundo y estos cambios son del polo negativo al positivo e inversa, estas
oscilaciones son conocidos como ciclos y que comprende rangos de 50 a 60, en el
mercado metal mecánico del Perú la corriente alterna comercial que se utiliza es de
220 voltios y 60 ciclos que son transportadas por dos cables monofásicos o
conducidas por el sistema trifásico que utiliza tres cables; la segunda clase de
corriente eléctrica es la corriente continua, este tipo de corriente es llevada por una
misma dirección siendo esta de forma positiva o negativa, es decir la corriente se
presenta en forma unidireccional o en línea recta a diferencia de la corriente alterna
donde ocurre lo contrario(ondas senoidales), la energía en la corriente continua
debe de reconocer la dirección de flujo de corriente, conocido como polaridad y que
se ve reflejado en la conexión de este, entonces si el polo positivo es conectado a
tierra y el polo negativo al porta electrodo este será denominado como polaridad
directa o normal, en el caso inverso de las conexiones será denominado como
polaridad inversa, las máquinas que se usan para el proceso de arco eléctrico posee
un sistema que ayuda el cambio de polaridad inversa a directa o viceversa, dicho
sistema es conocido como llave de conmutación que permiten el uso de la maquina
en polaridad directa o inversa sin necesidad de cambiar los bornes de forma manual.
Un dato a conocer en una máquina de soldar de corriente alterna es el no poder
diferenciar las conexiones, debido a la naturaleza de la corriente la cual cambia de
dirección de polaridad por segundo (positivo a negativo).
El factor de polaridad es uno de los elementos más determinantes para la
fusión del material a fundir y la unión en el proceso de soldadura, puesto que se
deberá proporcionar una buena penetración del cordón de soldadura, poder generar
una mayor velocidad de depósito de material y un mejor acabado, todo esto se
logrará en el caso de usar la conexión de polaridad directa y con el uso del adecuado
electrodo revestido de acuerdo al material a soldar.
Varillas o fundentes para el Arco Eléctrico
En el proceso por arco eléctrico donde se utiliza electrodos revestidos como
material de aporte y fundente, estas son básicamente varillas de cierto diámetro de
espesor y una longitud ya estandarizada, la varilla será de la aleación que se
requiera soldar con cierto revestimiento de propiedades específicas que al momento
de fundirse en el proceso de soldeo presentara distintos tipos de gases tóxicos,
sean por la fundición del metal base, electrodo y el revestimiento del electrodo, estos
gases son la reacción a las temperaturas elevadas que por consecuencia elevan los
niveles de contaminación en el entorno del área de trabajo, en el proceso se
presenta distintas fuentes de contaminación como el consumo de la corriente
eléctrica, fuente básica para el funcionamiento de equipos de soldadura.
Los revestimientos de los electrodos terminan determinando características
muy importantes en el proceso de soldadura, como características químicas y
mecánicas de la unión soldada debido a que su composición pueden contener
materiales orgánicos y/o minerales, la funcionabilidad de estos revestimientos se
centra en generar gases protectores que ayudan a proteger la estructura del cordón
que se deposita entre los metales al soldarse, es decir, proteger la unión soldada
de la contaminación atmosférica, humedad y gases ionizantes para mantener el
arco eléctrico estable, el revestimiento después de llegar al punto de fusión genera
un masa solida conocida como escoria que cuida la unión soldada y por último no
menos importante este revestimiento generara materiales desoxidantes con
elementos de aleación y polvo de hierro.
Los electrodos están estandarizados por nomenclaturas o códigos por la
norma AWS por sus siglas en inglés, que clasificará según el núcleo y el tipo de
revestimiento; en el caso del núcleo estos pueden ser de distintos tipos de aleación,
como los electrodos para acero al carbono con niveles bajos y altos del mismo, los
electrodos para aceros inoxidables, los electrodos no ferrosos, aquellos que son de
aleaciones compuestas de metales blandos como el aluminio, el bronce y demás.
También se clasificará por el tipo de revestimiento; se tiene el revestimiento
celulósico que son de alta penetración con grado de terminación 10-11, rutilicos con
media penetración con grado de terminación 12-13, los básicos con mediana
penetración con grado de terminación 5-6-8 y el hierro en polvo de alta penetración
y un grado de terminación 4-7, estos datos fueron obtenidos según normas AWS, el
cual codifica los electrodos revestidos según características ya descritas.
La composición química de los electrodos se basa según la cantidad del material
depositado, ejemplo:
Electrodo con código E-7018 genera 0.09% de carbono, 1.22% de
manganeso y 0.46% de silicio
Electrodo con código E-6010 genera 0.13% de carbono, 0.5% de
manganeso y 0.2% de silicio.
Los datos son obtenidos de valores básicos de la publicación del manual de
soldadura de SOLDEXA.
Normas para la Soldadura.
La Norma AWS que determina características de los electrodos nos muestra
en este caso como ejemplo los electrodos para aceros de baja aleación y los más
comerciales:
E 6011, nombre comercial CELLOCORD AP
E 7010, nombre comercial CELLOCORD 70
E 7018, nombre comercial SUPERCITO
E 11018, nombre comercial TENACITO 110
La norma determina estos códigos como la sigla “E” donde se asigna que el
electrodo es usado para soldadura eléctrica manual, en caso de los números los
primeros dos, cuatro o tres dígitos en un numero de cinco dígitos señalaran la
resistencia mínima de tracción sin tratamiento térmico en post soldadura, ejemplo:
E 60XX………… 62000 𝑙𝑏𝑠𝑝𝑢𝑙𝑔2⁄ mínimo
E 70XX………… 70000 𝑙𝑏𝑠𝑝𝑢𝑙𝑔2⁄ mínimo
E110XX………. 110000 𝑙𝑏𝑠𝑝𝑢𝑙𝑔2⁄ mínimo
En el caso de los últimos dígitos están ligados al tipo de corriente y polaridad
a usarse, estos dos últimos códigos también representaran el tipo de revestimiento
y la clasificación de acuerdo al mayor porcentaje de materia prima en el
revestimiento, como ejemplo veremos al electrodo “E 6010” con un contenido de
celulosa de un 30% en el revestimiento por lo cual este será denominado electrodo
celulósico, este tipo de caracterización se da en todos los electrodos para arco
eléctrico.
Máquinas de soldar para arco eléctrico:
Las maquinas usadas en el proceso de soldadura por arco eléctrico tienen
que contar con ciertas características, como por ejemplo tener la potencia
adecuada, el fácil encendido y un buen mantenimiento de estas, se mencionara las
características más relevantes como:
Voltaje; se requiere que la máquina de soldar transforme el voltaje de la red
eléctrica a un voltaje en vacío, permitiendo un inicio en cero, es decir, la
maquina al entregar un voltaje en vació, el voltaje hará una variación de 30 a
90 voltios.
Conversión automática e instantánea de voltaje; dicha conversión es el paso
del voltaje en vacío a un voltaje en trabajo al momento de realizar el arco y
el cual también debe mantener, el voltaje entregado por la maquina debe de
estar en rango de 17 a 45 voltios para para mantener el arco.
La máquina debe de contar con un sistema de regulación de amperaje o
corriente que será necesario al momento de soldar, se debe tener en cuenta
que el operario ah de soldar distintos metales con características como el
grosor o diámetro, la aleación de este, posición de trabajo y diámetro del
electrodo y ciertas condiciones ambientales.
Por último, la máquina de soldar debe entregar una alimentación de corriente
o amperaje constante que pueda mantener el arco encendido de forma
óptima y continua.
En general las máquinas de soldar deben ser robustas ante la humedad,
temperaturas bajas o que esta se adecue a las condiciones de trabajo del soldador
u operario.
En la actualidad existen una gran variedad de máquinas de soldar y cuyas
características están dispuestas según su fabricación, ya sean estáticas o rotativas;
las maquinas estáticas son las de transformadores, rectificadoras y las mixtas
(transformadora y rectificadora), estas pueden poseer un ventilador o no; las
rotativas están compuestas de motores a combustión interna (gasolina o diésel) con
un dinamo incluido y las de motor eléctrico son de rotación constante.
Las características de las máquinas de soldar están denominadas de
acuerdo al tipo de fuente de poder, siendo estática y dinámica; las máquinas de
soldar como ya se mencionó deben de proporcionar corriente constante y la tensión
que demanda para mantener el arco encendido, este dependerá del voltaje y
amperaje que pueda suministrar, a los que llamamos fuentes de corriente constante
y de tensión constante.
En el manual de soldadura de OERLIKON-EXSA nos menciona que la norma
“NEMA” National Electrical Manufacturers Association define a la corriente
constante que esta posee la característica de tener Volt-Ampere descendente con
una corriente constante para cuando haya cambios de tensión en trabajo o carga;
mientras que la tensión constante la define como aquella que se caracteriza por
tener volt-ampere de forma horizontal, que tiene una tensión constante para
contrarrestar los cambio de corriente en trabajo o carga. El arco eléctrico por su
propia naturaleza es inestable, dicho esto la curva de la “estática” está en relación
con la operación de la máquina, entonces las características “dinámicas” de la
fuente de poder tiene la capacidad de responder a los cambios de corriente o
tensión del circuito en trabajo o carga, ya que estos tienen la influencia en la
estabilidad del arco y un buen resultado del proceso de la soldadura.
El proceso de soldadura por arco eléctrico tiene tres etapas, las cuales son
la de funcionamiento en vació, el cebado y soldadura. El funcionamiento en vacío
se considera el momento donde el borne de la máquina de soldar y la pieza a soldar
se encuentra cierta tensión de funcionamiento en vacío denominada "𝑈0", que es
igual a 75 voltios aproximadamente y cuya Intensidad es igual a cero.
La segunda fase conocida como “Cebar” o también el momento de “corto
circuito”, donde hallamos una tensión que baja hasta cero y su intensidad llega a un
máximo que está por encima del valor de corriente de la soldadura, elevando su
tensión de entre 15 a 45 voltios del arco y cuya intensidad se encuentra estabilizada
en el valor que corresponda a la soldadura. Por lo dicho se entiende que la fuente
de poder se ha de adaptar en lo mejor posible sin inercia respecto a las condiciones
cambiantes del arco, en resumen, para cada cambio de forma lenta se tomara en
cuenta la característica “estática” y caso contrario si el cambio es rápido de forma
drástica será decisiva la “dinámica”.
GMAW
El proceso GMAW Denominado por la AWS como Gas Metal Arc Welding,
es conocido mayormente como proceso por Metal Inert Gas (MIG), Soldadura de
arco metálico con gas inerte o soldadura con alimentación de alambre.
Este proceso llamado también MIG-MAG tiene como principio de
funcionamiento la fusión producida por un arco estable entre un alambre que se
encuentra continuamente suministrado y la pieza o masa a soldar que serán
protegidos por un gas, el proceso requiere de un electrodo consumible o alambre
macizo desnudo (alambre en un carrete) y gas inerte; como se mencionó el alambre
debe ser suministrado de forma continua y automática, siendo este el material a
depositar y hará la costura entre metal y metal.
Electrodo y/o suministro de Alambre
El suministro de alambre depende de la corriente, entonces si este es baja
corriente el suministro de alambre se presentará mediante gotas o llamado corto
circuito globular y en el caso contrario que si la corriente aumenta y usamos argón
(gas de protección) hasta en un 80%, las gotas disminuirán y el depósito del alambre
no será de gotas obteniendo un efecto pulverizador como los de spray.
La protección de este proceso está a cargo del gas inerte que protege el
electrodo o alambre macizo, el arco y las zonas adyacentes al cordón, debido a que
se encontraran expuestos a la oxidación por oxigeno e hidrogeno presentes en el
ambiente evitando una mala fusión del material de aporte, caso que no exista este
gas se comprometería una buena unión de los metales base.
Es un Proceso que requiere los siguientes elementos:
Una fuente con voltaje constante
Un alimentador de alambre
Pistola para soldar
Carrete de alambre (soldadura)
Porta masa
Cilindros para gas, flujómetro y manómetros
La clasificación de acuerdo al gas de protección
Las clasificaciones principales en función de protección por gases son dos:
En la publicación de Soldadura Semiautomática con Gas de Protección
(MIG-MIG) del fabricante de máquinas y herramientas de soldar LINCOLN Electric
Departamento de formación Lincoln-KD, S.A. deriva a dicho proceso como:
GMAW Gas Metal Arc Welding (ANSI/AWS A3.0)
13 soldeo por arco con gas (EN 24063)
Fig. 6: Soldeo por Arco con gas de Protección
Entonces si el proceso utiliza un gas inerte de protección se denomina:
MIG Metal Gas Inert (ANSI/ AWS A3.0)
131 soldeo por arco con gas puro e inerte (EN 24063), se usarán gases como
el helio o argón para metales no ferrosos.
Y si usa como protección del cordón un gas activo se denominará proceso:
MAG Metal Active Gas (ANSI/ AWS A3.0)
135 soldeo por Arco con gas activo (EN 24063), como el dióxido de carbono
𝐶𝑂2, para metales ferrosos.
Dichos procesos pueden ser automáticos o semiautomáticos, dependiendo
del sector o industria a aplicar, el más usado es el proceso semiautomático.
El proceso MIG – MIG contiene ventajas y limitaciones en el proceso de
soldadura y la aplicación de esta:
Ventajas
Este proceso de soldadura puede ser usado para la mayoría de aleaciones
con contenido de carbono.
La alimentación continua del electrodo sin revestimiento ayuda a un
procedimiento sin paradas, como en el caso del electrodo revestido, esto
ayuda a una producción o proceso de soldadura más rápida con una tasa de
deposición más elevada, proceso semiautomático.
La posición de soldeo es irrelevante, debido a que la protección del cordón
es por gas, permitiendo soldar en posiciones como horizontal, sobre cabeza,
en posición vertical ascendente y descendente.
Evita el corte de cordón para el cambio del electrodo y así evitando espacios
entre cordón, que puedan presentar fallas físicas y/o mecánicas.
Limitaciones
En este proceso de soldadura se requiere un balón de gas activo o inerte,
una maquina eléctrica y un carrete de alambre comúnmente llamado carbofil,
todo esto hace que no sea fácil de transportar y por ende la aplicación se
limite.
El uso o aplicación en lugares cerrados o espacios confinados no se
recomienda, debido a que el gas inerte o gas activo puede aglomerarse y
causar desde una intoxicación a una explosión.
El trabajo en espacios abiertos donde se halle corrientes de aire muy fuertes
tendrá una difícil operación para el soldador, entendiendo que los gases
usados en este proceso son sensibles a corrientes de viento, como resultado
se obtendrá un inadecuado trabajo.
Fig. 7 Equipo de Soldadura MIG - MIG
Fuente de Energía
La fuente de poder o la máquina de soldar debe suministrar Voltaje
constante, por ende, carece del control de amperaje como en el caso del proceso
con electrodos revestidos o soldadura por arco eléctrico; la corriente suministrada
es continua y de polaridad invertida con máquinas que entregan de 150 a 1000
amperios.
El Proceso MIG –MAG requiere de ciertas fuentes de energía con elevadas
intensidades de niveles menores a los 500A para un proceso semiautomático, este
tipo de energía debe ser de tensión constante y debe ser medida por su pendiente
o SLOPE:
𝑃𝐸𝑁𝐷𝐼𝐸𝑁𝑇𝐸 =𝑉𝑎𝑟𝑖𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛 𝑑𝑒 𝑡𝑒𝑛𝑠𝑖𝑜𝑛
𝑉𝑎𝑟𝑖𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛 𝑑𝑒 𝑖𝑛𝑡𝑒𝑛𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑=
∆𝑉
∆𝐴
Para comprender de manera dinámica y adecuada se dará un ejemplo, el cual fue
obtenido del libro de soldadura automática de Lincoln Electric Soldadura.
Pendiente o SLOPE, Característica de la fuente de Soldadura MIG - MAG
La pendiente puede ser manipulable según el diseño de la máquina, el tipo
de operación o sector de aplicación, esta manipulación es variable seleccionando la
tensión a requerir en la posición de mando de la máquina. En el mercado se hallan
maquinas con pendientes fijas donde la regulación de tensión se da en el momento
de cerrar circuito o donde se genera un corto circuito, que llevara una tensión
constante derivada por la máquina y una vez cortado el circuito la maquina se
autorregula nuevamente en cuanto a tensión o autorregulación, esto generara
nuevamente una tensión que ayudara a fundir el alambre o electrodo desnudo de
alimentación continua, así manteniendo la tensión de voltaje en el rango deseado.
Sistema de alimentación de Alambre
Otra característica bien marcada en este proceso de soldadura por gas inerte
o gas activo es la alimentación continua de alambre, sistema que según operario
podrá variar la velocidad de avance y el control de gas mediante una válvula
magnética, los elementos en este sistema a considerar son los siguientes:
Boquilla de alimentación de alambre
Rodillos de arrastre
Rodillos de presión o empujadores
Guía de alambre
Boquilla de salida de alambre
Para una buena operación de la máquina de soldar se debe tener en cuenta
ciertas condiciones de operación, como la correcta selección del diámetro o grosor
del mismo, debido a que se debe calibrar la máquina, la posición de los rodillos, la
presión y arrastre de rodillos, otra condición de operación que es predeterminada
por la maquina antes de soldar será la velocidad constante de la alimentación de
alambre que puede ser regulable en tres distintas posiciones:
1. De empuje (Push)
2. De arrastre (Pull)
3. Combinados de empuje y arrastre (Push – Pull)
Para la selección de alimentación también se debe considerar la distancia
entre la fuente de energía y el punto de aplicación y la distancia entre la fuente y el
carrete de alambre. Los rodillos que alimentan el alambre son de distintas formas
como rueda plana, rueda con bisel o similar a una polea.
Fig. 8. Sistema de alimentación
Uno de los accesorios
fundamentales es la pistola, está es
compuesta por varias piezas y tiene
cierta complejidad en su diseño, tiene
como función de hacer circular el gas y
alambre (electrodo), ambos de forma
constante y a la vez se debe conducir
corriente, la pistola al poseer varias
funciones y estar expuesto a altas
temperaturas se sugiere un sistema de
refrigeración que puede ser por agua o
aire, esto añadirá mayor complejidad de
diseño para la pistola.
Fig. 10. Pistola de Soldeo MIG - MIG
Fig. 9. Rodillos para Soldar, Proceso MIG – MAG
Esta pistola se compone de distintos elementos, uno de ellos es el tubo de
contacto que esta encargado de guiar y suministrar el electrodo o alambre, y que a
la vez debera entregar electricidad al alambre; La Tobera, otro elemento del proceso
MIG – MAG que esta fabricado en su mayoria por aleacion de cobre tiene un
diametro con un rango de 9.5 a 22.25 milimetros o en pulgadas de 3/8 a 7/8 que
dependera del tamaño de la pistola; el Tubo guia o funda del alambre es un
elemento fabricado en aleacion de acero, cobre o tambien de acero inoxidable que
tiene como fin el no contaminar el electrodo, sus carecateristicas como el diametro
y extension son estandarizados de acuerdo al alambre electrodo y requeriemiento
del fabricante; el conducto de gas, los cables electricos y el interruptor estan
ubicados en la pistola como pestillo y por ultimo la pistola puede poseer conductos
de refrigeracion por agua o aire, sistema que esta equipado en maquinas que
superen los 600A.
Proceso de fundicion
El gas de proteccion en el proceso MIG – MAG proviene de una botella y
como funcion principal es evitar el contacto de los gases de la atmosfera hacia el
metal fundido, para el abastecimiento y control de este gas esta a base de un
caudalimetro quien va graduando el caudal adecuado o necesario.
Los gases deben estar especificados por cierto grado para soldadura o
“Welding Grade”, este especifica el grado de pureza y contenido de humedad,
entonces en general todo grado de presion va a depender del tipo de gas usado, el
material a soldar, la posicion, velocidad y el medio en el cual se esta trabajando
(turbulencia del aire).
El proceso de fundicion o transferencia de material en este tipo de soldadura
se da en cuartro modos de deposicion:
Primero en corto circuito, donde el material es depositado y el electrodo entra
en contacto con el metal base.
Segundo, la transferencia globular o deposito de material de aporte en forma
de gotas grandes de metal, estas gotas dependeran del diametro del
alambre.
Tercero, la trasnferencia en Spray donde el material de aporte (alambre) se
transfiere mediante gotas de menor tamaño en forma de spray o en forma de
pulverizacion.
Cuarto la transferencia por arco pulsado, este modo tipo spray pero que se
produce en impulsos regularmente espaciados.
Los materiales de aporte en MIG – MAG
En lineas generales el alambre usado en este proceso de soldeo tiene
distintos diametros según aplicación, los diametros son menores o mayores a 1.6
mm como estandar y para evitar ser contaminados por pequeñas particulas de
polvo, grasa y demas vienen en carretes y empaquetados en recipientes especiales,
si se genera contaminacion al alambre los resultados en la deposicion del material
aportante y la penetracion al momento del soldeo serian defectuosos. Otro cuidado
que se emplea para los alambres aleacion de acero u otras, es poder recubrirlos
con cobre en el momento de su fabricacion y asi mejorar la propiedad de conduccion
de calor, conduccion de electricidad, proteccion contra la corrosion, facilitar el
deslizamiento en los rodillos y el libre movimiento en la pistola.
El alambre o material de aporte varia su composicion de acuerdo al material
base y las propiedades de este, en otros casos se debe cambiar completamente la
composicion del alambre respecto al metal base para un soldeo adecuado y
propiedades mecanicas optimas.
Los gases mas usados y comerciales son los siguientes:
𝐶𝑂2 dioxido de carbono
𝐴𝑟 argon, He (helio) o Ar + He
𝐴𝑟 + 𝐶𝑂2 ó 𝐻𝑒 + 𝐶𝑂2
𝐴𝑟 + 𝑂2 (1-10% de oxigeno)
𝐴𝑟 + 𝑂2 + 𝐶𝑂2
𝐴𝑟 + 𝐻𝑒 + 𝐶𝑂2
𝐴𝑟 + 𝐻𝑒 + 𝐶𝑂2 + 𝑂2
El uso del 𝐶𝑂2 en el proceso de transferencia de material en spray es poco
recomendable, para ello se usa de forma mas comercial y mejores condiciones el
Ar+ 8-10% de 𝐶𝑂2; las mezclas de 𝐴𝑟 + 𝐶𝑂2 con un porcentaje del 25% del 𝐶𝑂2
ayudara a una mejor transferencia de material por corto circuito en aceros al
carbono de baja aleacion. El gas en proporciones bajas puede ocacionar proteccion
insuficiente y en grandes cantidades turbulencias, ambos casos comprometen el
cordon de la soldadura en forma fisica y mecanicamente.
Para un adecuado proceso de soldadura se debe tener en cuenta parametros
para una buena operación mecanizada:
Velocidad de alimentacion
Tension de corriente
Polaridad
Velocidad de desplazamiento
Gas de proteccion
Angulo de inclinacion de la pistola
Longitud libre del alambre o Stick – out
El controlar estos parametros ayudara al operario soldador a obtener trabajos de
mayor calidad con caracteriticas mecanicas y fisicas superiores al estandar.
Maquina de soldar o fuente de Energia
Al igual que la maquina de soldar por arco electrico, la maquina de soldar de
MIG-MAG mide la tensión en voltios (V) y es regulable, la tension se transmite de
forma regular desde la fuente al alambre y controla a la vez la unidad alimentadora
de alambre, la distribucion de la tension es entre la prolongación del alambre y el
arco de un modo desigual donde aproximadamente el 90% de la energía se
concentra en el arco y el 10% restante en el alambre. Por consiguiente cuan mayor
sea la longitud del arco mayor será la tensión, entonces la intensidad estara muy
relacionada con la velocidad de alimentación del alambre y de forma que cuanto
mayor es la velocidad de alimentación mayor es la intensidad. La tasa de deposición
también está muy relacionada con la intensidad, porque cuanto mayor es la
intensidad más rápidamente se producirá la fusión y la deposición, para ello
podremos establecer las siguientes equivalencias:
Intesidad Velocidad de alimentacion del alambre
Velocidad de fusión
Tensión Longitud del arco
La polaridad de este proceso de soldadura esta definido según aplicación o
campo de operación, ahora la mayoría de las aplicaciones del soldeo GMAW se
utiliza la polaridad inversa (DC+), obteniendo un arco estable con una adecuada
transferencia de metal de aportación (alambre), pocas proyecciones, un cordón de
soldadura de buenas características y gran penetración. La polaridad directa (DC-)
casi no se utiliza en este proceso, aunque la tasa de deposición es mayor y
generalmente solo se consigue transferencia globular, y por consiguiente la
corriente alterna no se utiliza en el soldeo MIG/MAG ya que el arco se hace inestable
y tiende a extinguirse.
Distribución de la Tensión en el Arco Eléctrico. Relación entre
Longitud del Arco y la Tensión
Equivalente a:
Fig.11. Longitud del arco y la tensión
Procesos TIG
El proceso TIG (Tungsten Inert Gas) se realiza mediante un arco eléctrico
bajo un gas protector con electrodo no consumible, por ende, dicho proceso utiliza
como fuente de energía el arco eléctrico que se establece entre un electrodo no
consumible y la pieza a soldar, mientras un gas inerte protege el baño de fusión o
material aportado.
En este proceso se tiene la opción de usar unas varillas desnudas como
material de aporte o caso contrario no se usa material de aporte, similar al proceso
de soldadura oxiacetilénica.
El proceso TIG es muy usado y conocido en la industria del metal mecánico,
como se mencionó líneas antes este proceso se produce mediante el calor del
electrodo de tungsteno no consumible y la pieza a soldar, también se mencionó que
Fig. 12: Proceso TIG
este proceso que puede usar o no material de aporte dependiendo al tipo de unión
que se realizara y el gas a usarse, el gas tiene la función de proteger el proceso y
acabado del cordón de soldadura, dicho gas inerte puede ser argón o helio.
El arco de tungsteno con gas es muy similar al proceso oxiacetilénico puesto
que se usa un gas de protección y este funge a la vez de fundente, este tipo de
proceso de soldadura es usado mayormente para soldar piezas en aleación en
aluminio, magnesio, acero inoxidable, bronce, plata, cobre, níquel, aleaciones de
hierro fundido y aceros dulces, procesos explicados en el manual de soldadura de
OERLIKON.
La nomenclatura GTAW, Gas Tungsten Arc Welding (ANSI/AWS A3.0).
141, Soldeo por arco con electrodo de volframio y gas inerte (EN 24063).
Soldeo por arco con electrodo de volframio (UNE 14-100).
Gas- Shielded Tungsten-Arc Welding (Reino Unido).
Equipo de soldar
El equipo del proceso TIG consta de una fuente de poder (máquina de
soldar), pistola y electrodo de tungsteno, alambre de relleno, gas protector y los
controles; se tiene opciones que se comercializan para este proceso como los
accesorios, en este caso se tiene los controles de pedal para la corriente eléctrica
suministrada en el arco, también sistemas de refrigeración para la pistola,
distribuidor para el sistema de arranque y demás.
La máquina de soldar que se usa para el proceso TIG posee un rectificador
de corriente alterna y corriente continua CA/CC o generador de corriente continua
CC con una unidad de alta frecuencia, estas máquinas de soldar trabajan en un
rango de 3 a 350 Amp, con 10 a 35 voltios y un ciclo de trabajo del 60%.
En el mercado las máquinas de soldar TIG pueden estar provistas de un
dispositivo de alta frecuencia con el objetivo poder optar de una tenaza para trabajo
con electrodos revestidos, este tipo de maquina no entrega un adecuado rango de
operación por lo cual se recomienda usar maquinas estrictamente para procesos
TIG.
La corriente a usarse en el proceso depende del tipo de material a soldar, el
manual de soldadura de OERLIKON/EXSA recomienda que la corriente alterna sea
para aluminio y magnesio, mientras la corriente continua para aceros inoxidables,
el cobre, níquel, hierro fundido y plata.
El soplete TIG consta de un electrodo no consumible de tungsteno quien
también debe suministrar gas y un arco para proporcionar las condiciones de
soldeo, las pistolas o sopletes pueden contar con sistemas de refrigeración, estos
sistemas dependen del amperaje.
Gas de protección
El gas de protección es un gas inerte que puede ser helio o argón, o mezcla
de ambos; el gas que más se usa es el argón por ser más pesado que el helio y de
fácil adquisición, para el trabajo se recomienda un adecuado suministro de caudal
que va entre 15 a 30 pies cúbicos/hora y dicho suministro es principalmente para
posiciones de soldeo en horizontal o posición plana y vertical, en el caso de la
posición de soldeo en sobre cabeza se usara mayor caudal.
Electrodos
Los electrodos en el proceso TIG son de aleaciones de tungsteno y trabajan
a temperaturas muy altas como a 6170°F y no son consumibles, este electrodo de
tungsteno genera altas temperaturas y realiza el arco para el solo objetivo de
mantener el metal en estado líquido. Los electrodos se clasifican según su
composición o aleación; se tiene los electrodos de tungsteno puro que son los más
económicos, el tungsteno con el 1 a 2% de torio que entrega un electrodo de larga
vida y es usado para soldeo de aceros, el electrodo de tungsteno y aleación de
circonio entregan una menor contaminación y mejor calidad en materiales como el
aluminio. Los electrodos están codificados mediante colores y se comercializan
según diámetros y largos medidos en pulgadas de 3 a 24”.
El electrodo consumible o material de aporte en este tipo de proceso se
recomienda usar varillas que tengan la misma composición del material a soldar y
las medidas serán de acuerdo al diámetro, estos diámetros se escogerán de
acuerdo a la corriente que se emplea en la máquina y soldador requiera, este
consumible puede ser suministrado de forma manual o automática.
Como todo proceso de soldadura el proceso TIG presenta ventajas y
limitaciones.
Ventajas
Este proceso ayuda a soldar la mayoría de metales.
La aplicación de este tipo de soldadura es de forma manual, pero se la ha
automatizado para soldar secciones tubulares de menor tamaño y espesor.
Arco estable y concentrado
No produce escoria
Produce soldaduras lisas y regulares
Se puede o no usar material de aporte según aplicación
Permite control en la penetración del cordón raíz
No requiere el empleo de fuentes excesivamente caras
Permite el control independiente de la fuente poder y el metal de aporte.
La soldadura permite cualquier posición.
Limitaciones
La cantidad del material de aporte se ve limitada de acuerdo a la longitud de
este.
La aplicación de este tipo de soldadura exige que sea de forma manual y que
el operario soldador maneje una gran destreza para soldar.
En presencia de corrientes de aire es difícil conseguir una adecuada
protección para el cordón de soldadura.
Aplicación y Seguridad para el proceso TIG
La aplicación del proceso TIG incluye metales como el aluminio, magnesio y
materiales sensibles a la oxidación como el titanio, circonio y sus aleaciones; por
ello es muy usado para las aplicaciones industriales, químicas, petroquímicas,
alimentarias, generación de energía, nuclear y aeroespacial; donde se requieren de
uniones soldadas limpias, de una pureza metalúrgica sin defectos, una penetración
adecuada y buen acabado.
La seguridad que se debe exigir es de aquella protección contra la luz emitida
por el arco, donde se debe cuidar los ojos y el rostro en general, se usa un tipo de
vidrio especial contra la luz que esta codificado mediante números y si se suelda en
áreas cerradas con poca ventilación o conocidas también como áreas confinadas
se debe incluir un sistema de ventilación para evitar la aglomeración de gases y por
consiguiente la intoxicación.
Causas y efectos a la salud por Proceso TIG
Los gases usados en el proceso de soldadura TIG son perjudiciales al medio
ambiente y al soldador que opera con este tipo de proceso, estos gases contienen
agentes químicos como compuestos de cromo, compuestos inorgánicos insolubles
de níquel, óxido de hierro y oxido de manganeso; la contaminación procedente del
proceso de soldadura con las altas temperaturas y una exposición a radiación
ultravioleta del arco hacia el oxígeno del aire provocan el ozono 𝑂3, además se
presentan daños dirigidos a la salud del operario o soldador que normalmente son
causados por la inhalación gases y agentes químicos presentes en el proceso de
soldadura TIG.
Una de las enfermedades más propensas a surgir por humos de soldadura y
gases es el cáncer, esta es la enfermedad que genera la multiplicación
descontrolada de células de diversos tipos de tejidos y que esta se extiende por
todo el cuerpo por vía sanguínea o linfática, el cáncer es producida por en gran parte
por los compuestos insolubles de cromo y otros de níquel presentes en aleaciones
de acero inoxidable; otro riesgo latente a la salud es por la inhalación de óxido de
hierro que puede provocar la neumoconiosis benigna esta enfermedad también es
generada por las partículas sólidas desprendidas en la soldadura de tipo TIG, los
humos metálicos del níquel también provocan fiebre y es clasificado como un
diagnostico medico de cuadro clínico leve con síntomas similares producidas en la
gripe.
La publicación de la Welding Hand Book explica sobre los gases y dice que
tanto material base como material de aporte en el proceso de soldadura generan
gases peligrosos, entonces los metales o aceros de baja aleación como el cromo,
manganeso, vanadio y níquel generan óxido de hierro, óxido de azufre, partículas
de aluminio, partículas de cadmio y demás.
El proceso de soldadura Oxiacetilénica
Todo proceso de soldadura como los mencionados anteriormente buscan
elevar la temperatura en una zona local por medio de un arco eléctrico y ayudado o
no con un gas protector, en el caso del proceso Oxi-acetilénica se obvia el arco
eléctrico y se usa gases como el oxígeno y el acetileno para generar una llama
fundente que alcanza una temperatura aproximada de 3100°C.
La llama o fuego de este tipo de soldeo se entrega mediante una pistola que
contara con perillas de regulación, la regulación de gases en proporciones distintas
da como resultado ciertas llamas fundentes, entonces una regulación a la misma
proporción de ambos gases es conocida como llama neutra o normal, mientras que
si se entrega o suministra un gas más que el otro se producirá una llama carburante
o reductora y cada una de estas tienen un propósito o aplicación.
Procedimiento por soldadura Oxiacetilénica
Los procedimientos en el soldeo por Oxi-acetilénico están diferenciados por dos:
Por fusión, en este proceso se trabaja con dos bordes, es decir, el proceso
de soldeo es fundir los bordes y generar un cordón con o sin material de
aporte.
Soldadura fuerte y blanda, en estos procesos no es necesario hacer llegar
al metal a punto de fusión y lograr uniones con alta resistencia, la diferencia
de la soldadura fuerte o “Brazing” y la soldadura blanda o “Soldering” es
básicamente la temperatura con la cual se trabaja y las aleaciones en las
que se usan. Para materiales no ferrosos que se trabaja a una temperatura
no mayor a 427°C se optara el procedimiento de soldadura blanda, mientras
que las aleaciones que trabajen por encima de 427°C están en la soldadura
fuerte, donde se debe tener en cuenta que no se debe alcanzar el punto de
fusión. En ambos casos se busca cuidar los materiales a cambios
estructurales por temperatura.
En este proceso al momento de fundir el material de aporte en el material
base se provee ciertas condiciones que deben ser adecuadas para el soldeo, por
ejemplo, tenemos la humectación que es una condición que depende básicamente
de la naturaleza de metal base y que al momento de fundirse exige una adecuada
limpieza con cero impurezas, debido a que, si esta presenta suciedad por grasa,
oxido o pinturas harán una inadecuada soldadura.
Nota: El material de aporte tiene la función importante de entrelazar la estructura
granular de los materiales bases y permitir una buena unión de límite de granos,
debido a que pueden presentarse fallas como granos de carbono, espacios por
oxidación y demás que hacen una soldadura porosa y nada efectiva
mecánicamente.
La limpieza de superficies en los procesos de soldeo busca eliminar cualquier
agente externo del material base y para ello se puede hacer de dos formas, la
primera es la limpieza mecánica mediante amoladoras, cepillos metálicos y demás;
una segunda forma de limpieza es la química donde se puede usar solventes. Para
una mejor limpieza y adecuada unión se usan los fundentes, productos o agentes
limpiadores que tienen el propósito de disolver el óxido que se presenta en la
elevación de la temperatura (durante el proceso del soldeo), estos solventes se
comercializan en polvo o líquido; la temperatura de los solventes debe presentar un
punto de fusión más baja que el material de aporte debido a que ayudan a la
humectación e indicar el momento de suministrar material de aporte.
Material de Aporte
Las varillas de aporte es el material a usar que debe ser de acuerdo al metal
a soldar o material base, en el caso de la soldadura fuerte se usan, por ejemplo:
Aleaciones de aluminio
Aleaciones de cobre
Aleaciones de plata
Y Cobre puro
Equipo de Soldar y fuente de Energía
El equipo de soldeo para el proceso de Oxi-acetilénico está compuesto por:
a. El soplete, este equipo puede ser de uso combinado tanto para corte como
para soldeo debido a que una de las funciones es la mezcla de los gases,
para la función de corte este soplete posee una palanca que eleva el flujo de
oxígeno. El equipo del soplete consta de distintas boquillas de acuerdo al
espesor y material a soldar.
b. Los reguladores de gas tienen la función de mantener un flujo constante de
gas y posee relojes medidores para indicar la presión y flujo suministrado por
una manguera.
c. Mangueras de gas, una primera manguera transporta oxígeno y la segunda
el acetileno, las cuales van en paralelo y están fabricadas de colores que
ayudan a distinguir que gas fluye por ellas, si esta es de azul o verde será de
oxígeno en caso de ser de color naranja o roja será de acetileno, en caso de
los terminales en las mangueras se proveen de roscas para su montaje a los
cilindros de gas y para mayor seguridad las roscas son distintas, la rosca
hacia la izquierda serán para el acetileno y las de derecha para el oxígeno.
d. Los gases en su mayoría oxígeno y acetileno son los más usados, pero para
otro tipo de metales se aplican en reemplazo del acetileno el gas natural,
propano, hidrogeno y demás; pero se prefiere el acetileno por su elevada
temperatura de 3100 °C que ayuda a un mejor soldeo en distintos tipos de
metales.
e. Los cilindros o envases de gas, el acetileno está compuesto de un material
poroso con acetona debido a que solo se debe o puede comprimir hasta un
máximo de 15 𝐿𝑏𝑠 𝑝𝑢𝑙𝑔2⁄ por seguridad, para una mayor capacidad en
envases de menor tamaño el acetileno debe estar diluido en acetona lo que
permitirá una mayor compresión de 250 𝐿𝑏𝑠 𝑝𝑢𝑙𝑔2⁄ , también se comercializan
cilindros de mayor tamaño hasta 300 pies cúbicos que llegan a presiones de
hasta 2400 𝐿𝑏𝑠 𝑝𝑢𝑙𝑔2⁄ .
f. Para el traslado de los envases con la adecuada seguridad para el equipo se
recomienda el uso de carros que ayudan a mantener los cilindros en posición
vertical, en caso del acetileno es una condición exigida.
Variante de Soldadura por Oxiacetilénica
Una variante de la soldadura por Oxi-acetileno es trabajar con el método de
recargue de superficies por proyección y fusión, que básicamente se refiere al
proceso de cubrir la superficie a soldar con polvo metálico de características
especiales o que sean homogéneas al material base, para ello se usa una pistola
especial.
El proceso por recargue se da por medio del soplete que finamente pulveriza
el metal en polvo con el fuego carburante que luego será depositado en el material
a soldar, esta unión se produce por medio de difusión de las moléculas del metal en
polvo al momento que este haya alcanzado su temperatura de fusión y pueda
entrelazar los intersticios capilares y la red cristalina del metal a soldar.
Este proceso entrega ciertas ventajas:
Una adecuada fusión y cordón resistente, se obtiene la densidad adecuada
y una dureza elevada en cuanto a la superficie.
El proceso es sencillo y la fabricación de los sopletes garantizan años de
trabajo.
La precisión de este proceso es buena debido a que se puede trabajar sobre
superficies planas, curvas, bordes y ejes; además el depositado del material
puede variar en delgadas capas hasta elevados grosores de cordón.
La economía se ve reflejado en la estética de cordón, el cual no se requiere
de maquinado y pérdida de tiempo en el mismo.
En este proceso usando una adecuada selección de aleación se puede
obtener una variada resistencia a distintos tipos de desgastes, los cuales daremos
a continuación:
Resistencia al desgaste contra fricción ya sea por otro metal de la misma
aleación.
Dureza contra las altas temperaturas y la oxidación.
Resistencia a la abrasión
Resistencia a la corrosión, como en aceros inoxidables
Los usos más comunes de esta variante del soldeo por oxi-acetileno son para
la recuperación de piezas desgastadas o recubrir de una capa la superficie contra
el desgate o corrosión, entregando una larga vida útil al metal base; este proceso
se puede usar para metales como aceros al carbono, acero inoxidable, superficies
de níquel y hierro fundido.
Los procesos de soldadura presentan desventajas en cuanto a las
reacciones por la fundición de material base, electrodos y quema de gases, la
contaminación provocada de estos procesos son muy comunes debido a que son
muy comerciales en el mercado metal mecánico, en los centros laborales o
instituciones; en el caso de áreas determinadas para soldadura tienden a ser
espacios improvisados y se encuentran sin los más mínimos equipos de seguridad
que ayuden a disminuir la contaminación que se emite. En estas áreas de soldeo
existen factores que pueden agravar la situación y ocasionar contaminación directa
hacia el soldador, por ejemplo, la ausencia de equipos de ventilación, en el caso de
equipo de protección personal puede ser la inadecuada selección del lente de soldar
que llevaría al soldador se acerque más al punto de fusión de metales y este quede
expuesto a radiación dañándose la vista, también la inadecuada practica del no
usar mascarillas con filtros de protección hacia los humos metálicos, carencia del
uso de un saco de cuero, guantes largos de cuero, escarpines y chavo que protege
la cabeza y cuello del operario soldador.
7. Marco Institucional.
Materiales, aleaciones y gases que afectan a la salud
En el manual de soldadura de la AWS se encuentra referencias sobre algunos
materiales y gases con sus efectos en la salud, por ejemplo, tenemos al:
- Cadmio, este es un elemento que se presenta en recubrimientos de metales y
que al llegar a su punto de fusión emite gases, exactamente el óxido de cadmio
y la inhalación de este óxido puede causar problemas de salud como la
congestión nasal, irritación en el sistema respiratorio, dolor abdominal,
contaminación bucal o dientes amarillos, bronquitis y si se presenta una
sobreexposición puede causar la muerte.
- El Cobalto es otro elemento presente en aleaciones de alta resistencia que
emite gases altamente contaminantes y estos pueden ser causantes de daño
pulmonar, dificultad para respirar y tos.
- El cromo es un recubrimiento metálico conocido comúnmente como el cromado,
los aceros inoxidables, los metales aleados, los electrodos para hacer
recubrimientos duros y el recubrimiento por pinturas causan daño pulmonar, la
irritación de la piel, la irritación nasal, el cáncer de pulmón y cáncer al riñón o
también daños en el hígado
- Dióxido de Carbono, es un elemento que se encuentra muy presente en
procesos de soldadura con gas de protección y alimentación por alambre
(material de aporte), el dióxido de carbono puede producir efectos narcóticos y
ser asfixiante.
- Los Fluoruros, son elementos que también están presentes en los procesos con
gas de protección que puedan o no tener material de aporte en el proceso de
soldeo con electrodo revestido y arco sumergido, estos procesos causaran
daños a la salud como la irritación en las vías respiratorias, irritación en los ojos,
irritación en la garganta y daño al esmalte dental.
- El Hierro es un elemento presente en aceros al carbono, aceros inoxidables y
aceros aleados, este elemento se presenta usualmente mediante humos
metálicos emitidos de la soldadura y son referentes a los materiales ferrosos
que puede causar daños directos al pulmón como la pigmentación y una
deposición de partículas de óxido de hierro que causara siderosis.
- El manganeso, en un elemento que se encuentra presente en los materiales
base, como los aceros al manganeso y también se hallan en algunos electrodos
o alambres, se da en conocimiento que no es muy usual la intoxicación por este
material, pero si esto ocurre puede producir fiebre de humos metálicos, algunos
trastornos a nivel nervioso, inflamación de los pulmones e irritación en la
tráquea.
- El Molibdeno, este elemento presente en aceros aleados y como componente
de algunos electrodos pueden ser la causa de irritación en las vías respiratorias.
- Monóxido de Carbono, este es formado durante el proceso de soldadura donde
el electrodo revestido con compuestos celulósicos no llega a una combustión
completa, causando dolor de cabeza, somnolencia, náuseas e inconciencia.
- Níquel, elemento que compone los aceros inoxidables, aleados, recubrimientos
metálicos como el niquelado, también presente en electrodos de alta
resistencia; el níquel puede producir asma, congestión, daño pulmonar,
dermatitis, disfunción renal, cáncer de nariz, laringe y pulmón.
- Óxidos de Nitrógeno, estos óxidos son formados en la zona del arco eléctrico
por la reacción del oxígeno y el nitrógeno del aire, también se encuentra en el
corte de aceros inoxidables con el electrodo de tungsteno, la exposición a estos
óxidos puede producir irritación en vías respiratorias, congestión y edema
pulmonar.
- Ozono: Puede formarse en los procesos de soldadura con electrodo y en los
que tienen protección con gas, sobre todo aquellos que utilizan Argón, el ozono
se presenta en la soldadura de aluminio, acero inoxidable y en los procesos de
corte por plasma, donde puede producir dolores de cabeza, bronquitis,
congestión pulmonar y afectar la garganta.
- Plomo: La mayoría de los trabajos de soldadura que tienen alguna influencia del
plomo se hacen en condiciones pobres de ventilación, se puede encontrar en
procesos de recubrimiento metálico como el galvanizado, algunas pinturas,
produciendo efectos en el sistema nervioso central, envenenamiento y afectar
el sistema gastrointestinal.
- Vanadio: Puede estar presente en aceros aleados y algunos aportes, puede
causar irritación en vías respiratorias, neumonía, tos, irritación en los ojos y en
la garganta.
La siguiente tabla ayudara a reconocer de mejor forma los metales y las afecciones
hacia la salud en cuanto a una intoxicación aguda y/o crónica.
Fuente: Publicación del martes 23 de junio 2015 en Estudio, noticia y estadísticas.
Límites de Exposición
Es necesario que los protagonistas es decir los soldadores, estudiantes de
esta área conozcan cuales son los límites a los que pueden estar expuestos en los
trabajos que utilizan soldadura, con el fin de buscar desarrollo de una conciencia
colectiva que lleve a cabo buenas prácticas de protección al momento de soldar.
Según el artículo 154 del Capítulo VIII de las concentraciones máximas permisibles
de la Ley 9 de Enero 24 de 1979 se fijaran los niveles máximos permisibles de
exposición a substancias tóxicas de acuerdo a la tabla establecida por la
Conferencia Americana de Higienistas Industriales Gubernamentales o American
Conference of Governmental Industrial Hygienists (ACGIH) en donde están
presentes los TLV por sus siglas en inglés Thresold limite value o en español valor
límite umbral que son valores de referencia tóxica con los cuales se reconocen 22
niveles de exposición que permite a los trabajadores ejercer sus funciones con
seguridad.
En la tabla anterior se da a conocer los materiales peligrosos que pueden
generar en soldadura, los limites TLV a los que pueden estar expuestos y las
posibles enfermedades que pueden sufrir las personas al estar en contacto con los
gases y humos de soldadura.
El área critica que estudiamos es el aire o zona la cual es contaminada por
lo gases de los procesos de soldadura, los humos de soldadura se forman por el
calentamiento y la descomposición de los materiales presentes junto al punto de
operación.
Clasificación de gases
Para hallar una buena clasificación de gases se debe tener conocimiento de
la composición, cantidad de los humos y el total de partículas emitidas; todo ello
depende de la aleación a soldarse y el tipo de proceso a emplear, como ejemplo
tenemos al aluminio y titanio, aleaciones que se sueldan por medio de un arco en
una atmosfera con un gas inerte (ejemplo Argón) que protege la soldadura, se debe
tener en cuenta que estos procesos con gas inerte desprenden una cantidad baja
de humos pero dan como resultado una alta radiación que puede producir ozono.
Se tiene otras aleaciones como el hierro que recuren al arco y también usen una
atmosfera oxidante lo que lleva a generar una cantidad considerable de humo y por
consiguiente se genere monóxido de carbono en vez de ozono; estos humos están
compuestas por partículas de hierro, sílice, manganeso y demás elementos
respecto al material de aporte o aleación que se esté soldando.
Humos por Soldadura
Como se mencionó líneas anteriores al soldar por arco aceros inoxidables
los humos estarán compuestos por partículas de cromo y níquel, y en el caso de los
fundentes (electrodo de aporte), pueden contener fluoruros y los humos que
emanan de estos contendrán más fluoruros que óxidos, entonces se debe verificar
los humos presentes y sus características, para determinar los valores si estos
sobrepasan los valores limites umbral específicos, para un mejor control de humos
se debe conocer la composición de los electrodos y minimizar la formación de ellos
respecto al ambiente de trabajo.
Nota: El valor Limite Umbral es de 5 mg/m3 para humos de soldadura.
Entonces por lo expuesto anteriormente la cantidad inhalada de humo por el
estudiante que practica depende de:
a) La producción total de humo durante el trabajo: La cantidad de humos
generados varía de unos procesos de soldadura a otros.
b) La posición del soldador con respecto al punto de soldadura: La postura que
adopta el soldador durante su trabajo tiene dos aspectos que repercuten en
la cantidad de humos inhalados, la posición con respecto a la vertical del
punto de soldadura y la distancia.
c) La ventilación: La ventilación en trabajos de soldadura es determinante para
limitar la inhalación de los humos, estos afectan al soldador de forma directa
e intensa por su proximidad al foco de generación y posteriormente de
manera más indirecta y moderada como consecuencia del aumento
progresivo de la contaminación del ambiente en general. La intensidad de
inhalación directa del soldador dependerá de la calidad de ventilación en su
puesto de trabajo, por otro lado, la inhalación indirecta es debida a
operaciones de alrededor que realicen sus compañeros y este será tanto
menor cuanto más eficaz sea la ventilación general del local de trabajo.
d) La pantalla de soldadura: Representa un auténtico escudo protector del
soldador contra la inhalación de humos, su eficacia depende del grado de
ajuste que presenta con la cara, cuello y pecho del usuario.
e) La protección individual de las vías respiratorias: Contribuyen a reducir la
inhalación de los humos de soldadura con un grado de eficacia dependiente
de los contaminantes presentes y de su concentración.
Equipos de Protección
Para conocer y proceder un proceso de soldadura se requiere de ciertas
características del equipo de protección. En el mercado actual, se tiene muchos
medios de protección para evitar la inhalación de humos y partículas provenientes
del proceso de soldadura, que pueden ser retenidas mediante equipos filtrantes
marcados con los códigos correspondientes a los tipos P1, P2 y P3 (orden creciente
de eficacia de retención), y el color blanco.
Los vapores ácidos de cloruros y fluoruros pueden ser retenidos así mismo
con equipos filtrantes, en este caso con los códigos E1, E2 y E3, y el color amarillo
o, según indicación de los fabricantes, B1, B2 y B3, y el color gris. 7. Para el resto
de los gases más habituales en los humos de soldadura puede decirse que no hay
equipos filtrantes que resulten operativos, bien porque no proporcionan una eficacia
suficiente para las exposiciones continuas propias de los trabajos de soldadura,
como ocurre con los gases nitrosos, ozono, fosgeno, etc. o bien porque no hay
posibilidad técnica de fabricar filtros apropiados, como es el caso del monóxido de
carbono y el anhídrido carbónico.
Seguridad 3M
En el manual y recomendaciones de 3M titulada “Protección y confort para
soldadores” en la página 9 nos detalla la protección respiratoria para los soldadores
en taller u operaciones, pone en hincapié el usar un especifico filtro o mascarilla
respecto al ambiente, concentración de humos y la ventilación que tenga el lugar de
trabajo. La empresa 3M pone como anotación que en condiciones de trabajos
normales la tasa respiratoria es de 20 litros de aire por minuto, por lo cual durante
un año de trabajo un soldador puede respirar 2300m3 de aire, entonces si el
ambiente de trabajo presenta una concentración de partículas de soldadura
de 5𝑚𝑔/𝑚3, el soldador puede inhalar 11 gramos de partículas al año generando
un cáncer pulmonar.
Se presenta la siguiente tabla donde se recomienda el tipo de filtro respecto
al producto químico que componga el electrodo o la aleación a usarse en el proceso
de soldadura en el manual de protección publicada por 3M.
Nomenclatura
H= el producto químico puede absorberse a través de la piel.
K= El producto químico puede producir cáncer
S= El producto químico puede producir sensibilización
Codificación
Código Tipo de filtro
E Gases ácidos
A Vapores orgánicos, punto de ebullición menor a 65 c
AX Vapores orgánicos, punto d ebullición mayor a 65 c
P Filtro de partículas
B Gases Inorgánicos
Recomendaciones de la guía de filtros respiratorios de la marca 3M.
1) El argón y helio son gases inertes que no pueden ser absorbidos por
cartuchos de carbón activados, estos gases no son del todo peligrosos, pero
pueden desplazar el oxígeno del aire en espacios cerrados o confinados, si
se presentara una alta deficiencia de oxígeno se recomienda el uso de
equipos autónomos.
2) El ozono no puede filtrarse mediante cartuchos de carbón activado, pero este
al entrar en contacto con superficies solidas se convierte en oxígeno.
3) Algunos de los humos metálicos tienen límites de exposición ocupacional y
pueden suponer un peligro, para ello se requiere y recomienda el uso de un
sistema de suministro de aire
4) Escasas propiedades de advertencia
5) Causa fatiga olfativa
Tipo de filtro recomendado
Producto químico Partícula
Gas Suministro de
Aire Nota
Ácido clorhídrico E
Ácido prúsico B t H, 3)
Aluminio P
Berilio P t K, S, 3)
Bromo B
Cadmio P K
Cloro B H
Cloruro de carbonilo B
Cloruro de zinc P
Cobre P
Cromo hexavalente P K
Cromo trivalente P
Dióxido de azufre E
Dióxido de carbono t 4)
Dióxido de cloro E t 4)
Dióxido de nitrógeno t
Dióxido de silicio P
Fluoruro de hidrógeno B t 3)
Fluoruros P
Fosfuro de Hidrógeno A B E t 3)
Isocianatos P A t S, 4)
Magnesio P
Manganeso P
Monóxido de carbono t 4)
Níquel P S
Óxido de nitrógeno t
Óxido de vanadio P
Óxido de zinc P
Óxido férrico P
Ozono P A B E 2)
Plomo P
Sulfuro de hidrógeno t 5)
Trementina mineral A
Tricloretileno A t K, 4)
Zinc P
8. Operacionalización de Variables de investigación
Variable Indicadores subindicadores
Dependiente: Los
procesos de
soldadura Soldadura
humos
tipo
Independiente:
gases emanados Contaminación
salud
ambiente
9. Interrogantes de la investigación.
¿Cómo mitigar los humos generados por los gases de soldadura?
¿Qué tipo de procesos de soldadura se usan y que tipo de gases serán
emanados?
¿La contaminación hacia la salud de los estudiantes y operarios de las
universidades e institutos es solo por procesos de soldadura en los talleres?
¿Cómo medir la contaminación e impacto de los gases generados por los
procesos?
10. Objetivos.
10.1 Objetivo General
Estudio y reconocimiento de gases en los procesos de soldadura, la evaluación de
acciones para reducir el impacto de los gases en la salud de los estudiantes.
10.2 Objetivos específicos
Analizar e identificar el nivel de contaminación de gases generados en el
proceso de soldadura en el taller de máquinas herramientas de las
Universidades e institutos.
Sugerir posibles soluciones para la extracción de gases de soldadura, como
un extractor de humos, el cual como punto de partida de la fabricación deberá
regirse a estándares medioambientales, para ello el diseño ira de acuerdo a
necesidades y normativas OSHA, quien especifica detalles de seguridad
medioambiental en procesos de soldadura.
Reconocer los metales que se usan, fuentes de energía, metales de aporte
y gases, por consiguiente, la contaminación a la que se expondrá el
estudiante y el operario.
Al conocer cómo reducir los gases de los procesos de soldadura permitirá al
alumnado y toda persona inmersa en el taller de soldadura en el momento
de las prácticas o accionamiento de máquinas de soldar, la no contaminación
de la salud, con ello no generará gastos médicos en el momento o hacia
futuro.
11. Hipótesis.
Conocer los gases emitidos por los procesos de soldadura, dicho estudio
ayudará a tener un mejor control de los gases en el taller de soldadura de la
Universidades e institutos, proponiendo y exigiendo el uso de EPP adecuado en
cuanto a filtros respiratorios y una implementación de cabinas de soldar con sus
respectivos extractores de humos, el cual debe cumplir normativas
medioambientales OSHA.
Capítulo 2
PLANTEAMIENTO OPERACIONAL
1. Metodología de investigación.
El presente trabajo está elaborado por medio del análisis de factores inertes
en los procesos de soldadura, teniendo como punto de partida el estudio de los
gases emitidos durante y después de dicha operación, se reconocerá los metales y
tipos de gases más dañinos dentro del proceso de soldadura por arco eléctrico,
soldadura MIG-MIG y soldadura TIG. El tipo de proceso que se utiliza en el estudio
será descriptivo y analista.
2. Técnicas e instrumentos de recolección de datos
2.1 Técnicas de recolección de datos
En ambas variables se usa la técnica de recopilación documental
2.2 Instrumentos de recolección de datos
Para la recolección de datos se usa la recopilación documental
3. Campo de Verificación
3.1 Ubicación espacial:
Espacios destinados a procesos de soldadura como el Taller de soldadura Pabellón
F, de la Universidad Autónoma San Francisco
3.2 Ubicación temporal
El estudio se realizó en el periodo del año 2019
3.3 Unidades de estudio
3.3.1 Población
Los estudiantes de las carreras de ingenierías con el curso en curricular de
procesos de soldadura. (Ingeniería mecánica, Ingeniería industrial y afines)
3.3.2 Muestra
El muestreo es no probabilístico- por conveniencia para determinar la
muestrea, la muestra determinada es el alumnado de la carrera de ingeniería
mecánica del ciclo 2019-II de la Universidad Autónoma San Francisco.
4. Estrategia de recolección de datos
Instrumentos
Para la realización de este documento se utilizaron libros, normas y páginas
en la web en donde se encuentra información sobre soldadura, el control de los
humos y gases, también se realiza el estudio de formas de extracción de humos e
indumentaria que ayude a reducir la contaminación hacia las personas, también
realizar cuestionarios a los alumnos de la carrera de ingeniería mecánica de ciclo
2019-II de la Universidad Autónoma San Francisco y conocer empresas que
realicen equipos de extracción y filtración de humos por soldadura.
4.1 Organización
La realización de estudio y análisis de la información se realizará de acuerdo al
cronograma.
4.2 Recursos
Se usará libros, documentación física y virtual, manuales de soldadura y revistas
técnicas sobre productos de protección para el soldador.
4.3 Interpretación de datos
- Seleccionar la información
- Interpretar cada tipo de proceso
4.4 Análisis de datos
- conocer los tipos de aleaciones usadas en los procesos de soldadura
- reconocer los elementos químicos y minerales que intervienen en los procesos de
soldadura
- identificar los filtros respiratorios para soldadores
5. Cronograma
Actividad Fuente de
información
Objetivos Tiempo
Conocer y definir los
lineamientos de la
soldadura para el
control de los
contaminantes
generados por gases y
particulados de la
soldadura
Normas del
ICONTEC donde se
hallan relación con
guías sobre varios
temas
Se debe recepcionar
todos los datos
mediante Ítems
presentados en las
normas y buscar su
adaptación al proceso
de soldadura y el control
de la emisión de gases
Realizar un
Diagnóstico del trabajo
del soldador
Guía técnica del
soldador, manual de
soldadura Soldexa.
Descripción de las
condiciones del trabajo
que rodea al soldador
Un mes
Comparación de datos
con documentos
similares
Manuales de
soldador, trabajos de
investigación,
revistas y demás
Teoría implícita en la
documentación
encontrada para ser
comparada de a
acuerdo a la
información propia
Dos
semanas
Identificar la
información necesaria
para definir
procedimientos
adecuados para el
diseño de una guía
Investigaciones y
documentos que
ayuden a elaborar
dicha guía.
Revisar, folletos,
revistas e información
de empresas
relacionadas al tipo de
procesos
Dos
meses
Desarrollo de
lineamientos en pasos
anteriores
Consulta de notas de
aporte a todas las
personas
encuestadas
Desarrollo de
documentos con esos
lineamientos
Dos
meses
Definir los procesos
más usados para la
reducción de la
contaminación por
soldadura
Acciones
preventivas de
seguridad contra
humos de soldadura,
libros de soldadura
Nombrar los materiales
peligrosos con las
enfermedades a poder
ocasionar
Dos
semanas
Plantear Métodos de
control de gases y
humos de soldadura
Identificar empresas
que desarrollen tipos
de tecnologías
contra los humos de
soldadura
Métodos de orden
mundial de control de
gases y humos de
soldadura
Dos
semanas
Recomendar buenas
prácticas para el
soldador
Se toma como base
el manual de
soldador de la AWS
para consultar
consideraciones
Se relacionan las
buenas prácticas que se
deben cumplir para el
buen desarrollo del
trabajo
Dos
semanas
Conclusiones
Los procesos de soldeo en cuanto a los materiales a usar siempre llevaran
al estado máximo de fusión, por ende, siempre se presentará la
contaminación de humos metálicos.
El uso de energías como energía eléctrica y gases para el soldeo conlleva
un riesgo latente de accidentes laborales como incendios, electrocución,
quemaduras, intoxicación y quemaduras por haz de luz hacia los ojos.
Todo manual de soldadura recomienda un uso mínimo de equipo de
protección personal para un soldador, el uso de chaqueta de cuero, gorra o
chavo, pantalones de jean, escarpines para los pies, zapatos de seguridad,
mandil de cuero, guantes largos de cuero, casco para soldar y mascarillas
de humos de soldadura con nomenclatura mínima P3.
Los ambientes de trabajo deben ser ventilados y espaciosos, caso contrario
deben estar dispuestos con extractores de humos.
Cada tipo de metal presentan distintos elementos y los más comunes son
cromo 6 o cromo hexavalente, óxido de hierro, manganeso, níquel, fluoruros,
ozono, nitrógeno, monóxidos de carbonos y demás, estos agentes químicos
presentes en los humos o partículas, si no son controlados por medio de
filtros o mascarillas pueden provocar desde irritación nasal, irritación de la
piel hasta un cáncer pulmonar.
Los humos de soldadura es una mezcla de partículas y gases, su
composición depende del material a soldar y el tipo de recubrimiento que
poseas, el proceso de soldadura a usar o emplear, el uso de gases de
protección, la intensidad de corriente a usar.
Para áreas de soldadura de universidades e institutos se debe implementar
la regla de uso obligatorio de equipo de protección personal, caso sea
necesario de cabinas de soldar con sus respectivos extractores de humos,
ayudando a mejorar las condiciones operacionales de los estudiantes y
maestros.
Realizar una adecuada organización de los lugares derivados para
soldadura.
Mantenimiento periódico de las máquinas de soldar y sus elementos,
limpieza y mejoramiento de áreas para los procesos de soldeo.
Referencias
https://online-tesis.com/tecnicas-de-recoleccion-de-datos-para-realizar-un-
trabajo-de-investigacion/
https://www.questionpro.com/blog/es/muestreo-no-
probabilistico/#:~:text=El%20muestreo%20no%20probabil%C3%ADstico%2
0es,hacer%20la%20selecci%C3%B3n%20al%20azar.
http://repositorio.unsa.edu.pe/bitstream/handle/UNSA/2718/IMpapar.pdf?se
quence=1&isAllowed=y
https://www.icontec.org/rules/seguridad-en-la-soldadura-y-el-corte/
3M Salud Ocupacional Y seguridad Ambiental (Speedglas Protección para
soldadura)
Introducción a las sustancias químicas Apéndice B sección B2 Humos de
Soldadura , Partículas totales Valor Limite umbral 5mg/m3
http://www.enre.gov.ar/web/bibliotd.nsf/58d19f48e1cdebd503256759004e86
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Manual de Soldadura Exsa- Oerlikon 1995
Catalogo EXSA-OERLIKON Soldaduras especiales
Welding Handbook – American Welding Society
Manual de soldaduras Semiautomáticas MIG/MAG EXSA- OERLIKON