Proceso s Sold a Dura 2010

Departamento Mecnica - Materiales Metlicos

DEPARTAMENTO DE INGENIERA MECANICA

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MATERIALES METALICOS

TEMA:

PROCESOS DE SOLDADURA

Preparado por:Preparado por:Preparado por:Preparado por:

Ing. Ricardo Bonaiuti

CrdobaCrdobaCrdobaCrdoba ---- 2020202011110000 RevRevRevRev.... OOOO

UNIVERSIDAD TECNOLGICA

NACIONAL

FACULTAD REGIONAL CRDOBA


INTRODUCCIN

CONCEPTOS BSICOS La soldadura es un proceso metalrgico que requiere de altas temperaturas para hacer posible la unin de los metales, la fuente de calor utilizada para lograr las temperaturas necesarias es lo que permite describir el tipo de proceso, por ejemplo: soldadura autgena (gases), soldadura arco (elctrica). Algunos procesos han sido desarrollados para aplicaciones especficas, mientras otros son muy flexibles y pueden cubrir un alto rango de necesidades industriales. La soldadura tambin es muy usada para reparar y reconstruir partes con desgaste, rotas, defectuosas, existe un amplio campo de aplicaciones dedicadas a depositar capas de metales duros que mejoran la resistencia a la corrosin, abrasin, impacto y al desgaste del material base. Introducidos a finales del siglo XIX, el proceso de soldadura por arco se mantiene como el ms usado de todas las tcnicas de soldadura. La importancia de los procesos de soldadura en la industria manufacturera puede comprenderse mejor si se considera el siguiente ejemplo: la famosa Torre Eiffeld fue construida en 1889 requiriendo 7400 Tn de acero, 2,5 millones de remaches y 9 meses de arduo trabajo; si se la hubiera construido utilizando alguno de los procesos de soldadura conocidos, pesara un 40 % menos y se hubiera construido en 90 das. Podemos definir a la soldadura como la unin de dos metales producida por el efecto del calor localizado en una seccin definida, que provoca la fusin de los elementos que intervienen y es acompaada de un tratamiento trmico en las zonas aledaas a la de fusin, debido a que el calentamiento es seguido de un enfriamiento a diferentes velocidades segn la distancia a la zona de fusin, la conductibilidad trmica del metal base y el medio ambiente que rodea el cordn de soldadura. MATERIAL DE APORTE Se denomina material de aporte al material que se adiciona mientras se lleva a cabo la operacin de soldadura. El material de aporte debe cumplir con el requisito fundamental de ser compatible, igual o lo ms parecido posible al material base que se desea soldar. Se los usa en forma de alambres, bobinas, varillas revestidas o polvos. MATERIAL DEPOSITADO Es el resultado de la soldadura durante la unin del metal de aporte con el metal base. Forma parte del cordn de soldadura y generalmente es donde se producen las apariciones de defectos o fallas consecuencia de un procesos descuidado, defectuoso, materiales no compatibles u oxidaciones. ZONA AFECTADA POR EL CALOR Conocida industrialmente como ZAC, es aquella que sin llegar a fusin, sufre un ciclo trmico de calentamiento y enfriamiento a diferentes velocidades, que modifican la micro estructura de los metales intervinientes. Comprende desde a zona de fusin, hasta donde el metal base se encuentra a temperatura ambiente. Desde el punto de vista Metalrgico, esta zona es tan importante como la de fusin debido a los fenmenos de dilatacin, contraccin y cambios cristalogrficos que se producen. CORDON Z.A.C.

UNIN SOLDADA ZAC + CORDON


PROCESOS DE SOLDADURA PRECALENTAMIENTO DEL MATERIAL BASE En algunas aplicaciones soldadas se debe practicar un precalentamiento para evitar la formacin de estructuras duras (similares a las del temple) en el ZAC durante el enfriamiento, el objetivo es disminuir el gradiente trmico y por ende la velocidad de enfriamiento. Las temperaturas de precalentamiento dependen de la composicin qumica del material base y del espesor, por ejemplo: Para un acero aleado con Ni - Cr y 0,60 % de Carbono: Ni + Cr Inf. al 4 % - No requiere precalentamiento Ni + Cr 4 al 14 % - Precalentar entre 150-250 C Ni + Cr 4 al 22 % - Precalentar entre 250-450 C Ni + Cr Sup. al 22 % - No precalentar. PREPARACIN DE JUNTAS O BISEL En todas las operaciones de soldadura es necesario efectuar una buena preparacin de las uniones a soldar a fin de asegurar la calidad de la operacin, las uniones a soldar, reciben el nombre de JUNTAS O BISEL. Una vez realizado el diseo ms adecuado de la junta, la preparacin puede llegar a incluir operaciones de mecanizados convencionales o mediante abrasivos, lo ms importante es efectuar una muy buena limpieza con agentes decapantes y soluciones desengrasantes para asegurar la eliminacin total de restos de polvos, xidos y grasas (Fig. 01). ARCO VOLTAICO o ARCO ELCTRICO El arco voltaico, tambin conocido como arco elctrico, es provocado por una descarga elctrica continua de elevada intensidad que genera calor focalizado e intenso. Se forma entre dos electrodos (metal base a soldar y material de aporte) dentro de una atmsfera de gas a baja presin. La energa elctrica, convertida en calor debido a la diferencia de potencial y la proximidad entre polos opuestos, produce una "chispa" focalizada que genera una elevada temperatura que puede alcanzar 3500 C, produciendo la fusin de los metales y luego la unin durante la solidificacin. La rpida elevacin de la temperatura en el momento que se genera el arco, es producida por electrones que van desde el electrodo negativo al positivo, pero tambin por iones positivos que se mueven en sentido opuesto. El impacto de los iones genera un intenso calor en los electrodos, pero el polo positivo es el que se calienta ms debido a que los electrones que golpean contra l tienen mayor energa total.

METALURGIA DE LA SOLDADURA Para el estudio de la metalurgia de la soldadura, se deben diferenciar dos zonas bien caracterizadas: Cordn de soldadura y la Zona afectada por el calor. El CORDN es la zona que efectivamente alcanza la fusin y en la que se produce la deposicin del material de aporte y el material base. El ZAC comprende desde la zona donde se alcanza la temperatura de fusin, hasta el metal base que se encuentra a temperatura muy prxima a la ambiente. Vemos entonces que el material calentado pasar por temperaturas que provocarn transformaciones micro estructurales tales como recristalizacin, crecimiento de grano, normalizado y temple, que provocan cambios en las propiedades fsicas asociadas a perturbaciones de orden mecnico, que se traducirn en tensiones internas residuales que provocan deformaciones y hasta fisuras en el conjunto. Los factores ms importantes a considerar en la metalurgia de la soldadura son los siguientes: 1- Velocidad calentamiento: depende de la fuente de calor y eficiencia de la transferencia. 2- Temperatura mxima alcanzada: depende de la energa entregada por la fuente y el

coeficiente de disipacin trmica del metal base. 3- Tiempo de permanencia a temperatura mxima alcanzada: es funcin del tamao y

volumen del cordn y del coeficiente de disipacin de la base. 4- Velocidad de enfriamiento: depende del volumen del cordn, del coeficiente de

transferencia trmica y de la temperatura final del metal base. 5- Temperatura final de enfriamiento: deber ser inferior a las temperaturas de 6- transformacin caractersticas del metal base.


ESTRUCTURA CRIATALINA DEL CORDON En todas las uniones soldados de metales se pueden distinguir perfectamente seis zonas bien caracterizadas que estn comprendidas en el ZAC. Consideremos el siguiente esquema: 6 5 4 3 2 1 B= Z.A.C.

A es METAL BASE - B es ZAC + CORDON 1- Zona de cristalizacin equiaxial (grano redondeado y vasto debido al enfriamiento lento en

el ncleo del cordn). 2- Zona de cristalizacin dendrtica (grano fino y alargado provocado por enfriamiento rpido). 3- Zona de crecimiento de grano (debido al mayor tiempo de exposicin a alta temperatura). 4- Zona de afinado de grano (provocado por el enfriamiento rpido del metal base). 5- Zona de transformacin parcial (depende de las caractersticas del metal base). 6- Zona de metal base sin afectar (se encuentra a temperatura casi ambiente). PRINCIPALES PROCESOS DE SOLDADURA Existen ms de 40 procesos diferentes de soldadura, en la prctica industrial se han desarrollado aplicaciones para cada necesidad, los ms importantes o de mayor desarrollo son los que se detallan a continuacin: SOLDADURA POR GASES: Se denominan de esta forma a aquellos procesos en los cuales la temperatura necesaria para alcanzar la fusin de los metales a soldar, se logra por medio de una llama de gran intensidad. Se presentan diferentes fuentes de energa: OXIACETILNICAS: El proceso de soldadura oxiacetilnica (Fig. 02), consiste en una llama dirigida por el pico de un soplete, obtenida a travs de la combustin del oxigeno y acetileno. El intenso calor de la llama, aproximadamente 3200 C, funde la superficie del metal base para formar una pileta de metal lquido que al enfriar solidifica formando una unin soldada. Se puede soldar con o sin material de aporte chapas finas y de espesores medianos, es muy usado para el corte de chapas y planchuelas de bajo/medio carbono hasta 120 mm de espesor. El metal de aporte suele ser utilizado para rellenar biseles y orificios o cuando la unin que se desea realizar as lo requiera. Para producir soldaduras de buena calidad es muy importante limpiar bien las uniones antes de soldar, se recomienda utilizar medios mecnicos o elementos desoxidantes, adems se debe escoger cuidadosamente el metal de aporte para no contaminar la soldadura. VENTAJAS Y APLICACIONES El proceso oxiacetilnico presenta las siguientes ventajas: - El equipo es porttil, econmico y puede ser utilizado en todas las posiciones de soldadura. - Gran flexibilidad de uso, puede soldar chapas finas desde 0,5 hasta 8 mm de espesor. - Su mayor aplicacin en la industria se encuentra en el campo del mantenimiento industrial, reparacin de estructuras livianas, soldaduras de caeras y manufacturas livianas. - Suele ser usado como fuente localizada de energa para calentar, doblar, forjar y endurecer metales que sern reelaborados.

A B B B B B B B A


EQUIPOS Es el conjunto de elementos que, agrupados, permiten el paso de los gases oxigeno-acetileno hasta un soplete en cuyo interior se produce la mezcla, que en contacto con una chispa, produce la combustin, base del sistema oxiacetilnico (Fig. 03). PROCEDIMIENTO BASICO Ajuste de llama (Fig. 04): En soldadura oxiacetilnica se utiliza una llama neutra (3160 C), o sea, se suministra suficiente oxigeno para asegurar la combustin de todo el acetileno presente. Aunque esta situacin corresponde a una relacin terica oxigeno-acetileno de 2,5:1,0, en la prctica parte de la combustin se realiza con oxigeno del aire de modo que: - Se consume iguales cantidades de oxigeno y acetileno, relacin 1:1. - Se produce un efecto de auto-proteccin, que minimiza la oxidacin del metal base. La llama carburante, con exceso de acetileno, se reconoce por una zona intermedia reductora que aparece entre el dardo y el penacho: se utiliza solo en casos especiales. La llama oxidante, con exceso de oxigeno, se reconoce por su dardo y penacho ms cortos y su sonido ms agudo. Seleccin de boquilla: En la seleccin de la boquilla influyen los siguientes factores: 1. Tipo de material a soldar. 2. Espesor del material. 3. Tipo de unin (tope, filete, bisel, corte). 4. Posicin en la que se soldar. 5. Habilidad del operador. OXHIDRICAS Presenta temperatura de llama mas baja que la anterior, alrededor de 2600 C, lograda mediante la combustin del gas propano y/o butano con oxgeno. Su mayor aplicacin se da en el soldado de chapas finas a tope o con aporte de alambres de secciones reducidas (tpica soldadura de chapistas de automviles). Para el corte se usa en planchuelas o chapas de hasta 25/30 mm de espesor. El equipo requerido es idntico al descrito anteriormente (Fig.03), en el que cambia el gas contenido en el cilindro N 2, que contendr propano o butano. MEZCLA DE GASES Alcanza una temperatura de llama que puede oscilar entre 2300 a 2500 C, mediante una mezcla de gas-aire o aire-oxigeno, principalmente con gas de alto horno, para aprovechar el generado en las plantas siderrgicas, algunas veces debe ser enriquecido con otros gases como el propano o butano. Este proceso es muy usado en el mantenimiento mecnico de las plantas siderrgicas y para el precalentamiento de hornos, crisoles y cucharas que recibirn o mantendrn metal en estado lquido. El equipo utilizado es parecido al descrito en (Fig.03), en el que el cilindro N 1 suele contener aire comprimido y el cilindro N 2 contiene el gas de alto horno o la mezcla. SOLDADURA POR ARCO ARCO ELCTRICO Consiste en una descarga elctrica grande de 12,5 , 24 , 36 o 48 voltios y de 100 a 1.000 amperes entre ambos polos de un circuito, mantenida a travs de una columna gaseosa altamente ionizada . La potencia del arco, se mide en unidades elctricas : W = V . A , donde W es la potencia , V la diferencia de potencia y A es la corriente circulante . La velocidad de avance de la soldadura tiene gran influencia en la eficiencia de la transferencia de calor y menor superficie de ZAC afectada . La polaridad puede ser indistinta y la corriente utilizada continua o alterna , generalmente la pinza porta electrodo o torcha , se conecta al polo positivo .


SISTEMA ARCO MANUAL El sistema de soldadura por arco manual, se define como el proceso en que se unen dos metales mediante una fusin localizada, producida por un arco elctrico entre un electrodo metlico y el metal base que se desea unir (Fig. 05). La soldadura por arco se conoce desde fines del siglo pasado, en esa poca se utilizaba una varilla metlica descubierta que serva de metal de aporte. Pronto se descubri que el oxgeno y el nitrgeno de la atmsfera eran causantes de fragilidad y poros en el metal soldado, por lo que al ncleo metlico se le agreg un revestimiento que al quemarse se gasificaba, actuando como atmsfera protectora, a la vez que contribua a mejorar notablemente otros aspectos del proceso. El electrodo esta formado por una varilla metlica, recubierta por una capa de revestimiento inorgnico, donde el ncleo es transferido hacia el metal base a travs de una zona altamente ionizada por la corriente elctrica que atraviesa el electrodo de soldadura. El revestimiento, que determina las caractersticas mecnicas, metalrgicas y qumicas de la unin, est constituido por un conjunto de componentes metlicos, minerales y orgnicos que cumplen las siguientes funciones: 1. Producir gases protectores para evitar la contaminacin atmosfrica y gases

ionizantes para dirigir y mantener el arco. 2. Producir escoria para proteger la pileta de metal lquido depositado hasta su

solidificacin. 3. Suministrar materiales desoxidantes, elementos de aleacin y hierro en polvo. DESCRIPCIN DEL EQUIPO Es uno de los ms simples de los equipos de soldadura, bsicamente consta de una fuente de corriente continua (transformador), que tiene perillas que permiten regular voltaje, corriente y polaridad mas convenientes para la operacin. Est equipada con bornes conectores que permiten alimenta el conductor o polo (+) en cuyo extremo se instala la pinza de soldadura que es la encargada de tomar/fijar el electrodo y el conductor o polo (-) se conecta al material base para que acte de maza y cierre el circuito. NORMAS DE ELECTRODOS Todos los elementos, equipos y procedimientos utilizados en las soldaduras estn normalizados, inclusive existen normas para calificar a los operadores segn niveles de especializacin y habilidades, a ttulo informativo se presenta a continuacin un ejemplo de norma aplicable para los electrodos usados en el proceso de soldadura por arco manual. NORMA PARA ELECTRODOS REVESTIDOS - A.W.S. (American Welding Socieity)

E 1 y 2 Resistencia a la traccin 3 Posicin de la soldadura 4 Tipo de fundente o escoria Ejemplos de designacin de electrodos:

E 6013 Punta azul - Rutlico E 7024 Punta naranja - Celulsico E 4130 Punta marrn - Bsicos E 307-15 Punta marrn - Inoxidables

INDICE DE POSICIONES 1- Todas 2- Horizontal y plano 3- Plano solamente


SOLDADURA SEMIAUTOMATICA SISTEMA MIG El sistema MIG (metal inert gas) fue introducido a fines del ao 1940, es definido por la norma AWS como un proceso de soldadura por arco, donde la fusin se produce por calentamiento con un arco entre un electrodo de metal de aporte continuo y la pieza, la proteccin del arco se obtiene de un gas INERTE (Argon), suministrado en forma externa a la boquilla de la torcha en el momento que se produce el arco y se inicia la soldadura, el Argn protege al metal lquido de la contaminacin atmosfrica y ayuda a estabilizar el arco (Fig. 06). En el MIG, un sistema de alimentacin impulsa en forma automtica y a velocidad establecida el alambre-electrodo hacia el bao de fusin, mientras la pistola de soldadura se posiciona en un ngulo adecuado y se mantiene a distancia (tobera-pieza) de aproximadamente 10 mm. CUALIDADES DEL SISTEMA 1. El arco siempre es visible para el operador. 2. La pistola y los cables de soldadura son ligeros, haciendo muy fcil su manipulacin. 3. Es uno de los ms verstiles entre todos los sistemas de soldadura. 4. Rapidez de deposicin, arco estable y sin formacin de escoria. 5. Excelente proteccin del metal lquido y alto rendimiento. EQUIPO NECESARIO (Fig. 07) 1. Fuente estabilizada de corriente continua. 2. Alimentador o devanador para alambre de aporte con regulador de velocidad. 3. Torcha o pistola de soldar para orientar el arco y el alambre hacia la unin a soldar. 4. Cilindro conteniendo gas Argn para proteccin. 5. Caudalmetro con regulacin de presin para dosificar la salida del Argn. 6. Carretel o bobina de alambre de calidad y dimetro adecuados para lo que voy a soldar. SISTEMA MAG El proceso MAG (metal active gas) es parecido al MIG, la principal diferencia radica en el gas protector, que en este caso es muy activo (oxidante), se usa el anhdrido carbnico (CO2), que a la alta temperatura del arco, se descompone en monxido de carbono (CO), que es reductor y protege la zona de soldadura y oxgeno (O2) que oxida selectivamente las impurezas formando una delgada capa de escoria que se desprende fcilmente. SISTEMA TIG Las exigencias tecnolgicas en cuanto a calidad y confiabilidad de las uniones soldadas, obligan a adoptar nuevos sistemas de soldadura por arco, destacndose entre ellos la TIG (tugsten inert gas), que utiliza electrodo no consumible de tungsteno y proteccin con gases inertes como el Argn o Atal. El electrodo no consumible es metlico y presenta un punto de fusin superior a los 3300 C, generalmente se usa Wolframio (W), Torio (To) o Wolframio-Zirconio (W-Zr). El sistema TIG es un proceso de soldadura por arco con proteccin gaseosa, que utiliza el intenso calor de un arco elctrico generado entre un electrodo de tungsteno no consumible y la pieza a soldar, con o sin material de aporte. Se utiliza un gas de proteccin cuyo objetivo es desplazar el aire, para eliminar la posibilidad de contaminacin de la soldadura por el oxigeno y nitrgeno presentes en la atmsfera. Como gases protectores se pueden emplear Argn o Helio, o una mezcla de ambos. Las caracterstica ms importantes que ofrece este sistema es la alta calidad de soldadura en todos los metales sin aporte, incluyendo aquellos difciles de soldar o metales de un espesor delgado y para depositar cordones de raz con aporte, en uniones de caeras de alta presin. Las soldaduras hechas con el sistema TIG son ms fuertes, resistentes a la corrosin y ms dctiles que las realizadas con electrodos convencionales. Cuando se necesita alta calidad y mayores requerimientos de terminacin, se hace necesario utilizar el sistema TIG para lograr soldaduras homogneas de buena apariencia y con un acabado completamente liso (Fig. 08). Las principales ventajas que presenta el sistema son: - No requiere fundentes, no forma escoria por lo que no hay necesidad de limpieza posterior, - Produce bajas salpicaduras, chispas y emanaciones gaseosas, - Brinda soldaduras de alta calidad en todas las posiciones, sin distorsiones, - Puede ser automatizado, montando la torcha en un manipulador y controlando el aporte.


El equipo consta bsicamente de las siguientes partes (Fig. 09) - Fuente de poder de corriente alterna, - Unidad de alta frecuencia, - Pistola o torcha con electrodo de dimetro adecuado, - Cilindro de gas Argn para proteccin del arco, - Caudalmetro con regulacin de presin para dosificar la salida del gas Argn, - Suministro de agua de enfriamiento (para casos de trabajo en ciclo continuo). La pistola asegura el electrodo no consumible que conduce la corriente y est rodeado por una boquilla de cermica, que hace fluir concentricamente el gas protector. Normalmente se refrigera por aire, pero para intensidades de corriente superiores a 200 Amp se utiliza refrigeracin por agua, para evitar el recalentamiento del mango. SOLDADURA AUTOMATICO SISTEMA ARCO SUMERGIDO Es el ms recomendado para uniones soldadas de aceros con elevado espesor, grandes longitudes y elevada calidad, su principal aplicacin se da en la industria naval. Fue desarrollado simultneamente en E.U. y Rusia a mediados de la dcada del los 30. Es un proceso automtico, en el que el alambre de aporte desnudo es alimentado automticamente hasta hacer contacto con la pieza provocando el arco, que se mantiene sumergido en una masa de polvo fino (fundente), alimentado desde una tolva que se desplaza delante del electrodo. De esta manera el arco resulta invisible, lo que constituye una ventaja pues evita el empleo de elementos de proteccin contra la radiacin infrarroja y ultra violeta que son muy nocivas para el personal que trabaja. Las corrientes utilizadas en este proceso varan en un rango que va desde los 200 hasta los 2.000 Amp, usualmente se utiliza corriente continua con electrodo conectado al polo positivo cuando se trata de intensidades inferiores a los 1.000 Amp, cuando las corrientes de trabajo superan ste valor se recomienda usar corriente alterna a fin de evitar el fenmeno conocido como soplo magntico. Los espesores que se pueden soldar varan desde 5 hasta ms de 50 mm por pasada. El proceso se caracteriza por sus elevados regmenes de deposicin y es normalmente empleado cuando se trata de soldar grandes espesores de acero al carbono o de baja aleacin (Fig. 10). EQUIPO Los principales componentes de la soldadura por arco sumergido se muestran en la (Fig. 11). Entre las principales ventajas podemos citar: a) Alta velocidad de deposicin y rendimiento: con electrodos de 5/32 y 3/16 a 800 y 1000

Amp. se logra depositar hasta 15 Kg./hora de soldadura, con electrodo de y 1300 Amp. se depositan hasta 24 Kg./hora (tres a cuatro veces ms rpido que la soldadura manual),

b) Permite obtener depsitos de propiedades comparables a las del metal base, c) Rendimiento del 100%, d) Soldaduras con 100% calidad radiogrfica, e) Cordones homogneos, f) Uniones de buen aspecto y penetracin uniforme, g) No se requieren protecciones especiales para los operadores. El sistema automtico de arco sumergido brida mxima velocidad de deposicin y calidad respecto a los dems sistemas conocidos en la industria, por stas cualidades es recomendado para produccin de uniones soldadas de aceros de medio y alto espesor (desde 5 mm hasta 250 mm) que puedan ser ubicadas en posicin plana horizontal preferentemente, por Ej: vigas y perfiles estructurales, bases de estanques, cilindros de gas, bases de maquinas, uniones soldadas de barcos. Tambin puede ser usado, previa adaptacin, en relleno de grandes ejes, ruedas de FF.CC. y piezas estructurales grandes.


FOTOS DE QUIPAMIENTO DE SOLDADURA

POR ARCO SUMERGIDO


SOLDADURA POR RESISTENCIA ELECTRICA En la soldadura por resistencia elctrica los electrodos de cobre para generar calor hacen pasar una corriente elctrica a travs de la pieza de trabajo, el calor generado depender de la resistencia elctrica y la conductividad trmica del metal y el tiempo en que la corriente sea aplicada, el calor generado se representa en la siguiente ecuacin: E = I 2 x R x t E: representa la energa en forma de calor, I: representa la corriente elctrica, R: representa la resistencia elctrica del metal a soldar, t: el tiempo en que la corriente es aplicada.

METAL

CONDUCT. TERMICA (W/m)

RESIST. ELCTR. (Ohms-Cm)

PUNTO FUSIN

( C ) ACERO (1020) 52 17,40 1535 ALUMINIO 190 5,00 620 ZINC 112 5,90 420 COBRE 385 1,70 1085 Los electrodos estn montados en dos brazos que actan como prensas y someten a los mismos a una gran presin uno contra el otro, las lminas de metal que van a ser soldadas se colocan entre los electrodos que al presionarlas aseguran el contacto, luego hacen pasar por ellas una corriente de bajo voltaje (12 a 24 Volt) y gran amperaje (1500 a 80000 Amp) que provoca un calentamiento localizado y suelda las chapas. Este sistema est muy difundido en la industria automotriz, de electrodomsticos, gabinetes, etc debido a la simplicidad y efectividad que presenta, puede ser totalmente automatizado, produce uniones soldadas muy resistentes con ZAC reducido. Principalmente se la utiliza para soldar aceros de bajo carbono y algunos metales no ferrosos. Los equipos utilizados tienen diseos variados segn las caractersticas de cada aplicacin, no obstante, en general, constan de las siguientes partes : - Fuente de corriente continua. - Control electrnico para comando de variables (tiempo, presin, calor, repeticin) - Soportes estructurales para mantener la pinza porta electrodos de soldadura. - Equipamiento neumtico o hidrulico para aplicar la presin necesaria, en la seccin

deseada. - Comando o disparados a distancia. Pertenecen a sta familia las soldaduras por proyeccin, soldadura por costura y la soldadura a tope SOLDADURA POR FRICCIN Forma parte de los nuevos avances tecnolgicos que se adelantan en los procesos de soldadura para crear alternativas adaptadas a los procedimientos de alta produccin y limitaciones especiales de cierto proceso o material. La soldadura por friccin es un proceso de penetracin total en fase slida, es decir que suelda sin llegar a la fusin del material, hasta ahora ha sido utilizado para diversas aleaciones de aluminio. En el proceso, un cilindro de seccin plana montado sobre un rotor que gira alrededor de 50.000 rpm, son suavemente aproximados a las chapas a unir, las cuales son enfrentadas a tope. El calor de la friccin entre el cilindro rotatorio de alta resistencia al desgaste y las piezas a ser soldadas provoca la unin de las chapas sin que se llegue al punto de fusin, el material en estado pastoso es enfriado bajo presin para garantizar la unin. La soldadura por friccin puede ser usada para soldar lminas de aluminio sin necesidad de agregar material de aporte o ningn tipo de gas protector, es aplicable para espesores desde 1,6 hasta 30 mm, actualmente se trabaja en la puesta a punto para soldar aleaciones de Litio, Plomo, Magnesio, Cu y Ti.


SOLDADURA POR HAZ DE ELECTRONES El proceso de soldadura con haz de electrones (electron beam welding, EBW) se us por primera vez comercialmente a fines de los 50, desde entonces ha logrado gran aceptacin en toda la industria, colaborando en la disminucin de costos. Se comenz usando en la industria nuclear y luego en la aeronutica y aeroespacial, con lo cual adquiri reconocimiento en la capacidad de lograr una mejora en la confiabilidad y calidad de componentes altamente crticos. Inicialmente el proceso estuvo limitado a la aplicacin dentro de una cmara de alto vaco, luego se invent un sistema que slo requera alto vaco en la parte donde se genera el haz, con lo cual se pudo soldar en una cmara de vaco medio o en un entorno sin vaco, esto introdujo su uso a la industria automotriz y a la de electrodomsticos, con lo cual a partir de los aos 60 su uso se generaliz a todas las industrias. DESCRIPCIN GENERAL DEL PROCESO Es un proceso de unin por fusin que produce la coalescencia de materiales gracias al calor generado por la incidencia de un haz compuesto principalmente por electrones de alta energa en la unin por soldar. Los electrones, con su carga elctrica negativa y una masa muy pequea, son acelerados hasta alcanzar una alta energa y una velocidad comprendido entre 30 y 70% de la velocidad de la luz. Bsicamente, una pistola de haz de electrones funciona igual al tubo de un televisor, la diferencia fundamental es que en ese caso el haz de electrones es de baja intensidad y barre la pantalla del tubo que es fosforescente y se genera una imagen. La pistola soldadora de haz de electrones emplea su haz de alta intensidad par bombardear continuamente la unin por soldar, convirtiendo la energa en calor para formar una soldadura por fusin. En ambos casos el haz de electrones se forma de la misma manera, con un can electrnico que tiene algn tipo de emisor de electrones termoinico (ctodo o filamento), un electrodo de control de polarizacin (rejilla o copa de rejilla), y un nodo. En la EBW, el sistema completo de generacin del haz (can y ptica electrnica) recibe el nombre de unidad de can de electrones y columna o Columna de Can Electrnico. FUNDAMENTOS DEL PROCESO El corazn del proceso es la unidad de can electrnico y columna, de la cual se muestra una representacin simplificada de un can electrnico trodo, en la Fig.1. Los electrones se generan calentado un material emisor con carga negativa hasta alcanzar su intervalo de temperatura de emisin termo inica, lo que hace emigrar a los electrones de este emisor o ctodo y ser atrados por el nodo de carga positiva. La rejilla o copa de polarizacin, que rodea al emisor, provee la geometra de campo electrosttico que acelera y al mismo tiempo dirige a estos electrones para formar un haz, luego el haz sale del can por una abertura que posee el nodo. En una pistola diodo (nodo-ctodo), este electrodo director de electrones y el emisor tienen el mismo potencial elctrico y juntos reciben el nombre de ctodo. En una pistola triodo (ctodo-rejilla-nodo), los dos tienen diferente potencial; en consecuencia, la retcula directora del haz puede polarizarse a un valor un poco ms negativo que el emisor, a fin de controlar el flujo de la corriente del haz. En este caso el emisor slo recibe el nombre de ctodo (o filamento) y el electrodo director del haz es la copa de polarizacin (o rejilla). Dado que en ambos casos el nodo est incorporado al can electrnico, la generacin del haz (aceleracin y direccin) se efectan en completa independencia de la pieza de trabajo. Al salir del can, este haz de electrones se acelera a velocidades dentro del intervalo de 30-70% de la velocidad de la luz, cuando los voltajes de operacin de la pistola estn entre 25-200 KV. Luego, el haz se dirige hacia la pieza de trabajo. Una vez que el haz sale del can se ensancha gradualmente, como se ve en la Fig.1. Esta divergencia se debe a que todos los electrones tienen una componente radial de la velocidad, por causa de la energa trmica, adems todos experimentan una repulsin elctrica mutua. Para contrarrestar este efecto de divergencia inherente, se usa un sistema de lente electromagntico que hace que el haz converja, enfocndolo en un punto pequeo sobre la pieza de trabajo. Los ngulos de divergencia y convergencia del haz son relativamente pequeos, lo que da al haz concentrado un intervalo de foco til, o profundidad de foco, de aproximadamente de 1 pulgada, como se indica en la Fig.1. En la prctica, la tasa de aporte de energa a la unin soldada se controla a travs de estas cuatro variables bsicas: 1-El nmero de electrones que inciden sobre la pieza de trabajo cada segundo (corriente del haz), 2-La velocidad de estos electrones (voltaje de aceleracin del haz), 3-El grado de concentracin del haz sobre la pieza de trabajo (tamao del foco del haz),


4-La velocidad con que viaja la pieza de trabajo o el haz de electrones (velocidad de soldadura). Los voltajes y corrientes de aceleracin del haz ms altos que pueden lograrse con unidades de can electrnico y columna, disponibles en el mercado varan entre 25-200Kv y 50-1000mA, respectivamente, y los haces de electrones producidos pueden enfocarse en puntos de un dimetro entre 0,25-0,76mm. Los niveles de potencia y densidades de potencia del haz ms alto que pueden alcanzarse con estas unidades son de 100KW, y 1,55 x 104 w/mm2 , respectivamente. Estas densidades de potencia son bastante ms grandes que las obtenidas en procesos de soldadura por arco. La capacidad potencial de soldadura de un sistema de haz de electrones se indica con la densidad de potencia mxima que puede aportar a la pieza de trabajo. Este factor de comparacin depende de la potencia del haz (corriente x voltaje) y del dimetro del punto focal mnimo que puede lograrse con el sistema. A la fecha ya existen mquinas experimentales de 300Kw de potencia, que logran densidades mayores a la mencionada arriba. El haz de electrones puede penetrar instantneamente en una pieza de trabajo slida o en una unin a tope y formar un capilar de vapor (o agujero calado) rodeado por metal fundido, al avanzar el haz por la unin el metal fundido de la parte de adelante del agujero calado fluye por la periferia y se solidifica atrs, formando el cordn de soldadura. En la mayor parte de las aplicaciones la profundidad de penetracin de la soldadura es ms grande que su ancho y la zona trmicamente afectada es muy angosta. Por ejemplo, el ancho de una soldadura a tope en plancha de acero de 13mm de espesor puede ser tan pequeo como 0,8mm cuando se realiza al vaco. VARIACIONES DEL PROCESO Actualmente se usan tres modalidades: al alto vaco (EBW-HV), al mediano vaco (EBW-MV) y sin vaco (EBW-NV), la diferencia principal entre estas es la presin ambiente a la que se efecta la operacin, en el modo de alto vaco, la soldadura se realiza en el intervalo de presin de 10-6 a 10-3

torr (torr = 1mmHg), en el mediano vaco el intervalo de presin es de 10-3 a 25torr, dentro de este intervalo, las presiones entre 10-3 y 1torr, reciben el nombre de vaco parcial o suave y de 1 a 25torr vaco rpido. La soldadura sin vaco se realiza la presin atmosfrica y se la llama EBW atmosfrica. En todos los casos, la presin dentro el can electrnico debe mantenerse por debajo de 10-4torr para que opere de manera estable y eficiente. La soldadura al alto y al mediano vaco se efecta dentro de una cmara de vaco, por lo que se requiere un tiempo de evacuacin necesario para crear un entorno de alta pureza. La mquina de soldar al mediano vaco conserva casi todas las ventajas de la de alto vaco, pero tiene un tiempo de evacuacin ms corto, con lo cual se logran mayores tasas de produccin. La soldadura de haz de electrones sin vaco, aunque no requiere de un tiempo de evacuacin, no se puede usar en algunas aplicaciones pues son ms anchas y menos profundas que las realizadas con la misma pero que operan en el vaco. En la operacin a mediano vaco, el haz se genera en el alto vaco y luego se proyecta a una cmara de soldadura que opera a una presin mayor. Esto se logra con un orificio debajo de la columna de generacin del haz que tiene un dimetro suficiente para que pase el haz de electrones pero no para que haya una difusin significativa de los gases hacia la cmara del can. En el equipo de soldadura con haz de electrones sin vaco, el haz se genera en alto vaco y luego se proyecta a travs de varios orificios de diseo especial que separan una serie de cmaras con bombeo diferencial, para finalmente salir a un entorno de trabajo que se encuentra a presin atmosfrica. Para este caso de soldadura sin vaco, son necesarios ms de 150KV de tensin, pero si se usa una atmsfera de helio pueden usarse tensiones de aceleracin de los electrones menores a estos valores, en Fig.2 se muestran las tres modalidades bsicas, para ilustrar las modalidades alto y mediano vaco, se muestra una columna de can electrnico montada sobre la cmara correspondiente. Tambin puede montarse una columna de can electrnico mvil en el interior de las cmaras de alto y medio vaco. VENTAJAS Y LIMITACIONES

La soldadura con haz de electrones presenta capacidades de rendimiento nicas, con un entorno de alta calidad, elevadas densidades de potencia y excelente control, que resuelve una amplia gama de problemas de unin. Las principales ventajas son:

(1) convierte directamente la energa elctrica en energa de salida del haz, por lo que el proceso es en extremo eficiente.


(2) los objetos soldados con haz de electrones presentan una relacin profundidad-ancho alta, lo que permite soldar con una sola pasada uniones gruesas.

(3) El aporte de calor por unidad de longitud para una profundidad de penetracin dada puede ser mucho mayor que en la soldadura por arco. La angosta zona soldada resultante produce poca distorsin y mnimos efectos trmicos perjudiciales.

(4) El entorno de alta pureza (vaco) minimiza la contaminacin con oxgeno e hidrgeno, (5) La capacidad de proyectar el haz a una distancia de varios pies en el vaco muchas veces

permite efectuar soldaduras en lugares que de otro manera seran inaccesibles, (6) Se pueden alcanzar velocidades de recorrido elevadas por la gran rapidez de fusin asociada

a esta fuente de calor concentrada. Esto reduce el tiempo de soldadura y aumenta la produccin y la eficiencia energtica,

(7) Es posible soldar uniones a tope razonablemente cuadradas en placas tanto gruesas como relativamente delgadas con una sola pasada y sin adicin de metal de aporte,

(8) Es posible soldar cierres hermticos en los modos de operacin al alto o mediano vaco conservando un vaco en el interior del componente,

(9) El haz de electrones puede desviarse magnticamente a fin de producir soldaduras de diversas formas y se puede hacer oscilar magnticamente para mejora la calidad de la soldadura o aumentar su penetracin,

(10) Es posible producir en una sola pasada soldaduras de penetracin completa, lados casi paralelos y encogimiento casi simtrico. (11) Se pueden soldar metales dismiles y metales con elevada conductibilidad trmica como el

cobre. Entre las limitaciones estn las siguientes:

(1) Los costos de capital son bastantes ms altos que los del equipo de soldadura por arco. Pese a ello, y dependiendo del volumen de piezas que se vaya a producir, los costos finales por pieza pueden ser muy competitivos.

(2) La preparacin de soldaduras con razn profundidad-ancho elevadas requiere maquinado con precisin de los bordes de la unin y alineacin muy exacta de la unin, adems la separacin de la unin debe ser mnima para aprovechar lo reducido del dimetro del haz de electrones.

(3) La rapidez de solidificacin tan alta, que puede causar grietas en aceros inoxidables de baja ferrita.

(4) en la soldadura al alto y mediano vaco, el tamao de la cmara de trabajo debe ser suficiente para realizar la operacin de ensamblado. El tiempo requerido para evacuar la cmara influir en los costos de produccin.

(5) Las soldaduras de penetracin parcial con razones profundidad/ancho altas son susceptibles a huecos en la raz y porosidad.

(6) Como el haz de electrones es desviado mediante campos magnticos, es preciso emplear metales no magnticos o debidamente desmagnetizados para el herramental y accesorios cercanos al trayecto del haz.

(7) en la modalidad de soldadura sin vaco, la limitacin de la distancia entre el extremo inferior de la columna de can electrnico y el trabajo limitar el diseo del producto en reas adyacentes a la unin por soldar.

(8) En todas las modalidades de EBW hay que tomar medidas de proteccin contra la radiacin para asegurar que el personal no se exponga a los rayos X generados por la soldadura de haz de electrones.

(9) Si se suelda sin vaco, se requiere de una ventilacin adecuada para eliminar el ozono y otros gases dainos generados en esta modalidad de la soldadura de haz de electrones.


Fig. 1 Esquema simplificado de can electrnico y columna trodo.

Fig. 2 Corte Transversal de un Equipo de Soldadura con Haz de Electrones donde se ve el Can y la Zona de trabajo


Haz de Electrones con distintos grados de vaco (dispersin decreciente)

Velocidad y Penetracin de Soldadura para distintas Potencias de Equipos y Distancia al Trabajo


SOLDADURA POR LASER En ste proceso de soldadura la fuente de calor es un haz laserico de gran intensidad. En la prctica un lser consiste en un medio colocado entre los espejos terminales de una cavidad de resonancia ptica, cuando ese medio se bombea, es decir se excita, hasta el punto en que se produce una inversin de poblacin, condicin en que la mayor parte de los tomos (o molculas) activos del medio alcanzan un estado energtico superior al normal, se tendr una fuente de luz coherente que podr reflejarse una y otra vez entre los espejos de la cavidad. el resultado es la induccin de un efecto cascada que har que esta luz coherente llegue a un valor umbral en el cual el dispositivo podr emitir un rayo de luz lser. La caracterstica principal de un rayo lser es que se trata de un haz de luz coherente, monocromtica y unidireccional. En el caso de un rayo lser la energa que se emite es altamente concentrada, ya que el haz tiene una sola direccin (unidireccional), un solo color o longitud de onda (monocromtico) y adems todas las ondas se emiten en fase (coherencia), lo cual hace que la densidad de energa sea, para un punto dado, enormemente mayor a la que recibira de una fuente de luz comn. VENTAJAS DEL PROCESO

01) El aporte de calor es el mnimo requerido para fundir el metal de soldadura, con esto se reducen los efectos metalrgicos del ZAC y se minimiza la deformacin de la pieza.

02) Se han calificado procedimientos de soldadura de una sola pasada en placas de hasta 32mm de espesor, lo que permite reducir el tiempo de soldadura de secciones gruesas sin aporte de material y sin preparacin laboriosa de la unin (no es lo normal).

03) Al no requerirse aporte de material la unin soldada queda libre de contaminacin, marcas o daos por las corrientes de soldadura de resistencia elevadas. Como la LBW es un proceso sin contacto, la distorsin se minimiza y se elimina el desgaste del herramental.

04) Los rayos lser se enfocan, alinean y dirigen fcilmente con elementos pticos, por lo que puede colocarse a una distancia conveniente de la pieza de trabajo y redirigirse de modo que sortee el herramental y los obstculos en la pieza de trabajo, esto permite acceder a zonas donde es difcil llegar con otros procesos de soldadura.

05) La pieza puede introducirse y soldarse hermticamente en una cmara evacuada o que contenga una atmsfera controlada o tambin sin vaco ni proteccin contra rayos X.

06) El lser puede enfocarse en un rea pequea, lo que permite unir componentes pequeos, muy juntos, con soldaduras diminutas.

07) Es posible soldar una amplia variedad de materiales con propiedades fsicas diferentes, incluidas diversas combinaciones de materiales de diferentes tipos.

08) El lser pude mecanizarse con facilidad para soldadura automatizada de alta velocidad, incluso con control numrico computarizado.

09) Las soldaduras en material delgado y alambres de dimetro pequeo son menos susceptibles a oxidarse que cuando se hace con arco.

10) La presencia de campos magnticos no afecta las soldaduras, como sucede con las tcnicas de arco y de haz de electrones; adems, tienden a seguir la unin hasta la raz de la pieza de trabajo, aunque el rayo y la unin no estn perfectamente alineados.

11) Se pueden lograr razones de aspecto (es decir, razones profundidad / anchura) del orden de 10:1 cuando la soldadura se efecta haciendo una cavidad en el metal (en soldadura de agujero calado)

12) El rayo puede trasmitirse a ms de una estacin de trabajo empleando ptica de conmutacin del rayo, lo que permite compartir el tiempo del rayo.

LIMITACIONES DEL PROCESO

01) Las uniones deben colocarse lateralmente con mucha exactitud bajo el rayo y en una posicin controlada respecto al punto de foco del rayo.

02) Si es preciso empujar lateralmente una superficie de trabajo contra la otra, el mecanismo de sujecin debe garantizar que la posicin final de la unin est alineada exactamente con el punto de incidencia del rayo.

03) El espesor mximo de una soldadura con lser est limitado a 19 mm. 04) La elevada reflectividad y conductividad trmica de algunos materiales, como Al y Cu,

pueden afectar la soldabilidad con lser. 05) En operaciones con potencia alta es preciso emplear un dispositivo de control de plasma para

asegurar que la soldadura sea reproducible. 06) Tienden baja conversin de energa, generalmente por debajo del 10%. 07) Debido a la rpida solidificacin por ZAC reducido, es de esperar un cierto grado de porosidad

e inelasticidad de la unin soldada.


PRINCIPALES PROCESOS DE SOLDADURA

SOLDADURA POR GASES

PRODUCTORES DE LLAMA

OXIACETILENICAS: Temp. de llama 3.200 oC - Utiliza gas Acetileno + Oxigeno

OXHIDRICAS: Temp. de llama 2800 C - Utiliza Gas Propano / Butano envasado + aire (aire con oxgeno)

GAS DE ALTO HORNO: Temp. llama 2600 C - Utiliza gases de alto horno mezclado con aire comprimido

SOLDADURA POR

MANUAL

ELECTRODO REVESTIDO a) Rutlico: Todas las posiciones,

cordn bueno, baja resistencia mecnica.

b) Bsico: Bajo hidrgeno, gran resistencia mecnica. Todas las posiciones.

c) Celulsico: Gran penetracin. Posiciones: vertical descendente y bajo cabeza.

TIG SIN APORTE ARCO VOLTAICO

SEMIAUTOMATICA

MAG: Materiales de aporte en forma alambre macizo o tubular

MIG: tubular. Proteccin con gases segn cada

proceso. TIG: Aporte y gas de proteccin se realizan mecnicamente.

AUTOMATICO

ARCO SUMERGIDO Usada para soldar aceros de baja o media aleacin y elevado espesor en aplicaciones navales.

SOLDADURA POR RESISTENCIA ELECTRICA

MANUAL Y/O AUTOMATICA

Utilizan como fuente de calor la resistencia que oponen los metales al ser atravesados por una corriente elctrica de bajo voltaje y elevada intensidad, son muy focalizados: PUNTOS COSTURA A TOPE

SOLDADURA POR FRICCION

AUTOMTICO

Penetracin total en fase slida (suelda sin llegar a fundir) en espesores de 0,5 a 10 mm en aleaciones de Al, ZAC reducido

SOLDADURA POR HAZ de ELECTRONES

AUTOMTICO ALTO VACO MEDIO VACO SIN VACO

La fuente de calor es un haz de electrones de gran nerga enfocados a la zona a soldar

SOLDADURA POR LASER

AUTOMTICO POR HAZ IONICO DE

GRAN INTENSIDAD

Suelda casi instantneamente por el calor disipado por un haz de electrones que impacta (acelerado hasta 70% de la velocidad de la luz) sobre la superficie del metal a soldar

Mnimo ZAC

SOLDADURAS ESPECIALES

SOLDADURA BRAZING POR ULTRA SONIDO POR EXPLOSIVO

POR FORJA

SLIDO LIQUID (por capilaridad) SLIDO - SLIDO SLIDO - SLIDO SLIDO - SLIDO (pastoso)

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Proceso s Sold a Dura 2010