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FACULTAD DE LA ENERGIA, LAS INDUSTRIAS I NDUSTRIAS Y LOS RECURSOS NATURALES NO RENOVABLES
1. SOLDADURA POR RESISTENCIA La soldadura por resistencia (RW, por sus siglas en inglés) es un grupo de procesos de soldadura por fusión que utiliza una combinación de calor y presión para obtener la coalescencia; el calor se genera mediante una resistencia eléctrica dirigida hacia el flujo de corriente en la unión que se va a soldar. Los principales componentes en la soldadura por resistencia se muestran en la figura 1.1 para una operación operación de soldadura de puntos puntos por resistencia; éste es el el proceso de uso más difundido en el grupo. Los componentes incluyen piezas de trabajo que se van a soldar (por lo general, piezas de lámina metálica), dos electrodos opuestos, un medio para aplicar presión destinado a apretar las piezas entre los electrodos y un suministro de corriente alterna desde el cual se aplica una corriente controlada. La operación produce una zona fundida entre las dos piezas, llamada una pepita de soldadura en la soldadura de puntos. A diferencia de la soldadura con arco, la soldadura por resistencia no usa gases protectores, fundentes o metales de relleno; y los electrodos que conducen la energía eléctrica hacia el proceso son no consumibles. La RW se clasifica como un proceso de soldadura por fusión porque el calor aplicado provoca la fusión de las superficies de empalme. Sin embargo, hay excepciones. Algunas operaciones de soldadura basadas en el calentamiento de una resistencia usan temperaturas por debajo del punto de fusión de los metales base, por lo que no ocurre una fusión.
FIGURA 1.1 Soldadura por resistencia; se muestran los componentes en la soldadura de pu ntos; el proceso predominante en el grupo de RW. RW.
Fuente de potencia en la soldadura por resistencia La energía calorífica aplicada a la operación de soldadura depende del flujo de corriente, de la resistencia del circuito y del intervalo en que se aplica la corriente. Esto se expresa mediante la ecuación: 2 = (1.1) donde H = calor generado, J (para convertir a Btu, divida entre 1 055); I = corriente, A; esistencia eléctrica, Ω; y t = tiempo, s. R = r esistencia La corriente usada en las operaciones de soldadura por resistencia es muy alta (de manera típica de 5 000 a 20 000 A), aunque el voltaje es relativamente bajo (menos de 10 V de modo usual). La duración t de la corriente es breve en la mayoría de los procesos, tal vez de 0.1 a 0.4 s en una operación de soldadura de puntos típica.
Las razones por las que la corriente es tan alta en la RW son: 1) que el término al cuadrado en la ecuación (1.1) amplifica el efecto de la corriente 2) que la resistencia es muy baja (alrededor de 0.0001Ω).
La resistencia en el circuito de soldadura es la suma de 1) la resistencia r esistencia de los electrodos, 2) la resistencia de las piezas de trabajo, 3) las l as resistencias de contacto entre los electrodos y las piezas de trabajo y 4) la resistencia de contacto de las superficies de empalme. La situación ideal es que las superficies de empalme tengan la resistencia más grande en la suma, dado que ésta es la posición deseada para la soldadura. La resistencia de los electrodos se minimiza usando metales con resistividades muy bajas, como el cobre. La resistencia de las piezas de trabajo es una función de las resistividades de los metales base implicados y los espesores de las piezas. La resistencia de contacto entre los electrodos y las piezas se determina mediante las áreas de contacto (es decir, el tamaño y la forma del electrodo) y la condición de las l as superficies (por ejemplo, la limpieza de las superficies de trabajo y el óxido en el electrodo). Por último, la resistencia en las superficies de empalme depende del acabado de la superficie, la limpieza, el área de contacto y la presión. No debe existir pintura, grasa, suciedad u otros contaminantes que separen las superficies que hacen contacto. El éxito en la soldadura por resistencia depende tanto de la presión como del calor. Las principales funciones de la presión en la RW son: 1) Obligar el contacto entre los electrodos y las piezas de trabajo, así como entre las dos superficies de trabajo antes de aplicar la corriente. 2) Presionar las superficies de empalme una contra otra para obtener una coalescencia cuando se alcance la temperatura adecuada para soldar. Las ventajas generales de la soldadura por resistencia incluyen que: 1) No se requiere requiere un metal de relleno. relleno. 2) Son posibles altas velocidades de producción. 3) Se presta para la mecanización y la automatización. 4) El nivel de habilidad del operador es menor al que se requiere para la soldadura con arco. 5) Tiene buena repetitividad y confiabilidad. Las desventajas son que 1) El costo inicial del equipo es alto, por lo general mucho más alto que la mayoría de las operaciones de soldadura con arco. 2) Los tipos de uniones que pueden soldarse se limitan a las uniones sobrepuestas para la mayoría de los procesos de RW. (Groover, 2007)
1.1 SOLDADURA POR PUNTOS La soldadura por puntos de resistencia es un tipo de soldadura sin material de aportación. La unión de las chapas se realiza gracias al aumento de la temperatura que genera el
equipo de soldadura, que lleva al metal a su punto de fusión. Este aumento de temperatura se consigue haciendo pasar una corriente eléctrica de baja tensión (de 5 a 20 V) y alta intensidad (entre 500 y 2000 amperios) a través del metal que presenta resistencia a dicha corriente, lo que genera un gran aumento de la temperatura. Por tanto, cuanto mayor sea la resistencia, mayor será el calor generado. Es muy importante la perfecta regulación de los electrodos de resistencia, que deben quedar perfectamente alineados, y de su presión durante la soldadura, ya que si esta no es adecuada el punto de soldadura será deficiente. Esta presión se efectúa de forma manual o neumática. Este tipo de soldadura es el que se utiliza normalmente en la unión de las chapas metálicas de los vehículos.
Equipo de soldadura por puntos de resistencia
Este equipo (figura 14.14) está formado por los siguientes componentes: Fuente de energía : es normalmente un transformador de corriente eléctrica de 220 ó 380 V que proporciona una elevada intensidad de trabajo con una tensión de trabajo reducida. Panel de control : formado por los mandos donde el operario regulará los parámetros fundamentales para realizar una correcta soldadura. Pistola de soldadura : sujeta los electrodos. Está conectada a la fuente de energía mediante los cables que transmiten la corriente eléctrica y su objetivo es sujetar los electrodos. También se la conoce como cabezal. Electrodos: están fabricados con aleaciones de cobre-cromo. Se clasifican según su tamaño y su forma
Principio general de la soldadura por puntos En la figura 2 se muestra como dos chapas solapadas pueden ser soldadas por resistencia (puntos). En ella se observa que el ciclo elemental consta de cinco partes:
FIGURA 2 A: Elementos a soldar, colocados uno sobre otro; B: Descenso del electrodo superior; C: Paso de la corriente de soldadura; D: Interrupción del paso de la corriente de soldadura; E: Fin de la aplicación del esfuerzo sobre el punto de soldura y elevación del electrodo superior.
Representación esquemática de una máquina de soldar por puntos :
1) Transformador de soldadura. 2) Secundario del transformador. 3) Circuito secundario exterior. 4) Electrodo inferior. 5) Electrodo superior. 6) Piezas superpuestas, a soldar.
Técnica de soldadura por puntos Para realizar una soldadura por puntos de calidad se deben seguir los siguientes pasos (figura 14.15): 1. Asegurarse de que los electrodos estén perfectamente alineados entre sí. 2. Observar si los electrodos están limpios. De no ser así, es aconsejable lijarlos con una lija de grano medio.
3. Regular correctamente la intensidad de trabajo y el tiempo de soldadura realizando una prueba en piezas del mismo material y grosor de las que vamos a emplear para realizar la soldadura. 4. Una vez soldadas las piezas de prueba, analizar visualmente el punto de soldadura y si son correctas las dimensiones de todas sus partes. A continuación, comprobar la calidad de la soldadura intentando separar ambas chapas con dos tenazas; si oponen la suficiente resistencia, los puntos estarán correctamente soldados. 5. Si todo es correcto, realizar los puntos de soldadura sobre las piezas definitivas.
Factores que intervienen en la soldadura por puntos Los factores que se deben tener en cuenta en el proceso de soldadura por puntos son los siguientes: o La duración del soldeo. o La presión que se ejerce entre los electrodos. o La intensidad eléctrica del trabajo. o La tensión. o El estado de las superficies de las chapas a unir. Forma del punto de soldadura El punto de soldadura por resistencia está formado por las siguientes partes (figura 14.16): Núcleo: es la zona de fusión de las piezas soldadas, donde han estado en contacto los electrodos de soldadura con las piezas. Aureola: es la zona afectada por el calentamiento de la chapa en el proceso de soldadura. Generalmente presenta un color marrón. Su tamaño es directamente proporcional al tiempo y a la intensidad de la soldadura. La aureola no debe ser ni demasiado grande ni demasiado pequeña. Círculo azul: es la zona donde se ha disipado el calor de la soldadura.
(Fenoll, Borja, & Seco de Herrera, 2011)
Aspectos metalúrgicos de la soldadura por puntos Como todos los procesos de soldadura, al material hay que someterle a un ciclo térmico de calentamiento y enfriamiento, pero en el soldeo por resistencia estas zonas afectadas por el calor y la zona de fusión tienen poca extensión. Como es bien conocido en este proceso de soldadura no hay aportación de material, por eso en un principio los aspectos metalúrgicos que aquí trataremos lo serán para un acero de bajo contenido en carbono, aunque pueden ser extrapolados a otras aleaciones si tenemos en cuenta sus características metalográficas (diagramas de fases en el equilibrio). La soldadura multipunto La soldadura por puntos se aplica con éxito al ensamblado de series muy grandes de piezas. En estos casos el objeto primordial del fabricante, es reducir al mínimo el tiempo de fabricación, colocando sobre la misma máquina, un cierto número de electrodos que ejecutan en una secuencia todas las operaciones de forma automática para todos los puntos de soldadura, este método se conoce como “Soldadura Multipunto”.
Las máquinas de soldadura multipunto son utilizadas con gran profusión en la industria de la automoción (carrocerías de coches, camiones, etc.).
FIGURA 1.2 Soldadura multipunto
1.2 SOLDADURA POR ROLDANAS
FIGURA 3
La soldadura eléctrica por roldanas se conoce igualmente por el nombre de soldadura por rodillos, igual que en los casos anteriores es el efecto del paso de una corriente eléctrica y la aplicación de una presión, las causantes de la unión metalúrgica de los materiales a soldar. El objetivo de este procedimiento de unión es el de producir soldaduras lineales, que permiten una gran estanqueidad, como es el caso de la fabricación de depósitos y bidones. El principio de unión se basa igualmente en el calor generado por efecto joule. Las dos chapas a soldar, se colocarán en la máquina donde se encuentran las roldanas, la superior es la que baja y ejerce la presión sobre los materiales a soldar (Figura 3). Como las dos roldanas giran, provocan el desplazamiento de las chapas. En este momento se hace pasar la corriente eléctrica de forma interna (periódicamente, se estudiará más adelante), con lo que se produce la fusión y la unión de los materiales (Figura 3). Con este tipo de procedimiento, se pueden obtener soldaduras como las mostradas en la figura 4, de acuerdo con el tipo de paso de la corriente eléctrica.
FIGURA 4
Principios Fundamentales La teoría de soldadura por roldanas es idéntica a la soldadura por puntos y/o protuberancias, porque de forma general, no se trata de otra cosa que una serie de puntos de soldadura superpuestos en una línea (Figura 4). Pero en este caso de la soldadura por roldanas existen algunas particularidades que deben ser estudiadas
FIGURA 5: UNA SOLDADURA ESTANCA ES UNA SUCESIÓN DE PUNTOS SUPERPUESTOS
Resistencia de contacto entre chapas
FIGURA 6: ESQUEMA DE LA DISPERSIÓN DE LOS VALORES DE LAS RESISTENCIAS DE CONTACTO EN FUNCIÓN DEL ESFUERZO DE COMPRESIÓN
Cuando tenemos el conjunto chapa-roldana, y éste, se encuentra en reposo (parado), el cálculo de la resistencia entre chapas es similar al de soldadura por puntos, obteniéndose un diagrama R/σ como el mostrado en la figura 6. Pero en este tipo de procedimiento
debemos considerar dos hechos particulares que influyen, y que son debidos en si al propio proceso de soldadura, siendo estos: a) La propagación de calor que produce el paso de la roldana de soldadura, y que modifica sensiblemente el estado de las chapas, y, por lo tanto, la resistencia de contacto. b) El “Suntage”, es decir, el paso de corriente por los puntos ejecutados anteriormente. La resistencia de contacto guarda la misma importancia que presenta en la unión por puntos, en los casos siguientes: a) En el comienzo de cada soldadura por roldanas. b) En la soldadura de puntos espaciados. c) Cuando la velocidad de soldadura es elevada.
Con el fin de evitar el calentamiento entre roldana-chapa, la resistencia eléctrica, ha de ser lo más pequeña posible, por ello como regla general, las chapas deben estar exentas de: óxidos (alúmina), pinturas, etc.
El proceso de formación de una soldadura por roldanas De forma particular para un caso de roldanas estándar, como la mostrada en la figura 7. Supongamos en primer lugar que las roldanas de soldadura se encuentran en reposo, y establecemos para un espesor de chapas una intensidad de corriente dada, un tiempo y una presión tales que permitan obtener un punto de soldadura, en este tipo de regulación y adoptando como ejemplo un tiempo de reposo igual al de caldeo obteniéndose una soldadura como la mostrada en la figura 8. Como podemos comprobar se forma primero un punto de soldadura, y después uno más pequeño; a continuación se produce una brusca interrupción de la zona de soldadura, como consecuencia de existir el conocido efecto “shuntage”, pal que se suma la disminución de la resistencia de contacto entre las chapas,
siendo esta última causa la que provoca la no aparición de otro nuevo punto y no sólo el “shuntage”, siendo este el caso de velocidades de soldad ura lentas, con esfuerzos de contacto elevados (existe un fuerte incremento de la zona de contacto por deformación plástica al existir un precalentamiento elevado que no llega a fundir el material, lo que provoca una caída importante de la resistencia; esto sucede a menudo si sumamos el efecto “shuntage” en chapas emplomadas o estañadas).
FIGURA 7
FIGURA 8
Para obtener una soldadura continua y estanca, es necesario: - Disminuir la velocidad de soldadura. - Aumentar el tiempo de caldeo en relación con el de reposo. En la soldadura por roldanas debemos tener en cuenta: 1º Se debe examinar el final del cordón y no el principio. 2º Que la sobre intensidad que se aplica para evitar el efecto “Shunt” (derivación), pueden provocar de forma general “proyecciones”.
3º Es necesario una aplicación progresiva de la intensidad mediante un dispositivo electrónico que evite el efecto mencionado en el 2º.
Influencia de la presión sobre la formación del cordón de soldadura La influencia que ejerce el esfuerzo a compresión de las roldanas, sobre la formación del cordón de soldadura (costura), es muy similar al que definíamos en la soldadura por puntos. Metalurgia de la soldadura por roldanas Aquí podemos aplicar lo expresado anteriormente en la metalurgia de la soldadura por puntos, pero, existen algunas pequeñas diferencias que serán tratadas a continuación. Como en la soldadura por roldanas, es necesario aplicar una mayor intensidad de corriente, supondría, que existirá en la zona de soldadura un mayor aporte, o generación de calor que en la soldadura por puntos. Si observamos detenidamente la figura 9, y la comparamos con la figura 10; comprobaremos que la zona (C) es más extensa, alcanzándose la temperatura de recristalización, hasta la zona de contacto de las roldanas. Igualmente, la zona (D) es más
extensa que la generada en la soldadura por puntos. Esta zona la podemos considerar como una zona de revenido (recocido) del acero, con una extrusión que puede alcanzar entre 5 y 10 mm. Un hecho importante a tener en cuenta, es la velocidad de deformación en caliente, que, en el caso de la soldadura por roldanas, es menor, debido, a que la propia roldana desplaza el punto soldado (chapa), no actuando, como refrigerante de la zona, ello, genera una microestructura más grosera que en la S.R. por puntos. Como existe un solapamiento de los puntos de soldadura, la formación de uno nuevo, genera la aparición de una zona de fusión parcial del punto anterior, lo que provoca una reorientación de las dendritas del baño (Figura 11), y una aplicación térmica de la zona anteriormente solidificada, pudiéndose modificar la microestructura de forma proporcional al calor generado por el punto posterior.
FIGURA 9: POR ROLDANAS
FIGURA 10: POR PUNTOS
Estado térmico de un punto de soldadura de dos chapas de acero dulce, al final del período de calentamiento
FIGURA 11
Parámetros de la soldadura por Roldanas El estudio que a continuación pasamos a describir, es el resultado de la experimentación, que ha permitido establecer las relaciones que existen entre los diferentes parámetros de soldadura por roldanas. Estos ensayos fueron realizados sobre chapas de acero suave y con roldanas planas. Las intensidades de corriente fueron medidas estando las roldanas en corto-circuito. Primeramente, debemos señalar, que se entiende por anchura del cordón, al medido después de haber realizado un ensayo destructivo. Los principales parámetros a tener en cuenta son: - Anchura del cordón soldado. - Anchura de las roldanas de soldadura. - Tiempo de caldeo. - Tiempo de reposo. - Frecuencia de las impulsaciones de calor. - Velocidad de soldadura. - Intensidad de la corriente de soldadura. - Presión de soldadura. Pasaremos a continuación a explicar cada uno de estos parámetros de soldadura. Anchura del cordón de Soldadura El principal objeto de la soldadura por roldanas es el de generar un cordón estanco, y se considera, que la anchura media del cordón es una medida de eficacia del proceso. Como la anchura es función del espesor, el valor ideal viene dado por la ecuación: L = 2e + 2 (1.2) Anchura de las roldanas de soldadura La influencia de la anchura de las roldanas sobre la del cordón, puede observarse en la figura 12, de la cual podemos deducir:
FIGURA 12
1º) La anchura máxima del cordón soldado tiende hacia un límite ligeramente superior a la anchura de la roldana. 2º) Que antes de a la anchura límite indicada por la forma de la curva, se pueden observar quemaduras en la superficie, que pueden deteriorar las roldanas. 3º) Que los datos son válidos tanto para corriente continua como alternas (interrumpida periódicamente). 4º) Que el sobrecalentamiento se alcanza antes a valores de intensidad menores si la corriente es ininterrumpida. La anchura de la roldana viene dada por la ecuación: LR = L + 1 = 2e + 2 + 1 = 2e + 3
Frecuencia de las impulsiones Viene determinado por el nº de puntos por minuto. n = 3000 / (tc + tr) 3000 = pulsos / min (= 50 Hz). tc = tiempo de caldeo. (en pulsos) tr = tiempo de reposo. (en pulsos) Tiempo de caldeo. Tiempo de reposo En la figura 13 , se muestra una serie de curvas establecidas en función de “L” y de “I” que se han obtenido haciendo variar el tiempo de reposo, es decir, para diferentes valores de la relación: K = tc / (tc + tr) Q = R. 2 .t Para tc = tr se obtiene aproximadamente el valor de rendimiento óptimo.
FIGURA 13
Paso de Soldadura La distancia entre dos puntos de soldadura viene dada por la relación: P = V.1000/n sustituyendo n por su valor: P = V. (tc + tr) /3 Si tc = tr P = (2/3) V.tc P = 0.66 Vtc (rendimiento térmico máximo) Velocidad. Tiempo de Caldeo La relación que existe entre corriente-velocidad de soldadura para espesores de las chapas constantes (para tc = tr). Pmax = 0.85(2 + 2e) = 1.7e + 1.7 Conociendo la expresión P = 0.66Vtc, obtenemos: 0.66Vtc = 1.7e + 1.7 V.tc = 2.5e + 22.5; para e = cte. V.tc = cte
Esfuerzo de Soldadura En la figura 14 se representa de forma esquemática el asentamiento, de donde se deduce que para obten er una deformación “d”, el esfuerzo “Fo” debe estar en relación con el momento de inercia de la sección rayada. Fo = f (2e + 3) 3 ; aunque es más complicada la curva F/e. En la figura 14 representamos las soldaduras obtenidas con presión correcta o insuficiente.
FIGURA 14
Esfuerzo de soldadura. Corriente de soldadura De lo anteriormente expuesto se deduce, que a medida que aumentamos el esfuerzo se debe incrementar la corriente de soldadura según la relación: I = F.20.e
1.3 SOLDADURA POR PROTUBERANCIAS 1.3.1 Generalidades y Principios La soldadura por proyecciones o protuberancias, es una forma de unión que deriva del clásico procedimiento de soldadura por puntos. En la soldadura por proyecciones, el paso de la corriente dentro del material no viene determinada por las dimensiones de los electrodos como es el caso de la S.R. por puntos, sino por las dimensiones de las protuberancias (figura 15). Lo mismo que en el caso anterior (S.R. por puntos), la energía calorífica necesaria para la fusión del material, viene determinada por efecto de Joule.
SOLDADURA POR PUNTOS. PIEZAS PLANAS ENTRE LOS ELECTRODOS DE SOLDADURA
SOLDADURA POR PROTUBERANCIAS. UNA DE LAS PIEZAS ESTÁ PREVISTA DE PROTUBERANCIAS FIGURA 15
La presión a la que quedan sometidas las dos piezas a soldar, y en el lugar de la protuberancia, asegura la unión a nivel molecular de los dos materiales, llevados hasta la temperatura de fusión. Las protuberancias favorecen la concentración de las líneas de corriente de soldadura, lo que asegura una muy buena regularidad de la cantidad de energía que se debe suministrar para favorecer la unión, dado que esta, pasa solo por la protuberancia. Al principio del período de soldadura el calentamiento es muy intenso debido a la existencia de una elevada densidad de corriente, ya que el área de contacto entre las dos piezas es muy pequeña. A medida que aumenta el tiempo de soldeo, la zona que alcanza el estado plástico, se deforma por la acción de la presión, provocando un aumento de la superficie de contacto por lo que la densidad de corriente empieza a disminuir para una intensidad constante. Con el fin de que sea realizada una buena soldadura, es condición, que tanto la protuberancia como la zona de contacto con ella fundan a la vez, ya que, de no ser así, podría alcanzarse mayor calor en la protuberancia y sufrir esta zona el denominado “QUEMADO”.
Los factores que delimitan el equilibrio térmico (calorífico), son: La diferencia de espesores o de masas a soldar. En el caso de tener piezas de diferente espesor, la protuberancia debe ser realizada en aquella que tenga mayor espesor. La diferencia de resistencia de las piezas a ensamblar. La forma geométrica de las piezas. El diseño de la protuberancia. El tiempo de soldadura. El material de los electrodos en contacto con las piezas a soldar, así como su geometría. En la mayoría de los casos es conveniente soldar con tiempos muy cortos y densidades de corriente muy elevadas con el fin de aprovechar al máximo la resistencia de contacto de las zonas a unir.
1.3.2 Tipos de Protuberancias De una forma general las protuberancias deben satisfacer las siguientes condiciones, con el objeto de cumplir eficazmente su misión:
Resistencia mecánica óptima y situación geométrica. Masa suficiente para alcanzar la temperatura de soldadura sin fusión previa o efecto de quemado. Realización sencilla y poco costosa, y que su forma y dimensiones sean regulares.
Existen dos tipos de protuberancias: Protuberancias artificiales. Protuberancias naturales.
Protuberancias Artificiales Este tipo de protuberancias es realizado mediante procesos de hechurado en frío antes de la soldadura, distinguiremos: Redondas ordinarias, utilizadas en la unión de chapa plana y piezas embutidas. Son realizadas por embutición. Anulares o alargadas, son realizadas también en chapa embutida, se realizan por embutición en prensa. Protuberancias lineales y anulares en piezas macizas.
a) Redondas ordinarias. Son realizadas en chapa plana y en piezas construidas en chapas plegada o embutida. La forma y dimensiones dependen de la chapa a soldar, así como del tipo de presión y fuerza a aplicar. En la figura 16 se muestra un ejemplo de esto y en las tablas se dan dimensiones, tipos de punzón y matriz a utilizar para fabricar esta protuberancia de tipo redondeado.
FIGURA 16: PUNZÓN Y MATRIZ PARA LA REALIZACIÓN DE PROTUBERANCIAS REDONDEADAS EN UNA CHAPA O P IEZA EMBUTIDA
b) Protuberancia anular sobre chapa. En la figura 17 se representa una protuberancia de este tipo. Con este tipo de resalte se consiguen realizar soldaduras estancas, y en la figura 18 se muestra el tipo de punzón y matriz para su obtención.
FIGURA 17: FORMA DE UNA PROTUBERANCIA ANULAR REALIZADA EN UNA CHAPA EMBUTIDA
FIGURA 18: DIMENSIONES DE LOS PUNZONES Y MATRICES PARA LAS PROTUBERANCIAS ANULARES
c) Protuberancias lineales y anulares en piezas macizas. Este tipo de protuberancia se realiza en piezas estampadas. Las siguientes figuras muestran protuberancias anulares realizadas por tornado en piezas macizas. en el ensamblado de tetones a chapas o piezas macizas se usan protuberancias como las mostradas en la figura 19.
FIGURA 19
FIGURA 20: ALGUNAS FORMAS DE PROTUBERANCIAS UTILIZADAS EN EL ENSAMBLADO DE UN BULÓN PERPENDICULARMENTE A UNA CHAPA O UNA PIEZA MACIZA
Protuberancias naturales Algunas piezas por su geometría, presentan de forma natural protuberancias, como ejemplo el mostrado en la figura 21, donde observamos dos tubos o alambres y/o alambrín cruzado. La corriente secundaria de soldadura, el tiempo y la presión a aplicar, dependerán de los diámetros de los tubos a soldar, del espesor de la pared, así como de la sección deseada, que condicionan las propiedades mecánicas de la unión.
FIGURA 21: TUBOS DISPUESTOS PERPENDICULARMENTE UNO SOBRE OTRO (SOLDADURA EN CRUZ)
1.3.3 Los Parámetros de Soldadura Los principales parámetros de soldadura a tener en cuenta para la unión de protuberancias son tres: - La intensidad de corriente secundaria. - El tiempo de soldadura. - El esfuerzo aplicado a la pieza por los electrodos Como se puede observar estos parámetros son idénticos a los de soldadura por puntos, pero aquí se debe tener en cuenta la geometría y tipo de protuberancia. La intensidad de corriente secundaria Esta debe ser lo suficiente como para que se produzca la fusión del material antes de que se produzca la deformación plástica de la protuberancia (aplastamiento). En las tablas se recogen los parámetros de soldadura para chapas de espesores comprendidos entre 0.7 y 6.2 mm de espesor. SOLDADURA DEL ACERO DULCE POR PROTUBERANCIAS ESPESORES: 0,70 MM A 3,5 MM
Espesor Galga mm
0,7 0,86 1,1 1,25 1,50 1,95 2,35 2,70 3,10 3,40
Dimensión protuberan cias
Separación Recubrimiento Tiempo Esfuerzo Corriente mínima mínima de en los de soldadura electrodos soldadura
U.S.S Diámetro altura Mm mm
mm
mm
Periodos
Kg
2,3 2,8 2,8 3,55 3,8 4,6 5,35 6,1 6,85 7,6
10 12,5 12,5 19 19 22,5 27 32 38 41,5
6,5 9,5 9,5 12,5 12,5 12,5 16 19 20,5 22,5
3 3 5 8 10 14 16 19 22 14
88 110 150 180 250 360 460 565 680 750
23 21 19 18 16 14 13 12 11 10
0,64 9,89 0,89 0,97 1,06 1,22 1,27 1,40 1,48 1,58
A
5.500 6.600 8.000 8.800 10.300 11.850 13.150 14.100 14.850 15.300
El tiempo de soldadura Los valores óptimos de soldadura, dependerán de las intensidades de corriente seleccionada, así como de la resistencia mecánica de las protuberancias. Para tiempos de soldadura cortos, serán necesarias densidades de corriente elevadas, pero este hecho favorece la aparición de proyecciones. En el caso de la soldadura de varias protuberancias (2 o más), es indispensable el empleo de tiempos largos, ya que estas protuberancias tienen por lo general diferentes alturas. El esfuerzo de soldadura El esfuerzo de compresión debe ser aplicado firmemente sobre la protuberancia, con el fin de que ésta tenga un buen contacto con la chapa que va a ser soldada. Como durante esta fase inicial la densidad de corriente es elevada, y el aplastamiento de la protuberancia es muy rápido, el movimiento del electrodo debe ser igualmente rápido, de esta forma evitamos el mal contacto protuberancia-pieza lo que origina proyecciones de metal que se traducen en malas calidades de las uniones. Por el contrario, si estos desplazamientos son superiores a los óptimos, el aplastamiento es elevado, traduciéndose en una disminución de la densidad de corriente, lo cual genera uniones superficiales (la protuberancia sólo queda soldada en la zona exterior). El esfuerzo de compresión aplicado debe asegurar un aplastamiento completo de la protuberancia una vez ha sido soldada esta. 1.3.4 Ciclos de soldadura por Protuberancia El ciclo de soldadura, las potencias eléctricas y mecánicas de la máquina y el tipo de aparato electrónico de control deben ser cuidadosamente estudiados para cada caso particular. El ciclo de soldadura comprende los siguientes pasos: - El asentamiento del electrodo (forma controlada o no). - El tiempo de soldadura (síncrono o asíncrono). - El mantenimiento de forjado (tiempo de mantenimiento de la presión una vez finalizado el paso de la corriente). - Intensidad de corriente y el esfuerzo de compresión que son aplicados. 1.3.5 Prensas de soldadura y Utillajes Prensas de soldadura Las máquinas para la ejecución de este tipo de uniones son muy similares a las utilizadas en la soldadura por puntos, pero dimensionadas para los esfuerzos y corrientes mayores que se deben utilizar Utillajes. (electrodos) Suelen emplearse frecuentemente tres tipos de electrodos, siendo estos: a) Planos de gran superficie (figura 22). b) Macizos con tetones (figura 22). c) Electrodos con dispositivos de compensación del esfuerzo de compresión (mismas condiciones de presión en todas las protuberancias), en soldadura múltiple.
FIGURA 22
1.3.6 Algunas aplicaciones de la soldadura por Protuberancia Soldadura de una brida sobre placa (protuberancia redonda ordinaria). Soldadura de una pieza en omega sobre pieza embutida (protuberancias redondas). Soldadura de placas, chapas y piezas embutidas sobre tubos. Soldadura de tuercas y vástagos roscados. Soldadura de horquillas al extremo de un vástago. Soldadura de un tapón roscado sobre un depósito. Soldadura de tubos en cruz. Soldadura de tubos en cruz con preparación. Soldadura de alambres en cruz y de alambres sobre tubos. Soldadura de artículos de cocina.
1.4 SOLDADURA A TOPE POR RESISTENCIAS La soldadura eléctrica a tope es un proceso de soldadura autógena sin metal de aportación. En el cual el efecto joule es únicamente el causante del calentamiento de los dos extremos a soldar. En este proceso, se aplica a las piezas un esfuerzo de recalcado o forja una vez que los dos extremos han alcanzado la temperatura requerida. El objeto de este tipo de soldadura es la de soldar dos piezas, con el fin de obtener una pieza única y perfectamente continua desde el punto de vista de sus dimensiones geométricas y sensiblemente homogénea desde el punto de vista metalográfico. En la figura 23, se pueden observar algunos tipos de unión que pueden ser realizados con este proceso. CLASIFICACIÓN Y PRINCIPIOS Podemos distinguir tres procedimientos: - A tope por resistencia pura. - A tope por chisporroteo directo. - A tope por chisporroteo con toques de precalentamiento.
FIGURA 23
1.4.1 A tope por resistencia pura Las piezas a soldar se sujetan con sendas mordazas que se encuentran unidas eléctricamente al transformador secundario, una de estas mordazas es fija a la mesa, y la otra es móvil, la cual ejerce la presión sobre la pieza fija. Se hace pasar la corriente eléctrica manteniendo la presión y cuando se alcanza la temperatura necesaria se ejerce una presión de recalcado o forja, el material de esta manera, sufre una deformación plástica. Si la tensión es elevada, se produce la fusión de la intercara, y por el efecto de recalcado, se expulsa parte del metal fundido, en este momento se interrumpe el paso de corriente y se anula el esfuerzo. En la figura 24 se muestra un esquema de una máquina de soldadura a tope, y en la figura 25 se representa el gráfico básico de los parámetros que intervienen en este proceso. En este proceso de unión, las caras deben estar colocadas paralelamente una a otra, y es una condición indispensable, que no existan óxidos y contaminantes que impidan el buen contacto de las dos superficies. Por otro lado, con esta técnica no pueden soldarse, dos materiales que tengan distintas características eléctricas.
FIGURA 24: ESQUEMA DE PRINCIPIO DE UNA MÁQUINA DE SOLDAR A TOPE
A-B: Piezas a soldar, amarradas en las mordazas C y D C: Dispositivo de sujeción fijo, solidario del armazón E. D: Dispositivo de sujeción de la mesa móvil. T: Transformador. S: Conexión secundaria fija, sujeta al electrodo izquierdo. R: Conexión secundaria flexible, unida al electrodo móvil
FIGURA 25: GRÁFICO DE LA INTENSIDAD DE LA CORRIENTE DE SOLDADURA Y DE LA APLICACIÓN DEL ESFUERZO SOBRE LAS PIEZAS EN FUNCIÓN DEL TIEMPO, EN EL CASO DE LA SOLDADURA A TOPE POR RESISTENCIA PURA
F: Esfuerzo de sujeción. U: Tensión eléctrica secundaria. I: Intensidad de corriente secundaria de soldadura. P: Esfuerzo de compresión sobre las caras de las piezas a soldar. t2 – t1: Tiempo que transcurre entre la aplicación del esfuerzo sobre las caras a soldar y el paso de la corriente de soldadura. t3 – t4: Tiempo de paso de la corriente de soldadura. t4 – t5: Tiempo que transcurre entre el corte de la corriente de soldadura y la anulación del esfuerzo de empuje de una pieza contra la otra.
1.4.2 Soldadura a tope por chisporroteo Este tipo de soldadura es muy parecido al anterior, en el esquema de la figura 26 se muestra el dispositivo de ejecución de este tipo de procedimiento. Para soldar por chisporroteo se realizan las siguientes operaciones: - Sujeción de las piezas a soldar entre las mordazas, en este momento las extremidades a unir o no están en contacto o se hallan en un contacto imperfecto, sin presión. - Conexión del transformador y, como consecuencia, de las piezas a soldar. - Comienzo del movimiento lento de la masa móvil. - Recalcado o forjado después de cierto desplazamiento. Operacionalmente el procedimiento es distinto al anterior (Figura 26).
Cuando la mesa móvil se pone en movimiento, las caras de las piezas entran en contacto bajo la débil presión. El circuito eléctrico secundario se cierra entonces a través de alguno de los puntos de contacto, en los que la densidad de corriente es muy elevada. Como consecuencia de este hecho, se produce una elevada generación de calor, que hace fundir estos contactos apareciendo proyecciones de partículas y chispas, de aquí el nombre de chisporroteo. Cuando termina la carrera del chisporroteo, las extremidades a unir han llegado a la temperatura de soldadura, en este momento es cuando se realiza un movimiento rápido de la mesa comprimiendo fuertemente los extremos, es la denominada fase de forja o recalcado.
1ª Fase: A. Sujeción y conexión eléctrica
2ª Fase: B. Movimiento lento de la mesa móvil (chisporroteo)
3ª Fase: C. Movimiento rápido de la mesa móvil (recalcado o forja) F: Fuerzo de sujeción. U: Tensión eléctrica secundaria. I: Intensidad de la corriente secundaria de soldadura P: Fuerza de avance aplicada a la mesa móvil FIGURA 26: SOLDADURA A TOPE POR CHISPORROTEO. GRÁFICO DEL ESFUERZO DE AMARRE APLICADO A LAS PIEZAS A SOLDAR, DEL MOVIMIENTO DE LA MESA MÓVIL Y DE LA TENSIÓN ELÉCTRICA APLICADA A LAS PIEZAS, EN FUNCIÓN DEL TIEMPO
El Proceso de chisporroteo En la figura 27, se muestra el proceso de formación del chisporroteo.
FIGURA 27
Este proceso, requiere de una aproximación constante de la mesa móvil, para mantener automáticamente la fusión de contacto óptima sobre las asperezas que se renuevan sin cesar. Tanto a una velocidad lenta como rápida “apagan” el proceso, bien por cese de la chispa, o por entrar en corto circuito. En resumen, el chisporroteo en un calentamiento por efecto joule, engendrado por el paso de una corriente elevada, a través de protuberancias metálicas en contacto imperfecto, fundiéndose, explosionándose y renovándose por la creación ininterrumpida de cráteres sobre las caras opuestas animadas por el movimiento de translación de una hacia la otra. Las tensiones secundarias aplicadas a la pieza (2 a 15 V), están por debajo del potencial de ionización de los gases atmosféricos y por debajo del potencial necesario para producir un arco entre las caras en chisporroteo. La acción del chisporroteo, gracias a la combustión de las partículas del metal y a la producción de vapores metálicos, impide la oxidación del metal líquido que recubre las caras a unir. el circuito de corriente del proceso de chisporroteo se muestra en la figura 28.
FIGURA 28
(Salazar, 2007)
2. METALIZACIÓN DEFINICION: Es un proceso de recubrimiento que consiste en la proyección de partículas metálicas o cerámicas, ya sea fundidas o en estado plástico sobre una pieza de trabajo llamada sustrato, previamente preparada para proveer a una superficie con características específicas para cumplir satisfactoriamente con las condiciones de operación del proceso. Objetivo de los recubrimientos y características técnicas Resistencia al desgaste protegiendo superficies. Protección contra la corrosión retardando su efecto. Mejorar las propiedades eléctricas. Crear barreras térmicas superficiales aislantes. Control de dimensiones y tolerancias a nivel de µm. Recuperación o reclamación de medidas en componentes desgastados. El intervalo entre mantenimientos se extiende debido a la vida útil prolongada de los componentes. No hay acumulación de producto en las orillas. La adherencia al sustrato es a bajas temperaturas por lo cual no modifica sus propiedades mecánicas. Aplicaciones en superficies tanto internas, como externas. Amplia selección de materiales metálicos, cerámicos, y polímeros. Excelente adherencia al sustrato. Recubrimientos relativamente delgados o gruesos.
Aplicaciones Industria papelera. Industria de autopartes. Industria metalmecánica. Industria aeronáutica. Industria petroquímica. Generación de energía (Generadores, Hélices eólicas, etc.). Industria minera. Remplazo del uso de cromo duro. Reemplazo del uso de galvanizado por inmersión. Remplazo del uso de pinturas epóxicas para protección anticorrosiva. Trabajos de Ingeniería (Recuperación de piezas y Recubrimientos especiales) Durante años la recuperación de piezas de ingeniería ha sido una constante dentro de los altos costos de mantenimiento de una planta productiva, ya sea por los pagos excesivos en la reparación de las piezas o por el costo de la reposición de las mismas. Se puede recuperar piezas de grandes medidas como rodillos, asientos de balero, flechas, etc. Así como partes especiales y de distintas aleaciones, carcasas de aluminio cobre o bronce. El metalizado en piezas de ingeniería es el método más rápido para la recuperación de piezas y para la prevención de desgaste en las mismas, los métodos convencionales de soldadura tienden a dañar o modificar el metal base gracias a las altas temperaturas que se utilizan en el proceso de soldadura, con el proceso de metalización no tenemos ese problema ya que no calienta el sustrato a más de 150 grados Centígrados. Proceso de metalización 1.-Preparación de la pieza: La pieza o piezas a metalizar solo requieren de un proceso previo (sin contar la maniobra) que es el preparado por granalla angular, esto es, bombardear a presión con un equipo de granalleo el sustrato con granalla angular para crear un anclaje que permita la adherencia del rocío térmico a la pieza. 2. Metalización: Ya granallada la pieza con el anclaje adecuado se selecciona el material con el cual queremos hacer el rocío térmico, (zinc, zinc-aluminio, cromo-acero, broncealuminio, cobre-aluminio, acero inoxidable, etc., etc.) y se determina el espesor de la aplicación, entre más espesor lleve más prolongada será la vida del metalizado. Se aplica el rocío térmico y ahí termina el proceso, si se desea se puede añadir pintura como acabado, aunque no es necesario para el sistema.