Módulo III SOLDADURA
y
Introducción
La soldadura es un proceso de unión de materiales, en el cual se funden las superficies de contacto de dos o más partes mediante la aplicación de calor o precisión. La integración de las partes que se unen mediante soldadura se llama ensamble soldado. Muchos procesos de soldadura se obtienen solamente por el calor sin aplicar presión. Otros se obtienen mediante una combinación de calor y presión, y unos únicamente por presión sin aportar calor externo. En algunos casos se agrega un material de aporte o relleno para facilitar la fusión. La soldadura se asocia con partes metálicas, pero el proceso también se usa para unir plásticos. La soldadura es un proceso importante en la industria por diferentes motivos: y
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Proporciona una unión permanente y las partes soldadas se vuelven una sola unidad. La unión soldada puede ser más fuerte que los materiales originales si se usa un material de relleno que tenga propiedades de resistencia superiores a la de los metales originales y se aplican las técnicas correctas de soldar. La soldadura es la forma más económica de unir componentes. Los métodos alternativos requieren las alteraciones más complejas de las formas (Ej. Taladrado de orificios y adición de sujetadores: remaches y tuercas). El ensamble mecánico es más pesado que la soldadura. La soldadura no se limita al ambiente de fabrica, se puede realizar en el campo.
Además de las ventajas indicadas, tiene también desventajas: y
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y
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La mayoría de las operaciones de soldadura se hacen manualmente, lo cual implica alto costo de mano de obra. Hay soldaduras especiales y la realizan personas muy calificadas. La soldadura implica el uso de energía y es peligroso. Por ser una unión permanente, no permite un desensamble adecuado. En los casos cuando es necesario mantenimiento en un producto no debe utilizarse la soldadura como método de ensamble. La unión soldada puede tener defectos de calidad que son difíciles de detectar. Estos defectos reducen la resistencia de la unión.
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Tipos
de Soldadura
y
Soldadura por Fusión
y
Soldadura de Estado Sólido
y
Soldadura
por Fisión
Este tipo de soldadura usa calor para fundir los metales base. En muchos casos se añade un metal de aporte a la combinación fundida para facilitar el proceso y aportan volumen y resistencia a la unión soldada. La operación de soldadura por fusión en la cual no se añade un metal de aporte se llama soldadura autógena.
La soldadura por fusión incluye los siguientes grupos: y
Soldadura con Arco El éctrico
El cal enta mi ento d e lo s metal es se o bti en e mediant e el arco el éctrico .
y
Soldadura por Resist encia
La f usi ón s e o bti en e usando el calor d e una r esist encia el éctrica para el f lu jo d e una corri ent e qu e pasa entr e sup er fi ci es d e contacto d e las part es sost enidas juntas ba jo pr esi ó n . y
Soldadura con Oxígeno y G as C om busti bl e
Est e ti po d e soldadura usa gas d e o xígeno com busti bl e tal como una m ezcla d e o xígeno y ac etil eno con el pro pósito d e producir una f lama cali ent e para f undir la bas e m et álica y el mat erial d e a port e (cuando s e utili za ). y
S oldadura
de Estado Sólido
Este tipo de soldadura se refiere a los procesos de unión en los cuales la fusión proviene de la aplicación de presión solamente, o una combinación de calor y presión. Si se usa calor, la temperatura del proceso está por debajo del punto de fusión de los metales que se van a soldar. No se utiliza un metal de aporte en los procesos de estado sólido. Algunos procesos de este tipo de soldadura incluye: y
Soldadura por D ifusión
En es te t ipo d e soldadura s e colo can jun t as dos sup erfi ci es ba jo pr esión a una temp era t ura el evada y s e produ ce coal es cen cia d e las par tes por difusión . y
Soldadura por Fricción
La coal esc encia d e la s par tes se o bt i en e median te el calor d e la f ricción en t r e do s sup er fi ci es.
y
Soldadura U ltrasónica
S e r eali za a plicando una pr esión mod erada entr e las dos part es y un mo vi mi ento oscilatorio a f r ecu encias ultrasónicas en una dir ección paral ela a la su per fi ci e d e contacto . La co mbinación d e las f ue r zas nor m al es y vi bratorias produc en int ensas t ension es qu e r emu even las pel í culas su per fi cial es y s e o bti en e una unión ató mica d e las su per fi ci es . y
Aplicaciones
de la Soldadura
a) Construcción de puentes, edificios b) Producción de tuberías, recipientes, calderas, tanques c) Construcción naval d) Industria aeronáutica y espacial e) Automóviles, ferrocarriles, etc. y
La Unión
por Soldadura
La soldadura produce una conexión sólida entre dos partes llamadas unión por soldadura. Hay cinco tipos básicos de uniones: y
U nión Empalmada
En este t ip o d e unión la s pa rtes se en cuen tran en el mi sm o plan o y se un en sus bord es y
U nión d e Esquina
Las pa rtes en es te t i po d e unión forman un án gu lo recto y s e un en en la esquina d el án gu lo. y
U nión Sup erpu esta
Esta unión consist e en dos part es qu e s e s obr ep on en . y
U nión en T
U na parte es perpen di cular a la otra forma de la letra T y
U nión d e B ord es
La unión s e hace en el bord e co mún y
Tipos
de Soldadura
Todas las uniones se hacen por medio de soldaduras. Los tipos de soldadura dependen del tipo de la unión y del proceso de soldadura. y
Soldadura d e Fil et e
Para r ell enar lo s bord es d e la s pla ca s u nida s por u nio nes d e esqui na s, so br epu esta s, en T; se u sa u n metal d e r ell eno para pro por cio nar u na secci ón tra nsver sal d e u n tri ángulo .
Se hace por medio de la soldadura con arco eléctrico. El oxígeno y gas combustible, porque requiere una mínima preparación de los bordes. Las líneas punteadas muestran los bordes originales de las partes. y
Soldadura con Surco o R anura
Requ ier e qu e se mold een la s or illa s d e la s par tes en un surco para f ac il it ar la pen et rac ión d e la soldadura .
Al guna s soldadura s con surco típica s: (a ) soldadura con surco cuadrada , un lado ; (b) soldadura d e bisel ún ico ; (c ) soldadura con surco en V ún ico ; (d ) soldadura con surco en U ún ico ; (e) soldadura con surco en J ún ico ; (f) soldadura con surco en V do bl e para secc ion es más gru esa s. La s l í ne a s con gu ion es mu est ran lo s bord es or iginal es d e la s par tes. Aun qu e se a soc ia más con una un ión empal mada la soldadura con surco se u s a en t odo s tipo s d e un ion es meno s en la s so br epu est as . y
Soldaduras con Ins ertos y Soldaduras R anuradas
S e usan para un ir placas planas . U san ranuras y hu ecos en la part e su per ior qu e s e r ell ena con mat er ial (metal ) para f und ir las dos part es .
y
Soldaduras con P untos
Es una pequ eña s ecc ión f und ida entr e las su per fic ies d e dos placas . S e r equ ier e var ias soldaduras para un ir las part es . S e asoc ia con la soldadura por r es ist enc ia . y
Soldadura Engargolada
Es similar a una d e pun to s, pero con siste en una sección f und ida más o meno s con tinua en t r e la s do s pla c a s. y
Soldadura d e Sup erfici e
No se u sa para u nir par tes si no para d epo si ta r met al d e r ell eno so br e la sup erfici e d e u na par te. La s go t as d e soldadura se i ncorpora n en u na seri e d e pa sada s paral ela s so br epu est as , co n la qu e se cu br e gra nd es ár ea s d e la par te ba se. El prop ósi to es au ment ar gro sor d e la placa o hac er u n r ecu bri mi ent o pro tec t or so br e la sup erfici e. y
PROCESOS DE SOLDADURA
y
S oldadura
por fusión
A.1. Soldadura con arco eléctrico
Es un proceso de soldadura por fusión en el cual la unificación de los metales se obtiene mediante el calor de un arco eléctrico entre un electrodo y el trabajo. (El mismo proceso básico se usa en el corte con arco eléctrico). El arco eléctrico es una descarga de corriente eléctrica a través de una separación en un circuito y se sostiene por la presencia de una columna de gas ionizado (llamado plasma), a través de la cual fluye la corriente. El arco eléctrico se inicia al acercar el electrodo a la pieza, después del contacto se separa rápidamente de la pieza a una distancia corta. El arco eléctrico produce temperaturas hasta 5500 °C o más que son suficientes para fundir cualquier metal. Se forma un pozo de metal fundido que consiste en metal base y el metal de aporte (cuando se usa), cerca de la punta del electrodo. En la mayoría de los procesos de soldadura con arco eléctrico se agrega un metal de aporte durante la operación para aumentar el volumen y fortalecer la unión soldada. Conforme el electrodo se mueve a lo largo de la unión, el pozo de metal fundido se solidifica de inmediato. Los electrodos que se usan en este tipo de soldadura pueden ser consumibles o no consumibles. Los electrodos consumibles pueden ser en forma de varillas o alambres. El arco eléctrico consume el electrodo durante el proceso de soldadura y este se añade a la unión fundida como metal de relleno. Las desventajas de electrodos de varillas es que deben cambiarse en forma periódica. El alambre tiene la ventaja que se puede alimentar continuamente desde cabinas y esto evita interrupciones frecuentes. Los electrodos no consumibles están hechos de tungsteno que resisten la fusión mediante el arco eléctrico. El electrodo de tungsteno se gasta gradualmente como cualquier herramienta. El metal de relleno debe proporcionarse mediante un alambre separado. A.1.1 Protección del Arco Eléctrico En la soldadura con arco eléctrico las altas temperaturas provocan que los metales que se unen reaccionen con el oxígeno, nitrógeno, hidrógeno del aire. Las propiedades mecánicas de la unión soldada pueden degradarse debido a estas condiciones. Para proteger la soldadura, todos los procesos con arco eléctrico están previstos con algún medio para proteger el arco del aire. Esto se logra cubriendo la punta del electrodo, el arco eléctrico y el pozo de la soldadura fundida, con gas, fundente o ambos. Los gases de protección son: el argón, el helio que son inertes. El fundente es una sustancia que se usa para evitar la formación de óxidos, lo disuelve y facilita su fácil remoción. Durante la soldadura, el fundente se derrite y se convierte en escoria líquida que cubre la operación y protege la soldadura. La escoria se endurece a medida que se enfría, y se remueve con cepillo o cincel. También el fundente proporciona una atmósfera protectora, estabiliza el arco eléctrico y reduce las salpicaduras. El fundente se puede aplicar de las siguientes formas: - Vaciando el fundente granular en la operación
- Usando electrodo de varilla cubierto con fundente - Usando electrodos tubulares que contiene fundente en el núcleo A.1.2 Tip os de S oldadura con arco eléctrico con electrodos consum ibles y
Soldadura con arco prot egido
Es un proc eso d e soldadura con arco el éctrico qu e u s a un el ectrodo con su mi bl e y con si st e d e una varilla d e metal d e aport e r ecu bi erta con mat erial es qu ímico s qu e proporcionan un f und ent e y prot ecci ón . Est e proc eso se lla ma ta mbi én soldadura d e varilla . El metal d e aport e d ebe ser co m pati bl e con el metal qu e se va a soldar . El r ecu bri mi ento con si st e en c elulo sa pul veri zada (pol vo s d e algod ón y mad era ) mezclado con óxido s, car bonato s y otro s ingr edi ent es mediant e un aglutinant e d e silicato . En oca sion es se inclu yen en el r ecu bri mi ento pol vo s met álico s para au mentar la cantidad d e metal d e aport e. El calor d el proc eso f und e el r ecu bri mi ento y proporciona una at mósfera prot ectora y escoria . Ta mbi én a yuda a esta bili zar el arco el éctrico y r egula la velocidad a la qu e se f und e el el ectrodo . Desventa ja s: y
La varilla se cambia periódicamente
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Como
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Soldadura con Arco Sum ergido
varía la longitud del electrodo, esto afecta el calentamiento de la resistencia del electrodo. Los niveles de corriente deben mantenerse dentro de un rango seguro, o el recubrimiento se sobrecalentará y fundirá prematuramente
Es un proc eso qu e u sa un el ec t rodo d e alam br e d esnudo con sumi bl e con t inuo . El arco el éc t rico se pro teg e m edian te una co ber tu ra d e f und en te granular . El alam br e d el el ec tr odo se alim en ta d esd e un rollo . El f und en te se in tr oduc e a la uni ón lig eram en te ad elan te d el arco d e la soldadura por gra vedad . El man t o d e f und en te granular cu br e por com pl et o la o peraci ón d e soldadura con arco el éc t rico , evi t ando c hi spa s, sal picadura s, radiacion es qu e son mu y peligro s a s. Por lo t an to , el o perador no n ec esi ta u s ar la m áscara pro tec t ora . La par te d el f und en te m ás c ercana d el arco se d erri te y se m ezcla con el m et al d e soldadura f undido para r emo ver im pur eza s qu e d espu és se solidi fi can en la par te su perior d e la uni ón soldada y f orman una escoria con a spec to d e vidrio . Lo s grano s d e f und en te no d err et ido s en la par te su perior pro porcionan una bu ena pro tecci ón d e la a tm ósfera y un bu en ai slami en to térmico para el ár ea soldada . Est o produc e un en fr iami en t o , ba jo una uni ón soldada d e al t a calidad con bu eno s par ám et ro s d e r esi stencia y duc t i bilidad .
El fundente no derretido se puede recuperar y reutilizar. La escoria sólida se quita mediante medios manuales.
A.1.3 Procesos de S oldadura con arco eléctrico que usan electrodos no consumibles y
Soldadura d e tungst eno con arco el éctrico y gas
El proc eso s e pu ed e r eali zar con metal d e r ell eno o sin metal . Cuando s e
usa un metal d e a port e est e s e agr ega al po zo d e soldadura d esd e una varilla s eparada . El tungst eno es un bu en mat erial para el ectrodo d ebido a su alto punto d e f usi ón 3410 °C. Los gas es prot ector es son arg ó n , helio o mezcla d e ellos . Est e ti po d e soldadura s e a plica a la mayor í a d e los metal es d e di fer ent es es pesor es , y para co mbinacion es d e metal es di fer ent es .
Las venta jas son : y
y
Alta calidad No hay salpicaduras debido a que no hay material de soporte a través del arco eléctrico
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No requiere limpieza porque no usa fundente.
y
Soldadura por arco d e plasma
y
Soldadura por arco d e plasma
Es u na f orma esp ec ial d e soldar co n t u ngs teno co n arco el éc t r ico y gas pro tec t or , en la cual s e d ir ige u n arco d e plasma co nt rolado al ár ea d e soldadura . S e coloca u n el ec tr odo d e t un gs teno d ent ro d e u na bo qu illa qu e co nc ent ra u na corr iente d e gas iner te a al t a veloc idad en la r egión d el arco el éc tr ico . Es t o f orma u na corr iente d e arco d e plasma intensam ente cal iente a al t a veloc idad . La temp era t ura en la soldadura por arco d e plasma ll ega a 28000° C y f u nd e cual qu ier m et al . La ra zón d e es ta s al t as temp era t uras pro viene d e la es tr ec hez d el arco el éc tr ico y la co nc ent rac ión d e la ener gí a para produc ir u n a horro d e plasma d e d iám et ro p equ eño . Vent a jas : y
y
y
Buena
estabilidad del arco eléctrico
Altas velocidades de viaje Una
excelente calidad de la soldadura
Desventajas: y
Equipo costoso
y
El tamaño del soplete limita el acceso en algunas configuraciones de unión
A.2 Soldadura por resistencia La soldadura por resistencia es un grupo de procesos de soldadura por fusión que utiliza una combinación de calor y presión para obtener una coalescencia. El calor se genera mediante una resistencia eléctrica en la unión que se va a soldar. Los componentes de este tipo de soldadura son: las partes de trabajo que se van a soldar (generalmente láminas metálicas), dos electrodos opuestos, un medio para aplicar presión necesaria para apretar las partes y un transformador de corriente alterna.
La operación produce una zona de fusión entre las dos partes llamada pepita de soldadura. En comparación con la soldadura con arco eléctrico, la soldadura por resistencia no usa gases protectores fundentes o metales de aporte y los electrodos son no consumibles. La resistencia en el circuito de soldadura es la suma de: resistencia de los electrodos, la resistencia de las partes de trabajo, las resistencias de contacto entre los electrodos y las partes de trabajo, y la resistencia de contacto entre las partes empalmantes. La situación ideal es que las superficies empalmantes sean la resistencia más grande en la suma. La resistencia de los electrodos se minimiza usando metales con resistividades muy bajas (ex. Cu). La resistencia de las partes es una función de las resistividades de los metales base y los espesores de las partes. La resistencia de contacto entre los electrodos y las partes se determina mediante las áreas de contacto (tamaño y forma del electrodo) y la condición de las superficies (limpieza de las superficies). La resistencia en las superficies empalmadas depende del acabado de la superficie, limpieza, área de contacto, presión. No debe existir proteína, grasa, etc.
A.2.1 Proceso de Soldadura por resistencia y
Soldadura de puntos por resistencia
La soldadura por puntos por resistencia es el proceso predominante en este grupo. Se usa ampliamente en la producción masiva de automóviles y en otros productos a partir de láminas metálicas.
La soldadura de puntos por resistencias es un proceso en el cual se obtiene la fusión en una posición de las superficies mediante una unión superpuesta mediante electrodos opuestos. El proceso se usa para unir partes de láminas metálicas de 3 mm de espesor. El tamaño y la forma de puntos de soldadura se diferencia por medio de la punta de electrodo, la forma del electrodo más común es redonda. La pepita de soldadura tiene un diámetro de 5 / 10 mm. Los electrodos son hechos de aleaciones basadas en cobre, o combinaciones cobre-tungsteno (que tiene mayor resistencia al desgaste). Como en todos los procesos de manufactura, las herramientas para la soldadura se desgastan gradualmente con el uso. Los electrodos también se diseñan con canales internos para enfriamiento con agua. El ciclo de una operación de soldadura de puntos se da en la siguiente figura.
(a) Pasos en un ciclo de soldadura de punto, y (b) gráfica de la fuerza de presión y la corriente durante l ciclo. La secuencia es: (1) partes insertadas entre los electrodos abiertos, (2) los electrodos se cierran y se aplica la fuerza, (3) tiempo de soldadura (se activa la corriente), (4) se desactiva la corriente, pero se mantiene o se aumenta la fuerza (en ocasiones se aplica una corriente reducida cerca del final de este paso para liberar la tensión en la región de la soldadura) y (5) se abren los electrodos y se remueve el ensamble soldado. Debido a su extenso uso industrial, hay disponibles diversas máquinas y métodos para realizar las operaciones de soldadura de puntos. El equipo incluye máquinas de soldadura de puntos con balancín y tipo prensa, así como pistolas portátiles para soldadura. La máquina de soldadura de puntos con balancín tiene un electrodo inferior estacionario y un electrodo superior móvil que sube y baja. El electrodo superior se monta en un balancín, cuyo movimientos es controlado mediante un pedal operado por el trabajador (puede haber máquinas automatizadas de balancín también).
La máquina de soldadura de puntos tipo prensa, son diseñadas para trabajos grandes. El electrodo superior tiene un movimiento en línea recta proporcionado por una prensa vertical. La acción de la prensa permite que se apliquen fuerzas más grandes y los controles generalmente hacen posibles la programación de los ciclos de soldadura complejas. Las pistolas portátiles de soldadura son de diferente tamaño. Estos aparatos consisten en dos electrodo opuestos dentro de un mecanismo de tenazas. El aparato es ligero de tal forma que un trabajador o un robot lo puede sostener y manipular. -
Soldadura Engargolado por Resistencia
Los electrodos son en forma de ruedas giratorias. El proceso produce uniones herméticas y se usa para la producción de tanques de gasolina y otros recipientes fabricados con lámina de metal.
Como
la operación generalmente se realiza en forma continua y no separada, la soldadura engargolada debe estar a lo largo de una línea recta o curva, las esquinas u otras irregularidades son difíciles de manejar. La deformación de las partes es el factor más significativo en la soldadura engargolada, por esta causa para sostener el trabajo en la posición correcta y así reducir la distancia. En la figura siguiente se presenta diferentes tipos de soldadura engargolada.
El espacio entre las pepitas de soldadura depende del movimiento de las ruedas de electrodos relacionado con la aplicación de la corriente. Las ruedas giran en forma continua a una velocidad constante y la corriente se activa a intervalos de tiempo que coinciden con el espacio deseado entre las pepitas de soldadura. En la fi g. a. la frecuencia de las descargas de corriente se establece para que se produzcan puntos de soldadura sobrepuestos. Si se reduce la frecuencia, habrá espacios entre los puntos de soldadura. fi g. b. En otra variable si la corriente de produce un engargolado de soldadura continuo fi g. c. Las máquinas de soldadura engargolada son similares a las máquinas de soldar por puntos de tipo de presión pero en lugar de electrodos en forma de varilla se usan electrodos en forma de ruedas. Para el enfriamiento del trabajo y las ruedas se dirige agua a la parte superior e inferior de las superficies de trabajo cerca de las ruedas de electrodos. y
Soldadura por Resist encia Instantán ea
Se usa generalmente en uniones empalmadas, se ponen en contacto o se acercan las dos superficies, se aplica una corriente eléctrica para calentar las superficies hasta su punto de fusión, después de lo cual las superficies se oprimen juntas para formas la soldadura. La corriente se detiene durante el recalcado. El material que se desborda en la unión se elimina por maquinado para obtener una superficie uniforme.
A.3 SOLDADURA CON OXÍGENO Y GAS COMBUSTIBLE La fusión se realiza basándose en la combustión de diferentes gases mezclados con el oxígeno. Las diferencias entre tipos de soldaduras que pertenecen a este grupo se basan en tipos de gases utilizados. El oxígeno y gas combustible se usa en sopletes de corte para cortar placas metálicas. El proceso más importante de este grupo es la soldadura con oxiacetileno.
Soldadura con o xiac etil énico
Es un proc eso d e soldadura por f us i ón r eali zada mediant e una f la m a a partir d e la co mbu sti ón d el ac etil eno y el o xígeno . La f la ma se diri ge mediant e un so pl et e d e soldadura . En oca sion es se a gr ega un metal d e a port e en f or ma d e varilla s. La co mpo sici ón d el metal d e a port e d ebe ser si milar a la d e lo s metal es ba se. Con f r ecu encia se r ecu br e el a port e con un f und ent e lo cual a yuda a li mpiar la s su per fi ci es, evita la o xidaci ón y produc e una mejor uni ón soldada . El ac etil eno es el co mbu sti bl e más co mún . La f la ma en la soldadura con o xiac etil eno se produc e mediant e la r eacci ó n qu ímica d el ac etil eno y el o xígeno en do s eta pa s. I Eta pa :
C2H2
+ O2 -----
2CO
+ H2 + calor
Lo s do s producto s son co mbu sti bl es y conduc e la r eacci ón d e la segunda eta pa . II Eta pa :
2CO
+ H2 + 1.5º2 ------
2CO2
+ H 2O + C ALOR
La s do s eta pa s son vi si bl es en la f la ma d e o xiac etil eno qu e emit e el so pl et e. La r eacci ón d e la I eta pa se a pr ecia en el cono int erno d e la f la m a (calor blanco brillant e), la r eacci ó n d e la II eta pa se o bser va en la cu bi erta ext erna . Ca si no ti en e color , pero po see matic es qu e va d el a zul al naran ja . La t emperatura máxi ma se alcan za en la punta d el cono int erno . D urant e la soldadura la cu bi erta ext erna se exti end e y prot ege la su per fi ci e qu e se un en d e la at mósfera .
y
Unos
combustibles utilizados son el hidrógeno y el proceso se llama soldadura con oxihidrógeno, el propano, el gas natural, etc. Una aplicación de este tipo de soldadura es:
L a soldadura por gas a pr esión
A = cal en ta m i en to d e las dos par tes B
= apli ca ción d e pr esión para f or m as la soldadura
L a coal es cen cia d e
las sup er fi ci es en con t a ct o s e ha ce cal en tándolas con una mezcla d e co mbus ti bl e (por lo g en eral o xia cet il eno ) y d espu és apli cando pr esión para unir las sup er fi ci es . En f ig . a s e cali en ta las sup er fi ci es has ta qu e s e r eali za la f usión . Despu és s e r et ira el sopl ete, s e opri men las par tes s e sos t i en e a pr esion es al ta s mi en tr as o curr e la solidi fi ca ción (no s e usa ma terial d e r ell eno ) (Par tes d e Tra ba jo
