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ASOCIACIÓN ESPAÑOL A DE SOLDADURA SOLDA DURA Y TECNOLOGÍAS TECNOL OGÍAS DE UNIÓN

Tem a 1 1.11

SOL DEO P POR R RESISTENC A I A A c t u al i zad o p p o r : C CESOL

Sept Septiemb iembre re 2004 2004

-CURSO DE FORMACIÓN DE INGENIEROS EUROPEOS/INTERNACIONALES EUROPEOS/INTERNACIONALES DE SOLDADURA-

ASOCIACIÓN ESPAÑOLA DE SOLDADURA SOL DADURA Y TECNOLOGÍAS DE UNIÓN

ÍNDICE: 1. PRINCIPIOS DEL PROCESO 1.1 Soldadura por Puntos. 1.2 Soldadura por Resaltes o Protuberancias. Protuberancias. 1.3 Soldadura por Roldanas. 1.4 Soldadura a Tope. 1.5 Soldadura por Chispas. 1.6 Soldadura por Alta Frecuencia. 2. SOLDADURA POR PUNTOS 2.1 Definición. 2.2 Principio General de la Soldadura por Puntos. 2.3 Teoría de la Soldadura por Puntos. 2.4 Resistencia de Contacto. 2.5 Influencia de la presión sobre la resistencia eléctrica de contacto, cuando los metales están fríos. 2.6 Influencia de la temperatura sobre la resistencia de contacto. 2.7 Proceso de formación del punto de soldadura. 2.8 El efecto Joule y la formación del punto de soldadura. 2.9 Estudio de los parámetros parámetros de soldadura. 2.10 Diagrama de Soldabilidad. 2.11 El tamaño del punto de soldadura en su relación con I y T. 2.12 Ciclos de Intensidad de Corriente de Soldadura. 2.13 Esfuerzo de compresión en los electrodos. 2.14 Aspectos metalúrgicos de la soldadura por puntos. 2.15 Ciclos de Calentamiento. Calentamiento. 2.16 Cambios dimensionales. dimensionales. 2.17 Fusión y Solidificación. 2.18 La soldadura multipunto. 2.19 Descripción. 3. SOLDADURA POR PROYECCIONES O POR PROTUBERANCIAS 3.1 Generalidades y Principios. 3.2 Tipos de Protuberancias. Protuberancias. 3.2.1 Protuberancias artificiales 3.2.2 Protuberancias naturales 3.3 Los Parámetros de Soldadura. 3.4 La Intensidad de Corriente secundaria. secundaria. 3.5 El tiempo de Soldadura. 3.6 El esfuerzo de soldadura. 3.7 Ciclos de soldadura por Protuberancias. Protuberancias. 3.8 Prensas de Soldadura y Utillajes. 3.8.1 Prensas de soldadura 3.8.2 Utillajes (electrodos) 3.9 Algunas aplicaciones de la Soldadura por Protuberancias. Protuberancias. 4. SOLDADURA POR ROLDANAS 4.1 Principios Fundamentales. Fundamentales. 4.2 Resistencia de contacto entre chapas. 4.3 El proceso de Formación de una Soldadura por Roldanas. 4.4 Influencia de la presión sobre la Formación del cordón de Soldadura. 4.5 Metalurgia de la Soldadura por Roldanas. 4.6 Parámetros de la Soldadura por Roldanas. 4.7 Anchura del cordón de Soldadura. 4.8 Anchura de las roldanas de Soldadura. 4.9 Frecuencia de las impulsiones. 4.10 Tiempo de Caldeo. Tiempo de Reposo. -CURSO DE FORMACIÓN DE INGENIEROS EUROPEOS/INTERNACIONALES DE SOLDADURA-

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4.11 Paso de Soldadura. 4.12 Velocidad de Tiempo de Caldeo. 4.13 Esfuerzo de la Soldadura. 4.14 Esfuerzo de la Soldadura. Corriente de Soldadura. 5. SOLDADURA POR RESISTENCIA A TOPE 5.1 A tope por resistencia pura. 5.2 Soldadura a tope por chisporroteo. 5.3 El proceso de chisporroteo. 5.4 Aspecto metalúrgico de la soldadura a tope. 5.5 Los parámetros de Soldadura a tope por chisporroteo. 5.6 Tensión e intensidad secundaria del chisporroteo. 5.7 Intensidad. Tiempo de Soldadura. 5.8 Intensidad de Corriente en el Recalcado. 5.9 Recorridos de Soldadura. 5.10 Valores de Carrera de Chisporroteo. 5.11 Valores de Carrera de Recalcado. 5.12 Carrera total de soldadura 5.13 Separación inicial y final f inal entre mordazas 5.14 Tiempo y velocidad de chisporroteo 5.15 Velocidad y tiempo de recalcado 5.16 Tiempo de paso de corriente durante la fase de recalcado 5.17 Esfuerzo de recalcado 6. SOLDADURA FUERTE POR RESISTENCIA 6.1 Definición. 6.2 Principio. 6.3 Aparatos de Soldadura Fuerte. 6.4 Electrodos. 6.5 Técnica de Soldadura Fuerte. 6.6 Posibilidades y ventajas de la Soldadura Fuerte por Resistencia. 7. EQUIPOS DE SOLDADURA POR RESISTENCIA. Introducción. 7.1 La máquina de Soldadura por Resistencia. 7.1.1 El Transformador. 7.1.2 La presión de Soldadura. 7.1.3 El sistema de Control. 8. CÁLCULO DE LOS CIRCUITOS DE SOLDADURA 8.1 Criterios para la determinación de las características eléctricas. 8.2 Circuito eléctrico de una máquina. 8.3 Determinación de la resistencia del circuito exterior. 8.4 Cálculo de la Reactancia del circuito exterior. 8.5 Cálculo de la Resistencia y de la reactancia de un transformador. 8.6 Cálculo de la potencia del transformador. 8.7 Adaptación de los valores para f distintos de 50 Hz. 8.8 El consumo eléctrico en Soldadura. 8.9 Cálculo del caudal de agua de refrigeración de los circuitos eléctricos. 9. ELECTRODOS Y SOPORTES 9.1 Materiales. 9.1.1 Grupo A. 9.1.2 Grupo B.

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10. LA CALIDAD DE LA SOLDADURA POR RESISTENCIA 10.1 Apariencia de la soldadura. 10.2 Tamaño de la soldadura. 10.3 Penetración. 10.4 Resistencia y Ductilidad. 10.5 Discontinuidades internas. 10.6 Separación de las Chapas. 10.7 Control de Calidad. BIBLIOGRAFIA.


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1. PRINCIPIOS DEL PROCESO Y RESUMEN DE LOS TIPOS DE PROCESOS (PUNTOS, A TOPE, ROLDANAS, ETC.) La soldadura por puntos, a tope, roldanas, protuberancias y chispa, son un conjunto de procesos de soldadura por resistencia, donde el calor generado para que se produzca la soldadura, viene determinado por la resistencia que se opone al paso de una corriente eléctrica de elevada intensidad. Esta resistencia dependerá dependerá de la configuración de la unión a soldar, y de la conductividad eléctrica de los materiales. En este proceso de soldadura, a parte de requerirse el paso de una corriente eléctrica, es necesario aplicar una presión durante y después del paso de la corriente. La ley que nos permitirá calcular el calor generado en los procesos de soldadura por resistencia es conocida como la ley de Joule que viene definida por la ecuación: Q = I 2 ⋅ R⋅t

en donde: “I” = intensidad de corriente ( A). “R” = resistencia ( Ω) “t” = tiempo del paso de la corriente I ( s). De acuerdo con esta ecuación, podemos concluir que, el calor generado va ha ser función de: La capacidad de la máquina

I2

Del material Del espesor

R

Calor = Q

De la presión Del reglaje de los parámetros parámetros

t

Que los demoninaremos parámetros primarios o factores primarios. La soldadura de los materiales será pues, función de estos factores primarios. Los procedimientos de soldadura por resistencia son los siguientes: 

Por puntos.



Por resaltes o protuberancias. protuberancias.



Por roldanas.





A tope. Por chispa.


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Por alta frecuencia

1.1 1.1 Soldadura Soldadura por p untos En la figura 1, se representa de forma esquemática la realización de un punto de soldadura por resistencia eléctrica.

FIGURA 1

Los materiales a soldar (chapa), se disponen solapados entre los electrodos, cuando se aplica una presión que permite el óptimo contacto eléctrico, se hace pasar una corriente eléctrica de bajo voltaje y elevada intensidad, durante un tiempo “t” determinado. El punto de soldadura se localiza debajo de los electrodos, por ser el área donde la resistencia es mayor, la forma de la zona soldada la podemos asemejar a un círculo (visión planar), o a una elipse (visión transversal). Este tipo de soldadura se aplica principalmente en la industria del automóvil, gama blanca y mobiliario metálico, aunque se está igualmente aplicando en la industria aeronáutica.

1.2 Soldadura por Resaltes o Protuberancias Este proceso de soldeo es similar al descrito anteriormente, en la figura 2 se muestra de forma esquemática el mismo.

FIGURA 2


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La variante con respecto a la soldadura por puntos, es que, han de realizarse a uno de los materiales unos resaltes (en ocasiones en los dos). El objeto de estos resaltes, es el de distribuir de forma más puntual la corriente.Al aplicarse la presión, el material se deforma plásticamente, tomando la forma plana o no del electrodo. En este tipo de procedimiento los electrodos son de mayor diámetro, pues cubren varios, resaltes. Esta técnica se aplica normalmente cuando las formas son complicadas, igualmente es utilizada para la soldadura de espárragos y tornillería.

1.3 Soldadura por Roldanas En la figura 3 se representa de forma esquemática esta variante de la soldadura por puntos.

FIGURA 3

En este proceso los electrodos son discos o roldanas, provocando una costura como consecuencia de existir una pulsación en la corriente eléctrica, permaneciendo constante la presión de las roldanas durante todo el proceso, lo cual origina una costura continua y estanca. Por ello su principal aplicación es en la fabricación de recipientes estancos (bidones, etc), con espesores comprendidos comprendidos entre 0,05 y 3 mm.

1.4 Sold Soldadura adura a Tope La soldadura a tope permite unir dos piezas (extremo con extremo), sin necesidad de que exista un solape entre las piezas a unir, por esta razón se mantiene toda la continuidad en la sección. El procedimiento, consistiría en el calentamiento de los extremos debido al paso de una corriente eléctrica, lo cual provoca un reblandecimiento reblandecimiento de los materiales. materiales. En este estado plástico, se somete a los materiales a unir a una presión determinada, lo que provocaría su unión (forja-difusión). En la figura 4 se muestra de forma esquemática este proceso de unión.


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FIGURA 4

1.5 Soldadura por Chispa Es una variante de la soldadura a tope, la diferencia con respecto a ésta, es que los materiales a soldar, se separan lo suficiente, como para que se produzcan microarcos (chispas), que permitan la fusión para favorecer la unión. La zona fundida, que contiene los óxidos e impurezas al ser comprimida, es expulsada hacia el exterior. Una vez que el metal esta frío (pero plástico), se ejerce una nueva presión sobre él, apareciendo un hinchamiento en la zona soldada, que deberá ser eliminado posteriormente por mecanizado. En la figura 5 se muestra un esquema del procedimiento.

FIGURA 5

Tanto la soldadura a tope, como la variante por chispa, pueden ser aplicadas a la unión de aceros al carbono, de alta aleación, cobre y aleaciones aluminio-cobre, etc. En la unión de brocas, peras o mangos, etc.

1.6 Soldadura por Alta Frecuencia En este proceso de soldeo, el calentamiento de los materiales a soldar se realiza por efecto Kelvin, dado que se utilizan corrientes eléctricas de alta frecuencia 10.000 a 500.000 Hz. La fuerza electromotriz que se genera en el interior de los materiales se opone al paso de la corriente de soldadura por el interior, por lo cual, ésta circula superficialmente. Esta f.e.m. produce el efecto de aumentar la resistencia eléctrica (mayor cuanto mayor es la frecuencia), lo cual provoca el calentamiento solo en esa zona de máxima resistencia, la unión o aproximación de las caras a soldar se hace por procedimientos mecánicos. Una variante de este


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procedimiento es la utilización de una inducción eléctrica que facilite el calentamiento del material, y así, su mayor hechurado. Las aplicaciones más comunes son en la fabricación de tubos (soldadura longitudinal y helicoidal), soldadura de aletas a tubos. En la figura 6, se muestra un esquema de este procedimiento.

FIGURA 6

2. SOLDADURA POR PUNTOS 2.1 Definición La soldadura eléctrica por puntos es un proceso de unión que permite soldar metales y aleaciones en formas diversas, generalmente chapas solapadas, como consecuencia de la existencia del paso de una corriente eléctrica de forma puntual. El calor que se produce por efecto Joule, es capaz de fundir parcialmente al material, y así formar un baño fundido en forma de disco o lenteja. La presión adecuada de los electrodos permite una vez que se ha producido la fusión la existencia de una continuidad entre los dos materiales (figura 7). Las características físicas y metalúrgicas de esta zona fundida más afectada térmicamente, suelen ser muy parecidas a la de los materiales base. Este tipo de unión fue desarrollada con el fin de eliminar remaches, remaches, tetones, etc.., utilizados en la unión de materiales (chapas).

FIGURA 7 A LA IZQUIERDA : TIPO DE UNIÓN POR REMACHE A LA DERECHA : TIPO DE UNIÓN POR PUNTO DE SOLDADURA


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2.2 2.2 Princi Princi pio general de la soldadura por punt os En la figura 8 se muestra como dos chapas solapadas pueden ser soldadas por resistencia (puntos). En ella se observa que el ciclo elemental consta de seis partes: desde A a E.

FIGURA 8 REPRESENTACIÓN ESQUEMÁTICA DELAS DIFERENTES FASES DE UNA OPERACIÓN DE SOLDADURA POR PUNTOS :

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: ELEVACIÓN DEL ELECTRODO SUPERIOR .

Este tipo de proceso de unión se realiza en una máquina de S.R. como la que se muestra de forma esquemática en la figura 9. En los capítulos posteriores se estudiará su constitución y los factores eléctricos que se deben tener en cuenta dado que: Q

Joule ) = R ⋅ I ⋅ t ( Jo 2

Como variables a tener en cuenta durante este procedimiento debemos destacar: 

Características físicas y eléctricas de los materiales a soldar.



Corriente de soldadura (Intensidad).



Tiempo de paso de la corriente eléctrica.



Presión sobre el punto de soldadura ejercida por los electrodos.


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FIGURA 9 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 .

2.3 2.3 Teoría Teoría de la Soldadura por Puntos. Princ ipios Fundamentales Fundamentales Si tenemos dos chapas solapadas T 1 y T2, las cuales se colocan debajo de dos electrodos, y las sometemos a un esfuerzo de compresión (figura 10), si a través de los electrodos hacemos pasar una corriente eléctrica de intensidad “I”; el cilindro de altura h T1 + hR2 será por el cual pasa la intensidad. Sea ABCD este cilindro, y supongamos supongamos un “dl”, la corriente que pasará por este Dl y la variación de resistencia será: dR =

Γ S

⋅ dl

Γ = Resistividad dl = Diferencial de cilindro S = Sección del cililndro

Como por la zona de contacto MN, también pasa la corriente, debemos considerar que para que se produzca un calentamiento en esta zona por efecto Joule el valor de RMN sea mayor que en cualquier diferencial de cilindro. En caso contrario, no se produciría un calentamiento, con la consiguiente elevación de la temperatura. En la figura 11 se muestra la variación de la temperatura en el espesor de las dos chapas al 20% y al 100% del tiempo de soldadura.

FIGURA 10 REPRESENTACIÓN ESQUEMÁTICA DE LA SOLDADURA POR PUNTOS


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FIGURA 11

Por supuesto debemos considerar que la energía aportada es suficiente como para que se produzca la unión, dado que la elevación local de la temperatura viene producida por una generación de calor, que se propaga dentro de la pieza por conducción y se disipa por radiación, pudiendo tener dos casos: a) El calor generado se disipa a medida que se produce, lo cual hace que la temperatura no se eleve lo suficiente como para que se produzca la fusión de los metales a soldar (20% tiempo de soldadura). soldadura). b) La cantidad de calor generado en la unión es mayor que la disipada, se eleva la T y se produce la fusión de los metales (100% tiempo de soldadura). Como hemos visto los factores que provocaron esa elevación de temperaturas durante el proceso, considerando las características físicas del material (conductividad eléctrica, calor específico, etc), son “R” “t” y “P” para una “I” óptima.

2.4 Resistencia de Contacto Cuando se preparan dos superficies metálicas, por diferentes procedimientos, no se tiene una superficie especular. Si ésta fuera observada microscópicamente su rugosidad podría ser resuelta, de forma que tendríamos una macro y una microrugosidad. La primera se mide por longitud de onda y la profundidad de onda (λ y h). La microrugosidad se mide por su altura de onda. Pues bien, para una presión determinada de soldadura, tenemos una serie de zonas de contacto, que vendrá determinada por la suma de las áreas de microcontactos, n

Ac

= ∑ Ai i

Siendo el tanto por ciento de área de contacto: % A

=

A − Ai A

× 100


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Debemos considerar, que el área inicial de contacto depende de la presión que se produce en las dos superficies, y a su vez de la deformación plástica del material, para temperaturas ambiente. Cuando aumenta la temperatura por la generación de calor, se produce una mayor fluencia y por consiguiente mayor área de contacto; como en un ciclo de SR la elevación de T es muy rápida, no entraremos a estudiar con profundidad profundidad este fenómeno. Determinaremos Determinaremos como se produce el paso de corriente por estos puntos de contacto. En la figura 12 podemos observar las superficies elementales de contacto eléctrico, las cuales coinciden con los posibles contactos entre microrugosidades.

FIGURA 12 ASPECTO DE DOS SUPERFICIES METÁLICAS EN CONTACTO , VISTAS CON GRAN AUMENTO . CRESTAS Y VALLES CARACTERIZAN EL ESTADO SUPERFICIAL

La corriente eléctrica circula por una sección “S”, pero cuando se encuentra con una intercara de soldadura, se provoca una reducción de su paso, como consecuencia de la disminución en la sección, teniendo pues un aumento en la resistencia en la intercara. La suma de las resistencias en los microcontactos siempre es mayor que en el interior del material.

∑ Ri > Rdadoque∑ Ai〈 A y por ello si aplicamos la ley de Joule tendremos: Q= R ⋅ I 2 ⋅t Qi = Ri ⋅ I 2 ⋅t

Siendo Qi > Q para un “t” dado. La resistencia de contacto de dos superficies metálicas dependerá dependerá pues de: 

Características eléctricas y mecánicas del material.



De la macro y microrrugosidad.



De la existencia o no de capas de óxidos o contaminantes.



De la presión de soldadura (estática o dinámica).



De la temperatura de contacto de los metales.


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2.5 2.5 Influencia de la presión sobre la resistencia eléctri eléctri ca de contacto, cuando los m etales etales están fríos La resistencia eléctrica de contacto, como es lógico, dependerá de la superficie total para una presión “P” dada, ya que, como habíamos visto, al aumentar P aumenta el área de contacto y por lo tanto Ri disminuye. La variación de R con respecto a P, se ha determinado para varios metales y aleaciones y para diferentes secciones del electrodo “S” en equipos similares del mostrado en la figura 13. Si representamos “R” en función de “P” para un acero suave y un acero Inox 18/8 no estabilizado (electrodo troncocónico ∅ 5mm), tenemos (figura 14). Comprobamos que “R” disminuye para “P” mayores; pero R es mayor para el Inox 18/8 que para el acero suave. De forma general se puede señalar que:

Rc

=

r i

⋅

P α

Siendo:

Rc = Resistencia de contacto entre las chapas Σ Ri. ri = Resistencia de contacto unitario (P-unitaria). P = Presión aplicada. α = función que depende de la naturaleza del material (deformabilidad plástica).


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DISPOSITIVO DE MEDICIÓN DE RESISTENCIAS DE CONTACTO ENTRE CHAPAS EN LAS CONDICIONES DE LA SOLDADURA POR PUNTOS . 1. DISPOSITIVO PARA APRETAR LAS CHAPAS - ALIMENTACIÓN DEL CILINDRO CON AIRE COMPRIMIDO CONTROLADO POR UNA ELECTROVÁLVULA - REGULACIÓN DE LA PRESIÓN DEL AIRE MEDIANTE UN MANORREDUCTOR . 2. ELECTRODOS . 3. FUENTE DE ENERGÍA ELÉCTRICA PARA LAS MEDICIONES .

RESISTENCIAS ÓHMICAS DE CONTACTO . CHAPAS SUPERPUESTAS COLOCADAS ENTRE DOS ELECTRODOS BAJO PRESIÓN . 1. RESISTENCIA DE CONTACTO ENTRE EL ELECTRODO SUPERIOR Y LA CARA EXTERIOR DE UNA CHAPA . 2. RESISTENCIA DE CONTACTO ENTRE EL ELECTRODO INFERIOR Y LA CARA EXTERIOR DE OTRA CHAPA . 3. RESISTENCIA DE CONTACTO ENTRE LAS DOS CHAPAS . FIGURA 13


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En la figura 14, podemos comprobar lo expresado anteriormente para varios electrodos y materiales.

RESISTENCIA DE CONTACTO EN FRÍO , EN FUNCIÓN DEL ESFUERZO DE COMPRESIÓN. 1. RESISTENCIAS DE CONTACTO ENTRE ELECTRODO Y CHAPA . 2. RESISTENCIAS DE CONTACTO ENTRE CHAPAS . DECAPADO. ESPESOR 1 MM . ELECTRODOS TRONCOCÓNICOS EN ALEACIÓN (CHAPAS DE ACERO DULCE LAMINADO EN FRÍO , DOBLE DECAPADO DE COBRE.); (CHAPAS DE ACERO DULCE LAMINADO EN FRÍO , DOBLE DECAPADO DECAPADO. ESPESOR 1 MM. PERO CON ELECTRODOS DE PUNTA ESFÉRICA, RADIO 75 MM. EN ALEACIÓN DE COBRE.); (CHAPAS DE ACERO INOXIDABLE 18/8 -NO ESTABILIZADO -ESPESOR 1 MM. ELECTRODOS DE PUNTA ESFÉRICA , RADIO 75 MM., EN ALEACIÓN COBRE.) FIGURA 14

2.6. 2.6. Influencia Influencia de l a temperatura temperatura so bre la resist encia de contacto. Como es bien conocido un conductor metálico presenta a temperatura elevada menor resistencia que a temperatura ambiente. Pero debemos considerar, que a este efecto hay que sumarle, el ejercido por el ablandamiento (fluencia del material), que experimenta el metal o aleación, lo cual provoca, si se le somete a presión, un incremento del área de contacto y por lo tanto una disminución de la resistencia eléctrica.


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Si representamos estos dos efectos conjuntamente tendríamos la figura 15.

FIGURA 15 VARIACIÓN DE LA RESISTENCIA DE CONTACTO ENTRE CHAPAS , EN FUNCIÓN DE LA TEMPERATURA

2.7. 2.7. Proceso Proceso de for mación del punt o de soldadura Si tuviéramos dos chapas de espesor “e”, y se les somete a 4 diferentes ciclos de soldadura, con parámetros constantes (P, R, I), y la variable fuera el tiempo, comprobaríamos, una vez realizados estos ciclos, mediante un examen metalográfico, que el proceso se había completado en el tiempo más largo, obteniéndose obteniéndose un baño fundido simétrico y en forma lenticular (nugget).

2.8. 2.8. El El efecto Jou le y la formación del punto de soldadura Como ya se ha visto a lo largo de estos temas. el calentamiento de la masa metálica se produce por efecto Joule: dQ = R I 2 .dt

Q (julios)

a los términos “R, I, t”, hay que sumarle la presión de la soldadura, que como ya hemos comprobado influye sobre la “Ri” de contacto. “R” es igual a la suma de las resistencias R = (R e + R e‘) + (R t t + R t t‘) + R c c

como se comprueba en la figura 16.


Tema 1.11 -16-


FIGURA 16 LOCALIZACIÓN DE LAS DIVERSAS RESISTENCIAS OHMICAS ENTRE ELECTRODOS ENCONTRADAS , A SU PASO , POR LA CORRIENTE DE SOLDADURA

* Rt y Rt‘, es la resistencia de los cilindros de material (volumen), constituidos por ABMN y MNCD (figura11). * Re y Re‘, resistencia de contacto electrodos - piezas a soldar. * Rc, resistencia de contacto entre las dos chapas. En la figura 17, se muestra un esquema de los contactos, y los valores óhmicos de las resistencias. Se comprueba que “(R t, Rt‘)<(Re, Re‘)
FIGURA 17 POSICIÓN DE LAS PIEZAS A SOLDAR ENTRE ELECTRODOS Y LOCALIZACIÓN DE LAS DIVERSAS RESISTENCIAS CON SUS VALORES RESPECTIVOS EN EL CASO DE DOS CHAPAS DE ACERO DULCE LAMINADO EN FRÍO DE COMPRESIÓN :

- DOBLE DECAPADO - ESPESOR 1 MM. - ESFUERZO

500 KG .

Cuando el material está caliente la suma de resistencias óhmicas depende de:


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Espesor de las piezas a soldar.



Resistividad del material.



Temperatura Temperatura alcanzada en los distintos puntos.



De la sección del material calentado (∅ electrodo).



De la sección del punto de fusión.

Si representamos la evolución de “r” en función del tiempo de soldadura (figura 18), se comprobaría, comprobaría, que el valor de la R total es muy elevada, pero que disminuye rápidamente cuando se alcanza el valor de t igual a ti, por lo que se produce un calentamiento muy rápido en la zona de contacto, cayendo la resistencia hasta su valor más pequeño, pasado t i la resistencia vuelve a aumentar, por lo que en la zona de contacto se mantiene la generación intensa de calor. Si no fuera así, el calentamiento calentamiento sería uniforme, y no se produciría la formación del punto de soldadura. Si representamos el diámetro del punto de soldadura en función del tiempo (figura 19), observaríamos, que ∅p crece rápidamente, hasta alcanzar un valor máximo cte, esta variación del ∅p, es función de las variables anteriormente comentadas (diámetro punta electrodo y espesor de chapa, que será estudiado con posterioridad).

FIGURA 18 VARIACIÓN DE LA RESISTENCIA ENTRE ELECTRODOS DURANTE LA SOLDADURA . LA RESISTENCIA INICIAL ES MUY ELEVADA DEBIDO AL ALTO VAL OR DE LA RESISTENCIA DE CONTACTO ENTRE CHAPAS ANTES DEL PASO DE L A CORRIENTE .


Tema 1.11 -18-


FIGURA 19 VARIACIÓN DEL DIÁMETRO DEL PUNTO EN FUNCIÓN DEL TIEMPO DE SOLDADURA , PARA UNA INTENSIDAD DETERMINADA

2.9. 2.9. Estudi Estudi o de los parámetros parámetros de soldadura Para la realización de una soldadura por resistencia necesitamos conocer los valores óptimos de las variables que intervienen en el proceso, a fin de producir una buena unión (diámetro del punto dado). Variables: 

Intensidad de corriente que atraviesa las chapas.



Tiempo de soldadura.



Diámetros de los electrodos.



Presión a compresión entre electrodos y chapas.



Tiempo de acercamiento.

Lógicamente los valores de estas variables van a depender de:

• Naturaleza de los materiales metálicos a soldar: 

Características mecánicas (deformabilidad plástica).



Características eléctricas (resistividad).



Conductividad térmica.


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Calor específico, calor latente de fusión.



Composición química.



Microestructura Microestructura de partida.

• Espesor de las piezas. • Estado de las superficies. • Tipo del punto de soldadura a desarrollar. • Geometría exterior después de soldarse la pieza.

2.10. 2.10. Diagrama Diagrama de Sold abilidad: abili dad: I - t po El calor que hay que generar para fundir un volumen de material (punto de soldadura), viene dado por: Q = V x ρ x (T x c 1 + c 2 2 )

Q = Cantidad de calor. V = Volumen del punto de soldadura. Ρ = = densidad del material

c1= calor específico. T = Tpf - T25º (diferencia de temperatura). c2= Calor latente de cambio de fase (sólido - líquido). Como bien conocemos, si tenemos un conductor metálico cuya resistencia es R, y se le hace pasar una corriente eléctrica I durante un tiempo, se genera por efecto Joule un calor Q. Como existen unas pérdidas pérdidas por conducción conducción y radiación en los electrodos este valor de de Q no es del 100% en su rendimiento, habrá que tener en cuenta pues el rendimiento del proceso.

R⋅ I 2 t =Q

Λ ; Λ = rendimiento

Qproceso

= Λ ⋅R ⋅I ⋅t 2

Pues bien, como Q es aproximadamente igual a RI 2 t , podemos variar I, t, para R fija y así provocar la fusión de los metales a soldar. Como I y t son dos parámetros interdependientes podemos tener tiempos distintos para R constante e I proporcionales una misma generación de Q:


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Q = RI 2 t Q = R.(I/2)2 .4t = RI 2 t Q = R.(I/3)2 .9t = RI 2 t

de forma final: Q = R.(I/n)2.n2t Si comprobamos el diagrama I-t (figura 20), no se puede disminuir I mucho pues t aumentaría desproporcionadamente.

DIAGRAMA DE SOLDABILIDAD QUE EXPRESA LA RELACIÓN ENTRE LA INTENSIDAD DE LA CORRIENTE Y EL TIEMPO DE SOLDADURA DIAGRAMA DE LAS CURVAS “ DIÁMETRO DEL PUNTO EN FUNCIÓN DEL TIEMPO DE SOLDADURA ” PARA DIFERENTES INTENSIDADES DE LA CORRIENTE DE SOLDADURA I6 > I5 > I4 > I3 > I2 > I1 ; FIGURA

e = CONSTANTE

20


Tema 1.11 -21-


De esta gráfica se deduce: 

Las pérdidas de Q por conducción y radiación son funciones no lineales del tiempo.



Existe una I mínima de soldadura por debajo de la cual no existe nunca unión.



Para conseguir elevados rendimientos se necesitan I elevadas y tiempos cortos.

En este diagrama I-t existen 3 zonas bien diferenciadas diferenciadas A, B y C: A - Zona de pegaduras. pegaduras. B - Zona de soldadura. C - zona de salpicaduras (proyecciones (proyecciones y deterioro de los electrodos). Del diagrama de soldabilidad I-t, se deducen los siguientes aspectos: 

Para I < Imin................................ lenta). min................................................. .................................. ................. t largos (soldadura lenta).



Para I >>Imin............................... min................................................ .................................. ................. t cortos (soldadura rápida).



Para t cortos las pérdidas de Q en chapas y electrodos son menores que para t largos.



R es mayor para I elevadas y t cortos.

2.11 2.11 El El t amaño amaño d el punt o de s oldadura ( ) en en su relación co n I y t Si representáramos representáramos ∅ para distintas intensidades y para distintos tiempos tendríamos la figura 21, en la cual pueden comprobarse dos hechos importantes. 1) Cuando mayor es I para un t dado mayor es el diámetro del punto obtenido. 2) Para una I dada, se comprueba que a medida que aumenta el tiempo de soldadura, el ∅ aumenta, hasta alcanzar un valor constante aunque el tiempo de soldadura continúe (pérdidas = generación de calor). 3) Representando ∅ frente a I y t frente a I tendríamos las conocidas curvas lobe (en terminología inglesa (lobular))(figura 22).


Tema 1.11 -22-


Chapas de acero de 1 mm. Intensidad : 7.800 A.

Chapas de acero de 5 mm. Intensidad : 16.500 A.

FIGURA 21

FIGURA 22


Tema 1.11 -23-


2.12. Ciclos de Intensidad de corriente de Soldadura Los ciclos más frecuentes f recuentes que se pueden realizar son cinco aunque existan otra variantes: 

Intensidad constante.



Con posterior calentamiento (soldadura con recocido).



Con precalentamiento. precalentamiento.



Por impulsiones.



Con intensidad de corriente progresiva.

En las figuras 24 a 26 se muestran estos cinco ciclos de intensidad.

SOLDADURA A INTENSIDAD CONSTANTE FIGURA 24

SOLDADURA CON RECOCIDO FIGURA 25


Tema 1.11 -24-


FIGURA 26

2.13 2.13.. Esfuerzo Esfuerzo de com presión en los electrodo s Como pudimos estudiar con anterioridad, de la presión que ejercen los electrodos sobre las piezas a soldar es importante durante el proceso de soldadura en: 

El asentamiento o tiempo de ajuste de las piezas antes de ser soldadas.



Durante la soldadura (tipo de paso de corriente).



Durante el mantenimiento (forjado después del paso de corriente).

Por ello será necesario conocer los tiempos de ejecución de la presión en los tres pasos anteriores. Como es lógico la presión a efectuar dependerá de la chapa a soldar (espesor), pues ello nos indicará el diámetro de la punta de electrodo ∅ = 2.e + 2,5 mm (AWS) De la figura 27, se deduce que cuanto menor es el diámetro de los electrodos mayor debe de ser la presión de soldadura (de forma general para un acero suave de espesor 1 mm).


Tema 1.11 -25-


FIGURA 27

Igual que para el caso de diagrama I-t, se podría realizar una gráfica similar que relacionara la presión específica en kg/mm2 frente a densidades de corriente, como la mostrada en la figura 28; en donde tendríamos una serie sin proyecciones y otra con c on proyecciones (expulsión de material fundido).

FIGURA 28

Los diferentes ciclos de esfuerzo a compresión se reflejan en la figura 29, donde distinguimos presión constante durante todo el ciclo y variación de presión (aumento de la presión en el período de forja, una vez que ha cesado el paso de la corriente eléctrica.

2.14 2.14.. Aspectos metalúrgico s de la soldadura por punto s 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 (diagramas de fases en el equilibrio). equilibrio).


Tema 1.11 -26-


2.15. 2.15. Cicl Ciclo o de Calentamient o Al someter de forma progresiva a un material a un ciclo de calentamiento calentamiento puede experimentar experimentar de forma general los siguientes cambios físicos y microestructurales: 

Variación de sus dimensiones (dilatación).



Relajación de tensiones.



Poligonización.



Recristalización primaria.



Transformaciones Transformaciones de fase con difusión: • Disolución de precipitados. Engrosamiento de precipitados. • Engrosamiento • Cambios alotrópicos. Transformaciones con cambio de fase (eutectoide, peritectoide, fusión). • Transformaciones



Crecimiento de grano.



Recristalización secundaria.

2.16. Cambios dimensionales En la figura 30, se muestra un dispositivo esquemático, que permite determinar la dilatación que experimenta el material cuando es calentado progresivamente. progresivamente. Si representásemos representásemos la dilatación en función del tiempo de soldadura (figura 31), podemos comprobar que la variación dimensional de las chapas aumenta progresivamente, hasta alcanzar un valor cte. Cuando se cesa el calentamiento, las chapas empiezan a disminuir en sus dimensiones, llegando incluso a tener dimensiones menores que las originales, como podemos observar en la figura 32.

FIGURA 30 MONTAJE ESPECIAL PARA LA MEDICIÓN DE LAS VARIACIONES DE ESPESOR DE LAS CHAPAS EN EL LUGAR DONDE SE REALIZA EL PUNTO, DURANTE LA OPERACIÓN DE SOLDADURA


Tema 1.11 -27-


FIGURA 31 VARIACIÓN DE LOS ESPESORES DE LAS CHAPAS EN FRENTE DEL PUNTO DE SOLDADURA , DURANTE EL PERÍODO DE CALENTAMIENTO .

CHAPAS DE ACERO DULCE DE 6 MM. DE ESPESOR

FIGURA 32 VARIACIÓN DE LOS ESPESORES DE DOS CHAPAS EN EL LUGAR DEL PUNTO DE SOLDADURA , DURANTE EL PERIODO DE ENFRIAMIENTO DEL PUNTO.

CHAPAS DE ACERO DULCE DE 6 MM. DE ESPESOR


Tema 1.11 -28-


2.17 2.17.. Fusión y Solidific ación En este proceso o transformación de fase del estado líquido al sólido, tenemos dos posibilidades de ejecución: a) Eliminación de la presión después del período de soldadura. b) Mantenimiento de la presión durante la solidificación. a) Disminución de la temperatura temperatura por conducción y radiación de las chapas, enfriamiento más rápido rápido si el tiempo de soldadura es corto. b) Eliminación de calor forzada a través de la refrigeración refrigeración de los electrodos, ciclo de enfriamiento enfriamiento más rápido que en el caso anterior. Los demás fenómenos metalúrgicos que experimentan los metales y aleaciones durante su calentamiento y enfriamiento, serán vistos en otros módulos.

2.18 2.18.. La soldadura mult ipunt o 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”. Multipunto”. Las máquinas de soldadura multipunto son utilizadas con gran profusión en la industria de la automoción (carrocerías de coches, camiones, etc.).

2.19. Descripción - Montaje sobre plantillas:

Las diferentes piezas a soldar deben ser colocadas en sus posiciones respectivas y mantenidas provisionalmente en su lugar para evitar cualquier tipo de desplazamiento en el transcurso de las operaciones posteriores. posteriores. Estas piezas se posicionan y amarran sobre una plantilla que a su vez contiene los contra-electrodos - Grupos de Soldadura:

A cada grupo de puntos corresponde corresponde un grupo de soldadura (figura 33), siendo este un conjunto bien definido y que siempre comprende:


Tema 1.11 -29-


FIGURA 33 GRUPO DE SOLDADURA

a) Un armazón en chapa de acero soldado. b) Uno o varios transformadores. transformadores. c) Un cierto número de elementos de presión de funcionamiento hidráulico hidráulico o neumático. d) Conectado a través de platinas o cables de cobre. - Circuito secundario. Ciclo de soldadura:

El circuito eléctrico debe ser estudiado para cada caso particular, sin embargo, pueden distinguirse varios casos:

a) Circuito directo. b) Circuito indirecto. c) Circuito en serie (número par de puntos). d) Circuito en serie (número impar de puntos). e) Circuito “push - pull”. a) Circuito directo. En la figura 34, se muestra un esquema de un circuito directo. La secuencia de operaciones para la soldadura de un punto es el siguiente: -CURSO DE FORMACIÓN DE INGENIEROS EUROPEOS/INTERNACIONALES DE SOLDADURA-

Tema 1.11 -30-


1) Bajada del electrodo. 2) Paso de corriente. 3) Mantenimiento de la presión después del paso de la corriente continua. 4) Subida del electrodo. Estas cuatro operaciones son repetidas para cada circuito.

FIGURA 34 CIRCUITO DIRECTO - PRIMER CICLO:1, SEGUNDO CICLO:

2, TERCER CICLO: 3

b) Circuito Indirecto: Las diferencias con el anterior, se pueden observar en la figura 35, se diferencia del directo, por la forma en que se cierra el circuito de soldadura, volviendo la corriente al transformador a través de un contacto de retorno con un contra-electrodo. contra-electrodo.

FIGURA 35 CIRCUITO INDIRECTO: CIERRE DEL CIRCUITO POR “ PLOT” SOBRE CONTRA-ELECTRODO - TERCER CICLO - RETORNO POR EL “ PLOT”

c) Circuito en serie (nº par de puntos): En la figura 36, se muestra este tipo de circuito, la secuencia de operaciones para la soldadura de dos puntos es:


Tema 1.11 -31-


1) Bajada de los electrodos y establecimiento de la presión de soldadura (asentamiento). (asentamiento). 2) Paso de la corriente de soldadura. 3) Mantenimiento de la presión después del paso de la corriente eléctrica. 4) Subida de los electrodos.

FIGURA 36 CIRCUITO SERIE: CASO DE UN NÚMERO PARA DE PUNTOS - PRIMER CICLO:

1 Y 4, SEGUNDO CICLO: 2 Y 5, TERCER CICLO: 3 Y 6

d) Circuito en serie (nº impar de puntos): Aunque se mellan mellan un número número par de puntos, el último punto, se realiza con paso directo directo de la corriente corriente de soldadura entre el contra-electrodo y el contacto de retorno. e) Circuito “push-pull”: “push-pull”: Se muestra en la figura 37, este tipo de circuito, que trabaja con circuitos de independencia reducida.

FIGURA 37 CIRCUITO “ PUSH-PULL ”

3. SOLDADURA POR PROYECCIONES O PROTUBERANCIAS. 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.


Tema 1.11 -32-


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 38). 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 38

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 protuberancia y sufrir esta zona el denominado 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.


Tema 1.11 -33-


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.

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 dimensiones sean regulares.

Existen dos tipos de protuberancias: 

Protuberancias Protuberancias artificiales.



Protuberancias Protuberancias naturales.

3.2.1. 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 en piezas macizas por torneado, degolladura, fresado o estampado.

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 39 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.


Tema 1.11 -34-


FIGURA 39 PUNZÓN Y MATRIZ PARA LA REALIZACIÓN DE PROTUBERANCIAS REDONDEADAS EN UNA CHAPA O P IEZA EMBUTIDA


Tema 1.11 -35-


Protuberancia anular sobre chapa. En la figura 40 se representa una protuberancia de este tipo. Con este tipo de resalte se consiguen realizar soldaduras soldaduras estancas, y en la figura 41 se muestra el tipo de punzón y matriz para su obtención.

FIGURA 40 FORMA DE UNA PROTUBERANCIA ANULAR REALIZADA EN UNA CHAPA EMBUTIDA

FIGURA 41 DIMENSIONES DE LOS PUNZONES Y MATRICES PARA LAS PROTUBERANCIAS ANULARES


Tema 1.11 -36-


Protuberancias Protuberancias lineales y anulares en piezas macizas. Este tipo de protuberancia se realiza en piezas estampadas. Las siguientes figuras muestran protuberancias protuberancias anulares realizadas por tornado en piezas macizas. en el ensamblado de tetones a chapas o piezas macizas se usan protuberancias protuberancias como las mostradas en la figura figura 42.

FIGURA 42


Tema 1.11 -37-


FIGURA 43 ALGUNAS FORMA S DE PROTUBERANCIAS UTILIZADAS EN EL ENSAMBL ADO DE UN BUL ÓN PERPENDICULARMENTE A UNA CHA PA O UNA PIEZA MACIZA

3.2.2 3.2.2 Protu Protu berancias natur ales

Algunas piezas por su geometría, presentan de forma natural protuberancias, protuberancias, como ejemplo el mostrado en la figura 44, 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 44 TUBOS DISPUESTOS PERPENDICULARMENTE UNO SOBRE OTRO (SOLDADURA EN CRUZ)

3.3 Los Parámetros de Soldadura Los principales parámetros de soldadura a tener en cuenta para la unión de protuberancias protuberancias son tres: -

La intensidad de corriente secundaria.

-

El tiempo de soldadura.


Tema 1.11 -38-

ASOCIACIÓN ESPAÑOLA DE SOLDADURA SOL DADURA Y TECNOLOGÍAS DE UNIÓN -

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.

3.4 3.4 La intensidad d e corri ente 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 protuberancia (aplastamiento). En las tablas se recogen los parámetros de soldadura para chapas de espesores comprendidos comprendidos entre 0.7 y 6.2 mm de espesor. SOLDADURA DEL ACERO DULCE POR PROTUBERANCIAS

ESPESORES: 0,70 MM A 3,5 MM

Dimens. Tiempo Esfuerzo Espesor Galga protuberancias Separación Recubrimiento de en los mínima soldadura electrodos Diámetro Altu Al tur r mínima mm U.S.S mm mm Periodos Kg mm a mm 0,7 23 2,3 0,64 10 6,5 3 88 0,86 21 2,8 9,89 12,5 9,5 3 110 1,1 19 2,8 0,89 12,5 9,5 5 150 0,97 19 12,5 8 180 1,25 18 3,55 1,50 16 3,8 1,06 19 12,5 10 250 1,95 14 4,6 1,22 22,5 12,5 14 360 2,35 13 5,35 1,27 27 16 16 460 2,70 12 6,1 1,40 32 19 19 565 3,10 11 6,85 1,48 38 20,5 22 680 3,40 10 7,6 1,58 41,5 22,5 14 750

Corriente de soldadura A 5.500 6.600 8.000 8.800 10.300 11.850 13.150 14.100 14.850 15.300

SOLDADURA DEL ACERO DULCE POR PROTUBERANCIAS ESPESORES DE 4 MM A 6,2 MM (ESPESORES IGUALES )

Espesor mm

3,9 4,2 4,5 5 5,4 5,7 6,2

Galga U.S.S.

9 8 7 6 5 4 3

Dimens. Protuberancias Diámetro Altu Al tura ra mm mm

8,4 8,9 9,9 10,4 11,2 12 13,5

1,58 1,73 2,05 2,15 2,35 2,54 2,85

Separación min. mm.

Recubrimiento min. mm.

Esfuerzo de soldadura Kg

Esfuerzo de forjado Kg

Soldaduras Soldaduras de dimensiones normales 44,5 23 900 1,800 46 24 1.040 2.080 48 25,5 1.200 2.400 51 26,5 1.320 2.640 53 29 1.440 2.880 58 30 1.640 3.280 64 33 1.770 3.540


U Slope Período

Tiempo de soldadura Períodos

Corriente de Soldadura A

15 15 20 20 25 25 30

60 70 82 98 112 126 145

15.400 16.100 17.400 18.800 20.200 21.500 23.300

Tema 1.11 -39-


3.5 3.5 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. protuberancias. Para tiempos de soldadura cortos, serán necesarias densidades de corriente elevadas, pero este hecho favorece la aparición de proyecciones. 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.

3.6 El esfuerzo de sol dadura 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.

3.7 3.7 Ciclos de sol dadura por Protu berancia El ciclo de soldadura, las potencias eléctricas y mecánicas de la máquina y el tipo de aparato electrónico de control deben ser cuidadosamente cuidadosamente estudiados para cada caso particular. El ciclo de soldadura comprende 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.

En la figura 45 se muestran cinco tipos diferentes de ciclos de soldadura utilizados corrientemente, dependiendo del tipo de protuberancia y máquina utilizada.


Tema 1.11 -40-


Ciclo simple de soldadura. El esfuerzo de Compresión y la corriente de soldadura Permanecen constantes constante s durante toda la operación.

Ciclo de soldadura a presión variable y corriente constante. Esfuerzos de asentamiento de las piezas piezas y de forjado superiores al esfuerzo de soldadura

Ciclo de soldadura con presión variable y corriente constante. Aumento del esfuerzo en los electrodos al final del tiempo de soldadura y durante el mantenimiento.

Ciclo de soldadura a presión variable y con establecimiento progresivo de la corriente. La corriente, reducida a un pequeño valor al comienzo de la operación, alcanza progresivamente su valor normal de soldadura

Ciclo de soldadura a presión y corriente secundaria variables, que permite el precalentamiento, la soldadura y el recocido; estas tres funciones pueden ser reguladas independientemente en tiempo e intensidad.

FIGURA 45


Tema 1.11 -41-


3.8 Prensas de soldadura y Utillajes 3.8.1 3.8.1 Prensas Prensas de so ldadura

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. 3.8.2 3.8.2 Utillajes. (electro dos)

Suelen emplearse frecuentemente frecuentemente tres tipos de electrodos, siendo estos: a) Planos de gran superficie superfici e (figura 50). b) Macizos con tetones (figura 50). c) Electrodos con dispositivos de compensación del esfuerzo de de compresión (mismas condiciones condiciones de presión en todas las protuberancias), protuberancias), en soldadura múltiple.

FIGURA 50

3.9 3.9 Algunas aplicaciones d e la soldadura por Protuberancia Soldadura de una brida sobre placa (protuberancia redonda ordinaria) (figura 51). -

Soldadura de una pieza en omega sobre pieza embutida (protuberancias redondas) (figura 52).

-

Soldadura de placas, chapas y piezas embutidas sobre tubos (figuras 53 y 54).

-

Soldadura de tuercas y vástagos roscados (figura 55).

-

Soldadura de horquillas al extremo de un vástago (figura 56).

-

Soldadura de un tapón roscado sobre un depósito (Figura 57).

-

Soldadura de tubos en cruz.

-

Soldadura de tubos en cruz con preparación (Figura 58).

-

Soldadura de alambres en cruz y de alambres sobre tubos.

-

Soldadura de artículos de cocina (Figura 59).


Tema 1.11 -42-


A. B RIDA; B. PLACA ; C. ELECTRODO INTERIOR; D. ELECTRODO SUPERIOR; E. F. DISPOSITIVOS DE CENTRAJE DE LA PLACA FIGURA 51

A. Pieza en forma de omega; B. Chapa embutida; C.Electrodo inferior; D.Electrodo superior; E. Vástago de centraje

PIEZA EN FORMA DE OMEGA A SOLDAR SOBRE UNA PIEZA EMBUTIDA Y

CROQUIS DE LOS ELECTRODOS UTILIZADOS PARA LA SOLDADURA DE UNA PIEZA EN FORMA DE OMEGA SOBRE UNA CHAPA EMBUTIDA FIGURA 52


Tema 1.11 -43-


Principio de la soldadura, por protuberancias redondas, de una placa sobre un tubo. Conjunto colocado entre los electrodos de soldadura

FIGURA 53

Soldadura de una placa sobre un tubo. Croquis que muestra el grave inconveniente que surge en la soldadura por puntos normal: derivaciones de corriente por los puntos soldados en primer lugar FIGURA 54

Croquis de algunos tipos de tuercas previstas directamente con protuberancias protuberancias

Croquis de algunos vástagos roscados con protuberancias para su fijación sobre chapas, piezas embutidas, etc. FIGURA 55


Tema 1.11 -44-


Croquis de algunos electrodos especiales utilizados para la soldadura de tuercas y vástagos roscados FIGURA 56

Croquis de una horquilla a soldar en la extremidad de un vástago. Detalle de las protuberancias protuberancias

FIGURA 57

Croquis de los electrodos utilizados para la soldadura de horquillas en los extremos de un vástago A. Apretador neumático de amarre B. Vástago C. Horquilla D. Electrodo superior E. Tetones retráctiles de localización


Tema 1.11 -45-


Tapón roscado con protuberancias protuberancias anular. Dimensiones de la protuberancia.

Tapón soldado sobre un depósito

Croquis de los electrodos utilizados para la soldadura del tapón de vaciado sobre un cárter. A. Electrodo superior superior B. Vástago de centraje de la tuerca C. Tapón (tuerca) D. Cárter E. Electrodo inferior

FIGURA 58

Croquis de dos tubos preparados especialmente para ser soldados en cruz por resistencia con una altura total mínima. Esto se consigue mediante protuberancias especiales, realizadas en una prensa, por embutición FIGURA 59


Tema 1.11 -46-


FIGURA 60


Tema 1.11 -47-


4. SOLDADURA POR ROLDANAS 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, 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 colocaran en la máquina donde se encuentran las roldanas, la superior es la que baja y ejerce la presión sobre los materiales a soldar (Figura 61). 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 61). Con este tipo de procedimiento, se pueden obtener soldaduras como las mostradas en la figura 62, de acuerdo con el tipo de paso de la corriente eléctrica.

FIGURA 61


Tema 1.11 -48-


FIGURA 62

Como en los casos anteriores los factores más importantes durante esta operación son: -

Los materiales a soldar.

-

Intensidad de la corriente eléctrica.

-

La frecuencia de interrupción de la corriente.

-

El tiempo de soldadura y de reposo.

-

La velocidad de soldadura.


Tema 1.11 -49-


El esfuerzo a compresión de la roldanas.

4.1 4.1 Princip ios Fundamentales 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 63). Pero en este caso de la soldadura por roldanas existen algunas particularidades que deben ser estudiadas.

UNA SOLDADURA ESTANCA ES UNA SUCESIÓN DE PUNTOS SUPERPUESTOS FIGURA 63

4.2 Resistencia de contacto entre chapas 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 64. Pero en este tipo de procedimiento debemos considerar dos hechos particulares que influyen, y que son debidos en si al propio proceso de soldadura, soldadura, siendo estos: a) La propagación de calor que produce el paso de la roldana de soldadura, y que modifica sensiblemente sensiblemente el estado de las chapas , y por lo tanto, la resistencia de contacto. b) El “Suntage”, “Suntage”, es decir, el paso de corriente corriente por los puntos puntos ejecutados anteriormente. anteriormente.


Tema 1.11 -50-


ESQUEMA DE LA DISPERSIÓN DE LOS VALORES DE LAS RESISTENCIAS DE CONTACTO EN FUNCIÓN DEL ESFUERZO DE COMPRESIÓN FIGURA 64

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 velocidad de soldadura es elevada. 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.

4.3 4.3 El El pro ceso de formación de una soldadura por ro ldanas De forma particular para un caso de roldanas estándar, como la mostrada en la figura 65. 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 66. 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”, “shuntage”, siendo este el caso -CURSO DE FORMACIÓN DE INGENIEROS EUROPEOS/INTERNACIONALES DE SOLDADURA-

Tema 1.11 -51-


de velocidades de soldadura 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 65

Cuando existe una fuerte acción del efecto “shuntage” (Figura 66), que impide la aparación de los siguientes puntos, pero que después de una distancia “d” no tiene efecto, como la resistencia vuelve a aumentar se produce de nuevo un punto y así sucesivamente. Este es un caso que se da cuando la velocidad es elevada y el esfuerzo de compresión es poco elevado. Para obtener una soldadura continua (Figura 66), y contrarrestar el efecto de “Shunt”, hay que aumentar la intensidad de corriente, de forma que “P” sea lo más pequeño posible. -CURSO DE FORMACIÓN DE INGENIEROS EUROPEOS/INTERNACIONALES DE SOLDADURA-

Tema 1.11 -52-


FIGURA 66

Para obtener una soldadura continua y estanca, es necesario: -

-

Disminuir la velocidad de soldadura. Aumentar el el tiempo de caldeo caldeo en relación relación con el de reposo. 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 sobreintensidad sobreintensidad que se aplica aplica para para evitar el efecto efecto “Shunt” “Shunt” (derivación), (derivación), pueden pueden provocar de forma general “proyecciones”.


Tema 1.11 -53-


3º

Es necesario una aplicación progresiva de la intensidad mediante un dispositivo electrónico que evite el efecto mencionado en el 2º.

4.4 4.4 Influencia de la presión s obre 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), (costura), es muy similar al que definíamos en la soldadura por puntos.

4.5 Metalurgia de la soldadura por roldanas Aquí podemos aplicar lo expresado anteriormente 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 67, y la comparamos con la figura 68; comprobaremos que la zona (C) es más extensa, alcanzándose la temperatura 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 reorientación de las dendritas del baño (Figura 69), y una aplicación térmica de la zona anteriormente solidificada, pudiéndose modificar la microestructura de forma proporcional al calor generado por el punto posterior.

FIGURA 67

FIGURA 68

POR ROLDANAS

POR PUNTOS

Estado térmico de un punto de soldadura de dos chapas de acero dulce, al final del período de calentamiento


Tema 1.11 -54-


FIGURA 69

4.6 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 del cordón soldado. 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. soldadura.


Tema 1.11 -55-


4.7 4.7 Anchura del c ordón 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 Como se muestra en la figura 70.

FIGURA 70

4.8 4.8 Anchura de las r oldanas de soldadura La influencia de la anchura de las roldanas sobre la del cordón, puede observarse en la figura 71, de la cual podemos deducir:


Tema 1.11 -56-


FIGURA 71

1º)

La anchura máxima del cordón soldado tiende hacia un limite 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 la roldanas.

3º)

Que los datos son válidos tanto para corriente corriente continua continua como como alternas alternas (interrumpida (interrumpida periódicamente).

4º)

Que el sobrecalentamie sobrecalentamiento nto se alcanza antes a valores de intensidad 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

4.9 4.9 Frecuencia Frecuencia de las i mpulsi ones Viene determinado por el nº de puntos por minuto. n = 3000 / (t c + tr )


Tema 1.11 -57-


3000 = pulsos / min ( = 50 Hz). tc = tiempo de caldeo.(en pulsos) tr = tiempo de reposo. (en pulsos)

4.10 4.10 Tiempo Tiempo de caldeo. Tiempo de repos o En la figura 72, 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.I2.t (tabla I) Para tc = tr se obtiene aproximadamente el valor de rendimiento óptimo. TABLA I

k =

2 =1 2+0

Q = R x 12,82 x 1 = 163 R (continua)

k =

2 = 0,67 2 +1

Q = R x 14,22 x 0,67 = 134 R (interrumpida)

k =

2 = 0,5 2+2

Q = R x 15,52 x 0,5 = 122 R (interrumpida)

2 = 0,4 2+3 2 k = = 0,33 2+4 k =

Q = R x 172 x 0,4 = 116 R (interrumpida) Q = R x 192 x 0,33 = 120 R (interrumpida)


Tema 1.11 -58-


FIGURA 72

4.11 4.11 Paso de Sold adura La distancia entre dos puntos de soldadura viene dadas 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.Vt c

(rendimiento (rendimiento térmico máximo)


Tema 1.11 -59-


4.12 4.12 Velocidad. Tiemp o de d e Caldeo Caldeo En el diagrama experimental experimental de la figura 73 se observa la relación que existe entre corriente-velocidad de soldadura para espesores de las chapas constantes (para t c = tr ). Pmax = 0.85.(2 + 2e) = 1.7e + 1.7 Conociendo la expresión P = 0.66Vt c, obtenemos: 0.66Vt c = 1.7e + 1.7 V.tc = 2.5e + 22.5; para e = cte. V.tc = cte

ACERO DULCE

2 X 0,8 MM – ANCHURA DEL CORDÓN : 3,5 MM FIGURA 73

4.13 4.13 Esfuerzo d e Soldadur a En la figura 74 se representa de forma esquemática el asentamiento, de donde se deduce que para obtener una deformación “d”, el esfuerzo “F o” debe estar en relación con el momento de inercia de la sección rayada. Fo = f (2e + 3)e 3; aunque es más complicada la curva F/e. En la figura 74 representamos las soldaduras obtenidas con presión correcta o insuficiente.


Tema 1.11 -60-


FIGURA 74


Tema 1.11 -61-


4.14 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

5. SOLDADURA POR RESISTEN RESISTENCIA CIA A TOPE 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 75, se pueden observar algunos tipos de unión que pueden ser realizados con este proceso. CLASIFICACIÓN Y PRINCIPIOS Podemos distinguir tres procedimientos: procedimientos: -

A tope por resistencia resistencia pura. pura.

-

A tope por chisporroteo chisporroteo directo. directo.

-

A tope por chisporroteo chisporroteo con con toques de precalentamie precalentamiento. nto.

5.1. 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 76 se muestra un esquema de una máquina de soldadura a tope, y en la figura 77 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.


Tema 1.11 -62-


ALGUNOS TIPOS DE UNIONES POR SOLDADUR A A TOPE FIGURA 75


Tema 1.11 -63-


A-B: Piezas a soldar, soldar, amarradas amarradas en las mordazas mordazas C y D C: Dispositivo de sujeción fijo, solidario del armazón E. D: Dispositivo de sujeción de la mesa móvil. T: Transformador. Transformador. S: Conexión secundaria fija, sujeta al electrodo izquierdo. R: Conexión secundaria flexible, unida al electrodo móvil ESQUEMA DE PRINCIPIO DE UNA MÁQUINA DE SOLDAR A TOPE FIGURA 76

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 – t 5: Tiempo que transcurre entre el corte de la corriente de soldadura y la anulación del esfuerzo de empuje de una pieza contra la otra. 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 FIGURA 77


Tema 1.11 -64-


5.2 5.2 Soldadura Soldadura a tope por ch isporr oteo Este tipo de soldadura es muy parecido al anterior, en el esquema de la figura 78 se muestra el dispositivo de ejecución de este tipo de procedimiento. 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 transformador y, como consecuencia, c onsecuencia, 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 6). 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 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.


Tema 1.11 -65-


1ª Fase: A. Sujeción y conexión eléctrica

2ª Fase: B. Movimiento lento de la mesa móvil (chisporroteo) (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 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 FIGURA 78


Tema 1.11 -66-


5.3 5.3 El Proceso de chispo rroteo En la figura 79, se muestra el proceso de formación del chisporroteo.

FIGURA 79

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” “apagan” el proceso, proceso, bien por cese de la chispa, o por entrar 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, -CURSO DE FORMACIÓN DE INGENIEROS EUROPEOS/INTERNACIONALES DE SOLDADURA-

Tema 1.11 -67-


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 80.

FIGURA 80

5.4 5.4 Aspecto m etalúrgi etalúrgi co de la so ldadura a Tope El ciclo térmico de este proceso de soldadura puede observarse en la figura 81. En esta figura comprobamos que el material se calienta progresivamente hasta la temperatura de fusión, permaneciendo en ésta breves segundos, para posteriormente enfriarse. La distribución de “I” frente a “d” es progresiva permaneciendo la temperatura más baja en la zona de amarre de las mordazas durante todo el proceso. En estas condiciones tendremos por cada punto de la barra un ciclo térmico T-t; durante el calentamiento de cada uno de ellos aparecerán transformaciones metalográficas en estado sólido con o sin cambios de fase, bien en toda su extensión, o bien si el tiempo no es suficiente de forma parcial. En el proceso inverso (enfriamiento), debemos tener en cuenta que las barras metálicas a soldar, se encuentran sujetas por las mordazas, que imponen un enfriamiento más o menos rápido del sistema, y este, dependerá de: -

De la conductividad térmica del material soldado.

-

De la sección y forma de las piezas a soldar.

-

De las propias condiciones de chisporroteo.

-

Del tiempo y de la intensidad del calentamiento durante y después de la refrigeración.


Tema 1.11 -68-


Del tiempo de sujeción de las piezas después del recalcado o proceso de forja.

Como podemos comprobar durante el proceso de soldadura a tope por chisporroteo, el material sufre un verdadero tratamiento térmico un poco atípico, dadas las velocidades durante el calentamiento y el enfriamiento. En el caso de aceros ≤ 0.4%C no aleados su explicación es sencilla, pero para el caso de aceros microaleados o aleados y otras aleaciones no férreas es más compleja, y la restauración de las propiedades propiedades mecánicas debe ser realizada mediante tratamientos térmicos de postsoldadura. postsoldadura.

GRÁFICO DE LAS TEMPERATURAS QUE EXISTEN EN LOS DIVERSOS PUNTOS DE UN REDONDO DE ACERO DULCE SOLDADO A TOPE , INMEDIATAMENTE DESPUÉS DE LA FORJA O RECALCADO FIGURA 81

5.5 5.5 Los parámetros parámetros de soldadura a tope por chispor roteo En este apartado se estudiarán y determinarán los diferentes parámetros parámetros de soldadura por chisporroteo, estos parámetros dependerán de: -

Las características químicas, eléctricas, mecánicas y metalúrgicas de los materiales.

-

La forma geométrica de la sección a soldar y de su superficie.

Las piezas a unir pueden presentarse bajo la siguiente forma: a) Piezas macizas: redondas, redondas, cuadrados, cuadrados, etc., ejemplos: raíles raíles de ferrocarril, ferrocarril, redondos para para hormigón, hormigón, cables, etc. b) Secciones de paneles paneles delgados: chapas, chapas, flejes planos, piezas piezas plegadas o embutidas, embutidas, tubos, etc. ejemplos: perfiles de carpintería metálica, llantas de ruedas. -CURSO DE FORMACIÓN DE INGENIEROS EUROPEOS/INTERNACIONALES DE SOLDADURA-

Tema 1.11 -69-


Cada uno de estos grupos obedece a reglas bien definidas de soldadura. La regulación de la máquina, a la vista de una aplicación determinada, consiste en introducir en los dispositivos de regulación los valores de los parámetros siguientes: Variables Eléctricas: -

Tensión secundaria aplicada aplicada a la pieza a soldar.

-

Intensidad de corriente secundaria de soldadura.

a) Durante el chisporroteo. b) Durante el recalcado. Variables Geométricas: -

Carrera total de soldadura que comprende:

a) La carrera del chisporroteo. chisporroteo. b) La carrera del recalcado. Variables de tiempo: -

Velocidad y aceleración del chisporroteo (o tiempo de chisporroteo).

-

Velocidad de recalcado.

-

Duración del paso de corriente durante el recalcado.

Variables Mecánicas: -

Esfuerzo de recalcado (o de forja).

-

Esfuerzo de sujeción de las piezas entre mordazas.

5.6 5.6 Tensión Tensión e Intensidad secundaria del chispo rrot eo Se define como I s = Es/Z Z = Impedancia total del circuito secundario del transformador y del circuito secundario exterior en el que se encuentran las piezas a soldar. Es = RT.Is + LT.w.Is + RE.Is + LE.w.Is + (2RM + 2RP) Is + Rc.Is RM = Resistencia de contacto mordaza-pieza. mordaza-pieza. RP = Resistencia óhmica de cada una de las partes de las piezas a soldar atravesadas por la corriente eléctrica. (2RM + 2RP) Is = UMP = caída óhmica de tensión en las piezas a soldar, hasta las caras en chisporroteo. -CURSO DE FORMACIÓN DE INGENIEROS EUROPEOS/INTERNACIONALES DE SOLDADURA-

Tema 1.11 -70-


RT.Is + LT.w.Is = UT = caída de tensión en el transformador. RE.Is + LE.w.Is = UE = caída de tensión en el circuito secundario exterior. exterior. Rc.Is = UEt = Tensión entre las caras en chisporroteo. UEt = Es - UMP - UT - UE En la figura 82 se muestra el diagrama de Kapp del circuito secundario. La potencia de chisporroteo es igual a: PEt = Rc.I2s = U2Et / Rc siendo Rc inversamente proporcional a S Pet = K1.U2Et . S Además, como es es sabido, desde desde el comienzo comienzo al final de la operación de chisporroteo, chisporroteo, debe satisfacerse satisfacerse la igualdad siguiente: K1.U2Et. S≥ K.S.V(T- To) U2Et ≥ K2.V(T - To) Existe, pues, para cada material, una densidad de corriente mínima inferior a la cual el procedimiento es imposible, a esta densidad corresponde corresponde una velocidad mínima de chisporroteo. De una manera general, la intensidad de corriente de chisporroteo dependerá de: -

Las características de los materiales a soldar: resistividad, conductividad térmica, calor específico, etc.

-

La distancia entre mordazas.

-

De la sección a soldar.

-

De la forma de las piezas, dado que influye en la velocidad de enfriamiento. enfriamiento.

-

De la velocidad de chisporroteo, que tiene una relación directa con las características térmicas del material a soldar (para el aluminio, la velocidad de chisporroteo debe ser muy elevada).

Las tensiones secundarias normalmente utilizadas oscilan entre 2 y 15 voltios. Las densidades de corriente secundaria de chisporroteo normalmente normalmente utilizadas son las siguientes. Acero suave :5 a 10 A/mm2 Aleaciones de Aluminio: 15 a 39 A/mm2


Tema 1.11 -71-


DIAGRAMA DE KAPP DEL CIRCUITO SECUNDARIO FIGURA 82

5.7 Intensidad. Tiempo de Soldadura En la figura 83 se muestra la variación de “I” con respecto a “t”, de la cual deducimos, que, el tiempo de chisporroteo es de algunos segundos, mientras que el de recalcado es de un período, y de forma general la intensidad media es del orden de 0.2 a 0.3 de la intensidad máxima. Para el cálculo de las secciones de los cables y de la potencia de convección, se tendrá en cuenta una intensidad igual al 0.5 de la intensidad máxima de forjado.

OSCILOGRAMA DE LA CORRIENTE DE UNA MÁQUINA DE SOLDAR A TOPE POR CHISPORROTEO FIGURA 83


Tema 1.11 -72-


5.8 Intensidad de corriente en el recalcado Durante la forja la resistencia de contacto de las caras en chisporroteo se anula, por ello la impedancia del circuito secundario disminuye enormemente y la Is aumenta automáticamente, alcanzando valores de 3 a 5 veces la intensidad de corriente media de chisporroteo, según sean las características de transformación y de los materiales a soldar. Las densidades de corriente de recalcado usadas con más frecuencia son: Aceros: 18 - 30 A/mm2 Aleaciones de Al: 130 a 300 A/mm2

5.9 5.9 Recorri Recorri dos de soldadura Carrera total de soldadura se soldadura se define como: la longitud total del material perdido (quemado o recalcado), por las piezas unidas en el transcurso de la operación completa de soldadura a tope, y este, es igual a la carrera de chisporroteo más la de recalcado (Figura 84).

Carreras de soldadura. Distancia final e inicial entre mordazas. A: Separación inicial entre las mordazas mordazas de sujeción. sujeción. B: Separación entre mordazas al fin del chisporroteo. C: Separación final entre mordazas de sujeción. A – C: Carrera total de soldadura. soldadura. A − B A – B: Carrera de de chisporroteo chisporroteo para las dos dos piezas (o sea para cada una de las piezas a soldar). 2 B – C: Carrera de recalcado para los dos piezas (o sea

B − C para cada una de las piezas a soldar). 2

FIGURA 84


Tema 1.11 -73-


Carrera de chisporroteo: es la longitud de material perdida durante la operación de chisporroteo (Figura 85).

CALIDAD DE LA SOLDADURA EN FUNCIÓN DE LA CARRERA DE CHISPORROTEO . CHAPA DE ALEACIÓN DE ALUMINIO AG -3, ESPESOR 2 MM

CARGA DE ROTURA DE UNA PROBETA SOLDADA A TOPE POR CHISPORROTEO , EN FUNCIÓN DE LA CARRERA DE RECALCADO .

PLETINAS DE ALUMINIO ALEADO AG 3, ESPESOR 3 MM FIGURA 85


Tema 1.11 -74-


Carrera de recalcado : es la longitud de material perdida durante la forja, por ambas piezas. Los valores que se deben atribuir a las causas de chisporroteo se han determinado para algunos materiales de forma experimental, como es el ejemplo mostrado en la figura 86.

INFLUENCIA DE LA CARRERA DE RECALCADO SOBRE LA CALIDAD DE UNA SOLDADURA A TOPE POR CHISPORROTEO .

PLETINAS DE

ALUMINIO AL EADO AG 3. ESPESOR 3 MM FIGURA 86

5.10 Valores de carrera de chisporroteo ACEROS. -

Secciones macizas: 0.5 a 0.6 diámetro de pieza.

-

Secciones paneles delgadas: delgadas: 3.5 a 5 veces el espesor.

ALEACIONES DE ALUMINIO. ALUMINIO. -

Secciones paredes delgadas: delgadas: 7 a 11 veces el espesor.

La carrera de recalcado o forja debe ser la suficiente para que se produzca la expulsión de óxidos y metal fundido y sobrecalentado, con el objeto de que se produzca una soldadura limpia. En la figura 85 se observa la influencia de la carrera de recalcado sobre la carga de rotura de una aleación de aluminio.

5.11 5.11 Valor Valores es de carr era de recalcado ACEROS. -

Secciones macizas: 0.15 a 0.25 el diámetro.

-

Secciones paredes delgadas: delgadas: 0.8 a 1.5 veces el espesor.


Tema 1.11 -75-


ACEROS ESPECIALES ESPECIALES O REFRACTARIOS. REFRACTARIOS. -

Secciones paredes delgadas: delgadas: 1 a 2 veces el espesor.

ALEACIONES DE ALUMINIO. ALUMINIO. -

Secciones paredes delgadas: ver figura 87

CARRERAS DE RECALCADO A ADMITIR, EN FUNCIÓN DEL ESPESOR, PARA SECCIONES DE PAREDES DELGADAS EN ALEACIONES DE ALUMINIO FIGURA 87

5.12 5.12 Carrera Carrera to tal de soldadur so ldadur a Los gráficos de las figuras 88 y 89 muestran la carrera total para aceros y aleaciones de Al.

CARRERA TOTAL DE SOLDADURA EN FUNCIÓN DEL ESPESOR A SOLDAR . SECCIONES MACIZAS DE ACERO DULCE FIGURA 88


Tema 1.11 -76-


ALEACIONES DE AL UMINIO CARRERA TOTAL DE SOLDADURA EN FUNCIÓN DEL ESPESOR DE LAS PIEZAS A SOLDAR . ACERO DULCE FIGURA 89

5.13 Separación inicial y final entre mordazas Definimos la “separación inicial” entre mordazas, como: la distancia entre las caras interiores de las mordazas de sujeción al comienzo de la operación de chisporrote chisporroteo, o, y es la suma de: C ch + CR + Dfm. Cch = Carrera de chisporroteo. chisporroteo. CR = Carrera de recalcado. Dfm = Distancia final de mordazas. Separación final entre mordazas: es la distancia entre las caras interiores de las mordazas al final de la operación total de soldadura (cuando las piezas aún se encuentran bajo presión). Los valores recomendados de este parámetro son: ACEROS. - Secciones macizas Separación final = 1 a 1,2 veces D - Secciones paredes delgadas Separación final = 3 a 6 veces el espesor ALEACIONES DE ALUMINIO. ALUMINIO. - Secciones paredes delgadas Separación final = 0.5 a 1 veces el espesor.


Tema 1.11 -77-


5.14 5.14 Tiempo Tiempo y v elocidad de chis porro teo Tiempo de chisporroteo: es el tiempo que transcurre durante la fase de chisporroteo. Velocidad de chisporroteo: es la velocidad de la mesa móvil durante dicha fase mm de material que se quema por segundo. El tiempo de chisporroteo depende de: -

Las características del material a soldar (conductividad térmica).

-

Sección y/o el espesor del material a soldar.

-

La carrera de chisporroteo elegida.

-

La tensión secundaria y de la potencia disponibles.

Es evidente que cuanto mayor sea la conductividad térmica del material menor debe debe ser el tiempo de esta fase. Desde el comienzo al final del chisporroteo debe cumplirse la siguiente igualdad: igualdad: U2Et K2.v.(T - To) En las figuras 90 y 91 se muestran valores medios de tiempo de chisporroteo en función del diámetro o del espesor para acero y aleaciones de aluminio.


Tema 1.11 -78-


TIEMPO DE CHISPORROTEO, EN SEGUNDOS, EN FUNCIÓN DEL DIÁMETRO DE REDONDOS DE ACERO DULCE, O DE LOS EQUIVALENTES EN CASO DE SECCIONES MACIZAS DE OTRAS FORMAS

TIEMPO DE CHISPORROTEO, EN SEGUNDOS, EN FUNCIÓN DEL ESPESOR DE LAS PIEZAS A SOLDAR . ACERO DULCE FIGURA 90


Tema 1.11 -79-


TIEMPO DE CHISPORROTEO, EN SEGUNDOS, EN FUNCIÓN DEL ESPESOR DE LAS PIEZAS A SOLDAR . ALEACIONES DE AL UMINIO FIGURA 91

5.15 Velocidad y tiempo de recalcado -

Velocidad de recalcado en mm/s es la velocidad de desplazamiento de la mesa móvil durante la fase de recalcado o forja de las extremidades de las piezas.

-

El tiempo de recalcado, es el que invierte la mesa móvil en efectuar la carrera de recalcado o forja de las superficies, llevadas a la temperatura de soldadura.

La velocidad de recalcado es importante, dado que interviene directamente en la calidad de soldadura. En realidad la carrera de recalcado se divide en dos fases sucesivas: -

Fase inicial: que tiene lugar sobre el metal fundido y muy plástico con resistencia mecánica baja (velocidad de acoplamiento elevada).

-

Fase final: tiene lugar sobre el material a menor temperatura, por lo que hay que ejercer mayor esfuerzo de forja y una velocidad más lenta.

Las velocidades de recalcado deberán ser tanto más elevadas cuanto mayores sean: -

Conductividad térmica de material.

-

La tendencia a la formación de óxidos.

-

Escasez de penetración del calor.


Tema 1.11 -80-


5.16 Tiempo de paso de corriente durante la fase de recalcado Es el tiempo que transcurre entre el fin del chisporroteo (comienzo del recalcado), y el corte de la corriente de soldadura durante la carrera de recalcado. Esta variable puede expresarse en períodos o en tiempo de corto circuito, o también en % de carrera de recalcado. El prolongar el tiempo de paso de corriente, tiene por objeto: -

Evitar la oxidación y el enfriamiento del material.

-

Impedir un enfriamiento demasiado rápido en la zona de soldadura.

5.17 5.17 Esfuerzo de Recalcado Es el esfuerzo ejercido por la mesa móvil, sobre s obre las superficies a soldar durante el forjado o recalcado. El 2 esfuerzo en kg/mm dependerá de las características mecánicas del material en caliente y en frío y de la longitud de la zona afectada. El esfuerzo de recalcado máximo determina de forma general, las características mecánicas de la soldadura. En la figura 92 se muestran las σ en función de la presión de forja en aleaciones de aluminio, y el efecto de la presión sobre la superficie soldada.


Tema 1.11 -81-


CARGAS DE ROTURA EN FUNCIÓN DE LA PRESIÓN ESPECÍFICA DE FORJA EN EL CASO DE SOLDADURA A TOPE , POR CHISPORROTEO, DE PLACAS EN ALEACIÓN DE ALUMINIO ; ESPESOR 3 MM. AG3

INFLUENCIA DE LA PRESIÓN ESPECÍFICA DE FORJA O RECALCADO EN LA CALIDAD DE UNA SOLDADURA A TOPE POR CHISPORROTEO EN PLACAS DE ALEACIÓN DE ALUMINIO AG 3; ESPESOR 3 MM FIGURA 92

Los valores óptimos para ciertas aleaciones son: Acero Ac eross s uaves uav es y semid sem idur uros os.. -

Secciones macizas = 3 a 7 kg/mm2

-

Secciones paredes delgadas delgadas = 5 a 9 kg/mm 2


Tema 1.11 -82-


Acero Ac eross Inox In oxid idabl ables. es. 14 a 20 kg/mm2 Acero Ac eross de d e alta alt a resis res isten tenci cia. a. 16 a 30 kg/mm2 Aleaciones de aluminio. 16 kg/mm2, hasta 30 kg/mm2 para aleaciones especiales.

6. SOLDADURA FUERTE POR RESISTENCIA 6.1 Definición La soldadura fuerte por resistencia es un proceso de unión de metales y aleaciones, en el cual se interpone un material de aporte (intermediario), que presenta un punto de fusión menor que los metales base. El efecto Joule, provoca la fusión de este intermediario, generando un fundido que por atracción capilar penetra, reacciona o no con los materiales a unir, y genera una unión continua y estanca. Este proceso de unión se diferencia de los anteriores en los siguientes aspectos: a) En el proceso de soldadura fuerte, fuerte, los materiales materiales a unir (caras) no alcanzan la temperatura temperatura de fusión, como es el caso de la soldadura por resistencia. b) En los procesos de soldadura por por resistencia, no es necesario necesario aportar aportar otros materiales materiales para obtener obtener la unión, en este si.

6.2 6.2 Principio Según sea la naturaleza y la forma de las piezas a unir, se utilizarán dos métodos de calentamiento: el indirecto y el directo. El procedimiento de calentamiento indirecto se muestra en la figura 93. Las piezas a unir son introducidas entre dos electrodos especiales de elevada resistencia óhmica. Los electrodos, piezas a soldar y material de aportación, forman el circuito de calentamiento. Para una elevada intensidad, los calentadores o electrodos se ponen incandescentes, y calientan al conjunto por conducción. En este proceso la energía desarrollada durante el paso de la corriente por las piezas a soldar es muy pequeña en relación con la que se desarrolla en los electrodos. Siendo este proceso de caldeo indirecto el más utilizado en la industria. El método de calentamiento directo, aprovecha la resistencia eléctrica de las piezas que van a ser soldadas. En este caso los electrodos o mordazas de amarre utilizadas son de material muy conductor (cobre y aleaciones). En la figura 94 se muestra un esquema de una máquina de soldadura fuerte por caldeo directo.


Tema 1.11 -83-


Los parámetros que hay que tener en cuenta en este tipo de soldadura son: -

Intensidad de corriente eléctrica.

-

Tiempo de calentamiento y presión.

En definitiva se trata de los mismos parámetros que los utilizados en la soldadura por puntos. Los aparatos de soldadura fuerte por resistencia, son aparentemente los mismos que los utilizados en la soldadura por puntos, fijos y móviles, existiendo un acondicionamiento de los circuitos a las nuevas condiciones.

Esquema fundamental de un equipo de soldeo fuerte por resistencia. Partes a unir introducidas entre dos electrodos puestos a alta temperatura. temperatura. A. Transformador Transformador de brasaje brasaje B. Circuito secundario secundario por el que circula circula la corriente corriente de calentamiento. calentamiento. C. Porta-electrodo Porta-electrodo superior D. Electrodo superior superior de material resistente resistente puesto en incandescencia incandescencia durante el paso de la corriente corriente secundaria E. Piezas a soldar F. Aportación interpuesta entre las superficies superficies a unir G. Electrodo inferior H. Porta-electrodo Porta-electrodo inferior FIGURA 93


Tema 1.11 -84-


Esquema fundamental fundamental de una máquina de soldeo fuerte por resistencia, por calentamiento directo. A. Transformador Transformador B. Circuito secundario secundario por el que que circula una corriente corriente eléctrica elevada, destinada destinada a llevar la pieza (D) a la temperatura de soldeo. C. F. Mordazas de amarre amarre que aseguran aseguran la unión eléctrica entre el circuito secundario secundario y la pieza (D). Son de cobre ordinario. D. Pieza sobre la que debe soldarse la plaqueta E. FIGURA 94

6.3 Aparatos de Soldadura Fuerte Las máquinas utilizadas son, según el tamaño de las piezas a unir y las condiciones de trabajo, de dos tipos: a) Máquinas fijas. b) Máquinas móviles (Figura 95). Estos equipos comprenden los siguientes elementos: -

Transformador de potencia.

-

Conductores de unión.

-

Dispositivo mecánico de aplicación de presión a los electrodos.

-

Aparallaje eléctrico eléctrico destinado a establecer establecer y cortar la alimentación del primario primario y controlar así el paso de la corriente eléctrica de calentamiento.

-

Conmutador Conmutador de potencia, que permite regular la intensidad de la corriente eléctrica de calentamiento. calentamiento.


Tema 1.11 -85-


Esquema fundamental de un equipo móvil de brasaje. A. Carro móvil B. Transformador de brasaje C. Cables secundarios secundarios de conexión del del transformador transformador a la pinza D. Pinza de brasaje E. Electrodos calentadores, calentadores, de carbón F. Pedal de mando FIGURA 95

La potencia eléctrica de estas máquinas, generalmente es más pequeña que las utilizadas en soldadura por resistencia y dependen de: -

La superficie de soldadura fuerte.

-

El tipo de electrodo portador de calor empleado.

-

De la conductividad térmica de las piezas a unir, de su masa y de la masa disipadora del calor generado en las zonas próximas que van a ser soldadas.

6.4 Electrodos Para el caso general de la soldadura fuerte, donde el calentamiento de las piezas y la fusión de las aleaciones de aportación se obtienen por medio de electrodos incandescentes, estos últimos deben ser construidos con materiales de elevada conductividad eléctrica y que mantengan sus características mecánicas a elevada temperatura. Entre los materiales más utilizados se encuentran: Carbono duro. Konite. Molibdeno. Cobre y sus aleaciones. -


Tema 1.11 -86-


6.5 Técnica de la sold adura fuert e Según sea la forma del calentamiento de las piezas, se deben tener en cuenta unas reglas generales y ciertas precauciones, que permitan garantizar la calidad de la unión. Entre estas reglas y precauciones se encuentran: -

Limpieza de las superficies a unir.

-

Selección del material de aportación.

-

Flujo del aporte.

-

Condiciones de calentamiento. calentamiento.

-

Concepto de las uniones.

-

Separación inicial entre las piezas a unir.

6.6 6.6 Posibilidades y ventajas de la soldadura fu erte por resis tencia Bien es sabido que todos los problemas de la soldadura fuerte, no pueden ser solucionados mediante el calentamiento por resistencia. En general las piezas de cobre en forma de llantas, flejes, cables, hilos, tubos, etc., se prestan muy bien a este procedimiento, pero debido a la misma conductividad eléctrica del cobre y sus aleaciones, deberá ser utilizado el proceso de calentamiento indirecto. En la figura 96, se muestran algunos ejemplos de uniones clásicas. Para el resto de los materiales, y sobre todo algunos en los que se produce una oxidación, es necesario, utilizar flujos decapantes durante la soldadura, aunque existen algunas complicaciones durante su utilización. Cuando la concepción de la pieza y el material a unir, permitan la utilización del calentamiento indirecto, será utilizado ya que origina ventajas considerables como: -

Posibilidad de concentrar el calor.

-

Gran capacidad de producción.

-

El operario no necesita ser un experto.

-

Bajo consumo eléctrico.

-

Facilidad de actuar en lugares poco accesibles de piezas voluminosas.


Tema 1.11 -87-


ALGUNOS TIPOS DE UNIONES CLÁ SICAS POR SOLDEO FUERTE DE PLACAS , FLEJES, ETC., DE COBRE FIGURA 96


Tema 1.11 -88-


Algunas de las aplicaciones típicas de esta técnica de soldadura fuerte por resistencia pueden ser observadas en la figura 97 y, como muy bien se puede comprobar, son aplicaciones dentro de la industria de la construcción de bobinas y transformadores, transformadores, así como en la unión de pletinas en alternadores. alternadores.

Principio de conexión de las extremidades de las espiras de las bobinas estatóricas. A. Bridas de pletina pletina de cobre B. Extremidades de las espiras

PRNCIPIO DE LA UNIÓN DE SOLDEO FUERTE DE

8 PLETINAS DE COBRE DE 8 X 3, MEDIANTE PINZA EQUIPADA CON ELECTRODOS DE CARBÓN FIGURA 97


Tema 1.11 -89-


7. EQUIPOS DE SOLDADURA POR RESISTENCIA Introducción La selección de los equipos de soldadura por resistencia viene determinada principalmente por varios factores como son: los materiales a soldar, los tipos de unión (diseño de la fuente, la calidad y el ritmo de producción, a parte de las condiciones económicas pertinentes). Las máquinas de soldadura por resistencia estándar están definidas en el boletín nº 16 de la R.W.M.A. Estas máquinas son capaces de soldar una amplia gama de materiales y tamaños de los componentes. Las máquinas de soldadura más complejas en su diseño deben ser fabricadas teniendo en cuenta los aspectos económicos y de producción que requiera el usuario. Una máquina de soldadura por resistencia consta principalmente de tres elementos: a) Un circuito eléctrico que consiste consiste en un transformador transformador de soldadura, soldadura, y un circuito secundario secundario que incluye los electrodos que permiten la conducción de la corriente eléctrica. b) Un sistema mecánico mecánico que permita, permita, bien a través de de un sistema hidráulico hidráulico o neumático, neumático, ejercer ejercer sobre los materiales a soldar, la presión necesaria para favorecer la unión. c) Un sistema de control control que permita regular regular el tiempo tiempo de paso de la corriente corriente eléctrica, la secuencia secuencia de tiempos, y la magnitud de la corriente eléctrica aplicada. Las máquinas de soldadura por resistencia se clasifican de acuerdo con su aplicación eléctrica en dos grupos básicos: de energía directa, o de energía almacenada. En ambos casos las máquinas más comunes, son las de energía directa monofásica, dado su bajo coste, fácil mantenimiento y elevadas prestaciones, pero en comparación con las trifásicas, el requerimiento eléctrico es mayor (relación 5/1), dado que los kVA. demandados son mayores y por tanto se requieren fuentes de alimentación de mayor capacidad. Las máquinas de energía almacenada, necesitan de condensadores electrostáticos, lo que produce una menor demanda de energía, dado que el tiempo de soldadura es menor que el tiempo de almacenaje de energía.

7.1 7.1 La máquina de sold adura por resistencia A continuación vamos a describir cada uno de los tres principales elementos que constituyen una máquina de soldadura vistos en la introducción del capítulo. 7.1.1 7.1.1 El El tr ansfor mador

Un transformador de corriente eléctrica, consta principalmente de un núcleo metálico (hierro) y de un sistema de espiras bobinadas en él. En un transformador monofásico definiremos el circuito primario (nº de espiras por las cuales entra la corriente eléctrica) y un circuito secundario (nº menor de espiras que en el 1º, por donde sale la corriente eléctrica). (Figura 98) El fundamento físico es muy sencillo y consistirá en un doble efecto: 1º) Generación de un campo magnético por el primario. 2º) Generación de una f.e.m. inducida en el secundario.


Tema 1.11 -90-


1. Si tenemos un núcleo de de longitud “L” y sección “S”, por el cual cual pasa una corriente corriente eléctrica de intensidad “I” a través de una bobina de “N” espiras, la intensidad del campo magnético generado viene dado por: H = 1.25 N.I/L La inducción magnética será: B = µ. H = 1.25 N.I. µ/L magnética. µ = susceptibilidad magnética. y el flujo de inducción será pues:

φ = B.S = 1.25 N.I.S. µ/L Luego en el primario tendremos:

φ1 = B1.S y en el secundario: secundario:

φ2= B2.S Por lo tanto la f.e.m. inducida en el secundario, vendrá dado por la ley de Faraday: E = (φ2 - φ1) / 108.t (voltios) para la primera espira. Como el secundario está constituido por N2 espiras: E = (f 2 - f1). N2/108t por lo que I = E/R; siendo “R” la resistencia del circuito. La relación de transformación de un transformador que tiene “N P” espiras en el primario y “N s” en el secundario, será: Np.Np = Is.Ns : Is.Us = Ip.Up : Up.Ns = Us.Np Si en el secundario tuviéramos una sola espira I s = Ip.Np (en cortocircuito impedancia impedancia mínima). La corriente primaria máxima I pmax que puede absorber el transformador en cortocircuito (mínima impedancia), vendrá dada por: V/m = Imax.Z Imax = (V/m)/Z como V/m cte. I es máxima en cortocircuito (soldadura) m = Up/Us = Np/Ns -CURSO DE FORMACIÓN DE INGENIEROS EUROPEOS/INTERNACIONALES DE SOLDADURA-

Tema 1.11 -91-


Si en una máquina de soldadura por resistencia, quisiéramos variar esta intensidad máxima, necesariamente, tendríamos que variar el nº de espiras en el primario, lo cual provocaría una disminución en el factor “m” y por lo tanto para impedancia mínima (corto circuito) I max decrecería. La selección de la intensidad puede realizarse mediante: pletinas, platos conmutables, y selectores rotativos. Una vez que hemos visto de forma sucinta el transformador de una máquina de S.R., vamos a definir cuales son las características eléctricas de la misma. -

Tensión de alimentación (C.A.50 Hz).

-

Corriente primaria máxima o corriente en cortocircuito.

-

Factor de marcha (F.M) o factor de utilización.

-

Potencia aparente máxima.

-

Potencia aparente al F.M. (50%).

-

Potencia aparente al F.M. (x %).

Podemos definir el factor de marcha. Se conoce como factor de marcha (F.M.), a la relación que existe entre el tiempo de trabajo en carga y la duración total del ciclo, expresado en % Luego F.M. = (t/T). 100 (%) Si representamos este término en términos de los ciclos de trabajo: Podemos definirlo como el tiempo que actúa el transformador para producir energía durante un minuto. % ciclos de trabajo = [t soldadura (ciclos Hz (60)) x nº soldaduras/min] 36 Por ejemplo, si una máquina de S.R. produjera 36 soldaduras por minuto, con un tiempo de soldadura de 12 ciclos (60 Hz), los ciclos de operación o trabajo, serían del 12%. Una máquina de soldadura por resistencia viene definida por: KVAi = 7.07 K VAr /(D.C)1/2 KVAi = máxima potencia (entrada). KVAr = potencia estándar de 50% de sus D.C. D.C. = ciclos de trabajo (%). Por ejemplo, un transformador que tenga un K VAi de 100 K VA puede operar a 141 K Va si los ciclos de operación (Trabajo) son el 25%, sin que el transformador sufra sobrecalentamientos. Potencia aparente máxima.


Tema 1.11 -92-


Es la potencia de la máquina de S.R. y viene definida por: Pmax = U.Ipmax Si el factor de marcha (F.M.) fuera del 50%, la potencia aparente al F.M. (50%) nos sirve para comprobar las distintas máquinas, y vienen definida como: La potencia absorbida por el transformador transformador alimentado en su posición nominal, con una regulación del F.M. del 50%, sin que la máquina sobrepase los calentamientos permitidos por las normas, y para los materiales eléctricos con los cuales está constituido. Si el factor de marcha fuera del x %, el F.M. definía a la potencia aparente aparente según: P x % = P 100% ⋅ (100 x )


Tema 1.11 -93-


Representación esquemática de una máquina fija de soldar por puntos: 1. Dispositivo para dar presión presión a los electrodos 10. Conmutador de regulación de potencia; (cilindro neumático, por ejemplo); 11. Alimentación de aire comprimido; comprimido; 2. Brazo superior; 12. Placa de bornes de conexión eléctrica; eléctrica; 3. Armazón; 13. Aparellaje eléctrico eléctrico y armario electrónico; 4. Transformador de soldadura; 14. Soportes de porta-electrodos; porta-electrodos; 5. Pedal de mando; 15. Porta-electrodos; Porta-electrodos; 6. Brazo inferior conductor; 16. Electrodos; 7. Soporte de fijación del brazo inferior; 17. Conductor superior superior flexible; 8. Secundario del transformador; transformad or; 18. Conductor superior superior rígido. 9. Primario del transformador; transformador;

Bobina primaria

Espira secundaria FIGURA 98


Tema 1.11 -94-


Transformador con su dispositivo de regulación de potencia

Gráfico de las variaciones de la corriente secundaria en función de la separación entre conductores superior e inferior del circuito secundario exterior

Gráfico de las variaciones de la intensidad de corriente secundaria en función de las masas magnéticas introducidas entre los conductores superior e inferior del circuito secundario exterior

FIGURA 99

7.1.2 7.1.2 La presión de so ldadura

Las máquinas de S.R. constan de un sistema mecánico que permite aplicar la presión adecuada a los electrodos y estos al material a soldar. Estas máquinas se clasifican de acuerdo con el método de soldadura


Tema 1.11 -95-


y el sistema de aplicación de la fuerza que puede ser de dos tipos: por aire (neumática); o hidráulica. En las unidades pequeñas, la presión puede ser ejercida de forma manual. Los dispositivos que permiten el descenso del portaelectrodo y la aplicación de presión, pueden ser: -

Accionamiento manual (a mano o pie). pie).

-

Accionamiento neumático.

-

Accionamiento hidráulico.

-

Accionamiento por leva (grupo (grupo motor reductor). reductor).

- ACCIONAMIENTO MANUAL

Se utiliza tanto en máquinas portátiles como fijas. La fuerza es ejercida con la mano o el pie. El esfuerzo se transmite a los electrodos de soldadura, soldadura, pero multiplicado por el brazo correspondiente. correspondiente. Fm.L1 = Fe.L2 En la figura 100 se muestra una máquina fija accionada a pedal, en donde se muestran todos sus accesorios.

Máquina de soldar fija, de mando por pedal.

1. 2. 3. 4. 5.

Electrodo superior Electrodo inferior Porta-electrodo Brazo superior Balancín

6. 7. 8. 9.

Pedal Resorte de recuperación recuperación Barra. Regulación de la presión. 10. Resorte de la presión. presión.

FIGURA 100

- ACCIONAMIENTO NEUMÁTICO

Un sistema de aplicación de presión por accionamiento neumático, queda recogido en la figura 101. Principalmente el órgano motor es el cilindro con pistón alimentado por aire comprimido, por lo general, el eje del pistón va fijado directamente al portaelectrodos. En este tipo de sistemas pueden utilizarse cilindros de doble o simple efecto. Este tipo de sistema de la accionamiento es utilizado muy a menudo, sobre todo en máquinas fijas, dada su multiplicidad y bajo coste, fácil mantenimiento mantenimiento y flexibilidad.


Tema 1.11 -96-


En la figura 102, se muestra un dispositivo neumático para ciclo de presión variable. Como se puede comprobar existen dos secciones de pistón “S 1” y “S2”, y dos electroválvulas regulan la entrada del aire comprimido. El ciclo de soldadura se esquematiza en la figura 103.

1. 2. 3. 4. 5.

Principio de la alimentación neumática. neumática. Llegada del aire comprimido. 6. Electroválvula de cuatro vías. Filtro. 7. Cilindro neumático. Manorreductor. 8. Pistón. Manómetro. 9. Soporte de porta-electrodo. porta-elect rodo. Lubricador. 10. Porta-electrodo Porta-electrodo con su electrodo. FIGURA 101

DISPOSITIVO NEUMÁTICO PARA CICLO A PRESIÓN VARIABLE FIGURA 102


Tema 1.11 -97-


CICLO DE SOLDADURA CON VARIACIÓN DE PRESIÓN

1. ESFUERZO EN LOS ELECTRODOS

2. INTENSIDAD DE LA CORRIENTE DE SOLDADURA FIGURA 103

- ACCIONAMIENTO HIDRAULICO

Si las dimensiones de los cilindros de presión han de ser reducidos, por ejemplo en el caso de soldaduras por puntos múltiples, o cuando su peso ha de ser lo menor posible, la presión se ejerce a través de un fluido a elevada presión (aceite, agua). Como ejemplo podemos calcular las dimensiones de los cilindros para mando neumático e hidráulico. Supongamos que el esfuerzo de los electrodos ha de ser de 500 kg, y se utilizan aire a presión 5 kg/cm 2 y aceite a presión de 100 kg/cm 2 tendremos pues: Aire: 500/5 = 100 100 cm2 Aceite: 500/100 = 5 cm2 Con el fin de elevar la presión se utilizan supresores (neumo-hidráulicos o bien bombas hidráulicas). Supresores: Son dispositivos que transformaran la baja presión neumática en elevada presión hidráulica. En la figura 104 se muestra un esquema de un supresor.


Tema 1.11 -98-


Corte de un surpresor (elevador de presión). 1. Pistón. 4. Pistón de alta presión 2. Cilindro de baja (aceite). presión. 5. Cuba de reserva de 3. Resorte de aceite. recuperación del 6. Llegada del aceite al pistón. cilindro 7. Cilindro

FIGURA 104

El aire entra con una presión P a en el pistón S a, y el aceite ejerce una presión P h a través del pistón de sección Sh. La presión hidráulica de salida (hidráulica), es igual a la presión de aire multiplicada por la relación de secciones. Ph = Pa (Sa/Sh) (Ley de Pascal) En este sistema se pueden obtener presiones presiones hidráulicas de 5 a 20 veces la presión neumática. - BOMBAS HIDRAULICAS

Las bombas volumétricas, mandadas por un motor eléctrico que suministran aceite a presión a cilindros o gatos hidráulicos. Las presiones de funcionamiento pueden variar entre 10 y 200 kg/cm 2. - ACCIONAMIENTO MECANICO (LEVA)

En la figura 105; se muestra un sistema de accionamiento mecánico por leva. No es un sistema muy utilizado, aunque en máquinas de cadencia rápida si.


Tema 1.11 -99-


CABEZAL DE MÁQUINA DE SOLDAR , DE MANDO MECÁNICO POR LEVA FIGURA 105

7.1.3 7.1.3 El El si stema de cont rol

La máquina de soldadura debe disponer de un sistema de control electrónico, que permita gobernar con gran precisión todos los parámetros del ciclo de soldadura durante el mismo, pero debemos tener en cuenta que ésta, puede repetirse cientos de veces al día, dado el gran ritmo de producción de estas máquinas. En general el sistema electrónico tiene dos funciones fundamentales: a) interruptor de la corriente eléctrica; b) control de las diferentes fases del ciclo de soldadura, en general, del tiempo y magnitud de la corriente eléctrica en particular. Aunque las máquinas modernas de soldadura disponen de dispositivos más complejos, nos centraremos en este último aspecto estudiando los dos tipos de contactores básicos. - CONTADORES DE TIEMPO

Existen varios sistemas para el control de los diferentes tiempos de actuación del circuito eléctrico o de presión normalmente normalmente se utilizan de dos tipos: a) contadores de tiempo R.C.; b) contadores de tiempo digital. Pueden existir otros contadores de tipo neumático o motorizado, pero estos solo se aplican en aquellos sistemas de máquinas de S.R. que nos son críticos. - CONTACTOR ELECTROMAGNÉTICO

Un contactor se utiliza para abrir o cerrar el paso de la corriente eléctrica en el primario, estos pueden ser de dos tipos: Magnéticos o de flujo iónico; los primeros se utilizan en máquinas de baja energía, y en donde el control del tiempo no es crítico (máquinas de tipo manual). El contactor electromagnético, debe realizar un corte rápido de la corriente eléctrica, y debe funcionar con cadencias de hasta 60 maniobras por minuto, este equipo se esquematiza en la figura 106.


Tema 1.11 -100-


Si tenemos un circuito del tipo R-L semejante al de la máquina de soldadura (Figura 107). Si el ángulo de desfasaje de la tensión sinusoidal con relación a la corriente, podemos podemos escribir: e = es = Ri

(1)

sustituyendo en (1) e = Em.sen(wt + Τo) es = - L·(di/dt) obtenemos: L·(di/dt) + Ri = Em.sen(wt + Τo)

(2)

resolviendo esta ecuación diferencial tenemos: i = A.sen(wt + Τo + Τ) + BΕat

(3)

para i = 0 y t = 0 tenemos el valor de la constante. i = Em.sen(wt + Τo+ Τ)/Z - Em.sen (Τo + Τ)Ε-t/Z Z =

(4)

(R 2 + L2w 2 )

e = L/R según la figura 107; y considerando que se cuenta el tiempo cuando pasamos por el punto 0, la intensidad será: i = Em.sen(wt + Τ)/Z - Em.senΤΕ-t/Z

(5)

pueden suceder 3 casos:

φ > T φ = T φ < T situaciones representadas representadas en la figura. De acuerdo con esto, el contactor actuará o no, de acuerdo con el desfasaje que se produzca entre la corriente primaria y la secundaria, abriendo y cerrando el circuito y permitiendo o no el paso de la corriente eléctrica.


Tema 1.11 -101-


FIGURA 106

FIGURA 107

- CONTACTOR IONICO

Este sistema, está constituido por dos tubos ignitrones (Figura 108), conectados en paralelo inverso (Figura 109), monofásico y figura 110 trifásica.

FIGURA 108


Tema 1.11 -102-


FIGURA 109

FIGURA 110

FIGURA 111


Tema 1.11 -103-


El ignitrón (Figura 11), es un rectificador de vapor de mercurio de un sólo ánodo, constituido por un doble tubo metálico refrigerado por agua. El encendido se produce cuando una corriente recorre un electrodo especial, que está sumergido permanentemente en mercurio, este electrodo al conducir los electrones provoca la ionización del vapor de mercurio. Antes de 10 -4 segundos después del paso de la corriente por el electrodo del ignitor o cebador y siempre que exista una tensión (+) en el ánodo y (-) en el cátodo, la corriente se establecerá en el tubo. Una vez cebado el tubo ignitrón permanece conductor hasta el final de la alternancia en curso, y asegura un corte de paso de la corriente en el momento que la sinusoide pasa por 0. El tubo ignitrón es solo conductor en un sentido, teniendo una caída interna de tensión de 15 v (aproximadamente), siendo independiente del valor de la intensidad de corriente que lo atraviesa. Siendo esta intensidad de alguna manera definida por el tiempo de duración del paso de corriente.

8. CÁLCULO CÁL CULO DE LOS CIRCUITOS DE SOLDADURA SOLDADURA 8.1 8.1 Criterios para la determinación de las características eléctricas. Como hemos podido comprobar en los anteriores capítulos el resultado de la operación de soldadura por resistencia depende de los parámetros siguientes: -

Intensidad de la corriente “I 2”.

-

Resistencia eléctrica de los cuerpos soldados “R s”.

-

Tiempo de paso de la corriente eléctrica.

De la combinación de estos parámetros y aplicando la ley de Joule, se obtiene la cantidad de calor aportado al sistema (soldadura) según:

∫

Q n = K

t o R s

⋅ I 2 2 ⋅ dt

Por otra parte, y para un problema de soldadura determinado existe una intensidad de corriente óptima, que se corresponde con las condiciones más favorables de la operación. El cálculo de los circuitos eléctricos permite verificar la posibilidad de llegar a esta intensidad o eventualmente eventualmente fijar las características del transformador transformador que debe emplearse en la máquina de soldadura. soldadura. Con este apartado del programa, se pretende un fin esencialmente práctico a partir de fórmulas matemáticas sencillas, sin adentrarnos en los detalles técnicos, salvo en los casos que sea necesario.

8.2 8.2 Circuito eléctric eléctric o de una máquina En la figura 112, se muestra el circuito eléctrico de una máquina monofásica de soldar por puntos, en otras máquinas de soldar, este circuito se presenta bajo distinta forma, pero los elementos son los mismos, siendo estos:


Tema 1.11 -104-


A) Circuito secundario secundario exterior: exterior: 1) Conductores rígidos y flexibles. 2) Electrodos. 3) Piezas a soldar. B) Transformador: 1) Primario. 2) Secundario.


Tema 1.11 -105-


Esquema del circuito eléctrico de una máquina de soldar 1. Piezas soldadas; 4. Transformador; 2. Piezas conductoras secundarias; 5. Espiras secundarias; 3. Conductor flexible; 6. Arrollamiento Arrollamient o primario FIGURA 112

En un principio vamos a considerar el circuito secundario exterior; y debemos considerar que cada elemento de circuito posee su propia resistencia. Por ello resistencia total Re será: Re = ΣRi Como Re se opone al paso de la corriente eléctrica, la caída de tensión será: V = I2.Re Pero por otro lado debemos tener en cuenta el segundo factor que se opone al paso de la corriente, como es la “reactancia” (X e), que se genera como consecuencia del flujo magnético ( φe), originado al pasar I 2 por los conductores: Xe = 2 πf φ ·10-3/I2 ( Ω ) f = 50 ó 60 Hz Como la corriente que atraviesa el circuito es alterna el flujo lo es igualmente lo cual origina una fuerza contraelectromotriz contraelectromotriz igual a: Ie · Xe. Esta fuerza contraelectromotriz se suma vectorialmente con la caída de tensión (Figura 113), siendo la resultante la tensión de bornes en el circuito “U e”.


Tema 1.11 -106-


U e =

Luego:

[(I 2 ⋅ X e )2 + (I 2 ⋅ R 2 )2 ] = I 2

( X e 2 + R e 2)

Z e = U e I 2 = ( X e 2 + X e 2)

Esta relación “Ze” es la denominada “impedancia del circuito exterior”. Considerando el transformador, encontraremos en él, los mismos factores (resistencia del enrollamiento “Rt”, y su reactancia “X t”), que se oponen al paso de la corriente, por creación de caídas de tensión. Con el fin de simplificar los cálculos, nos referiremos, en lo que se refiere a todas las magnitudes del transformador al secundario, es decir, tendríamos un transformador con idéntico número de espiras en el primario como en el secundario “n 2”. Podemos considerar pues un circuito con arrollamientos en serie. Para pasar de un transformador dado, a este transformador equivalente debemos utilizar las fórmulas siguientes: -

Para las tensiones: U 12 = U1.n2/n1 = U2

-

Para la corriente: I 12 = I1.n1/n2 = I2

-

Para las resistencia: R 12 = R1.n22/n12

-

Para las reactancias: X 12 = X1.n22/n12

Los subíndices “1" se corresponden a los valores primarios del transformador transformador dado. Los subíndices “12" los mismos valores pero referidos al secundario. Los “2" corresponden a los valores secundarios. En la figura 114, se muestra el esquema, del circuito equivalente. a este esquema equivalente, le corresponde el diagrama vectorial de las caídas de tensión representadas en la figura 115. De este diagrama obtenemos las siguientes relaciones numéricas.

Diagrama de las caídas de tensión en el circuito exterior de una máquina de soldar. Ue : Tensión en los bornes del circuito; I2Re : Caída de tensión óhmica; I2Xe : Caída de tensión inductiva. FIGURA 113


Tema 1.11 -107-


Esquema equivalente del circuito eléctrico de una máquina de soldar U2 – tensión secundaria del transformador transformador en vacío; Ue – tensión en los bornes del circuito exterior; I2 – corriente secundaria; secundaria; Rt – resistencia equivalente del transformador; transformador; Xt – reactancia equivalente del transformador; transformador; Re – resistencia del circuito exterior; Xe – reactancia del circuito exterior; FIGURA 114

- Impedancia total del circuito eléctrico (referido al secundario). Z =

[( X e + X t )2 + (R e + R t )2 ]

- Tensión secundaria, en vacío, del transformador: U2 = I2.Z

DIAGRAMA DE LAS CAÍDAS DE TENSIÓN EN UNA MÁQUINA DE SOLDAR FIGURA 115


Tema 1.11 -108-


8.3 8.3 Determinación Determinación de la resistencia del circ uito exterior Esta resistencia es igual a la suma de las siguientes resistencia parciales: - Resistencia de los conductores “Rc”. - Resistencia de los contactos “Rp”. - Resistencia de las piezas a soldar “R s”. En este apartado sólo puede ser calculada con precisión la resistencia de los conductores: Rc = Σ Ri Ri = Τ.Li/Si (µ Ω ) En la tabla 1, se muestran los materiales más comúnmente usados y los valores de su resistividad.

Material Cobre laminado Cobre fundido, cobre al cromo Aluminio conductible conductible (Al, Mg, Mg, Si) Bronce conductible (95% Cu) Duraluminio, Duraluminio, Alpax, AlMg3 laminado AlMg3 fundido Latón laminado Bronce estanco, bronce al aluminio, latón fundido, acero dulce Bronce mecánico Acero inoxidable inoxidable 18/8 TABLA

Resistividad 2 2,5 4 5 6 7 10 15 20 80

cm.

1

Las resistencia así calculada es sólo para corriente continua. Como bien sabemos el uso de corriente alterna produce pérdidas por efecto Kelvin, y a las corrientes de Foucault de los conductores y masas metálicas próximas a la presencia de masas magnéticas en el campo del circuito donde se originan, además hay que sumarle las pérdidas por histéresis. La resistencia de las piezas soldadas puede evaluarse tomando como base las consideraciones expuestas en los apartados anteriores. Se calcula la resistencia propia de las piezas soldadas, en caliente, despreciando las resistencia de contacto entre las piezas y entre las piezas y electrodos. Siendo esta R caliente = µ = ΕR. Siendo “Ε” un coeficiente que nos permite calcular la variación de la resistencia con la temperatura. Para el caso del acero = 5; en el caso de dos chapas de 1 mm de espesor obtenemos una resistencia en caliente de : 2 x 7 x 5 = 70 µ. En resumen para calcular la resistencia del circuito exterior usaremos usaremos la siguiente fórmula: Re = Rc + Rp + Rs = β.[(ST .Li/Si) + Τ.r] + Ε.Rf (µ Ω)


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8.4 8.4 Cálculo Cálculo de la Reactancia Reactancia del circ uito exterior Como se ha visto anteriormente, el circuito exterior forma un bucle, cuyos extremos están conectados al transformador, transformador, la reactancia de este bucle será: Xe = 2πf φ.10-3/I2 siendo: Le = φ/I2 coeficiente de autoinducción del bucle. En la mayoría de las máquinas de soldadura por puntos o por roldanas, se puede despreciar la presencia de las masas magnéticas, dado que se encuentran alejadas de los elementos conductores. Pero sin embargo, en otras como son las utilizadas en la soldadura a tope, o chisporroteo, las masas magnéticas están muy próximas a los conductores, debiéndose introducir algunas correcciones, entre ellas destacar: 1º)

El coeficiente coeficiente de de autoinducción autoinducción calculado debe ser multiplicado multiplicado por un coeficiente deducido experimentalmente.

2º)

Se trazan trazan aproximadamen aproximadamente te las líneas de fuerza fuerza (Figura (Figura 116), teniendo en cuenta cuenta las las masas magnéticas, y se estima la relación media de la disminución de la longitud de estos trayectos, y se multiplica por la inversa de esta relación el coeficiente de autoinducción calculado para el circuito dispuesto en el aire.

El ábaco de la figura 117, permite calcular la reactancia X e = 2 πfLe“ para f = 50 Hz de un bucle rectangular formado por un conductor de sección redonda, obteniendo el coeficiente ,por el que es necesario multiplicar el lado mayor del rectángulo ”a" medido en cm. Xe = Ε.a : Ε = f (a/b;a/c) De esta manera se puede reducir un circuito cualquiera a uno rectangular equivalente (Figura 118). El perímetro del rectángulo AABB (L) puede ser determinado a partir de la relación: a=L/2 - b El radio medio del conductor se calcula a partir de su sección media: V/L siendo V ΣTi.Si = Volumen de los conductores. c = 0,564 (V L ) = radio del hilo conductor. Una vez que se conoce “c” y las relaciones “a/b y a/c”, se busca en el ábaco el valor de “ Ε” correspondiente. En máquinas de soldadura más complejas, es conveniente descomponerlo descomponerlo en varios bucles, con el fin de facilitar los cálculos.


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FIGURA 116 INFLUENCIA DE LAS MASAS MAGNÉTICAS SOBRE LA REPARTICIÓN DE LAS LÍNEAS DE FUERZA

Abaco para el el cálculo de la reactancia reactancia de una una espira rectángular rectángular formada formada por un conductor conductor redondo: redondo: a – lado mayor del rectángulo en cm.; b – lado menor del rectángulo en cm.; c – radio del conductor en cm. Reactancia a 50 Hz = a en µΩ FIGURA 117


Tema 1.11 -111-


CÁLCULO DE LA RESISTENCIA Y DE LA REACTANCIA DEL CIRCUITO EXTERIOR DE UNA MÁQUINA DE SOLDAR POR PUNTOS . DESCOMPOSICIÓN DEL CIRCUITO Y DETERMINACIÓN DE LA ESPIRA RECTANGULAR EQUIVALENTE FIGURA 118

8.5 8.5 Cálculo Cálculo de la resistencia y de la reactancia de un transf ormador La resistencia total del secundario la calculamos a partir de la ecuación: R2 = β .n22. Τ2 (Τ + 2a2 - b2)/(m2.S2) en µΩ y para el primario a partir de: R1 = β.n12 . Τ1 Τ/S en µΩ Siendo:

β1y β2 = coeficiente de corrección de pérdidas en corriente alterna en el primario y en el secundario. Τ1 y Τ2 = resistividades del primario y del secundario. T, a2, b2 = dimensiones, dimensiones, en la figura 119. m2 = nº total de placas secundarias. S2 = sección de una placa secundaria (cm 2). S1 = sección total de todos los conductores primarios primarios conectados en paralelo (cm 2).

β1 y β2 pueden ser calculados a partir de las dimensiones y resistividades de los conductores.


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ESPIRA SECUNDARIA DE UN TRANSFORMADOR FIGURA 119

- Para el caso del cobre:

β1 = 1 + 0,01.I 14(52 - 1) β2 = 1 + 0,04I24 I1 = anchura pletina primaria. primaria. I2 = espesor de la placa secundaria. = nº de pletinas primarias juntas (capa). La resistencia total Rt requerida del secundario será: Rt = n22 {[β2.Τ2(T + 2a2 - b)/(m2.S2)] + β1. Τ1.T/m1.S1 (µΩ) Si se introduce la noción de sección activa del conductor primario como s= m1S1; y para el secundario lo mismo tendremos: Rt = n22 {[β2.Τ2(T + 2a 2 - b)/ σ2+ β1 . Τ1. Τ/σ1] (µΩ) Si consideramos R t (15ºC), debemos recalcular este valor cuando el transformador se calienta a una temperatura θ = θ1 + θ, a partir de la fórmula: Rt · θ = Rt (1 + θ/250) La reactancia total del transformador siendo f = 50 Hz será: Xt = n22 {Xo/m2 + 1,97 T [d + (e1 +e2)/6]/mHo} en (µΩ) siendo “m” el nº de grupos simétricos de bobinas y “ = [H o/(2d + e1 + e 2)] si esta relación es 1,25 - - -= 0,91 de donde obtenemos: -CURSO DE FORMACIÓN DE INGENIEROS EUROPEOS/INTERNACIONALES DE SOLDADURA-

Tema 1.11 -113-


Xt = n22{Xo/m2 + 1,8T [ d + (e 1 + e2) /6]/mHo} en µΩ La impedancia de una salida del secundario “X o” la calculamos a partir de ábaco anteriormente referenciado, pero tomando como ‘c 2 = 0,564 S2 “ y determinado E como: f(a2/b2; a2/c2) por lo que: Xo = Ε .a en µΩ En vez de usar “H o”, se puede tomar un valor “H” reducido según: H = Ho. Σn1.S1/ Σon1.S1

Σn1.S1 = σ1 (superficie activa). Σo n1.S1 = sección total del cobre bobinado primario.

8.6 8.6 Cálculo Cálculo de la potencia del transfo rmador Si se conocen los valores de resistencia y de la reactancia del transformador y del circuito exterior, podemos calcular la impedancia global, y por lo tanto determinar la corriente secundaria. Z=

[( X e + X t )2 + (R e + R t )2 ]

en µΩ

I2 =U2.106/Z en A; siendo U 2 = U1.n2/n1 P = U2.I2 = U1.I1

en w

P = potencia aparente instantánea de la máquina la corriente primaria será: I1 = P/U1 = I2.n2/n1 en A U1 = la tensión en los bordes mismos del transformador. En el caso de utilizar un contactor iónico, esta tensión inferior a la tensión de la red “U r ”, debido a la caída de tensión de los ignitrones, en este caso la potencia absorbida por la red será: Pr = Ur .I Si el transformador que va a alimentar la máquina es todavía desconocido se estima en principio su tensión secundaria en vacío según:

[

U 2 = U e 1 + 0,5 ⋅ S p (n 2 U e ⋅ X )

]

Siendo Sp = densidad media de corriente admisible en el cobre en régimen de funcionamiento permanente en A/mm 2. Sp = 3 para refrigeración por agua. Sp = 1,5 refrigeración por aire. Entonces Pc = U2.I2c = I2.u2. ( x 50) -CURSO DE FORMACIÓN DE INGENIEROS EUROPEOS/INTERNACIONALES DE SOLDADURA-

Tema 1.11 -114-


Pc = potencia convencional. convencional. I2c = corriente secundaria máxima correspondiente a un régimen de marcha de la máquina del 50%.

8.7 8.7 Adaptación de los valores para f dis tinto de 50 Hz Si (f 1 - f).100/f es 25% “R f ” del circuito permanece cte, y que la resistencia “X f ” varía proporcionalmente con la frecuencia. Rf = R; Xf = X.f 1/50 1/50 por lo que: Zf 1 = (Rf 2 + X f 2 )

U2f = I2.Zf = U2.Zf /Z Al cambiar el nº de espiras primarias, no nos debemos olvidar de readaptar su sección a la nueva potencia convencional, que resulta del cambio de la tensión secundaria: Pcf = I2c .U2f

8.8 8.8 El El con sumo eléctric o en soldadura Si se calcula la cantidad de energía necesaria para fundir la parte que s erá común a las dos piezas de la soldadura, y se determina después la relación entre esta cantidad y la realmente empleada podremos comprobar que el rendimiento térmico es muy pequeño, lo cual no significa que los procedimientos de soldadura por resistencia no sean rentables, dado que no tenemos en cuenta que el consumo absoluto es muy pequeño. A continuación se estudiarán los los consumos para los procedimientos procedimientos por puntos, puntos, roldanas y a tope, para para el caso de la unión del acero. SOLDADURA POR PUNTOS

Definimos: W = R.I2.t y supongamos que el circuito de soldadura tiene una resistencia “R = 0,0003 Ω. Para un tiempo de soldadura de 1 período, podemos escribir. I = K.S siendo K = 100 para el acero. I = 1000. π.d2/4 d = diámetro del punto en mm. entonces: W = ± d4/106 Kwh/punto = ± d4/1000 Kwh/1000 puntos. Si se considera que d = ∅ del punto = 5 mm para chapas de 1 mm tendríamos un consumo de:


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W = 625/1000 = + 0,625 Kwh/1000 puntos Si suponemos que la producción diaria de una máquina de soldadura por puntos está entre los 5000 y 10000 puntos el consumo puede ser fácilmente determinado. SOLDADURA POR ROLDADAS

Si tenemos el mismo circuito con R = 0.0003 , y eligiendo la velocidad ideal. Para el caso de un acero, tenemos que: Iideal = 2 x 7 x 500

(e + 1) = 15000 (e + 1)

como: Videal = [7500

(e + 1) /1600.e. (e + 1) ] = 4,7/e

El consumo horario, teniendo en cuenta que t s = tr y que K = 0,5 W = R.I2.t.K = 33,8.(e + 1) Kwh La longitud soldada durante una hora será: Wideal.60 = 282/e El consumo por metro de soldadura externa será: W/metro = 33,8(e + 1)/282/e = 0,12.e.(e + 1) Kwh/m Si tenemos unas chapas de 1,25 mm, el consumo será del orden de: 0,338 Kwh/m. SOLDADURA A TOPE

Si tenemos una sección de soldadura “S”, podemos indicar, que el volumen fundido es V = S.d; y por lo tanto el calor requerido para fundir una cierta longitud, es proporcional a la superficie (d = carrera de chisporroteo). En este punto, se deben despreciar las pérdidas de calor por radiación debidas a la resistencia óhmica del circuito de soldadura, y no considerando más que las pérdidas debidas por conducción en las piezas hasta las mordazas, es igualmente proporcional a la sección de paso “S”. De una forma general, podemos escribir que la energía requerida para producir la soldadura “W” es: W = K.Sa Ky a son dos incógnitas. Si expresamos la ecuación anterior de forma logarítmica, tendremos: Log W = Log K + a.Log S Para el caso de un acero tendríamos a una curva como la mostrada en la figura 120, de la cual podemos deducir K y a. -CURSO DE FORMACIÓN DE INGENIEROS EUROPEOS/INTERNACIONALES DE SOLDADURA-

Tema 1.11 -116-


FIGURA 120

8.9 8.9 Cálculo Cálculo del caudal de agua de refrigeración de los circu itos eléctri eléctri cos A continuación se dan algunas indicaciones sobre la forma de estimar el consumo de agua necesario para la refrigeración de una máquina. Estos cálculos se basarán en la valoración de la relación “X” entre la fracción de calor creado por el agua y la totalidad del calor desarrollado en las máquinas. Como punto de partida se tomará la potencia aparente absorbida por la máquina un régimen equivalente permanente “P p” expresado en kvA, calculamos a partir de los datos del régimen de funcionamiento real y con un régimen de marcha “P c” del 50%. Pp = P ( X 100) ó Pp = Pc

(500 100)

La parte real de esta potencia, transformada en calor es: Q = 860.Pp.cos Τ en Kcal/hora. (860 es el coeficiente que representa el equivalente de Kwh en Kcal), la cantidad de calor evacuado por el agua viene expresado por: q = 860.X.Pp cos Τ


Tema 1.11 -117-


Si se admite una elevación de temperatura, entre la entrada y la salida del circuito de refrigeración de (en ºC), tenemos para un caudal de 1/h la expresión: D = 860 XPp cos Τ / θ En la mayoría de las máquinas de soldadura fijas se pueden admitir los siguientes coeficientes: cosΤ = 0,5; X = 0,3; θ = 15 ºC por lo que “D” tomará un valor de: D = 8,6.Pp en 1/h (P p expresado en kvA) para instalaciones equipadas con cables secundarios flexibles y no inductivos, admitiremos: cos = 0,75; X = 0,8; θ= 35 ºC en donde D = 15 P p en 1/h En el caso de máquinas de soldadura a tope, se puede proceder haciendo uso del diagrama que da el valor de la energía “W” absorbida por 100 soldaduras expresadas en KWh en función de la sección soldada. Si “n” es el nº de soldaduras ejecutadas en una hora, la potencia real absorbida correspondiente correspondiente será: Pp. cos = W.n/100 en Kw y el consumo de agua necesario será: D = 17.W.n/100 1/h

9. ELECTRODOS Y SOPORTES Las herramientas que son más usadas, y por ello tienen un mayor desgaste son los electrodos, los cuales pueden tener diferentes formas y tamaños, los más comunes son: rueda, barra, cilindros, placa, grapa, punteada, etc. Igualmente se utilizan los portaelectrodos o adaptadores para adaptar los electrodos a la máquina. Un electrodo de soldadura puede prestar las siguientes funciones: -

Conducir la corriente eléctrica hacía todas las partes del sistema.

-

Transmitir la presión en la punta de soldadura.

-

Fijar y soportar los materiales a soldar en su debido alineamiento.

-

Retirar el calor que se produce en la zona soldada a zonas adyacentes.

Todos los electrodos soportan una gran densidad de corriente (8 - 120 A/mm 2), al igual que elevadas presiones 700 - 4000 Kg/mm 2, al igual que el impacto en el momento del ajuste, por ello para su utilización se debe tener en cuenta un compromiso entre: vida del electrodo, calidad de soldadura o producción, bien una o las tres t res condiciones, por ello su adecuada solución derivará en unas buenas o malas prestaciones. -CURSO DE FORMACIÓN DE INGENIEROS EUROPEOS/INTERNACIONALES DE SOLDADURA-

Tema 1.11 -118-


A la hora de proyectar un electrodo debe de existir un equilibrio (que dependerá dependerá de su tamaño) entre, propiedades propiedades eléctricas óptimas, térmicas y mecánicas.

9.1 Materiales Los electrodos estándar, vienen recogidos en lo que respecta a su constitución por la R.W.M.A., estando divididos en dos grandes grupos: Aleaciones base cobre (A); aleaciones refractarios (B). 9.1.1 Grupo A

Las aleaciones de base cobre, con las que se fabrican estos electrodos de soldadura, están divididas en cinco grandes grupos o clases: GRUPO 1: Están fabricados f abricados con aleación no tratable, viéndose incrementada su dureza y resistencia por el trabajado en frío, no pueden ser fabricados por fusión. Se aplican en la soldadura de aleaciones que presentan gran conductividad térmica, Al, Mg, bronces y eléctrica, latones. Se utilizan este tipo de electrodos en equipos de soldadura por puntos o por roldanas. GRUPO 2: Presentan mayor resistencia mecánica que los de la clase 1, pero su conductividad eléctrica y térmica es menor. Sus propiedades mecánicas, se obtienen a partir de tratamientos térmicos de precipitación en estado sólido (solubilización + t emple + recocido = envejecimiento). envejecimiento). Se recomienda para la soldadura por puntos o por roldanas de acero, de baja aleación, inoxidables, bronces de baja conductividad, níquel y aleaciones. Se pueden obtener estos electrodos por colada y trabajando antes del tratamiento térmico. CLASE 3: Su resistencia mecánica, también es obtenida por tratamiento de envejecimiento, contienen mayor cantidad de elementos aleantes, por esta razón, conducen menos la electricidad y el calor. Se utilizan para la soldadura por proyección de metales y aleaciones de gran resistencia mecánica, como son inoxidables, aceros, inconel (níquel-cromo-hierro). (níquel-cromo-hierro). CLASE 4: La fabricación es similar a la de la clase 3, siendo los de mayor resistencia y dureza de la clase A (grupo). Se utilizan en soldadura por chisporroteo y proyección. Por presentar unas muy buenas propiedades propiedades mecánicas les hacen óptimos para soportar elevadas presiones de soldadura. CLASE 5: Solo son utilizadas para mordazas en circuitos secundarios, y presentan una gran resistencia mecánica y moderada conductividad eléctrica. Son obtenidos por fundición y posteriormente tratados térmicamente. 9.1.2 Grupo B

Estos electrodos son fabricados por metalurgia de polvos (pulvimetalurgia). Están constituidos por wolframio - cobre o molibdeno - cobre, aunque también existen como W y Mo puros. Solo se utilizan cuando los materiales a soldar son muy resistentes. Estos electrodos presentan gran resistencia mecánica y al desgaste a elevada temperatura. Existen cinco clases: clases 10, 11, 12 (compuestos Cu-W, Cu-Mo) y en los de la clase 13, 14 de W y Mo puros, son los más idóneos para soldar metales y aleaciones de gran conductividad eléctrica y térmica. Existen otros electrodos constituidos por Cu más un dispersante, pudiendo ser este Alúmina, CSi, NB, CW, etc., que les confieren gran resistencia mecánica, pero no se encuentran tipificados. -CURSO DE FORMACIÓN DE INGENIEROS EUROPEOS/INTERNACIONALES DE SOLDADURA-

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En el electrodo podemos distinguir cuatro partes fundamentales: (Figura 121) a) Punta: Determina Determina la densidad densidad de corriente y la presión sobre la zona a soldar. soldar. b) Mango: De sección adecuada, adecuada, pues pues debe soportar soportar el esfuerzo a compresión compresión y el paso de de corriente eléctrica. c) El empalme: empalme: Existen Existen de dos tipos, tipos, roscado roscado o a presión. presión. d) El taladro interior: Por Por el cual circula el agua agua de refrigeración. refrigeración. En la figura 122, se muestran las 5 formas estándar de la punta y los diferentes diámetros. Los de soldadura por roldanas o por protuberancias o proyecciones, al igual que para soldadura por puntos se muestran en las figuras 123 y 124. El contorno de la roldana se muestra en la figura 124, aunque los hay de geometría de contorno más compleja. Como señalamos al principio los electrodos son las herramientas (utillaje), que más sufre en la soldadura por resistencia, y por ello se deben tener en cuenta algunas consideraciones para su cuidado (prolongación de su vida): 1) Correcta refrigeración. refrigeración. 2) Perfecto alineamiento. alineamiento. 3) Correcta presión y corriente eléctrica (según la clase de electrodo). 4) No golpear ni deformar la base de la punta. En cuanto a los portaelectrodos, señalar que existen de diferentes geometrías (Figuras 125 y 126), siendo siempre necesaria la existencia de un ajuste con el electrodo muy intima, de esta forma se eliminan chisporroteos chisporroteos y defectos de alineamiento.

FIGURA 121


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FIGURA 122

FIGURA 123


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FIGURA 124

FIGURA 125


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FIGURA 126

10. LA CALIDAD CA LIDAD DE LA SOLDADURA POR RESISTEN RESISTENCIA CIA Los requerimientos sobre la calidad de las soldaduras obtenidas dependerán principalmente del tipo de aplicaciones a los que serán sometidas las mismas. Principalmente, vendrán vendrán afectadas por la composición y las condiciones (microestructura) (microestructura) del metal base, el diseño de la fuente, las características de los electrodos y los equipos utilizados en su ejecución. En algunas aplicaciones la soldadura puede necesitar de unas mínimas especificaciones de calidad, en otros casos, como en aplicaciones aeroespaciales, están muy restringidas por severas especificaciones; para el caso de la automoción estas especificaciones son de tipo estándar. Los requerimientos de calidad de la soldadura, pueden incluir, desde una apariencia externa, una mínima resistencia mecánica de la unión, hasta una estanqueidad absoluta en ciertas uniones (soldadura por roldanas, bidones, etc.). Estas podrían ser monitorizadas (seguimiento de calidad) mediante sistemas de control de calidad que incluyen desde la inspección visual hasta la realización de ensayos destructivos. Los factores más importantes que afectan a la calidad de las uniones soldadas son las siguientes: 1) Apariencia externa. 2) Extensión de la unión soldada. 3) Penetración. Penetración. 4) Resistencia y ductilidad. 5) Discontinuidades internas. 6) Separación de las láminas y expulsión. 7) Consistencia de la soldadura. -CURSO DE FORMACIÓN DE INGENIEROS EUROPEOS/INTERNACIONALES DE SOLDADURA-

Tema 1.11 -123-


10.1 10.1 Aparienci a de la soldadur sol dadura a La apariencia externa de una soldadura por resistencia, no nos indicará su resistencia, tamaño del baño ni los defectos internos, pero si nos puede dar una idea de las condiciones en las que la soldadura fue realizada. Por estas razones este método de control, no puede ser utilizado como un criterio único de control de calidad. Como ejemplo de este hecho, si nosotros examinamos un grupo de soldadura por puntos, nos permite comprobar un aspecto similar externo, aunque pueden existir diferencias internas importantes como consecuencia de la derivación (Shunt) de corriente debido a la proximidad de los puntos de soldadura. Si se cortara la chapa soldada de forma transversal y fuera preparada mediante técnicas metalográficas convencionales, se podría comprobar este hecho. Se comprueba que el diámetro de la segunda soldadura es apreciablemente más pequeño que la primera debido a un efecto de shuntage o derivación de la corriente de soldadura, este efecto suele ser muy acusado cuando son soldados materiales de baja resistividad eléctrica y láminas de pequeño espesor 0,04 pulgadas. En la tabla 1 se muestran las condiciones no deseables en la soldadura por puntos.

10.2 10.2 Tamaño Tamaño d e la soldadura sol dadura El diámetro o anchura de una zona fundida (baño), puede venir requerido por las especificaciones o por los criterios de diseño, cuando no existen estos se pueden aceptar alguno de los siguientes aspectos prácticos o de las leyes generales siguientes: 1º)

Los puntos puntos de de soldadura soldadura que son son repetitivamente repetitivamente realizados bajo condiciones condiciones normales podrán tener un diámetro mínimo del baño de 3,5 a 4 veces el espesor o de la delgadez externa de la punta. En el caso de la unión de tres o más chapas de diferente espesor, el diámetro del baño fundido entre las partes adyacentes puede ser ajustado si se selecciona el material y forma de los electrodos.

2º)

Los baños individualizados individual izados obtenidos en la soldadura por roldanas sólo pueden solapar un 25%.

3º)

En la soldadura por proyección proyecci ón el baño deberá tener un tamaño igual o mayor que el diámetro de la proyección (protuberancia) (protuberancia) original.

Existen unos límites máximos para el tamaño del baño obtenido por soldadura de punto, protuberancia o roldana. Aunque estas limitaciones están basadas principalmente en condicionamientos económicos y limitaciones prácticas en la obtención de una soldadura, que en leyes de generación de calor y de disipación, que son las que limitarían el tamaño de la soldadura. Por estas razones no se puede hablar de un tamaño máximo permitido, y por ello cada usuario podrá establecer estos límites de acuerdo con los requerimientos requerimientos de diseño y las exigencias prácticas.


Tema 1.11 -124-


TABLA

1

10.3 10.3 Penetración La penetración es la profundidad a la cual el baño (nugget), se extiende dentro de las dos piezas que están en contacto con los electrodos. En el caso de la soldadura de espesores espesores disimilares, como el caso de la unión de tres chapas, la profundidad deberá ser igual o ligeramente mayor que el espesor menor.

10.4 Resistencia y Ductilidad Las estructuras soldadas por puntos, roldanas o proyección, están diseñadas para que las soldaduras aguanten tensiones de cizalladura cuando las partes sean expuestas a cargas de tensión o compresión. Aunque en algunas ocasiones también pueden trabajar a flexión. Los ensayos más comunes son: Tensión, torsión, peladura y fatiga. En la figura 127, se muestran algunos diseños de probetas utilizados en estos tipos de ensayos que permiten determinar la resistencia mecánica de la unión. En ciertas aplicaciones, se suelen igualmente utilizar ensayos de impacto. La ductilidad de una soldadura por resistencia está determinada por la composición del metal base y los efectos térmicos (transformaciones), experimentados durante el ciclo de calentamiento y enfriamiento. Desafortunadamente no existen métodos estándar para la determinación de esta propiedad, normalmente se suelen utilizar medidas de dureza, ya que esta, es indicativa de la ductilidad del material. Para una aleación dada, la ductilidad decrece, cuando la dureza aumenta, pero en otro tipo de aleaciones la misma dureza no es indicativo de tener la misma ductilidad. -CURSO DE FORMACIÓN DE INGENIEROS EUROPEOS/INTERNACIONALES DE SOLDADURA-

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Otro método indicativo de la ductilidad aplicable a la soldadura por puntos o por protuberancias, es la determinación de una relación entre la tensión (tensor dirección) y el de cizalladura. Una soldadura posee buena ductilidad si tiene una elevada relación, pero es pobre, si esta es pequeña. Existen varios métodos que permiten minimizar el endurecimiento del metal soldado durante el ciclo de enfriamiento, enfriamiento, estos son: -

Utilización de tiempos largos de soldadura.

-

Precalentamiento Precalentamiento del material mediante la utilización de corrientes de precalentamiento. precalentamiento.

-

Tratamientos Tratamientos térmicos de revenido y/o recocido.


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FIGURA 127


Tema 1.11 -127-


FIGURA 127


Tema 1.11 -128-


10.5 10.5 Discontinu idades int ernas Dentro de las discontinuidades internas se incluyen: grietas, poros, metal esponjoso (gases), grandes cavidades y también inclusiones metálicas. Aunque existan este tipo de discontinuidades discontinuidades en el centro del baño “nugget”, pueden no influir en la resistencia de la soldadura, dado que es el punto de tensión cero (fibra neutra). Por otra parte es importante, que este tipo de discontinuidades no aparezcan en la periferia de la soldadura, ya que es la zona de máxima concentración de tensiones. Los defectos internos que aparecen en la soldadura por puntos roldanas o protuberancias, son generalmente causadas por la inadecuada utilización de las variables de soldadura: baja fuerza de electrodos, alta corriente eléctrica, en otras condiciones que provocan un excesivo calentamiento, o una excesiva velocidad de las roldanas.

10.6 10.6 Separación Separación de las chapas c hapas La separación de las chapas durante la unión de dos chapas es debida a los procesos de contracción y expansión del material soldado y como consecuencia del proceso o efecto de forjado de los electrodos sobre el lentejón (baño fundido), caliente. El aumento de la separación se ve incrementada cuando el espesor de las chapas aumenta.

10.7 10.7 Control Contro l de Calidad Los factores a tener en cuenta a la hora de realizar un control de calidad en estos procesos de soldadura por resistencia son: 1º) Diseño de la fuente y equipamiento. 2º) Tolerancia de los espesores. 3º) Composición y microestructura de los materiales de partida. 4º) Forma y composición de los electrodos. 5º) Refrigeración de los electrodos y de la soldadura. soldadura. 6º) Variables o parámetros del ciclo de soldadura. 7º) Tratamientos térmicos de postsoldadura. postsoldadura. Nos centraremos en esta apartado en los métodos de control de las variables de soldadura, que serán los que permitan realizar uniones con idénticas características, es decir, obtener lentejones (baños fundidos, nugget), similares. Entre estos procesos de control de la formación del lentejón o baño fundido, destacaremos los siguientes: -

Medida de la temperatura.

-

Expansión y contracción.


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Emisión acústica.

-

Señales ultrasónicas.

-

Propiedades Propiedades eléctricas (resistencia).

-

Voltaje y energía eléctrica.

La monitorización de los parámetros de soldadura, será un medio de controlar el proceso de unión, y en definitiva un método para el control de la calidad del producto. En las figuras 128 a 131, se muestran algunos de estos métodos de control de calidad.

EXPANSIÓN TÉRMICA

ELECTRODOS CON TRANSDUCTORES DE CRISTAL FIGURA 128

EMISIÓN ACÚSTICA

SEÑALES ULTRASÓNICAS FIGURA 129


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CARACTERÍSTICAS ELÉCTRICAS FIGURA 130

PICOS DE PULSO EN LA INSPECCIÓN POR ULTRASONIDOS FIGURA 131


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BIBLIOGRAFÍA -

Le soudaje par Resistence (edición española y francesa) G.E. Lheureux, E.J. Belotte. Ed. Dunod

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Soldadura por resistencia. Ed. M. Abad-Bisbe.

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Manual del soldador. G. Hernández Riesco. Ed. CESOL.


Tema 1.11 -132-

T-1-11

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