T-1-5

ASOCIACIÓN ESPAÑOL A DE SOLDADURA SOLDA DURA Y TECNOLOGÍAS TECNOLO GÍAS DE UNIÓN

TEMA 1.5 FUENTES DE ALIMENTACIÓN PARA SOLDEO SOL DEO POR POR ARCO A RCO

Veg a S Sc h m i d t A c t u al i zad o p p o r : Ch ar l es V

Sept Septiemb iemb re 2004 2004

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

ASOCIACIÓN ESPAÑOLA DE SOLDADURA SOL DADURA Y TECNOLOGÍAS DE UNIÓN

ÍNDICE 1.

CLASIFICACIÓN DE LAS FUENTES DE ENERGÍA, TIPOS Y CARACTERÍSTICAS (ESTÁTICAS, GENERADORES Y SUBGRUPOS) 1.1. Principio físico del transformador 1.1.1. Transformadores de soldar soldar – forma constructiva 1: transformadores transformadores con flujo magnético variable 1.1.2. Transformadores Transformadores de soldar soldar – forma constructiva constructiva 2: transformadores con resistencia inductiva variable 1.2. Rectificadores – Semiconductores Semiconductores 1.2.1. Disco de selenio 1.2.2. Células de cristal 1.2.3. Tensión alterna de secundario 1.2.4. Rectificadores para el soldeo con CC 1.3. Motogeneradores (convertidores rotativos) 1.3.1. Principio del convertidor de soldeo 1.3.2. Generador de campos opuestos 1.3.3. Generador de campos transversal 1.3.4. Generador con campo regulador 1.4. Motosoldado Motosoldadora ra

2.

CARACTERÍSTICAS ELÉCTRICAS DE LAS FUENTES DE ENERGÍA (CURVAS ESTÁTICAS Y CURVAS DINÁMICAS) 2.1. Características de las fuentes de alimentación 2.2. Intensidad de corriente 2.3. Tensión eléctrica o diferencia de potencial 2.4. Resistencia 2.5. Energía eléctrica 2.6. Potencia de electricidad 2.7. Curvas características descendente, plana y vertical 2.7.1. Curva característica de pendiente descendente (intensidad constante) 2.7.2. Curva característica plana (tensión constante) 2.7.3. Curva característica vertical (intensidad constante)

3.

RELACIÓN ENTRE LA CURVA ESTÁTICAS Y EL PROCESO DE SOLDEO 3.1. Tensión en vacío y tensión de arco

4.

CONTROL DE LAS CARACTERÍSTICAS ELÉCTRICAS DE LAS CURVAS ESTÁTICAS (PLANA E INCLINADA) 4.1. Control del arco en la curva característica de pendiente descendente descendente 4.2. Control del arco en la curva característica plana

5.

ESTABILIDAD DE LA CURVA DEL ARCO PARA LOS PROCESOS PRINCIPALES (MMA, TIG, MIG/MAG, SAW, PAW)

6.

PUNTO DE OPERACIÓN

7.

LA TECNOLOGÍA DEL INVERTER (INVERSOR)

8.

FUENTES DE ENERGÍA CONTROLADAS POR UN ORDENADOS

9.

LA ESTABILIDAD DE LOS PROCESOS EN CA Y DC

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Tema 1.5 -1-


10. FUENTES DE ENERGÍA DE CA (ONDA SINUSOIDAL Y ONDA CUADRADA) CUADRADA) 11. FACTOR DE POTENCIA DE LOS TRANSFORMADORES 11.1. 11.2.

Requisitos de la conexión a la red Seguridad de la instalación

12. CLICLO DE CARGA DE UNA FUENTE FUENTE DE ENERGÍA Y VALORES TÍPICOS TÍPICOS PARA LOS PROCESOS MÁS COMUNES DE ARCO ELÉCTRICO 12.1. Factor de utilización o factor de marcha 13. PÉRDIDAS DE VOLTAJE, RELACIÓN RELACIÓN ENTRE ENTRE LA CORRIENTE Y LA SECCIÓN DEL CABLE CABLE 13.1. 13.2. 13.3.

Dispositivos de conexión a masa Cables, portaelectrodos Accesorios de las máquinas de soldar y su mantenimien mantenimiento to

14. LA TÉCNICA DEL ARCO PULSADO 15. CURVA DE CONTROL DEL ARCO Y DISPOSITIVOS, PENDIENTE ASCENDENTE Y DESCENDENTE, PRE Y POST FLUJO 16. REGULACIÓN DE LA CORRIENTE CORRIENTE Y EL VOLTAJE VOLTAJE (DISPOSITIVOS ELECTROMAGNÉTICOS Y ELECTRÓNICOS) 16.1. 16.2. 16.3.

Control de la corriente de soldeo Instrumentación Selección de la fuente de energía

17. BIBLIOGRAFÍA


Tema 1.5 -2-


1.

CLASIFIC CLA SIFICACIÓN ACIÓN DE LAS LA S FUENTES FUENTES DE ENERGÍA, ENERGÍA, TIPOS Y CARACTERÍSTICAS CARACTERÍSTICAS (ESTÁTICAS, GENERADORES, Y SUBGRUPOS)

Las fuentes de energía se clasifican de forma genérica en transformadores, rectificadores, convertidores, e inversores. El transformador, ya sea trifásico o monofásico, es una de las partes más importantes, puesto que disminuye la tensión de la red eléctrica a valores permisibles para el soldeo por arco, a su vez, aumenta la intensidad de corriente a los valores requeridos para establecer el baño de fusión. Reluctancia

Primario

Secundario

U1

U2

I1

I2

N1

N2

El circuito primario está compuesto por varias espiras de alambre delgado

Flujo magnético Principal.

El circuito secundario está compuesto por pocas espiras de alambre grueso

Núcleo de acero FIGURA 1 ESQUEMA DE UN TRANSFORMADOR MONOFÁSICO , SE MUESTRA LOS CIRCUITOS PRIMARIO Y SECUNDARIO , EL NÚCLEO DE ACERO Y EL FLUJO DEL CAMPO MAGNÉTICO

1.1. 1.1. Princi Princi pio f ísico del Transformador El flujo magnético es inducido en el núcleo por la corriente del circuito primario, y este flujo induce otra corriente en el circuito secundario. Existe el principio físico del flujo magnético inducido en función de la frecuencia de la corriente alterna, en base a este principio se tiene la transformación de la intensidad y la tensión de acuerdo con la siguiente relación.

ϕ = 4,44 . ⎢ . N . Ø Donde:

ϕ = Flujo magnético en Wb (Weber). ⎢ = Frecuencia en Herz (ciclos /seg). -CURSO DE FORMACIÓN DE INGENIEROS EUROPEOS/INTERNACIONALES DE SOLDADURA-

Tema 1.5 -3-


N = Número de espiras de la bobina. Ø = Flujo electromagnético inducido. siendo la frecuencia en europa de 50 hz, la ecuación anterior se reduce con una constante c ,

ϕ = C . N . Ø Donde: C = 4,44 x 50 Entonces, para una frecuencia determinada, el flujo magnético será constante con un determinado número de espiras. La relación de transformación depende directamente del número de espiras en el circuito primario y en el secundario. U1

N1

I2

N1

U1

I2

U2

N2

I1

N2

U2

I1

Donde: U1

= Tensión del primario en Voltios (V).

I1

= Intensidad del primario en Amperios (A).

N1

= Número de espiras del primario (adimensional). (adimensional).

U2

= Tensión del secundario en Voltios (V).

I2

= Intensidad del secundario en Amperios (A).

N2

= Número de espiras del secundario (adimensional).

1.1.1. Transformadores de soldar – Forma constructiva 1: Transformadores con flujo magnético

variable En los transformadores de soldar, el flujo magnético no circula totalmente por la sección del núcleo de acero. Una parte del flujo se pierde porque circula por el aire en la parte externa de las bobinas del primario y del secundario, induciendo en las mismas, un campo en sentido opuesto al flujo magnético que circula por el interior de las bobinas. La fuerza electromagnética de este flujo depende de la intensidad y la tensión que circula por las bobinas. La curva característica de la fuente de energía varía con el cambio del flujo externo, porque éste actúa como una resistencia que se opone al flujo magnético que circula por el núcleo. Este flujo magnético que se denomina reluctancia. Un método para el ajuste de la corriente de soldeo, es el núcleo de dispersión, se trata de un núcleo deslizante que, ubicado en medio del núcleo del transformador, absorbe parte del flujo magnético, produciendo otro tipo de reluctancia. Es así como el núcleo de dispersión, al estar fuera del espacio interno del núcleo del transformador, no afecta al flujo magnético del transformador, en consecuencia, la intensidad en el secundario será la máxima que la fuente pueda otorgar. De acuerdo con el avance del núcleo de dispersión dentro del espacio interno del transformador, absorberá cada vez más flujo del transformador, aumentando la reluctancia que actúa como una reactancia, dismuniyendo a la intensidad de salida del secundario. -CURSO DE FORMACIÓN DE INGENIEROS EUROPEOS/INTERNACIONALES DE SOLDADURA-

Tema 1.5 -4-


Otra de las formas de ajuste de la corriente de soldeo, es la variación de la relación de transformación, mediante las derivaciones en el circuito primario o en el secundario, o en ambos. Cambiando solamente el número de espiras en las bobinas, para obtener un ajuste escalonado de intensidades de salida. Evidentemente, el rango de ajuste de corriente entre dos niveles es imposible de lograr. Por ejemplo, si en una derivación obtenemos 80 amperios, y en la siguiente 110 amperios, no es posible ajustar valores de intensidad entre 80 y 110 amperios. La única posibilidad es hacer más derivaciones, lo cual encarece al transformador y no es una forma práctica para el uso en los talleres de soldeo. Las figuras 2C y 2 D muestran dos transformadores con derivaciones en las bobinas del primario y del secundario.

2a) Por un núcleo de dispersión circula una parte del flujo f lujo magnético. 2b) Variación del flujo mediante una bobina deslizante. 2c) Variación mediante derivaciones en el circuito primario distribuido en una bobina principal y una complementaria. 2d) Variación mediante derivaciones en el circuito secundario para transformadores de poca potencia. FIGURA 2 ESQUEMAS DE LOS TRANSFORMADORES DE SOLDAR CON FLUJO MAGNÉTICO VARIABLE , NÚCLEO DE DISPERSIÓN 2 A Y 2B O DERIVACIONES EN LAS BOBINAS 2C Y 2D


Tema 1.5 -5-

ASOCIACIÓN ESPAÑOLA DE SOLDADURA SOL DADURA Y TECNOLOGÍAS DE UNIÓN 1.1.2. Transformadores de soldar – Forma constructiva 2: Transformadores Transformadores con resistencia inducti va

variable

FIGURA 3 ESQUEMA DE UN TRANSFORMADOR MONOFÁSICO CON UN TRANSDUCTOR EN EL CIRCUITO SECUNDARIO. MEDIANTE LA INDUCTANCIA VARIABLE SE CONTROLA EFICAZMENTE LA CORRIENTE DEL SECUNDARIO EN UN AMPLIO RANGO DE INTENSIDAD , SIN DISMINUIR LA TENSIÓN EN VACIO

Mediante una inductancia variable se ajusta la intensidad de la corriente de salida del circuito secundario. Estas resistencias inductivas pueden ser de los siguientes tipos:

FIGURA 4 A) TRANSFORMADOR CON DERIVACIONES

FIGURA 4C) TRANSDUCTOR CON CONTROL ALIMENTADO POR CORRIENTE CONTINUA W A1, W A2 – INDUCTANCIA WS – BOBINA DE CONTROL

FIGURA 4B ) BOBINA CON NÚCLEO DE DISPERSIÓN

FIGURA 4D) ESQUEMA GENÉRICO DE UN TRANSDUCTOR, LA RESITENCIA VARIABLE SIRVE PARA AJUSTAR EL FLUJO DE CORRIENTE POR LA BOBINA DE CONTROL . EL SISTEMA ES ALIMENTADO POR UNA DERIVACIÓN DE LA RED DE ALIMENTACIÓN Y CON UN BANCO DE RECTIFICADORES W A – INDUCTANCIA DEL TRANSDUCTOR WS – BOBINA DE CONTROL

FIGURA 4 ESQUEMAS DE LOS TRANSFORMADORES DE INDUCTANCIA PARA LOS TRANSDUCTORES


Tema 1.5 -6-


La corriente alterna tiene una inductancia L, cuyo efecto se representa como una “resistencia de corriente alterna”. De acuerdo a la forma constructiva, se tiene una inductancia interna a consecuencia de la inductancia propia del transformador (forma constructiva 1) o de una resistencia externa mediante la resistencia inductiva variable del transductor (forma constructiva 2). Durante la carga se presenta una caída de tensión ∆U por la inductancia I ωL, que es proporcional al aumento de la intensidad efectiva I. Con mayor carga habrá una menor tensión disponible para el consumidor. La corriente alterna es suficiente para establecer el arco eléctrico para el soldeo, sin embargo no ofrece las ventajas de la corriente continua con la que se obtiene un arco más estable. Los efectos del cambio de polaridad sobre la penetración se anulan, resultando una penetración promedio entre el máximo y el mínimo que se obtienen en polaridad inversa y directa. La corriente alterna no es apta para los procesos semiautomáticos semiautomáticos ni para el proceso TIG para el soldeo de aceros. Las ventajas de las fuentes de corriente alterna son el bajo coste del equipo, y la ausencia del efecto del soplo de arco, conocido también como soplo magnético. También en el soldeo de aluminio se utiliza la onda positiva de la corriente alterna para producir el efecto sobre el baño de fusión.

1.2. 1.2.-- Rectificadores - Semiconduct ores 1.2.1.- Disco de Selenio

1 Base (plato portante de Aluminio, Cu o Hierro) 2 Capa de Selenio 3 Capa de bloqueo, (filtro) 4 Tapa electrodo (Aleación Bi-Cn-Cd) 5 Conexión FIGURA 5 RECTIFICADOR DE DISCO DE SELENIO

La capa de bloqueo 3 se forma mediante una reacción química entre las capas 2 y 4.


Tema 1.5 -7-


1.2.2. 1.2.2. Células Células de c rist al

1 Disco de cristal individual (Si, Ge) 2 Plato base 3 Armadura 4 Aislamiento 5 Conexión FIGURA 6 RECTIFICADOR DE CÉLULA DE CRISTAL

En un cristal no conductor (n - conductor) se origina por difusión, una zona conductora (p - conductor). Entre las zonas n – conductor y p – conductor se forma una capa de bloqueo (filtro) que permite el flujo de electrones en un solo sentido. Los diodos más adecuados para las fuentes de energía son los de silicio. Propiedades (Valores (Valores límites) límit es) Densidad de corriente con refrigeración externa A/mm 2 Temperatura admisible de la capa de bloqueo oC Tensión de bloqueo por cada elemento V

Se 0,6 85,0 25,0

Ge 250 70 110

Si 600 180 400

TABLA 1 PROPIEDADES ELÉCTRICAS DE LOS RECTIFICADORES

Como puede verse en la tabla 1, los diodos de silicio tienen la mayor densidad de corriente, la mayor temperatura de operación (temperatura admisible de la capa de bloqueo) y la mayor tensión de bloqueo por cada elemento. Los diodos de silicio son los más usados en las fuentes de energía para el soldeo por arco. Circuitos de los rectificadores:

⎢:

Frecuencia de la tensión alterna.

W:

Ondulación de la onda

W = Valor efectivo de la tensión alterna / valor promedio de la tensión continua. FIGURA 7 ONDA DE LA TENSIÓN ALTERNA DEL SECUNDARIO


Tema 1.5 -8-


1.2.3. 1.2.3. Tensión altern a del secundari o Circuito de un solo diodo (E)

FIGURA 8 CIRCUITO MONOFÁSICO CON UN RECTIFICADOR EN EL SECUNDARIO, ONDA RECTIFICADA CON UN DIODO

Con un solo diodo se rectifica solamente una semionda, la energía de la otra semionda se pierde disipándose en forma de calor.

FIGURA 9 CONECTANDO CUATRO DIODOS EN UN CIRCUITO MONOFÁSICO, Y SEIS DIODOS EN UN CIRCUITO TRIFÁSICO , SE RECTIFICAN LAS SEMIONDAS NEGATIVAS DE LA CORRIENTE ALTERNA . LA ONDULACIÓN DE LA CORRIENTE ES IMPORTANTE PARA EL SOLDEO , PUESTO QUE LA DISMINUCIÓN DE LA ONDULACIÓN FAVORECE LA ESTABILIDAD DEL ARCO ELÉCTRICO

1.2.4. 1.2.4. Rectifi cadores para el el sold eo con CC

Con el desarrollo de los procesos de soldeo, se tuvo que mejorar la fuentes de energía, uno de los primeros requisitos era obtener corriente continua, lo que se logró mediante los convertidores usando -CURSO DE FORMACIÓN DE INGENIEROS EUROPEOS/INTERNACIONALES DE SOLDADURA-

Tema 1.5 -9-


dínamos. Sin embargo, estas fuentes son caras y ruidosas, debido a los elementos rotativos que posee, además los costes de fabricación encarecen a las fuentes de energía con partes móviles. El desarrollo de los diodos contribuyó a la optimización del diseño de los rectificadores, actualmente son las fuentes de energía de mayor potencia. Rectifi Rectifi cadores para el el sol deo con CC (forma (forma cons tructi va 1)

El rectificador consiste en un transformador con núcleo de dispersión y un banco de diodos, es alimentado con corriente trifásica. La dispersión parcial del flujo magnético ocasiona una caída de tensión, para una mayor carga se obtiene una curva de pendiente descendente con menor tensión en vacío.

FIGURA 10 RECTIFICADOR TRIFÁSICO CON DOS NÚCLEOS DE DISPERSIÓN SK

Rectifi Rectifi cadores para el el s oldeo con CC. CC. (forma constr uctiva 2) Control mediante resistencias inducti vas variables

El rectificador de soldar consiste en un transformador trifásico, un control trifásico con resistencias inductivas variables, y el banco de diodos. Para un incremento de inductancia, se obtiene una curva característica de pendiente descendente con igual tensión en vacío.


Tema 1.5 -10-


FIGURA 11 RECTIFICADOR TRIFÁSICO CON REGULACIÓN MEDIANTE TRANSDUCTORES

Circuito del rectif icador para el el sold eo con CC. De De la forma construct iva 2:

En la posición de encendido fuerte el conmutador 7 permite el paso de la corriente del transductor 4 hacia las bobinas adicionales, manteniendo una premagnetización constante (auto excitación). La resistencia inductiva del transductor es independiente de la carga del arco. El comportamiento dinámico de la corriente de corto circuito en el encendido del arco es fuerte, f uerte, después cae lentamente al valor estático. En la posición de encendido normal se utiliza la caída de tensión de las bobinas de la corriente de soldeo en el transductor para la premagntetización (excitación propia). La resistencia inductiva desciende con el incremento de la carga. En el encendido de arco se ajusta rápidamente la corriente estática de cortocircuito.


Tema 1.5 -11-


1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9.

Interruptor de la red Transformador trifásico Bobina adicional para el control de encendido fuerte Transductor trifásico Reóstato para la corriente de premagnetización Banco de diodos de control de la corriente continua en circuito puente DC (DB) Conmutador para la selección entre encendido fuerte y normal Banco de diodos principales en circuito puente DC (DB) Bobina de inductancia para atenuar las ondulaciones de la corriente continua, la corriente de soldeo con menor oscilación es la mejor para mantener un arco suave

FIGURA 12 ESQUEMA DE UN RECTIFICADOR CON LA VARIACIÓN DEL TIPO DE ENCENDIDO MEDIANTE UNA INDUCTANCIA ADICIONAL EN COMBINACIÓN CON EL TRANSDUCTOR

Configuración del Rectificador de Soldar

El rectificador de soldar tiene sus componentes en el interior de una caja metálica, la que protege todos los elementos contra posibles impactos, suciedad y humedad ambiental. Además, tanto los diodos como el transformador producen disipación de calor, por lo que es necesario la instalación de un ventilador de flujo axial, para enfriar todos los elementos internos. No siempre se tiene la regulación mediante un potenciómetro, algunos rectificadores de bajo coste solamente tienen transductores con derivaciones en las bobinas de inductancia, evidentemente la regulación obtenida es de niveles fijos de intensidad, con lo que no es posible ajustar la corriente de soldeo a valores adecuados para los diversos diámetros de materiales de aportación, espesores de chapa, o diferentes posiciones de soldeo tanto en chapa como en tubería.


Tema 1.5 -12-


FIGURA 13 DISPOSICIÓN INTERNA DE UN RECTIFICADOR PARA SOLDAR

1.3. 1.3. Motogeneradores Motogeneradores (convertidor es rot ativos) 1.3.1. 1.3.1. Princi pio del Converti Converti dor de Soldeo

Los convertidores y grupos electrógenos están formados por un motor y un generador de corriente. El motor puede ser eléctrico o puede ser de combustión interna. El generador puede ser de corriente continua (también llamando dínamo) o de corriente alterna. Tanto los convertidores como los grupos electrógenos se denominan también equipos giratorios o dinámicos por tener partes móviles. Los convertidores de soldeo son fuentes de energía que se usaron extensivamente antes de la aparición de los rectificadores, las desventajas en comparación con estos últimos, son el mayor coste, el mayor peso y el mayor nivel de ruidos que producen durante su funcionamiento.


Tema 1.5 -13-


FIGURA 14 ESQUEMA GENÉRICO DE UN CONVERTIDOS

1.3.2. 1.3.2. Generador Generador de campo s op uestos

Cuando la corriente de soldeo circula por los campos opuestos WG, se produce un campo en dependencia de la carga, el cual se opone al campo principal de excitación WE. El ajuste de la curva característica se realiza mediante el conmutador de campos (I, II) y la resistencia R.

FIGURA 15 ESQUEMA DEL GENERADOR DE CAMPOS OPUESTOS


Tema 1.5 -14-

ASOCIACIÓN ESPAÑOLA DE SOLDADURA SOL DADURA Y TECNOLOGÍAS DE UNIÓN 1.3.3. 1.3.3. Generador Generador de c ampo t ransvers al

Mediante el cortocircuito de las escobillas auxiliares b1 y b2 en el colector se origina un campo transversal F, que induce una tensión en el rotor, la que se transmite a las escobillas B 1 y B2 al estator. La corriente de soldeo que circula por el campo del rotor excita un campo F 3, el que es atenuado por el campo principal F 1. El ajuste de la curva característica se logra mediante el conmutador de las bobinas del estator y un núcleo de dispersión T.

FIGURA 16 ESQUEMA DEL GENERADOR DE CAMPO TRANSVERSAL

1.3.4. 1.3.4. Generador Generador con campo r egulador

Los polos desfasados por donde circula la corriente del soldeo absorben, con el incremento de la carga, una creciente parte del campo principal. La curva característica se ajusta mediante la resistencia R y el conmutador de campos I y II. La bobina adicional WU sirve tanto para el cambio de la polaridad como una protección del sentido del flujo para la polaridad.

FIGURA 17 ESQUEMA DEL GENERADOR CON CAMPO REGULADOR


Tema 1.5 -15-


1.4. Motosoldadora Normalmente al conjunto motor eléctrico - dinamo se le denomina convertidor, y al conjunto motor de combustión interna - generador de corriente alterna se denomina grupo electrógeno de corriente alterna, siendo el conjunto motor de combustión interna-dinamo un grupo electrógeno de corriente continua.

FIGURA 18 MOTOSOLDADOR A O GRUPO ELECTRÓGENO DE SOLDEO

Los grupos electrógenos, también llamados motosoldadoras se utilizan cuando no existe energía eléctrica disponible. Estos grupos pueden estar provistas de un motor diesel o a gasolina. Los grupos modernos generan corriente alterna que después es rectificada para los procesos de soldeo, además tienen la posibilidad de generar corriente trifásica de 220 V para facilitar la utilización de herramientas manuales en las obras, como son los esmeriles angulares y los taladros.

2. CARACTERÍSTICAS ELÉCTRICAS DE LAS FUENTES DE ENERGÍA (CURVAS ESTÁTICAS Y CURVAS DINÁMICAS) Las características eléctricas de los grupos de soldar están indicados en la placa de los datos de la fuente, y también están detalladas en los catálogos. Las curvas estáticas son gráficos que describen el funcionamiento de las fuentes de energía con respecto a la tensión y la intensidad de corriente.

2.1. 2.1. Característ Característ icas de las fuentes de alimentación aliment ación Están relacionadas con los parámetros eléctricos para el soldeo, estos son:

2.2. 2.2. Intensi dad de corrient cor rient e La intensidad de corriente se representa normalmente por la letra I. La unidad de la corriente, o de la intensidad de corriente, en el Sistema Internacional de Unidades (S.I.) es el amperio (A). En general, a mayor intensidad habrá mayor penetración del cordón de soldadura sobre el metal base. Demasiada intensidad forma mordeduras y proyecciones quedando el cordón con una apariencia inadecuada. inadecuada.


Tema 1.5 -16-


2.3. 2.3. Tensión Tensión eléctri eléctri ca o diferencia de potencial Para obtener una circulación de agua por el serpentín de la figura 19, es preciso que en el circuito hidráulico exista una diferencia de presión entre la entrada y la salida del mismo, esta presión es otorgada por una bomba. Para que circulen los electrones en el circuito eléctrico, será necesario una diferencia de potencial o tensión eléctrica que la proporciona pr oporciona el generador o fuente de energía. Circuito eléctrico de las fuentes de energí energía a para soldar, comparación comparación c on el circ uito h idráulico

FIGURA 19 REPRESENTACIÓN DEL CIRCUITO ELÉCTRICO EN COMPARACIÓN CON EL CIRCUITO HIDRÁULICO

La función de cualquier generador es, por lo tanto, crear una diferencia de potencial para que se establezca el flujo de electrones. La diferencia de potencial o tensión, se representa normalmente por la letra U. La unidad de medida de la diferencia de potencial en el Sistema Internacional es el voltio (V).

2.4. 2.4. Resistencia Resist encia Las tuberías del circuito hidráulico de la figura 19, tienen una resistencia a la circulación del agua debido al rozamiento del fluido con las paredes de la tubería. Esta resistencia es mayor cuando aumenta la longitud, disminuye el diámetro, y más rugosas son sus paredes interiores. También será mayor cuando aumenta el caudal del agua, porque a mayor velocidad del fluido, habrá mayor oposición a su movimiento por la tubería. Así también los conductores del circuito eléctrico, tienen una resistencia al paso de los electrones, que será mayor cuando el conductor sea más largo, menor sea su diámetro, y la naturaleza del material del conductor se oponga más al movimiento de los electrones. Esta última propiedad se denomina resistividad del metal, que es inversamente proporcional a la conductividad eléctrica del mismo. La resistencia eléctrica se representa normalmente por la letra R y se mide en ohmios, cuyo símbolo abreviado es Ω. En la tabla 2 se representan las magnitudes eléctricas antes descritas, así como sus unidades y abreviaturas normalmente utilizadas.


Tema 1.5 -17-


Magnit Magnit udes Hidráulic as Presión Caudal Resistencia a la circulación

Magnit Magnit udes eléctric as Tensión eléctrica Intensidad de corriente Resistencia eléctrica TABLA

Nomenclatur a U I R

Unidad V (Voltio) A (Amperio) Ω (Ohmio)

2

Ley de Ohm

Intensidad de corriente

Tensión Re sistencia

I

V R

La resistencia eléctrica del arco voltaico varía con su longitud, a menor separación entre los polos, la resistencia es menor, y a mayor separación entre ellos, la resistencia es mayor. En forma ideal podemos representar la resistencia constante del arco como una recta en un diagrama entre la tensión y la intensidad de corriente tal como se observa en la figura 20. La representación es ideal porque el arco real no tiene una altura constante, por lo que su resistencia no será constante sino variable. Entonces se tienen los extremos, la menor longitud posible entre los polos se denomina arco corto y la mayor longitud posible se llama arco largo, ambas resistencias representan dos rectas en cuyo intervalo se establece el arco.

FIGURA 20 RELACIÓN DE LA RESISTENCIA DEL ARCO ELÉCTRICO CON RESPECTO A LA VARIACIÓN DE LA INTENSIDAD Y LA TENSIÓN , IDEALMENTE SE REPRESENTA EN ESTE GRÁFICO PARA UNA RESISTENCIA DE 0,2 OHMIOS

2.5. 2.5. Energía eléctr ica La electricidad es una forma más de energía que se obtiene por transformación de otras energías como la química, la mecánica, etc. A su vez, la energía eléctrica se puede transformar en otros muchos tipos de energía: calorífica, luminosa, mecánica, química, etc.


Tema 1.5 -18-


La energía es la capacidad de los cuerpos para producir trabajo. La energía eléctrica es una de las formas de energía más utilizadas y encuentra numerosas aplicaciones para el alumbrado, calefacción, máquinas eléctricas, aparatos electrodomésticos, etc. La energía eléctrica es el trabajo realizado por los electrones al desplazarse a lo largo de un conductor, debido a la diferencia de potencial entre sus extremos. La unidad de energía en el Sistema Internacional es el Julio y se representa con la letra J. Este valor es pequeño, con la intención de expresar cantidades cantidades mayores se utiliza el Kilowat - hora. (1Kwh ( 1Kwh = 3,6 x 10 6 J).

2.6. 2.6. Potencia de eléctr ica La energía eléctrica que aporta un generador es función del tiempo durante el cual el circuito está conectado. La potencia es el trabajo realizado por unidad de tiempo. En los aparatos eléctricos se obtiene multiplicando la tensión en Voltios (V), por la intensidad de corriente en Amperios (A), y se expresa en Watios (W). P=V.I P = Potencia eléctrica, medida en watios (W). V = Diferencia de potencial, medida en voltios (V). I = Intensidad de corriente, medida en amperios (A). Por ejemplo, un arco eléctrico por el que circula una corriente de 75 Amperios bajo una tensión de 25 Voltios tiene una potencia de 1875 W (1,875 KW) P = 75A x 25V = 1875W Potencia del arco

La potencia del arco voltaico varía con la regulación de la tensión y la corriente, si elevamos la corriente en una máquina de soldar la potencia será mayor, entonces se podrá soldar también con electrodos de mayor diámetro. En forma ideal se representa la potencia del arco como el área resultante del producto de la tensión por la intensidad de corriente. Es evidente que para soldar chapa gruesa será necesario ajustar valores elevados de intensidad, por el contrario, para soldar chapa delgada será necesario ajustar bajos niveles de intensidad y tensión. POTENCIA = TENSIÓN x INTENSIDAD

P=VxI

Watt = Voltios x Amperios


Tema 1.5 -19-


FIGURA 21 RELACIÓN DE LA POTENCIA EN FUNCIÓN DE LOS PARÁMETROS DE SOLDEO , PARA UNA RESISTENCIA DE ARCO CONSTANTE

En la figura 21 se representa la relación entre la tensión V en Voltios y la Intensidad I en Amperios. Para una resistencia de arco de 0.2 Ohmios se tiene aproximadamente 26 Voltios y 130 Amperios, el producto será: 26 V x 130 A = 3,380 Watt

2.7. Curvas características descendente, plana y vertical Para los diferentes procesos de soldeo son necesarias diferentes características de las fuentes de energía. Estas son diseñadas especialmente por la facilidad que brindan en el control del arco para cada proceso. Las curvas características definen el comportamiento de cada fuente de energía. 2.7.1. 2.7.1. Curva característi ca de pendiente descendente (intensi dad con stante)

El arco no tiene una altura constante por el efecto del control manual por parte del soldador, por lo tanto tendrá que variar entre las tensiones de arco largo y arco corto, Con el arco corto la resistencia es menor y con el arco largo la resistencia será mayor. Tal como se expresa de acuerdo a la ley de Ohm. Para esa variación de la tensión entre ambas longitudes de arco, la variación de la intensidad será mínima. Esta es la característica de las máquinas de corriente constante (figura 22).


Tema 1.5 -20-


FIGURA 22 CURVA CARACTERÍSTICA DE PENDIENTE DESCENDENTE

2.7.2. 2.7.2. Curva característi ca plana (tensión c onst ante)

Esta curva es característica de las fuentes de energía para procesos semiautomáticos. La variación de la intensidad de corriente es muy amplia para una pequeña variación de tensión, obteniéndose una altura de arco casi constante aún con alambres delgados, como se aprecia en la figura 23.

FIGURA 23 CURVA CARACTERÍSTICA PLANA PARA LAS FUENTES DE TENSIÓN CONSTANTE


Tema 1.5 -21-


Las fuentes de voltaje o tensión constante son adecuadas para los procesos semiautomáticos y automáticos como los procesos MAG, alambre tubular y arco sumergido, porque estos procesos necesitan una regulación interna de la corriente para mantener una altura de arco constante mientras se mantiene la velocidad de alimentación del alambre. 2.7.3. Curva característica vertical (intensidad constante)

Es una curva especial para los procesos TIG y TIG plasma. La característica principal es que la intensidad es absolutamente constante, sea cual fuere la altura del arco, este caso se representa en la figura 24. Existen equipos de soldeo TIG, en los que después de encender el arco, se puede levantar la pistola hasta una altura mayor a 500 mm con la intensidad de soldeo constante.

FIGURA 24 CURVA DE PENDIENTE VERTICAL

3. RELACIÓN ENTRE LA CURVA ESTÁTICA Y EL PROCESO DE SOLDEO 3.1. Tensión Tensión en vacío y tensión de arco Una máquina de soldeo por arco, de intensidad constante es aquélla que sirve para ajustar la corriente del arco y que tiene una característica estática que tiende a producir una intensidad de corriente relativamente constante. Una fuente de este tipo se denomina de intensidad constante o característica descendente. La tensión en vacío (V o) es la máxima tensión que puede suministrar suministrar la fuente y es la tensión existente en los bornes de la fuente cuando no se está soldando. La tensión en vacío del circuito abierto puede ser de hasta 80 voltios, siendo usualmente mayor al doble de la tensión de soldeo, se emplea principalmente para asegurar la facilidad de encendido y el mantenimiento del arco.


Tema 1.5 -22-


FIGURA 25 CARACTERÍSTICA DE UNA FUENTE DE ENERGÍA DE INTENSIDAD CONSTANTE

La intensidad de cortocircuito (I cc) es la corriente máxima que suministra la fuente. Para encender el arco se produce un cortocircuito, en este momento se anula la tensión y la intensidad que circula es la máxima (Icc), gracias a esto se calienta el electrodo y se puede cebar el arco. Este tipo de característica es la más adecuada para el soldeo TIG y soldeo con electrodos revestidos. Con este tipo de fuentes los cambios de longitud del arco producidos de forma natural por el soldador, no provocan grandes cambios en la intensidad de soldeo y se puede obtener un arco estable.

FIGURA 26 EFECTOS DE LA VARIACIÓN DE LA ALTURA DEL ARCO EN UNA FUENTE DE CORRIENTE CONSTANTE


Tema 1.5 -23-


La variación de la longitud del arco no produce grandes cambios en la intensidad de soldeo cuando se utiliza una fuente de intensidad constante

4. CONTROL DE LAS CARACTERÍSTICAS ELÉCTRICAS DE LAS CURVAS ESTÁTICAS (PLANA E INCLINADA) Al variar la corriente de salida mediante la inductancia variable del transductor en una fuente de energía de intensidad constante, cambia la curva característica como se indica en la figura 27. La tensión en vacío Uo es constante.

FIGURA 27 VARIACIÓN DE LA CORRIENTE EN UNA FUENTE DE ENERGÍA DE INTENSIDAD CONSTANTE

La fuente de energía también puede tener un ajuste de la tensión en vacío, además de un control sobre la intensidad de la corriente de salida. Esto se logra mediante derivaciones en el circuito primario o en el circuito secundario, un ejemplo se tiene en las figuras 2, 10, 15 y 27. La variación de la corriente de soldeo se realiza con el transductor en el rango r ango preseleccionado. preseleccionado. Así como las fuentes de energía que tienen dos rangos de intensidad de soldeo, rango alto con intensidades mayores a 150 amperios y rango bajo con intensidades menores a 200 amperios.

FIGURA 28 AJUSTE DE LA TENSIÓN EN VACÍO


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4.1. Control del arco en la curva característica de pendiente descendente Los dispositivos de regulación deberán permitir el ajuste de la tensión del arco de acuerdo con la siguiente fórmula establecida por la VDE. Tensión del arco normalizada por la VDE – Asociación Alemana de Electrónicos. U = 20 + (0,04 x I) [V]

(sobre los 600 A, U = 44V)

4.2. 4.2. Contro Contro l del arco en la c urva característica plana Los dispositivos de regulación deberán permitir el ajuste de la tensión del arco de acuerdo con la siguiente fórmula establecida por la VDE. Tensión del arco normalizada por la VDE – Asociación Alemana de Electrónicos. U = 14 + (0,05 x I) [V]

(sobre los 600 A, U = 44V)

5. ESTABILIDAD DE LA CURVA DEL ARCO PARA LOS PROCESOS PRINCIPALES (MMA, TIG, MIG/MAG, SAW, PAW) Las fuentes de alimentación modernas tienen dispositivos electrónicos que permiten mantener la estabilidad del arco para cada proceso. En el proceso de electrodo revestido existe una regulación de mayor corriente de arranque en un porcentaje de la corriente de soldeo, una vez encendido el arco la intensidad se mantiene estable en el valor ajustado. También existe otro dispositivo que es útil para los electrodos celulósicos en el soldeo de oleoductos (posición PG), donde es posible producir corto circuito en el proceso de soldeo manual, haciendo contacto del extremo del electrodo sobre el baño de fusión. Este cortocircuito se anula porque la fuente responde con un impulso de corriente de alta intensidad, fundiendo el extremo del electrodo y manteniendo el arco estable a pesar de hacer contacto con el baño de fusión. Esto facilita hacer unas pasadas de raíz con buena penetración. Un ejemplo de este principio se observa en la figura 12, con el encendido fuerte. Para los procesos TIG y Plasma se prefieren las curvas de pendiente vertical, adicionalmente existe un programa de operación que sincroniza la intensidad de inicio, intensidad de soldeo, y la intensidad final. Existen dispositivos que permiten ajustar el arco en la punta del electrodo, teniendo la posibilidad de realizar cordones angostos de buena penetración, o cordones planos de poca penetración. Las curvas características planas son adecuadas para los proceso MIG/MAG y Arco sumergido, debido a la alta densidad de corriente que circula por el alambre electrodo, el cual es alimentado automáticamente. En las fuentes de energía para los procesos semiautomáticos, la velocidad de alimentación está sincronizada con la intensidad de corriente, a mayor velocidad de alambre habrá mayor intensidad, esto permitirá mantener un arco estable tanto con arco largo como con arco corto. La velocidad de alambre es ajustada en el alimentador de las fuentes de energía de los procesos semiautomáticos. Para un ajuste correcto es imprescindible el correcto ajuste de la tensión del arco, esto se logra mediante la observación del cordón de soldadura, el sonido del arco y el comportamiento de la transferencia de metal. -CURSO DE FORMACIÓN DE INGENIEROS EUROPEOS/INTERNACIONALES DE SOLDADURA-

Tema 1.5 -25-


En las máquinas de arco sumergido, la velocidad de alambre es casi constante, no se ajusta como en los procesos semiautomáticos, pero se regula automáticamente en la máquina. Además en algunas fuentes automáticas se ajusta la distancia entre la boquilla y la chapa mediante un palpador o seguidor que está en contacto directo con la chapa. Esto es muy útil para el soldeo de virolas, dado que los diámetros máximo y mínimo de las virolas hacen que varíe la distancia entre la boquilla y la chapa.

6. EL PUNTO DE OPERACIÓN

FIGURA 29 VARIACIÓN DE LA ALTURA DE ARCO PARA UNA TENSIÓN CONSTANTE , EN FUNCIÓN DE LA VELOCIDAD DE ALAMBRE Y LA INTENSIDAD DE SOLDEO. EL PERFIL DEL CORDÓN Y EL RENDIMIENTO DE FUSIÓN VARÍAN NOTABLEMENTE

En los procesos de soldeo manual, el punto de funcionamiento dependerá de la habilidad del soldador para mantener un arco corto. El arco largo es totalmente negativo para el soldeo, produciendo salpicaduras y defectos en el depósito de soldadura. También es un método para determinar el pulso del soldador, puesto que si se registra la variación de la tensión en el tiempo, mediante un registrador de tensión, aquellos que mantengan un arco irregular producirán una curva muy inestable, mientras los que mantienen un arco regular producirán una curva de muy poca oscilación. La estabilidad del arco se refleja en la mínima variación de la tensión del arco. En los procesos semiautomáticos la altura de arco es constante debido a la regulación interna de la fuente de energía, esto es posible gracias a la curva característica plana. La figura 29 ilustra la variación del punto de funcionamiento en función a la variación de la velocidad de alambre. En cada caso la altura de arco será constante a pesar de la variación de al altura de la pistola con respecto a la chapa. El rendimiento de fusión aumenta directamente en proporción a la velocidad de alambre y la intensidad del arco.


Tema 1.5 -26-


7. LA TECNOLOGÍA DEL INVERTER (INVERSOR)

FIGURA 30 PRINCIPIO DEL INVERSOR PARA SOLDEO

Las fuentes de energía de última generación son los inversores, como se aprecia en la figura 30, estos equipos rectifican la corriente alterna de la red, la corriente continua resultante es transformada en corriente alterna de alta frecuencia y de onda cuadrada mediante un banco de transistores. De acuerdo al principio del flujo magnético en función a la frecuencia de la corriente, con la alta frecuencia se produce un flujo de alta densidad, el que circula por un núcleo especial de ferrita para flujo de alta densidad. Este principio permite reducir ostensiblemente el tamaño del transformador. La ventaja principal es la reducción del peso de la fuente de energía, teniéndose equipos de 3 a 40 kilos para corrientes de 150 a 500 Amperios. Esto es especialmente ventajoso para los trabajos en obra donde el transporte de los equipos es siempre una dificultad y un coste a considerar. Los inversores se fabrican tanto para los procesos con curva característica de pendiente descendente como para los de curva característica plana. Son especialmente adecuados para la curva característica vertical para el proceso TIG. Existen también equipos multiprocesos con ambos tipos de curva.

8. FUENTES DE ENERGÍA CONTROLADAS POR UN ORDENADOR Las fuentes de energía más sofisticadas tienen un control adicional con programas de operación, con memorias y hasta con ordenadores para variar los programas, son conocidas como fuentes sinérgicas. Las fuentes sinérgicas para los procesos semiautomáticos tienen programas donde el soldador selecciona el punto de operación dando los datos de diámetro de alambre, tipo de metal y tipo de gas protector. Con esta combinación el programa arroja un punto de operación inicial de intensidad, velocidad de alambre y tensión, éste puede ser ajustado manualmente por el soldador hasta determinar el punto más óptimo, cuyos valores finales son almacenados en una memoria. Se pueden almacenar diferentes puntos de operación en diferentes memorias para la técnica de varias pasadas, o para diferentes posiciones de soldeo. Estos datos se pueden registrar mediante una conexión a un ordenador personal. Otros equipos de soldadura orbital tienen la posibilidad de programar los parámetros de soldeo mediante un ordenador, en el que se ajusta la frecuencia de arco pulsado, la intensidad de la corriente de los impulsos, la intensidad de base, los tiempos individuales de los impulsos y de la corriente de base. Estos -CURSO DE FORMACIÓN DE INGENIEROS EUROPEOS/INTERNACIONALES DE SOLDADURA-

Tema 1.5 -27-


parámetros son ajustados para cuatro cuadrantes cuando el tubo está con el eje horizontal, de modo que dos cuadrantes son en progresión descendente, y dos en progresión ascendente. Los parámetros una vez ajustados son controlados automáticamente durante el soldeo en cada cuadrante. También es posible el ajuste de parámetros en varias pasadas. Además existen equipos de arco pulsado, donde es posible programar las variables de los impulsos de arco, como son la intensidad de pico, la intensidad de base y la frecuencia de los impulsos. Las versiones para robots permiten sincronizar todas las variables para la ejecución de cada cordón en la fabricación en serie, por ejemplo en la industria automotriz, un robot debe soldar diferentes cordones con diferentes parámetros, en diferentes posiciones y trayectorias, donde cada cordón tiene unos parámetros de soldeo diferente. Esto es posible gracias a los modernos sistemas de control, permitiendo programar los movimientos del robot con los parámetros correspondientes a cada cordón. Otros equipos robotizados combinan también los movimientos del utillaje para permitir en los posible el soldeo en posición plana, de modo que la productividad del robot sea la más óptima. En los equipos multiproceso, existe la posibilidad de programar un solo robot para el soldeo con dos procesos, unos brazos y pistolas intercambiables permiten realizar el cambio de pistola del proceso semiautomático al proceso TIG y viceversa.

9. LA ESTABILIDAD ESTABILIDA D DE LOS PROCESOS PROCESOS EN CA Y DC Para el proceso TIG en corriente alterna se produce el encendido del arco y el mantenimiento del mismo mediante la generación de impulsos de alta frecuencia y alta tensión. Esto es favorable especialmente para el soldeo de aluminio y de magnesio. Debido a la capa de óxido de la superficie de estos metales que no permite el soldeo en corriente continua electrodo al negativo, y que solamente es posible romper esa tensión superficial en polaridad inversa. Pero en esta polaridad se funde el electrodo de tunsteno, por lo tanto es necesario emplear la corriente alterna, si los impulsos de alta frecuencia en cada semionda no se podría establecer el arco en corriente alterna para el soldeo de aluminio. Esto se representa en la figura 31. Para el soldeo con corriente continua existen fuentes que permiten mantener un arco hasta con una intensidad de 3 Amperios. En el proceso de soldeo TIG plasma esto es incluso posible con 0,05 Amperios. Esta característica es muy útil para el soldeo de láminas muy delgadas de metal.


Tema 1.5 -28-


FIGURA 31 REPRESENTACIÓN DE LOS IMPULSOS DE ALTA FRECUENCIA Y ALTA TENSIÓN PARA EL ENCENDIDO DEL ARCO EN CADA SEMIONDA DE LA CORRIENTE ALTERNA DE SOLDEO EN EL PROCESO TIG

10. FUENTES FUENTES DE ENERGÍA ENERGÍA DE CA (ONDA SINUSOIDAL SINUSOIDAL Y ONDA CUADRADA) CUADRADA ) Para el soldeo de aluminio la corriente alterna puede ser modificada con un filtro condensador, de modo que la corriente sinusoidal es desfasada y las amplitudes de las ondas positiva y negativa son modificadas para lograr un mayor o menor calor transferido a la chapa, lo que a su vez producirá un mayor o menor calentamiento del electrodo de tungsteno como se observa en la figura 32. Con mayor amplitud de onda negativa y menor amplitud de onda positiva el electrodo de tungsteno tiene menor riesgo de fundirse, pero habrá menor penetración de la soldadura en la chapa.

FIGURA 32 MODIFICACIÓN DE LAS AMPLITUDES DE LAS ONDAS POSITIVA Y NEGATIVA EN LA CORRIENTE ALTERNA DEL PROCESO TIG


Tema 1.5 -29-


En el caso de los inversores se puede hacer el mismo efecto con la onda cuadrada de corriente alterna a la salida del transformador. Pero además se puede variar la frecuencia de esta corriente alterna de onda cuadrada, usándose una mayor frecuencia para las chapas delgadas y una menor frecuencia para las chapas gruesas. Otras fuentes permiten ajustar el tiempo de las ondas positiva y negativa.

11. FACTOR DE POTENCIA DE LOS TRANSFORMADORES 11.1. 11.1. Requis Requisito ito s de la conexi ón a la red En lo posible se deberá elegir las fuentes trifásicas, por tener una carga simétrica sobre la red, una carga uniforme y en lo posible una carga baja. Amortiguando los choques de carga dela red sobre el puesto de soldeo y los choques de carga del puesto de soldeo sobre la red. Esto se logra corrigiendo el factor de potencia del circuito inductivo, mediante la instalación de condensadores en las fuentes de energía o en la subestación del taller de soldeo, a esto se le denomina corrección o rectificación del factor de potencia.

11.2. Seguridad de la instalación Los cables del circuito primario deben ser seleccionados de acuerdo a la sección necesaria para la protección de los grupos de soldar. (ver en los datos característicos de la fuente). Los grupos pequeños de conexión monofásica pueden ser protegidos mediante interruptores magnéticos de 16 A- HLS-Automáticos, o con fusibles de 10 A. Tipo de carga a la red Conexión Amplitud de energía Amortiguación de la carga en cortocircuito (variaciones de tensión) Reducción de la potencia aparente de la red

Transform ador Asimétrica Irregular

Rectifi cador Simétrica Irregular

Convertid or Simétrica Irregular

Ninguna

Ninguna

Dada por el tipo de fuente

Sí, mediante condensadores

Sí, mediante condensadores

Sin condensado condensadores, res, debido al buen factor de potencia (cos ϕ ≅ 1)

TABLA 3 COMPARACIÓN DE LAS CARACTERÍSTICAS DE LOS TRES TIPOS DE FUENTE DE ENERGÍA

La corrección producida por un banco de condensadores, reduce la reactancia y al disminuir el ángulo ϕ, se incrementa el cos ϕ, cuyo valor máximo es 1. Así disminuye la potencia reactiva. reactiva.

FIGURA 33 REPRESENTACIÓN DEL FACTOR DE POTENCIA EN UN TRANSFORMADOR CON Y SIN CONDENSADORES


Tema 1.5 -30-


FIGURA 34 ESQUEMA DEL CIRCUITO CON CONDENSADORES EN FUENTES MONOFÁSICAS Y TRIFÁSICAS


Tema 1.5 -31-


12. CICLO DE CARGA DE UNA FUENTE DE ENERGÍA Y VALORES TÍPICOS PARA LOS PROCESOS MÁS COMUNES DE ARCO ELÉCTRICO Toda fuente de energía tiene un límite de suministro de corriente en el que los circuitos internos pueden superar la temperatura admisible del aislamiento de las bobinas del primario y del secundario, éstas se pueden sobrecalentar hasta que las espiras hacen cortocircuito. El transformador queda averiado.

12.1 12.1.. Factor Factor de utili zación zación o facto r de marcha El factor de marcha (o factor de operación) es el porcentaje de tiempo, durante un período cualquiera, en el que una fuente de energía, o sus accesorios, pueden funcionar en las condiciones previstas sin sobrecalentarse. Factor de marcha (%)

Tiempo de soldeo duración del periodo de tiempo

x 100

Duración del periodo = tiempo de soldeo + tiempo de descanso

FIGURA 35 REPRESENTACIÓN DEL FACTOR DE MARCHA DE UNA FUENTE DE ENERGÍA

El factor de marcha dependerá de los parámetros de soldeo, cuanto mayor sea la intensidad de soldeo menor será el factor de marcha de la máquina. Esto se puede ver en el siguiente caso práctico: Una empresa ha comprado una fuente de energía de una corriente nominal de 360 Amperios a un ciclo de trabajo de 35 %; ¿Cuál sería el ciclo de trabajo de la mencionada máquina para una Intensidad de 275 Amperios?. El cálculo del nuevo factor de marcha es: Ta = ( I / Ia )2 x T


Tema 1.5 -32-


Donde : T

= Factor de marcha actual (%).

Ta

= Factor de marcha requerido (%).

I

= Intensidad para el factor de marca actual (A).

Ia

= Intensidad requerida, para un caso de servicio pesado (duty cycle) (A).

Entonces: Ta = ( 360 A / 275 A ) 2 x 35 % Ta = 60% La fuente de energía podrá funcionar con un factor de marcha del 60% con una intensidad de corriente de 275 amperios.

13. PÉRDIDAS DE VOLTAJE, RELACIÓN ENTRE LA CORRIENTE Y LA SECCIÓN DEL CABLE 13.1. Dispositi vos de conexión a masa Es el medio de conexión del cable de masa a la pieza de trabajo, y están disponibles disponibles en varios tamaños y configuraciones para diferentes aplicaciones. La condición a cumplir es que deben estar en buen estado de conservación y deben hacer un contacto firme con el metal base. Una pinza en mal estado no brinda la seguridad de una buena conducción eléctrica, produciendo inestabilidad inestabilidad en el arco durante el soldeo.

FIGURA 36 DISPOSITIVOS DE TOMA DE MASA DE TENAZA O DE BORNES ATORNILLADOS O PRENSADOS


Tema 1.5 -33-


13.2. Cables, portaelectrodos

FIGURA 37 PORTAELECTRODO Y SUS PARTES

El calibre de los cables de portaelectrodo y de pinza a masa deben ser seleccionados de acuerdo a la carga de corriente que deben soportar, y esto está en función del diámetro de electrodo y del tamaño de la fuente de energía. Es preferible que ambos tengan el mismo diámetro, sin embargo ocasionalmente uno se los cables, generalmente el de conexión a masa puede se de mayor diámetro, pero nunca de menor diámetro. Es preferible tener buenos conductores en la corriente de soldeo, en los talleres suelen utilizarse barras, tuberías de agua, y todo tipos de elemento metálico para cerrar el circuito, lo cual conlleva muchas veces a fallos en los cordones de soldadura.

Fuente de energía Factor de Amperios marcha (%) 100 20 180 20 – 30 200 60 200 50 250 30 300 60 400 60 500 50 600 60

CALIBRE DEL CABLE DE COBRE No. AWG para una longitud combinada de electrodo y pinza de tierra 0 a 15 mt

15 a 30 mt

30 a 46 mt

46 a 61 mt

61 a 76 mt

2 2 1 1 1 2/0 3/0 3/0 4/0

1 1 1/0 1/0 1/0 3/0 4/0 4/0 *

6 4 3 4 4 3 2 2 2 3 3 2 3 3 2 1/0 1/0 1/0 2/0 2/0 2/0 2/0 2/0 3/0 2/0 2/0 3/0 * Use dos cables 3/0 en paralelo.

TABLA 4 DIMENSIONES DE LA SECCIÓN TRANSVERSAL DE LOS CABLES DE SOLDEO EN FUNCIÓN DE LA INTENSIDAD DE SOLDEO Y DE LA LONGITUD DE LOS MISMOS


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13.3. Accesorios de las Maquinas de Soldar y Su Mantenimiento Conexión de los cables del circuito de corriente de soldar a la fuente de energía.

Acop Ac ople le

Enchu Enc hufe fe

Enchufe y terminal de cable ¡Aislar con envoltura de goma o material flexible de correctamente ajustados empalme de las extensiones! FIGURA 38 FUENTE DE ENERGÍA PARA EL SOLDEO POR ELECTRODOS REVESTIDOS Y SUS ACCESORIOS

Las conexiones deben estar limpias y correctamente ajustadas para evitar puntos de falso contacto. En las conexiones precarias se produce calentamiento por resistencia y caída de tensión. La tensión para encender y mantener el arco no debe ser menor de la que sale de la fuente de energía, la máxima caída de tensión debe ser menor a 2 Voltios. Puntos com unes de caída de tensión y calentamiento calentamiento por r esistencia Conexiones sin apretar (flojas) de los cables de fuerza. Cable de fuerza demasiado pequeño. Cable de fuerza dañado. Conexión a tierra (pieza de trabajo) floja o en mal estado.


Tema 1.5 -35-


Calibración Calibración del registro de salida Los parámetros mas importantes para el soldeo por arco con electrodo revestido son la tensión en vacío, la tensión de carga y la corriente de carga. Adicionalmente se puede medir la tensión de arco para estar seguros de que los cables son los adecuados y las conexiones están correctas. La regulación de los parámetros en la fuente de energía debe acercarse a estos valores reales para que el soldador pueda variarlos de acuerdo al tipo y diámetro de electrodo.

FIGURA 39 MEDICIÓN DE LA TENSIÓN DE SALIDA DE LOS BORNES DE LA FUENTE , TENSIÓN DEL ARCO ENTRE PORTAELECTRODOS Y CHAPA , Y CORRIENTE DE SOLDEO EN EL PROCESO DE SOLDEO POR ELECTRODOS REVESTIDOS

La tensión de arco que debe existir entre la pinza a masa y el portaelectrodo no debe ser demasiado baja para poder soldar correctamente. La razón de usar un cable suficientemente grueso es porque la caída de tensión, o pérdida de voltaje no debe ser mayor a 2 Voltios. Porque todo conductor eléctrico también tiene una resistencia en función a la resistividad específica de cada material, en el caso del cobre este valor es:

ρCu = 0,0175 Ohmios x mm 2 / m La resistencia del conductor es: Rcable = ρCu x (Longitud total de los cables / Sección del conductor).

(1)

La caída de tensión no deberá ser mayor a 2 Voltios, por lo tanto, de acuerdo a la ley de Ohm.

∆V < Rcable x I

(2)

∆V = 2 voltios


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I = 160 Amperios Amperios (corriente normal para un electrodo básico básico de 4 mm de diámetro). diámetro). Longitud del cable porta electrodo = 30 metros. Longitud de cable de grapa a tierra = 20 metros. Longitud total de los cables = 50 metros. La pregunta es; ¿Cuál deberá ser la sección del cable? Reemplazando Reemplazando (1) en (2) y despejand despejando o la variable de la sección se obtiene: Sección del conductor = ρCu x I (Longitud total de los cables / ∆V ) Reemplazando Reemplazando valores: Sección del conductor = ( 0,0175 Ohmios x mm 2 / m ) x 160 Amperios ( 50 m / 2Voltios) Entonces la sección del cable es: 0,0175 x 160 x 50 / 2 = 70 mm 2 En las tablas de las secciones de los cables de soldar se podrá ver que es de un diámetro grueso. Por eso es muy importante seleccionar los cables correctamente para evitar los problemas de calentamiento y corte de arco por una caida de tensión demasiado elevada. ¿Qué pasaría si en lugar de usar un cable de mm 2 usamos solamente un cable de 40 mm 2? La caída de tensión sería:

∆V = ρCu x (Longitud total de los cables / Sección del conductor) x I. ∆V = ( 0,0175 0,0175 Ohmios Ohmios x mm mm2 / m ) x 160 Amperios ( 50 m / 40mm2 ) ∆V = 3,5 Voltios Con lo que el arco podrá ser inestable, porque la caída de tensión es 75% mayor al valor permisible. Además por el caso del problema de la caída de tensión del arco, toda resistencia adicional ente los cables y en todo el circuito de soldeo será motivo de una posible caída de tensión. Por eso se debe sujetar la grapa a tierra adecuadamente en la chapa, porque con el deslizamiento libre se producen puntos de cebado y debido a que no existe un contacto firme, se tiene en toda conexión floja una resistencia que elevará la caída de tensión de arco. Las conexiones sueltas, las extensiones con elementos metálicos solamente incrementan la resistencia del circuito, porque son resistencia en serie, de acuerdo al siguiente esquema. El soldador no advierte estos peligros, cuando el arco se interrumpe cree que la intensidad de corriente es insuficiente, entonces aumenta la corriente de soldeo en la fuente, y al soldar se da con la sorpresa de que la intensidad está demasiado alta, porque ya se deterioró el cordón de soldadura, con lo que habrá que realizar una reparación de la zona defectuosa. Un circuito defectuoso de los cables de soldar se representa en la figura 40, es evidente que las conexiones sueltas producirán una caída de tensión mayor a la permisible para la estabilidad del arco, cuyo -CURSO DE FORMACIÓN DE INGENIEROS EUROPEOS/INTERNACIONALES DE SOLDADURA-

Tema 1.5 -37-


valor no deberá ser mayor a 2 voltios desde la fuente de energía al portaelectrodo. Por esta razón no se deben usar conexiones precarias, ni elementos de acero, ni tubos ni barras como conductores en lugar de un cable a masa con una pinza en buen estado, para fijarla correctamente a la chapa o a la estructura a soldar.

El circuito resultante tendría la suma de todas las resistencias. RTOTAL = R1 + R2 + R3 + R4 + R5 + R6 + RCABLES

FIGURA 40 REPRESENTACIÓN DEL CIRCUITO DE SOLDEO CON RESISTENCIA QUE PRODUCEN CAÍDA DE TENSIÓN POR CONTACTOS Y CONDUCTORES INAPROPIADOS


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14. LA TÉCNICA DEL ARCO PULSADO El arco pulsado es muy importante para las fuentes de energía de MAG en el soldeo de acero inoxidable y MIG en el soldeo de aluminio, permitiendo obtener una transferencia libre de cortocircuitos, así como libre de salpicaduras, aún en bajos niveles de energía.

FIGURA 41 DESCRIPCIÓN DE LOS PRINCIPALES PARÁMETROS DEL ARCO PULSADO

Si bien las fuentes de arco pulsado son más caras que las fuentes convencionales, las ventajas en los resultados del soldeo son enormes, y amortizan este coste en corto tiempo. Es posible usar también alambre de mayor diámetro para espesores delgados de chapa, además es posible variar la frecuencia de los impulsos. En la figura 41 se observa que la variación de la frecuencia de los impulsos, tiene un efecto importante el la intensidad efectiva, a mayor frecuencia de impulsos habrá mayor intensidad efectiva y mayor rendimiento r endimiento de fusión.


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15. CURVA DE CONTROL DEL ARCO Y DISPOSITIVOS, PENDIENTE ASCENDENTE Y DESCENDENTE, PRE - Y POST- FLUJO En las fuentes de energía para el proceso TIG se tiene un programa de operación para sincronizar los tiempos de pre y post flujo de gas protector, además se observa una pendiente ascendente ascendente para el inicio del soldeo y una pendiente descendente para el final. Esto se puede controlar ya en la pistola o en la antorcha, además existe un dispositivo opcional que consiste en un reóstato que puede estar en un pedal o en la misma pistola de la máquina.

FIGURA 42 REPRESENTACIÓN DEL ARCO DE SOLDEO, LOS IMPULSOS DE ALTA FRECUENCIA Y LOS TIEMPOS DE PRE Y POST FLUJO DE GAS PROTECTOR EN EL PROCESO DE SOLDEO TIG


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16. REGULACIÓN DE LA CORRIENTE ELECTROMAGNÉTICOS Y ELECTRÓNICOS)

Y

EL

VOLTAJE

(DISPOSITIVOS

16.1. Control de la corriente de soldeo Los dispositivos para controlar la corriente de soldeo son: Interruptor escalonado con derivaciones en los circuitos primario o secundario. Núcleo móvil o núcleo de dispersión. Transductor con potenciómetro con una resistencia variable (reóstato), o con dispositivos electrónicos de control. Los dispositivos electrónicos son los más sofisticados, y los más adecuados para el control del arco en las diferentes fuentes de energía para el soldeo, sin embargo, es conveniente controlar la corriente y la tensión de soldeo para mantener la uniformidad de los depósitos en función a los valores dados por las especificaciones de los procedimientos de soldeo ya cualificados, para ello es muy importante contar con instrumentos como el multímetro o polímetro calibrado con el que se podrá contrastar también las fuentes de energía.

16.2. Instrumentación Mediante los instrumentos de medición de las variables eléctricas se puede medir la tensión y la corriente de las fuentes de potencia. Medición de la tensión en vacío

Se mide entre los bornes de salida de la fuente de poder, o entre la grapa a tierra y el portaelectrodo. La fuente de poder debe estar encendida pero no se debe hacer arco ni cortocircuito con el electrodo. El valor de la tensión en vacío puede ser aproximadamente 70 Voltios. En transformadores pequeños suele ser menor a 50 Voltios. Medición Medición de la tensión tensión de corto circuit o

Se mide entre los bornes de salida de la fuente de poder. La fuente de poder debe estar encendida, se debe hacer cortocircuito con el electrodo, pero no se debe hacer arco. El valor de la tensión de cortocircuito es aproximadamente cero.


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FIGURA 43 DESCRIPCIÓN DE LA MEDICIÓN DE LA TENSIÓN EN VACÍO

FIGURA 44 MEDICIÓN DE LA TENSIÓN DE CARGA


Tema 1.5 -42-

ASOCIACIÓN ESPAÑOLA DE SOLDADURA SOL DADURA Y TECNOLOGÍAS DE UNIÓN Medición de la tensión de carga

Se mide entre los bornes de salida de la fuente de poder como se aprecia en la figura 44. La fuente de energía debe estar encendida, se debe establecer el arco soldando con un electrodo. El valor de la tensión de carga es aproximadamente 22 a 26 voltios, variando de acuerdo a la altura del arco y al tipo de revestimiento del electrodo. Medición de la tensión de arco

Se mide entre el portaelectrodo y la chapa del metal base mientras se está soldando, la diferencia con la tensión de carga es una caída de tensión causada por la resistencia de los cables. La tensión de arco es menor que la tensión de carga y su valor es menor a 25 Voltios pero mayor a 21 Voltios. Una tensión menor a 21 Voltios no es buena para mantener la estabilidad del arco, y puede originar fallos en el depósito. La causa puede estar en los cables si éstos son delgados, en las conexiones sueltas o sucias, o en la fuente de energía cuando es pequeña o cuando está defectuosa. Al final de este capítulo se tiene un ejemplo de la posible razón de la caída de la tensión del arco debida a los cables delgados o a las conexiones defectuosas.

FIGURA 45 DESCRIPCIÓN DE LA MEDICIÓN DE LA TENSIÓN DE ARCO Y COMPARACIÓN CON LA TENSIÓN DE CARGA

Comprobación de seguridad

La comprobación de seguridad consiste en medir la tensión en vacío entre el portaelectrodo y otros puntos que pueden verse afectados por el soldeo. Por ejemplo para verificar que la corriente de soldeo no vá a circular por rodamientos, por cables de grúas, o por la línea de protección de tierra de los circuitos de energía eléctrica. Es peligroso cerrar un circuito con la línea de protección de la instalación eléctrica porque puede ocasionar accidentes. -CURSO DE FORMACIÓN DE INGENIEROS EUROPEOS/INTERNACIONALES DE SOLDADURA-

Tema 1.5 -43-


Adicionalmente es necesario verificar la tensión entre los portaelectrodos de dos o más fuentes de potencia de corriente alterna, porque dos transformadores conectados a fases diferentes pueden sumar las tensiones de salida cuando los cables de portaelectrodo y pinza a tierra están en contacto con una sola estructura a soldar. Esto puede electrocutar a los soldadores porque la tensión resultante es mayor a 100 Voltios en corriente alterna.

FIGURA 46 POSIBLE SUMA DE LAS TENSIONES EN VACÍO DE DOS FUENTES DE ENERGÍA

16.3. 16.3. Selecci Selección ón de la fuente fu ente de energía Para una selección de las fuentes de energía se deberá considerar:

• • • • • •

Tipo de corriente necesaria ( continua o alterna) Intensidad de corriente necesaria para el soldeo (rango de intensidad requerido) Tensión en vacío permisible Ciclo de carga (para la intensidad de corriente necesaria) Tipo de curva característica de la fuente Condiciones especiales de funcionamiento

p.e. relación de la tensión de la red, variaciones de tensión de la red, posibilidad de transporte de la fuente de energía, longitud necesaria de los cables de masa y portaelectrodo, refrigeración y ventilación insuficientes para la fuente de energía, condiciones climáticas o ambientales, etc. Ap li cacio cac io nes genéri gen éri cas de l as f uentes uen tes de energ en ergía ía en los l os proc pr oc eso s d e so ld eo

Proceso Tipo de fuente de energía Convertid or Rectifi cador Transform ador ISO 4063 Descripc Descripc ión AWS I Cte. U Cte. Cte. I Cte. Cte. U Cte. Cte. I Cte. U Cte. Cte. 111 Electrodos revestidos SMAW X X X (1) 112 Soldeo por gravedad (X) X (2) 114 Alambre tubular sin gas FCAW X X (3) 12 Arco sumergido SAW X X(∆U) X(∆I) X(∆U) X(∆I) 78 Soldeo de espárragos X X (4) 141 Soldeo TIG GTAW X X X (4) 15 Soldeo por plasma PAW X X (5) 13 Soldeo MIG / MAG GMAW X X 2 Soldeo por resistencia X 72 Electroescoria X X X X X X (1) = De preferencia se utiliza las fuentes de corriente alterna, con alto ciclo de carga. (350 A – 100%) (2) = Transformador con alta tensión en vacío. (3) = Dependiendo del sistema de control U o I (4) = Curva característica vertical (5) = Curva característica plana TABLA 5 APLICACIONES DE L AS FUENTES DE ENERGÍA Y SUS CARACTERÍSTICAS DE FUNCIONAMIENTO


Tema 1.5 -44-


En la tabla 5 se observan las características de las fuentes de energía, y sus posibles aplicaciones en algunos procesos de soldeo. Es evidente que para el soldeo con electrodos revestidos se utiliza fuentes de energía de corriente constante, la curva característica es de pendiente descendente. Las de curva característica vertical también son adecuadas para el proceso de electrodo revestido, pero el coste del equipo se justifica solamente para los procesos de soldeo TIG y plasma. Las fuentes de energía para los procesos semiautomáticos son siempre de curva característica plana, pero para los procesos de arco sumergido y electroescoria, se puede utilizar de ambas características, debido a que la velocidad de alimentación del alambre es baja, y a que el diámetro del alambre de superior a 2,5 mm. Es importante observar el ciclo de carga para el rango de intensidad necesario de acuerdo con los requisitos de los consumibles y de los espesores de chapa a soldar. Ventajas y desventajas de los diferentes tipos de fuentes de energía

Las ventajas y desventajas de los tres tipos clásicos de fuentes de energía se especifican en la tabla 6. No se ha puesto en esta tabla las ventajas de los inversores, porque estos equipos reúnen las características de los rectificadores, con las ventajas mayores de reducción de peso, y versatilidad para varios procesos, así como la posibilidad de controlar los parámetros con ordenadores o control digital, dada su velocidad de respuesta a las variaciones del arco. Además los inversores son las fuentes de energía que más fácilmente se adaptan a los requisitos de sinergia, siendo un requisito la programación de diversos parámetros simultáneamente. simultáneamente. Propiedades Propiedades

Convertidor

Rectifi Rectifi cador

Reglamentos VDE

0544

0544

Conexión a la red Efecto del cortocircuito sobre la red Efectos de las variaciones de tensión

Trifásica

Trifásica

Transformador Transformador 2543 0544 Monofásica

Amortiguado

Brusco

Brusco

No crítico (hasta 15%)

Proporcional

Proporcional

Eficiencia

* ** 80...90% 0,85...0,9 0,5...0,8 ≤ 80 V valor ≤ 113 V ≤ 113 V efectivo ≤ 48 V valor ≤ 113 V ≤ 113 V efectivo Prever las indicaciones de los equipos para riesgo de electrocución “S” Muy bueno Bueno Aceptable Aceptable a Muy buena Buena a muy buena buena Fuerte Fuerte Ninguno Universal Universal Limitado 100% 80% 50% Alto Bajo Bajo Si produce Poco, puede Muy poco disturbios producir disturbios 45...60%

Factor de potencia Tensión en vacío permisible Tensión en vacío permisible en casos de alto riesgo r iesgo de electrocución Encendido de arco Estabilidad Estabili dad de arco Soplo de arco Usos y aplicaciones Coste del equipo Mantenimientoo Mantenimient Emisión de ruidos

* ** 60...80% 0,6...0,8

* Sin rectificación del factor de potencia. ** Con rectificación del factor de potencia. TABLA 6 VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LAS FUENTES DE ENERGÍA


Tema 1.5 -45-


17. BIBLIOGRAFÍA Manual de los procesos de soldeo, volumen 1. Procesos de soldeo por arco eléctrico. (DVS), R. Killing. Teh Welding Engineer`s Current Knowledge. (DVS) Welding Handbook, volumen 2 AWS


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