Tema 2: Técnicas de unión
INDICE 2.1. SOLDADURA. SOLDADURA. 2.1.1. PROCESOS DE SOLDADURA. INTRODUCCIÓN. 2.1.2. SOLDADURA DE MATERIALES METÁLICOS. 2.1.2.1. Procesos de soldadura. 2.1.2.1.1. Soldadura por fusión. 2.1.2.1.1.1. Procesos de soldadura oxigas. 2.1.2.1.1.1.1. Oxicorte. 2.1.2.1.1.2. Procesos de soldadura por arco eléctrico. 2.1.2.1.1.2.1. Soldadura por arco eléctrico con electrodo revestido (MMA o SMAW). 2.1.2.1.1.2.2. Soldadura por arco sumergido (SAW). 2.1.2.1.1.2.3. Soldadura por arco eléctrico con protección de gas y electrodo no consumible. 2.1.2.1.1.2.4. Soldadura por arco eléctrico con protección de gas y electrodo consumible. 2.1.2.1.1.2.5. Soldadura y corte por plasma. 2.1.2.1.1.3. Soldadura por resistencia. 2.1.2.1.1.4. Soldadura por haz de partículas de alta energía. 2.1.2.1.1.5. Soldadura aluminotérmica. 2.1.2.1.1.6. Soldadura bajo electroescoria. 2.1.2.1.2. Procesos de soldadura en estado sólido. 2.1.2.1.2.1. Soldadura por forja. 2.1.2.1.2.2. Soldadura por fricción. 2.1.2.1.2.3. Soldadura por difusión. 2.1.2.1.2.4. Friction stir welding. 2.1.2.1.3 Procesos de soldadura fuerte y blanda. 2.1.2.2. Metalurgia de la soldadura. Introducción. 2.1.2.2.1. Ciclos térmicos. 2.1.2.2.1.1. Distribución de temperaturas. 2.1.2.2.1.2. Ciclos térmicos. 2.1.2.2.1.3. Factores de influencia. 2.1.2.2.2. Zonas de una unión soldada. 2.1.2.2.2.1. Zona fundida. 2.1.2.2.2.2. Zona afectada térmicamente. 2.1.2.2.2.3. Modificaciones en la ZAT de un acero al carbono. 2.1.2.2.3. Tensiones residuales. 2.1.2.2.3.1. Origen de las tensiones residuales. 2.1.2.2.3.2. Distribución de tensiones residuales. 2.1.2.2.3.3. Atenuación de tensiones residuales. 2.1.2.2.4. Deformaciones de uniones soldadas. 2.1.2.2.4.1. Deformaciones en el plano. 2.1.2.2.4.2. Deformaciones fuera del plano. 2.1.2.2.4.3. Prevención y corrección de deformaciones. 2.1.2.2.5. Agrietamiento de uniones soldadas. 2.1.2.2.5.1. Agrietamiento en frío. 2.1.2.2.5.2. Agrietamiento en caliente. 2.1.2.2.5.3.- Desgarre laminar. 2.1.2.2.6. Tratamientos térmicos en soldadura. 2.1.2.2.7. Defectos en uniones soldadas. 2.1.2.2.7.1. Defectos superficiales. 2.1.2.2.7.2. Defectos internos. 2.1.2.3. Soldabilidad. Introducción. 2.1.2.3.1. Soldabilidad de aceros al carbono y de baja aleación. 2.1.2.3.1.1.- Precalentamiento. 2.1.2.3.1.2.- Materiales de aportación. 2.1.2.3.1.3.- Postcalentamiento. 2.1.2.3.1.4.- Tratamiento térmico postsoldadura.
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2.1.3. SOLDADURA DE MATERIALES PLÁSTICOS. 2.1.3.1. Procesos de soldadura por aplicación de energía externa 2.1.3.1.1. Soldadura por gas caliente. 2.1.3.1.1.1. Soldadura por extrusión. 2.1.3.1.2. Soldadura por alta frecuencia. 2.1.3.1.3. Soldadura mediante chapa caliente. 2.1.3.1.4. Soldadura por implante resistivo. 2.1.3.1.5. Soldadura láser. 2.1.3.2. Procesos de soldadura con movimiento mecánico. 2.1.3.2.1. Soldadura por fricción. 2.1.3.2.2. Soldadura por vibración. 2.1.3.2 3. Soldadura por ultrasonidos. 2.1.3.3. Procesos de unión por disolventes. 2.1.4. SOLDADURA DE MATERIALES CERÁMICOS. 2.1.5. SOLDADURA DE MATERIALES COMPUESTOS. 2.2. UNIONES ADHESIVAS. 2.2.1. Tipos de adhesivos 2.2.1.1. Adhesivos prepolimerizados. 2.2.1.2. Adhesivos reactivos. 2.2.2. Diseño de uniones adhesivas. 2.2.2.1. Reglas de diseño de las uniones adhesivas. 2.2.3. Ventajas e inconvenientes. 2.3. UNIONES MECÁNICAS 2.3.1. Uniones por insertos 2.3.2. Uniones por engarce 2.3.3. Unión por elementos mecánicos 2.3.3.1. Uniones Articuladas 2.3.3.2. Uniones fijas 2.3.3.2.1. Uniones remachadas 2.3.3.2.1.1. Remachado en caliente 2.3.3.2.1.2. Remachado en frío 2.3.3.2.1.3. Materiales para remaches 2.3.3.2.1.4. Defectos del proceso de remachado 2.3.3.2.2. Uniones plegadas 2.3.3.2.3. Clinchado 2.3.3.3. Uniones desmontables 2.3.3.3.1. Uniones atornilladas 2.3.3.4. Uniones elásticas 2.3.3.4.1. Materiales para muelles 2.4. UNIONES HÍBRIDAS
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2.1. SOLDADURA
2.1.1. PROCESOS INTRODUCCIÓN.
DE
SOLDADURA.
Soldadura, en ingeniería, es el procedimiento por el cual se unen dos o más piezas por aplicación de calor, presión o ambos, de forma que se obtenga una continuidad de la materia para la transmisión de esfuerzos. Gracias al desarrollo de nuevas técnicas durante la primera mitad del siglo XX, la soldadura sustituyó al atornillado y al remachado en la construcción de muchas estructuras, como puentes, edificios y barcos. Es una técnica fundamental en la industria de la construcción, automoción., aeroespacial, en la fabricación de maquinaria, etc.
En contrapartida los principales inconvenientes son:
La soldadura como técnica de unión es aplicable a materiales tanto metálicos como polímeros termoplásticos, cerámicos y compuestos, si bien estos últimos en menor medida. Hoy en día, a comienzos del siglo XXI, la soldadura es considerada una ciencia y es uno de los procesos industriales más complejos, pues involucra a la metalurgia, mecánica de fluidos, transmisión de calor, física del plasma, electromagnetismo, robótica e ingeniería eléctrica, electrónica y mecánica. Muchos de estos aspectos actúan simultáneamente cada vez que un soldador inicia un cordón de soldadura; por este motivo, los progresos en metalurgia, computación o en robótica (por citar algunos ejemplos) tienen una influencia directa en los desarrollos de nuevos procesos de soldadura.
DE
Los principales procesos son:
Los procesos de soldadura pueden clasificarse en tres grandes grupos.
Soldadura oxigas Soldadura por arco eléctrico Soldadura por resistencia Soldadura por haz de partículas de alta energía Soldadura aluminotérmica Soldadura bajo electroescoria
MATERIALES
2.1.2.1. Procesos de soldadura.
Pérdida del estado de tratamiento térmico Posibilidad de segregaciones Tensiones residuales Deformaciones Elevado consumo de energía Contaminación
Los diferentes procesos existentes se diferencian en la fuente de calor que utilizan para fundir los materiales base y de aportación y en el modo de proteger dichos materiales mientras permanecen a temperatura elevada.
2.1.2. SOLDADURA METÁLICOS.
Rapidez. Homogeneidad química. Adaptable a una gran variedad de diseños de uniones diferentes. La figura 2.1 muestra diferentes tipos de unión. Posibilidad de realizarse en diferentes posiciones (figura 2.2). Posibilidad de soldar grandes espesores. La figura 2.3 muestra diferentes preparaciones de bordes para facilitar la unión de grandes espesores. Posibilidad de realización de uniones disimilares (soldadura de materiales diferentes).
Soldadura por fusión. Soldadura sin fusión o en estado sólido. Soldadura con fusión del material de aporte (soldadura fuerte y blanda).
2.1.2.1.1. Soldadura por fusión. En estos procesos la unión de los materiales se realiza por encima de la temperatura de “Liquidus”, tanto del material base como del material de aportación. Estos procesos son los de mayor utilización industrial por las ventajas que presentan. Las principales son:
2.1.2.1.1.1. Procesos de soldadura oxigas. En estos procesos, la fuente de energía calorífica, utilizada para fundir los materiales, es el calor generado por la reacción química de un gas combustible y un comburente. Esta reacción es fuertemente exotérmica y forma una llama, que se dirige, mediante un soplete, a los bordes de las piezas a unir, provocando su fusión y soldadura. En la soldadura oxigas, el soldador tiene un considerable control de la temperatura en el baño de fusión, a través de la velocidad de avance, y de la velocidad de deposición del metal de aportación, pues las fuentes de calor y de metal de aportación son independientes (se utilizan varillas metálicas como metal de aportación), lo cual permite al soldador aplicar el calor de la llama de forma preferente, bien sobre el metal base, bien sobre sobre el metal de aportación. aportación. Estas ventajas ventajas hacen que la soldadura por oxigas sea particularmente indicada para espesores pequeños. La soldadura de grandes espesores, aunque puede realizarse por procesos procesos oxigás, oxigás, es económicament económicamentee más rentable rentable
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realizarla con arco eléctrico, por el elevado gasto de gas combustible que se precisaría y por la menor velocidad de ejecución que se obtiene. Las ventajas indicadas anteriormente, y el hecho de que los equipos sean versátiles, económicos y normalmente portátiles, hacen que este proceso esté más indicado para pequeñas producciones producciones,, pequeños pequeños espesores, espesores, trabajos trabajos en campo, soldaduras con cambios bruscos de dirección o posición y reparaciones por soldadura. Las llamas utilizadas en soldadura oxigas presentan las siguientes zonas (Figura 2.4).
Zona a. Es la boquilla del soplete y por donde salen los gases (combustible y comburente) mezclados. Zona b. Denominada dardo o cono. Está formada por gases incandescentes y es donde se alcanza la temperatura de inflamación. En su extremo se localiza la mayor temperatura. Zona c. En ella se encuentran los productos de la combustión primaria. En esta zona se delimita la cualidad química de la llama: oxidante, neutra o reductora. Zona d. Zona exterior. Donde se produce la combustión completa, debido a la reacción de los productos de la zona “c” con el oxígeno del aire.
Las llamas, provocadas por la combustión de un gas, para su utilización en soldadura deben poseer una serie de propiedades, que dependen del gas combustible utilizado. Estas propiedades son:
Térmicas. La temperatura alcanzada, lógicamente, debe ser suficiente para fundir el material a soldar, además la localización y focalización de punto de máxima temperatura mejora la calidad de la llama. Químicas. Para la soldadura es indispensable evitar oxidaciones y carburaciones, lo que exige poder trabajar en condiciones neutras o reductoras. De aplicación industrial. Son: rigidez, que depende de la velocidad combustión, y flexibilidad, que depende de los límites de inflamabilidad de la mezcla gaseosa. Económicas. Son función de la velocidad de ejecución, que depende de la temperatura alcanzada por la llama, y del poder de combustión, que delimita la cantidad de combustible y oxígeno preciso.
Los diferentes tipos de llamas, utilizadas en soldadura, vienen determinadas por los gases empleados. Como gas comburente se utiliza el oxígeno, por lo que el gas combustible es el que marca las propiedades y aplicaciones de las llamas.
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De los gases combustibles empleados, el más importante es, sin duda, el acetileno por dar las mejores propiedades, aunque también puede utilizarse hidrógeno o hidrocarburos, como el propano. El motivo de su amplia utilización es:
Proporciona una temperatura máxima de 3100c
La composición de los productos de la llama corresponde a unas propiedades típicamente reductoras. Presenta suficiente flexibilidad y es fácilmente regulable, ya sea con exceso de oxígeno o de acetileno, en función de los metales a unir. No es un producto producto derivado del petróleo petróleo y, por tanto, no está sujeto a oscilaciones de producción y precios. La combustión completa del acetileno se realiza según la siguiente ecuación química: 2C2H2 + 5O2 → 4CO2 + 2H2O Esta combustión se realiza en dos fases. La primera se realiza a la salida del soplete, en el cono o dardo de la llama, y utiliza el oxígeno suministrado por el cilindro. La reacción química es la siguiente: C2H2 + O2 → 2CO + H 2 + 106.500 calorías En la segunda fase se produce el quemado de los productos de la combustión incompleta inicial con oxígeno del aire. Las reacciones químicas son las siguientes: 2CO + O2 (aire) → 2CO2 + 68.000 calorías 2H2 + O2 (aire) → 2H2O + 58.000 calorías Las zonas características de la llama oxiacetilénica, junto con la representación de la combustión, pueden observase en la figura 2.5. Los diferentes tipos de llama oxiacetilénica, en función de la proporción de oxígeno y acetileno son los siguientes:
Llama acetilénica. Se produce cuando se quema acetileno en el aire. Produce una llama que varía su color de amarillo a rojo-naranja, en su parte final, y que provoca la aparición de partículas de hollín flotando en el aire. No tiene utilidad en soldadura. Llama carburante. Cuando aumenta la proporción de oxígeno, la llama empieza a hacerse luminosa, formándose una zona luminosa brillante (cono) envuelta en la zona exterior de color azulado. Es una
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llama carburante, por el exceso de acetileno, y de relativamente baja temperatura. Sus posibles aplicaciones serían en soldadura fuerte, con varilla aleada con plata, en soldadura blanda y en la soldadura del plomo.
Llama reductora. En este tipo de llama se ha aumentado la proporción de oxígeno, pero sin llegar a la proporción 1:1. Respecto al acetileno, lo cual provoca la disminución de la longitud del cono. Como consecuencia del exceso de acetileno, en la parte final del cono aparece una pequeña zona carburante de color verde pálido, que desaparece cuando se igualan las proporciones. No se la denomina carburante, ca rburante, porque lo que provoca es una ausencia de oxígeno en el baño de fusión y no una carburación. Es usada para la soldadura con varillas de acero de baja aleación como metal de aportación y cuando hay sensibilidad al oxígeno en el baño de fusión. Alcanza una temperatura comprendida entre 2900 y 3000 C, aproximadamente. Llama neutra. El oxígeno y el acetileno están en la proporción 1:1 ( o más probablemente 1,1:1). El cono brillante disminuye de longitud. Es difícil regularla reg ularla con precisión, principalmente con luz solar, pues es muy parecida a la oxidante. Alcanza una temperatura de 3000c y es ideal para la soldadura de aceros y cuando la presencia de carbono debe ser evitada. Llama oxidante. Por su parecido con la llama neutra también es difícil de regular, siendo tal vez el mejor indicador el hecho de que la llama tienda a estrecharse en la salida de la boquilla del soplete. No debe utilizarse en la soldadura de aceros, soliendo utilizarse, fundamentalmente, para la soldadura de los latones. Con proporción oxígeno: acetileno de 1.75:1, se alcanzan temperaturas de 3100 C. Llama separada. Cuando se produce la separación de la llama de la boquilla de salida de los gases. Esto ocurre si la presión de los gases es demasiado elevada para el diámetro de salida de la boquilla. La principal función de los equipos de soldadura oxigas es suministrar la mezcla de gases combustible y comburente a una velocidad, presión y proporción adecuadas.
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Válvulas reductoras de presión. Son las encargadas de suministrar el gas comprimido de los cilindros a la presión y velocidad de trabajo, conectándose a la válvula de salida del cilindro. Las válvulas reductoras de presión, además de reducir la elevada presión de los cilindros de gas, deben permitir que la presión de trabajo, a la que suministran el gas permanezca invariable durante su funcionamiento, a pesar de la disminución de la presión del cilindro a medida que se tome gas. Mangueras. Son tubos flexibles de goma por cuyo interior circula el gas, siendo por tanto las encargadas de transportar dicho gas desde los cilindros al soplete. Sopletes. La misión principal de soplete es asegurar la correcta mezcla de los gases combustible y comburente según su cantidad, de forma que exista equilibrio entre la velocidad de salida y la de inflamación. Mediante el soplete el soldador controla las características de la llama y maneja la misma durante la operación de soldadura. La construcción genérica de un soplete oxiacetilénico se muestra esquemáticamente en la figura 2.7. Las partes principales son: válvulas de entrada de gas, cámara de mezcla y boquillas.
La proporción del flujo de gas afecta a la temperatura y cantidad de metal fundido y la presión y velocidad al manejo del soplete y velocidad de calentamiento.
Equipos Para conseguir una mezcla correcta de gases y los parámetros comentados, los elementos importantes en un sistema oxigas son: cilindros de gas, válvulas reductoras de presión, válvulas de seguridad o antirretroceso, mangueras, soplete y boquilla (figura 2.6).
Cilindros de gas. En la mayoría de los talleres de soldadura, los gases utilizados en soldadura oxigas están almacenados en botellas o cilindros, si bien en grandes industrias el oxígeno puede ser canalizado desde un tanque criogénico, mediante un vaporizador, o desde un batería de botellas y el acetileno puede ser producido directamente por un generador. Las botellas o cilindros facilitan el transporte y conservación de los gases comprimidos, estando diseñadas para gases específicos y no siendo, por tanto, intercambiables.
Válvulas de entrada de gas. Permiten regular el caudal y el tipo de llama. Cámara de mezcla. Cámara donde se produce la mezcla homogénea de los gases combustible y comburente Boquillas. Son toberas intercambiables que se ajustan en la parte final o lanza del soplete. Controlan el flujo de gas por medio del diámetro del orificio de salida. Válvulas de seguridad o antirretorno. Se utilizan para evitar los peligros de un retroceso de llama. La causa de su formación suele ser un excesivo calentamiento de los gases en el interior del soplete y una velocidad de salida inferior a la de propagación de combustión, circunstancias que pueden provocar que la llama se introduzca en el soplete y pueda llegar incluso, a través
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de las mangueras, a los cilindros de gas y provocar su explosión.
Parámetros de soldadura:
Potencia del soplete. Se define como el gasto de gas combustible expresado en litros/hora. La potencia precisa precisa es la que nos indica el diámetro diámetro necesario necesario de la boquilla. boquilla. La elección elección de la potencia potencia depende depende de: Naturaleza Naturaleza del material a soldar, soldar, técnica de soldadura soldadura y espesor del material a soldar. Velocidad de avance. Depende del espesor a soldar, fundamentalmente, y de la potencia del soplete.
2.1.2.1.1.1.1. Oxicorte Los procesos de oxicorte con gas combustible cortan o eliminan metales por la reacción de combustión del metal con el oxígeno a temperatura elevada y la posterior expulsión del óxido formado, proceso que se denomina sangría, por la presión del flujo de oxígeno. La temperatura necesaria se mantiene por la llama que produce la combustión del gas combustible con oxígeno. En el caso de metales resistentes a la oxidación, la reacción es ayudada por la adición de fundentes o polvos metálicos al chorro de oxígeno de corte. Las condiciones necesarias para que se produzca el oxicorte son:
El material debe tener una temperatura de combustión (inferior a la de fusión) en atmósfera de oxígeno puro. El óxido producido durante la combustión debe fundirse a temperatura inferior a la de fusión del material.
En función de estas condiciones, los materiales que presentan mejor comportamiento frente al oxicorte son los aceros al carbono y de baja aleación. Los elementos necesarios de un equipo de oxicorte son:
Cilindros de gas Válvulas reductoras de presión Mangueras Soplete Válvulas de seguridad o antirretorno
Los sopletes de corte son diferentes de los de soldadura, pues antes de la cámara de mezcla, el conducto de oxigeno debe desdoblarse para diferenciar el oxígeno de corte del de precalentamiento. Las boquillas son igualmente diferentes, presentando normalmente un orificio central (de mayor diámetro) para el oxígeno de corte y seis orificios concéntricos para las llamas de precalentamiento. La figura 2.8 muestra un esquema del funcionamiento de un soplete de oxicorte.
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Algunas ventajas del oxicorte son:
Los aceros pueden cortarse generalmente de forma rápida y económica. Formas geométricas y espesores que son difíciles de obtener por medios mecánicos pueden cortarse de forma económica. El coste de los equipos básicos y manuales es bajo El equipo manual es fácilmente transportable y puede usarse en el campo. La dirección de corte puede variarse rápidamente con un radio pequeño durante el proceso. Pueden cortarse grandes espesores Pueden cortarse piezas apiladas Pueden hacerse cortes inclinados. El oxicorte es un método económico de preparación de bordes para las uniones soldadas diseñadas con chaflan biselado. En contrapartida, como desventajas pueden señalarse:
Las tolerancias dimensionales son significativamente inferiores a las que pueden obtenerse con otros procesos de corte El proceso prácticamente se limita comercialmente al corte de aceros y fundiciones esencialmente. Produce un gran calentamiento que puede inducir importantes cambios metalúrgicos. Se necesitan modificaciones especiales del proceso para los aceros de alta aleación y las fundiciones. 2.1.2.1.1.2. Procesos de soldadura por arco eléctrico. En este grupo se incluyen los procesos que utilizan el calor generado por un arco eléctrico como fuente de calor. Un arco eléctrico consiste básicamente en cerrar un circuito entre dos electrodos que no están en contacto físico directo. Su establecimiento genera una fuerte elevación de la temperatura y una radiación ultravioleta importante, motivo por el cual los soldadores deben protegerse adecuadamente. En soldadura se utilizan arcos metálicos (ambos electrodos son metales o aleaciones metálicas), donde la pieza a soldar es siempre uno de los electrodos y el otro es una varilla metálica que se denomina electrodo de soldadura. La formación de un arco eléctrico requiere la emisión de electrones por el electrodo conectado al polo negativo y el flujo de estos hacia el polo positivo a una gran velocidad. En principio, un arco eléctrico es inestable debido a su característica negativa, pues la resistencia disminuye cuando la intensidad del arco aumenta, por lo que se debe favorecer la emisión de electrones y su flujo posterior para mejorar la estabilidad. En consecuencia, la estabilidad de un arco eléctrico vendrá influenciada por:
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Poder termoiónico del electrodo emisor. Potencial de ionización del medio entre electrodos Conductividad de los electrodos Lógicamente, un arco eléctrico será más estable cuanto mayor sea el poder termoiónico del electrodo (mayor capacidad de emitir electrones), menor el potencial de ionización del medio (indica facilidad de ionizarse y hacerse conductor) y menor la conductividad de los electrodos. La relación tensión-intensidad es lo que se conoce como curva característica del arco (Figura 2.9). La zona de mayor utilización en los procesos de soldeo es la que cumple la ley de Ohm, zona en que la intensidad es proporcional a la tensión, en función de la longitud del arco (distancia entre electrodos) En corriente continua, la estabilidad del arco depende de los parámetros parámetros descritos descritos y puesto puesto que no ocurre ocurre lo mismo en ambos electrodos, debe distinguirse la polaridad que se utilice (figura 2.10):
Polaridad directa: el electrodo se conecta al polo negativo y la pieza a soldar al positivo. En el electrodo se elevará menos la temperatura por la mayor energía cinética de los electrones (menor masa, pero mayor velocidad que los iones), que se dirigen al polo positivo. Polaridad inversa: el electrodo se conecta al polo positivo y la pieza piez a a soldar al negativo. El electrodo se calienta más y el efecto decapante (generado por los cationes) se produce en la pieza a soldar (polo negativo). La estabilidad y el rendimiento de un arco eléctrico con corriente alterna es menor, debido a la forma sinusoidal de la tensión, pues la temperatura del electrodo disminuye durante los periodos de apagado del arco eléctrico (Figura 2.11). Puesto que se suelda con parámetros contrarios a los que proporciona la red (baja intensidad y elevada tensión), las fuentes de corriente deben contener un transformador que modifique dichos parámetros a valores utilizados en soldadura (elevada intensidad y baja tensión). Si queremos soldar con cc, deberemos utilizar un rectificador electrónico de corriente alterna a corriente continua. Como los transformadores son de menor tamaño cuanto mayor es la frecuencia de la corriente, actualmente es habitual utilizar inversores (conversores de corriente continua en corriente de elevada frecuencia) que permiten disminuir el tamaño de los equipos. Una propiedad importante de los equipos es la denominada curva característica, que defina la relación tensiónintensidad que es capaz de suministrar. Existen dos tipos fundamentales (figura 2.12):
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Equipos de intensidad constante. La relación tensiónintensidad presenta una pendiente negativa elevada. Se utiliza fundamentalmente en equipos manuales Equipos de tensión constante, la relación tensión-intensidad presenta una pendiente negativa pequeña. Se utiliza fundamentalmente en equipos automáticos o semiautomáticos. Los valores de tensión e intensidad utilizados en soldadura dependerán, en consecuencia, de la curva característica del arco (función de electrodos, medio y longitud) y de la fuente de corriente utilizada (Figura 2.13). La utilización en soldadura de un arco eléctrico con electrodo metálico desnudo y sin protección frente a la acción atmosférica no es posible debido a:
Dificultad de cebado (iniciación del arco eléctrico) y de mantenimiento de su estabilidad (más acusado en corriente alterna). Falta de protección: el baño de fusión debe ser protegido de la acción de los gases atmosféricos. Dificultad de transporte del material: el metal de aportación se transfiere por gotas que pueden ser muchas y pequeñas o pocas y grandes. Cuando soldamos en sobremesa la gravedad lleva las gotas al cordón, pero cuando soldamos en posición diferente no es así. En consecuencia, los diferentes procesos de soldadura por arco eléctrico deben solucionar estos tres problemas. Los principales parámetros de soldadura de estos procesos son la tensión (proporcional a la longitud del arco), la intensidad y la velocidad de avance. Estos parámetros delimitan la estabilidad del arco y la energía aportada (
Tensión Intensidad Velocidad _ avance
),
que
se
expresa
en
julios/metro (energía por unidad de longitud de cordón depositado).
2.1.2.1.1.2.1. Soldadura por arco eléctrico con electrodo revestido (MMA o SMAW). En estos procesos, el arco eléctrico se establece entre la pieza a soldar y un electrodo metálico revestido, como consecuencia del calor generado, se funde tanto el material base como el electrodo, motivo por el cual en estos procesos siempre se aporta material. La figura 2.14 muestra un esquema del proceso. El revestimiento es el que permite soldar, teniendo las siguientes funciones:
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Función eléctrica: el revestimiento debe tener compuestos fácilmente ionizables, que permitan el cebado y estabilidad del arco eléctrico. Función mecánica: la fusión y vaporización parcial del revestimiento (la temperatura de fusión del material base es menor) debe generar la suficiente cantidad de gases para facilitar el depósito de material en la junta al soldar en posición. Igualmente debe llevar elementos formadores de escoria que ayuden a retener el material fundido en la junta, principalmente en posiciones diferentes a la de sobremesa. Función metalúrgica: la escoria que sobrenada en el cordón lo protege de la atmósfera y evita la absorción de gases y la oxidación del cordón. Igualmente se producen reacciones químicas metal-escoria que permiten eliminar impurezas y modificar la composición química del cordón. Los principales tipos de electrodos en función de su revestimiento, que es el define su comportamiento, son:
Electrodos celulósicos : su componente principal es la celulosa. Generan una gran cantidad de gases por lo que permiten una buena penetración. No tienen una buena función eléctrica y generan poca escoria y gran cantidad de hidrógeno, motivo por el cual tampoco tienen una buena función metalúrgica. Electrodos de rutilo: su componente principal es el rutilo, mineral que tiene una gran proporción de óxido de titanio. Estos óxidos se disocian muy fácilmente, por lo que su función eléctrica será muy buena, pudiéndose utilizar con corriente alterna.
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El proceso está totalmente automatizado, tanto el avance de las pistola como del material de aporte, y permite utilizar grandes intensidades, por lo que se obtiene una gran productividad. La figura 2.15 muestra un esquema del proceso. El “flux” al fundirse es el encargado de proteger al material fundido, teniendo un papel similar al del revestimiento de los electrodos en los procesos MMA. Los diferentes tipos de “flux” se clasifican en función del proceso de fabricación (fundidos o aglomerados), de la relación entre compuestos de carácter básico y ácido (índice de basicidad) y de su actividad (activos, aquellos que añaden elementos al baño de fusión, o neutros, aquellos que no añaden elementos). Las fuentes de energía que se utilizan son de tensión constante para facilitar la autorregulación del arco. Se utiliza fundamentalmente corriente continua con polaridad inversa, si bien en procesos en tándem es relativamente normal utilizar corriente alterna en la segunda pasada para evitar el soplo del arco (desviación del arco por efecto de campos magnéticos). Las ventajas de este proceso son:
Ajuste automatizado de parámetros de soldadura. La mayor densidad de energía permite aumentar la penetración y reducir los ángulos de biselado, disminuyendo el material de aportación. Gran productividad No hay problemas de desviación del arco por el viento En contrapartida, como inconvenientes pueden indicarse:
Electrodos básicos: están compuestos por óxidos y sales de carácter básico, fundamentalmente carbonato y fluoruro cálcico. Apenas producen hidrógeno y son los que presentan una mejor función metalúrgica. Son fuertemente higroscópicos por lo que deben desecarse antes de su utilización.
La soldadura por MMA es un proceso manual de gran versatilidad que permite soldar una amplia gama de materiales en todas las posiciones, siendo muy utilizado por la industria en talleres y, principalmente, en montajes a pie de obra.
2.1.2.1.1.2.3. Soldadura por arco eléctrico protección de gas y electrodo no consumible.
2.1.2.1.1.2.2. Soldadura por arco a rco sumergido (SAW). En este proceso, el arco eléctrico entre la pieza a soldar y una varilla metálica desnuda se establece dentro de un polvo denominado “flux”, fundiéndose tanto los bordes de las piezas como la varilla que hace de electrodo y material de aportación. Debido a sus características, es preciso suministrar elevada energía para conseguir un arco estable.
Gran afectación térmica. Peligro de deformaciones grandes Descuelgues de material (anillos de respaldo) No es adecuado para pequeños espesores. Posición de sobremesa, fundamentalmente, y cornisa. Los equipos son voluminosos con la tolva y el aspirador
con
Se le conoce con varios nombres: TIG, WIG o GTAW. TIG: Tungsten Inert Gas. WIG: Wolfram Inert Gas. GTAW: Gas Tungsten Arc Arc Welding. Welding. En estos procesos, el arco eléctrico se establece en atmósfera inerte entre la pieza a soldar y un electrodo de volframio.
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Se utiliza volframio (puro o aleado) como material del electrodo por sus propiedades de:
Alto poder termoiónico: permite arcos eléctricos muy estables con bajos valores de intensidad. Elevado punto de fusión: disminuye el desgaste y evita su fusión. La figura 2.16 muestra un esquema del proceso
Tipos de corriente. Los procesos TIG pueden realizarse con todo tipo de corriente:
Corriente continua polaridad directa (CCPD) (Figura 2.17a). En esta disposición el electrodo está en el polo más frío, lo cual disminuye el peligro de fusión, y es el encargado de emitir electrones, por lo que se consigue una gran estabilidad en el arco eléctrico, incluso con bajas intensidades. Este tipo de corriente es la que se utiliza normalmente, excepto para soldar algunos materiales pasivables, como aluminio o magnesio y sus aleaciones. Para mejorar el control del aporte de energía, necesario para soldar espesores pequeños, puede pulsarse la corriente. Corriente continua polaridad inversa (CCPI) (Figura 2.17a). En esta disposición el efecto decapante se produce en la pieza a soldar, por lo que es indicado para materiales como aluminio o magnesio y sus aleaciones. No obstante, el electrodo se calienta mucho, por lo que solo puede utilizarse con intensidades bajas, no siendo habitual su utilización. Corriente alterna (Figura 2.17a). Las limitaciones de la soldadura del aluminio con corriente continua favorecen el uso de corriente alterna. De esta forma la mitad del tiempo estamos decapando y la otra mitad del tiempo el electrodo está en el polo frío y evitamos que se funda. No obstante, su utilización requiere sobreponer una corriente alterna de elevada frecuencia para estabilizar el arco eléctrico. Actualmente es habitual modificar la onda senoidal y convertirla en otra de forma cuadrada y variar a voluntad la relación entre las duraciones de los semiciclos. Con el control de estas relaciones se puede favorecer el decapado o bien refrigerar el electrodo durante más tiempo (figura 2.17b). Los equipos constan de:
Fuente de corriente continua o alterna, en este último caso la fuente debe incorporar un generador de corriente de alta frecuencia Cilindros de gas. Debe utilizarse un gas inerte (argón, helio o mezcla de ambos). En la soldadura de
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materiales no susceptibles de fragilizarse por hidrógeno (aceros inoxidables austeníticos y aleaciones de níquel) se permite, en algunos casos, mezclar el gas inerte con un cierto porcentaje de hidrógeno para mejorar el rendimiento del proceso.
Válvula reductora de presión. Pistola o torcha portaelectrodo. En caso de utilizar intensidades superiores a 180-200 A, deben ir refrigeradas por agua. Electrodo. Se utilizan de volframio aleado con torio, circonio o lantano para soldar con corriente continua polaridad directa (se mejora la emisividad y estabilidad) y de volframio puro para corriente alterna (se evita su tendencia a fisurarse con temperaturas elevadas). Además del diámetro del electrodo, que determina la máxima intensidad utilizable, la geometría de su extremo es importante (se recomienda electrodos afilados acabados en punta semiesférica) por su influencia en la estabilidad del arco, tal y como muestra la figura 2.18. Si se utiliza corriente alterna, el extremo del electrodo se redondea por el mayor calentamiento que sufren con esta corriente, en comparación con la corriente continua polaridad directa (c.c.p.d.). La figura 2.19 muestra un esquema de un equipo de soldadura TIG. Las características del proceso pueden resumirse en:
Soldadura de gran calidad y precisión Aporte de calor y de material independiente, lo que facilita el control de dichos parámetros Permite utilizar bajos aportes térmicos, lo que facilita la soldadura de pequeños espesores. Método limpio. No produce escoria. Puede utilizarse en todas las posiciones. Adaptabilidad geométrica muy buena 2.1.2.1.1.2.4. Soldadura por arco eléctrico protección de gas y electrodo consumible.
con
En estos procesos, el arco eléctrico se establece en atmósfera inerte o activa entre la pieza a soldar y una varilla metálica desnuda que avanza automáticamente por medio de unos rodillos, de forma similar a la de los procesos por arco sumergido. Este proceso se conoce como GMAW (Gas Metal Arc Welding) o como MIG/MAG (Metal Inert Gas/Metal Active Gas). La transferencia de material desde el extremo del electrodo al baño de fusión puede realizarse de diversas formas, que proporcionan diferentes tipos de arco.
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Transferencia por arco-spray o arco normal, se realiza mediante un gran número de gotas de pequeño tamaño, igual o menor que el diámetro de la varilla (figura 2.20a). Es un arco muy estable y de gran energía. Para su formación precisa de elevada tensión e intensidad y de un gas inerte o con bajos porcentajes de mezcla de gases activos.
grandes espesores, pero no puede utilizarse en posición diferente a la de sobremesa por descuelgue de material. El arco corto es aplicable a pequeños y medianos espesores y puede utilizarse en e n cualquier posición, al igual que el arco pulsado, si bien este proporciona un arco muy estable y mayor control. La figura 24 muestra la conductividad térmica de diferentes gases utilizados en soldadura.
Transferencia por arco corto, se realiza a través de cortocircuitos (figura 2.21). La gota en el extremo del electrodo va creciendo poco a poco hasta formar un cortocircuito con el baño de fusión, momento en el cual se desprende y se reinicia el proceso. Es un arco inestable, ruidoso y de menor energía. Precisa valores bajos de tensión e intensidad, pudiendo obtenerse con gases inertes y activos.
El gas utilizado influye de forma importante en parámetros como:
Transferencia por arco globular, se realiza a través de gotas de mayor tamaño que el diámetro de la varilla (figura 2.20b). Es un arco muy inestable que apenas se utiliza en soldadura. Precisa de valores medios de tensión e intensidad, pudiendo obtenerse con gases inertes y activos.
La elección de un gas de protección viene determinada por sus propiedades, material a soldar, proceso utilizado, calidad requerida, diseño de la junta, factores metalúrgicos y coste. De forma general, puede indicarse que para aleaciones no férreas suele utilizarse un gas inerte puro (argon, helio o mezcla de ambos), mientras que para aleaciones férreas es habitual mezclar con el gas inerte una cierta proporción de CO2 y/o O2. Estos gases en pequeñas proporciones (0,5 – 2%) estabilizan el arco, mientras que en mayores proporciones (5-10% de O2 y hasta el 100% en el caso de CO2) aumentan la capacidad de oxidación y dificultan la obtención del arco spray y pulsado en el caso del CO2, si bien disminuye el precio.
Transferencia por arco pulsado, es un tipo de arco spray que se obtiene gracias a la pulsación de la corriente (figura 2.22). Tiene las propiedades del arco spray pero con menor energía. Los parámetros que influyen en la formación de los diferentes tipos de transferencia son:
Parámetros eléctricos. Tensión e intensidad, valores elevados favorecen una elevada energía y, en consecuencia, el arco spray. Gas de protección. El arco spray, debido a la elevada energía requerida, solo puede obtenerse con un gas inerte o con una baja proporción de gas activo en la mezcla. Extensión del hilo. Se define como la longitud de varilla que sobresale de la boquilla. Un aumento de esta, favorece un mayor calentamiento del extremo del electrodo y, en consecuencia y dentro de cierta magnitud, el arco spray. Tipo de corriente. Se utiliza corriente continua polaridad inversa. La ccpd favorece el arco globular y la utilización de c.a. no presenta ventajas. La figura 2.23 indica los campos de existencia de los diferentes tipos de arco en función de la tensión e intensidad. Las aplicaciones de los diferentes tipos de arco son consecuencia de los parámetros necesarios para su obtención, así el arco spray es adecuado para medianos y
Tipo de arco que puede obtenerse Energía aportada, lo que influye en penetración, forma del cordón, velocidad de avance, etc. Aspecto del cordón Defectos como mordeduras y proyecciones.
Las propiedades de un gas que deben tenerse en cuenta en su elección son:
Potencial de ionización, que indica la tensión necesaria para mantener estable el arco eléctrico (el Ar presenta un potencial de ionización menor que el He) Conductividad térmica, influye en la energía transferida y, en consecuencia, en la penetración. La figura 2.24 muestra la conductividad térmica de diferentes gases de protección utilizados en soldadura. Capacidad de protección, inerte o con capacidad de oxidación (O2 y CO2). Densidad, que influye en el caudal necesario (el Ar presenta una densidad mayor que el He). En los procesos de soldadura, tanto MIG, como TIG, para aleaciones no férreas y aceros inoxidables es habitual utilizar un gas de respaldo para proteger la raíz (Figura 2.25). Los equipos constan de:
Fuente corriente. Son fuentes de corriente continua, la corriente alterna prácticamente no se utiliza, trabajando normalmente con la polaridad inversa. Se utilizan, al igual que en la soldadura por arco sumergido, fuentes
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de tensión constante que facilitan la auto regulación del arco (figura 26).
Cilindros de gas. Según el tipo de arco y material a soldar se utiliza gas inerte o activo. Mezclas de gas con H2 pueden utilizarse si el material no presenta problemas de fragilidad por este gas (por ejemplo, inoxidables austeníticos). Tabla I. TABLA I
Rutilos. Básicos. Autoprotegidos.
La utilización de alambres tubulares rellenos de metal en polvo, en comparación con los alambres macizos, mac izos, presenta la ventaja de poder fabricar alambres con una mayor variedad de composiciones químicas. Esto es debido a que el metal de relleno permite ajustar la composición y, al mismo tiempo, obtener alambres cuya fabricación, solo por trefilado, sería compleja por la necesidad de realizar tratamientos térmicos intermedios de recuperación de propiedades. Su comportamiento en los procesos de soldadura es muy similar al de los alambres macizos. La soldadura con hilo tubular relleno de flux puede realizarse con o sin gas de protección (autoprotegidos) en función de la composición del relleno, teniendo, en general, un mayor rendimiento y productividad que cuando se utilizan hilos macizos. Las características de los procesos MIG/MAG pueden resumirse en:
Válvulas reductoras de presión.
Alimentación automática del hilo o metal de aportación. Ausencia de escoria. Admite gran densidad de corriente. Gran rendimiento. Flexibilidad. Apto para todo tipo de espesores. No requiere una pericia especial por parte de los soldadores. No permite una gran movilidad. Proceso de taller fundamentalmente.
Material de aportación. Se suministra en bobinas o en depósitos y su aporte está automatizado.
La utilización de hilos tubulares rellenos de flux presenta como características especiales:
Pistola. Si se utilizan intensidades superiores a 180-200 A deben ir refrigeradas por agua.
La figura 2.27a muestra un equipo de soldadura MIG/MAG donde pueden apreciarse los diferentes componentes y el mecanismo de avance del material de aportación. El material de aportación son varillas metálicas (normalmente se les denomina hilo o alambre) macizas cuyo diámetro suele oscilar entre 0,8 y 1,2 mm. No obstante, actualmente es muy habitual utilizar hilos tubulares que son huecos en su interior y se rellenan de “flux” y/o metal en polvo en diversas proporciones (figura 2.27b). En función de geometría y relleno los alambres de aportación para los procesos MIG/MAG se denominan:
Macizos y tubulares rellenos de material metálico en polvo (Metal Cored). Tubulares rellenos de flux (FCAW)
Mayor rendimiento y productividad. Formación de escoria. Permite soldar en posición con parámetros elevados. Se utiliza fundamentalmente en espesores ≥ 4 mm.
2.1.2.1.1.2.5. Soldadura y corte por plasma. La soldadura por plasma es una variante del proceso TIG, si bien presenta una densidad de energía muy superior y una elevada velocidad de corriente de plasma. La figura 2.28 muestra un esquema del proceso. El gas plasmático pasa a través de una tobera donde se calienta e ioniza mediante un arco inicial o piloto entre el electrodo de volframio y el extremo de la boquilla (arco no transferido). Una vez formado el plasma, el arco piloto se apaga y se inicia un arco entre el electrodo y la pieza a soldar.(arco transferido). Este arco se constriñe en el orificio de salida de la tobera y se focaliza en la pieza en
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una zona pequeña, circunstancia que permite obtener una densidad de energía elevada (Figura 2.29). La soldadura por plasma (con y sin material de aportación) se puede presentar de tres maneras.
Soldadura microplasma, con corrientes de soldadura de 20 A. (Modo fusión) Soldadura medioplasma, con corrientes de soldadura desde 20 hasta 100 A. (Modo fusión) Soldadura Keyhole, corriente superior a 100 A, el arco plasma penetra en todo el espesor a soldar (proceso similar a los obtenidos en soldadura por haz de partículas de alta energía Los parámetros del proceso son: Forma y diámetro del orificio de la boquilla Gas plasmático Intensidad de corriente Velocidad de salida del plasma Distancia boquilla pieza Gas de protección El arco no transferido (Figura 2.29) no suele utilizarse por su menor energía, excepto para aplicaciones que precisen una concentración de energía baja. El corte por plasma se produce como consecuencia de la incidencia de un flujo o chorro de plasma a gran velocidad sobre la superficie a cortar, que provoca la volatilización y expulsión del vapor formado. El chorro de plasma se obtiene, de forma similar a la de los procesos de soldadura, al calentar un flujo de gas mediante un arco eléctrico inicial, arco piloto entre el electrodo de volframio y la boquilla (en función de la intensidad se alcanzan temperaturas entre 12000 y 30000º C, en el núcleo del plasma). La velocidad de salida del plasma, necesaria para producir el corte, se obtiene al establecer posteriormente el arco entre el electro de volframio y la pieza a cortar (arco transferido) y constreñirse en el orificio de salida de la boquilla. El chorro de plasma sale a través del orificio de la boquilla a una velocidad aproximadamente igual a la del sonido. La figura 2.30 muestra un esquema del proceso. El corte por plasma con arco transferido requiere que el material a cortar sea conductor por lo que puede utilizarse para todos los materiales metálicos. En comparación c omparación con el oxicorte, puede decirse que la afectación térmica provocada es mucho menor y que las velocidades de corte obtenidas son mucho mayores en espesores pequeños y medianos. El arco no transferido, por su menor energía, puede tener aplicación para materiales no conductores La tabla II muestra una comparación de los valores de los parámetros necesarios para los procesos de soldadura y corte por plasma.
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Tabla II Soldadura por plasma Corte por plasma Menor Intensidad de Muy alta intensidad de corriente corriente Mayor diámetro de columna Menor diámetro de columna Menor caudal de gas Mayor caudal de gas Mayor velocidad de salida Menor velocidad de salid
2.1.2.1.1.3. Soldadura por resistencia. En estos procesos para fundir el material se produce como consecuencia de la resistencia al paso de la corriente de acuerdo con la ley de joule: Q = I2 RT. La corriente eléctrica que genera el calor se introduce en la pieza por medio de unos electrodos elec trodos que hacen contacto con ella, liberándose el calor se través de la sección total de la unión. Todos los métodos de soldadura por resistencia exigen el contacto físico de los electrodos con las piezas unir, siendo necesaria, igualmente, una presión para poner en contacto las piezas y consolidar la unión. La figura 2.31 muestra un esquema del proceso.
Ciclo de soldadura. El ciclo de soldadura viene determinado por la secuencia en el tiempo del paso de la corriente de soldadura y de la fuerza aplicada a los electrodos. En la figura 2.32 se muestra un ciclo de soldadura. Las fases del mismo son:
Posicionamiento Soldadura por paso de corriente Forja Cadencia
Durante la fase de posicionamiento, se ejerce sobre los electrodos una presión que obligue a que las superficies que se van a soldar posteriormente permanezcan unidas. En la fase de soldadura, se hace pasar la corriente eléctrica, que eleva la temperatura y produce la unión. Posteriormente se incrementa la presión y se inicia la fase de forja, finalmente viene la fase de cadencia, durante la cual se reduce la presión hasta liberar las piezas ya soldadas.
Variables del proceso de soldadura. Las principales variables de la soldadura por resistencia son aquellas que influyen en la ley de joule:
Tipo de corriente eléctrica Intensidad de la corriente de soldadura Tiempo de soldadura Resistencia eléctrica de la unión
La corriente eléctrica más utilizada es la alterna tanto monofásica como trifásica. En algunas aplicaciones específicas se emplea también la corriente continua.
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La intensidad es la variable más importante (en la expresión de la ley de joule está elevada al cuadrado).
de acero de 20 mm de espesor, aunque no es habitual soldar piezas de más 6 mm.
El tiempo de soldadura es el tiempo durante el cual esta circulando la corriente de soldadura. En el ciclo total de soldadura, no obstante, debe considerarse el tiempo de posicionamiento y el tiempo de forja. En la figura 2.33 se muestra un diagrama I-t, o diagrama de soldabilidad típico, que delimita los límites de inicio de fusión o soldadura y de exceso de material fundido, circunstancia que provocaría la expulsión del mismo de la zona de soldadura.
Soldadura por costura. Recibe este nombre cuando se realiza una junta continua. Puede realizarse solapando puntos con un equipo para soldadura por puntos o, más habitualmente, reemplazando los electrodos por roldanas o rodillos que pueden avanzar a lo largo de la soldadura. La figura 2.38 muestra un esquema del proceso. Puede utilizarse mediante el paso de corriente co rriente de forma continua o bien paso a paso, deteniendo el movimiento de las roldanas durante la realización de la soldadura e interrumpiendo el paso corriente durante el avance de estas. Las roldanas se refrigeran exteriormente, dada la imposibilidad de una refrigeración interna.
La última variable es la resistencia de la unión a soldar al paso de la corriente. En la figura 2.34 se representan las resistencias individuales de cada zona. Sobre la resistencia de contacto de las piezas a unir influyen parámetros como: resistividad de los materiales, fuerza aplicada por los electrodos (figura 2.35), acabado superficial y grado de limpieza.
Electrodos. Son los encargados de transmitir la fuerza y la corriente, además de delimitar la densidad de corriente y el tamaño de la zona de soldadura (Figura 2.36). Los electrodos son de aleaciones base de cobre con objeto de conseguir una baja resistencia eléctrica, óptima conductividad térmica y, al mismo tiempo, resistencia al efecto del calor y al desgaste. Como consecuencia de las intensidades tan elevadas que se utilizan normalmente son refrigerados por agua.
Formación del núcleo. Las soldaduras por resistencia se caracterizan por su rápida formación y por ciclos de calentamiento y enfriamiento muy rápidos. Una vez aplicada la fuerza de los electrodos y mantenida durante unos pocos ciclos (tiempo de posicionamiento), se inicia el paso de corriente que eleva la temperatura y forma el núcleo, que puede ser hasta un 10% mayor que el diámetro de los electrodos. Alrededor del núcleo se forma un anillo de metal caliente que al estar sometido a presión, igualmente, impide que el material fundido escape por los laterales. La figura 2.37 muestra la distribución de temperaturas que se obtiene en un acero de bajo contenido en carbono.
Tipos de soldadura. Los principales tipos de soldadura son:
Soldadura por puntos. Corresponde al proceso comentado utilizándose fundamentalmente para la unión de piezas solapadas. (figuras 2.34 y 2.37). En la actualidad es el proceso de soldadura por resistencia más ampliamente utilizado, pudiéndose soldar piezas
Soldadura por protuberancias. Es un proceso de soldadura por puntos, donde la concentración de la corriente se logra a través de unas protuberancias conformadas en las piezas. Un esquema del proceso se muestra en la figura 2.39. La principal diferencia en los equipos es la necesidad de movimiento del cabezal para poder seguir el hundimiento de la protuberancia. Este tipo de soldadura presenta la ventaja de poder realizar varios puntos de soldadura simultáneamente y que el tamaño y ubicación del mismo depende de la protuberancia y no de los electrodos. Aplicaciones La soldadura por resistencia tiene una extensa aplicación en las uniones a solape de planchas de acero al carbono y de acero inoxidable e incluso de aleaciones no férreas. Es un proceso igualmente apto para unir piezas disimilares, ya sea en composición química o espesor. Como ya se comentó, en soldadura por puntos se han llegado a soldar espesores de 20 mm, pero en soldadura por costura no es habitual superar los tres milímetros.
2.1.2.1.1.4. Soldadura por haz de partículas de alta energía. En los procesos de soldadura oxigas y por arco eléctrico, el calor es absorbido por las caras externas del material y posteriormente transmitido por conducción al resto del material. Esto hace que los cordones de soldadura tengan una baja relación profundidad/anchura. Sin embargo, si se desean soldar secciones con valores altos de esta relación, es necesario utilizar procesos como la soldadura láser o por haz de electrones que provocan la vaporización del material a soldar. Estos procesos, aunque totalmente diferentes tanto en la naturaleza y generación del haz como en la atmósfera de trabajo, realizan la soldadura de los materiales de forma similar y presentan, igualmente, ventajas similares.
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La soldadura en ambos procesos se realiza de la siguiente forma:
coherencia. La figura 2.44 representa un esquema del funcionamiento de un resonador para un láser de CO2.
Al incidir el haz de partículas, concentrado en una sección muy pequeña (diámetro del punto de intersección menor de un milímetro), la elevada concentración de energía provoca la fusión y vaporización del material metálico, de forma que la presión del vapor empuja al material fundido contra las paredes formando una especie de túnel que permite que el haz penetre y siga actuando en profundidad (la figura 2.40 muestra un esquema del proceso). Según se produce el avance relativo del haz respecto a la pieza, el túnel se va desplazando de forma que en su parte delantera se forma un frente de fusión, mientras que en su parte posterior el material se condensa y solidifica según se enfría, formándose el cordón de soldadura (figura 2.41). Debido a su forma característica, la sección del cordón de soldadura formado recibe el nombre de ojo de llave (keyhole).
El rayo que sale del resonador, ya es un rayo láser, y es posteriormente focalizado mediante unas lentes sobre la junta de las piezas a soldar.
Generación de un haz de electrones. El chorro de electrones que se necesita para generar un haz concentrado es emitido por un cátodo (filamento de volframio o un disco de tántalo) que es calentado por energía eléctrica a más de 2000º C para favorecer la emisión electrónica. El chorro de electrones es atraído por un ánodo con un orificio central para que pueda pasar a través de el. El haz que es aun divergente es concentrado por unas lentes electromagnéticas que generan campos axisimétricos. Posteriormente el haz puede ser desviado gracias a la acción de unas bobinas. La figura 2.42 muestra un esquema de un equipo de soldadura por haz de electrones. El haz debe obtenerse en una cámara de vacío para evitar evita r su dispersión y evitar descargas entre el ánodo áno do y el cátodo. Debe tenerse en cuenta que la interacción del haz con la materia genera R-X por lo que la zona de trabajo debe quedar aislada del exterior mediante una protección adecuada (recubrimiento de plomo de la cámara de soldadura).
Generación de un rayo láser. Un equipo láser, básicamente, es un dispositivo que es capaz de convertir una fuente de energía primaria en una radiación electromagnética monocromática y coherente. Esto se consigue mediante una emisión estimulada de la radiación por parte de la sustancia emisora, que es la que da nombre al láser. La figura 2.43 muestra un esquema de un equipo láser. La parte fundamental del equipo es el resonador, sitio donde se produce la excitación de la sustancia emisora. Básicamente es un tubo de vidrio con dos espejos en los laterales, uno cien por cien reflector y otro parcialmente transmisor y que deja salir una determinada radiación (ondas cuya longitud sea tal que permita la formación de ondas estacionarias en su interior y alineadas en su eje central) con las propiedades de monocromatismo y
Los láseres de aplicación en soldadura son:
Láser de Nd+3 en YAG o vidrio. Es un láser en estado sólido en el cual las excitaciones se producen entre los niveles electrónicos de las impurezas del Nd+3 en los cristales del vidrio o YAG. YAG. Se trabaja con una longitud de onda de 1,06 μm y en funcionamiento tanto continuo o pulsado. Láser de CO2. Es un láser en estado gaseoso en el cual la excitación se produce entre los niveles de vibraciónrotación de su molécula. Se trabajar con una longitud de onda de 10,6 μm y en funcionamiento tanto continuo o pulsado. Permite obtener mayores potencias. Láser de diodos. El medio activo es la unión p-n de un semiconductor fuertemente dopado (adición de impurezas a un material para modificar propiedades). Presentan como ventaja el menor tamaño.
Ventajas e inconvenientes generales de estos procesos Las principales ventajas de estos procesos son:
El aporte de energía al material es bajo gracias a la elevada densidad de energía utilizada. Son los procesos de soldadura por fusión que menor cantidad de calor aportan Se pueden conseguir cordones profundos y estrechos. En soldadura por haz de electrones se pueden llegar a conseguir relaciones anchura/profundidad de 1/50. Se pueden soldar grandes espesores de una sola pasada sin material de aporte. Las velocidades de avance de soldadura son muy elevadas. Al no existir conexión eléctrica con las piezas a soldar, se pueden alcanzar puntos inaccesibles por otras técnicas. Las zonas afectadas térmicamente son muy estrechas. Las deformaciones de origen térmico son mínimas. Pueden soldarse piezas mecanizadas a dimensiones finales con tolerancias Permiten la reparación por soldadura de piezas de precisión. Las velocidades de enfriamiento del baño de fusión son rápidas, dando lugar a tamaños de grano fino. Como inconvenientes pueden indicarse:
El precio de los equipos es muy elevado.
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Requieren una gran precisión en posicionamiento y focalización. Se requiere una buena calidad en la superficie de corte de los bordes a soldar, fundamentalmente en soldaduras a tope En la soldadura por haz de electrones la cámara de vacío limita el tamaño de las piezas a soldar El magnetismo de las piezas puede impedir la utilización de la soldadura por haz de electrones El consumo de agua, gas y electricidad es importante en los equipos láser Estudio comparativo de la soldadura láser y por haz de electrones.
El rendimiento energético del láser es inferior al del haz de electrones. Las potencias máximas que se obtienen son superiores con el haz de electrones. El láser no precisa cámara de vacío. El láser no se ve afectado por campos magnéticos, si bien se refleja en las superficies metálicas en función de su emisividad y grado de acabado. Se puede emplear un mismo equipo láser a tiempo compartido entre varias estaciones de trabajo. El láser presenta una menor flexibilidad para cambiar la distancia focal a la cual se concentra. En soldadura láser es preciso cambiar los espejos, mientras que con haz de electrones basta con cambiar la corriente de la bobina de focalización 2.1.2.1.1.6. Soldadura aluminotérmica. La soldadura aluminotérmica es un proceso de soldadura por fusión que utiliza como fuente de calor el generado por la reacción química de un óxido metálico (normalmente Fe2O3) y un metal fuertemente reductor (normalmente aluminio). La reacción, que normalmente es iniciada por una bengala, es: Fe2O3 + 2Al → 2Fe + Al2O3 + 2400º C El calor generado funde el metal de aportación (el Fe producido en la reacción) y los bordes de las piezas a unir, quedando la alúmina producida como residuo en forma de escoria. Para la correcta deposición del material de aportación, debe colocarse un molde refractario que se acople perfectamente a la junta e impida un vertido incontrolado. La denominada carga aluminotérmica se presenta habitualmente en sacos que contienen una mezcla granular de óxidos de hierro, aluminio y aditivos estabilizadores de la reacción. La figura 2.45 muestra un esquema de este proceso.
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Este proceso presenta como ventajas:
Es independiente de cualquier fuente de energía El equipo necesario se transporta fácilmente Se aplica con facilidad, no requiriendo una mano de obra muy especializada La tasa de deposición es muy alta: 2 kg. de acero en menos de 2 minutos en la soldadura de un carril La repetibilidad del proceso es elevada El resultado global es seguro y fiable Este proceso es ampliamente utilizado en la soldadura de rieles de ferrocarril, si bien permite realizar una amplia variedad de diseños de uniones (Figura 2.46).
2.1.2.1.1.7. Soldadura bajo electroescoria. electroescoria. La soldadura bajo electroescoria es un proceso de soldadura por fusión que utiliza como fuente de calor el generado al circular la corriente a través de ella. La electroescoria son escorias sólidas prácticamente aislantes, desde un punto de vista eléctrico, por lo que para iniciar el proceso se utiliza un arco eléctrico. Una vez fundidas presentan una pequeña conductividad, que permite circular la corriente y que la temperatura, como consecuencia de su resistividad, se eleve lo suficiente para fundir el material de aportación y los bordes de las piezas a unir. La figura 2.47 muestra un esquema del proceso. El metal fundido va depositándose por tener una mayor densidad en el fondo, mientras que la electroescoria fundida flota y va ascendiendo según se va realizando la soldadura (vertical ascendente). Como material de aporte se utilizan electrodos que a la vez tienen la misión de conducir la corriente eléctrica. Este procedimiento se utiliza para la unión de grandes espesores y metalúrgicamente se distingue por ciclos de calentamiento y enfriamiento muy lentos, que pueden conducir a estructuras metalúrgicas bastas y de baja tenacidad. También son utilizados en la realización de recargues.
2.1.2.1.2. Procesos de soldadura en estado sólido. En estos procesos la soldadura se realiza por debajo de la temperatura de “Solidus” de los materiales. La unión se obtiene como consecuencia de fuerzas de atracción interatómicas, circunstancia que la convierte en una auténtica unión metalúrgica. La unión está basada en el hecho de que dos superficies metálicas completamente limpias al ponerse en contacto producen producen espontáneam espontáneamente ente su soldadura soldadura por la acción de fuerzas de atracción interatómicas. La preparación de la superficie implica la eliminación de herrumbre, suciedad; aceite y demás contaminantes, así como de toda humedad o gas que hayan podido ser absorbidos. Esto se logra mediante el
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maquinado, el tratamiento abrasivo, el esmerilado, el pulido o el ataque químico, seguido de un tratamiento de limpieza o por un calentamiento en un horno al vacío.
Necesidad Necesidad de de utilizar utilizar intercapas intercapas en algunos algunos casos
La realización práctica de la soldadura en estado sólido necesita provocar un desplazamiento de las superficies originales para conseguir el contacto íntimo y la unión metalúrgica.
Es el procedimiento de soldadura más antiguo que se conoce. Consiste en calentar los materiales a temperatura elevada para llevarlos al estado plástico y posteriormente aplicar una presión.
En la práctica, lo que se hace es presionar las superficies a unir entre si, de forma que se produzca su desplazamiento por deformación plástica y, en consecuencia, la unión metalúrgica por las fuerzas fuerzas de atracción atracción interatómicas. interatómicas. Esta operación se suele realizar a temperatura elevada (siempre por debajo de la temperatura de “solidus”) para poder llevar el material al estado plástico más fácilmente.
La presión de soldadura que se aplica, tanto por medios manuales, como mecánicos, puede ser del tipo de compresión lenta o de impacto mediante un martillo.
Los diferentes procedimientos se diferencian en la forma de aplicación de la energía térmica y mecánica necesaria para obtener la unión. Los factores de influencia son:
Temperatura Presión Atmósfera Tiempo Utilización de intercapas Preparación superficial
La utilización de intercapas es necesaria para obtener la unión de materiales incompatibles metalúrgicamente (formación de intermetálicos de carácter frágil) o con un coeficiente de dilatación muy diferente. Una aplicación importante de estos procesos es la unión de materiales disimilares (uniones metal-cerámica, aceros inoxidables austeníticos-aleaciones de aluminio), si bien su implantación económica para grandes producciones es difícil por los tiempos tiempos de soldadura soldadura tan elevados elevados y el coste de los equipos. Como ventajas de estos procesos pueden indicarse:
Propiedades similares al M.B. Menores deformaciones Soldaduras disimilares No precisan precisan acceso directo directo No defectos defectos de fusión fusión No hay hay precalenta precalentamiento mientoss fuertes fuertes
En contrapartida, como desventajas pueden indicarse:
Ciclos térmicos largos No presenta presenta gran produc productivid tividad ad Preparación superficial cuidadosa Calor y presión simultáneos en atmósfera
2.1.2.1.2.1. Soldadura por forja.
Este proceso puede producir soldaduras sin aplicación de calor externo, sometiendo a los metales por soldar a una presión suficiente para ocasionar su deformación plástica a la temperatura de trabajo. El procedimiento de soldadura con presión aplicada en frío es adecuado para la unión de metales y aleaciones no férreas, como las de aluminio, cobre, níquel, zinc y plata; o las combinaciones de matriales no férreos de dureza diferente. La figura 2.48 muestra un un ejemplo de matrices, estas se mueven hasta que las las superficies a unir se tocan. tocan. La presión presión posterior posterior que se aplica adicionalme adicionalmente nte hace que el metal se deforme y fluya hacia los laterales, finalizando la soldadura.
2.1.2.1.2.2. Soldadura por fricción. El calentamiento se produce como consecuencia del rozamiento que provoca el movimiento circular de dos superficies en contacto. La presión se aplica una vez alcanzado el estado plástico y con las piezas ya en reposo. La figura 2.49 muestra un esquema del proceso.
2.1.2.1.2.3. Soldadura por difusión. Se produce como consecuencia de la aplicación de presión a temperatura elevada sin que se produzca una deformación plástica a nivel macroscópico. Un metal intermedio puede ser utilizado en caso de materiales incompatibles metalúrgicamente o con coeficientes de dilatación muy diferentes., pudiendo aplicarse por depósito electrolítico, como materiales de aporte pulverizados, etc. Tales recubrimientos sirven para uno o más de los siguientes fines:
Permitir que se efectúe la soldadura por difusión de combinaciones de metales que normalmente no son soldables, utilizando un metal intermedio de menor resistencia mecánica. Permitir la modificación de las condiciones de las superficies, mediante el empleo de películas de depósito electrolítico, o de hojas metálicas del espesor del papel, para minimizar los problemas de las películas de óxidos.
Tema 2: Técnicas de unión
Minimizar o resolver los problemas de compatibilidad de los elementos de aleación al unir metales diferentes. diferentes. Minimizar la deformación con la capa intermedia blanda, confinando la deformación al metal intermedio, de baja resistencia mecánica. La figura 2.50 muestra un esquema del proceso. La soldadura por difusión es ampliamente utilizada en las uniones metal-cerámica.
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Un aspecto fundamental de estos procesos es la limpieza de las superficies. Esto es debido a que el material de aportación debe penetrar por capilaridad y “mojar” las superficies a unir en su totalidad, acción que solo es posible sobre superficies libres de óxidos, polvo, aceites y grasa. Este es motivo de la necesidad de una adecuada limpieza superficial y de la necesidad de utilizar decapantes que prevengan de la formación de capas de óxido durante la soldadura. Los principales procesos de soldadura por capilaridad son.
2.1.2.1.2.4. Friction stir welding (Soldadura por fricción rotación). Es un proceso especial de soldadura por fricción basado en la rotación de una herramienta no consumible (pin) que por fricción plastifica el material a ambos lados de la junta. El calor generado por la fricción y la plastificación producida permite que las piezas previamente presionadas, presionada s, se suelden sueld en a tope según avanza la herramienta. La figura 2.51 muestra un esquema del proceso. Esta técnica patentada por el Welding Institute en 1991 es usada fundamentalmente en aleaciones de aluminio, pues evita la pérdida de propiedades que produce al soldar estos materiales por procesos de fusión. Los valores de los parámetros son: velocidad de giro del 130-180 r.p.m., presión ejercida de 35-70 MPa y velocidad de avance de 8,5 a 12,5 cm/mn. Este proceso es utilizado, por ejemplo, en la soldadura de chapas de aleación de aluminio para vagones de ferrocarril y en la fabricación de los depósitos de combustible externos para el despegue de las lanzaderas.
Soldadura fuerte. Proceso en el que la temperatura de fusión del metal de aporte es superior a 450 C. En función de como se produzca el calentamiento y fusión del metal de aporte tendremos procedimientos diferentes como: soldadura fuerte con soplete, en horno, por inducción, etc. Como materiales de aporte se utilizan fundamentalmente aleaciones de Cu-P y CuAg, estando también están normalizadas aleaciones CuZn, Al-Si, de Ni y aleaciones de Au para algunas aplicaciones muy específicas. Soldadura blanda. Proceso en el que la temperatura de fusión del metal de aporte es inferior a 450 C. Igualmente se clasifican en función de cómo se realice el calentamiento. En las uniones se consiguen propiedades mecánicas algo inferiores a las obtenidas con soldadura fuerte, si bien la afectación térmica es aun menor. Como materiales de aporte se utilizan fundamentalmente aleaciones de Sn-Pb, Sn-Ag, Zn-Al Zn-Al (para soldar aluminio y aleaciones), Zn-Cd, etc..
2.1.2.1.3 Procesos de soldadura fuerte y blanda. En estos procesos de soldadura, la unión de las piezas a soldar se realiza por debajo de su temperatura de “Solidus”, fundiéndose únicamente el material de aportación. El metal de aporte una vez fundido penetra por capilaridad en las superficies ajustadas de la junta y al solidificar se obtiene una unión por fuerzas de Van Der Waals, fundamentalmente, si bien otros mecanismos de unión como la difusión pueden actuar. Uniones a tope con bordes biselados, donde el metal de aporte es depositado y no penetra por capilaridad, también pueden realizarse, si bien la penetración por capilaridad es más habitual. Estos procesos son aplicables a la mayoría de los metales y aleaciones, consiguiéndose elevadas resistencias a tracción, si bien no se alcanzan las características mecánicas tan completas como en otros procesos. La característica principal de estos procesos es su menor temperatura de trabajo que disminuye los peligros de deformación, tensiones residuales, oxidación y de todos aquellos relacionados con temperaturas de trabajo elevadas.
El soldeo fuerte se utiliza para soldeo de plaquitas de corte en las herramientas, en diferentes partes de intercambiadores de calor, muchos componentes de automóviles, bicicletas, depósitos de aceite, instrumentos, paneles tipo sandwich con lámina intermedia en panal de abeja, uniones de materiales cerámicas a metálicos y piezas para vehículos espaciales. El soldeo blando se utiliza en componentes electrónicos, como circuitos impresos o transistores, piezas ornamentales, piezas de intercambiadores de calor y fontanería. Entre las ventajas que ofrecen estos métodos de soldeo, se pueden considerar las siguientes:
Al no fundirse los metales base no tiene importancia la diferencia de temperaturas de fusión de los dos materiales que se quieran fundir y por tanto se pueden obtener uniones sanas entre materiales diferentes, incluso entre materiales metálicos y no metálicos o entre materiales de diferente espesor. Sólo se requiere seleccionar un metal de aportación compatible con los dos materiales.
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Se pueden obtener soldaduras en piezas de precisión. Q
Con algunos procesos se pueden realizar soldaduras en muchas piezas al mismo tiempo, por lo que resulta muy económico. Sólo se requieren bajas temperaturas, con el ahorro energético que ello conlleva. La apariencia de la soldadura es muy buena. En general, la habilidad necesaria para realizar soldaduras fuertes o blandas es más fácil de adquirir que la requerida para realizar soldadura por fusión, ya que la soldadura fuerte o blanda casi se realiza por sí sol distribuyéndose por capilaridad con gran facilidad. Sin embargo estos inconvenientes:
métodos
también
tienen
sus
=
Tensión * Intensidad Velocidad _ avance
(J/M)
Relación que nos expresa la energía aportada por unidad de longitud del cordón depositado. En procesos oxigas la energía aportada viene determinada por el poder calorífico del gas combustible y por el consumo del mismo, normalmente expresado en litros/hora. En procesos de soldadura por resistencia la energía aportada se determina por la ecuación de Joule: Q=I2*R*t En procesos de soldadura por haz de partículas de alta energía, es habitual utilizar la densidad de potencia del haz (W/m2).
La resistencia mecánica y la continuidad de las piezas obtenidas por soldeo fuerte no es comparable con la obtenida con soldeo por fusión.
Los procesos de soldadura, no obstante, tienen un rendimiento térmico determinado. Esto significa que al material base, en realidad, recibe un porcentaje de la energía puesta en juego, es decir: ENA (Energía neta aportada=1* Q (Energía bruta aportada o EBA)
El diseño de las piezas, y en algunos casos su preparación, puede resultar más complicado y costoso.
La tabla III recoge los rendimientos térmicos de algunos de los procesos de soldadura más habituales.
Resulta difícil y/o costosa su aplicación en el caso de piezas grandes
Tabla III. Rendimiento térmico de diferentes procesos de soldadura
Los dos tipos básicos de unión utilizados en estos procesos son las juntas a tope y a solape, siendo esta última la más utilizada (Figura 2.52). Los procesos más utilizados son los siguientes:
Soldeo fuerte y soldeo blando con soplete. Soldeo fuerte y soldeo blando en horno. Soldeo fuerte y soldeo blando por inducción. Soldeo fuerte y soldeo blando por resistencia. Soldeo fuerte por Laser-Brazing (Figura 2.53) Soldeo fuerte por MIG-Brazing (Figura 2.54.).
2.1.2.2. Metalurgia de la soldadura. Introducción. Los procesos de soldadura por fusión de los materiales metálicos, en los que se supera la temperatura de “Liquidus” del material base y del material de aportación, son los más ampliamente utilizados en la industria por la relativa facilidad con que puede obtenerse una unión metalúrgica perfecta, por su rapidez y por sus grandes posibilidades de automatización. No obstante, este tipo de procesos requiere un aporte térmico té rmico importante que permita superar la temperatura de fusión de los materiales a unir. El valor de la energía aportada depende del tipo de proceso y de los parámetros. En procesos de soldadura por arco eléctrico la energía puesta en juego suele expresarse:
Método de soldadura
Rendimiento (1)
Electrodo revestido MIG TIG Arco sumergido Haz de electrones Rayo láser
0.8 0.8 0.6 1.0 0.90-0.97 0.80-0.95
2.1.2.2.1. Ciclos térmicos. En los procesos de soldadura, al contrario de lo que ocurre en los procesos de moldeo, el aporte de energía está focalizado en una zona concreta, lo que provoca una transferencia o disipación de calor por convección y conducción, mientras el material está en estado líquido, y por conducción en estado sólido. La disipación de calor a través de las superficies al medio exterior es por convección y radiación. Esta transmisión de calor en los materiales metálicos provoca una distribución de temperaturas y unos ciclos térmicos característicos en la unión soldada. Estos ciclos térmicos constituyen el primer origen de los cambios microestructurales, tensiones y deformaciones que se producen y que afectan al comportamiento en servicio de la unión soldada de forma importante. Esto es debido a que los campos de distribución de temperaturas que se obtienen
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son los que determinan las tensiones residuales, las deformaciones térmicas y las debidas a eventuales transformaciones que pueden acompañar a los cambios de estado y de microestructura. El estudio de la historia térmica de una unión soldada puede realizarse en secciones transversales, según la dirección de avance, pues las isotermas son prácticamente paralelas a dicha dirección.
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varía en el sentido de temperaturas alcanzadas menores y velocidades de enfriamiento mayores en el extremo inicial y de temperaturas mayores y velocidades de enfriamiento menores en el extremo final como consecuencia de un efecto de borde. En la figura 2.59 puede observarse el efecto de borde inicial. Como consecuencia de esta dependencia geométrica, en el estudio de una unión soldada se pueden distinguir las siguientes zonas (Figura 2.60)
2.1.2.2.1.1. Distribución de temperaturas. La distribución de temperaturas máximas alcanzadas es función de la posición geométrica del punto considerado. Tal y como puede apreciarse en figura 2.55, las temperaturas máximas se alcanzan en el cordón de soldadura (zona que recibe directamente el aporte de energía), mientras que según nos alejamos transversalmente las temperaturas máximas alcanzadas disminuyen gradualmente. Si representamos las isotermas en la superficie de la pieza en un instante determinado, obtendríamos una distribución de temperaturas como la que refleja la figura 2.56. Al desplazarse la fuente de calor, o lo que es lo mismo, el baño fundido, fundid o, obtendríamos la misma figura acompañando dicho desplazamiento, con lo que las máximas temperaturas alcanzadas por los puntos del plano serían las correspondientes a las tangentes a las respectivas curvas isotérmicas, paralelas al cordón de soldadura, tal y como se observa en la figura 2.57.
2.1.2.2.1.2. Ciclos térmicos. El ciclo térmico sufrido por la unión soldada durante su realización, al igual que la distribución de temperaturas máximas, es diferente en cada punto considerado y depende de su posición geométrica. La figura 2.58 representa los ciclos térmicos en diferentes puntos de una sección secció n transversal a la dirección de avance. Las temperaturas más elevadas y las velocidades de enfriamiento más rápidas corresponden al cordón de soldadura, disminuyendo tanto la temperatura alcanzada como la velocidad de enfriamiento según nos alejamos del cordón de soldadura transversalmente a la dirección de avance. En la figura 2.58 puede observarse, igualmente, como en cualquier instante de tiempo la temperatura de cada punto y su velocidad de enfriamiento instantánea es diferente, exceptuando lógicamente cuando la temperatura se ha homogeneizado en la pieza soldada. En la Figura 2.58 puede observarse como el ciclo térmico de diferentes puntos, que solo varían en la coordenada del eje paralelo a la dirección de avance, es prácticamente idéntico (exceptuando lógicamente el decalaje en el eje de los tiempos). En los extremos inicial y final el ciclo térmico
Zona fundida (ZF). Zona en la que se supera la temperatura de “Liquidus” del material. Esta zona está constituida por el material fundido y solidificado, sirviendo de nexo de unión entre las dos piezas soldadas. Zona afectada térmicamente (ZAT). Zona del material base adyacente al cordón de soldadura que sufre una serie de transformaciones como consecuencia del ciclo térmico a que se ve sometida. Zona sin afectar. Zona del material base alejada del cordón, en la cual no se han producido cambios estructurales y de propiedades de consideración. 2.1.2.2.1.3. Factores de influencia. Los principales factores que influyen en el ciclo térmico obtenido como consecuencia de un proceso de soldadura son los siguientes:
Energía aportada o “Input” térmico. Un aumento de la energía suministrada provoca un aumento de las temperaturas alcanzadas, un mayor tiempo de permanencia a temperatura elevada, zonas afectadas térmicamente más anchas y una disminución de las velocidades de enfriamiento. Material. Las propiedades de carácter térmico del material tienen una marcada influencia. Las principales propiedades son: conductividad térmica, calor específico, temperatura de fusión y de vaporización y los calores latentes de fusión y vaporización. Diseño de la junta. En este aspecto se incluyen el espesor y el tipo de junta (caminos para disipar el calor), ambos factores se pueden reunir en el índice de brusquedad térmica de la l a junta (IBT.), que nos indican la facilidad para evacuar el calor de la junta. Como IBT = 1 se define el flujo de calor a través de una sección de 6 mm de espesor. El IBT = 2 será el correspondiente al flujo térmico a través de dos secciones como las anteriores. De forma general puede decirse que el IBT será la suma de los espesores de las diferentes direcciones de flujo dividida por 6. La figura 2.61 muestra las direcciones del flujo térmico en diferentes configuraciones geométricas.
Tema 2: Técnicas de unión
Temperatura de precalentamiento (Tp). Temperatura inicial del material a soldar. A mayor Tp, mayor temperatura alcanzada y menor velocidad de enfriamiento. Esta última variación en el ciclo térmico es la que justifica el precalentamiento de algunos aceros para disminuir el peligro de agrietamiento en frío y de materiales como el cobre para facilitar su fusión. Condiciones externas . La temperatura ambiente de la zona de soldadura influye fundamentalmente en la disipación de calor por convección y radiación a través de las superficies límite o exteriores de las piezas a soldar.
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normalmente se funden mayores cantidades de material y las velocidades de enfriamiento son más lentas, las estructuras obtenidas son más bastas y sin orientación definida. Caso de realizarse la soldadura en varias pasadas, la influencia térmica de las superiores provoca un normalizado de las anteriores ya solidificadas con el subsiguiente afino de la estructura. En general, los principales fenómenos que se pueden producir en la zona fundida son:
Variaciones de composición química. Debida fundamentalmente a pérdida de elementos por oxidación y al aporte voluntario de ciertos elementos para mejora de propiedades. Igualmente debe considerarse la posible pérdida de elementos de bajo punto de fusión por volatilización
2.1.2.2.2. Zonas de una unión soldada. Al realizar una unión por soldadura, realizamos simultáneamente dos operaciones metalúrgicas principales:
Una operación de moldeo, ya que tras la elaboración del baño fundido, tiene lugar su solidificación de un modo, en principio, idéntico a la solidificación de un metal en un molde (lingote). Una operación de tratamiento térmico. En todos los casos, las operaciones de soldadura, debido a la utilización de un aporte de calor, someten al metal base a ciclos térmicos asimilables a los tratamientos térmicos utilizados en metalurgia para el control de las propiedades de las aleaciones metálicas.
Con estas premisas resulta ya evidente que la comprensión de todos los fenómenos exige amplios conocimientos metalúrgicos, aunque teniendo siempre presente que la metalurgia de la soldadura difiere de la convencional en puntos tan importantes como la heterogeneidad térmica propia de aquellas operaciones y la gran velocidad de desarrollo de las mismas Debido a estas características, tal y como se comentó en el punto 2.2, en una unión soldada se pueden considerar tres zonas claramente diferenciadas
Zona fundida. Zona afectada térmicamente (ZAT). Zona sin afectar.
2.1.2.2.2.1. Zona fundida. En esta zona el material es fundido y luego solidificado, por lo que es una zona de moldeo. No obstante, dado la focalización del calor aportado y las pequeñas cantidades de material fundido, las velocidades de enfriamiento son muy elevadas.
Absorción de gases. Fundamentalmente los gases atmosféricos (oxígeno y nitrógeno) y el hidrógeno.
La absorción de los gases atmosféricos es consecuencia de una inadecuada protección, ocasionando la precipitación de compuestos (óxidos y nitruros) que modifican las propiedades mecánicas del cordón de soldadura y la aparición de porosidad y sopladuras, si las cantidades absorbidas son elevadas. La absorción de H2 en la zona fundida está relacionada con el proceso de soldadura utilizado y principalmente con la presencia de humedad en las inmediaciones del arco eléctrico. La influencia de este gas es variada, pudiendo provocar salpicaduras, porosidad, formación de copos (áreas de descohesión local) y la fragilidad del metal base cuando difunde a este desde la zona fundida. En general su influencia más directa es la fragilización y agrietamiento de uniones soldadas
Precipitación de compuestos. Este tipo de transformaciones perjudican seriamente la soldabilidad de una aleación, debido a la posibilidad de aparición de eutécticos y compuestos de bajo punto de fusión. Aunque estas transformaciones son típicas de las aleaciones de cobre y aluminio, en los aceros pueden producirse fundamentalmente por la presencia de impurezas como el azufre y el fósforo.
Estas precipitaciones suelen ser debidas a fenómenos de segregación que conducen a una falta de homogeneidad en la composición química de una aleación metálica tras la solidificación.
Modificaciones estructurales . Se producen transformaciones que afectan a la estructura del del grano y modificaciones físico-químicas. En el primer caso, en función de la cantidad de material fundido se dará más o
Las estructuras obtenidas son típicas de los procesos de colada, es decir bastas, orientadas y dendríticas. En algunos procesos como en la soldadura oxiacetilénica, como
Tema 2: Técnicas de unión
menos tiempo al crecimiento del grano de solidificación y se obtendrá una estructura más o menos basta y con mayor o menor orientación. En el caso de modificaciones físicoquímicas, hay que considerar los posibles cambios de composición química, fenómenos de segregación y las velocidades de enfriamiento.
2.1.2.2.2.2. Zona afectada térmicamente. Como ya se comentó, debido al flujo térmico por conducción, en el material base adyacente se produce un ciclo térmico que afecta a su estructura y propiedades. El ciclo térmico concreto de cada punto, depende de su situación geométrica, así cuanto más cerca esté del cordón de soldadura, las temperaturas alcanzadas son mayores y las velocidades de enfriamiento obtenidas superiores (Figuras 6 y 7). La figura 2.62 muestra una comparación en tiempo de austenización y velocidad de enfriamiento de un tratamiento térmico común (sobre toda la masa de la pieza) y el ciclo de soldadura. A pesar del tiempo corto de austenización, los ciclos térmicos de las uniones soldadas provocan en el material base modificaciones que determinan:
Crecimiento de grano. Fenómenos de recristalización. Modificaciones físico-químicas.
La figura 2.63 muestra a modo de ejemplo los cambios microestructurales que se producen en la ZAT de un acero al carbono
2.1.2.2.2.3. Modificaciones en la ZAT de un acero al carbono. En este tipo de aceros es habitual distinguir tres zonas diferentes:
Zona de sobrecalentamiento. Zona de recocido. Zona de transformación A1-A3.
En la figura 2.64 se observan estas zonas y su correspondencia con el diagrama de equilibrio Fe-C metaestable.
Zona de sobrecalentamiento. Es la zona más cercana a la de fusión con temperaturas superiores a unos 1100ºC. En lo que se refiere al tamaño de grano, conviene recordar que este aumenta a partir de una cierta temperatura y que la temperatura a partir de la cual se consigue un 100% de granos gruesos (temperatura de sobrecalentamiento), aproximadamente unos 1200º C en el caso de los aceros, es ampliamente alcanzada, por lo que se
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produce un importante aumento del tamaño de grano. Las transformaciones físico-químicas dependen de temperatura, tiempo de permanencia y velocidad de enfriamiento. En esta zona tanto las temperaturas alcanzadas como las velocidades de enfriamiento son importantes, por lo que se favorece la formación de la estructura de Widdmanstäetten, que requiere estas condiciones, e incluso puede superarse la velocidad crítica de temple de algunas aleaciones con mayor contenido en carbono, lo que implicaría una transformación martensítica.
Zona de recocido. En esta zona la temperatura está comprendida entre 900 y 1100º C, aproximadamente, y las velocidades de enfriamiento son más lentas. Tal y como se observa en la figura 25, estamos justo por encima e ncima de la temperatura de austenización, por lo que dadas las menores velocidades de enfriamiento se produce un tratamiento térmico de recocido de regeneración, con lo cual se observa un afino de la estructura del metal base y una disminución del tamaño de grano.
Zona de transformación A1-A3. En esta zona estamos en el intervalo de temperaturas comprendido entre A1 y A3 y las velocidades de enfriamiento son aún más lentas. Estas condiciones de tratamiento térmico lo que producen en los aceros al a l carbono es un inicio del recocido de globulización, pues no se ha dado el tiempo de permanencia suficiente ni la velocidad de enfriamiento es lo suficientemente lenta.
En el caso de otros materiales. El comportamiento metalúrgico es diferente, dependiendo éste de su respuesta frente a los tratamientos térmicos. El conocimiento de las transformaciones producidas tanto en el metal base como en el cordón es fundamental para poder estudiar las propiedades de una unión soldada. A modo de ejemplo, en la figura 2.65 se refleja un esquema de la variación de propiedades en una unión soldada de un acero normalizado, que muestra como la ZAT puede llegar a ser una entalla metalúrgica
2.1.2.2.3.- Tensiones residuales. Las tensiones que se introducen en los materiales inducidas por un proceso de soldadura tienen una gran importancia y son objeto de gran interés científico por su influencia en el posterior comportamiento en servicio. La necesidad de su conocimiento y su influencia se hace más evidente teniendo en cuenta, por ejemplo, el aumento de las reparaciones por soldadura en tuberías y depósitos a presión.
2.1.2.2.3.1. Origen de las tensiones residuales. Como ya se indicó, durante un proceso de soldadura la distribución de temperaturas no es uniforme y la variación de temperaturas entre el baño de fusión y el material base
Tema 2: Técnicas de unión
es muy acusada. Así por ejemplo, según avanza el proceso la zona recién solidificada resiste la contracción del baño de fusión que va por delante, apareciendo tensiones de contracción, tanto longitudinales como transversales en el cordón (Figura 2.66). La base del análisis de tensiones y deformaciones es el campo de temperaturas generado durante la soldadura, que se determina de forma numérica o mediante medidas, así como también los cambios microestructurales causados por ese campo de temperaturas. Se puede concluir que las causas de las tensiones aparecidas en una soldadura se deben a:
Causas térmicas: dilataciones y contracciones del material en distintas zonas, puesto que el ciclo térmico varía punto a punto y hay un decalaje en el tiempo de los ciclos térmicos. Variación de propiedades con la temperatura (La figura 2.67 muestra la variación de algunas propiedades con la temperatura para un acero). Posibles variaciones de volumen debidas a cambios microestructurales (por ejemplo: de “γ” a “α”).
2.1.2.2.3.2. Distribución de tensiones residuales. Un ejemplo de formación de tensiones residuales de origen térmico nos lo proporciona el ejemplo de la figura 2.68. Este está constituido por tres barras de acero de igual longitud y sección que están unidas por sus extremos mediante dos cuerpos rígidos. En el ejemplo la barra central es calentada y posteriormente enfriada. La figura 2.68 nos muestra como varían las tensiones en la barra central según se produce el calentamiento y el posterior enfriamiento. Durante el calentamiento de la barra central, su dilatación es impedida por la restricción que imponen las barras laterales que no se calientan, por lo que aparecen tensiones residuales de compresión en ella, que van aumentado según se eleva la temperatura (curva AB). En el punto B las tensiones residuales son iguales al límite elástico a compresión del material a esa temperatura. Al seguir aumentado el calentamiento (curva BC) se produce una disminución del valor de las tensiones residuales, como consecuencia de la disminución de propiedades mecánicas del material de la barra con el aumento de la temperatura. En esta zona empiezan a parecer deformaciones permanentes, pues las tensiones introducidas por el aumento de la temperatura y del coeficiente de dilatación superan el límite elástico a compresión del material de la barra. Durante el enfriamiento (curva CD), las tensiones residuales pasan a ser de tracción de forma lineal hasta alcanzar e punto D, donde se alcanza el límite elástico a tracción a esa temperatura. A partir de dicho punto (curva DE) la variación de tensiones no es lineal, como consecuencia del aumento de las propiedades del material
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con el descenso de la temperatura. En esta zona aparecen tensiones de compresión en las barras laterales. En el caso de una soldadura, los cambios de temperatura y tensiones longitudinales durante el proceso se muestran de forma esquemática en la figura 2.69. Puesto que estas tensiones residuales son exclusivamente de origen térmico no pueden producir una fuerza ni un momento resultante, por lo que deben cumplir:
dA=0 en cualquier sección plana dM=0 en cualquier punto En la figura 2.69 puede observarse la distribución de temperaturas (figura 2.69 B) y de tensiones longitudinales (figura 2.69 C) en diferentes secciones transversales a la dirección de avance (figura 2.69 A), que representan diferentes momentos en el proceso de soldadura de la chapa. En la sección A-A no se ha llegado a soldar todavía, por lo que no hay variación, ni de temperatura, ni de tensiones. En la sección B-B, que representa la zona en que se está soldando en ese momento, el calentamiento es máximo, mientras que las tensiones residuales en el cordón serán nulas (el cordón es líquido en ese instante) y aparecen tensiones de compresión en la zona adyacente al cordón (se está calentando) y de tracción en los extremos para compensar. En la sección C-C, que representa un zona en la que se ha iniciado el enfriamiento (correspondería a la zona de la curva CD de la figura 2.68), aparecen ya tensiones de tracción en el cordón de soldadura, que alcanzan su máximo valor en la sección D-D que se ha enfriado totalmente. El tramo CD de la figura 2.68 se corresponde, igualmente, con este tramo de la figura 2.69. Las tensiones que se producen durante la fabricación de una estructura o un componente soldado se clasifican en tensiones residuales de soldadura, causadas por la soldadura de partes sin restricciones al movimiento, y tensiones de reacción, causadas por restricciones externas. Estas tensiones, tanto las longitudinales como las transversales, se observan en la figura 2.70, que representa una distribución típica de ambas tensiones en una soldadura a tope de una sola pasada. Las tensiones residuales transversales son de compresión en los extremos de las uniones soldadas por su mayor grado de libertad durante la contracción. En la soldadura de aceros de bajo contenido en carbono el máximo valor alcanzado por las tensiones longitudinales es del orden del límite elástico del material depositado, mientras que las transversales suelen ser de menor valor, esto se debe a que estas tensiones inducen una deformación (deformación angular) más fácilmente que las longitudinales.
Tema 2: Técnicas de unión
Las tensiones residuales en el sentido del espesor z se hacen significativas para soldaduras de más de 25 mm (1”) de espesor. En general la presencia de tensiones residuales puede inducir:
Rotura frágil Agrietamiento Variación de la carga crítica Inestabilidad dimensional
2.1.2.2.3.3. Atenuación de tensiones residuales. Las tensiones residuales pueden ser atenuadas de dos formas diferentes:
Vía térmica. Precalentamiento. Disminuye las tensiones, pero aumenta el peligro de deformaciones Tratamiento térmico postsoldadura. Disminuye tensiones y aumenta tenacidad, pero disminuye propiedades como límite elástico y en aceros aumenta temperatura de transición Vía mecánica. Mediante martillado y “shot peening”, procesos que se basan en introducir tensiones de compresión.
2.1.2.2.4. Deformaciones de uniones soldadas. Las deformaciones producidas como consecuencia de los procesos de soldadura pueden clasificarse en:
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El acercamiento o alejamiento de bordes está influenciado por el “input” térmico y la velocidad de avance. Así en procesos como el arco sumergido los bordes de las piezas tienen tendencia a separarse, mientras que con electrodo revestido, la tendencia es la contraria por la diferencia de energía de ambos procesos.
2.1.2.2.4.2. Deformaciones fuera del plano. En la figura 2.72 se pueden observar los principales tipos de estas deformaciones. Si no hay restricciones al movimiento, las deformaciones angulares son como las indicadas en la figura 2.72, pero si existen, las deformaciones varían. En la figura 2.73 se puede ver un ejemplo de lo indicado para soldaduras en ángulo. La deformación por flexión se produce cuando el eje neutro de la estructura soldada no coincide con el cordón de soldadura, lo que provoca la aparición de momentos flectores debidos a la contracción longitudinal. La deformación por torsión aparece cuando en chapas finas aparecen tensiones residuales de comprensión alejadas del cordón. Este tipo de deformación se produce, en consecuencia, cuando la longitud del cordón excede de un valor crítico para el espesor de la chapa. De forma general puede indicarse que los principales factores que afectan al grado de deformación son:
Deformaciones en el plano Contracción transversal (transverse shrinkage) Contracción longitudinal (longitudinal shrinkage) Separación o acercamiento de piezas (Rotational distorsion)
Las deformaciones en una construcción soldada tienen influencia:
Deformaciones fuera del plano Deformación angular (angular distorsion) Deformación por flexión (bending distorsion) Deformación por torsión (buckling distorsion)
2.1.2.2.4.1. Deformaciones en el plano. En la figura 2.71 se pueden observar los principales tipos de estas deformaciones. Las deformaciones de contracción son debidas a la contracción del metal depositado. La contracción transversal de la figura 39 es uniforme a lo largo de toda la longitud, sin embargo, suele ser más compleja debido al acercamiento o alejamiento de las piezas y a las posibles restricciones.
Procedimiento de soldadura Propiedades de los materiales base Diseño de la junta Restricciones utilizadas
Estética Constructiva, pues puede impedirse la fabricación por soldadura (Figura 2.74). Funcional y mecánica, pues puede modificarse el estado tensional y el comportamiento mecánico (Figuras 2.73 y 2.75)
2.1.2.2.4.3. Prevención y corrección de deformaciones. Las deformaciones pueden intentar disminuirse de diversas formas.
Por diseño (figura 2.76) Disminución del número de soldaduras Situación de soldaduras Utilizar la menor cantidad de metal de aportación posible Reducir el número de pasadas
Tema 2: Técnicas de unión
Por ajustes o restricciones restricciones (figura 2.77) Pre-posicionamiento de las partes Pre-doblado Utilización de fijaciones Por técnicas de soldadura (figura 2.78) Soldadura por paso peregrino Ensamblaje posterior Rigidizadores Por técnicas correctoras (figura 2.79) Conformado Calentamientos locales
Finalmente puede decirse que con objeto de minimizar las tensiones y las deformaciones en una estructura soldada es aconsejable:
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2.1.2.2.5.2. Agrietamiento en caliente. Se produce a temperatura elevada, estando relacionado con la falta de resistencia de fases líquidas y la formación de compuestos de bajo punto de fusión por segregación de impurezas (Figura 2.81). De forma genérica, puede decirse que la zona de fisuración en caliente es la de “Líquidus-Solidus” y cuanto mayor sea este intervalo, mayor será el peligro de agrietamiento en caliente. Los factores que influyen en la susceptibilidad al agrietamiento en caliente son:
Mínimizar número de soldaduras
Aportar la menor cantidad de calor posible
Descomponer las estructura en bloques
Fijar la secuencia de soldadura Buscar la máxima simetría Soldar de dentro hacia fuera Primero las soldaduras a tope y luego a solape Primero las transversales y luego las longitudinales En depósitos, primero las longitudinales y luego las circunferenciales.
2.1.2.2.5. Agrietamiento de uniones soldadas. El agrietamiento de uniones soldadas se suele clasificar en: agrietamiento en frío, agrietamiento en caliente y desgarre laminar.
2.1.2.2.5.1. Agrietamiento en frío. El problema del agrietamiento en frío se presenta, en general, en aquellas aleaciones que pueden formar estructuras frágiles sin la suficiente tenacidad para soportar el estado tensional. No siendo, en consecuencia, un peligro en aceros austeníticos, en aleaciones de níquel, etc. Este tipo de fisuración, como cualquier otro, puede ir desarrollándose hasta alcanzar una dimensión crítica, a partir de la cual se desarrolla de forma rápida y provocando una rotura frágil (Figura 2.80) La aparición de este fenómeno está relacionado con tres factores fundamentales.
Microestructura susceptible Estado tensional Presencia de hidrógeno
Rigidez de la unión Forma de la soldadura Composición química
2.1.2.2.5.3.- Desgarre laminar. Se trata de un tipo de fisura, como se observa en la figura 2.82, que se inicia y se extiende en el metal base, paralelamente a la línea de ligadura con el cordón. Las fisuras pueden producirse tanto en la ZAT como en la zona no afectada. Aunque, por lo general, son consecuencia del ciclo térmico, pueden desarrollarse durante la vida en servicio, en particular cuando el material trabaja a fatiga. El desgarre laminar es el resultado de la debilidad del material cuando se le solicita en el sentido del espesor, es decir, perpendicularmente a la dirección de laminación, no estando asociado al embridamiento de la unión, ni a la fragilidad de la ZAT El desgarre laminar está asociado a la capacidad de contracción del metal base en el sentido del espesor, a la geometría de la junta, si bien no parece tener relación con el espesor, a la secuencia de soldadura y a las características mecánicas del metal fundido (los aceros de mayor resistencia son los más susceptibles). Posibles soluciones al peligro de desgarre laminar son:
Asegurar la homogeneidad metalúrgica del metal base, o al menos seleccionar mediante E.N.D las zonas donde deben realizarse las soldaduras que por su construcción sean propensas. Seleccionar juntas adecuadas. En la figura 2.82 se muestran ejemplos de riesgo de diversas juntas y en la figura 2.83 ejemplos de diseños adecuados. Minimizar al máximo las tensiones residuales. Utilizar un metal de aporte que proporcione al cordón un límite elástico tan bajo como sea posible.
Tema 2: Técnicas de unión
Secuencia de soldeo adecuada (Figura 2.84)
2.1.2.2.6. Tratamientos térmicos en soldadura. Los tratamientos térmicos utilizados en soldadura son:
Precalentamiento (Figura 2.85). Consiste en calentar las piezas antes de realizar el proceso de soldadura. Este tratamiento modifica el ciclo térmico en el sentido de elevar las temperaturas alcanzadas (facilita la fusión del material y favorece el aumento de las deformaciones) y disminuir la velocidad de enfriamiento (disminuye el peligro de formación de estructuras frágiles y el valor de las tensiones residuales). Postcalentamiento (Figura 2.86). Consiste en impedir que la pieza una vez soldada se enfríe por debajo de 275-350º C., manteniendo esta temperatura durante un tiempo determinado (≈ 2 h). El objeto de este tratamiento es permitir la difusión de hidrógeno.
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a) en tuberías, crean impedimentos más o menos importantes al paso de los fluidos u objetos que hayan de circular por el interior de las mismas, b) pueden b) pueden ir asociadas a otras discontinuidades más agresivas: faltas de penetración, rechupes e incluso grietas, c) pueden ser puntos de incubación de procesos de corrosión.
Faltas de penetración: Son zonas de la raíz de la soldadura en que no ha penetrado el metal fundido. Como en las uniones en U y V, la raíz es visible por la cara posterior del cordón, esta imperfección puede considerarse superficial y comprobable, si dicha cara es accesible, por inspección visual. Según su aspecto, la falta de penetración se puede dividir en cuatro tipos:
Tratamiento térmico postsoldadura. Consiste en realizar un tratamiento posterior con el fin de mejorar la tenacidad y eliminar tensiones internas.
Estos tratamientos solo se utilizan cuando son necesarios en función del material a soldar, diseño de la junta y condiciones de servicio.
Falta de penetración parcial: va frecuentemente asociada a una falta de fusión, asimismo en la raíz. En muchas ocasiones, se trata de mordeduras en la raíz. Falta de penetración total: en este caso, la sección completa de la abertura de la raíz ha quedado sin rellenar de metal. Esta es su forma más agresiva. Raíz cóncava: tiene una morfología parecida a la anterior, aunque menos acusada. En este caso, el metal ha penetrado por los bordes de la raíz, pero su prematura solidificación no le ha permitido rellenar el centro, que ha quedado formando un arco o bóveda.
2.1.2.2.7. Defectos en uniones soldadas.
En este apartado que sigue, se hace una revisión sistemática de los tipos de defectos más frecuentes que pueden aparecer en las soldaduras. Se dividen en defectos superficiales y defectos internos. Esta división puede ser significativa desde el punto de vista de las técnicas de inspección y ensayo más adecuadas para su detección.
2.1.2.2.7.1. Defectos superficiales (Figura 2.87). Excesos de penetración: En la unión en U o V y derivadas, el metal fundido de los cordones que cubren la raíz, rebosa por la abertura de ésta, dando lugar a rebabas de metal. Hay dos variantes: Exceso de penetración uniforme: en que la cresta metálica excedente se extiende a lo largo de toda la raíz.
Descolgadura: en que el material en exceso se encuentra localizado en sólo ciertas zonas del cordón, formando una especie de «estalactitas» metálicas, a veces de gran desarrollo.
Desde el punto de vista metalúrgico, los excesos de penetración uniforme no son agresivos. Mayor importancia tienen las descolgaduras por tres razones:
Raíz rechupada: durante la solidificación del metal se producen, a veces, contracciones que pueden, en ciertos casos, afectar la penetración en la raíz. Suelen adoptar un aspecto de raíz ligeramente cóncava o, a veces, bicóncava u ondulada. Esta discontinuidad sólo se manifiesta si la raíz tiene una abertura muy amplia. A veces se asocia a excesos de penetración.
Faltas de relleno: Ocurren cuando el metal aportado no es suficiente para rellenar por completo el ángulo comprendido entre las piezas a soldar. Generalmente, quedan unos canales más o menos acentuados en los bordes del cordón. Mordeduras: Consisten en faltas de material en el borde del cordón. Se producen por fusión, quemado y pérdida de material, bien en el metal base, bien en cordones anteriores. Suelen ocurrir por premiosidad excesiva del soldador en los movimientos de vaivén del soplete o del electrodo. Ello hace que, frecuentemente, el desarrollo de esta discontinuidad tenga un aspecto periódico a lo largo de uno o de los dos bordes del cordón. Cuando es leve, aparece en forma de puntos aislados alineados en las zonas descritas como típicas. En soldadura eléctrica, sobre todo, no es raro que al echar el cordón de penetración se produzcan mordeduras en la raíz, cuyo aspecto radiográfico es muy parecido al de las llamadas faltas parciales de penetración.
Tema 2: Técnicas de unión
Salpicaduras: Son imperfecciones consistentes, como su nombre indica, en esférulas de metal fundido depositadas aleatoríamente sobre el cordón y su vecindad. Generalmente, no tienen importancia respecto a la calidad de la soldadura. Picaduras: Sólo tienen interés en el caso de las uniones soldadas asimétricas, ya que, en realidad, se trata de una imperfección ajena al proceso de soldeo. En efecto, las picaduras, prescindiendo de las causas que puedan producirlas, son áreas afectadas de pequeñas depresiones en el metal base, esto es, en las piezas a soldar y, por ello, sin relación con la unión soldada. Sin embargo, en las uniones en U o V, se pueden proyectar dentro de la imagen del cordón como si fuesen colonias de poros y aunque un experto pueda distinguirlas de éstos, no es fácil hacerlo, si bien la existencia de picaduras fuera de la zona soldada puede ser una buena pista. En todo caso, si es posible, debe recurriese a la inspección visual.
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Huellas de mecanizado: son erosiones producidas por las herramientas que preparan la soldadura o por un imperfecto mecanizado de la misma. Martillazos, granetazos, golpes en general: son deformaciones locales producidas por choques de objetos contra el metal base o contra el cordón.
Chispazos (cebados de arco): En la soldadura eléctrica, puede ocurrir que, por una falsa maniobra del soldador, salte un arco a un punto del cordón ya terminado o su vecindad. Esto marca una huella característica a manera de picadura, que es lo que se conoce como «chispazo». Restos de electrodos: Cuando se suelda con máquinas automáticas en atmósfera inerte y electrodo continuo, pueden quedar, qu edar, al efectuar el cordón de penetración, restos del alambre-electrodo, que sobresalen, a veces, varios centímetros, de la base de la unión soldada. 2.1.2.2.7.2. Defectos internos (Figura 2.88)
Labios: En la soldadura por resistencia y presión, cuando ésta y la temperatura alcanzada son insuficientes, se pueden presentar discontinuidades como consecuencia co nsecuencia de una falta de pegado de la unión soldada, tanto en los bordes como en el núcleo y localizadas en el plano transversal definido por los labios que se forman en el proceso de soldadura. La presencia de estas discontinuidades puede ser muy perjudicial en piezas sometidas a esfuerzos de fatiga. Estas uniones se pueden realizar también en frío, por presión y frotamiento, aplicándose, por ejemplo, en los vástagos huecos de válvulas de escape de motor alternativo rellenas de sodio. En este caso, se considera además defectuosa la unión cuando el plano de dicha unión resulta inclinado con relación al eje del vástago.
Grietas: Son discontinuidades de morfología bidimensional o laminar lamin ar que, aunque generalmente afloran a la superficie, no son fácilmente visibles a simple vista, siendo preciso recurrir a otros ensayos (partículas magnéticas o líquidos penetrantes) para su detección. Por su origen, cabría dividir a las grietas en dos grandes grupos: las frías o de tensión (figura 2.88), producidas con el metal completamente solidificado, y las calientes o de contracción con el metal aun en estado plástico (figura 2.88), producidas durante el proceso de solidificación. Adicionalmente, atendiendo a la causa, deben citarse las fisuras producidas por desgarre laminar (figura 2.82). Esta clasificación ya ha sido desarrollada. Según una clasificación morfológica, se tiene:
Faltas de continuidad del cordón: Suelen llamarse también «fallos de continuidad» o «mala continuidad». Se originan al interrumpir el soldador el cordón y no empalmar bien la reanudación del trabajo. Su severidad es muy variable, ya que, en los casos más severos, pueden considerarse auténticas faltas de fusión transversales, en tanto que, en otras ocasiones, son simples surcos normales al eje del cordón. Erosiones y huellas: Son una familia de imperfecciones que tiene en común un origen mecánico de abrasión, deformación o arranque de material. Según su origen, pueden dividirse en:
Excesos de rebajado: producidos durante el mecanizado o amolado excesivo del cordón; en consecuencia, éste queda ligeramente cóncavo. Huellas de amolado o burilado: surcos en la superficie del metal base o del cordón, marcados por la muela o buril manejados inhábilmente.
Grietas longitudinales: que se extienden en direcciones sensiblemente paralelas al eje del cordón. Grietas transversales: su desarrollo es sensiblemente perpendicular al eje del cordón. Las grietas oblicuas, respecto a dicho eje, se consideran también como transversales. En el caso de soldaduras en tubos, suelen ser grietas de tensión. Grietas de borde: se originan (a veces, de una falta previa de fusión) en una de las caras del ángulo comprendido. En realidad, la contracción del cordón arranca la masa del metal aportado, incluso con pedazos del metal base, del resto de la pieza, con producción de una fisura de gran tamaño en el borde del cordón. Grietas de cráter: son pequeñas grietas estrelladas que se forman localmente en el seno de irregularidades del cordón (corresponden a zonas de apagado del arco que forman una depresión o cráter).
Tema 2: Técnicas de unión
Falta de penetración: Ya vimos cómo, en las uniones en U o V, las faltas de penetración en la abertura de la raíz son visibles por la parte posterior del cordón (siempre que, naturalmente, sea accesible). Si la unión es en X o K, la raíz queda en el corazón mismo del cordón, siendo la falta del metal de aporte en dicha zona (falta de penetración) rigurosamente interna. Otras veces (menos frecuentes), la falta de metal queda entre las capas sucesivas del cordón. Según esto, esta discontinuidad presenta dos variantes:
Faltas de penetración en la raíz: como acabamos de exponer, consisten en falta de metal de aporte en la raíz de la soldadura. Pueden originarse por falta de temperatura, por exceso de velocidad en la realización del cordón, o por falta de habilidad del soldador. Faltas de penetración entre capas: ocurre, a veces, que, al superponer un cordón, queda una zona sin metal por la misma causa acabada de señalar para el caso de penetración en la raíz. Casi siempre, esta discontinuidad va asociada a escorias o inclusiones de óxidos de los que se distingue con dificultad.
Faltas de fusión: Consiste esta imperfección, en que la temperatura del metal de aporte no es suficiente para fundir el metal base o el de un cordón anterior ya sólido, con lo que queda una zona más o menos extensa sin soldar.
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soldadura eléctrica, la elección de un electrodo inadecuado o de mala calidad.
Oxidos: en realidad, son una variante de escoria formada casi exclusivamente por el óxido del metal soldado. Son características de los metales no férreos.
Todas estas inclusiones tienen importancia variable en función de su extensión y morfología. De ellas, las más agresivas son las cadenas de escorias.
Cavidades y poros: Son inclusiones gaseosas. Pueden dividirse como sigue:
Según su localización, cabe distinguir tres tipos de falta de fusión:
Faltas de fusión en la raíz: suelen ocurrir cuando falta la abertura de la raíz y la temperatura de soldeo no es bastante elevada o se ha ido muy deprisa en el cordón de penetración. En las uniones en U o V, queda visible con más o menos dificultad en la parte posterior de la soldadura. En las uniones en X o en K, queda en el mismo centro o núcleo de los cordones y es frecuente que vaya asociada a faltas de penetración.
Poros de morfología alargada o «vermicular»: Morfológicamente, son cavidades alargadas a manera de tubitos curvados como bastones, o sinuosos. Aunque, ocasionalmente, pueden aparecer aislados, lo corriente es que formen colonias. En este caso, el desarrollo de los poros sigue direcciones preferencíales y esto por causa de su mecanismo de formación. En efecto, el poro vermicular es una burbuja que, ahusada al tender t ender a salir del metal, queda atrapada al enfriarse éste prematuramente. Las causas más importantes que determinan la aparición de este tipo de porosidad son:
Faltas de fusión entre capas del cordón: se localizan en la masa de éste, entre capas sucesivas de metal de aporte.
Escorias: son formaciones generalmente alargadas y muy frecuentemente encadenadas según líneas paralelas al eje del cordón, constituidas por mez clas de óxidos metálicos y silicatos principalmente. Las causas principales de su presencia son: la falta de limpieza del soldador en su trabajo y, en el caso de la
Poros de morfología esferoidal: independientemente de su origen, del estado de su superficie o de la naturaleza del gas ocluido, su característica sobresaliente es su redondez. Pueden aparecer aislados, en colonias, o distribuidos uniformemente por la masa del metal.
Faltas de fusión laterales: se localizan entre la masa del cordón y el metal base. A veces se asocian a faltas parciales de penetración.
Inclusiones: Se consideran inclusiones, las impurezas producidas por materiales extraños sólidos atrapados en la masa del metal durante el proceso de fusión. Se dividen en:
Otros metales: a veces, en la masa del metal fundido quedan englobadas partículas de otros metales que pueden ser detectadas por radiografía.
Existencia de hoja de escoria en el material base, Existencia de una falta de penetración en la raíz de las uniones soldadas en V, a cuyo través se introducen los gases, Electrodos húmedos o material mojado, Corrientes de aire, Limpieza prematura de la escoria al terminar una pasada. No hay que olvidar que la escoria evita el enfriamiento demasiado rápido del metal fundido.
Poros capilares: realmente, se trata de una variante poco frecuente de poro vermícular. En soldadura normal se da muy raramente, apareciendo, en cambio, en ocasiones, en la soldadura automática por arco sumergido. Se trata de una cavidad filiforme muy fina ( < 0,1 mm), de desarrollo longitudinal considerable (varios centímetros e incluso decímetros); frecuentemente, va asociada a una falta de fusión
Tema 2: Técnicas de unión
lateral o entre pasadas y generalmente es poco visible o invisible en la radiografía.
2.1.2.3. Soldabilidad. Introducción. Definimos la soldabilidad como la capacidad de un metal para ser soldado en unas condiciones determinadas, de manera que se obtenga la estructura específica deseada y además la unión se comporte satisfactoriamente en las condiciones de servicio. A mejor soldabilidad, los requisitos anteriores se logran más fácilmente.
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Las técnicas actuales de fabricación permiten la obtención de aceros con excelente soldabilidad. Esto es debido tanto al control del porcentaje de carbono, del tamaño de grano y de los tratamientos térmicos, como a la limitación de los contenidos en elementos especialmente perjudiciales, corno el azufre y el fósforo, y de las inclusiones. La soldabilidad de estos materiales depende de:
Formación de estructuras frágiles. Dado que la velocidad de enfriamiento asociada a un proceso de soldadura es muy rápida, el peligro de su formación en la zona afectada térmicamente (ZAT) es importante. La composición química (carbono equivalente) y el diseño de la junta son los factores más importantes que favorecen su formación y, en consecuencia, el peligro de fisuración en frío. La figura 2.89 muestra la soldabilidad de estos materiales en función del contenido de carbono
Peligro de fisuración en caliente. El agrietamiento de solidificación o agrietamiento en caliente se produce a temperatura elevada, estando relacionado con la falta de resistencia de fases líquidas. En estos aceros no suele ser tan problemático como en otros materiales (aceros inoxidables austeníticos, algunas aleaciones de aluminio…). La fisuración en caliente se puede producir cuando se da la combinación adecuada de contenido de impurezas (fundamentalmente azufre), carbono y níquel, junto con un alto grado de embridamiento de la junta soldada. La figura 2.90 muestra el peligro de fisuración en caliente en función de los contenidos en C, S y Mn.
Fragilización por hidrógeno. Los fallos asociados con el agrietamiento inducido por hidrógeno suelen producirse en la ZAT (el hidrógeno introducido en el cordón difunde durante el enfriamiento), si bien también pueden producirse en algunos casos en el cordón. Las grietas inducidas por hidrógeno se inician inmediatamente tras la soldadura o tras un cierto período. Los orígenes del hidrógeno son fundamentalmente la humedad en el revestimiento de electrodos, metal de aportación y material base y la contaminación de los gases de protección,. La microestructura es un factor importante, presentando mayor susceptibilidad las estructuras más duras por su mayor contenido en carbono. La figura. 2.91 muestra una grieta en la ZAT de una unión soldada producida por una fragilización por hidrógeno.
Diseño de la unión. Tienen fuerte influencia los diseños de juntas que favorecen mayores velocidades de enfriamiento y un aumento del valor de las tensiones residuales (juntas embridadas).
Es una propiedad muy difícil de cuantificar, pues deben cumplirse al mismo tiempo requisitos de soldabilidad operativa, metalúrgica y constructiva o de servicio. La soldabilidad operativa se refiere a la posibilidad de unir los metales en la operación de soldeo a fin de lograr la continuidad de la unión. Por soldabilidad metalúrgica se entiende que la estructuras finales en las zonas afectadas por el soldeo no contienen constituyentes indeseables, por lo que las propiedades mecánicas de la unión serán las apropiadas. Finalmente, la soldabilidad constructiva o de servicio se refiere a la capacidad de la estructura soldada completa para soportar con éxito las condiciones impuestas en servicio durante el tiempo especificado. Según lo expuesto, la soldabilidad de una aleación variará considerablemente con parámetros como el espesor de las chapas, proceso de soldadura y condiciones de realización de éste, ya que en función de estas variables, resultan sustancialmente modificados factores tan importantes como el ciclo térmico, la dilución, etc. En este sentido puede indicarse que la norma “UNE-EN 1011-2:2001 Recomendaciones para el soldeo de materiales metálicos. Parte 2: Soldeo de los aceros ferríticos” indica que los factores que afectan a su soldabilidad son:
Diseño unión Agrietamiento por hidrógeno Tenacidad en ZAT Agrietamiento por solidificación o en caliente Desgarre laminar Corrosión
2.1.2.3.1. Soldabilidad de aceros al carbono y de baja aleación El principal problema de soldabilidad de estos materiales está relacionado con la tenacidad de la unión, es decir, con la capacidad de absorción de energía en la rotura. Además deben tenerse en cuenta diversos aspectos relacionados con el peligro de fisuración de la unión soldada.
Tema 2: Técnicas de unión
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2.1.2.3.1.1.- Precalentaminto.
Tabla V. Temperaturas de precalentamiento.
La influencia del precalentamiento en la dureza de la ZAT se observa en la figura 2.92 Se han propuesto diversos métodos para calcular la temperatura de precalentamiento que evite el peligro de fisuración y permita la soldadura de estos materiales. Estos métodos tienen en cuenta la composición química (soldabilidad del material), presencia de hidrógeno y los factores que influyen en el ciclo térmico. El precalentamiento se suele aplicar localmente lo calmente por resistencia eléctrica o por llama de gas, siendo recomendable que se extiende a una zona de al menos cuatro veces el espesor de la pieza a ambos lados de la junta, con un máximo de 100 mm.
Método de la British Welding Research Association. La composición química se refleja a través del carbono equivalente (Cequi = %C + %Mn/20 + %Ni/15 + (%Cr+%Mo+%V)/10), el diseño de la junta se tiene en cuenta a través del índice de brusquedad térmica (T.S.N.) y la energía y presencia de hidrógeno a través del diámetro y naturaleza de los electrodos. El carbono equivalente junto con el tipo de electrodo (rutilo o básico) define un índice de soldabilidad (Tabla IV).
T.S.N.
Índice soldabilidad
2
3
4
6
8
TABLA IV: Índice de soldabilidad Carbono equivalente Índice
Electrodo rutilo
Electrodo básico
Hasta 0,2
Hasta 0,25
A
0,21 a 0,23
0,26 a 0,30
B
0,24 a 0,27
0,31 a 0,35
C
0,28 a 0,32
0,36 a 0,40
D
0,33 a 0,38
0,41 a 0,45
E
0,39 a 0,45
0,46 a 50
F
> 0,45
> 0,50
G
La temperatura de precalentamiento es determinada en función del coeficiente de brusquedad térmica (I.B.T.), del índice de soldabilidad y del diámetro del electrodo utilizado (Tabla V)
12
D E F C D E F C D E F B C D E F A B C D E F A B C D E F
Temperatura mínima precalentamiento Diámetro electrodo 3,25 4 5 50 125 75 100 150 50 100 125 175 50 100 150 175 225 25 75 125 175 200 225 75 125 150 200 225 250
25
25 100 25 75 125
25
25 100 125 175
25 75 125
25 75 125 150 200 25 75 125 175 200 225
25 75 125 175 50 125 175 200 225
Método del Instituto Internacional de Soldadura . Este método es un desarrollo del anterior. La temperatura mínima de precalentamiento se determina a partir del I.B.T., del carbono equivalente y de la longitud de cordón depositada con un electrodo de un determinado diámetro (Figura 2.93). Parámetro e índice de fisuración. Se define Pc como: Pc = C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20 +Ni/60+Mo/15+V/10+5B+e/600+H/60 Donde: e=espesor (mm) y H=el hidrógeno expresado en c.c. por 100gr/metal depositado Tp = 1440Pc-392 Si se considera la influencia del espesor (además de en el ciclo térmico) en la modificación del estado tensional, se define entonces Pw como índice de fisuración.
Tema 2: Técnicas de unión
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Se define Pw como: Pw = C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Ni/60+Mo/15+V/10+5B+H/60 +K/40000
Los procesos de soldadura presentan las ventajas de productividad y resistencia mecánica aceptable en la mayoría de los casos.
Donde K es la intensidad de embridamiento (Kg/mm-mm) que se define como la fuerza por unidad de longitud de la unión que reduce elásticamente la separación entre bordes de la raíz en un milímetro.
Los procesos de soldadura se diferencian en función del método empleado en proporcionar la energía necesaria para fundir el polímero y en permitir la movilidad e interconexión en las cadenas moleculares. De esta forma podemos considerar:
2.1.2.3.1.2. Materiales de aportación.
Se suelen utilizar materiales de composición y propiedades similares. En los casos donde siendo necesaria la realización de tratamientos térmicos postsoldadura y no sea posible su realización, puede ser permitido utilizar materiales de aporte con mayor ductilidad y menor límite elástico.
2.1.2.3.1.3. Postcalentamiento (Figura 2.86).
Procesos de soldadura por aplicación de energía externa. Gas caliente, alta frecuencia, chapa caliente, implante resistivo, láser, etc. Procesos de soldadura por generación de calor mediante movimiento mecánico. Soldadura por fricción, vibración, ultrasonidos, etc.
Los procesos de unión por disolventes favorecen la movilidad e interconexión de las cadenas moleculares por la disolución del polímero en un disolvente.
Consiste en impedir que la pieza una vez soldada se enfríe por debajo de 275-350º C., manteniendo esta temperatura durante un tiempo determinado (≈ 2 h). El objeto de este tratamiento es permitir la difusión de hidrógeno.
2.1.3.1. Procesos de soldadura por aplicación de energía externa.
2.1.2.3.1.4. Tratamiento térmico postsoldadura.
Este proceso es muy similar a los procesos de soldadura oxigas de los metales. Los pasos a realizar son: calentamiento del material de aportación y del material base por una fuente fuen te de calor hasta que la zona de unión se funda y, al mismo tiempo, aplicación de presión para formar el nuevo conjunto de cadenas de polímeros en el cordón, que estará formado por material base y de aportación.
Los objetivos de un tratamiento térmico postsoldadura (T.T.P.S.) son: mejorar la tenacidad y disminuir las tensiones residuales. Para este tipo de materiales, consiste en un revenido a 550650º C, aproximadamente, de la estructura soldada. La necesidad de su realización depende del material base, diseño de la junta y de las condiciones de contorno y servicio. En los casos en los que no es posible el calentamiento de toda la construcción soldada se recurre a realizar tratamientos locales sobre cordón y ZAT. En estos tratamientos se debe controlar el gradiente térmico entre la zona tratada y el resto de la construcción y minimizar cualquier restricción a la libre dilatación que pueda existir, pues de otro modo se originarían tensiones residuales durante el tratamiento térmico. Los efectos de un prolongado T.T.P.S. en los aceros estructurales no aleados representan una reducción del límite elástico y de la carga de rotura y un incremento de la temperatura de transición. Estas variaciones pueden ser importantes y en cualquier caso deberían ser tenidas en cuenta en el momento del diseño.
2.1.3.1.1. Soldadura por gas caliente.
La fuente externa es, como el propio nombre indica, gas caliente que se proyecta a elevada temperatura sobre la junta a unir, mientras se va aplicando material de aportación, lo cual produce un incremento de temperatura que permite la formación del cordón de soldadura. Debido a la viscosidad y baja conductividad de los materiales implicados, debe vigilarse especialmente la homogeneidad del calentamiento. La figura 2.94 muestra un esquema del proceso. Es un proceso completamente manual que utiliza diseños de uniones muy similares a los utilizados en los procesos de soldadura por fusión de materiales metálicos (Figura 2.95), siendo muy adecuado en operaciones de reparación.
2.1.3. SOLDADURA SOLDADURA DE MATERIALES MATERIALES PLÁSTICOS. PLÁSTICOS.
La resistencia de la unión puede ser totalmente similar a la de los materiales base, si se realiza con los parámetros adecuados.
La soldadura de los materiales plásticos se limita a los termoplásticos por sus propiedades de ablandarse con el calor y de no degradarse con la temperatura.
En el extremo de la pistola puede ajustarse una boquilla para la alimentación y precalentamiento del material de aporte (Figura 2.96). Esto permite una deposición del
Tema 2: Técnicas de unión
mismo más ajustada y un aumento considerable de la velocidad (procesos “speed welding”). Los parámetros del proceso son:
Tipo de gas (aire, gas inerte, etc.). Temperatura del gas y velocidad de corriente. Ángulo entre material aportado y pieza. Velocidad de trabajo. Presión después de soldadura.
2.1.3.1.1.1. Soldadura por extrusión. Los procesos de soldadura por extrusión constituyen una automatización de los procesos de soldadura por gas caliente. En estos procesos, el polímero fundido es extruido en el área de soldadura y se adhiere en la junta creando la soldadura como consecuencia de la temperatura y presión. Este método es especialmente útil cuando se sueldan secciones gruesas. La pistola está compuesta básicamente de un tornillo de extrusión que en su rotación empuja y extrusiona al polímero, calentándolo ca lentándolo al a l mismo tiempo, bien b ien por aire que se insufla por dentro del tornillo, bien por resistencias (Figura 2.97).
2.1.3.1.2. Soldadura por alta frecuencia. Estos procesos de soldadura se producen cuando los campos electromagnéticos, generados por corrientes de alta frecuencia, interactúan con materiales sensibles haciendo que se calienten. Si estos materiales se incorporan a una línea de unión entre sustratos termoplásticos, el calor generado puede provocar la fusión de polímero y la formación de una soldadura. Por lo general, los materiales que son calentados por los campos (materiales sensibles o susceptores) son mezclados previamente con los termoplásticos en la zona de unión. Las tasas de calentamiento pueden ser muy rápidas, permitiendo su utilización en grandes producciones. El calentamiento puede ser inductivo, dieléctrico o por microondas. Estos procesos se diferencian principalmente en las frecuencias empleadas, el método de aplicación sobre el terreno para la pieza de trabajo y los tipos de materiales que se calientan. La figura 2.98 muestra un esquema de un proceso de soldadura por inducción
2.1.3.1.3. Soldadura mediante chapa caliente. En este proceso, las superficies a unir se calientan a la temperatura de fusión por contacto directo con una chapa metálica caliente, que dispone de unas resistencias en su interior para tal fin. Para prevenir que la superficie fundida del termoplástico quede adherida a la chapa, esta se puede
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recubrir con una capa de PTFE, si bien la utilización de este tipo de recubrimiento limita la temperatura de trabajo a unos 260º C, aproximadamente. Un esquema del proceso y el ciclo presión presión tiempo se se pueden observar en la figura 2.99 El diagrama presión-tiempo del proceso puede observarse en la figura 2.100. Mediante este proceso se pueden soldar una gran variedad de geometrías, siendo muy indicado para la soldadura a tope de tuberías de diámetros grandes (> 200mm). Una variante de este proceso, para la soldadura a solape de tuberías de pequeño diámetro con manguito, utiliza un elemento calefactor, en vez de una chapa caliente, para calentar el extremo de las tuberías y el manguito que sirve de nexo de unión. La figura 2.101 muestra un esquema de este proceso.
2.1.3.1.4. Soldadura por implante resistivo. En estos procesos, un material conductor, que actúa de resistencia, se pone en contacto íntimo con el substrato de material termoplástico (Figura 2.102). El elemento conductor, al calentarse por el paso de una corriente, funde el termoplástico. La soldadura se produce a continuación como consecuencia de la presión aplicada. Esto implica que el elemento conductor se queda implantado en la línea de soldadura. La aplicación más común es la unión de tuberías de termoplástico con maguitos que llevan insertados unos hilos moldeados que actúan de resistencia. El proceso implica la inserción de los extremos del tubo en el manguito y la conexión de los extremos de los hilos a una fuente de energía portátil programada. El proceso tiene la ventaja de que está relativamente automatizado y es fiable. La figura 2.103 muestra un esquema del proceso Este proceso ha sido adoptado para la soldadura de los tubos de hasta 7 pulgadas (180 mm) de diámetro, como desventaja del proceso puede indicarse que las tomas o manguitos son relativamente caras, si bien la comodidad, fiabilidad y rapidez del proceso hace que su utilización sea habitual.
2.1.3.1.5. Soldadura láser. La soldadura LASER es especialmente adecuada para la unión de polímeros termoplásticos con diferente absorción óptica de la longitud de onda empleada. El láser penetra en el componente transparente y es absorbido por el componente no transparente donde se eleva la temperatura, fundiéndose ambos polímeros en la superficie de contacto. La soldadura se produce por la
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presión externa aplicada por un dispositivo. Un esquema del proceso se observa en la figura 2.104. El campo de aplicación de este proceso es muy amplio, desde su utilización para la mayoría de los polímeros termoplásticos soldables, hasta para las uniones metal plástico. 2.1.3.2. Procesos de soldadura con movimiento mecánico.
2.1.3.2.1. Soldadura por fricción. La soldadura por fricción de materiales termoplásticos tiene el mismo principio básico que la de los materiales metálicos. Las variables fundamentales del proceso son la velocidad de giro y la presión, debiendo complementarse ambas para generar el calor necesario para la fusión. La figura 2.105 muestra un esquema del proceso. En un determinado momento, una vez alcanzada la temperatura necesaria, la energía se desconecta y se permite la consolidación de la unión al presionar las piezas y absorber el material la energía.. En superficies gruesas puede darse el caso de tener una velocidad de rotación diferente entre las paredes interiores y exteriores, lo que produciría una unión deficiente por la generación de calor irregular. Esto implica tener que limitar los espesores de soldadura para evitar defectos, tensiones internas y deformaciones, motivo por el que las uniones deben ser diseñadas para conseguir unas diferencias de velocidad reducidas y un máximo de área soldada.
2.1.3.2.2. Soldadura por vibración. La soldadura por vibración es un caso especial de la soldadura por fricción en la que una parte de la pieza es frotada contra otra parte fija mediante un movimiento lineal hacia delante y hacia atrás, si bien también pueden realizarse otros tipos de movimiento (Figura 2.106). La presión aplicada durante el proceso de soldadura ayuda a generar el calor que funde el polímero y fuerza la unión. Las uniones deben ser diseñadas para permitir el movimiento de vibración lineal que la originará. Las líneas de unión son normalmente planas y paralelas. Además, deben cuidarse las dimensiones, que vendrán limitadas por el tamaño de lamáquina. Este proceso es muy utilizado para soldar tuberías de PVC que han sido fabricadas en dos mitades. Suele durar unos 10-20 segundos. Es común añadir pestañas fijadoras en la unión para que no se produzca un deslizamiento entre las superficies a soldar.
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2.1.3.2 3. Soldadura por ultrasonidos. El fundamento de esta técnica es la propagación de ondas de frecuencias superiores o iguales a 20kHz (normalmente entre 20 y 60 kHz) a través de un medio. Las frecuencias elevadas trabajan con pequeñas amplitudes y son adecuadas para piezas pequeñas y partes delicadas, mientras que las frecuencias más bajas son adecuadas para piezas de mayor tamaño, siendo estas últimas las más utilizadas. Cuando se unen materiales por medio de soldadura ultrasónica, se aplica de forma simultánea una fuerza estática de compresión, que mantiene en posición las piezas y permite la unión, y una fuerza dinámica (vibración ultrasónica), la cual genera la fricción que genera el calor necesario para plastificar y soldar los materiales a unir. La soldadura se obtiene gracias a las microvibraciones de frecuencia elevada (entre 20 y 60 KHz) que producen ondas longitudinales que se transmiten perpendicularmente al área de contacto a través del componente. El calor necesario para la soldadura se genera por la absorción y reflexión de las vibraciones en la zona de unión que inducen una fricción superficial y molecular. Como ventajas de este procedimiento se pueden citar la rapidez, calidad y precisión obtenida y la facilidad de automatización. En contra partida, presentan limitaciones de tamaño. Un esquema de un equipo de soldadura por ultrasonidos se observa en la figura 2.107. El sonotrodo es la parte del sistema acústico que apoya en una de las piezas a soldar y que transmite las vibraciones hasta conseguir la fusión entre las dos piezas. Durante y después del ciclo de soldadura, el sonotrodo permanece frío. Por lo tanto, la soldadura no se ha producido por calor, sino por la elevada vibración en la zona de apoyo y por la presión ejercida. Las características de un sonotrodo son diferentes para cada caso. El booster es la parte del sistema acústico ubicado entre el convertidor y el sonotrodo. Su función consiste en amplificar la onda para conseguir una mayor potencia, si la aplicación lo requiere. La soldadura por ultrasonidos es ampliamente utilizada para la fabricación de tubos de cremas y pasta de dientes, de pequeños contenedores y de juguetes y productos electrónicos. Los antiguos diskettes se soldaban por este procedimiento..
2.1.3.3. Procesos de unión por disolventes. La unión con disolvente difiere de las técnicas de soldadura para unir termoplásticos en que la movilidad del polímero es proporcionada por la disolución del polímero en un disolvente, en vez de únicamente por el calor. El polímero,
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al ser disuelto el en el disolvente adecuado, se extiende por la superficie, produciéndose la unión al aplicar una fuerza de compresión y evaporarse el disolvente. Como resultado, se obtiene una unión de alta resistencia. El problema de las emisiones de disolvente, por su toxicidad, dificulta la implantación de esta técnica. No obstante, la facilidad y el bajo coste del proceso son sus mejores bazas para seguir siendo usado en algunas aplicaciones. La unión con disolventes es capaz de proporcionar resistencias mecánicas muy elevadas, si bien, dependiendo del sistema, puede necesitarse mucho tiempo hasta alcanzar la máxima resistencia
2.1.4. SOLDADURA CERÁMICOS.
DE
MATERIALES
Los materiales cerámicos presentan actualmente un gran campo de aplicación por sus propiedades de elevada dureza y resistencia a la compresión, resistencia a temperatura elevada, baja conductividad térmica y eléctrica e inercia química. Por sus propiedades, los materiales cerámicos son utilizados para fabricar sustratos de dispositivos electrónicos (figura 2.108), álabes de turbinas aeroespaciales, herramientas de corte, cojinetes libres de aceite en equipos que procesan alimentos, etc.. Las propiedades de estos materiales hacen que los procedimientos de unión más empleados sean:
Unión mecánica Unión adhesiva Soldadura por difusión Soldadura fuerte
circunstancia que permite el contacto de las superficies y la posterior difusión que produce una unión interatómica con una gran capacidad de soportar esfuerzos. Actualmente se está empezando a utilizar con éxito el calentamiento por microondas, pues permite que este sea controlado y localizado. Debido a como se produce la unión en este tipo de procesos, es conveniente que los materiales posean un tamaño de grano fino (principalmente las cerámicas por su menor capacidad de fluencia). Esto es debido al aumento de la resistencia a la fluencia que induce un tamaño de grano grande. En las uniones cerámica-metal por difusión, el principal problema es la aparición de tensiones residuales elevadas, como consecuencia de la diferencia del coeficiente de expansión térmica entre ambos tipos de materiales La solución adoptada para su unión ha sido la utilización de láminas finas de materiales con un coeficiente de expansión intermedio, que actúan como intercapas. La figura 2.109 muestra un esquema de cómo se produce la unión por difusión de estos materiales, pudiéndose observar que es el material metálico el que se deforma principalmente para adaptarse al relieve del material cerámico. Los procesos de soldadura fuerte presentan el problema de la dificultad de mojado del material de aporte en los materiales cerámicos, que impide que fluya a través de las superficies a unir. Este problema se resuelve mediante:
De estos procesos, la soldadura por difusión y la soldadura fuerte son los que permite una mejor continuidad, habiendo sido explicados en capítulos anteriores. Las características especiales de estos materiales hacen que se presenten problemas específicos en estos procesos de unión, si bien se pueden conseguir buenos resultados, tanto en uniones cerámica-cerámica, como en uniones metalcerámica, fundamentalmente con metales dúctiles (Cu y Ni) y con aceros y aleaciones de titanio. Dentro de la soldadura de estos materiales, destaca por su mayor importancia la unión metal-cerámica, principalmente en la industria electrónica y aereoespacial. En los procesos de soldadura por difusión (temperatura y presión elevadas) se produce una deformación plástica a nivel local (en los picos de las rugosidades) en las superficies de la unión (y no a nivel macroscópico),
Metalización del material cerámico. Esta puede realizarse mediante polvos metálicos (Mo-Mn). Si bien, su utilización requiere un calentamiento de la mezcla de polvo sobre la superficie cerámica a una temperatura muy elevada (1250-1500º C) en atmósfera de hidrógeno. Posteriormente a este recubrimiento es habitual realizar un recubrimiento de níquel, consiguiéndose de esta forma preparar la superficie para su soldadura con materiales de aporte habituales. Otra forma de realizar esta metalización mediante un una deposición en fase de vapor de titanio a partir de TiH en polvo, si bien se precisa un horno de vacío y trabajar a 350-550º C. Este último proceso es relativamente caro, siendo menos utilizado. Utilización de metales de aporte activos. Es la solución más económica, precisándose los siguientes requisitos para el metal de aporte: ductilidad, fluir a unos 820-850º C., mojar el metal y la cerámica a la misma temperatura y permitir obtener una buena resistencia. La utilización de aleaciones de cobre y
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plata con Ti, como elemento activo, está muy extendida.
2.1.5 SOLDADURA COMPUESTOS.
DE
MATERIALES
La unión por soldadura de materiales compuestos es complicada por la diferencia de comportamiento de los materiales, que constituyen la matriz y el refuerzo, y por la dificultad de conseguir la adecuada distribución, orientación y fracción volumétrica del refuerzo en la zona de unión. Las principales propiedades de los materiales, cuya diferencia limita su soldabilidad, son: temperatura de fusión, coeficiente de expansión térmica, conductividad y ductilidad. Igualmente, debe considerarse la dificultad de conseguir en la zona de unión la continuidad y distribución de los refuerzos que presentan en la matriz. Por los motivos indicados este tipo de materiales no son soldados habitualmente, siendo los más utilizados en soldadura los materiales compuestos de matriz de aluminio (mediante procesos de soldadura blanda y fuerte y mediante procesos en estado sólido) y fundamentalmente los materiales compuestos de matriz polimérica termoplástica (mediante los procesos característicos de este tipo de materiales. La secuencia fundamental de soldadura de materiales compuestos de matriz termoplástica (los típicamente soldables) es la siguiente:
unas propiedades físicas que permitan una distribución uniforme de los esfuerzos sobre toda la superficie de unión. Los adhesivos son puentes entre las superficies de los sustratos, tanto si son del mismo como si son de distinto material. El mecanismo de unión depende de (Figura 2.110):
Adhesión es la fuerza de unión en la interfase de contacto entre dos materiales. Las fuerzas físicas de atracción y adsorción, que se describen como fuerzas de Van der Waals, tienen una gran importancia en la unión. El rango de estas fuerzas intermoleculares es considerablemente más bajo si el material adhesivo no está en contacto íntimo con las zonas a unir, circunstancia que puede ocurrir como consecuencia de la rugosidad superficial de las superficies tratadas mecánicamente. Este es el motivo por el que el adhesivo debe penetrar totalmente en la rugosidad superficial y mojar toda la superficie (Figura 2.111). La resistencia de la fuerza adhesiva depende por esta causa del grado de mojado (máximo contacto intermolecular) y, por otro lado, de la capacidad adhesiva de la superficie. Para una determinada tensión superficial del adhesivo, el mojado depende de la energía superficial del sustrato y de la propia viscosidad del adhesivo. El mojado puede verse también reducido si existen contaminantes superficiales. Cohesión es la fuerza que prevalece entre las moléculas dentro del adhesivo, manteniendo el material unido. Estas fuerzas incluyen:
Preparación de la superficie para eliminar contaminantes Calentamiento y fusión de la matriz termoplástica en la superficie de soldadura Aplicación de presión para promover el flujo y el contacto íntimo Difusión intermolecular y formación de nuevos enlaces Enfriamiento y solidificación del termoplástico
Fuerzas intermoleculares de atracción (fuerzas de Van der Waals) Enlaces entre las propias moléculas de polímero
Cuando se estudia el comportamiento mecánico de las uniones adhesivas, los valores de resistencia frente a diferentes esfuerzos carecen de significado si no van asociados al modo de fractura que tiene lugar. Así podemos distinguir tres modos de fractura (Figura 2.112):
2.2. UNIONES ADHESIVAS. ADHESIVAS. Las uniones adhesivas, al igual que otro tipo de uniones, tienen como objetivo la transmisión de esfuerzos entre dos piezas, siendo a menudo más resistentes que las uniones soldadas y mecánicas. Esto es debido a que permiten distribuir uniformemente los esfuerzos, de forma que puedan conseguirse uniones de elevada resistencia que fallen por el adherente, aunque el adhesivo tenga menores propiedades de resistencia mecánica. Esta diferencia de propiedades implica que las uniones adhesivas requieran una gran superficie de unión y que los adhesivos tengan
La fuerza de unión del adhesivo al sustrato o adhesión La fuerza interna del adhesivo o cohesión
Fractura cohesiva: cuando se produce el fallo en el seno del propio adhesivo curado. Fractura adhesiva: cuando el adhesivo se separa limpiamente del sustrato sin dejar restos. Fractura de sustrato: cuando la resistencia tanto del propio adhesivo (cohesión) como de d e su interfase con el sustrato (adhesión) son superiores a la del material que constituye uno de los adherentes.
Los fabricantes de adhesivos diseñan productos que produzcan roturas cohesivas, pues estas se pueden
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caracterizar mecánicamente, mientras que las interfases adhesivas son difícilmente predecibles.
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B/ Comportamiento mecánico. Adhesivos rígidos: Alta resistencia frente a esfuerzos normales o de cortadura. Baja resistencia frente a esfuerzos de pelado y desgarro. Mala resistencia frente a esfuerzos dinámicos e impacto Con gran capacidad de relleno de holgura: Epoxis Superficies coincidentes: Cianocrilatos Adhesivos tenaces: Buena resistencia frente a esfuerzos normales o de cortadura. Buena resistencia frente a esfuerzos de pelado y desgarro. Buena resistencia frente a esfuerzos dinámicos e impacto. Con gran capacidad de relleno de holgura: Epoxis tenaces. Acrílicos UV y anaeróbicos UV. Acrílicos bicomponentes Con capacidad intermedia de relleno de holgura: Acrílicos de curado con activador. Anaeróbicos estructurales. Para superficies coincidentes: Cianoacrilatos tenaces
2.2.1. Tipos de adhesivos. Los adhesivos se suelen clasificar en función del tipo de formación de la junta adhesiva.
2.2.1.1. Adhesivos prepolimerizados. Aquellos cuyo polímero existía antes de aplicar el adhesivo. Existen dos tipos:
En fase líquida: Soluciones acuosas: cementos, colas, celulosa, etc. Soluciones orgánicas: caucho natural, polidienos, etc.
En fase sólida: Adhesivos sensibles a la presión Adhesivos termofusibles o “hot-melts”, polietileno, etc.
2.2.1.2. Adhesivos reactivos. Aquellos en que el adhesivo está constituido por monómeros o cadenas oligómeras que polimerizan (proceso de curado) una vez aplicados sobre las superficies a unir. Existen dos tipos fundamentales
Mediante poliadición: Por adición al abrirse un doble enlace de un monómero que lo contenga. Anaeróbicos, Acrílicos, Cianoacrilatos, Siliconas de poliadición
Mediante policondensación: Por condensación de moléculas sencillas en la reacción de monómeros difuncionales con grupos terminales reactivos Poliuretanos, Epoxis, Siliconas de policondensación Los adhesivos reactivos también pueden clasificarse en función de:
Adhesivos flexibles: Baja resistencia frente a esfuerzos normales o de cortadura. Alta resistencia frente a esfuerzos de pelado y desgarro. Buena resistencia frente a esfuerzos dinámicos e impacto. Siliconas y poliuretanos
La figura 2.113 muestra la variación del comportamiento mecánico frente a la temperatura (log E, tª) y las curvas esfuerzo-deformación para los diferentes tipos de adhesivos.
2.2.2. Diseño de uniones adhesivas. En el diseño de uniones adhesivas debe tenerse en cuenta el adherente y el adhesivo (geometría y propiedades), tipo y magnitud de los esfuerzos, posibles modo de fracaso en servicio (adhesivo, cohesivo y del adherente) y condiciones ambientales. Los adhesivos presentan buen comportamiento mecánico cuando trabajan, fundamentalmente, a compresión y cizalladura, presentando muy mal comportamiento frente a esfuerzos de pelado. La resistencia relativa para los esfuerzos compresión-cizalladura-pelado es de 1000 : 100 : 1. La figura 2.114 muestra la distribución de esfuerzos que justifica este comportamiento
A/ Tipo de curado. 2.2.2.1. Reglas de diseño de las uniones adhesivas.
Mediante reacción anaeróbicos. Retención, fijación y sellado Mediante activadores (Acrílicos y epoxis). Estructurales Mediante reacción aniónica (Cianocrilatos). Uniones adhesivas en general Mediante reacción con la humedad ambiental (Siliconas y poliuretanos). Juntas de sellado Mediante calor (Epoxis). Sellado, impregnación, fijación. Mediante radiación U.V. Vidrios, plásticos transparentes, metal-vidrio
Como regla general puede indicarse que las uniones adhesivas presentan un buen comportamiento mecánico si se respetan unas reglas de diseño básicas:
Maximizar área de unión (Figura 2.115) Capas de unión uniformes y de espesor pequeño Trabajar a cizalladura y compresión (Figura 2.116) Evitar esfuerzos de pelado y concentración de tensiones (Figura 2.116 y 2.117) Utilización de sujeciones para garantizar la unión durante el proceso de curado, si fuera necesario.
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Para minimizar los esfuerzos de pelado, las consideraciones básicas son: diseño y adhesivo adecuado y/o suplementar con una unión mecánica adicional. La figura 2.117 muestra ejemplos de lo indicado.
2.2.3. Ventajas e inconvenientes. Las uniones adhesivas presentan las siguientes ventajas:
Distribución uniforme de la tensión: se eliminan los picos de tensión en los agujeros taladrados (Figura 2.118). Rigidización de las uniones. Los adhesivos forman uniones continuas entre las superficies de la junta. Estas uniones son mucho más rígidas que las realizadas por remaches o puntos de soldadura que sólo conectan las superficies en puntos localizados (Figura 2.119). No se produce una distorsión del sustrato: se elimina el calentamiento y se pueden unir piezas con diferentes masas y dimensiones. Combinación de materiales distintos. Uniones selladas: a veces se emplea adhesivo para complementar montajes atornillados o remachados. Aislamiento: se pueden unir metales con propiedades electroquímicas distintas, evitando la corrosión, la erosión por fricción y la c orrosión por frotamiento. Reducción del número de componentes. Mejora de la estética del montaje.
Mientras que como desventajas pueden indicarse:
Preparación superficial Resistencia inferior a los metales. Esta carencia se debe suplir incrementando la superficie de unión. Desmontaje. Las uniones adhesivas pueden ser difíciles de desmontar Rango de temperaturas limitado. Tiempos de curado. En cadenas productivas se deben emplear adhesivos con tiempos de fijación muy cortos Problemas de envejecimiento
Las uniones mecánicas se suelen utilizar concretamente por las siguientes ventajas:
2.3. UNIONES MECÁNICAS. Las uniones mecánicas se utilizan para garantizar la posición relativa de dos o más piezas. Existe una gran diversidad de elementos para acoplar o sujetar las piezas integrantes de una estructura entre sí. Todas las maquinas o estructuras poseen diversos elementos de unión de gran importancia estructural, circunstancia ha llevado a una amplia normalización y fabricación en serie de estos elementos. Las uniones mecánicas pueden ser agrupadas en esquemas como el siguiente:
No necesita nece sita tratamientos térmicos tras la unión. unió n. Esto lo hace una solución interesante en el caso de elementos estructurales de gran tamaño, que por sus dimensiones no pueden ser tratados, por lo que no es posible el uso de unión soldada. Además, no se introducen tensiones residuales durante el proceso de unión. Posibilidad del desmontaje de la unión ensamblada. Aunque realmente destacan en este aspecto las uniones atornilladas. Rendimiento en servicio. Se usan en industrias tan exigentes como la aeronáutica, siendo el caso de los remaches. También se usan en puentes, grúas, etc.
Sin embargo, presenta las siguientes desventajas:
Coste. Suelen ser elementos estándar que se fabrican en grandes series, como por ejemplo el caso de remaches y tornillos, los cuales presentan un coste mínimo de fabricación. Además de un proceso de fabricación económico, el proceso de unión no necesita personal cualificado como en el caso de la unión soldada, con el ahorro económico que esto conlleva.
Concentración de tensiones. Este tipo de uniones produce una concentración de tensiones en los extremos del diámetro transversal a la dirección de aplicación de la carga, siendo ésta una de las razones por la l a que qu e la unión mecánica no se usa tanto como la soldada o la adhesiva. En la figura 2.118 se puede observar la distribución de tensiones que se obtiene en una unión mecánica, soldada y adhesiva. Por esta razón, la unión mecánica necesita realizar un estudio exhaustivo de la colocación de los taladros, distancias, espesores, etc., ya que pueden favorecer procesos de rotura, fundamentalmente los de fatiga. No tienen carácter sellante. A diferencia de los otros dos grandes tipos de uniones, las uniones mecánicas permiten el paso de gases y líquidos. líqu idos. Así por ejemplo, la obtención de una unión sellada mediante remaches, necesitaría un elevado número de estos elementos, lo cual generaría una concentración de tensiones en muchos puntos. En el caso de necesitar una unión
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sellada, es aconsejable utilizar uniones híbridas (unión mecánica y adhesiva.
Automatización del proceso complicada. Salvo en el caso de los remaches con el uso de remachadoras, en general, las uniones mecánicas se realizan manualmente.
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2.3.3.2. Uniones fijas. Este tipo de uniones hacen referencia a aquellas que no permiten ningún tipo de movimiento relativo entre las piezas a unir. Pueden ser desmontables o no, así como elásticas.
2.3.3.2.1. Uniones remachadas.
Tienen generalmente diferente material a los que se pretende unir. Esto plantea una serie de problemas: Posibles procesos de corrosión. Además de la formación del par galvánico, debe tenerse en cuenta la gran influencia de la proporción de masas entre le material que actúe de cátodo y el de ánodo y la resistividad del medio en el que se encuentre la unión.
Posibles diferencias del coeficiente de dilatación térmica entre las piezas y los elementos de unión, que podrían generar elevadas tensiones en servicio. 2.3.1. Uniones por insertos. Son uniones en las que el elemento de unión pertenece a la propia pieza a unir (Figura 2.120). Dicho acople se puede hacer introduciendo el inserto en el molde previamente al proceso de inyección (insertos moldeados), o introduciéndolo posteriormente, bien por calentamiento (normalmente por ultrasonidos), bien por blocaje mecánico. Esta forma de unión se utiliza mucho en polímeros, en los cuales el elemento de unión se acopla en caliente antes de la reacción de polimerización.
2.3.2. Uniones por engarce. La unión por engarce consiste en la concatenación sucesiva de elementos de modo que formen estructuras articuladas continuadas de los elementos a unir. Ejemplos de este tipo de unión son las cadenas y bisagras Ver figura 2.121
Las uniones remachadas son un tipo de uniones permanentes o fijas que no se pueden deshacer, produciendo una unión inseparable de dos do s o más piezas de materiales iguales o distintos. En el caso de que se produjese la separación, se lleva a cabo la destrucción del elemento de unión que es el remache o roblón. Las uniones remachadas son seguras y resistentes a las sacudidas. Sin embargo, son desplazadas cada vez más por las construcciones soldadas porque son capaces de adoptar formas más sencillas y no se encuentran debilitadas por taladros donde se concentre la tensión. Las uniones remachadas son sencillas de realizar y su coste es relativamente barato, siempre que las piezas no sean demasiado complicadas. En la construcción metálica ligera todavía se utilizan ampliamente, mientras que en la construcción de calderas y depósitos se emplea casi exclusivamente la soldadura. En general se recomienda, y especialmente en las uniones remachadas en frío, que este tipo de uniones trabajen a cizalladura y que se eviten los momentos flectores. En función de la temperatura a la que se aplican los remaches, se distinguen entre remachado en caliente y remachado en frío.
2.3.3.2.1.1. Remachado en caliente.
2.3.3. Unión por elementos mecánicos. Los métodos de sujeción mecánica se dividen en dos clases principales:
Se trata de un tipo de remachado que se aplica a materiales férreos de más de 10mm de espesor. El remache se calienta a una temperatura que oscila entre 700ºC y 900ºC, según el tipo de acero. Como consecuencia de la dilatación térmica del remache, el diámetro del taladro debe ser 1,5 mm mayor que el del remache, aproximadamente.
Los que permiten una unión articulada Los que crean una fija, ya sea desmontable, no desmontable o elástica.
La resistencia de la unión se debe a la contracción del remache sobre las superficies a unir, determinándose por las fuerzas de rozamiento en las superficies a unir.
2.3.3.1. Uniones Articuladas.
La figura 2.123 muestra como se produce habitualmente el proceso de remachado en caliente.
Las uniones articuladas son aquellas que permiten el movimiento relativo de rotación entre las piezas a unir. Ejemplos de este tipo de unión son las rótulas, deslizaderas y rodamientos (Figura 2.12).
Para aumentar la resistencia mecánica, además de la elección correcta de los parámetros geométricos, tienen gran importancia las medidas tecnológicas:
Los remaches de acero aleado pueden endurecerse durante el enfriamiento posterior a la deformación. El
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calentamiento del remache a una temperatura mayor que la temperatura de transformación de fase (750-800° C) y un posterior enfriamiento rápido, puede inducir un temple suave del material y, en consecuencia, un aumento de la resistencia mecánica de la unión, proceso que se utiliza en uniones fuertemente solicitadas.
Un procedimiento efectivo para aumentar la resistencia mecánica de uniones remachadas en caliente, es aplicar el remachado hidráulico con mantenimiento del remache y de las piezas a unir bajo un esfuerzo permanente hasta el enfriamiento del remache 2.3.3.2.1.2. Remachado en frío. Este tipo de remachado es aplicable hasta diámetros de vástago de 8 a 10 mm. Además el diámetro de la pieza a unir debe ser entre 0,1 y 0,3mm mayor que el del vástago del remache. Las operaciones en este proceso son: en primer lugar, taladrado o punzonado de las piezas a unir, y posterior escariado.
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El material suele ser distinto para cada tipo de unión:
Uniones remachadas en caliente normales = > acero al carbono Uniones remachadas especiales = > aceros inoxidables, aleaciones resistentes al calor y refractarias (según condiciones de trabajo) Uniones en frío de piezas de acero = > aceros plásticos suaves Uniones de importancia = > aceros con plasticidad y resistencia mecánica Metales no férreos = > remaches de cobre, latón, bronces, aluminio y aleaciones a base de aluminio Resistencia a la corrosión = > aceros inoxidables, metal Monel, aleaciones a base de níquel y de titanio Uniones de fuerza de aleaciones de aluminio = > duraluminio, se ponen en estado recién templado y el material de los roblones envejece, adquiriendo elevada resistencia mecánica y dureza Remache y pieza del mismo material (o similar) para evitar formación de pares galvánicos
En las uniones remachadas en frío, la resistencia se obtiene por deformación plástica del material del remache durante el proceso, motivo por el que la fuerza axial que aprieta las piezas es menor que la obtenida en los procesos en caliente
2.3.3.2.1.4. Defectos del proceso de remachado
En la construcción de maquinaria casi siempre se emplea el remachado en frío, ya que elimina la acción térmica y no altera la exactitud de sus dimensiones y su disposición recíproca. En uniones de responsabilidad, es habitual obligar a realizar de forma simultánea los taladros de las dos piezas.
La figura 2.124 muestra los defectos más habituales en este tipo de uniones.
En uniones que trabajan a altas temperaturas, el remachado en frío presenta peor comportamiento, ya que por su efecto puede eliminarse el endurecimiento por deformación en frío y disminuir la fuerza de apriete que se obtiene en el remachado Este proceso es el que se utiliza para materiales no férreos. En este aspecto, debe tenerse en cuenta que los procesos de soldadura por fusión pueden influir desfavorablemente en las propiedades mecánicas de las uniones soldadas de aleaciones ligeras y en su control dimensional, motivo por el que las uniones remachadas resultan más consistentes que las soldadas a pesar de los elevados efectos de entalladura que se producen en los taladros. Los remaches de aleaciones ligeras, fundamentalmente las de aluminio, se emplean principalmente en la construcción de vehículos, barcos, aviones, edificios, grúas y puentes.
2.3.3.2.1.3. Materiales para remaches. En la industria actual las necesidades son cada vez más exigentes, lo que fuerza a desarrollar nuevos tipos de remaches y a mejorar permanentemente los ya existentes.
Los defectos de fabricación en uniones remachadas dan lugar a uniones poco firmes.
Siendo: a) b)
c) d) e)
Agujero no alineados: fallo de disposición geométrica. Falta de avellanado: elección de sufridera inadecuada, o no realizar la suficiente fuerza para generar la segunda cabeza. Agujero de remache demasiado grande: elección de remache inadecuado. Cabezas desplazadas: originado en la hora de generar la segunda cabeza, a través de la estampa. Holgura entre las piezas a unir: existencia de elementos entre las piezas a unir.
2.3.3.2.2. Uniones plegadas. El proceso de plegado es un método de unión sin elementos sujetadores. Se puede usar con bandas o con resaltes que se pueden hacer con operaciones de emboquillado o embutido. El plegado se puede hacer en partes tubulares y planas, siempre que los materiales sean lo bastante delgados (chapas de 0,5 a 0,9 mm) y dúctiles como para resistir las grandes deformaciones localizadas (Figura 2.125).
2.3.3.2.3. Clinchado. La uniones clinchadas, o por recalcado, se realizan mediante la embutición parcial de una chapa o perfil en otra (Figura 2.126). Es un procedimiento rápido, si bien
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proporciona una resistencia mecánica moderada, motivo por el cual no es utilizado en uniones estructurales con solicitaciones mecánicas elevadas. Este método de unión permite unir piezas pintadas o metalizadas.
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Las ventajas de las uniones atornilladas pueden resumirse en:
2.3.3.3. Uniones desmontables.
Las uniones desmontables, debido a su conexión, podrán ser reemplazadas con facilidad. Podrán ser atornilladas, grapas, pasadores, abrazaderas, chavetas, ejes nervados, colas de milano...
Las desventajas pueden resumirse en:
2.3.3.3.1. Uniones atornilladas.
Las uniones atornilladas son universalmente empleadas. Son de las uniones más antiguas. Ya en el siglo III a.c., Arquímedes inventó un mecanismo para elevar agua desde el valle del Nilo que adoptó el nombre de Tornillo de Arquímedes (Figura 2.127). Los tornillos son los elementos que se emplean con mayor frecuencia en la construcción de máquinas, utilizándose multitud de formas y variedades. Permiten fijar las piezas de las estructuras metálicas, las bridas de tubos, etc. En la práctica pueden aflojarse y apretarse de nuevo cuantas veces se desee. Debido a que constituyen un método de unión polifacético y a su producción en grandes series, constituyen un método de unión económico. Se fabrican en grandes series, resultando por ello relativamente baratos. En una unión roscada existen diversas partes claramente diferenciadas (Figura 2.128): la cabeza del tornillo, que es la parte extrema donde aplicaremos el par de apriete, la rosca, que irá tallada a la superficie cilíndrica, y el cuello, que es la parte del tornillo cercana a la cabeza que no tiene rosca. Si el elemento roscado se introduce en un taladro roscado se le denomina tornillo, mientras que si se introduce en un taladro pasante y no roscado y va acompañado de una tuerca de dimensiones exteriores iguales a las de la cabeza, se le denomina perno. Si el elemento roscado macho carece de cabeza y posé los dos extremos roscados, se llamará espárrago. Es un elemento muy utilizado, por ejemplo en la unión del bloque motor con la culata. Además de unir dos piezas, las roscas pueden tener las funciones mecánicas siguientes:
Transmitir un movimiento lineal (Figura 2.129). Transmitir una fuerza de presión (Figura 2.130).
Montaje y desmontaje fácil Unión desmontable Poca afectación de la temperatura Reutilizable Unir materiales diferentes Ningún cambio en la estructura cristalina
Costes más altos que remaches Susceptible a corrosión Preparación laboriosa (taladrar, roscar) Debilitación de las piezas La sobrecarga puede llevar a deformaciones plásticas Pérdida del par
2.3.3.4. Uniones elásticas. Las uniones elásticas mediante muelles se pueden considerar uniones, si bien algunos autores no las consideran así. Al contrario que la mayoría de las piezas de una máquina, a las cuales se les pide un alto grado de indeformabilidad, a un muelle se le pide todo lo contrario, caracterizándose por esta cualidad. En consecuencia, llamaremos muelle a todo elemento mecánico que recupera su forma inicial una vez que cesa la tensión a la que han sido expuestos, debiendo tener, por tanto, una gran capacidad de deformación elástica. Mediante los muelles pueden construirse uniones elásticas de las formas más variadas (Figura 2.131), Según su forma, existen: muelles de anillos (usados en la industria ferroviaria), muelles de láminas (ballestas), muelles helicoidales, muelles en espiral (usados como acumuladores de energía en relojes), muelles cónicos, muelles de disco (usados en rodamientos, soportes de máquinas, etc.,), muelles de barra y similares. Además, y dependiendo del modo en que actúe la carga, se subdividen en muelles de tracción, compresión, flexión y torsión, pero el esfuerzo que soportan sus secciones no tiene que corresponder necesariamente con la denominación de la actuación de la carga. Dadas sus propiedades elásticas, los muelles reciben un trabajo, devolviéndolo cuando cesa la carga, con pérdidas de rozamiento más o menos grandes. El campo de aplicación de los muelles es extremadamente amplio. Desempeñan un papel fundamental en la construcción mecánica, aviación, automóvil, ferrocarril y armamento. De forma genérica puede indicarse que son adecuados:
Tema 2: Técnicas de unión
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Como almacenadores de trabajo, para el accionamiento de relojes y tambores de arrollamiento, o como recuperadores de levantaválvulas o varillajes de mando.
La figura 2.133 representa la carga de rotura a diferente temperatura para distintos métodos de unión, usando titanio como adherente.
Para amortiguar choques de masas en movimiento, en forma de muelles amortiguadores o parachoques en los vehículos.
Para uniones híbridas con adherentes de aluminio se emplean normalmente adhesivos epoxy y epoxy modificados, mientras que para adherentes de titanio se utilizan adhesivos epoxy y piliimidas.
Para limitación de fuerza, como por ejemplo en las prensas. Para medida de fuerzas, como por ejemplo en las balanzas dinamométricas.
La utilización de un adhesivo en una unión híbrida con puntos de soldadura requiere capacidad para fluir bajo la presión de los electrodos, de forma que permita el contacto eléctrico, y que el detrimento generado al realizar los puntos de soldadura sea mínimo.
2.3.3.4.1. Materiales para muelles. Los materiales de los muelles deben cumplir los siguientes requisitos:
Elevado límite de elasticidad. Elevada resistencia a la fatiga. Elevada capacidad de alargamiento.
Los muelles son mayoritariamente metálicos, aunque también pueden ser poliméricos. En general, los materiales más usados para muelles son aceros al carbono templables, aceros al cromo-silicio, silicio-manganeso, cromo-vanadio, e inoxidables. En cuanto a no férreos, latón, bronce fosforoso y bronce al silicio son los más utilizados.
2.4. UNIONES HÍBRIDAS Se denomina unión híbrida a la combinación de una técnica convencional de unión (soldadura, habitualmente por resistencia, y unión mecánica) con unión adhesiva (Figura 2.132). Se pretende aprovechar las ventajas que ofrece la unión adhesiva (mayor rigidez, mayor área de transferencia de esfuerzos, sellado, resistencia a la corrosión, etc), salvando sus inconvenientes de sensibilidad a los esfuerzos de pelado, envejecimiento, necesidad de utillaje durante el curado, etc. La combinación de unión adhesiva y mecánica, o mediante soldadura por resistencia, se realiza aplicando la técnica convencional de unión sobre las piezas unidas por adhesivo previamente. En el caso de puntos de soldadura por resistencia, se puede realizar al revés, siempre que se utilice un adhesivo de baja viscosidad que se infiltre por capilaridad entre las superficies. Los equipos unidos por estos métodos presentan una mejor resistencia a cortadura y mayor resistencia a la corrosión que la simple unión mecánica o por puntos de soldadura, consiguiéndose, al mismo tiempo, un importante ahorro en peso. Esto es debido a que permiten reducir el número de elementos de unión ya sean mecánicos o de soldadura.
La soldadura por puntos o por roldanas se puede realizar a través del adhesivo en estructuras utilizando una preparación superficial y un sistema de limpieza adecuado. adecu ado. Así, por ejemplo, si se utiliza una resina epoxy en pasta modificada, que contenga polvo metálico para asegurar la conductividad, los parámetros de soldadura son casi iguales que si no se utilizara adhesivo. No obstante, se obtiene un cierto porcentaje de puntos que muestran expulsión de material, lo que puede provocar una peor calidad. Como ventajas de las uniones híbridas frente a las mecánicas pueden citarse:
Mayor resistencia a cizalladura Mayor resistencia a fatiga Proporciona estructuras estancas y selladas, incluso a gases Mayor rigidez Mejor resistencia a la corrosión frente a uniones solapadas Menor peso Mejor distribución de esfuerzos en general La utilización de uniones híbridas está actualmente muy extendido en la industria del automóvil por las ventajas comentadas. También son ampliamente utilizadas en uniones atornilladas y roscadas para disminuir el peligro de aflojamiento (pérdida del par) cuando están sometidas a vibraciones. La aplicación de adhesivos en las zonas roscadas fija la unión evitando el aflojamiento y sellando la unión, lo que disminuye el peligro de procesos de corrosión. Su utilización también está indicada para prevenir la acción de los esfuerzos de pelado y acortar los tiempos de manipulación de piezas unidas por adhesivos con tiempos de manipulación elevados.
