INGENIERÍA DE FABRICACIÓN
SOLDADURA
Soldadura
Tema 13 TIPOS DE SOLDADURA
13.1 Introducción En el capítulo anterior ya se adelantó una clasificación de los tipos de soldadura:
13.2 Soldadura por resistencia Bajo la denominación de soldadura por resistencia eléctrica (Electrical Resistance Welding ERW), se agrupan una serie de procesos donde el calor necesario para la unión de los metales se genera por la resistencia que ofrecen éstos al paso de la corriente eléctrica. El calor se genera por medio de una corriente eléctrica de baja tensión y elevada intensidad que se hace circular con la ayuda de sendos electrodos durante un corto espacio de tiempo, a través de la unión que se desea soldar. La fuerza mecánica se desarrolla a través de la presión ejercida sobre los electrodos antes, durante y después del instante en que circula la corriente de soldadura. De acuerdo con la ley de Joule, el calor Q, en Julios, será:
Q
I 2 ·R·t
(1)
Las características principales de este proceso son, entre otras: - Uniones discretas, no continuas.
13.2
Soldadura
- Ausencia de metal de aportación. - No necesita una especial cualificación por parte del operario. - Soldaduras ejecutadas con los mismos parámetros son prácticamente idénticas. - Elevada producción. - Zonas de fusión localmente localizadas. - Soldeo de aleaciones férreas y no-férreas. Inconvenientes: - Conductividad térmica - Conductividad eléctrica 13.2.1 Descripción del proceso Al iniciarse la soldadura, la corriente eléctrica que pasa desde un electrodo a través de la pieza a soldar al otro electrodo, tropieza con siete puntos de resistencia [Figura 13.1.]. En cada uno de ellos se genera el calor en diferentes magnitudes. En los puntos 1 y 7, se producen calentamientos por la resistencia eléctrica de los electrodos. En los puntos 2 y 6, por la resistencia del contacto entre el electrodo y la pieza. En los puntos 3 y 5, por la resistencia óhmica del metal base y en el punto 4 entre las dos superficies del metal base, donde se forma el punto de la soldadura y donde la resistencia al paso de la corriente es la más grande.
Figura 13.1. Puntos de resistencia 13.2.2 Ciclo de soldeo El ciclo de soldeo viene determinado por la secuencia en el tiempo, del paso de la corriente de soldadura y de la fuerza aplicada a los electrodos. Se distinguen cuatro fases principales dentro de un ciclo [Figura 13.2.]: - Fase 1: Fase de posicionamiento. Se ejerce sobre los electrodos una presión que obliga a permanecer unidas las superficies a soldar. - Fase 2: Fase de soldadura. Se hace pasar la corriente eléctrica con una diferencial de potencial entre los electrodos. La presión se reduce (P2 < P1). Temperatura elevada (1500 °C acero).
13.3
Soldadura
- Fase 3: Fase de forja. Al alcanzar la temperatura adecuada para soldar, se corta la corriente y se incrementa la presión (P3 > P1 > P2) - Fase 4: Fase de cadencia. Se reduce la presión hasta liberar las piezas ya soldadas.
Figura 13.2. Ciclo de soldeo 13.2.3 Equipos de soldeo El equipo necesario para la soldadura por resistencia será tal, que regule las tres principales variables que intervienen en el proceso: corriente, presión y tiempo. Para ello, será necesario utilizar: Un circuito eléctrico: transformador y circuito secundario Un sistema mecánico: sujeta la pieza y se aprietan los electrodos Un sistema de control: para regular tiempos y magnitudes 13.2.4 Electrodos Tienen como función conducir la corriente a la pieza y ejercer la presión. Como la densidad de corriente es muy elevada deben poseer una elevada conductividad, eléctrica para prevenir el sobrecalentamiento, y térmica para disipar el calor y evitar la fusión y deformación de la punta del electrodo. La presión del electrodo es muy elevada y además tiene que sufrir el impacto en el momento de apriete. Por ello, para evitar su deformación, tiene que poseer buenas propiedades mecánicas, sobre todo a elevadas temperaturas (dureza y tenacidad). En el proyecto de los electrodos hay que tener en cuenta el tamaño de éstos, para que tengan suficiente resistencia y la refrigeración interior (taladrado interior para permitir la llegada del agua a la punta del electrodo). Debe haber un equilibrio entre propiedades eléctricas, mecánicas y térmicas. El cobre es un conductor eléctrico y térmico por excelencia, pero sus propiedades mecánicas no son suficientes, por ello se recurre a aleaciones de este metal (Cu-W). 13.2.5 Procedimientos Existen diversos procedimientos de soldadura por resistencia eléctrica. Los más importantes, que se describen brevemente a continuación, son los siguientes: A) Solapados:
B) A tope:
13.4
Soldadura
- por puntos
- a tope
- por resaltes o protuberancias
- por chispa
- por roldanas
- por alta frecuencia
13.2.5.1
Soldadura por puntos
Los materiales de base se disponen solapados entre sendos electrodos, que tienen la misión de aplicar secuencialmente la presión y la corriente correspondientes al ciclo, produciéndose un punto de soldadura de forma lenticular. El punto de soldadura se localiza bajo los electrodos y en la superficie de contacto de los dos materiales, por ser el área de mayor resistencia eléctrica [Figura 13.3.].
Figura 13.3. Soldadura por puntos El material de los electrodos es una aleación de cobre con Cd, Cr, Be o W con objeto de que presente una adecuada resistencia a la deformación bajo la presión aplicada durante la soldadura. La dureza suele estar comprendida entre 130 y 160 HB. La soldadura por puntos se realiza con un alto grado de automatización. Este procedimiento, junto con el de soldadura por arco, son los dos procesos en los cuales, hoy día, está más introducida la robótica. Tiene sus principales aplicaciones en la fabricación de carrocerías de automóviles, electrodomésticos y muebles metálicos. En todas las soldaduras por resistencia solapadas, la preparación de las superficies debe estar exenta de óxidos, grasas, escamas, pinturas, etc. La suciedad impide en la parte exterior el buen contacto del electrodo con el material, contamina la punta del electrodo y aumenta la resistencia al paso de la corriente entre las dos chapas. La limpieza se puede realizar con métodos mecánicos o químicos. 13.2.5.2
Soldadura por resaltes o protuberancias
Consiste en practicar previamente resaltes en uno de los materiales de base, y a veces en ambos, en los lugares donde se desea que exista un punto de soldadura. En este procedimiento, los electrodos son de mayor diámetro que en la soldadura por puntos, pues habitualmente cubren a la vez varios resaltes [Figura 13.4.]. Se aplica a una amplia variedad de componentes, normalmente de formas complicadas cuyos espesores oscilan entre 0,5 y 6 mm. Los resaltes suelen hacerse por embutición, hasta de 2,5 mm, y por mecanizado para espesores mayores.
13.5
Soldadura
Figura 13.4. Soldadura por resaltes o protuberancias 13.2.5.3
Soldadura por roldanas
Es una variante de la soldadura por puntos en la que éstos se sueldan solapados, dando lugar a una costura estanca. En este procedimiento, los electrodos son roldanas (forma de ruedas) que, además de aplicar la fuerza y la corriente, arrastran en su giro a los materiales de base [Figura 13.5.]. La principal aplicación de la soldadura por roldanas es la fabricación de recipientes de espesor de pared comprendido entre 0,05 y 3 mm.
Figura 13.5. Soldadura por roldanas 13.2.5.4
Soldadura a tope
En este procedimiento, los materiales de base se sitúan mediante mordazas con los extremos a soldar enfrentados a tope. Las mordazas, de material conductor, constituyen los electrodos de este procedimiento. Las superficies de contacto deben ser paralelas y estar muy limpias. Tras hacer pasar la corriente y al ejercer la presión, se produce un ensanchamiento de la zona soldada, ofreciendo un aspecto abarrilado. Este ensanchamiento se debe a que los materiales base de la zona de soldadura, en estado pastoso, fluyen hacia el exterior [Figura 13.6.]. La principal aplicación de este proceso es la soldadura de secciones rectas de alambres, barras, tubos y perfiles. Sus límites están comprendidos entre secciones de 100 mm2 y 300 mm2, dependiendo de la potencia de la máquina.
Figura 13.6. Soldadura a tope
13.6
Soldadura
13.2.5.5
Soldadura a tope por chispas
La soldadura por chispa, opera de la misma manera que la soldadura a tope, con la única variante de que la fuerza aplicada durante la fase de posicionamiento es muy pequeña y, por tanto, el contacto de las superficies a soldar sólo se produce en determinados puntos. La corriente de soldadura se concentra en estos puntos provocando su rápida fusión y estableciendo multitud de arcos eléctricos o chispas, que calientan más rápidamente los materiales con un consumo de energía mucho menor. Las superficies a soldar, a diferencia de la soldadura a tope, no tienen que estar paralelas ni encontrarse limpias. Al ejercer la presión y fluir el metal líquido hacia el exterior, se expulsan los óxidos, inclusiones gaseosas y escorias. En este procedimiento, el abultamiento de la zona soldada es menor [Figura 13.7.].
Figura 13.7. Soldadura a tope por chispa
13.3 Soldadura por arco eléctrico El procedimiento de soldadura eléctrica por arco aprovecha para fundir el metal, la energía calorífica producida por el arco eléctrico que se genera entre un electrodo y el metal base. El electrodo está alimentado de una corriente eléctrica de baja tensión y elevada intensidad. La elevada temperatura del arco funde tanto el metal base como el metal de aportación. En el desarrollo de la soldadura por arco se presentan varias etapas. El primer procedimiento que se desarrollo fue el de soldadura por arco de carbono, donde el electrodo no era consumible y se aportaba el material con una varilla; años después se sustituyó el carbono por un electrodo desnudo de varilla de hierro, eliminando el uso de una varilla separada, ya que el electrodo era el mismo material de aportación; en 1907 Kjellberg vió la posibilidad de revestir el electrodo con un fundente, con vistas a controlar el arco y a mejorar el baño depositado. 13.3.1 El arco eléctrico Cuando dos electrodos están a distinto potencial y uno de ellos es, además, una fuente de electrones (cátodo), estos electrones pueden trasladarse al otro electrodo de dos formas: en el vacío o por medio del gas que los envuelve. En el segundo caso, es necesario hacer conductor al gas, es decir, lograr la separación de sus átomos en iones y electrones. La ionización del gas puede conseguirse de varias formas, entre ellas, mediante el choque de átomos del gas con electrones suficientemente acelerados como para provocar en el impacto la pérdida de un electrón de valencia en el átomo del gas. Para arrancar los electrones del electrodo es necesario comunicarles la energía suficiente, característica de cada elemento. En un arco eléctrico interviene la energía calorífica (efecto termoiónico). 13.7
Soldadura
El método más simple para producir esta energía es calentar el metal hasta una temperatura elevada. Por ello, para cebar un arco (iniciarlo) se establece un cortocircuito entre la pieza y electrodo. La resistencia de contacto es baja, la corriente que circula muy alta y se produce un calentamiento muy fuerte en la punta del electrodo negativo (cátodo), lo que provoca la vaporización del metal y una ionización térmica. Separando ahora el electrodo de la pieza, bastan unos pocos voltios para que aparezca el arco. Una vez iniciado éste, los electrones que salen del cátodo ionizan el gas al chocar con sus átomos. Los electrones siguen su camino hacia el ánodo y los iones hacia el cátodo, al que ceden su energía cinética en forma de calor, manteniendo así la temperatura de éste, que sigue emitiendo electrones por efecto termoiónico [Figura 13.8.].
Figura 13.8. Arco eléctrico Dado que los electrones tienen menor masa que los cationes, su energía cinética es mayor, por tanto los 2/3 de la energía del arco van a parar al ánodo, que se calienta más (Ta–Tc= 600°C). Por otro lado, el cátodo presenta propiedades autodecapantes debido a la acción mecánica del bombardeo de cationes (importante en el soldeo por aluminio para eliminar la capa de alúmina). Si la longitud del arco es grande, éste puede cortarse, ya que se aumenta la resistencia al paso de la corriente y el aire no mantiene su ionización. Los elementos que intervienen en la formación y estabilización (control de dirección y proceso de fusión continuo) del arco deben tener las siguientes características: - Potencial de ionización (PI) bajo: menor energía necesaria para arrancar electrones. - Potencial temoiónico (PT) alto: mayor energía generada (mayor Tª). - Conductividad térmica (CT) baja: se disipa menos calor. 13.3.2 Fuentes de alimentación Al principio, para la soldadura se empleaba solamente la corriente continua producida por una dinamo, ya que era imposible mantener el arco con corriente alterna empleando electrodos de carbono o electrodos desnudos. La aparición de los electrodos revestidos
13.8
Soldadura
permitió el empleo de corriente alterna, y por tanto, de los transformadores. Actualmente se emplea de forma indistinta. 13.3.2.1
Corriente continua
a) Polaridad directa [Figura 13.9.]: Tª pieza > Tª electrodo
Cátodo
+ Cationes
─ Electrones Electrodo +─ + ─ + ─
V
La pieza evacua más rápidamente calor Mayor penetración Evita que el electrodo se ponga al rojo
Pieza
+
Ánodo
Figura 13.9. Polaridad directa Ánodo
b) Polaridad inversa [Figura 13.10.]:
Electrodo
Tª pieza < Tª electrodo
+─ + ─ + ─
Soladura chapas finas Evita pérdidas de elementos por oxidación
+ -
Pieza
Menores deformaciones Menor penetración. Acción decapante en pieza
-
Cátodo
Figura 13.10. Polaridad inversa
El aluminio sólo se puede soldar con polaridad inversa para que los cationes, que tienen más masa, puedan romper la capa de alúmina. 13.3.2.2
Corriente alterna
Tª pieza = Tª electrodo [Figura 13.11.]
Electrodo +─ + ─ + ─
Arco menos estable Valores intermedios de penetración y deformación
~
Electrodos revestidos Equipos más baratos 13.3.3 Equipos de soldeo
Pieza Figura 13.11. Corriente alterna
Los equipos que se emplean se dividen en tres grandes grupos: - Transformadores: dispositivo que modifica los valores de V e I de la corriente alterna [Figura 13.12.] - Generadores: equipos formados por un motor y un generador de corriente, alterna o continua - Rectificadores: transforman corriente alterna en corriente continua - Inversores: transforman la corriente continua en corriente alterna
13.9
Soldadura
Figura 13.12. Transformador de soldeo 13.3.4 Definición y clasificación de los electrodos 13.3.4.1
Electrodos desnudos
Por electrodo se entiende una varilla de material metálico usada en la soldadura para producir el arco eléctrico. Los electrodos desnudos, utilizados en casos excepcionales, están formados por una varilla metálica de sección circular y composición química bien definida. Presentan gran cantidad de inconvenientes, tanto desde el punto de vista del funcionamiento del arco, como de las cualidades físicas del metal depositado. Los defectos más importantes son: - Dificultad de cebado y mala estabilidad del mismo. Sólo pueden utilizarse con corriente continua. - Su fusión favorece la absorción de gran cantidad de gases, oxígeno y nitrógeno, que conduce no sólo a la formación de porosidades, sino también a la formación de compuestos (óxido de hierro y nitruro de hierro), que disminuyen considerablemente la capacidad de deformación de las soldaduras. - Su fusión también conduce a una pérdida por oxidación de los elementos del acero, y por tanto a una disminución de las propiedades mecánicas. 13.3.4.2
Electrodos revestidos
Un electrodo revestido está constituido por un alma metálica, generalmente de forma cilíndrica, y un recubrimiento de composición química variable, de acuerdo con las características exigidas [Figura 13.13.].
Figura 13.13. Electrodo 13.10
Soldadura
La composición de los revestimientos es muy compleja; se trata de mezclas de materias orgánicas y minerales, de forma que cada sustancia desempeña un papel determinado, bien durante la fusión, bien durante la solidificación, actuando como estabilizadores del arco, constituyentes de las escorias, depuradores del metal, aportadores de elementos útiles al metal fundido, etc. En definitiva, el recubrimiento realiza tres funciones principales: a) Función eléctrica Facilitan la estabilización del arco. Es particularmente importante cuando se trabaja con corriente alterna, dado que el arco se apaga en cada periodo, y en ese instante resulta necesario facilitar su reencendido empleando sales susceptibles de desprender vapores ionizantes. Los productos más importantes, para el cebado y mantenimiento del arco, que se introducen en el revestimiento, son las sales de sodio, potasio y bario. b) Función física del revestimiento El revestimiento es el elemento formador de la escoria y del gas protector. Debe facilitar el soldeo en las diversas posiciones operatorias: vertical, horizontal y de techo y proporcionar, según sea su naturaleza, un cordón reforzado o aligerado. Dos elementos intervienen en esta función: - La naturaleza del revestimiento, que determina la viscosidad de la escoria líquida. - El espesor del revestimiento. La influencia de la viscosidad en la soldadura se hace patente no sólo para la deposición del material aportado en las distintas posiciones (desprendimientos de gases que arrastran el metal fundido), sino también para la protección total del metal fundido (escorias poco viscosas que facilitan la fijación de elementos especiales). Además, el consumo del revestimiento se realiza a velocidad inferior a la del alma metálica, por lo que se forma un cráter en el mismo, con una mejor concentración del chorro del arco. c) Función metalúrgica del revestimiento Los revestimientos no solamente contienen elementos estabilizadores y productos químicos que forman escorias, sino también elementos reductores y ciertos elementos útiles, que se dejan en el baño fundido con objeto de mejorar las características mecánicas de la unión soldada, por ejemplo, productos aleantes. También pueden tener cierta cantidad del metal que compone el alma para, de esta forma, aumentar el rendimiento del electrodo, definido como la cantidad de metal depositado en el cordón frente al contenido en el alma, alcanzando así rendimientos superiores al 100% (electrodos de alto rendimiento). Tipos de electrodos revestidos a) Electrodos ácidos (A):
- Facilitan cordones lisos - Contienen elementos desoxidantes FeSi, FeMn
b) Electrodos celulósicos (C):
- Proporcionan gas protector de oxidación - Suele emplearse para soldar en descendente (poca escoria)
c) Electrodos de rutilo (R):
- Compuestos principalmente por rutilo (TiO2)
13.11
Soldadura
- Facilitan protección a través de la escoria (densa y viscosa) - Muy apropiados en cualquier situación, sin requerimiento de elevada tenacidad - Fácil cebado y manejo de arco - Son los más usados d) Electrodos básicos (B):
- Componentes: CO3Ca y Cl2Ca - Funden a Tª muy elevada - Altamente higroscópicos (defecto porosidad)
e) Electrodo de gran rendimiento: - Contiene material de aportación - Tienen un rendimiento superior al 130% f) Electrodos de gran penetración: - Permiten realización de soldaduras con un número pequeño de pasadas - Poseen gran diámetro y soportan aplicación de intensidades elevadas
13.4 Soldadura por arcos especiales Además de la técnica de soldadura manual por arco con electrodos revestidos, la más ampliamente utilizada, se consideran las siguientes técnicas especiales: - Soldaduras bajo gas protector: TIG, MIG, MAG - Soldaduras automáticas por arco encubierto: soldadura por arco sumergido, soldadura por electroescoria, soldadura por electroescoria con tobera consumible. - Soldaduras automáticas por arco descubierto: soldadura por electrogás, soldadura por osciladores. 13.4.1 Soldadura por arco bajo gas protector con electrodo no consumible (TIG) Aunque la idea de utilizar un medio protector gaseoso es tan antigua como el electrodo revestido, fue en 1919 cuando Roberts y Van Nuys investigaron varios gases, desde los inertes a hidrógeno e hidrocarburos. En los años 30, el interés se centró en los gases inertes pero no fue hasta 1940, cuando comenzaron los primeros experimentos en Estados Unidos. El metal a soldar se fundía por un arco eléctrico con un electrodo de tungsteno en una atmósfera inerte de helio monoatómico. El procedimiento de soldadura por arco bajo gas protector con electrodo no consumible, también llamado TIG (Tungsten Inert Gas), utiliza como fuente de energía el arco eléctrico establecido entre un electrodo no consumible y la pieza a soldar, mientras un gas inerte protege el baño de fusión. El material de aportación, cuando es necesario, se aplica a través de varillas como en la soldadura oxiacetilénica [Figura 13.14.]. Aunque se trata de un proceso esencialmente manual, se ha automatizado para algunas fabricaciones en serie, como es el caso de tuberías de pequeño espesor soldadas 13.12
Soldadura
longitudinal o helicoidalmente y para la fijación de tubos a placas en intercambiadores de calor. Su aplicación manual exige una gran habilidad por parte del soldador, por lo que estos operarios están bastante cotizados. Puede emplearse en todo tipo de uniones o posiciones y en los materiales más diversos aceros al carbono, inoxidables, metales no férreos etc...
Figura 13.14. Soldadura TIG 13.4.1.1
Material de aporte
Puesto que el TIG es un proceso que no produce escorias y que se realiza en una atmósfera inerte que no provoca reacciones en el baño; el material de aportación, cuando se utilice, deberá tener básicamente una composición química similar a la del metal base. 13.4.1.2
Gases
* Argón: es un gas monoatómico, incoloro, inodoro e insípido, perteneciente al grupo de gases inertes o nobles. Se encuentra presente en la atmósfera en proporciones relativamente apreciables, del orden del 0,94 % en volumen. Se obtiene industrialmente a partir de la destilación fraccionada del aire líquido. Su densidad es elevada y proporciona al arco una notable protección. Posee un potencial de ionización bajo, lo que facilita el cebado y origina arcos estables y tranquilos, con pocas proyecciones. Al necesitar tensiones reducidas produce consecuentemente arcos pocos enérgicos, resultando idóneo para la soldadura de piezas de pequeños espesores. Se caracteriza por una baja conductividad térmica, que da lugar a una gran concentración de calor en la vena central del arco (mayor penetración). * Helio: Es un gas monoatómico, incoloro, inodoro e insípido, y también perteneciente al grupo de gases inertes o nobles. En algunos yacimientos de gas natural se encuentra en cantidades apreciables, de hasta un 10 %. Su uso resulta económico en Estados Unidos, donde este gas suele acompañar al crudo en los pozos de petróleo. Es más ligero que el Argón. Por su baja densidad se requiere un caudal de He dos o tres veces superior al de Ar para proporcionar al arco la misma protección. El potencial de ionización es más alto que el del Ar, lo cual ofrece dificultades para el cebado y la estabilidad del arco pero por esta misma razón adquiere tensiones de arco elevadas, lo que se traduce en mayores energías aportadas a igual intensidad de soldeo. Resulta, pues, excelente cuando se requieren elevados aportes térmicos. Su conductividad térmica es mayor que el Ar por lo que la penetración es menor y más uniforme.
13.13
Soldadura
* Mezclas He/Ar: la mezcla de estos dos gases inertes ofrece prestaciones complementarias en virtud de la proporción en que interviene cada uno de ellos. La penetración es intermedia entre las típicas de cada gas puro [Figura 13.15.].
Figura 13.15. Penetración para gas 13.4.1.3
Electrodo
La misión del electrodo, que es no consumible, en este proceso es únicamente la de mantener el arco sin aportar material al baño de fusión. Por este motivo y para evitar su desgaste, es muy importante que posea una alta temperatura de fusión. Es la razón por la que, cuando se emplea corriente continua, el electrodo se suele conectar al polo negativo (polaridad directa), pues el calor generado en el extremo es inferior y permanece más frío que si se conectase al polo positivo. Se emplean tres tipos diferentes de electrodos: tungsteno puro; tungsteno aleado con torio o circonio (mayor emisividad de electrones). Son cilíndricos, con el extremo afilado. 13.4.2 Soldadura por arco bajo gas protector con electrodo consumible (MIG/MAG) La soldadura por arco bajo gas protector, con electrodo consumible, es un proceso en el que el arco se establece entre un electrodo de hilo continuo y la pieza a soldar, estando protegido de la atmósfera circundante por un gas inerte, proceso MIG (Metal Inert Gas) o por un gas activo, proceso MAG (Metal Active Gas) [Figura 13.16.]. El proceso puede ser: - Semiautomático. La tensión de arco, velocidad de alimentación del hilo, intensidad de soldadura y caudal de gas se regulan previamente. El arrastre de la pistola de soldadura se realiza manualmente. - Automático. Todos los parámetros, incluso la velocidad de soldadura, se regulan previamente y se aplican de forma automática. - Robotizado. En la actualidad el GMAW es el único proceso de soldadura por arco que se ha robotizado a nivel industrial. En este caso, todos los parámetros de soldeo, así como las coordenadas de localización de la junta a soldar, se programan mediante una unidad específica para este fin. La soldadura la realiza un robot al ejecutar la programación.
Figura 13.16. Soldadura MIG/MAG
13.14
Soldadura
13.4.2.1
Electrodos
En la soldadura MIG/MAG, el electrodo consiste en un hilo macizo o tubular continuo con un diámetro que oscila normalmente entre 0,8 a 1,6 mm. En ciertos casos de soldeo con elevada intensidad, se emplea hilo de 2,4 mm de diámetro. Se presenta arrollado, al azar o por capas, en bobinas de 15 Kg, aunque en instalaciones automatizadas pueden llegarse a emplear carretes de l00 Kg o mayores. EI hilo suele estar recubierto de cobre para favorecer el contacto eléctrico con la boquilla, disminuir rozamientos y protegerlo de la oxidación. En general, la composición del hilo macizo suele ser similar a la del material de base. No obstante, para su elección hay que tener en cuenta la naturaleza del gas protector, por lo que se debe seleccionar la pareja hilo/gas. Los hilos tubulares normalmente van rellenos con polvo metálico o con flux, o incluso con ambos. El relleno con polvo metálico, aparte de que puede aportar algún elemento de aleación, mejora el rendimiento gravimétrico del hilo. 13.4.2.2
Gases
La naturaleza del gas de protección es muy importante puesto que influye notablemente en: - la cantidad de energía aportada
- la velocidad de soldeo
- el tipo de transferencia
- la penetración
- la probabilidad de proyecciones
- el aspecto del cordón
y mordeduras Las diferencias que ofrecen los procedimientos MIG y MAG, en cuanto al gas de protección utilizado, se recogen en la siguiente tabla [Tabla13.1.]: Tabla 13.1. Diferencia entre los gases en MIG/MAG Procedimiento
Gas Argón
MIG
Argón + O2
Características - Bajo potencial de ionización - Idóneo para pequeños espesores - No se utiliza en acero. Se usa en Al, Cu, Ni, Ti - El O2 actúa sobre la tensión superficial - Mejor penetración
Helio
- Elevada conductividad - Poca penetración - Cordones amplios
CO2
- Más barato que el Ar - Carácter oxidante - Mayor penetración - Arcos energéticos
MAG Ar + CO2
- Se usa en chapas finas - Mejor visibilidad del baño - Mejor aspecto del cordón - Menos proyecciones - Fácil de regular
13.15
Soldadura
13.4.3 Soldadura por arco sumergido El proceso de soldadura por arco sumergido consiste en la fusión de un electrodo consumible continuo, protegido por la escoria generada por un flux, granulado o en polvo, con el que se alimenta el arco por separado. El sistema es totalmente automático y permite obtener grandes rendimientos en producción. EI arco eléctrico se establece entre el electrodo metálico y la pieza a soldar. Como electrodos, pueden utilizarse uno o varios alambres o hilos simultáneamente o bien flejes o bandas. El tipo de corriente a utilizar puede ser continua (polaridad directa o inversa) y alterna [Figura 13.17.]. EI flux protege el arco y el baño de fusión de la atmósfera circundante, de tal manera que ambos permanecen invisibles durante el proceso. Parte del flux se funde, con un papel similar al del recubrimiento en los electrodos revestidos: protege el arco, lo estabiliza, genera una escoria de viscosidad y tensión superficial adecuadas e incluso permite añadir elementos de aleación o compensar la pérdida de ellos. El resto de flux, no fundido, puede recuperarse y reciclarse en el proceso.
Figura 13.17. Soldadura por arco sumergido
13.4.3.1
Electrodos
Se suministran en forma de alambre sólido o compuesto a partir de hilo hueco con el flux en su interior, y en forma de fleje o banda, especiales para depósitos por recargue. Existen electrodos para soldar aceros al carbono, de baja aleación, de alto contenido en carbono, aleados, inoxidables, aleaciones no férreas y aleaciones especiales para aplicaciones de recargues. Normalmente se presentan arrollados en carretes de 10 a 500 Kg de peso mientras que el fleje se suministra en bobinas. Los electrodos de acero se recubren de cobre, excepto para soldaduras de materiales resistentes a la corrosión, ciertas aplicaciones nucleares o la fabricación de reactores para la industria del petróleo y petroquímica. El recubrimiento de cobre evita la corrosión, mejora el contacto eléctrico y disminuye el rozamiento del hilo con el dispositivo de alimentación. El diámetro del hilo varía normalmente desde 1,6 mm a 6,4 mm.
13.16
Soldadura
13.4.3.2
Fluxes
Son compuestos minerales mezclados, entre ellos, SiO2, TiO2, CaO, MgO, Al2O2, MnO, K2O, Na2O, Li2O, FeO, ZrO2 y CaF2. Como ocurre con los electrodos revestidos para soldadura manual, el fabricante del flux se reserva la composición química completa del mismo. Las características que los definen son: - Conductividad alta - Viscosidad baja - Punto evaporación alto Según el sistema de fabricación se dividen en: 1.- Fluxes fundidos: la materia prima se mezcla en seco y se funde posteriormente en un horno eléctrico a una temperatura entre 1500ºC y 1700ºC. Después de la fusión y de cualquier adición final, la carga del horno es colada y enfriada. El enfriamiento se produce por el paso de la mezcla fundida a través de una corriente de agua. El resultado es un producto con apariencia cristalina que es triturado, cribado para clasificación según tamaño y envasado. Es difícil añadir desoxidantes y ferroaleaciones durante su fabricación, sin segregaciones o pérdidas elevadas. Esto es debido a las elevadas temperaturas de fusión. 2.- Fluxes cohesionados: la materias primas pulverizada, mezclada en seco y cohesionada con silicato potásico, silicato sódico o una mezcla de ambos. Esta etapa es similar a la fabricación de la pasta de los electrodos revestidos. Después del cohesionado, la mezcla húmeda es sinterizada y cocida a una temperatura relativamente baja. Los pellets se rompen por machaqueo, se criban para clasificación al tamaño deseado y se envasan en sacos de PVC para protegerlos de la humedad. En ellos es posible la adición de desoxidantes y elementos de aleación. 3.- Fluxes aglomerados: El proceso de fabricación es similar al de los cohesionados, excepto que se utiliza un aglomerante cerámico en lugar de un silicato. El aglomerante cerámico requiere un secado a temperaturas relativamente elevadas que puede limitar el uso de desoxidantes y ferroaleaciones, como en el caso de los fluxes fundidos. Presentan una superficie muy porosa y son higroscópicos, por lo que se recomienda que su embalaje sea estanco. 13.4.3.3
Ventajas y limitaciones del proceso
El procedimiento por arco sumergido ofrece las siguientes ventajas sobre otros procesos: - A veces no es necesaria preparación de bordes - El arco actúa bajo la capa de flux, evitando salpicaduras - Pueden ajustarse perfectamente los parámetros de soldeo - El flux actúa como un enérgico desoxidante para eliminar contaminantes del baño fundido y producir soldaduras sanas con buenas propiedades mecánicas. EI flux puede aportar, si se desea, elementos de aleación a la soldadura Las limitaciones son: - Se necesita un dispositivo para el almacenamiento, alimentación y recogida del flux 13.17
Soldadura
- El flux puede contaminarse, que suelen producir discontinuidades en la unión - EI proceso no es adecuado para unir metales de espesor menor de 5 mm. - Excepto en aplicaciones especiales, la soldadura queda limitada a las posiciones plana y horizontal, para evitar derrames de flux. 13.4.4 Soldadura por electroescoria El término electroescoria quiere decir escoria que conduce la corriente eléctrica. La escoria fundida ofrece resistencia al paso de la corriente eléctrica y el calor generado por ella tiene una temperatura superior al punto de fusión del metal, por lo cual se funden tanto los bordes del metal base como los del metal de aportación. Se realiza en posición vertical con los bordes escuadrados. Para que el metal y la escoria fundidos no se derramen por los laterales de la unión, están protegidas por unos patines de cobre refrigerados por agua, que se deslizan a lo largo de la unión hasta que queda totalmente fría. Es un proceso totalmente automatizado, de ahí sus ventajas. El comienzo de la soldadura se realiza mediante un arco eléctrico entre la pieza y el electrodo (material de aportación) que empieza a fundir la escoria; a medida que ocurre esto, aumenta la resistencia eléctrica y la temperatura de ésta, llegando a superar la de fusión del metal. El espesor de la escoria fundida es la unos 50 mm por encima de la superficie del metal base y del metal de aportación. El metal fundido empieza a depositarse en el fondo del baño debido a su mayor densidad, mientras que todo el dispositivo de la máquina, empieza a ascender a lo largo de la unión [Figura 18.18.]. Esta técnica tiene aplicación a la unión de grandes espesores (e > 25 mm), en posición vertical, sin necesidad de preparación, proporcionando soldaduras de gran calidad, pero con la limitación de la altura de soldeo. Para solventar este problema se emplea una variante de este procedimiento, la electroescoria con tobera consumible, que permite longitudes de hasta 1 m y un mejor centrado del electrodo. Sin embargo cada vez se emplea más la soldadura por electrogás, que es un procedimiento de soldadura por arco eléctrico descubierto que emplea protección gaseosa, con hilo continuo y con movimiento sincronizado de las zapatas.
Figura 18.18. Soldadura por electroescoria 13.18
