Soldadura Industrial Clases y Aplicaciones

Citation preview

Soldadura industrial: clases y aplicaciones Pere Molerá Sola Soldabilidad. Metales y aleaciones. Humectabilidad. Difusión en estado sólido. Metalurgia de la soldadura. Procedimientos de soldadura: Autógena. A gas. Arco. Resistencia. Electrólisis. Aluminotérmica. Explosión. Ultrasónica. Fricción. Láser. Haz de electrones. Forja. Inducción. Soldadura dura. Soldadura blanda. Recargue. HIP. Instalaciones, equipos y productos. Generadores. Fundentes. Electrodos. Aleaciones. Soplete. Mesa posicionadora. Máquinas de soldadura a tope. Soldadura transversal de tubos. Robots. Soldadura guiada por palpadores. Control programable. Aplicaciones. Defectos en las soldaduras: grietas, cráteres, sobreespesor, cordón irregular, porosidades, inclusiones de escoria, etc.

www.FreeLibros.org P R O D U C T I C A

Soldadura industrial: clases y aplicaciones Pere M olerá Sola

S Í

marcombo

www.FreeLibros.org P R O D U C T I C A B O IX A J^E U E D IT O L E S

© M A R C O M B O , S.A ., 1992 Barcelona (España)

www.FreeLibros.org Im preso en España Printed ¡n Spain Fotocom posición: FO IN S A - Barcelona Im presión: Vanguard Gráfic, S.A. - Barcelona

índice

PR Ó LO G O

.............................................................................................................................

7

FU N D A M EN TO S ................................................................................................................. Introducción .................................................................................................................... Soldabilidad ....................................................................................................................... Hum ectabilidad .................................................................................................................. Metalurgia de la s o ld a d u ra .......................................................................................... Características del cordón de soldadura ......................................................... Zo na afectada por el c a lo r ..........................................................................................

9 9 9 10 11 12 13

PRO CED IM IEN TO S DE SO LD A D U R A ..................................................................... Soldadura a u tó g e n a : ....................................................................................... Soldadura a gas .................................................................................................................. Las llamas d e soldar ................................................................................................... Llama oxiacetilénica ................................................................................................... Soldadura al arco ............................................................................................................... T IC .......................................................................................................................................... Soldadura por hidrógeno a t ó m ic o .................................................................. M IG ....................................................................................................................................... M A C .................................................................................................................................... Soldadura al arco con electrodo re v e s tid o ................................................ Soldadura con arco sumergido ........................................................................ Intensidad de la corriente d e soldadura ................................................ Fuerza e le c tro m o triz ............................................................................................. Velocidad de avance de so ld a d u ra ............................................................ Alam bre electrodo ................................................................................................ Soldadura bajo escoria e le c tro co n d u c to ra ................................................ Posiciones para la soldadura .................................................................................... Horizontal ........................................................................................................................ V e r t ic a l................................................................................................................................. T e c h o .................................................................................................................................... Debajo del a g u a ............................................................................................................ Soldadura con plasma ................................................................................................... Soldadura por re s is te n c ia ............................................................................................. Soldadura a tope ......................................................................................................... A tope con recalcado ....................................................................................... A tope con chisporroteo ................................................................................. Soldadura por puntos .......................................................................................... Soldadura por protuberancias ........................................................................ Soldadura por roldanas ....................................................................................... Soldadura por e le c tró lis is ............................................................................................. Soldadura a lu m in o té rm ic a .......................................................................................... Soldadura por explosión ............................................................................................. Soldadura u ltra só n ic a ......................................................................................................

17 17 17 19 20 22 24 25 26 28 29 30 31 32 33 35 37 38 38 39 39 40 41 41 42 43 43 44 46 46 47 48 48 50

www.FreeLibros.org 3

So ld ad u ra industrial: cla se s y ap licacio n es

Soldadura por fricción ................................................................................................ Soldadura por láser ...................................................................................................... Soldadura por haz de e le c t r o n e s ........................................................................ A p lic a c io n e s .................................................................................................................. F o r ja .......................................................................................................................................... In d u c c ió n .............................................................................................................................. Soldadura dura ............................................................................................................... In m e rs ió n ........................................................................................................................ En baño de sales ...................................................................................................... S o p le t e .............................................................................................................................. Bloque .............................................................................................................................. Horno .............................................................................................................................. D e r r a m e ........................................................................................................................... Resistencia eléctrica ................................................................................................ In d u c c ió n ........................................................................................................................ Soldadura b la n d a ............................................................................................................ Bloque .............................................................................................................................. D e r r a m e ........................................................................................................................... Resistencia ..................................................................................................................... Llama ................................................................................................................................. In m e rs ió n ........................................................................................................................ In d u c c ió n ........................................................................................................................ Propiedades d e la soldadura b la n d a ............................................................ Recargue .............................................................................................................................. Propiedades del re c a rg u e .................................................................................... T é c n ic a .............................................................................................................................. Proyección y fusión ............ Proyección con p la s m a .................................................................................... Proyección por detonación ........................................................................ Transporte a la lla m a .......................................................................................... Aplicación d e la com presión isostática en caliente en la soldadura T é c n ic a .............................................................................................................................. A plicaciones de la soldadura por H I P .........................................................

55 56 57 61 61 62 62 65 65 66 67 67 68 68 69 70 71 71 71 72 72 72 72 72 73 75 75 77 78 79 79 80 82

INSTALACIONES, EQ U IPO S Y P R O D U C T O S ................................................... 85 Instalaciones para soldadura oxiacetilénica ................................................ 85 Instalaciones m óviles para soldadura oxiacetilénica ............................ 86 86 Instalaciones para la soldadura eléctrica ...................................................... Generadores ..................................................................................................................... 87 Fundentes ........................................................................................................................... 87 Electrodos ........................................................................................................................... 88 A le a c io n e s ........................................................................................................................... 91 Soplete ................................................................................................................................. 92 Soplete oxiacetilénico de alta presión ...................................................... 93 M esa posicionadora ................................................................................................... 93 M áquinas de soldadura a tope ........................................................................... 94 Soldadura transversal de tubos ........................................................................... 95 Robots para s o ld a d u ra ................................................................................................ 97 Soldadura por arco guiada por palpadores ................................................ 98 Controlador programable para soldadura por puntos y de costuras 101

www.FreeLibros.org 4

índice

A PLIC A C IO N ES ...................................................................................................................... Soldadura del a c e r o ...................................................................................................... Soldadura d e la fundición ........................................................................................ Soldadura del cobre .................................................................................................... Soldadura del latón ...................................................................................................... Soldadura del bronce ................................................................................................. Soldadura del alum inio ............................................................................................. Soldadura del titanio .................................................................................................... A cero galvanizado .........................................................................................................

103 103 104 106 107 108 109 110 111

D EFEC TO S D E LA S O LD A D U R A .............................................................................. Falta de penetración .................................................................................................... S o b re e s p e s o r..................................................................................................................... C ordón irregular ............................................................................................................. M ordeduras ........................................................................................................................ Grietas .................................................................................................................................... S a lp ic a d u ra s........................................................................................................................ Z o nas d u r a s ......................................................................................................................... Cráteres ................................................................................................................................. Inclusiones de tu n g s te n o .......................................................................................... Cebados de arco ............................................................................................................. Porosidades ........................................................................................................................ Inclusiones de escoria ................................................................................................. Soplado del arco .............................................................................................................

113 114 115 115 115 116 117 117 118 118 119 119 119 119

BIBLIO GRAFÍA ........................................................................................................................

121

www.FreeLibros.org 5

Prólogo

D esde antiguo se ha ven ido cum pliendo el aforism o que reza so ld a r es b u e n o , p e ro n o so ld a r e s m e jo r. Esta sentencia no es otra cosa que un fiel reflejo de la expresiva sabiduría existente de la antigua técnica de la soldadura, interpretada com o una operación de ensam blaje, m uy utiliza­ da en el sector de la calderería, de la chapa hechurada y com o operación de reparación de piezas rotas. La soldadura, a la par que solucionaba la unión de com ponentes m etálicos, introducía en el metal base nuevos problem as derivados d e la fragilidad del cordón d e soldadura y de la zona afectada por el calor y problem as corrosivos originados por las heteroge­ neidades creadas en el proceso d e unión. Hacia la mitad del presente siglo la ciencia metalúrgica ha experim enta­ do un notable increm ento que ha servido de base a una tecnología desbordada. El conocim iento am plio y profundo del fenóm eno de la solidificación del baño de soldadura, aparecido en los cordones y en los puntos, las investigaciones de las m odificaciones m icroestructurales lleva­ das a cabo en la zon a afectada por el calor de la soldadura y la posibilidad de crear, «¡n situ», atm ósferas inertes y reductoras en el m om ento de la unión, han contribuido a diseñar sustanciales mejoras en los procedim ien­ tos convencionales de la soldadura. La incidencia d e la nueva tecnología del autom atism o en el ám bito de la soldadura tam bién ha aportado revolucionarios resultados: los robots, con su sorprendente y perfecciona­ da técnica, im plican rapidez, precisión y seguridad en su actuación. Actualm ente la soldadura, co m o procedim iento de unión entre partes de objetos m etálicos, constituye el procedim iento de conform ación m e­ tálica más versátil. Existe una gran variedad de aparatos, instalaciones, accesorios... m etálicos de formas más o m enos com plejas, que se han fabricado gracias a la introducción del proceso de unión por soldadura en alguna d e sus etapas del proceso productivo. Las características técnicas y científicas del baño, de la zona afectada por el calor y del metal base son más conocidas cada día y, por ende, más controlables. D e m odo y m anera que se ha alcanzado una cota de elaborada tecnología en la soldadura digna del m ejor encom io.

El Autor

www.FreeLibros.org 7

Fundamentos

INTRODUCCIÓN La soldadura es un procedim iento de conform ación m etálica que se utiliza cuando los otros procedim ientos son im posibles de aplicarse. Un ejem plo típico de la soldadura es el ensam blaje de partes de una pieza com pleja o de una instalación: estructura m etálica de un edificio, puente, etc. En el argot de la conform ación metálica suele pronunciarse la frase «soldar e s bueno, pero no soldar es mejon>, lo cual en el fondo se cum ple para cualquier metal o aleación. Este aforism o vien e a d ecir que só lo se suelda cuando no existe más rem edio. D e lo contrario, se prefieren los otros procedim ientos de conform ación metálica. No obstante, la soldadu­ ra, com o procedim iento de unión entre partes de objetos m etálicos, constituye un procedim iento de conform ación m etálica m uy versátil, aplicable, en general, a prototipos y pequeñas series.

SOLDABILIDAD Se entiende por so ld a b ilid a d la facilidad con que un metal se puede conform ar por soldadura d e sus partes, así com o la habilidad de la unión soldada para resistir las condiciones de servicio. En la práctica se distinguen varios tipos de soldabilidad. Existe la soldabilidad operatoria, la soldabili­ dad m etalúrgica y la soldabilidad constructiva. La soldabilidad o pera toria es indispensable y determ ina el que un m ate­ rial pueda o no ser soldado. La madera, la piedra y el papel, por ejem plo, no tienen soldabilidad operatoria. La soldabilidad operativa está relaciona­ da con el enlace de los átom os, de las m oléculas o de los iones que forman el material. El enlace m etálico tiene elevada soldabilidad operativa. La soldabilidad m etalúrgica determ ina hasta qué punto pueden soldarse dos m etales sin q ue su com posición represente inconvenientes graves por fusión, oxidación, tratam iento térm ico, etc. La soldabilidad constructi­ va se refiere a la facilidad con que pueden unirse d o s m etales para lograr formas que resistan los esfuerzos a que van a estar som etidos, garantizan­ do su duración. La soldabilidad metalúrgica puede m ejorarse en acero s al crom o y acero s al alum inio, em pleando fundentes o flujos que reaccionen con los ó xidos de crom o y alum inio form ando escorias. En algunos casos se sustituyen los flujos, com binando el calentam iento y una operación m ecánica q ue facilita la elim inación de las escorias.

www.FreeLibros.org La soldabilidad constructiva depende d e las transform aciones que o cu ­ rren en las piezas durante la soldadura, que pueden incluso afectar a sus características m ecánicas y a sus propiedades. En la metalgrafía de la unión soldada se ven dos partes bien diferenciadas, el cordón de soldadura, y sus

9

So ld ad u ra industrial: clases y a p licacio n es

alrededores, y el metal base. En ella se han sucedido un proceso de fusión, otro de tratam iento térm ico y un tercero de enfriam iento, durante los cuales se operan los cam bios y transform aciones que determ inan la soldabilidad metalúrgica. Para m anejar el factor soldabilidad de cada metal al tratar de su soldadu­ ra, se designa con un núm ero variable entre 0 y 10, llamado c o e fic ie n te d e so ld a bilida d . Este coeficiente es el producto de m ultiplicar el coeficiente de com pacidad por el grado de hom ogeneidad de la unión. En el caso de los aceros este coeficiente depende en gran parte del contenido de carbono de las piezas a soldar y aum enta con dicho contenido.

HUMECTABILIDAD Al depositar una gota de metal líquido sobre una superficie m etálica sólida aparece un determ inado valor del radio de la gota (figura 1), que dependerá de las tensiones de las fases existentes. R : radio de la gota.

Ys: tensión superficial del sólido. \u v : tensión superficial de la interfase líquido-vapor.

Ys/é tensión superficial de la interfase sólido-líquido. La tensión superficial de un líquido se define por el exceso de energía libre, por cada centím etro cuadrado, que poseen las m oléculas d e la superficie con respecto a las del interior. En el interior de un líquido la cohesión m o leculares uniform e, pero en la superficie existe una resultan­ te que las arrastra al interior, lo que produce una contracción superficial, tendiendo el área de la superficie al m ínim o valor (para la relación área/vo­ lum en: la esfera). La condición necesaria para que el líquido m oje a la superficie sólida es que el ángulo de contacto se anule; es decir: Ys > Ys/i + Yuv La tensión superficial (yJV ) del metal en estado líquido dism inuye por la presencia d e grasas, líquidos, gases y partículas metálicas en la superficie. D e cir que un metal líquido tiene m enos tensión superficial equivale a

Figura 1. Fuerzas aplicadas en la humectabiliaad de una superficie sólida metálica por una gota de metal líquido.

www.FreeLibros.org 10

amenti

Figura 2. Condiciones para la humectabilidad de las superficies metálicas: 1) no moja; 2) humectabilidad total; 3) humectabilidad parcial. •/

(0 = 1 8 0 ° )

2) ‘l

(0 = 0 ° )

”

--------- ^ [Q \

(1 8 O ° > 0 > O )

facilitar el cum plim iento de la desigualdad anteriorm ente apuntada, lo q u e equivale a aum entar la hum ectabilidad. En la figura 2 se han resum ido las condiciones para la falta de hum ectabi­ lidad (1), la hum ectabilidad total (2) y la hum ectabilidad parcial (3).

METALURGIA DE LA SOLDADURA En la soldadura convencional, en que tiene lugar la fusión del metal, el calor del sistema de soldar se desarrolla en una zona m uy localizada y crea un gradiente elevado de temperatura. Parte del metal a soldar se funde y origina el metal líquido q ue formará el cordón. La soldadura por fusión crea ciclo s de calentam iento y de enfriam iento en el metal base, adyacente al cordón, y los efectos dependerán de la naturaleza del metal soldado y de las condiciones de la operación. El metal del cordón se sobrecalienta siem pre algo en todos los procesos; la canti­ dad de calor que ced e al metal adyacente dependerá del proceso, velo ­ cidad de calentam iento y conductividad térmica del metal soldado. En la soldadura con arco de electrodo consum ible (MIG) realizada con una velocidad m enor de producción de calor, se puede alcanzar la misma tem peratura en el metal del cordón, pero calentándose m enos el metal adyacente. Al soldar con arco (tanto M IG com o TIG ) un metal de buena conductividad térm ica, com o el cobre, no se producirá un gradiente tan grande de tem peratura com o ocurre con el acero, que es m enos con­ ductor.

www.FreeLibros.org 11

So ld ad u ra industrial: clases y a p licacio n es

La soldadura oxiacetilénica no sobrecalienta tanto el metal del cordón, y com o la llama no es un fo co calorífico tan localizado com o el arco, se calienta más am pliam ente el metal adyacente, pero con gradientes más pequeños de temperatura.

CARACTERÍSTICAS DEL CORDÓN DE SOLDADURA Al enfriarse el m etal líquido, em pieza a solidificar en la superficie de contacto con el metal sólido adyacente, que está más frío y nuclea los prim eros cristales. El calo rfluye continuam ente hacia el metal adyacente, y las dendritas colum nares crecen hacia el interior del cordón. La aleación del cordón de soldadura puede ajustarse casi siem pre a una com posición quím ica determ inada por elección del electrodo y las técni­ cas de fusión. D e este m odo es posible evitar m uchos defectos metalúrgi­ cos. Lo que ya no es tan fácil es controlar el metal que se suelda, puesto que form a parte de una estructura y se selecciona para que tenga las propiedades m ecánicas adecuadas y no para que sea idealm ente adecua­ do para la soldadura. Por este m otivo, las m ayores lim itaciones en solda­ dura suelen proceder del metal a soldar y no del cordón. Al soldar, mientras el metal del cordón perm anece en estado líquido, disuelve gases en cantidad m ayor de los que puede m antener cuando solidifica, por lo que se produce un desprendim iento gaseoso. Si la solidifi­ cación es rápida, algunas burbujas quedan atrapadas en el cordón formando sopladuras. Este problem a es m uy parecido al de la form ación d e sopladu­ ras en las piezas moldeadas, pero se diferencia de él en dos aspectos im portantes: a) El calentam iento y el enfriam iento son m ucho más rápidos que en la fabricación de piezas moldeadas, ya que el metal a unir actúa de «molde» m etálico y, por tanto, con gran velocidad de enfriam iento. El metal perm a­ nece fundido m ucho m enos tiem po, por lo que dism inuye la cantidad de gas disuelto y no se formarán grandes sopladuras. b) Se pueden controlar bastante bien la atm ósfera de la región de la soldadura y la escoria que se form a sobre el cordón ajustando la naturale­ za del revestim iento del electrodo. D e este m odo se evita que se disuelva una cantidad m uy grande de gases.

Las velocidades de enfriam iento, relativam ente rápidas, se traducen en granos relativam ente pequeños en el cordón de soldadura y, en general, en una gran ductilidad de este metal o elevada tenacidad. La segregación es la causa de la presencia de planos débiles en los lingotes donde las dendritas se ponen en contacto form ando ángulos casi rectos, y pueden provocar igual debilidad en el cordón de soldadura. Sin embargo, este peligro no es im portante, porque las dendritas del cordón crecen desde los lados y no hay facilidades para que queden atrapadas im purezas de punto de fusión más bajo en el plano central de la soldadura.

www.FreeLibros.org Si las aleaciones solidifican con relativa lentitud, se puede producir una segregación intergranular excesiva. No es peligrosa en los aceros al carbo­ no, pero se manifiesta claram ente, con resultados negativos, en los aceros inoxidables y en los m etales no férreos.

12

Fundamentos

En las operaciones de fabricación del acero las escorias están encarga­ das de una im portante misión de afino: elim inación de im purezas. Lo mism o ocurre en la soldadura con arco eléctrico de electrodo m etálico revestido, o con arco sumergido en el fundente granulado. Las escorias formadas purifican el cordón de soldadura. Si bien el tiem po d e contacto es m uy corto, la tem peratura es m uy elevada y las reacciones m uy rápidas. Cuando se em plean electrodos revestidos, que producen m ucha esco­ ria, hay peligro de que alguna quede atrapada por el metal que solidifica. La escoria tiende a salir a la superficie por razones de densidad y tensión superficial, pero si se trabaja inadecuadam ente pueden resultar inclusio­ nes que debilitan m ecánicam ente la soldadura. Estas inclusiones d e esco­ ria no suelen perturbar cuando la soldadura se hace con una sola pasada, pero cuando se lleva a cabo en varios pasos es m uy fácil que, si no se ha eliminado totalmente la escoria superficial del paso anterior, queden inclu­ siones perjudiciales.

ZONA AFECTADA POR EL CALOR En los procesos de soldadura en los que existe fusión, el metal adyacen­ te al cordón de soldadura puede quedar afectado beneficiosa o perjudi­ cialm ente por la operación de soldadura. Durante el procedim iento a e la soldadura, esta zon a se calienta y se enfría: experim enta un tratamiento térm ico. En unos casos puede tem plarse y fragilizarse, y agrietarse en el enfriam iento, mientras que en otros se puede recocer y ablandar. Tales efectos del tratam iento térm ico son deseables o no, según las aplicacio­ nes del o bjeto m etálico soldado. El metal a soldar puede resultar deterio­ rado por la soldadura, o m ejorado en sus propiedades m ecánicas, o bien quedar prácticam ente inalterado. Un im portante objetivo al proyectar las soldaduras es predecir el efecto de la operación sobre el metal adyacente y especificar los procedim ientos de soldadura q ue puedan evitar dificultades y permitir soldaduras correc­ tas. En todas las soldaduras por fusión y en algunas donde no hay fusión, pero se calienta a tem peratura elevada, se produce algún crecim iento de grano. El metal cercano al cordón, que se calienta a tem peratura superior, está más sujeto a crecim iento de grano que el más alejado. El metal de grano grueso presenta m enor ductilidad y tenacidad que el d e grano fino, y, cuando se trata d e un acero tem plable, posee m ayor tem plabilidad: se dificulta la precipitación de la perlita. Es m uy fácil que se produzca martensita dura y son más probables ¡as grietas después de la soldadura, las cuales pueden conducir a la rotura. Los efectos térm icos de la soldadura se rigen por los m ism os princi­ pios del tratam iento térm ico convencional: diagramas transform acióntem peratura-tiem po (I I I). Pero en el tratam iento térm ico del acero se desea obtener martensita dura, a la q ue se quita fragilidad con el revenido, mientras que en la soldadura lo que se pretende es que no se form e martensita y quede una m icroestructura de ferrita y perlita. Por este m oti­ vo , los aceros más fáciles de tratar térm icam ente, por tener m ucha tem pla­ bilidad, suelen ser difícilm ente soldables, porque la martensita se forma

www.FreeLibros.org 13

aun con enfriam ientos lentos, aum entando la fragilidad del acero . To m an­ do precauciones especiales se evitan el agrietamiento y otros efectos perjudiciales en la soldadura. La form ación de martensita se puede prevenir con m ayor aportación de calor, porque si el material se precalienta son m enores los gradientes de tem peratura entre el metal del cordón y el metal a soldar. El enfriam iento es más lento y puede darse tiem po para que se form en los constituyentes blandos ferrita y perlita (figura 3). La mayoría de los elem entos de aleación en el acero aum enta la templabilidad y es más difícil evitar la form ación de la martensita. En los aceros aleados el precalentam iento es im prescindible. El efecto de la soldadura en aceros se observa en la distribución de durezas con la distancia del cordón. Los constituyentes frágiles producen grietas al soldar, mientras que los blandos pueden deform arse plásticam ente y originan una m ejor distribu­ ción de tensiones. Las m icroestructuras dúctiles sólo se agrietan con velocidades m uy grandes d e aplicación de las cargas, cuando la tem pera­ tura es m uy baja y altera com pletam ente las propiedades norm ales o

Figura 3. Esquema d e las zonas existentes en la soldadura p o r fusión: 1) ferrita + perlita (microestructura de Widmanstatten); 2) martensita + ferrita; 3) microestructura de recocido; 4) metal base sin afectar.

www.FreeLibros.org 14

Fundam entos

cuando se producen concentraciones locales de tensiones excesivas. Se deduce que son m uy im probables las grietas cuando el metal del cordón y el adyacente se m antienen dúctiles en todo el proceso de soldadura. Si se forma martensita, es d e esperar el agrietam iento; si se evita su form ación, no es probable que hayan grietas. La form ación de martensita suele originar con frecuencia grietas m icroscópicas, que con el tiem po se agrandan.

www.FreeLibros.org 15

Procedimientos de soldadura

Los procedim ientos más utilizados para soldar son: soldadura al arco con electrodo d e tungsteno protegido p o rgas inerte (TIG: «tungsten inert gas»), soldadura al arco con electrodo m etálico consum ible protegido por gas inerte (M IG : «metal inert gas»), soldadura al arco con electrodo revesti­ do, soldadura de arco sumergido y soldadura al plasma. En la figura 4 se han esquem atizado los principales procedim ientos utilizados en la solda­ dura de los m etales.

SOLDADURA AUTÓGENA La distinción más específica de la denom inada soldadura sim ple es que en la unión no se em plea un material de com posición distinta de la del metal base, por cuya razón es frecuente denom inarla com o sold a du ra autógena.

En la soldadura autógena se utilizan do s procedim ientos fundam enta­ les: a) fusión únicam ente del metal que se desea unir y b) adición de un metal de relleno, de com posición quím ica análoga a la del metal base, y que al enfriarse une las partes que hay que soldar. En el segundo caso hay que aplicar energía, en form a de presión, con el fin de facilitar la difusión de los átom os y la consiguiente ordenación del retículo, d e m odo que se unifiquen las dos partes. El área de contacto «verdadera» de dos superficies planas, en realidad, es sólo una fracción de 1 :10.000 del aire aparente. A hora bien, la superficie de contacto aum enta si se produce una fricción o presión entre las dos caras, por deform ación elástica o plástica de las rugosidades o asperezas. Puesto que la plasticidad d e la superficie determ ina las áreas de contacto, éstas no dependen sólo de la tem peratura, sino tam bién del tiem po y de la presión de contacto. L”á soldadura autógena puede ser a gas o con arco.

SOLDADURA A GAS La soldadura a gas genera calor porque se quem a una m ezcla de gas y oxígeno en la boquilla de la tobera d e un m echero de soldar: y el dardo resultante es de tem peratura m uy elevada. Por este m otivo produce una fusión local del m etal y la unión d e los bordes de las piezas a unir. A veces, en este tipo d e soldadura, pueden em plearse un material adicional (alam­ bre de soldar) y un fundente en form a de polvos o d e pasta. Los polvos y las pastas neutralizan el efecto del óxido m etálico (com binación del metal con el oxígeno, producida por la reacción quím ica de un metal calentado en presencia del oxígeno del aire) que se form a siem pre en la superficie de la soldadura. C o n el óxido m etálico el fundente form a escorias vitreas, fácilm ente solubles, que protegen el lugar de la soldadura contra la adición

www.FreeLibros.org 17

So ldadura industrial: clases y ap licacio n es

Figura 4. Tipos de soldadura.

Autógena A gas

Arco

TIC M IG Eléctrico * M A C Revestido Sumergido Plasma . . ] Recalcado A t ° P e \ Chispa Puntos

1

Protuberancia Roldanas Costura

Procedimientos de soldadura

Electrólisis Alum inotérm ica Inducción Explosión Ultrasónica Fricción Láser H az de electrones Forja (Inm ersión

í Baño metálico I Baño salino

Infrarrojo Soldadura dura.

í , P ' ete Eléctrica

(R esisten cia j |nducd ón

Difusión Bloque Horno LDerrame Soldadura blanda Recargue HIP

del oxígeno del aire y que después de la soldadura pueden quitarse fácilm ente con un martillo. O tros polvos se evaporan o volatilizan des­ pués del trabajo d e soldadura. Si se em plea una llama normal (reductora), puede prescindirse de los polvos de soldar, ya que los óxidos m etálicos se reducen en estas condiciones.

www.FreeLibros.org 18

Procedim ientos de soldadura

Las llamas de soldar M ediante la com bustión de una m ezcla d e un gas com bustible con el oxígeno del aire se obtiene la llama d e soldar. Se entiende por com bustión (oxidación) la com binación de un cuerpo com bustible con oxígeno. En cuanto a la velocidad con que se efectúa el proceso de com bustión, se distingue una com bustión norm al, com o en el soplete de soldar y una violenta o rápida (explosión). La com bustión puede ser incom pleta o completa, según que la cantidad d e oxígeno suministrada al gas com busti­ ble sea suficiente o insuficiente. En la com bustión incom pleta existen, en la llama d e soldar, gases no quem ados que tienden a com binarse con el oxígeno del aire que rodea la llama, e s decir, que absorben el oxígeno del aire. Una llam a q ue no recibe suficiente oxígeno y lo absorbe del aire es una llama redu ctora. Si, al contrario, recibe oxígeno en cantidad excesiva, es decir, que tiene un exceso de oxígeno, es una llama o xid a n te, puesto que

durante la soldadura lleva oxígeno a la zo n a de soldadura, lo cual sólo puede ser perjudicial. Los gases que actúan en las llamas de soldar com o m edios reductores son: hidrógeno y m onóxido de carbono. La luz de la llam a tiene su origen, en general, en que en ella existen cuerpos que se ponen al rojo (incandescentes) debido al calor de la misma y que brillan tanto más cuanto más caliente es la llama. Recibe el nom bre de p o te n cia lu m ín ica la claridad de la llama. Esta brillantez d epende d e la naturaleza d e los com bustibles, de su tem peratura y de su densidad. A las llamas con cuerpos sólidos separados del com bustible, a los que se debe la potencia lum ínica, pertenecen todos los gases que contienen carbono, com o acetileno , gas natural, gas de alum brado, m etano, butano, etc. En el esquem a de una llama (figura 5), la com bustión de la corriente de gas que sale por la boquilla tiene lugar únicam ente en el punto en que el

Figura 5. Aspecto de la llama: V boquilla; 2) zona Iría (oscura) con gases sin arder; 3) com bustión completa, llama oxidante; 4) zona luminosa formada por carbono incandescente.

www.FreeLibros.org 19

Sold adura industrial: clases y a p licacio n es

com bustible entra en contacto con el oxígeno del aire, o sea, en la periferia de la llama. En el núcleo se encuentran gases com bustibles, sin arder. Este hecho puede dem ostrarse colocando allí una cerilla, cuanto más pequeña mejor, y se aprecia que le cuesta arder. La longitud de la llama depende d e la presión del gas, aum entando si ésta aum enta. Su form a está en función de la sección del orificio de salida del m echero. La form a cónica de la llama es condicionada por la acción del aire que entra alrededor de la mism a; cuanto más tiem po penetra el aire en la corriente de gas, tanto más debe dism inuir la sección de la llama. Si un gas com bustible contiene hidrocarburo, se o btiene carbono. Éste se produce en el núcleo, form ado por gases sin arder, y la capa dentro de la cual se efectúa la com bustión com pleta de los gases. Entre la capa y el núcleo hay, sin embargo, una zon a interm edia lum inosa, com puesta de carbono incandescente. La presencia de carbono sin quem ar puede co m ­ probarse introduciendo en sentido longitudinal, por p o co tiem po, una placa de vidrio. Al sacar la placa se ve una mancha de hollín elíptica, que corresponde a la sección de esta zona. Para aum entar la tem peratura de una llama se utiliza el llamado m eche­ ro de aire, el cual recibe, según el fin a que se destine, los nom bres de m echero de caldeo o d e soldar. Se proveen de adm isión de aire (m eche­ ros Bunsen) o, para obtener las temperaturas m áximas deseadas, de intro­ ducción d e oxígeno (grifo Daniell). Este últim o caso es el soplete o m eche­ ro de soldar. La coloración de la llama depende de los cuerpos gaseosos que existen en ella.

Llama oxiacetilénica La m olécula de acetileno (C2H2) consta de dos átom os de carbono y dos de hidrógeno. Para la com bustión com pleta de 1 m3 de acetileno se necesitan 2,5 m3 d e oxígeno (o 1,25 m3 d e aire). La proporción de m ezcla es, por tanto, 1 :2,5. Este proceso d e com bustión se puede expresar por la siguiente reacción quím ica: 2 C 2H2 + 5 0 2 = 4 C 0 2 + 2H 20 -312 Cal Esta reacción quím ica total es la suma de dos reacciones parciales: en primer lugar el acetileno se une con el oxígeno en el m echero en partes casi iguales en volum en, ya que hay que tener en cuenta la participación del oxígeno del aire en la com bustión. Tie n e lugar, prim ero, por consi­ guiente, una com bustión incom pleta, efectuándose el siguiente proceso: 2 C 2H2 + 2 0 2 = 4 C O + 2H 2 El acetileno se ha com binado, pues, con el oxígeno form ando monóxido de carbono e hidrógeno.

www.FreeLibros.org En segundo lugar, por incorporación del oxígeno del aire que rodea la llama, la com bustión incom pleta va progresando hasta la com pleta según la siguiente reacción: 4 C O + 2H 2 + 3 0 2 = 4 C 0 2 + 2 H 20

20

Pro ced im ien to s d e so ldad u ra

En resum en, el oxígeno del aire arde, por una parte, con el m onóxido de carbono y produce dióxido de carbono (un gas ya no com bustible) y, por otra parte, se com bina con el hidrógeno libre y p roduce agua. El agua y el dióxido de carbono son, por consiguiente, los productos de la com b us­ tión. Para la com bustión com pleta del acetileno se necesitan 2,5 partes en volumen d e oxígeno por 1 parte en vo lum en de acetileno. El resultado, pues, d e la com bustión d e 1 m3 d e acetileno está constituido por 2 m3 de dióxido de carbono (C O z) y 1 m3 de vapor d e agua (H20 ). En la llama o xiacetilénica (figura 6) se aprecian tres zonas claram ente diferentes: la z o n a iría, donde únicam ente hay una m ezcla m ecánica de oxígeno y acetileno, am bos en estado com pletam ente íntegro, es decir, sin quem ar, la z o n a d e s o ld a r y la zo n a o xid a n te o d e d isp e rsió n . Figura 6. Zonas y temperaturas en una llama oxiacetilénica.

La señal más característica d e la zo n a fría es el co no lum inoso d e colo r blanco deslum brante, cu yo contorno netam ente lim itado se debe a la desintegración brusca del acetileno en sus dos com p onentes: carbono e hidrógeno. En las llamas pequeñas esta parte tiene el aspecto d e un cono delgado (análogo al núcleo, que es siem pre cónico) que, a m edida que aumenta la presión del oxígeno o, m ejor dicho, con el tam año creciente de la llama, va adquiriendo la form a de un prism a parecido a una varilla, aproxim adam ente cilindrico, con la cabeza redondeada. Las form as que difieren de esta form a có nica normal, o sea, una form a có nica corta, dentada, torcida, ensanchada en la punta o m uy larga, son una prueba de que los orificios del m echero están deteriorados o q ue la regulación de las válvulas es deficiente. La longitud del co no depende de los orificios y presiones del m echero, aum entando con la velocidad de salida. Al au­ m entar la longitud, aum enta norm alm ente la rigidez, es decir, la «dureza» de la llama.

www.FreeLibros.org 21

So ld ad u ra industrial: clases y ap licacio n es

En la zo n a de la llama conocida com o zo n a d e so ld a r se encuentran los resultados d e la primera com bustión, la incom pleta, o sea, m onóxido de carbono e hidrógeno, am bos gases d e acción reductora. Por esta razón, y porque en esta zo n a de la llama existe la máxim a temperatura, es aquí donde se realiza la soldadura de la pieza. Es de im portancia, por consi­ guiente, dejar entre la punta del cono y la superficie del baño de fusión una distancia, que depende del tam año de la llama (del soplete) y varía entre 2 y 5 mm. Los gases producidos en el producto interm edio por la entrada de oxígeno del aire (en la capa exterior de la llama) en el decurso d e la com bustión, es decir, el m onóxido de carbono y el hidrógeno, son que­ m ados y convertidos en su estado final, o sea, dióxido d e carbono y agua (vapor de agua). Esta com bustión com pleta se efectúa dentro de la tercera zona de la Ñama, la denom inada llam a oxidante. Las condiciones de tem peratura dentro de la llama están indicadas en la curva de la parte superior de la figura 6. D e esta curva se deduce claram en­ te q ue la m áxim a tem peratura de 3100 ° C existe únicam ente dentro de la zo n a de soldar.

SOLDADURA AL ARCO El arco eléctrico es una corriente eléctrica que salta, a través del aire o de un gas, entre dos cuerpos conductores llamados e le c tro d o s. Se establece al calentarse las m oléculas de gas que rodean el electrodo negativo, haciendo que se liberen electrones cargados de electricidad negativa, que serán atraídos por el otro electrodo cargado positivam ente. Aplicando una tensión en determ inadas condiciones, se puede originar una corriente electrónica que, debido especialm ente a la ionización por choque, cum ple las condiciones necesarias para la ionización d e la colum ­ na de gas existente entre los electrodos o entre el electrodo y la pieza de trabajo, ya q ue, según la teoría de los iones, las m oléculas neutras d e gas están som etidas a la descom posición de iones de gas. D e aquí que este gas ionizado constituya el verdadero cam ino por el q ue se efectúa la marcha o migración de la electricidad. En el interior de la colum na gaseosa, los electrones (negativos) avanzan con enorm e velocidad hacia el polo positivo. Este extraordinario y rápido m ovim iento de los electrones o de los iones se debe a su elevada energía cinética. Estas partículas aceleradas, al chocar con las m oléculas neutras que contiene la corriente de gas, producen inm ediatam ente, com o consecuencia, su descom posición en iones electropositivos y electronegativos, los cuales, por su parte, quedan igualm ente a la disposición del transporte o a la migración d e la electrici­ dad. La colum na de gas adquiere en este m om ento una m edia lum inosi­ dad, y entra una intensa radiación que produce arco eléctrico o voltaico. Los átom os cargados positivam ente (cationes) son atraídos por el polo negativo (cátodo), que por el choque de los iones se calienta considera­ blem ente. Este proceso de descom posición de los átom os en iones y electrones se denom ina io n iza ció n .

www.FreeLibros.org El choque d e los electrones con el polo positivo (ánodo) q ue ha tenido lugar en la distancia aérea con una velocidad m uy elevada, se produce

22

Procedim ientos d e soldadura

con extraordinaria violencia y la energía cinética se transforma en calor en el lugar del choque. Los elem entos de un arco eléctrico para soldadura con electrodo des­ nudo son: el n ú c le o del arco, la c o lu m n a de vapor (arco propiam ente dicho), la llama y el cráter o parte de la pieza fundida por el arco (figura 7).

Figura 7. Arco eléctrico: 1) núcleo; 2) columna; 3) llama y 4) cráter.

El arco eléctrico, que puede considerarse com o un conductor m óvil, no siempre sigue el cam ino más corto entre el electrodo y la pieza d e trabajo, sino que es desviado lateralm ente con m ovim ientos más o m enos violen­ tos, fenóm eno éste que estorba m ucho el proceso de soldadura y muchas veces lo hace im posible, atribuyéndose al llam ado efecto de soplado magnético, q ue, además, e s la causa del mal encendido de los electrodos incandescentes. El electrodo es el elem ento esencial en la soldadura eléctrica, sirve com o conductor de la corriente y com o metal de aportación. Puede ser desnudo o revestido. J.os electrodos desnudos son varillas d e m etal, de pequeño diámetro, m uy poco em pleados en soldadura norm al por los inconvenientes que presentan, siendo los más destacados: dificultad en el encendido y m ante­ nim iento del arco, cordón irregular de soldadura, im posibilidad d e soldar en posiciones que no sean la horizontal, pérdida de elem entos de alea­ ción por oxidación y nitruración del acero base y malas cualidades m ecáni­ cas d e la soldadura conseguida. En los electrodos revestidos (figura 8) se distinguen: una parte m etálica o alma y el revestim iento que la rodea. Este revestim iento tiene, entre otras,

las m isiones de facilitar el encendido y dar estabilidad al arco . Adem ás protege el metal fundido de la oxidación y nitruración, protegiendo el baño hasta su total solidificación.

www.FreeLibros.org El revestim iento favorece tam bién la form ación del cordón y añade elem entos necesarios al metal d e aportación que no tiene el electrodo. La

23

So ld ad u ra industrial: clases y a p licacio n es

Figura 8. Esquema de un electrodo revestido.

escoria líquida se alea con las im purezas del baño de fusión y lo transforma en sales q ue salen a la superficie al solidificarse el cordón. El revestim iento de los electrodos puede ser: oxidante, ácido, neutro, rutilo, con escoria viscosa o con escoria fluida, orgánico y básico.

TIG En el procedim iento TIG (figura 9) se em plea una corriente d e gas inerte para proteger la soldadura. El arco se hace saltar entre un electrodo de tungsteno y el m aterial base y, por una boquilla que rodea al electrodo, se hace llegar helio o argón, de m odo que envuelva com pletam ente al electrodo, al arco y a la masa fundida del metal y elim ine toda atm ósfera oxidante.

Figura 9. Esquema del procedimiento de soldadura TIC.

www.FreeLibros.org 24

P ro ced im ien to s d e so ld ad u ra

Com o gas protector pueden em plearse tam bién las siguientes m ezclas: argón-6 °/o hidrógeno para níquel y sus aleaciones, argón-15 % hidrógeno, para aceros inoxidables y nitrógeno, que no presenta, según parece, contraindicaciones y rebaja considerablem ente el coste de la soldadura. Los valores de la corriente para esta soldadura son los reflejados en la figura 10, para soldar acero, cobre, níquel y titanio. Para soldar alum inio, y sus aleaciones, los valores d e la corriente, que ha de ser alterna, son los indicados en la figura 11.

diámetro electrodo mm c.c.p.d. c.c.p.i.

1

1,5

2,5

3,2

4

20/80

70/150 10/20

150/150 15/30

250/400 25/40

400/500 40/50

diámetro electrodo mm corriente alterna A

1 20/50

1,5

2,5

3,2

Figura 10. Condiciones para soldar acero, cobre, titanio y níquel: diámetro del electrodo, voltaje.

4

50/100 100/120 160/250 200/300

Figura 11. Condiciones (diámetro d e l electrodo y voltaje) para soldar aluminio y sus aleaciones.

Soldadura por hidrógeno atómico El arco salta entre dos electrodos de tungsteno que som eten el gas a una temperatura de hasta 4 000 ° C a pocos m ilím etros del arco. Se realiza por m edio d e una antorcha en la que se disponen los electro­ dos en V (figura 12). Por la boquilla llega un chorro de oxígeno que, al chocar con el arco, produce una llama al disociarse por elevada tem pe­ ratura. Figura 12. Fundamento de la soldadura p o r hidrógeno atómico.

www.FreeLibros.org 25

So ld ad u ra industrial: clases y ap licacio n es

La corriente gaseosa, al tocar la pieza, pierde tem peratura que luego recobra al m ezclarse el hidrógeno con el metal base. El em pleo de electrodos desnudos facilita la fusión. Se em p lea corriente alterna, siendo las máquinas m uy parecidas a las utilizadas para la soldadura por arco tradicional, si bien el voltaje es bastante más elevado, pudiendo llegar a los 300 V. El hidrógeno se suministra en botellas, com prim ido a 150 atmósferas. D esde las botellas pasa a una cám ara de distribución situada en el genera­ dor de corriente. D esde éste y a través d e tubos flexibles sale juntam ente con la corriente de soldadura (figura 13).

MIG Si se utilizan una atm ósfera protectora de gas inerte y una varilla de metal de aportación, y se hace saltar el arco entre éste y el material a soldar, se tiene el m uy conocido proceso de soldadura con arco de electrodo m etálico: M IG (figura 14). El arco no sólo funde el metal a unir sino tam bién el metal del electrodo, alim entando así la soldadura con el metal d e aportación. Los electrodos m etálicos se consum en rápidamente y hay que interrum pir la operación para reem plazarlos o alim entarlos con hilo. La tracción del hilo, cuando su diám etro es de m enos de 1 mm, puede realizarse a m ano; para diám etros m ayores es necesario m ontar un m otor que puede incorporarse a la pistola. La corriente ha de ser continua, conectándose el electrodo en el polo positivo. C o n el hilo o pistola conectado al hilo positivo (+) tiene mayor penetración el metal aportado, porque las gotas calientes se despren­ den de este metal a gran velocidad, sum inistrando al m ism o tiem po m ucho calor al metal base. Tam bién es ejercida una buena acción lim ­ piadora.

www.FreeLibros.org 26

P ro ced im ien to s d e so ld ad u ra

Figura 14. Instalación para la soldadura MIC.

Com o generador se em plea una m áquina d e soldar de corriente conti­ nua y d e tipo estático. Com o gases protectores se utilizan los siguientes: argón y helio, argón y cloro, y nitrógeno. Trabajando co n una m ism a intensidad todos los gases, el helio es el q ue origina m ayor tensión en el arco (figura 15).

MAG Si el gas utilizado en la soldadura es activo, com o el dióxido de carbono, el procedim iento d e soldadura se denom ina M AG.

Figura 15. Relación entre la tensión y la intensidad de corriente en la soldadura M IC con helio y con argón.

www.FreeLibros.org 27

S o ldadura industrial: clases y a p licacio n es

El gas C 0 2 utilizado en la soldadura debe tener un grado de pureza m uy elevado: el contenido m ínim o de C 0 2 debe de ser d e un 99,7 °/o, al m ismo tiem po que debe estar exento de hum edad. Ventajas que tiene sobre los dem ás gases: es m ucho más barato, tiene m ayor penetración y la form a del cordón es buena y no tiene mordeduras. En la figura 16 se aprecian los principales gases y m ezclas de gases utilizados en la soldadura M IG y M A G y sus principales aplicaciones.

Figura 16. Principales gases y mezclas de gases utilizados en la soldadura M IC y MAC, así com o sus principales aplicaciones en la soldadura de los distintos metales.

GASES

APLICACIO N ES

Argón Helio

Alum inio y magnesio. A lum inio, magnesio y cobre. C o n este gas se dism inuye el riesgo de porosidad. H elio + argón (80 % + 20 °/o) A lum inio, m agnesio y aleaciones de cobre. hasta (50 % + 50 °/o) Argón + 1 a 2 % d e C 0 2 A ceros inoxidables, aceros aleados y tam ­ bién para algunas aleaciones de cobre. Argón + 3 a 5 % d e C 0 2 Aceros inoxidables, aceros aleados y aceros al carbono. Se requieren varillas d eso xi­ dantes. Argón + 20 a 30 % de C 0 2 Aceros, para obtener transferencia por c o r­ tocircuito. Argón + 5 % 0 2 + 1 5 % C 0 2 A ceros al carbono. Se requiere varilla alta­ m ente desoxidante. 2 Aceros al carbono y débilmente aleados, va­ rilla desoxidante, es del todo esencial el uso de varilla especial. C 0 2 + 3 a 10 °/o 0 2 El m ism o cam po de aplicación que el C 0 2. El m ism o cam po de aplicación, sólo se uti­ C 0 2 + 20 % 0 2 liza en Japón. Argón + 25 a 30 °/o N2 Para soldar cobre.

co

Durante los últim os años el proceso M A G (metal y gas activo , tal com o el dióxido de carbono) ha ido aum entando en la industria. En la figura 17 se aprecia la relación entre la fuerza electrom otriz aplicada y la intensidad de corriente conseguida, con relación al argón. El M A G en realidad es el M IG con una atm ósfera de argón y cantidades del orden del 2 % de oxígeno, porcentaje suficiente para crear una atm ós­ fera protectora con cierto carácter oxidante (figura 12). Las principales razones para esta tendencia son: — M ayor econom ía del procedim iento M A G com parado con los otros sistemas.

www.FreeLibros.org — Alta versatilidad de aplicaciones en talleres de construcción metálica. — Alta calidad de la unión de soldadura.

28

P ro ced im ien to s d e so ld ad u ra

Figura 77. Relación entre la tensión y la intensidad de corriente eléctrica en la soldadura M A C con argón y dióxido de carbono.

En el m ercado el proceso M A C com pite con ventaja con la soldadura clásica al arco eléctrico con electrodo recubierto. Con la soldadura M A G y totalm ente m ecanizada se reducen sensible­ mente los tiem pos muertos de lim pieza y posicionado.

Soldadura al arco con electrodo revestido Este procedim iento es com o el M IC pero sin gas protector (figura 6). La atmósfera protectora se genera «¡n situ» por fusión y evaporación del revestimiento del electrodo. Se suele utilizar rectificador de corriente conectado al metal con el electrodo positivo: así se asegura m ejor pene­ tración y fusión com pleta. Dada la am plia variedad de aportaciones existentes y la econom ía del propio procedim iento, los electrodos revestidos se usan en gran variedad de uniones y diferentes espesores. Los revestim ientos más em pleados son los de rutilo y los básicos. Los tipo rutilo (óxidos m inerales d e titanio con ferroaleación y escorificantes a base de sílice) son poco em pleados y los básicos puros (carbonato y fluoruro de calcio con ferroaleaciones y escori­ ficantes) presentan m ayor dificultad operatoria. Soldando con electrodos revestidos se deben tener en cuenta las siguientes precauciones: — U tilizar electrodos secos. — Soldar, siem pre que sea posible, con corriente continua, conectando el electrodo al polo positivo. — M antener el arco lo más corto posible.

www.FreeLibros.org — U tilizar un diámetro de electrodo igual al espesor de la chapa, en soldaduras de una sola pasada. — U sar el m ínim o aporte térm ico posible.

29

So ld ad u ra industrial: clases y ap licacio n e s

— Realizar cordones delgados para m inim izar la dilución. — M antener el electrodo casi perpendicular a la pieza. — Limpiar y desengrasar las zonas a soldar (en caso de tuberías lim piar y am olar tam bién el interior d e la tubería). — D ejar enfriar la pieza a tem peratura am biente entre pasada y pasada. — En soldadura vertical ascendente, se debe llevar el electrodo perpen­ dicular a la pieza con vaivén m uy pequeño, introduciendo el electrodo en el baño. — En techo se recom ienda usar arco corto, sin producir m ovim iento de vaivén con el electrodo. — Eliminar cuidadosam ente la escoria entre pasadas. — U tilizar pasta decapante para desoxidar los cordones de soldadura. — La com posición quím ica del electrodo debe ser lo más sim ilar posible a la del metal base. A sí se pueden conseguir características óptimas.

Soldadura con arco sumergido El procedim iento d e soldadura con arco sumergido (figura 18) utiliza el metal d e aportación en form a de varillas o bobinas de alam bre desnudos y el arco y el metal fundido perm anecen debajo de una capa d e fundente pulverizado, que protege de la corrosión. En una sola pasada se sueldan gruesas planchas. La penetración o cantidad d e metal base fundido es m ucho m ayor en la soldadura con electrodo revestido respecto a la oxiacetilénica, y el metal fundido se m ezcla con el metal de aportación depositado con el e lectro ­ do. Según el tipo de electrodo y la intensidad em pleada, la cantidad de

Figura 18. Soldadura p o r arco sumergido: 1) boquilla; 21 paso del alambre; 3) cable de alimentación de soldadura; 4) tubo de fundente; 5) fundente no fundido; 6) fundente fundido (escoria); 7) cordón de soldadura; 8) alambre electrodo; 9) material base o pieza de trabajo.

www.FreeLibros.org 30

P ro ced im ien to s d e so ld ad u ra

dilución del metal base puede llegar á un 30 % . Este hecho ha repercutido notablemente en el desarrollo de los electrodos. Por ejem plo, si se usa un electrodo d e acero norm al para reparar una pieza de fundición, el cordón resultante puede tener aproxim adam ente 1 % de carbono y, co n las velo ­ cidades relativam ente altas de enfriam iento de la soldadura eléctrica al arco, el depósito se transformará en martensita que, debido a su fragilidad inherente, causará grietas bajo la acción de las tensiones d e contracción. Esta fisuración por tem ple es m uy fácil que ocurra, incluso em pleando electrodos tipo básicos que hayan sido presecados a una tem peratura de 450 ° C antes d e su utilización. Este procedim iento fue puesto a punto entre 1935 y 1940, tanto en los Estados U nidos com o en Rusia. Se aplica principalm ente al acero y, según su principio, el arco se establece entre un hilo continuo (generalmente cobreado) que se introduce en un polvo llam ado fundente y la pieza de soldadura cubierta con este polvo. El hilo va enrollado en una bobina llamada devanadera. Un p o co por encima de la superficie de la pieza, pasa a través de un depósito conectado al generador de corriente (ni este dispositivo ni la devanadera están representados en la figura). El hilo se va desenrollando a m edida que se va fundiendo, estando regulados, por regla general, el avance del portaelectrodo con relación a la pieza, así com o la longitud del arco, por m edio de dispositivos autom áticos. Los parámetros operacionales en orden de im portancia son: 1. Intensidad de corriente eléctrica de soldadura. 2. Fuerza electrom otriz de soldadura. 3. Tipos de fundentes. 4. V elocidad de soldadura. 5. D iám etro y tipo de alam bre. 6. Fundentes (de un pase m últiple o de recubrimientos). Durante la soldadura, el operador deb e saber corregir, en la form a más rápida posible, alguna eventual im perfección que afecte la acción de la soldadura, porque el éxito del trabajo depende del control com pleto de los parám etros operacionales. Intensidad d e la c o rrie n te d e so ld a du ra

El am peraje es el parámetro que tiene m ayor influencia en el proceso automático de soldadura con arco sumergido, porque alim enta la velo ci­ dad del alam bre a la m edida de su fusión y perm ite regular la penetración del depósito según la intensidad aplicada. El uso de excesivo amperaje, por ejem plo, provoca m ucha penetración, dem asiado refuerzo y, en consecuencia, una deform ación de la pieza soldada. El uso de bajo am pe­ raje produce falta de penetración e incom pleta fusión.

www.FreeLibros.org En la aplicación de soldadura con el proceso de arco sum ergido, es bueno recordar las siguientes medidas que conciernen a la utilización del amperaje:

31

So ld ad u ra industrial: clases y a p licacio n es

— Al aum entar la intensidad de corriente se consigue una m ayor fusión y aum ento de penetración en la profundidad del metal base (figura 19). — La intensidad de corriente excesiva produce demasiada fusión, e xce ­ siva penetración, socavación, cordones dem asiado angostos y desfondam iento. El em pleo d e intensidades de corriente dem asiado bajas p roduce ines­ tabilidad del arco , falta de fusión y falta d e penetración.

Figura 79. Alambre 7/32 de diámetro. La velocidad de avance es de 30 pulgadas/ minuto, 34 voltios. Profundidad de penetración del cordón de soldadura con tres diferentes amperajes, manteniendo invariado el voltaje, velocidad de avance y diámetro del electrodo.

Fuerza e le ctro m o triz

El objeto principal del voltaje en soldadura con arco sum ergido es la variación d e la longitud del arco entre el alam bre electrodo y el metal de soldadura en fusión, determ inando así la form a del cordón, su sección transversal y la apariencia externa (figura 20). Los efectos d e voltaje se pueden dem ostrar en esta forma: — Al aum entar la fuerza electrom otriz aplicada y, por lo tanto, la intensi­ dad de corriente, se o btiene una mayor longitud del arco. — Si, por el contrario, se aplica m ayor intensidad, se obtiene m enor longitud del arco. En síntesis, se puede d ecir que, m ediante la aplicación del voltaje adecuado, con un constante am peraje y correcta velocidad de avance de soldadura: — Se consigue un cordón liso, extendido y sin socavones.

www.FreeLibros.org — Se tiene un consum o normal del fundente.

— Se reduce la porosidad, provocada por las escam as (o lámina) de fundición presentes en el arco.

32

P ro ced im ien to s d e so ld adu ra

— El metal de aporte capta los elem entos aleantes presentes en el fundente. Aplicando una fuerza electro m o triz excesiva (dem asiada longitud del arco): — Se generan cord o nes d e soldadura susceptibles de fragilización. — D ifícilm ente se logra la elim inación de la escoria del cordón de la soldadura. — Se tienen cordones de soldadura cóncavos, sujetos a rotura y socava­ ción en los lados del cordón. — El co n su m o del fundente aum enta considerablem ente. En cuanto al uso de bajo voltaje, produce baja longitud del arco, cordones abultados, inclusiones de escoria, dificultad en la elim inación de la misma, y m enor consu m o del fundente. V elocida d d e a va n ce d e so ld a d u ra

Cuando hay variación en la aplicación de la soldadura, por ejem plo, de un pase, de doble pase, etc., hay tam bién variación en los parám etros operacionales. Intensidad y fuerza electrom otriz están relacionados con la velocidad d e avance de soldadura y, por supuesto, con el diám etro del alambre. La v e lo c id a d d e l a va n ce es e l ajuste del ancho del cordón y el lím ite de penetración. Esto está relacionado con la intensidad y tensión d e soldadu­ ra (amperaje-voltaje) y tipo de fundente. En la figura 20 se aprecian tres tipos de cordones de soldadura obteni­ dos aplicando la m ism a intensidad de corriente, idéntica velocidad de avance y utilizando hilos d e la m ism a com posició n y diám etro. Se deduce

Figura 20. Alambre 7/32 de diámetro. Velocidad de avance de 30 pulgadas/minuto, 860 amperios. Electo de los diferentes voltajes en la formación y penetración de los cordones d e soldadura aplicados con e l mismo amperaje y con la misma velocidad de avance, manteniendo invariado el diámetro del alambre y aumentando el voltaje.

www.FreeLibros.org 33

So ld ad u ra industrial: cla ses y a p lica cio n e s

Figura 21. Demasiada velocidad.

Figura 22. Velocidad demasiado baja.

www.FreeLibros.org 34

Pro ced im ien to s d e soldadura

Figura 23. Velocidad normal.

que si en la aplicación de un cordó n de soldadura se utilizan los cuatro factores correctos co m o son e l diám etro del alam bre, am peraje, voltaje y fundente, pero la velocidad de avance es dem asiado rápida, se obtiene una soldadura po co uniform e, porque la velocidad del cordón im pidió o no le dio al arco el tiem po de fusión necesario para fundir adecuadam ente el metal base. A dem ás, d icho im pedim ento no perm ite el desarrollo normal del cordón de soldadura (figura 21). Si se m antienen sin variación los cuatro factores m encionados anterior­ mente y se aplica una velocidad de avance dem asiado baja, el resultado será un cordó n de form a co nvexa con tendencia a la rotura (figura 22). La velocidad d e avance dem asiada baja e xp o n e excesivam ente la unión a una intensidad d el arco excesiva e im pide la salida de los gases del metal en fusión, q ue quedan atrapados en el interior del cordón de soldadura; además p ued e producir desfondam iento por excesiva exposición al calor, socavaciones e inclusiones de escoria. Desplazando el e lectro do a velocidad norm al se o btiene un cordón de soldadura sim étrico (figura 23). A la m b re e le c tro d o

www.FreeLibros.org El diám etro correcto del electrodo en el proceso d e soldadura con arco sumergido es el elem en to que, junto con el fundente, intensidad de corriente y velocidad adecuados, perm ite una profunda penetración del cordón de soldadura en una junta; adem ás, según el diám etro (grande o

35

So ld a d u ra industrial: cla se s y a p licacio n e s

pequeño), cond icio na la cantidad del material de d ep ó sito en una unión. Ahora, el uso de más o m enos depósito, d ep end e del tipo de junta y e speso r de la m ism a y, por supuesto, de más o m enos corrien te de soldadura: Un alam bre electro do d e m ás diám etro necesita m ás am peraje que uno de m en or diám etro. To d o s los factores correspondientes a los parám etros de soldadura están gradualm ente relacionados entre sí. Los alam bres electro do s pue­ den ser só lido s o tubulares, y su uso está relacionado con el tipo de aplicación. El fundente, del q ue existen varias calidades según las ap licacio nes, está constituido por una m ezcla granulada de una com p osició n análoga a la de los revestim ientos de los electrodos m anuales, siend o su o b jetivo, no solam ente proteger el baño de fusión contra los gases de la atm ósfera, sino tam bién aportar elem en to s q ue m ejoren la calidad del m etal. Se suele utilizar una gran cantidad d e fundente, p ero éste, después del enfriam ien­ to de la junta, es aspirado y devuelto a los recuperadores. Se aplican intensidades de corriente m uy elevadas, q ue pueden llegar hasta 2 .0 0 0 y 3 .0 0 0 A , gracias a las particularidades siguientes: — La corriente sólo recorre una pequeña longitud del electro d o , ya que el hilo restante apenas se calienta. — El arco se halla recubierto por una espesa capa de flujo q ue lo hace invisible, d e m anera q ue no se p ro d uce deslum bram iento alguno; un arco de más de 300 A , q ue fuese visible, exigiría eno rm es p recauciones a causa de la intensidad de la luz producida, esp ecialm ente en form a de rayos ultravioleta e infrarrojos. C o m o el baño de fusión e s invisible, todas las regulaciones—tensió n del arco , intensidad, velocidad de desarrollo d e hilo, velocidad de avance de la soldadura— deben efectuarse con toda precisión. D eb em o s añadir que se precisa un equipo eléctrico im portante, así com o dispositivos-guía perfeccionados. Es d ecir caros, y, en cada caso, una laboriosa puesta a punto previa de la m áquina. Gracias al desarrollo co ntinu o del hilo, a la posibilidad d e em p le o de grandes diám etros (hasta 10 mm ) e intensidades m u y elevadas, y gracias tam bién al rendim iento térm ico, asim ism o m u y e levad o —co nsecuencia de la posición del arco , en parte debajo d e la superficie de la chapa—, así com o a la supresión de los tiem p o s m uertos, debido a los cam b ios de electrodos, se llegan a ejecutar soldaduras m u y rápidas y co n un coste de producción m uy reducido. El aspecto de las soldaduras realizadas es notable; aunque subsiste el fundente en estado vitrificado sobre el cordón, podrá ser desprendido fácilm ente, apareciendo entonces una superficie lim pia y regular, casi lisa. Los m ateriales a los q ue se les ha aplicado hasta ahora este procedi­ m iento son, sobre todo , el acero dulce o débilm ente aleado. Sin embargo, se ha conseguido tam bién soldar piezas de aleacion es de co b re, de alum inio o de titanio, naturalm ente m ediante el em p le o de fundentes especiales.

www.FreeLibros.org 36

P ro ce d im ie n to s d e so ld ad u ra

Un inco nvenien te d el p ro ced im iento consiste en q ue n o e s fácilm ente aplicable si no se efectúa horizontal m en te. Si la inclinación de las chapas respecto a la horizontal es sup erio r a una decen a de grados, su em p leo resulta m uy difícil, por no d ecir im posible.

Soldadura bajo escoria electroconductora El p ro cedim iento llam ado «Electroslag» fue puesto a punto e n la URSS, hacia 1953 y constituye una variante del p ro ced im iento descrito en el apartado anterior, encontrando interesantes ap licacio nes en la soldadura de los acero s o rdinarios y esp eciales cuand o éstos tienen grandes esp eso ­ res. Se caracteriza porque la soldadura se efectúa verticalm ente y en sentido ascendente. El baño d e fusión se fo rm a entre dos d eslizado res o patines, de cobre, refrigerados por agua, q ue constituyen una e sp ecie d e encofra­ do o m o lde q ue se d esplaza au to m áticam ente d e abajo arriba, a m edida que avanza la soldadura. Esta se efectúa entre los bordes rectos y m u y separados (de 2 0 a 25 mm) entre los cuales se p ro duce un baño de fusión m etálico , q ue tie n e en su parte alta un baño d e escoria e lectro co nd uctora, producido partiendo de un fundente en p o lvo , cuya profundidad pued e llegar hasta 40 o 60 m m . El metal d e apo rtació n está co nstituid o generalm ente por uno , dos (figura 24) o tres electro do s desnudos, de hilo co n tin u o , q ue se suele som eter a u n m o vim ie n to de oscilación en el plano axial y hacia ab ajo , una vez iniciado el proceso, utilizando el arco , en el baño de escoria electroconductora. El pro cedim iento, que se aplica por m edio d e m áquinas m u y autom ati­ zadas, se u tiliza para la soldadura d e cuerpos cilindricos, grandes prensas y

Figura 24. Soldadura p o r arco sum ergido utilizando dos hilos.

www.FreeLibros.org 37

P ro ced im ien to s d e soldadura

otras grandes piezas de máquinas, com o las laminadoras y las que se em plean en la construcción naval, así com o para efectuar recargues m uy importantes. Los espesores considerados varían entre 35 y 150 m m . La velocidad de ejecución es dos veces superior a la que se alcanza en el procedim iento de soldadura con arco sumergido para un espesor de 40 m m , cuatro veces superior para 90 mm y ocho v e ce s superior para 150 mm.

POSICIONES PARA LA SOLDADURA La soldadura al arco se puede practicar en horizontal, en vertical y en techo.

Horizontal Al soldar horizontalm ente, el electrodo se mantiene en el plano de sim etría de la soldadura y con una inclinación de 45 a 9 0 ° con relación a la superficie de la chapa y en el sentido del avance (figura 25).

Figura 25. Soldadura horizontal.

------------------------------------------------------------------------------------------

El soplo del arco em puja al metal de soldadura y a la escoria hacia el cordón que se va formando. Cuando la escoria invade el baño de soldadura y lo cubre exageradamente, se debe pronunciar la inclinación del electro­ do hasta unos 45° y, al mismo tiem po, se debe alargar un poco el arco. Por el contrario, si la escoria queda m uy retrasada y prácticam ente descubierto el baño d e soldadura, se puede dism inuir la inclinación hasta unos 80°. Es principio fundam ental para casi todas las clases d e recubrim ientos q ue la escoria cubra casi por com pleto el baño de fusión, pero dejando una parte libre. Los electrodos de gran penetración deben m antenerse con un ángulo de 90° y la inclinación de los electrodos básicos deb e ser de 80 a 85°.

www.FreeLibros.org El aspecto del cordón depositado depende del m ovim iento correcto del electrodo. En general, se le hace avanzar im prim iéndole un m ovim ien­ to com plem entario d e balanceo lateral más o m enos acentuado según la form a d e la costura y la posición de la soldadura.

38

S o ldadura industrial: clases y ap licacio n es

Vertical En la soldadura en posición vertical, se m antiene el electrodo perpendi­ cular a las piezas y form ando ángulo, en sentido del avance, de 90 a 110o si la marcha de la soldadura es ascendente. En cam bio, si la m archa es descendente, el ángulo respecto al avance será de 100 a 130° (fig. 26). Figura 26. Soldadura vertical.

Ha d e evitarse la soldadura vertical descendente, porque el metal fundi­ do se cae y arrastra al q ue se va solidificando. Con determ inados tipos d e electrodos, en especial con los de recubri­ miento ácido , la escoria tarda en solidificarse, por lo q ue se ha de soldar en ascendente, separando interm itentem ente la punta del electrodo para dar tiempo a que se enfríe. C uando se em plean electrodos con recubrim iento básico y rutilo se consigue un cordón más hom ogéneo, m anteniendo un avance más conti­ nuado del electrodo.

Techo La soldadura del techo (figura 27) es una de las posiciones que más se practica y m ás cuidados requiere. Para obtener buenos resultados hay que elegir electrodos apropiados y éstos suelen ser los de rutilo, básicos y orgánicos. Con estos electrodos se consiguen cordones anchos y uniform es des­ plazándolos en sentido vertical y en perpendicular respecto a las piezas que se sueldan, con las que han de form ar ángulo entre 70 y 90°, en sentido del avance del electrodo.

www.FreeLibros.org Para conseguir un cordón estrecho no ha de darse m ovim iento al electrodo; en cam bio, para obtener un cordón de 6 a 10 m m , se im prim e a la punta del electrodo un m ovim iento circular o en zigzag rectilíneo cuando la anchura haya de ser m ayor (figura 27).

39

So ld ad u ra industrial: clases y ap licacio n e s

Debajo del agua D ebajo del agua se suelda con corriente continua, con los transform a­ dores de uso com ercial, siem pre que su com portam iento dinám ico garan­ tice que la tensión vuelve rápidam ente después de un cortocircuito, com o los que suelen producirse durante el encendido y al efectuarse el paso de las gotas. D e ahí el em pleo de instalaciones de soldar con acción inductora adicional (bobinas de reacción, por ejem plo). La tensión del arco eléctrico es un 25 % m ayor que la d e soldar al aire y, norm alm ente, de 28 a 35 V a una intensidad de 190 a 230 A. La tensión en vacío no debe pasar de 70 V para que no corra peligro el soldador con las descargas eléctricas. La soldadura debajo del agua exige una gran estabilidad del arco eléctrico, la cual sólo puede obtenerse utilizando determ inadas clases de electro­ dos con cubierta gruesa. El recubrim iento debe ser absolutam ente insensi­ ble al efecto d isolvente del agua. Para conseguirlo se aplica un barniz no conductor y resistente a la acción del agua de mar (com binaciones de hidrocarburos). El diám etro del electrodo es d e 5 mm para todas las soldaduras, y su longitud no deb e ser superior a 350 mm. D el material del electrodo debe exigirse, a causa del intenso enfriam iento que sufre en el agua, una gran insensibilidad al agrietamiento debido a la contracción y endurecim iento por enfriamiento brusco. Los portaelectrodos deben estar perfectam ente aislados por m edio de una capa de caucho aplicada a presión. Los rayos ultravioleta nocivos que parten del arco eléctrico (incluso los rayos visibles deslumbrantes) son am pliam ente refractados y absorbidos por el agua, de m odo que no hay necesidad de cristales de co lo r para la protección de los ojos. El equipo del buzo puede ser el de uso corriente, pero conviene proteger las partes metálicas desnudas m ediante cubiertas aisladoras para que el soldador no corra peligro al tocar fortuitam ente los polos de la corriente de soldar. Para soldar hay que conectar el electrodo al polo positivo, m antenién­ dolo inclinado en dirección de la soldadura form ando un ángulo agudo de 30 a 4 0 ° con la pieza de trabajo, pues de lo contrario se producen fuertes muescas quem adas, y haciéndolo avanzar siem pre en línea recta. Las soldaduras verticales se efectúan siem pre de arriba abajo. C o m o form a de la costura soldada se ha elegido hasta ahora la costura canalada. Soldadura en X y en V no han podido ser ejecutadas hasta hoy d e una manera perfecta, porque el arco eléctrico es desviado fuertem ente en la base e

www.FreeLibros.org 40

P ro ced im ien to s d e soldadura

impide de este m odo obtener una unión irreprochable del material. La resistencia a la tracción de las costuras acanaladas es buena; el endureci­ miento del material a soldar no es especialm ente alto, debido a que la soldadura no absorbe tanto nitrógeno com o cuando se suelda al aire.

SOLDADURA CON PLASMA Desde el punto de vista técnico, el térm ino plasma significa la ionización o, eventualm ente, la disociación de un gas convertido en conductor de electricidad. El plasma está considerado de hecho com o un cuarto estado de la materia, totalm ente diferenciado de los otros tres. El estado de plasma se obtiene m ediante el establecim iento de un arco eléctrico de elevada potencia entre un cátodo y un ánodo en form a de tobera, en el interior d e una antorcha refrigerada. El plasma se genera en la pistola de soldar (figura 28) y se concentra o constriñe por efecto térm ico o por efecto magnético. Entre los dos elec­ trodos de la pistola se aplica un generador de alta frecuencia y se introduce el gas plasmágeno. Un extrem o d e la cám ara es un electrodo de material conductor perforado en su centro para proporcionar un chorro de plasma.

figura 28. Esquema de una pistola de soldar con plasma.

^ Jm b o ca d u ra

C h o r r o d e p la s m a

p a ra E le c t r o d o p o s te rio r

la b o q u illa E le c t r o d o a n t e r io r

El arco de plasma puede ser, según los casos: 1. Transferido, es decir, q u e 'sa lta entre el electrodo y la pieza de soldadura, en cu yo caso esta última se encuentra en e l circuito eléctrico; este sistem a se adapta m ejo r a cualquiera d e los casos conocidos, por lo cual es el que se usa más frecuentem ente; 2. N o transferido o soplado, es decir, que salta entre el electrodo y la tobera, por lo que la pieza de soldadura no se encuentra en el circuito eléctrico; este sistem a se adapta m ejor a espesores pequeños.

www.FreeLibros.org SOLDADURA POR RESISTENCIA

Soldar por resistencia consiste en unir varias piezas por m edio de fusión, producida por la energía calorífica generada por el paso de corriente

41

S o ldadura industrial: clases y ap licacio n es

eléctrica de alta intensidad durante un corto tiem po, som etiendo al mismo tiem po las piezas a un esfuerzo d e com presión (figura 29). D e este modo se genera una fusión puntual y muy concentrada, debido a una cierta cantidad d e calor (Q), proporcional a la resistencia eléctrica del circuito (R) y al cuadrado de la intensidad de la corriente (I) que circula por él durante un tiem po (t): Q — R x I2 X t

Entre las soldaduras por resistencia destacam os las siguientes:

Soldadura a tope La soldadura a tope p o r resistencia consiste en alinear las partes a soldar de m odo que se jun ten a top e una con otra (figura 30). Esta zon a a unir se calienta por resistencia. Existe el procedim iento de reca lca d o y el de c h isp o rro te o para soldar a tope por resistencia. La soldadura a tope se distingue de los otros procedim ientos clásicos de soldadura (por puntos y por roldanas) no solam ente por su procedim iento operatorio sino, sobre todo, por el hecho de que la soldadura se realiza en toda la sección de las dos piezas unidas, form ándose una pieza única perfectam ente continua desde el punto d e vista de sus dim ensiones Figura 30. Disposición de los electrodos para la soldadura a tope.

www.FreeLibros.org 42

P ro ced im ien to s d e soldadura

geométricas y sensiblem ente hom ogénea desde el punto d e vista meta­ lúrgico y en cuanto a uniformidad de la resistencia m ecánica. Este procedim iento perm ite realizar la unión rectilínea de redondos, cuadrados, perfiles diversos, tubos, flejes, etc., o la unión de piezas que forman entre sí un cierto ángulo (generalm ente 90°). A tope con reca lca d o La soldadura a tope co n recalcado se lleva a cabo alineando convenien­ temente las piezas a soldar, aplicando una carga en dirección axial y aplicando una fuerza electrom otriz elevada. En estas condiciones, por efecto Joule se calienta la zo n a de contacto entre piezas, dism inuyendo, por lo tanto, su resistencia m ecánica. A sí se ejerce un efecto de forja en esta zona, aum entando las superficies de contacto de am bas piezas (figura Para conseguir buenas soldaduras a tope con recalcado es necesaria una buena preparación superficial: las superficies a unir deben estar exentas de óxidos y com pletam ente paralelas. Figura 37. Disposición de los electrodos en soldadura a tope p o r recalcado.

A to p e c o n c h isp o rro te o En la técnica de la soldadura por resistencia a tope co n chisporroteo no es necesaria una preparación superficiaf especial. El paralelism o de las superficies de las piezas a soldar no es una condición obligada para esta operación. Las piezas a unir se llevan a un ligero contacto y la corriente circula a través de los puntos de contacto (figura 32). Si estas áreas de contacto son muy limitadas, la densidad de corriente q ue fluye es m uy elevada y genera gran cantidad d e calor, d e m odo que se funden estas zonas y se genera un puente líquido, que pronto hierve y se expulsa form ando chispas y gene­ rando un cráter.

www.FreeLibros.org La posterior aproxim ación de las piezas a soldar genera, por cortocir­ cuitos, otros puentes líquidos, otras chispas y más cráteres.

43

So ld ad u ra industrial: clases y ap licacio n es

Figura 32. Disposición de los electrodos en la soldadura a tope p o r chisporroteo: V aproximación de las piezas a unir; 2) un puente líquido; 3) dos puentes líquidos; 4) cinco puentes líquidos; 5) superficies de contacto aplanadas.

Las chispas desaparecen cuando los puentes líquidos se han convertido en una película líquida que cubre uniform em ente la superficie a unir. Los cráteres tam bién se convierten con el tiem po en superficie plana. Cada una de las piezas a soldar se sujeta en un dispositivo de mordazas. Estas m ordazas, conectadas directam ente a los bordes del secundario del transform ador, aseguran la conducción de la corriente d e soldadura en cada una d e las piezas a soldar. La sujeción de las piezas entre las m ordazas deberá ser suficiente para asegurar una buena conducción de la corriente de soldadura entre las piezas y dichas m ordazas (resistencia de contacto pequeña) e im pedir totalm ente el deslizam iento de las piezas cuando se aplique el esfuerzo de forjado. Para soldar por chisporroteo se realizan las sucesivas operaciones si­ guientes: — Sujeción de las piezas a soldar entre las m ordazas. En este m om ento las extrem idades a unir o no están en contacto o se hallan en contacto im perfecto, sin presión. — Conexión del transform ador y, com o consecuencia, de las piezas a soldar. — C o m ien zo del m ovim iento lento de la m esa móvil. — Sutil forjado después de cierto desplazam iento.

Soldadura por puntos Los dos electrodos se van aplicando en distintos puntos o, m ejor, zonas d e la chapa a soldar (figura 33). Se utiliza para unir chapas de espesores m ínim os d e 0,05 mm y espesores m áxim os de 6 mm cada chapa. Se unen planchas superpuestas a cualquier distancia soldando por puntos, o sea, punteando la soldadura. El secundario d e un transformador está conectado con los dos electrodos. La corriente pasa por el electrodo, ven ce la resistencia que le oponen las dos chapas superpuestas con lo cual este lugar (entre los dos electrodos) se calienta por efecto Joule y, por m edio del electrodo, vu elve la corriente al transform ador y a su fuente de

www.FreeLibros.org 44

P ro ced im ien to s d e so ld ad u ra

Figura 33. Esquema de la soldadura p o r puntos.

origen. En el m ism o lugar donde la corriente atraviesa las planchas y gracias a la presión que ejercen los electrodos, se produce un punto de soldadura, cuyo diámetro depende de la superficie de los extrem os de los electrodos y la duración de la corriente de soldar. La figura 34 representa un aparato portátil de soldadura por puntos. Colocando estos puntos a pequeñas distancias entre sí, y haciendo que

Figura 34. Aparato portátil para la soldadura p o r puntos.

www.FreeLibros.org 45

So ld ad u ra industrial: clases y ap licacio n es

éstos queden libres de burbujas o «fallos» se obtiene la costura soldada, que m uchas ve ces puede m ejorarse cuando se pasa a la soldadura de costura. Las partes principales de una m áquina de soldar por puntos son: el arm azón, el transform ador destinado a sum inistrar la corriente de solda­ dura, el circuito secundario exterior destinado a conducir la corriente de soldadura del transform adora los portaelectrodos y electrodos en contac­ to con las piezas a soldar, los portaelectrodos y electrodos, un sistema para dar m ovim iento y presión a los electrodos (destinado a sum inistrar el esfuerzo de com presión localizado sobre las piezas a soldar), un sistema de refrigeración de los órganos sujetos a calentam iento durante el paso de la corriente y un aparellaje eléctrico y, eventualm ente, electrónico. Las m isiones a cum plir por el aparellaje electrónico son las siguientes: 1. C o nectar y cortar la corriente de soldadura o, más generalm ente, los tiem pos d e asentam iento, d e soldadura, de m antenim iento, d e intervalo, de precalentam iento, de recocido, etc.; 2 . Regular las corrientes de soldadura, de precalentam iento y d e reco ­ cido; 3. Asegurar la autom atización parcial o total de la o peración de solda­ dura.

Soldadura por protuberancias En las piezas a unir se diseña un abultam iento superficial (figura 35) de m odo que represente la resistencia y en la etapa d e fusión desaparece. Este tipo de soldadura tiene la m ism a aplicación que en el caso de por puntos, pero con una gama más estrecha, pues no abundan las soldaduras en espesores m enores de 0,2 m m , ni mayores de 3 mm.

Figura 35. Protuberancia.

Soldadura por roldanas Los dos electrodos son círculos de cob re que se desplazan a lo largo de la línea a soldar. En realidad representa un conjunto de soldaduras por puntos. Se aplica en láminas de acero bajo en carbono m uy finas (0,05 mm), mientras q ue no suele utilizarse por encim a de 2 mm.

www.FreeLibros.org Para la ejecució n de costu ra s longitudinales en planchas delgadas, se utilizan generalm ente los electrodos de rodillos. Los dos electrodos están

46

P ro ced im ien to s d e soldadura

Figura 36. Soldadura por roldanas.

construidos (fig. 36) en form a de dos rodillos de cobre, giratorios sobre sus ejes. Estos dos rodillos están conectados al transform ador. Ejerciendo una adecuada presión de los rodillos sobre las piezas a soldar y haciendo pasar las dos planchas superpuestas entre los rodillos, se consigue una costura soldada ininterrumpida.

SOLDADURA POR ELECTRÓLISIS El procedim iento de soldadura por electrólisis del agua se lleva a cabo conectando el polo positivo d e un generador de corriente continua a un recipiente (fig. 37), recubierto de plancha de plom o y bien aislado de la tierra. Este recipiente se llena con una disofución de sosa, cuya conductivi­ dad eléctrica aum enta por la adición de un poco de ácido sulfúrico. El polo negativo va conectado a la pieza a soldar, y de aquí al negativo del generador. Introduciendo esta pieza en el líquido se efectúa un proceso análogo al d e la producción d e hidrógeno en electrolizadores, e s decir, el agua o la disolución se descom ponen por el paso de la corriente eléctrica. En el polo negativo, o sea, en la pieza a soldar, se separa hidrógeno, que envuelve las piezas m etálicas con una delgada capa de gas. Esta capa ofrece una resistencia tan grande que da lugar a la form ación de una gran cantidad de pequeños arcos voltaicos entre el electrólito y el metal, que

Figura 37. Soldadura por electrólisis.

www.FreeLibros.org 47

So ld ad u ra industrial: cla se s y a p licacio n e s

m uy pronto llevan las piezas a la incandescencia. La íntima unión de las piezas m etálicas se verifica fuera del circuito eléctrico, sobre el yunque, a golpes d e martillo, por presión.

SOLDADURA ALUMINOTÉRMICA La soldadura alum inotérm ica consiste en m ezclar óxido de hierro y polvo de alum inio, encenderlo y dejar que entren en reacción a los 1200 °C (figura 38). Esta elevada tem peratura requiere un material interm edio «portador», llamado masa de ignición, com puesto de peróxido d e bario (B a 0 2) y polvo de alum inio, cuya masa, por m edio d e una tira d e magne­ sio, se inflam a fácilm ente. Bajo la acción de una elevada tem peratura (unos 3000 °C ) el ó xido de hierro contenido en el interior de un crisol de fusión, se transforma en hierro, mientras q ue el alum inio se com bina con el oxígeno liberado y form a óxido de alum inio (alúmina). Esta fuerte reacción (transformación) se produce según la siguiente fórm ula: 2Al + Fe20 3 = A l20 3 + 2Fe (exotérmica) La alúm ina, de m enos peso específico, flota en la superficie del recipien­ te en form a de escoria fluida y evita la com bustión del acero líquido q ue se encuentra debajo. Esta reacción tan sencilla, que dura d e 10 a 20 segun­ dos, es posible por la gran afinidad del alum inio para el oxígeno. Un kilogram o d e com puesto alum inotérm ico genera 476 g d e escoria, 524 g d e hierro y 188 calorías.

Figura 38. Soldadura p o r termita.

de la t e r m it a

s e s u e ld a n

SOLDADURA POR EXPLOSIÓN La técnica de la soldadura por explosión se utiliza para fabricar materia­ les bim etálicos o chapados (fig. 39).

www.FreeLibros.org Después de la lim pieza y preparación de las superficies de unión, las dos chapas se colocan una sobre la otra y se cubren con el explosivo seleccio ­ nado; a continuación se cubre todo el conjunto con arena, a fin de

48

Procedim ientos d e soldadura

amortiguar la explosión y se hace detonar la carga. Las chapas bim etálicas consisten únicam ente en el material básico y su capa de metal de revestí. . . , . . i 7 ' miento, unidas integralmente.

Figura 39. M étodo de formación de la unión metálica por explosión. r r

Esta unión, de extraordinaria resistencia, se form a por el fenóm eno metalúrgico que ocurre cuando dos chapas metálicas entran en colisión a gran velocidad bajo los efectos de una gran carga explosiva. La detonación genera una alta presión en la superficie de contacto, dando lugar a la formación de un chorro m etálico en el espacio anterior a la zo n a de impacto. Este chorro, mediante el proceso d e deform ación por esfuerzo cortan­ te, elim ina las películas gaseosas adheridas en la superficie, creando así unas condiciones perfectas para la unión de metal con metal. La onda explosiva se propaga de tal form a que el chorro m etálico queda atrapado entre las chapas d e colisión y se solidifica en charcos discretos. De esta m anera se consigue una unión de naturaleza atóm ica por la combinación de dos procesos metalúrgicos: aleación por fusión y defor­ mación por esfuerzo cortante. Con la técnica de la soldadura por explosión pueden producirse hoy placas de titanio y acero con juntas tan estables que ni siquiera una curva de 180° alrededor de una conform adora de radio de 2 x 1 de espesor provocaría una separación. La tabla de la figura 40 recoge algunos pares de metales soldados por explosión.

Figura 40. Metales soldados p o r explosión.

Alum inio Cobre Cobre Cobre M onel Inconel

sobre sobre sobre sobre sobre sobre

Plata Acero inoxidable Inconel Titanio A cero inoxidable Acero

www.FreeLibros.org 49

So ld ad u ra industrial: cla se s y a p licacio n es

SOLDADURA ULTRASÓNICA El em pleo de vibraciones ultrasónicas para la soldadura y, concretam en­ te, para la soldadura del alum inio em p ezó a estudiarse en A lem ania hacia 1936 y, desde 1938, existe una patente alem ana de soldador ultrasónico, si bien el procedim iento fue po co cono cid o hasta 1950. En los Estados U nidos los tratam ientos se em pezaron a aplicar industrialm ente en 1952 y, d esde 1955, han ido apareciendo máquinas co m er­ ciales de una potencia del orden de 2.000 vatios; estos aparatos se perfeccionan sin cesar y así se han construido m odelos de soldadura continua del tipo de roldanas. El procedim iento ultrasónico perm ite unir piezas metálicas no soldadles por los m étodos clásicos, eléctricos o al soplete; con él se obtienen uniones m uy resistentes y juntas estancas a base de soldadura continua. En cierto m odo se puede com parar este procedim iento a la soldadura eléctri­ ca por puntos o a la soldadura continua por roldanas; pero su principio es m uy diferente, puesto que en realidad se trata só lo de un efecto de presión. La soldadura por ultrasonidos («ultrasonic welding»: USW ) se lleva a cabo m ediante la producción de vibraciones de alta frecuencia aplicadas en la zona de contacto de las dos piezas metálicas que se desean unir, sometidas a cierta presión. D e este m odo los átom os superficiales del metal disrum pen de los com ponentes y contribuyen a unir las dos partes separadas. Este procedim iento de soldadura se utiliza para enlazar partes metálicas d e la misma y de distinta naturaleza, según indica la figura 41. Entre las ventajas ofrecidas por este procedim iento de soldadura cabe citar que no im plica un calentam iento significativo d e las partes a enlazar, pues la temperatura alcanzada con esta técnica suele ser del orden del 30 al 50 % de la tem peratura de fusión del metal a soldar, expresada en la escala absoluta. Esto significa que no sólo se elim ina el riesgo de fragilidad del metal a soldar por la morfología m icroestructural de cordón o de los puntos de soldadura, sino que apenas existe zo n a afectada (fragilizada) por el calor. Adem ás, es suficiente que la presión aplicada para soldar las partes sea del orden del 1 0 % d e la necesaria para la deform ación metálica. C o n este procedim iento se elim inan, pues, los tratam ientos térm icos posteriores a la soldadura, la adición de fundentes y las operaciones de lim pieza posteriores a la soldadura, mientras que la lim pieza previa a la operación es mínima. El principio de la soldadura por ultrasonidos consiste en convertir las vibraciones de ultrasonidos de alta frecuencia en vibraciones mecánicas de la m ism a frecuencia, corrientem ente alrededor de los 15 kHz, median­ te el concurso de un transductor magnetostrictivo, de aleación de base níquel, o piezoeléctrico, de titanio-circonato de plom o. D e este modo, com o se aprecia en el esquem a d e la figura 42, a las piezas a soldar se les aplica una presión estática perpendicular a su superficie y vibraciones laterales, esencialm ente paralelas a las superficies a unir.

www.FreeLibros.org Las piezas a soldar se com prim en m uy fuertem ente entre un dedo m etálico m óvil, anim ado de un m ovim iento vibratorio ultrasónico de gran

50

P ro ced im ien to s d e so ld ad u ra

Al # cio Be

Be

Cu

• • • ■

o n e s Cu

Fe

Mg

Mo

Ni

Ge

Au

Pd

Pt

Si

Ag

Ta

Sn

•

• • • • • • • • • • • • • •

Ti

W

Figura 47. Soldabilidad por ultrasonidos entre metales. Los círculos indican dificultad en la unión.

Zr •

•

• Ge

• Au

•

• •

• • • • • • •

•

• • • © • 0 • • • •

•

•

• • • A l e a c i o n e s Mg • • A l e a c i o n e s Mo • • 0 • A le a c io n e s Ni • • • • Pd • • • A e a c io n e s Pt • • •

A le a c io n e s Fe

Si

•

A le a c io n e s Ag

•

A l e a c i o n e s Ta

•

•

•

• • Sn

0

• •

A le a c io n e s Ti

• •

A le a c io n e s W

•

A le a c io n e s Z r

Figura 42. Soldador ultrasónico.

www.FreeLibros.org 51

S o ld a d u ra industrial: c la se s y a p lica cio n e s

potencia, y una p ieza fija que form a una esp ecie d e yunque y que hace el papel de reflector. La energía vibratoria ultrasónica se co ncentra en el em palm e y la soldadura es garantizada por la penetración cristalina íntima de los m ateriales so b re la su p e rficie en co n tacto de las piezas. Esta penetración, la ausencia de una zon a de fusión y la conservació n de la estructura cristalina de las piezas soldadas constituyen las propiedades características del m étodo. Este m éto do se aplica fundam entalm ente al em p alm e de elem ento s cuyo soldeo por los procedim ientos clásicos es difícil o no o frece seguri­ dad; así ocurre co n los m etales ligeros y sus aleaciones, co n los m etales de elevado punto d e fusión, tales com o titanio, tantalio, circo nio y m olibdeno, y sus aleaciones, con las parejas de elem ento s de m ateriales diferen­ tes, tales co m o acero y cobre, m olibdeno y alum inio, circo n io y acero inoxidable, y co n los com puesto s m etálicos sinterizados. Las ondas ultrasonoras producidas por la punta del sold ador d eterm i­ nan en la m asa d e la soldadura variaciones de presión d e cavitación cuya am plitud puede alcanzar valores m uy grandes, originándose verdaderos desgarram ientos co n form ación d e burbujas. El v o lum en d e éstas au m en­ ta durante una parte de la alternancia y estallan violentam ente durante la alternancia siguiente. Se producen unas presiones instantáneas enorm es, del orden de 600 kg/cm2, q ue se propagan dando origen a deform aciones locales de im por­ tancia. La superficie oxidada del metal constituye una zon a privilegiada para la form ación de centros de cavitación; así se producen m uchas explo sio nes m inúsculas en la m ism a masa de la capa de óxido, la cual se disloca rápidam ente. Para asegurar la eficacia de la operación es preciso producir una cierta concentración de energía y vib racion es a una frecuencia adecuada para provocar la cavitación. Por lo general se considera necesario adoptar frecuencias relativam ente pequeñas, del orden de 10 a 20 kHz, con cierta preferencia por la gam a d e 2 0 k H z. Los puntos d e acción so b re la superfi­ cie del metal son m inúsculos, siendo el tam año d e cada uno de e llo s del orden de un m icróm etro, pero el conjunto de estos puntos asegura una erosión eficaz de la capa d e óxido. La soldadura se efectúa enton ces sin fusión d e m etales o aleaciones y es de aplicación no só lo a los m etales blandos y ligeros y a sus aleaciones, sino tam bién a diversas parejas de m etales y aleaciones, co m o puede verse en la figura 41. La preparación d e las p iezas se limita a un desengrase por m edio de tricloroetileno o de una m ezcla de acetona, b enceno y alcohol etílico. Este procedim iento perm ite o b tener uniones resistentes de pares de piezas d e espesores m uy distintos, por ejem plo, del orden d e unos centí­ m etros y unas décim as de m ilím etro, respectivam ente; tam bién se pue­ den soldar hilos entre sí o hilos o chapas delgadas a placas gruesas, de varios cen tím etro s de espesor. Son inútiles las m áquinas de m ucha poten­ cia; la energía necesaria d ep ende solam ente del esp eso r d e la pieza superior que está en contacto con el dedo de soldeo. Para una potencia dada, él espesor de aquélla no puede sobrepasar un valo r lím ite corres­

www.FreeLibros.org 52

P ro ced im ien to s d e so ld ad u ra

pondiente a la capacidad de la m áquina; e n cam bio, el espesor de la pieza inferior no tiene im portancia, pudiendo ser de varios centím etros. El procedim iento se aplica, sobre todo , a la soldadura de piezas recu­ biertas de una película refractaria cu yo espesor sea del orden de unos m icróm etros; tam bién se han podido soldar con éxito piezas d e acero de bajo co ntenid o en carbono recubiertas de una película plástica. Se pue­ den unir co n soldadura continua hojas d e alum inio de algunos m icróm e­ tros d e espesor, obteniéndose una gran estanqueidad. C o n m áquinas de algunos centenares d e vatios d e potencia se realiza el soldeo d e elem en­ tos electró nicos en miniatura y m icrom iniatura com o, por ejem plo, la soldadura de hilo de alum inio, de platino o de oro sobre bastoncillos sem iconductores de germ anio o de silicio. Las ventajas de la soldadura por m edio de ultrasonidos, para el trabajo de los m etales ligeros y de sus aleaciones, reside, en prim er lugar, en la supresión de la lim pieza co n cep illo ; el procedim iento es m ás práctico y más rápido y , sobre todo , más eficaz. Las uniones tienen una resistencia m ecánica m ayor y aguantan m ejo r la corrosión. Los fundentes, para este tipo de soldadura, suelen ser innecesarios e incluso pueden llegar a ser perjudiciales. En efecto, la cavitación puede producir una em ulsión del fundente en la soldadura. El fenó m eno físico de la cavitación reem plaza a la acción del fundente y se o btiene un estañado eficaz en la zo n a de cavitación activa, correspondiente en la práctica a la superficie d e la pieza que se halla debajo de la punta del soldador. La soldadura por ultrasonidos puede adaptarse a la p roducción en serie continua y, en particular, al estañado de hilos, de hojas y de piezas metálicas de dim ensiones reducidas y form as irregulares, para las cuales se em plea un aparato de baño de soldadura. Para piezas m uy pequeñas y frágiles, el decapado con cepillo no es ni práctico, ni siquiera realizable. Sin em bargo, la cavitación, q ue determ ina el arranque de la capa de óxido, puede atacar m ás o m enos al propio m etal; en la práctica, las piezas m uy frágiles, tales com o hilos m uy finos u hojas m uy delgadas, presentan dificultades en el estañado. Los aparatos de ultrasonidos, destinados so bre todo al tratam iento de alum inio y sus aleaciones, se em plean tam bién para los m etales fácilm ente soldables, sin d ecapado previo, incluso aunque las superficies estén oxida­ das o con p o lvo ; se utilizan al efecto aleaciones ordinarias estaño-plom o e incluso estaño puro. Se pueden soldar por ultrasonidos todas las aleaciones ligeras, con excep ció n de las que contienen una gran proporción de m agnesio; algu­ nos m etales m uy difíciles de soldar, com o son el acero inoxidable y el crom o, pueden tam bién estañarse con éxito utilizando intensidades ultra­ sónicas suficientes. En cam bio, hay m etales co m o , por ejem plo, el berilio y el titanio, q ue todavía no se han podido tratar d e un m odo práctico.

www.FreeLibros.org Las uniones soldadas de las piezas de alum inio o de aleaciones ligeras pueden experim entar una corrosión intercristalina; pero las q ue se han estañado previam ente por m edio de ultrasonidos resisten m ejo r a la corrosión. Algunas soldaduras blandas pueden sufrir efectos electrolíticos

53

So ld a d u ra industrial: cla ses y a p lica cio n e s

que p roducen una corrosión rápida de la soldadura o d e la base m etálica; una m edida general de protección consiste en pintar la superficie o en darle un revestim iento que la defienda contra la hum edad. La torsión m ecánica tam bién ha de ser tenida en cuenta. En efecto, cuando se realizan soldaduras con estaño sobre superficies q ue soportan un esfuerzo m ecánico, pueden producirse penetraciones intergranulares del alum inio y sus aleaciones y el fen ó m e n o es m ás m olesto aún si el estañado se efectúa después del m ontaje. Así, el estañado de un tablero de instrum entos de un autom óvil, realizado antes del m ontaje, puede presentar grietas a lo largo de las líneas de torsión. Estos inconvenientes pueden evitarse eligiendo racionalm ente la solda­ dura y la clase de aleación a utilizar. U na soldadura estaño-cinc m ejora las cualidades m ecánicas; pero por m antenerse en estado pastoso a lo largo de una am plia gama d e tem peraturas, no es fácil o b tener uniones perm a­ nentem ente lim pias. Por otra parte, esta soldadura no fluye co n facilidad y ello tam bién constituye un inco nveniente cuando se trata de cubrir super­ ficies bastante grandes sin tratam iento ulterior. El alum inio y sus aleaciones son cada ve z más utilizados para un gran núm ero de aplicaciones diversas y la soldadura por ultrasonidos puede hacerlos aún m ás interesantes. D e sd e el punto de vista eléctrico , el alum i­ nio p osee una resistencia específica m ás elevada q ue el cob re y, p o r tanto, para o btener en iguales cond icio nes una m ism a conductancia, hace falta un vo lum en m ayor del prim ero que del segundo; p ero el uso del alum inio representa, con respecto al cobre, una relación en peso del orden del 60 por 100. Esta e co no m ía es particularm ente im portante en la aviación y en el autom óvil. La sustitución del cobre por el alum inio tam bién podría ser de interés en el bobinado de m otores y en canalizaciones eléctricas de todas clases.

www.FreeLibros.org 54

P ro ced im ien to s d e so ld ad u ra

U no d e los principales o bstáculos para esta adopción ha sido la insuficien­ cia d e las co nexio nes eléctricas soldadas y de los contactos por presión, debida a la plasticidad del m etal cuando se som eten a com presión. En m uchos casos, el estañado previo del alum inio hace posible utilizar solda­ dores ordinarios y para los cables de m uchos hilos, el estañado d e éstos puede efectuarse de una m anera continua. El cable puede cortarse en todos los puntos que se d esee; es posible utilizar procedim ientos de producción continua y los soldadores ultrasónicos sum ergidos permiten em plear los baños de soldadura habituales sin ninguna m odificación im portante. Los condensadores tubulares de láminas de alum inio llevan en cada extrem o un em palm e, realizado por presión, entre la hoja m etálica y un casquete exterior d e co nexió n; de dicho em palm e pueden resultar con­ tactos irregulares o conexio nes eléctricas defectuosas. Pero con un solda­ dor ultrasónico o un baño de soldadura por ultrasonidos puede estañarse com pletam ente la extrem idad de la hoja m etálica bobinada, lo que asegu­ ra un contacto eficaz; este m étodo es utilizable en una fabricación conti­ nua con cinta transportadora.

SOLDADURA POR FRICCIÓN La soldadura por fricción utiliza el roce co m o sistem a de calentam iento (figura 43), pues, aparte d e ser una fuente eficaz de calor, la fricción proporciona una lim pieza efectiva, elim inando la contam inación superfi­ cial. U na m áquina de soldadura por fricción contiene una estructura robusta, capaz d e resistir elevadas velocidades y cargas axiales necesarias para la técnica de soldadura por fricción. D entro de la estructura se m onta un portapiezas adecuado para el co m p o nente giratorio, el cual se m ueve m ediante un m otor eléctrico a través de un em brague o bien m ediante un m otor hidráulico. El co m p o nente fijo puede avanzar por im pulsos hidráu­ licos hacia el portapiezas giratorio, con una fuerza axial apropiada que puede increm entarse rápidam ente hasta conseguir la fuerza d e forja ade­ cuada. Al principio del ciclo de soldadura se hace girar el com p onente rotato­ rio. Se puede utilizar una am plia gam a de velocidad es para conseguir una calidad razonable de soldadura, pero norm alm ente se utiliza una velo ci­ dad periférica de unos 70 a 100 m etros/m inuto. El com p onente fijo se hace avanzar hacia el giratorio co n una fuerza d e fricción apropiada. Para un acero, esta presión es de unos 1240 kg/cm2. Al entrar en contacto las dos superficies a soldar, hay una acción d e roce o desgaste, q ue elim ina la contam inación superficial, dejando el material lim pio. En este m om ento del contacto se requiere un alto par, que gradualm ente se reduce a m edida q ue las superficies son m ás suaves y la tem peratura se eleva al valo r ó p tim o, un po co por debajo del punto de fusión del material a soldar. C uando las superficies a soldar alcanzan una condició n plástica, el m aterial calentado em p ieza a evacuar la intersuperficie, fo rm ándose un collar o anillo de material base alrededor de la periferia de la intersuperficie del com p onente. Al final del tiem po de fricción cesa rápidam ente la rotación, bien desem bragando el m otor o aplicando un freno d e disco al

www.FreeLibros.org 55

So ld ad u ra industrial: cla se s y a p lica cio n e s

e je del portapiezas, o bien bloqueando la salida de líquido del m otor hidráulico. En el m om ento de parar, la fuerza de fricción alcanza el valo r de la fuerza de forja y éste es el m om ento en que se p roduce la unión (figura 44). Para un acero al carbono, la fuerza d e forja es aproxim adam ente cuatro veces la de fricción, es decir, 5000 kg/cm2. Al m enos el 75 % de la pérdida total de longitud entre los do s com ponentes o curre durante la fase d e forja. El anillo d e m aterial es, por supuesto, material base y puede en m uchas circunstancias dejarse ¡n situ, para la o btención del co m p o nen­ te final. En otras aplicaciones do nde deb e extraerse podría actuar com o un generador de esfuerzos, pudiendo elim inarlo la m ism a m áquina de soldar, o bien, con otra operación d e m ecanizado postsoldadura. Los tiem pos de los ciclo s d e soldadura son obviam ente variables y dependen del tam año y tipo d e m ateriales a soldar. Para citar un ejem plo típico, cuando se sueldan barras d e acero dulce de 25 mm d e diám etro, se requiere un tiem po de fricción de 5 a 7 segundos, con un tiem p o de frenado de hasta m edio segundo y un tiem p o d e forja de unos 2 segundos, dando así un tiem po total del ciclo de 7,5 a 1 0 segundos m ás el tiem p o de carga y descarga. Figura 44. Texlura después de la soldadura p o r forja.

SOLDADURA POR LÁSER El láser es un sistem a óp tico cap az de producir un haz d e luz coherente m onocrom ático. A ctualm ente existen cuatro tipos d e láser: a) cristal, b) gas, c) líquido y d) transistores. El rayo láser se utiliza en m icroelectrónica y en la soldadura de m etales raros y de m etales preciosos. No obstante, do nde el láser tiene m ayor aplicación es en el corte d e m etales y d e sustancias no metálicas. El rayo de luz coherente se form a por excitación de fotones a otros de la misma longitud de onda y fase. Un generador láser necesita tres elem entos: el m edio que deb e sum i­ nistrar los átom os o m oléculas para el soporte de la luz am plificada, una fuente exterior de energía para excitar el m edio y el resonador óptico para la elim inación de la luz am plificada (figura 45).

www.FreeLibros.org El resonador óptico está form ado por un tubo de vidrio resistente al calor, co n dos espejos en sus extrem os. U no d e los espejos es totalm ente

56

P ro ced im ien to s d e soldadura

Figura 45. Esquema básico de un láser.

reflexivo mientras que el otro refleja sólo el 85 % de la luz incidente. Cuando se aplica la alta tensión en algunos de los átom os o m oléculas que estaban en su estado norm al, se excitan sus electrones a niveles superiores de energía, em itiendo fotones al descender desde este nivel superior de energía al inferior o estable. Estos fotones em itidos chocan con otras moléculas excitadas que em iten fotones de la misma longitud de onda que los anteriores. D e este m odo se ha producido un rayo de luz coheren­ te o láser. Los fotones viajan entre los espejos produciendo nuevos fotones. Por este espejo parcialm ente reflexivo suben hacia el exterior un 15 % d e los fotones. Este rayo convenientem ente dirigido es el que puede aplicarse a las piezas a soldar.

SOLDADURA POR HAZ DE ELECTRONES

www.FreeLibros.org Los electrones se producen en un filam ento en espiral (fig. 46) incandes­ cente q ue actúa de cátodo. Los electrones que abandonan el cátodo son acelerados por un cam po eléctrico y se dirigen al segundo ánodo, que es la pieza a soldar. La focalización de los electrones se realiza mediante

57

Sold adura industrial: cla ses y ap licacio n es

u

Figura 46. Principio del haz de electrones.

cam pos magnéticos. M odificando los cam pos eléctrico y magnético se hace variar la energía y la concentración de los electrones, los cuales chocan con la superficie m etálica a soldar o a cortar y le ceden su energía. Un haz de electrones de 0,05 m m d e diám etro, con una fuerza electro­ m otriz de 100 k V y una intensidad d e 8 mA, posee una densidad de potencia del orden de 4-1011 W /m 2. Unas 10.000 veces superior a la potencia del arco eléctrico alim entado con las mism as características. En este procedim iento, de desarrollo relativam ente reciente, el proceso de la fusión es sim ilar al de la soldadura con plasma, ya descrito. Sin embargo, el calor ya no se origina por m edio de un gas llevado al estado de plasma, sino utilizando la energía cinética d e electrones. Éstos se producen en un dispositivo especial llamado «cañón», a la salida de un cátodo calentado, siendo sucesivam ente acelerados por la aplica­ ción de una tensión m uy elevada (de 40 a 125 kV) entre el cátodo y el ánodo, y luego enfocados, es decir, dirigido y concentrado el haz por una acción magnética, de m anera que adquiera una form a más o menos prismática de sección m uy reducida (una pequeña fracción de m ilímetro) y por otra parte regulable. Proyectando sobre la pieza q ue se desea soldar, este haz provoca su fusión en una superficie m uy poco tensa, pero a una profundidad igualm ente regulable, que puede ser considerable. La fusión está m uy concentrada (figura 47). Característica m uy im portante de la soldadura por bom bardeo electró­ nico es que se aplica generalm ente en el interior de un recinto herm ética­ m ente cerrado, el cual se ha som etido a un vacío m uy elevado. Éste perm ite que los electrones cedan toda su energía, mientras q ue, por otra parte, evita la contam inación del metal por la acción de los gases atm osfé­ ricos.

www.FreeLibros.org 58

Pro ced im ien to s d e soldadura

Desde hace algunos años se ha logrado reducir la dependencia y el coste resultantes de la obligación de obtener un vacío m uy elevado en todo el interior del recinto, m anteniendo solam ente el cañón d e electro­ nes en un recinto de m uy pequeño volum en, en el cual sí se m antiene un vacío elevadísim o, mientras que las piezas que se van a soldar son encerra­ das en otro recinto, en el que se m antiene un vacío m enos elevado y, por consiguiente, m ucho más rápido de obtener. Los dos recintos van conectados entre sí por un conducto estrecho, obturado por una com puerta especial, que se abre solam ente en el momento de soldar. Este sistema, denom inado «soldadura en vacío parcial», se acom paña en algunos casos de una protección gaseosa, pero no perm ite alcanzar, por regla general, la pureza tan extraordinaria del m etal fundido que caracteri­ za al procedim iento cuando se usa un vacío muy elevado. La soldadura por bom bardeo electrónico se realiza exclusivam ente en forma autom ática, lo q ue quiere d ecir que el avance de la pieza por delante del cañón, siguiendo recorridos rectos o circulares, queda aseguFígura 47. Soldadura de chapas d e acero al carbono medíanle haz de electrones. (X20).

www.FreeLibros.org 59

S o ld ad u ra ind ustrial: cla se s y a p lica cio n e s

rado por m edio de co m b inacio nes d e m ecanism os, cuyos m ovim ientos son dirigidos d esde el exterior de la cám ara de vacío . El control de este avan ce se efectúa por exam en visual, a través de una ventanilla apropiada. M ediante soldadura por haz de electro nes se sueldan perfiles de form as m uy variadas (figura 48). La instalación es, evidentem ente, tanto más cara cuanto m ayor es el volum en d e las piezas q ue se quieren soldar, ya que así lo serán tam bién las dim ensiones de las cám aras de vacío . Por este m otivo, m uchos talleres, incluso algunos m u y im portantes, que no desarrollan un trabajo continua­ do, sino eventual, suelen ejecutar sus trabajos por interm edio de subcon-

Figura 48. Principales aplicaciones de la soldadura p o r haz de electrones en distintos perfiles.

www.FreeLibros.org 60

P ro ced im ien to s de so ld ad u ra

tratistas especializados, q ue se han equipado bien y trabajan para una serie de clientes, llegando a m antener sus instalaciones con un coeficiente de utilización elevado. Procediendo así, los talleres que necesitan efectuar una soldadura por bom bardeo electrónico reducen de un solo golpe, en gran m edida, el período de puesta a punto de una junta particular —del que dispone ya, probablem ente, su subcontratista especializado— o del que ha encontrado ejem plos análogos.

Aplicaciones A causa d e las particularidades expuestas anteriorm ente, este procedi­ miento se aplica sobre todo en los trabajos en serie en piezas d e m uy alta calidad, constituidas por cobre desoxidado, aceros inoxidables, algunos aceros autotem plables, así co m o para m ontajes en pequeña escala, e incluso en aleaciones caras a base d e titanio, tantalio, molibdeno, circonio, etc., m uy alterables en caliente por la acción del oxígeno y del nitrógeno atm osféricos, siendo cada ve z más utilizados en las industrias aeronáuti­ cas, espaciales y nucleares. La soldadura por bom bardeo electrónico suele aplicarse a piezas cuya configuración no perm ite su unión por otro proce­ dim iento. Es prácticam ente la única cap az de soldar entre sí m etales muy distintos. Los espesores q ue pueden ser soldados varían entre 0,05 y 25 mm, pudiéndose llegar hasta los 100 m m utilizando instalaciones m uy especia­ lizadas. Finalm ente, a causa del vacío, q ue actúa sobre las piezas durante la operación de soldadura, las aleaciones que contengan m etales volátiles, com o, por ejem plo, los latones, q ue contienen cinc, no pueden ser soldadas por bom bardeo electrónico.

FORJA La soldadura por forja se lleva a cabo calentando las partes metálicas a unir hasta tem peraturas cercanas a la fusión del metal y juntándolas aplicando, al m ism o tiem po, una presión. D e este m odo las zonas calien­ tes se fo rja n : se deform an en caliente. El calentam iento puede ser eléctrico, por gas, m ediante horno... y la presión se puede conseguir en prensa, con martillo, etc. Para el éxito d e esta soldadura es d e gran im portancia la lim pieza de las superficies a unir. D e todos modos, se puede paliar esta operación introdu­ ciendo un fundente adecuado entre las superficies a unir, d e m odo que se produzca escoria y por m artilleo («elbowing effect») se elim ina. Esta escoria se genera con los ó xido s superficiales del metal. Este procedim iento de soldadura, en su form a m ás primitiva, fue el principal m étodo d e conform ación m etálica para fabricar piezas d e acero, en los albores de la historia, a partir de nodulos de hierro obtenidos en pequeños hornos alim entados co n carbón vegetal.

www.FreeLibros.org La fam osa co lu m na de D elhi (figura 49), construida 3 00 años a. J.C ., que pesa unas 6 T M , se m anufacturó a base de soldar por forja.

61

S o ld a d u ra ind ustrial: cla se s y a p lica cio n e s

Figura 49. C olu m n a d e Delhi. (Foto lo rd i Blavia.)

A ctualm ente se ha perfeccio nado el procedim iento d e calentam iento y el de aplicación de la presión. La perfecta unión alcanzada m ediante la soldadura por forja se deb e a la recristalización del m etal caliente y deform ado. La form ación de esta nueva m icroestructura cristalina genera uniones entre cristales pertenecientes a am bas partes a unir.

INDUCCIÓN La soldadura por inducción se realiza haciendo circular una corriente eléctrica (inductor) alrededor de la p ieza a soldar (inducido). En el inducido las corrientes de Foucault generadas aum entan la tem peratura, llegando a la fusión d e parte del inducido. Esta técn ica se aplica para fabricar tubos a partir d e chapas m etálicas (figura 50).

SOLDADURA DURA

www.FreeLibros.org En la soldadura dura, que es análoga a la soldadura blanda, si bien se utilizan aleacion es q ue funden a tem peraturas m ás elevadas y e s más fuerte la unión, la soldadura fun de y fluye por las fuerzas capilares entre las

62

P ro ced im ien to s d e so ld ad u ra

Figura 50. Fabricación de tubos p o r soldadura mediante in d u c ció n d e la chapa de a cero bajo en ca rbo no: 1) cable indu ctor; 2) corriente eléctrica ; 3) p u n to de so ld a d u ra ; 4) línea de soldadura; 5) lam inadores; v) fuerza electrom otriz.

superficies contiguas o superpuestas d e las partes que se desean unir, que se han calentado, aunque sin llegar a fundir (figura 51). Los m ateriales de soldadura más corrientes em pleado s son plata (pura o aleada), latón, cob re y bronce (figura 52). Estos m etales tienen distintos puntos de fusión y producen uniones de resistencia d e tracción variable. La elecció n de la m ejo r aleación de soldadura d ep ende de m uy distintos factores. Estas soldaduras se clasifican en tres grupos: 1. Aleaciones de plata o plata pura, con puntos de fusión de 650 a 870 °C . 2. Latones y aleaciones de níquel-plata, q ue funden de 8 70 a 930 ° C . 3. C o b re y aleacion es d e cobre, cu yo s puntos d e fusión se encuentran entre 8 70 y 1 120 °C .

Figura 5 1 . U n ió n m ediante soldadura dura com parada co n la soldadura p o r fusión: 1) soldadura dura; 2) cordón d e soldadura p o r fusión.

www.FreeLibros.org 63

So ld a d u ra ind ustrial: cla se s y a p lica cio n e s

Figura 52. Materiales para la soldadura dura.

C o m p o sició n aproxim ada C o b re 1 0 0 %

Intervalo de fusión e n ° C

Em pleos

1083

Se em p lea para m etales férreos. G en e ral­ m ente en horno co n atm ósfera reduc­ tora a 1100 o 1 1 5 0 ° C . No su ele necesi­ tarse fundente.

0 a 4 % de Si, 0 a 1 0 % d e S n ,0 a 1 ,2 5 % d e M n , resto co bre

1020 a 1060

95 % de C u y 5 % de P

7 0 0 a 830

Para so ld ar co n a rc o el a c e ro y so ld ar co b re a acero. A uto fu n den te para el co bre. No d eb e e m ­ plearse para acero o aleacion es férreas.

6 0 % de Cu, 0 ,7 5 % de Sn, 39,25 % de Zn

8 9 0 a 900

Em pleo general para la soldadura dura. Util para soldadura capilar o relleno de uniones abiertas. Se aplica norm alm ente calentand o co n soplete.

15 o/o d e Ag, 8 0 % de Cu, 5 % de P

6 5 0 a 700

Autofundente sobre cobre limpio. N o debe em plearse para aleacio nes férreas.

35 % d e Ag, 26 % de C u , 21 % d e Z n , 1 8 % de Cd

600 a 700

Em pleo general.

50 % de Ag. 1 5 ,5 % de C u , 1 5 ,5 % de Zn. 16 % de C d, 3 % de Ni

6 3 0 a 690

Em pleo general. Buena para unir carburo de w o lfram io. Se encuentra en todas las form as.

9 5 % de A l, 5 % de Si

570 a 630

Soldadura dura de aleaciones d e aluminio, tipos 2S y 3S am ericanos.

92,5 % d e A l, 7,5 o/0 d e Si

580 a 610

Aleación que se em plea para soldar chapas de alum inio. La soldadura se hace en horno.

8 7 ,5 % de A l, 1 2 ,5 % de Si

580 a 590

Se em plea para soldar aleaciones de alum i­ nio tales co m o los tipos am ericanos 53S, 61S y 63S.

En general, las aleaciones de plata se em plean cuand o las elevadas tem peraturas necesarias para las otras soldaduras pueden causar un creci­ m iento de grano dem asiado pronunciado o un crecim iento d e los mate­ riales q ue se han de unir y cuand o las uniones deben ser dúctiles y tenaces. Entre las aleaciones de cobre, la más corriente em pleada es el cobre fosforoso, q ue fun de de 707 a 828 °C . El cob re puro se em p lea para soldar el hierro, y debido a su elevado punto de fusión, 1083 °C , es preciso q ue la atm ósfera sea reductora o neutra, tal com o la d e hidrógeno o argón, para im pedir la oxidación. Los fundentes utilizados con casi todas estas aleaciones son, general­ m ente, los m ism os, y se pueden preparar de m anera m uy sencilla. El bórax ordinario, sobre to d o el fundido, es un fundente m uy b u e n o ; a unos .760 ° C fluidifica y disuelve los óxidos de hierro, cobre, estaño, cinc, cadm io, silicio, plata y níquel, pero no los de alum inio, cro m o y berilio. Sin

www.FreeLibros.org 64

Procedimientos de soldadura

embargo, más corrientem ente se utilizan unas preparaciones com erciales, en form a d e pasta, obtenidas m ezclando bórax con alcohol. Las m ezclas de bórax y ácido bórico se usan m ucho en las soldaduras a temperaturas superiores a 825 °C . Para unir dos m etales cuyos óxidos son refractarios, tal com o el óxido de cromo en los aceros inoxidables, el óxido d e alum inio en los bronces de aluminio y aleaciones de dicho metal y el óxido de berilio en el cobreberilio, se utilizan, com o fundentes, los difluoruros alcalinos m ezclados con bórax y ácido bórico. C o n cobre fosforoso no se necesita fundente, porque el fósforo del material actúa com o tal. El enlace entre el metal d e soldar y el m etal base, lim pio, se obtiene por una ligera difusión del metal de soldar hacia el interior del metal base, sólido y caliente, o por aleación superficial entre los m etales. El metal fundido se extiende con facilidad, bien por acción propia o por la del fundente sobre él o sobre el de la base, y por acción capilar llena las ranuras entre las partes que hay que unir. Si la ranura que se ha d e unir es demasiado grande, la resistencia a los esfuerzos es sólo la del material de relleno en estado m oldeado, pero si es dem asiado pequeña, el metal puede no penetrar. El éxito de la unión depende de la elección del fundente apropiado, d e la obtención del máxim o beneficio d e la capilaridad y del cuidadoso control de la calefacción y enfriam iento para así conseguir las m ejores condiciones del metal de relleno. Las técnicas de soldadura dura más utilizadas com prenden el arco, el soplete, el horno, la calefacción por inducción y el baño salino y el baño metálico (figura 53).

Baño

Figura 53. Procedim ientos em pleados para la soldadura dura.

Salino M etálico

Soplete Bloque Horno Derram e Resistencia eléctrica Inducción

Inmersión La soldadura por sim ple inm ersión en un baño de aleación de relleno cubierta con un fundente, para evitar la oxidación, no se em plea m ucho. Sin embargo, tiene m ayores aplicaciones el tipo d e inm ersión que utiliza un baño de sales fundidas.

www.FreeLibros.org En b a ñ o d e sales

En los com ponentes q ue se han de soldar se intercala la aleación fuerte, en posiciones adecuadas, y el conjunto se sum erge en el baño (figura 54),

65

So ld ad u ra industrial: clases y a p lica cio n e s

Figura 54. Esquem a d e l baño de sales para la soldadura dura: 1) crisol metálico; 2) termopar; 3) qu em ado r; 41 material refractario; 5) co m b ustible; 6) acero m oldeado.

m antenido a la tem peratura de soldar. Una ve z que la soldadura ha fundido y fluido hacia el interior d e todas las uniones, que generalmente es cuestión de segundos, el conjunto se extrae del baño y se enfría, y entonces aquélla solidifica inm ediatam ente. Por este m étodo se suelda todo el material férreo o no férreo, apto para esta operación, y, asimismo, se puede em plear cualquier tipo de metal d e aportación, incluyendo la plata, cobre, latón y aleaciones de alum inio. Los baños de sales empleados en soldaduras con plata, cobre y latón consisten en unas m ezclas eutécticas de los cloruros bárico, só dico y potásico. El baño para soldadura del alum inio es un baño fundente especial del fluoruro. Las principales características de las operaciones de los baños salinos son que la calefacción es uniform e y q ue se puede m antener constante la tem peratura dentro de unas diferencias de tres grados o m enos, según el m étodo de control. Para las uniones de piezas de acero se recom ienda cobre, pues el latón puede descincificarse y resultar, así, porosa la unión. C o n el baño d e sales se elim ina este inconveniente, por el corto tiem po d e inm ersión, y así se aprovecha la ventaja de realizar la soldadura a 925 ° C , en ve z de a 1083 °C, con lo cual el acero está m enos expuesto al crecim iento d e grano, distor­ sión y descarburación que producen las elevadas temperaturas.

Soplete

www.FreeLibros.org Un m étodo m uy corriente d e soldadura dura, aplicable a casi todos los metales, es el del soplete de acetileno o hidrógeno, con oxígeno (figura 55). Entre las ventajas de este soplete cab e destacar q ue el calor es fácilm ente localizabíe.y que el aparato necesario es eco nó m ico . La regula66

Pro ced im ien to s d e so ld ad u ra

Figura 55 . S o p le te d e oxia cetilen o u tilizado en la soldadura dura.

ción exacta d e la tem peratura es difícil y puede producirse alguna distor­ sión y o xidación del metal.

Bloque La soldadura con bloques consiste en aplicar una masa de m etales calientes (figura 56) a las partes que se quiere unir. El m etal de relleno es no férreo y penetra por acción capilar entre las partes que se han de soldar.

Figura 56. E jecu ció n d e la soldadura aura p o r bloque.

Horno En la soldadura realizada en horno, la atm ósfera en general e s reductora (figura 57) y el material de aportación se aplica en form a de lámina, alam bre, pasta o polvo. Es un m étodo que perm ite la producción en masa, con un buen control d e tem peratura, así com o de la carburación y descar­ buración d e los aceros, y el m aterial queda libre de tensiones residuales. Si se regula bien la atm ósfera, se pueden o b tener superficies brillantes, y si la calefacción es uniform e, no se produce distorsión alguna. Si se han de soldar pocas piezas, el m étodo es algo caro, pues no es posible localizar el calo r y es preciso fijar las piezas que hay q ue soldar.

www.FreeLibros.org 67

So ld a d u ra ind ustrial: clases y a p lica cio n e s

E le v a d o r n e u m á tic o d e P u e rta

E n tra d a d e a tm ó s fe ra

P u e r t a in t e r m e d ia d e e le v a c ió n n e u m á t ic a S is t e m a d e l c o n tro l de te m p e ra tu ro d el agua

T e rm o p a r E le c t r o v á lv u la

E le v a d o r n e u m á tic o ' p u e r t a p o s t e r io r - S a lid a d e a tm o s - S a lid a d e a g u a

E le m e n t o s x c a le f a c t o r e s

M e c h e ro c o r t in a d e lla m a s O O O O o o o o

O O ¡j o olil o o j o ol •i::;:;::C a l e f a c t o r e s jSí-j

P la t a f o r m a de c a rg a

M e c h e ro d e c o r t in a d e lla m a s

Figura 57. H orno d e atmósfera controlada utilizado para la soldadura dura.

S o le r a de c a r b u r o de s ilic io

Term ostato del ag ua

P u rg a de a g u a P la t a f o r m a d e d e s c a rg a

Derrame Para realizar la soldadura por derram e, el metal fundido se esp arce junto a las partes que se han d e unir, q ue d eb en estar calientes, para evitar que el metal de aportación fundido se enfríe antes de llenar por capilaridad la ranura.

Resistencia eléctrica El m éto do p o r resistencia eléctrica (figura 58) p o see la ventaja d e locali­ zar el c a lo ry hacer el trabajo rápidam ente. Para pro ducir el calor necesario, Figura 58. Soldadura dura calentada p o r resistencia.

www.FreeLibros.org 68

P ro ced im ien to s d e so ld ad u ra

se em p lea una corriente de gran am peraje; el enfriam iento es tam bién bastante rápido. C o n frecuencia, la parte principal del calo r p ro ced e de los electrodos de carb o no, q ue están en contacto co n el m aterial que se quiere soldar. El m éto do se adapta bien a la aplicación d e presión, cuando ésta es necesaria.

Inducción La calefacción por inducción (figura 59) ha adquirido un gran desarrollo, debido a su aptitud para calentar rápidam ente las porciones elegidas de las piezas m etálicas, prácticam ente a cualquier tem peratura. Tam b ién cabe destacar com o ventajas su lim pieza y ausencia de com bustión y la facili­ dad con q ue se p uede aplicar. Las partes a ensam blar se rodean por una bobina, a través d e la cual se hace pasar una corriente de alta frecuencia, y la resistencia del m aterial, en esas partes, a las corrientes inducidas produ­ ce una rápida elevación d e tem peratura. Por ser los intervalos de corta duración, aunque las tem peraturas son elevadas, se produce m uy poca oxidación y alabeado. Figura 59. Calentam iento p o r in d u c ció n utilizado para la soldadura dura.

Este m éto do es particularm ente apto para la p roducción en serie y para el trabajo interm itente, p orque el equipo se p o ne en funcio nam iento con rapidez, y se aplica, especialm ente, para soldar piezas d e acero con aleacion es de plata y cobre fosforoso. A sim ism o tien e un particular interés para soldar las piezas, previam ente tem pladas y revenidas, sin afectar al tratam iento térm ico, y, por otra parte, es lo suficientem ente flexible para perm itir, en determ inadas aplicaciones, sim ultáneam ente, la soldadura y el endurecim iento.

www.FreeLibros.org 69

S o ld a d u ra industrial: cla se s y a p lica cio n e s

SOLDADURA BLANDA La soldadura blanda consiste, principalm ente, en la aportación d e alea­ cion es (sueldas) de estaño y p lo m o , c uyo punto d e fusión d ep ende d e las pro p orcio nes relativas d e estos dos m etales en aleación (figura 60). C o n la proporción de un 62 °/o de estaño se o b tie n e una «soldadura fina», que se em plea cuando las exigencias son críticas co n respecto a la tem peratura. Por el contrario, la am plia zo n a de solidificación d e la aleación , que co n tie n e un 35 °/o, perm ite dejar «limpia» la unión. La soldadura blanda requiere una lim p ieza previa d e las superficies a so ldar para elim inar la capa de óxido, q ue dificulta la unión suelda-m etal (figura 61).

Figura 60. A lea cio n es para la soldadura blanda.

C o m p o sic ió n aproxim ada

Intervalo de fusión, ° C

70 % d e Sn, 3 0 % d e Pb, 62 % d e Sn, 3 8 °/od e Pb,

18 0 a 200 180

50 % de Sn, 5 0 % d e Pb, 40 % d e Sn, 6 0 % d e Pb, 20 % d e Sn, 8 0 % d e P b ,

O b serva cio n es y usos

Soldadura alta en estaño. Soldadura estaño -plom o co n el punto de fusión m ás bajo. Funde a tem peratura constante. 180 a 220 Es el m etal de soldar m ás em p le ad o . Usos generales. 18 0 a 240 Para soldar tubo s o envueltas de cables de plom o. 180 a 270 Soldadura de em pleo general baja en estaño. Reparación d e carrocerías de automóvil.

12,5 % d e Sn, 25 °/o de Pb, 50 % de Bi, 1 2 ,5 % de Cd

70

4 0 % d e Z n, 6 0 % d e Sn

330

Es el llam ado m etal W o o d . A le ació n para soldar a baja tem peratura. Para la soldadura blanda del alum inio.

La soldadura de estaño-plom o se e xp en d e en form a d e lám ina o cinta de varios espesores y anchuras, varillas o alam bres de distintos diám etros y polvo de varias m allas. Los polvos d e soldar se usan, principalm ente, para las piezas pequeñas y delicadas; tal es el caso d e la joyería. C o b re, níquel, plom o, estaño, cin c y m uchas de sus aleacion es, así co m o las chapas de acero estañadas, habitualm ente se unen m ediante soldadura blanda. G eneralm ente es necesario em p lear fundentes, que básicam ente se clasifican en: — fundentes suaves, tales c o m o sebo, estearina, colo fo nia, trem entinacolofonia y m ezclas d e resinas y alco ho l, — fundentes fuertes o ácidos, basados en cloruro de cin c, q ue son corrosivos, lo q ue e s un inco nvenien te e n ciertas ap licacio nes. El cloruro de cin c co n o sin adición de cloruro am ó nico im p ide la o xid ació n. La ad ició n de cloruro am ó n ico m ejora la eficacia de este tipo de fundente.

www.FreeLibros.org

U na pasta fundente m uy popular co n tie n e , aproxim adam ente, 75 % de «petrolato», 20 °/o de cloruro de cin c y 5 % de cloruro am ó n ico , y una pequeña cantidad de agua co m o agente em ulsionante. U na v e z realizada la soldadura, es co n ve n ie n te elim inar la escoria y el

70

P ro ced im ien to s d e so ld ad u ra

Figura 61. Esquem a de la soldadura blanda encim a de una su p erficie m etálica: 1) bu ena s p ro p ied a d es m ecán icas; 2) malas pro p ied a d es m ecánicas; 3) sin adherencia.

exceso de fundente q ue pueda quedar, pues, si hay absorción de hum e­ dad, puede producirse corrosión.

Bloque La soldadura blanda realizada por el p rocedim iento del bloque consiste en em plear una masa de cobre, q ue se ha de «estañar» previam ente o recubrirlo con soldadura y m antenerlo lim pio; sólo fun de la aleación m ientras q ue los m etales que se desea unir se ponen en íntim o contacto. l

Derrame La soldadura blanda por derram e consiste en fundir la suelda, vertiendo cuidadosam ente la soldadura fundida sobre el área q ue se ha d e unir. Se recoge el e xceso de soldadura que se cae d e la unión y se aplica, por deslizam iento, a la parte superior y alrededor de la unión, hasta que ésta adquiere una tem peratura superior a la del «sólidus» d el material de aportación y queda com p letam ente cerrada. Para hacer la unión por deslizam iento, sobre tubos o fundas de cables, se em plea un metal de aportación q ue contiene alrededor d e un 2 % d e antim onio.

Resistencia

www.FreeLibros.org

En la soldadura de las co nexio nes de aparatos eléctricos se em plea, casi exclusivam ente, el soldador calentado eléctricam ente. La rápida fusión del metal d e aportación, unido a la tem peratura adquirida m om entáneam en-

71

So ld ad u ra industrial: clases y a p licacio n e s

te por los bordes en contacto con el soldador, favorecen la hum ectabili­ dad.

Llama C uando las partes q ue se han de unir son dem asiado grandes para calentarlas con el soldador o tienen formas difíciles para ser soldadas rápidam ente, se calientan m oviendo la llam a de un soplete y, entonces, se aplica soldadura fría.

Inmersión Si las p iezas son m uy num erosas y se pueden e nsam b lar co n facilidad, la soldadura se puede realizar por inm ersión en un baño q ue contiene soldadura fundida. Si el material contiene cobre, hay que tener cuidado para que no se contam ine el estaño con ese metal. La soldadura de los radiadores d e autom óviles es un buen ejem plo de este caso. Para los de tipo panal, se prefiere la soldadura d e 4 0 % d e estaño y 6 0 % de plomo, porque es más resistente a la fatiga por vibración.

Inducción M uchas soldaduras se hacen calentando por inducción a alta frecuen­ cia, sobre todo si la inducción de soldaduras ha de ser rápida, sencilla y repetida. Este m étodo es más eficaz con los materiales férreos, si bien sólo es e co nó m ico cuando se dispone d e buenos equipos o la p roducción se realiza a gran escala.

Propiedades de la soldadura blanda La resistencia de estas uniones a esfuerzos cortantes o de cizalla, a tem peratura am biente, depende de: a) La distancia entre los m etales que se han de unir. b ) La tem peratura de la soldadura.

c) El tiem po de calefacción. d ) La com posición de los metales que se desea soldar.

Las propiedades de la unión varían si la aleación d e aportación se alea o no con los m etales base. La distancia entre los m etales que se desea unir puede variar bastante, si bien 0,01 m ilím etro parece ser la distancia más co nveniente; las superficies deben ser planas. N orm alm ente no se recom ienda la soldadura blanda para unir el alum i­ nio, pues para ello se prefiere la soldadura fuerte y la sim ple soldadura. Para soldar cinc o hierro galvanizado no debe estar presente antim o nio en el m etal de aportación, porque el c in c y aquel elem ento form an una com binación difícilm ente fusible.

www.FreeLibros.org RECARGUE

Recibe el nom bre de recargue la deposición de un metal en una superfi­ cie m etálica p o r soldadura o bien por m etalización por proyección, con

72

P ro ced im ien to s d e so ld ad u ra

objeto d e conseguir ciertas propiedades deseadas o , principalm ente, ciertas d im ensio nes. El recargue duro es un tipo de recargue aplicado con el propósito d e conseguir resistencia frente a cualquier agente destructivo (calor, desgaste, corrosión, etc.). Se pueden com b inar los procedim ientos de recargue siguientes: recar­ gue por soldadura directa, recargue por soldadura indirecta y m etalización por p ro yecció n. Los dos prim eros se pueden dar sim ultánea o sucesiva­ m ente y cada uno de los dos prim eros se puede com binar con el tercero de un m odo sucesivo. Las aleaciones para recargue duro se depositan sin dificultad sobre casi todos los aceros. Los aceros con alto co ntenid o en carbono y ciertos aceros aleados requieren un tratam iento previo, y a q ue por su endureci­ m iento al aire son susceptibles de agrietarse. El m etal base más apropiado es el de acero d u lce y, si se requiere un acero de m ayor resistencia, se puede escoger uno del 0 ,4 % en carbono co m o m áxim o. Tam b ién son muy apropiados com o material base los acero s inoxidables austeníticos estabilizados co n niobio. El alum inio, el bronce y el latón pueden ser depositados solam ente por proyección co n plasm a, cuand o se quiere o b tener un recubrim iento duro. El área q ue deb e ser recargada ha de estar perfectam ente libre de cualquier contam inante y norm alm ente se p rocede tanto a un precalentam iento del sustrato co m o a u n calentam iento posterior al recargue y a un tratam iento de enfriam iento cuidadoso. Los m ateriales usados para recargue duro se pueden clasificar a grandes trazos d e la fo rm a siguiente: 1. A leacio nes férreas d ébilm ente aleadas o fuertem ente aleadas. 2. A leacio nes base níquel o base cobalto. 3. C arburos o boruros de m etales refractarios (W , Cr, etc.). T o d o s los m ateriales indicados se presentan en la industria e n form a de electrodos para soldadura y algunos tam bién en form a d e varilla, alam bre o en p o lvo . En form a de polvo só lo se presentan las aleacion es base níquel y base cobalto, así com o los carburos y boruros d e ciertos m etales refracta­ rios co m o lo s carburos d e w olfram io , los carburos de cro m o y los boruros d e crom o.

Propiedades del recargue Las aleaciones base níquel son resistentes al desgaste y a la corro sió n; las aleacion es base co b alto m antienen esta resistencia incluso a elevadas tem peraturas, m ientras q ue las aleacion es base hierro son resistentes al desgaste a tem peratura am biente. Estas aleacion es se conform an por m o ldeo y tam bién se sum inistran en form a d e varilla, e lectro do s y polvos para recargue duro.

www.FreeLibros.org N orm alm ente el recargue duro se realiza con aleacion es base hierro relativam ente baratas, siendo sus principales elem entos de aleación crom o

73

So ldadura industrial: clases y a p licacio n e s

y carbono. El crom o aum enta la resistencia al desgaste de los aceros tem plados e increm enta la dureza de los carburos en la fundición. Cuando está presente suficiente crom o aparecen cristales masivos de carburo de crom o, los cuales confieren una excelente resistencia a la abrasión. A dicio­ nes de w olfram io y de m olibdeno increm entan la resistencia a las tem pe­ raturas elevadas y a la abrasión por parte d e la aleación. Cuando el níquel sustituye al hierro, la resistencia a la corrosión y al calor aum entan, y el crom o, el tungsteno y el m olibdeno cum plen funciones similares a las de aleaciones base hierro. La adición de boro y carbono, no solam ente endurece la matriz sino que condu ce al desarrollo m asivo de boruros y carburos, principalm ente de crom o, elevando considerablem ente la resis­ tencia al desgaste. La presencia d e boro y silicio, confiere a las aleaciones características autofundentes, y reduce la tem peratura de fusión de la aleación. Sin embargo, tiene lugar alguna lim itación en la temperatura superior a la cual las aleaciones pueden usarse. El uso de cobalto com o metal base increm enta la m áxim a tem peratura a la cual la aleación puede utilizarse, y ésta presenta una elevada dureza a alta tem peratura y una buena resistencia a la oxidación. El crom o, el m olibdeno y el w olfram io realizan las mismas funciones que antes y el carbono, a partir de cierta proporción, tiene un efecto endureced o r similar al de las aleaciones base hierro. La dureza y los m icroconstituyentes de varias aleaciones se dan en la figura 62. En las aleaciones d e cobalto-crom o-tungsteno, el cobalto proporciona una m atriz d e disolución sólida estable. En las aleaciones de bajo conte­ nido en carbono (m enos del 1 ,8 % ) hay un sistem a binario que contiene un eutéctico, el cual en la soldadura por fusión m uestra dendritas con segregaciones d e disolución sólida. En las aleaciones hipereutécticas apa­ recen cristales ideom órficos de carburo de crom o. Parte de este crom o

Figura 62. D ureza d e los m icroconstituyentes d e varias aleaciones utilizadas para recargue ¿u ro .

A leación

M acrodureza

M icroconstituyente

M icrodureza

Fundición martensítica

792

M artensita Cem entita

390-640 1052-1600

Fundición martensítica

500-750

M artensita Cem entita

400-700 1200-1400

-

Carburo d e crom o

1960

Níquel cro m o boro

650-750

D isolución sólida Carburo d e crom o Boruro de crom o

481 2500 4000

Níquel crom o boro

-

Boruro de crom o

2668

C o b alto cro m o wolfram io carbono

400

D isolución sólida Eutéctico

400 750

C o balto cro m o wolfram io carbono

600

D isolución sólida Eutéctico Carburo de crom o

500-600 900 1800

C o balto cro m o wolfram io carbono

-

Carburo de crom o

1672-2520

C arburo de w olfram io

-

Granos

www.FreeLibros.org 74

2500

P ro ced im ien to s d e soldadura

puede ser reem plazado por cobalto y/o tungsteno. D ebido al pequeño intervalo de solidificación, existe una pequeña tendencia a la fragilización. El boro actúa com o endurecedor y autofundente, dism inuyendo el punto de fusión, la tem peratura del eutéctico y ensanchando el intervalo de solidificación. El contenido en boro de las aleaciones base níquel y base cobalto es limitado. Las aleaciones base níquel muestran una estructura que consta de una disolución sólida com puesta principalm ente de níquel, crom o, boro y silicio, con cantidades variables d e eutéctico según la com posición. La disolución sólida contiene cristales de boruro y carburo de crom o. Este sistem a de multifase tiene un intervalo plástico am plio, el cual permite la deposición d e las aleaciones en contornos redondeados y adem ás que el depósito sea hechurado en caliente y trefilado. El tungsteno y el molibdeno mejoran norm alm ente las propiedades m ecánicas del recubrim ien­ to, particularm ente por encim a de los 500 °C , y la resistencia al desgaste puede aum entarse incorporando carburo de w olfram io sinterizado.

Técnica Para la obtención de recargues duros en el contexto d e la metalización por proyección, se aplican los procedim ientos siguientes: 1. Proyección y fusión. 2. Proyección con plasma. 3. Transporte a la llama. 4. Proyección por detonación. P ro y e c ció n y fusión

Este procedim iento com prende la proyección convencional y la poste­ rior fusión de aleaciones sobre el sustrato. Se caracteriza por producir un enlace quím ico entre el metal base y el recubrim iento. Para asegurar una buena unión, la superficie del m etal d eb e limpiarse a fondo, lo cual se realiza con un disolvente com o el tetracloruro de carbono. Luego se chorrea la superficie con óxido de alum inio (24 mesh) o con granalla angular de acero, teniendo la precaución de no tocar la superficie chorreada con las m anos, puesto que las huellas pueden conta­ m inar la superficie e im pedir, así, la buena adherencia del recubrim iento. A unque las aleaciones para recargue duro se presentan en form a de polvo, estos polvos se pueden m anejaren form a de cordón, colocándolos en el interior de un tubo de material p olim érico; no hay riesgo de contam i­ nación del recubrim iento y a que el material polim érico se vaporiza com ­ pletam ente en la llama. Las com posiciones típicas y durezas de las aleaciones utilizadas en la proyección y fusión se dan en la figura 63. Estas aleaciones son autofundentes, em pleando silicio y boro para dispersar los óxidos form ados en la proyección y fusión. El boro en estas aleaciones tam bién form a com pues­ tos d e crom o y níquel, los cuales son extrem adam ente duros. C uand o los

www.FreeLibros.org 75

S o ld ad u ra ind ustrial: cla ses y a p lica cio n e s

Com posición en %

dureza

Aleación

Ni

Co

Cr

W

Mo

Cu

1

93

2

82

—

10

-

-

3 4

76

-

13

-

-

-

3

70

-

3,5

16

-

-

67

-

17

5 6 7

3

3

4

66

-

13

-

-

4

27

40

19

16 -

3

4

13

52

2,3

1 4

0,7

-

70

4,5

-

1,9

9 10

20 21

6 —

-

8

2,4

1,6

-

0,1

-

48

-

62

28

5

-

-

-

2 máx. 3 máx.

1

-

42 a 45

11

-

43

33

18

-

-

-

2 máx.

3 máx

2,5

-

6 0 a 65

12

-

-

30

-

-

-

-

1 máx.

66

Figura 63. Materiales refractarios u tilizados e n la proyección .

7

C

Mn

HRC

-

-

-

35 a 44

2,5

0,2

-

30 a 40

Si + F ? + C = 9 m áx. 4 4 1

-

45 a 50

-

56 a 6 4 0

-

50 a 55

-

4 8 a 52

B

Si

-

1,9

3,5

—

2,5

2,5

Fe

4 2,5 0,5 Si + Fe + C = 0 m áx. -

59 a 62

1 máx. 5 0 a 6 1 0

2,5 máx. 1 m áx.

600

C) La dureza puede pasar de 62 RC a 66 RC por adición de CW

boruros se dispersan a través de la m atriz, el recubrim iento presenta un increm ento en su dureza efectiva y un bajo coeficiente de rozam iento. Algunas aleaciones llevan carbono, con lo q ue se form a carburo d e crom o de elevada dureza, y otras contienen carburo d e tungsteno, lo q ue incre­ m enta la resistencia a la abrasión del recubrim iento. Las aleaciones de la figura 63 funden entre los 900 y los 1 300 °C , siendo la núm ero d o ce la que funde a tem peratura mayor. Los recubrim ientos de base níquel o cobalto tienen m en or ductilidad y coeficientes de dilatación m u cho m ás elevado s q ue los recubrim ientos de base hierro. En general, un precalentam iento del sustrato, previo a la deposición, m inim iza la tendencia del recubrim iento a la rotura, la cual se deb e a la diferencia entre los coeficientes de dilatación del sustrato y del recubri­ m iento. Las aplicaciones típicas del procedim iento de proyecció n y fusión se dan en el cam po de los com p onentes m ecánicos, co m o , por ejem plo, asientos de válvulas, guías de alam bre, levas, m oldes en la industria del vidrio, pistones, etc. Los recubrim ientos por proyecció n y fusión del alum inio se aplican norm alm ente con la pistola de alam bre, co m o protec­ ción frente a la corrosión a alta temperatura. La fusión del recubrim iento proyectado se p ued e llevar a cabo de las maneras siguientes: con la llama d e la pistola de p ro yecció n, m ediante un soplete auxiliar (con llam a suave ligeram ente reductora), calentando en un horno con atm ósfera reductora o bien, por últim o, calentando p o r induc­ ción eléctrica.

www.FreeLibros.org Es m u y conveniente fundir el depósito m etálico inm ediatam ente des­ pués de haber sido proyectado para poder evitar q ue se enfríe la pieza.

76

Pro ced im ien to s d e so ld adu ra

Un tiem p o excesivo de fusión da lugar a la dism inución de la dureza y de la resistencia a la corrosión por parte del recubrim iento. Cuando se trata de fundir un recubrim iento con alto porcentaje en carburo de tungsteno, éste puede quedar, por su densidad, debajo d e los otros carburos que se forman. Para evitar la acum ulación de las partículas d e carburo d e w olfra­ mio en la parte inferior del recubrim iento, previam ente a la fusión, se proyecta una capa de material autofundente. La aleación proyectada funde alrededor de los 1000 ° C y refleja la llama del soplete de fusión a co nsecuencia de la reacción entre el boro y los óxidos básicos. El control d e la fusión se lleva a cabo m ediante la observa­ ción de los destellos de la superficie líquida del recubrim iento. Estos destellos dependen de la tensión superficial y del intervalo d e fusión d e la aleación. Las norm ales form aciones de óxidos deben ser suprimidas de m odo q ue no interfieran en el reconocim iento de los destellos. Existen tres factores m uy im portantes a tener en cuenta en el procedi­ miento de proyección y fusión: la dilución del metal base, el efecto térm ico en la estructura del metal base y las tensiones residuales. La dilución del metal base es despreciable. En consecuencia, e s posible depositar aleaciones duras sin dificultad en materiales com o acero inoxi­ dable 18/8 estabilizado co n titanio, aceros nitrurados y aceros de corte. La fácil aplicación, en estos materiales, de recargues duros por proyección y fusión contrasta con los problem as que aparecen en el recargue por soldadura. En el procedim iento de proyección y fusión, la intensidad de calor com unicado es m ucho m en or q ue por otros procedim ientos d e recargue duro. Las tensiones inducidas en el sustrato por la técnica de proyección y fusión son tam bién m uy bajas. Esto se debe no solam ente a la m enor tem peratura y más rápida fusión del recubrim iento sino tam bién a que el calor es com unicado de un m odo más uniform e, especialm ente en los casos de piezas cilindricas, las cuales pueden girar durante la fusión. P ro y e c ció n c o n plasm a

D eb ido a las tem peraturas tan elevadas que se consiguen en los equi­ pos d e proyección, éstos norm alm ente se usan para proyectar materiales altam ente refractarios (figura 63). Se puede depositar un recubrim iento resistente al desgaste d e partícu­ las duras d e carburos d e tungsteno, proyectándolos en el metal base (por ejem plo, un acero dulce). Normalmente estos carburos d e tungsteno están form ados por las especies W C y W 2C cuyas partículas tienen una microdureza de 1730 a 2 490 kp/mm2. Sin em bargo, en este caso el grado de adherencia entre el recubrim iento y el sustrato es relativam ente bajo. C on el fin d e aum entar la adherencia, se procede a un recargue capilar por soldadura indirecta q ue consiste en recubrir el recubrim iento proyectado con una aleación soldante líquida que m o je bien, tanto las partículas proyectadas com o el metal base. C o m o aleación soldante se puede utilizar el cobre. El recargue por soldadura indirecta m ediante cob re se realiza en vacío de 1,5 a 2 X 1 0 -2 m m de Hg para sublimar y disociar térm ica­ m ente los ó xidos d e tungsteno d e la superficie d e las partículas d e carbu-

www.FreeLibros.org 77

So ld a d u ra industrial: cla se s y a p lica cio n e s

ros. El procedim iento de soldadura indirecta se realiza a tem peratura de 1 1 5 0 °C y se term ina en m enos d e un m inuto. Este procedim iento para o btener un recubrim iento duro e s una com b inació n de dos p rocedim ien­ tos d e recargue: uno por proyección y otro p o r soldadura indirecta. Tam bién se depositan por plasm a aleaciones base cobalto, base níquel y base hierro, acero s inoxidables, cob re y aleacion es de cobre. Todos estos m ateriales dan lugar p o r proyección a recubrim ientos resistentes al calor, al desgaste y a la corrosión. O tras veces se aplican para obtener recubrim ientos condu ctores de calor y de la electricidad, barreras térmicas y recubrim ientos dieléctricos. P ro y e c c ió n p o r d e to n a ció n

En la figura 64 se presentan las propiedades de ciertos recubrim ientos obtenidos por detonación. Los recubrim ientos por detonación tienen las aplicaciones siguientes: cuchillería, instrum entos quirúrgicos, producción industrial de equipos y productos usados en la industria aeronáutica y de misiles. Los recubrim ientos proyectados por detonación tienen resisten­ cia al desgaste y pueden soportar elevadas tem peraturas y productos quím icos altam ente corrosivos. Los m ateriales más usados son los siguien­ tes: carburo de w olfram io con cobalto co m o ligante en distintas propor­ ciones, m ezclas de carburos de crom o y w olfram io, carburo de crom o y tungsteno, carburo de crom o con crom o-níquel actuando co m o ligante y cerám ica co m o óxido d e crom o. Cada detonación produce un espesor de aproxim adam ente 6 p m . Es característico de los depósitos o btenidos por d etonación su baja porosi­ dad (0,5 %), su fuerte adherencia (700 kp/cm 2) y su elevada dureza (1300 Vickers). Esos datos corresponden a recubrim ientos d e carburo d e tungs­ teno sinterizados con cobalto.

Fisura 64. Propiedades de recubrimientos obtenidos por detonación.

Dureza (Vickers)

Temperatura max. (°C)

Resistente a

O xid o d e alum inio

1000-1200

650-980

Desgaste, oxidación y reactivos quím icos

C arb uro d e w o lfram io + 6-8 % d e cobalto

1200-1450

540

D esgaste extrem ado

C arb uro de w olfram io + 13-15 % de cobalto

1100-1250

540

D esgaste, im pacto y tem peraturas elevadas

C arb uro d e w o lfram io + 15-17 % d e cobalto

1050-1200

540

D esgaste rápido, m pacto y tem peraturas elevadas

25 % carburo de w olfram io + 7 % d e níquel + una m ezcla 1000-1200 de carburos de W y C r

760

Desgaste, tem peraturas elevad as y corrosión

85 °/o carburos de cro m o + 15 % d e crom o-níquel

980

Recub rim ien to

www.FreeLibros.org 78

1000-1200

Desgaste a temperaturas elevad as o en m edio s corrosivos

Procedim ientos de soldadura

Tra n sp orte a la llama

Estos equipos de transporte a la llama se caracterizan por poseer bajas velocidades de transferencia en com paración con los equipos d e proyec­ ción a la llama. Algunos de estos equipos parecen sopletes norm ales de soldadura y no son apropiados para depositar m etales com o el alum inio o el cin c. Estos sopletes especiales se sitúan m uy próxim os a la pieza, produciéndose el transporte y la fusión sim ultáneam ente. En algunos equipos no se usa gas ato m izador y el polvo es introducido con el chorro de o xígeno ; esto perm ite alcanzar una m ayor temperatura de llama y, a su v e z , la ausencia de gas atom izador reduce las pérdidas de calor. Estos últimos equipos se sitúan a cierta distancia de la pieza de trabajo, y, una v e z transportado el polvo, se procede a una fusión posterior. C o n estos equipos d e transporte a la llam a se suelen depositar aleacio­ nes para recargue duro.

APLICACIÓN DE LA COMPRESIÓN ISOSTÁTICA EN CALIENTE EN LA SOLDADURA El procedim iento de soldadura m ediante la aplicación d e la técnica de la com presión isostática en caliente (HIP) fue desarrollada en el Battelle M em orial Institute de Co lum bus (EE.UU.) durante el año 1955 para fabricar com ponentes destinados a la industria de la energía nuclear. En seguida se extendió en otros cam pos d e aplicación debido, fundam entalm ente, a las siguientes razones: 1. Se pueden unir m ateriales de naturaleza m uy dispar (m etales, cerám i­ ca, etc.) bien de form a com pacta bien en form a de polvos. 2. No se m odifican las propiedades del metal base. Al tiem p o q ue se generan m ínim as d eform aciones y distorsiones, la ausencia d e la zon a de fusión propia de la soldadura convencional, evita la aparición de granos de distinto tam año, así co m o segregaciones y porosidad. 3 . Los m ateriales frágiles o d e baja ductilidad se pueden unir m ediante esta técnica sin causar roturas. 4. La preparación superficial es m ínim a puesto que la term ofluencia aplana las superficies de contacto. 5. La term ofluencia tam bién elim ina la porosidad, de las zonas vecinas a la superficie de unión, debida al efecto Kirkendall: distinta velocidad de difusión de los m etales a unir. 6. Es posible unir m etales de altas tem peraturas de fusión y unir metales de gran reactividad, que co n las soldaduras convencionales form an fases interm etálicas frágiles. Por estos m otivos no es de extrañar que el H IP se haya introducido en la soldadura. En la figura 65 se han esquem atizado las principales aplicacio­ nes de la soldadura m ediante el HIP.

www.FreeLibros.org En realidad este procedim iento de soldadura se puede considerar com o

79

So ld ad u ra industrial: clases y a p lica cio n e s

Figura 65. Tecn ologías de fabricación m ediante la soldadura p o r HIP: a) contrachapado; b) estructuras co m p lejas; c) acaba dos; d) enlace p o r difusión sólido p o lv o ; e) d en sificación d e polvos.

un p erfeccionam iento m uy depurado de la antigua técnica de la soldadura por forja, do nde tam bién se aplicaba sim ultáneam ente presión y tem pera­ tura en las zo n as de las piezas a unir.

Técnica La soldadura por HIP requiere aplicar sim ultáneam ente presión y tem ­ peratura en las zo n as de contacto de los com ponentes a soldar en un espacio, más o m enos grande, com pletam ente herm ético. Esta condición d e trabajo se consigue, com o se indica en la figura 66, cerrando herm ética­ m ente una delgada superficie distribuida a lo largo d e la circunferencia de la zon a de contacto, aplicando un m anguito a lo largo de la citada circunfe­ rencia o bien encapsulando todos los com ponentes a soldar. En los tres

www.FreeLibros.org 80

Procedimientos de soldadura

Figura 66. Procedim ientos de soldadura p o r com presión isostática e n caliente: a) unión a lo largo d e la circunferencia d e contacto; b ) unión en forma d e manguito alrededor d e la zona de contacto; d encapsulación hermética d e los com p on en tes a soldar; d) esquem a d el p roced im ien to cj.

casos, una ve z conseguida la herm eticidad, se aplican sim ultáneam ente presión y temperatura. Los valores de presión y tem peratura son función d e la naturaleza de los materiales a soldar. C o m o inform ación aproxim ada direm os que la pre­ sión aplicada suele ser del orden de los 100 MPa y la tem peratura co m ­ prendida entre 0,5 y 0,8 de la tem peratura de fusión de los com ponentes a soldar expresada en la escala de valores absolutos. En la figura 67 se ha representado la influencia de la tem peratura y del tiem po en la resistencia a la tracción de un material contrachapado form ado por láminas de TiAI6V 4 y N iCr15Fe. En este ejem plo hay que tener en cuenta que el vanadio y el hierro, en las condiciones térm icas de la soldadura, forman fase sigma muy frágil y quebradiza. Referente a las tres técnicas em pleadas para conseguir cierres herm éti­ cos en las superficies de contacto de los com ponentes a unir, cabe añadir que la esquem atizada por a) en la figura 66, si bien es una técnica sencilla para lograr la herm eticidad, requiere que la form a de los com p o ­ nentes a unir sea m uy sim ple, pues de lo contrario se com plicaría la posibilidad de conseguir el vacío previo en la zona de contacto. La sim plicidad de las form as tam bién es una condición necesaria para soldar m ediante la aplicación de manguitos, puesto que el m anguito tiene que estar perfectam ente unido a las paredes de los com ponentes para evitar la entrada del fluido, que transmite la presión, en la zona de contac­ to de las superficies a soldar.

www.FreeLibros.org 81

Sold ad ura industrial: clases y aplicaciones

La soldadura por HIP suele realizarse m ediante la encapsulación herm é­ tica de los com ponentes a soldar m ediante el concurso de material de relleno, tal com o indican los gráficos del apartado c/) de la figura 66. De este m odo se puede soldar todo tipo de materiales y com ponentes de cualquier geom etría, siem pre que se utilice el adecuado material de soporte y el fluido más idóneo para transmitir la presión. Esta técnica del HIP tam bién perm ite soldar masas de polvos a com ponentes m acizos.

Figura 67. Influencia d e los parám etros d e l FIIP e n la resistencia a la tracción d e un material contrachapado fo rm a do p o r

TiAi^V.fNiCri^Fe.

En la encapsulación hay que tom ar la precaución más adecuada para evitar la soldadura de los com ponentes con las paredes del recipiente utilizado en esta técnica. Tam bién hay que tener en cuenta que la etapa final de este procedim iento es la elim inación de la cápsula y del material de relleno; por este m otivo se deben seleccionar materiales que sean fáciles d e separar. Para ello se suelen em plear procedim ientos m ecánicos para despegar al material auxiliar, aunque a veces se utiliza la lixiviación o disolución con reactivos quím icos, que no ataquen a la pieza soldada.

Aplicaciones de la soldadura por HIP

www.FreeLibros.org En la industria de la aviación en particular y en la aeroespacial en general, encuentra gran aplicación la soldadura por HIP adem ás de la ya m enciona­ da industria de la energía nuclear. Se aplica con preferencia cuando las otras técnicas de soldadura no satisfacen al usuario.

82

P ro ced im ien to s d e so ld ad u ra

B u en a so ld a d u ra

Figura 68. Materiales soldados m ediante e l HIP.

Sold a d u ra d e fic ie n te

A cero inoxidable 304-A cero inox. 304 A ce ro inoxidable 304-H astelloy X A ce ro inoxidable 304-N íquel T D A cero inoxidable 304-W A cero inoxidable 304-Acero 1018 A ce ro inoxidable 304-Ni/20Cr/T¡ A ce ro inoxidable 304-V A ce ro 1018-H astelloy X A ce ro 1018-Níquel TD A ce ro 1018-M o Ti-V Ti-Nb/Zr W -N i30C r

W -N íquel T D M o-H astelloy X M o-Ni/20Cr/T¡ Nb/Zr-Ni/20Cr/Ti Nb/Zr-Acero 1018 Nb/Zr-Acero inox. 304

En la figura 68 se han anotado las soldaduras investigadas en el Battelle y los resultados cualitativos conseguidos. D o nd e la soldadura por HIP suele encontrar m ayor núm ero d e aplica­ ciones, a nivel de m ateriales a unir, es en la fabricación de contrachapados o m ateriales com puestos («composites»). En la soldadura por HIP de cha­ pas d e «nim onic 75» (Ni/20Cr/Ti) se puede conseguir una resistencia a la tracción exactam ente igual a la del metal base, aplicando 1 1 5 0 °C y 1050 bar durante un tiem p o de 3 horas, co m o se aprecia en la figura 69.

Figura 69. R elación entre p ro p ie d a d e s m ecánicas y parám etros d e l HIP para la soldadura d e láminas de Ni/20Cr/Ti.

MftJ 700

(N i/2 0 C r/T i)

600 Rm RpO,2 500

400

r p

300

02 R P 0,2

200

(N i/2 0 C r/T¡)

100

www.FreeLibros.org 9 8 5 °C 900 bar lh

1150°C 1050 b a r lh

1150°C 1050 b a r lh

83

So ld a d u ra industrial: clases y a p licacio n e s

Si se unen por HIP láminas de distinta naturaleza, en los ensayos de resistencia a la tracción se observa q ue la rotura tiene lugar a través del m etal o de la aleación d e m enor resistencia a la tracción. En las soldaduras por HIP de láminas de cobre y níquel y de láminas de acero y estelitas fallan por fractura del cobre y del acero respectivam ente. En el cam po de los recubrim ientos tam bién encuentra gran aplicación la soldadura por HIP. La pieza se fabrica convencionalm ente a partir d e acero al carbono y de baja aleación y luego se recubre con po lvo s de m ateriales resistentes al calo r y a la corrosión. El polvo se suele aplicar a las piezas m ediante m etalización por proyección con arco d e plasma. D espués se densifica, la capa de polvo depositada, m ediante el HIP.

www.FreeLibros.org 84

Instalaciones, equipos y productos

Las instalaciones para llevar a cabo la soldadura de los m etales se pueden clasificar según el tipo de soldadura a realizar. Por este m otivo se habla de instalaciones para so ld a d u ra oxia cetilén ica, instalaciones para so ld a d u ra eléctrica, etc.

INSTALACIONES PARA SOLDADURA OXIACETILÉNICA Para realizar la soldadura oxiacetilénica en instalaciones fijas se requie­ ren al m enos los elem ento s representados en la figura 70, entre los que destacan: — El generador d e acetileno y el depurador correspondiente. — La conducción de gases hasta el taller d e soldadura. — M angueras para el acetileno y el oxígeno. — Botella de oxígeno. — M esa de soldar y taburete. — Juego de sopletes y boquillas de acuerdo con los trabajos a realizar en el puesto de form a habitual. — Aparatos de m edida y control de los gases. — H erram ientas necesarias para cam bio de boquillas, lim pieza de sol­ dadura y piezas. 7

figura 70. Esquem a d e los principales elem ento s para la soldadura oxiacetilénica.

www.FreeLibros.org 85

So ld ad u ra industrial: cla ses y ap licacio n es

No deben descuidarse los elem entos d e protección que aseguran al operario, por razones obvias d e hum anidad y econom ía.

INSTALACIONES MÓVILES PARA SOLDADURA OXIACFTILÉNICA Si, en v e z de producir el acetileno en las propias instalaciones, se utiliza acetileno em botellado, el generador y los elem entos que com porta se suprim en. Basta entonces d isponer de una botella de acetileno, otra d e oxígeno y las mangueras que desde ellas conduzcan el gas al soplete. Al sustituir el generador por la botella, la instalación se convierte en móvil, ya que las botellas son transportables, cosa q ue se hace m ás fácil y con m ayor seguridad em pleando carros.

INSTALACIÓN PARA LA SOLDADURA ELÉCTRICA Por el interés que para el soldador tiene y por lo q ue su cono cim iento influye en la correcta ejecució n de la soldadura, describirem os seguida­ m ente los principales elem entos de la instalación d e soldadura eléctrica con arco protegido (figura 71). Figura 71. Esquem a d e una instalación d e soldadura TIC.

Para soldar con arco eléctrico se necesita un g e n e ra d o r, que p ued e ser: generador de corriente continua de voltaje variable, generador de corrien­ te continua de voltaje constante, transform ador de corriente alterna o rectificador. La corriente del prim er material se ajusta m odificando la tensión del generador. La intensidad y la fuerza electro m o triz en el arco, adem ás del ajuste, d epende de la longitud del arco.

www.FreeLibros.org En el generador de corriente continua de voltaje constante, el ajuste de la tensión se realiza ya m ediante resistencias en serie con cada arco.

La corriente alterna sum inistrada por transform adores se ajusta variando la reactancia.

86

Instalaciones, e q u ip o s y prod uctos

GENERADORES En soldadura se utilizan tanto la corriente continua com o la corriente alterna (fig. 71). La prim era se genera m ediante las d in a m o s y los rectifica­ d o re s y la segunda m ediante los a lte rn a d o re s o se puede o b tener de la red general de sum inistro ajustando el valo r de la fuerza electrom otriz en los tra n sfo rm a d o res de la corriente eléctrica. Las dinam os se fundam entan en la inducción electrom agnética. Cons­ tan de un in d u c to r y d e un in d u c id o . El inductor es la parte estática de la m áquina y suele consistir en un hilo m etálico, conductor, arrollado en torno a dos núcleos d e acero bajo en carbono. Estos núcleos se convier­ ten en electroim anes al circular corriente por el hilo del inductor. El inducido puede estar formado por un conjunto de espiras metálicas, cuyos extrem os rozan con dos bornes sem icirculares conectados con la m áqui­ na de soldar. Al girar 180° el conjunto de las espiras m óviles, pasan, por ejem plo, de un núcleo al otro núcleo del inductor. D e este m odo se genera en el inducido fuerza electrom otriz, de un determ inado signo, debido a la inducción electrom agnética del inductor. Al continuar girando las espiras del inducido se vuelve a generar fuerza electrom otriz, pero de signo contrario. La conexió n del inducido con la m áquina d e soldar es tal que los bornes sem icirculares siem pre están en contacto con el conjunto d e espiras del inducido q ue le sum inistra corriente de un solo signo. El alternador es com o la dinam o pero con varios pares de núcleos y los bornes son circulares en lugar de sem icirculares, de m odo que la corriente v a variando continuam ente de signo. El transform ador consiste en un núcleo de acero bajo en carbono que tiene form a de anillo cuadrado. Por un lado de este anillo existe un cond uctor eléctrico arrollado m ediante un núm ero determ inado d e espi­ ras: es el inductor o p rim a rio . Este conductor se conecta con la rea e induce una corriente en el anillo de hierro que, en el lado opuesto a las espiras del citado conductor, actúa co m o inductor (se cu n d a rio ) de otro co nd u cto r unido al aparato de soldar. La fuerza electrom otriz q ue sum inistra el transform ador es función de la fuerza electrom otriz de la red y del núm ero de espiras del inductor y del inducido.

FUNDENTES El fundente o los polvos de soldar son unos productos que disuelven las im purezas existentes en la superficie del baño de fusión y q ue tam bién reaccionan con las im purezas (generalm ente óxidos) form ados durante el proceso de la soldadura. El producto de la reacción del fundente con estas im purezas es una escoria fácil de fundir. En realidad los fundentes suelen ser ó xidos de carácter ácido que reaccionan con los ó xidos m etálicos de carácter básico (im purezas), dando sales.

www.FreeLibros.org Estos fundentes son necesarios ú nicam ente para m etales que se oxidan fácil e intensam ente y en los q ue la acción reductora d e la llam a soldante no alcanza p o r sí sola para reducir los óxidos en la m edida suficiente; producen al m ism o tiem po la conveniente fluidez del baño d e fusión.

87

S o ld a d u ra industrial: clases y ap lica cio n es

El fundente más sencillo es el bórax (Na2B40 4 • 10H 2O [tetraborato sódico]) una ve z elim inada el agua de cristalización, pero que desgraciada­ m ente sólo sirve para trabajos de soldadura fuerte y no para la soldadura autógena. El bórax que contiene agua (hidratado) se hincha al calentarlo, despide vapores y e s m u cho m enos eficaz q ue el deshidratado. El em pleo del bórax en la soldadura d e las fundiciones e s m uy perjudi­ cial, porque suele dar lugar a puntos duros y difíciles de elaborar. En form a de pasta puede em plearse, tal vez, para la soldadura d e latón. A dem ás, se encuentra co m o co m p o nente de m uchas m ezclas fundentes constituidas so b re base ácida, co m o ácido bórico (B20 3), vidrio soluble (silicato soluble de potasa), p o lvo s d e vidrio y otras m aterias que constan, en gran parte, de ó xido silícico (S i0 2) y form an escorias espesas vitreas, a m enudo difíciles de elim inar e insolubles en agua. A dem ás del ortofosfato ácid o de disodio (Na2HPO„) y el fosfato so dicoam ó nico (N aN H 4-H P 0 4) que d esem p eñ a un papel d e m ucha im portancia para la soldadura del cob re y sus aleaciones. U na m ezcla, en partes iguales, de vidrio soluble (silicato soluble de potasa), ácido bórico y bórax constituye un buen fundente para aceros inoxida­ bles, o sea, acero s q ue contienen crom o y níquel. Fundentes constituidos por una sustancia básica se em plean especial­ m ente para la soldadura de la fundición. D eb ido a la gran afinidad del silicio para el oxígeno se form a esp ecialm ente dió xido d e silicio que reacciona con los ó xido s de m anganeso, del hierro y fósforo por un exceso de sodio y carbonato de potasio e n el fundente, form ándose, adem ás de silicatos de sodio y de potasio, manganita y fosfato. La sosa calcinada (óxido sódico, Na2O Í puede ser considerada com o el fundente m ás sencillo para la soldadura d e la fundición. La presencia d e cloruro de manganeso (M nCI2) y cloruro férrico (FeCI3) es, en cam bio, perjudicial, porque puede dar lugar a una oxidación extraordinariam ente intensa al penetrar la hum edad. A estos fundentes se les suele añadir ferrosilicio (FeSi) y grafito.

ELECTRODOS Los electrodos de soldar (varillas o alam bre), llam ados brevem ente e le c tro d o s , sirven, al contrario q ue el alam bre para la soldadura autógena,

no sólo de material de relleno, sino q ue deben cum plir una serie de requisi­ tos de im portancia. Pasó ya el tiem p o en q ue era p o co lo q ue se exigía para una b uena soldadura. En lugar del «alambre d e colchón» q ue se em pleaba entonces y ho y es considerado com o material d e calidad inferior, se em plean electro do s desarrollados en virtud d e experim entos realizados desde diferentes puntos de vista y hechos de lo s m ejores materiales co no cid o s y sancionados por la experiencia, constituyendo elem entos que reúnen todas las co n d icio n es q ue puede exigir la soldadura d esde el punto de vista tecnológico. Al desarrollo em p írico d e los electrodos ha sucedido una investigación científica, sistem ática, a la q ue se d e b e el alto grado de desarrollo de los electrodos em p leado s en la actualidad, sin poder prescindir por ello , ni hoy ni en el futuro, de la experim entación práctica por m edio de ensayos de fusión. C o m o solam ente se han norm a­ lizado las clases más im portantes de electrodos, difícil e s m uchas veces que el operario m enos entendido en la m ateria pueda elegir el electrodo

www.FreeLibros.org 88

Instalaciones, e q u ip o s y prod uctos

q ue más le co nviene, ya q ue no solam ente procede desde el punto de vista de la conveniencia, sino según las denom inaciones más o m enos im portantes q ue se dan a los electrodos puestos a la venta. Adem ás, m uchos fabricantes creen que deben presentar la elaboración de sus electrodos com o un «procedim iento de soldadura especial», lo cual, por una parte, carece de fundam ento, y, por otra, da lugar a confusiones entre los consum idores. En vista de la extraordinaria im portancia que tiene la cuestión referente a los electrodos en general, es necesario dedicarle especial atención teniendo presente q ue constituye un factor de decisiva im portancia para el resultado de la soldadura eléctrica al arco. Se co m ­ prende, por la m ism a razón, q ue los esfuerzos del fabricante tiendan forzosam ente a fabricar electrodos que, refundidos en el arco, den un producto soldado q ue no difiera notablem ente del material d e construc­ ción en cuanto a la estructura y a los valores de calidad m ecánicotecnológicos. Esto no se ha logrado aún com pletam ente, por lo m enos no sin un tratam iento posterior de la soldadura, pero las diferencias son a m enudo m uy pequeñas. D esde el punto d e vista d e los m ateriales, los electrodos para la solda­ dura por arco pueden clasificarse en: 1. Electrodos de carbón. 2. Electrodos m etálicos. D e entre estos dos, los últim os son m ucho más importantes. La clase más antigua, em pleada aún en casos especiales, es el electrodo d e carbón, a saber: am orfo, grafitico y electrografítico. El material básico es el carbón d e retorta (residuos de la destilación en las retortas de las fábricas de gas) y tam bién se em plea el grafito, coque, antracita y hollín. Estos m ateriales se pulverizan finam ente, se m ezclan íntim am ente con alquitrán caliente o brea co m o aglutinantes, se som eten en seguida a una presión en prensas especiales y, después de convertidos en barras, se cuecen o calcinan en hornos d e cám ara o crisoles, tal com o se hace con los objetos cerám icos. Las varillas am orfas reciben el nom bre de ca rb o n e s h o m o g é ­ n e o s para diferenciarlos del carbón con m echa, cu yo núcleo central consta d e una m ateria extraña (vidrio soluble, carbón y ácido bórico) que ha de hacer q ue el arco arda de una m anera uniform e, sin necesidad de un cam po magnético de soplado. En la práctica sólo podrá omitirse este campo en contados casos, especialm ente cuando se em plean electrodos de p equeño diám etro, prefiriendo el em pleo del electroim án soplador para dirigir y estabilizar el arco, co lo cánd o lo sobre el carbón. Éste se hace exclusivam ente d e grafito y se recuecen en hornos eléctricos al abrigo del aire. A sí se obtiene un carbón m ucho m ás denso, el llam ado carbón grafitico. Este carbón, que se obtiene grafitándolo eléctricam ente a tem p e­ raturas m uy elevadas, es m ucho más caro debido al procedim iento poste­ rior de fabricación. Estos electrodos son capaces de absorber intensidades de corriente m uy altas, es decir, a pesar de la poca pérdida al fuego, pueden soportar una carga más grande. La diferencia principal en las clases de electrodos de carbón consiste, en prim er lugar, en el grado de conductividad eléctrica, que es 1 :3 :5 en la serie de los tres grupos indicados anteriorm ente. D e

www.FreeLibros.org 89

So ld ad u ra industrial: clases y ap licacio n es

Figura 72. Intensidad d e corriente en fu n ció n d e l diám etro d e e le ctro d o para distintos carbones.

D iá m etro d e la varilla en m ilím e tro s

6 8 10 12 14 16 18 20

Carga d e las clases d e e le c tro d o s d e ca rb ó n , a m p e rio s A m o r ío

40 a 50 a 75 a 1 00 a 125 a 1 50 a 200 a 250 a

50 75 100 125 150 200 250 300

G rafitico

50 75 100 150 200 250 300 350

a a a a a a a a

Electrografitado

75 100 150 200 250 300 350 400

75 1 00 150 200 250 300 400 500

a a a a a a a a

100 150 200 250 300 400 500 600

esto depende la capacidad de carga, la cual corresponde aproxim adam en­ te a la cantidad de am perios indicados en la figura 72. La tensión del arco es desde 3 0 a 55 V (intensidad de corriente d e 40 a 150 A) hasta 45 a 75 V o más (en intensidades de 3 00 a 600 A). Según el fin a q ue han de destinarse, los electrodos se clasifican de la m anera siguiente: 1. Electrodos para soldadura de unión. 2. Electrodos para usar com o material de aportación. 3. Electrodos para separar y cortar. En los electrodos de los grupos 1 y 2 se adm iten, en cuanto a su aplicación práctica, grandes diferencias en los valores de calidad q ue exige la soldadura. Siem pre que se trate de electrodos norm ales de acero, éstos quedan com prendidos en la norm alización (DIN), de m odo que ni siquiera en este sentido reina cierta claridad. En cuanto a la clase de m etal, hay q ue distinguir entre: 1. Electrodos de acero bajo en carbono (sim plem ente electrodos de acero). 2. Electrodos de aceros especiales (incluso aceros aleados, metales duros, etc.). 3 . Electrodos d e fundición, para soldaduras en caliente. Hay, por tanto, tres clases del grupo de hierro. 4. Electrodos de m etales no férreos: para m etales ligeros (alum inio y aleaciones); para m etales pesados (cobre, bronce, metal M onel, níquel, etc.). Los electrodos d e acero, debido a su gran aplicación, son de im portan­ cia excepcional. Según su fabricación y aspecto exterior, pueden distinguirse do s grupos principales, a saber:

www.FreeLibros.org — Electrodos desnudos.

— Electrodos recubiertos.

90

Instalaciones, e q u ip o s y prod uctos

Los electrodos desnudos, a su v e z , se subdividen en: — Varillas m oldeadas para fundición y tam bién para metal fundido. — Alam bres lam inados para m ateriales duros. — Electrodos tubulares; tubitos m etálicos con relleno de una aleación. Por ejem plo, para m etales duros se utilizan tubos llenos de estelita y otros metales. — Alam bres estirados. Estos alam bres trefilados, por su parte, pueden ser: — Alam bres que quedan «pulimentados» o que se recuecen para darles un colo r negro brillante o pardo. — Alam bres con superficies tratadas, cobreadas, niqueladas, etc. — Alam bres con alm a; con núcleo no m etálico y con núcleo m e­ tálico. Los electrodos recubiertos, a su vez, se subdividen en: electrodos por inm ersión o por com presión: — Cubierta delgada (ligera y débil) obtenida por una sola inm ersión en la pasta. — Cubierta de espesor m edio, de inm ersión de dos o más veces tam­ bién por com presión. — Cubierta de gran espesor. Electrodos recubiertos o con cubierta de fusión, hechos m ediante varias inm ersiones o por com presión (electrodos cubiertos a presión).

ALEACIONES Los m etales em pleados para aportación en la soldadura dura son alea­ ciones d e cobre, de plata, de alum inio y algunas otras. La figura 52 es una selección de las más im portantes. Todas Tas em pleadas deben tener la suficiente resistencia y ductilidad para el fin a que se destinan, fundir a tem peratura más baja que el material que han de unir y mojarlo. El cob re es excelente para soldar aceros y m uchas aleaciones no férreas. M oja m uy bien al acero y se forman en la junta aleaciones hierro-cobre que proporcionan una excelente unión. Sin embargo, el cobre funde a tem peratura excesivam ente alta, por lo que se recurre a aleaciones suyas d e más bajo punto de fusión, tales com o los latones, que se em plean para m uchos metales férreos y no férreos. Tienen buena resistencia y ductili­ dad, funden a tem peratura más baja que el cobre puro y producen uniones resistentes. Aún pueden conseguirse tem peraturas más bajas con algunas aleacio­ nes de plata, q ue cabe considerar com o latones con adiciones de plata. V arias a e ellas son capaces de fluir en las más pequeñas hendiduras, form ando filetes m uy estrechos, mientras que otras no pueden pasar por aberturas estrechas y sólo forman soldaduras relativam ente gruesas. Todas tienen buena conductividad eléctrica y se pueden m odificar para obtener un co lo r que coincida con el del metal que ha d e soldarse.

www.FreeLibros.org 91

So ld ad u ra industrial: clases y a p licacio n es

Las aleaciones con fósforo son útiles para soldar el cobre, porque son autofundentes. No pueden em plearse para soldar m etales férreos por la fragilidad que produce el fósforo o los fosfuros de hierro. El alum inio y algunas de sus aleaciones se pueden soldar con otras aleaciones de alum inio de más bajo punto de fusión. C o m o las diferencias en los puntos de fusión no llegan a ser tan grandes com o al soldar con aleaciones de cobre, la técnica es algo más difícil y hay que controlar m ejor la tem peratura, aunque está bien conseguida y se em plea m ucho este tipo de soldadura dura. Las aleaciones para soldar se encuentran en el com er­ cio en m uchas formas diferentes. D e m uchas aleaciones d e posible em pleo para la soldadura blanda las principales son las d e plom o y estaño. C uanto más estaño haya, m ejor se m oja el metal de las partes a soldar y m ejor es el enlace; pero com o el estaño es bastante más caro q ue el plom o, no interesa una proporción excesiva por razones de econom ía. Las adiciones pequeñas de antim onio tienen un efecto endurecedor de las aleaciones d e soldar estaño-plom o, y las d e bism uto dism inuyen el punto de fusión. La aleación con 5 0 % de plom o y 5 0 % de estaño es la que más corrientem ente se em plea. Para algunos fines (com o la soldadura de tubos de plom o o envueltas de cables d e plom o) e s necesaria una aleación con un intervalo de fusión más am plio, mientras que en otros casos hacen falta aleaciones que solidifiquen con m ayor rapidez. Lo prim ero se consigue con más plom o y lo segundo con una aleación eutéctica. Para la soldadura blanda del alum inio o el magnesio, no pueden utilizar­ se las aleaciones estaño-plom o y se recurre a otras especiales.

SOPLETE El com bustible (acetileno, hidrógeno...) se m ezcla con el oxígeno en una pistola-soplete. Sabido es q ue el soplete sirve para la m ezcla y com bustión d e los gases de soldadura, de form a que, regulándolos, se logre la tem peratura ad ecua­ da, que puede llegar a los 3 000 °C . Adem ás, p e rm ite d irig irla llam ayfo ca lizare l calor, m anteniendo separa­ dos el com bustible y el com burente hasta el m om ento de la com bustión. A unq ue puedan variar algunos detalles en su construcción, el funciona­ m iento y partes esenciales d e un soplete oxiacetilénico son: el mango, el m ezclador, el tubo o lanza y la boquilla. Los gases llegan al mango por sus respectivos tubos. El m ezclador es un recipiente en q ue los gases se m ezclan perfectam ente en la proporción deseada. Por la lanza sale la m ezcla y en su extrem o lleva acoplada una boquilla. En la boquilla se produce la llama.

www.FreeLibros.org Los sopletes oxiacetilénicos se clasifican en dos grandes grupos: d e baja presión y d e alta presión. En el m ercado se encuentran tipos y m odelos variadísim os en cuanto a detalles constructivos, si bien el principio de funcionam iento es en todos ellos el m ism o.

92

Instalaciones, equipos y productos

Soplete oxiacetilénico de alta presión El soplete oxiacetilénico de alta presión se alim enta con acetileno procedente de botellas a una presión de unos 20 kg/cm2 y q ue sale, después del m anorreductor, a unos 0,5 kg/cm2, y oxígeno de botella que sale a una presión q ue oscila entre 3 y 5 kg/cm2. En el interior del cuerpo del soplete va una pieza llamada difusor, a la cual llegan el oxígeno por el tubo central y el acetileno por los pequeños orificios q ue rodean al central. Desde el difusor los gases pasan a la cámara de m ezcla, de form a cónica y luego a la boquilla. La cantidad d e gases, o caudal, d epende en estos sopletes del diámetro de los orificios y d e la presión a que llega cada gas. Para variar el caudal, porque lo exija el tipo de soldadura, se cam bia la boquilla por una de m ayor o m enor tam año, según se quiera aum entar o dism inuir. La regulación de salida d e gases se hace accionando los dos grifos que están situados en el mango del soplete, uno para el oxígeno y otro para acetileno. El cam bio de boquilla es fácil gracias a que se encuentran en el m ercado juegos m uy com pletos acoplables al mango universal. Estos gases se suministran en botellas de acero. El oxígeno se encuentra a una presión de 150 kg/cm2. El acetileno, norm alm ente m ezclado con acetona, se halla a unos 20 kg/cm2. Los m a n o rre d u cto re s regulan el paso d e la gran presión de los gases de las botellas a una presión ligeramente superior a la atmosférica.

MESA POSICIONADORA La m esa posicionadora (figura 73) constituye un equipo auxiliar indis­ pensable para desarrollar racionalm ente un trabajo en soldadura, ya que facilita la rápida colocación, orientación y posicionam iento de una pieza, realizada por un solo operario, sin necesidad de recurrir a la asistencia de ayudantes y operarios auxiliares. Consiste en una construcción robusta a base de perfiles y chapas de acero laminadas con un tratam iento posterior de estabilizado, para nor­ malizar tensiones. El plato se construye de form a circular o cuadrado; está som etido a dos m ovim ientos de giro, es decir, rotación y basculación, siendo su accionam iento independiente o sim ultáneo. La rotación del plato se realiza a basculación a velocidad constante m ovim ientos se consiguen por m edio d e un m otorreductor d e corriente continua y otro m otor freno de corriente alterna, respectivam ente, que transm iten con unos m ecanism os de sin fin y corona dentada.

www.FreeLibros.org El m ando se realiza por m edio de una botonera instalada en el mismo arm ario eléctrico o bien a distancia con un pedal o m anipulador colgante que lleva el m ism o operario.

93

So ld ad u ra industrial: cla se s y a p licacio n e s

Figura 73. Mesa posicionadora utilizada en soldadura.

MÁQUINAS DE SOLDADURA A TOPE Las m áquinas de soldadura a tope pueden clasificarse en do s grandes categorías: m anuales y autom áticas, utilizando una fuente de energía exterior (neum ática, hidráulica, eléctrica, etc.). Tam bién se suelen diferenciar por el tipo de soldadura q ue pueden realizar: — Resistencia. — Chisporroteo. — M áquinas de soldadura a tope. Su principio de funcionam iento y su m odo de construcción varían según los tipos de soldadura. Las máquinas-de soldar pueden tam bién diferenciarse, adem ás, por el dispositivo de sujeción con que van equipadas. Los dispositivos de suje­ ción están condicionados a la form a y sección de las piezas a soldar.

www.FreeLibros.org Las partes principales de una m áquina de soldadura a to p e (figura 74) son las siguientes: — el arm azón, generalm ente de chapa y perfiles d e acero soldado al arco;

94

Instalaciones, equipos y productos

Figura 74. Representación esquem ática a c una máquina d e soldadura a tope. 1) arm azón; 2) transformador d e soldadura; 3) conexión del circuito secundario exterior; 4) electrod o izquierdo; 5) electrod o d erech o ; 6) mesa fija; 7) m esa m óvil; 8) dispositivo de sujeción iz q u ie rd o ; 9) dispositivo de su/eción d erech o ; 10) sistema generador d el m ovim iento de la mesa m óvil; 11) sistema de refrigeración p o r circulación de agua - alim entación; 12 ) aparellaje eléctrico y electrónico.

— el transform ador, destinado a hacer circular por las piezas la co rrie n te d e so ld a du ra ; — el circu ito se c u n d a rio exterior, que realiza la unión entre los bornes del secundario del transform ador de soldadura y los electrodos en contac­ to con cada una de las piezas a soldar; — los electrodos izquierdo y derecho sujetos a la mesa fija y m óvil, y conectados eléctricam ente a los bornes del secundario del transforma­ dor; — la m esa fija; — la m esa m óvil; — los dispositivos de sujeción, dispuestos sobre las mesas fija y móvil, equipados con m ordazas de amarre que proporcionan a las piezas la presión contra los electrodos; — un sistem a propulsor del m ovim iento y de regulación de la velocidad de avance d e la m esa m óvil; — un sistem a que desarrolla el esfuerzo de forja durante la fase de recalcado; — un sistem a de refrigeración, por circulación de agua, de los órganos som etidos a calentam iento durante el paso de la corriente; — accesorios eléctricos y, a m enudo, electrónicos.

SOLDADURA TRANSVERSAL DE TUBOS U tilizando un nuevo sistem a altam ente eficaz, a pesar d e su sencillez, concebido por una com pañía británica, pueden obtenerse soldaduras circunferenciales de alta calidad.

www.FreeLibros.org C onocido con el nom bre de Argweld, el equipo (figura 75) está constitui-

95

Sold adura industrial: clases y a p licacio n es

do por am pollas protegidas, conectadas entre sí m ediante un tubo, todo lo cual se colo ca en el interior de un tubo sobre el punto que se va a soldar consiguiéndose un cierre herm ético m ediante el inflado de las vesículas. El gas inerte del tubo pasa por el espacio que queda entre las mismas y se desplaza el aire. U na ve z realizada la soldadura, se deshinchan las vesículas y el depósito se extrae sin dificultad. El volum en de gas que se va a purgar es reducido y se m antiene muy localizado, lo cual perm ite conseguir ahorros considerables en gas, costos y tiem po. D e instalación m uy rápida, este sistem a sim plifica todo el proceso de la purga de gas inerte y apenas requiere capacitación alguna para su uso. La com pañía Huntingdon Fusión Techniques, de Cam bridge, diseñó el

Figura 75. A rgw eld: soldadura transversal d e tubo.

www.FreeLibros.org

Instalaciones, e q u ip o s y productos

sistem a Argweld para distintos diám etros d e tubo utilizados en industrias tales com o el sector aeroespacial, productos petroquím icos, industria nuclear, construcción naval, elaboración de alim entos, cervecería y cual­ quier otro sector en el que se utilizan tuberías de acero inoxidable o de aleaciones. La com pañía ha diseñado tam bién un m onitor de purga (derecha), que m ide la cantidad d e oxígeno en el gas de purga e indica el m om ento más oportuno y seguro para realizar una soldadura. Este dispositivo proporcio­ na una lectura continua del nivel del oxígeno, aun durante el proceso m ism o d e soldeo. Tam bién puede ser utilizado a m anera de instrum ento de m uestreo para la com probación de soldadura por puntos.

ROBOTS PARA SOLDADURA El robot q ue se ha utilizado para la soldadura es de seis ejes y puede m anipular 10 kg de peso. Está accionado por m otores d e c.a., lo que le hace aún más fiable. El sistem a de control puede ser más o m enos avanzado, incluso existe la tercera generación de control de robots.

Figura 76. M ovim iento d e un ro b o t utilizado para la soldadura d e chapas de coche. MWrr/rr.

El robot para soldadura suele ser más bien rápido. Su alcance acostum ­ bra a ser de, aproxim adam ente, 1,5 m y su zo n a de trabajo práctica es superior a 1 m (desde dentro hacia fuera).

www.FreeLibros.org El robot es un sistema flexible de brazos con alim entación interna de aire y d e corriente. El peso tan liviano de sus brazos hace que su acelera­ ción sea m uy rápida. M uy adecuados para utilizarlos com o soldadores (figura 76).

97

Suelen funcionar con velocidades de hasta 3 m/s en producción; la velocidad generalm ente es de 1 m/s. Los ejes de la m uñeca pueden girar alrededor d e 300 grados/segundo y no es necesario esperar al giro de la m uñeca para la reorientación del robot. La precisión repetitiva es m ejor de ± 0 ,1 mm. Para m ejorar la fiabilidad y reducir el m antenim iento, el robot para soldar está equipado con m otores de corriente alterna. Adem ás, el control del robot tiene determ inadas funciones que permiten que los motores sean utilizados con m uy altos rendim ientos. Existen sistemas de com pensación continua de inercia y masa de los ejes del robot. Esta característica perm ite rápidas aceleraciones y desacele­ raciones en cada punto. Algunos sistemas pueden controlar sim ultánea­ m ente hasta doce ejes, constituidos por los seis ejes del robot y por otros seis ejes externos. D isponen d e gran núm ero (más de 100) de entradas/sa­ lidas para control del equipo periférico y para interfaz de sensores. A veces poseen circuitos de seguridad y de autodiagnóstico dobles. Si se produce un evento, com o por ejem plo un corte de potencia, el programa en curso del robot puede ser arrancado autom áticam ente en el m ism o punto donde fue interrum pido. Esto se debe a la función de m edición absoluta.

SOLDADURA POR ARCO GUIADA POR PALPADORES C o n el desarrollo de un buscador de cordón en 1983, ABB dio el primer paso hacia un sistem a de seguim iento de cordón. Este aparato permite buscar la posición de la ranura y el ancho de la hendidura para el m ando de los parámetros de soldadura. El aparato es en particular apto para soldar cordones cortos en chapa fina. Entretanto, se encuentran en funciona­ m iento más de 300 buscadores d e cordón, q ue corresponden al sistema de palpadores ópticos más utilizados en todo el m undo para la soldadura y el montaje. A principio de 1987, con la designación de producto Láser Trak, ABB presentó un nuevo sistem a de seguim iento de cordón; la disponibilidad de com ponentes apropiados, com o láser de sem iconductores y captado­ res ópticos, con fiabilidad suficiente, así co m o , finalm ente, un trabajo intensivo de desarrollo, crearon la base del nuevo sistema, en el que, en lugar de limitarse a los palpadores propiam ente dichos, se trató de conse­ guir la integración en el m ando de los robots. El principio de m edición se basa en la triangulación óptica (figura 77). Un haz láser se proyecta sobre la superficie. U na disposición optoelectrónica reproduce la imagen de luz difusam ente reflejada y muestra con ello la posición sobre esta disposición correspondiente a la distancia del caso concreto desde la superficie de trabajo. C o n ello, se encuentran fijadas tanto la distancia com o la posición, dos condiciones im portantes para un cordón de soldadura im pecable.

www.FreeLibros.org El rayo lum inoso y la luz reflejada se palpan con la ayuda d e dos espejos, con una frecuencia de 20 H z y una am plitud de ± 15 m m , transversal­ m ente respecto de la ranura. El perfil d e altura sobre la ranura se obtiene a partir de la señal del palpador de m edición (figura 78).

98

Instalaciones, e q u ip o s y productos

Figura 77. M ed ició n de distancia d e una hendidura de soldadura p o r triangulación óptica. 1) Lector; 2) fo co ; 3) lente; 4) hendidura.

Este sistem a de seguim iento del cordón puede palpar las hendiduras sin que las soldaduras por puntos o los dispositivos de tensado perturben la m edición (figura 79). Un ordenador filtra y analiza la señal con la ayuda de algoritmos para las diferentes ranuras. D e ello se deduce la posición vertical y lateral de las ranuras y los anchos de hendiduras. Estos valores Figura 78. Determ inación del perfil d e altura de la ranura por p a lp ado d e la mancha de m e d ició n transversalmente resp ecto a la hendidura de soldadura. V M ando; 2) e sp ejo ; 3) lector; 4) lente; 5) foco.

www.FreeLibros.org 99

So ld ad u ra industrial: clases y a p licacio n e s

Figura 79. Sistem a d e seguim iento d el co rdón para palpar la hendidura sin que las soldaduras p o r pu n tos o los dispositivos d e tensado perturben la m edición.

alim entan a los ordenadores del robot y, partiendo de la posición del caso concreto del robot, se convierten en posiciones m em orizadas; tras el tam izado de un filtro de paso bajo, se calcula el recorrido del cabezal de soldadura. El sistem a se caracteriza por los parámetros siguientes: — Precisión de seguimiento de cordón ± 0,4 hasta ± 0,6 m m según ranura y espesor d e chapa. — V elocidad máxim a de seguim iento de cordón 42 mm/s. — Tipo de cordón: cordones solapados y de ángulo. — Espesor m ínim o de chapa recom endado 0 ,8 mm. Tam bién las características siguientes tienen un valor d e carácter prác­ tico: — A pesar d e que sólo se programan el producto inicial y el producto final, resulta posible cam biar la dirección del cabezal de soldadura con respecto a la chapa durante el servicio. — El sistem a puede diferenciar entre pasos hacia la izquierda y hacia la derecha, o sea, tam bién entre do s ranuras vecinas, así com o entre una ranura y m antenedores d e distancia matrizados. — El sistema ha sido construido para cabezales de soldadura y tiene un dispositivo basculante incorporado. Por consiguiente, no se necesita nin­ gún eje de robot especial para el posicionam iento de los palpadores. A d em ás, tie n e una gran d istancia de m e d ició n y una b uena a c c e s ib i­ lidad. — Para aum entar la fiabilidad, se trata de conseguir el m áxim o posible de insensibilidad con respecto al riguroso entorno de soldadura (calor, proyecciones y luz deslumbrante). Se adm ite una corriente d e soldadura de hasta 650 am perios. Se recom ienda em plear un sim ple vidrio de protección que deberá reem plazarse com o m áxim o una ve z por cada tum o.

www.FreeLibros.org M ediante una integración com pleta en el m ando del robot, fue posible optim izar los parámetros y reducir los costos. Al m ism o tiem po, se consi­ guió una programación simplificada. 100

Instalaciones, e q u ip o s y productos

CONTROLADOR PROGRAMABLE PARA SOLDADURA POR PUNTOS Y DE COSTURAS Se ha creado en Gran Bretaña un sistem a de control de soldadura flexible, exacto y eco nó m ico , para ser incorporado a nuevos grupos soldadores o a equipos ya existentes: el controlador Pulsepack SSW 3, programadle para soldadura por puntos y d e costuras; es d e constitución m odular y perm ite una fácil aplicación a diversos equipos. C uatro tableros electrónicos basados en lógica integrada C M O S d e alto nivel, sincroniza­ dos con la red general, hacen posible una econom ía de com ponentes y contribuyen a reducir los gastos de d esem bolso d e capital. El núm ero de ciclos de red durante toda la fase del programa de soldadura puede ser determ inado con toda precisión; una m em oria de desconexión de red conserva la anterior secuencia de conm utación durante hasta un año y un dispositivo de soldadura instantánea perm ite soldar en un punto exacto. La secuencia de control (flujo de agua, m ovim iento del cabezal soldador, etc.), es adaptable a aplicaciones individuales, si bien se dispone de una secuencia convencional normalizada de «prepresión», «presión» y «mantener». El SSW 3 necesita electricidad trifásica de 200-250 V o 380-440 V , 50 o 60 H z. La potencia de salida es de hasta 100 kW A , según el transform ador instalado. El control de nivel calórico es variable, con una precisión de ajuste superior a 1 °/o. Un dispositivo de ensayo de sistema perm ite m onitorizar el programa a una dieciseisava parte de la velocidad normal con la potencia soldadora desconectada.

www.FreeLibros.org 101

Aplicaciones

SOLDADURA DEL ACERO Existe una gran cantidad de sistemas para la unión d e piezas de acero de pequeño espesor, pero al aum entar éste los procesos disponibles dism i­ nuyen hasta que, para estructuras realm ente pesadas construidas con placas de 300 mm o incluso más gruesas, las técnicas disponibles se reducen solam ente a tres o cuatro: soldadura al arco, al arco sumergido, por escoria conductora o por haz de electrones. Para que el técnico responsable de la producción pueda encontrar el proceso más adecuado en térm inos de posibilidad de soldadura, se puede confeccionar una tabla utilizando una escala arbitraria d e valoración com prendida entre 0 y 100 (figura 80).

Sistema Sistem as por resistencia (por puntos, protuberancias, solape, etc.) Soldadura oxiacetilénica manual Sistem a M IG manual Soldadura p o r arco manual Sistem a M IG autom ático (en caso de ser aplicable) Soldadura al latón, co n soplete Soldadura al latón por inducción Soldadura a la plata, con soplete Soldadura a la plata, p o r inducción Soldadura eléctrica al latón o a la plata en atm ósfera gaseosa Soldadura p o r microplasm a Sistem as TÍG manuales Sistem as TIG autom áticos Sistem as oxiacetilénícos autom áticos Soldadura al arco de carbón Soldadura al latón co n arco de carbón Soldadura con hidrógeno atóm ico Soldadura blanda

Puntuación 100 95 95 85 80 60 55 50 45 40 35 30 15 10 8 3 2 1

figura 80. Procedim ientos utilizados para soldar chapas delgadas a e acero al carbono y su valor aproxim ado d e la idoneidad.

La soldadura por arco palia el efecto del alabeo de las chapas delgadas de acero bajo en carbono, defecto propio de los otros procedim ientos de soldadura. A veces el m étodo elegido com o más adecuado se puede demostrar com o m enos apropiado para la producción que otro sistem a que tenga una puntuación inferior en la escala. Por ejemplo, la soldadura oxiacetilénica se podría, de m odo m uy ventajoso, sustituir por un sistem a de soldadu­ ra M IG autom ática si las uniones a soldar se diseñan de m odo apropiado. Ello requeriría un estrecham iento de las/tolerancias, la elim inación de las malas condiciones de ajuste de las piezas y la adecuada consistencia dim ensional de las mismas.

www.FreeLibros.org 103

So ld ad u ra industrial: clases y ap licacio n es

Este coste adicional se tiene que com parar con el gran increm ento de la producción y la m ayor calidad de la soldadura obtenida por los sistemas M IC autom áticos, en com paración con el caso d e la soldadura oxiacetilénica manual, donde la velocidad y la calidad de la soldadura son función de la habilidad del operario. Al dar un valo r cuantitativo al procedim iento de soldadura se tiene que tener en cuenta tam bién la finalidad d e la estructura soldada. Si, por ejem plo, se tom ara en consideración la producción de latas para conser­ vas, la soldadura blanda tendría fácilm ente la asignación 100. Si, por otra parte, se considera, por ejem plo, la fabricación de autom óviles, electrodo­ m ésticos o piezas d e aviación, será realm ente necesario tener en cuenta varias técnicas de unión de metales. D e m odo general, cualquier proceso autom ático es superior y más eco nó m ico si se prevé una producción masiva. Si la producción prevista es solam ente de lotes individuales o d e escasas unidades, debe hacerse una evaluación más precisa entre los sistemas m anuales y los autom áticos.

SOLDADURA DE LA FUNDICIÓN La fundición se suelda, principalm ente, por los siguientes p rocedim ien­ tos: — Soldadura oxiacetilénica. — Soldadura con electrodo revestido. — Soldadura M IG. La fundición es una aleación base hierro con 2 % en carbono y elevados porcentajes en silicio. En la soldadura de la fundición se deb e evitar la elim inación del carbono; por este m otivo se suele soldar con metal de aportación. Para soldar la fundición, norm alm ente se requieren altos precalentam ientos, los cuales pueden producir distorsión de la pieza y form a­ ción d e óxidos. Estos defectos son m uy p o co deseables cuando es im por­ tante el control dim ensional. La magnitud del precalentam iento aum enta con el tam año de la pieza de fundición. C o n piezas d e fundición de gran tam año pueden ser necesarios días para el enfriam iento y el calentam ien­ to lento. O tra característica de la soldadura de la fundición es que esta aleación antes de fundir no pasa por un estado de gran plasticidad, sino que, al contrario que el acero, se funde bruscam ente; por este m otivo sólo se puede soldar en posición horizontal. A ntes de aplicar cualquier proceso de soldadura a la fundición se requiere una preparación especial: la película superficial de la pieza debe ser elim inada en la proximidad de la unión. La elim inación de esta película debe ser realizada m ecanizando las caras d e soldadura y las áreas en una extensión de 10 mm desde los bordes de la unión. Los defectos, com o porosidad y fisuras tiehen q ue ser cortados. D espués del chaflanado las superficies tienen que ser ligeramente am oladas para elim inar cualquier área endurecida. El tam año del área elim inada tiene que ser suficiente­ m ente grande com o para permitir el acceso a la m anipulación del electro­ do o de la pistola de soldadura. Se pueden practicar agujeros en los extrem os d e las fisuras antes de sanear la fisura para evitar la propagación

www.FreeLibros.org 104

A p licacio n es

de la grieta durante su elim inación. Las fisuras deben ser chaflanadas para dar un ángulo d e 70° para soldadura con electrodo M IC y hasta 9 0 ° para soldadura oxiacetilénica y T IC . Estos ángulos tam bién son aconsejables para la preparación de bordes en fabricación. Los extrem os de las fisuras tienen que ser redondeados para reducir tensiones en la raíz de la solda­ dura, y los extrem os d e la soldadura tienen que ser inclinados un ángulo de 4 5 ° respecto a la superficie de la fundición. Cuando el espesor sea superior a 12 mm, se recom ienda una preparación por am bas caras si lo perm ite la accesibilidad de la unión. To dos los m ateriales extraños tienen que ser elim inados de la junta y su proxim idad: arenas, pinturas, aceite, grasa, ó xid o ... Se elim inan m ediante una com binación adecuada de m éto­ dos tipo m ecanizado, am olado, cepillado y desengrase con disolventes. La soldadura oxiacetilénica se aplica para soldar fundiciones siem pre que el espesor d e las piezas a soldar no sea dem asiado grande, lo que requiere elevadas cantidades de calor, difícil de sum inistrar por este proce­ dim iento de soldadura. La soldadura con electrodos revestidos se ha utilizado para la reparación de fundiciones durante m uchos años y tam bién se ha utilizado para la fabricación de piezas de fundición. Este proceso con electrodo revestido tiene la ventaja de mayores velocidades de soldadura respecto a la solda­ dura oxiacetilénica y puede ser usado para reparar grandes piezas in situ cuando es im posible aplicar un precalentam iento generalizado. Las parti­ culares características de la soldadura con electrodo y las características metalúrgicas de la fundición han conducido al desarrollo de electrodos especiales para este procedim iento. M ientras que con la soldadura oxia­ cetilénica siem pre es necesario cierto grado de precalentam iento para subir la tem peratura de la unión de form a que la llam a oxiacetilénica pueda fundir la fundición más fácilm ente, el hecho de cebar un arco con electrodo en la superficie causa un p equeño baño de fusión que produce un cierto precalentam iento. Sin embargo, el proceso con electrodo reves­ tido tiene la desventaja de causar m ucha más penetración que la soldadu­ ra oxiacetilénica. La solución más satisfactoria al problem a de la dilución del metal de la soldadura y d e la absorción, por parte del cordón, del carbono del metal base es e l uso d e aleaciones d e níquel. El carbono se separa en form a de finas partículas d e grafito y se obtiene un depósito fácilm ente mecanizable. El metal depositado e s dúctil, incluso sin precalentam iento, porque no tiene lugar ninguna transform ación. Las altas velocidades de enfria­ m iento no tienen ningún efecto perjudicial en e l m etal d e soldadura. Una desventaja del m etal de soldadura de níquel e s su susceptibilidad a la fisuración por solidificación com o resultado de la absorción de fósforo y azufre del metal base q ue tenga alto contenido de estos elem entos. Las fundiciones m aleables y nodulares norm alm ente tienen bajos contenidos de fósforo y azufre y no presentan estos problem as. Sin embargo, las fundiciones grises tienen niveles elevados de fósforo y azufre y es aconse­ jable reducir la dilución a un m ínim o. Por esta razón, los electrodos de níquel diseñados para la soldadura de metal base níquel no son utilizables para su uso en fundición debido a su penetración que puede producir m ucha dilución. Los electrodos de níquel para la soldadura de la fundición

www.FreeLibros.org 105

Sold adura industrial: clases y a p licacio n es

tienen un recubrim iento de tipo grafito, que produce una penetración m edia y perm ite trabajara baja intensidad de corriente, ya sea con corrien­ te continua o con corriente alterna. A unque el metal depositado base níquel no es afectado por un precalentam iento, éste sí puede influenciar las propiedades de la zona afectada térm icam ente. También se utilizan electrodos que contienen aproximadamente 55-60 °/o d e níquel y el resto de hierro. Estos electrodos son más baratos que los de níquel puro y m enos susceptibles a la fisuración por solidificación causada por fósforo o azufre. Durante algunos años los procesos d e soldadura M IC usando aleacio­ nes d e níquel o de cobre y protección de gas argón se han aplicado a la soldadura de fundición. Es necesario utilizar la técnica de cortocircuito para garantizar bajas penetraciones y bajas diluciones y, generalm ente, se producen m enos carburos en la zo n a afectada que con la soldadura con electrodos recubiertos. O tra ventaja de la soldadura M IG es que puede ser autom atizada y, por lo tanto, es ideal en trabajos repetitivos. Tai com o se ha com entado en el apartado de soldadura con electrodos, pueden em plearse alam bres base níquel, ya sea níquel puro o níquel-hierro, aleaciones base cobre y tam bién alam bres de acero, pero en este últim o caso el cordón depositado no será m ecanizable. Estos hilos en algunos casos son m acizos y en otros son tubulares. El reciente desarrollo de la soldadura M IC en cortocircuito, cuya ventaja es la baja penetración de las soldaduras, ha perm itido soldar numerosas piezas. Los procesos M IG se han em pleado con éxito para unir fundiciones nodulares y fundiciones m aleables consigo mism as y con acero. En la fundición se pueden tam bién em plear otros procedim ientos de soldadura com o la soldadura T IC , la soldadura por arco sum ergido, la soldadura por fricción, la soldadura por difusión y la soldadura por haz electrónico, pero no están tan extendidas en la industria.

SOLDADURA DEL COBRE En principio existen tres tipos d e cobre: el cobre desoxidado al vacío , el cobre desoxidado con fósforo y el cobre con partículas de óxido cuproso. Este últim o presenta dificultades al soldarlo, pues las partículas de óxido cuproso forman con el cobre base un eutéctico de bajo punto de fusión, que fragiliza la soldadura. El cobre se suelda por los siguientes procedim ientos: — Soldadura blanda. — Soldadura dura. — Forja. — M IG con baja tensión.

www.FreeLibros.org — Soldadura por resistencia eléctrica. — Soldadura a la llama oxiacetilénica.

— Soldadura alum inotérm ica.

106

A p licacio n es

El cobre desoxidado se suelda, principalm ente, con soldadura blanda, con arco en atm ósfera de gases protectores y a la llama. El arco se utiliza, fundam entalm ente, para soldar los bordes d e chapas delgadas de cobre. El cobre es uno de los m etales q ue tiene m ayor conductividad calorífica. Por este m otivo, la fusión local necesaria para la soldadura autógena sólo se logra cuando la m ayor parte de la masa m etálica ha recibido la suficiente cantidad de calor. La soldadura de cob re requiere m ayor cantidad de calor y , por consi­ guiente, llamas más grandes que las necesarias para soldar el acero, aun­ que su punto de fusión es unos cientos de grados inferior al del hierro. Si la cantidad de calor transm itida al metal es igual a la em itida por radiación, hasta el punto de que la llama no es capaz de ve n ce r las pérdidas de calor, la soldadura con metal aportado del cobre será im posi­ ble, y no podrá obtenerse una soldadura im pecable: la llam a es demasiado pequeña. Ésta, en cam bio, resulta ser dem asiado grande si al cabo de cierto tiem po se produce una acum ulación creciente de calor y un paso rápido al estado líquido sobre una am plia base. En la soldadura oxiacetilénica del cobre la llama debe m antenerse, al principio de la operación, en la posición vertical, a ser posible sobre el baño de fusión hasta que se pierda la coloración oscura procedente d e la oxidación superficial y consiga el colo r rojo claro propio d e los colores de revenido, señal de que casi se ha alcanzado ya el punto de fusión. Sólo después de haber recibido la pieza de trabajo la suficiente cantidad de calor, puede aplicarse el ángulo de soldar usual e inclinar más el soplete al llegar al final de la costura, cuando se haya estancado el calor, lo cual es ventajoso especialm ente cuando se sueldan chapas delgadas. La propie­ dad del dióxido de carbono de reducir el poder de absorción del cobre líquido para otros gases, en particular para el oxígeno, se aprovecha prácticam ente sosteniendo verticalm ente el soplete, sobre todo cuando se sueldan chapas gruesas, para que la llama se extienda en la chapa uniform em ente sobre las zonas m uy calentadas. D e esta m anera se ayuda al propio tiem po la acción del desoxidante (fundente), aplicado sobre el cob re frío en form a pastosa. El fundente suele contener fosfato m onoácido de sodio y ácido bórico. La soldadura alum inotérm ica del cobre se realiza para unir cables entre sí y cables de protección en arquetas enterradas. El calor para fundir el cobre se genera encendiendo una m ezcla de óxido cuproso, alum inio en polvo y ó xido de bario.

SOLDADURA DEL LATÓN Los latones se sueldan m ediante: — Soplete oxiacetilénico.

www.FreeLibros.org — M IG .

— Resistencia eléctrica.

Es m ucho más fácil soldar el latón que el cobre. Su conductividad

107

So ldadura industrial: clases y a p licacio n es

calorífica es 2,5 a 3 veces la del acero y, por tanto, 2/3 inferiora la del cobre, por lo que casi siempre se aplica una llama del tamaño de la utilizada para la soldadura del acero. La fusión m ucho más fluida en el baño d e latón, los fenóm enos d e tensión esencialm ente m enores, la m enor elim inación de calor y el peligro de recalentam iento no tan grande com o en el cobre, son todos ellos factores que aum entan su soldabilidad, prescindiendo de que sirve casi únicam ente para soldar chapas delgadas y tubos, raras veces para espesores de paredes de más de 10 mm. Al contrario del cobre, la probabilidad d e absorción d e hidrógeno en el latón es de poca im portan­ cia, porque el cinc reduce sensiblem ente la solubilidad para este gas. El cinc, cuyo punto de ebullición es únicamente de 907 °C , tiende, sin embar­ go, a vaporizarse más rápida y fuertem ente y oxidarse form ando ó xid o de cinc, lo cual requiere una llam a oxidante. Costuras d e latón soldadas con una llama mal regulada presentan un precipitado blanco, más o m enos extenso, que consta de óxido de cinc y se adhiere fuertem ente a la superficie del latón. M uy raras veces se utiliza un alam bre de latón ordinario com o material de aportación, por ser difícil obtener con él una soldadura exenta de poros. G eneralm ente se utilizan alam bres de latón especiales, con un contenido en cinc superior en 2 a 3 % al del latón a soldar y adiciones de silicio. Los fundentes son los m ism os que se em plean siem pre para el cobre y sus aleaciones; el bórax o pastas hechas d e este material son inadecuados. En el procedim iento M IG de soldadura del latón no se utiliza esta aleación com o metal de aportación sino alam brón de bronce (Cu + 5 °/o Sn) o cuproalum inio (Cu + 6 °/o Al).

SOLDADURA DEL BRONCE El bronce tiene un grave inconveniente para soldarlo: pierde rápida­ m ente parte de su resistencia y ductilidad conform e aum enta la tem pera­ tura y se resquebraja, al m enor descuido, bajo el propio peso del cuerpo. La resistencia del bronce a 600 °C es únicam ente del 20 % del material a temperatura ambiente. Al pasar de 500 °C bastan pequeñas trepidaciones y m ovim ientos, o más bien golpes o choques, para que se quiebre la pieza de bronce, razón por la cual se aconseja evitar todo cam bio d e sitio o local, es decir, no hacer girar ni dar vueltas a la pieza de bronce al exceder la tem peratura de 400 °C . En el proceso de la soldadura las piezas de trabajo de bronce deben colocarse, antes de iniciar la unión, sobre un soporte fuerte y firm e, para que no sufra cam bios de posición. La dificultad para soldar el bronce aum enta a m edida que se increm enta el porcentaje de estaño. El bronce no e s tan quebradizo com o la fundi­ ción, pero no deb e prescindirse de un calentam iento previo para elim inar las tensiones existentes. Este calentam iento no deb e pasar, sin embargo, de los 600 °C . Si se trata de cuerpos pequeños, bastará calentarlos previa­ m ente con la llama, pero los objetos grandes se pondrán al horno.

www.FreeLibros.org En la soldadura al arco del bronce (MIG) el metal d e aportación general­ m ente contiene 8 % de cinc y 0,5 % d e fósforo. El bronce tam bién se suelda por resistencia eléctrica.

108

Aplicaciones

SOLDADURA DEL ALUMINIO El alum inio se puede soldar por: — Forja. — Resistencia eléctrica. — M IC. — TIC . — Llama oxiacetilénica. — Soldadura blanda. — Soldadura dura. El alum inio puede ser soldado en grandes espesores (hasta 25 m m ) por el procedim iento de forja. Los recubrim ientos de la chapa (dos o tres veces el grueso del material, pero no m enos de 8 mm) se decapan m ecánica­ m ente y a continuación se quiebran los bordes y se calientan con la llama oxiacetilénica. La forja se efectúa a unos 420 °C , que es una temperatura en la que el alum inio es m uy blando y fácil de martillar. D espués se aísla la costura. Por soldadura por forja se fabrican tubos de alum inio. T res perfiles de alum inio calentados se introducen en la matriz puente y, al soldarse por forja, dan lugar al tubo. La resistencia de la soldadura d epende d e la tem peratura de ésta, que no deb e ser inferior a 350 ° C ni superior a 500 °C , porque entonces el alum inio se fragiliza. Las soldaduras eléctricas por resistencia y por arco protegido con gases inertes cada día tienen m ayor interés para el alum inio y sus aleaciones. En la soldadura con gas la preparación de los bordes de la pieza de trabajo para la soldadura es análoga a la del acero. Los tubos deben ser soldados a tope. Los bordes a soldar deben limpiarse escrupulosam ente de grasa, aceite y óxidos m ediante limas, cepillos y rasquetas, que deben estar siem pre preparados únicam ente para el alum inio. C o m o desengra­ sante se recom ienda el tricloroetileno. En aleaciones viscosas del alum i­ nio, c o m o , por ejem plo, alum inio-m agnesio, conviene doblar (achaflanar) ligeramente los cantos de la chapa tam bién por el lado opuesto (envés). La pasta de soldar se aplica, antes d e calentar la costura, con un pincel lim pio —cualquier im pureza, hasta la más pequeña, estorba—sobre y entre los bordes de la chapa, a ser posible tam bién en la cara opuesta, y sobre el alam bre. En chapas gruesas y piezas fundidas se opera, por regla general, con fundentes pulverizados, en los que se introduce únicam ente el extre­ mo caliente del alam bre. La soldadura blanda de metales ligeros, lim itada exclusivam ente a la unión del alum inio y sus aleaciones, puede em plearse únicam ente para chapas m uy delgadas, de m enos de 0,2 m m de espesor en lo que se refiere a la soldadura por m edio de soldador. Prescindiendo de ello, para este tipo de soldadura só lo puede em plearse la llam a Bunsen o la soldante para

www.FreeLibros.org 109

So ld ad u ra industrial: clases y ap licacio n es

soldar todos los materiales a base de alum inio. C o m o la tem peratura de trabajo para el proceso está com prendida entre 180 y 500 °C , los datos relativos a la soldadura autógena son válidos igualm ente para la soldadura blanda en cuanto al descenso o dism inución de resistencia de aleaciones de alum inio templadas. Las varillas para la soldadura blanda d e alum inio son especialm ente de m etales pesados a base de cin c y estaño con adiciones de plom o, cadm io, bism uto, etc., y contienen únicam ente hasta 30 % , a lo sum o, de alum inio, pero por regla general esta cantidad no pasa d e 15 °/o. En contraposición a la soldadura blanda de alum inio, las soldaduras duras tienen una proporción considerablem ente m ayor de alum inio, de 70 a 90 % . Los dem ás com ponentes d e la aleación, generalm ente m etáli­ cos, de las varillas de soldadura dura, com o cobre, cinc, estaño, plata, níquel, manganeso, cadm io, silicio, antim onio, bism uto, e tc., están repre­ sentados en cantidades m ucho más pequeñas que en la soldadura blanda, con lo que resulta un aum ento considerable de la tem peratura de fusión y, consiguientem ente, de la de trabajo. Una soldadura dura m uy preferida es tam bién el alam bre de silumín con 13 % d e silicio y el resto alum inio.

SOLDADURA DEL TITANIO A temperaturas próxim as a su punto de fusión absorbe fácilm ente oxígeno y nitrógeno, haciéndose entonces extrem adam ente frágil. Por eso su em pleo en las estructuras soldadas sólo ha podido realizarse gracias a la soldadura de argón (figura 81). La técnica que se utiliza es muy especial y consiste en servirse de em puñaduras d e gran consum o, provistas o seguidas de dispositivos que consum en argón en una gran zo n a a retaguardia d e la junta, o en utilizar recintos cerrados con paredes de plástico transparente, llamados «cajas de guantes», provistas de aberturas para el paso de los brazos, com pletam en-

Figura 87. Soldadura d el titanio co n p ro teccio n es laterales e inferior: 7) pistola para soldar; 2) gas protector; 3) piezas a soldar.

www.FreeLibros.org 110

A p licacio n es

te llenos de argón, los cuales contienen las piezas de soldadura y la em puñadura. Las piezas más corrientes rebasan raramente los 3 mm de espesor, debiendo estar perfectam ente limpias y desengrasadas en los entornos de la junta. Los bordes se dejan rectos, con una separación m uy ligera entre ellos, basándose, para los parámetros de la soldadura, en los cuadros sum inistrados por el constructor del aparato utilizado o por el productor del titanio.

ACERO GALVANIZADO El acero galvanizado por inm ersión en caliente se o btiene introducien­ do la chapa de acero, o la pieza de acero ya fabricada, en un horno que contiene el cinc en estado líquido (figura 82).

Figura 82. Fiorno de cuba para la galvanización en caliente del acero al carbono.

Para soldar acero galvanizado se puede utilizar la soldadura al arco, la soldadura oxiacetilénica y la soldadura por resistencia. Una ve z soldadas las piezas hay que lim piar perfectam ente la zona unida, sobre todo de la escoria. Es preferible el chorreo con granalla tratada térm icam ente. Seguidam ente se aplica un cincado por proyección con pistola, suelda a base de cinc, o se pinta corjf pinturas ricas en cinc. Cuando se sueldan aceros galvanizados em pleando la protección de dióxido de carbono, se produce una m ayor cantidad de proyecciones que cuando el acero está sin galvanizar. Estas partículas proyectadas pueden quedar adheridas a las piezas a soldar o en la pistola. En el prim er caso se origina un aspecto superficial po co satisfactorio, y en el segundo se provocan trastornos en la salida de gases. La adherencia de estas partículas

www.FreeLibros.org 11 I

So ldadura industrial: clases y ap licacio n es

puede paliarse m ediante el em pleo de aerosoles a base de silicio, grafito o petróleo, cuya aplicación previa a la soldadura evita la fuerte adherencia y perm ite limpiar, con un sim ple cepillado, tanto la pieza com o la tobera de la pistola. Los resultados d e los ensayos d e tracción, plegado y fatiga, así com o el exam en radiográfico, han dem ostrado q ue la presencia del recubrim iento de cinc no influye sobre las propiedades de la unión. No se detecta porosidad en las soldaduras a tope, pero las uniones T en ángulos pueden contener niveles variables de porosidad. Se ha dem ostrado que esta porosidad, aun en un nivel muy elevado, no tiene efecto sobre la resisten­ cia de la unión.

www.FreeLibros.org 112

Defectos de la soldadura

En primer lugar, hay que distinguir entre defectos internos y externos (figura 83), según quedan dentro o fuera de la soldadura. Los externos más fácilm ente apreciables son los siguientes: — Falta de penetración. — Exceso de penetración. — Sobreespesor del cordón. — Cordón irregular. — Mordeduras. — Salpicaduras. — Cráteres.

Externos

Falta d e penetración Sobreespesor Cordón irregular • M ordeduras Grietas Salpicaduras Cráteres

. Internos

Zonas duras Inclusión de W Cebado arco Porosidad Inclusión de escoria Soplado del arco

Figura 83. Principales tipos de d efecto s en las uniones soldadas.

Defectos

Para ser observados los defectos internos se necesitan instrumentos com o los rayos X o ensayos metalográficos y pueden ser: — Escorias incrustadas.

www.FreeLibros.org — Sopladuras. — Grietas.

— Cebado arco.

113

So ld ad u ra industrial: clases y ap licacio n es

FALTA DE PENETRACIÓN La falta de penetración, que suele ir acom pañada d e incrustaciones de dim inutas partículas de escoria, se produce por las interrupciones interm i­ tentes en la fusión de los bordes (figura 84), sobre todo al reanudar la soldadura tras el cam bio de electrodos.

Consisten en una penetración incom pleta del material de aportación. G eneralm ente afecta a la primera pasada en uniones realizadas desde un lado, y a la zon a central del espesor de la unión d e juntas soldadas por am bas caras (figura 85). En los casos de uniones efectuadas por un solo lado su efecto e s de una entalla, por lo que su grado de gravedad e s mayor. Este es uno de los efectos más críticos, siendo causa de roturas en servicio de soldaduras en depósitos a presión, tanques y tuberías. La falta de penetración se evita procurando la m áxim a lim pieza y reanu­ dando la soldadura a unos m ilím etros d e donde se interrum pió. Hay que prestar especial atención al justo diám etro del electrodo, ya que, por ejem plo, al soldar costuras acanaladas con electrodos de envolvente dem asiado gruesa, puede suceder que el vértice de la costura no pueda ser fundido suficientem ente y dé lugar a inevitables defectos en la base. Un d efecto contrario es la penetración de la soldadura en la filtración, a la que el obrero soldador da el nom bre de «barba de la soldadura» o tam bién «bolsa». La penetración com o tal no es peligrosa para uniones hechas debidam ente, pero en costuras de tubos dism inuye la sección d e paso útil de los tubos. Figura 85. Falta d e penetración interna.

www.FreeLibros.org 114

D efectos d e la soldadura

D e todos m odos, estos defectos se presentan m enos en las soldaduras por arco que en las soldaduras por gas.

SOBREESPESOR Se denom ina así al exceso de material que sobresale en la «cara» o la «raíz» d e la soldadura (figura 86). Soldaduras con sobreespesor llevan m uchos años prestando servicio en todo tipo de industria sin que hayan producido roturas por su causa. El sobreespesor del cordón supone un gasto inútil de material y da al cordón de soldadura un aspecto dem asiado abultado, que en realidad debilita la junta. Figura 86. Sobreespesor.

CORDÓN IRREGULAR Tanto por sobreespesor com o por variación de la línea que sigue el cordón, com o por variar el espesor, el cordón queda irregular, evidencia la falta de práctica en el soldador y da origen a defectos en la soldadura (figura 87). Figura 87. C ordón irregular.

/

/

MORDEDURAS Las mordeduras son canales y hundim ientos producidos en la zona donde em pieza el sobreespesor entre el cordón y los bordes de las piezas (figura 88).

www.FreeLibros.org Son debidas a m ovim ientos inadecuados del electrodo y reducen la sección resistente. Este defecto puede rem ediarse, en parte, dando una

115

S o ldadura industrial: clases y ap licacio n es

Figura 88. M ordeduras.

n

pasada al relleno una ve z acabada la soldadura. Se da con más frecuencia en la soldadura vertical. Se presentan en form a de cavidades, generalm ente de form a continua, en el metal base adyacente al baño de fusión a uno o am bos lados de la soldadura (fig. 89). Por constituir una fuente de entallas, puede ser origen de grietas y roturas, especialm ente bajo fatiga térm ica o m ecánica. D ebe atribuirse especial im portancia a las entallas, dando por resultado, en soldaduras horizontales, una falsa conducción del electrodo. Estas entallas constituyen siem pre una debilitación d e la sección portante del material y son, por tanto, más peligrosas cuanto más perpendicularm ente actúan sobre ellas las fuerzas de tracción o han de soportar esfuerzos de flexión. Estas entallas se presentan especialm ente cuando se suelda en paredes verticales y por debajo. Tam bién se favorecen por la clase del electrodo em pleado, com o ocurre en las soldaduras acanaladas con más frecuencia que en cualquier otra clase de costuras. Las entallas transversa­ les que se forman en la superficie d e la costura cuando se trabaja con electrodos desnudos de lenta fusión o mal conducidos, son, en efecto, m enos perjudiciales, pero presentan un aspecto m uy feo.

GRIETAS Las grietas son discontinuidades del cordón de soldadura (figura 90). Las consecuencias d e estos defectos suelen ser graves, pues contribuyen a la rotura. Figura 89. Ranura o garganta en la superficie d e la chapa a lo largo d e l b o rd e d e la soldadura.

www.FreeLibros.org I

116

D efectos d e la soldadura

El peligro de las grietas de contracción es aún m ayor cuando están ocultas, y no en la superficie. Estos defectos coinciden m uy raras veces con la ejecución del trabajo y, por tanto, no puede decirse que sean debidas a poca habilidad del operario; más bien parece que están relacionados con las propiedades del material base y del electrodo, y quizá tam bién con un falso orden d e sucesión de la soldadura. Las grietas que aparecen al aplicar la prim era capa deben ser separadas o fundidas com pletam ente, porque, com o se com prenderá fácilm ente, prosiguen en las capas siguientes. Figura 90. Grieta. D iscontinuidad d el co rdón de soldadura.

SALPICADURAS Se trata del desprendim iento en form a de gotas más o m enos gruesas del material de aportación que form a la raíz. A pesar de que su aspecto suele ser alarm ante no son peligrosas, a m enos que sean m uy acusadas y continuas con cam bios brucos en su forma.

ZONAS DURAS Frecuentem ente en las fundiciones tienen lugar fenóm enos de endure­ cim iento. La soldadura entonces es m uy difícil. Hay dos cosas que son de im portancia para este fenó m eno : el enfriam iento dem asiado rápido del lugar de la soldadura y la dism inución esencial de carbono y silicio debido a la vaporización o a la oxidación. La pieza de fundición se ablanda por recocido. El tiem po que dura el recocido varía entre 3 horas y 5 días, según la masa de la pieza soldada. La causa de la dureza producida en el lugar de la soldadura es un enfriam ien­ to rápido, la m isma circunstancia que ha causado el endurecim iento de la fundición blanca: la evitación de la suficiente form ación de grafito y la de cem entita y ledeburita o la m ezcla de ambas. Esto puede notarse clara­ m ente en los bordes de la superficie de rotura de una pieza m aciza de fundición, que, por haberse enfriado con m ayor rapidez por fuera, son siem pre más pobres en grafito y permiten reconocer a sim ple vista una m icroestructura de grano m ucho más fino. Con la finura del tam año del grano crece la resistencia a la rotura de la fundición, pero tam bién su dureza. C o m o el lugar de la soldadura se enfría más deprisa que la pieza después de solidificada en su m olde, por lo que representa siem pre

www.FreeLibros.org 117

So ld ad u ra industrial: clases y a p licacio n es

una m icroestructura m ucho más fina, se com prende que el lugar d e la soldadura de la fundición tenga m ayor resistencia que el material básico. La pérdida de carbono y silicio de la soldadura produce un material m uy parecido a un acero endurecido o tem plado, d e m odo que am bos e le­ m entos deben estar siem pre en cantidad suficiente en el material de aportación. U na parte del carbono y del silicio pasa al estado gaseoso (en parte en com binación con el oxígeno o el hidrógeno del aire y de la llama) y sube, en form a de pequeñas burbujas, a la superficie del baño d e fusión. Si la masa fundida se solidifica sin dejar tiem po a los gases encerrados para salir al aire libre, no será posible evitar la form ación d e rechupes y burbujas en la soldadura. La form ación de burbujas de gas (poros) debe atribuirse principalm ente a la oxidación del carbono para formar C O o C 0 2. H ay que procurar, pues, que la solidificación del baño de fusión no se efectúe bruscam ente, sino que la llam a perm anezca por algún tiem po sobre el lugar soldado para que éste se vaya solidificando lentam ente, lo cual favorece la segregación grafitica. A m enudo la soldadura contiene nuditos duros, sin dejar por ello de ser blanda y susceptible de poderse elaborar. Estas islitas duras, que se presen­ tan especialm ente en los bordes de transición entre el lugar de la soldadu­ ra y los bordes soldados, son generalm ente una consecuencia de la unión desigual de estos bordes con el material de relleno que no es homogénea. Hay que tener el cuidado de que la sección del material de relleno no sea m uy débil y se adapte a la de la pieza de trabajo. Las varillas delgadas deben fundirse por debajo de la superficie del baño de fusión al mismo tiem po q ue se agitan sin interrupción. Las zonas duras en la soldadura de la fundición pueden provenir tam ­ bién de que quedan encerrados óxidos no escorificados con la debida rapidez por los polvos de soldar. La costra de ó xid o se forma, no só lo en la superficie del baño de fusión, de donde se puede retirar con una barra de hierro, sino tam bién en el extrem o de la varilla que está fuera del baño. El silicio contenido en la soldadura reduce el óxido de hierro, dism inuyendo así al m ism o tiem po el silicio contenido en la masa líquida, en detrim ento de la segregación de grafito. Para evitarlo, se da a la llama, al soldar hierro colado, un exceso notable de acetileno, porque la presencia de grandes cantidades de carbono apoya el trabajo de silicio y éste no se quem a tanto.

CRÁTERES Los cráteres son rechupes en form a casi circular que se producen a la term inación de cada electrodo y se extienden de form a irregular en el metal de soldadura. Son debidos a la contracción del material de aporta­ ción fundido com o consecuencia d e una interrupción brusca del arco. A m enos que haya en ellos grietas o faltas de fusión, no suelen ser causa de roturas en servicio.

www.FreeLibros.org INCLUSIONES DE TUNGSTENO

Son partículas de material procedente de los electrodos utilizados en la soldadura T IG , que quedan retenidas en el interior de la unión.

118

D efectos d e la soldadura

Estas inclusiones no son perjudiciales, a m enos que su tam año y núm e­ ro sean excesivos.

CEBADOS DE ARCO Son zonas localizadas afectadas por el calor o cam bios en el contorno de la soldadura y metal base causadas por un arco. Su origen es el calor generado al paso accidental de la corriente a través de un electrodo de soldadura o los punzones de inspección por partículas magnéticas. Este tipo de discontinuidad raras veces ha sido causa de rotura en servicio.

POROSIDADES Bolsas d e gas producidas en soldadura por materiales de aporte defec­ tuosos, falta de lim pieza del metal base, o incorrecta regulación de los parám etros d e soldadura. Por observación m icroscópica y por radiografías m ediante rayos X, se aprecian m anchas negras m uy definidas y de form a más o m enos esférica (figura 91).

Figura 97. Porosidad.

INCLUSIONES DE ESCORIA M ateriales sólidos no m etálicos atrapados en el metal de soldadura, o entre el cordón de soldadura y el metal base. Por observación metalográfica se distinguén m anchas oscuras d e form a más o m enos irregular (figura 92).

SOPLADO DEL ARCO

www.FreeLibros.org Es una perturbación magnética del arco de soldadura que lo hace fluctuar del curso normal (frecuente cuando se trabaja con equipos de corriente continua). Es la causa del mal encendido de los electrodos incandescentes.

119

S o ldadura industrial: clases y ap licacio n es

Figura 92. Inclusiones.

Si la calidad de la unión soldada d ecrece más o m enos sensiblem ente por cualquiera d e los defectos y faltas anotados, peor es aún el resultado cuando concurren dos o más de estos defectos en la misma costura. Entonces intensifican sus efectos.

www.FreeLibros.org

Bibliografía

— «Metals Handbook». ASM . Edición n.° 9, vo lum en 6. M aterials Park, O hio, 1983. — P. M olerá y R.L. Felip. «Metalización». Ed. Prensa XXI, Barcelona, 1982. — P. Schim pke y H .A. Horn. «Soldadura y Co rte con soplete». Ed. G. Gili, M éxico , 1982. — P. Schim pke y H .A. H orn. «Soldadura Eléctrica». Ed. G . G ili, M éxico, 1982. — J. G o nzález V ázq uez. «Manual de soldadura eléctrica». 3.a edición. Ed. C E A C , Barcelona, 1981. — ). G o nzález V ázq uez. «Manual de soldadura con llama». 3.a edición. Ed. C E A C , Barcelona, 1983. — J.M.a Rivas Arias. «Soldadura Eléctrica y sistemas T IG y M AG». 2.a edición. Ed. Paraninfo, M adrid, 1983. — J.M.a Rivas Arias. «Introducción a la soldadura eléctrica». 3.a edición. Ed. Paraninfo, Madrid, 1983. — L. M endel. «Soldadura por arco. M anual práctico». Ed. Paraninfo, M adrid, 1981. — ).M . Carroll. «Fundamentos y aplicaciones del lásen>. Ed. M arcom bo, Barcelona, 1978. — P .F.W o o d s. «Técnicas m odernas de soldadura. Aplicación práctica de procedim ientos, aparatos y utillajes». Ed. Hispano-Europea, Barcelona, 1972. — G .E. Lh e u reu xy E.). Belotte. «Soldadura por resistencia». Ed. HispanoEuropea, Barcelona, 1968. — R. Pons y V .R . A ndreano. Deform ación M etálica, 138 (1988) pág. 55. — M .V. Piredda. «Soldadura con arco sumergido». Ed. Limusa, M éxico, 1982. — M .V. Piredda. «Soldadura de arco m etálico con protección de gas». Ed. Limusa, M éxico , 1983. — «Papers on soldering». ASTM , Filadelfia, Pensylvania, 1963. — G . Edling. D eform ación M etálica, 156 (1989) pág. 57.

www.FreeLibros.org 121

COLECCION "PRODUCTICA" Volúmenes aparecidos 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56

C ó m o m ejorar la productividad en el taller D iseño industrial por com putador Autóm atas programables Fabricación asistida p o r com putador-CAM C írcu lo s d e calidad C ó m o y cu án d o aplicar un robot industrial Control de m étodos y tiem pos Redes locales en la industria La fábrica flexible Aplicación de la estadística al control de la calidad Introducción a la neum ática La form ación perm anente en la em presa A plicaciones industriales d e la neumática C ó m o program ar un control num érico Seguridad e higiene en el trabajo C ontro l de procesos industriales; criterios de im plantación Planificación y rentabilidad d e proyectos industriales Gestión de calidad A p licacio nes industriales del láser D ispositivos y sistem as para ahorro de energía M anagem ent: la tecnología punta del mando Nuevas técnicas de gestión a e stocks Sim ulación de procesos co n PC Planificación y programación de la producción La innovación tecnológica y su gestión O ptim ización industrial (I): distribución de los recursos Tratam iento de aguas industriales: aguas d e proceso y residuales Ingeniería am biental: contam inación y tratam ientos O ptim izació n industrial (II): programación de lo s recursos Electrom ecanizado: Electroerosión y m ecanizado electroquím ico Programas d e form ación para el em pleo Ingeniería económ ica Recubrim iento de los metales Com bustió n y quem adores M etales resistentes a la corrosión El departam ento de I + D : organización y control C orrosión industrial La ergonom ía y el ordenador A dh esivo s industriales M ateriales no m etálicos resistentes a la corrosión El directivo im pulsor de la innovación M edida y control del ruido Previsión tecnológica y de la dem anda Logística em presarial La puesta a tierra d e instalaciones eléctricas y el RAT Ingeniería de sistemas C onform ación m etálica Localización, distribución en planta y m anutención Fiabilidad y seguridad de procesos industriales M arketing estratégico Tratam ientos térm icos de los metales El m ando interm ed io: figura clave en la em presa Clim atización de confort e industrial Fabricación integrada por ordenador (CIM) Técn icas gráficas en Prodúctica Soldadura industrial: clases y aplicaciones

www.FreeLibros.org

Soldadura industrial: clases y aplicaciones La soldadura se interpreta como una operación de ensamblaje, muy utiliza­ da en el sector de la calderería, de la chapa hechurada y como operación de reparación de piezas rotas. La soldadura, a la par que soluciona la unión de componentes metálicos, puede fragilizar al metal base en la zona afecta­ da por el calor. No obstante, como procedimiento de unión entre partes de objetos metálicos, la soldadura constituye el procedimiento de conforma­ ción metálica más versátil. Existe una gran variedad de aparatos, instalacio­ nes, accesorios... metálicos, de formas más o menos complejas, que se han fabricado gracias a la introducción del proceso de unión por soldadura en alguna de sus etapas del proceso productivo. Los fundamentos de la soldadura de metales y aleaciones, la humectabilidad y la difusión en estado sólido, constituyen la primera parte del libro. En la segunda parte se describen los procedimientos de soldadura: autóge­ na, a gas, arco (T IC , M IC , MAG, electrodo revestido, electrodo sumergido, electrodo bajo escoria electroconductora, plasma), resistencia (a tope, pun­ tos, protuberancias, roldanas, costura), electrólisis, aluminotérmica, explo­ sión, ultrasónica, fricción, láser, haz de electrones, forja, inducción, solda­ dura dura y soldadura blanda. El libro termina explicando algunas técnicas especiales de soldadura tales como el recargue y la compactación isostática en caliente, las instalaciones, los equipos y los productos utilizados en las técnicas de la soldadura. También se describen los defectos más com unes en las soldaduras. Pere Molerá Solá es Doctor en Ciencias Quím icas, profesor titular de Meta­

marcombo

BO IXAHEU ED IT O LE S

lurgia de la Universidad de Barcelona. Ha sido becario de la Dirección Ge­ neral de Universidades e Investigación para la Formación de Personal Inves­ tigador, profesor de Metalurgia de la Universidad Autónoma de Barcelona, profesor invitado en diferentes universidades extranjeras (Oporto, Lisboa, Bogotá y Washington). Ha sido presidente de la sección de Corrosión de Barcelona de la Asocia­ ción Nacional de Quím icos de España y fundador de la sección de Metalur­ gia de la citada Asociación. Ha publicado catorce libros y un centenar de artículos en revistas de la es­ pecialidad españolas y extranjeras. El último libro publicado es «Tratamien­ tos térmicos de los metales», volumen n? 50 de esta colección. Ha presenta­ do más de cincuenta ponencias en diversos congresos de la especialidad celebrados en distintos países. Ha sido distinguido con un accésit del premio Manuel Torrado Varela de la Asociación Técnica Española de Estudios Metalúrgicos. Es asesor meta­ lúrgico de varias revistas y enciclopedias. Es director de la revista «Deforma­ ción Metálica». Ha sido investigador principal de varios proyectos de investigación subven­ cionados por la Dirección General de Investigación Científica y Técnica del M inisterio de Educación y Ciencia y por la Generalitat de Catalunya.

www.FreeLibros.org P R O D U C T I C A