Ingeniería de los Sistemas de Producción. Soldadura: Procesos. Procesos de Soldadura. 1. Soldadura por Combustión (autógena)

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Rosendo Zamora Pedreño Dpto. Ingeniería de Materiales y Fabricación rosendo.zamora@upct.es

Soldadura: Procesos

Índice 1. Soldadura por Combustión (autógena) 2. Soldadura por Arco 3. Soldadura por Resistencia 4. Soldadura Heterogénea 5. Otros procesos de soldadura Procesos de Soldadura

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3 1. Soldadura por Combustión (autógena) Fundamento: Proceso: por fusión. Energía: combustión de un gas. Composición mezcla combustible: Oxigeno + (Metano, propano y fundamentalmente acetileno C₂H₂) Soldadura oxiacetilénica OAW (Oxyacetylene Welding) 3100 o_C. *2 1. Soldadura por Combustión (autógena) • Dardo • Zona reductora • Penacho 1.‐ Soldadura por Combustión Zonas de la llama oxiacetilénica

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5 1. Soldadura por Combustión (autógena) Tipos de llama: Neutra •Dardo de color Verdoso ‐ Blanco bien definido. •Uso habitual Reductora • Exceso de Acetileno • Combustión irregular penacho blanco y alargado • El exceso de C carbura el metal • Acero sin metal de aporte 1. Soldadura por Combustión (autógena) Tipos de llama: Oxidante •Exceso de Oxígeno •Dardo Azul y corto •Penacho inexistente (se queman los gases) •Malas propiedades mecánicas 1.‐ Soldadura por Combustión

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7 1. Soldadura por Combustión (autógena) Tipos de llama: *6 1. Soldadura por Combustión (autógena) Protección: Uso de fundentes: • deshacen los óxidos superficiales • protegen de la oxidación •Para materiales férreos: mezclas a base de bórax, bicarbonato sódico, sílice y sosa. •Para Cu y sus aleaciones: mezclas a base de bórax, ácido bórico y cloruros y fosfato sódico. •Para Al y sus aleaciones: mezclas a base de sulfato sódico, cloruros de sodio, de potasio y magnesio, y fluoruros de potasio y sodio. 1.‐ Soldadura por Combustión

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9 1. Soldadura por Combustión (autógena) Métodos de soldeo A izquierdas (clásico): • La varilla va por delante del soplete • La llama precalienta el material a soldar • Inconveniente: empuja al metal en el sentido de trabajo lo que dificulta la penetración *7 1. Soldadura por Combustión (autógena) Métodos de soldeo A derechas: • La varilla va por detrás del soplete • Facilita la penetración • Se obtiene mayor velocidad de soldeo y cordones más estrechos 1.‐ Soldadura por Combustión

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11 1. Soldadura por Combustión (autógena) Equipo: Barato y de fácil transporte *7 1. Soldadura por Combustión (autógena) Aplicación: Cualquier metal de uso industrial: aceros al carbón, aleados e inoxidables, cobre y sus aleaciones, aluminio y sus aleaciones, magnesio y sus aleaciones. Utilización restringida. Se usa cuando hay problemas de accesibilidad. Está siendo desplazada por la soldadura por arco. Problemas: •Impurezas en el baño •Difícil automatización •Tasa de deposición es baja 1.‐ Soldadura por Combustión

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13 1. Soldadura por Combustión (autógena) 2. Soldadura por Arco 3. Soldadura por Resistencia 4. Soldadura Heterogénea 5. Otros procesos de soldadura 2.‐ Soldadura por Arco Arco eléctrico: efecto producido cuando la energía eléctrica se transforma en energía calorífica y en radiación electromagnética al pasar a través de un conductor gaseoso Es necesario que el gas sea conductor Se ioniza (+) mediante una descarga. El arco tiene forma cónica con vértice en la punta del electrodo y base en la 2.‐ Soldadura por Arco

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15 2.‐ Soldadura por Arco 1.‐ Plasma: (10.000 ÷ 30.000 o_C) • Electrones: (‐)  (+). Energía cinética en calorífica. • Iones metálicos: (+)  (‐) • Átomos gaseosos: ionización y recombinación. • Productos de la fusión de los metales: vapores, humos, escorias, etc. 2.‐ Llama Componentes del arco: 2.‐ Soldadura por Arco En corriente continua podemos trabajar con polaridad: • Directa: el negativo en el electrodo El calor se concentra en la pieza • Inversa: el positivo en el electrodo El calor se concentra en el electrodo (mayor penetración) 2.‐ Soldadura por Arco *2 *TIG

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2.‐ Soldadura por Arco

Procedimientos de soldeo por arco

1.‐ Electrodo revestido (SMAW Shielded Metal Arc Welding)

2.‐ Electrodo no consumible y protección de gas inerte (TIG

Tungsten Inert Gas)

3.‐ Electrodo consumible y protección por gas inerte (MIG) o por gas activo (MAG) (Metal Inert Gas, Metal Active Gas).

4.‐ Arco sumergido (SAW Submerged Arc Welding).

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19 2.1.‐ Electrodo revestido (SMAW Shielded Metal Arc Welding ) • Fusión de bordes de las piezas a unir • Energía = arco eléctrico entre pieza y electrodo consumible revestido • Proceso manual • Protección: escoria y gas procedente del revestimiento 2.1.‐ Electrodo revestido (SMAW Shielded Metal Arc Welding ) Protección: ‐ Revestimiento del electrodo. ‐ Funciones: •Eléctrica: Cebado del arco y estabilidad del arco •Física: Evita contacto con O₂, N₂y H₂. •Metalúrgica: mejorar características mecánicas. 2.‐ Soldadura por Arco ‐Tipos de revestimiento: Ácido, Celulósico, Rutilo, Básico, Gran rendimiento.

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21 2.1.‐ Electrodo revestido (SMAW Shielded Metal Arc Welding ) Protección: ‐ Revestimiento del electrodo. ‐ Funciones: •Eléctrica: Cebado del arco y estabilidad del arco •Física: Evita contacto con O₂, N₂y H₂. •Metalúrgica: mejorar características mecánicas. ‐Tipos de revestimiento: Ácido, Celulósico, Rutilo, Básico, Gran rendimiento. 2.1.‐ Electrodo revestido (SMAW Shielded Metal Arc Welding ) 2.‐ Soldadura por Arco Básicos Rutilo

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23 2.1.‐ Electrodo revestido (SMAW Shielded Metal Arc Welding ) Celulósicos Ácidos 2.1.‐ Electrodo revestido (SMAW Shielded Metal Arc Welding ) 2.‐ Soldadura por Arco Ej.: Denominación electrodos *2

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25 2.1.‐ Electrodo revestido (SMAW Shielded Metal Arc Welding ) Corriente: •C.C. y C.A: 10 ÷ 500 A •C.C. y electrodo conectado a + •15 ÷ 45 V 2.1.‐ Electrodo revestido (SMAW Shielded Metal Arc Welding ) Campo de aplicación: Casi todo tipo de acero: al carbono, inoxidables, débilmente aleados e incluso fundiciones de hierro, si bien en este caso el rendimiento no es muy satisfactorio. 2.‐ Soldadura por Arco

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27 2.1.‐ Electrodo revestido (SMAW Shielded Metal Arc Welding ) Ventajas e inconvenientes: •Utilizable en todas posiciones •Equipo económico y versátil •Gran variedad de electrodos •Difícilmente automatizable •Costo total elevado (escoria y rendimiento) •Abundante mano de obra 2.1.‐ Electrodo revestido (SMAW Shielded Metal Arc Welding ) Otros aspectos: Importante seleccionar el procedimiento a seguir, corriente a utilizar, tipo de electrodo, limpieza de escoria entre pasadas y tratamiento térmico cuando sea necesario. 2.‐ Soldadura por Arco

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4.‐ Arco sumergido (SAW Submerged Arc Welding).

1.‐ Electrodo revestido (SMAW Shielded Metal Arc Welding) 2.‐ Electrodo no consumible y protección de gas inerte (TIG

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2.2.‐ Electrodo no consumible y protección de gas inerte TIG Tungsten Inert Gas

Fundamento •Proceso: por fusión. •Energía: arco eléctrico. •Electrodo: no consumible •Gas inerte 2.2.‐ Electrodo no consumible y protección de gas inerte TIG Tungsten Inert Gas

Fundamento •Proceso: por fusión. •Energía: arco eléctrico. •Electrodo: no consumible •Gas inerte 2.‐ Soldadura por Arco

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Fundamento •Proceso: por fusión. •Energía: arco eléctrico. •Electrodo: no consumible •Gas inerte Electrodo: •No se funde. •Mantener el arco •Acabado del extremo •Material 2.2.‐ Electrodo no consumible y protección de gas inerte TIG Tungsten Inert Gas

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Tipos de electrodo Tugnsteno. Identificación AWS (BS6678) ‐La adición de 2% de torio permite una mayor capacidad de corriente, mejor iniciación y estabilidad del arco. ‐Diámetros mas utilizados : 1,6 mm, 2,4 mm, 3,2 mm : largo estándar: 3"y 7". Metal de aporte: •Soldadura con o sin metal de aporte •Aporte manual o automático •Composición química similar al metal base. 2.2.‐ Electrodo no consumible y protección de gas inerte TIG Tungsten Inert Gas

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Protección:

•Gas o mezcla de gases.

•Composición en función de material y penetración.

‐ Argón: mayor penetración, (mayor densidad)

‐ Helio (poco en Europa): menor penetración.

‐ Mezclas (75% He + 25% Ar)

Corriente: 1.‐ C.C. y polaridad directa.(+ a la pieza): •Redimiento térmico aceptable •Mayor penetración •Mayor duración del electrodo 2.‐ C.C. y polaridad inversa. (+ al electrodo): •Menor rendimiento térmico y penetración •Mayor baño de fusión •Mayor calentamiento de electrodo 2.‐ Soldadura por Arco

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Campo de aplicación: •Todas las aleaciones, preferible con metales difíciles de soldar. (Al, Mg, aceros al Cr‐Ni). •Industria petróleo, nucleares, química… •c.c. e inversa: Al, Mg y sus aleaciones •c.a.: aleaciones ligeras Ventajas e inconvenientes: •Muy buena calidad de soldeo •Caro (gas) •Mano de obra especializada 2.‐ Soldadura por Arco Procedimientos de soldeo por arco 1.‐ Electrodo revestido (SMAW Shielded Metal Arc Welding) 2.‐ Electrodo no consumible y protección de gas inerte (TIG

4.‐ Arco sumergido (SAW Submerged Arc Welding). 2.‐ Soldadura por Arco

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41 2.3.‐ MIG / MAG Fundamento (Metal Inert Gas, Metal Active Gas): •Proceso: por fusión. •Energía: arco eléctrico. •Electrodo: hilo consumible •Gas inerte (MIG), Gas activo (MAG) Metal de aporte: •Electrodo. •Electrodo continuo. •Regulación velocidad del hilo 2.3.‐ MIG / MAG 2.‐ Soldadura por Arco

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43 2.3.‐ MIG / MAG Protección: Mediante gas MIG ‐ Argón puro ó con hasta 5% de O₂ ‐ Helio (U.S.A.) Más caro ‐ Mezclas pobres con gases activos mejoran penetración MAG ‐ Atmósfera oxidante o reductora según el gas. ‐ Gases CO₂, Argón + CO₂, O₂+ Argón

‐ CO₂Cordones con muchos poros debido a O₂ ‐ Para aceros al carbono y baja aleación 2.3.‐ MIG / MAG Corriente: ‐ C.C. con polaridad inversa (electrodo +) Electrodo mayor Tª ‐ Raramente c.a. Campo de aplicación: ‐ MIG: Casi todos los metales y sus aleaciones ‐ MAG: Aceros al carbono con baja aleación. Ventajas e inconvenientes: •Ausencia de escoria •Alimentación automática de hilo •Flexibilidad de regulación •Problemas gas e hilo automatizado 2.‐ Soldadura por Arco

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45 2.3.‐ MIG / MAG Algunos problemas típicos: 2.‐ Soldadura por Arco Procedimientos de soldeo por arco 1.‐ Electrodo revestido (SMAW Shielded Metal Arc Welding) 2.‐ Electrodo no consumible y protección de gas inerte (TIG

3.‐ Electrodo consumible y protección por gas inerte (MIG) o por gas activo (MAG) (Metal Inert Gas, Metal Active Gas).

4.‐ Arco sumergido (SAW Submerged Arc Welding ).

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47 2.4.‐ Arco sumergido (SAW Submerged Arc Welding ). Fundamento: •Proceso: por fusión. •Energía: arco eléctrico sumergido en flux •Electrodo: hilo consumible •Flux Metal de aporte: •Electrodo. •Su función: sostener el arco. •Aporte continuo motorizado. Esquema del proceso 2.4.‐ Arco sumergido (SAW Submerged Arc Welding ). Protección: •Capa de granulado fusible (Flux o polvo de soldadura), cubre el arco y la zona de soldadura. •Genera gas protector y escoria. 2.‐ Soldadura por Arco Esquema de los elementos del equipo completo de soldeo Carro SAW

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49 2.4.‐ Arco sumergido (SAW Submerged Arc Welding ). Corriente: •c.c. y c.a. •c.c. y electrodo al positivo. Campo de aplicación: •Aceros al carbono, hasta 0,3% de C. •Aceros al carbono y de baja aleación tratados térmicamente. •Aceros al Cr‐Molibdeno •Aceros inoxidables austeníticos •Tuberías de acero en espiral. 2.4.‐ Arco sumergido (SAW Submerged Arc Welding ). Ventajas e inconvenientes: •Alta velocidad en posición sobremesa (chapas cilíndricas) •Evita salpicaduras del arco •Alimentación y recogida de flux •Limitación de posiciones 2.‐ Soldadura por Arco

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51 1. Soldadura por Combustión (autógena) 2. Soldadura por Arco 3. Soldadura por Resistencia 4. Soldadura Heterogénea 5. Otros procesos de soldadura

t

R

I

Q



2



Fundamento (Resistance Welding): Energía: Corriente (efecto Joule) Presión Fases: 1.‐ Período de presión (fase de posicionamiento) 2.‐ Período de soldeo 3.‐ Período de mantenimiento (fase de forja) 4.‐ Período de separación 3.‐ Soldadura por Resistencia

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53 Protección: •Materiales limpios de óxido, grasa y pinturas •No necesita fundente Electrodos: •Cobre o cobre aleado •Elevada conductividad térmica y eléctrica •Refrigeración Corriente: •c.a. •I= 1.000 ÷ 100.000 A •V= 1 ÷ 30 V •F= 100 ÷ 500 kp Campo de aplicación: •Chapa fina a solape. •No en fundición de hierro ni con aleaciones de Cu (debido a los óxidos y a la fragilidad de la fundición). 3.‐ Soldadura por Resistencia

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55 Tipos: •Por puntos •Resaltes o protuberancias •Por roldanas •A tope •Por chispa 3.1.‐ Por puntos Características: •Punto de soldadura de forma lenticular •Preparación de juntas a solape Campo de aplicación: •Fabricación de carrocerías de automóviles, electrodomésticos y muebles metálicos. •Espesores: 0,1 y 20 mm.; (en la práctica  8 mm) •Proceso altamente automatizable. 3.‐ Soldadura por Resistencia

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57 3.1.‐ Por puntos 3.2.‐ Protuberancias Características: •Variación de la soldadura por puntos •Resaltes se hacen antes de soldar con matrices •Realización muchos puntos simultáneamente •Electrodos de gran diámetro •Grandes corrientes y mínimo número de ciclos de soldeo 3.‐ Soldadura por Resistencia

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59 3.2.‐ Protuberancias Campo de aplicación: •Soldadura de varillas cruzadas (rejas, parrilla, verjas) •Espesores: 0,5 a 6 mm. •No Al ni aleaciones de Cu. *11 3.3.‐ Roldanas Características: •Los electrodos se reemplazan por roldanas •La pieza se desplaza entre las roldanas •Soldadura continua o espaciada 3.‐ Soldadura por Resistencia

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61 Campo de aplicación: •Recipientes de espesores de 0,05 a 3 mm. 3.3.‐ Roldanas 3.4.‐ A tope Características •Las piezas se sujetan con mordaza. •Se presionan las dos piezas. •El paso de corriente calienta la unión. •Se aumenta la presión y se produce la unión. Si la presión es excesiva  el material se aplasta demasiado y las uniones tendrán baja resistencia Si la presión es baja  la unión es porosa Campo de aplicación: 3.‐ Soldadura por Resistencia

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63 3.5.‐ Chisporroteo Características: •Igual que la soldadura a tope, pero sin presión, contacto móvil por puntos diversos de la sección. •El chisporroteo funde los extremos. •A continuación se aplica rápidamente una presión para realizar la unión. 3.5.‐ Chisporroteo Campo de aplicación: •Las mismas que la de “a tope” •Mayores secciones •Raíles de ferrocarriles •Rollos de redondos •Metales distintos sin problemas de dilución 3.‐ Soldadura por Resistencia

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65 1. Soldadura por Combustión (autógena) 2. Soldadura por Arco 3. Soldadura por Resistencia 4. Soldadura Heterogénea 5. Otros procesos de soldadura Fundamento: •Aporte de material sin fusión del metal base •Basado en fuerzas de capilaridad •Permiten unión de materiales diferentes 4.‐ Soldadura Heterogénea

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67 Tipos: •Soldadura fuerte: Tª fusión material aporte > 450 º C •Soldadura blanda: Tª fusión material aporte < 450 º C Protección: •Limpieza de los metales a soldar •Utilización de decapantes o antioxidantes Fuente de calor: •Llama oxidante o neutra •Por resistencia •Inducción •Por infrarrojos •Por baño •Horno 4.‐ Soldadura Heterogénea

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69 Campo de aplicación: •Idóneos para materiales delgados, piezas muy finas y pequeñas y materiales disimilares. Soldadura fuerte: ‐ Uniones que necesiten resistencia intermedia y conductividad eléctrica Soldadura blanda: ‐ Uniones con baja resistencia y necesidad de conductividad eléctrica 4.‐ Soldadura Heterogénea Ventajas: •Evitan problemas metalúrgicos •Menor distorsión •Amplia gama de metales de aportación •Tensiones residuales nulas o despreciables •Economía para uniones complejas •Conjuntos completos de soldaduras (horno, inducción, etc.) •Producción en serie •Posibilidad de unir materiales distintos. •Soldadura fina, discreta y prácticamente invisible.

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71 1. Soldadura por Combustión (autógena) 2. Soldadura por Arco 3. Soldadura por Resistencia 4. Soldadura Heterogénea 5. Otros procesos de soldadura 5.‐ Otros procesos de soldadura

5.1.‐ Aluminotermia _{Termita – Thermit Welding}

Principios del proceso 1. Se usa el calor desprendido en una reacción química exotérmica, Fe2O3+ 2 Al  2Fe + Al2O3+ 880 KJ 3Cu O + 2 Al  3Cu + Al2 O3+ 1210 KJ 2. El calor generado funde el metal de aportación (Fe, Cu) y también funde los extremos de las piezas a unir 3. La alúmina queda como residuo protector en forma de escoria O Me Óxido metálico R agente reductor Me Metal reducido OR óxido del agente reductor  + + + Calor

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73 5.1.‐ Aluminotermia *2 *3 5.‐ Otros procesos de soldadura 5.1.‐ Aluminotermia Soldeo de raíles 1. El acero líquido producido es vertido en la unión, formada por la separación entre los extremos de los raíles, en un molde refractario que se acopla a los perfiles a unir, evitando el vertido incontrolado y el contacto con la atmósfera, y dando forma como si de un proceso de fundición se tratara. 2. La “carga aluminotérmica”, se presenta en forma de sacos de polvo perfectamente dosificados que contienen una mezcla granular de: ‐ óxidos de hierro ‐ aluminio ‐ aditivos estabilizadores de la reacción

3. La “carga aluminotérmica” viene en un Kit acompañada de los moldes refractarios, pasta selladora especial, encendedor, tapón para el vertido automático del acero líquido, etc. 4. A una temperatura de ignición determinada, la reacción química se activa violentamente

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75 5.1.‐ Aluminotermia La reacción es muy rápida y por tanto las piezas a soldar adquieren, en la zona que rodea al punto de soldadura, una temperatura muy inferior a la que se obtiene empleando los procedimientos habituales, factor muy importante cuando se trata de proteger el aislamiento del cable o las características físicas de los materiales a soldar. Características del uso con Cu 5.‐ Otros procesos de soldadura 5.1.‐ Aluminotermia La aleación utilizada tiene una temperatura de fusión prácticamente igual a la del cobre y posee, generalmente, una sección aproximadamente doble que la de los conductores a soldar, por lo que: •Las sobrecargas o intensidades de cortocircuito no afectan a la conexión y los ensayos han demostrado que los conductores funden antes que la soldadura. •La conductividad de la conexión es, al menos, igual o superior a la de los conductores unidos. •No existe posibilidad de corrosión galvánica, puesto que los conductores quedan integrados en la propia conexión. Características del uso con Cu

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77 5.1.‐ Aluminotermia *4 Procedimiento de conexión para la soldadura de cable 1º 2º 3º 4º Pre‐ calentamiento 5.‐ Otros procesos de soldadura 5.1.‐ Aluminotermia

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5.1.‐ Aluminotermia

*5

5.‐ Otros procesos de soldadura

5.2.‐ Electroescoria (ESW ElectroSlag Welding):

Fundamento: •Energía: arco entre electrodo consumible y metal base recubierto de escoria de baja conductividad. •Hay fusión material base. •Empleo de moldes refrigerados como contención Electrodo: Consumible aportado mecánicamente Protección: Escoria depositada sobre las piezas a fundir *2

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81 Campo de aplicación: •Unión en vertical o cuasi vertical ascendente •Grandes secciones de fundición y forja de aceros •Al y Ti de espesores gruesos 20 y 350 mm •Industria naval y calderería pesada •Grandes aportes de material •Grandes espesores de junta en pasada única

5.2.‐ Electroescoria (ESW ElectroSlag Welding):

*2

5.3.‐ Láser (LBW Laser Beam Welding) Fundamento •Soldadura por fusión •Calor generado por impacto de un rayo luminoso amplificado Metal de aporte: •Sin metal de aporte Protección: •Gas aportado Campo de aplicación: 5.‐ Otros procesos de soldadura

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83 5.4.‐ Haz de Electrones (EBW Electron Beam Welding) Fundamento: •Soldadura por fusión •Calor generado colisión de electrones •Soldadura en vacío Metal de aporte: •Sin metal de aporte Protección: •Cámara de vacío Campo de aplicación: •Materiales de difícil soldeo (circonio, berilio, wolframio) •Muy alta pureza y calidad •Mínima ZAT •Industria automoción, óptica, aeronáutica... *8 5.5.‐ Explosión Fundamento: •Basada en el uso de explosivos •La detonación de una carga colocada adecuadamente obliga a uno de los metales que se desean soldar a precipitarse aceleradamente sobre el otro, incidiendo a una cierta velocidad y bajo un determinado ángulo. 5.‐ Otros procesos de soldadura *2

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85 5.5.‐ Explosión Campo de aplicación: •Fabricación de placas bimetálicas •Uniones Al‐Acero •Materiales disimilares difícilmente soldables por fusión. *12 5.5.‐ Explosión Campo de aplicación: •Fabricación de placas bimetálicas •Uniones Al‐Acero •Materiales disimilares difícilmente soldables por fusión. 5.‐ Otros procesos de soldadura Explosivo

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87 Referencias 1. http://www.electroglobal.net 2. M. Reina, “Soldadura de los Aceros. Aplicaciones”, Manuel Reina Gómez, Madrid, 1986 3. http://es.wikipedia.org/wiki/Soldadura_aluminot%C3%A9rmica 4. http://www.chinaleiying.com 5. http://www.kumwell.com 6. http://www.obtesol.es 7. http://es.slideshare.net/Fran1176/ud10‐mecanizado‐bsico 8. http://www.ebteccorp.com/ 9. http://www.amexservices.com 10. http://www.aist.go.jp 11. http://es.machinetools.net.tw 12. http://www.eltecheng.com Figuras Nota: Todas las imágenes se han obtenido utilizando resultados de búsquedas en la sección de Imágenes de Google •S. Kalpakjian, S.R. Schmid, (2008) Manufactura, Ingeniería y Tecnología, Pearson Educación, ISBN 10: 970‐26‐1026‐5 •M. Reina, “Soldadura de los Aceros. Aplicaciones”, Manuel Reina Gómez, Madrid, 1986 Rosendo Zamora Pedreño Dpto. Ingeniería de Materiales y Fabricación rosendo.zamora@upct.es