DESARROLLO DE PROYECTOS
PROYECTO FINAL
SOLDEO POR ARCO CON
ELECTRODO REVESTIDO
TEMA 1
PRINCIPIOS DEL PROCESO
JOSÉ ANTONIO HERNÁNDEZ MAGALLÓN
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Índice
Índice ... 1
Introducción: ... 2
Definiciones ... 4
Descripción y definiciones: ... 6
1.1. El electrodo revestido ... 9
1.2. Práctica del proceso Riesgo,G.(2016). Manual del soldador (pp 1.3. 199-230) CESOL: ... 9
Características del proceso ... 13
1.4.
Resumen ... 15
Introducción:
En este capítulo comenzamos el estudio del proceso de soldeo eléctrico mediante electrodo revestido. Forma parte de los procesos manuales de soldadura, considerado así porque es el operario quien haciendo uso de distintas máquinas eléctricas ejecuta la operación de soldadura.
Para comenzar con las explicaciones teóricas, partimos con la ventaja de que no es difícil que el lector de este manual conozca los entornos de trabajo de la industria del metal o bien sepa de funciones de mantenimiento, para ambos es ineludible el conocimiento del proceso de soldeo por electrodo revestido.
Este proceso de soldadura adopta el nombre de electrodo revestido por ser este componente el que produce los dos elementos principales para la soldadura: el metal de aporte y la protección del baño.
Sólo es necesaria una fuente que genere la electricidad necesaria para completar la soldadura.
Como bien sabemos, el proceso consiste en el establecimiento de un arco eléctrico entre el extremo de un electrodo consumible y el metal base de las piezas a soldar. El arco eléctrico produce la suficiente energía térmica para fundir el electrodo y las piezas a soldar, generándose un baño de metal fundido que al solidificar une fuertemente las piezas.
El metal de aporte se obtiene por la fusión de la varilla metálica que forma el alma del electrodo. El metal de dicha varilla es de composición muy similar al metal base.
El alma del electrodo está rodeada de un conglomerado de componentes conocido como revestimiento. La fusión del electrodo genera gotas de metal fundido y ciertos componentes provenientes del revestimiento que protegen al metal, tanto en la fase de transporte a través del arco (protección gaseosa), como en la fase de solidificación en el baño de fusión (protección de las escorias).
Dicho baño de fusión queda protegido de la oxidación y otros fenómenos perjudiciales para la soldadura por una capa de escoria, además la escoria proporciona un enfriamiento más suave de la unión, necesaria para producir soldaduras de calidad en muchos casos.1
Una vez enfriado el cordón, debemos quitar la escoria solidificada mediante golpeo con una piqueta y posterior cepillado dando fin a la soldadura.
1 http://bibliotecadigital.ilce.edu.mx/sites/ciencia/volumen3/ciencia3/121/htm/sec_6.htm https://miutj2.files.wordpress.com/2016/01/exp2_profesor_1-2_factores-de-corrosion.pdf Willian, L., Emil, J., Conrad, L. (1984) Química General Superior Madrid: Emalsa.
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Independientemente de que el soldador tenga grandes habilidades para la soldadura, adquiridas de la experiencia de años de trabajo, suele ser en este punto donde terminan todos los conocimientos relativos al proceso de soldeo por electrodo. Podrás comprobar por lo restante de este manual, que es mucho más lo que se desconoce que lo que se conoce de la soldadura con electrodo, por lo que te animamos a que estudies con atención y detenimiento todas las unidades siguientes, si deseas convertirte en un buen conocedor y profesional de este método de soldadura.
Definiciones
Para conocer una determinada ciencia o técnica, es imprescindible el conocimiento de una serie de términos característicos de dicha ciencia conocidos como tecnicismos.
A continuación se entrega una lista de definiciones relativas a la soldadura por electrodo revestido. Cabe destacar que no se trata de una definición estricta del término, sino de una definición dentro del contexto de la soldadura con electrodo.
Si has tenido dificultades para comprender el capítulo, te recomendamos que lo leas de nuevo después de haber estudiado las definiciones:
•
Arco o arco eléctrico: haz luminoso producido por un salto de corriente eléctrica entre las piezas a soldar y el electrodo, a través del aire u otros gases.•
Fusión: es el cambio que experimentan los metales de solido a líquido, está causado por un incremento fuerte de la temperatura.•
Ionización: fenómeno físico-químico mediante el cual el aire u otros gases se hace conductor de la electricidad.•
Cebado del arco: movimiento que hacemos al tocar por primera vez el electrodo con la pieza creando el arco eléctrico, se puede hacer picando el electrodo (dando golpecitos) o rascando (como encender una cerilla).•
Longitud del arco: distancia entre la punta del electrodo y la pieza a soldar. Se distinguen tres tipos de longitudes de arco: arco normal, arco corto y arco largo.•
Arco normal: longitud del arco igual al diámetro del electrodo.•
Arco corto: longitud del arco menor al diámetro del electrodo.•
Arco largo: longitud del arco mayor al diámetro del electrodo.•
Radiación del arco: emisión de ondas electromagnéticas producida por el arco eléctrico. Principalmente se distinguen tres tipo de radiación: radiación luminosa, radiación infrarroja y radiación ultravioleta.•
Radiación luminosa: es la radiación electromagnética visible al ojo humano.Producen deslumbramiento y quemaduras oculares. Efecto inmediato.
•
Radiación infrarroja: radiación no visible al ojo humano, producen quemaduras internas en el organismo humano. Efecto a medio y largo plazo.5
•
Radiación ultravioleta: radiación no visible al ojo humano, producen quemaduras en la piel y en los ojos. Efecto inmediato y a medio plazo.•
Cristal inactínico: cristal oscuro a través del cual debemos observar la soldadura.Detiene los rayos ultravioletas e infrarrojos y filtra adecuadamente los luminosos.
•
Metal base: es la pieza o piezas a soldar o cortar.•
Metal de aportación: material en forma de electrodo, varilla, hilo... que se deposita sobre el metal base.•
Cara de soldadura: superficie expuesta a la soldadura.•
Cordón de soldadura: es el depósito de material aportado resultante de una pasada.•
Cráter del cordón: fenómeno que aparece en los extremos del cordón donde aparece una concavidad característica. Se considera que las propiedades de estas partes no son homogéneas.•
Escoria: revestimiento fundido que recubre el cordón depositado.•
Baño o zona de fusión: fase líquida del cordón durante el soldeo compuesta por metal de aportación y metal base en estado líquido (las escorias y fundentes no se consideran baño de fusión).•
Zona afectada térmicamente o zona de influencia: parte del metal base que varía sus propiedades debido al efecto del calor producido por la soldadura.•
Dilatación: propiedad de los cuerpos para aumentar su volumen al incrementar su temperatura.•
Contracción: propiedad de los cuerpos para disminuir su volumen por enfriamiento.•
Deformaciones y tensiones: efectos sobre el metal base producidos por la dilatación y la contracción de la pieza producida por la soldadura. Sus efectos perduran después de la soldadura.•
Tratamientos térmicos post-soldadura: calentamiento uniforme de una pieza o parte de ella para aliviar las tensiones internas producidas por la soldadura. El calentamiento y el enfriamiento son uniformes.•
Precalentamiento: calentamiento del metal base inmediatamente antes de la soldadura para disminuir los efectos del ciclo térmico de la soldadura.Descripción y definiciones:
1.1.
Al soldeo por arco eléctrico con electrodo revestido se define de las siguientes formas:
•
SMAW, Shielded metal-arc welding. Según la norma ANSI/AWS A3.0, correspondiendo al área del pacífico. Se traduce por: Soldadura con arco de metal protegido.•
111, Soldeo metálico por arco con electrodo revestido. Según la norma EN 24063, siendo esta una Normativa Europea.•
MMAW, Manual metal-arc welding. En el Reino Unido. Se traduce por: Soldadura manual con arco de metal.La normativa europea UNE-EN 24063 define al proceso de la siguiente manera:
•
Proceso de soldeo por arco eléctrico, en el que el arco se establece entre el electrodo revestido y el baño de fusión. Este proceso se utiliza con la protección producida por la descomposición del revestimiento del electrodo, sin aplicar presión y con la adición del metal de aporte desde el electrodo.El soldeo por arco eléctrico es un proceso de soldadura manual y eléctrica. No es el único método de soldadura manual y con fuente de energía eléctrica, existen otros dos métodos de soldadura que aun siendo diferentes, tienen estas dos características en común:
Proceso TIG (Tungsten Inert Gas) o procedimiento de soldeo por arco bajo gas protector con electrodo no consumible. También WIG (Wolfram Inert Gas). Riesgo,G.(2016). Manual del soldador (pp 251-292) CESOL.
Proceso GMAW (Gas Metal-arc Welding) o soldeo por arco con gas. Si se emplea un gas inerte como protección se denomina MIG (Metal Inert Gas), si se emplea un gas activo como medio de protección se denomina MAG (Metal Active Gas). Riesgo,G.(2016). Manual del soldador (pp 297-332) CESOL.
En el proceso de soldeo TIG se produce un arco eléctrico entre la pieza y un electrodo no consumible de tungsteno. Un gas inerte dirigido concéntricamente al electrodo por una tobera protege el baño de fusión, mientras el aporte de material se hace por medio de varillas externas ajenas al electrodo, (Fig. 1.1).
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Figura 1.1. Descripción del proceso de soldadura TIG.
En el proceso de soldadura MIG-MAG el arco eléctrico se establece entre un electrodo consumible y continuo y la pieza. Como en el caso de la soldadura TIG es necesario contar con la acción de un gas para proteger el baño de fusión y al arco eléctrico de la acción de los gases atmosféricos. La corriente de gas es dirigida por una tobera concéntrica al electrodo y está integrada dentro de la pistola de soldadura (Fig. 1,2).
A este proceso también se le conoce como soldadura semi-automática, ya que el equipo de soldeo integra distintos dispositivos como motores y válvulas que trabajan como un sistema automatizado, son equipos muy característicos que se diferencian mucho de los demás equipos de soldadura manual.
Figura 1.2. Descripción del proceso MIG-MAG.
Como podemos ver, las definiciones de cada proceso de soldadura están basadas en dos conceptos: el tipo de electrodo y el método de protección del baño de fusión.
Tanto la soldadura TIG como la soldadura MIG-MAG, incluyen entre sus siglas la palabra gas (G). Esto hace referencia al método de protección del baño fundido y del electrodo, en ambos es el aporte externo de un gas quien realiza dicha función.
En la definición de soldadura por electrodo revestido se hace referencia al concepto de metal protegido (Shielded). Esto significa que el baño de fusión queda protegido por la acción de las escorias y fundentes del revestimiento, también el revestimiento del electrodo genera gases que protegen al baño y al arco eléctrico de los gases atmosféricos, al entrar en contacto con la temperatura del arco.
Sin esta protección no sería posible crear soldaduras de calidad. La mayoría de los metales tienen mucha afinidad por el oxígeno, esto quiere decir que se oxidan con facilidad en presencia de oxígeno.
La velocidad de oxidación es proporcional a la temperatura, a mayor temperatura mayor oxidación. En los estados de metal fundido, si no se evita que el oxígeno entre en contacto con el metal, la cantidad de óxidos producidos es tan alta que hacen que la unión generada sea inservible.
Hay otros gases presentes en la atmósfera como el nitrógeno que también tiene efectos muy negativos sobre la soldadura por diversos motivos, por lo que debemos contar con una protección exhaustiva del baño fundido y el electrodo en todo momento.
Otra de las diferencias fundamentales que distingue a los procesos entre sí es donde se genera el arco eléctrico.
En el proceso TIG se indica que el electrodo de tungsteno no es fusible (aunque si se deteriora con el uso por acción de la corriente), con esto se quiere decir que el aporte de metal en la soldadura no se realiza por la fusión del electrodo, sino que el metal aportado debe hacerse por medios ajenos.
Sin embargo en la soldadura MIG-MAG y en la soldadura SMAW (soldadura con electrodo revestido), el arco eléctrico salta desde un electrodo fusible y el metal base, el metal aportado proviene de la fusión del propio electrodo.
En la soldadura MIG-MAG el electrodo puede considerarse continuo, está almacenado en una bobina motorizada y se alimenta de manera ininterrumpida.
Sin embargo, en la soldadura con electrodo revestido el electrodo no es continuo, se deben realizar interrupciones de la soldadura para intercambiar el electrodo por haberse consumido.
9 El electrodo revestido
21.2.
Como hemos visto el electrodo revestido es el elemento fundamental del proceso, por este motivo el proceso hereda el nombre de electrodo revestido.
Por su ingente importancia se dedican unidades posteriores a su estudio, no obstante, es fundamental conocer al electrodo para continuar con el estudio del proceso.
Los electrodos revestidos están formados por (Fig. 1.3):
•
Una varilla metálica, llamada alma, de sección circular uniforme, del mismo tipo de metal y con composición similar al metal base (metal de las piezas).•
Un material cerámico formado por un conglomerado de distintos compuestos, adherido al alma, concéntrico a la varilla y de sección circular uniforme conocido como revestimiento. Los distintos compuestos consiguen distintas propiedades que caracterizan el comportamiento del electrodo, a su vez, deben cumplir con varias funciones, sin las cuales sería imposible la soldadura, tales como:Establecimiento del arco y arco estable (ionización del aire).
Protección del baño y el arco eléctrico.
Adición de elementos de aleación al metal depositado.
Generación de escorias protectoras y fundentes eliminadores de impurezas.
Figura 1.3. Corte del electrodo revestido.
Práctica del proceso
Riesgo,G.(2016). Manual del1.3.
soldador (pp 199-230) CESOL
:
En este punto vamos a estudiar brevemente cómo se desarrolla el proceso de soldeo por electrodo revestido.
2 http://www.lincolnelectric.com/es-mx/consumables/stick-electrodes/Pages/stick-electrodes.aspx http://www.esab.es/es/sp/products/index.cfm?fuseaction=home.productsbycategory&catId=53 http://www.biblioteca.udep.edu.pe/BibVirUDEP/tesis/pdf/1_1_187_1_57.pdf
En esencia, el proceso consiste en la unión de dos o más piezas para formar una única pieza, o bien dos partes de una misma pieza (reparaciones), a través de la fusión del metal base de las piezas y el metal de aportación (electrodo) y su posterior solidificación.
La fusión del electrodo y el metal base se produce debido a las altas temperaturas que se generan cuando se establece un arco eléctrico entre la punta del electrodo revestido y la pieza a soldar. El arco eléctrico es un transporte de corriente eléctrica a través de los gases producidos por el revestimiento, generando un fenómeno físico-químico característico del proceso que estudiaremos posteriormente, principalmente nos genera las altas temperaturas para la fusión del metal base y de aportación.
Esto es posible gracias a que el equipo de soldeo3:
•
Genera una corriente eléctrica con los parámetros adecuados. Es necesario realizar ciertas transformaciones a la corriente de suministro para poder crear un arco eléctrico apto para la soldadura.•
Permite crear un arco eléctrico controlado en la zona de trabajo. Establecer un arco eléctrico y manejarlo, sólo es posible si el equipo cuenta con los medios adecuados.La máquina está dotada de dos terminales de conexión (fig. 1.4):
•
Uno conectado al electrodo revestido a través de la pinza porta electrodos.•
Otro conectado a la pieza, que está conectada al otro terminal a través de la pinza de masa. La masa no suele conectarse directamente a la pieza, se conecta sobre la bancada o mesa de trabajo y ésta hace contacto eléctrico con la pieza.Figura 1.4. Máquina de soldadura con electrodo revestido.
3 http://www.esab.es/es/sp/products/index.cfm?fuseaction=home.productsbycategory&catId=12 http://www.lincolnelectric.com/es-mx/equipment/stick-welders/Pages/stick-welders.aspx
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El proceso a seguir para estar en disposición de fundir el electrodo es el siguiente (Fig.
1.6):
•
En primer lugar debemos conectar el cable de la pinza de masa a la toma correspondiente de la máquina y fijar la pinza a la mesa o a la pieza.•
Tener conectada la pinza porta electrodos al otro terminal de la máquina.Antes de accionar el interruptor de la máquina, debemos comprobar que la pieza y el electrodo o la pinza nohagan contacto directo entre sí, formando un cortocircuito (Fig. 1.5).
Figura 1.5. Cortocircuito entre pinza porta electrodos y bancada al poner en marcha el equipo.
De antemano debemos tener determinado que electrodo vamos a utilizar, en función de la naturaleza y espesor de la pieza, la posición de soldadura y las limitaciones de nuestro equipo:
•
El electrodo debe estar colocado en la pinza.•
También tendremos una estimación aproximada de la intensidad de corriente y voltaje que vamos a emplear y el equipo configurado según su valor. La selección final de la corriente se harán situ en función de las particularidades de la soldadura, observando el comportamiento de la fusión del electrodo.Figura 1.6. Disposición de elementos para soldadura con electrodo revestido.
A continuación vamos a describir como se ejecuta la soldadura propiamente dicha, la cual nos permitirá unir las piezas:
•
Comienza con el cebado del arco. Es el proceso mediante el cual se inicia el arco eléctrico. Consiste en tocar la punta del electrodo y la pieza por breves instantes, para después separarlas a una distancia apropiada para la fusión correcta del electrodo. Durante el breve tiempo de contacto, la punta del electrodo incrementa su temperatura debido al paso de la corriente, al interrumpir el contacto, la tensión eléctrica existente en el circuito, genera una alta emisión de electrones en la punta del electrodo. Esta emisión electrónica cambia las propiedades del aire, causando un fenómeno conocido como ionización, por este fenómeno el aire mejora su conductividad eléctrica permitiendo el paso definitivo de la corriente eléctrica existente en el circuito, estableciendo el arco eléctrico entre pieza y electrodo.•
La temperatura del arco eléctrico nos produce la fusión de la pieza y el electrodo formando el baño de fusión.•
La punta del electrodo se funde formando gotas, éstas alcanzan el baño de fusión desplazándose a través del arco. Aunque están en fase líquida no se oxidan, pues no entran en contacto con el oxígeno de la atmósfera. El arco y el baño de fusión quedan protegidos de los gases atmosféricos por la protección que ofrecen los gases que genera el revestimiento al entrar en contacto con la temperatura del arco.•
A medida que el electrodo se va consumiendo se ha de ir acercando a la pieza, de tal manera que la distancia entre la pieza y la punta del electrodo se mantenga constante. Al mismo tiempo se hace avanzar el baño de fusión a lo largo de la unión, aportando material sobre la pieza de manera regular y constante, realizando una pequeña oscilación con la punta del electrodo para fundir correctamente los bordes.•
La pérdida de temperatura en el baño de fusión por difusión térmica a través de la pieza o por conducción con el aire circundante, hace que el metal fundido solidifique uniendo las partes de la pieza.La difusión térmica es un mecanismo de transmisión de calor que sucede cuando cierta materia sólida está en contacto entre sí a diferentes temperaturas, ocasionando un equilibrio final entre las temperaturas
•
El baño queda protegido en todo momento por los fundentes y escorias procedentes del revestimiento del electrodo. Al finalizar quedan formando una capa compacta sobre el cordón de soldadura que debemos eliminar picando y cepillando a continuación (Fig. 1.7).13
Figura 1.7. Soldadura con electrodo revestido.
Características del proceso 1.4.
Existen una serie de características que hacen de este método de soldadura un método especialmente práctico. Su uso está muy extendido y goza de gran diversidad de aplicaciones, las principales características que diferencian a este proceso de los demás son las siguientes:
•
Los equipos actuales son extremadamente ligeros y sencillos de usar.•
Los equipos se pueden considerar portátiles.•
Bajo costo de adquisición y casi nulo mantenimiento del equipo.•
Permite la soldadura en todas posiciones (horizontal, cornisa, techo, etc.).•
Se pueden soldar todos los perfiles de soldadura (en ángulo, a tope, a solape, etc.).•
Es un proceso que posibilita la soldadura en interiores y en exterior, ya que es un proceso poco sensible a las corrientes de aire. No obstante, debe protegerse siempre de las corrientes de aire y no soldar bajo precipitación de agua o nieve.•
Es posible la soldadura de casi cualquier tipo de metales gracias al desarrollo de la fabricación de electrodos, se pueden soldar los metales de mayor importancia a nivel industrial: aceros al carbono, aceros aleados, aceros inoxidables y fundiciones, así como metales no férreos: aluminio, cobre, níquel y sus aleaciones.•
Presenta muy buenas características en la soldadura de los metales de mayor importancia a nivel industrial: aceros al carbono, aceros aleados, aceros inoxidables y fundiciones.•
La adaptación al cambio de metales a soldar es rápida y sencilla, la adaptación de otros procesos es mucho más costosa y cara.Sin embargo, su uso no es favorable bajo todas circunstancias, presenta una serie de inconvenientes que hace más factible el uso de otros procesos. Destacamos que:
•
Ha sido desplazado en los entornos de trabajo donde se debe optimizar la productividad, es un proceso de soldadura lento. Principalmente por el proceso de soldadura semiautomática o MIG-MAG, ya que la eliminación de pérdidas de tiempo de soldadura producida por el cambio de electrodo y limpieza del cordón, así como la mayor tasa de deposición de metal de aporte, hacen de este proceso mucho más rápido y rentable.•
También cuando los espesores de las piezas a soldar son pequeños o se requiere de una calidad metalúrgica elevada, es el proceso de soldeo TIG el que ha desplazado a la soldadura por electrodo, ya que no es recomendable la soldadura por electrodo revestido en espesores inferiores a 2 milímetros.•
Es necesario disponer de soldadores muy cualificados. No todos los talleres cuentan con soldadores experimentados en la soldadura por electrodo revestido, además resulta caro económicamente proporcionar la práctica para que los soldadores ganen experiencia.•
Existe mucho desperdicio de material de aporte, pues el electrodo no se consume hasta el final, se desecha un trozo de electrodo de unos 5 centímetros aproximadamente.•
No permite la soldadura de metales de bajo punto de fusión como plomo, estaño, cinc, etc. El calor del arco es excesivo.•
Tampoco se pueden soldar metales muy sensibles a la oxidación como el titanio, circonio, tántalo o niobio. La protección que produce el revestimiento es insuficiente.Por lo tanto es un proceso idóneo para las soldaduras a pie de obra, reparaciones y acciones de mantenimiento, así como soldaduras de producción cortas.
Se puede emplear en combinación con otros procesos. Es habitual en soldadura de tubería, realizar la primera pasada o pasada de raíz con el proceso de soldeo TIG, por sus buenos acabados, y el recargue se hace mediante electrodo.
Los sectores de mayor aplicación son las grandes obras de calderería y la construcción metálica en general, tanto naval como de estructuras o puentes, así como las refinerías, gaseoductos y oleoductos.
15
Resumen
•
A través del estudio de las definiciones normalizadas de los procesos de soldadura eléctrica y manuales, podemos precisar las características definitorias de cada uno, así como las diferencias existentes entre ellos, tanto operativas como productivas.En las definiciones internacionales se apunta a dos conceptos: tipo de electrodo y método de protección de la soldadura.
Los métodos de soldadura eléctrica y manual son tres: soldadura TIG, soldadura GMAW (MIG-MAG) o semi-automática y soldadura por electrodo revestido o SMAW, que es el proceso que vamos a estudiar en este manual.
•
La soldadura con electrodo revestido sólo es posible si disponemos de los medios posibles para poder desarrollarla, para esto debemos contar con el equipo de soldeo.El elemento que aporta las características y posibilidades a este proceso de soldadura es el propio electrodo revestido, por eso hereda su nombre.
El electrodo está compuesto por alma y revestimiento. Principalmente el alma realiza el aporte de metal y el revestimiento se encarga de proporcionar el resto de funciones para posibilitar la soldadura.
•
Este tipo de soldadura está caracterizada por: equipos sencillos, ligeros y baratos.Los distintos tipos de electrodos revestidos existentes en el mercado permiten la soldadura de todos los metales de importancia a nivel industrial y en todas las posiciones de soldeo. Por esto es muy apto para soldadura a pie de obra y en reparaciones.
Sin embargo, es un proceso lento y en el que se desperdicia mucho metal de aporte, por lo que está desplazado de las soldaduras donde se premia la productividad.
También produce buenas calidades de soldadura, aunque si las exigencias de calidad de los cordones aumentan, se debe recurrir a la soldadura TIG, especialmente cuando se sueldan espesores finos.
