Determinación de tecnologías de soldadura por arco eléctrico.

46 Pages·2003·1.11 MB·Spanish

UNIVERSIDAD DE MATANZAS
“CAMILO CIENFUEGOS”.
FACULTAD DE INGENIERÍAS QUÍMICA Y MECANICA.
DETERMINACIÓN DE TECNOLOGÍAS DE
SOLDADURA POR ARCO ELÉCTRICO.
Dr. C.T. Ing. Eduardo Torres Alpízar.
DICIEMBRE, 2003
PREFACIO.
El crecimiento ininterrumpido de la producción mecánica y de las construcciones
que se desarrollan en nuestro país, en correspondencia con los planes de desarrollo de la
economía nacional, exigen la aplicación de procesos productivos de soldadura y corte de
metales, así como el incremento de la mecanización y automatización de los mismos. Se
han logrado avances para la sustitución de construcciones remachadas, fundidas y forjadas,
por otras soldadas más sencillas y económicas. Se desarrollan talleres especializados para la
elaboración centralizada de estructuras soldadas y se introduce el rellenado con materiales
resistentes al desgaste en máquinas y piezas, que permiten su recuperación y el
alargamiento de su vida útil; además se introducen métodos de soldadura de alta
productividad.
Una técnica no puede imponerse si no es fuente de progreso y si no reúne a la vez
factores de calidad y economía. Es por ello que la soldadura como proceso tecnológico, ha
logrado imponerse indiscutiblemente en todos los campos de las construcciones metálicas.
Debido a la aplicación de la soldadura ha sido posible crear muchas construcciones,
equipos y mecanismos, que prácticamente antes no se habían podido materializar. Esto se
debe a una serie de ventajas que traen consigo una notable reducción de los tiempos de
ejecución, aumento de la productividad del trabajo, ahorro de materiales, etc.
Las principales ventajas de los procesos de soldadura son:
1. Economía del metal (se ahorra un 25% comparado con el remachado)
2. Reducción de los períodos de trabajo y reducción de los costos de fabricación.
3. Posibilidad de fabricar piezas de gran tamaño a partir de piezas o semiproductos de
pequeño tamaño.
4. Posibilidad de reparación y corte de piezas.
5. Aumento de la productividad del trabajo.
6. Bajo costo del equipamiento tecnológico.
7. Uniones herméticas.
8. Eliminación de ruidos y mejora de las condiciones de trabajo.
Si a ello se suma la importancia que reviste la soldadura en el diseño de tecnologías
de restauración y recuperación de piezas, se puede concluir que los procesos de soldadura
constituyen un conjunto de procesos que permiten dar respuesta no sólo a la construcción
de piezas y conjuntos, sino que contribuyen a aumentar la vida útil de las piezas que ya han
cubierto el período de servicio para el cual fueron diseñados.
Dentro de estos procesos los más ampliamente utilizados son los de soldadura por
fusión que emplean como fuente de energía principal la descarga de un arco eléctrico entre
dos electrodos, los cuales pueden ser indistintamente, electrodos fusibles o infusibles,
revestidos o desnudos, y donde en la mayoría de los casos, aunque no siempre ocurre de
esta manera, la pieza constituye uno de los electrodos del circuito de soldadura. Estos
procesos de soldadura por arco eléctrico abarcan aproximadamente el 75% de la totalidad
del total de las uniones soldadas que se ejecutan diariamente en el mundo.
Los principales hechos históricos relacionados con el desarrollo de las técnicas de
unión por soldadura de arco eléctrico y de los procesos tecnológicos que permitían efectuar
estas uniones son los siguientes:
1. 1802: El ruso V.V. Petroff observó el arco eléctrico entre dos electrodos de carbón
apreciando su alta temperatura.
1
2. 1856: El francés Demeriten consigue por primera vez la unión de dos planchas de
plomo aprovechando el calor generado por el arco formado entre dos electrodos de
carbón.
3. 1882: El ruso N.N. Bernardos inventa la soldadura por arco eléctrico para acero.
Utilizaba un circuito de corriente continua, donde el polo positivo se conectaba a la
pieza y el negativo a un portaelectrodo el cual sujetaba un electrodo de carbón. El metal
de aporte consistía en una varilla de acero desnudo que se introducía en la zona del arco
para su fusión. La protección del baño de soldadura era deficiente y el metal soldado era
de muy baja calidad.
4. 1888: El ruso N.G. Slavianoff sustituyó el electrodo de carbón de la instalación
diseñada por Bernardos por un electrodo metálico fusible. Desarrolló además el primer
generador de corriente continua para la soldadura y los primeros fundentes para la
protección del baño soldado. Logró repara defectos en piezas de fundición de acero y
hierro fundido. Aunque mejoró la calidad de las uniones soldadas con respecto al
proceso Bernardos, todavía la calidad de las uniones soldadas no era lo suficiente buena
como para que los procesos de soldadura desplazaran a otros procedimientos de unión
como el remachado.
5. 1908: El sueco Oscar Kjellberg desarrolla la soldadura por arco eléctrico con electrodo
revestido (ácido) a partir de la instalación de soldadura por arco con electrodo metálico
fusible de Slavianoff.
6. 1934: R. Sarazin y M. Moneyron descubren el electrodo metálico con revestimiento
básico. Este tipo de revestimiento, significó un gran paso de avance en el campo de la
soldadura por arco eléctrico manual porque permitió elevar la resistencia de las uniones
soldadas a valores nunca antes alcanzadas. Además de ello se aumento la protección del
baño soldado, lo que trajo como consecuencia una elevación de la calidad del metal
depositado.
7. 1938: El ruso B. Patton desarrolló la Soldadura Automática bajo fundente. Este
significativo avance permitió el desarrollo de corazas de tanques completamente
soldadas, para los modelos T – 34 e IS – 2M empleados por el ejército soviético durante
la Segunda Guerra Mundial. El incremento en la producción de carros de combate
soldados (en el año 1943 la Unión Soviética duplicó la producción de tanques de la
Alemania Fascista), en lugar de aquellos con corazas fundidas, permitieron un notable
incremento en la disposición combativa de las tropas Soviéticas.
8. En 1943 los Estados Unidos de Norteamérica comienzan la producción de los barcos de
transporte del tipo Liberty; primeros buques construidos enteramente de paneles
prefabricados soldados, unidos a su vez por soldadura.
9. 1952: La compañía norteamericana Lincoln patentó la soldadura bajo protección de
gases inertes.
10. 1965: La compañía norteamericana Lincoln patentó la soldadura semiautomática con
electrodos tubulares autoprotegidos (Flux Cored).
En la construcción de elementos estructurales de acero soldado, especialmente en
las grandes calderas, estructuras metálicas, puentes, la soldadura eléctrica por arco ocupa
sin duda el primer lugar entre los modernos procesos de soldadura. De ahí la importancia
del conocimiento de las metodologías para determinar los parámetros tecnológicos de los
procesos de soldadura por arco sea de suma importancia para la gestión profesional de los
ingenieros mecánicos que fungen como tecnólogos de soldadura.
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El objetivo principal que persigue la publicación de este texto es; brindar a los
estudiantes de ingeniería mecánica y a los ingenieros tecnólogos, una herramienta que les
permita diseñar adecuadamente una tecnología por arco eléctrico, para los tres principales
procesos de soldadura por arco eléctrico, que se aplican en la industria de construcción de
maquinarias.
Estos procesos son:
1. Soldadura manual por arco eléctrico con electrodos revestidos (SMAER).
2. Soldadura automática por arco eléctrico bajo fundente (SABF).
3. Soldadura automática y semiautomática bajo protección de gases (TIG, MIG, MAG).
En el trabajo, acorde con los tiempos actuales se ha introducido el empleo de las
normas AISI, AWS y otras cuyo empleo en Cuba se ha consolidado después del derrumbe
del campo socialista. Estas normas aunque casi todas de origen norteamericano, se han
convertido gracias a su empleo casi universal, en normativas de uso internacional; de ahí
que el conocimiento de las mismas por todos los que de una manera u otra se vinculan con
los temas de soldadura, resulte un aspecto de suma importancia. Siempre que haya existido,
se ha utilizado la norma cubana correspondiente. En caso de que para algún aspecto
abordado en la tecnología esta no exista se han empleado las normas internacionales ISO y
las AWS que se correspondan con el acápite en cuestión. Las tablas extraídas de Normas y
Catálogos de firmas productoras no aparecerán enumerados en la monografía.
También aparecen recogidos en la monografía ejemplos de materiales de soldadura
producidos por diferentes firmas productoras de materiales y equipamiento de soldadura
(UTP, ESAB, Eutectic & Castolin), cuya mención debe motiva al estudiante de ingeniería
mecánica a familiarizarse con la documentación técnica de dichas firmas.
El autor agradece a los compañeros del Centro de Investigaciones de Soldadura de
la Universidad Central de las Villas y de la Planta de Electrodos de Soldadura del ISPJAE,
especialmente a los Doctores Manuel Rodríguez Pérez, José Burgos Solá, Alejandro
Duffus, Antonio Paz Iglesias y al Ingeniero Artemio Alvarez Paneque, por todas las
enseñanzas que en el campo de la tecnología de soldadura ha recibido de ellos, a lo largo de
todos estos años. Su agradecimiento se hace extensivo a todos aquellos que encuentren en
la lectura de la presente obra una vía de superación, o de solución de algún problema real
de la práctica ingenieril.
Dr. C.T. Ing. Eduardo Torres Alpízar
Autor.
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Capítulo I: Conceptos generales de los procesos de soldadura y lugar que
ocupan los procesos de soldadura por arco dentro de los mismos.
1.1- Conceptos generales vinculados a los procesos tecnológicos de soldadura.
Para adentrarse en el desarrollo de tecnologías de soldadura por arco eléctrico es
necesario retomar algunos conceptos básicos empleados en el campo de los procesos
tecnológicos de soldadura. Dentro de ellos se encuentran:
¤ Soldadura: Son un conjunto de procesos tecnológicos en los cuales se logra la unión
indesarmable de dos o más piezas unidas con la ayuda del calor y (o) presión
concentrados y en las cuales se pueden utilizar o no metal de aporte que puede ser de la
misma o diferente composición química que la del metal base.
¤ Soldeo: Es la acción mediante la cual se llevan a cabo los procesos de soldadura.
¤ Unión Soldada: Es la unión indesarmable de dos o más piezas obtenida como resultado
de la acción de soldar
¤ Costura: Es el metal líquido que después de la solidificación compone la zona fundida
de la unión soldada.
¤ Cordón: Es el metal líquido que se deposita en una sola pasada y que al solidificarse
pasa a formar parte de la costura. Una costura puede estar formada por uno o varios
cordones.
¤ Metal Base: Es el metal base de las piezas que se van a unir por soldadura.
¤ Material de Aporte: Material que se funde y se suministra a la zona de los bordes de
soldadura que se suministra durante el proceso de soldeo y que van a formar parte de la
costura.
¤ Bordes de soldadura: Son las superficies del metal base preparadas o no, donde se
realiza la soldadura. Pueden tener preparación de bordes o no.
¤ Junta: Disposición espacial o forma de una unión soldada (figura 1.1).
Figura 1.1. Tipos de uniones soldadas: a) A tope. b) En ángulo. c) En T. d) A solape.
En las uniones soldadas pueden distinguirse una zona fundida (Z.F) y la zona de
influencia térmica (Z.I.T).
La zona fundida la constituyen el metal líquido que se ha solidificado y en el cual
ocurren toda una serie de transformaciones físico – químicas o estructurales. El metal que
compone la zona fundida puede tener la misma composición química que el metal base, o
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puede ser una composición química resultante de la mezcla del metal base y el de aporte,
cuando este se utiliza en el proceso.
La Zona de influencia térmica es la parte del metal base que no ha sido fundido,
pero que producto del calentamiento, o de la aplicación de otras formas de energía, presenta
cambios macroestructurales que pueden variar las propiedades mecánicas de esta. La Zona
de Influencia Térmica se divide en tres zonas para su estudio, de acuerdo a tres isotermas
que se encuentran a 700, 900. Y 1100ºC.
Figura 1.2. Estructura de la unión soldada
En la zona de sobrecalentamiento (1100ºC) se presenta debido a las altas
temperaturas y a las altas velocidades de enfriamiento, una estructura de grano grueso con
tendencia al temple.
En la zona de recocido (900ºC) el metal tienen tendencia a una estructura
normalizada con granos finos, pero sólo parcialmente, debido a que las velocidades de
calentamiento son aún altas.
En la zona de primera transformación puede existir globulización del agregado
laminar con tendencia a la coalescencia sin modificación sensible del grano de ferrita.
En la soldadura con arco eléctrico todas las zonas están agrupadas en una zona muy
estrecha del material (unos 4 ó 5cm). Las estructuras obtenidas son muy complejas, debido
a la superposición de los Tratamientos Térmicos que provocan la deposición de varios
cordones de soldadura.
v Factores que influyen en la forma y dimensiones de la Zona de Influencia Térmica.
1. Naturaleza y espesor del metal base.
2. Proceso de soldadura utilizado.
3. Intensidad de la corriente eléctrica.
4. Velocidad de soldadura y uniformidad de la misma.
5. Método de soldeo.
6. Tamaño de la boquilla.
1.1.1- Conocimientos básicos de soldabilidad.
La soldabilidad es la capacidad que tienen los metales o los materiales de la misma
o diferente naturaleza de ser unidos de forma indesarmable mediante procesos de
soldadura, sin presentar transformaciones estructurales o físico – químicas perjudiciales,
tensiones o deformaciones, defectos, etcétera.
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La soldabilidad de un material encierra tres aspectos bajo los cuáles queda dividida
su definición.
1. Soldabilidad metalúrgica: Es la capacidad de los metales de ser unidos mediante
procesos de soldadura sin presentar transformaciones estructurales o variaciones en su
composición química que afecten sus propiedades mecánicas o químicas.
2. Soldabilidad operatoria: Responde a la operación de soldadura en sí; por ejemplo: Si
un metal o su óxido presentan una temperatura de fusión muy alta con respecto a la del
proceso de soldadura O. A., no se podrá obtener una buena unión soldada con este tipo
de proceso.
3. Soldabilidad Constructiva: Concierne a las propiedades físicas del material, tales
como la dilatación térmica, que provocan tensiones o deformaciones, las cuales pueden
originar el agrietamiento de la unión soldada.
Se considera que un material tiene buena soldabilidad cuando cumple con los tres
aspectos anteriores; soldabilidad regular o condicionada cuando no cumple con alguno,
pero por medio de soluciones tecnológicas se puede obtener una unión soldada de calidad,
y mala soldabilidad cuando los aspectos anteriores no se pueden resolver para la obtención
de una unión indesarmable con buenas propiedades mecánicas y químicas.
• Factores que influyen en la soldabilidad.
1. Proceso de soldadura (tipo, régimen de soldadura, etc.)
2. Naturaleza del metal base antes de ser soldado
3. Elementos de aleación que se introducen en la unión durante el proceso.
4. Velocidad de enfriamiento (energía suministrada y precalentamiento)
5. Espesor del metal base y tipo de unión soldada.
6. Características térmicas del metal base.
1.1.2- Precalentamiento. Cálculo de la temperatura de precalentamiento.
El precalentamiento de las uniones soldadas, el cuál disminuye la velocidad de
enfriamiento, es la recomendación más eficiente para evitar el agrietamiento en las zonas
fundida y de influencia térmica. El precalentamiento tiene los siguientes objetivos:
1. Disminuye la formación de transformaciones estructurales peligrosas y por lo tanto, las
tensiones que estas originan, dando lugar a estructuras menos peligrosas y de menos
volumen específico.
2. Facilita la difusión del hidrógeno de la unión soldada y por tanto, disminuye la
tendencia al agrietamiento de la unión soldada por este efecto.
3. Facilita el desprendimiento de otros gases con lo cual se elimina la formación de poros.
En general se puede plantear que la temperatura de precalentamiento debe ser
mayor, mientras más templable sea el acero que se suelda.
La temperatura de precalentamiento se determina según fórmulas empíricas que son
el resultado de trabajos teórico experimentales. En esta conferencia se explicará el Cálculo
de la temperatura de precalentamiento a partir del Método de Daniel Seferian.
Para los aceros según Seferian:
[ ] [ ] [ ]
C = C + C
q s
Donde:
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[C]: Carbono equivalente; que no es más que la suma de las influencias cuantitativas de los
diferentes elementos de aleación sobre la soldabilidad metalúrgica del metal base.
[C] : Carbono equivalente químico.
q
[C] : Carbono equivalente del espesor.
S
Mn•Cr Ni 7Mo
[ ]
C =C + + +
q
9 18 90
Donde:
C, Cr, Mn, Ni, Mo: Composición química de estos elementos en %.
[ ] [ ]
C =0,005•S• C
s q
Donde:
S: Espesor de la pieza en mm.
[ ]
Tp = 350 • C - 0,25
Donde:
Tp: Temperatura de precalentamiento en ºC.
El precalentamiento se aplica a través de llamas de propano, con antorchas
diseñadas al efecto, y se controla la llama a través de creyones térmicos de fusión y cambio
de coloración. Cuando se aplica con hornos se utiliza el control de temperaturas de los
mismos; aunque en la actualidad se ofertan en el mercado sistemas de precalentamiento y
tratamiento térmico, que a través de resistencias controladas por dispositivos electrónicos,
permiten suministrar al metal que se suelda la temperatura de precalentamiento adecuada
con un control de temperatura exacto.
1.1.3- Tratamiento Térmico posterior de las uniones soldadas.
El tratamiento térmico que más se aplica a las uniones soldadas, realizadas en aceros
de bajo contenido de carbono y baja y mediana aleación destinados para trabajos de
soldadura, es el normalizado con calentamiento entre 900 y 950ºC con enfriamiento al aire
o un recocido con enfriamiento lento, que se obtiene recubriendo el cordón con materiales
refractarios (hasta hace poco tiempo se empleaban el asbesto y el amianto, pero estos
materiales han sido desechados por el daño que estos traen al medio ambiente y la salud
humana). El control de temperatura y las instalaciones para aplicar los tratamientos
térmicos son las mismas que las usadas para aplicar los precalentamientos.
1.2- Lugar que ocupan los procesos de soldadura por arco eléctrico dentro de la
clasificación de los procesos de soldadura.
Para la clasificación de los diferentes procesos de soldadura existentes en la
actualidad se siguen varios criterios, pero entre ellos se destacan por su importancia y
generalización los siguientes:
1. De acuerdo con el estado del metal en la zona de soldadura.
2. Según el tipo de energía empleada para el calentamiento del metal.
En el momento de la soldadura, el metal localizado en la propia zona de unión
puede encontrarse en estado sólido o líquido. Cuando se encuentra en estado sólido, a pesar
de existir un calentamiento, se exige la presencia de una presión de recalcado, que garantice
la soldadura, basada en la deformación plástica del metal. La fusión completa del metal
permite obtener la unión sin la aplicación de presión de recalcado.
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Lo anteriormente señalado permite dividir todos los procesos existentes en dos
grandes grupos: soldadura por presión y soldadura por fusión. A su vez cada grupo se
subdivide como se muestra en la figura 1.3.
La soldadura en frío se realiza sin calentamiento o con insignificante calentamiento
hasta la temperatura en la cual se efectúan pequeños cambios en las propiedades del metal.
En el caso de ausencia de calentamiento o cuando este proceso es poco significativo, se
requiere la presencia de gran presión o fuerza de apriete para lograr la soldadura, en
ocasiones, superior al límite elástico del metal y aún al límite del metal a temperatura
ambiente.
La soldadura por presión modifica poco la composición química, la estructura y las
propiedades del metal; por ello, en una serie de casos se puede lograr la unión soldada sin
necesidad de un posterior tratamiento complementario a la soldadura.
En la soldadura por fusión el metal que se forma en la zona de soldadura se funde,
lo que origina una estructura fundida y no se requiere de presión de recalcado. La soldadura
de este tipo puede ser dividida en dos grupos:
a) Con fusión del metal base, o sea la verdadera soldadura por fusión.
b) Sin fusión del metal base ( la llamada soldadura capilar o brazing), la cual resulta útil
conocer como una variante de la solución por fusión.
Durante la soldadura por fusión, la composición química y estructura del metal en el
lugar de la soldadura varían significativamente; el metal de aportación con frecuencia es
diferente a la del metal base; por ello la unión soldada, por lo general se diferencia del
metal base en composición, estructura y propiedades mecánicas. Estas diferencias se
pueden disminuir mediante el tratamiento térmico y mecánico posterior de la unión soldada
posterior a la soldadura.
Figura 1.3 Clasificación de los procesos de soldadura de acuerdo con el estado del
metal de la zona fundida.
La soldadura por arco eléctrico es una aplicación de la potencia eléctrica a baja
tensión, pues el calor necesario para el calentamiento y la fusión del metal se obtiene de la
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descarga del arco surgida entre las partes, denominadas metales o piezas de trabajo y el
electrodo.
Por la acción del calor los bordes del metal base y el extremo del electrodo se
funden formando el baño de soldadura el cual permanece un breve tiempo en estado
líquido. Al solidificarse, forman el metal de la costura, y la unión soldada queda
establecida.
Fig 1.4. Esquema del arco eléctrico empleado en la soldadura por arco eléctrico
manual.
El arco eléctrico no es más que una descarga eléctrica que surge entre dos
electrodos, uno negativo (cátodo) y otro positivo (ánodo), siempre que exista un medio con
partículas ionizantes (gas o líquido). En este caso la corriente se transmite a través de un
proceso continuo de ionización, consistente en la emisión de electrones desde el extremo
incandescente del cátodo, los cuales se aceleran bajo la acción del campo eléctrico;
mediante las colisiones con los átomos neutros del gas que se encuentra en la columna del
arco, los electrones libre que poseen una elevada energía cinética logran desalojar uno o
varios electrones de la envoltura de estos átomos. Los electrones se dirigen finalmente al
ánodo y los iones positivos (surgidos como consecuencia de la pérdida de electrones por los
átomos neutros), al cátodo, donde desprenden electrones al chocar convirtiéndose
nuevamente en átomos neutros.
Además de lo descrito anteriormente, también ocurre la fotoionización, que se
produce por la energía de los rayos ultravioletas y por ionización térmica.
Figura 1.5. Forma en que ocurre la ionización del arco eléctrico.
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