Contenido: Uniones y características de la soldadura. Soldadura blanda. Soldadura fuerte. Soldadura por forja. Soldadura con gas. Generalidades del proceso y definición de términos. Equipo para soldar con oxiacetileno. Diferentes flamas y sus características. Diferentes flamas y sus características. Soldadura por arco con hidrógeno atómico. Soldadura por vaciado. Soldadura por fricción. Soldadura por explosión. Soldadura automatizada.
Uniones y características de la soldadura
La soldadura es un proceso para la unión de dos metales por medio de calor y/o presión y se define como la liga metalúrgica entre los átomos del metal a unir y el de aporte.
Existen diversos procesos de soldadura los que difieren en el modo en que se aplica el calor o la energía para la unión. A continuación se presenta una manera general de agruparlos:
1. Soldadura blanda
2. Soldadura fuerte
3. Soldadura por forja
4. Soldadura con gas
5. Soldadura con resistencia
6. Soldadura por inducción
7. Soldadura por arco eléctrico
8. Soldadura por arco con hidrógeno atómico
9. Soldadura por arco con gas protector
10. Soldadura por vaciado
11. Soldadura por fricción
12. Soldadura por explosión
13. Soldadura Automatizada
Para lograr la soldadura algunos procesos requieren sólo de fuerza para la unión, otros requieren de un metal de aporte y energía térmica que derrita a dicho metal.
Cada uno de los diferentes procesos de soldadura tiene sus características de ingeniería particulares y sus costos específicos.
Existen diferentes tipos de uniones de los materiales, estas uniones se conocen como juntas y van desde las elementales hasta las más complejas, a continuación se observan algunas de las juntas de soldadura más comunes. Su aplicación dependerá fundamentalmente del tipo de material a utilizar, la apariencia de la unión y del uso que se dará a la unión.
Soldadura blanda
Es la unión de dos piezas de metal por medio de otro metal llamado de aporte, éste se aplica entre ellas en estado líquido. La temperatura de fusión de estos metales no es superior a los 430ºC. En este proceso se produce una aleación entre los metales y con ello se logra una adherencia que genera la unión. En los metales de aporte por lo regular se utilizan aleaciones de plomo y estaño los que funden entre los 180 y 370ºC.
Este tipo de soldadura es utilizado para la unión de piezas que no estarán sometidas a grandes cargas o fuerzas. Una de sus principales aplicaciones es la unión de elementos a circuitos eléctricos. Por lo regular el metal de aporte se funde por medio de un cautín y fluye por capilaridad.
Soldadura fuerte
En esta soldadura se aplica también metal de aporte en estado líquido, pero este metal, por lo regular no ferroso, tiene su punto de fusión superior a los 430 ºC y menor que la temperatura de fusión del metal base. Por lo regular se requiere de fundentes especiales para remover los óxidos de las superficies a unir y aumentar la fluidez al metal de aporte.
Algunos de los metales de aporte son aleaciones de cobre, aluminio o plata. A continuación se presentan algunos de los más utilizados para las soldaduras denominadas como fuertes:
1. Cobre. Su punto de fusión es de 1083ºC.
2. Bronces y latones con punto de fusión entre los 870 y 1100ºC.
3. Aleaciones de plata con temperaturas de fusión entre 630 y 845ºC.
4. Aleaciones de aluminio con temperatura de fusión entre 570 y 640ºC
La soldadura dura se puede clasificar por la forma en la que se aplica el metal de aporte. A continuación se describen algunos de estos métodos:
Inmersión. El metal de aporte previamente fundido se introduce entre las dos piezas que se van a unir, cuando este se solidifica las piezas quedan unidas.
Horno.
El metal de aporte en estado sólido, se pone entre las piezas a unir, estas son calentadas en un horno de gas o eléctrico, para que con la temperatura se derrita al metal de aporte y se genere la unión al enfriarse.
Soplete. El calor se aplica con un soplete de manera local en las partes del metal a unir, el metal de aporte en forma de alambre se derrite en la junta. El soplete puede funcionar por medio de oxiacetileno o hidrógeno y oxígeno.
Electricidad. La temperatura de las partes a unir y del metal de aporte se puede lograr por medio de resistencia a la corriente, por inducción o por arco, en los tres métodos el calentamiento se da por el paso de la corriente entre las piezas metálicas a unir.
Soldadura por forja
Es el proceso de soldadura más antiguo. El proceso consiste en el calentamiento de las piezas a unir en una fragua hasta su estado plástico y posteriormente por medio de presión o golpeteo se logra la unión de las piezas. En este procedimiento no se utiliza metal de aporte y la limitación del proceso es que sólo se puede aplicar en piezas pequeñas y en forma de lámina. La unión se hace del centro de las piezas hacia afuera y debe evitarse a como dé lugar la oxidación, para esto se utilizan aceites gruesos con un fúndente, por lo regular se utiliza bórax combinado con sal de amonio.
La clasificación de los procesos de soldadura mencionados hasta ahora, es la más sencilla y general, a continuación se hace una descripción de los procesos de soldadura más utilizados en los procesos industriales.
Soldadura con gas
Este proceso incluye a todas las soldaduras que emplean gas para generar la energía necesaria para fundir el material de aporte. Los combustibles más utilizados son el acetileno y el hidrógeno los que al combinarse con el oxígeno, como comburente generan las soldaduras autógena y oxhídrica.
La soldadura oxhídrica es producto de la combinación del oxígeno y el hidrógeno en un soplete. El hidrógeno se obtiene de la electrólisis del agua y la temperatura que se genera en este proceso es entre 1500 y 2000°C.
La soldadura autógena se logra al combinar al acetileno y al oxígeno en un soplete.
Se conoce como autógena porque con la combinación del combustible y el comburente se tiene autonomía para ser manejada en diferentes medios. El acetileno se produce al dejar caer terrones de carburo de calcio en agua, en donde el precipitado es cal apagada y los gases acetileno. Uno de los mayores problemas del acetileno es que no se puede almacenar a presión por lo que este gas se puede obtener por medio de generadores de acetileno o bien en cilindros los que para soportar un poco la presión 1.7 MPa, se les agrega acetona.
Generalidades del proceso y definición de términos
1.- GAS: Estado de la materia, donde las moléculas se encuentran separadas unas de otras a una distancia mayor que en un sólido o un líquido. Los gases tienen la característica de ocupar el volumen del recipiente que los contiene.
2.- Combustible: Elemento o material que tiene la calidad de consumirse durante la combustión. Los principales combustibles se presentan en los tres estados de la materia. Ejemplos Líquidos: Gasolina, diesel, turbosina, etc. Sólidos: Carbón, madera, papel, etc. Y los gaseosos: Acetileno, propano, metano, butano, etc.
3.- Comburente: Gas que aviva o acelera la combustión (reacción química) los principales comburentes son: el aire formado por una mezcla de gases (Nitrógeno 78%, Oxigeno 21% y el restante 1% de gases nobles argón, Zenón, criptón, radón y algunos otros). El segundo comburente es el oxígeno puro.
4.- Combustión: Es una reacción entre una combustión que es consumido por un comburente. Ejemplos de combustión se tiene la generación de una flama domestica (de estufa), o bien cuando se consume una vela.
5.- Flama de soldadura para oxigas: Elemento necesario e indispensable para poder fundir los metales que se han de unir. Se generan por la reacción química entre el combustible y comburente, comúnmente oxígeno y acetileno. Aproximadamente la temperatura de la flama es de 3300 ºC, pudiendo obtener diferentes tipos de flama con la mezcla de los dos gases antes mencionados. Ejemplos: Flama neutra o normal.
Flama carburante y también la flama reductora. De los tipos anteriores la de mayor aplicación y la más recomendada para trabajo de soldadura es la flama neutra o normal.
Equipo para soldar con oxiacetileno
Cilindros de acetileno
El cilindro de acetileno suele ser más corto y más ancho que el de oxígeno.
Reguladores
El propósito o función principal de un regulador es reducir la presión muy alta de un cilindro a una presión de trabajo más baja y segura y permitir una circulación continua y uniforme del gas.
El funcionamiento del regulador
El gas a alta presión entra al cuerpo del regulador por una boquilla controlada por una válvula y circula hacia adentro de la cámara en el regulador. La presión en la cámara aumenta hasta que es lo bastante alta para vencer la fuerza del resorte. Cuando la derecha y la válvula que está conectada con él, se cierra y evita que entre más gas a la cámara.
Diferentes flamas y sus características
Una de las características de la flama oxiacetilénica consiste en sus propiedades químicas por lo que su acción sobre el metal fundido puede variar notablemente
Las diferentes características, se obtienen variando las proporciones relativas de oxígeno y acetileno en la mezcla de gases que arde en la punta del soplete. Las válvulas del soplete además de cerrar y abrir los gases, permiten al operario el control de la graduación de la flama.
Para hacer lo anterior, el operario debe estar familiarizado con la composición del metal base en que va a trabajar y conocer bien las diferentes flamas, características y modos de obtenerlas.
La flama oxiacetilénica
En la punta del dado de la flama se tiene la región más caliente (3100ºC), luego va a la zona reductora que corresponde a la reducción primaria con una temperatura de 2000º C y por último está el penacho que es la región de combustión secundaria en que tiene influencia el aire del ambiente, cuya temperatura es de 1200ºC.
Soldadura por resistencia
El principio del funcionamiento de este proceso consiste en hacer pasar una corriente eléctrica de gran intensidad a través de los metales que se van a unir, como en la unión de los mismos la resistencia es mayor que en sus cuerpos se generará el aumento de temperatura, aprovechando esta energía y con un poco de presión se logra la unión. La corriente eléctrica pasa por un transformador en el que se reduce el voltaje de 120 o 240 a 4 o 12 V, y se eleva el amperaje considerablemente para aumentar la temperatura. La soldadura por resistencia es aplicable a casi todos los metales, excepto el estaño, zinc y plomo.
En los procesos de soldadura por resistencia se incluyen los de:
a. soldadura por puntos
b. soldadura por resaltes
c. soldadura por costura
d. soldadura a tope
En la soldadura por puntos la corriente eléctrica pasa por dos electrodos con punta, debido a la resistencia del material a unir se logra el calentamiento y con la aplica de presión sobre las piezas se genera un punto de soldadura. Las máquinas soldadoras de puntos pueden ser fijas o móviles o bien estar acopladas a un robot o brazo mecánico.
Soldadura por inducción
Esta soldadura se produce al aprovechar el calor generado por la resistencia que se tiene al flujo de la corriente eléctrica inducida en la piezas a unir. Por lo regular esta soldadura se logra también con presión.
Consiste en la conexión de una bobina a los metales a unir, y debido a que en la unión de los metales se da más resistencia al paso de la corriente inducida en esa parte es en la que se genera el calor, lo que con presión genera la unión de las dos piezas. La soldadura por inducción de alta frecuencia utiliza corrientes con el rango de 200,000 a 500,000 Hz de frecuencia, los sistemas de soldadura por inducción normales sólo utilizan frecuencias entre los 400 y 450 Hz.
Soldadura por arco eléctrico
Es el proceso en el que su energía se obtiene por medio del calor producido por un arco eléctrico que se forma entre la pieza y un electrodo.
Por lo regular el electrodo también sirve de metal de aporte, el que con el arco eléctrico se funde, para que así pueda ser depositado entre las piezas a unir. La temperatura que se genera en este proceso es superior a los 5,500°C. La corriente que se utiliza en el pr oceso puede ser directa o alterna, utilizándose en la mayoría de las veces la directa, debido a la energía es más constante con lo que se puede generar un arco estable.
Las máquinas para corriente directa se construyen con capacidades hasta de 1,000 A, con corrientes de 40 a 95 V. Mientras se efectúa la soldadura el voltaje del arco es de 18 a 40 A.
Para la generación del arco existen los siguientes electrodos:
a. Electrodo de carbón. En la actualidad son poco utilizados, el electrodo se utiliza sólo como conductor para generar calor, el metal de aporte se agrega por separado.
b. Electrodo metálico. El propio electrodo sirve de metal de aporte al derretirse sobre los materiales a unir. Se pueden utilizar para estos electrodos máquinas para soldar de corriente directa o alterna, las segundas constan de transformadores estáticos, lo que genera bajos mantenimiento e inversión inicial. Existen máquinas de 150,
200, 300, 500, 750 y 1000 A.
c. Electrodos recubiertos. Los electrodos metálicos con un recubrimiento que mejora las características de la soldadura son los más utilizados en la actualidad, las funciones de los recubrimientos son las siguientes:
– Proporcionan una atmósfera protectora
– Proporcionan escoria de características adecuadas para proteger al metal fundido
– Facilita la aplicación de sobrecabeza
– Estabiliza el arco
– Añade elementos de aleación al metal de la soldadura
– Desarrolla operaciones de enfriamiento metalúrgico
– Reduce las salpicaduras del metal
– Aumenta la eficiencia de deposición
– Elimina impurezas y óxidos
– Influye en la profundidad del arco
– Influye en la formación del cordón
– Disminuye la velocidad de enfriamiento de la soldadura
Las composiciones de los recubrimientos de los electrodos pueden ser orgánicas o inorgánicas y estas substancias se pueden subdividir en las que forman escoria y las que son fundentes. Algunos de los principales compuestos son:
– Para la formación de escoria se utilizan SiO2, MnO2 y FeO
– Para mejorar el arco se utilizan Na2O, CaO, MgO y TiO2
– Desoxidantes: grafito, aluminio, aserrín
– Para mejorar el enlace: silicato de sodio, silicato de potasio y asbestos
– Para mejorar la aleación y la resistencia de la soldadura: vanadio, cesio, cobalto, molibdeno, aluminio, circonio, cromo, níquel, manganeso y tungsteno.
Proceso S.M.A.W. (electrodo Revestido)
El proceso SMAW o mejor conocido como soldadura por electrodo revestido emplea el paso de un arco eléctrico a través de un electrodo metálico y el material a soldar.
Este arco eléctrico produce el calor necesario para fundir el material base y al aporte originándose la mezcla de ambos en estado liquido que al solidificarse formarán el cordón de soldadura. Como todos los metales al calentarse es más fácil que se oxiden por lo cual a este electrodo se le coloca un revestimiento químico el cual dará propiedades específicas a la soldadura y formará una nube protectora contra el medio ambiente. Al solidificarse el fundente este protegerá al metal sólido de enfriamientos bruscos, así como contaminaciones por absorción de gases.
Soldadura por arco con hidrógeno atómico
En un sistema generador de un arco eléctrico en el que se agrega hidrógeno se liberará calor con mayor intensidad que en un arco común, la temperatura que se alcanza en este tipo de arco es superior a los 6,000 °C.
Soldadura por arco con gas protector
En este proceso la unión se logra por el calor generado por un arco eléctrico que se genera entre un electrodo y las piezas, pero el electrodo se encuentra protegido por una copa por la que se inyecta un gas inerte como argón, helio o CO2. Con lo anterior se genera un arco protegido contra la oxidación y además perfectamente controlado.
Existen dos tipos de soldadura por arco protegido la TIG y la MIG.
Soldadura por vaciado
Con algunos materiales la unión no se puede hacer por los procedimientos antes descritos debido a que no fácilmente aceptan los metales de aporte como sus aleaciones. Para lograr la soldadura de estos metales en algunas ocasiones es necesario fundir del mismo metal que se va a unir y vaciarlo entre las partes a unir, con ello cuando solidifica las piezas quedan unidas. A este procedimiento se le conoce como fundición por vaciado.
Soldadura por fricción
En este proceso la unión se logra por el calor que se genera al girar una de las piezas a unir en contra de la otra que se encuentra fija, una vez alcanzada la temperatura adecuada se ejerce presión en las dos piezas y con ello quedan unidas.
Soldadura por explosión
Esta soldadura también se llama de recubrimiento consiste en la unión de dos piezas metálicas, por la fuerza que genera el impacto y presión de una explosión sobre las proximidades a las piezas a unir. En algunas ocasiones, con el fin de proteger a las piezas a unir, se coloca goma entre una de las superficies a unir y el yunque que genera la presión.
Soldadura automatizada
La historia de la automatización industrial está caracterizada por períodos de constantes innovaciones tecnológicas. Esto se debe a que las técnicas de automatización están muy ligadas a los sucesos económicos mundiales.
El uso de robots industriales junto con los sistemas de diseño asistidos por computadora (CAD), y los sistemas de fabricación asistidos por computadora (CAM), son la última tendencia en automatización de los procesos de fabricación. Éstas tecnologías conducen a la automatización industrial a otra transición, de alcances aún desconocidos.
En la actualidad el uso de los robots industriales está concentrado en operaciones muy simples, como tareas repetitivas que no requieren tanta precisión. El hecho de que en los 80´s las tareas relativamente simples como las máquinas de inspección, transferencia de materiales, pintado automotriz, y soldadura son económicamente viables para ser robotizadas. Los análisis de mercado en cuanto a fabricación predicen que en ésta década y en las posteriores los robots industriales incrementaran su campo de aplicación, esto debido a los avances tecnológicos en sensorica, los cuales permitirán tareas más sofisticadas como el ensamble de materiales.
Fuente: Apuntes de la materia procesos de manufactura / unideg