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

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1 Ingeniería de los Sistemas de Producción Soldadura: Procesos Rosendo Zamora Pedreño Dpto. Ingeniería de Materiales y Fabricación rosendo.zamora@upct.es Índice Procesos de Soldadura 1. Soldadura por Combustión (autógena) 2. Soldadura por Arco 3. Soldadura por Resistencia 4. Soldadura Heterogénea 5. Otros procesos de soldadura 2 1

2 1. Soldadura por Combustión 1. Soldadura por Combustión (autógena) Fundamento: Proceso: por fusión. Energía: combustión de un gas. Composición mezcla combustible: Oxigeno + (Metano, propano y fundamentalmente acetileno C 2 H 2 ) Soldadura oxiacetilénica OAW (Oxyacetylene Welding) 3100 o C. * Soldadura por Combustión 1. Soldadura por Combustión (autógena) Zonas de la llama oxiacetilénica Dardo Zona reductora Penacho 4 2

3 1. Soldadura por Combustión 1. Soldadura por Combustión (autógena) Tipos de llama: Reductora Exceso de Acetileno Combustión irregular penacho blanco y alargado El exceso de C carbura el metal Acero sin metal de aporte Neutra Dardo de color Verdoso Blanco bien definido. Uso habitual 5 1. Soldadura por Combustión 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 6 3

4 1. Soldadura por Combustión 1. Soldadura por Combustión (autógena) Tipos de llama: * Soldadura por Combustión 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. 8 4

5 1. Soldadura por Combustión 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 * Soldadura por Combustión 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 *7 10 5

6 1. Soldadura por Combustión 1. Soldadura por Combustión (autógena) Equipo: Barato y de fácil transporte * Soldadura por Combustión 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 12 6

7 Procesos de Soldadura 1. Soldadura por Combustión (autógena) 2. Soldadura por Arco 3. Soldadura por Resistencia 4. Soldadura Heterogénea 5. Otros procesos de soldadura 13 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 pieza 14 7

8 Componentes del arco: 1. Plasma: ( 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 15 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) *TIG *2 16 8

9 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 ). 17 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 ). 18 9

10 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 Electrodo revestido (SMAW Shielded Metal Arc Welding ) Protección: Revestimiento del electrodo. Funciones: Eléctrica: Cebado del arco y estabilidad del arco Física: Evita contacto con O 2, N 2 y H 2. Metalúrgica: mejorar características mecánicas. Tipos de revestimiento: Ácido, Celulósico, Rutilo, Básico, Gran rendimiento

11 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 O 2, N 2 y H 2. Metalúrgica: mejorar características mecánicas. Tipos de revestimiento: Ácido, Celulósico, Rutilo, Básico, Gran rendimiento Electrodo revestido (SMAW Shielded Metal Arc Welding ) Básicos Rutilo 22 11

12 2.1. Electrodo revestido (SMAW Shielded Metal Arc Welding ) Celulósicos Ácidos Electrodo revestido (SMAW Shielded Metal Arc Welding ) Ej.: Denominación electrodos *

13 2.1. Electrodo revestido (SMAW Shielded Metal Arc Welding ) Corriente: C.C. y C.A: A C.C. y electrodo conectado a V 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

14 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 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

15 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 ). 29 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 )

16 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 Electrodo no consumible y protección de gas inerte TIG Tungsten Inert Gas Fundamento Proceso: por fusión. Energía: arco eléctrico. Electrodo: no consumible Gas inerte 32 16

17 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 Electrodo no consumible y protección de gas inerte TIG Tungsten Inert Gas Electrodo: No se funde. Mantener el arco Acabado del extremo Material 34 17

18 2.2. Electrodo no consumible y protección de gas inerte TIG Tungsten Inert Gas 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" Electrodo no consumible y protección de gas inerte TIG Tungsten Inert Gas Metal de aporte: Soldadura con o sin metal de aporte Aporte manual o automático Composición química similar al metal base

19 2.2. Electrodo no consumible y protección de gas inerte TIG Tungsten Inert Gas 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) Electrodo no consumible y protección de gas inerte TIG Tungsten Inert Gas 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 3. Corriente alterna: Ventajas de las dos de continua Inconvenientes: cebado y estabilidad (alta frecuencia) 38 19

20 2.2. Electrodo no consumible y protección de gas inerte TIG Tungsten Inert Gas 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 39 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 )

21 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 MIG / MAG Equipo MIG/MAG 42 21

22 2.3. MIG / MAG Protección: Mediante gas MIG Argón puro ócon hasta 5% de O 2 Helio (U.S.A.) Más caro Mezclas pobres con gases activos mejoran penetración MAG Atmósfera oxidante o reductora según el gas. Gases CO 2, Argón + CO 2, O 2 + Argón CO 2 Cordones con muchos poros debido a O 2 Para aceros al carbono y baja aleación 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 44 22

23 2.3. MIG / MAG Algunos problemas típicos: 45 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 )

24 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 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. Esquema de los elementos del equipo completo de soldeo Carro SAW 48 24

25 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 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 50 25

26 Procesos de Soldadura 1. Soldadura por Combustión (autógena) 2. Soldadura por Arco 3. Soldadura por Resistencia 4. Soldadura Heterogénea 5. Otros procesos de soldadura Soldadura por Resistencia Fundamento (Resistance Welding): Energía: Corriente (efecto Joule) Q I 2 R t Presión Fases: 1. Período de presión (fase de posicionamiento) 2. Período de soldeo 3. Período de mantenimiento (fase de forja) 4. Período de separación 52 26

27 3. Soldadura por Resistencia Protección: Materiales limpios de óxido, grasa y pinturas No necesita fundente Electrodos: Cobre o cobre aleado Elevada conductividad térmica y eléctrica Refrigeración Soldadura por Resistencia Corriente: c.a. I= A V= 1 30 V F= 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). Optimo para metales de elevada resistencia (aceros al carbono e inoxidables)

28 3. Soldadura por Resistencia Tipos: Por puntos Resaltes o protuberancias Por roldanas A tope Por chispa Soldadura por Resistencia 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

29 3. Soldadura por Resistencia 3.1. Por puntos Soldadura por Resistencia 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 58 29

30 3. Soldadura por Resistencia 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. * Soldadura por Resistencia 3.3. Roldanas Características: Los electrodos se reemplazan por roldanas La pieza se desplaza entre las roldanas Soldadura continua o espaciada 60 30

31 3. Soldadura por Resistencia 3.3. Roldanas Campo de aplicación: Recipientes de espesores de 0,05 a 3 mm Soldadura por Resistencia 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: Secciones rectas de alambres, barras, tubos y perfiles. Sección máxima: mm

32 3. Soldadura por Resistencia 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 Soldadura por Resistencia 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 64 32

33 Procesos de Soldadura 1. Soldadura por Combustión (autógena) 2. Soldadura por Arco 3. Soldadura por Resistencia 4. Soldadura Heterogénea 5. Otros procesos de soldadura Soldadura Heterogénea Fundamento: Aporte de material sin fusión del metal base Basado en fuerzas de capilaridad Permiten unión de materiales diferentes 66 33

34 4. Soldadura Heterogénea Tipos: Soldadura fuerte: Tª fusión material aporte > 450 ºC Soldadura blanda: Tª fusión material aporte < 450 ºC Soldadura Heterogénea Fuente de calor: Llama oxidante o neutra Por resistencia Inducción Por infrarrojos Por baño Horno Protección: Limpieza de los metales a soldar Utilización de decapantes o antioxidantes 68 34

35 4. Soldadura Heterogénea 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 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

36 Procesos de Soldadura 1. Soldadura por Combustión (autógena) 2. Soldadura por Arco 3. Soldadura por Resistencia 4. Soldadura Heterogénea 5. Otros procesos de soldadura Otros procesos de soldadura 5.1. Aluminotermia Termita Thermit Welding Principios del proceso 1. Se usa el calor desprendido en una reacción química exotérmica, O Me Óxido metálico + R Me + OR + Calor agente reductor Metal reducido óxido del agente reductor Fe 2 O Al 2Fe + Al 2 O KJ 3Cu O + 2 Al 3Cu + Al 2 O 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 72 36

37 5. Otros procesos de soldadura 5.1. Aluminotermia *3 * 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 dentro de un crisol refractario, y continúa hasta agotarse los elementos iniciales de la carga 5. Para la ignición se usa una bengala encendida, puesta en contacto con la carga. 6. El acero se decanta por gravedad, debido a la mayor densidad que la alúmina

38 5. Otros procesos de soldadura 5.1. Aluminotermia Características del uso con Cu 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 Otros procesos de soldadura 5.1. Aluminotermia Características del uso con Cu 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

39 5. Otros procesos de soldadura 5.1. Aluminotermia 1º 3º Precalentamiento 2º 4º Procedimiento de conexión para la soldadura de cable * Otros procesos de soldadura 5.1. Aluminotermia *

40 5. Otros procesos de soldadura 5.1. Aluminotermia * 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 *

41 5. Otros procesos de soldadura 5.2. Electroescoria (ESW ElectroSlag Welding): 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 * Otros procesos de soldadura 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: Todos excepto Cu (reflectancia), fundición y refractarios

42 5. Otros procesos de soldadura 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... * Otros procesos de soldadura 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. *

43 5. Otros procesos de soldadura 5.5. Explosión Campo de aplicación: Fabricación de placas bimetálicas Uniones Al Acero Materiales disimilares difícilmente soldables por fusión. * Otros procesos de soldadura 5.5. Explosión Campo de aplicación: Fabricación de placas bimetálicas Uniones Al Acero Materiales disimilares difícilmente soldables por fusión. Explosivo Metal base 1 (flyer plate) *9 Explosión 20 μs después del inicio *

44 Referencias Referencias S. Kalpakjian, S.R. Schmid, (2008) Manufactura, Ingeniería y Tecnología, Pearson Educación, ISBN 10: M. Reina, Soldadura de los Aceros. Aplicaciones, Manuel Reina Gómez, Madrid, 1986 Figuras M. Reina, Soldadura de los Aceros. Aplicaciones, Manuel Reina Gómez, Madrid, mecanizado bsico Nota: Todas las imágenes se han obtenido utilizando resultados de búsquedas en la sección de Imágenes de Google 87 Ingeniería de los Sistemas de Producción Rosendo Zamora Pedreño Dpto. Ingeniería de Materiales y Fabricación rosendo.zamora@upct.es 44