emplea sobre todo para uniones a topes de chapas
y tuberías.
SOLDADURA LÁSER
La soldadura por rayo láser (LBW, de laser-beam
welding) es un proceso
de soldadura por fusión que utiliza la energía
aportada por un haz láser para
fundir
y recristalizar el material o los materiales a unir, obteniéndose
la
correspondiente unión entre los elementos
involucrados. En la soldadura láser
comúnmente no existe aportación de ningún material
externo. La soldadura se
realiza por el calentamiento de la zona a soldar, y
la posterior aplicación de
presión entre estos puntos. De normal la soldadura
láser se efectúa bajo la acción
de
un gas protector, que suelen ser helio o argón.
Mediante espejos se focaliza toda la energía del
láser en una zona muy reducida del
material. Cuando se llega a la temperatura de
fusión, se produce la ionización de la mezcla
entre el material vaporizado y el gas protector
(formación de plasma). La capacidad de
absorción energética del plasma es mayor incluso
que la del material fundido, por lo que
prácticamente
toda la energía del láser se transmite directamente y sin pérdidas al material
a
soldar.
La elevada presión y elevada
temperatura causadas por la absorción de energía del plasma,
continúa mientras se produce
el movimiento del cabezal arrastrando la "gota" de plasma
rodeada
con material fundido a lo largo de todo el cordón de
soldadura.
Para controlar el espesor del
cordón de soldadura, la anchura y la profundidad de la
penetración se pueden
utilizar otro tipo de espejos como son los espejos de doble
foco.
De esta manera se consigue un
cordón homogéneo y dirigido a una pequeña área de la pieza
a soldar, con lo que se
reduce el calor aplicado a la soldadura reduciendo así las
posibilidades de alterar
propiedades químicas o físicas de los materiales
soldados.
Dependiendo de la aplicación
de la soldadura, el láser de la misma puede ser amplificado en
una mezcla de itrio,
aluminio, granate y neodimio, si se requiere un láser de baja potencia, o
el amplificado por gas como
el dióxido de carbono, con potencias superiores a los 10
kilovatios y que por tanto
son empleados en soldaduras convencionales y pueden llegar
hasta los 100
kilovatios.
Los sistemas de varios
kilovatios en continua se utilizan para secciones gruesas lo que
hace
que la soldadura pueda llegar
a ser más profunda. Para evitar la formación de burbujas de
oxígeno durante la fase
liquida del material se utilizan algún tipo de gas inerte, como
pueden ser el argón o
el helio. De esta forma se produce un poco de porosidad, dejando
escapar dichas burbujas.Sirve
para soldar relaciones de ancho-profundidad de entre
4-10.
Características del
proceso
El láser de alta potencia
utilizado para la soldadura se trata de un dispositivo que
amplifica
la radiación en una
determinada longitud de onda y la emite como haz coherente,
casi
paralelo, el cual puede
enfocarse para producir una cierta cantidad de energía capaz
de
fundir en material con el
cual se está trabajando. Esta densidad de energía puede ser
del
mismo tipo de un haz de
electrones, utilizado para la soldadura. El nombre
de láser está
formado por las letras
iniciales del proceso de este tipo de radiaciones: light
amplification
by
stimulated emission of radiation.
Los átomos o moléculas del
material fluorescente son excitados por bombardeo con luz
o energía eléctrica (a) y se
colocan en niveles de energía más altos (b). Se ven
debilitados por emisión
espontánea y la mayor parte de los fotones emitidos que se
encuentran desplazados a lo
largo del eje del tubo generan más potencia por emisión
estimulada de otros átomos
excitados siendo así amplificada la luz (d). En el espejo
reflectante (e) los fotones
se reflejan hacia atrás a lo largo del tubo para poder ser
mayormente
amplificados. (f) En la ventana de salida algunos fotones se reflejan para
continuar amplificándose y el
resto se transforman formando el haz saliente. Las etapas
anteriores se producen casi
simultáneamente.
Dentro del campo de
soldadura por rayo láser podemos encontrar varios tipos
como:
-Lasers de estado
sólido.
-Lasers de
gas.
Lasers de estado
sólido
Uno de los materiales más
corrientes para este tipo de láser y también capaz de
entregar una potencia elevada
es el ion de cromo en un cristal de rubí. Otro material
para este tipo de láser en
estado sólido es el granate de itrio y aluminio dopado
con neodimio o YAG. Otra
forma de carácter práctico de láser puede consistir en una
varilla de rubí de 10 mm de
diámetro y 110 mm de largo con sus extremos rectificados
con una gran precisión y
pulidos. El cristal puede ser irradiado mediante un tubo de
descarga de xenón. Los iones
de cromo en el cristal emiten radiación estimulada, por
esto, la que va en un sentido
axial se refleja hacia un lado y otro entre los extremos de
éste. La intensidad de
radiación se eleva y el haz del láser es irradiado por el extremo
que se encuentra menos
pulido.
Los altos niveles de energía
para poder producir el haz del láser solo pueden lograrse
de manera intermitente, para
poder realizar este proceso de intermitencia en el láser
descargaremos una batería de
condensadores a través del tubo de descarga de xenón.
Estos condensadores se
encuentran cargados a un voltaje entre 1,2 y 4,4 KV.
La intensidad luminosa del
tubo se eleva en 1 ms a su valor máximo y desciende de
forma exponencial dentro de
un periodo de 10 ms. En aproximadamente 5 ms se
produce la emisión de luz coherente dentro
de una serie de impulsos. El rendimiento
total obtenido es del 1% con
una salida entre 3 y 55 julios.
Todo esto nos permite obtener
una concentración de energía por encima de los
109 W/mm2, el cual es un
nivel muy óptimo para poder fundir el material. Cuando
trabajamos con estas
densidades de energía este proceso se puede utilizar también para
el taladrado de agujeros y
cortado en piezas. Para poder soldar con el láser la energía
producida no debe llegar más
rápida de lo que puede ser conducida como calor; esto
exige un impulso menos agudo
y más sostenido que se consigue aumentando
la inductancia del tubo o
empleando una conducción de retardo.
El láser de rubí es utilizado
para taladrar cojinetes de rubí para relojes e hilera a escala
microscópica.
Lasers de
gas
El láser más beneficioso para
la soldadura y el corte es el CO2, el medio emisor para
este tipo de láser es una
mezcla de anhídrido carbónico, nitrógeno y helio. Puede
trabajar continuamente y ha
sido desarrollado para la entrega de bajos vatios e incluso
por encima de 20 KW. La
radiación se encuentra en la región del infrarrojo lejano del
espectro, obteniendo una
longitud de onda de unos 10,6 μm. Uno de los lasers más
típicos de
CO2 está comprendido por un tubo de vidrio por el cual circula una
mezcla
de gas con electrodos en cada
extremo los cuales producen una descarga de alto
voltaje. En uno de los
extremos del tubo se encuentra alojado un espejo reflectante de
superficie dorada enfriado
por agua, mientras que en el extremo opuesto hay una
ventana reflectante en parte,
el espacio entre ambas recibe el nombre de cámara del
láser. En las ventanas se
utilizan rodajas de arseniuro de germanio o galio en montajes
enfriados por
agua.
El rendimiento del 10 al 25%
se traduce en que del 75 al 90% de la energía de la
descarga se disipa en el gas.
Un incremento de la temperatura del gas causaría la
desestabilización
del anhídrido carbónico y una caída en energía de salida, por ello
debe hacerse circular
continuamente a través del tubo permitiendo que parte del
calor que se produce tenga
contacto con las paredes de vidrio las cuales deben ser
enfriadas con agua. Este
proceso es llamado láser de flujo axial lento y en él, el gas
puede deshacerse o reciclarse
mediante un intercambiador de calor.
Si el gas es transportado a
través del tubo del láser de alta velocidad mediante un
soplante, la pérdida de calor
producida en las paredes es muy pequeña y por tanto es
despreciable, por ello éstas
no necesitan ser enfriadas por agua, pero todo el calor en
exceso deberá de reducirse
mediante un intercambiador en algún punto del circuito del
gas; este es el láser de
flujo axial rápido y el gas es recirculado por un soplante. Los
láser de flujo axial lento
pueden suministrar alrededor de 50-70W por metro de
longitud de la cámara, sin
embargo los láser de flujo axial rápido pueden general hasta
600W por metro. Son posibles
otras disposiciones en las cuales el gas pasa
transversalmente a través de
la línea de descarga y permiten cavidades ópticas más
cortas y mayores potencias de
salida. Por encima de los 2,8KW no pueden emplearse
ventanas de salida
reflectantes porque se ven sometidas a excesivo calor, y en su lugar
se emplea una batería de
espejos con una ventana de aluro no reflectante, totalmente
transmisora, o una
abertura.
Cuando la densidad de
potencia en el punto enfocado del láser excede de 12KW/mm2,
tiene lugar un cambio en la
cantidad de energía absorbida por la superficie. Por debajo
de dicha cifra una cantidad
generosa de energía que llega a la superficie se refleja, pero
una vez se ha superado el
nivel de umbral, el rayo láser incide con características
perforantes, produciendo una
transferencia de calor mejorada. Para realizar cordones
lisos, es necesario proteger
el baño mediante un gas inerte observándose que cuando es
utilizado helio para este fin
el plasma obtenido, es menos visible que cuando es
utilizado argón.
La soldadura en la práctica
no es fiable por debajo de un nivel de potencia de 1,7KW,
pero a mayor potencia la
capacidad de penetración es de unos 2,5mm/KW. Por ello un
nivel de potencia de 5KW
introduce dentro de la capacidad del láser una gama amplia
de posibles aplicaciones. El
corte con láser de CO2 se realiza mediante un chorro de
gas coaxial con el rayo
láser. Esto se obtiene haciendo pasar el rayo láser a través de
una cámara que termina en una
boquilla de aproximadamente 1,2mm de diámetro. La
cámara se encuentra llena de
gas a presión y tanto el gas como el rayo láser salen a
través de la boquilla, la
cual se encuentra por encima de la superficie a cortar entre 1 y
2mm. Cuando se cortan metales
férreos se ve aprovechada la reacción
exotérmica entre el metal y
el oxígeno para obtener energía extra. Los óxidos fundidos
producidos se desechan a
través de la pieza por la presión del chorro de oxígeno. Si la
velocidad de corte es muy
baja la reacción de oxidación se mantiene por sí misma y
por esto obtenemos el
resultado de un corte irregular. A velocidades muy altas el
ancho de corte es controlado
por el láser, mediante el cual se obtiene un ancho de
0,6mm. Este es un proceso de
corte de baja deformación. El grosor que se podrá cortar
dependerá de la potencia del
láser y este puede ser de hasta 14mm con 2,3KW.
Para la realización de corte
de materiales no metálicos deberemos ayudarnos mediante
un chorro de gas coaxial,
pero no de oxígeno porque no nos proporcionará
una reacción exotérmica con
tales materiales. No obstante es factible utilizar un chorro
de nitrógeno, aire o gas
inerte, que deseche los productos de descomposición y vapores
producidos por el calor del
láser.
Aplicaciones
Se utiliza, principalmente,
para soldar:
Piezas
de transmisiones en la industria automotriz.
Piezas
unitarias grandes.
Series
grandes y con buenos acabados.
Piezas
de electrodomésticos.
Piezas
para la industria aeronáutica de aluminio, titanio o
níquel.
Industria
del ferrocarril.
Recipientes
a presión.
Industria
alimentaria, a la hora de realizar embalaje de alimentos, cuchillas de
corte.
Para
instrumental médico y quirúrgico.
Odontología
Ventajas e
inconvenientes
Tiene como ventajas
principales las siguientes:
Se puede transmitir por el
aire, por lo que no se requiere un vacío.
Es un proceso fácilmente
automatizable por el hecho de que los rayos se pueden
conformar, manipular y
enfocar ópticamente usando fibras ópticas.
Este tipo de soldadura no
genera rayos X.
Produce muy poca distorsión y
tiene una tendencia muy pequeña a la fusión
incompleta, a las
salpicaduras y a las porosidades.
No hay desgaste de
herramienta, al no estar en contacto con la zona a
soldar
Se puede controlar fácilmente
la profundidad de penetración
El inconveniente es el precio
de los equipos, que es muy elevado. Al ser equipos muy automatizados y altamente
precisos requieren una tecnología muy alta.
Métodos para la
realización de la soldadura por rayo láser
La soldadura por rayo láser
se puede realizar de dos formas distintas:
-Por conducción : En este
tipo de soldaduras la profundidad de la zona fundida va aumentando a medida que
aumenta la conductividad térmica y la intensidad de la
radiación.
Es utilizada para la
soldadura de chapas de espesor pequeño
-Por penetración profunda :
Esta soldadura posee un gran rendimiento ya que se
consigue desplazar la zona de
mayor temperatura por debajo de la superficie del
material, por la acción del
vapor recalentado y se mantiene al material fundido
en el sitio deseado gracias
al efecto de la tensión superficial, gravedad y otra
serie de
factores.
Este tipo de soldadura, como
ya hemos citado con anterioridad, debido a su
afectación térmica reducida,
no se necesita material de aporte y es fácilmente
automatizable por esto se
convierte en fundamental a la hora de realizar
soldaduras en los que la
calidad requerida es alta y no se desean grandes
deformaciones dimensionales.
Además, los materiales soldados no necesitan
un tratamiento posterior para
eliminar tensiones. Esta facilidad de proceso
(automatización) hace que la
velocidad del proceso sea de hasta 6 veces
superior a otros procesos de
soldadura.
Materiales con los que
trabaja
En la actualidad ha habido un
gran avance en este tipo de soldadura, ya que
se puede soldar oro, aleacion
ligera, materiales disimilares, y materiales plásticos, campo
que está avanzando a grandes
velocidades y que ya se encuentra muy desarrollado. La
soldadura
de plásticos (termoplástico estable) se puede llegar a realizar utilizando
unos aditivos especiales,
denominadas resinas. Estas resinas nos permiten soldar sin llegar a
derretir el termoplástico,
cosa que sería impensable sin la utilización de este
aditivo.
También existe la soldadura
láser híbrida, que es la que combina la soldadura por rayo láser
con la soldadura de arco para
así poder obtener posiciones más flexibles y velocidades de
soldadura más
altas.
Soldadura híbrida
MSG-Láser
Este tipo de soldadura se
intento por primera vez a principios de los años 80 lo que por
aquel entonces los elevados
costes que tenía la desestimaron por completo. A principios de
los 90 se desarrollo esta
técnica que mezcla los dos tipos de soldadura tan diferentes como
son el arco MSG y el haz de
luz láser.
SOLDADURA POR ARCO
SUMERGIDO
Al igual que en los demás procesos de soldadura por
arco, este es un proceso en el cual el calor es aportado por un arco eléctrico
generado entre uno o más electrodos y la pieza de
trabajo.
El arco eléctrico mencionado está sumergido en una
capa de fundente granulado que lo cubre totalmente protegiendo el metal
depositado durante la soldadura. De aquí el nombre del
proceso.
Una ventaja del proceso es que, estando el arco
completamente encerrado, pueden utilizarse intensidades de corriente
extremadamente elevadas sin chisporroteo o arrastre de aire. Las intensidades
elevadas producen una penetración profunda y el proceso es térmicamente
eficiente, puesto que la mayor parte del arco está bajo la superficie de la
plancha.
Es un proceso de alta dilución, en el que
aproximadamente se funde dos veces más metal base que electrodo. Corrientemente
se utilizan intensidades de 200 a 2000 Amperes, aunque en los primeros días del
proceso se emplearon intensidades hasta 5000 Amperes. En la actualidad estas
intensidades extremadamente elevadas no son utilizadas generalmente por
distintas razones, relacionadas principalmente con la metalurgia del depósito, y
se prefiere depositar el metal en capas para aprovechar la ventaja de la
normalización resultante del recalentamiento.
Un proceso de arco abierto que trabaje con
intensidades por encima de los 300 A debe utilizarse con precaución, porque el
arco es una intensa fuente de luz con elevado contenido de radiación infrarroja
y ultravioleta. En la soldadura con arco sumergido no es visible el arco y tales
precauciones son innecesarias. Por la misma causa el operario no puede ver el
baño y juzgar el avance de la soldadura; debe confiar en que el ajuste sobre la
unión permanece constante ó bien ajustar previa y cuidadosamente la trayectoria
del cabezal de soldadura con respecto a la unión.
La cantidad de polvo fundente fundido durante la
soldadura es aproximadamente la misma en peso que la de alambre fundido, y se
deja sobre el cordón de soldadura como una capa de escoria vítrea. Bajo esta
escoria el metal soldado tiene una superficie lisa, casi sin ondulaciones,
debido al alto aporte de calor que produce un baño de soldadura grande que
solidifica lentamente en contacto con la escoria relativamente fluida. Las
soldaduras obtenidas por arco sumergido son notables por su apariencia limpia y
contornos lisos. El polvo fundente no fundido durante la operación de soldadura
se recupera para utilizarlo nuevamente, pero debe tenerse cuidado que no esté
contaminado. Cuando se hace la soldadura en superficies inclinadas o cerca de
los cantos es necesario un estante ó un dispositivo similar para soportar el
fundente.
PRINCIPIO DE
FUNCIONAMIENTO
La corriente eléctrica se conduce entre el
electrodo y la pileta fundida a través de un plasma gaseoso inmerso en el
fundente.
La figura “1” nos muestra el principio de
funcionamiento de este proceso de soldadura.
La potencia la suministra un generador, un
transformador – rectificador ó un transformador y se conduce al alambre
(electrodo) a través del tubo de contacto, produciéndose el arco entre aquel y
el metal base.
El
calor del arco funde el electrodo, el fundente y parte del metal base, formando
la pileta de soldadura que conforma la junta.
En todos los equipos de este
tipo existe un mecanismo que tracciona el alambre y lo conduce a través del tubo
de contacto y de la capa de fundente hasta el metal
base.
Los alambres utilizados son
generalmente aceros de bajo carbono y de composición química perfectamente
controlada; el alambre se encuentra usualmente enrollado en una
bobina.
El fundente se va
depositando delante del arco a medida que avanza la soldadura. Cuando se
solidifica, se extrae el exceso para utilizarlo nuevamente y el fundido se
elimina mediante un piqueteado. En los equipos modernos existe una aspiradora
que absorbe el excedente de fundente y lo envía nuevamente a la tolva de
alimentación.
APLICACIÓN
La soldadura por arco
sumergido ha encontrado su principal aplicación en los aceros suaves de baja
aleación, aunque con el desarrollo de fundentes adecuados el proceso se ha usado
también para el cobre, aleaciones a base de aluminio y titanio, aceros de alta
resistencia, aceros templados y revenidos y en muchos tipos de aceros
inoxidables. También se aplica para recubrimientos duros y reconstrucción de
piezas. Es un método utilizado principalmente para soldaduras horizontales de
espesores por encima de 5mm, en los que las soldaduras sean largas y rectas.
Pueden soldarse espesores hasta doce milímetros sin preparación de bordes
mientras que con preparación de bordes el espesor máximo a unir es prácticamente
ilimitado.
El propio cabezal de
soldadura puede moverse sobre el trabajo en un vehículo autopropulsado ó en un
puente ó el trabajo se hace girar bajo el cabezal de soldadura
estacionario.
Este método es ampliamente
utilizado, tanto para soldaduras a tope como en rincón, en construcción naval e
industrias de recipientes a presión, estructuras metálicas, tubos y tanques de
almacenaje; para esta última finalidad se utilizan máquinas especiales
autopropulsadas, con un dispositivo para contener el fundente, para soldar las
costuras circulares en plaza.
SELECCIÓN DE LOS PARÁMETROS DE
SOLDADURA
La selección de condiciones de
soldadura más conveniente para el espesor de chapa y preparación de junta a
soldar es muy importante, a los efectos de lograr soldaduras libres de
defectos tales como fisuras, poros y socavación lateral.
Las variables a ser consideradas son
las siguientes:
POLARIDAD:
Con corriente continua
positiva, CC(+) se logra mayor penetración, mejor aspecto superficial y mayor
resistencia a la porosidad.
Con corriente continua
negativa, CC(+) se obtiene mayor velocidad de deposición con menor
penetración.
CORRIENTE DE
SOLDADURA:
Determina en forma directa la
penetración y la velocidad de deposición, aumentando ambas con el incremento de
corriente.
DIÁMETRO DEL
ALAMBRE:
Para una corriente dada,
aumentando el diámetro se reduce la penetración pero el arco se torna más
inestable y se dificulta su encendido.
TENSIÓN DE
ARCO
Al aumentar la tensión se
incrementan la dilución y el ancho del cordón y disminuye la sobremonta
lográndose un cordón ancho y plano. Al mismo tiempo aumenta la cantidad de
fundente que se funde con igual cantidad de alambre, lo que afecta a la
composición química del metal de soldadura en el caso se emplear fundentes
activos. Los voltajes excesivamente pequeños hacen que el arco muera
completamente bajo la superficie de la plancha, de modo que la penetración tiene
una sección transversal en forma de tulipa.
El voltaje de trabajo normal
para soldar a tope es de 35 Voltios a 1000 A.
VELOCIDAD DE
AVANCE:
Al aumentar la velocidad de
traslación del arco disminuye el ancho del cordón y la penetración,
incrementándose el riesgo de porosidad. Las velocidades excesivas se traducen en
cordones mordidos y rugosos ó picudos.
LONGITUD LIBRE DEL
ALAMBRE:
Con un incremento de la
longitud libre del alambre, se aumenta la velocidad de deposición y decrece la
penetración.
INCLINACIÓN DEL
ALAMBRE:
Tiene un efecto considerable
sobre la penetración y sobre las eventuales socavaduras.En la siguiente figura se
muestra su incidencia.
ESPESOR DE LA CAPA DE
FUNDENTE:
Una cama de fundente de poco
espesor puede producir porosidad por una inadecuada protección del metal
fundido. Por otro lado, una cama muy gruesa desmejora el aspecto del cordón y
pude conducir a derrames del metal fundido en soldaduras circunsferenciales y
producir dificultades para la remoción de la escoria en chaflanes
profundos.
ALAMBRE PARA
ELECTRODO
El alambre para soldadura por
arco sumergido se emplea en forma de bobinas y esté cobreado; esto evita la
oxidación superficial en el almacenaje y proporciona seguridad en el contacto
eléctrico; con poca resistencia entre el alambre de soldar y los contactos de
cobre a través de los cuales se conduce la corriente. El diámetro del hilo
utilizado depende fundamentalmente de la intensidad de corriente de soldadura
necesaria y puede situarse entre 5mm de diámetro, para corriente de 150 A, a
10mm de diámetro, para una corriente de 3000 A.
El cordón de soldadura es
ligeramente más estrecho con un alambre delgado que con un alambre grueso con la
misma intensidad de corriente, pero el efecto principal del tamaño del alambre
reside en su penetración.
La composición de los
alambres para soldadura por arco sumergido depende del material que se suelda,
puesto que los elementos aleados se añaden generalmente al alambre y no al
fundente. En este proceso las variaciones en la técnica pueden alterar las
relaciones de las cantidades fundidas de plancha alambre y fundente. Cuando se
utilizan alambres altamente aleados, por ejemplo, aceros inoxidables, pude ser
necesario añadir compuestos de los elementos aleantes al fundente, para
disminuir las reacciones metal-escoria que pueden traducirse en pérdidas de los
elementos aleantes hacia la escoria.
FUNDENTES
Los fundentes para la
soldadura por arco sumergido están granulados a un tamaño controlado y pueden
ser de tipo fundido, aglomerado ó sinterizado.
Originalmente se utilizaban
fundentes fundidos, machacados y calibrados; atribuyéndoseles las ventajas de
estar totalmente libres de humedad y no ser higroscópicos. Tanto la composición
química como el estado de división de los fundentes tienen una importante
influencia sobre la forma de comportarse en la
soldadura.
Los fundentes aglomerados se
hacen mezclando los constituyentes, finamente pulverizados, con una solución
acuosa de un aglomerante tal como silicato sódico; la finalidad es producir
partículas de unos pocos milímetros de diámetro formados por una masa de
partículas más finas de los componentes minerales. Después de la aglomeración el
fundente se seca a temperatura de hasta
800 oC.
Los fundentes sinterizados se
hacen calentando pellets componentes pulverizados a temperaturas justo por
debajo del punto de fusión de algunos de los componentes. Las temperaturas
alcanzadas durante la fabricación limitan los componentes de los fundentes. Para
fundir un fundente las temperaturas deben ser tan altas que los carbonatos y
muchos otros minerales se descomponen, por lo cual los fundentes básicos que
llevan carbonatos deben hacerse por alguno de los otros procedimientos, tales
como aglomeración.
Se ha sabido durante años que
la baja tenacidad se favorece con el uso de fundentes ácidos y que los fundentes
de elevado contenido en silicio tienden a comunicar oxígeno al metal soldado.
Inversamente los fundentes básicos dan un metal soldado limpio, con poca pocas
inclusiones no metálicas, y, consecuentemente, de elevada
tenacidad.
Tanto la composición del
fundente como su estado de división influyen en el control de la porosidad. El
proceso de arco sumergido es generalmente más susceptible a la porosidad causada
por superficies herrumbrosas y sucias que el proceso de arco abierto. Ello es
debido a que con el proceso de arco abierto el vapor de agua y los productos
gaseosos, que abandonan la plancha por el calor de la soldadura, pueden escapar;
mientras que en el arco sumergido tienden a ser retenidos bajo el cojín de
fundente. Por esta razón es por lo que fundentes que tienen la mayor tolerancia
a la oxidación y suciedad son también los que tienen mayor permeabilidad,
lograda usando un grado grueso de gran regularidad. Sin embargo, cuando es
necesario soldar utilizando intensidades elevadas se requiere un fundente que
cubra más estrechamente, para dar un buen cierre al arco; esto se logra
utilizando un tamaño de partículas lo más fino posible y una mayor variedad en
tamaños, para aumentar el cierre de recubrimiento.
MATERIALES UTILIZADOS COMO
COMPONENTES DE LOS FUNDENTES
|
MINERAL
|
FÓRMULA
|
Calcita
|
CaCO3
|
Cordindón
|
Al2O3
|
Criolita
|
Na3AlF6
|
Dolomita
|
CaMg(CO3)2
|
Ferosilicio
|
FeSi2
|
Fluorita
|
CaF2
|
Hausmanita
|
Mn3O4
|
Hierro
|
Fe
|
Óxido
cálcico
|
CaO
|
Magnesita
|
MgCO3
|
Periclasa
|
MgO
|
Cuarzo
|
SiO2
|
Rhodenita
|
MnSiO3
|
Rutilo
|
TiO2
|
Wellastonita
|
CaSiO3
|
Zircón
|
ZrSiO4
|
Zirconia
|
ZrO2
|
DEFECTOS EN LAS SOLDADURAS POR ARCO
SUMERGIDO
POROSIDAD
Es n defecto bastante común y se debe
a varios factores. A veces aparece en forma visible, como “pinchaduras” en la
superficie del cordón y otras en forma no visible, por debajo de la superficie, revelado por rayos X ó ultrasonido.
Las principales causas
son:
Contaminación de la junta con pintura, grasa,
aceite, óxidos hidratados, etc.. Estos materiales se descomponen a las elevadas
temperaturas del arco produciendo gases.
Fundente húmedo. Es buena práctica resecar los
fundentes antes de su empleo y almacenarlos en un ambiente calefaccionado. Los
fabricantes proveen indicaciones al respecto.
Si la unidad recuperadora es accionada por aire
comprimido, éste deberá ser secado previamente.
FISURACIÓN POR
HIDRÓGENO
Algunos aceros son más susceptibles que
otros a la fisuración en frío, pero afortunadamente las soldaduras por arco
sumergido no poseen tendencia particular a este defecto. Si el acero es
templable y el fundente está húmedo, entonces sí pueden aparecer fisuras en
frío. Este problema se evita manipulando correctamente el fundente y respetando
las temperaturas de precalentamiento, interpasadas y de postcalentamiento en los
casos en que ello sea necesario.
FISURAS DE
SOLIDIFICACIÓN
La fisuración en caliente
suele ser un problema causado por el gran tamaño de la pileta líquida debido a
grandes corrientes de soldadura combinado con elevadas velocidades de avance.
Esto origina cordones estrechos y profundos que son muy proclives a las fisuras
longitudinales en caliente; figura siguiente.
El problema se agravará ante
la presencia de P, S, C .
Si se presume la presencia de estos elementos en el
metal base en cantidades mayores que lo normal, debe minimizarse la dilución
además de lograr cordones con un perfil adecuado.
Factor de forma en cordones
realizados por el proceso de arco sumergido.
VENTAJAS Y DESVENTAJAS DEL
PROCESO
El arco sumergido, respecto de los
otros procesos de soldadura, ofrece las siguientes
ventajas:
Las juntas pueden ser
preparadas en “V” con poca profundidad debido a la elevada penetración del
proceso, obteniéndose con esto un menor consumo de alambre y
fundente.
Los procesos de soldadura
pueden realizarse a altas velocidades debido a la elevada intensidad con que se
opera en la mayoría de las aplicaciones.
No es necesario proteger al
operador de la máquina de la emisión de radiación, ya que el arco se encuentra
sumergido en el fundente, evitándose además las salpicaduras del metal
fundido.
El fundente actúa como un
desoxidante protegiendo el arco y aportando elementos de aleación al cordón en
el caso de emplear fundentes aleados.
Muchas soldaduras requieren algún tipo
de respaldo para evitar la perforación del metal base.
Este proceso conlleva un tiempo de
preparación mayor previa mayor que otros.
Con este sistema generalmente se
sueldan piezas a partir de los 5 mm de espesor.
La posición de soldadura está
restringida a plana y horizontal.
SOLDADURA POR HAZ DE
ELECTRONES
La soldadura por haz de
electrones es un proceso de soldadura de fusión, que se logra mediante el
contacto de la pieza a soldar con un haz de electrones de alta densidad
energética. El haz de electrones es de pequeño diámetro y elevada intensidad
energética, lo cual permite atravesar grandes espesores de material (hasta 65
milímetros de una sola pasada aproximadamente). El principio de soldadura se
puede explicar mediante el efecto keyhole (también denominado como ojo de
cerradura).
Características de la
soldadura por haz de electrones
Capacidad para
hacer soldaduras profundas y con cordones de soldadura estrechos en una sola
pasada.
Soldadura casi
uniforme y limpia, debido a que se realiza en un ambiente de vacío, lo cual
evita la formación de óxidos y nitruros.
Cantidad
reducida de calor transmitida a la pieza, por lo que su microestructura se ve
menos alterada que mediante otros procedimientos.
No se necesita
metal de aportación.
Las velocidades
de soldadura son muy elevadas (hasta 2000 mm/min).
Permitir la
unión de una gran diversidad de materiales e incluso de multitud de materiales
distintos entre sí.
El coste de los
equipos es elevado.
Genera rayos X,
lo que requiere extremar las precauciones.
El proceso de soldadura
mediante haz de electrones se efectúa en una cámara de vacío. Encima de dicha
cámara se encuentra una pistola de electrones. Las piezas a soldar se colocan en
un manipulador motorizado dentro de la cámara de vacío produciendo así
soldaduras axiales o lineales. La pistola de haz de electrones, consta de
un cátodo y un ánodo entre los que se genera una diferencia de potencial y se
induce el paso de corriente. Debajo del ánodo, hay una lente magnética, para
dirigir el haz de electrones hacia la zona de soldadura.
Cámara de vacío
La forma
más usual de la cámara de trabajo es la cúbica, ya que se puede trabajar con
piezas de diferente forma, aunque para piezas específicas como tubulares se
puede diseñar una cámara de trabajo con forma cilíndrica. La cámara de trabajo
se ha de diseñar conforme a la pieza a trabajar. Para generar la presión de
trabajo en su interior se emplean diferentes tipo de bombas de vacío: rotativas,
difusoras y turbomoleculares.
Pistola de haz de electrones
En la pistola
de electrones se encuentra el cátodo, formado por una banda de Wolframio, por la
cual fluye una fuerte corriente alcanzando grandes temperaturas (2500 °C) que
emitirá una corriente de electrones. Por debajo de la pistola se encuentra un
anillo ánodo que acelera los electrones hasta un 50-70% la velocidad de la
luz.
La pistola se conecta a un sistema de potencia, el cual genera la
diferencia de potencial necesaria entre cátodo y ánodo. Estos sistemas se pueden
clasificar en dos tipos: Equipos de baja tensión (15-60kV) y Equipos de alta
tensión (100-200kV).
En función del grado de vacío
que existe en la cámara donde se realiza el proceso, el soldeo por haz de
electrones se clasifica en:
Soldeo de alto vacío
El vacío practicado en la
cámara es del orden de 0,13-13 MPa.
Es un procedimiento idóneo
para:
Conseguir
uniones y zonas afectadas por la temperatura de reducidas
dimensiones.
Soldeo de
metales reactivos con el oxígeno y nitrógeno, al trabajar a
vacío.
Soldeo de
metales de gran espesor, debido a su gran poder de
penetración.
Las limitaciones del proceso
son:
La limitación
del tamaño de la pieza a soldar, pues la cámara de vacío tiene un espacio útil
reducido.La baja
producción, ya que requiere altos tiempos de bombeo para alcanzar el
vacío.
Soldeo de medio vacío
El
vacío practicado en la cámara es del orden de 0,13-3300 Pa.
Las principales
ventajas de este proceso son:
La productividad
es mayor al reducirse el tiempo de bombeo.
El equipo es más
barato, al no ser necesaria una bomba difusora (imprescindible para obtener el
alto vacío).
Las limitaciones más
importantes del proceso son:
La alta
concentración de aire en la cámara aumenta la divergencia del haz de electrones
y en Consecuencia la soldadura presenta cordones más anchos y de menor
espesor.
Soldeo atmosférico
No se
practica vacío en la cámara de soldadura, pero el cañón debe trabajar a un vacío
de 13 MPa como mínimo. En este proceso la protección de la pieza se realiza con
un chorro de gas inerte.
Las ventajas de este proceso
son:
Es la soldadura
de mayor productividad, al no ser necesario esperar a que se alcancen las
condiciones de vacío.
No existen
tantas limitaciones en relación al tamaño de la pieza.
Las limitaciones del proceso
son:
La divergencia
del haz de electrones como consecuencia de la mayor concentración de aire da
lugar a cordones considerablemente más anchos y menos profundos que los
obtenidos con los otros procesos.
Aceros al
carbono y aleados.
Metales
refractarios (W,Mo,Nb).
Cobre y sus
aleaciones.
Aleaciones
de Magnesio.
leaciones
de Titanio.
Berilio.
Zirconio.
Industria
aeroespacial.
Industria
automotriz: soldadura de engranes y turbocompresor.
Construcción e
ingeniería: válvulas, sierras, tanques blindados...
Industria
energética: calderas nucleares, recipientes para desechos nucleares, turbinas de
vapor...
SOLDADURA ELÉCTRICA POR
RESISTENCIA
La
soldadura por puntos es
un método de soldadura por
resistencia que se basa en presión y
temperatura,
en el que se calienta una parte de las piezas a soldar por corriente
eléctrica a
temperaturas
próximas
a la fusión y se ejerce una presión entre las mismas. Generalmente se destina a
la soldadura de
chapas o
láminas metálicas, aplicable normalmente entre 0,5mm y 3mm de
espesor.
El soldeo por puntos es el
más común y simple de los procedimientos de soldadura por resistencia.
Los
materiales bases se deben
disponer solapados entre electrodos, que se encargan de aplicar
secuencialmente
la presión y la corriente
correspondiente al ciclo produciendo uno o varios puntos de
soldadura.
Características del
proceso
Es
un tipo de soldadura que se cataloga por soldadura sin fusión del metal base a
soldar, se considera un
proceso
en el cual los electrodos utilizados no son consumibles, además no se necesita
material de aporte
para
que se produzca la unión entre las dos piezas, se considera un tipo de soldadura
rápida, limpia y fuerte.
El material utilizado de los
electrodos es una aleación de cobre con Cd, Cr, Be, W con objeto de
que
presente una baja resistencia
y una elevada oposición a la deformación bajo una presión estando su
dureza
comprendida entre 130 y 160
HB.
También este tipo de
soldadura necesita de un transformador donde la bobina secundaria suministra
un
voltaje a los electrodos de
1V a 10V y una gran corriente, debido a que generalmente la resistencia de
las
piezas a soldar es muy baja
por tanto la corriente que debe pasar por la zona a soldar debe de ser del
orden
de los 500
amperios.
Proceso de
soldadurEl principio de
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 miemos la resistencia es
mayor
que en el resto de sus
cuerpos, se genera el aumento de la temperatura en juntura, Efecto Joule (Q =
I^2 Rt).
Donde:
Q =
Cantidad de calor generado (J)
I =
Intensidad de la corriente de la soldadura (A)
R =
Resistencia eléctrica de la unión a soldar (Ω)
t =
Tiempo durante el cual circula la corriente
(s)
|
Aprovechando esta energía y
con una determinada presión se logra la unión. Solamente se
obtienen
soldaduras uniformes si las
chapas a soldar están limpias, los óxidos superficiales son causa de variaciones
en
el tamaño y resistencia de
los puntos de soldadura. Esto es especialmente cierto en el aluminio. La
presencia
de óxidos o suciedad puede
aumentar diez veces o más la resistencia total entre los puntos de los
electrodos.
La soldadura por resistencia
es aplicable a casi todos los metales, excepto, zinc y plomo. Junto con
la
soldadura MIG-MAG son los dos
procesos de soldadura en los cuales existe un mayor nivel de
automatización
robotizada.
Para este tipo de soldadura
se deben de tener en cuenta varios parámetros
regulables:
1. Intensidad-tiempo de
soldadura
2. Resistencia eléctrica
de la union
3. Presión de
apriete
4. Geometría de los
electrodos
La intensidad es el factor
más influyente en el calentamiento final. Para una soldadura rápida se necesita
más
intensidad y menos tiempo y
viceversa. El parámetro correspondiente a la resistencia eléctrica de la unión,
es
un parámetro a tener en
cuenta pues influye directamente en la cantidad de calor generado en la
soldadura. A
mayor conductividad
eléctrica menor resistencia al paso de la corriente (Aumento de la intensidad).
Los
factores que influyen en la
resistencia eléctrica son:
La
temperatura, cuyo aumento provoca una disminución de la
resistencia.
La fuerza
aplicada a los electrodos, que al aumentar la presión a las piezas a unir,
provoca la disminución de las resistencias de contacto.
El estado
superficial de las superficies a unir, su limpieza y la eliminación de
rugosidades ocasión menores resistencias de contacto.
El estado de
conservación de los electrodos, cuyo desgaste y deterioro provoca el aumento
de las resistencias de contacto con las piezas a unir.
La presión
de apriete, también se considera un parámetro muy importante ha tener en
cuenta.
|
Al inicio de la soldadura la
presión debe de ser baja, con una resistencia de contacto elevada y
calentamient0
inicial con intensidad
moderada. Esta presión debe de ser suficiente para que las chapas a unir tengan
un
contacto adecuado y se
acoplen entre si. Iniciada la fusión del punto de la resistencia de contacto es
lazona
delimitada por los
electrodos, la presión debe de ser alta para expulsar los gases incluidos y
llevar la forja del
punto.
Las presiones excesivamente
bajas son consecuencia de una forja deficiente además de altas resistencias
de
contacto produciendo
salpicaduras, proyecciones, cráteres y pegaduras. Por el contrario, una
presión
excesivamente alta puede
producir una expulsión del metal fundido y una disminución de la
resistencia,
además de esto también puede
producir, una baja resistencia de contacto, huellas profundas en la
chapa,
partículas de material del
electrodo desprendidas y una deformación plástica de los
electrodos.
Los elementos que componen
una maquina de soldadura por puntos son los siguientes:
Sistema de
puesta bajo presión de las piezas a unir.
Transformador
eléctrico generador de intensidad.
Sistema de paro
o temporizador.
Los electrodos utilizados en
soldadura por puntos puede variar en gran medida dependiendo de la
aplicación
que vallamos a realizar, cada
tipo de electrodo tiene una función diferente.
Electrodos de
radio se utilizan para aplicaciones de alta temperatura.
Electrodos
excéntricos se utilizan para soldar esquinas, o para llegar a rincones y
espacios pequeños.
También hay
electrones para poder acceder al interior de la pieza a
soldar
Fases de las soldaduras
por puntos
Colocación de las chapas a soldar entre las
pinzas.
2. Bajada de los electrodos, que
corresponde al tiempo que transcurre desde la operación de
acercamiento de los
electrodos hasta que comienza el paso de la corriente
3. Tiempo de soldadura, que consiste
en el tiempo durante el cual esta pasando la corriente
4.
Tiempo de forja, es el tiempo transcurrido entre el
corte de la corriente y el levantamiento de los
electrodos.
5. Tiempo de enfriamiento, consiste
en la desaparición de la presión además de los
electrodos.
Efectos en los
materiales
El proceso de soldadura por
puntos tiende a endurecer el material, hacer que se deforme, reducir
la
resistencia a la fatiga del
material, y puede estirar el material. Los efectos físicos de la soldadura por
puntos
puede crear fisuras internas
y grietas en la superficie. Las propiedades químicas afectadas son la
resistencia
interna del metal y sus
propiedades corrosivas.
La soldabilidad de los
metales y aleaciones depende de su resistencia eléctrica. De acuerdo con este
criterio,
los diversos materiales
pueden agruparse en dos tipos:
- De elevada resistencia eléctrica
y baja conductividad térmica, como los aceros, que se sueldan con
intensidades relativamente
pequeñas y tiempos de paso largos.
- <!--[endif]-->De baja
resistividad eléctrica y elevada conductividad térmica, tales como el aluminio y
sus aleaciones y
las aleaciones de cobre que
se sueldan con altas intensidades y tiempos muy cortos.
Los aceros suaves se sueldan
fácilmente, al igual que los de bajo contenido en elementos especiales.
Los
aceros de temple son
soldables, pero precisan un recocido después de soldar debido a que por el
rápido
enfriamiento la soldadura se
vuelve frágil. Este recocido se realiza automáticamente en algunas máquinas
de
soldar.
Los aceros
inoxidables al cromo-níquel se sueldan muy bien con una corriente moderada,
fuerte presión y un
tiempo de soldadura corto y
preciso. El níquel y sus aleaciones se sueldan fácilmente con una intensidad
muy
elevada.
El aluminio, el magnesio y
sus aleaciones pueden soldarse a condición de que se emplee una corriente
muy
intensa durante un tiempo muy
corto y se controle rigurosamente la cantidad de energía
suministrada.
El latón se suelda más
fácilmente que el aluminio aplicando una corriente elevada durante un tiempo
corto. El
zinc y sus aleaciones son
delicadas de soldar por su baja temperatura de fusión. El cobre es imposible
de
soldar con cobre. En mejor de
los casos, la soldadura es muy mala. Las aleaciones rojas y los
bronces
fósforos se sueldan
mejor.
Los metales y las aleaciones
de distinta naturaleza son soldables por puntos si forman una aleación y
sus
temperaturas de fusión no son
muy diferentes.
Soldadura por puntos
mediante robot
Estamos ante
brazos robots manejados mediante ordenador, en la punta del brazo se les añade
un sistema de
soldadura por puntos, o
cualquier otro que queramos utilizar, dependiendo de nuestro producto a
soldar.
estos brazos ofrecen máxima
precisión y alta velocidad, así como la posibilidad de instalarlos en una línea
de
montaje con una función
programada.
La soldadura por puntos, se
utiliza para cualquier tipo de chapa, pero la más importante se encuentra en
la
del automóvil. La soldadura
por puntos también se utiliza en la ciencia de la ortodoncia, donde el
equipo
utilizado es un soldador por
puntos pero pequeña escala ya que cambia el tamaño de metal. Otra
aplicación
es la unión por correas en la
soldadura de pilas.