Procesos De Soldadura
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PROCESOS DE SOLDADURA
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PROCESOS DE SOLDADURA
LEOBARDO ARRIAGA SEGUNDO CÉSAR BERNACHE GONZÁLEZ LUIS GABRIEL ZARATE ORDOÑO
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I NSTITUTO P OLITÉCNICO N ACIONAL —M É X I C O —
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Procesos de soldadura Leobardo Arriaga Segundo César Bernache González Luis Gabriel Zarate Ordoño PRIMERA EDICIÓN: 2008 D.R. © 2008 Instituto Politécnico Nacional Luis Enrique Erro s/n, Unidad Profesional "Adolfo López Mateos" Col. Zacatenco, 07738, México DF Dirección de Publicaciones Tresguerras 27, Col. Centro Histórico 06040, México, DF http://www.publicaciones.ipn.mx ISBN: 978-970-36-0453-1 FIPN: 2008-119
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ÍNDICE
INTRODUCCIÓN............................................................................................................9 CAPÍTULO 1 IMPORTANCIA DE LOS PROCESOS DE SOLDADURA 1.1 Antecedentes históricos de la soldadura.....................................................13 1.2 Tipos de juntas (uniones) y preparaciones en soldadura .............................16 1.3 Clasificación de los procesos de soldadura ................................................19 1.4 Simbología básica de la soldadura ..............................................................35 1.5 Aplicaciones de las soldaduras industriales ...............................................42 CAPÍTULO 2 PROCESOS MÁS COMUNES DE SOLDADURA Y CORTE DE METALES
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2.1 Proceso de soldadura con arco metálico protegido (SMAW) y proceso de corte con arco metálico (MAC) ...............................................51 2.2 Proceso de ranurado de metales con arco de carbón y aire (AAC)......................................................................................73 2.3 Proceso de soldadura por arco metálico con protección degas(GMAW) ..............................................................................................79 2.4 Proceso de soldadura por arco de tungsteno y gas (GTAW) ......................96 2.5 Proceso de soldadura con electrodo de núcleo de fundente (FCAW) .......................................................................113 2.6 Proceso de soldadura por arco sumergido (SAW).....................................123 2.7 Proceso de corte de metales con arco de plasma (PAC) .........................132 2.8 Proceso de corte y biselado con oxiacetileno (OAC).................................136
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PROCESOS DE SOLDADURA
CAPITULO 3 MÉTODOS NO DESTRUCTIVOS APLICADOS EN SOLDADURA 3.1 Clasificación de los métodos de inspección y ensayo de materiales aplicados a soldaduras ............................................................ 149 Inspección visual (VT) ................................................................................. 169 3.2 Inspección por líquidos penetrantes (PT) ...................................................182 3.3 Inspección por partículas magnéticas (MT)................................................ 193 3.4 Inspección por ultrasonido (UT) ................................................................. 193 3.5 Inspección por radiografía (RT).................................................................. 202 CAPÍTULO 4 MÉTODOS DESTRUCTIVOS APLICADOS EN SOLDADURA 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5
Ensayo de tensión .......................................................................................215 Ensayo de compresión................................................................................220 Ensayo de doblez ........................................................................................223 Ensayo de impacto......................................................................................234 Ensayo de dureza ........................................................................................243
CONCLUSIONES....................................................................................................... 249
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GLOSARIO ..............................................................................................................251 BIBLIOGRAFÍA .........................................................................................................269
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INTRODUCCIÓN
La soldadura como proceso de manufactura en la unión de metales, tanto ferrosos como no ferrosos, ocupa a nivel nacional e internacional un lugar muy importante en la industria de la construcción, en la ferroviaria, en la de transporte, en la metalmecánica, etcétera. Sin embargo, no se ha reconocido su gran importancia en nuestro país debido a que el nivel académico al que puede aspirar un estudiante de esta especialidad es técnico, aunque con cursos de especialización puede llegar a ser inspector en diferentes niveles en el área de la soldadura, para lo cual requiere de muchas horas de entrenamiento comprobable y demostrado en exámenes de conocimientos teóricos, técnicos y de destreza, así como en el manejo de diferentes códigos, normas y especificaciones. Este libro pretende abarcar dicha especialidad de una manera sencilla y agradable para que despierte en el lector el entusiasmo y la curiosidad por esta rama de la ingeniería, si es que no tiene la experiencia, o bien, para que aquellos que ya conocen la materia, profundicen aún más en los temas.
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En el primer capítulo se desarrolla un panorama amplio de los procesos de soldadura, se proporciona su clasificación según la Sociedad Americana de Soldaduras (AWS), las distintas aplicaciones de los mismos y el empleo de la simbología. El segundo capítulo trata de los distintos procesos de soldadura por arco, de mayor aplicación en la industria de nuestro país, como el proceso de arco metálico protegido (SMAW), el de arco metálico y gas (GMAW), el de arco de tungsteno y gas (GTAW), el de arco con núcleo de fundente (FCAW), el cual ha tomado en los últimos años una gran aplicación por su productividad, y la soldadura por arco sumergido (SAW). Esta última no debe confundirse con la soldadura hiperbárica, que se aplica debajo del agua. Asimismo se hace referencia a los procesos de corte y ranurado de metales más frecuentes ya que, cuando se pretende unir espesores considerables, es muy común que dichos procesos nos sirvan para 9
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PROCESOS DE SOLDADURA
preparar la junta o unión que deberá ser soldada. Entre ellos se menciona el proceso de corte con arco metálico (MAC), corte con oxiacetileno (OAC) que, con algunas variantes, se aplica para soldar como en el caso de la soldadura por oxiacetileno (OAW), corte y ranurado con arco de carbón y aire (AAC), y el plasma, con aplicación de corte de metales (PAC), entre otros, ya que existe una gran diversidad de métodos para corte de metales, desde los abrasivos, los ya mencionados y hasta el láser. Los capítulos tercero y cuarto están dedicados a analizar la calidad de las soldaduras donde se emplean estos métodos para comprobar la resistencia de los materiales. Los clasificamos en métodos de ensaye o destructivos, en los que destaca la tracción, la dureza, el impacto y el doblez; métodos de inspección o no destructivos, como son los líquidos penetrantes, las partículas magnéticas, el ultrasonido, la radiografía y la inspección visual; todo ello con base en las especificaciones y procedimientos descritos por ASME, API, ASNT, AWS, etc. Por último, se anexa un glosario de términos y definiciones propias del área de la soldadura. Esperamos que el presente libro sea de gran utilidad y agrado sobre este inmenso y apasionante mundo de la soldadura.
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Los autores
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CAPÍTULO
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IMPORTANCIA DE LOS PROCESOS DE SOLDADURA
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1.1 ANTECEDENTES HISTÓRICOS DE LA SOLDADURA DE METALES
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Hace aproximadamente 2500 años, un herrero griego de nombre Glaukos, que vivía en la ciudad de Khros, inventó la forma de soldar el hierro. Con el procedimiento de este herrero se calentaban las piezas de hierro en un horno o forja hasta que se ablandaba el metal, después, valiéndose del martilleo, se fusionaban hasta convertirlas en una unidad. La práctica de la soldadura por forjado continuó casi sin sufrir cambio alguno hasta hace alrededor de 80 años, cuando la invención de los modernos procedimientos de soldadura dio paso a medios de eficiencia creciente para unir placas o perfiles metálicos, piezas fundidas, piezas forjadas o piezas forjadas a piezas fundidas (véase figura 1).
FIGURA 1. Soldadura por forja 13
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PROCESOS DE SOLDADURA
La primera en desarrollarse fue la soldadura de arco, a la que siguió rápidamente la soldadura oxiacetilénica. Estos primeros procedimientos de soldadura se utilizaron primordialmente para reparar partes metálicas dañadas o desgastadas. La soldadura moderna de los metales, al igual que la soldadura antigua por forjado, logra la unión de los metales por fusión. Sin embargo, con el desarrollo de la tecnología de la soldadura y el mejoramiento de los métodos de prueba, se observó que podía lograrse una fusión completa y permanente entre dos o más metales, y que el área soldada tenía mayor resistencia que cualquiera de las piezas que había unido. Utilizando la técnica y los materiales correctos, casi cualesquiera dos piezas de metal pueden fundirse para formar una sola unidad. El traslapado de las piezas por unir no es necesario y el espesor de la soldadura no necesita ser mayor que el espesor de cualesquiera de los miembros soldados.
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Todos los metales son soldables siempre que se aplique el procedimiento y la técnica adecuados. En ocasiones fracasa el intento de soldar metales porque se pasa por alto uno de estos dos factores, ya sea el procedimiento correcto o la técnica adecuada. Si el ingeniero y el soldador comprenden la composición, la estructura y las propiedades de un metal, estarán en posibilidad de diseñar y hacer mejores soldaduras. Esto pone de relieve la estrecha relación que existe entre la metalurgia de un metal y su soldabilidad o calidad para dejarse soldar. En los comienzos del siglo xx se popularizó otro método para unir metales: la soldadura por vaciado. Este método se utilizaba para reparar piezas fundidas que tenían grietas o defectos. Para hacer las piezas se vaciaba el metal fundido en un molde y se dejaba enfriar con lentitud para que adoptara su forma. Cuando se encontraba una pieza con grietas o defectos, se formaba un molde más pequeño alrededor de la zona defectuosa y se vaciaba hierro fundido sobre los bordes de la falla, una y otra vez hasta que se moldeaban los bordes. Después se cerraba el molde y se dejaba que el hierro enfriara y solidificara. Esta forma de soldar es una operación de vaciado (colado) en miniatura y de ahí su nombre de soldadura por vaciado debido a que el metal fundido que se vaciaba sobre la falla, en un momento dado fundía las superficies y bordes con que hacía contacto. A este proceso se le puede catalogar como el primer proceso de soldadura por fusión. Ni la forja ni la soldadura por vaciado resultaron muy prácticos. Las piezas grandes de metal no se podían soldar en la forja y, a menudo, las uniones o soldaduras no eran fuertes ni duraderas. Aproximadamente en la misma época en que se empezó a emplear la soldadura por vaciado, se perfeccionó un método para soldadura por fusión, con el cual se lograba una unión permanente que era tan fuerte o más que el metal base. La tecnología y la ciencia de la soldadura han avanzado
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IMPORTANCIA DE LOS PROCESOS DE SOLDADURA
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con tal rapidez en los últimos años, que sería casi imposible enumerar todos los métodos diferentes de soldadura que se emplean en la actualidad: La soldadura de arco manual o MMA (por sus siglas en inglés), es también conocida como soldadura de electrodo cubierto, soldadura de varilla o soldadura de arco eléctrico. Es la más antigua y versátil de todos los procesos de soldadura de arco. Un arco eléctrico es mantenido entre la punta de un electrodo cubierto (coated electrode) y la pieza a trabajar. Las gotas de metal derretido son transferidas a través del arco y son convertidas en un cordón de soldadura, un escudo protector de gases producido por la descomposición del material fundente, que cubre el electrodo. El fundente también puede proveer algunos complementos a la aleación: la escoria derretida se escurre sobre el cordón de soldadura donde protege el metal soldado aislándolo de la atmósfera durante la solidificación, esta escoria también ayuda a darle forma al cordón de soldadura, especialmente en la soldadura vertical y cuando se hace sobre la cabeza. La escoria debe ser removida después de cada procedimiento.
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Osear Kjellberg fue el inventor del electrodo cubierto y con éste, de la soldadura de arco: en 1904 entregó en la oficina de patentes de Suecia una nota escrita a mano en la que describía su invención única. Desde entonces, cientos de variedades de electrodos son producidos, a veces contienen aleaciones para el trabajo estructural metálico o fuerza y ductilidad para la soldadura. Las labores más ligeras son efectuadas usando potencia ac (corriente alterna) por el bajo costo de los transformadores que la producen, el trabajo de alta producción industrial usualmente requiere de fuentes de (corriente directa), más poderosas y grandes rectificadores, para darle la polaridad exacta al proceso. El proceso es mayormente usado para soldar aleaciones ferríticas en trabajos metálicos estructurales, fabricación de barcos e industrias en general. A pesar de lo relativamente lento del proceso, por el recambio de electrodos y la remoción de la escoria, se mantiene como una de las técnicas más flexibles, además sus ventajas en áreas de acceso restringido son notables. La Sociedad Americana de Soldadura (The American Welding Society, por sus siglas en inglés AWS) ha establecido una serie de códigos de identificación y clasificación para los productos que las fábricas medianas y grandes de electrodos producen para abastecer el mercado. Estos códigos se han convertido en la referencia mas comúnmente usada en Latinoamérica por su fácil reconocimiento y manejo, y aunque algunos fabricantes nombran sus productos con sus propios nombres comerciales, los usuarios, en su mayoría, prefieren llamarlos por el código de identificación de la AWS. Otras agencias, especializadas en áreas específicas, han establecido sus códigos para identificar sus productos, como algunas agencias que regulan los productos de uso militar, Militar "MIL", entre ellas La Sociedad Americana de Ingenieros Mecánicos (American Society of Mecanical Engineer, ASME), el Despacho Americano de Constructores de Barcos (American Bureau of Shipping, ABS), el Despacho Canadiense de Soldadura (Cannadian Bureau of Welding, CBW), sólo por nombrar los más grandes. Los electrodos, en particular, tienen su propio código en todas las agencias que los clasifican, los separan de los demás productos y los hacen identificables, de manera
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específica, los códigos que AWS emplea y que se han convertido en la referencia más común y popular para clasificarlos en Latinoamérica, son el American Nacional Standards Institute y American Welding Society (ANSI/AWS). Para los electrodos de acero dulce o de relleno ANSI/AWS A5.1 y ANSI/AWS A5.5 para los electrodos de aleación de acero (alto contenido de carbón). Muchos los identifican separándolos erróneamente como electrodos de bajo hidrógeno y electrodos de alto hidrógeno respectivamente, pero algunas variaciones de los electrodos en ambas clasificaciones contienen en sus fundentes altas o bajas cantidades de hidrógeno que los excluye de esa referencia.1 Otra referencia de clasificación de electrodos y materiales de aporte es la sección II partes B y C del Código ASME.
1.2 TIPOS DE JUNTAS (UNIONES) Y DE PREPARACIONES EN SOLDADURA
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Se llama junta o unión a la forma en que las piezas a soldar quedarán unidas por algún método. Las juntas o uniones básicas en las que se puede efectuar una soldadura con el proceso adecuado se presentan en la figura 2.
FIGURA 2. Diseños básicos de uniones o juntas Fuente: www.dr.weld.com
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IMPORTANCIA DE LOS PROCESOS DE SOLDADURA
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En la figura 3 se presentan siete preparaciones básicas en una junta de ranura o tope.
FIGURA 3. Siete soldaduras básicas de soldadura de ranura En la figura 4 se presentan algunas uniones típicas de soldadura en diferentes juntas, algunas con preparaciones. Se le llama preparación al desbaste u omisión de material base que se hace por medio de métodos de corte, ranurado o abrasivo en la(s) pieza(s) que se desea(n) unir, esto con el propósito de lograr una penetración completa y homogénea en la soldadura, principalmente cuando los materiales base son de un espesor considerable (mayor a % de pulgada).
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PROCESOS DE SOLDADURA
Single-sided CJP weld with steel backing Back-gouged double-sided CJP weld
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Prequalified AWS D1.1 joint detail B-L1-S (used with permission of the American Welding Society)
FIGURA 4. Preparaciones-uniones típicas de soldadura
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IMPORTANCIA DE LOS PROCESOS DE SOLDADURA
1.3 CLASIFICACIÓN DE LOS PROCESOS DE SOLDADURA Existen diferentes procesos de soldadura los cuales forzosamente estarán dentro de las tres técnicas básicas*. En las figuras 5, 6, y 7 se observan las posiciones en las cuales se puede aplicar la soldadura en junta de ranura (placas), en unión de filete (placas) y con tubos ya que la AWS designa con letras y números la posición y tipo de junta que se desea soldar (ANSI/AWS A3.0). Posición horizontal 2G
Posición plana 1G
Posición vertical 3G
Placas y eje de Placas verticales y eje de soldadura horizontales soldadura horizontal
Posición sobrecabeza 4G
Placas verticales y eje de soldadura
Placas y eje de soldadura horizontales
FIGURA 5. Posiciones para soldadura de ranura: placas Posición horizontal 2F Eje de
Posición plana 1F
soldadura horizontal
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Eje de soldadura horizontal
Posición vertical 3F
Posición sobrecabeza 4F
Eje de soldadura vertical
Eje de soldadura horizontal
FIGURA 6. Posiciones para soldadura de filete: placas Posición plana del tubo 1G
Posición horizontal del tubo 2G
Eje del tubo horizontal. El tubo se girará mientras se suelda
Eje del tubo horizontal
Posición horizontal fija del tubo 5G
Posición del tubo 6G
Eje del tubo horizontal. No se hará girar ni rodar el tubo mientras se suelda
45° a 5° Eje del tubo a 45°
* Incluidas en el glosario
FIGURA 7. Posiciones para soldadura de tubos
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PROCESOS DE SOLDADURA
Soldadura por fusión 1. Soldadura por arco eléctrico a) Soldadura por arco metálico protegido (Shield Metal Are Welding, SMAW). Se usa una fuente de poder y un electrodo revestido con fundentes por el exterior, los cuales permiten el desarrollo eficiente de la soldadura (véase figura 8).
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Fuente: www.dr.weld.com
FIGURA 8. Soldadura SMAW b) Soldadura por arco con electrodo de núcleo de fundente (Flux CoredArc Welding, FCAW). Se usa una fuente de poder y un electrodo revestido en su interior con fundentes, el electrodo es continuo y además puede adicionarse un gas de protección (véase figura 9).
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IMPORTANCIA DE LOS PROCESOS DE SOLDADURA
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c) Soldadura por arco metálico y protección de gas (MIG, MAG; Gas Metal Are Welding, GMAW). Se usa una fuente de poder y un gas inerte que protege el charco de soldadura del medio ambiente, este gas de protección puede ser argón, helio o bien un gas activo como el bióxido de carbono (CO2). El gas de protección se escoge dependiendo del medio en que se lleve a cabo la solda dura, ya que unos son más pesados y otros más ligeros. También se conside ra el metal que se desea soldar; el electrodo es consumible y viene en forma de rollo de alambre, ya que está desnudo, éste se alimenta automáticamente y se pueden soldar varios metros sin interrupción (véase figura 10). d) Soldadura con arco de tungsteno y gas protector (TIG; Gas Tungsteing Are Wel ding, GTAW). Es semejante al proceso GMAG, pero el electrodo, en este proce so, no se consume ya que el tungsteno es un material con un alto punto de fusión que cuenta con un sistema de enfriamiento. En caso de ser necesario se puede emplear material de aporte, el cual es una varilla desnuda de diámetro pequeño, alimentado manualmente por el soldador (véase figura 11).
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e) Soldadura por arco sumergido (Submerged Are Welding, SAW). Se usa una fuente de poder y el material de aporte es una varilla desnuda que se sumerge en un montón de polvo (fundentes) que al hacer contacto se funde y así crea una nube de gases que protegen el charco de soldadura (véase figura 12).
FIGURA 9. Soldadura FCAW
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FIGURA 10. Soldadura GMAW Procesos de soldadura, Instituto Politécnico Nacional, 2002. ProQuest Ebook Central, http://ebookcentral.proquest.com/lib/bibuhuelib-ebooks/detail.action?docID=3191182. Created from bibuhuelib-ebooks on 2018-02-14 09:51:37.
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f) Soldadura por plasma {Plasma Are Welding, PAW). Se utiliza con gas ionizado que sale por una boquilla que tiene varios orificios, en medio sale una flama y el gas ionizado aumenta la temperatura, con lo cual se logra la fusión (véase figura 13).
FIGURA 11. Soldadura GTAW
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FIGURA 12. Soldadura SAW
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g) Soldadura con hidrógeno atómico (Atomic Hidrogen Welding, AHW). Es similar al proceso de soldadura por plasma pero en vez de usar un gas ionizado se utiliza hidrógeno.
Dirección de desplazamiento
FIGURA 13. Soldadura PAW 2. Soldadura por oxigases a) Soldadura por oxihidrógeno (OHW). El hidrógeno es un gas combustible y al quemarse produce calor, el oxígeno es un gas comburente e inicia la flama producida por un gas combustible y la aumenta. Con esta combustión se obtiene una temperatura máxima de 2200 °C. b) Soldadura por oxibutano (OBW). La única diferencia con el proceso anterior es el gas combustible (butano), el cual alcanza una temperatura máxima de 2300 °C.
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c) Soldadura por oxiacetileno (OAW). El combustible es acetileno con el cual la temperatura alcanzada es de aproximadamente 3500 °C (véase figura14).
FIGURA 14. Soldadura por oxiacetileno 3. Soldadura aluminotérmica (TW)
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Se utiliza una reacción química entre óxidos de hierro y aluminio para producir calor, la cual recibe el nombre de termita, luego se inicia la ignición con una tiza de magnesio encendida, se separan los óxidos y se agregan al aluminio, por tanto queda el hierro solo, el cual se usa para obtener la soldadura (véase figura 15).
FIGURA 15. Soldadura TW
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PROCESOS DE SOLDADURA
4. Soldadura por bombardeo eléctrico o haz de electrones (EBW) Se proyectan electrones mediante una pantalla para que choquen con una placa metálica que eleva la temperatura por el impacto de dichos electrones logrando así la fusión de la misma, y con ello, la soldadura (véase figura16).
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FIGURA 16. Soldadura EBW
5. Soldadura por electroescoria (ESW) Este sistema convencional es muy parecido al GMAW en donde el electrodo es consumible al igual que el tubo guía que lo alimenta, el calor procedente de la capa del fundente (escoria) hace que se fundan tanto el electrodo como la superficie del metal base, el cual a su vez se calienta por zapatas de cobre que son enfriadas por agua que puentean el entrehierro en los conjuntos a soldar. FIGURA 17. Soldadura ESW
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IMPORTANCIA DE LOS PROCESOS DE SOLDADURA
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6. Soldadura por explosión (EXW) En este proceso de soldadura los materiales que se unen se sueldan por la acción metalúrgica mediante un movimiento de alta velocidad (de tipo chorro), el cual es producido por una explosión controlada, el explosivo puede estar en forma líquida, plástica o granulada, se coloca uniformemente sobre una de las piezas a unirse y la otra pieza se coloca en un yunque para soportar la detonación. Soldadura por presión 1. Soldadura por resistencia eléctrica (RS) El fenómeno básico es la diferencia de conductividad eléctrica entre los metales a soldar con lo cual se logra una elevación de temperatura y al someter las piezas a una presión considerable se logra la soldadura (véase figura 18); algunas de sus aplicaciones son: a) Por puntos (RSW) b) Por costura (RSEW) c) Por proyección y quemado (RPW) d) Por espárragos o rebordes (UW) 2. Soldadura por fricción (FRW) (véase figura 19)
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3. Soldadura por ultrasonido (USW) (véase figura 20) 4. Soldadura por inducción (IB) 5. Soldadura en frío (CW) (véase figura 21) Soldadura por adherencia 1. Soldadura por oxigases (OFW) 2. Soldadura por termorociados (THSP) (véase figura 22) a) Metalizado por flama (FLSP) b) Metalizado por arco (EASP) c) Metalizado por plasma (PSP)
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PROCESOS DE SOLDADURA
Soldadura por puntos
Soldadura por puntos, en rodamiento
FIGURA 18. Soldadura RSW
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IMPORTANCIA DE LOS PROCESOS DE SOLDADURA
Rotativo No rotativo
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f*R ÉfYesión
Fijo
FIGURA 19. Soldadura FRW
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PROCESOS DE SOLDADURA
Fue
Herramienta de soldar Conjunto soldado
Punta _ "Sonotrodo reflector
*Sono = sonido trodo = terminación de electrodo
a) Tipos de transductor magnetoestrictor
Refractor
b) Tipo de transductor piezoeléctrico
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FIGURA 20. Soldadura USW
FIGURA 21. Soldadura en frío (CW) y deformación que origina después de la soldadura
FIGURA 22. Rociado térmico
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IMPORTANCIA DE LOS PROCESOS DE SOLDADURA
A continuación se presenta una carta maestra con la clasificación de los procesos de soldadura de acuerdo la AWS (véase figura 23).
Soldadura de estado sólido (SSW)
Soldadura blanda (S)
Soldadura por arco (AW)
Procesos \ de Soldadura
Otra Soldadura
Soldadura con gas oxicombustibl (OFW)
Soldadura de resistencia (RW)
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Soldadura fuerte o latonada (B)
Rocío térmico* (THSP)
Procesos colaterales
Liga adhesiva (ABD)
Corte con oxígeno (OC)
Corte térmico (TC)
Corte con arco (AC)
FIGURA 23. Gráfica maestra de la soldadura y procesos colaterales AWS. Algunas veces es un proceso de soldadura.
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PROCESOS DE SOLDADURA
TABLA 1. Procesos de soldadura comunes y su designación con letras según The American Welding Society (AWS) GRUPO
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Soldadura por arco
PROCESO DE SOLDADURA
DESIGNACIÓN CON LETRAS
Arco de carbono Electrogás Arco con núcleo de fundente Arco de metal con gas Arco de tungsteno con gas Arco de plasma Arco de metal protegido Arco de montante
CAW EGW FCAW GMAW GTAW PAW SMAW SW
Arco sumergido
SAW
Soldadura fuerte (latonado)
Soldadura por difusión Soldadura por inmersión Soldadura en horno Soldadura por inducción Latonado infrarrojo Latonado por resistencia
DFB DB FB IB IRB RB
Soldadura con soplete
TB
Soldadura con gas
Soldadura por oxiacetileno
OAW
oxicombustible
Soldadura con oxihidrógeno Acetileno y aire Soldadura con gas a presión
OHW * PGW
Soldadura por resistencia
Soldadura de destello Soldadura por proyección Soldadura de costura por resistencia Soldadura de punto por resistencia
FW RPW RSEW RSW
Soldadura por puntos
UW
Soldadura de estado sólido
Soldadura en frío Soldadura por difusión Soldadura por explosión Soldadura por forja Soldadura por fricción Soldadura con presión en caliente Soldadura a rodillo Soldadura ultrasónica
CW DFW EXW FOW FRW HPW ROW USW
Soldadura blanda
Soldadura por inmersión
DS
Soldadura en horno Soldadura por inducción Soldadura infrarroja blanda Soldadura con hierro Soldadura por resistencia Soldadura con soplete
FS IS IRS INS RS TS
Otros procesos de soldadura
Soldadura por haz de electrones
WS
Soldadura por onda De electroescoria Por flujo De inducción De rayo láser De percusión De termita
EBW ESW FLOW IW LBW PEW TW
' AWS sabe que existe esta soldadura, pero no se le reconoce como proceso, por eso no tiene siglas.
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1.4 SlMBOLOGÍA BÁSICA DE SOLDADURA Escribir simplemente "soldar todas las uniones" o "soldar completamente la pieza", en un dibujo, puede indicar generalmente la extensión de aplicación de la soldadura, pero no indica la resistencia necesaria. Si la resistencia fuera un aspecto muy importante del diseño, podría presentarse una situación peligrosa al aplicar una técnica incorrecta. Si la resistencia no fuera el factor esencial, podría dar los mismos resultados una soldadura de menor extensión y ser mucho menos costosa. Para combatir los problemas de este tipo, se desarrolló un lenguaje para la soldadura, es decir, un conjunto de símbolos que indican en forma abreviada al soldador o al supervisor toda la información necesaria para hacer una soldadura correcta (ANSI/AWSA2.4). La AWS elaboró y estableció en EUA un sistema de símbolos de soldadura. El objetivo es identificar la localización de las soldaduras y transmitir esta información en los planos de ingeniería, desde el diseñador hasta el taller de soldadura. Los fabricantes y los usuarios usan cada vez más dichos símbolos. El propósito de los símbolos de soldadura es describir la soldadura deseada en una construcción soldada con exactitud y completamente. El símbolo de soldadura también se puede usar para transmitir informaciones adicionales, como las especificaciones y los procedimientos.
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Símbolos básicos de soldadura (Weld symbols) La AWS establece una distinción entre las expresiones "símbolo de tipo de soldadura" (weld symbol) y el "símbolo de soldadura" {welding symbol). El símbolo del tipo de soldadura se usa para indicar el tipo deseado de soldadura. El símbolo de soldadura completo está formado por los siguientes elementos (o por el número de éstos que resulte necesario): a) b) c) d) e) f)
Línea de referencia con flecha Las dimensiones y otros datos Símbolo de soldar todo alrededor Símbolo de campo Símbolos de acabado Cola (véase figura 29)
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PROCESOS DE SOLDADURA
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IMPORTANCIA DE LOS PROCESOS DE SOLDADURA
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a) La línea de referencia de un símbolo de soldadura es la línea representada en un plano horizontal y unida a una cola y una flecha. La línea de referen cia es la base de cada símbolo simplificado y proporciona la orientación y la localización estándar de los elementos de un símbolo de soldadura. Las posiciones de la cola y la flecha pueden intercambiarse, pero los elemen tos del símbolo están siempre en la misma posición en la línea de referencia (véase figura 24). Para indicar la localización de una soldadura se traza una flecha con la cabeza apuntando directamente a la junta en la que ha de hacerse la soldadura. La colocación del símbolo del tipo de soldadura puede usarse para indicar el lado de la flecha, el otro lado o ambos lados de la junta. b) Las dimensiones que aparecen en un símbolo de soldadura indican el tama ño, el ángulo de la ranura, la abertura en el fondo o raíz, la longitud de la soldadura, el paso de las soldaduras (separación entre centros), la profundi dad del relleno de las soldaduras de tapón o de ranura alargada y el ángulo incluido de las soldaduras avellanadas para las soldaduras de tapón. Pue den especificarse uno o más de éstos, dependiendo del tipo de junta y de la instrucción que se requiera. c) El símbolo de soldar todo alrededor es un símbolo suplementario de solda dura que se emplea para indicar que una soldadura se extiende completa mente alrededor de una junta (véase figura 25).
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d) El símbolo de soldadura de campo se emplea también como símbolo suple mentario y sirve para indicar las soldaduras que no deben hacerse en el taller o sitio inicial de construcción (véase figura 26).
Símbolo de soldar todo alrededor
FIGURA 25. Símbolo de soldar todo alrededor
FIGURA 26. Símbolo de soldadura de campo
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PROCESOS DE SOLDADURA
e) Los símbolos de acabado se agregan para indicar cómo debe verse la superficie soldada al término del proceso. Las soldaduras que han de hacerse aproximadamente para quedar con cara plana, sin recurrir a método alguno de acabado, se indican agregando al símbolo de tipo de soldadura tanto el símbolo de contorno convexo como el símbolo estándar de acabado del usuario y observando el significado usual de localización (véase figura 27). Las soldaduras que han de llevar acabado por medios mecánicos a un contorno convexo se indican agregando al símbolo de tipo de soldadura tanto el símbolo de contorno convexo como el símbolo estándar de acabado del usuario, observando el significado de localización (véase figura 28).
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FIGURA 27. Símbolo de acabado para soldaduras de cara plana sin recurrir al maquinado
FIGURA 28. 1) Símbolo de acabado para soldaduras de cara plana, acabadas mecánicamente. 2) Símbolos de acabado para soldaduras convexas acabadas mecánicamente f) En la cola se incluyen las especificaciones, un proceso o alguna otra referencia con un símbolo de soldadura (véase figuras 24 y 29). Cuando se requiere el empleo de un determinado proceso éste puede indicarse en la cola por medio de una o más designaciones literales, como las que se muestran en las tablas 1 y 4.
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IMPORTANCIA DE LOS PROCESOS DE SOLDADURA
Pueden usarse los sufijos siguientes si desea indicar el método de aplicación de los procesos anteriores: — — — —
Soldadura automática AU Soldadura a máquina o mecanizada ME Soldadura manual MA Soldadura semiautomática SA TABLA 4. Procesos de corte de metales y designación con letras para simbología Designación mediante letras de los procesos dt
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Proceso de corte
Designación por letra
Proceso de corte
) corte Designación por letras
Corte con arco
AC
Corte con oxígeno
OC
Aire-carbón-corte con arco
AAC
Corte con fundente químico
FOC
Corte con arco de carbón
CAC
Corte con polvo metálico
POC
Corte con arco de metal
MAC
Corte con arco y oxígeno
AOC
FIGURA 29. Colocación de la especificación, el proceso y otras referencias en la cola del símbolo de soldadura
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PROCESOS DE SOLDADURA
FIGURA 30. Símbolos básicos de soldadura Símbolos complementarios
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Los símbolos complementarios como inspecciones o ensayos se anotan en la línea de referencia al aplicarse a la pieza antes, durante o después de soldarse (véase figura 31).
FIGURA 31. Símbolos complementarios (inspección durante y después de la soldadura)
TABLA 5. Nomenclatura de los métodos de inspección Tipo de prueba
Abreviatura
Rayos X
RT
Partículas magnéticas
MT
Líquidos penetrantes
PT
Ultrasonido
UT
Inspección visual
VT
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IMPORTANCIA DE LOS PROCESOS DE SOLDADURA
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FIGURA 32. Símbolos de prueba que indican las longitudes específicas que han de probarse
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FIGURA 33. Símbolos de prueba que indican (entre paréntesis) el número de pruebas que han de hacerse
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PROCESOS DE SOLDADURA
Weld cross section
Symbol
Edge weld combined with flare-v-groove weld
Weld cross section
Symbol
Edge weld combined with flare-bevel-groove weld
FIGURA 34. Símbolos estándar para soldadura. Prueba no destructiva y fuerte. Según AWS A2.4-98
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1.5 APLICACIONES DE LAS SOLDADURAS INDUSTRIALES La soldadura es la más eficaz y la única forma posible de unir dos piezas de metal para hacerlas actuar como una sola. La soldadura se usa ampliamente para fabricar o reparar productos hechos de metal como por ejemplo edificios, automóviles (véase figura 18), recipientes sometidos a presión, tubería para transporte de crudo y sus derivados, turbinas, en la industria petrolera, en la ingeniería civil, etcétera.
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FIGURA 35. La soldadura en la construcción de puentes
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FIGURA 36. La soldadura en la construcción de edificios
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PROCESOS DE SOLDADURA
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FIGURA 37. Aplicaciones diversas de soldadura
FIGURA 38. En la industria petroquímica
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FIGURA 39. En la industria del transporte
FIGURA 40. En plataformas marítimas
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FIGURA 41. En recipientes sometidos a presión
FIGURA 42. En la reparación de piezas en general
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CAPÍTULO [2]
PROCESOS MÁS COMUNES DE SOLDADURA Y
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CORTE DE METALES
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2.1 PROCESO DE SOLDADURA CON ARCO METÁLICO PROTEGIDO (SMAW) Y PROCESO DE CORTE CON ARCO METÁLICO (MAC)
P ROCESO DE SOLDADURA CON ARCO METÁLICO PROTEGIDO (SHIELD METAL ARC WELDING, SMAW) Generalidades del proceso de soldadura SMAW En cualquier proceso para soldadura con arco, el intenso calor requerido para fundir el metal base se produce con un arco eléctrico. Un soldador experto debe tener conocimientos de electricidad por su propia seguridad y a fin de comprender el funcionamiento del equipo para soldar con arco. Aunque la soldadura con arco no es más peligrosa que otros procesos de soldadura, se deben observar algunas precauciones debido a los elevados amperajes que se utilizan y a la radiación que se desprende del arco, entre otras cosas.
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La electricidad Es una fuerza de atracción invisible que produce una carga eléctrica. Si se provee una trayectoria entre objetos cargados que se atraen entre sí, se tendrá corriente eléctrica. Esta corriente en realidad es un flujo de electrones desde el objeto que tiene más hacia el que tiene menos, o sea, desde la terminal o extremo negativo de un conductor, hacia la terminal positiva del mismo. Cuando los electrones de una corriente se mueven siempre en la misma dirección, producen corriente continua o corriente directa. Cuando los electrones invierten su dirección a intervalos periódicos producen corriente alterna. La corriente alterna (CA) y la corriente continua (CC) son igualmente importantes para la calefacción. Pero una de las razones más importantes para emplear la CA es el hecho de que cuando es necesario distribuir grandes cantidades de corriente eléctrica, se necesitan voltajes muy altos (presiones). Para medir la potencia se multiplica el voltaje por la corriente eléctrica. Cuando se utiliza CA, el voltaje puede aumentarse con un aparato llamado transformador, lo cual hace posible emplear cables de diámetro razonablemente pequeño al principio de la línea. El voltaje puede reducirse o bajar con otro transformador para tener el bajo voltaje que necesiten 51
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PROCESOS DE SOLDADURA
los usuarios. Esto no es posible con la CC. Es necesario mencionar que la corriente continua tiene polaridad, es decir, los electrones tienen dirección en su flujo, por este hecho puede conectarse de dos formas distintas las cuales son: corriente directa polaridad invertida (CDPI), también conocida como electrodo positivo (CCE+); y corriente directa polaridad directa (CDPD), conocido comúnmente como electrodo negativo (CDE) (véase figura 1). La corriente eléctrica es un flujo de electrones y se mide en ampers (A). El número o cantidad de electrones que pasan en un tiempo dado determina la intensidad, o sea el amperaje de la corriente. La presión en un circuito eléctrico se llama voltaje. Entonces, el amperaje es la cantidad de corriente eléctrica y el voltaje es la presión requerida para mover la corriente.
B Polaridad directa e indirecta
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FIGURA 1. Tipos de polaridades con corriente continua Sabemos que hay una relación entre electricidad y magnetismo y que se forma una fuerza magnética en torno a cualquier conductor que lleva corriente. La fuerza alrededor de un solo conductor de corriente es muy débil, pero si se devana ese conductor o alambre para formar una bolita, la fuerza es mucho mayor. Hace muchos años, Michael Faraday y otros científicos encontraron que la corriente eléctrica se podía transferir a otro conductor metálico si se colocaba lo bastante cerca del primer conductor de corriente, pero sin llegar a tocarlo. Esto se denominó inducción magnética la cual es la base de los transformadores y de la mayor parte de los aparatos eléctricos de la actualidad. Variables esenciales y reglas básicas del proceso SMAW a) Variables • Longitud de arco. La longitud del arco es la distancia entre la punta del electrodo y el metal que se va a soldar. Se debe mantener la distancia correcta.
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PROCESOS MÁS COMUNES DE SOLDADURA Y CORTE DE METALES
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• Ángulo del electrodo. El electrodo se debe mantener en el ángulo correcto durante la soldadura. • Velocidad del electrodo. Se debe mantener la velocidad correcta si se quiere obtener una buena soldadura. • Amperaje. El amperaje (calor) incorrecto producirá una soldadura deficiente. b) Formación del arco Formar el arco significa tocar el metal que se va a soldar con el electrodo para crear un arco. Se utilizan dos métodos: rayado y golpeado. El método de rayado es similar a encender un fósforo gigantesco. El método de golpeado es, como su nombre lo indica, un método de golpecitos suaves en sentido vertical. En ambos casos la corriente para soldar forma un arco tan pronto como el electrodo toca el metal que se va a soldar. Si se deja el electrodo en esa posición, se quedaría pegado al metal.
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Para evitarlo, hay que elevar el electrodo tan pronto como haga contacto con el metal y éste se transfiera en forma de glóbulos. Pero el arco se extinguirá si se levanta demasiado el electrodo y hay que repetir todo el procedimiento (véase figura 2).
F
■
FIGURA 2. Formación del arco
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PROCESOS DE SOLDADURA
c) Movimiento de costura Cuando se deposita el metal de soldadura, a menudo es deseable hacer una soldadura más ancha que un cordón sencillo. Para esto, se mueve el electrodo hacia el frente con un movimiento de oscilación o vaivén, a lo largo de la línea de soldadura. Cualquier movimiento que se aplique debe ser uniforme. Si el de costura no es uniforme ni está bastante cerrado, el resultado será una fusión deficiente y la escoria quedará atrapada entre las soldaduras (véase figura 3).
a)
b)
c)
FIGURA 3. Movimientos de costura, a) en "c", b) en "j", c) en "t", d) en "8" y e) en zigzag
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d) Uniones básicas con SMAW La soldadura con arco es la más adecuada para metal grueso, es decir, un metal con mayor grosor que el que se emplea en la soldadura de oxiacetileno. Una ventaja de la soldadura con arco es que los metales gruesos se pueden soldar con más rapidez. Además hay menos deformación porque el metal se empieza a fundir tan pronto como se forma el arco y por tanto no es necesario precalentarlo como en la soldadura con oxiacetileno; sin embargo cuando los espesores son demasiado gruesos (mayores a % de pulgada) es necesario efectuar una preparación en los metales a soldar (véase figuras 2 y 3). Electrodos y fundentes. Clasificación AWS A finales del siglo XIX se hicieron experimentos para unir metales con un electrodo de carbón y el intenso calor del arco eléctrico. Unos cuantos años más tarde, se sustituyó el electrodo de carbón con una varilla o alambre de hierro desnudo, lo cual eliminó la necesidad de usar una varilla separada para relleno. A principios del siglo XX, se descubrió que se mejoraban las propiedades físicas, mecánicas y químicas de la soldadura si se aplicaba un recubrimiento sobre el alambre de hierro desnudo.
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Algunos de los primeros experimentos incluyeron envolver el electrodo desnudo con tela de asbesto y algodón empapado con silicato de sodio. Tanto el asbesto como el silicato de sodio se utilizaban para dar resistencia al fuego y la idea de usarlos fue evitar que el recubrimiento se quemara demasiado pronto. De estos primeros experimentos surgieron los electrodos actuales. a) Características de los electrodos Los electrodos de soldadura con metal y arco protegido tienen dos partes: el corazón o núcleo y la cubierta de fundente (recubrimiento). El metal del núcleo sirve para llevar la corriente y como material de relleno o aporte en la soldadura terminada. Es la principal fuente de metal para la soldadura. Para hacer una buena soldadura, el metal del núcleo debe ser lo más parecido o aproximado al metal de la pieza que se suelda. Por ejemplo, el acero dulce se soldaría con un electrodo de alambre cuyo núcleo sea de acero dulce.
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Por eso, los electrodos se producen con núcleos de diversas aleaciones y metales diferentes. Sin embargo, los más comunes y más baratos son los electrodos para aceros estructurales y de bajo carbono. También los hay para aceros de alta resistencia, para aceros de diversas aleaciones, así como de aluminio, cobre, latón y bronce. El núcleo de metal soporta la cubierta o revestimiento del electrodo (véase figura 4). La cubierta o revestimiento del electrodo sirve para varias cosas. Una de las más importantes es producir una cubierta gaseosa durante la soldadura que proteja tanto al charco de metal fundido como al arco, de los gases de la atmósfera, evitando así que el oxígeno y el nitrógeno del aire debiliten la soldadura. Otra función del revestimiento es depositar una capa de escoria sobre el metal fundido, para protegerlo de los gases de la atmósfera mientras se enfría. La escoria flota sobre la superficie del metal fundido y lo protege. El revestimiento también ayuda a hacer más fácil el inicio del arco. Después lo estabiliza, lo concentra en una zona específica, reduciendo el chisporroteo y el salpicado, con lo que hace más fácil todo el proceso de soldadura. Compensa o devuelve algunos elementos metálicos que pierde la aleación del metal, como consecuencia de la acción del arco.
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PROCESOS DE SOLDADURA
Metal que se va a soldar
FIGURA 4. Características de los electrodos. Núcleo de alambre, cubierta de fundente y función de la cubierta El revestimiento puede afectar la penetración de la soldadura, que puede hacerse más profunda si el núcleo de alambre se derrite más rápido que el fundente. La cubierta forma una pequeña cámara o crisol en la punta del electrodo, parecida a la cámara de combustión de un cohete, haciendo que los gases y el metal fundido salgan muy rápidamente. Con ello se produce un charco que penetra bastante en el metal que se suelda.
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El revestimiento también forma escoria en la parte superior del metal fundido que se suelda, la cual lo protege durante el enfriamiento y también ayuda a configurar la soldadura. La escoria se elimina después de que se ha enfriado. Hay unos electrodos llamados de enfriamiento rápido. En ellos, parte de la escoria se solidifica antes que el metal y se forma una especie de molde que mantiene el metal fundido en su lugar. Estos electrodos, que producen un arco muy penetrante, son excelentes para soldar en las posiciones horizontales, verticales o cuando la soldadura se tiene que hacer arriba, sobre cabeza. El hierro en polvo, dentro de la cubierta del electrodo, ayuda a hacer más estable el arco cuando se suelda con corriente alterna, además de que permite trabajar más rápido con buena penetración. Estos electrodos salpican poco y su gruesa capa de escoria se quita muy fácilmente. Hay unos electrodos llamados de bajo hidrógeno que se usan para soldar los aceros al alto carbono, los cuales son aceros muy duros con los que se fabrican algunas herramientas y máquinas.
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Cuando los aceros al alto carbono se sueldan, tienden a hacerse porosos y a cuartearse, porque absorben hidrógeno del aire. Los electrodos de bajo hidrógeno evitan la introducción del mismo en la soldadura. • Clasificación de electrodos. Los diferentes electrodos se identifican principalmente por una clave de letras y números que ha establecido la Sociedad Americana de Soldadura (American Welding Society, AWS).
1) Los electrodos para soldadura con arco empiezan con la letra E, que signi fica precisamente que son para soldadura eléctrica. 2) Luego siguen cuatro o cinco números. Los dos o tres primeros indican la resistencia mínima a la tracción que tiene una soldadura. Esos números multiplicados por mil indican la resistencia del metal depositado a la trac ción, es decir, a ser jalado antes de que se rompa. Esta resistencia se mide en libras por pulgada cuadrada (psi) una libra equivale a 453 gramos.
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3) El penúltimo número de la clave indica la posición de soldadura en la cual se puede usar el electrodo. El número 1 quiere decir que el electrodo sirve para soldar en todas las posiciones. El número 2 indica que ese electrodo sirve solamente para soldar en posiciones planas. 4) El último número señala ciertas características del electrodo, tales como el tipo de corriente, el tipo de escoria, el tipo de arco, la penetración de la sol dadura, así como ciertas características del revestimiento. a) El número 0 quiere decir que el electrodo es para corriente directa con polaridad invertida. Indica que produce un arco fuerte que tiene una penetra ción profunda, dejando una cubierta de escoria de celulosa. El revesti miento tiene polvo de hierro. b) El número 1 indica que ese electrodo es tanto para corriente alterna como directa de polaridad invertida y produce un arco fuerte con penetración profunda, que deja un cordón cubierto con escoria de celulosa.
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PROCESOS DE SOLDADURA
TABLA 6. Nomenclatura de los electrodos para SMAW
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Características del electrodo Grupo del electrodo
Tipo
Clase
Tipo de corriente
Posición para soldar
Acero dulce
E6010
Directa
Todas
• Penetración profunda • Cordones planos
Enfriamiento rápido
Acero dulce
E6011
Alterna
Todas
• Penetración profunda • Cordones planos
Enfriamiento rápido
Todas
• Penetración poco profunda • Buen contorno del cordón • Poca salpicadura • Buena para uniones que no embonen perfectamente
Enfriamiento ligeramente rápido
Soldadura resultante
Acero dulce
E6013
Polvo de hierro
E7024
• Directa • Alterna
Plana
• Mucha acumulación • Buena para pasadas múltiples
Llenado rápido
Bajo hidrógeno
E7018
• Directa • Alterna
Todas
• Para soldar aceros al carbón
Llenado rápido
Alterna
c) El número 2 indica que es un electrodo para corriente alterna o corriente directa con polaridad directa que produce un arco mediano, de penetra ción mediana, con una escoria de rutilo. d) El número 3 quiere decir que se trata de un electrodo que se puede usar en corriente alterna o directa de cualquier polaridad. Produce un arco suave de penetración poco profunda, en cordones ligeramente convexos y genera una cubierta de escoria de rutilo.
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e) El número 4 significa que el electrodo sirve para corriente alterna y direc ta, de polaridad invertida. Produce un arco suave que deja depósitos de penetración ligera, los cuales quedan cubiertos de una escoria de rutilo fácil de quitar. El revestimiento tiene polvo de hierro. f) El número 5 señala que es un electrodo que sólo se puede emplear con corriente directa de polaridad invertida. Forma un arco mediano de penetra ción moderada en cordones planos, ligeramente hundidos, cubiertos con escoria de bajo hidrógeno. g) El número 6 indica que se trata de un electrodo semejante al número 5, pero que se puede emplear tanto con corriente alterna, como directa de cualquier polaridad. h) El número 7 es un electrodo hecho con polvo de hierro que se puede emplear con corriente alterna y directa de polaridad invertida. Generando un arco suave de penetración mediana que deja escoria de bajo hidrógeno. Se emplea para rellenos rápidos. i) El número 8 es un electrodo para corriente alterna o directa de polaridad invertida, hecho con polvo de hierro y bajo hidrógeno, es para una penetración pequeña o mediana y tiene una cubierta de escoria que se quita rápidamente. TABLA 7. Clasificación de electrodos según el metal a soldar
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Clave
Tipo de metal
Clave
Tipo de metal
A5.1
Aceros al carbón
A5.6
Cobre y aleaciones de cobre
A5.3
Aluminio y aleaciones de aluminio
A5.11
Níquel
A5.4
Aceros inoxidables
A5.15
Hierro colado
A5.5
Aceros de baja aleación T ABLA 7A. Diámetro de los electrodos En mm
En pulgadas
En mm
En pulgadas
1.6
1/16
4.0
5/32
2.0
5/64
4.8
3/16
2.4
3/32
5.6
7/32
3.2
1/8
6.4
%
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PROCESOS DE SOLDADURA
Los electrodos se producen en varios diámetros. El diámetro del electrodo es el diámetro del núcleo de metal, sin la cubierta. Los diámetros más comunes son estos. En general se debe usar un electrodo con un diámetro igual a la placa que se suelda (véase tabla 7A). • Ajustes de corriente para los electrodos. El electrodo E-6010 sólo es empleado en máquinas de corriente directa con polaridad inversa para soldar en todas las posiciones, es de enfriado rápido, forma un arco fuerte de penetración profunda, embona bien cuando la junta está bien preparada y trabaja sobre material viejo que estuvo pintado y oxidado. Se usa en tuberías de presión, tanques, calderas, buques, puentes y edificios. TABLA 8. Ajustes de corriente para electrodos E-6010 Diámetro de los electrodos
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En mm
En pulgadas
Ampers
2.38
3/32
60-90
3.17
1/8
80-120
3.96
5/32
110-160
4.76
3/16
150-200
5.55
7/32
175-250
6.35
1/4
225-300
El electrodo similar al E-6010 es el E-6011. Ambos se pueden usar en corriente alterna. TABLA 9. Ajustes de corriente para electrodos E-6011 Diámetro de los electrodos En mm
En pulgadas
Ampers
2.38
3/32
50-90
3.17
1/8
80-130
3.96
5/32
120-180
4.76
3/16
140-200
5.55
7/32
170-250
6.35
1/4
225-325
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El E-6012 es un electrodo que puede ser usado en corriente alterna y directa en polaridad. Tiene un arco muy estable, con pocas salpicaduras y una penetración mediana. Aun cuando se considera bueno para todas las posiciones, generalmente es usado para la posición horizontal. Es especialmente útil para puntear cuando no hay una buena junta y funciona mejor con corrientes altas y sobre material nuevo. TABLA 10. Ajustes de corriente para electrodos E-6012 Diámetro de los electrodos En mm
En pulgadas
Ampers
2.38
3/32
40-90
3.17
1/8
80-120
3.96
5/32
120-190
4.76
3/16
140-240
5.55
7/32
180-315
6.35
1/4
225-350
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El electrodo E-6013 es muy parecido al E-6012, pero con menos penetración. Trabaja bien en todas las posiciones y funciona excepcionaimente bien con la corriente alterna. El arco se puede encender y mantener fácilmente, particularmente con electrodos de poco diámetro. Su cordón es notablemente plano, por lo que se puede usar para soldar lámina o placa. La escoria se desprende fácilmente. Es probablemente el electrodo más popular. Se usa para la herrería en general. TABLA 11. Ajustes de corriente para electrodos E-6013 Diámetro de los electrodos En mm
En pulgadas
Ampers
2.38
3/32
30-80
3.17
1/8
3.96
5/32
120-190
4.76
3/16
140-240
5.55
7/32
225-300
6.35
1/4
80-120
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El E-7018 es un electrodo rápido, de poca penetración, que deja una capa escoria gruesa que se puede quitar fácilmente. De hecho, el metal fundido más protegido por la escoria que por los gases. Como tiene poca penetración se debe usar para soldar cuarteaduras. El revestimiento de estos electrodos descompone rápidamente en contacto con la humedad.
de es no se
TABLA 12. Ajustes de corriente para electrodos E-7018 Diámetro de los electrodos En mm
En pulgadas
Ampers
2.38
3/32
70-120
3.17 3.96 4.76 5.55
1/8 5/32 3/16 7/32
100-150 120-200 200-275 275-350
6.35
1/4
300-400
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El electrodo E-7024 tiene un fundente de rutilo y 50% de hierro en polvo, con lo que produce un arco muy estable, que tiene una penetración profunda y un llenado abundante y rápido. Deja una capa de escoria gruesa fácil de quitar. Su capa de fundente es tan gruesa que se puede usar la técnica de arrastre, la cual permite hacer buenas soldaduras con poca experiencia. Es excelente para depositar muchas capas de relleno, pero sólo se recomienda para soldar en plano y horizontal. TABLA 13. Ajustes de corriente para electrodos E-7024 Diámetro de los electrodos En mm
En pulgadas
Ampers
2.38
3/32
90-120
3.17 3.96 4.76 5.55
1/8 5/32 3/16 7/32
120-150 180-230 250-300 350-400
6.35
1/4
400-500
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Equipo de trabajo y de seguridad utilizado a) De trabajo • Máquinas. Las máquinas para soldar se clasifican en dos grandes grupos: las de corriente constante (amperaje constante) y las de potencial constante (voltaje constante). Las máquinas de corriente constante están hechas para la soldadura normal de barra o electrodo. Mientras que las de potencial constante son para la soldadura de metal con gas inerte (véase figura 5).
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FIGURA 5. Máquinas para soldar
En las máquinas de corriente constante se produce una corriente o amperaje estable o constante, a pesar de que haya una gran variedad de voltajes que pueden deberse a los cambios en el tamaño del arco. Dichos cambios son producidos por la vibración del pulso al soldar (véase figura 6).
FIGURA 6. Máquina de corriente constante
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PROCESOS DE SOLDADURA
Al soldar manualmente es difícil sostener el electrodo siempre con la misma separación sobre el metal que se suelda. Aunque el largo del arco sube y baja con el movimiento de la mano, la cantidad de corriente que sale por el arco no cambia. Lo que cambia es el voltaje del arco, según su longitud. La corriente o amperaje se mantiene relativamente constante en una máquina de corriente constante. Con las máquinas de corriente constante se utiliza un electrodo de metal cubierto por una pasta. La corriente, que viaja por el núcleo de metal, forma un arco desde la punta del electrodo hasta la pieza de trabajo, este arco produce un calor lo suficientemente intenso para derretir, tanto el metal de trabajo, como el metal del electrodo. El metal derretido del electrodo viaja a través del arco hasta el metal derretido de la pieza de trabajo y se mezcla con él. Conforme el metal se enfría y se vuelve sólido, forma una masa de una sola pieza. El charco de metal derretido está rodeado o protegido y purificado por una nube de humo y una capa de escoria producida al quemarse y evaporarse la cubierta del electrodo.
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Afortunadamente, las máquinas para soldar no son utilizadas por lapsos prolongados sin parar. El soldador tiene que cambiar electrodos, cambiar de posición o voltear la pieza de trabajo, de manera que está constantemente interrumpiendo el trabajo de soldadura. Se llama ciclo de trabajo al tiempo que la máquina puede ser usada continuamente. Un ciclo del 60% quiere decir que en un periodo de 10 minutos la máquina puede ser usada sólo 6 minutos a su corriente máxima y luego se debe enfriar por 4 minutos. El ciclo de trabajo aumenta conforme disminuye el amperaje con el que se trabaja. Las máquinas para soldar se miden por su capacidad en ampers, en un ciclo de trabajo al 60%. Así, hay máquinas de 150, 200, 300, 400, 500 o 600 ampers. Este amperaje se mide por la corriente que sale por la terminal. Una máquina pequeña, de 90 a 180 ampers, sirve para el trabajo ligero y mediano, con resistencia y excelentes resultados en trabajos de mantenimiento y pequeña y mediana producción. Una máquina de 250 a 300 ampers es excelente para los requerimientos de soldadura de una pequeña producción industrial. Mientras que una máquina de 400 a 600 ampers es buena para el trabajo rudo de gran capacidad en la fabricación de maquinaria pesada, barcos, grandes tuberías de acero y tanques, así como para cortar acero.
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La corriente para soldar con metal y arco protegido la producen tres tipos de máquinas: transformadores, generadores de motor y rectificadores. — El transformador es un tipo de máquina para soldar que produce corriente alterna. Es el equipo menos caro y más ligero. Es un aparato muy eficiente, silencioso, que no tiene partes móviles, requiere de poco mantenimiento y es durable (véase figura 7).
FIGURA 7. Transformador de derivaciones fijas
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Su principal desventaja es, precisamente, que sólo produce corriente alterna, por lo que no puede emplear algunos electrodos que sólo se producen para máquinas de corriente directa. El transformador está hecho con un núcleo de láminas de acero alrededor del cual hay dos rollos de alambre o bobinas, una llamada primaria y otra secundaria (véase figura 8).
FIGURA 8. Bobina
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PROCESOS DE SOLDADURA
El rollo de alambre de la bobina primaria tiene más vueltas que el rollo de alambre de la bobina secundaria. La bobina primaria induce en el núcleo de acero una corriente de alta tensión o alto voltaje y produce en la bobina secundaria una corriente de baja tensión o voltaje y alto amperaje, que se usa para soldar (véase figura 9).
FIGURA 9. Bobina primaria y secundaria En algunas máquinas, el amperaje de la corriente para soldar se ajusta metiendo los bornes de los cables en el enchufe del frente de la máquina que corresponda con el amperaje que se necesite, según el electrodo que se vaya a usar.
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Para que estas máquinas se conserven y trabajen bien durante muchos años, únicamente hay que guardarlas en lugares secos y libres de polvos. — Los generadores son máquinas que producen corriente directa de baja tensión o bajo voltaje. Tienen un motor con un generador del que se obtiene la corriente para soldar. El motor puede ser eléctrico y conectarse a la línea de corriente normal. También puede ser un motor de gasolina o diesel. Estas máquinas producen un arco muy estable. Aunque son caras, resultan muy útiles en los lugares donde no hay corriente eléctrica. Requieren de un mantenimiento constante (véase figura 10).
FIGURA 10. Generador de corriente eléctrica
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— Los rectificadores son esencialmente transformadores que tienen, además, un aparato o rectificador que cambia la corriente alterna de la línea normal a corriente directa. Algunos rectificadores pueden producir tanto corriente directa como alterna. El rectificador se considera un aparato más eficiente que el generador, porque proporciona una corriente directa muy estable. Tiene un ventilador para enfriar las placas rectificadoras. • Cables. Como parte de la máquina de soldar se utilizan dos cables gruesos cubiertos con aislante: uno va de la máquina al portaelectrodo, este cable tiene en un extremo un borne (los bornes son unos conectores de cobre, latón o bronce, de diversas formas) con el que se conecta a la máquina, y en el otro, el portaelectrodo con su mango aislado. El otro cable corre de la máquina al banco o mesa de trabajo y se conoce como el cable de tierra, el cable de tierra tiene en un extremo, el borne con que se conecta a la máqui na y en el otro, unas pinzas de tierra (véase figura 11).
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Las conexiones entre los cables y la máquina deben ser firmes, pues cualquier unión floja puede provocar calentamiento o producir un arco en la conexión. • Portaelectrodo. Es un mango ligero, hueco y aislado que permite un enfria miento rápido. Debe estar hecho de tal manera que no caliente demasiado la mano del operario. El mango debe estar balanceado y ser lo suficiente mente ligero para no producir fatiga. Tiene un par de mandíbulas con morda zas de cobre con las que se sostiene la punta desnuda del electrodo. Un resorte mantiene firmemente cerradas las mandíbulas. Mediante un gatillo con aislante se abre para cambiar el electrodo. El portaelectrodo debe reci bir y expulsar los electrodos fácilmente (véase figura 11). • Pinzas de tierra. Son dos brazos de cobre con un resorte que mantienen las mandíbulas firmemente cerradas. Con ellas se puede hacer una conexión rápida al banco o a la mesa de trabajo (véase figura 11). • Banco o mesa de trabajo. Ésta debe ser de metal y es donde se coloca la pieza a soldar (véase figura 11). • Cepillo de alambre. Si se quiere tener una soldadura fuerte, la superficie a soldar debe estar limpia, sin óxido, aceite o pintura. Para limpiarla se utiliza un cepillo con cerdas de acero con un mango de madera (véase figura 11).
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PROCESOS DE SOLDADURA
Después de picar o quitar la escoria hay que terminar de limpiarla con el cepillo de alambre. Si se van a dar varias pasadas es muy importante quitar completamente la escoria porque de otra manera, quedan porosidades que debilitan la soldadura.
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• Piqueta. Después de depositar un cordón de soldadura hay que quitar la capa de escoria que lo cubre. Esto se hace con un pequeño martillo llamado piqueta que por un lado termina en punta y por el otro en forma de cincel (véase figura 11).
FIGURA 11. Equipo de trabajo: cable del portaelectrodo, cable de tierra, bornes, portaelectrodo, pinza de tierra, mesa de trabajo, cepillo de alambre y piqueta b) De seguridad • Careta. Se usa para proteger la piel de la cara y los ojos al soldar, son de fibra de vidrio con una ventana que lleva un cristal oscuro llamado vidrio actínico para neutralizar los rayos ultravioleta. Los vidrios actínicos de las caretas llevan al frente un vidrio claro transparente que los protege de las chispas de la soldadura. Los cristales oscuros tienen sombras diferentes.
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La sombra que se use depende de la clase de soldadura que se haga. Así, la sombra del número 10 es para soldar entre 75 y 200 amperes. Mientras que la sombra del 12 se usa cuando se suelda con más de 200 amperes y hasta los 400. En soldaduras con más de 400 amperes se debe usar una sombra del número 14 (véase figura 12). Además de proteger los ojos durante la soldadura, se deben proteger después, mientras se quita la escoria o se esmerila. En todos los procesos en que saltan partículas se deben usar gafas de seguridad con cristales claros. • Ropa. Las chispas del arco pueden quemar la piel y la ropa. Por eso debe utilizarse ropa resistente al fuego, como el algodón o la lana. Al soldar nunca se debe usar ropa con fibras sintéticas, como el nylon, el rayón o el poliéster, porque se queman muy fácil y rápidamente. En cambio, las camisas y los pantalones de algodón o lana resisten más el fuego, si son de colores oscu ros mejor porque los protegen de los rayos ultravioleta (véase figura 12).
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Se debe usar camisa de algodón o lana de manga larga y cuello alto para proteger los brazos y el pecho, particularmente cuando se suelda en posición vertical, horizontal y sobrecabeza. El delantal de cuero se recomienda cuando las chispas son muchas y pueden causar daños. Cuando hay una cantidad excesiva de chispas es mejor usar un traje de cuero, formado por una camisola de cuero y pantalones o chaparreras, también de cuero (véase figura 12). • Zapatos. Al soldar se deben usar zapatos de seguridad, o por lo menos, za patos de suela de hule gruesa que proporcionen un buen aislamiento duran te el trabajo. El soldador se debe proteger de un choque eléctrico, evitando trabajar sobre pisos húmedos o mojados. • Guantes. Se recomienda llevar guantes secos al soldar. Los guantes prote gen la piel de los rayos ultravioleta, de las salpicaduras del metal caliente y del choque eléctrico. Deben ser guantes de carnaza, suficientemente flexibles para permitir un buen movimiento de los dedos. Es mejor no utilizarlos para tomar las piezas calientes porque pierden su flexibilidad (véase figura 12). No se debe permitir que las partes metálicas de los electrodos ni las partes metálicas del portaelectrodo toquen la piel del soldador o las partes húmedas de su ropa.
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PROCESOS DE SOLDADURA
Ventajas y desventajas del proceso SMAW a) Ventajas
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Este proceso se utiliza para la manufactura de bastidores automotrices, construcción de oleoductos y gasoductos También se emplea en la reparación de piezas de hierro colado Las soldaduras de mejor calidad se aplican mediante longitudes de arco cortas, más o menos iguales al diámetro del electrodo El ajuste de un transformador de corriente alterna consiste únicamente en la selección del amperaje La soldadura vertical descendente fue adoptada originalmente para obtener velocidades de desplazamiento rápido aunadas a un mínimo de penetración. El método vertical ascendente se recomienda para los soldadores principiantes porque la mayoría de las pruebas de calificación de producción especifican el método vertical hacia arriba Para este proceso se pueden utilizar varias máquinas (transformadores,
FIGURA 12. Equipo de seguridad personal: careta, delantal y guantes generadores v rectificadores.
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PROCESOS MÁS COMUNES DE SOLDADURA Y CORTE DE METALES
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Se pueden soldar metales de distintos tipos y espesores, en todas las posiciones y con una inversión mínima de equipo El revestimiento del electrodo disminuye las necesidades de tensión, ayuda a reducir los costos por suministros de energía y aumenta la seguridad b) Desventajas Los trabajos de soldadura pueden ser peligrosos debido a polvos, humos, vapores y gases por lo que se debe mantener muy buena ventilación La transferencia de metal desde un electrodo inmóvil hacia el metal común no produce una soldadura de buena calidad El control del amperaje es extremadamente importante pues si el amperaje es demasiado bajo se obtendrá una fusión deficiente y penetración inadecuada y si el amperaje es demasiado alto ocurrirán cortes más profundos y el deterioro del recubrimiento fundente La penetración completa se puede obtener en placas de acero hasta de 6.4 mm de espesor si ambos lados son accesibles para aplicar la soldadura Cuando el trabajo se realiza en posición horizontal, el metal líquido de soldadura es atraído por la fuerza de gravedad
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c) Recomendaciones de seguridad e higiene Apague la máquina cuando no esté en uso Use guantes cuando maneje el equipo Mantenga seco el equipo. No se pare sobre agua cuando esté soldando; el agua es un excelente conductor de electricidad Tenga cuidado con la humedad de cualquier clase. Incluso la transpiración dentro de los guantes en un día muy caluroso puede ocasionar una descarga eléctrica Los deslumbramientos ocasionales no producen daños permanentes en los ojos, pero si se repiten pueden causar cataratas y hasta ceguera permanente Use camisas de manga larga y mantenga las mangas bajadas hasta el puño Conserve abotonado el frente de la camisa Revise siempre la careta antes de empezar a soldar, para comprobar que el vidrio oscuro no esta agrietado ni roto Durante cualquier operación de soldadura con arco, se deben cubrir por completo todas las partes del cuerpo
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PROCESOS DE SOLDADURA
Cambie de inmediato cualquier lente que esté agrietado o desportillado Proteja siempre el lente de color con un vidrio o plástico incoloro Compruebe que está usando el lente de grado correcto Se deben usar los guantes cuando se está soldando, pero no es pertinente usarlos para agarrar metal caliente. El calor hace que los guantes se pongan rígidos, duros e incómodos para usarlos Los cabos de electrodo y la escoria son siempre peligrosos
CORTE DE METALES CON ARCO DE METAL (HAC) Generalidades del proceso de soldadura MAC
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Principio en el que se basa el proceso de corte MAC El corte con arco metálico emplea un electrodo de recubrimiento grueso y amperaje alto, por ejemplo, un electrodo de 1/8 pulg. de diámetro a 250 amperios. El corte es más eficaz con electrodo de corriente directa negativa. En la realización del corte interviene el calentamiento de metal en el sitio de corte para formar un líquido. La fuerza de gravedad hace descender el líquido a través de la entalladura del corte. Se puede hacer un corte un tanto burdo, pero eficaz, con un electrodo normal para soldadura con arco o un electrodo de carbón y una máquina soldadora normal. El corte tendrá un aspecto áspero, debido a que es un proceso por fusión, el cual produce el mismo efecto que si se tiene el electrodo demasiado tiempo en un solo punto. Se puede utilizar cualquier electrodo para soldadura con arco, pero el mejor será un E6010-11. Los electrodos de carbón o de carbón duro son los más adecuados. El amperaje utilizado para el proceso MAC es 30% más alto que el normal para el mismo electrodo al soldar en posición plana. Con este amperaje más elevado, los electrodos pequeños se calentarán con mayor rapidez; esto significa que no se deben emplear electrodos de menos de 5/32 de pulgada (0.4 milímetros). Si es posible, se debe empezar por el borde superior del metal. Cuando se produce el arco, se aleja el electrodo para formar un arco largo. Cuando se empieza a fundir el metal, hay que acortar el arco. Se continúa con esta técnica de arco largo y arco corto hasta que se forma la ranura o corte. Después, se avanza en forma gradual a lo largo de la línea de corte y se sigue utilizando la misma técnica. Algunos electrodos son huecos y están hechos especialmente para cortar metal con arco, ésto le permite al oxígeno el paso directo a través de la zona que se corta.
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PROCESOS MÁS COMUNES DE SOLDADURA Y CORTE DE METALES
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Este tipo de corte ha sido sustituido en gran parte por el proceso de corte con arco de carbono y aire (AAC), que es más eficaz y que emplea el calor de un arco y aire comprimido para eliminar el metal presente en el sitio de corte, el cual se profundiza más adelante. Variables esenciales o reglas básicas en el proceso MAC Es importante mencionar que las variables esenciales de este proceso son las mismas que en SMAW a excepción de que cambia el electrodo por uno de arco penetrante y, como consecuencia, también la cantidad de corriente eléctrica para lograr mayor cantidad de calor y lograr el corte. Clasificación de electrodos por AWS Lo único que cambia es el electrodo (ver clasificación de electrodos con arco penetrante y cantidad de corriente eléctrica adecuada). Equipo de trabajo y de seguridad utilizado Es el mismo equipo de trabajo y de seguridad que se utiliza en el proceso de soldadura de arco metálico protegido (SMAW). Ventajas y desventajas del proceso MAC
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Es necesario mencionar que la única ventaja que tiene este proceso es que se aplica con el mismo equipo para soldar, aunque los acabados no son excelentes. Recomendaciones de seguridad e higiene Básicamente son las mismas que para cualquier proceso de arco eléctrico.
2 2 PROCESO DE RANURADO DE METALES CON ARCO DE C A R B Ó N Y A I R E (AAC) Generalidades del proceso de soldadura AAC Este tipo de corte se logra empleando un arco eléctrico con una longitud de arco constante originada por un electrodo de carbono o grafito recubierto con una ligera capa de cobre y posteriormente se le aplica aire a presión. La AWS le asigna la nomenclatura AAC del inglés Are Air Cutting, que traducido es "corte con arco de
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PROCESOS DE SOLDADURA
aire"; aunque es más conocido como corte con arco de carbono y aire (véase figura 13). Con este proceso se puede cortar cualquier metal, ya que a diferencia del OAC, no depende del fenómeno de la oxidación. Variables esenciales y reglas básicas del proceso AAC Las variables de este proceso con respecto al SMAC consisten en la diferencia de electrodos y el empleo de aire comprimido suministrado por un tanque de almacenamiento, o bien, directamente de un compresor, por lo que el maneral o portaelectrodo es diferente.
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Como se maneja aire a presión, es necesario el empleo de válvulas, manómetros de presión y mangueras para suministrar el aire hasta el maneral.
FIGURA 13. Portaelectrodo para el proceso de arco de carbón y aire Clasificación AWS para electrodos Los electrodos para este proceso no aportan material, consisten en una varilla de carbón o grafito la cual puede estar protegida con un recubrimiento de cobre principalmente, el cual ayuda a actuar como conductor eléctrico y a evitar la posible oxidación del mismo. La composición del electrodo tiene mucha importancia sobre los resultados obtenidos con este proceso.
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PROCESOS MÁS COMUNES DE SOLDADURA Y CORTE DE METALES
Es importante que sea entendida la diferencia entre los electrodos de grafito y los de carbón. El carbón es un producto de coke* calcinado y pulverizado, mezclado con otros ingredientes y tratado por varios días a una temperatura de 1800° F en un horno cerrado, mientras que el grafito recibe un tratamiento posterior a mayor temperatura durante el cual cambia sus propiedades, dando como resultado esta diferencia. Los electrodos con recubrimiento de cobre son los más caros y, aunque de menor tamaño, se requiere mayor corriente eléctrica para usarlos, pero se mantiene el mismo diámetro durante todo el trabajo dando como resultado una ranura uniforme, además es más cómodo, se desgasta menos el electrodo y no se quiebra fácilmente. Los electrodos son comerciales y vienen en diámetros de 3/16, 1/4, 5/16, 3/8, 1/2 y 5/8 de pulgada. La tabla 14 muestra el tipo de corriente a utilizar para los diferentes materiales. TABLA 14. Relación de tipo de corriente y polaridad dependiendo del material Material
Polaridad
Comente
Acero
CD
Inversa
Acero inoxidable
Inversa
Aleaciones de cobre
CA o CD CA o CD CA o CD
Inversa o Directa
Aleaciones de Níquel
CA o CD
Directa
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Hierro fundido y dúctil
Inversa
La tabla 15 nos indica la cantidad de corriente adecuada según el diámetro del electrodo. TABLA15. Relación de la cantidad de corriente dependiendo del diámetro del electrodo Electrodo
5/32
3/76
Amperaje mínimo
90
150
Amperaje máximo
150
200
1/4
5/16
3/8
1/2
5/8
200
250
350
600
800
400
450
600
1000
1200
* Mineral para extracción.
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PROCESOS DE SOLDADURA
Equipo de trabajo y de seguridad utilizado
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a) De trabajo • Fuente de potencia. Para el proceso AAC se puede utilizar cualquier fuente de potencia estándar para soldar (máquina soldadora), siempre y cuando tenga un voltaje en circuito abierto (VCA) de cuando menos 60 voltios. La corriente alter na (CA) sólo se puede emplear con electrodos para ella. Si se utiliza un rectifi cador, debe ser trifásico. A menudo se utilizan generadores, pero aumentan la intensidad del ruido debido a las fuertes ondas de potencia que emiten durante el proceso. Sin embargo hay que recordar que los electrodos de carbón requie ren mayor intensidad de corriente que los electrodos revestidos de un mismo diámetro, por lo mismo, se debe usar una protección contra descargas. • Electrodos. Hay diversos tipos de electrodos disponibles para AAC; algunos son redondos, otros semiredondos y planos. Entre los electrodos redondos disponibles hay algunos que se atornillan en otros para formar un electrodo continuo. Los electrodos para corriente continua (CC) pueden ser lisos o con revestimiento de cobre; los electrodos para CA siempre son de este último tipo. El electrodo de empleo más común es el de carbón y grafito revestido con cobre, similar al que se utiliza para la soldadura con arco de carbón. El tamaño del electrodo determinará la anchura máxima de la ranura, la cual, como regla empírica, debe ser alrededor de 3 mm más ancha que el electrodo. • Suministro de aire. En el proceso AAC se utiliza el aire comprimido normal de una tubería, un compresor o un cilindro. La presión correcta dependerá del tamaño del electrodo que se utilice, pero no debe ser menor de 275 kilos pascales (kpa) (40 psi) ni mayor de 700 kpa (100 psi). El volumen de aire debe ser suficiente para arrastrar el metal fundido. • Portaelectrodo. El electrodo se sujeta en las mordazas del portaelectrodo, que se puede girar a cualquier ángulo. Las mordazas tienen conductos para aire que permiten dirigirlo a lo largo de la trayectoria del electrodo hacia el metal fundido. El portaelectrodo tiene un botón o palanca que se oprime para que pase el aire comprimido. La corriente y el aire se suministran al portaelectrodo con un cable especial (véase figura 13). Hay una variante del pro ceso AAC llamada SLICE. b) De seguridad El equipo de seguridad empleado es el mismo que para cualquier proceso de arco ya descrito anteriormente.
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PROCESOS MÁS COMUNES DE SOLDADURA Y CORTE
FIGURA 14. Proceso de corte y ranurado de arco de carbón y aire
DE METALES
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FIGURA 15. Digrama del proceso con arco de carbón y aire
Ventajas y desventajas del proceso AAC a) Ventajas • Se aplica a casi todos los metales ya que no depende del fenómeno de la oxidación. • Sólo requiere del mismo equipo de trabajo y protección que en SMAW, excepto por el electrodo. • Fácil de operar. b) Desventajas
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• Los electrodos son relativamente caros. • Cuando se aplica con electrodos gruesos se requiere de una fuente de poder de alta capacidad de amperaje y ciclo de trabajo elevado.
FIGURA 16. Aplicación de AAC
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PROCESOS DE SOLDADURA
NUEVO SISTEMA SLICE DE ARCAIR
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H ERRAMIENTA DE CORTE PARA USO GENERAL
USTED LO PUEDE CORTAR
TRABAJE EN ESTA FORMA
Al contrario de otra técnica de corte, el singular, nuevo sistema Slice de Arcair puede cortar, quemar, fundir o vaporizar virtualmente cualquier material o compuesto metálico o no metálico que se pueda encontrar. Materiales tales como concreto reforzado con acero, aluminio, latón y otros metales no ferrosos como vidrio y cerámica, toda clase de hierro, plásticos, mastiques, lodo horneado y herrumbre, acero dulce, acero inoxidable y aleaciones de acero, fundiciones cubiertas de arena, escoria y materiales refractarios, madera, ladrillo y hasta magnesio.
El sistema Slice usa una antorcha especial que alimenta corriente y oxigeno a un electrodo Slice exothérmico de corte. Se usa oxígeno y ya sea una batería de 12 voltios o cualquier tipo de máquina de soldar. La batería da facilidad de transportación, la máquina de soldar provee una conveniente estación de trabajo y cuando sea necesario, temperaturas de corte más elevadas. En cualquier caso simplemente abra el oxígeno y toque la pieza con el electrodo o al encendedor. El electrodo enciende inmediatamente.
MANEJA DOCENAS DE TRABAJOS DE CORTE
MAYOR ENERGÍA EN EL CORTE
Una vez que se ve ei sistema Slice de Arcair en acción, se pensarán varias maneras de uso para los trabajos de corte más pesados. Se encontrará que es ideal en renovación de partes o mantenimiento y reparación de equipo pesado y flotillas de vehículos. Quema a través de vigas de acero, cubiertas de puentes, tubería aislada con yeso y toda clase de chatarra. En fundiciones use el sistema Slice para remover peraltes de fundiciones o para cortar el sobrante de hierro maleable en piezas para volver a fundir. Incluso corta materiales cubiertos con lodo o herrumbre. Nunca ha habido una herramienta de corte más versátil.
Una vez que la reacción exothérmica se inicia, el electrodo Slice continua quemándose con o sin corriente, mientras se mantenga el flujo de oxígeno. Cuando se utiliza una máquina de soldar mientras se trabaja con metales conductivos, el electrodo alimenta más de 5538°C (10,000°F) en el corte, pero aun sin corriente produce temperaturas suficientemente altas para vaporizar acero inoxidable.
FIGURA 17. Sistema Slice de Arcair
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2 3 PROCESO DE SOLDADURA POR ARCO METÁLICO CON PROTECCIÓN DE GAS (GMAW) Generalidades del proceso de soldadura GMAW En el proceso GMAW (arco metálico protegido con gas) el micro alambre es protegido con helio y CO 2 y contiene las propiedades específicas que se le quiera dar a la soldadura protegida por los gases. En el proceso de fusión el metal base y el de aporte quedan en estado líquido debido a la temperatura que aporta el arco, logrando un intercambio molecular entre los metales que intervienen. Aquí explicaremos, poco a poco, todo lo necesario para poder comprender mejor este proceso y saber cómo funciona el mismo, con el fin de lograr una óptima aplicación. a) Definición del proceso Proceso de soldadura que recae en los procesos por fusión y por arco eléctrico para la unión de metales ferrosos y no ferrosos. Se hace a través de un circuito eléctrico formado por un electrodo consumible y continuo, con una atmósfera protectora de gas inerte y una pieza metálica unida al otro borne de la máquina de soldadura, con lo que se cierra el circuito.
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Según la AWS este proceso es denominado como GMAW, soldadura de arco metálico con protección de gas inerte, otra de las formas más comunes de nombrar este proceso es MIG. Pero en este documento, aplicaremos el nombre designado por AWS; aunque también es conveniente mencionar que principalmente en aceros estructurales, el gas de protección es el CO2 el cual no es inerte, sino activo, por ese hecho se designa MAG (Microwire Active Gas). En la tecnología moderna, la soldadura ha venido adquiriendo cada vez mayor importancia, debido a la creciente demanda de productos, a la extensión de la soldabilidad de los materiales y al aumento de los requerimientos de calidad cada vez más estrictos, por lo que las características de los equipos y las condiciones de aplicación de la soldadura han mejorado y por ende redundan en la cantidad y calidad de soldaduras. El proceso GMAW ha sido una de las creaciones tecnológicas más recientes de la soldadura, en la que se combinan las ventajas del arco eléctrico y la llama de los procesos con gases, llegando a obtener una máxima eficiencia. En su forma semiautomática no se requiere tener experiencia, pues con unos cuantos conocimientos básicos se puede llegar a tener una gran habilidad en este proceso
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PROCESOS DE SOLDADURA
sin necesidad de muchas horas de práctica y de la gran ayuda de la robótica en la que sólo se requiere una programación sencilla para que el robot realice una amplia serie de operaciones.
FIGURA 18. Ejemplo de la aplicación del proceso GMAW Variables esenciales y reglas básicas del proceso GMA W La obtención de una buena soldadura depende de una serie de factores llamados variables esenciales las cuales se enumeran a continuación: a) Tipo de máquina. Debe ser de potencial constante como se describe más adelante, también influye la capacidad de la máquina y el estado en que se encuentre.
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b) Voltaje del arco. La diferencia de potencial o voltaje entre el electrodo y el metal base determina el tipo de transferencia de arco que se empleará y de ello tam bién dependen otros factores como la calidad y la apariencia de la soldadura.
FIGURA 19. Aplicación del proceso GMAW semiautomático c) Tipo y diámetro del electrodo. Es importante la adecuada selección del electrodo ya que de ello dependen factores como la velocidad de alimentación
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del mismo, cantidad de voltaje, tipo y cantidad adecuada de gas y la velocidad de avance al aplicarse la soldadura, así como la posición a soldar, sin dejar de considerar el metal base, para que se efectúe una soldadura lo más homogénea posible. d) Velocidad de alimentación del alambre. Como ya se mencionó, de éste de pende la cantidad de voltaje que se aplicará en la soldadura y se selecciona rá directamente en la máquina que se utiliza. e) Distancia de la boquilla al metal base. También conocida como longitud de arco, y como ya se dijo, de éste depende el tipo de transferencia a usar se; se recomienda que para materiales delgados esta distancia oscile entre 3 y 5 mm y para materiales gruesos entre 5 y 8 milímetros. f) Tipo de gas de protección. Es importante definir el tipo de soldadura a reali zarse y el tipo de trasferencia que se usará, ya que de esto depende el gas de protección o mezcla de gases que se usará. Tipos de transferencia
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La transferencia del material de soldadura del alambre electrodo a la pieza en soldadura puede ser de corto circuito {short circuit), transferencia globular (globular transfer) o transferencia pulverizada (spray transfer). Se llama transferencia de corto circuito, cuando el alambre electrodo hace contacto con la acumulación de soldadura derretida provocando un corto circuito que toma el nombre de soldadura de arco por corto circuito. Cuando las pequeñísimas gotas de metal cruzan la boquilla a intervalos del arco, ya sea por fuerza de gravedad o por fuerza electromagnética se trata de transferencia globular. En todos los procesos la aplicación de la soldaduras se rige por medio de factores determinantes, en el proceso Gas Metal Are Welding (GMAW), los factores que más influyen son: Tipos de corriente de soldadura e intensidad Densidad de corriente Composición del metal de aporte Extensión de electrodo
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PROCESOS DE SOLDADURA
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Gas de protección Características de aprovisionamiento de la energía Composición del metal base — Transferencia por corto circuito. En soldadura de arco de corto circuito, se utilizan intensidades de corriente bajas, que producen poca acumula ción del material de soldadura y de rápido enfriamiento. Este tipo de apli caciones se indican generalmente para soldaduras de uniones delgadas y para rellenar aberturas de raíces muy grandes (véase figura 21). — Transferencia globular (Globular Transfer). Se llama transferencia globu lar cuando se usa una fuente de poder de corriente directa con el alambre electrodo conectado al polo positivo y se hace uso de una densidad de corriente relativamente baja sin importar el gas de tipo de protección. Se debe aclarar que la protección con gas CO2 puede proporcionar este tipo de transferencia con todos los tipos de corriente de soldaduras usuales (véase figura 22). — Traspaso globular dirigido. El traspaso globular dirigido se puede obtener sin que provoque salpicaduras, haciendo uso de la protección de gas inerte y el arco suficientemente distanciado del material base para ase gurar el desprendimiento de las gotas antes de unirse con el material derretido; sin embargo, este modo puede no ser aceptado ya que produ ce poca penetración y/o refuerzo excesivo. — Transferencia pulverizada (Spray transfer). La transferencia pulverizada o spray transfer se obtiene por medio de una protección de gas argón o helio no inferior a 80% y determinada intensidad de corriente de soldadu ra. El traspaso del material de aporte cambia de globular a pulverizado, siendo que la corriente de la soldadura siempre está relacionada con el diámetro del alambre del electrodo. El método del arco pulverizado tiene una columna de arco muy fino y el material de aporte derretido se transfiere a través del aro en forma de gotitas (véase figura 23). — Soldadura de arco pulverizado (Pulseó spray). Con este método se puede soldar en todas las posiciones, con una intensidad de corriente de solda dura más alta que en las de arco por corto circuito. La variante de esta soldadura es la fuente de poder, que puede ser de dos niveles de potencia. El primero, es un nivel de fondo fijo que es muy bajo para producir una
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PROCESOS MAS COMUNES DE SOLDADURA Y CORTE DE METALES
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transferencia pulverizada. El segundo está formado por una corriente de intensidad de pulsaciones máxima, que está sobrepuesta a la corriente de fondo fijo en intervalos regulados.
FIGURA 20. Diagrama esquemático del proceso GMAW. Tipos de transferencia en el proceso GMAW
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PROCESOS DE SOLDADURA
Corriente de soldadura. En la soldadura GMAW la pendiente es el factor que controla la cantidad de corriente proporcionada por la fuente de poder, al momento que el alambre del electrodo sale de un tubo de contacto toca la pieza de trabajo formando el cortocircuito. El corto circuito es lo que determina la fuerza de compresión para que se derrita parte del alambre-electrodo, se separe de él y entonces forme el cordón de soldadura. Cualquiera de los cambios efectuados en el voltamper de la fuente de poder influirá en la pendiente que, de hecho, controla la corriente del corto circuito y con él la fuerza de compresión en el alambre electrodo. En el proceso GMAW se debe tener siempre en cuenta que el arco de la soldadura es el resultado de una combinación de voltaje-corriente.
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FIGURA 21. Transferencia por corto circuito
FIGURA 22. Transferencia globular
FIGURA 23. Transferencia por spray
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PROCESOS MÁS COMUNES DE SOLDADURA Y CORTE DE METALES
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— Inductancia. Cuando en una fuente de poder la carga cambia, la corriente debe de tener un tiempo suficiente para llegar al nuevo nivel programado; esta demora se debe a la inductancia que se encuentra en la fuente de poder. Se puede decir que la velocidad de aumento de corriente y el tiem po del arco lo establece la inductancia de la fuente de poder. Usar un poco de inductancia en el método de soldadura con arco pulverizado es una ayuda considerable en la operación de la soldadura, porque permite un arranque rápido y suave del arco sin reducir la cantidad de corriente de soldadura. — Voltaje. Los factores que afectan la operación del arco en el proceso de soldadura eléctrica manual con electrodo recubierto, también afectan el arco en el proceso de soldadura GMAW. El voltaje es el potencial eléctri co existente entre la pieza de trabajo y la punta del alambre electrodo, a este factor comúnmente se le llama voltaje al arco y está indicado por el medidor de la fuente de poder, siendo el resultado de una medida directa del tamaño del arco. .Si en la operación de soldadura se mantiene una longitud de arco largo, el voltaje al arco será más alto. Por el contrario, al mantener una longitud de arco corta disminuirá el voltaje del mismo. Por este motivo un soldador puede cambiar la velocidad de fusión del electrodo variando el voltaje de arco.
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Clasificación AWS para electrodos El alambre electrodo que se utiliza en el proceso GMAW generalmente es de la misma naturaleza que la del material base, es decir se realizan soldaduras homogéneas, sin embargo también se puede utilizar alambre electrodo de cobresilicio o cobre fosforado para todas las aleaciones ferrosas, aleaciones de cobre (latón y bronce) o bien para cobre puro. En cualquiera de los casos el alambre electrodo se suministra en rollos de 50, 20, 2 y 1 libras donde también es importante el diámetro: • De 0.64 mm (0.025 pulg.) a 1.52 mm (0.062 pulg.) se le llama micro alambre • Mayor de 1.52 mm (0.062 pulg.) a 3 mm (0.125 pulg.) se le llama alambre
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PROCESOS DE SOLDADURA
La tabla 16 nos puede ayudar para seleccionar el amperaje adecuado en función del diámetro del alambre-electrodo. La AWS también tiene una clasificación de los electrodos (microalambre) usados en el proceso GMAW la cual se describe en la tabla 17. TABLA 16. Relación entre el diámetro del alambre-electrodo y el amperaje adecuado Diámetro mm
Amperaje
pulgadas
(A)
0.64
0.025
110-150
0.76
0.030
140-180
0.89
0.035
150-200
1.14
0.045
160-250
1.58
0.062
275-400
1.94
0.078
350-500
2.38
0.093
400-500
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TABLA 17. Clasificación AWS de los alambres-electrodo para GMAW
Letra E
Número
Letra
Sufijo. Clasificación basada en la composición química del alambre
Electrodo Resistencia S = electrodo Número y/o para mínima a la de alambre letra soldar con tensión del sólido 12 arco metal U = electrodo 34 depositado con 56 en miles de requerimiento G libras por emisor de 1B pulgada electrones, GB cuadrada estabilizador del arco en polaridad directa
Significado Con un mínimo de silicio 0.20 de desoxidantes Al, Zr, Si, Ti, Mn Similar al 2 pero con más silicio Con más cilicio que los anteriores Con aluminio como desoxidante Para cordones resistentes al impacto No incluidos en clasificaciones anteriores Para soldaduras con calidad con CO2 Con desoxidante y aleaciones no incluidas en 1B
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FIGURA 24. Fuente de poder de potencial constante para GMAW Tipos de corriente En la gran mayoría de las aplicaciones del proceso GMAW se requiere el uso de corriente continua o corriente directa con polaridad invertida (electrodo conectado al polo positivo), ya que proporciona las condiciones ideales en el proceso de aplicación: buena estabilidad de arco, suave transferencia del metal y buena apariencia de los cordones, casi exentos de salpicaduras. Equipo de trabajo y de seguridad utilizado
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a) De trabajo • El equipo básico — — — — — — —
Fuente de poder Unidad de control Fuente de alimentación Equipo de gas protector Maneral Gas de protección Alambre del electrodo
— Fuente de poder. En el proceso GMAW se usan generalmente fuentes de poder con las siguientes características: ser un generador o trans formador con rectificador, que puede ser de corriente directa o de co-
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PROCESOS DE SOLDADURA
rriente constante. La fuente de poder y el mecanismo de flujo del electrodo son sincronizados para obtener una mejor eficiencia y estabilidad del arco (véase figura 24). Una de las ventajas que se obtienen es que la máquina en vez de tener un ciclo de trabajo de 60% opera con uno de 100%, además todos los equipos semiautomáticos que existen en la actualidad brindan las siguientes ventajas y resultados:
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Reducir tiempos de aplicación Reducir tiempos de limpieza Reducir pasos de soldadura Posibilidad de soldar en todas las posiciones y espesores Menor tiempo para adquirir habilidad Eliminar pérdidas por sobrantes de colillas Obtener apariencia excelente en la soldadura Reducción de distorsiones Soldabilidad de una gran variedad de metales — Unidad de control. Normalmente es un cuerpo separado de la fuente de poder, puede o no estar integrada con la fuente de alimentación. Este sistema controla las funciones de otros elementos importantes y éste a su vez es controlado por el operador o programador en equipos automá ticos, lo cual nos permite tener un máximo de eficiencia pues coordina la mayoría de las funciones del equipo (véase figura 25). Una vez ajustado el voltaje podemos seleccionar la cantidad de alambre-electrodo, es decir la velocidad de alimentación, en pies/minuto de metal de aporte. Al ajustar la velocidad de avance estaremos regulando el voltaje en forma automática ya que varía proporcionalmente a la velocidad de salida del metal de aporte. — Fuente de alimentación. Es muy común que hoy en día las consolas o unidades de control cuenten con un sistema de conducción del alambre electrodo que lo jala y lo empuja a través de un maneral, éste pueden tener o no un sistema de enfriamiento. Todo ello facilita su uso y aplica ción (véase figura 26). — Equipo de gas protector. Puede ser estacionario (sistema automático) o colocado en el equipo de soldadura (véase figura 27).
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FIGURA 25. Unidades de control para GMAW
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Maneral. Se le llama maneral o antorcha al accesorio que cumple la función de portaelectrodo y que es operado automáticamente por el soldador, de ahí que se dice que el proceso GMAW es semiautomático ya que al oprimirse el gatillo se cumplen funciones primordiales las cuales son: Alimentación de energía eléctrica al electrodo y, como consecuencia, el encendido del arco eléctrico. Suministro de micro alambre a velocidad constante predeterminada. Suministro de gas de protección accionando la válvula solenoide, la cual se activa al instante para evitar fugas innecesarias de gas.
FIGURA 26. Fuente de alimentación en un equipo GMAW
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Existen principalmente dos tipos de antorchas: 1. De empuje. En este tipo, las ruedas motrices están dentro de la unidad alimentadora, normalmente se utilizan electrodos de diámetro grande (véase figura 28). 2. De tracción. Los rodillos están contenidos en la pistola y se utilizan electro dos de menor diámetro (véase figura 29).
Equipo de gas protector
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FIGURA 27. Equipo de gas de protección instalado en el equipo de soldadura
Boquilla Mango
Protector
Cable
FIGURA 28. Antorcha de empuje
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Carrete de electrodo
FIGURA 29. Antorcha de tracción
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Cables
Gas de protección. Este gas se utiliza para proteger el cordón de impurezas que se pueden adquirir por medio del aire. Se utilizan gases inertes (MIG) o gases Activos (MAG). En la naturaleza existen seis gases inertes que son: helio, argón, neón, criptón, radón y xenón. De estos gases sólo el helio y el argón son los que se utilizan en la soldadura, esto se debe a que se obtienen por medio de la licuefacción y destilación del aire en cantidades considerables, y son completamente inertes. El gas activo que se utiliza comúnmente en GMAW es el bióxido de carbono CO2, el argón, el helio y éste último pueden utilizarse solos o como mezclas, el oxígeno debe emplearse siempre mezclado y el nitrógeno se considera también inerte, pero sólo bajo condiciones especiales. Las propiedades que deben cumplir los gases de protección para este proceso son: Energía de ionización Disociación molecular Conductividad térmica Actividad química Las dos primeras se refieren a la capacidad que tienen los gases para conducir corriente eléctrica, esto influye en la facilidad para abrir y mantener el arco.
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La conductividad térmica influye en la estabilidad del arco y ofrece variaciones importantes en la penetración y forma del depósito de soldadura. La actividad química se refiere al tipo de reacción que ocurre entre el material base y el gas que se encuentra formando la atmósfera; la actividad puede ser oxidante o reductora. Los gases que se utilizan de acuerdo a los metales que se van a soldar son: Argón
Bióxido de carbono CO2 Mezcla Argón-CO2 Mezcla Argón-Helio
Para metales no ferrosos: aluminio, cobre, antimonio e incluso acero inoxidable Para metales ferrosos y aleaciones ferrosas Para metales ferrosos Para metales no ferrosos
— Alambre del electrodo. Consultar clasificación de acuerdo a la AWS (véase tabla 17 y figura 30). • Otras variables del equipo
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— Mangueras y cables Se necesitan cables para conducir la corriente. También se necesitan medidores de flujo para medir el flujo de gas (véase figura 31).
FIGURA 30. Alambre electrodo o microalambre para GMAW FIGURA 31. Accesorios complementarios para GMAW
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— El posicionador. Existen varias unidades de manejo robustas adaptadas para producción con robot. Estos posicionadores tienen movimientos programables y exactos proporcionando la manipulación correcta de las piezas de trabajo. Los diseños de los movimientos varían en los posicionadores que, exceptuando las unidades más pesadas, operan según el principio de estación plural. Esto significa que la estación de soldadura maneja por lo menos dos piezas de trabajo simultáneamente. b) De seguridad Prácticamente el equipo de seguridad empleado para aplicar soldaduras con el proceso GMAW es el mismo que se emplea al soldar con SMAW debido a que, como ya sabemos, son procesos de soldadura por arco eléctrico; se recomienda repasar el tema en el punto anterior de este mismo capítulo. Ventajas y desventajas del proceso GMAW a) Ventajas
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Soldabilidad en metales ferrosos y no ferrosos Se puede soldar en todas posiciones No hay remoción de escoria, y en consecuencia, hay ahorro de tiempo La distorsión de los metales por el calor es considerablemente reducida La relativa alta velocidad de aplicación proporciona economías (aproximadamente 1 metro/minuto) Se puede soldar en espesores delgados (hasta 0.024 pulgadas) Muy poco chisporroteo No usa fundente Se considera de alta productividad Se pueden hacer soldaduras continuas de gran longitud b) Desventajas Elevado costo en el equipo y accesorios Se requiere gas de protección, por lo que aumenta el costo de producción aunque muy poco Se requiere de habilidad y capacitación en el soldador para obtener resultados óptimos
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Se necesita contar con todo el equipo tanto de trabajo como de protección adecuados para evitar accidentes c) Recomendaciones de seguridad e higiene Las medidas de seguridad en ocasiones se tratan como generales, pero en este proceso, se exige una variación en la aplicación de las medidas de seguridad con respecto de otros procesos. Los siguientes serán los puntos a tratar en este proceso: Precauciones eléctricas Precaución con gases comprimidos Limpieza del área de soldadura Precaución contra incendios y explosiones Ventilación Equipo de protección en soldadura Precauciones eléctricas. En este proceso los riesgos eléctricos son mucho menores que los que tiene el proceso de arco eléctrico con electrodo revestido, siendo que en el primer proceso los rangos de voltaje varían de 20 a 30 voltios y en el de arco eléctrico pueden llegar hasta un máximo de 90 voltios.
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Es oportuno mencionar que muchos equipos de soldadura GMAW tienen manerales de corrientes de 110 a 120 volts, que se emplean para controlar circuitos. Deberán respetarse las siguientes normas: Evitar circuitos de alimentación viva Utilizar aisladores Evitar voltajes de circuito abierto Conectar a tierra el equipo Evitar sobrecarga o malas condiciones del equipo Evitar humedad Precauciones con gases comprimidos. En este proceso se deben utilizar exclusivamente, cilindros que cumplan con las especificaciones y exigencias que internacionalmente se establecen con el fin de salvaguardar la integridad del usuario y de la gente del ramo. Los cilindros deben asegurarse debidamente a los equipos de soldar, de manera que no puedan caerse, además los cilindros no se deben tirar al suelo, estar expuestos por largo tiempo al sol, utilizarlos como rodillos, ponerlos en contacto con circuitos o manejarlos de manera que pongan en riesgo la integridad física de las personas.
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Debemos recordar también que las válvulas de salida son peligrosas si no se cuidan adecuadamente, no deben lubricarse las conexiones del gas y hay que evitar colgar los manerales de soldadura arriba de los reguladores. Precaución contra incendios y explosiones. Con respecto a otros procesos éste es más seguro, debido a que las salpicaduras se desprenden y enfrían rápidamente, y con respecto al proceso oxiacetilénico, es menor el peligro de los gases inertes o de protección. Ventilación. Todos los procesos de soldadura producen gases tóxicos para el soldador. Normalmente se reconoce que un soldador en sus labores debe tener una ventilación natural de 10,000 pies cúbicos de aire libre.
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Es creencia de muchos soldadores que este proceso es mucho más tóxico que el de electrodo revestido, pero después de haber estudiado este asunto, las instituciones competentes han llegado a la conclusión de que a una distancia de 4 pulgadas de humo es insignificante la concentración de monóxido de carbono y que las inhalaciones del mismo no son dañinas, a menos que se trabaje en un lugar totalmente cerrado.
FIGURA 32. Aplicación del proceso GMAW de forma manual
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FIGURA 33. Aplicación del proceso GMAW de forma automatizada y robotizada
2.4 PROCESO DE SOLDADURA CON ARCO DE TUNGSTENO Y GAS (GTAW) Generalidades del proceso de soldadura GTAW La soldadura por arco eléctrico con electrodo no consumible y protección de gas inerte puede denominarse de las siguientes maneras:
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TIG : Tungsteing Inert Gas (tungsteno en gas inerte) WIG: Wolframio Inert Gas (wolframio en gas inerte) GTAW: Gas Tungsteing Are Welding (soldadura de arco de tungsteno en gas) En la soldadura de arco eléctrico con electrodo de tungsteno y con protección de gas inerte, el arco es producido entre un electrodo de tungsteno el cual no es consumible debido a su alta resistencia al calor (3410 °C). Dicho arco es protegido por un gas inerte o por una combinación de éstos, y se usa para establecer y calentar la unión mientras el metal de aporte (si se requiere) se introduce por separado. La soldadura por arco de tungsteno es similar a la oxiacetilénica, pero tiene un mayor campo de aplicación que ésta. Después de encendido el arco, la antorcha se mantiene estacionaria mientras se forma el baño de soldadura; si la intensidad de corriente es adecuada no tomará más que unos segundos y la superficie del baño será limpia y brillante. Una vez que se ha realizado el baño, se procede a la soldadura y se añade, si es necesario, el metal de aporte (véase figura 34).
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Dirección de
Gas de Electrodo de tungsteno Metal del trabajo soldado fundido Metal del trabajo soldado solidificado
Arco
Varilla de Metal base
desplazamiento
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FIGURA 34. Proceso de soldadura GTAW Cuando se corta la corriente y se apaga el arco, comienzan a enfriarse el electrodo y el baño, sin embargo debe mantenerse una corriente de gas adecuada hasta que pase el peligro de contaminación (oxidación). La elevada densidad de corriente eléctrica producida por este proceso hace posible soldar a mayores velocidades y obtener mayor penetración que con la soldadura de oxigás o con la soldadura de arco eléctrico con electrodos revestidos. Pueden hacerse soldaduras de gran calidad, dependiendo del ajuste del equipo y de la apropiada preparación del metal base, además de una adecuada limpieza. Este proceso puede ser manual, semiautomático o automático. Variables esenciales y reglas básicas del proceso GTAW Las principales variables a considerar en el proceso GTAW son: a) Intensidad de corriente. Ésta dependerá directamente del diámetro del electrodo (véase tablas19 y 20).
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b) Tipo de corriente. Puede ser de tres tipos: corriente alterna, corriente directa de polaridad directa y corriente directa de polaridad invertida (véase tablas 18 y 23). • Corriente continua y polaridad inversa. La circulación de electrones se pro duce desde la pieza de trabajo hacia el electrodo (positivo al electrodo), ori ginando un fuerte calentamiento en este último. Este calentamiento tiende a fundir el extremo del electrodo provocando contaminación al cordón de sol dadura. Para evitar esto la polaridad inversa requiere del empleo de electro dos de mayor diámetro que los empleados en polaridad directa, a la misma intensidad. Con electrodos adecuados la polaridad inversa origina sobre la superficie del metal base un efecto de limpieza. La polaridad también afecta la forma del cordón. La polaridad inversa produce cordones anchos y de poca penetración. La corriente continua con polaridad inversa da un baño muy limpio, pero la penetración es reducida (todo lo contrario a lo que sucede con el proceso GMAW). Debido a su acción de limpieza se pueden soldar con esta polaridad aquellos metales que presenten un óxido fuertemente adherido, es decir, aluminio y magnesio. Este tipo de corriente (CD polaridad invertida) no se utiliza nunca en el proceso GTAW, debido a las características que se obtienen en los cordones (anchos y poco profundos), ya que con corriente alterna se obtiene el mismo efecto de limpieza pero con cordones de mejores características. • Corriente continua y polaridad directa. Es la que permite obtener mejores resultados. Se obtiene al conectar el electrodo al polo negativo de la máqui na, pasando los electrones a través del arco hacia el metal base y originan do que se acumule un 70% del calor del arco en el metal base para ayudar a la fusión y a la penetración. Sin embargo no se consigue levantar el óxido, dando como resultado un arco errático. Puesto que la mayor concentración de calor se consigue en la pieza, la soldadura es más rápida y hay menos deformación del metal base y el baño de fusión es más estrecho y profundo que cuando se usa polaridad invertida. Además como la mayor parte del calor se genera en el baño de fusión, pueden emplearse electrodos de menor diámetro.
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La corriente continua con polaridad directa produce penetraciones profundas debido a que concentra el calor sobre la pieza (contrariamente a lo que sucede con la polaridad invertida en el proceso GMAW). Se deben soldar con esta polaridad aquellos metales que no presentan un óxido fuertemente adherido como el acero, el acero inoxidable, etcétera. • Corriente alterna. La corriente alterna es una combinación de corriente continua con polaridad inversa y con polaridad directa. Durante medio ciclo se comporta como una corriente continua y durante el semiciclo restante esta polaridad se invierte. La suciedad y los óxidos que se puedan acumular sobre la pieza dificultan la circulación de la corriente durante el semiciclo de polaridad inversa, denominándose a esta dificultad "fenómeno de rectificación". El fenómeno de rectificación provoca inestabilidad del arco e incluso llega a apagarlo. Por ello todas las fuentes de corriente alterna, para soldadura TIG, están dotadas de un generador de alta frecuencia. La corriente de elevada frecuencia, suministrada por este generador, salta entre el electrodo y la pieza, rompiendo la película de óxido y abriendo paso para la corriente principal. El cordón obtenido con corriente alterna tiene una penetración y una anchura intermedias entre las que se obtienen con polaridad inversa y polaridad directa, en corriente continua. La corriente alterna combina las ventajas de ambas polaridades. Limpieza en el semiciclo de polaridad inversa y aportación de calor necesario al cambiar la polaridad. De esta forma la corriente alterna resulta más adecuada que la corriente directa en la soldadura de aluminio y magnesio. En la tabla 18 se observan los tipos de corriente más adecuados para el tipo de metal a soldar. c) Tipo de electrodo de tungsteno. En la tabla 19 se pueden observar sugerencias de diámetro de electrodos recomendables para cada material, así como el tipo de gas de protección, sin embargo es recomendable revisar el tema de electrodos tratado con mayor profundidad más adelante.
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TABLA 18. Tipo de corriente recomendada para cada material a soldar en GTAW CA Alta Metal a soldar
frecuencia
CC-PD
CCPI
Acero suave (3-7 mm)
R
E
Acero suave (7-3 mm) Acero duro (3-7 mm) Acero inoxidable (1.5 mm máx.) Acero inoxidable 1.5 mm Aluminio hasta 2 mm Aluminio más de 2 mm Cobre Hierro colado Latón Magnesio hasta 3 mm Magnesio mas de 3 mm
N R E R E E N R R E E
E E R E N N E E E N N
N N N N N R N N N N R N
E: Excelentes resultados, R: Regulares resultados, N: No recomendable Nota: Para espesores finos hasta 6 mm las piezas se unen a tope sin tener ningún chaflán en ellas, o sea con bordes rectos. Para espesores superiores a 12 mm, la preparación más adecuada es la de X, siempre que se pueda realizar la soldadura por ambos lados.
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d) Preparación del metal base. Para este método de soldadura se requiere un metal completamente limpio, libre de óxido, aceite, grasa, pintura o humedad. El diseño de las juntas apropiado es en V, U o en J. El proceso GTAW no se recomienda para espesores de más de 20 mm (3/4 pulg.). Se pueden soldar sin embargo placas de hasta 25 mm (1 pulg.) de espesor. Pero resulta muy lenta y cara esta operación. La mayoría de las aplicaciones se encuentra en espesores menores a 12 mm (1/2 pulgada). Electrodos y materiales de aporte. Clasificación AWS Los electrodos que se emplean en este proceso los podemos clasificar de la siguiente forma, según la AWS: Electrodos de tungsteno puro (color de identificación verde). Este electrodo se puede utilizar para soldar aluminio y magnesio EWP. Además se recomienda para aplicaciones generales la tabla 19 porque nos muestra la relación entre el diámetro del electrodo, tipo de corriente recomendada y el gas de protección sugerido.
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TABLA 19. Diámetro del electrodo, corriente y gas recomendados Diámetro del
CA-AF Argón
CD Argón
CD Helio
electrodo mm
amperaje
amperaje
amperaje
1.01
20 a 70
25 a 70
30 a 90
1.58
50 a 125
50 a 135
60 a 150
2.38
100 a 160
125 a 225
140 a 250
3.17
150 a 160
215 a 360
240 a 400
Electrodos de tungsteno con torio EW-Th-1 Tungsteno con 1% de torio (color de identificación amarillo) Tungsteno con 2% de torio (color de identificación rojo) EW-Th-2
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La adición de torio aumenta la capacidad de corriente del electrodo. Para una intensidad dada, mantiene más frío el extremo del electrodo; facilita el encendido del arco; permite mantener un arco estable y disminuye el riesgo de contaminación del electrodo ante un posible contacto con la pieza de trabajo. Los electrodos con 2% de torio conservan más tiempo la forma puntiaguda del extremo que los de 1 % de torio. Los electrodos más ricos en torio se utilizan con mayor frecuencia en la soldadura de uniones críticas, en las industrias aeronáutica y espacial. Sin embargo apenas presentan ventajas sobre los menos toriados en la soldadura de aceros. En forma general, el electrodo con 1% de torio se aplicará en soldaduras de acero al carbón y el 2% de torio en soldaduras de acero inoxidable. La selección de la intensidad de corriente para estos electrodos se puede establecer con la tabla 20. TABLA 20. Corriente y gas recomendados de acuerdo al diámetro del electrodo toriado Diámetro del electrodo mm
CA-AF Argón amperaje
CD Argón amperaje
CD Helio amperaje
1.01
20 a 80
25 a 80
30 a 100
1.58
50 a 145
50 a 145
60 a 160
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PROCESOS DE SOLDADURA
Electrodos de tungsteno con circonio EW - Zr Tungsteno con circonio hasta 1% (color de identificación café) WE-Zr-1 Tungsteno con circonio hasta 2% (color de identificación azul) WE-Zr-2 Estos electrodos no son comerciales, ya que su costo es sumamente elevado, reduciéndose su uso a soldaduras muy especiales de plata, oro, berilio o aleaciones cromo-vanadio. Aunque se dice que los electrodos no se consumen, se desgastan por la limpieza y por el uso continuo. Los electrodos se proporcionan lo más limpio posible, ya sea por medio de químicos o pulidos. Para obtener buenos resultados en la soldadura debe utilizarse un electrodo afilado correctamente. En general, deben afilarse en punta para soldar con corriente continua; y en forma semiesférica para soldar con corriente alterna. a) Afilado de electrodo de tungsteno puro
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El afilado de los electrodos se efectúa con piedra de esmeril. El afilado del electrodo quedará con una distancia de dos diámetros de punta y el rayado en forma longitudinal, debe quitar con el esmeril lo agudo de la punta, dejando ésta en una forma redonda (véase figura 35). Una vez afilado de esta manera el electrodo, con la punta redonda se coloca en la antorcha, se establece el arco eléctrico momentáneamente, formándose una protuberancia en la punta, esto se hace utilizando corriente alterna con alta frecuencia. Este tipo de afilado se realiza para soldar aluminio y magnesio. b) Afilado de electrodos de tungsteno con torio El afilado se realiza de manera similar al de los electrodos de tungsteno puro, pero quedando la punta de afilado con una distancia de 3 diámetros del electrodo, el rayado del esmeril será longitudinal. Por último, se debe despuntar el electrodo para que quede aproximadamente a 1/8 del diámetro de la punta (véase figura 36). Este afilado se utiliza para soldaduras de acero al carbón y también de aceros aleados.
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FIGURA 35. Afilado del electrodo de tungsteno puro
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FIGURA 36. Afilado del electrodo con torio
Es importante que el electrodo esté completamente recto para que el chorro de gas protector y el arco sean concéntricos y se logre con ello la mejor protección posible.
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La forma del extremo del electrodo y la longitud del electrodo que sobresale de la boquilla regulan la estabilidad del arco. El valor de la corriente debe corresponder al diámetro del electrodo y al tipo de corriente a utilizar; si la corriente es demasiado alta para el diámetro del electrodo, se acorta la vida útil de éste; cuando la corriente es demasiado baja para el diámetro del electrodo, no se forma un arco estable. El extremo del electrodo debe permanecer brillante como si estuviese pulido. En los metales no ferrosos se contamina el extremo al iniciar la operación por tocar el metal base. La contaminación se puede evitar esmerilando. El electrodo debe ajustarse para que sobresalga de la boquilla a una distancia igual al diámetro del electrodo o hasta dos veces. c) Metal de aporte Generalmente, para espesores finos no se requiere de metal de aporte, pero para el relleno de la junta al aumentar el espesor se hace indispensable el uso del mismo. El metal de aporte debe ser de la misma composición química que el metal base, puede utilizarse de forma satisfactoria una tira de la misma placa o láminas a soldar.
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Como aporte para el proceso GTAW deben emplearse varillas fabricadas específicamente para este proceso que se clasifican de la misma forma que las empleadas en el proceso GMAW, las varillas de acero cobrizadas no deben aplicarse a la soldadura TIG, porque contienen elementos que contaminan al electrodo de tungsteno. Las varillas del proceso TIG contienen mayor cantidad de sustancias desoxidantes. En general, el diámetro de la varilla debe ser igual al espesor de las piezas a soldar. Equipo de trabajo y de seguridad utilizado a) De trabajo El equipo que se requiere para el proceso de soldadura GTAW consta de las siguientes partes:
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Fuente de poder Unidad de alta frecuencia Maneral, antorcha o portaelectrodos Electrodo de tungsteno puro o aleado Gas de protección Manómetros y flujómetros Pinza de tierra • Fuente de poder. Pueden emplearse máquinas convencionales para arco eléctrico con electrodos revestidos, ya sea de corriente alterna o de corriente directa. Sin embargo, se debe tener un buen control de las intensidades de corriente empleadas ya que son muy pequeñas y se busca conseguir una buena estabilidad del arco, especialmente en espesores muy delgados (0.065, 0.083 pulgadas de espesor). Cuando se utilicen máquinas de corriente directa que no cumplan con buen control de bajas intensidades de corriente, se recomienda conectar una resistencia al cable de tierra, entre la máquina y la pieza de trabajo, para conseguir un arco estable incluso a muy bajas intensidades. En cuanto a las máquinas de corriente alterna, deben equiparse con un generador de alta frecuencia con dispositivos de control para la máquina GTAW. Otros aditamentos para convertir una máquina convencional en una máquina de GTAW son:
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Válvulas para la circulación de gas de protección y válvulas para la circulación de agua de refrigeración La elección de tipos de fuente de poder más adecuada depende del metal a soldar. Algunos metales se sueldan más fácilmente con corriente alterna mientras que otros, para conseguir buenos resultados requieren de corriente continua.
Cable y pinza de tierra
FIGURA 37. Fuente de poder para proceso GTAW
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• Unidad de alta frecuencia. El generador de alta frecuencia debe cumplir las funciones siguientes: permitir el inicio del arco sin tocar la pieza de trabajo y estabilizar el arco durante la operación de soldadura. Para cumplir estas funciones la unidad de alta frecuencia, que se encuentra por lo general en el interior de las fuentes de poder del proceso GTAW, tiene un interruptor para seleccionar la forma en que se desee que trabaje esta alta frecuencia. Dicha selección se logra con un interruptor que tiene tres posiciones a saber: — Arranque. Se emplea cuando se desea usar la alta frecuencia únicamente para establecer el arco. La alta frecuencia permanece en acción sólo hasta que se ha establecido el arco y queda a continuación eliminada automáticamente del circuito. Esto permite iniciar el arco sin tocar con el electrodo la pieza de trabajo, lo cual es ventajoso en materiales que pudieran contaminar al electrodo.
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Esta posición se utiliza usualmente para corriente directa, en metales ferrosos y aceros aleados. — Paro o fuera. Se emplea cuando no se desea alta frecuencia, por ejemplo cuando se suelda con arco eléctrico y electrodo revestido. — Continua. Esta posición proporciona alta frecuencia continua para la es tabilización del arco durante toda la operación de soldadura. Se emplea para soldar con corriente alterna, aluminio o magnesio. En la actualidad es común que esta unidad de alta frecuencia se encuentre posicionada dentro de la misma fuente de poder y para accionarla basta con seleccionar cualquier posición antes mencionada (véase figura 37).
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El generador de alta frecuencia puede estar compuesto por los siguientes elementos: — Control de intensidad de alta frecuencia. Este control o reóstato variable permite al operador escoger la intensidad apropiada en la salida de co rriente de alta frecuencia. Al aumentar el valor de ajuste de este control aumenta la corriente de alta frecuencia, ésta debe ajustarse a la intensidad necesaria para iniciar el arco. Se recomienda que este control se manten ga al ajuste mínimo con que se logre una iniciación satisfactoria de la sol dadura. A un mayor valor de ajuste corresponde una mayor cantidad de radiación, que puede causar interferencias en equipos de comunicación. — Descargadores o chisperos. Este dispositivo proporciona el voltaje apro piado al circuito. Generalmente la salida de alta frecuencia varía directa mente con la distancia del descargador. Los descargadores vienen ajustados de fábrica a una distancia de 0.20 mm (0.008 pulg.). En casos extremos donde se requiere de mayor cantidad de alta frecuencia será necesario reajustar esta distancia a 0.25 mm (010 pulg.) o hasta 0.33 mm (013 pulg.). Ésta, naturalmente, incrementa también la radiación de alta frecuencia y es preferible usar el mínimo de distancia (entre 0.10 y 0.20 mm) para obtener una operación satisfactoria. • Maneral, antorcha o portaelectrodo. El maneral (cuerpo) está hecho de resina fenólica moldeada de alto impacto, haciéndola resistente al trabajo rudo y es fácil de manejar y operar (véase figura 38).
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Su función es conducir la corriente y el gas de protección hasta la zona por soldar. Pueden ser enfriados por aire o por circulación de agua. Los empleados con aire se usan al soldar espesores finos, que no requieren demasiada intensidad de corriente, y los enfriados por agua se recomiendan en trabajos que requieren de más de 150 ampers La circulación de agua se realiza por el interior del soplete para evitar sobrecalentamiento en el mismo.
FIGURA 38. Maneral, antorcha o portaelectrodo con accesorios para GTAW El electrodo se sujeta rígidamente mediante un conjunto de mordazas y portamordazas, que se encuentra en el cuerpo del maneral. Cada maneral cuenta con un juego de mordazas y portamordazas de distintas medidas para sujetar electrodos de distintos diámetros. El juego de mordazas y portamordazas varía de acuerdo al diámetro del electrodo que se va a utilizar, existiendo la posibilidad de elegir entre los siguientes diámetros:
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TABLA 21. Relación entre milímetros y pulgadas de diámetro de electrodos para GTAW milímetros
pulgadas
1.01 1.58 2038 3.17 3.97
.040 1/16 3/32 1/8 5/32
El gas de protección llega a la soldadura a través de una boquilla de material cerámico, sujeta en la parte superior del maneral. La boquilla tiene la misión de dirigir y distribuir el gas de protección sobre la zona de la soldadura. Cada portaelectrodo va equipado con un juego de boquillas de diferentes diámetros. Las boquillas para gas se eligen de acuerdo con el tipo y tamaño de portaelectrodos y en función del diámetro del electrodo, pero en general, una orientación para su selección se puede obtener con la tabla 22.
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Actuando sobre un interruptor de control remoto situado en el portaelectrodos, se inicia la circulación de gas y de corriente. En algunos equipos, en lugar de este interruptor se cuenta con un pedal que permite un control más riguroso de la corriente de soldadura cuando nos aproximamos al final del cordón. TABLA 22. Relación de diámetros entre electrodo, boquilla y copa Diámetro del electrodo mm 1.6
Diámetro de boquilla mm 6-10
2.5 3.0 5.0
10-12 12-14 14-20
Copa infra núm. 4 5 6 7 8 10
Diámetro copa infra mm 6.35 7.93 9.52 11.11 12.70 15.87
Decreciendo gradualmente la intensidad de corriente, disminuye el cráter que se forma al solidificar el baño y hay menos peligro de que la parte final de la soldadura quede sin la protección de gas adecuada. • Electrodos. El electrodo que se emplea en este proceso es una varilla desnuda de tungsteno que se supone es no consumible en el arco eléctrico debido a su elevado punto de fusión (3400° C) y sólo se emplea para establecer y mantener el arco eléctrico con el metal base (véase figura 38).
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Estos electrodos tienen un estándar de 7 pulgadas y se pueden encontrar en los diámetros mencionados en la tabla 21. • Gas de protección. El gas que se utiliza en este proceso genera una atmósfera libre de agentes contaminantes y también proporciona una vía para el establecimiento y formación del arco eléctrico. El gas realiza a la vez, junto con el tipo de corriente, una acción de limpieza sobre el metal base. Generalmente se emplean como gases de protección para este proceso de soldadura, argón, helio, hidrógeno y CO2, dándose preferencia al argón por ser mas económico y formar un arco más estable, aunque el helio produce penetraciones más profundas. La tabla 23 sugiere el tipo de gas y de corriente a usarse tomando en cuenta el tipo de material que se desea soldar y su espesor.
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- Argón. El argón es más pesado que el aire y el helio. Entre sus ventajas para aplicarlo como gas de protección se encuentran las siguientes: Produce gran protección a la soldadura por ser muy pesado. Produce una atmósfera clara que permite mejor control del arco y paño. Ejerce una acción enérgica de limpieza sobre el aluminio y el magnesio con corriente alterna. Produce un arco suave y de gran estabilidad. La tensión en el arco es baja, por lo que existen pocas posibilidades de perforar el metal base, al soldar espesores finos. Se emplea adecuadamente a pequeñas velocidades de soldeo, en espesores de hasta 3 milímetros. Se puede utilizar para soldar en posición vertical o sobrecabeza. El encendido del arco es mejor que con helio. El cordón obtenido es estrecho y la zona afectada por el calor es reducida. TABLA 23. Sugerencia de gas y corriente para diferentes materiales con espesores diversos
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Metal
Espesor
Gas y tipo de corriente
Aluminio
Menos de 1/8"
Ar (ca-af)
Aluminio Acero Acero Cobre Cobre Acero inoxidable Acero inoxidable Níquel
Más de 1/8" Menos de 1/8" Más de 1/8" Menos de 1/8" Más de 1/8" Menos de 1/8" Más de 1/8" Menos de 1/8"
Ar (ca-af) Ar (cd-pd) Ar(cd-pd) Ar- He (cd-pd) (He-75%) He (cd-pd) Ar (cd-pd) Ar- He (cd-pd) (He-75%) Ar (cd-pd)
Níquel
Más de 1/8"
Ar- He (cd-pd) (He-75%)
Helio. Es el segundo gas de importancia para la protección del arco en el proceso TIG ya que su costo es mayor que el del argón. Los factores que pueden influir para seleccionarlo sobre otros son: Permite velocidades de soldeo elevadas ya que la tensión en el arco es elevada. Pueden realizarse soldaduras de grandes espesores. Puede soldar metales de elevada conductividad térmica. No requiere grandes intensidades de corriente.
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PROCESOS
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— Argón-helio. Esta mezcla de gases se emplea cuando se requiere mejorar la aportación de calor y la velocidad de soldadura, sin que se pierdan las ventajas que ofrece el argón (véase figura 39). Manómetros y flujómetros. Para reducir la presión y regular el flujo de gas que llega al maneral se utilizan manómetros y flujómetros, los cuales son instrumentos de medición de presión (como los usados en OAW) y de flujo o caudal respectivamente. El flujo de gas que depende del espesor y del metal a soldar, puede regularse mediante un control situado en el flujómetro que suele venir calibrado en pies cúbicos por hora o en litros por minuto (véase figura 40).
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FIGURA 39. Argón y helio como gases de protección para GTAW
FIGURA 40. Manómetro con regulador (izquierda) y flujómetro (derecha) para GTAW Pinza de tierra. La pinza de tierra o tenaza sirve para cerrar el circuito eléctrico y con ello poder empezar a soldar cuando se tienen calibradas ya todas las variables (véase figura 37).
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b) De seguridad El equipo de seguridad recomendado para aplicar la soldadura GTAW es prácticamente el mismo que para cualquier soldadura con arco, sin embargo es recomendable aumentar el número de sombras (a 14) en la careta de protección debido a que la intensidad del arco eléctrico es mayor y por tanto aumenta el riesgo de deslumbramiento o daño ocular a futuro (véase figura 12): Careta para soldar Guantes para "argonero" Ropa de algodón Zapatos industriales Ventajas y desventajas del proceso
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a) Ventajas Soldabilidad en casi todos los materiales. No hay remoción de escoria. No hay calor excesivo, por lo tanto la distorsión de los metales es mínima. En el aluminio elimina la capa de óxido sin el uso de fundente. Se puede soldar con láminas del mismo material, como aporte. El metal fundido tiene la máxima protección contra la contaminación por la atmósfera. No hay inclusiones de escoria porque no se usa fundente. La soldadura es muy lisa por lo que se emplea para soldar recipientes de alimentos o medicinas, donde los residuos de materiales orgánicos en descomposición podrían tener serias consecuencias. La limpieza es máxima, no hay salpicaduras. Se puede soldar a buena velocidad. Se pueden realizar uniones en cobre o en sus aleaciones (bronces o latones). En hierro colado se realizan soldaduras sobre cualquier variedad. Se puede soldar en espesores muy pequeños. b) Desventajas Equipo costoso. Se requiere de habilidad y capacitación en el soldador. Usar gas de protección ocasiona que los costos de producción se eleven. Los electrodos son de elevado costo.
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La intensidad luminosa es mucho mayor que el SMAW y GMAW. Puede haber inclusiones de tungsteno en la soldadura por una mala técnica de aplicación. c) Recomendaciones de seguridad e higiene Además de las ya conocidas y mencionadas en SMAW y GMAW se sugiere lo siguiente:
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Asegúrese que el suministro de agua de enfriamiento, si es que lo tiene su equipo, funcione adecuadamente. Asegúrese periódicamente que no existan fugas de gas. Proteja de manera responsable su vista y cuerpo en general usando el número de sombras adecuado en la careta y el equipo de protección. Al encender el arco eléctrico evite hacer contacto entre el electrodo y la pieza a soldar, es decir, haga uso de la alta frecuencia.
FIGURA 41. Aplicaciones del proceso GTAW de forma manual
FIGURA 42. Aplicaciones del proceso GTAW de forma automática (orbital)
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2 5 PROCESO DE SOLDADURA CON ARCO CON NÚCLEO DE FUNDENTE
(FCAW)
Generalidades del proceso de soldadura FCAW Según la AWS el Proceso FCAW proviene de las siglas en ingles Flux Cored Are Welding que, traducido, quiere decir soldadura con arco con núcleo de fundente. Es necesario señalar que este proceso combina tres características generales: La productividad de la soldadura de alambre continuo. Las cualidades metalúrgicas que pueden derivarse de un fundente. Una escoria que sustenta y moldea la franja de soldadura. Este proceso combina características de la soldadura por arco de metal protegido (SMAW), la soldadura por arco de metal y gas (GMAW) y la soldadura por arco sumergido (SAW).
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El proceso FCAW utiliza el calor de un arco entre un electrodo consumible con núcleo de fundente, continuamente alimentado como en GMAW y la pieza de trabajo. El calor del arco funde la superficie del metal base y el extremo del electrodo. El metal que se funde y se desprende del electrodo es transferido a través del arco a la pieza de trabajo, donde se convierte en metal depositado. La protección del charco se obtiene a partir de la desintegración de los ingredientes contenidos dentro del electrodo con núcleo de fundente como en SMAW. Se obtiene protección adicional a partir de una atmósfera de gas suministrado al área del arco a través de una boquilla (véase figura 43). Los ingredientes del fundente producen gas para protección y también proporcionan desoxidante, ionizadores, agentes purificadores y en algunos casos elementos de aleación. Estos ingredientes forman una escoria semejante al vidrio, la cual tiene un peso más ligero que el metal de soldadura depositado y flota sobre la superficie del cordón como una cubierta de protección. El electrodo se alimenta hacia el arco de manera automática a partir de una bobina o rollo como en GMAW. El arco se mantiene y el desplazamiento puede ser manual o mecanizado. Variables esenciales o reglas básicas del proceso FCAW Las variables que intervienen en el proceso de soldadura FCAW son esencialmente las mismas que las asociadas con la soldadura por arco de metal con gas (GMAW). La soldadura por arco con núcleo de fundente tiene un rango extrema-
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damente amplio de corriente y de voltaje, que es completamente diferente para los electrodos que operan con electrodo positivo y para los que operan con un electrodo negativo. Esta información se resume en la tabla 24.
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FIGURA 43. Proceso de soldadura FCAW
TABLA 24. Rango de corriente de soldadura para electrodos con núcleo de fundente Rango d
soldadur
para el E701-1 con protección d
Mín
CO2 DCEP
imo
Má
Velocidad de desplazamiento
Diámetro pulg.
mm
Ampers
Voltios
pulg/min
0.045 1/16 5/64 3/32 7/64
1.2
120
21
168
1/8
ximo Velocidad de desplazamiento
mm/min
Ampers 300
30
625
425
31
400
450
33
270
600
36
255
750
38
237
15.875 10.160 6.858 6.477 6.019
850
39
175
4.445
1.6
150
24
100
2.0
200
26
95
2.4
300
26
95
2.8
450
30
110
4267 2540 2413 2413 2794
3.2
550
32
98
2489
Voltios pulg/min
mm/min
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Rango de soldadura para el E71T-11 con autoprotección DCEN
Mí n i m o
Má x i m o
Velocidad de desplazamiento
Diámetro
Velocidad de desplazamiento
pulg.
mrn
Ampers
Voltios
pulg/min
mm/min
Ampers
0.045
1.1
95
13
65
1651
180
Voltios pulg/min 18.5
200
mm/min 5080
1/16
1.6
100
15
47
1193
300
22
189
4800
0.068
1.7
125
17
49
1245
300
23
184
4673
5/64
2.0
150
18
47
1193
300
22.5
124
3149
3/32
2.4
200
17
40
1016
350
22
93
2410
Electrodos y fundentes, clasificación AWS La mayor parte de los electrodos de acero dulce para FCAW se clasifica de acuerdo con los requisitos de la última edición de ANSI/AWS A5.20. Especificación para electrodos de acero al carbono designados a soldadura con arco con núcleo de fundente (véase figura 44). Designa un electrodo. Indica la resistencia a la tensión mínima del metal de soldadura depositado en una prueba de soldadura realzada con el electrodo en condiciones específicas. Indica la posición de soldadura primaria para la que se diseñó el electrodo:
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0 - Posiciones plana y horizontal 1 - todas las posiciones
Indica las capacidades de uso y rendimiento.
Indica un electrodo con núcleo de fundente.
FIGURA 44. Sistema de identificación para electrodos de acero dulce para FCAW La letra E indica que es un electrodo al igual que en cualquier otra especificación de electrodos, el primer número se refiere a la resistencia mínima a la tensión antes de cualquier tratamiento de post soldadura, en unidades de 10 000 psi. El segundo número indica las posiciones de soldadura para las cuales está diseñado.
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PROCESOS DE SOLDADURA
Algunas clasificaciones pueden ser apropiadas para soldar vertical, en tal caso se usa 1 en vez de 0 para indicar el uso en todas las posiciones. La letra T indica que el electrodo tiene construcción tubular (véase figura 45). Y el último dígito ubica al electrodo en un grupo especificado cuyas características se observan en la tabla 25. TABLA 25. Requerimientos de protección y polaridad para electrodos FCAW de acero dulce Clasificación
Medio protector
Corriente y
de la AWS
extemo
polaridad
(múltiples pasadas)
ce. electrodo positivo
EXXT. 2 (pasada única) EXXT. 3 (pasada única) EXTT. 4 (múltiples pasadas) EXTT. 5 (múltiples pasadas) EXTT. 6 (múltiples pasadas) EXTT. 7 (múltiples pasadas) EXTT. 8 (múltiples pasadas) EXXT. 9 (múltiples pasadas) EXXT. 10 (múltiples pasadas)
co2 co2
Ninguno Ninguno CO2 Ninguno Ninguno Ninguno Ninguno Ninguno
ce. electrodo positivo ce. electrodo positivo ce. electrodo positivo ce. electrodo positivo ce. electrodo positivo ce. electrodo positivo ce. electrodo positivo ce. electrodo positivo ce. electrodo positivo
EXTT. 11 (múltiples pasadas)
Ninguno
ce. electrodo positivo
EXTT. G (múltiples pasadas)
*
EXXT.GS (pasada única)
*
EXXT. 1
*
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"Según lo convenido entre el proveedor y el usuario.
Tolva con fundente
Carrete de cinta de acero Electrodo terminado con núcleo fundente
F IGURA 45. Fabricación de un alambre con núcleo de fundente
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Los electrodos se producen en tamaños estándar con diámetros desde 1.2 hasta 4.0 mm (0.045 a 5/32 pulg.), aunque puede haber de tamaños especiales. Las variables de soldadura pueden modificarse apreciablemente dependiendo del diámetro del electrodo, el amperaje de soldadura, las condiciones de las superficies, la composición del metal base, la forma de combinarse con el metal depositado y el gas de protección usado En el mercado también están disponibles electrodos de baja aleación y se describen conforme a la edición más reciente de ANSI/AWS A5.29. Especificación para electrodos de acero de baja aleación destinados a soldadura por arco con núcleo de fundente (véase figura 46). • Designa un electrodo. ■ Indica la resistencia a la tensión mínima del metal de soldadura depositado en una prueba de soldadura realizada con el electrodo en condiciones específicas. • Indica la posición de soldadura primaria para la que se diseñó el electrodo: 0 - Posiciones plana y horizontal 1 - Todas las posiciones Designa la composición química del metal de soldadura depositado. No siempre se identifican las composiciones químicas específicas con propiedades mecánicas específicas, la especificación obliga al fabricante a incluir las propiedades mecánicas apropiadas para un electrodo en particular dentro de una clasificación, así, por ejemplo, E80T5-N13 es una designación completa: EXXT5-N13 no es una clasificación completa. - Indica las capacidades de uso y rendimiento.
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- Indica un electrodo con núcleo de fundente.
FIGURA 46. Sistema de identificación para electrodos de acero ele baja aleación para FCAW TABLA 26. Designaciones de protección y características de corriente de soldadura para electrodos de acero inoxidable con núcleo de fundente Designación AWS (todas las clasificaciones)
Medio protector externo
Corriente y polaridad
EXXT. 1 (múltiples pasadas)
co2
CCEPb (polaridad inversa)
EXXT. 2 (pasada única)
Ar+2%O
CCEPb (polaridad inversa)
EXXT. 3 (pasada única)
Ninguno
CCEPb (polaridad inversa)
EXTT. G (múltiples pasadas)
No se especifica
No se especifica
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PROCESOS DE SOLDADURA
La tabla 27 nos refiere a la cantidad de elementos de los cuales puede estar constituido el fundente de los electrodos usados en el proceso FCAW. TABLA 27. Elementos que comúnmente se incluyen en el núcleo de los electrodos para FCAW Elemento Aluminio
Polvo metálico
Calcio
Minerales como fluorospato (CaF2) y piedra caliza (CaCO3)
Carbono
Elemento de ferroaleaciones como el ferromanganeso
Propósito al soldar Desoxidar y desnitrificar Proveer protección y formar escoria Aumentar la dureza y la resistencia mecánica
Cromo
Ferroaleaciones o polvo metálico
Alearse a fin de mejorar la resistencia a la platodeformación, la dureza, la resitencia mecánica y la resistencia a la corrosión
Hierro
Ferroaleaciones y polvo de hierro
Matriz de aleación en depósitos con base de hierro, aleación en depósitos con base de níquel o de otro metal no ferroso
Manganeso
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Habitualmente presente como
Ferroaleación como el ferromanganeso o como polvo matálico
Molibdeno
Ferroaleación
Níquel
Polvo metálico
Potasio
Minerales como feldespatos con contenido de potasio y silicatos de fritas
Silicio
Ferroaleación como ferrosilicio o silicomanganeso, silicatos minerales como los feldespatos
Sodio
Minerales como feldespatos con contenido de sodio y silicatos de fritas
Titanio
Ferroaleación como ferrotitanio; en mineral, rutilo
Desoxidar, evitar la friabilidad en caliente al combinarse con azufre para formar MnS, aumentar la dureza y la resistencia mecánica, formar escoria Alearse para aumentar la dureza y la resistencia mecánica, y en aceros inoxidables auténticos para incrementar la resistencia a la corrosión del tipo de picaduras Alearse para mejorar la dureza, la resistencia mecánica, la tenacidad y la resistencia a la corrosión Estabilizar el arco y formar escoria
Desoxidar y formar escoria
Estabilizar el arco y formar escoria Desoxidar y desnitrificar, formar escoria, estabilizar el carbono en algunos aceros inoxidables
Zirconio
Óxido o polvo metálico
Desoxidar y desnitrificar, formar escoria
Vanadio
Óxido o polvo metálico
Aumentar la resistencia mecánica
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Equipo de trabajo y de seguridad utilizado a) De trabajo El equipo de trabajo semiautomático ocupado para aplicar la soldadura FCAW es muy similar al usado en el proceso GMAW como se muestra en la figura 47.
FIGURA 47. Equipo típico para soldadura por arco con núcleo de fundente semiautomática
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b) De seguridad El equipo de seguridad o de protección para el proceso de soldadura con arco con núcleo de fundente (FCAW) es básicamente el mismo que para la aplicación de cualquier proceso de soldadura por arco eléctrico, se sugiere consultarlo, de ser necesario, en los temas anteriores.
FIGURA 48. Máquina múltiple usada para soldadura GMAW y FCAW
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FIGURA 49. Aplicación del proceso de soldadura FCAW Ventajas y desventajas del proceso FCAW
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a) Ventajas Depósito de metal de soldadura de alta calidad. Excelente aspecto de la soldadura: lisa y uniforme. Excelente perfil de las soldaduras de filete horizontal. Es posible soldar muchos aceros dentro de un intervalo amplio de espesores. Factor operativo elevado (fácil de mecanizar). Tasa de deposición alta (densidad de corriente elevada). Eficiencia de depósito del electrodo relativamente alta. Diseños de unión económicos en cuanto a su ingeniería. Arco visible (fácil de usar). No requiere de tanta limpieza previa como GMAW. Produce menor distorsión que SMAW. Tasa de deposición hasta cuatro veces mayor que SMAW. Empleo de electrodos con autoprotección. Mayor tolerancia de contaminantes que podrían causar agrietamiento en la soldadura.
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b) Desventajas Está limitado a soldadura de metales ferrosos y aleaciones con base níquel. Produce escoria que hay que retirar después de soldar. El alambre tubular cuesta más por unidad de peso que el alambre sólido, excepto en algunos casos de aceros de alta aleación. Equipo costoso y complejo en comparación con SMAW. El alimentador y la fuente de potencia deben estar relativamente cerca de donde se desea aplicar la soldadura. En la versión con protección de gas, el escudo externo puede sufrir efectos adversos por el viento y las corrientes de aire. c) Recomendaciones de seguridad e higiene
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La soldadura debe efectuarse para ofrecer al soldador, y a quienes se encuentren en las inmediaciones del área de soldadura, el máximo de seguridad desde el punto de vista eléctrico y ocular. Requiere las mismas precauciones para aplicar cualquier soldadura por arco eléctrico. Además los electrodos usados para soldadura FCAW generan emisiones de humo mayores en proporción por kilo de metal depositado comparable con las de SMAW, por tanto es importante asegurarse que la concentración de emisiones no rebase el límite de exposición permitido (5 mg/cm3) de acuerdo a la Ocupational Safety and Health Administration (OSHA) y que coincide con las recomendaciones de la Secretaría del Trabajo y Previsión Social, ya que incluso algunas emisiones pudiesen tener manganeso, o bien cuando la soldadura se aplica sobre recubrimientos de cromo, pues éstos son aún más tóxicos. Un aspecto importante al momento de soldar es colocar adecuadamente la cabeza, además del uso de caretas con curvatura frontal, esto reducirá enormemente la cantidad de humo que se respira. También es recomendable el uso de pistolas o antorchas con escape para lograr una recolección más eficiente del humo así como el uso de extractores de campana o de trompa de elefante lo más cerca posible del área de soldadura (véase figura 50).
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FIGURA 50. Extractores de humo
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2.6.P ROCESO DE SOLDADURA POR ARCO SUMERGIDO ( SAW ) Generalidades del proceso de soldadura SAW El arco sumergido es definido por la AWS como un proceso de soldadura, donde la junta es producida por calentamiento con uno o varios arcos entre una varilla de metal llamada electrodo y el metal base, los cuales se encuentran sumergidos en una cantidad adecuada de fundente. El nombre técnico de este proceso es SAW, del inglés Sumerged Are Welding. El arco o arcos son cubiertos por una capa granular que es el material fusible en el trabajo el cual también recibe el nombre de fundente. En este proceso no hay evidencia visible del paso de la corriente a la pieza de trabajo, es decir no se percibe el arco eléctrico. Además, la parte final del electrodo y la pieza soldada son siempre circundados por una envoltura de fundente derretido la cual es sobrepuesta a una capa de fundente en estado granulado. Cabe señalar que las temperaturas alcanzadas por este proceso son de hasta 3400 °C. Al alimentador automático de alambre A la potencia de soldadura A
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la tolva de fundente Franja o metal Contacto de soldadura Retenedor terminado Para soldar de Placa de respaldo de Escoria la soldadura
*Tubo alimentador de fundente 3
Ls^s ! Fundente
fundante sólida \ Pestaña
Dirección de recorrido
Conexión con el trabajo
FIGURA 51. Esquema del proceso de arco sumergido
Variables esenciales o reglas básicas del proceso SAW Este proceso de soldadura se presta a una amplia variedad de combinaciones de alambre y fundente, disposiciones de uno o varios electrodos y el empleo de
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PROCESOS DE SOLDADURA
fuentes de potencia de CA y CC. Por tanto, es adaptado a una amplia gama de materiales y espesores. Es posible usar diversas configuraciones de múltiples arcos para controlar el perfil de la soldadura e incrementar las tasa de depósito en comparación con las de un solo arco. Durante la soldadura, el operador debe corregir de la manera más rápida posible alguna eventual imperfección que afecte la acción de la soldadura ya que el éxito del trabajo depende del control completo de los parámetros operacionales, es por ello que éstos son de gran importancia para poder obtener soldaduras de calidad. Los parámetros operacionales en orden de importancia son: Amperaje de soldadura Voltaje de soldadura Velocidad de avance en la soldadura Diámetro y tipo de alambre electrodo Fundentes (ver clasificación AWS)
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a) Amperaje de soldadura. Es el elemento que tiene mayor influencia en el proceso SAW automático, porque alimenta la velocidad del alambre a la medida de su fusión y permite regular la penetración del depósito según la intensidad aplicada. Si se excede el amperaje se provoca mucha penetración por un excesivo refuerzo y en consecuencia una deformación lateral en la pieza soldada y, por el contrario, un amperaje bajo produce una falta de fusión y de penetración. Es necesario mencionar que los depósitos de soldadura pueden ir desde franjas anchas con poca penetración para trabajos de recubrimiento, hasta franjas angostas con penetración profunda para uniones gruesas. Parte de esta versatilidad se debe al uso de arcos con CA, ya que al usarla se minimizan los golpes de arco cuando se suelda con un solo electrodo. También se usa con arcos múltiples para crear una desviación de arco favorable debido a que la corriente que fluye por electrodos adyacentes crea campos magnéticos interactuantes que pueden reforzarse o, bien, reprimirse mutuamente, lo cual sirve para producir fuerzas que desvían los arcos y por lo tanto distribuyen el calor en direcciones que benefician a la soladura (véase figura 52).
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FIGURA 52. Profundidad de penetración del cordón con tres diferentes amperajes manteniendo constante el voltaje, la velocidad de avance y el diámetro del electrodo b) Voltaje de soldadura. Su objetivo principal en este proceso de soldadura es la variación de la longitud del arco entre el alambre electrodo y el metal de soldadura en fusión, determinando así la forma del cordón, su sección transversal y su forma externa.
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Los efectos del voltaje se mencionan a continuación: Si aumentamos la intensidad de corriente (más voltaje), obtendremos una mayor longitud de arco. Si por el contrario aplicamos una menor intensidad, obtendremos una menor longitud del arco. En síntesis, podemos decir que aplicando el voltaje adecuado, con un amperaje constante y velocidad de avance de soldadura, observaremos lo siguiente: Habrá una reducción de porosidad, provocada por las escamas de fundición presentes en el arco. El metal de aporte captará los elementos aleantes presentes en el fundente. Con alto voltaje (demasiada longitud de arco):
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PROCESOS
— — — en —
DE SOLDADURA
Produce cordones de soldadura sujetos a rotura (débiles). Difícil remoción de la escoria de la soldadura. Cordones de soldadura cóncavos, sujetos a rotura y socavación los lados del cordón. Aumento del consumo de fundente.
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En cuanto al uso de un bajo voltaje se produce una baja longitud de arco, cordones abultados e inclusiones de escoria, dificultad de la remoción de la misma y menor consumo de la misma (véase figura 53).
FIGURA 53. Diferencia de penetración y apariencia con tres voltajes diferentes manteniendo constantes la corriente, la velocidad de avance y el diámetro del electrodo c) Velocidad de avance en la soldadura. Cuando hay variación en la aplicación de la soldadura, hay también variación en los parámetros operacionales, amperaje y voltaje están relacionados con la velocidad de avance de soldadura y, por supuesto, con el diámetro del alambre. La velocidad de avance es el ajuste del ancho del cordón y límite de penetración, sin embargo, todo está relacionado con la intensidad de corriente y tensión de soldadura (amperaje y voltaje) además del tipo de fundente. Por ejemplo, si en la aplicación de un cordón de soldadura aplicamos los cuatro factores correctos, como son: diámetro del alambre, amperaje, voltaje y fundente,
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pero la velocidad de avance es demasiado rápida, obtendremos una soldadura poco pareja y uniforme, porque la velocidad del cordón no le dio al arco tiempo de fusión necesario para fundir adecuadamente el metal base, además esto no permite el desarrollo normal del cordón de soldadura. Ahora bien, si mantenemos los cuatro factores antes mencionados y aplicamos una velocidad de avance demasiado baja, el resultado será un cordón de forma convexa con tendencia a rotura. Demasiado baja velocidad de avance expone excesivamente la unión a una intensidad del arco excesiva e impide la salida de los gases del metal en fusión que quedan atrapados en el interior del cordón de soldadura, además pueden originarse desfondamiento por el calor excedente, socavaciones e inclusiones de escoria (véase figura 54).
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FIGURA 54. Diferencia de penetración y apariencia con tres velocidades diferentes manteniendo constantes la corriente, voltaje y diámetro del electrodo d) Diámetro y tipo de alambre electrodo. El diámetro correcto del electrodo es el elemento que junto con el fundente, amperaje, voltaje y velocidad de avance adecuados, permite una profunda penetración del cordón de soldadura en la junta; además, según el diámetro (grande o pequeño) condiciona la cantidad de material de depósito en una unión. El uso de más o menos depósito depende del tipo de junta y espesor de la misma y de más o menos corriente de soldadura, recordemos que a mayor diámetro del electrodo es mayor también la cantidad de corriente necesaria para poder depositarlo de manera correcta. Electrodos y fundentes. Clasificación AWS Para clasificar los fundentes y alambre E se usan letras y números que son aplicados para identificar el material, su resistencia a la tracción, resistencia al impacto, elemento de aleación, contenido nominal de carbono, etcétera.
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PROCESOS DE SOLDADURA
• Para electrodos: EL XX, EM XX y EH XX E = Electrodo L = Del inglés Low (bajo) contenido de manganeso M = Mediano contenido de manganeso H = Del inglés High (alto) contenido de manganeso XX = Indican el contenido nominal mínimo de carbono en centésimas de porcentaje La letra K al final de los dos últimos dígitos indica que el electrodo está fabricado con tratamiento térmico (EH XX K). • Para fundentes:
FXX F= X= X=
Fundente (del inglés flux) Mínima resistencia a la tracción en miles de libras por pulgada cuadrada (primer dígito) Número de interpretación de resistencia al impacto en pies/libras Indica fundente -Indica la resistencia mínima a la tensión en incrementos de 10 000 psi (*69 MPa) del metal de soldadura depositado de acuerdo con las condiciones de soldadura dadas y empleando el fundente que se clasifica y un electrodo con la clasificación específica que se indica. íesigna las condiciones de tratamiento térmico en que se efectuaron las pruebas: "A" indica recién soldado y "P" tratado térmicamente después de la soldadura. El tiempo y la temperatura del tratamiento térmico postsoldadura son los que se especifican. Indica la temperatura mínima (en °F) a la que la resistencia al impacto del metal de soldadura arriba mencionado es de 27 J (20 pies-Ib) o más.
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Indica un electrodo sólido, EC indica un electrodo compuesto. Clasificación del electrodo empleado para producir la soldadura a la que se refiere lo anterior. * Mega paséales, véase ef anexo Factores de conversión
Ejemplos F7AG-EM12K es una designación completa. Se refiere a un fundente que produce metal de soldadura que, en la condición recién soldada, tiene una resistencia a la tensión de por lo menos 70 000 psi (480 MPa) y resistencia al Impacto Charpy de muesca en V de por lo menos 27 J (20lt.lb) a 51 °C (-60° F) cuando se produce con un electrodo EM12K en las condiciones que prescribe esta especificación. F7A4-EC1 es una designación completa para un fundente donde también se indica la marca del electrodo empleado para la clasificación. Se refiere a un fundente que produce metal de soldadura que, en la condición recién soldada, tiene una resistencia a la tensión de por lo menos 70 000 psi (480 MPa) y energía Charpy de muesca en V de por lo menos 27 J (20 pies-Ib) a -40° C (-40° F), cuando se produce en las condiciones que prescribe esta especificación.
FIGURA 55. Sistema de identificación para electrodos de acero de baja aleación para SAW según ANSI/AWS A5.17
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TABLA 28. Propiedades mecánicas mínimas con consumibles de acero al carbón cubiertos por ANSI/AWS A5.17 Clasificación AWS
Resistencia a la tensión
Resistencia al vencimiento
soldadura
KSI
MPA
KSI
MPA
en 2 pulg.
Condición de
% de alargamiento
Valores
Charpy de impacto
(pies-Lb) (Joules]
Tem. de prueba
F6A2-EL12
AW
60
414
48
331
22
20
27
-(29°C) -20°F
F6A2-EL12 F7A2-EL12 F6P4-EM12K F7A2-EM12K F7A6-EM12K
AW AW SR AW AW
60 70 60 70 70
414 483 414 483 483
48 58 48 58 58
331 400 331 400 400
22 22 22 22 22
20 20 20 20 20
27 27 27 27 27
-(51 "C) -60°F (29°C) -20°F (40°C) -40°F -(29°C) -20°F -(51 °C) -60°F
F7A2-EH14
AW
70
483
58
400
22
20
27
-(29°C) -20°F
Equipo de trabajo y de seguridad utilizado a) De trabajo Se compone de una fuente de poder de potencial constante y fuente de alimentación (generador, transformador de corriente rectificada o corriente alterna) las cuales deben tener los siguientes requisitos requeridos para SAW automático:
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• • • •
Amperaje de 400 a 1 500 A (según las aplicaciones hasta 4 000 amperaje) Voltaje 55, o de 18 a 150 volts según el uso Ciclo de trabajo 100 por ciento Fuente de alimentación que puede ser colocada en un carrito, con el avance de soldadura propio o adaptado según las exigencias del trabajo en columnas arriba de tornos o máquinas especiales para diferentes tipos de trabajo
Hoy en día existen equipos para soldadura semiautomática, desde los más sencillos hasta los más complejos, como los de potencial constante con accesorios intercambiables para ser adaptados en diferentes procesos de soldadura, por ejemplo: • • • • •
Alambres micrométricos con arco protegido con gas inerte Alambres de diferentes diámetros para soldaduras con gas CO2 Alambres tubulares Alambre tubular sin protección de gas (arco abierto) Proceso de arco sumergido
En la figura 56 observamos el equipo mínimo necesario para soldadura con arco sumergido semiautomático.
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PROCESOS DE SOLDADURA
F IGURA 56. Equipo mínimo de SAW semiautomático
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1. Fuente de poder, 2. Cable de trabajo al electrodo, 3. Cable de trabajo a la pieza, 4. Cable control remoto, 5. Fuente de alimentación colocada arriba de una base, en la cual está también situado el tambor porta alambre-electrodo, 6. En la operación de soldadura los cuatro rodillos, accionados por un motor eléctrico (7) empujan el alambre-electrodo (8) que pasa a través de un serpentín, llevándolo hacia el maneral, y a su vez el recorrido final, saliendo fuera de la punta de contacto (9). Al mismo tiempo sale el fundente (alambre-electrodo en fusión) a través de la boquilla (10), que cubre el arco de soldadura. El fundente se carga por la parte superior del embudo (11). Los parámetros de soldadura a usar en el procesos de arco sumergido manual, son iguales a los del método automático, la habilidad del operador está en respetar el ángulo correcto del electrodo en soldadura y la velocidad de avance, que son manuales.
F IGURA 57. Aplicaciones del proceso SAW automático
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b) De seguridad El equipo de seguridad o de protección para el proceso de soldadura con arco sumergido (SAW) es básicamente el mismo que para la aplicación de cualquier proceso de soldadura por arco eléctrico. Se sugiere consultarlo, de ser necesario, en los temas anteriores. Cabe señalar que el operador de este proceso se exenta de uso de careta de protección para cara y ojos debido, como ya vimos, a que el arco eléctrico no es visible y por tanto no requiere protección. Ventajas y desventajas del proceso a) Ventajas Este proceso es efectivo para realizar soldaduras de gran longitud Se obtiene gran penetración en la pieza Buena calidad en la soldadura No requiere de gran destreza manual en su aplicación Se aplica 60 o 70% más rápido que con otros procesos de soldaduras Aplicación en acero al carbón, aceros estructurales de baja aleación y de alta resistencia, aceros inoxidables, aceros de alto carbón y recubrimientos duros
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b) Desventajas Su aplicación está limitada a las posiciones plana-horizontal y horizontalcircunferencial c) Recomendaciones de seguridad e higiene Prácticamente son las mismas que para cualquier proceso de soldadura por arco, pero conviene mencionar las siguientes de manera adicional: Mantenimiento preventivo y eventual del equipo de soldadura No soldar cerca de materiales inflamables Para cualquier operación de limpieza proteger ojos con gafas protectoras o goggles Usar guantes para proteger manos
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2.7 PROCESO DE CORTE DE METALES CON ARCO DE PLASMA (PAC) Generalidades del proceso de soldadura PAC El plasma es una mezcla de moléculas de gases eléctricamente neutros y de partículas (electrones) cargadas (iones positivos y iones negativos). El hecho de que existan partículas cargadas eléctricamente hace que el plasma se haga sensible a la influencia de los campos eléctricos y magnéticos. Variables esenciales o reglas básicas del proceso PAC
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El plasma puede obtenerse de distintos modos; el procedimiento más simple es por calentamiento del gas durante la descarga del arco, aunque no es la única forma ya que aquél puede ser obtenido sin ésta. Por ejemplo, el gas que se calienta en el inductor alimentado por corrientes de alta frecuencia (corrientes de Foucault) hasta alcanzar temperaturas elevadas, genera el plasma cuando alcanza cierto volumen (véase figura 58).
FIGURA 58. Corte con arco de plasma Para obtener el chorro de plasma se emplea la descarga de un arco de longitud considerable, que se genera entre el electrodo (no consumible como en GTAW) y la tobera, la cual tiene un orificio calibrado a través del cual pasa el chorro de plasma que puede ser usado para corte de metales. El chorro de plasma tiene varios parámetros que pueden ser regulados: corriente y tensión de soldadura, ángulo de inclinación del chorro, consumo y velocidad de la salida del gas, composición del gas (aire a presión) y forma geométrica del chorro entre otros.
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Con la boquilla adecuada se puede obtener la mejor forma del chorro de plasma para la aplicación deseada. Por lo general, la alimentación de la antorcha se efectúa de una fuente de corriente continua con polaridad normal o positiva. Electrodos. Clasificación AWS El electrodo estándar es de tungsteno toriado, muy similar al que se emplea en GTAW sólo que cambia de forma según el modelo y equipo empleado (véase figura 60). Equipo de trabajo y de seguridad utilizado a) De trabajo
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Fuente de poder. Las particularidades del calentamiento por plasma plantean exigencias especiales de la fuente de alimentación. En este caso, el requerimiento más importante es la constancia de la intensidad de la corriente, la característica de la fuente de poder debe tener la forma representada en la gráfica de la figura 59.
FIGURA 59. Características eléctricas de la fuente de energía para PAC Las fuentes de poder empleadas para PAC de diferentes fabricantes son comúnmente conocidas como multifuncionales o multiprocesos ya que pueden aplicarse con ellas varios procesos como PAC, PAW, GMAW, GTAM y SMAW (véase figuras 60, 61 y 62), incluso algunas son portátiles.
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PROCESOS
DE SOLDADURA
b) De seguridad El equipo de seguridad empleado es el mismo que para cualquier proceso de arco, ya descrito anteriormente.
Figura 61. Fuente de poder para PAC HOT POINT 437 de Infra
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FIGURA 60. Fuente de poder para PAC PRO-CUT 25 de Lincoln
FIGURA 62. Soldadora multiprocesos OPUS 2K-355 de Infra
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Ventajas y desventajas del proceso a) Ventajas Elevación de la productividad con el ahorro de tiempo. En el mercado hay fuentes de poder manuales, mecanizadas y automáticas. Se pueden cortar grandes espesores. Se pueden cortar todos los metales. Fácil de operar. No hay costo en el uso de gas ya que se emplea aire a presión. Mucho más rápido que otros procesos. Disminuye la distorsión en los metales con menos calor. b) Desventajas El costo del equipo es elevado. Se requiere de un compresor y accesorios de seguridad. Sus consumibles son también de costo elevado. c) Recomendaciones de seguridad e higiene
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Es importante que siga siempre las recomendaciones hechas para cualquier proceso de arco eléctrico, además de las sugeridas por el fabricante del equipo, mismas que se encuentran disponibles en el manual de operación para el usuario.
FIGURA 63. Aplicación del corte con plasma Procesos de soldadura, Instituto Politécnico Nacional, 2002. ProQuest Ebook Central, http://ebookcentral.proquest.com/lib/bibuhuelib-ebooks/detail.action?docID=3191182. Created from bibuhuelib-ebooks on 2018-02-16 09:13:27.
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2.8 PROCESO DE CORTE Y BEELADO CON OXIACETILENO (OAC) Generalidades de corte con oxiacetileno Principios en que se basa el proceso de corte con gases (OAC) Los métodos de corte con oxígeno incluyen aquellos procesos en los que el corte o la eliminación de metal se realizan por la combustión apropiada de un gas combustible con oxígeno para dar lugar a una reacción química rápida. Los gases combustibles representativos contiene acetileno, propano, gas natural y gas MAPP (metilacetileno-propadieno). Para ello se requiere que la temperatura esté elevada y el oxígeno sea de absoluta pureza. Algunos metales como el acero inoxidable y el hierro colado no reaccionan eficazmente ante el soplete de corte con oxígeno. Se ha ampliado la lista de metales que pueden cortarse satisfactoriamente mediante el empleo de un fundente químico o un polvo metálico, por ejemplo, el equipo de corte con base en polvo de Linde. El corte con oxiacetileno, llamado a veces oxicorte, se utiliza sólo para cortar metales ferrosos. La fusión del metal tiene escasa importancia en el corte con oxiacetileno. La parte más importante del proceso es la oxidación del metal.
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Cuando se calienta un metal ferroso hasta ponerlo a temperatura de ligazón y luego se expone a la acción del oxígeno puro, ocurre una reacción química entre el metal caliente y el oxígeno. Esta reacción, llamada oxidación, produce una gran cantidad de calor que da como consecuencia el corte del metal. Variables esenciales o reglas básicas del proceso OAC El proceso del corte con OAC es prácticamente fácil de hacerse controlando las tres reglas esenciales: 1. Verificar que la presión en los gases sea la correcta para realizar un corte, es decir, para el acetileno nunca debe excederse de 1 kg/cm2 y para el oxí geno no mayor a 2 kg/cm2. Dichas presiones dependerán en su selección del espesor del metal a cortar. 2. Regular la flama del soplete a un modo normal y caliente hasta que el mate rial a cortar se encuentre en un estado pastoso (al rojo vivo), aplique el cho rro de oxígeno oprimiendo el gatillo.
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3. Considerar el sentido de avance al momento de hacer el corte, pues muchos autores sugieren que sea de derecha a izquierda para diestros y viceversa para zurdos, aunque en realidad se puede hacer en cualquier sentido incluyendo el ascendente y el descendente controlando a su vez los ángulos de avance y de ataque; además, como la persona que lo aplica siempre está observando el corte, es importante que regule la velocidad de avance o de corte.
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La figura 64 nos muestra algunos ejemplos de corte de metales hechos con OAC y sus diferencias al cambiar sus variables
FIGURA 64. Cortes con OAC Equipo de trabajo y de seguridad utilizado a) De trabajo El equipo básico para cortar es similar al que se utiliza para la soldadura, es decir, suministro de gas, mangueras, reguladores y un soplete. Se pueden usar para el corte los mismos cilindros empleados para la soldadura y las mismas mangueras, pero cuando se van a cortar piezas gruesas o se va a trabajar en forma continua, se requiere que éstas tengan un mayor diámetro a fin de tener un suministro adecuado de gas. Se usa el mismo tipo de reguladores; sin embargo, si se van a hacer trabajos grandes de corte, se requieren reguladores capaces de proporcionar presiones mucho más altas, lo mismo pasa con las boquillas, las cuales difieren de las de soldadura puesto que cuentan con un gatillo que al ser accionado deja pasar el chorro de oxígeno y con ello se obtiene el corte.
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• Cilindro o tanque de oxígeno. Este cilindro es de acero al silicio fabricado de una sola pieza, soporta presiones de trabajo de 160 kg/cm2. Su capacidad más común es de 6 m3 de oxígeno. Su mayor peligrosidad estriba en la presión que contiene el gas (véase figura 65). Para identificarlo, la SECOFI estableció en su norma oficial DNG S-11-1970, que el cuerpo del tanque se pintara del color asignado a la compañía proveedora del gas, y que la ojiva o parte superior del tanque se pintara de verde bandera que es el color asignado al oxígeno.
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Los cilindros tienen una construcción especial para soportar las tremendas presiones del gas que contienen y además están provistos de roscas derechas (véase figura 65).
FIGURA 65. Cilindro de oxígeno
FIGURA 66. Acumulador de acetileno
• Cilindro o acumulador de acetileno. Es un cilindro de acero que en su interior contiene una pasta porosa que se impregna de acetona. La acetona disuelve al acetileno por lo que no es necesario comprimirlo a elevadas presiones para almacenarlo dentro del tanque. La razón de esto es que el acetileno se maneja a presiones mayores de 1 kg/cm2 (15 Ib/pulg.2). El cilindro de acetileno suele ser más corto y más ancho que el de oxígeno, se hace en varias secciones, no es un cuerpo hueco de una pieza como el cilindro de oxígeno, y el acumulador de acetileno, al igual que cualquier cilindro de combustible, está provisto de cuerdas izquierdas (véase figura 66).
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Para identificarlo, la SECOFI establece en su norma oficial DGN S-11-1970, que el cuerpo del tanque deberá pintarse del color asignado a la empresa proveedora del gas y la ojiva será de color rojo. Los cilindros deben siempre almacenarse y usarse en posición vertical. Si se emplean cilindros de acetileno en posición horizontal, existe la posibilidad de que la acetona sea arrastrada hacia el interior del regulador y se produzca un riesgo de incendio, ya que interfiere con la correcta regulación y combustión de los gases oxiacetilénicos. Durante el almacenaje, y mientras están en uso, todos los cilindros deben sujetarse firmemente a un objeto rígido. Si se rompe la válvula al caer un cilindro éste puede ser lanzado en forma violenta.
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• Válvula del cilindro de oxígeno. Esta válvula se debe abrir del todo cuando está en uso el cilindro para permitir un paso sin restricciones y para que actúe como sello. El dispositivo de seguridad tiene forma de tuerca hexagonal con agujeros pequeños. Detrás de esta tuerca hay un disco hecho de un material especial que se reventara si la presión interior aumentara demasiado y dejara escapar el oxígeno por los agujeros de la tuerca (véase figura 67). El dispositivo de seguridad se instala para evitar esta clase de accidentes.
FIGURA 67. Válvula del cilindro de oxígeno Tapones de seguridad del cilindro de acetileno. Los cilindros de acetileno, igual que los de oxígeno tienen un dispositivo de seguridad. Este dispositivo consta de pequeños pernos (tornillos de máquinas) colocados en la pared
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de acero del cilindro. La cantidad y posición de estos pernos varía, pero por lo menos se utilizan cuatro: dos en la parte superior y dos en la parte inferior del cilindro. Los pernos están sujetos con un tipo especial de plomo que se funde a 105° C (220° F). Si se funde el plomo, el gas expulsará los pernos. • Reguladores y manómetros. El propósito o función principal de un regulador es reducir la alta presión de un cilindro a una presión de trabajo más baja y segura, que permita una circulación continua y uniforme del gas.
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Los reguladores para oxígeno y acetileno suelen estar equipados con dos manómetros, uno que indica la presión interior en el cilindro y otro que indica la presión con la cual llega el gas al soplete. El primer manómetro del cilindro de oxígeno, graduado de 0 a 210 kg/cm2 indica la presión existente dentro del tanque; y el otro, graduado en promedio de 0 a 14 kg/cm2 indica la presión de trabajo del oxígeno. Por su parte, el primer manómetro del cilindro de acetileno está graduado de 0 a 45 kg/cm2 y nos indica la presión interior del tanque, el otro, con una graduación de 0 a 4 kg/cm2, indica la presión de trabajo del acetileno. Actualmente este segundo manómetro tiene una banda roja a partir de 1 kg/cm2 para indicar que trabajar a presiones mayores es peligroso e innecesario, ya que ningún equipo de oxiacetileno está diseñado para trabajar con presiones más altas de lo permitido (véase figura 68).
FIGURA 68. Reguladores y manómetros de los cilindros de oxígeno y acetileno Mangueras. Los sopletes para soldadura se deben conectar a las salidas con mangueras de buena calidad. Las mangueras para acetileno son rojas y las mangueras para oxígeno son verdes. Las conexiones en las mangueras y cilindros tienen roscas diferentes. La tuerca de la conexión del acetileno tiene rosca izquierda, la del oxígeno tiene rosca derecha. Como precaución adicional para evitar un intercambio accidental y facilitar la identificación, el centro de las tuercas de conexión de acetileno tiene una ranura (véase figura 69).
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FIGURA 69. Mangueras* Limpiadores de boquillas. Para limpiar las boquillas para soldar y cortar, sólo se deben usar los limpiadores aprobados. Están hechos para limpiar las boquillas sin agrandar los orificios ni rayar el acabado liso y terso en el interior de la boquilla (véase figura 70).
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FIGURA 70. Limpiadores de boquilla
FIGURA 71. Encendedor de fricción
• Encendedores de fricción. La seguridad y los costos exigen que se haga uso de un encendedor de soplete. Un encendedor está formado por una piedra de encendedor y una lima de acero. Revise el encendedor frecuente mente para cerciorarse que el pedernal desplace toda su base sobre la lima. Esta alineación prolonga la vida de la unidad, si la alineación no es correcta, entonces los pedernales se gastan en forma desigual. Cuando el pedernal se gasta hasta quedar al ras con el sujetador de latón es necesario cambiar la piedra (véase figura 71). • Llaves para tuercas. Los fabricantes de equipo para soldadura surten las llaves combinadas para tuercas, reguladores y manómetros de la medida correcta. Siempre es preferible utilizar estas llaves en vez de las ajustables (pericos).
' Cortesía de Union Carbide Canadá Limiteo
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• Soplete para corte. El propósito del soplete de corte es suministrar la flama para precalentar el metal y para abastecer la corriente de oxígeno puro para el corte. En el soplete de corte, las válvulas para oxígeno y acetileno en la parte trasera del soplete controlan la flama para el precalentamiento. La palanca controla el chorro de oxígeno a alta presión para hacer el corte. El método para mezclar los gases en un soplete de corte es el mismo que se emplea en los sopletes de soldadura; es decir, se mezclan a presiones iguales o con el uso del principio de inyector (véase figura 72).
Tobera mezcladora de los gases para precalentamiento
Palanca de oxigeno para corte
Válvula de ajuste de oxígeno para precalentamiento / Tuerca de' sujeción del aditamiento con el mango Boquilla de corte
FIGURA 72. Soplete para cortar*
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Existen dos tipos de sopletes para cortar: 1. Con aditamento para cortar: se retira la boquilla y el mezclador del maneral de soldadura y se coloca el aditamento y la boquilla de corte; éste tiene una serie de orificios periféricos para las llamas de precalentamiento y un orificio central para el oxígeno de corte. 2. Con soplete para cortar: si el trabajo consiste únicamente en operaciones de corte, se prefiere que el maneral y el aditamento de corte formen una sola unidad. Con esto se logra mayor simplicidad en la operación; sólo es nece sario cambiar el número de boquilla dependiendo del espesor del material por cortar. * Cortesía de Harris Calorific Company
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• Accesorios para corte recto y circular. En ocasiones, en lugar de utilizar un soplete de corte, se pone un aditamento (accesorios) para corte en el mango del soplete de soldar, que efectuará la misma función que el soplete de corte. Pero, cuando se usa el aditamento para corte, habrá tres válvulas (dos para oxígeno y una para acetileno) y una palanca para corte. Debe quedar claramente entendido que, cuando se usa un aditamento para corte, la válvula normal para oxígeno en el soplete no controla el suministro de oxígeno. Éste se debe controlar con la válvula en el aditamento para corte. Por esta razón, la válvula para oxígeno en el soplete de soldadura debe estar abierta por completo en todo momento mientras se esté usando el aditamento para corte. Si no se deja abierta esta válvula, es fácil que ocurran contraexplosiones que dañarán el soplete. Las personas que usan equipo de oxiacetileno sin estar familiarizadas, con él, ponen en peligro su integridad y la de los demás. Hay una regla que siempre se debe seguir al usar un aditamento para corte: "Cuando se cambie de una operación de corte a una soldadura, compruebe siempre que haya reducido la presión en los reguladores, no en las válvulas del soplete."
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En la actualidad existen algunos accesorios para realizar cortes, no sólo en forma recta sino también en forma circular, curva, e incluso, cualquier figura asimétrica y a escala debido a que se operan en forma manual pero con mayor precisión. Dichos accesorios reciben el nombre de pantógrafos y se manejan de manera similar a los utilizados en dibujo, los pantógrafos para corte tienen gran aplicación en la industria metal mecánica, principalmente en la pailería y fabricación de estructuras metálicas para edificios, tanques a presión, gasoductos, etcétera (véase figura 73).
FIGURA 73. Pantógrafos
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Otro accesorio más que tiene aplicación en el corte de metales es la llamada tortuga, se trata de un carro electromecánico el cual cuenta con un accesorio para sostener un soplete de corte en forma vertical o en posición inclinada si se desea hacer una preparación al mismo tiempo del corte; como su nombre lo dice, dicho carro es accionado por un motor eléctrico que a su vez transmite la energía cinética a una caja de transmisión, la cual acciona las ruedas que le permiten desplazarse en forma longitudinal o bien en forma circular sobre rieles. Cabe señalar que la velocidad de avance es controlada por un potenciómetro o un reóstato (resistencia variable), también algunas tortugas cuentan con un inversor de polaridad para cambiar el sentido de avance de la tortuga (véase figura 74).
FIGURA 74. Tortugas para corte con OAC
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b) De seguridad Gafas para soldar. Las gafas protegen los ojos del intenso brillo de la flama, de las chispas que saltan y del metal caliente. Las gafas se hacen con material resistente al calor, tienen ventilación, son ligeras y cuentan con una cinta ajustable para sujetarlas a la cabeza (véase figura 75).
FIGURA 75. Gafas para soldar*
FIGURA 76. Guantes y manoplas*
' Cortesía de Canadian Liquid Air Ltd.
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• Guantes y manoplas. Cuando se sueldan o cortan piezas de metal grandes o gruesas hay cierta radiación de calor, un soldador debe usar siempre guantes, ya que no es cuestión de gusto personal, aunque cuando se usan guantes se pueden tener dificultades para manejar o manipular dichas piezas. Si se usan guantes deben ser los del tipo de guantelete y de material resistente al fuego (véase figura 76). Además se debe hacer uso del demás equipo de protección corporal también empleado en soldadura por arco (peto, polainas, etcétera). Ventajas y desventajas del proceso OAC a) Ventajas
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Se puede aplicar relativamente fácil El equipo necesario, tanto de trabajo como de seguridad, no es tan costoso Se puede aplicar en todas las posiciones, siguiendo las recomendaciones de seguridad
FIGURA 77. Equipo completo de protección en AOW
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b) Desventajas Se limita a cortes y biselados en metales ferrosos excepto en aceros inoxidables y hierros colados No es altamente productivo El consumo de gases puede ser a veces excesivo, por lo que el costo se eleva Deja residuos de escoria y requiere de limpieza posterior c) Recomendaciones de seguridad e higiene
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La zona de trabajo debe estar libre de artículos innecesarios, principalmente de aceite y/o grasa, ya que provocan que el oxígeno en contacto directo con ellos estalle Tenga cuidado para protegerse usted mismo y a los demás de las chispas o metal fundido que se desprende del corte Compruebe que el metal que va a cortar esté bien soportado y equilibrado de manera que no pueda caerse Compruebe que hay un espacio libre en la parte inferior para permitir que la escoria del corte se desprenda libremente del metal Se debe prestar especial atención a la colocación de las mangueras y de cualquier material inflamable Se debe tener cuidado al empezar un corte, si se usa un método ¡nade cuado puede salpicar metal caliente a la cara del operador Use siempre el equipo de trabajo y de seguridad adecuados, NO improvise ninguno
FIGURA 78. Corte de un chaflán con OAC FIGURA 79. Aplicación del corte con OAC
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CAPÍTULO [3]
METODOS NO DESTRUCTIVOS APLICADOS
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EN SOLDADURA
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3.1 CLASIFICACIÓN DE LOS MÉTODOS DE INSPECCIÓN Y ENSAYO DE MATERIALES APLICADOS A SOLDADURAS
INSPECCIÓN VISUAL (VISUAL TESTING)
Generalidades del proceso de inspección visual La inspección visual es la prueba más elemental que proporciona de manera rápida y a un bajo costo la información técnica más efectiva. El examen visual es usado generalmente para determinar condiciones de la superficie de la parte a soldar, alineamiento de las superficies acopladas, formas o evidencias de fugas. La inspección visual nunca debe omitirse cuando sea necesario detectar la presencia de posibles defectos superficiales. Una cuidadosa inspección, que utiliza aditamentos especiales como lentes magnificadores de baja potencia y microscopios, resulta muy eficaz.
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Existen microscopios con aditamentos fotográficos para tener registros permanentes de los resultados de dicha inspección en los materiales, así como en zonas dudosas y variaciones estructurales.
FIGURA 1. Instrumentos de medición usados en inspección 149
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PROCESOS DE SOLDADURA
En el esquema 1 observamos una clasificación de los métodos no destructivos. ESQUEMA 1. Métodos no destructivos aplicados en soldaduras
El control en los factores que intervienen en la soldadura debe llevarse a cabo mediante especificaciones técnicas que rigen a los materiales base y de aporte, al procedimiento de soldadura, al soldador y a las características específicas de cada proceso de soldadura, por ejemplo, el código ASME y la AWS, entre otros.
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La comprobación de las especificaciones antes, durante y después de aplicar el cordón de soldadura deberá hacerse para no causar aumento en los costos de las operaciones posteriores. Los planos de ejecución indican las características de los elementos que estarán relacionados con la soldadura, y en algunos casos se completan o se emplean consideraciones como: Procesos de soldadura Variables del proceso Material de aporte Protección contra la atmósfera Especificaciones del material base: Propiedades mecánicas Propiedades químicas Propiedades metalúrgicas
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MÉTODOS NO DESTRUCTIVOS APLICADOS EN SOLDADURA
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Especificaciones geométricas del material: Forma geométrica Dimensiones de la forma Acabado superficial Descripción y análisis a) Tipos de examen visual Como consideraciones importantes en la ejecución del examen visual de acuerdo al artículo 9 de los códigos ASME sección V y ANSI/AWS B1.0, tenemos: Accesibilidad Iluminación Ángulo de visión Dependiendo de estas condiciones, podemos considerar dos tipos de examen visual: Examen visual directo: Puede hacerse usualmente cuando el acceso es suficiente para colocar el ojo a poco menos de 610 mm (13"), de la superficie examinada y a un ángulo no menor de 30° C con la superficie examinada; se pueden usar espejos para mejorar el ángulo de visión así como lentes de aumento para auxiliarse durante la inspección. El personal que efectúe el examen visual deberá someterse a un examen anual de la vista para asegurarse que la agudeza visual a corta distancia, natural o corregida, permita leer con claridad (20-20) (Carta Jaeger J1).
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Examen visual remoto (indirecto): Pueden usarse ayudas visuales como espejos, telescopios, boroscopios,* hilos ópticos, cámaras de video o fotográficas u otros instrumentos adecuados. Tales sistemas deberán tener una capacidad de resolución al menos equivalente a la obtenida por observación visual directa. b) Proceso del examen visual La aplicación del examen debe llevarse a cabo durante todo el proceso de soldadura y es efectuado por el inspector y el operador de la soldadura. La inspección visual debe llevarse en las siguientes tres etapas: * Tipo de microscopio con un sistema de aplicación de imágenes.
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PROCESOS DE SOLDADURA
Examen visual antes de aplicar la soldadura Examen visual durante la aplicación de la soldadura Examen visual después de aplicar la soldadura Examen visual antes de aplicar la soldadura En este examen se deben considerar los siguientes factores: Revisión de los planos de trabajo a realizar Cotejar el diseño con las especificaciones al respecto Tipo de material base Forma de la estructura del material base Preparación de la junta Proceso de soldadura Material de aporte y protección contra la atmósfera Seguridad en el proceso de soldadura Limpieza en los materiales a soldar Examen visual durante la aplicación de la soldadura En él se consideran los siguientes aspectos: • Variables del proceso de soldadura:
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— Amperaje — — — — —
Polaridad Flujo de gas Velocidad de avance Alimentación del material de aporte Ángulo de aplicación y de avance
• Temperatura — — — —
Precalentamiento Temperatura de fusión Postcalentamiento (después de la soldadura) Tratamiento térmico posterior a la soldadura
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MÉTODOS NO DESTRUCTIVOS APLICADOS EN SOLDADURA
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Examen visual después de aplicar la soldadura Comprende dos aspectos: Dimensiones de las uniones recién aplicadas Verificación de la presencia de: Fracturas Porosidades Inclusiones de sólidos Laminaciones Relaminaciones Socavados Falta de fusión Chisporroteo c) El inspector de soldadura
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Los deberes del inspector son: • Interpretar dibujos y otros documentos • Verificar materiales base y consumibles de soldadura, así como el cum plimiento con las especificaciones y los materiales de aporte que deben ser usados como se requiere para cada material base ' • Verificar el equipo de soldadura • Verificar que los procedimientos de soldadura se lleven a cabo como está especificado y que se califican, además de que la soldadura es realizada de acuerdo al procedimiento calificado • Testificar la realización de las pruebas de los ensambles de calificación de procedimientos • Verificar la documentación de los resultados de prueba de calificación de procedimiento • Verificar que el personal de soldadura esté calificado de acuerdo a las normas aplicables y para usar los procedimientos de soldadura especifi cados para el trabajo correspondiente • Testificar las pruebas de habilidad del personal de soldadura • Verificar la documentación de los resultados de las pruebas de habilidad del personal de soldadura
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PROCESOS DE SOLDADURA
• Requerir la recalificación del personal de soldadura cuando éste no se ha actualizado o si hay evidencia de que el personal no cumple los requisitos de la norma aplicable. d) Trabajo de inspección
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Consiste en: • Verificar que se empleen sólo procedimientos de soldadura aprobados o calificados. • Verificar que la preparación de los bordes o geometría de juntas cumplen los requisitos de procedimiento de soldadura y dibujos. • Verificar que se usan los metales de aporte especificados y que son mante nidos en condiciones adecuadas. • Verificar que la técnica y habilidad del personal de soldadura son como es tán especificados. • Verificar que el trabajo cumple con los requisitos de las normas, dibujos y otros documentos aplicables. • Verificar que el trabajo inspeccionado es identificado y documentado de acuer do con los requisitos especificados. • Realizar la inspección visual requerida. • Verificar que los Ensayos No Destructivos (END) y la inspección visual sean realizados por personal calificado y de la manera que se especifica. Ade más revisar la información resultante para asegurar que los resultados estén completos. • Realizar los END requeridos, siempre y cuando la calificación para realizar los cumpla con los requisitos especificados. • Preparar reportes claros y concisos. • Verificar que los registros Especificación del Procedimiento de Soldadura (EPS, en inglés WPS), Registro de Calificación de Procedimiento (RCP, en inglés PQR) y Registro de Pruebas de Calificación (RPC, en inglés WPQ) están completos, se archivan y mantienen para cualquier aclaración. e) Secuencia operativa Los aspectos más importantes del procedimiento de inspección que debe verificar el inspector calificado antes, durante y después de la soldadura son descritos anteriormente y considerados como deberes y trabajos del inspector.
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MÉTODOS NO DESTRUCTIVOS APLICADOS EN SOLDADURA
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f) Instrumentos de medición: Los instrumentos de medición que se muestran en la figura 1, se utilizan para llevar a cabo la inspección visual requerida en función del tipo del análisis que se haga. Pero en general los más utilizados son los siguientes: • Flexómetro • Calibrador de chaflanes • Vernier (nonio) • Micrómetro (tornillo milimétrico) • Calibrador de soldaduras (Bridgecam) (véase figura 2)
FIGURA 2. Bridgecam usado para inspección de soldaduras
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Discontinuidades en la uniones soldadas Una soldadura puede presentar adicionalmente una serie de fallas que sólo el personal calificado puede detectar y determinar sus efectos. Estas fallas se clasifican de acuerdo a sus posibles consecuencias en el desarrollo del trabajo en: a) Discontinuidad. Es todo aquello que reduce las propiedades mecánicas del metal soldado o que afectan la estructura cristalina del mismo; cuando esto sucede los códigos, normas o especificaciones que los refieren para cada caso los nombran defectos los cuales hacen que la pieza que los presente sea desechada o no calificada. Aunque las fallas de un material no homogéneo, pueden presentarse en la soldadura, éstas no sobrepasan los límites especificados en los códigos que las refieren. Las discontinuidades pueden ser encontradas en el metal depositado por soldadura, en las zonas afectadas por el calor y en el metal base. En el esquema 2 se
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PROCESOS DE SOLDADURA
hace una clasificación de las discontinuidades más comunes que se presentan en las soldaduras, tanto en la superficie como internas. Asimismo, en la tabla 1 se hace referencia de las posibles causas que originan esas discontinuidades y sus características para identificarlas en las soldaduras.
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ESQUEMA 2. Clasificación de las discontinuidades
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MÉTODOS NO DESTRUCTIVOS APLICADOS EN SOLDADURA
TABLA 1. Características y causas de las discontinuidades en soldaduras Discontinuidad
Causas
Porosidad
Es el resultado del gas que ha sido atrapado durante la solidificación del metal en forma esférica o cilindrica. De acuerdo a su formación puede ser uniformemente distribuida, agrupada, lineal o alargada.
Se produce cuando el metal base está contaminado o tiene una composición variable y principalmente se debe a la presencia de humedad en los materiales, corriente excesiva, mala longitud de arco, etcétera.
Socavado
La discontinuidad de socavado crea una muesca en los bordes de fusión de la soldadura. Todas las soldaduras tienen un socavado, generalmente se localiza entre la soldadura y el metal base.
Asociado con una técnica inapropiada de la soldadura o una excesiva comente.
Grietas
Ocurre por una presencia de esfuerzos multidireccionales localizados en algún punto y que rebasan la resistencia máxima del metal. Exhiben una pequeña deformación plástica en sus límites. Se clasifican de acuerdo a su localización y forma en longitudinales, transversales, plásticas, de cráter, en la garganta, en la punta, en la raíz y en la zona afectada por el calor.
Esfuerzos excesivos sobre la soldadura asociados con incremento de carga cerca de discontinuidades o fallas mecánicas, elevados esfuerzos residuales, presencia de hidrógeno, manipulación incorrecta del electrodo, rapidez excesiva de avance e interrupción de la operación de la soldadura.
Falta de material de aporte
Depresión sobre la cara de la soldadura o la superficie de la raíz que se extiende bajo la superficie del metal base adyacente.
Descuido del soldador para llenar completamente la junta de soldadura como se menciona en la especificación del procedimiento.
Rayones o rayaduras
Discontinuidad longitudinal en el metal base encontrada en productos forjados.
Mal proceso de forja, proceso de fabricación inadecuado.
Escoria producida al efectuar la soldadura.
Longitud de arco inadecuada, corriente eléctrica excesiva, velocidad de avance inadecuada.
Mancha o marca sobre la superficie de la soldadura.
Establecimiento incorrecto del arco eléctrico.
Mala apariencia
Escoria excesiva en la superficie soldada.
Mala técnica de soldadura.
Desalineamiento
Ubicación incorrecta de las piezas soldadas en cuanto al nivel.
Técnica de preparación incorrecta.
Inclusiones de escoria
Son materiales sólidos atrapados en el metal de soldadura o entre éste y el metal base.
Fallas en la técnica de aplicación o mal diseño de la junta, áspero corte en la cara de la junta o entre los pasos.
Falta de fusión
Describe la situación en la que no se logra la fusión entre las capas adyacentes del metal de soldadura o entre éste y el metal base. Ocurre en cualquier punto de la ranura de la soldadura.
Técnica de soldadura inadecuada, mal diseño de la junta, calor insuficiente en la junta, bordes irregulares de la misma o entre los pasos.
Falta de penetración
Describe la situación en la que el metal depositado y el metal base no se funden en forma integral en la raíz de la soldadura.
Insuficiente temperatura para soldar, diseño inapropiado de la junta, inadecuado control lateral del arco, falta de disolución de óxidos e impurezas de la superficie en algunos casos, condiciones de transmisión de calor existentes en la junta.
Sobreposición o traslape
Es la protuberancia del metal de soldadura más allá de la punta, cara o raíz de la soldadura fuera de la zona de fusión.
Falta de control del procedimiento de soldadura, inapropiada selección de los materiales de soldadura, preparación inadecuada de la junta, falta de limpieza de las superficies a unir.
Salpicaduras Quemadas
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Características
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MÉTODOS NO DESTRUCTIVOS APLICADOS EN SOLDADURA
TABLA 3. Métodos de END aplicables en la detección de algunas discontinuidades y en cuatro tipos de juntas soldadas Discontinuidad o tipo de junta Porosidad Inclusiones de escoria o tungsteno Fusión incompleta Penetración incompleta en la junta Socavado
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Traslape (Cordón) traslapado
Aplicabilidad de varios métodos de 1 Aplicables Radiografía Líquidos penetrantes (1) Inspección visual (1) Radiografía Ultrasonido
END
Aplicables marginalmente*
No aplicables
Ultrasonido Partículas magnéticas (2) Electromagnetismo Partículas magnéticas (2) Electromagnetismo
Inspección visual Líquidos penetrantes
Radiografía Partículas magnéticas (2) Electromagnetismo
Inspección visual Líquidos penetrantes
Radiografía Ultrasonido
Partículas magnéticas (2) Electromagnetismo
Inspección visual Líquidos penetrantes
Radiografía Inspección visual
Ultrasonido Líquidos penetrantes Partículas magnéticas Electromagnetismo
Líquidos penetrantes Partículas magnéticas
Ultrasonido Inspección visual Electromagnetismo
Ultrasonido
Grietas
Ultrasonido Líquidos penetrantes (1) Partículas magnéticas (2) Inspección visual (1) Electromagnetismo
Radiografía
Desgarre laminar
Ultrasonido
Líquidos penetrantes (1, 3) Partículas magnéticas (1, 3) Inspección visual (1, 3)
Laminaciones
Ultrasonido Líquidos penetrantes (1, 3) Partículas magnéticas (2, 3) Inspección visual (1, 3)
Radiografía
Radiografía Electromagnetismo Radiografía Electromagnetismo
Junta a tope
Radiografía Ultrasonido Líquidos penetrantes Partículas magnéticas Inspección visual Electromagnetismo
Junta en esquina
Ultrasonido Líquidos penetrantes Partículas magnéticas Inspección visual
Radiografía Electromagnetismo
Junta en T
Ultrasonido Líquidos penetrantes Partículas magnéticas Inspección visual
Radiografía Electromagnetismo
Junta en traslape
Líquidos penetrantes Partículas magnéticas Inspección visual
Radiografía Ultrasonido Electromagnetismo
*La confiabilidad de los resultados depende del tamaño, orientación y localizacion de la discontinuidad y del espesor, entre otros factores. (1) Superficiales (2) Superficiales y subsuperficiales (3) Al preparar las juntas a soldar, durante el depósito de un cordón de soldadura y otro en soldaduras de pasos múltiples o en los bordes del metal base
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PROCESOS DE SOLDADURA
TABLA 4. Comparación de los criterios de aceptación de algunas normas para algunas discontinuidades DISCONTINUIDAD
Grietas
No aceptable
ASME BPV. Secc. VIII, División 1
APL 1104 Lineas de tubería para gas y petróleo
No aceptable
5/32" (4 mm) para grietas en el cráter (detectadas con otro método no destructivo)
Fusión incompleta
No aceptable
No aceptable
1" de longitud (detectadas con ayuda de otro método no destructivo)
Convexividad en soldadura de filete ("para" se refiere al ancho de la cara de la soldadura)
1/16" para 5/16" 1/8 para > 5/16" 1"
No establecido
No establecido
1/n 8" (3.2 mm)
De 1/32" (0.8 mm) a 5/15" (8 mm) dependiendo del tipo de junta (véase UW-35)
De 1/32" (0.8 mm) a 1/16" (1.6 mm)
En términos generales, 1/32" (0.8 mm) o 10% (lo que resulte menor) del espesor nominal de las superficies adyacentes de la soldadura
1/32" (0.8 mm o 12.5% del espesor de pared 1/64 (0.4 mm) o de 6.5 a 12.5% del espesor de pared de un máximo de 2" en una longitud de soldadura de 12" continuas Aceptable si tiene una profundidad de 1/64" o menos o 6.5% o menos del espesor de pared
Altura del refuerzo de soldadura de ranura máximo permitido
Socavado Máxima profundidad y
longitud permitidas
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AWS D1.1 (estructuras de acero)
1/32" 0.8 mm) para espesores