03b soldadura procesos_v1.4

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Ingeniería de los Sistemas de Producción

Rosendo Zamora PedreñoDpto. Ingeniería de Materiales y Fabricación

[email protected]

Soldadura: Procesos

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Índice

1. Soldadura por Combustión (autógena)

2. Soldadura por Arco

3. Soldadura por Resistencia

4. Soldadura Heterogénea

5. Otros procesos de soldadura

Procesos de Soldadura

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Fundamento: Proceso: por fusión.Energía: combustión de un gas.

Composición mezcla combustible:Oxigeno + (Metano, propano y fundamentalmente acetileno C2H2)

Soldadura oxiacetilénica OAW (Oxyacetylene Welding)

3100 oC.

1.‐ Soldadura por Combustión

*2

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• Dardo• Zona reductora• Penacho


Zonas de la llama oxiacetilénica

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Tipos de llama:

Neutra•Dardo de color Verdoso ‐ Blanco bien definido.•Uso habitual

Reductora• Exceso de Acetileno• Combustión irregular penacho blanco y alargado• El exceso de C carbura el metal• Acero sin metal de aporte


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Tipos de llama:

Oxidante•Exceso de Oxígeno•Dardo Azul y corto•Penacho inexistente (se queman los gases)•Malas propiedades mecánicas


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Tipos de llama:

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Protección:

Uso de fundentes:• deshacen los óxidos superficiales• protegen de la oxidación

•Para materiales férreos: mezclas a base de bórax, bicarbonato sódico, sílice y sosa.•Para Cu y sus aleaciones: mezclas a base de bórax, ácido bórico y cloruros y fosfato sódico.•Para Al y sus aleaciones: mezclas a base de sulfato sódico, cloruros de sodio, de potasio y magnesio, y fluoruros de potasio y sodio.


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Métodos de soldeo

A izquierdas (clásico):

• La varilla va por delante del soplete• La llama precalienta el material a soldar• Inconveniente: empuja al metal en el sentido de trabajo lo que dificulta la penetración


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Métodos de soldeo

A derechas:

• La varilla va por detrás del soplete• Facilita la penetración• Se obtiene mayor velocidad de soldeo y cordones más estrechos


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Equipo:

Barato y de fácil transporte


*7

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Aplicación:

Cualquier metal de uso industrial: aceros al carbón, aleados e inoxidables, cobre y sus aleaciones, aluminio y sus aleaciones, magnesio y sus aleaciones.

Utilización restringida. Se usa cuando hay problemas de accesibilidad. Está siendo desplazada por la soldadura por arco.

Problemas:•Impurezas en el baño•Difícil automatización•Tasa de deposición es baja


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2.‐ Soldadura por Arco

Arco eléctrico:efecto producido cuando la energía eléctrica se transforma en energía calorífica y en radiación electromagnética al pasar a través de un conductor gaseoso

Es necesario que el gas sea conductorSe ioniza (+) mediante una descarga.

El arco tiene forma cónica con vértice en la punta del electrodo y base en la pieza


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1.‐ Plasma: (10.000 ÷ 30.000 oC)• Electrones: (‐) (+). Energía cinética en calorífica.• Iones metálicos: (+) (‐)• Átomos gaseosos: ionización y recombinación.• Productos de la fusión de los metales: vapores, humos,

escorias, etc.

2.‐ Llama

Componentes del arco:


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En corriente continua podemos trabajar con polaridad:

• Directa: el negativo en el electrodo El calor se concentra en la pieza

• Inversa: el positivo en el electrodo El calor se concentra en el electrodo (mayor penetración)


*2

*TIG

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Procedimientos de soldeo por arco

1.‐ Electrodo revestido (SMAW Shielded Metal Arc Welding )

2.‐ Electrodo no consumible y protección de gas inerte (TIG Tungsten Inert Gas )

3.‐ Electrodo consumible y protección por gas inerte (MIG) o por gas activo (MAG) (Metal Inert Gas, Metal Active Gas).

4.‐ Arco sumergido (SAW Submerged Arc Welding ).


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2.1.‐ Electrodo revestido (SMAW Shielded Metal Arc Welding )

• Fusión de bordes de las piezas a unir

• Energía = arco eléctrico entre pieza y electrodo consumible revestido

• Proceso manual

• Protección: escoria y gas procedente del revestimiento


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Protección:

‐ Revestimiento del electrodo.‐ Funciones:

•Eléctrica: Cebado del arco y estabilidad del arco•Física: Evita contacto con O2, N2 y H2.•Metalúrgica: mejorar características mecánicas.


‐Tipos de revestimiento: Ácido, Celulósico, Rutilo, Básico, Gran rendimiento.

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Protección:

‐ Revestimiento del electrodo.‐ Funciones:

•Eléctrica: Cebado del arco y estabilidad del arco•Física: Evita contacto con O2, N2 y H2.•Metalúrgica: mejorar características mecánicas.


‐Tipos de revestimiento: Ácido, Celulósico, Rutilo, Básico, Gran rendimiento.

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Básicos

Rutilo

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Celulósicos

Ácidos

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Ej.: Denominación electrodos *2

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Corriente:

•C.C. y C.A: 10 ÷ 500 A

•C.C. y electrodo conectado a +

•15 ÷ 45 V


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Campo de aplicación:

Casi todo tipo de acero: al carbono, inoxidables, débilmente aleados e incluso fundiciones de hierro, si bien en este caso elrendimiento no es muy satisfactorio.


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Ventajas e inconvenientes:

•Utilizable en todas posiciones•Equipo económico y versátil•Gran variedad de electrodos

•Difícilmente automatizable•Costo total elevado (escoria y rendimiento)•Abundante mano de obra


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Otros aspectos:

Importante seleccionar el procedimiento a seguir, corriente a utilizar, tipo de electrodo, limpieza de escoria entre pasadas y tratamiento térmico cuando sea necesario.


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2.2.‐ Electrodo no consumible y protección de gas inerte TIGTungsten Inert Gas

Fundamento

•Proceso: por fusión.

•Energía: arco eléctrico.

•Electrodo: no consumible

•Gas inerte


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Fundamento




•Gas inerte


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Fundamento




•Gas inerte


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Electrodo:

•No se funde.

•Mantener el arco

•Acabado del extremo

•Material



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Tipos de electrodo Tugnsteno. Identificación AWS (BS6678)

‐La adición de 2% de torio permite una mayor capacidad de corriente, mejoriniciación y estabilidad del arco.

‐Diámetros mas utilizados : 1,6 mm, 2,4 mm, 3,2 mm : largo estándar: 3"y 7".


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Metal de aporte:

•Soldadura con o sin metal de aporte

•Aporte manual o automático

•Composición química similar al metal base.



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Protección:

•Gas o mezcla de gases.

•Composición en función de material y penetración.

‐ Argón: mayor penetración, (mayor densidad)

‐ Helio (poco en Europa): menor penetración.

‐Mezclas (75% He + 25% Ar)


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Corriente:1.‐ C.C. y polaridad directa.(+ a la pieza):

•Redimiento térmico aceptable•Mayor penetración•Mayor duración del electrodo

2.‐ C.C. y polaridad inversa. (+ al electrodo):•Menor rendimiento térmico y penetración•Mayor baño de fusión•Mayor calentamiento de electrodo

3.‐ Corriente alterna:•Ventajas de las dos de continua•Inconvenientes: cebado y estabilidad ‐ (alta frecuencia)


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Campo de aplicación:•Todas las aleaciones, preferible con metales difíciles de soldar. (Al, Mg, aceros al Cr‐Ni).•Industria petróleo, nucleares, química…•c.c. e inversa: Al, Mg y sus aleaciones•c.a.: aleaciones ligeras

Ventajas e inconvenientes:•Muy buena calidad de soldeo•Caro (gas)•Mano de obra especializada


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2.3.‐MIG / MAG

Fundamento (Metal Inert Gas, Metal Active Gas):•Proceso: por fusión.•Energía: arco eléctrico.•Electrodo: hilo consumible •Gas inerte (MIG), Gas activo (MAG)

Metal de aporte: •Electrodo.•Electrodo continuo.•Regulación velocidad del hilo


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2.3.‐MIG / MAG


Equipo MIG/MAG

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2.3.‐MIG / MAG

Protección:Mediante gas

MIG‐ Argón puro ó con hasta 5% de O2

‐ Helio (U.S.A.) Más caro‐Mezclas pobres con gases activos mejoran penetración

MAG‐ Atmósfera oxidante o reductora según el gas.‐ Gases CO2, Argón + CO2, O2 + Argón‐ CO2 Cordones con muchos poros debido a O2

‐ Para aceros al carbono y baja aleación


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2.3.‐MIG / MAG

Corriente:‐ C.C. con polaridad inversa (electrodo +) Electrodo mayor Tª‐ Raramente c.a.

Campo de aplicación:‐MIG: Casi todos los metales y sus aleaciones‐MAG: Aceros al carbono con baja aleación.

Ventajas e inconvenientes:•Ausencia de escoria•Alimentación automática de hilo•Flexibilidad de regulación•Problemas gas e hilo automatizado


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2.3.‐MIG / MAG

Algunos problemas típicos:


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2.4.‐ Arco sumergido (SAW Submerged Arc Welding ).

Fundamento:•Proceso: por fusión.•Energía: arco eléctrico sumergido en flux•Electrodo: hilo consumible •Flux

Metal de aporte:•Electrodo. •Su función: sostener el arco.•Aporte continuo motorizado.


Esquema del proceso

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Protección:•Capa de granulado fusible (Flux o polvo de soldadura), cubre el arco y la zona de soldadura. •Genera gas protector y escoria.


Esquema de los elementos del equipo completo de soldeo

Carro SAW

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Corriente:•c.c. y c.a.•c.c. y electrodo al positivo.

Campo de aplicación:•Aceros al carbono, hasta 0,3% de C.•Aceros al carbono y de baja aleación tratados térmicamente.•Aceros al Cr‐Molibdeno•Aceros inoxidables austeníticos•Tuberías de acero en espiral.


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Ventajas e inconvenientes:

•Alta velocidad en posición sobremesa (chapas cilíndricas)•Evita salpicaduras del arco•Alimentación y recogida de flux•Limitación de posiciones


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tRIQ 2

Fundamento (Resistance Welding):

Energía: Corriente (efecto Joule) Presión

Fases:1.‐ Período de presión (fase de posicionamiento)2.‐ Período de soldeo3.‐ Período de mantenimiento (fase de forja)4.‐ Período de separación

3.‐ Soldadura por Resistencia

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Protección:•Materiales limpios de óxido, grasa y pinturas

•No necesita fundente

Electrodos:

•Cobre o cobre aleado

•Elevada conductividad térmica y eléctrica

•Refrigeración


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Corriente:•c.a.•I= 1.000 ÷ 100.000 A •V= 1 ÷ 30 V•F= 100 ÷ 500 kp

Campo de aplicación:•Chapa fina a solape.•No en fundición de hierro ni con aleaciones de Cu (debido a los óxidos y a la fragilidad de la fundición).•Optimo para metales de elevada resistencia (aceros al carbono e inoxidables).


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Tipos:

•Por puntos

•Resaltes o protuberancias

•Por roldanas

•A tope

•Por chispa


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3.1.‐ Por puntos

Características:•Punto de soldadura de forma lenticular•Preparación de juntas a solape

Campo de aplicación:•Fabricación de carrocerías de automóviles, electrodomésticos y muebles metálicos.•Espesores: 0,1 y 20 mm.;

(en la práctica 8 mm)

•Proceso altamente automatizable.


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3.1.‐ Por puntos


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3.2.‐ Protuberancias

Características:

•Variación de la soldadura por puntos•Resaltes se hacen antes de soldar con matrices•Realización muchos puntos simultáneamente•Electrodos de gran diámetro•Grandes corrientes y mínimo número de ciclos de soldeo


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3.2.‐ Protuberancias


•Soldadura de varillas cruzadas (rejas, parrilla, verjas)•Espesores: 0,5 a 6 mm.•No Al ni aleaciones de Cu.


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3.3.‐ Roldanas

Características:•Los electrodos se reemplazan por roldanas•La pieza se desplaza entre las roldanas•Soldadura continua o espaciada


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Campo de aplicación:•Recipientes de espesores de 0,05 a 3 mm.

3.3.‐ Roldanas


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3.4.‐ A tope

Características•Las piezas se sujetan con mordaza.•Se presionan las dos piezas.•El paso de corriente calienta la unión.•Se aumenta la presión y se produce la unión.

Si la presión es excesiva el material se aplasta demasiado y las uniones tendrán baja resistencia

Si la presión es baja la unión es porosa

Campo de aplicación:Secciones rectas de alambres, barras, tubos y perfiles.Sección máxima: 100 ÷ 300 mm2


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3.5.‐ Chisporroteo

Características:

•Igual que la soldadura a tope, pero sin presión, contacto móvil por puntos diversos de la sección.

•El chisporroteo funde los extremos.

•A continuación se aplica rápidamente una presión para realizar la unión.


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3.5.‐ Chisporroteo


•Las mismas que la de “a tope”•Mayores secciones•Raíles de ferrocarriles•Rollos de redondos•Metales distintos sin problemas de dilución


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Fundamento:•Aporte de material sin fusión del metal base•Basado en fuerzas de capilaridad•Permiten unión de materiales diferentes

4.‐ Soldadura Heterogénea

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Tipos:

•Soldadura fuerte: Tª fusión material aporte > 450 º C

•Soldadura blanda: Tª fusión material aporte < 450 º C


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Protección:•Limpieza de los metales a soldar•Utilización de decapantes o antioxidantes

Fuente de calor:•Llama oxidante o neutra•Por resistencia •Inducción•Por infrarrojos•Por baño•Horno


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•Idóneos para materiales delgados, piezas muy finas y pequeñas y materiales disimilares.

Soldadura fuerte:‐ Uniones que necesiten resistencia intermedia y

conductividad eléctrica

Soldadura blanda:‐ Uniones con baja resistencia y necesidad de

conductividad eléctrica


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Ventajas:

•Evitan problemas metalúrgicos•Menor distorsión•Amplia gama de metales de aportación•Tensiones residuales nulas o despreciables•Economía para uniones complejas•Conjuntos completos de soldaduras (horno, inducción, etc.)•Producción en serie•Posibilidad de unir materiales distintos.•Soldadura fina, discreta y prácticamente invisible.

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5.‐ Otros procesos de soldadura

5.1.‐ Aluminotermia Termita – Thermit Welding

Principios del proceso

1. Se usa el calor desprendido en una reacción química exotérmica,

Fe2 O3 + 2 Al 2Fe + Al2 O3 + 880 KJ

3Cu O + 2 Al 3Cu + Al2 O3+ 1210 KJ

2. El calor generado funde el metal de aportación (Fe, Cu) y también funde los extremos de las piezas a unir

3. La alúmina queda como residuo protector en forma de escoria

O MeÓxido metálico

Ragente reductor

MeMetal reducido

ORóxido del agente

reductor

+ + + Calor

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5.1.‐ Aluminotermia

*2

*3

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Soldeo de raíles

1. El acero líquido producido es vertido en la unión, formada por la separación entre los extremos de los raíles, en un molde refractario que se acopla a los perfiles a unir, evitando el vertido incontrolado y el contacto con la atmósfera, y dando forma como si de un proceso de fundición se tratara.

2. La “carga aluminotérmica”, se presenta en forma de sacos de polvo perfectamente dosificados que contienen una mezcla granular de:

‐ óxidos de hierro‐ aluminio‐ aditivos estabilizadores de la reacción

3. La “carga aluminotérmica” viene en un Kit acompañada de los moldes refractarios, pasta selladora especial, encendedor, tapón para el vertido automático del acero líquido, etc.

4. A una temperatura de ignición determinada, la reacción química se activa violentamente dentro de un crisol refractario, y continúa hasta agotarse los elementos iniciales de la carga

5. Para la ignición se usa una bengala encendida, puesta en contacto con la carga.6. El acero se decanta por gravedad, debido a la mayor densidad que la alúmina.

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La reacción es muy rápida y por tanto las piezas a soldar adquieren, en la zona que rodea al punto de soldadura, una temperatura muy inferior a la que se obtiene empleando los procedimientos habituales, factor muy importante cuando se trata de proteger el aislamiento del cable o las características físicas de los materiales a soldar.

Características del uso con Cu

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La aleación utilizada tiene una temperatura de fusión prácticamente igual a la del cobre y posee, generalmente, una sección aproximadamente doble que la de los conductores a soldar, por lo que:

•Las sobrecargas o intensidades de cortocircuito no afectan a la conexión y los ensayos han demostrado que los conductores funden antes que la soldadura.

•La conductividad de la conexión es, al menos, igual o superior a la de los conductores unidos.

•No existe posibilidad de corrosión galvánica, puesto que los conductores quedan integrados en la propia conexión.

Características del uso con Cu

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*4

Procedimiento de conexión para la soldadura de cable

1º

2º

3º

4º

Pre‐calentamiento

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*5

40

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*5

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5.2.‐ Electroescoria (ESW ElectroSlag Welding):

Fundamento:•Energía: arco entre electrodo consumible y metal base recubierto de escoria de baja conductividad.•Hay fusión material base.•Empleo de moldes refrigerados como contención

Electrodo:Consumible aportado mecánicamente

Protección:Escoria depositada sobre las piezas a fundir

*2

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•Unión en vertical o cuasi vertical ascendente•Grandes secciones de fundición y forja de aceros•Al y Ti de espesores gruesos 20 y 350 mm•Industria naval y calderería pesada•Grandes aportes de material•Grandes espesores de junta en pasada única

5.2.‐ Electroescoria (ESW ElectroSlag Welding):


*2

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5.3.‐ Láser (LBW Laser BeamWelding)

Fundamento •Soldadura por fusión•Calor generado por impacto de un rayo luminoso amplificado

Metal de aporte:•Sin metal de aporte

Protección:•Gas aportado

Campo de aplicación:•Todos excepto Cu (reflectancia), fundición y refractarios.


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5.4.‐ Haz de Electrones (EBW Electron Beam Welding)

Fundamento:•Soldadura por fusión•Calor generado colisión de electrones •Soldadura en vacíoMetal de aporte:•Sin metal de aporteProtección:•Cámara de vacíoCampo de aplicación:•Materiales de difícil soldeo (circonio, berilio, wolframio)•Muy alta pureza y calidad•Mínima ZAT•Industria automoción, óptica, aeronáutica...


*8

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5.5.‐ Explosión

Fundamento:

•Basada en el uso de explosivos

•La detonación de una carga colocada adecuadamente obliga a uno de los metales que se desean soldar a precipitarse aceleradamente sobre el otro, incidiendo a una cierta velocidad y bajo un determinado ángulo.


*2

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5.5.‐ Explosión

Campo de aplicación:•Fabricación de placas bimetálicas•Uniones Al‐Acero•Materiales disimilares difícilmente soldables por fusión.


*12

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5.5.‐ Explosión

Campo de aplicación:•Fabricación de placas bimetálicas•Uniones Al‐Acero•Materiales disimilares difícilmente soldables por fusión.


*10*9 Explosión 20 μs después del inicio

Metal base 1 (flyer plate)

Explosivo

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Referencias

Referencias

1. http://www.electroglobal.net2. M. Reina, “Soldadura de los Aceros. Aplicaciones”, Manuel Reina Gómez, Madrid, 19863. http://es.wikipedia.org/wiki/Soldadura_aluminot%C3%A9rmica4. http://www.chinaleiying.com5. http://www.kumwell.com6. http://www.obtesol.es7. http://es.slideshare.net/Fran1176/ud10‐mecanizado‐bsico8. http://www.ebteccorp.com/9. http://www.amexservices.com10. http://www.aist.go.jp11. http://es.machinetools.net.tw12. http://www.eltecheng.com

Figuras

Nota: Todas las imágenes se han obtenido utilizando resultados de búsquedas en la sección de Imágenes de Google

•S. Kalpakjian, S.R. Schmid, (2008) Manufactura, Ingeniería y Tecnología, Pearson Educación, ISBN 10: 970‐26‐1026‐5

•M. Reina, “Soldadura de los Aceros. Aplicaciones”, Manuel Reina Gómez, Madrid, 1986

Rosendo Zamora PedreñoDpto. Ingeniería de Materiales y Fabricación

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03b soldadura procesos_v1.4

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