procesos de soldadura

PROCESOS DE SOLDADURA

Profesor: Ing. Leoníd Ipaz

Soldabilidad

• De acuerdo a la ISO, un acero se considera soldable, en un grado determinado por un proceso determinado y para una aplicación dada, cuando mediante una técnica adecuada se pueda conseguir la continuidad metálica de la unión, de tal manera que esta cumpla con las exigencias prescritas con respecto a sus propiedades locales, y a su influencia en la estructura de la que forma parte integrante.

Terminología

• Penetración: profundidad que alcanza la fusión en el metal base.

• Sobre espesor: Material del cordón que sobresale con relación a la superficie.

• Remate: punto de enlace entre metal base y metal de aporte.

• Cara: Superficie exterior.

• Raíz: Punto del cordón opuesto a la superficie.

• Talón: Parte recta en los bordes del chaflán.

• Garganta: Distancia de la superficie hasta la raíz.

La soldadura se inicia cuando se enciende un arco eléctrico entre la punta del electrodo y el trabajo.

CALOR DEL ARCO

Funde el trabajo cerca al arco y metal de aporte.

Temperaturas por encima de 5000°C en el centro.

La transferencia es inducida por la fuerza de la gravedad, la expansión del gas, fuerzas eléctricas y electromagnéticas y la tensión superficial.

Se forma con rapidez pequeños glóbulos de metal fundido, los cuales se transfieren a través del arco hasta el charco de soldadura final.

CALOR DEL ARCO (≈ 5500°C)

SMAW (Shielded Metal Arc Welding) Soldadura por arco con electrodo revestido

• A través de un electrodo se hace circular un determinado

tipo de corriente eléctrica, de tipo alterna o directa.

• Se establece un corto circuito entre el electrodo y el material base que se desea soldar o unir, depositándose el núcleo del electrodo fundido al material que se está soldando.

• Al mismo tiempo se genera mediante la combustión del

recubrimiento, una atmósfera que permite la protección del proceso

SMAW

El electrodo y el trabajo forman parte de un circuito eléctrico

Electrodos

• Conduce la corriente eléctrica al arco.

• Suministra metal de aporte a la unión.

• Contribuye en gran medida a las propiedades mecánicas, la composición química y laestructura metalúrgica del metal de soldadura.

Varilla metálica, de composición aproximada a la del metal a soldar y recubierta con una sustancia que recibe el

nombre de revestimiento.

Electrodos revestidos

Composición:

• Óxidos naturales: óxidos de hierro, ilmenita, rutilo.

• Silicatos naturales: Caolín, talco, mica, feldespato.

• Productos químicos: Carbonatos,óxidos (etc)

• Productos volátiles: celulosa, etc.

• Fundentes.

• Ferro aleaciones: de Mn, Si, Ti.

• Aglomerantes: Silicato sódico, silicato potásico.

Revestimiento

• Actúa como agente limpiador y desoxidante.

• Libera gases inertes que protegen el baño.

• Forma capa de escoria.

• Facilitar el cebado y mantenimiento del arco.

• Mejorar la penetración.

Garantizar la composición química del metal depositado y sus características mecánicas.

Clasificación AWS A5.1 para electrodos SMAW

Primera y segunda cifra

Resistencias a la tensión

Tercera cifra

Posiciones de soldadura

1 3 2 4

Cuarta cifra

Se deben proteger de la humedad

Limitaciones del proceso

• No es apropiado para metales de bajo punto de fusión.

• No es apropiado para metales reactivos como el titanio, zirconio, tántalo y colombio.

Variables del proceso SMAW

• Electrodo adecuado: Factores composición de soldadura, características del metal base, diámetro del electrodo, tipo de unión, intensidad de corriente.

• Longitud de arco: Factor determinante de la calidad. Depende del tipo de soldadura a realizar y del diámetro del electrodo.

Afecta el aspecto del cordón, influye sobre la limpieza y calidad de la soldadura.

• Intensidad de corriente: Influye sobre la velocidad de

fusión del electrodo y sobre el charco de fusión.

• Velocidad de avance: Cuando es excesiva, el baño de fusión no permanece líquido el tiempo suficiente para desprenderse de todas las impurezas. – Tipo de corriente de soldadura, amperaje y polaridad.

– Posición de soldadura.

– Rapidez de fusión del electrodo.

– Espesor del material.

– Condición de la superficie del metal base.

– Tipo de unión.

– Manipulación del electrodo.

Variables del proceso SMAW

• Posición del electrodo: Influye sobre la forma del cordón.

– Definida por el ángulo de inclinación longitudinal y el ángulo de inclinación lateral.

– Calidad de la soldadura.

Variables del proceso SMAW

GMAW (Gas Metal Arc Welding) Soldadura por arco con protección gaseosa

Se establece un arco entre el electrodo de hilo continuo y la pieza a soldar para producir una fusión de los dos.

El área de soldadura esta protegida por una atmósfera circundante de gas inerte (MIG) o gas activo (MAG).

• Las operaciones de limpieza se simplifican.

• Fácil especialización de la mano de obra.

• Gran velocidad de soldadura –efecto metalúrgico.

Componentes del equipo • Fuente de poder de voltaje

constante (CV).

• Alambre sólido y gas externo de protección.

• Alimentador del alambre de velocidad constante.

• Corriente continua, polaridad positiva (DCEP).

• Pistola y cables.

• Flujómetro, mangueras, cilindros y conexiones para el gas

Gas protector

Afecta la calidad de la soldadura

Especificaciones AWS A-5.18 para aceros al carbono

Hilo macizo continuo de diámetro entre 0,8 mm y 1,6 mm

Naturaleza del gas de protección

• Cantidad de energía aportada.

• Tipo de transferencia.

• Velocidad de soldadura.

• Aspecto del cordón.

• Probabilidad de proyecciones y mordeduras.

Soldadura MIG

Argón • Puro se utiliza en la soldadura

de Al, Cu, Ni, Ti. • Mejor transferencia. • Mejor opción para espesores

0 –1 in.

Helio • Cordones más anchos

Gas inerte, estable, no reacciona en el arco.

Argón + Helio 65%He-35%Ar. -Alto calor de aporte. 75% He –25% Ar: -Minimiza la porosidad. -Mayores velocidades de soldadura. -Soldadura en lámina fina.

Soldadura MIG Argón + Oxígeno:

• Mejora la capacidad de mojado, la penetración.

• Ensancha la parte inferior del cordón.

• Disminuye la tendencia a formar mordeduras.

• Hasta 5% no modifica el carácter inerte.

• Mejora la estabilidad del arco.

• La cantidad opima de oxígeno está en función de la condición de la superficie del trabajo, la geometría de la unión, la posición o técnica de soldadura y la composición del metal base.

Soldadura MAG

CO2 • Incoloro, inodoro y de sabor picante. • 1,5 veces el peso del aire. • Se obtiene por combustión del carbón, en exceso de oxígeno o de

aire. • Carácter oxidante: • El oxigeno resultante es particularmente activo. • Se combina con el C del acero para general CO. • Debe utilizarse un aporte con Si y Mn, y cantidad adecuada de C. • -Altas densidades → mayor disociación O2.

Gas activo, interviene en el arco.

• Deben usarse aportes ricos en elementos desoxidantes. • No se debe utilizar en la soldadura de aceros al Cr-Mo, ni para aceros

inoxidables austeníticos. • Con CO2< 99.0% es inevitable la porosidad →CO2> 99.85%.

CO2

• Buena penetración.

• Buena velocidad de avance.

• Bajo costo.

• Reduce el riesgo de mordeduras y falta de fusión.

CO2 + Ar

• Baja salpicadura. • Charco mas líquido, < ºT. • Mejor visibilidad del baño. • Mejor aspecto del cordón. • Mas fácil regulación.

Soldadura MAG

O2 • Diatómico, incoloro, inodoro e insípido. • Destilación fraccionada del aire liquido. • Muy activo, de carácter oxidante, produce reacciones

exotérmicas. • Gas comburente por excelencia. • Se disocia a la temperatura del arco. • En pequeñas proporciones mejora la fluidez del

baño, facilita el mojado, incrementa la velocidad de soldadura.

• El Si y Mn neutralizan el efecto del oxigeno. • El tiempo de contacto con el metal es muy pequeño.

Ar + O2 (2%). • Buen mojado, sin salpicadura, buena tenacidad.(aceros de baja aleación).

Caudal de gas protector

• Depende de las condiciones particulares del trabajo a realizar.

• Depende de la naturaleza y espesor de las piezas a soldar, posición de soldadura, naturaleza del gas protector, diámetro del aporte y del tipo de junta.

Dirección de la corriente de gas

• Posición de la boquilla.

• Velocidad y sentido de avance.

• Corrientes de aire en la zona de soldadura.

GTAW (Gas Tungsten Arc Welding) TIG Soldadura por arco con electrodo No consumible

Se genera un arco eléctrico entre un electrodo de tungsteno (W) virtualmente no consumible y la pileta fundida de metal base.

Este proceso es usado con la protección de un gas externamente suministrado, y sin la aplicación de presión.

La adición de metal de aporte es opcional y se realiza en forma externa.

Soldadura con tungsteno y gas inerte (TIG), pero la terminología empleada por AWS es de GTAW porque en algunas aplicaciones es posible usar mezclas de gases protectores que no son inertes.

Equipo completo

Ventajas • Produce soldaduras de muy buena calidad.

• Está libre de salpicaduras.

• Puede usarse con metal de aporte o sin él.

• Ofrece un control excelente de la penetración.

• Puede usar fuentes de potencia de costo relativamente bajo.

• Permite el control preciso de las variables del proceso.

• Puede servir para soldar casi todos los metales; incluso uniones disímiles.

• Permite controlar de manera independiente la fuente de calor y la adición de metal.

Limitaciones del proceso • Las tasas de deposición son mas bajas que las que pueden alcanzarse

con GMAW.

• El soldador requiere un poco mas de destreza y coordinación.

• Cuando el espesor es superior a 10mm no es económico frente a otros procesos.

• Es difícil proteger la zona de soldadura cuando existen corrientes de aire.

Problemas potenciales • Inclusiones de tungsteno si se permite que el electrodo haga contacto

con el charco de soldadura. • Puede contaminarse el metal por protección insuficiente. • No se tolera la contaminación del metal base o de aporte.

Velocidad de recorrido. • Afecta el ancho y la penetración. • Tiene un efecto sobre el costo. • Variable dependiente –soldadura con calidad y uniformidad.

Alimentación del alambre. • Influye sobre el número de pases necesarios y sobre el

aspecto de la soldadura terminada. • Si se reduce la velocidad de alimentación del alambre, se

incrementa la penetración y se aplana el perfil de la franja. • Si el alambre se alimenta con demasiada lentitud puede

haber socavamiento, agrietamiento y sobre llenado de la unión.

Electrodos La función del electrodo de Tungsteno es servir

como uno de los terminales eléctricos del arco que proporciona el calor necesario para soldar, sin aportar material al baño de fusión.

Clasificación de los electrodos Con base en la composición química:

Electrodos EWP • Tungsteno puro –99.5%. • Capacidad de transporte menor que los otros electrodos. • Se emplean con CA para soldar aleaciones de aluminio y magnesio. • Extremo limpio con forma de bola –arco bastante estable. • Punto de fusión 3400°C.

Electrodos EWTh • Puede manejar corriente de soldaduras altas sin fallar. • El oxido de Torio aumenta la capacidad de transporte de corriente. • Fácil encendido del arco y arco estable. • Se emplea con Corriente Continua (CC), extremo afilado. • Punto de fusión 4000°C.

Electrodos EWCe y EWLa • Se crean como sustitutos al Torio. • Menores tasa de vaporización o quemado que puro. • Trabajan bien con Corriente Alterna (CA) o Corriente Continua (CC).

Electrodos EWZr • Preferidos para soldar con CA, estabilidad de arco y extremo de bola. • Buena capacidad de corriente y encendido del arco. • Mayor resistencia a la contaminación. • Soldaduras de calidad radiográfica. • Punto de fusión 3800°C. • Valido para soldar con CA y CC.

Materiales de aporte

• Disponibles para unir una amplia variedad de metales y aleaciones. • El metal de aporte debe ser similar en composición química. Contienen desoxidantes.

Gases protectores

• Protege el electrodo y el metal fundido.

• Gas de respaldo.

Selección del gas protector

• No hay una regla fija para escoger el gas protector.

• Aspecto económico, espesor del material, facilidad de manejo, flujo de gas.

Argón El Ar 99,95% -grado soldadura. • Acción de arco mas uniforme y

silenciosa. • menor penetración. • Acción limpiadora –Aluminio o

Magnesio. • Menor costo y mayor

disponibilidad. • Buena protección con flujos

bajos. • Mas fácil iniciación del arco.

Helio El He 99.99% -grado soldadura. • Transfiere más calor que el Argón

(= Corriente de soldadura y longitud del arco).

• Ventajoso para soldar metales con alta conductividad térmica.

• Soldar placas gruesas. • Distribución homogénea de

temperaturas en el sentido transversal.

Argón + Helio • Prestaciones complementarias en función de la proporción de cada uno de ellos. • La penetración es intermedia. • Permite incrementar la energía aportada.

Argón + Hidrógeno

• Soldadura de aceros inoxidables, níquel-cobre y aleaciones de níquel.

• Aumento en la velocidad de soldadura máxima.

• La cantidad de hidrogeno esta en función del espesor y el tipo de unión.

• El exceso causa porosidad.

FCAW (Flux Cored Arc Welding) Soldadura por arco con núcleo de fundente

Aprovecha un arco entre un electrodo continuo de metal de aporte y el charco de soldadura. Se emplea como protección un fundente contenido dentro del electrodo tubular.

Durante la soldadura se produce un manto de escoria abundante sobre la superficie de la franja de soldadura, sustentándola y moldeándola

FCAW + Autoprotección.

Tolera corrientes de aire –trabajo de campo.

FCAW + Gas de protección (CO2, Ar/CO2)

• No es necesario desnitrurar. • Posible generación de hidrógeno.

Gases de protección

Dióxido de Carbono • Bajo costo y penetración profunda.

• Transferencia globular – Transferencia spray.

Modalidades de transporte (transferencia del metal)

• Disociación: T del arco

• Fundentes con desoxidantes.

• Reacción con el Hierro fundido.

• Disociación del monóxido.

Equipo semiautomático

• Rodillos que no aplanen el aporte. • Enfriamiento de la pistola.

Equipo para Protección con Gas

•Suministro de gas y accesorios. •Escudo lateral o concéntrico.

Electrodos

• Funda de acero de bajo carbono o de aleación que rodea un núcleo de materiales fundentes y de aleación.

• La composición del núcleo varía de acuerdo con la clasificación del electrodo y con el fabricante.

Fabricación del electrodo

Mantener el fundente sin dejar espacios vacíos.

Funciones

• Conferir propiedades mecánicas, metalúrgicas y de resistencia a la corrosión.

• Proteger al metal fundido del oxigeno y nitrógeno del aire.

• Extraer impurezas del metal fundido.

• Producir cubierta de escoria.

• Estabilizar el arco.

El fundente

• Tendencia a la segregación. • Diferentes razones de metal a fundente. • Fundente es aislante. • Sensible a la variación en la extensión del electrodo. • Efecto en la velocidad de fusión. • Determina el uso y las propiedades eléctricas del arco.

Mezcla de polvos de distintos tipos o por molienda de material obtenido por

fundición.

Electrodos Los electrodos se producen en tamaños estándar con diámetros desde 1,2 mm hasta 4 mm, pueden haber tamaños especiales.

Electrodos EXXT-1 • CO2, CO2/Ar, CCEP. • Uno o varios pases. • Transferencia por aspersión, bajas perdidas por salpicadura.

EXXT-2 • CCEP. • Una pasada. • Transferencia por aspersión, bajas perdidas por salpicadura. • Mayor contenido de desoxidantes.

EXXT-3 • Autoprotección, CCEP. • Una pasada. • Transferencia por aspersión, altas velocidades de soldadura.

SAW (Submerged Arc Welding) Soldadura por arco sumergido

Se genera un arco eléctrico entre un electrodo desnudo y el trabajo; el arco y el metal fundido están “sumergidos” en un manto de fundente granular.

El arco esta cubierto por fundente: • La estabilidad del arco depende del fundente. • Elementos de protección contra infrarrojo y

ultravioleta.

Equipo

Fundentes • Protege la soldadura fundida de la interacción con la atmósfera. • Limpia y desoxida la soldadura fundida. • Ayuda a controlar las propiedades químicas y mecánicas del metal de

aporte en la soldadura. • Los fundentes se fusionan, aglomeran o mezclan por medios

mecánicos.

METALESBASE • Aceros al carbono con contenidos de carbono hasta 0,29%. • Aceros de baja aleación. • Aceros al Cromo-Molibdeno (Cr 0,5% a 9% y Mo 0,5% a 1%). • Aceros inoxidables austeníticos. • Aleaciones base níquel.

Ventajas del proceso

• Altas velocidades de deposición.

• Alta penetración.

• Bajo contenido de hidrógeno en la soldadura.

• Altas velocidades de soldadura.

• Buena apariencia del cordón.

• Excelente calidad.

Desventajas del proceso

• Soldadura plano u horizontal.

• Uniones cerradas.

• Generación de escoria.

Electrodos

EM14K: Se usa cuando se necesitan excelentes propiedades mecánicas, Las

propiedades mecánicas son excelentes después de unpost-tratamiento térmico y Contiene pequeñas cantidades de Titanio para conservar la tenacidad después de un alivio de tensiones.

EM13K, ER70S-3: Contenido mayor de Silicio y Manganeso para aumentar la dureza, El Silicio

y Manganeso como desoxidantes del depósito y El alambre es excelente para soldaduras con algo de contaminación sobre el material base.

EA1: Contiene 0,50% Molibdeno. El Molibdeno aumenta la dureza y

tenacidad a alta temperatura y se usa para pases simples y múltiples.

ENi1K,ER80S-NI1: Contiene 1% Níquel. Se usa cuando se necesita

resistencia al impacto a baja temperatura. Diseñado para usarse con fundentes neutros y Es ideal para aceros resistentes a la intemperie.

ER308/ER308L: Diseñado para unir aceros austeníticos comunes. Es para los grados

de acero inoxidable llamados como “18-8” y Los grados“18-8” son usados por su apariencia, resistencia a la corrosión y propiedades mecánicas.

ER316/ER316L: Este acero inoxidable contiene altos niveles de Molibdeno y tiene más resistencia a la corrosión localizada.

Clasificación para la combinación alambre/fundente para SAW

Reglas básicas

• Si se incrementa la corriente aumenta la penetración y la tasa de fusión.

• Una corriente demasiado alta produce socavamiento, franja alta y angosta.

• Una corriente de soldadura demasiado baja produce un arco inestable

Proceso de soldadura Oxigas • consiste en una llama dirigida por un soplete, obtenida

por medio de la combustión de los gases oxígeno-acetileno.

• El intenso calor de la llama funde la superficie del metal base para formar una poza fundida. A medida que esta llama se mueve a lo largo de la unión, el metal base y el metal de aporte se solidifican para producir el cordón.

Soldadura por Resistencia