Módulo III

SOLDADURA

Introducción

La soldadura es un proceso de unión de materiales, en el cual se funden las superficies de contacto de dos o más partes mediante la aplicación de calor o precisión.

La integración de las partes que se unen mediante soldadura se llama ensamble soldado.

Muchos procesos de soldadura se obtienen solamente por el calor sin aplicar presión. Otros se obtienen mediante una combinación de calor y presión, y unos únicamente por presión sin aportar calor externo.

En algunos casos se agrega un material de aporte o relleno para facilitar la fusión. La soldadura se asocia con partes metálicas, pero el proceso también se usa para unir plásticos.

La soldadura es un proceso importante en la industria por diferentes motivos:

• Proporciona una unión permanente y las partes soldadas se vuelven una sola unidad.

• La unión soldada puede ser más fuerte que los materiales originales si se usa un material de relleno que tenga propiedades de resistencia superiores a la de los metales originales y se aplican las técnicas correctas de soldar.

• La soldadura es la forma más económica de unir componentes. Los métodos alternativos requieren las alteraciones más complejas de las formas (Ej. Taladrado de orificios y adición de sujetadores: remaches y tuercas). El ensamble mecánico es más pesado que la soldadura.

• La soldadura no se limita al ambiente de fabrica, se puede realizar en el campo.

Además de las ventajas indicadas, tiene también desventajas:

• La mayoría de las operaciones de soldadura se hacen manualmente, lo cual implica alto costo de mano de obra. Hay soldaduras especiales y la realizan personas muy calificadas.

• La soldadura implica el uso de energía y es peligroso.

• Por ser una unión permanente, no permite un desensamble adecuado. En los casos cuando es necesario mantenimiento en un producto no debe utilizarse la soldadura como método de ensamble.

• La unión soldada puede tener defectos de calidad que son difíciles de detectar. Estos defectos reducen la resistencia de la unión.

Tipos de Soldadura

Soldadura por Fusión

Soldadura de Estado Sólido

Soldadura por Fisión

Este tipo de soldadura usa calor para fundir los metales base. En muchos casos se añade un metal de aporte a la combinación fundida para facilitar el proceso y aportan volumen y resistencia a la unión soldada.

La operación de soldadura por fusión en la cual no se añade un metal de aporte se llama soldadura autógena.

La soldadura por fusión incluye los siguientes grupos:

• Soldadura con Arco Eléctrico

El calentamiento de los metales se obtiene mediante el arco eléctrico.

• Soldadura por Resistencia

La fusión se obtiene usando el calor de una resistencia eléctrica para el flujo de una corriente que pasa entre superficies de contacto de las partes sostenidas juntas bajo presión.

• Soldadura con Oxígeno y Gas Combustible

Este tipo de soldadura usa gas de oxígeno combustible tal como una mezcla de oxígeno y acetileno con el propósito de producir una flama caliente para fundir la base metálica y el material de aporte (cuando se utiliza).

Soldadura de Estado Sólido

Este tipo de soldadura se refiere a los procesos de unión en los cuales la fusión proviene de la aplicación de presión solamente, o una combinación de calor y presión. Si se usa calor, la temperatura del proceso está por debajo del punto de fusión de los metales que se van a soldar. No se utiliza un metal de aporte en los procesos de estado sólido. Algunos procesos de este tipo de soldadura incluye:

• Soldadura por Difusión

En este tipo de soldadura se colocan juntas dos superficies bajo presión a una temperatura elevada y se produce coalescencia de las partes por difusión.

• Soldadura por Fricción

La coalescencia de las partes se obtiene mediante el calor de la fricción entre dos superficies.

• Soldadura Ultrasónica

Se realiza aplicando una presión moderada entre las dos partes y un movimiento oscilatorio a frecuencias ultrasónicas en una dirección paralela a la superficie de contacto. La combinación de las fuerzas normales y vibratorias producen intensas tensiones que remueven las películas superficiales y se obtiene una unión atómica de las superficies.

Aplicaciones de la Soldadura

a) Construcción de puentes, edificios

b) Producción de tuberías, recipientes, calderas, tanques

c) Construcción naval

d) Industria aeronáutica y espacial

e) Automóviles, ferrocarriles, etc.

La Unión por Soldadura

La soldadura produce una conexión sólida entre dos partes llamadas unión por soldadura.

Hay cinco tipos básicos de uniones:

• Unión Empalmada

En este tipo de unión las partes se encuentran en el mismo plano y se unen sus bordes

• Unión de Esquina

Las partes en este tipo de unión forman un ángulo recto y se unen en la esquina del ángulo.

• Unión Superpuesta

Esta unión consiste en dos partes que se sobreponen.

• Unión en “T”

Una parte es perpendicular a la otra forma de la letra “T”

• Unión de Bordes

La unión se hace en el borde común

Tipos de Soldadura

Todas las uniones se hacen por medio de soldaduras. Los tipos de soldadura dependen del tipo de la unión y del proceso de soldadura.

• Soldadura de Filete

Para rellenar los bordes de las placas unidas por uniones de esquinas, sobrepuestas, en “T”; se usa un metal de relleno para proporcionar una sección transversal de un triángulo.

Se hace por medio de la soldadura con arco eléctrico. El oxígeno y gas combustible, porque requiere una mínima preparación de los bordes.

Las líneas punteadas muestran los bordes originales de las partes.

• Soldadura con Surco o Ranura

Requiere que se moldeen las orillas de las partes en un surco para facilitar la penetración de la soldadura.

Algunas soldaduras con surco típicas: (a) soldadura con surco cuadrada, un lado; (b) soldadura de bisel único; (c) soldadura con surco en V único; (d) soldadura con surco en U único; (e) soldadura con surco en J único; (f) soldadura con surco en V doble para secciones más gruesas. Las líneas con guiones muestran los bordes originales de las partes.

Aunque se asocia más con una unión empalmada la soldadura con surco se usa en todos tipos de uniones menos en las sobrepuestas.

• Soldaduras con Insertos y Soldaduras Ranuradas

Se usan para unir placas planas. Usan ranuras y huecos en la parte superior que se rellena con material (metal) para fundir las dos partes.

• Soldaduras con Puntos

Es una pequeña sección fundida entre las superficies de dos placas. Se requiere varias soldaduras para unir las partes. Se asocia con la soldadura por resistencia.

• Soldadura Engargolada

Es similar a una de puntos, pero consiste en una sección fundida más o menos continua entre las dos placas.

• Soldadura de Superficie

No se usa para unir partes sino para depositar metal de relleno sobre la superficie de una parte. Las gotas de soldadura se incorporan en una serie de pasadas paralelas sobrepuestas, con la que se cubre grandes áreas de la parte base. El propósito es aumentar grosor de la placa o hacer un recubrimiento protector sobre la superficie.

PROCESOS DE SOLDADURA

Soldadura por fusión

A.1. Soldadura con arco eléctrico

Es un proceso de soldadura por fusión en el cual la unificación de los metales se obtiene mediante el calor de un arco eléctrico entre un electrodo y el trabajo. (El mismo proceso básico se usa en el corte con arco eléctrico).

El arco eléctrico es una descarga de corriente eléctrica a través de una separación en un circuito y se sostiene por la presencia de una columna de gas ionizado (llamado plasma), a través de la cual fluye la corriente.

El arco eléctrico se inicia al acercar el electrodo a la pieza, después del contacto se separa rápidamente de la pieza a una distancia corta.

El arco eléctrico produce temperaturas hasta 5500 °C o más que son suficientes para fundir cualquier metal. Se forma un pozo de metal fundido que consiste en metal base y el metal de aporte (cuando se usa), cerca de la punta del electrodo. En la mayoría de los procesos de soldadura con arco eléctrico se agrega un metal de aporte durante la operación para aumentar el volumen y fortalecer la unión soldada. Conforme el electrodo se mueve a lo largo de la unión, el pozo de metal fundido se solidifica de inmediato.

Los electrodos que se usan en este tipo de soldadura pueden ser consumibles o no consumibles.

Los electrodos consumibles pueden ser en forma de varillas o alambres. El arco eléctrico consume el electrodo durante el proceso de soldadura y este se añade a la unión fundida como metal de relleno. Las desventajas de electrodos de varillas es que deben cambiarse en forma periódica. El alambre tiene la ventaja que se puede alimentar continuamente desde cabinas y esto evita interrupciones frecuentes.

Los electrodos no consumibles están hechos de tungsteno que resisten la fusión mediante el arco eléctrico. El electrodo de tungsteno se gasta gradualmente como cualquier herramienta. El metal de relleno debe proporcionarse mediante un alambre separado.

A.1.1 Protección del Arco Eléctrico

En la soldadura con arco eléctrico las altas temperaturas provocan que los metales que se unen reaccionen con el oxígeno, nitrógeno, hidrógeno del aire. Las propiedades mecánicas de la unión soldada pueden degradarse debido a estas condiciones. Para proteger la soldadura, todos los procesos con arco eléctrico están previstos con algún medio para proteger el arco del aire. Esto se logra cubriendo la punta del electrodo, el arco eléctrico y el pozo de la soldadura fundida, con gas, fundente o ambos. Los gases de protección son: el argón, el helio que son inertes.

El fundente es una sustancia que se usa para evitar la formación de óxidos, lo disuelve y facilita su fácil remoción. Durante la soldadura, el fundente se derrite y se convierte en escoria líquida que cubre la operación y protege la soldadura. La escoria se endurece a medida que se enfría, y se remueve con cepillo o cincel.

También el fundente proporciona una atmósfera protectora, estabiliza el arco eléctrico y reduce las salpicaduras. El fundente se puede aplicar de las siguientes formas:

- Vaciando el fundente granular en la operación

- Usando electrodo de varilla cubierto con fundente

- Usando electrodos tubulares que contiene fundente en el núcleo

A.1.2 Tipos de Soldadura con arco eléctrico con electrodos consumibles

• Soldadura con arco protegido

Es un proceso de soldadura con arco eléctrico que usa un electrodo consumible y consiste de una varilla de metal de aporte recubierta con materiales químicos que proporcionan un fundente y protección.

Este proceso se llama también soldadura de varilla. El metal de aporte debe ser compatible con el metal que se va a soldar. El recubrimiento consiste en celulosa pulverizada (polvos de algodón y madera) mezclado con óxidos, carbonatos y otros ingredientes mediante un aglutinante de silicato. En ocasiones se incluyen en el recubrimiento polvos metálicos para aumentar la cantidad de metal de aporte. El calor del proceso funde el recubrimiento y proporciona una atmósfera protectora y escoria. También ayuda a estabilizar el arco eléctrico y regula la velocidad a la que se funde el electrodo.

Desventajas:

• La varilla se cambia periódicamente

• Como varía la longitud del electrodo, esto afecta el calentamiento de la resistencia del electrodo. Los niveles de corriente deben mantenerse dentro de un rango seguro, o el recubrimiento se sobrecalentará y fundirá prematuramente

• Soldadura con Arco Sumergido

Es un proceso que usa un electrodo de alambre desnudo consumible continuo. El arco eléctrico se protege mediante una cobertura de fundente granular.

El alambre del electrodo se alimenta desde un rollo. El fundente se introduce a la unión ligeramente adelante del arco de la soldadura por gravedad. El manto de fundente granular cubre por completo la operación de soldadura con arco eléctrico, evitando chispas, salpicaduras, radiaciones que son muy peligrosas. Por lo tanto, el operador no necesita usar la máscara protectora. La parte del fundente más cercana del arco se derrite y se mezcla con el metal de soldadura fundido para remover impurezas que después se solidifican en la parte superior de la unión soldada y forman una escoria con aspecto de vidrio. Los granos de fundente no derretidos en la parte superior proporcionan una buena protección de la atmósfera y un buen aislamiento térmico para el área soldada. Esto produce un enfriamiento, bajo una unión soldada de alta calidad con buenos parámetros de resistencia y ductibilidad.

El fundente no derretido se puede recuperar y reutilizar. La escoria sólida se quita mediante medios manuales.

A.1.3 Procesos de Soldadura con arco eléctrico que usan electrodos no consumibles

• Soldadura de tungsteno con arco eléctrico y gas

El proceso se puede realizar con metal de relleno o sin metal.

Cuando se usa un metal de aporte este se agrega al pozo de soldadura desde una varilla separada. El tungsteno es un buen material para electrodo debido a su alto punto de fusión 3410 °C. Los gases protectores son argón, helio o mezcla de ellos.

Este tipo de soldadura se aplica a la mayoría de los metales de diferentes espesores, y para combinaciones de metales diferentes.

Las ventajas son:

• Alta calidad

• No hay salpicaduras debido a que no hay material de soporte a través del arco eléctrico

• No requiere limpieza porque no usa fundente.

• Soldadura por arco de plasma

Es una forma especial de soldar con tungsteno con arco eléctrico y gas protector, en la cual se dirige un arco de plasma controlado al área de soldadura. Se coloca un electrodo de tungsteno dentro de una boquilla que concentra una corriente de gas inerte a alta velocidad en la región del arco eléctrico. Esto forma una corriente de arco de plasma intensamente caliente a alta velocidad.

La temperatura en la soldadura por arco de plasma llega a 28000°C y funde cualquier metal. La razón de estas altas temperaturas proviene de la estrechez del arco eléctrico y la concentración de la energía para producir un ahorro de plasma de diámetro pequeño.

Ventajas:

• Buena estabilidad del arco eléctrico

• Altas velocidades de viaje

• Una excelente calidad de la soldadura

Desventajas:

• Equipo costoso

• El tamaño del soplete limita el acceso en algunas configuraciones de unión

A.2 Soldadura por resistencia

La soldadura por resistencia es un grupo de procesos de soldadura por fusión que utiliza una combinación de calor y presión para obtener una coalescencia. El calor se genera mediante una resistencia eléctrica en la unión que se va a soldar.

Los componentes de este tipo de soldadura son: las partes de trabajo que se van a soldar (generalmente láminas metálicas), dos electrodos opuestos, un medio para aplicar presión necesaria para apretar las partes y un transformador de corriente alterna.

La operación produce una zona de fusión entre las dos partes llamada pepita de soldadura.

En comparación con la soldadura con arco eléctrico, la soldadura por resistencia no usa gases protectores fundentes o metales de aporte y los electrodos son no consumibles.

La resistencia en el circuito de soldadura es la suma de: resistencia de los electrodos, la resistencia de las partes de trabajo, las resistencias de contacto entre los electrodos y las partes de trabajo, y la resistencia de contacto entre las partes empalmantes.

La situación ideal es que las superficies empalmantes sean la resistencia más grande en la suma. La resistencia de los electrodos se minimiza usando metales con resistividades muy bajas (ex. Cu). La resistencia de las partes es una función de las resistividades de los metales base y los espesores de las partes. La resistencia de contacto entre los electrodos y las partes se determina mediante las áreas de contacto (tamaño y forma del electrodo) y la condición de las superficies (limpieza de las superficies). La resistencia en las superficies empalmadas depende del acabado de la superficie, limpieza, área de contacto, presión. No debe existir proteína, grasa, etc.

A.2.1 Proceso de Soldadura por resistencia

• Soldadura de puntos por resistencia

La soldadura por puntos por resistencia es el proceso predominante en este grupo. Se usa ampliamente en la producción masiva de automóviles y en otros productos a partir de láminas metálicas.

La soldadura de puntos por resistencias es un proceso en el cual se obtiene la fusión en una posición de las superficies mediante una unión superpuesta mediante electrodos opuestos. El proceso se usa para unir partes de láminas metálicas de 3 mm de espesor. El tamaño y la forma de puntos de soldadura se diferencia por medio de la punta de electrodo, la forma del electrodo más común es redonda. La pepita de soldadura tiene un diámetro de 5 / 10 mm. Los electrodos son hechos de aleaciones basadas en cobre, o combinaciones cobre-tungsteno (que tiene mayor resistencia al desgaste). Como en todos los procesos de manufactura, las herramientas para la soldadura se desgastan gradualmente con el uso. Los electrodos también se diseñan con canales internos para enfriamiento con agua. El ciclo de una operación de soldadura de puntos se da en la siguiente figura.

(a) Pasos en un ciclo de soldadura de punto, y (b) gráfica de la fuerza de presión y la corriente durante l ciclo. La secuencia es: (1) partes insertadas entre los electrodos abiertos, (2) los electrodos se cierran y se aplica la fuerza, (3) tiempo de soldadura (se activa la corriente), (4) se desactiva la corriente, pero se mantiene o se aumenta la fuerza (en ocasiones se aplica una corriente reducida cerca del final de este paso para liberar la tensión en la región de la soldadura) y (5) se abren los electrodos y se remueve el ensamble soldado.

Debido a su extenso uso industrial, hay disponibles diversas máquinas y métodos para realizar las operaciones de soldadura de puntos. El equipo incluye máquinas de soldadura de puntos con balancín y tipo prensa, así como pistolas portátiles para soldadura.

La máquina de soldadura de puntos con balancín tiene un electrodo inferior estacionario y un electrodo superior móvil que sube y baja.

El electrodo superior se monta en un balancín, cuyo movimientos es controlado mediante un pedal operado por el trabajador (puede haber máquinas automatizadas de balancín también).

La máquina de soldadura de puntos tipo prensa, son diseñadas para trabajos grandes. El electrodo superior tiene un movimiento en línea recta proporcionado por una prensa vertical. La acción de la prensa permite que se apliquen fuerzas más grandes y los controles generalmente hacen posibles la programación de los ciclos de soldadura complejas.

Las pistolas portátiles de soldadura son de diferente tamaño. Estos aparatos consisten en dos electrodo opuestos dentro de un mecanismo de tenazas. El aparato es ligero de tal forma que un trabajador o un robot lo puede sostener y manipular.

- Soldadura Engargolado por Resistencia

Los electrodos son en forma de ruedas giratorias. El proceso produce uniones herméticas y se usa para la producción de tanques de gasolina y otros recipientes fabricados con lámina de metal.

Como la operación generalmente se realiza en forma continua y no separada, la soldadura engargolada debe estar a lo largo de una línea recta o curva, las esquinas u otras irregularidades son difíciles de manejar. La deformación de las partes es el factor más significativo en la soldadura engargolada, por esta causa para sostener el trabajo en la posición correcta y así reducir la distancia.

En la figura siguiente se presenta diferentes tipos de soldadura engargolada.

El espacio entre las pepitas de soldadura depende del movimiento de las ruedas de electrodos relacionado con la aplicación de la corriente. Las ruedas giran en forma continua a una velocidad constante y la corriente se activa a intervalos de tiempo que coinciden con el espacio deseado entre las pepitas de soldadura.

En la fig. a. la frecuencia de las descargas de corriente se establece para que se produzcan puntos de soldadura sobrepuestos. Si se reduce la frecuencia, habrá espacios entre los puntos de soldadura. fig. b. En otra variable si la corriente de produce un engargolado de soldadura continuo fig. c.

Las máquinas de soldadura engargolada son similares a las máquinas de soldar por puntos de tipo de presión pero en lugar de electrodos en forma de varilla se usan electrodos en forma de ruedas. Para el enfriamiento del trabajo y las ruedas se dirige agua a la parte superior e inferior de las superficies de trabajo cerca de las ruedas de electrodos.

• Soldadura por Resistencia Instantánea

Se usa generalmente en uniones empalmadas, se ponen en contacto o se acercan las dos superficies, se aplica una corriente eléctrica para calentar las superficies hasta su punto de fusión, después de lo cual las superficies se oprimen juntas para formas la soldadura.

La corriente se detiene durante el recalcado. El material que se desborda en la unión se elimina por maquinado para obtener una superficie uniforme.

A.3 SOLDADURA CON OXÍGENO Y GAS COMBUSTIBLE

La fusión se realiza basándose en la combustión de diferentes gases mezclados con el oxígeno. Las diferencias entre tipos de soldaduras que pertenecen a este grupo se basan en tipos de gases utilizados.

El oxígeno y gas combustible se usa en sopletes de corte para cortar placas metálicas. El proceso más importante de este grupo es la soldadura con oxiacetileno.

Soldadura con oxiacetileno

Es un proceso de soldadura por fusión realizada mediante una flama a partir de la combustión del acetileno y el oxígeno. La flama se dirige mediante un soplete de soldadura. En ocasiones se agrega un metal de aporte en forma de varillas. La composición del metal de aporte debe ser similar a la de los metales base. Con frecuencia se recubre el aporte con un fundente lo cual ayuda a limpiar las superficies, evita la oxidación y produce una mejor unión soldada.

El acetileno es el combustible más común. La flama en la soldadura con oxiacetileno se produce mediante la reacción química del acetileno y el oxígeno en dos etapas.

I Etapa: C2H2 + O2 ----- 2CO + H2 + calor

Los dos productos son combustibles y conduce la reacción de la segunda etapa.

II Etapa: 2CO + H2 + 1.5º2 ------ 2CO2 + H2O + CALOR

Las dos etapas son visibles en la flama de oxiacetileno que emite el soplete.

La reacción de la I etapa se aprecia en el cono interno de la flama (calor blanco brillante), la reacción de la II etapa se observa en la cubierta externa. Casi no tiene color, pero posee matices que va del azul al naranja.

La temperatura máxima se alcanza en la punta del cono interno. Durante la soldadura la cubierta externa se extiende y protege la superficie que se unen de la atmósfera.

• Unos combustibles utilizados son el hidrógeno y el proceso se llama soldadura con oxihidrógeno, el propano, el gas natural, etc. Una aplicación de este tipo de soldadura es:

La soldadura por gas a presión

A = calentamiento de las dos partes

B = aplicación de presión para formas la soldadura

La coalescencia de las superficies en contacto se hace calentándolas con una mezcla de combustible (por lo general oxiacetileno) y después aplicando presión para unir las superficies.

En fig. a se calienta las superficies hasta que se realiza la fusión. Después se retira el soplete, se oprimen las partes se sostiene a presiones altas mientras ocurre la solidificación (no se usa material de relleno)

(Partes de Trabajo)