2. Breves apuntes sobre Soldadura
2.1 Definiciones bsicas
Definicin 1 de soldadura: Operacin para unir permanentemente dos
o ms materiales, asegurando la continuidad de sus propiedades
fsicas, metalrgicas y mecnicas. Definicin 2 de soldadura:
Procedimiento por el cual dos o ms piezas se unen de forma
permanente, bien sea por la accin del calor, presin, o combinacin
de ambos, y con o sin la adicin de un tercer material llamado de
aporte.A nivel subatmico (Figura 1) la soldadura se logra gracias a
la propiedad de coalescencia, es decir, ocurre la aproximacin de
los tomos y molculas de las partes a unir, o de stas a un material
intermedio con distancias suficientemente pequeas para la formacin
de ligas metlicas o de Van der Waals.
Figura 1. Fenmeno de coalescencia
Metal base: cada uno de los materiales que han de ser unidos por
el proceso de soldadura. En un proceso de soldadura se pueden unir
dos metales base de iguales o diferentes caractersticas.Material de
aporte: tercer material que se utiliza en un proceso de soldadura,
para propiciar la unin de los dos metales base. El material de
aporte ha de ser elegido en funcin de la naturaleza de los metales
base y del mtodo de soldadura a emplear.
La soldadura se subdivide en una amplia familia de subprocesos
destinados a fabricar otras piezas, a partir de piezas brutas
(recordar los mapas de procesos del captulo 1).
2.2 Clasificaciones de la soldaduraExisten diversas formas de
clasificar la soldadura. A continuacin se enuncian algunas de
ellas.
2.2.1 Desde el punto de vista de la forma de energa empleada
para efectuar la unin
Por energa elctrica Por energa qumica Por energa mecnica o
presinPor energa elctricaSe hace circular una corriente elctrica
por los materiales que se van a soldar y se genera el calor
necesario para que se produzca la fusin y luego la unin. Se
subdivide en arco y por resistencia.
Por energa qumica. Se genera una combustin, la cual propicia
unos procesos qumicos de unin y disociacin, alcanzando una
temperatura adecuada para realizar los procesos de soldadura. Se
subdivide en autgena (oxiacetilnica) y termospray.
Por energa mecnica o presin. Se aplican fuerzas macroscpicas
externas (por friccin o por impacto) a las piezas, de forma tal que
se eleva su temperatura al punto de crear a nivel microscpico las
fuerzas de atraccin necesarias para logra la unin. Se subdivide en
soldadura por friccin y por forja.
En la soldadura por friccin (Figura 2) uno de los dos metales
base posee forma de slido de revolucin, mientras que el otro no
rota, pero se le aplica una fuerza elevada para aproximarlo al
rotacional, creando una zona de elevada friccin y temperatura, con
deformacin plstica, hasta que se logra la unin. La figura 3
presenta un ejemplo de un tornillo de cabeza cuadrada, obtenido
gracias a la soldadura por friccin.
Figura 2. Pasos generales de la soldadura por friccin
Figura 3. Tornillo de cabeza cuadrada, obtenido por soldadura
por friccinLa soldadura por friccin se utiliza para soldar metales
base de naturaleza muy diferentes (muy dismiles) y que por otros
mtodos de soldadura sera muy difcil obtenerlos, por ejemplo acero
duro con acero blando, aluminio con otras aleaciones, acero y
cobre. En la soldadura por forja (figura 4), regularmente se
precalientan los metales base (por debajo de su punto de fusin),
llevndolos a un estado de fluencia tal, que con la aplicacin de
golpes (impacto) se unen las dos superficies. En la soldadura por
forja no hay material de aporte.
Figura 4. Soldadura artesanal por forja
2.2.2 Desde el punto de vista del mecanismo de conformacin las
soldaduras
Se subdividen en:
Por presin (energa mecnica). Friccin, forja. Por fusin (por
energa elctrica o qumica). Combinados
2.2.3 Desde el punto de vista de la aplicacin de las piezas a
soldar
En esta clasificacin se tienen:
Soldaduras de produccin Soldaduras de Mantenimiento y
recuperacin Soldaduras de propsito artesanal
Las soldaduras de produccin hacen referencia a las destinadas a
la fabricacin de piezas de consumo masivo (recordar el layout de
planta Flow shop), como por ejemplo muebles, sillas, carroceras,
estructuras metlicas, etc.
Las soldaduras de mantenimiento y recuperacin hacen referencia a
un campo de aplicacin muy complejo, destinado a la reparacin,
reconstruccin o conservacin de piezas nicas, muy costosas, de
difcil adquisicin o que una relacin costo-beneficio indique que
justifica su conservacin. En este caso se utilizan las llamadas
soldaduras especiales. Ejemplos de este tipo de pieza son las mazas
caeras de los trapiches paneleros o caeros (figura 5), los baldes o
cucharas de los bulldozer o retroexcavadoras, volantes de inercia o
pionera de gran tamao. En las soldaduras de mantenimiento y
recuperacin se han desarrollado mtodos y materiales, diferentes a
los de las soldaduras de produccin.
Figura 4. Revestimiento de una maza caera
Las soldaduras de propsito artesanal hacen referencia a las
aplicadas en la construccin de esculturas metlicas o joyera.
La figura 6 presenta un mapa de procesos de soldadura, el cual
de por s es amplio, ya que a cada subfamilia (crculo) le
corresponde otra gama de mtodos; por ejemplo, la soldadura por arco
elctrico AW (Arc Welding) comprende los (17) procesos ilustrados en
la tabla 1; el anterior desglose da cuenta de la amplitud y
complejidad del proceso de conformacin de piezas por soldadura.
Dadas las limitaciones del tiempo del curso se explicarn
brevemente dos mtodos de soldadura, el SMAW y la OAW. El SMAW
pertenece a las clasificaciones de soldadura por energa elctrica /
por fusin / de produccin, de mantenimiento y artesanal, mientras
que la OAW (OXYACETYLENE WELDING) o soldadura oxiacetilnica
pertenece a las clasificaciones de soldadura por energa qumica /
por fusin / de produccin, de mantenimiento y artesanal.
Figura 6. Mapa general de procesos de soldadura
SiglaDescripcin de la siglaTraduccin de la sigla
GMAWGAS METAL ARC WELDINGSOLDADURA POR ARCO METLICO PROTEGIDO
POR GAS
GMAW-PPULSED ARCARCO PULSADO
GMAW-SSHORT CIRCUITING ARCARCO POR CORTO CIRCUITO
GTAWGAS TUNGSTEN ARC WELDINGSOLDADURA POR ARCO METLICO DE
TUNGSTENO PROTEGIDO POR GAS
GTAW-PPULSED ARCARCO PULSADO
PAWPLASM ARC WELDINGSOLDADURA POR PLASMA
SMAWSHIELDED METAL ARC WELDINGSOLDADURA POR ELECTRODO
REVESTIDO
SAWSUBMERGED ARC WELDINGSOLDADURA POR ARCO SUMERGIDO
SAW-SSERIES SAW EN SERIE
AHWATOMIC HYDROGEN WELDINGSOLDADURA POR HIDRGENO ATMICO
BMAWBARE METAL ARC WELDINGSOLDADURA ELCTRICA SIN PROTECCIN
CAWCARBON ARC WELDINGSOLDADURA POR ARCO DE CARBN
CAW-SSHIELDEDPROTEGIDA
CAW-GGASCON GAS
CAW-TTWINDOBLE PROTECCIN
EGWELECTROGAS WELDINGSOLDADURA POR ELECTROGAS
FCAWFLUX CORED ARC WELDINGSOLDADURA DE CORAZN FUNDENTE
Tabla 1. Procesos genricos de soldadura por arco elctrico2.3
Soldadura SMAW
En la soldadura SMAW (Shielded Metal Arc Welding) o soldadura
elctrica por arco revestido (Figura 7), Se forma entre arco
elctrico (o cortocircuito) entre un electrodo revestido (material
de aporte) y los metales base a unir, gracias a la aplicacin de una
baja tensin elctrica (10 a 50 voltios) y una elevada corriente (de
10 a 1.000 amperios); el arco es una descarga elctrica a travs de
un medio ionizado, que genera luz y calor intensos, dentro de una
atmsfera de aire o gas inerte a baja presin.
Figura 7. Esquema bsico de la soldadura por arco elctrico
SMAW
El electrodo (Figura 7) se debe aproximar a las superficies a
unir, generndose el arco elctrico, con lo cual se funden el alma y
el revestimiento del electrodo, as como la capa superficial de los
metales base, formndose un charco de fusin; el charco de fusin (o
metal lquido) es cubierto por la escoria (revestimiento derretido),
con lo cual se crea un ambiente inerte para lograr su adecuada
solidificacin. Una vez que el charco de fusin se ha solidificado se
debe retirar la escoria (martillo escoriador y cepillo de cerdas de
acero).
Bsicamente en SMAW se debe:
Preparar la superficie de los metales base (ver numeral 2.3.1)
Elegir o acomodarse a la posicin de las junta a efectuar (ver
numeral 2.3.2) Elegir adecuadamente el electrodo, las corrientes de
trabajo y la velocidad lineal de aplicacin por parte del operario
(ver numeral 2.3.3) Una vez aplicada la soldadura, dependiendo de
la importancia y criticidad de la piza soldada se deben realizar
pruebas destructivas o no destructivas, para validar la calidad y
posterior desempeo de la junta, para lo cual hay normas.
2.3.1 Preparacin de la junta
Las superficies a soldar deben estar limpias, es decir, libres
de xido, herrumbre, grasa u cualquier sustancia qumica ajena a las
superficies.
Posteriormente, si es necesario se deben preparar los biseles o
chaflanes. Un bisel o chafln es una superficie que forma un ngulo
de 45, con respecto a una arista de referencia, y regularmente se
obtiene removiendo material de la arista de una pieza, formando. La
figura 8 ilustra diferentes tipos de chaflanes, los cuales dependen
esencialmente de los materiales base, de sus espesores y de las
cargas a soportar por la junta. El espacio del bisel debe ser
copado por la soldadura.
Figura 8. Diferentes preparaciones de junta
2.3.2 Posicin de la soldadura
La posicin de la soldadura hace referencia a la posicin espacial
relativa entre el soldador y la junta a soldar. Las dos posiciones
tpicas son a tope y filete.
En el caso de la posicin a tope, la figura 9 ilustra (4)
configuraciones diferentes: plana o de nivel 1G, horizontal 2G
(chapas verticales y ranura horizontal), vertical 3G (chapas y
ranura vertical para aplicar cordn ascendente) y sobre cabeza o
sobre techo 4G (chapas horizontales con ranura invertida). Para
cada posicin se corresponde un tipo de electrodo, una destreza
particular del soldador, y una direccin y velocidad de
aplicacin.
La figura 10 ilustra cuatro configuraciones diferentes para
soldar en filete (fillet).
Figura 9. Cuatro posiciones diferentes para soldar a tope
Figura 10. Cuatro posiciones diferentes para soldar en
filete
2.3.3 Nomenclatura y seleccin de Eleccin de electrodo
Los electrodos manuales revestidos para SMAW poseen una
nomenclatura normalizada por la American Welding Society AWS, cuya
estructura se muestra en la figura 11. En el caso del dgito Y, 1 es
para soldar en posicin plana, 2 es para soldar en soldar en posicin
plana y horizontal, mientras que 4 es para soldar en posicin
horizontal, vertical descendente y sobre cabeza. La tabla 2 ampla
lo concerniente al dgito Z de la nomenclatura estandarizada.
Figura 11. Nomenclatura estandarizada para electrodos manuales
SMAW
Tabla 2. Cdigo Z de la nomenclatura estandarizada
Por ltimo, a cada tamao estandarizado de electrodo le
corresponden un rango de corrientes de trabajo (que se corresponde
internamente en el equipo con un rango de voltajes) y una velocidad
lineal de aplicacin por parte del operario, la cual puede ser
consultada en la tabla 3. Nota: el dimetro hace referencia al alma
y no incluye el revestimiento.
Dimetro del electrodo (pulg)Corriente (A)VoltajeVelocidadavance
(pul /min)
3/3270/100225/25020/2426/287/1020/22
1/8
280/450350/400375/425400/450450/50026/3030/3231/3331/3330/337/1413/1717/1912/1515/20
5/32140/1703007350400/45021/2531/3326/307/1020/2217/19
3/16400/450425/475450/500450/525500/575550/625575/625600/650625/675650/75030/3331/3330/3328/3030/3332/3431/3332/3431/3332/3417/2113/1616/1816/1816/2012/1617/1913/1614/1713/16
Tabla 3. Corrientes, voltajes y velocidades de aplicacin en
funcin del dimetro del electrodoEjercicio 1. Identificar qu quieren
decir cada uno de los trminos de los electrodos E 6010, E6011,
E6013, E7018.
Ejercicio 2. Identificar el rango de corrientes y velocidades de
permisibles (en el equipo de soldadura) para soldar con un
electrodo de dimetro 3/32.
Ejercicio 3. Un operario debe ejecutar una costura o cordn de
soldadura con un electrodo de 3/16, pero desea aplicarlo a toda
para irse a jugar un partido de futbol Cul es la mxima velocidad de
aplicacin recomendada en tablas? Si la labor consiste aplicar (5)
cordones de (50) cm de longitud y descontando tiempos muertos Cul
es el tiempo aproximado que demorar la operacin de soldar?
2.4 Soldadura OAW autgena (oxiacetilnica)
La soldadura OxyAcetylene Welding OAW (u oxiacetilnica como
usualmente se le conoce) es un tipo de soldadura qumica basada en
el calentamiento de dos materiales hasta lograr su fusin y unin,
gracias a la accin de una llama proporcionada por un soplete, en el
cual ocurre una combustin a base de oxgeno y acetileno.
Se habla de soldadura autgena cuando la unin se obtiene por la
fusin de las regiones cercanas de los metales base, mientras que si
se utiliza material de aporte se habla de soldadura
oxiacetilnica.
La soldadura autgena u oxiacetilnica, se utiliza para soldar
lminas muy delgadas, tuberas especiales, racores, reparar piezas
pequeas, metales como acero inoxidable, cobre, bronce, aluminio,
nquel. Tambin se utiliza OAW cuando se trata de regiones apartadas
donde hay energa elctrica (ni de la red ni por planta elctrica). La
soldadura OAW no es apta para resistir esfuerzos elevados.
Aparte de soldar o unir la soldadura oxiacetilnica tambin se usa
para calentar piezas (para su ensamble o desensamble) y para cortar
metales (usando un soplete especial o cortador).
El acetileno es en esencia un gas combustible incoloro y de un
olor especial, obtenido por la reaccin del carburo de calcio con el
agua; el acetileno es explosivo por encima de los 1,5 kg/cm (22,5
psi). El oxgeno es un gas inodoro e incoloro obtenido
industrialmente por la destilacin fraccionada del aire lquido. El
oxgeno en la soldadura autgena acta como comburente o activador de
la combustin.
En esencia un equipo para soldadura autgena (Figura 12) consta
de:
Cilindros (pipas) o depsitos. Poseen tamaos y colores
estandarizados. Manorreductores (para oxgeno y para acetileno).
Permiten verificar la presin de almacenamiento dentro de la pipa y
regular la presin de servicio o trabajo que va por las mangueras
hacia el soplete. Mangueras. Poseen dimetros, colores y racores
estandarizados. Soplete o mezclador. Mezcla controladamente el
oxgeno y el acetileno para controlar a voluntad la llama.
Figura 12. Equipamiento bsico para soldadura autgena
Algunos datos tcnicos de inters:
El acetileno se suministra comercialmente en pipas de color
rojo, y su presin oscila entre los (200 300) psi; para garantizar
que con esta presin de almacenamiento el producto no estalle posee
acetona en su interior, lo que le brinda estabilidad qumica. El
acetileno lo cobran por kg de peso del gas. La mxima presin de
trabajo o servicio recomendada debe estar entre los (10 15) psi,
por encima hay riesgo de explosin. La pipa no se debe continuar
usando si la presin en su interior est por debajo de los 50 psi, ya
que arrastra la acetona y aumenta la inestabilidad y el riesgo de
explosin y adicionalmente la llama puede devolverse por el soplete
y las mangueras, causando una explosin. Los racores de salida de la
pipa son de rosca izquierda, para evitar confusin y accidentes si
se confundieran con las del oxgeno.
El oxgeno se suministra comercialmente en pipas de color verde,
y su presin est del orden de los 2200 psi; el oxgeno industrial es
peligroso en contacto con la grasa, por lo tanto quien manipule las
pipas no puede tener las manos engrasadas. El oxgeno lo cobran por
m de gas. La mxima presin de trabajo o servicio recomendada no debe
sobrepasar los 70 psi. Una forma fcil de identificar los rdenes de
presin de 1 a 5, es decir la presin de servicio del oxgeno se
divide entre (5) y esa ser la presin de servicio del acetileno. La
pipa no se debe continuar usando si la presin en su interior est
por debajo de los 300psi. Los racores de salida de la pipa son de
rosca derecha, para evitar confusin y accidentes si se confundieran
con las del oxgeno.
La llama de la soldadura oxiacetilnica posee unas regiones
claramente definidas (Figura 13), con unas temperaturas asociadas.
Como se puede apreciar la llama oxiacetilnica alcanza temperaturas
del orden de 3200C, por lo cual es un equipo sumamente
peligroso.
Figura 13. Regiones de una llama oxiacetilnica
Tipos de llama oxiacetilnica.
Dependiendo de la relacin volumtrica de los gases que salen por
el soplete y atendiendo a la forma de la llama se conocen (3)
formas de llama (Figura 14), cada una de las cuales tiene sus
ventajas, desventajas y aplicaciones.
Neutra. Tericamente la proporcin de oxgeno es la misma que la de
acetileno. Se le conoce como destructora de xidos metlicos, esta
llama se utiliza para soldar aceros al carbono y cobre.
Oxidante. Mayor volumen de oxgeno que de acetileno. Utilizad
apara soldar bronce y latn.
Carburante o reductora. Mayor proporcin de acetileno que de
oxgeno. Esta se utiliza para soldar hierro fundido, aluminio, plomo
y soldaduras de recubrimientos duro o para calentar
Figura 14. Tipos de llama oxiacetilnica
1