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Departamento Mecnica - Materiales Metlicos
DEPARTAMENTO DE INGENIERA MECANICA
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ctedra:
MATERIALES METALICOS
TEMA:
PROCESOS DE SOLDADURA
Preparado por:Preparado por:Preparado por:Preparado por:
Ing. Ricardo Bonaiuti
CrdobaCrdobaCrdobaCrdoba ---- 2020202011110000 RevRevRevRev....
OOOO
UNIVERSIDAD TECNOLGICA
NACIONAL
FACULTAD REGIONAL CRDOBA
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INTRODUCCIN
CONCEPTOS BSICOS La soldadura es un proceso metalrgico que
requiere de altas temperaturas para hacer posible la unin de los
metales, la fuente de calor utilizada para lograr las temperaturas
necesarias es lo que permite describir el tipo de proceso, por
ejemplo: soldadura autgena (gases), soldadura arco (elctrica).
Algunos procesos han sido desarrollados para aplicaciones
especficas, mientras otros son muy flexibles y pueden cubrir un
alto rango de necesidades industriales. La soldadura tambin es muy
usada para reparar y reconstruir partes con desgaste, rotas,
defectuosas, existe un amplio campo de aplicaciones dedicadas a
depositar capas de metales duros que mejoran la resistencia a la
corrosin, abrasin, impacto y al desgaste del material base.
Introducidos a finales del siglo XIX, el proceso de soldadura por
arco se mantiene como el ms usado de todas las tcnicas de
soldadura. La importancia de los procesos de soldadura en la
industria manufacturera puede comprenderse mejor si se considera el
siguiente ejemplo: la famosa Torre Eiffeld fue construida en 1889
requiriendo 7400 Tn de acero, 2,5 millones de remaches y 9 meses de
arduo trabajo; si se la hubiera construido utilizando alguno de los
procesos de soldadura conocidos, pesara un 40 % menos y se hubiera
construido en 90 das. Podemos definir a la soldadura como la unin
de dos metales producida por el efecto del calor localizado en una
seccin definida, que provoca la fusin de los elementos que
intervienen y es acompaada de un tratamiento trmico en las zonas
aledaas a la de fusin, debido a que el calentamiento es seguido de
un enfriamiento a diferentes velocidades segn la distancia a la
zona de fusin, la conductibilidad trmica del metal base y el medio
ambiente que rodea el cordn de soldadura. MATERIAL DE APORTE Se
denomina material de aporte al material que se adiciona mientras se
lleva a cabo la operacin de soldadura. El material de aporte debe
cumplir con el requisito fundamental de ser compatible, igual o lo
ms parecido posible al material base que se desea soldar. Se los
usa en forma de alambres, bobinas, varillas revestidas o polvos.
MATERIAL DEPOSITADO Es el resultado de la soldadura durante la unin
del metal de aporte con el metal base. Forma parte del cordn de
soldadura y generalmente es donde se producen las apariciones de
defectos o fallas consecuencia de un procesos descuidado,
defectuoso, materiales no compatibles u oxidaciones. ZONA AFECTADA
POR EL CALOR Conocida industrialmente como ZAC, es aquella que sin
llegar a fusin, sufre un ciclo trmico de calentamiento y
enfriamiento a diferentes velocidades, que modifican la micro
estructura de los metales intervinientes. Comprende desde a zona de
fusin, hasta donde el metal base se encuentra a temperatura
ambiente. Desde el punto de vista Metalrgico, esta zona es tan
importante como la de fusin debido a los fenmenos de dilatacin,
contraccin y cambios cristalogrficos que se producen. CORDON
Z.A.C.
UNIN SOLDADA ZAC + CORDON
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PROCESOS DE SOLDADURA PRECALENTAMIENTO DEL MATERIAL BASE En
algunas aplicaciones soldadas se debe practicar un precalentamiento
para evitar la formacin de estructuras duras (similares a las del
temple) en el ZAC durante el enfriamiento, el objetivo es disminuir
el gradiente trmico y por ende la velocidad de enfriamiento. Las
temperaturas de precalentamiento dependen de la composicin qumica
del material base y del espesor, por ejemplo: Para un acero aleado
con Ni - Cr y 0,60 % de Carbono: Ni + Cr Inf. al 4 % - No requiere
precalentamiento Ni + Cr 4 al 14 % - Precalentar entre 150-250 C Ni
+ Cr 4 al 22 % - Precalentar entre 250-450 C Ni + Cr Sup. al 22 % -
No precalentar. PREPARACIN DE JUNTAS O BISEL En todas las
operaciones de soldadura es necesario efectuar una buena preparacin
de las uniones a soldar a fin de asegurar la calidad de la
operacin, las uniones a soldar, reciben el nombre de JUNTAS O
BISEL. Una vez realizado el diseo ms adecuado de la junta, la
preparacin puede llegar a incluir operaciones de mecanizados
convencionales o mediante abrasivos, lo ms importante es efectuar
una muy buena limpieza con agentes decapantes y soluciones
desengrasantes para asegurar la eliminacin total de restos de
polvos, xidos y grasas (Fig. 01). ARCO VOLTAICO o ARCO ELCTRICO El
arco voltaico, tambin conocido como arco elctrico, es provocado por
una descarga elctrica continua de elevada intensidad que genera
calor focalizado e intenso. Se forma entre dos electrodos (metal
base a soldar y material de aporte) dentro de una atmsfera de gas a
baja presin. La energa elctrica, convertida en calor debido a la
diferencia de potencial y la proximidad entre polos opuestos,
produce una "chispa" focalizada que genera una elevada temperatura
que puede alcanzar 3500 C, produciendo la fusin de los metales y
luego la unin durante la solidificacin. La rpida elevacin de la
temperatura en el momento que se genera el arco, es producida por
electrones que van desde el electrodo negativo al positivo, pero
tambin por iones positivos que se mueven en sentido opuesto. El
impacto de los iones genera un intenso calor en los electrodos,
pero el polo positivo es el que se calienta ms debido a que los
electrones que golpean contra l tienen mayor energa total.
METALURGIA DE LA SOLDADURA Para el estudio de la metalurgia de
la soldadura, se deben diferenciar dos zonas bien caracterizadas:
Cordn de soldadura y la Zona afectada por el calor. El CORDN es la
zona que efectivamente alcanza la fusin y en la que se produce la
deposicin del material de aporte y el material base. El ZAC
comprende desde la zona donde se alcanza la temperatura de fusin,
hasta el metal base que se encuentra a temperatura muy prxima a la
ambiente. Vemos entonces que el material calentado pasar por
temperaturas que provocarn transformaciones micro estructurales
tales como recristalizacin, crecimiento de grano, normalizado y
temple, que provocan cambios en las propiedades fsicas asociadas a
perturbaciones de orden mecnico, que se traducirn en tensiones
internas residuales que provocan deformaciones y hasta fisuras en
el conjunto. Los factores ms importantes a considerar en la
metalurgia de la soldadura son los siguientes: 1- Velocidad
calentamiento: depende de la fuente de calor y eficiencia de la
transferencia. 2- Temperatura mxima alcanzada: depende de la energa
entregada por la fuente y el
coeficiente de disipacin trmica del metal base. 3- Tiempo de
permanencia a temperatura mxima alcanzada: es funcin del tamao
y
volumen del cordn y del coeficiente de disipacin de la base. 4-
Velocidad de enfriamiento: depende del volumen del cordn, del
coeficiente de
transferencia trmica y de la temperatura final del metal base.
5- Temperatura final de enfriamiento: deber ser inferior a las
temperaturas de 6- transformacin caractersticas del metal base.
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ESTRUCTURA CRIATALINA DEL CORDON En todas las uniones soldados
de metales se pueden distinguir perfectamente seis zonas bien
caracterizadas que estn comprendidas en el ZAC. Consideremos el
siguiente esquema: 6 5 4 3 2 1 B= Z.A.C.
A es METAL BASE - B es ZAC + CORDON 1- Zona de cristalizacin
equiaxial (grano redondeado y vasto debido al enfriamiento lento
en
el ncleo del cordn). 2- Zona de cristalizacin dendrtica (grano
fino y alargado provocado por enfriamiento rpido). 3- Zona de
crecimiento de grano (debido al mayor tiempo de exposicin a alta
temperatura). 4- Zona de afinado de grano (provocado por el
enfriamiento rpido del metal base). 5- Zona de transformacin
parcial (depende de las caractersticas del metal base). 6- Zona de
metal base sin afectar (se encuentra a temperatura casi ambiente).
PRINCIPALES PROCESOS DE SOLDADURA Existen ms de 40 procesos
diferentes de soldadura, en la prctica industrial se han
desarrollado aplicaciones para cada necesidad, los ms importantes o
de mayor desarrollo son los que se detallan a continuacin:
SOLDADURA POR GASES: Se denominan de esta forma a aquellos procesos
en los cuales la temperatura necesaria para alcanzar la fusin de
los metales a soldar, se logra por medio de una llama de gran
intensidad. Se presentan diferentes fuentes de energa:
OXIACETILNICAS: El proceso de soldadura oxiacetilnica (Fig. 02),
consiste en una llama dirigida por el pico de un soplete, obtenida
a travs de la combustin del oxigeno y acetileno. El intenso calor
de la llama, aproximadamente 3200 C, funde la superficie del metal
base para formar una pileta de metal lquido que al enfriar
solidifica formando una unin soldada. Se puede soldar con o sin
material de aporte chapas finas y de espesores medianos, es muy
usado para el corte de chapas y planchuelas de bajo/medio carbono
hasta 120 mm de espesor. El metal de aporte suele ser utilizado
para rellenar biseles y orificios o cuando la unin que se desea
realizar as lo requiera. Para producir soldaduras de buena calidad
es muy importante limpiar bien las uniones antes de soldar, se
recomienda utilizar medios mecnicos o elementos desoxidantes, adems
se debe escoger cuidadosamente el metal de aporte para no
contaminar la soldadura. VENTAJAS Y APLICACIONES El proceso
oxiacetilnico presenta las siguientes ventajas: - El equipo es
porttil, econmico y puede ser utilizado en todas las posiciones de
soldadura. - Gran flexibilidad de uso, puede soldar chapas finas
desde 0,5 hasta 8 mm de espesor. - Su mayor aplicacin en la
industria se encuentra en el campo del mantenimiento industrial,
reparacin de estructuras livianas, soldaduras de caeras y
manufacturas livianas. - Suele ser usado como fuente localizada de
energa para calentar, doblar, forjar y endurecer metales que sern
reelaborados.
A B B B B B B B A
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EQUIPOS Es el conjunto de elementos que, agrupados, permiten el
paso de los gases oxigeno-acetileno hasta un soplete en cuyo
interior se produce la mezcla, que en contacto con una chispa,
produce la combustin, base del sistema oxiacetilnico (Fig. 03).
PROCEDIMIENTO BASICO Ajuste de llama (Fig. 04): En soldadura
oxiacetilnica se utiliza una llama neutra (3160 C), o sea, se
suministra suficiente oxigeno para asegurar la combustin de todo el
acetileno presente. Aunque esta situacin corresponde a una relacin
terica oxigeno-acetileno de 2,5:1,0, en la prctica parte de la
combustin se realiza con oxigeno del aire de modo que: - Se consume
iguales cantidades de oxigeno y acetileno, relacin 1:1. - Se
produce un efecto de auto-proteccin, que minimiza la oxidacin del
metal base. La llama carburante, con exceso de acetileno, se
reconoce por una zona intermedia reductora que aparece entre el
dardo y el penacho: se utiliza solo en casos especiales. La llama
oxidante, con exceso de oxigeno, se reconoce por su dardo y penacho
ms cortos y su sonido ms agudo. Seleccin de boquilla: En la
seleccin de la boquilla influyen los siguientes factores: 1. Tipo
de material a soldar. 2. Espesor del material. 3. Tipo de unin
(tope, filete, bisel, corte). 4. Posicin en la que se soldar. 5.
Habilidad del operador. OXHIDRICAS Presenta temperatura de llama
mas baja que la anterior, alrededor de 2600 C, lograda mediante la
combustin del gas propano y/o butano con oxgeno. Su mayor aplicacin
se da en el soldado de chapas finas a tope o con aporte de alambres
de secciones reducidas (tpica soldadura de chapistas de
automviles). Para el corte se usa en planchuelas o chapas de hasta
25/30 mm de espesor. El equipo requerido es idntico al descrito
anteriormente (Fig.03), en el que cambia el gas contenido en el
cilindro N 2, que contendr propano o butano. MEZCLA DE GASES
Alcanza una temperatura de llama que puede oscilar entre 2300 a
2500 C, mediante una mezcla de gas-aire o aire-oxigeno,
principalmente con gas de alto horno, para aprovechar el generado
en las plantas siderrgicas, algunas veces debe ser enriquecido con
otros gases como el propano o butano. Este proceso es muy usado en
el mantenimiento mecnico de las plantas siderrgicas y para el
precalentamiento de hornos, crisoles y cucharas que recibirn o
mantendrn metal en estado lquido. El equipo utilizado es parecido
al descrito en (Fig.03), en el que el cilindro N 1 suele contener
aire comprimido y el cilindro N 2 contiene el gas de alto horno o
la mezcla. SOLDADURA POR ARCO ARCO ELCTRICO Consiste en una
descarga elctrica grande de 12,5 , 24 , 36 o 48 voltios y de 100 a
1.000 amperes entre ambos polos de un circuito, mantenida a travs
de una columna gaseosa altamente ionizada . La potencia del arco,
se mide en unidades elctricas : W = V . A , donde W es la potencia
, V la diferencia de potencia y A es la corriente circulante . La
velocidad de avance de la soldadura tiene gran influencia en la
eficiencia de la transferencia de calor y menor superficie de ZAC
afectada . La polaridad puede ser indistinta y la corriente
utilizada continua o alterna , generalmente la pinza porta
electrodo o torcha , se conecta al polo positivo .
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SISTEMA ARCO MANUAL El sistema de soldadura por arco manual, se
define como el proceso en que se unen dos metales mediante una
fusin localizada, producida por un arco elctrico entre un electrodo
metlico y el metal base que se desea unir (Fig. 05). La soldadura
por arco se conoce desde fines del siglo pasado, en esa poca se
utilizaba una varilla metlica descubierta que serva de metal de
aporte. Pronto se descubri que el oxgeno y el nitrgeno de la
atmsfera eran causantes de fragilidad y poros en el metal soldado,
por lo que al ncleo metlico se le agreg un revestimiento que al
quemarse se gasificaba, actuando como atmsfera protectora, a la vez
que contribua a mejorar notablemente otros aspectos del proceso. El
electrodo esta formado por una varilla metlica, recubierta por una
capa de revestimiento inorgnico, donde el ncleo es transferido
hacia el metal base a travs de una zona altamente ionizada por la
corriente elctrica que atraviesa el electrodo de soldadura. El
revestimiento, que determina las caractersticas mecnicas,
metalrgicas y qumicas de la unin, est constituido por un conjunto
de componentes metlicos, minerales y orgnicos que cumplen las
siguientes funciones: 1. Producir gases protectores para evitar la
contaminacin atmosfrica y gases
ionizantes para dirigir y mantener el arco. 2. Producir escoria
para proteger la pileta de metal lquido depositado hasta su
solidificacin. 3. Suministrar materiales desoxidantes, elementos
de aleacin y hierro en polvo. DESCRIPCIN DEL EQUIPO Es uno de los
ms simples de los equipos de soldadura, bsicamente consta de una
fuente de corriente continua (transformador), que tiene perillas
que permiten regular voltaje, corriente y polaridad mas
convenientes para la operacin. Est equipada con bornes conectores
que permiten alimenta el conductor o polo (+) en cuyo extremo se
instala la pinza de soldadura que es la encargada de tomar/fijar el
electrodo y el conductor o polo (-) se conecta al material base
para que acte de maza y cierre el circuito. NORMAS DE ELECTRODOS
Todos los elementos, equipos y procedimientos utilizados en las
soldaduras estn normalizados, inclusive existen normas para
calificar a los operadores segn niveles de especializacin y
habilidades, a ttulo informativo se presenta a continuacin un
ejemplo de norma aplicable para los electrodos usados en el proceso
de soldadura por arco manual. NORMA PARA ELECTRODOS REVESTIDOS -
A.W.S. (American Welding Socieity)
E 1 y 2 Resistencia a la traccin 3 Posicin de la soldadura 4
Tipo de fundente o escoria Ejemplos de designacin de
electrodos:
E 6013 Punta azul - Rutlico E 7024 Punta naranja - Celulsico E
4130 Punta marrn - Bsicos E 307-15 Punta marrn - Inoxidables
INDICE DE POSICIONES 1- Todas 2- Horizontal y plano 3- Plano
solamente
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SOLDADURA SEMIAUTOMATICA SISTEMA MIG El sistema MIG (metal inert
gas) fue introducido a fines del ao 1940, es definido por la norma
AWS como un proceso de soldadura por arco, donde la fusin se
produce por calentamiento con un arco entre un electrodo de metal
de aporte continuo y la pieza, la proteccin del arco se obtiene de
un gas INERTE (Argon), suministrado en forma externa a la boquilla
de la torcha en el momento que se produce el arco y se inicia la
soldadura, el Argn protege al metal lquido de la contaminacin
atmosfrica y ayuda a estabilizar el arco (Fig. 06). En el MIG, un
sistema de alimentacin impulsa en forma automtica y a velocidad
establecida el alambre-electrodo hacia el bao de fusin, mientras la
pistola de soldadura se posiciona en un ngulo adecuado y se
mantiene a distancia (tobera-pieza) de aproximadamente 10 mm.
CUALIDADES DEL SISTEMA 1. El arco siempre es visible para el
operador. 2. La pistola y los cables de soldadura son ligeros,
haciendo muy fcil su manipulacin. 3. Es uno de los ms verstiles
entre todos los sistemas de soldadura. 4. Rapidez de deposicin,
arco estable y sin formacin de escoria. 5. Excelente proteccin del
metal lquido y alto rendimiento. EQUIPO NECESARIO (Fig. 07) 1.
Fuente estabilizada de corriente continua. 2. Alimentador o
devanador para alambre de aporte con regulador de velocidad. 3.
Torcha o pistola de soldar para orientar el arco y el alambre hacia
la unin a soldar. 4. Cilindro conteniendo gas Argn para proteccin.
5. Caudalmetro con regulacin de presin para dosificar la salida del
Argn. 6. Carretel o bobina de alambre de calidad y dimetro
adecuados para lo que voy a soldar. SISTEMA MAG El proceso MAG
(metal active gas) es parecido al MIG, la principal diferencia
radica en el gas protector, que en este caso es muy activo
(oxidante), se usa el anhdrido carbnico (CO2), que a la alta
temperatura del arco, se descompone en monxido de carbono (CO), que
es reductor y protege la zona de soldadura y oxgeno (O2) que oxida
selectivamente las impurezas formando una delgada capa de escoria
que se desprende fcilmente. SISTEMA TIG Las exigencias tecnolgicas
en cuanto a calidad y confiabilidad de las uniones soldadas,
obligan a adoptar nuevos sistemas de soldadura por arco,
destacndose entre ellos la TIG (tugsten inert gas), que utiliza
electrodo no consumible de tungsteno y proteccin con gases inertes
como el Argn o Atal. El electrodo no consumible es metlico y
presenta un punto de fusin superior a los 3300 C, generalmente se
usa Wolframio (W), Torio (To) o Wolframio-Zirconio (W-Zr). El
sistema TIG es un proceso de soldadura por arco con proteccin
gaseosa, que utiliza el intenso calor de un arco elctrico generado
entre un electrodo de tungsteno no consumible y la pieza a soldar,
con o sin material de aporte. Se utiliza un gas de proteccin cuyo
objetivo es desplazar el aire, para eliminar la posibilidad de
contaminacin de la soldadura por el oxigeno y nitrgeno presentes en
la atmsfera. Como gases protectores se pueden emplear Argn o Helio,
o una mezcla de ambos. Las caracterstica ms importantes que ofrece
este sistema es la alta calidad de soldadura en todos los metales
sin aporte, incluyendo aquellos difciles de soldar o metales de un
espesor delgado y para depositar cordones de raz con aporte, en
uniones de caeras de alta presin. Las soldaduras hechas con el
sistema TIG son ms fuertes, resistentes a la corrosin y ms dctiles
que las realizadas con electrodos convencionales. Cuando se
necesita alta calidad y mayores requerimientos de terminacin, se
hace necesario utilizar el sistema TIG para lograr soldaduras
homogneas de buena apariencia y con un acabado completamente liso
(Fig. 08). Las principales ventajas que presenta el sistema son: -
No requiere fundentes, no forma escoria por lo que no hay necesidad
de limpieza posterior, - Produce bajas salpicaduras, chispas y
emanaciones gaseosas, - Brinda soldaduras de alta calidad en todas
las posiciones, sin distorsiones, - Puede ser automatizado,
montando la torcha en un manipulador y controlando el aporte.
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El equipo consta bsicamente de las siguientes partes (Fig. 09) -
Fuente de poder de corriente alterna, - Unidad de alta frecuencia,
- Pistola o torcha con electrodo de dimetro adecuado, - Cilindro de
gas Argn para proteccin del arco, - Caudalmetro con regulacin de
presin para dosificar la salida del gas Argn, - Suministro de agua
de enfriamiento (para casos de trabajo en ciclo continuo). La
pistola asegura el electrodo no consumible que conduce la corriente
y est rodeado por una boquilla de cermica, que hace fluir
concentricamente el gas protector. Normalmente se refrigera por
aire, pero para intensidades de corriente superiores a 200 Amp se
utiliza refrigeracin por agua, para evitar el recalentamiento del
mango. SOLDADURA AUTOMATICO SISTEMA ARCO SUMERGIDO Es el ms
recomendado para uniones soldadas de aceros con elevado espesor,
grandes longitudes y elevada calidad, su principal aplicacin se da
en la industria naval. Fue desarrollado simultneamente en E.U. y
Rusia a mediados de la dcada del los 30. Es un proceso automtico,
en el que el alambre de aporte desnudo es alimentado automticamente
hasta hacer contacto con la pieza provocando el arco, que se
mantiene sumergido en una masa de polvo fino (fundente), alimentado
desde una tolva que se desplaza delante del electrodo. De esta
manera el arco resulta invisible, lo que constituye una ventaja
pues evita el empleo de elementos de proteccin contra la radiacin
infrarroja y ultra violeta que son muy nocivas para el personal que
trabaja. Las corrientes utilizadas en este proceso varan en un
rango que va desde los 200 hasta los 2.000 Amp, usualmente se
utiliza corriente continua con electrodo conectado al polo positivo
cuando se trata de intensidades inferiores a los 1.000 Amp, cuando
las corrientes de trabajo superan ste valor se recomienda usar
corriente alterna a fin de evitar el fenmeno conocido como soplo
magntico. Los espesores que se pueden soldar varan desde 5 hasta ms
de 50 mm por pasada. El proceso se caracteriza por sus elevados
regmenes de deposicin y es normalmente empleado cuando se trata de
soldar grandes espesores de acero al carbono o de baja aleacin
(Fig. 10). EQUIPO Los principales componentes de la soldadura por
arco sumergido se muestran en la (Fig. 11). Entre las principales
ventajas podemos citar: a) Alta velocidad de deposicin y
rendimiento: con electrodos de 5/32 y 3/16 a 800 y 1000
Amp. se logra depositar hasta 15 Kg./hora de soldadura, con
electrodo de y 1300 Amp. se depositan hasta 24 Kg./hora (tres a
cuatro veces ms rpido que la soldadura manual),
b) Permite obtener depsitos de propiedades comparables a las del
metal base, c) Rendimiento del 100%, d) Soldaduras con 100% calidad
radiogrfica, e) Cordones homogneos, f) Uniones de buen aspecto y
penetracin uniforme, g) No se requieren protecciones especiales
para los operadores. El sistema automtico de arco sumergido brida
mxima velocidad de deposicin y calidad respecto a los dems sistemas
conocidos en la industria, por stas cualidades es recomendado para
produccin de uniones soldadas de aceros de medio y alto espesor
(desde 5 mm hasta 250 mm) que puedan ser ubicadas en posicin plana
horizontal preferentemente, por Ej: vigas y perfiles estructurales,
bases de estanques, cilindros de gas, bases de maquinas, uniones
soldadas de barcos. Tambin puede ser usado, previa adaptacin, en
relleno de grandes ejes, ruedas de FF.CC. y piezas estructurales
grandes.
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FOTOS DE QUIPAMIENTO DE SOLDADURA
POR ARCO SUMERGIDO
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SOLDADURA POR RESISTENCIA ELECTRICA En la soldadura por
resistencia elctrica los electrodos de cobre para generar calor
hacen pasar una corriente elctrica a travs de la pieza de trabajo,
el calor generado depender de la resistencia elctrica y la
conductividad trmica del metal y el tiempo en que la corriente sea
aplicada, el calor generado se representa en la siguiente ecuacin:
E = I 2 x R x t E: representa la energa en forma de calor, I:
representa la corriente elctrica, R: representa la resistencia
elctrica del metal a soldar, t: el tiempo en que la corriente es
aplicada.
METAL
CONDUCT. TERMICA (W/m)
RESIST. ELCTR. (Ohms-Cm)
PUNTO FUSIN
( C ) ACERO (1020) 52 17,40 1535 ALUMINIO 190 5,00 620 ZINC 112
5,90 420 COBRE 385 1,70 1085 Los electrodos estn montados en dos
brazos que actan como prensas y someten a los mismos a una gran
presin uno contra el otro, las lminas de metal que van a ser
soldadas se colocan entre los electrodos que al presionarlas
aseguran el contacto, luego hacen pasar por ellas una corriente de
bajo voltaje (12 a 24 Volt) y gran amperaje (1500 a 80000 Amp) que
provoca un calentamiento localizado y suelda las chapas. Este
sistema est muy difundido en la industria automotriz, de
electrodomsticos, gabinetes, etc debido a la simplicidad y
efectividad que presenta, puede ser totalmente automatizado,
produce uniones soldadas muy resistentes con ZAC reducido.
Principalmente se la utiliza para soldar aceros de bajo carbono y
algunos metales no ferrosos. Los equipos utilizados tienen diseos
variados segn las caractersticas de cada aplicacin, no obstante, en
general, constan de las siguientes partes : - Fuente de corriente
continua. - Control electrnico para comando de variables (tiempo,
presin, calor, repeticin) - Soportes estructurales para mantener la
pinza porta electrodos de soldadura. - Equipamiento neumtico o
hidrulico para aplicar la presin necesaria, en la seccin
deseada. - Comando o disparados a distancia. Pertenecen a sta
familia las soldaduras por proyeccin, soldadura por costura y la
soldadura a tope SOLDADURA POR FRICCIN Forma parte de los nuevos
avances tecnolgicos que se adelantan en los procesos de soldadura
para crear alternativas adaptadas a los procedimientos de alta
produccin y limitaciones especiales de cierto proceso o material.
La soldadura por friccin es un proceso de penetracin total en fase
slida, es decir que suelda sin llegar a la fusin del material,
hasta ahora ha sido utilizado para diversas aleaciones de aluminio.
En el proceso, un cilindro de seccin plana montado sobre un rotor
que gira alrededor de 50.000 rpm, son suavemente aproximados a las
chapas a unir, las cuales son enfrentadas a tope. El calor de la
friccin entre el cilindro rotatorio de alta resistencia al desgaste
y las piezas a ser soldadas provoca la unin de las chapas sin que
se llegue al punto de fusin, el material en estado pastoso es
enfriado bajo presin para garantizar la unin. La soldadura por
friccin puede ser usada para soldar lminas de aluminio sin
necesidad de agregar material de aporte o ningn tipo de gas
protector, es aplicable para espesores desde 1,6 hasta 30 mm,
actualmente se trabaja en la puesta a punto para soldar aleaciones
de Litio, Plomo, Magnesio, Cu y Ti.
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SOLDADURA POR HAZ DE ELECTRONES El proceso de soldadura con haz
de electrones (electron beam welding, EBW) se us por primera vez
comercialmente a fines de los 50, desde entonces ha logrado gran
aceptacin en toda la industria, colaborando en la disminucin de
costos. Se comenz usando en la industria nuclear y luego en la
aeronutica y aeroespacial, con lo cual adquiri reconocimiento en la
capacidad de lograr una mejora en la confiabilidad y calidad de
componentes altamente crticos. Inicialmente el proceso estuvo
limitado a la aplicacin dentro de una cmara de alto vaco, luego se
invent un sistema que slo requera alto vaco en la parte donde se
genera el haz, con lo cual se pudo soldar en una cmara de vaco
medio o en un entorno sin vaco, esto introdujo su uso a la
industria automotriz y a la de electrodomsticos, con lo cual a
partir de los aos 60 su uso se generaliz a todas las industrias.
DESCRIPCIN GENERAL DEL PROCESO Es un proceso de unin por fusin que
produce la coalescencia de materiales gracias al calor generado por
la incidencia de un haz compuesto principalmente por electrones de
alta energa en la unin por soldar. Los electrones, con su carga
elctrica negativa y una masa muy pequea, son acelerados hasta
alcanzar una alta energa y una velocidad comprendido entre 30 y 70%
de la velocidad de la luz. Bsicamente, una pistola de haz de
electrones funciona igual al tubo de un televisor, la diferencia
fundamental es que en ese caso el haz de electrones es de baja
intensidad y barre la pantalla del tubo que es fosforescente y se
genera una imagen. La pistola soldadora de haz de electrones emplea
su haz de alta intensidad par bombardear continuamente la unin por
soldar, convirtiendo la energa en calor para formar una soldadura
por fusin. En ambos casos el haz de electrones se forma de la misma
manera, con un can electrnico que tiene algn tipo de emisor de
electrones termoinico (ctodo o filamento), un electrodo de control
de polarizacin (rejilla o copa de rejilla), y un nodo. En la EBW,
el sistema completo de generacin del haz (can y ptica electrnica)
recibe el nombre de unidad de can de electrones y columna o Columna
de Can Electrnico. FUNDAMENTOS DEL PROCESO El corazn del proceso es
la unidad de can electrnico y columna, de la cual se muestra una
representacin simplificada de un can electrnico trodo, en la Fig.1.
Los electrones se generan calentado un material emisor con carga
negativa hasta alcanzar su intervalo de temperatura de emisin termo
inica, lo que hace emigrar a los electrones de este emisor o ctodo
y ser atrados por el nodo de carga positiva. La rejilla o copa de
polarizacin, que rodea al emisor, provee la geometra de campo
electrosttico que acelera y al mismo tiempo dirige a estos
electrones para formar un haz, luego el haz sale del can por una
abertura que posee el nodo. En una pistola diodo (nodo-ctodo), este
electrodo director de electrones y el emisor tienen el mismo
potencial elctrico y juntos reciben el nombre de ctodo. En una
pistola triodo (ctodo-rejilla-nodo), los dos tienen diferente
potencial; en consecuencia, la retcula directora del haz puede
polarizarse a un valor un poco ms negativo que el emisor, a fin de
controlar el flujo de la corriente del haz. En este caso el emisor
slo recibe el nombre de ctodo (o filamento) y el electrodo director
del haz es la copa de polarizacin (o rejilla). Dado que en ambos
casos el nodo est incorporado al can electrnico, la generacin del
haz (aceleracin y direccin) se efectan en completa independencia de
la pieza de trabajo. Al salir del can, este haz de electrones se
acelera a velocidades dentro del intervalo de 30-70% de la
velocidad de la luz, cuando los voltajes de operacin de la pistola
estn entre 25-200 KV. Luego, el haz se dirige hacia la pieza de
trabajo. Una vez que el haz sale del can se ensancha gradualmente,
como se ve en la Fig.1. Esta divergencia se debe a que todos los
electrones tienen una componente radial de la velocidad, por causa
de la energa trmica, adems todos experimentan una repulsin elctrica
mutua. Para contrarrestar este efecto de divergencia inherente, se
usa un sistema de lente electromagntico que hace que el haz
converja, enfocndolo en un punto pequeo sobre la pieza de trabajo.
Los ngulos de divergencia y convergencia del haz son relativamente
pequeos, lo que da al haz concentrado un intervalo de foco til, o
profundidad de foco, de aproximadamente de 1 pulgada, como se
indica en la Fig.1. En la prctica, la tasa de aporte de energa a la
unin soldada se controla a travs de estas cuatro variables bsicas:
1-El nmero de electrones que inciden sobre la pieza de trabajo cada
segundo (corriente del haz), 2-La velocidad de estos electrones
(voltaje de aceleracin del haz), 3-El grado de concentracin del haz
sobre la pieza de trabajo (tamao del foco del haz),
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4-La velocidad con que viaja la pieza de trabajo o el haz de
electrones (velocidad de soldadura). Los voltajes y corrientes de
aceleracin del haz ms altos que pueden lograrse con unidades de can
electrnico y columna, disponibles en el mercado varan entre
25-200Kv y 50-1000mA, respectivamente, y los haces de electrones
producidos pueden enfocarse en puntos de un dimetro entre
0,25-0,76mm. Los niveles de potencia y densidades de potencia del
haz ms alto que pueden alcanzarse con estas unidades son de 100KW,
y 1,55 x 104 w/mm2 , respectivamente. Estas densidades de potencia
son bastante ms grandes que las obtenidas en procesos de soldadura
por arco. La capacidad potencial de soldadura de un sistema de haz
de electrones se indica con la densidad de potencia mxima que puede
aportar a la pieza de trabajo. Este factor de comparacin depende de
la potencia del haz (corriente x voltaje) y del dimetro del punto
focal mnimo que puede lograrse con el sistema. A la fecha ya
existen mquinas experimentales de 300Kw de potencia, que logran
densidades mayores a la mencionada arriba. El haz de electrones
puede penetrar instantneamente en una pieza de trabajo slida o en
una unin a tope y formar un capilar de vapor (o agujero calado)
rodeado por metal fundido, al avanzar el haz por la unin el metal
fundido de la parte de adelante del agujero calado fluye por la
periferia y se solidifica atrs, formando el cordn de soldadura. En
la mayor parte de las aplicaciones la profundidad de penetracin de
la soldadura es ms grande que su ancho y la zona trmicamente
afectada es muy angosta. Por ejemplo, el ancho de una soldadura a
tope en plancha de acero de 13mm de espesor puede ser tan pequeo
como 0,8mm cuando se realiza al vaco. VARIACIONES DEL PROCESO
Actualmente se usan tres modalidades: al alto vaco (EBW-HV), al
mediano vaco (EBW-MV) y sin vaco (EBW-NV), la diferencia principal
entre estas es la presin ambiente a la que se efecta la operacin,
en el modo de alto vaco, la soldadura se realiza en el intervalo de
presin de 10-6 a 10-3
torr (torr = 1mmHg), en el mediano vaco el intervalo de presin
es de 10-3 a 25torr, dentro de este intervalo, las presiones entre
10-3 y 1torr, reciben el nombre de vaco parcial o suave y de 1 a
25torr vaco rpido. La soldadura sin vaco se realiza la presin
atmosfrica y se la llama EBW atmosfrica. En todos los casos, la
presin dentro el can electrnico debe mantenerse por debajo de
10-4torr para que opere de manera estable y eficiente. La soldadura
al alto y al mediano vaco se efecta dentro de una cmara de vaco,
por lo que se requiere un tiempo de evacuacin necesario para crear
un entorno de alta pureza. La mquina de soldar al mediano vaco
conserva casi todas las ventajas de la de alto vaco, pero tiene un
tiempo de evacuacin ms corto, con lo cual se logran mayores tasas
de produccin. La soldadura de haz de electrones sin vaco, aunque no
requiere de un tiempo de evacuacin, no se puede usar en algunas
aplicaciones pues son ms anchas y menos profundas que las
realizadas con la misma pero que operan en el vaco. En la operacin
a mediano vaco, el haz se genera en el alto vaco y luego se
proyecta a una cmara de soldadura que opera a una presin mayor.
Esto se logra con un orificio debajo de la columna de generacin del
haz que tiene un dimetro suficiente para que pase el haz de
electrones pero no para que haya una difusin significativa de los
gases hacia la cmara del can. En el equipo de soldadura con haz de
electrones sin vaco, el haz se genera en alto vaco y luego se
proyecta a travs de varios orificios de diseo especial que separan
una serie de cmaras con bombeo diferencial, para finalmente salir a
un entorno de trabajo que se encuentra a presin atmosfrica. Para
este caso de soldadura sin vaco, son necesarios ms de 150KV de
tensin, pero si se usa una atmsfera de helio pueden usarse
tensiones de aceleracin de los electrones menores a estos valores,
en Fig.2 se muestran las tres modalidades bsicas, para ilustrar las
modalidades alto y mediano vaco, se muestra una columna de can
electrnico montada sobre la cmara correspondiente. Tambin puede
montarse una columna de can electrnico mvil en el interior de las
cmaras de alto y medio vaco. VENTAJAS Y LIMITACIONES
La soldadura con haz de electrones presenta capacidades de
rendimiento nicas, con un entorno de alta calidad, elevadas
densidades de potencia y excelente control, que resuelve una amplia
gama de problemas de unin. Las principales ventajas son:
(1) convierte directamente la energa elctrica en energa de
salida del haz, por lo que el proceso es en extremo eficiente.
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(2) los objetos soldados con haz de electrones presentan una
relacin profundidad-ancho alta, lo que permite soldar con una sola
pasada uniones gruesas.
(3) El aporte de calor por unidad de longitud para una
profundidad de penetracin dada puede ser mucho mayor que en la
soldadura por arco. La angosta zona soldada resultante produce poca
distorsin y mnimos efectos trmicos perjudiciales.
(4) El entorno de alta pureza (vaco) minimiza la contaminacin
con oxgeno e hidrgeno, (5) La capacidad de proyectar el haz a una
distancia de varios pies en el vaco muchas veces
permite efectuar soldaduras en lugares que de otro manera seran
inaccesibles, (6) Se pueden alcanzar velocidades de recorrido
elevadas por la gran rapidez de fusin asociada
a esta fuente de calor concentrada. Esto reduce el tiempo de
soldadura y aumenta la produccin y la eficiencia energtica,
(7) Es posible soldar uniones a tope razonablemente cuadradas en
placas tanto gruesas como relativamente delgadas con una sola
pasada y sin adicin de metal de aporte,
(8) Es posible soldar cierres hermticos en los modos de operacin
al alto o mediano vaco conservando un vaco en el interior del
componente,
(9) El haz de electrones puede desviarse magnticamente a fin de
producir soldaduras de diversas formas y se puede hacer oscilar
magnticamente para mejora la calidad de la soldadura o aumentar su
penetracin,
(10) Es posible producir en una sola pasada soldaduras de
penetracin completa, lados casi paralelos y encogimiento casi
simtrico. (11) Se pueden soldar metales dismiles y metales con
elevada conductibilidad trmica como el
cobre. Entre las limitaciones estn las siguientes:
(1) Los costos de capital son bastantes ms altos que los del
equipo de soldadura por arco. Pese a ello, y dependiendo del
volumen de piezas que se vaya a producir, los costos finales por
pieza pueden ser muy competitivos.
(2) La preparacin de soldaduras con razn profundidad-ancho
elevadas requiere maquinado con precisin de los bordes de la unin y
alineacin muy exacta de la unin, adems la separacin de la unin debe
ser mnima para aprovechar lo reducido del dimetro del haz de
electrones.
(3) La rapidez de solidificacin tan alta, que puede causar
grietas en aceros inoxidables de baja ferrita.
(4) en la soldadura al alto y mediano vaco, el tamao de la cmara
de trabajo debe ser suficiente para realizar la operacin de
ensamblado. El tiempo requerido para evacuar la cmara influir en
los costos de produccin.
(5) Las soldaduras de penetracin parcial con razones
profundidad/ancho altas son susceptibles a huecos en la raz y
porosidad.
(6) Como el haz de electrones es desviado mediante campos
magnticos, es preciso emplear metales no magnticos o debidamente
desmagnetizados para el herramental y accesorios cercanos al
trayecto del haz.
(7) en la modalidad de soldadura sin vaco, la limitacin de la
distancia entre el extremo inferior de la columna de can electrnico
y el trabajo limitar el diseo del producto en reas adyacentes a la
unin por soldar.
(8) En todas las modalidades de EBW hay que tomar medidas de
proteccin contra la radiacin para asegurar que el personal no se
exponga a los rayos X generados por la soldadura de haz de
electrones.
(9) Si se suelda sin vaco, se requiere de una ventilacin
adecuada para eliminar el ozono y otros gases dainos generados en
esta modalidad de la soldadura de haz de electrones.
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Fig. 1 Esquema simplificado de can electrnico y columna
trodo.
Fig. 2 Corte Transversal de un Equipo de Soldadura con Haz de
Electrones donde se ve el Can y la Zona de trabajo
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Haz de Electrones con distintos grados de vaco (dispersin
decreciente)
Velocidad y Penetracin de Soldadura para distintas Potencias de
Equipos y Distancia al Trabajo
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SOLDADURA POR LASER En ste proceso de soldadura la fuente de
calor es un haz laserico de gran intensidad. En la prctica un lser
consiste en un medio colocado entre los espejos terminales de una
cavidad de resonancia ptica, cuando ese medio se bombea, es decir
se excita, hasta el punto en que se produce una inversin de
poblacin, condicin en que la mayor parte de los tomos (o molculas)
activos del medio alcanzan un estado energtico superior al normal,
se tendr una fuente de luz coherente que podr reflejarse una y otra
vez entre los espejos de la cavidad. el resultado es la induccin de
un efecto cascada que har que esta luz coherente llegue a un valor
umbral en el cual el dispositivo podr emitir un rayo de luz lser.
La caracterstica principal de un rayo lser es que se trata de un
haz de luz coherente, monocromtica y unidireccional. En el caso de
un rayo lser la energa que se emite es altamente concentrada, ya
que el haz tiene una sola direccin (unidireccional), un solo color
o longitud de onda (monocromtico) y adems todas las ondas se emiten
en fase (coherencia), lo cual hace que la densidad de energa sea,
para un punto dado, enormemente mayor a la que recibira de una
fuente de luz comn. VENTAJAS DEL PROCESO
01) El aporte de calor es el mnimo requerido para fundir el
metal de soldadura, con esto se reducen los efectos metalrgicos del
ZAC y se minimiza la deformacin de la pieza.
02) Se han calificado procedimientos de soldadura de una sola
pasada en placas de hasta 32mm de espesor, lo que permite reducir
el tiempo de soldadura de secciones gruesas sin aporte de material
y sin preparacin laboriosa de la unin (no es lo normal).
03) Al no requerirse aporte de material la unin soldada queda
libre de contaminacin, marcas o daos por las corrientes de
soldadura de resistencia elevadas. Como la LBW es un proceso sin
contacto, la distorsin se minimiza y se elimina el desgaste del
herramental.
04) Los rayos lser se enfocan, alinean y dirigen fcilmente con
elementos pticos, por lo que puede colocarse a una distancia
conveniente de la pieza de trabajo y redirigirse de modo que sortee
el herramental y los obstculos en la pieza de trabajo, esto permite
acceder a zonas donde es difcil llegar con otros procesos de
soldadura.
05) La pieza puede introducirse y soldarse hermticamente en una
cmara evacuada o que contenga una atmsfera controlada o tambin sin
vaco ni proteccin contra rayos X.
06) El lser puede enfocarse en un rea pequea, lo que permite
unir componentes pequeos, muy juntos, con soldaduras diminutas.
07) Es posible soldar una amplia variedad de materiales con
propiedades fsicas diferentes, incluidas diversas combinaciones de
materiales de diferentes tipos.
08) El lser pude mecanizarse con facilidad para soldadura
automatizada de alta velocidad, incluso con control numrico
computarizado.
09) Las soldaduras en material delgado y alambres de dimetro
pequeo son menos susceptibles a oxidarse que cuando se hace con
arco.
10) La presencia de campos magnticos no afecta las soldaduras,
como sucede con las tcnicas de arco y de haz de electrones; adems,
tienden a seguir la unin hasta la raz de la pieza de trabajo,
aunque el rayo y la unin no estn perfectamente alineados.
11) Se pueden lograr razones de aspecto (es decir, razones
profundidad / anchura) del orden de 10:1 cuando la soldadura se
efecta haciendo una cavidad en el metal (en soldadura de agujero
calado)
12) El rayo puede trasmitirse a ms de una estacin de trabajo
empleando ptica de conmutacin del rayo, lo que permite compartir el
tiempo del rayo.
LIMITACIONES DEL PROCESO
01) Las uniones deben colocarse lateralmente con mucha exactitud
bajo el rayo y en una posicin controlada respecto al punto de foco
del rayo.
02) Si es preciso empujar lateralmente una superficie de trabajo
contra la otra, el mecanismo de sujecin debe garantizar que la
posicin final de la unin est alineada exactamente con el punto de
incidencia del rayo.
03) El espesor mximo de una soldadura con lser est limitado a 19
mm. 04) La elevada reflectividad y conductividad trmica de algunos
materiales, como Al y Cu,
pueden afectar la soldabilidad con lser. 05) En operaciones con
potencia alta es preciso emplear un dispositivo de control de
plasma para
asegurar que la soldadura sea reproducible. 06) Tienden baja
conversin de energa, generalmente por debajo del 10%. 07) Debido a
la rpida solidificacin por ZAC reducido, es de esperar un cierto
grado de porosidad
e inelasticidad de la unin soldada.
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PRINCIPALES PROCESOS DE SOLDADURA
SOLDADURA POR GASES
PRODUCTORES DE LLAMA
OXIACETILENICAS: Temp. de llama 3.200 oC - Utiliza gas Acetileno
+ Oxigeno
OXHIDRICAS: Temp. de llama 2800 C - Utiliza Gas Propano / Butano
envasado + aire (aire con oxgeno)
GAS DE ALTO HORNO: Temp. llama 2600 C - Utiliza gases de alto
horno mezclado con aire comprimido
SOLDADURA POR
MANUAL
ELECTRODO REVESTIDO a) Rutlico: Todas las posiciones,
cordn bueno, baja resistencia mecnica.
b) Bsico: Bajo hidrgeno, gran resistencia mecnica. Todas las
posiciones.
c) Celulsico: Gran penetracin. Posiciones: vertical descendente
y bajo cabeza.
TIG SIN APORTE ARCO VOLTAICO
SEMIAUTOMATICA
MAG: Materiales de aporte en forma alambre macizo o tubular
MIG: tubular. Proteccin con gases segn cada
proceso. TIG: Aporte y gas de proteccin se realizan
mecnicamente.
AUTOMATICO
ARCO SUMERGIDO Usada para soldar aceros de baja o media aleacin
y elevado espesor en aplicaciones navales.
SOLDADURA POR RESISTENCIA ELECTRICA
MANUAL Y/O AUTOMATICA
Utilizan como fuente de calor la resistencia que oponen los
metales al ser atravesados por una corriente elctrica de bajo
voltaje y elevada intensidad, son muy focalizados: PUNTOS COSTURA A
TOPE
SOLDADURA POR FRICCION
AUTOMTICO
Penetracin total en fase slida (suelda sin llegar a fundir) en
espesores de 0,5 a 10 mm en aleaciones de Al, ZAC reducido
SOLDADURA POR HAZ de ELECTRONES
AUTOMTICO ALTO VACO MEDIO VACO SIN VACO
La fuente de calor es un haz de electrones de gran nerga
enfocados a la zona a soldar
SOLDADURA POR LASER
AUTOMTICO POR HAZ IONICO DE
GRAN INTENSIDAD
Suelda casi instantneamente por el calor disipado por un haz de
electrones que impacta (acelerado hasta 70% de la velocidad de la
luz) sobre la superficie del metal a soldar
Mnimo ZAC
SOLDADURAS ESPECIALES
SOLDADURA BRAZING POR ULTRA SONIDO POR EXPLOSIVO
POR FORJA
SLIDO LIQUID (por capilaridad) SLIDO - SLIDO SLIDO - SLIDO SLIDO
- SLIDO (pastoso)