manual de soldadura-vol 1 - aws.pdf

MANUAL DE SOLDADURA

TOMO I

Copyright American Welding Society Provided by IHS under license with AWS

Not for ResaleNo reproduction or networking permitted without license from IHS

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MANUAL DE SOLDADURA

TOMO I

Octava edición

AMERICAN WELDING SOCIETY

R. L. O?Brien Editor

TRADUCC ION:

Ing. Roberto Escalona García M. en C. UNAM

REVISION TÉCN ICA:

Ing. Juan Antonio Torre Marina Universidad Anáhuac

MEXICO ARGENTINA BRASIL COLOMBIA COSTA RICA CHILE ESPANA GUATEMALA PERU PUERTO RICO VENEZUELA



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AMERICAN WELDING SOCIETY/MANUAL DE SOLDADURA TOMO I (8a EDICIÓN

Triducido de la Sa. edición en inglés: WELDING HANDBOOKWELDING PROCESSES. VOLUME 2.

Prohibida la reproducción total o parcial de esta obra, por cualquier medio o método, sin la autorización escrita del editor.

No part of this bookmay be reproduced or transmitted in any form or by any means, electronic or mechanical, including photocopying, recording or by any information storage and retrieval system, without permission in writing from the publisher.

Derechos reservados O 1996 respecto a la primera edición en español publicada por

Calle 4 Ne 25-2G piso Fracc Ind. Alce Blanco, Naucalpan de Juárez, Edo. de México, C P 53370

ISBN 968-880-767-2 Tomo I, ISBN 968-880-766-4 Obra completa

Miembro de la Cámara Nacional de la Industria Editorial, Reg. NiUn. 1524

Original English Language Edition Published by AMERICAN WELDING SOCIETY Copyright O MCMXCI Ail rights reserved

PRENTICE-HALL HISPANOAMERICANA, S.A.

ISBN 0-87171-354-3

IMPRESO EN MÉXICO/PRINTED IN MEXICO



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CONTENIDO

TOMO I . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ix PRÓLOGO

PREFACIO xi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

CAPíTULO I. FUENTES DE POTENCIA PARA SOLDADURA POR ARCO . . . . . . 1 Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 Generalidades Principios de funcionamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 Características volt-ampere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 Ciclo de trabajo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 Voltaje de circuito abierto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Requisitos de la NEMA para fuentes de potencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Fuentes de potencia de corriente alterna . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Fuentes de potencia de corriente continua . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Fuentes de potencia especiales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Lista de lecturas complementarias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

15 17 19 29 38 41

CAPíTULO 2. SOLDADURA POR ARCO DE METAL PROTEGIDO . . . : . . . . . . . . 43 Fundamentos del proceso 44 Equipo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 Materiales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 Aplicaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 Diseño y preparación de las uniones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 Procedimientos de soldadura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 Calidad de la soldadura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 Recomendaciones de seguridad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 Lista de lecturas complementarias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

. . . . . . . . . . I . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

CAPíTULO 3. SOLDADURA POR ARCO DE TUNGSTENO Y GAS . . . . . . . . . . . . 73 Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 Principios de funcionamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 Equipo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 Técnicas de GTAW . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 Materiales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 Diseño de las uniones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 Calidad de la soldadura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 Aplicaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 Practicas seguras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105 Lista de lecturas complementarias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106

V



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Vi C O N T E N I D O

CAPíTULO 4. SOLDADURA POR ARCO DE METAL Y GAS . . . . . . . . . . . . . . . . . i09 Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110 Fundamentos del proceso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 Equipo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 Consumibles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132 Gases protectores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133 Aplicaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136 Aplicaciones especiales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142 Inspección y calidad de la soldadura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Localización de problemas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150 Practicas seguras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152 Lista de lecturas complementarias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

146

154

CAPíTULO 5. SOLDADURA POR ARCO CON NÚCLEO DE FUNDENTE . . . . . . . 157 Fundamentos del proceso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158 Equipo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162 Materiales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168 Control del proceso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175 Diseños de uniones y procedimientos de soldadura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181 Calidad de la soldadura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187 Seguridad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190 Lista de lecturas complementarias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190

CAPíTULO 6. SOLDADURA POR ARCO SUMERGIDO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Fundamentos del proceso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Equipo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Materiales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Aplicaciones generales del proceso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Variables de operación . .1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Tipos de soldaduras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Procedimientos de soldadura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Variaciones del proceso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Calidad de la soldadura. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Recomendaciones de seguridad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Lista de lecturas complementarias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

191 192 196 204 211 212 216 218 224 230 230 231

CAPíTULO 7. SOLDADURA ELECTROGÁS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233 Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234 Fundamentos del proceso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234 Equipo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 238 Consumibles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239 Variables de operación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243 Aplicaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247



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C O N T E N I D O Vi¡

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Seguridad 268 Lista de lecturas complementarias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 269

CAPITULO 8. SOLDADURA ELECTROESCORIA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271 Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272 Fundamentos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273

Seguridad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Consumibles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 280 Aplicaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282 Inspección y control de calidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 295 Localización de problemas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 296 Lista de lecturas complementarias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 297

Equipo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 276 279

CAPRULO 9. SOLDADURA DE PERNOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 299 Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 300 Posibilidades y limitaciones del proceso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 301 Soldadura de pernos por arco 301 Soldadura de pernos por descarga de condensador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 317 Selección y aplicación de los procesos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 324 Consideraciones de aplicación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 326 Precauciones de seguridad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 326 Lista de lecturas complementarias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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PRÓLOGO &te es el 53 aniversario del primer Manual de soldadura de la AWS. A partir de ese inicio en 1938, el

comité del manual de soldadura se ha constituido en un grupo dedicado de voluntarios dispuestos a donar su tiempo y esfuerzo para la producción de este manual.

Aigunos de los procesos descritos en la primera edición casi no han cambiado en los años subsecuentes. Otros procesos descritos en la presente edición, como los de arco de plasma, rayo láser y haz de electrones, hubieran sido inimaginables para aquel primer comité del manual. Hacemos una pausa para considerar qué procesos estarán describiendo nuestros sucesores en cincuenta años más, y cómo los presentarán.

Se dedicó un tiempo considerable en la selección de expertos de diversos campos para representar a los fabricantes de equipo, usuarios y grupos de interés general a fin de equilibrar los comités de capítulo del manual de soldadura. Este procedimiento garantiza que los capítulos del manual contienen los datos más actualizados y presentan el material sin ninguna desviación.

R. L. O’Brien, Editor Manual de soldadura

ix Copyright American Welding Society Provided by IHS under license with AWS


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PR E FACIO Este volumen de la octava edición del Manual de soldadura, cubre el material que se había presentado en

los volúmenes 2 y 3 de la séptima edición en inglés. Los autores de este volumen han actualizado el material de la séptima edición de modo que refleje lo último

en tecnología. También han aumentado el número de aplicaciones a fin de que las descripciones de los procesos se relacionen con el entorno de producción real, y han utilizado un mayor número de ilustraciones. Se han añadido varias secciones sobre seguridad.

El comité del manual de soldadura y los miembros de cada comité de capítulo han invertido miles de horas de su tiempo personal en la producción de este volumen. Hemos reconocido sus contribuciones citando sus nombres en la página de título de sus respectivos capítulos. Deseamos agradecer su generosa contribución de tiempo y talento, y hacemos extensivo nuestro aprecio a sus organizaciones por apoyar este trabajo.

El comité del manual de soldadura expresa su agradecimiento a Alexander Lesnewich, HallockC. Campbell y Leonard P. Connor por su supervisión editorial, a Deborah Givens por su asistencia editorial y a Linda Williams por su ayuda en el procesamiento de textos.

Nos gustana conocer sus comentarios acerca del manual. Por favor, diríjalos al Editor, Welding Handbook, American Welding Society, P.O. Box 351040, Miami, FL 33135, E.U.A.

M. J. Tomsic, Presidente Comité del Manual de soldadura

1987-1990

xi

R. L. O’Brien, Editor Manual de soldadura



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MANUAL DE SOLDADURA



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FUENTES DE POTENCIA PARA SOLDADURA POR ARCO

Introducción 2

Generalidades 2

Principios de funcionamiento 4

Características volt-ampere 11

Ciclo de trabajo 14

Voltaje de circuito abierto 15

Requisitos de la NEMA para fuentes de potencia 17

Fuentes de potencia de corriente alterna 19 ~~~ ~

Fuentes de potencia de corriente continua 29 ~~

Fuentes de potencia especiales 38

Lista de lecturas complementarias 41

PREPARADO POR UN COMITÉ INTEGRADO POR:

M. J. Tomsic, Presidente Phtronic, Inc.

N. Crump Hobart Brothers Co.

J. F. Grist Miller Eiectric Mfg. Co.

W. T. Rankin Pow Con Incorporated

J. M. Thommes Pow Con Incorporated

J. L. Winn L-Tec Welding and Cutting Systems

MIEMBRO DEL COMITÉ DEL MANUAL DE SOLDADURA M. J. Tomsic, Presidente Phtronic, Inc.



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DE PA

POTENCIA RASOLDADURA

FUENTES

POR ARCO INTRODUCCIÓN SE REQUIEREN MUCHOS tipos de fuentes de potencia para satisfacer las singulares exigencias eléctricas de los diversos procesos de soldadura por arco. Las fuentes de potencia para soldadura p r arco que se describen en este capítulo incluyen las que se usan para los procesos de arco de metal protegido (SMAW), arco de metal y gas (GMAW), arco con núcleo de fundente (FCAW), arco de tungsteno y gas (GTAW), arco sumergido (SAW), electroescoria (ESW), electrogás (EGW), arco de plasma (PAW) y soldadura de pernos por arco (ASW). Existen configuraciones tanto pulsadas como no pulsadas de estas fuentes de potencia, controladas ya sea manual o automáticamente.

EI propósito del presente capítulo es servir como guía para la comprensión y selección de la fuente de potencia apropiada. Las

aplicaciones delineadas son típicas y su fin es únicamente ilustrar y explicar ia relación entre la fuente de potencia y el proceso.

Desde luego, la selección de la fuente de potencia correcta depende de los requisitos del proceso. El primer paso consiste en determinar los requerimientos eléctricos del proceso de soldadura con el cual se utilizará. Otros factores que se deben considerar incluyen cosas como requerimientos futuros, mantenimiento, consideraciones económicas, transportabilidad, entorno, disponibilidad de personal capacitado, seguridad, apoyo del fabricante, cumplimiento con normas y códigos, y estandariza- ción. No obstante, este capítulo tratará únicamente los aspectos técnicos de la potencia.

GENERALIDADES EL VOLTAJE QUE las compañías eléctricas suministran para fines industriales es demasiado alto para usarse directamente en la soldadura por arco. Por tanto, la primera función de las fuentes de potencia para soldadura por arco es reducir el voltaje de entrada o de línea a un intervalo de voltaje de salida apropiado [por io regular de 20 a 80 volts (V)]. Se puede usar ya sea un transformador, un inversor de estado sólido o un motor-generador para reducir la potencia de 120, 240 o 480 V de la línea al voltaje terminal o de circuito abierto especificado apropiado para la soldadura por arco. Cotno alternativa, una fuente de potencia para soldadura por arco puede derivar su energía de un impulsor primario, como un motor de combustión interna. Las fuentes que derivan potencia de motores de combustión interna deben utilizar generadores o rotatorios o alternadores como fuente de electricidad.

El mismo dispositivo (transformador o motor-generador) proporciona también una corriente de soldadura elevada, generalmente del orden de 30 a 1500 amperes (A). La salida típica de una fuente de.potencia puede ser comente alterna (Ca), comente continua (cc) o ambas. Puede ser de comente constante, de voltaje constante o ambas cosas. También puede tener un modo de salida de pulsos.

Algunas configuracioties de fuente de potencia sólo proporcionan ciertos tipos de comente. Por ejemplo, las fuentes de potencia tipo transfomiador sólo suministran comente alterna. Las fuente de potencia de transformador-rectificador pueden proporcionar tanto ca como cc. Las fuente de potencia de motor-generador eléctrico por lo regular tienen una salida de corriente continua. Un motor-alternador proporciona ca o, cuando cuenta con rectificadores, cc.



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F U E N T E S D E P O T E N C I A P A R A S O L D A D U R A P O R A R C O 3

INTERRUPTOR DE DESCONEXIÓN CON FUSIBLE (ABIERTO) FUENTE DE POTENCIA PARA SOLDADURA POR ARCO

i r - - 1 CA,DE ENTRADA DE LA

LINEA DE POTENCIA DE LA PLANTA

FORMA DE REDUCIR

ELVOLTAJE DEL CONTROLAR LA

CARACTERISTICA SISTEMA DE POTENCIA DE SALIDA

- - - - - CONEXIÓN A TIERRA DEL CHASk

CONEXIÓN ELÉCTRICA

- - ESTRUCTURA MECÁNICA y CHASk

Figura 1.1-Elementos básicos de una fuente de potencia para soldadura por arco

Las fuente de potencia también pueden clasificarse según subcategorías. Por ejemplo, una fuente de potencia para soldadura por arco de tungsteno y gas podría identificarse como de transformador-rectificador, corriente constante, calcc. Una des- cripción más completa incluirá la especificación de comente de soldadura, la especificación de ciclo de trabajo, la clasificación de servicio y los requerimientos de potencia de entrada. También pueden incluirse características especiales, como control remo- to, estabilización de alta frecuencia, capacidad de pulsos de corriente, comente inicial y final vs. programación temporal, capacidad de balanceo de onda y compensación de voltaje de línea. También podría incluirse control de la corriente o el voltaje. Los controles convencionales típicos son las derivaciones móviles, reactores saturables, amplificadores magnéticos, impedancia en serie o devanados con derivación. Los controles electrónicos de estado sólido pueden ser semiconductores de control de fase o de control de inversor; estos elementos pueden controlarse con un microprocesador.

La figura 1.1 muestra los elementos básicos de una fuente de potencia para soldadura alimentada de las líneas eléctricas. La fuente de potencia para soldadura por arco propiamente dicha por lo regular no incluye el interruptor de desconexión con fusible; sin embargo, éste es un elemento protector necesario. Una fuente de potencia impulsada por motor requeriría elemeri- tos distintos de los que se muestran en la figura 1.1. Necesitaría un motor, un regulador de velocidad del mismo, un alternador con o sin rectificador, o un generador y un control de salida.

Hasta la aparición de los procesos de soldadura que emplean corriente a pulsos, las fuentes de potencia para soldadura solían clasificarse como de corriente constante o de voltaje constante. Tales clasificaciones se basan en las características estáticas volt-ampere de la fuente de potencia, no en las características dinámicas. En general, la palabra constante sólo es correcta hasta cierto punto. Las fuentes de potencia de volraje consraiire por lo regular se acercan más a uiia salida de voltaje constante que las fuentes de corriente consranre a una salida de corriente constante. En ambos casos, existen fuentes de potencia especializadas que mantienen el voltaje o la corriente de salida verdaderamente constantes. Las fuentes de potencia de corriente constante también se caracterizan como de volraje inriaHe, y

las de voltaje constante a menudo reciben el nombre de fuentes de potencia de potencial coizstante. La rápida respuesta de las fuentes de estado sólido que han aparecido en años recientes puede suministrar potencia en pulsos dentro de una amplia gama de frecuencias.

MÁQUINAS DE CORRIENTE CONSTANTE LA PUBLICACION EW- 1 de la National Electrical Manufacturers Association (NEMA), Fuentes de potencia para soldadura con arco elécrrico, define una máquina de soldadura por arco de corriente constante como una que “...cuenta con un mecanismo para ajustar la corriente de carga y tiene una curva volt-ampere estática que tiende a producir una comente de carga relativamente constante. EI voltaje de carga, a una corriente de carga dada, varía con la rapidez con que un electrodo consumible se alimenta al arco, excepto que, cuando se usa un electrodo no consumible, el voltaje de carga varía con la distancia entre el electrodo y el trabajo”.

Estas características son tales que si la longitud del arco varía a causa de influencias externas que producen pequeños cambios en el voltaje del arco, la corriente de soldadura permanece más o menos constante. Cada nivel de corriente produce una curva volt-ampere individual cuando se prueba en condiciones estables, como con una carga resistiva. En las inmediaciones del punto de operación, el cambio porcentual en la corriente es menor que el cambio porcentual en el voltaje.

El voltaje sin carga o de circuito abierto de las fuentes de potencia de corriente constante es bastante más alto que el voltaje del arco.

Estas fuentes de potencia generalmente se usan para soldadura manual con un electrodo cubierto o uno de tungsteno, donde son inevitables las variaciones en la longitud del arco a causa del elemento humano.

Cuando se usan en aplicaciones autoinatizadas o semiauto- matizadas donde se requiere un arco de longitud constante, se hacen necesarios dispositivos de control externos. Por ejemplo, se puede usar un alimentador de alambre sensible al voltaje del arco para mantener una longitud de arco constante para soldadiira por arco de metal y gas (GMAW) o para soldadura por arco



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4 F U E N T E S D E P O T E N C I A P A R A S O L D A D U R A P O R A R C O

con núcleo de fundente (FCAW). En la soldadura por arco de tungsteno y gas (GTAW), el voltaje de arco se vigila y, por medio de una retroalimentación de ciclo cerrado, se usa para regular un deslizador motorizado que ajusta la posición del soplete de modo que se mantenga una longitud de arco (voltaje) constante.

MAQUINAS DE VOLTAJE CONSTANTE LA NORMA NEMA define una fuente de potencia de voltaje constante como sigue: ?Una fuente de potencia de voltaje constante para soldadura por arco es una que cuenta con un mecanismo para ajustar el voltaje de carga y que tiene una curva volt-ampere estática que tiende a producir un voltaje de carga relativamente constante. La comente de carga, a un voltaje de carga dado, varía con la rapidez con que un electrodo consumible se alimenta al arco.? Las máquinas de voltaje constante normalmente se emplean con procesos de soldadura que utilizan un electrodo consumible de alimentación continua, que por lo regular tiene forma de alambre.

Un arco de soldadura que recibe su potencia de una fuente de voltaje constante, empleando un electrodo consumible y una alimentación de alambre de velocidad constante, es en esencia

un sistema autorregulado. Tiende a estabilizar la longitud del arco aunque haya cambios momentáneos en la posición del soplete. La comente de arco será aproximadamente proporcional a la alimentación del alambre, sea cual sea el diámetro de éste.

MAQUINAS DE CORRIENTE CONSTANTEPOLTAJE CONSTANTE LA NEMA DEFINE a una fuente de potencia que produce tanto comente constante como voltaje constante así: ?Una fuente de potencia para máquina soldadora por arco de comente constante/voltaje constante es una fuente de potencia en la que puede seleccionarse entre las características de una fuente de potencia para soldadura por arco de corriente constante y una fuente de potencia para soldadura por arco de voltaje constante.?

Además, algunos diseños pueden realizar automáticamente el cambio de corriente constante a voltaje constante (control de fuerza del arco para SMAW) o de voltaje constante a corriente constante (control limitador de comente para fuente de potencia de voltaje constante).

PRINCIPIOS DE FUNCIONAMIENTO LA SOLDADURA POR arco emplea arcos de bajo voltaje y alta comente entre un electrodo y la pieza de trabajo. La forma de reducir el voltaje del sistema de potencia en la figura 1.1 puede ser un transformador o un generador eléctrico o un alternador impulsado por un motor eléctrico.

Los generadores eléctricos diseñados para soldadura por arco casi siempre se destinan únicamente a soldadura con cc. En este caso, el mecanismo electromagnético para controlar la caracte- rística volt-ampere de la fuente de potencia For lo regular forma parte del generador y no es un elemento separado, como aparece en la figura 1.1. A diferencia de los generadores, los altemadores suministranuna salida de caque debe ser rectificada para obtener una salida de cc. Se emplean diversas configuraciones en la construcción de los generadores de cc. Pueden tener un excitador aparte y composición ya sea diferencial o acumulativa para controlar y seleccionar las características volt-ampere de salida.

TRANSFORMADOR PARA SOLDADURA LA FIGURA 1.2 muestra los elementos básicos de un transformador para soldadura y componentes asociados. En el caso de un transformador, las relaciones significativas entre el número de vueltas de los devanados y los voltajes y comentes de entrada y salida son las siguientes:

donde N I = número de vueltas del devanado primario del transfor-

N2 = número de vueltas del devanado secundario El = voltaje de entrada

mador

E2 = voltaje de salida Il = comente de entrada Z2 = comente de salida (de carga)

Se pueden usar derivaciones en el devanado secundario del transformador para modificar el número de vueltas del secundario, como se muestra en la figura 1.3, variando así el voltaje de salida de circuito abierto (sin carga). En este caso, el transformador con derivación permite seleccionar el número de vueltas, N,, del devanado secundario del transformador. Si el número de vueltas del secundario disminuye, el voltaje de salida baja porque se está usando una porción menor del devanado secundario del transformador. Por tanto, el selector de derivación controla el voltaje de circuito abierto. Como lo indica la ecuación, la razón de comente primario/secundario es inversamente proporcional a la razón de voltaje primario/secundario. Esto hace posible obtener comentes de secundario elevadas (de soldadura) a partir de comentes de línea relativamente bajas.

El transformador puede diseñarse de modo que el selector de derivación ajuste directamente las características de pendiente volt-ampere de salida para una condición de soldadura correcta. Pese a ello, es más común que se inserte una fuente de impedancia en serie con el devanado secundario del transformador para suministrar esta característica, como se aprecia en la figura 1.4. Algunos tipos de fuentes de potencia emplean una combinación de estos mecanismos, donde las derivaciones ajustan el voltaje de circuito abierto (sin carga) de la máquina soldadora y la impedancia proporciona las características de pendiente volt- ampere deseadas.

En las fuentes de potencia de corriente constante, la caida de voltaje, E,, a través de la impedancia que se muestra en la figura 1.4 aumenta considerablemente al incrementarse la corriente de carga. El aumento en la caída de voltaje causa una reducción



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N1 NZ VUELTAS VUELTAS

t I CA,DE ENTRADA DE LA

LINEA DE POTENCIA DE LA PLANTA

Q

- I - J TRANSFORMADOR

@ Si se emplea un inversor primario de estado sólido, este cuadro indica los componentes de control de estado sólido.

@ Control de rectificador o SCR, si la fuente de potencia produce salida de cc.

f i D¡SpOSitiVO de conmutación secundario de estado

@ Ubicación de los componentes de control en serie, si se emplean.

sólho si se emplea control tipo conmutador. También indica la posición del resistor de pendiente, si se usa, o del inductor para el circuito de Ca.

Figura 1.2-Principales elementos eléctricos de una fuente de potencia de transformador

considerable en el voltaje del arco, EA. Un ajuste del valor de la impedancia en serie controla su caída de voltaje y la relación entre la corriente de carga y el voltaje de carga. Esto se conoce como control de corriente o, en algunos casos, control de pendiente. El voltaje E,, prácticamente es igual al voltaje sin carga (de circuito abierto) de la fuente de potencia.

En las fuentes de potencia de voltaje constante, el voltaje de salida es muy cercano al que requiere el arco. La caída de voltaje, E,, a través de la impedancia (reactor) apenas si se incrementa

1 VOLTAJE DE CA DE ENTRADA

N~ CAJA DEL DE SALIDA VUELTAS VUELTAS SELECTOR DE CA

I NUCLEO L - - i

CAJA DEL TRANSFORMADOR

~~

Figura 1.3-Transformador para soldadura con derivación del devanado secundario

conforme aumenta la comente de carga. La reducción en el voltaje de carga es pequeña. El ajuste del valor de la reactancia no permite controlar bien la relación entre la comente de carga y el voltaje de carga.

Este método de control de pendiente con reactores simples también permite controlar el voltaje con reactores saturables o amplificadores magnéticos. La figura 1.5 muestra una relación vectorial ideal de los voltajes alternantes para el circuito de la figura 1.4 cuando se usa un reactor como dispositivo de impedancia. La caida de voltaje a través de la impedancia más el voltaje de carga es igual al voltaje sin carga sólo cuando la suma se hace vectorialmente. En el ejemplo de la figura, el voltaje de circuito abierto del transformador es de 80 V; la caída de voltaje a través del reactor es de aproximadamente 69 V cuando el voltaje de carga (equivalente a un resistor) es de 40 V. Es necesario sumar vectorialmente porque los voltajes de carga y de impedancia alternantes no están en fase temporal.

La caida de voltaje a través de una impedancia en sene en un circuito de ca se suma vectorialmente al voltaje de carga para dar el voltaje del secundario del transformador. Si se varía la caida de voltaje a través de la impedancia, se podrá modificar el voltaje de carga. Esta peculiar característica (suma vectorial) de voltaje de impedancia en los circuitos de ca está relacionada directamente con el hecho de que se puede usar tanto reactores como resistencias para producir una caracteristica de voltaje descendente que cae. Una ventaja del reactor es que consume muy poca o ninguna potencia, aunque por él fluya una corriente y pueda medirse un voltaje a través de él.

Cuando se usan resistores, se pierde potencia y la temperatura se eleva. En teoria, en un circuito puramente resistivo (sin reactancia), la caida de voltaje a través del resistor podria sumar- se aritméticamente al voltaje de carga para dar el voltaje de salida del transformador. Por ejemplo, una máquina soldadora



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6 F U E N T E S D E P O T E N C I A P A R A S O L D A D U R A POR A R C O

t D E

i

EX P í D A DE VOLTAJE 1

I o

EA

1 I Figura 1.4-Control típico de la corriente de salida por impedancia en serie

con una caracteristica de comente aproximadamente constante, un circuito abierto de 80 V y un arco que requiere 25 V y 200 A, tendría que disipar 55 V x 200 A = 11 000 watts (W) en el resistor para alimentar 5000 W al arco. La razón es que en un circuito resistivo el voltaje y la comente están en fase. En el circuito reactivo, el cambio de fase hace que la pérdida de potencia se reduzca considerablemente. En un circuito asi sólo intervienen la pérdida del hierro y la pérdida del cobre, que son muy pequeñas en comparación.

Puede usarse reactancia inductiva variable o inductancia mutua variable para controlar las características volt-ampere en fuentes de potencia para soldadura por arco de transformador o

c VOLTAJE DE ARCO

E, 40 VOLTS

CAíDA DE JOLTAJE E, 69 VOLTS

Figura 1.5-RelaciÓn vectorial ideal de la salida de voltaje alternante empleando control de reactor

de transformador-rectificador tipicas. La impedancia equivalente de una reactancia inductiva variable o de una inductancia mutua se encuentra en el circuito eléctrico de ca de la fuente de potencia, en serie con el circuito secundario del transformador, como se muestra en la figura 1.4. Otra ventaja importante de la reactancia inductiva es que el cambio de fase producido por el reactor en la corriente alterna mejora la estabilidad del arco para un voltaje de circuito abierto dado. Esta es una ventaja en los procesos de soldadura por arco de metal protegido y de tungsteno y gas.

Hay varias maneras de modificar la reactancia de un reactor. Una es cambiando de derivación en una bobina o empleando otros métodos eléctricos/mecánicos que se verán más adelante. Al variar la reactancia se altera la caída de voltaje a través del reactor. Asi, para cualquier valor de reactancia inductiva, se puede graficar una curva volt-ampere especifica. Esto crea la fun- ción de control dominante de este tipo de fuentes de potencia.

Además de ajustarse la reactancia, también puede ajustarse la inductancia mutua entre las bobinas del primario y el secundario. Esto puede hacerse desplazando las bobinas una respecto a la otra empleando una derivación móvil que puede insertarse en el trasfonnador o sacarse de él. Estos métodos alteran el acoplamiento magnético de las bobinas produciendo una inductancia mutua ajustable.

En las fuentes de potencia Ca-cc para soldadura que cuentan con transformador y rectificador, el rectificador se encuentra entre la impedancia ajustable o las derivaciones del transformador y la terminal de salida. Además, las fuentes de potencia para soldadura por arco tipo transformador-rectificador por lo regular incluyen una inductancia estabilizadora o choke, situado en el circuito de soldadura de cc, cuyo propósito es mejorar la estabilidad del arco.

GENERADOR Y ALTERNADOR TAMBIÉN SE USA maquinaria giratoria como fuente de potencia para soldadura por arco. Estas máquinas son de dos tipos: generadores que producen comente continua y altemadores que producen comente alterna.



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El voltaje de salida sin carga de un generador de cc puede controlarse con una comente variable relativamente pequeña en el devanado de campo principal o en paralelo. Esta comente controla la salida del devanado de campo en serie o contrario del generador de cc que suministra la comente de soldadura. La polaridad puede invertirse cambiando la conexión entre el excitador y el campo principal. Por lo regular no se necesita un inductor o reactor de filtro para mejorar la estabilidad con este tipo de equipo de soldadura. En vez de ello, Las múltiples vueltas del devanado en serie en los polos de campo del generador rotatorio proporcionan inductancia de sobra para garantizar un arco estable. Estas unidades se describirán con mayor detalle más adelante en este mismo capítulo.

Una fuente de potencia de alternador (una fuente de potencia de tipo giratorio en la que se produce ca que se utiliza directamente o se rectifica para obtener cc) puede emplear una combi- nación de los mecanismos de ajuste antes descritos. Se puede usar un reactor con derivaciones para hacer ajustes burdos a la salida para soldadura, y el ajuste fino puede efectuarse contro- lando la fuerza del campo.

DIODOS DE ESTADO SÓLIDO EL TÉRMINO POR excepción estado sólido proviene de la física del estado sólido: la ciencia de los sólidos cristalinos. Se han desarrollado métodos para tratar ciertos materiales modificando sus propiedades eléctricas. EI más importante de esos materiales es el silicio.

Las fuentes de potencia de transformador-rectificador o de alternador-rectificador utilizan rectificadores para convertir ca en cc. Las primeras máquinas soldadoras empleaban rectificadores de selenio. En la actualidad, la mayor parte de los rectificadores se fabrica con silicio por razones de economia, capacidad de transporte de corriente, confiabilidad y eficiencia.

Un solo elemento rectificador se denomina diodo: una válvu- la eléctrica de una sola vía. Si un diodo se coloca en un circuito eléctrico, permite que la corriente fluya sólo en una dirección: en aquella en la que el ánodo del diodo es positivo respecto al cátodo. S i se disponen los diodos de manera adecuada, es posible convertir ca en cc.

La resistencia al flujo de la corriente a través de un diodo produce una caida de voltaje entre las tenniiiales del componente y genera calor dentro del diodo. Si el calor no se disipa, la temperatura del diodo puede elevarse lo suficieiite para hacer que el componente falle. Por ello, los diodos nonnalmente se montan sobre sumideros de calor (placas de aliimiiiio) para eliminar el calor.

Los diodos tienen límites en cuanto a la magnitud del voltaje que pueden bloquear en la dirección inversa (ánodo negativo y cátodo positivo). Esto se expresa como la especificación de voltaje del dispositivo. Los diodos de fuentes de potencia pira soldadura por lo regular se escogen con una especificación de bloqueo de por lo menos el doble del voltaje de circuito abierto, a fin de contar con iin margen de operación seguro.

Un diodo puede resistir picos de corriente bastante siiperio- res a su especificación nonnal de estado estacionario, pero Lin

transitorio alto de voltaje inverso piiede daiiarlo. La mayor parte de las fuentes de potencia de rectificador tienen un resistor, condensador II otro dispositivo electrónico para siiprimir los transitorios de voltaje que pudieraii daiiar a los rectificadores.

ÁNODO

' COMPUERTA

COM PU ERTA 1- Figura 1 .&Rect i f icador cont ro lado por silicio

TIRISTOR DE RECTIFICADOR CONTROLADO POR SILICIO (SCR) TAMBIÉN PUEDEN USARSE dispositivos de estado sólido con características especiales para controlar directamente la potencia de soldadura alterando la comente de voltaje o la forma de onda del voltaje. Estos dispositivos de estado sólido han reem- plazado a los reactores saturables, derivaciones móviles, bobinas móviles, etc. que antes se usaban para controlar la salida de los transformadores de soldadura. Uno de los más importantes de dichos dispositivos es el rectificador controlado por silicio (silicon coiltrolled rectifier, SCR), a veces llamado tiristor.

EI SCR es una variación del diodo con un disparador deno- minado conrpuerta, como se ilustra en la figura 1.6. EI SCR no conduce en tanto no se aplica una señal eléctrica positiva a la compuerta. Cuando esto sucede, el dispositivo se convierte en un diodo, y conducirá la corriente mientras el ánodo sea positivo con respecto al cátodo. Sin embargo, una vez que comienza a conducir, la corriente no puede interrumpirse enviando una senal a la compuerta; la conducción cesará sólo si el voltaje aplicado al ánodo se vuelve negativo con respecto al cátodo. No volverá a haber conducción hasta que se aplique un voltaje positivo al ánodo y la compuerta reciba otra señal.

Los SCR tienen dos aplicaciones principales: en configuraciones de inversor y en modalidad de control de fase con

SCR1 . r+ Z r-

II t

Fiaura 1.7-Fuente d e Dotencia d e cc monofás ica e

contro lada rnedia'nte u n p u e n t e d e SCR



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W-

z : ! r

u ;

t-

u r

8 ’

transformadores. Si se emplea la acción de una señal de compuerta para encender selectivamente el SCR, se puede controlar la salida de una fuente de potencia para soldadura. En la figura 1.7 se muestra un circuito de SCR de control de fase tipico.

Con referencia a la figura, durante el tiempo que el punto B es positivo con respecto al punto E, no fluirá comente hasta que tanto SCR 1 como SCR 4 reciban una señal de compuerta que los encienda. En ese instante, fluirá comente a través de la carga. Al término de ese medio ciclo, cuando la polaridad de B y E se invierta, se aplicará un voltaje negativo a través de SCR 1 y SCR 4, y se apagarán. Con el punto E positivo respecto al punto B, una señal de compuerta aplicada por el control a SCR 2 y SCR 3 hará que estos dos conduzcan, suministrando una vez más potencia al circuito de carga. Para ajustar la potencia en la carga, es necesario saber en qué preciso momento de cada medio ciclo se debe iniciar la conducción.

Si se requiere potencia elevada, la conducción se inicia poco después del comienzo del medio ciclo; si el requerimiento es de baja potencia, la conducción se retrasa hasta más avanzado el medio ciclo. Esto se conoce como control de fase. El resultado se muestra en la figura 1.8. La potencia resultante se suministra en pulsos a la carga, y es proporcional al área sombreada bajo la envoltura de la forma de onda. En la figura se observa que puede haber intervalos significativos durante los cuales no se suministra potencia a la carga. Esto puede hacer que se apague el arco, sobre todo a niveles de potencia bajos. Por tanto, es necesario filtrar la onda.

La figura 1.7 muestra una inductancia grande, Z, en el circuito de carga. Para que un circuito monofásico opere dentro de un intervalo de control apreciable, Z debe ser muy grande a fin de alisar los pulsos lo suficiente como para que los tiempos de conducción se incrementen. Por otro lado, si se usan SCR en un circuito trifásico, los intervalos sin conducción se reducirán significativamente. La inductancia (Z) tendría un tamaño acorde. Por esta razón, los circuitos de SCR trifásicos son más prácticos para las fuentes de potencia de soldadura, a menos que la salida sea calcc y se utilice moldeo de onda.

. --.* . ---* , . --.* . --.* 0 . 0 .

t’

TIEMPO 0

La sincronización de las señales de compuerta se debe controlar con mucha precisión. Esta es otra función del control que se muestra en la figura 1.7. Para adaptar el sistema a un servicio de soldadura satisfactorio, se requiere otra función: retroalimen- tación. La naturaleza de la retroalimentación depende del pará- metro que se va a controlar y del grado de control requerido. Si se desean caracteristicas de voltaje constante, la retroalimenta- ción debe ser alguna señal que sea proporcional al voltaje del arco. En todo momento, esa señal controla con precisión el voltaje del arco, de modo que el control pueda sincronizar debidamente la iniciación de los SCR en la secuencia correcta para mantener el voltaje preestablecido. El mismo efecto se logra para corriente constante empleando una referencia de comente.

Casi todas las fuentes de potencia para soldadura de tipo comercial controladas por fase con SCR son máquinas trifásicas, tanto de comente constante como de voltaje constante. Estas fuentes tienen funciones bien definidas porque las caracteristicas de salida se controlan electrónicamente. Por ejemplo, es muy fácil incluir compensación automática del voltaje de linea, lo que permite mantener la potencia de soldadura en el nivel exacto establecido aunque el voltaje de la linea de entrada varie. Ade- más, las curvas volt-ampere pueden moldearse y adaptarse a un proceso de soldadura en particular o a una aplicación de dicho proceso. Este tipo de máquinas puede adaptar su caracterís- tica estática a cualquier proceso de soldadura, desde uno que se aproxime a un genuino voltaje constante a uno que tenga comente prácticamente constante. Otras posibilidades son el pulsado, el control de corriente respecto al voltaje del arco, el control del voltaje del arco respecto a la corriente y un pulso de corriente o voltaje elevado al principio de la soldadura.

Un SCR también puede fungir como contactor secundario, permitiendo el flujo de !a comente sólo cuando el control deja que el SCR conduzca. Esta es una función útil en operaciones de ciclaje rápido, como la soldadura de puntos y la soldadura provisional. Sin embargo, un contactor de SCR no proporciona el aislamiento eléctrico que se tendría con un contactor o interruptor mecánico. Por tanto, se requiere un cortacircuito prima-

a l W”

4 t- z a: a: 8

(A) SCR DE ALTA POTENCIA QUE CONDUCEN POCO DESPUES DE INICIARSE CADA MEDIO CICLO

a

(B) SCR DE MENOR POTENCIA QUE CONDUCEN YA AVANZADO CADA MEDIO CICLO

~~

Figura 1.8-Control d e fase c o n u n puente d e SCR



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o CA TRIFÁSICA DEL SECUNDARIO DEL TRANSFORMADOR

o

o + 2 g C R a 1

4 1 AL ARCO

I 1

i g C R 2 G C R 2 g C R Z - - - - o

Fiaura 1.9-Puente trifásico que emplea seis SCR (control de onda completo)

0 4 1

CA TRIFASICA DEL

rio o algún otro dispositivo que proporcione aislamiento eléctri- co para fines de seguridad.

Son varias las configuraciones de SCR que pueden usarse en soldadura por arco. La figura 1.9 muestra un puente trifásico con seis SCR. Si la frecuencia de línea es 60 Hz, esta disposición produce una frecuencia de rizo de 360 Hz si hay carga. También ofrece un control preciso y una respuesta rápida; de hecho, cada medio ciclo de la salida trifásica se controla por separado. La respuesta dinámica mejora porque se reduce el tamaño del inductor requerido para alisar la comente de soldadura.

La figura 1.10 es un diagrama de un rectificador de puente trifásico con tres diodos y tres SCR. Debido al mayor rizo de corriente, esta configuración requiere un inductor de mayor ta- maño que ia unidad con seis SCR y, por lo mismo, tiene una respuesta dinámica más lenta. Se puede añadir un cuarto diodo, llamado diodo libre, para recircular las comentes inductivas del inductor de modo que los SCR se apaguen, es decir, conmuten. Esto resulta más econórnico que la unidad de seis SCR porque utiliza menos SCR y una unidad de control de más bajo costo.

+

TRANSISTORES

SECUNDARIO DEL TRANSFORMADOR

EL TRANSISTOR ES otro dispositivo de estado sólido que se emplea en las fuentes de potencia para soldadura. Debido a su costo, el empleo de transistores está limitado a fuentes de potencia que requieren un control preciso de muchas variables. El transistor difiere del SCR en muchos aspectos. Uno es que ia

41 DIODO AL ARCO LIBRE

0

21 Diodo 2 î Diodo Diodo

- Z i i - - o

conducción a través del dispositivo es proporcional a la señal de control aplicada. Si no hay señal, no hay conducción. Si se aplica una señal pequeña, la conducción será proporcionalmente pe- queña; si ia señal es grande, la conducción aumentará de manera acorde. A diferencia del SCR, el control puede apagar el dispositivo sin esperar a que se invierta la polaridad o haya un tiempo “apagado”. Como los transistores no tienen la capacidad de transporte de corriente de los SCR, se pueden necesitar varios de ellos para producir la salida de un solo SCR.

Hay varios métodos para aprovechar los transistores en fuentes de potencia de soldadura, como la modulación de frecuencia y la modulación de anchura de pulso. Con modulación de frecuencia, la comente de soldadura se controla variando la frecuencia suministrada al transformador principal. Puesto que la frecuencia está variando, el tiempo de respuesta también cambia. El tamaño del transformador y del inductor debe optimizarse para ia frecuencia de operación más baja posible.

Con modulación de anchura de pulso, la salida de soldadura se controla variando el tiempo de conducción dei dispositivo coninutador. Puesto que la frecuencia es constante, el tiempo de respuesta es constante y los dispositivos magnéticos pueden optimizarse para una frecuencia de operación.

INVERSOR DE ESTADO SÓLIDO LO QUE MAS contribuye al peso/masa de cualquier fuente de potencia son los componentes magnéticos (transformador prin-

Fiaura 1.10-Puente trifásico híbrido con tres SCR v cuatro diodos (control de media onda)



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cipal e inductor de filtro). Se han hecho varios intentos por reducir su peso y tamaño; por ejemplo, sustituyendo el cobre por aluminio en los devanados. El empleo de un circuito inversor puede reducir significativamente el tamaño y el peso de esos componentes, y también sus pérdidas eléctricas. Una fuente de potencia basada en inversor es más pequeña y compacta, requiere menos electricidad que las fuentes de potencia para soldadura convencionales y ofrece un tiempo de respuesta más rápido.

Un inversor es un circuito que se vale de dispositivos de estado sólido (SCR o transistores) para convertir cc en ca de alta frecuencia, por lo regular en el intervalo de 1 a 50 kHz. Las fuentes de potencia para soldadura convencionales emplean transformadores que operan con una frecuencia de línea de 50 o 60 Hz. miesto que el tamaño del transformador es inversamente proporcional a la frecuencia de línea o aplicada, es posible reducir el tamaño y el peso de la fuente de potencia hasta en un 75 % empleando circuitos inversores.

Un circuito inversor controla la potencia de salida aprovechando el principio de control de razón de tiempo (time ratio control, TRC). Los dispositivos de estado sólido (semiconductores) de un inversor actúan como interruptores; o bien están “encendidos” y conducen, o están “apagados” y bloquean. Esta operación de “encendido” y “apagado” a veces recibe el nombre de operación en modo de interruptor. TRC es la regulación de los tiempos de “encendido” y “apagado” de los interruptores para controlar la salida. La figura 1.11 ilustra un circuito de TRC sencillo que controla la salida a una carga que podría ser un arco de soldadura.

Cuando el interruptor está encendido (on), el voltaje de salida (Vou,) es igual al voltaje de entrada (y,,); cuando el interruptor está apagado (on, Vou, = O. EI valor medio de V,,,, es como sigue:

ton

tP Portanto: Vou, = yn . -

donde ton = tiempo encendido (conduciendo) tof = tiempo apagado (bloqueando) tp = tor, + tof o tiempo de un ciclo

Vou, se controla regulando la razón de tiempo to,, I tp. Puesto que el ciclo encendidolapagado se repite para cada

intervalo tp, la frecuencia (B de los ciclos encendidolapagado se define como:

(1.3) f = - 1

t P

Así pues, la fórmula de TRC ya puede escribirse como:

vou, = Kn . ton . f La fórmula de TRC escrita de esta manera permite entrever

dos métodos para controlar una fuente de potencia de inversor. Si se varía tor,, el inversor emplea TRC con anchura de pulso modulada. Otro método de control de inversor, llamado TRC de modulación de frecuencia variafi Se ha utilizado tanto la modu- lación de frecuencia como la modulación de anchura de pulso en inversores para soldadura comerciales.

La figura 1.12 es un diagrama de bloques de un inversor empleado para soldadura con cc. La potencia de entrada trifásica o monofásica de 50160 Hz se convierte en cc mediante un rectificador de onda completa. Esta cc se aplica al inversor que, valiéndose de interruptores semiconductores, la invierte para dar una ca de onda cuadrada de alta frecuencia. En otra variación que también se emplea para soldadura, el inversor produce ondas senoidales mediante una tecnología resonante con control por modulación de frecuencia. La conmutación de los semiconductores se realiza con una frecuencia de entre 1 y 50 kHz, dependiendo del componente empleado y del método de control.

Este voltaje de alta frecuencia permite emplear un transformador reductor más pequeño. Una vez transformada, la ca se

Figura 1.11-Diagrama simplificado de un circuito inversor empleado para demostrar el principio de control de razón de tiempo. (Obsérvese que los circuitos acondicionadores incluyen componentes como el transformador,

rectificador e inductor mostrados en la figura 1.7.)



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143034

PRIMARIO

CIRCUITO DE

CONTROL DEL

INVERSOR

Figura 1.12-Diagrama de inversor que muestra las secciones de la fuente de potencia y las formas de onda del voltaje

rectifica a cc para soldar. Controles de estado sólido permiten al operador seleccionar entre salida de corriente constante y de voltaje constante; además, si se cuenta con las opciones apropiadas, estas fuentes pueden proporcionar salidas a pulsos.

Las capacidades de los semiconductores y la topología espe- cífica de los circuitos determinan el tiempo de respuesta y la frecuencia de conmutación. Los tiempos de respuesta rápidos generalmente están asociados a las frecuencias de conmutación y de control más altas, produciendo arcos más estables y de mejor rendimiento. No obstante, es preciso tener en cuenta otras variables, como la longitud de los cables para soldar, ya que pueden afectar el desempeño de la fuente de potencia. La tabla 1.1 compara los dispositivos conmutadores de inversor y la frecuencia que se aplica al transformador.

La tecnología de inversor también puede servir para mejorar el rendimiento de las fuentes de potencia de ca para soldadura. Otra aplicación es en las fuentes de potencia de cc de comente constante empleadas para el corte con plasma.

Tabla 1.1 Tipos de dispositivos conmutadores de inversor

y frecuencia aplicada al transformador

Dispositivo conmutador Intervalo de frecuencia Dispositivos tipo SCR

Dispositivos tipo transistor 1 kHz a 10 kHz

10 kHz a 100 kHz

CAR ACTE R kTICAS VOLT-AMP ER E LAEFECTIVIDAD DE todas las fuentes de potencia para soldadura está determinada por dos clases de características operativas, cada una de las cuales afecta el rendimiento de diferente manera. Se definen como las características estática y dinámica. Ambas afectan la estabilidad del arco, pero de forma distinta dependiendo dei proceso de soldadura.

Las Características de salida estáticas se miden fácilmente en condiciones de estado estacionario empleando procedimientos de prueba convencionales con cargas resistivas. Por lo regular se usa un conjunto de curvas Características de voltaje de salida contra corriente de salida (curvas volt-ampere) para describir las Características estáticas.



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La característica dinámica de una fuente de potencia para soldadura por arco se determina midiendo ias variaciones tran- sitorias en la comente y el voltaje de salida que aparecen en el arco. Las características dinámicas describen variaciones instan- táneas o variaciones que ocurren durante intervalos muy cortos, del orden de milésimas de segundo.

La generalidad de los arcos de soldadura opera en condiciones que cambian continuamente. En particular, hay transitorios (1) durante el encendido del arco, (2) cuando ia longitud del arco cambia rápidamente, (3) durante la transferencia de metal a través del arco y (4) en el caso de soldadura con ca, durante la extinción del arco y la reignición en cada medio ciclo.

Estos transitorios del arco pueden ocurrir en 0.001 s, el intervalo en el que ocurre un cambio significativo en la ioniza- ción de la columna del arco. L a fuente de potencia debe responder con prontitud a estas demandas. Por ello, es importante controlar ias características dinámicas de una fuente de potencia para soldadura por arco. Las características volt-ampere estáti- cas o de estado estacionario no sirven de mucho para determinar las características dinámicas de un sistema de soldadura por arco.

Entre las características de diseño de las fuentes de potencia para soldadura por arco que sí afectan las características diná- micas son ias que ofrecen:

(1) Almacenamiento local de ia energia transitoria, como circuitos de capacitancia en paralelo o inductancia en serie de cc.

(2) Controles de retroalimentación en sistemas regulados automáticamente.

(3) Modificaciones de la forma de onda o de las frecuencias de operación del circuito.

El objetivo al modificar o controlar estas características casi siempre es mejorar la estabilidad del arco. Entre los resultados benéficos están:

(1) Transferencia de metal más uniforme. (2) Reducción en las salpicaduras de metal. (3) Menor turbulencia en el charco de soldadura.

El fabricante de una fuente de potencia generalmente publica ias características volt-ampere estáticas. No existe un método para especificar las características dinámicas que goce de acep- tación universal. El usuario debe solicitar al fabricante confir- mación de que las características tanto estáticas como dinámicas de la fuente de potencia son aceptables para la aplicación pre- vista.

CORRIENTE CONSTANTE EN LA FIGURA 1.13 se muestran curvas de salida volt-ampere (V-A) típicas para una fuente de potencia de corriente constante convencional. A veces se dice que la fuente es de caído a causa de la marcada pendiente descendente (negativa) de las curvas. La fuente de potencia puede contar con regulación del voltaje de circuito abierto además del control de la corriente de salida. AI variar cualquiera de estos controles se modificará la pendiente de la curva volt-ampere.

El efecto de la pendiente de la curva V-A sobre la potencia de salida es evidente en la figura 1.13. En la curva A, que tiene un circuito abierto de 80 V, un aumento unifonne en el voltaje del arco de 20 a 25 volts (25%) produciría una disminución en

la corriente de 123 a 115 A (6.5%). El cambio en la comente es relativamente pequeño. Por tanto, en un proceso de soldadura con electrodo consumible, ia tasa de fusión del electrodo se man- tendría más o menos constante si el cambio en la longitud del arco no es muy grande.

Si se ajusta la fuente de potencia para un circuito abierto de 50 V y una pendiente menos empinada que intercepte la misma posición de 20 V y 123 A, se obtendrá la curva volt-ampere B. En este caso, el mismo incremento en el voltaje del arco de 20 a 25 V reducirá la comente de 123 a 100 A (19%), que es un cambio bastante más significativo. En la soldadura manual, la curva V-A más plana dm’a a un operador experimentado la oportunidad de variar sustanciaimente la comente modificando la longitud del arco. Esto podría ser Útil para soldar fuera de posición, porque el soldador podría controlar la tasa de fusión del electrodo y el tamaño dei charco fundido. Pese a ello, íos soldadores menos habilidosos podrían preferir en general que la comente permaneciera constante al cambiar la longitud del arco.

El control de corriente sirve para suministrar una salida más baja. Produciría curvas volt-ampere con pendiente más abrupta, como se ilustra con las curvas Cy 0, las cuales ofrecen la ventaja de una salida de comente casi constante que permite cambios de mayor magnitud en el voltaje con variaciones pequeñas en la corriente.

VOLTAJE CONSTANTE ENLAFIGURA 1.14 se muestra una curva volt-ampere típica para una fuente de potencia de voltaje constante convencional. Esta fuente de potencia no tiene una salida de voltaje verdaderamente constante; tiene una pendiente !&eramente descendente (negativa) porque la impedancia eléctrica interna del circuito de soldadura causa una ligera caída del voltaje en la salida. Si se modifica esa impedancia se alterará la pendiente de la curva volt-ampere.

Partiendo del punto B de la figura 1.14, el diagrama muestra que un incremento o decremento del voltaje aA o C (5 V o 25 %) produce un cambio considerable en el amperaje (100 A o 50%). Esta característica de V-A es apropiada para procesos con ali- mentación continua del electrodo, como la soldadura por arco de metal con gas, por arco sumergido y por arco con núcleo de fundente, y sirve para mantener un arco de longitud constante. Un pequeno cambio en la longitud del arco (voltaje) causará un cambio apreciable en la corriente de soldadura. Esto elevará o reducirá automáticamente la tasa de fusión del electrodo para recuperar ia longitud de arco (voltaje) deseada. Este efecto ha recibido el nombre de arrrorregirlaciórz. Algunas fuentes de potencia de voltaje constante cuentan con ajustes para modificar la pendiente o la fonna de la curva de V-A. Si esto se hace con dispositivos de inducción, las Características dinámicas también cambiarán.

La curva de la figura 1.14 también puede servir para explicar ia diferencia entre las características estática y dinámica de las fuentes de potencia. Por ejemplo, durante la transferencia en cortocircuito de GMAW, la punta del electrodo de soldadura toca el charco de soldadura, causando un cortocircuito. En este punto, el voltaje del arco se aproxima a cero y sólo la resistencia o la inductancia dei circuito limita el rápido incremento de la corriente. Si ia fuente de potencia respondiera instaritáneamente, una corriente muy alta fluiría de inmediato por el circuito de soldadura, derritiendo con rapidez el electrodo en cortocircuito,



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80

60

v) 40 3 P

25

20

O O 50 1 O0 150 200

AMPERES

Figura 1.13-Características volt-ampere típicas de una fuente de potencia “de caída” con voltaje de circuito abierto ajustable

40 35

30

> 25 W-

3 15

10

5

O

2 20

c A

A c -

- I I I I

O 50 1 O0 150 200 250 300 350

CORRIENTE, A

Figura 1.14-Relación de salida volt-ampere de una fuente de potencia de voltaje constante



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> W- a 5 9 VOLTAJE

CONSTANTE

CORRIENTE, A

Figura 1.15-Curva volt-ampere combinada

liberándolo con fuerza explosiva y dispersando el inetal de soldadura como salpicaduras. Las características dinámicas incluidas en el diseño de esta fuente de potencia compensan esta acción limitando la rapidez de cambio de la corriente, con lo que se reduce la fuerza explosiva.

CARACTERkTICAS COMBINADAS DE CORRIENTE Y VOLTAJE CONSTANTES ES POSIBLEDISEÑAR controles eléctricos que suministren una salida ya sea de voltaje constante o de corriente constante de una

misma fuente de potencia. Estas fuentes puedenusarse en diversos procesos de soldadura.

Las salidas controladas electrónicamente también pueden producir curvas de salida que sean una combinación de corriente constante y voltaje constante, coino se muestra enla figura 1.15. La parte superior de la curva es en esencia de corriente constante; sin embargo, por debajo de cierto voltaje de disparo, la curva cambia a voltaje constante. Este tipo de curva es bueno para SMAW porque ayuda al arranque y a evitar que el electrodo se pegue en el charco si el soldador reduce demasiado la longitud del arco.

CICLO DE TRABAJO LOS COMPONENTES INTERNOS de una fuente de potencia para soldadura tienden a calentarse cuando la corriente de soldadura fluye por la unidad. La cantidad de calor que puede tolerarse depende de ( i ) la temperatura de ruptura de los componentes eléctricos y ( 2 ) los medios aislantes de los devanados del transformador y de otros componentes. Los fabricantes de componentes y las organizaciones que se ocupan de establecer iiornias en el campo del aislamiento eléctrico especifican estas teinpera- turas máximas.

Básicamente, el ciclo de rrnbojo es la razón entre el tiempo de carga permitido y un tiempo de prueba especificado. Es importante ajustarse a esta razón para que los devanados y componentes internos y SLIS sistemas de aislamiento eléctrico no se calienten por encima de su temperatura especificada. Estos critefios de temperatura máxima no cambian con el ciclo de

trabajo ni con la especificación de corriente de la fuente de poteiic i a.

EI ciclo de trabajo expresa, en fonna porcentual, el tiempo máximo que la fuente de potencia puede suministrar su salida especificada durante cada uno de varios intervalos de prueba sucesivos sin que su temperatura exceda un limite preestablecido. Eii Estados Uiiidos, los ciclos de trabajo de la NEMA se basan en un intervalo de pnieba de 10 minutos. Algunas agencias y fabricantes de otros países emplean intervalos de prueba más cortos, como por ejemplo 5 minutos. Así, un ciclo de trabajo NEMA del 60% (que es una especificación industrial estándar) significa que ia fuente de potencia puede suministrar SLI salida especificada diirante 6 de cada i0 minutos sin sobrecalentarse. (Cabe seiialar que una operacióii ininterrumpida con la “carga especificada” durante 36 ininutos de un lapso de uiia hora no



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constituye un ciclo de trabajo del 60%, sino del 100%.) Una fuente de potencia con ciclo de trabajo del 100% está diseñada para producir su salida especificada continuamente sin exceder los límites de temperatura prescritos para sus componentes.

Anteriormente se usaba también una especificación de ciclo de trabajo de una hora para fuentes de potencia de muy alta comente (750 A o más). Algunos fabricantes todavía producen fuentes de potencia con especificación de ciclo de trabajo de una hora. Para determinar la salida especificada de estas máquinas, se cargan durante una hora con la salida especificada. Acto seguido, la salida se reduce al 75% del valor de comente especificado y se mantiene durante tres horas más. Las temperaturas de los componentes se miden al final del primer periodo de una hora y al término de la prueba. Estas temperaturas deben estar dentro de los límites permitidos.

El ciclo de trabajo es un factor importante para determinar el tipo de servicio para el cual está diseñada una fuente de potencia. Las unidades industriales diseñadas para soldadura manual normalmente tienen una especificación de ciclo de trabajo del 60%. Para procesos automáticos o semiautomáticos, la especificación suele ser del 100%. Las fuentes de potencia para trabajo ligero por lo regular tienen ciclo de trabajo del 20%. Los fabricantes pueden proporcionar especificaciones con otros valores de ciclo de trabajo.

Un punto importante es que el ciclo de trabajo de una fuente de potencia se basa en la comente de salida y no en una espe- cificación de kilovolt-ampere o kilowatt. Los fabricantes realizan pruebas de ciclo de trabajo en lo que la NEMA define como condiciones de servicio usuales. Debe tenerse cuidado al basar la operación en otras condiciones que no sean las de servicio usuales. Entre los factores que contribuyen a un rendimiento menor que el calculado o el estimado a partir de las pruebas están una temperatura ambiente elevada, insuficiente aire de enfriamiento y bajo voltaje de linea.

Se dan las siguientes fórmulas para estimar el ciclo de trabajo a salidas distintas de la especificada (ecuación 1.4) y para esti-

mar una salida de comente distinta de la especificada a un ciclo de trabajo determinado (ecuación 1.5):

donde T = ciclo de trabajo especificado en por ciento To = ciclo de trabajo requerido en por ciento I = corriente especificada con el ciclo de trabajo

I, = comente máxima con el ciclo de trabajo requerido

La fuente de potencia nunca debe operarse por encima de su comente o ciclo de trabajo especificados a menos que se cuente con la aprobación del fabricante.

Ejemplo: ¿Con qué ciclo de trabajo puede operar una fuente de potencia de 200 A con especificación de ciclo de trabajo del 60% si la potencia de salida debe ser de 250 A? Usando la ecuación (1.4):

especificado

Por tanto, esta unidad no debe operar a 250 A durante más de 3.8 minutos de cada periodo de 10 minutos. Si se usa de esta manera, no se excederá la especificación de comente de ningún componente de la fuente de potencia soldando a 250 A.

Ejemplo: Se quiere operar la fuente de potencia antes men- cionada en forma continua (ciclo de trabajo del 100%). ¿Qué corriente de salida no debe excederse? Usando la ecuación (1 3:

fi = 200 x .775 = 155 amps (1.7) . .

Si se opera continuamente, la corriente deberá limitarse a una salida de 155 A.

VOLTAJE BE CIRCUITO ABIERT ELVOLTAJEDE circuito abierto es el voltaje en las terminales de salida de una fuente de potencia para soldadura cuando está energizada, pero no se está extrayendo comente. El voltaje de circuito abierto es uno de los factores de diseño que influyen en el rendimiento de todas las fuentes de potencia para soldadura. En un transformador, el voltaje de circuito abierto es una fun- ción del voltaje de entrada primario y de la razón entre las bobinas del primario y del secundario. Aunque desde el punto de vista de la iniciación y estabilidad del arco puede ser deseable un voltaje de circuito abierto elevado, los factores de riesgo eléc- trico asociados a los altos voltajes limitan los valores que pueden utilizarse. El costo es otro factor, aunque de menor importancia.

El voltaje de circuito abierto de los generadores o altemadores se relaciona con Características de diseño tales como la fuerza del campo magnético, la velocidad de rotación, el número de vueltas de las bobinas de carga, etc. Estas fuentes de potencia generalmente tienen controles que permiten variar el voltaje de circuito abierto.

La norma EW-1 de la NEMA contiene requisitos específicos de voltaje de circuito abierto máximo. Cuando se aplica el voltaje de línea especificado al devanado primario de un transformador, o cuando una máquina soldadora por arco del tipo de generador está trabajando a la velocidad máxima especificada sin carga, el voltaje de circuito abierto no debe exceder los niveles que se muestran en la tabla 1.2.

Las fuentes de potencia de las clases I y II de la NEMA normalmente tienen un voltaje de circuito abierto igual o cercano al máximo especificado. Las fuentes de potencia de arco clase III a menudo suministran dos o más voltajes de circuito abierto. Un sistema consiste en tener un intervalo de amperaje de salida de la fuente de potencia alto y otro bajo. El intervalo bajo normalmente tiene aproximadamente 80 V en circuito abierto, un poco mayor que el intervalo alto. Otro sistema es el de bobina secundaria con derivación, previamente descrito, en el que, a cada nivel de corriente, el voltaje de circuito abierto cambia unos 2 a 4 volts.



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Tabla 1.2 Voltajes de circuito abierto máximos para diversos

tinos de fuentes de Dotencia Dara soldadura con arco

Para aplicaciones manuales y semiautomáticas Corriente alterna 80 V rms Corriente continua - voltaje de rizo' mayor que 10% 80 V rms Corriente continua - voltaje de rizo' de 10% o menor 1 O0 V prom.

Corriente alterna 100Vrms Corriente continua - voltaje de rizo' mayor que 10% 100Vrms Corriente continua - voltaje de rizo' de 10% o menor 1 O0 V prom.

Para aplicaciones automáticas

voltaje de rizo, rms voltaje total promedio

*Voltaje de rizo, % =

En Estados Unidos, las fuentes de potencia de ca tanto de transformador como de alternador producen inversiones en la dirección del flujo de la comente cada 1/120 de segundo (60 Hz). En la figura 1.6 se presenta un diagramade las formas de onda senoidal típicas de una máquina de doble intervalo con voltajes de circuito abierto de 80 y 55 V rms.

Puesto que la comente debe cambiar de dirección después de cada medio ciclo, es evidente que durante un instante, cuando la forma de onda de la comente cruza la línea de cero, deja de fluir corriente 'por el arco. Un instante después, la comente debe invertir la dirección de su flujo. Sin embargo, durante el periodo en el que la comente disminuye y llega a cero, el plasma del arco se enfría, reduciendo la ionización del chorro del arco.

La comente de soldadura no podrá restablecerse en la direc- ción opuesta a menos que se mantenga la ionización dentro del espacio del arco, o se reinicie rápidamente. Con las fuentes de potencia convencionales, es posible que la ionización no se mantenga, dependiendo del proceso de soldadura y del electrodo que se utilice. El reinicio de la ionización se mejora establecien- do un voltaje de la magnitud apropiada a través del espacio del arco: el voltaje de recuperación. Cuanto mayor sea el voltaje de recuperación, más corto será el periodo durante el cual el arco estará extinguido. Si no es suficiente, el arco no podrá restablecerse sin hacer cortocircuito con el electrodo.

La figura 1.16 muestra las relaciones de fase entre el voltaje de circuito abierto y comentes iguales para dos diferentes voltajes de circuito abierto, suponiendo el mismo voltaje de arco (no se muestra) en cada caso. Como puede verse en la figura, el voltaje pico disponible de 113 V es mayor con 80 V (rms) de circuito abierto. El voltaje pico de 78 V disponible con 55 V (rms) de circuito abierto tal vez no baste para sostener un arco estable. El mayor cambio de fase que se muestra para la condi- ción de intervalo bajo causa una inversión de la comente a un voltaje de recuperación más alto porque está cerca del pico de la forma de onda del voltaje de circuito abierto, que es la mejor condición para la reignición. No se usa resistencia para regular la corriente de soldadura alterna porque el voltaje y la comente de la fuente de potencia estarían en fase. Puesto que el voltaje de recuperación sena cero durante la inversión de comente, sena imposible mantener un arco estable.

Para SMAW conmáquinas de bajo voltaje de circuito abierto es necesario incorporar ingredientes en los recubrimientos de los electrodos que ayuden a mantener la ionización y proporcionen

VOLTAJE PICO

VOLTAJE DE

CI RCU IT0 ABIERTO

VOLTAJE DE

INTERVALO BAJO INTERVALO ALTO

NOTA: T1 ES MAYOR QUE T2

Figura 1.16-ûndas de voltaje y corriente típicas de una fuente de potencia de ca de doble intervalo



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características de transferencia de metal favorables que eviten aumentos repentinos y considerables en la longitud del arco.

En un sistema de cc, una vez establecido el arco, la comente no pasa por cero. Así, un incremento rápido del voltaje no es crítico; los resistores permiten controlar adecuadamente la CO- mente en las máquinas de cc. Sin embargo, en algunos procesos

las fuentes de potencia de comente continua deben funcionar de manera muy similar en lo tocante a la necesidad de proporcionar un voltaje de circuito abierto cuando la longitud del arco cambia abruptamente. Con frecuencia se incluye reactancia o inductancia en estas fuentes de potencia con el propósito de fomentar este efecto.

REQUISITOS DE LA NEMA PARA FUENTES DE POTENCIA LA PUBLICACIÓN EW-1 (Última edición) de la National Electric Manufacturers Association (NEMA) describe los requisitos para los equipos de soldadura por arco eléctrico, incluidas las fuentes de potencia.

CLASIFICACIONES DE LA NEMA LA NEMA CLASIFICA las fuentes de potencia para soldadura por arco primordialmente con base en el ciclo de trabajo. Hay tres clases:

(1) “Una máquina para soldadura por arco NEMA Clase I se caracteriza por su capacidad para suministrar la salida especificada con ciclos de trabajo de 60,80 o 100%. Si una fuente de potencia se fabrica de acuerdo con las normas aplicables para las máquinas Clase I, se marcará como ‘NEMA Clase I (60)’, ‘NEMA Clase I (80)’ o ‘NEMA Clase I (loo)’.’’

(2) “Una máquina para soldadura por arco NEMA Clase II se caracteriza por su capacidad para suministrar la salida especificada con ciclos de trabajo de 30,40 o 50%. Si una máquina se fabrica de acuerdo con las normas aplicables para las máqui- nas Clase II, se marcará como ‘NEMA Clase II (30)’, ‘NEMA Clase II (40)’ o ‘NEMA Clase II (50)’.”

(3) “Una máquina para soldadura por arco NEMA Clase III se caracteriza por su capacidad para suministrar la salida especificada con ciclo de trabajo de 20%. Si una máquina se fabrica de acuerdo con las normas aplicables para las máquinas Clase III, se marcará como ‘NEMA Clase III (20)’.”

Adicionalmente, las fuentes de potencia NEMA Clase I y II se definen como fuentes de potencia para soldadura por arco completamente armadas que abarcan las características de las siguientes máquinas:

’ (1) Una máquina de comente constante, voltaje constante o comente constante/voltaje constante.

(2) Una máquina de un solo operador. (3) Una de las siguientes: (a) Fuente de potencia para soldadura por arco de generador

(b) Fuente de potencia para soldadura por arco de generador

(c) Fuente de potencia para soldadura por arco de generador-

(a) Fuente de potencia para soldadura por arco de genera-

(e) Fuente de potencia para soldadura por arco de transfor-

de cc.

de Ca.

rectificador de cc.

dor-rectificador de ca/cc.

mador de Ca.

(0 Fuente de potencia para soldadura por arco de transfor-

(g) Fuente de potencia para soldadura por arco de transformador-rectificador de cc.

mador-rectificador de calcc.

REQUISITOS DE ENTRADA Y SALIDA ADEMÁS DEL CICLO de trabajo, la NEMA define las especificaciones de salida y las capacidades de rendimiento de las fuentes de potencia de cada clase. La tabla 1.3 muestra las especificaciones de comente de salida (tamaño) para las máquinas soldadoras Clases I, II y III. Los volts de carga especificados ( E ) para las máquinas Clases I y II de menos de 500 A pueden calcularse empleando E = 20 + 0.041, donde I es la comente de carga especificada. Para máquinas con especificación de 600 A y mayores, el voltaje de carga especificado es 44 V. Las especificaciones de salida en amperes y volts de carga, y también las corrientes de salida y volts de carga mínimos y máximos para las fuentes de potencia se dan en la publicación EW-1 (última edi- ción) de la NEMA.

Los requisitos de entrada eléctrica para las máquinas de soldadura por arco de transformador NEMA Clases I y II para 50 y 60 Hz son las siguientes:

60 Hz: 200,230,460 y 575 V 50 Hz: 220,380 y 440 V Para las máquinas soldadoras por arco del tipo de transfor-

mador NEMA Clase III, el requisito de entrada eléctrica es 60 Hz, 230 V. El devanado primario del transformador por lo regular tiene derivaciones que permiten seleccionar dos o tres fuentes de voltaje alternativas, como 200,230 y 460 V.

Tabla 1.3 Corriente de salida especificada por la NEMA para

máauinas de soldadura Dor arco

Corriente de salida especificada, A Clase I Clase II Clase III

200 150 180-230 250 1 75 235-295 300 200 400 225 500 250 600 300 800 350 lo00 1200 1500



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Tabla 1.4 Especificaciones típicas de placa de identificación para una fuente de potencia de soldadura por arco de calcc

Amperes de entrada con la carga especificada

Salida - 60 Hz monofásica Corriente de soldadura, A

cc Voltaje de

tungsteno y metal tungsten metal abierto Ca

Ca

Arco de Arco de Arco de Arco de circuito Amperes

Modelo gas protegido y gas protegido y cc 230 V 460 v kVA kW

300 5-48 5-48 5-60 5-45 amperes 20-230 20-245 20-250 16-200 80 104 52 23.9 21.8

1 9 0 4 5 200-460 200-460 150-350

Tabla 1.5 Recomendaciones de tamano típicas para conductor primario v fusible

Tamaho del alambre de entrada, AWG (a) Tamaio del fusible en amperes Modelo 200 v 230 V 460 v 575 v 200 v 230 V 460 V 575 v

300 No. 2 No. 2 No. 8 No. 8 A (No. 6) (b) (No. 6) (b) (No. 8) (b) (No. 8) (b) 200 175 90 70

~~ ~ ~~

a. American wire gage (calibre de alambre americano). b. Indica tamaño del conductor a tierra.

Las normas de voltaje y frecuencia para los motores-generadores de soldadura son las misinas que para los primarios de los transfonnadores NEMA Clases I y II.

DATOS DE LA PLACA DE IDENTIFICACIÓN LOS DATOS MINIMOS que deben incluirse en la placa de identifi- cación de una fuente de potencia para soldadura por arco, según la publicación EW-I de la NEMA son los siguientes:

(i> Designación de tipo o número de identificación del

(2) Designación de clase NEMA. (3) Voltaje de circuito abierto (OCV) máximo. (4) Volts de carga especificados. (5 Amperes de carga especificados. (6) Ciclo de trabajo con la carga especificada. (7) Velocidad máxima en rpin sin carga (generador o alter-

(8) Frecuencia de la fuente de potencia. (9) Número de fases de la fuente de potencia.

fabricante, o ambas cosas.

nador).

(10) Voitaje(s) de entrada de ia fuente de potencia. (11) Amperes de entrada con la salida de carga especificada.

El instructivo que acompaña a cada fuente de potencia es la fuente primaria de datos relativos a los requisitos de entrada

eléctrica. También se dan datos generales en la placa de identi- ficación de la fuente de potencia, por lo regular en forma de tabla junto con otros datos pertinentes aplicables a la unidad de que se trate. La tabla 1.4 muestra información tipica para una fuente de potencia para GTAW con especificación NEMA de 300 A. Los intervalos de corriente de soldadura se dan con respecto al proceso de soldadura. Ea fuente de potencia puede usar uno de dos voltajes de entrada, indicándose la corriente de entrada correspondiente para cada voltaje cuando la máquina está produciendo su carga especificada. También se dan los datos de entrada de kilovolt-amperes (kVA) y kilowatts (kW). El factor de potencia, pf, puede calcularse como sigue:

kW pf=kl/A

EI fabricante también proporcionará otros datos relativos a los requisitos de entrada, como los tamaños de conductor primario y de fusible recomendados. Las fuentes de potencia no pueden protegerse con fusibles cuyo valor sea igual a su demanda de corriente primaria. Si es así, los fusibles se quemarán o los cortacircuitos se botarán continuamente. La tabla 1.5 muestra los tamaños de alambre de entrada y fusible tipicos para ia fuente de potencia de 300 A de la tabla 1.4. Es necesario consultar todos los códigos pertinentes además de estas recomendaciones.



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FUENTES DE POTENCIA DE CORRIENTE ALTERNA

FUENTES DE POTENCIA DE TRANSFORMADOR LAS FUENTES DE potencia de corriente alterna normalmente son transformadores monofásicos que se conectan con las líneas de potencia de ca del edificio y transforman el voltaje y el amperaje de entrada a niveles adecuados para la soldadura por arco. Los transformadores también sirven para aislar los circuitos de soldadura de las líneas de potencia de la planta. Como las diversas aplicaciones tienen distintos requerimientos de potencia de soldadura, la fuente de potencia de transformador para soldadura debe incluir un mecanismo para controlar la corriente de soldadura o el voltaje del arco, o ambas cosas. En las secciones que siguen se describirán los métodos que comúnmente se usan para controlar la salida del circuito de soldadura.

Control por bobina móvil EN ESENCIA, UN transformador de bobina móvil consiste en un núcleo alargado en el cual se encuentran las bobinas primaria y secundaria. Una de las dos bobinas puede ser móvil, mientras que la otra se mantiene en una posición fija. La mayor parte de los transformadores de ca que siguen este diseño tienen la bobina secundaria fija. La bobina primaria normalmente se conecta a un tomillo terminal; cuando éste se gira, la bobina se acerca o se aleja de la bobina secundaria.

La variación de la distancia entre las dos bobinas regula el acoplamiento inductivo de las líneas de fuerza magnética que hay entre ellas. Cuanto más separadas estén las dos bobinas, más vertical será la curva de salida volt-ampere y menor será el valor de corriente en cortocircuito máxima. En cambio, cuando las dos bobinas están cerca una de la otra, la corriente máxima en cortocircuito es mayor y la pendiente de la curva de salida volt-ampere es menos empinada.

La figura 1.17A muestra una fonna de transformador de bobina móvil con las bobinas muy separadas para que la salida sea minima y la curva volt-ampere tenga una pendierite empinada. La figiira 1.17B muestra las bobinas lomás cercanas posible. Se indica la curva Volt-ampere con salida máxima, con una pendiente menos empinada que la de la figura 1.17.

Otra forma de-bobina móvil emplea un movimiento de pivo- teo. Cuando las dos bobinas están perpendiculares, la salida es mínima; cuando están alineadas con una bobina anidada dentro de la otra, la salida es máxima.

Control de derivación móvil ENESTE DISENO, las bobinas primarias y secundarias están fijas, y el control se logra mediante una derivación de n~icleo de hierro lainiriado que se mete entre las bobinas primarias y secundarias. Se fabrica con el mismo material que se emplea para el núcleo del transformador.

Cuando la derivación se coloca entre las bobinas primarias y secundarias, como se muestra en la figiira 1.18A, algunas lineas de fuerza magnética se desvían a través de la derivación de hierro

en vez de llegar a las bobinas secundarias. Con la derivación de hierro en esta posición, la pendiente de la curva volt-ampere aumenta y la comente disponible para soldadura disminuye. La corriente de salida mínima se obtiene cuando la derivación ha entrado por completo entre las bobinas.

Como puede verse en la figura l.l8B, la disposición de las líneas de fuerza magnética, o flujo magnético, no encuentra ningún obstáculo cuando la derivación de hierro se separa de las bobinas primarias y secundarias. En este caso la corriente de salida es máxima.

Control de bobina secundaria derivada S E PUEDE USAR una bobina secundaria con derivaciones para controlar la salida volt-ampere de un transformador, como se muestra en la figura 1.3. Este método de ajuste a menudo se emplea con las fuentes de potencia NEMA Clase III, común- mente llamadas soldadoras de granja. Son las fuentes de potencia para soldadura de más bajo costo y de uso más universal. Su construcción básica se parece un poco a la del tipo de derivación móvil, excepto que la derivación se coloca permanentemente dentro del núcleo principal y las bobinas secundarias tienen derivaciones que permiten ajustar el número de vueltas. Si se reduce el número de vueltas del secundario, disminuirá el voltaje de circuito abierto y también la inductancia del transformador, aumentando la corriente de soldadura.

Reactor de núcleo móvil LA MAQUINA SOLDADORA de ca del tipo de reactor de nÚcleo móvil consiste en un transformador de voltaje constante y un reactor en serie. La inductancia del reactor se modifica moviendo mecánicamente una sección de su núcleo de hierro. En la figura 1.19 se presenta un diagrama de la máquina. Cuando la sección móvil del núcleo está en posición retraída, la permeabilidad del trayecto magnético es muy baja debido al espacio de aire. El resultado es una reactancia inductiva baja que permite el flujo de una corriente de soldadura grande. Cuando la sección móvil del núcleo penetra en el n<icieo estacionario, como se indica con líneas punteadas en la figura 1.19, el aumento en la permeabilidad hace que aumente ia reactancia inductiva, reduciendo la corriente de soldadura.

Control de reactor saturable U N CONTROL DE REACTOR saturable es un control eléctrico que se vale de un circuito de cc de bajo voltaje y bajo amperaje para modificar las caracteristicas magnéticas efectivas de los núcleos reactores. Los reactores saturables de autosaturación se conocen como niirplflcarlores nrngrre'ricos porque un cambio relativamente pequeño en en la potencia de control produce un cambio considerable en la potencia de salida. Este tipo de circuito de control hace relativamente fácil el control remoto de la salida de la fuente de potencia, y normalmente requiere menos mantenimiento que los controles mecánicos.



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U O 50 100 150 200 250

A

\ V I

SALIDA MINIMA

BOBINA SECUNDARIA (FIJA)

BOBINA PRIMARIA

NÚCLEO DE HIERRO-

-

TORN I LLO TERM I NAL

80

V

O 50 100 150 200 250

A

BOBINA SECUNDARIA (FIJA)

Fiaura 1.17-Fuente de Dotencia de ca de bobina móvil

Con esta construcción, el transformador principal no tiene partes móviles. Las características volt-ampere dependen de las configuraciones del transformador y del reactor saturable. El circuito de cc de control del sistema reactor permite ajustar la curva volt-ampere de salida desde el mínimo hasta el máximo.

En la figura 1.20 se presenta un diagrama de una fuente de potencia sencilla de reactor saturable. Las bobinas del reactor se conectan en oposición a las bobinas de control de cc. Si no se hace esto, la acción del transformador hará que haya comentes circulantes elevadas en el circuito de control. Con la conexión en oposición, los voltajes y comentes instantáneos tienden a cancelarse mutuamente. Los reactores saturables tienden a dis-

torsionar severamente la onda senoidal suministrada por el transformador. Esto no es deseable en la soldadura por arco de tungsteno y gas porque la forma de onda es importante para ese proceso. Un método que puede reducir esta distorsión consiste en introducir un espacio de aire en el núcleo del reactor. Otro consiste en insertar un choke grande en el circuito de control de cc. Cualquiera de los dos métodos, o una combinación de ambos, producirá los resultados que se desean.

La magnitud del ajuste de la comente en un reactor saturable se basa en las amperes-vueltas de las diversas bobinas. El térmi- no amperes-vueltas se define como el número de vueltas de la bobina multiplicado por la corriente (en amperes) que fluye a



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BOBINAS /- SECUNDARIAS

DERIVACIÓN

CAMINO DEL FL,UJO MAGNETICO *O V n SALIDA

MINIMA

I\,,,, BOBINAS PRIMARIAS O

50

n

BOBINAS ’ SECUNDARIAS

CAMINO DEL FL,UJO MAGNETICO

BOBINAS PRIMARIAS

DE HIERRO NÚCLEO

SALIDA MAXIMA

O O 50 100 150 200 250

A

Fiaura 1.18-Fuente de Dotencia de ca de derivación móvil

POSICIÓN DE LA SECCIÓN MOVIL PARACORRIENTE MINIMA

TRANSFORMADOR PARA CORRIENTE MAXIMA

SECUNDAR IA

ESTACIONARIA

BOBINA PRIMARIA

Fiaura 1.19-Fuente de potencia de ca del tipo de reactor de núcleo móvil



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+ IC __e CONTROL o i

ESPACIO DE AIRE- -ESPACIO DE AIRE

TRANSFORMADOR DE SOLDADURA

IC = CORRIENTE DE CONTROL Iw = CORRIENTE DE SOLDADURA

Figura 1.20-Fuente de potencia de ca para soldadura del tipo de reactor saturable

través de la bobina. En el reactor saturable básico, se aplica la ley de amperes-vueltas iguales. Para aumentar la salida del circuito de soldadura, se debe hacer fluir una corriente en el circuito de control. La magnitud del cambio se puede aproximar con la siguiente ecuación:

donde I,, = cambio en la comente de soldadura, A I, = cambio en la corriente en el circuito de control, A N, = número de vueltas en el circuito de control N , = número de vueltas en el circuito de corriente

de soldadura

La corriente mínima de la fuente de potencia está determinada por el número de vueltas de las bobinas del reactor del circuito de soldadura y por la cantidad de hierro en el núcleo del reactor. Si se desea una comente mínima baja, se requiere una cantidad grande de hierro o bien un número relativamente grande de vueltas, o ambas cosas. Si se utiliza un gran número de vueltas, será necesario un gran número de vueltas de control o una comente de control elevada, o ambas cosas. A fin de reducir la necesidad de bobinas de control grandes, grandes cantidades de hierro o comentes de control elevadas, los reactores saturables a menudo tienen derivaciones en las bobinas del circuito de soldadura, creando máquinas de múltiples intervalos. Los intervalos más altos tendrán menos vueltas en estos devanados y, por tanto, comentes mínimas correspondientemente más altas.

Control por amplificador magnético TÉCNICAMENTE, EL AMPLIFICADOR magnético es un reactor saturable con autosaturación. Se denomina ampliJcador magnéti- co porque usa la comente de salida de la fuente de potencia para conferir una magnetización adicional a los reactores. De este modo, las comentes de control pueden reducirse y las bobinas de control pueden ser más pequeiias. Aunque en muchos casos las máquinas de amplificador magnético tienen múltiples intervalos, los intervalos de control pueden ser mucho más amplios que los que pueden obtenerse con un control de reactor saturable ordinario.

En la figura 1.2 1 puede verse que si se utiliza una conexión diferente para las bobinas de la comente de soldadura y los diodos rectificadores en serie con las bobinas, las amperes-vueltas de ia carga ayudan a las amperes-vueltas de control a mag- netizar los núcleos. Un valor menor de amperes-vueltas de control hará que fluya una corriente de soldadura correspondientemente mayor porque la comente de soldadura prácticamente “se encenderá a sí misma”. Los devanados de control son sensibles a la polaridad.

Factor de potencia LAS FUENTES RE potencia de ca de corriente constante se caracterizan por factores de potencia bajos a causa de su reactancia inductiva relativamente grande. En muchos casos esto no es conveniente porque las corrientes de línea son altas cuando las cargas son pesadas, y los usuarios industriales por lo regular tienen que pagar tarifas más altas cuando el factor de potencia



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PRIMARIO DECA c

+ SALIDADE , ,

J C b i IA

<-, C- SECUNDAR%

C,’ C-. ’ DECA

o - ? IC = CORRIENTE DE CONTROL Iw = CORRIENTE DE SOLDADURA

CONTROL DECC - -

DIODO


n W-M DIODO

BOBINAS DE CONTROL DE CC

ELECTRODO

Figura 1.21-Control de corriente de soldadura por amplificador magnético

es bajo. Este factor puede mejorarse añadiendo condensadores al circuito primario de cargas inductivas del tipo de los transformadores de soldadura. Esto reduce la corriente primaria de las líneas de potencia mientras se está soldando. Desafortunada- mente, la extracción de corriente en condiciones de carga ligera o sin carga aumentará.

Las fuentes de potencia de ca de gran tamaño del tipo de transformador pueden equiparse con condensadores para corregir el factor de potencia a aproximadamente el 75% con la carga especificada. A niveles de comente de carga menores que la especificada, el factor de potencia puede tener una característica adelantada. Si el transformador está operando sin carga o con cargas muy ligeras, los condensadores extraerán sus kVA co- rrectivos completos, contribuyendo una corrección del factor de potencia al resto de la carga del sistema eléctrico total.

Si varias fuentes de potencia para soldadura del tipo de transformador están trabajando con cargas ligeras, debe cuidarse que la capacitancia de corrección del factor de potencia combinada no altere la estabilidad del voltaje de línea. Si se emplea potencia trifásica, deberá equilibrarse la carga en cada fase del sistema primario a fin de obtener un rendimiento óptimo. En condiciones normales, la corrección del factor de potencia no afecta el rendimiento de la soldadura.

Funciones auxiliares LAS FUENTES DE potencia de ca de corriente constante están disponibles en muchas configuraciones en lo que respecta a sus funciones auxiliares. En general, estas funciones se incluyen para adaptar mejor la unidad a un proceso o aplicación especí- fico, o para facilitar su operación. Conviene consultar con el fabricante acerca de las funciones disponibles cuando se considere ia adquisición de tales fuentes de potencia.

Las fuentes de potencia de ca por lo regular cuentan con contactores primarios o interruptores de potencia de operación manual para encender y apagar la unidad. La mayor parte de las unidades NEMA Clases I y II están provistas de un tablero de terminales u otra forma de conectar los diversos voltajes de linea primaria especificados. Estas fuentes de potencia para soldadura normalmente no vienen con cables de alimentación. Las fuentes de potencia NEMA Clase III más pequeñas generalmente vienen equipadas con un interruptor primario de operación manual y un cable de alimentación.

Algunas fuentes de potencia de ca cuentan con un sistema que suministra al arco una corriente mayor que la normal durante una fracción de segundo al inicio de una soldadura. Esta función - de “arranque en caliente” da características de pico inicial,



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24 F U E N T E S D E P O T E N C I A P A R A S O L D A D U R A P O P

similares a las de los conjuntos de motor-generador, que ayudan a iniciar el arco, sobre todo a niveles de comente por debajo de 100 A. Otras fuentes de potencia pueden estar equipadas con un control de arranque que permite iniciar la soldadura con una comente reducida (“arranque suave”) para minimizar la transferencia de tungsteno desde el electrodo en el proceso de GTAW.

Los equipos diseñados para el proceso de soldadura por arco de tungsteno y gas por lo regular incluyen además válvulas y cronómetros operados eléctricamente para controlar el flujo del gas protector y el flujo de refrigerante al portaelectrodos. Pueden añadirse unidades de alta frecuencia que ayuden a iniciar y estabilizar el arco.

Las fuentes de potencia NEM Clase I y II pueden contar con un mecanismo para el ajuste remoto de la potencia de salida. Esto puede consistir en un dispositivo impulsado por motor para usarse con las unidades ajustadas por palanca, o en un control manual en la estación de trabajo cuando se usa una fuente de potencia de ajuste eléctrico. Si un trabajo requiere cambios frecuentes del amperaje, o si es preciso realizar la soldadura en un lugar poco accesible, los ajustes por control remoto pueden ser muy útiles. Los controles remotos operados con el pie liberan las manos del operador y permiten aumentar o reducir gradualmente la comente de soldadura. Esto es una gran ayuda cuando se re- llenan cráteres durante la soldadura por arco de tungsteno y gas.

Se pueden conseguir controles de voltaje de seguridad para reducir el voltaje de circuito abierto de las fuentes de potencia de ca para soldadura. Estos controles reducen a cerca de 30 V el voltaje de circuito abierto en el portaelectrodos. Los reductores de voltaje pueden consistir en relevadores y contactores que reconectan el devanado secundario del transformador principal para que produzca un voltaje menor o bien conmutan la carga de soldadura del transformador principal a un transformador auxiliar con menor voltaje sin carga.

A R C O

FUENTES DE POTENCIA DE CORRIENTE ALTERNA - ALTERNADORES

OTRA FORMA DE obtener potencia de ca para soldadura es usar un alternador (a menudo llamadogenerador de CU) que convierte energía mecánica en potencia eléctrica apropiada para la soldadura por arco. La potencia mecánica puede provenir de diversas fuentes, como un motor de combustión interna o un motor eléc- trico. Difieren de los generadores de cc estándar en que la unidad del rotor de un alternador contiene las bobinas del campo mag- nético (véase la figura 1.22) en vez de las bobinas del estator, como en otros generadores (véase la figura 1.23). Se usan anillos deslizantes para conducir una potencia de cc baja al miembro que gira y producir así un campo magnético rotatorio. Esta configuración hace innecesarios el conmutador y las escobillas que se requieren en los generadores de cc. El estator (parte estacionaria) tiene ias bobinas de la corriente de soldadura devanadas en ranuras del núcleo de hierro. La rotación del campo genera potencia de soldadura de ca en estas bobinas.

La frecuencia de la corriente de soldadura producida se controla mediante la velocidad de rotación de la unidad del rotor y por el número de polos que tiene el alternador. Un alternador de dos polos debe trabajar a 3600 rpm para producir corriente de 60 Hz, en tanto que un alternador de cuatro polos debe operar a 1800 rpm para producir la misma comente.

Pueden usarse reactores saturables y de núcleo móvil para controlar la salida de estas unidades, aunque el método normal se vale de un reactor con derivaciones para controlar aproximadamente los intervalos de comente, combinado con un control del campo magnético del alternador para lograr un control fino dentro de cada intervalo. Estos controles se muestran en la figura I .24.

A CCAQUí ¿ Figura 1.22-Esquema de un alternador en el que se muestra el campo magnético contenido en la unidad del rotor



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FUENTES DE POTENCIA DE CORRIENTE ALTERNA DE ONDA CUADRADA LAS MÁQUINAS SOLDADORAS de ca para los procesos SMAW, GTAW, PAW y SAW tradicionalmente se han basado en méto- dos para regular sus campos: (i) bobinas móviles, (2) derivación móvil y (3) reactores saturables. La necesidad de intervalos de comente más amplios y de un control remoto de la comente condujo al desarrollo de amplificadores magnéticos con diodos de silicio. Aunque esta tecnologia ha sido muy Útil, la industria necesitaba máquinas con las que fuera posible lograr soldaduras de más alta calidad y una mayor confiabilidad. Al aumentar la aceptación y la confiabilidad de los semiconductores de potencia, apareció una nueva generación de máquinas soldadoras.

Con comente alterna de 60 Hz, la comente de soldadura se invierte 120 veces cada segundo. Si se usan fuentes de tipo magnético, esta inversión ocurre lentamente, obstaculizando la reignición de la siguiente media onda. Aunque es posible recu- rrir a un mecanismo auxiliar para proporcionar un voltaje de ionización elevado, como la superposición de energía de alta frecuencia para GTAW y PAW, en muchas ocasiones la comente disponible en forma instantánea es demasiado baja para asegurar un encendido confiable del arco.

Este problema puede evitarse empleando una corriente con forma de onda cuadrada, como la del diagrama de la figura 1.25. Con su rápido cruce por cero, es posible que la desionización no ocurra o que, por lo menos, la reignición del arco se fomente a

VOLTAJE EN LAS ESCOBILLAS r\

t Fiaura 1.23-Esauema de un aenerador que muestra el campo magnetko contenidgen la unidad del estator tal grado que no haya necesidad de usar sistemas de reignición

AJUSTE DE

TABILIZADOR

AMPERAJE FINO

Figura 1.24-Esquema de una fuente de potencia del tipo de alternador que incluye un reactor con derivaciones para el control burdo de la corriente y un amperaje de campo magnético ajustable para el control fino de la

corriente de salida



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A EL ELECTRODO NEGATIVO

a

n o W

(0 W a: W a 2 a W-

E a a

I- Z

o

ELECTRODO POSITIVO I

TI EM PO ,--

Figura i .25-Comparación de las formas de onda de corriente de arco de (A) un amplificador magnético y (B) una fuente de potencia de onda cuadrada en el

mismo nivel de corriente media

de alta frecuencia. La configuración cuadrada del flanco trasero de la forma de onda mantiene el gas de cobertura ionizado y la punta del electrodo caliente durante más tiempo, en prepara- ción para la reignición con la polaridad opuesta. Estas caracte- rísticas son importantes en las instalaciones en las que conviene eliminar la alta frecuencia porque (1) puede causar interferencia con radio o televisión, (2) el grabado del trabajo en las inmediaciones de la soldadura puede ser indeseable desde el punto de vista cosmético, (3) la fuga de altas frecuencias puede molestar al operador y (4) la alta frecuencia puede dañar equipos perifé- ricos.

Se han empleado varios enfoques de diseño para producir formas de onda de ca cuadradas. Algunas máquinas emplean entrada monofásica y otras trifásica. Dos estrategias comunes consisten en emplear un núcleo de memoria y circuitos inversores.

Núcleo de memoria UN NÚCLEO DE memoria es un dispositivo magnético que mantiene el flujo de la corriente en un valor constante (una especie

de volante eléctrico). Junto con un grupo de cuatro SCR de potencia, puede servir para crear una comente de ca de onda cuadrada. Se utiliza el forzado de corriente, en el que el nú- cleo de memoria almacena energía en proporción con la comente del medio ciclo previo, y luego bombea esa misma cantidad de comente al arco al principio de cada nuevo medio ciclo de polaridad opuesta. Una vez que el gas se ha reionizado, sólo puede suponerse un valor de la comente. Este es el valor de comente media “recordado” de múltiples ciclos mantenido por el dispositivo de núcleo de memoria. El tiempo de transición de una polaridad a la otra es muy corto, del orden de 80 microse- gundos.

Un sensor colocado en el trayecto de la comente del núcleo de memoria produce una señal de voltaje que es proporcional a la salida de comente de Ca. Esa señal de comente se compara con la señal de referencia de la comente deseada en un amplificador regulador. La señal de error accionadora resultante se procesa de modo que dispare en fase cuatro SCR en la secuencia correcta para llevar la salida al nivel correcto. En consecuencia, la comente de soldadura se mantiene dentro de 1 % de su nivel para variaciones en el voltaje de línea de 10%. El tiempo de respuesta es rápido, lo que se presta a operaciones de GTAW de ca a pulsos.

Otra función incluida en el diseño de este tipo de fuentes de potencia es una forma de onda asimétrica variable, que permite al operador obtener una comente equilibrada o diversos grados de desequilibrio controlado de CCEN (corriente continua con electrodo negativo, o polaridad directa) vs. CCEP (comente continua con electrodo positivo, o polaridad inversa). Esta capacidad es una herramienta muy potente para controlar el arco. La razón principal para usar ca con el proceso de GTAW es que tiene una acción limpiadora. Esto es importante sobre todo cuando se suelda aluminio. Durante los ciclos de CCEP, los óxidos de la superficie de la pieza de trabajo son expulsados por fuerzas de emisión de electrones, dejando al descubierto metal limpio para soldar. Pruebas con diversas fuentes de potencia asimétricas dejaron en claro que sólo se requiere una pequeña cantidad de corriente CCEP: generalmente basta con cantidades tan bajas como el lo%, siendo la excepción los casos en que el alambre de aporte introduce hidrocarburos.

EI equilibrio se ajusta con una sola perilla, desde comente equilibrada hasta 70-80% de CCEN, 20-30% de CCEP en un extremo, y 3545% de CCEN, 5 6 5 % de CCEPen el otro (véase la figura 1.26). El control de equilibrio en realidad ajusta la anchura de cada polaridad, sin modificar la amplitud ni la frecuencia de la corriente. El sistema regulador mantiene la proporción de equilibrio constante mientras se seleccionan otros valores de amperaje.

La utilidad de un control de balance de este tipo es obvia. Si la pieza de trabajo está razonablemente limpia, el operador puede escoger un porcentaje bajo de acción limpiadora (CCEP). Con la forma de onda con alto porcentaje de CCEN que resulta, el balance calorífico se aproxima al de CCEN, y es posible aportar más calor al trabajo, reducir la deriva del arco y obtener una franja de soldadura más angosta. Si consideramos que el proceso GTAW muchas veces se escoge por razón de su arco concentrado, esto permite aprovechar al máximo su mejor Ca- racterística.



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50% ELECTRODO /- NEGATIVO

- 50% ELECTRODO

45% ELECTRODO

I a POSITIVO

n o W

U 70% ELECTRODO

NEGATIVO

-30% ELECTRODO POSITIVO

TIEMPO - Figura 1.26-Formas de onda típicas producidas por control de balance de Dotencia de onda cuadrada

La onda asimétrica, con menos tiempo de CCEP, permite al operador usar electrodos de menor diámetro sin correr el riesgo de que las elevadas temperaturas erosionen la punta. De hecho, permite una mayor densidad de corriente, con el resultado de que el cono del arco tiene menor diámetro y mayor concentra- ción de calor. Si se emplea una copa de gas más pequeña, esto muchas veces permite al operador tener acceso a configuraciones de unión más estrechas.

Inversor con salida de ca OTRA ESTRATEGIA PARA obtener una salida de ca de onda cuadrada consiste en usar circuitos inversores. Se emplean varios sistemas con el enfoque de inversor para lograr una salida de ca

de onda cuadrada con cruce por cero rápido. Son (1) fuentes duales con conmutación de inversor, (2) fuente única con con- mutación de inversor y (3) inversor rectificador sincrono.

El enfoque de fuente dual con conmutación de inversor utiliza tecnología de SCR de estado sólido. Combina dos fuentes de potencia de cc trifásicas de comente ajustable. Una de ellas, que suministra la comente de soldadura principal, se controla por SCR y tiene una especificación típica de salida de cc de 300 A, 50V; suministra corriente durante todas las fases de operación, tanto CCEN (polaridad directa) como CCEP (polaridad inversa). La otra fuente de potencia es del tipo convencional controlado por reactor y con especificación tipica de salida de cc de 5 a 100 A, 5OV. La función de esta fuente es proporcionar una comente más elevada durante las fases de operación CCEP (polaridad inversa) a fin de que se mejore la acción limpiadora. Se ha demostrado mediante pruebas que el grabado más efectivo se obtiene cuando la comente CCEP es más alta, pero aplicada durante un tiempo mucho más corto, que la comente CCEN. Ambas fuentes deben producir una salida de 50V para asegurar una regulación de comente satisfactoria al soldar, ya que el voltaje de arco real durante la fase CCEP puede aproximarse a este voltaje.

La conmutación y combinación de la comente de las dos fuentes de potencia se controla por medio de cinco SCR (véase la figura 1.27). Cuatro de estos SCR forman parte de un circuito inversor que conmuta la polaridad de la comente alimentada al arco. Estos cuatro SCR se disponen de modo que operen en pares.

Un par (SCR1 y SCR4) se enciende para suministrar comente de la fuente principal durante ias porciones de CCEN de la onda cuadrada. El otro par (SCR2 y SCR3) se enciende para suministrar corriente de ambas fuentes durante las porciones de CCEP de la onda cuadrada. Se utiliza un SCR de cortocircuito (SCRS) con un diodo de bloqueo para desviar la comente de la segunda fuente de potencia de modo que no pase por el circuito inversor durante la porción de CCEN del ciclo, evitando así que se sume a la comente de soldadura.

Los SCR se encienden mediante un circuito de compuertas que incluye funciones de temporización para ajustar las porciones de CCEN y CCEP de la salida de onda cuadrada. El tiempo de CCEN comúnmente puede ajustarse entre 5 y 100 milisegundos (ms), y el de CCEP entre 1 y 100 ms. Un ajuste de tiempo típico para soldar aluminio grueso podria ser 19 ms de CCEN y 3 ms de CCEP. Los SCR se apagan por medio de circuitos de conmutación individuales. La forma de onda de la corriente se muestra en la figura 1.28.

El enfoque de fuente única con conmutación de inversor es mucho más sencillo y menos voluminoso que el sistema de fuente dual. Cuando se usa una sola fuente, ésta es del tipo de cc de comente constante. La figura 1.29 muestra un inversor de ca de onda cuadrada con fuente única que utiliza transistores en vez de SCR. El funcionamiento de esta fuente es muy similar al de la fuente dual. Los cuatro transistores se disponen de modo que trabajen en pares. Puesto que no hay una fuente adicional de corriente inversa, no se necesita un quinto transistor ni un diodo de bloqueo. El balance de ca se puede controlar como en la fuente de núcleo de memoria y en el inversor de fuente dual. Sin embargo, la comente de polaridad inversa debe tener la misma amplitud que la de polaridad directa y no puede incrementarse como en el caso del inversor de fuente dual. Ambos



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+ -

FUENTE PRINCIPAL DE CORRIENTE DE SOLDADURA

3 A 300 AMPERES

DIODO

-0-

CIRCUITO INVERSOR

4 s

FUENTE ADICIONAL

DE CORRIENTE INVERSA

5 A 100 AMPERES

4-

Figura 1.27-Circuito inversor empleado con fuentes de potencia de cc duales para controlar el balance calorífico en soldadura por arco de tungsteno y gas

CCEN

a o u- I- z + LT LT O o

CCEP

i 5 A 100 MILISEGUNDOS

t CORRIENTE DE

SOLDADURA PRINCIPAL 3 A 300 AMPERES

CORRIENTE CCEP ADICIONAL 5 A 100 AMPERES

7 TIEMPO-

Figura 1.28-Forma de onda de corriente típica para la fuente de potencia de inversor dual con balance aiustable



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FUENTEDE I 1, 1,

TRABAJO SOPLETE

POTENCIA DE CORRIENTE CONSTANTE

3 A 300 AMPERES

Fisura 1.29-Circuito inversor de ca (fuente Única)

inversores, de fuente única y de fuente dual, pueden variar la frecuencia de la salida decade onda cuadrada, en tanto que la fuente de núcleo de memoria debe trabajar a la frecuencia de la linea (50 o 60 Hz).

Un tercer enfoque utiliza un dispositivo llamado rectificador síncrono. Aquí, se parte de una fuente de potencia con un inversor en el primario que produce una salida de ca de alta frecuencia. Esta ca de alta frecuencia se aplica al circuito rectificador síncrono que, según se le ordene, rectifica la ca para dar una salida CCEN o bien CCEP. Conmutando en forma altemada el rectificador sincrono entre CCEN y CCEP, es posible crear una salida de ca sintetizada de más baja frecuencia.

FUENTES DE POTENCIA DE CORRIENTE CONTINUA

VOLTAJE CONSTANTE Las fuentes de potencia de voltaje (potencial) constante se usan comúnmente para GMAW, FCAW y SAW. Son máquinas de los tipos rotatorio, de transformador rectificador o de inversor. Los generadores que pueden suministrar potencia para soldadura de voltaje constante normalmente son del tipo de devanado compuesto modificado excitado independientemente. La com- posición de las unidades de voltaje constante es distinta de la de las unidades de comente constante, a fin de producir caracterís- ticas volt-ampere de salida planas. Estas máquinas pueden tener dispositivos de estado sólido en el circuito de excitación para optimizar el rendimiento y permitir el control remoto. Para este fin se emplean diversos tipos de circuitos electrónicos, como los de SCR controlados por ángulo de fase y los inversores.

Las fuentes de potencia de transformador-rectificador y de inversor normalmente son unidades trifásicas, aunque se venden unidades monofásicas pequeñas, por lo regular con especifica- ción de 200 A o menos, para aplicaciones ligeras.

Características eléctricas LAS M N T E S DE potencia de voltaje constante se caracterizan por sus curvas volt-ampere típicamente planas. No es rara una pendiente negativa de 1 o 2 V por cada 100 A. Esto significa que la comente de cortocircuito máxima casi siempre es muy alta, a veces del orden de miles de amperes. Las máquinas con curvas volt-ampere con pendientes de hasta 8 V por cada 100 A aún se consideran fuentes de potencia de voltaje constante.

Existen muchas variedades y combinaciones de fuentes de potencia de voltaje constante. Es posible construir la fuznte de modo que tenga pendiente fija, o que pueda ajustarse para adaptar la pendiente de la curva volt-ampere al proceso de soldadura.

Las características dinámicas de estas fuentes de potencia son de importancia primordial. Si se utiliza inductancia para ajustar la pendiente, cambiará no sólo las características estáticas de la

máquina, sino también las dinámicas. En algunos casos se emplean inductores ajustables en la porción de cc del circuito para tener un control independiente de las características estáticas y dinámicas. El inductor de cc no alterará las características está- ticas pero si afectará las dinámicas, que son muy importantes para la transferencia en cortocircuito durante la soldadura por arco de metal y gas.

Diseño general EXISTEN MÁQUINAS DE voltaje constante de muchos diseños distintos. Las ventajas de un tipo en particular se relacionan con la aplicación y con las expectativas del usuario.

Voltaje de circuito abierto. El voltaje de circuito abierto de algunas máquinas de transformador-rectificador se ajusta cambiando de derivación en el transformador. Otro tipo de má- quina controla el voltaje de circuito abierto con bobinas secundarias devanadas de modo que escobillas de carbón, impulsadas por un tomillo terminal, se deslicen a lo largo de los conductores de las bobinas. En muchos casos se incluye además un segundo control para ajustar las características volt-ampere a los requisitos del proceso de soldadura. Debido al efecto adicional sobre la curva volt-ampere de salida, esto se denomina control de pendiente.

Las fuentes de potencia de voltaje constante tienen una amplia gama de voltajes de circuito abierto. Las máquinas controladas eléctricamente pueden tener hasta 75 V de circuito abierto. El voltaje de circuito abierto de los equipos de transformador ajustable o con derivaciones puede variarse entre un máximo de 30 a 50 V y un mínimo de 10 V.

Pendiente. La pendiente generalmente se controla cambiando de derivación en los reactores en serie con la porción de ca del circuito. El control puede efectuarse también con escobillas de carbón, conectadas a un tomillo terminal, en contacto con las



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vueltas del reactor. Este reactor variable permite ajustar de manera continua la pendiente. Otro método de control se vale de amplificadores magnéticos o dispositivos de estado sólido para regular eléctricamente el voltaje de salida. Estas máquinas pueden tener derivaciones de voltaje o bien de pendiente, además del control eléctrico.

Los controles eléctricos tienen algunas ventajas, como la facilidad de ajuste, la posibilidad de emplear control remoto y la ausencia de componentes móviles. Además, algunas máquinas controladas eléctricamente permiten ajustar la salida durante la soldadura. Esto resulta útil al “llenar cráteres” o al modificar las condiciones de soldadura. La combinación de derivaciones con el control eléctrico para un ajuste fino entre una derivación y otra es un sistema apropiado para una aplicación de servicio en la que la máquina requiere poca atención durante la soldadura. Las máquinas totalmente controladas por electricidad son más fáci- les de configurar y reajustar cuando los requerimientos de soldadura cambian rápidamente. La pendiente también puede controlarse electrónicamente en la mayor parte de las fuentes de potencia de SCR controlados por ángulo de fase y de inversor.

En muchos casos, las máquinas controladas eléctricamente no tienen controles aparte para la pendiente; el diseño incluye una pendiente fija de propósito general.

En los generadores de voltaje constante, el control de pendiente normalmente se ejerce mediante un resistor con derivaciones en el circuito de soldadura. Esto es deseable en vista de la respuesta dinámica inherentemente lenta del generador a condiciones de arco cambiantes. Los controles de pendiente del tipo de resistencia limitan la comente de cortocircuito máxima. El control de pendiente por reactor también limita la comente de cortocircuito máxima; sin embargo, hace más lenta la respuesta de la fuente de potencia a condiciones de arco cambiante que el control de pendiente del tipo resistivo.

Aunque no existe una regla fija en lo tocante a la pendiente volt-ámpere en el intervalo de soldadura, la mayor parte de las máquinas tienen pendientes de 1 a 3 V por cada 100 A.

son la compensación del voltaje de línea y accesorios para comunicarse con equipo de alimentación de alambre que permiten modificar tanto la rapidez de alimentación como la comente de soldadura.

Especificación eléctrica LAS ESPECIFICACIONES PRIMARIAS son similares a las que se analizaron anteriormente. Las máquinas de voltaje constante suelen tener un factor de potencia más favorable que las de comente constante y no requieren corrección de dicho factor. El voltaje de circuito abierto, aunque sujeto a las especificaciones de la NEMA, por lo regular está bastante por debajo del máximo establecido. Las especificaciones de comente de las máquinas NEMA Clase I van de 200 a 1500 A.

Las fuentes de potencia de voltaje constante normalmente se clasifican como NEMA Clase I o Clase II. Se acostumbra darles especificación de ciclo de trabajo del loo%, con la excepción de algunas de las unidades ligeras de 200 A o menos, que pueden tener especificaciones de ciclo de trabajo tan bajas como 20 % .

CORRIENTE CONSTANTE LAS FUENTES DE potencia para soldadura caracterizadas como máquinas de corriente constante comúnmente se usan para SMAW, GTAW, PAC, PAW y SAW. Estas máquinas pueden ser inversores, transformador-rectificadores o generadores. Las máquinas de transformador-rectificador y de inversor son está- ticas, y transforman potencia de ca a cc. Los generadores convierten energía mecánica de rotación en potencia eléctrica.

Los voltajes de circuito abierto de las fuentes de potencia tipo rectificador de corriente constante varían dependiendo de la aplicación de soldadura a la que se destinan, estando entre 50 y 100 V. La mayor parte de las máquinas NEMA Clase I y Clase II por lo regular están fijas en el intervalo de 70 y 80 V

inductancia. Las máquinas de arco de metal con gas diseña- das Dara ia transferencia en cortocircuito generalmente incluyen Caracteristicas eléctricas 1

una inductancia de cc adicional que mejora el rendimiento al conferir las dináinicas deseadas. L~ inductancia puede ser variable o fija.

UNACARACTERÍSTICAELÉCTRICA importante es la relación entre la corriente de salida y el voltaje de salida. De especial interés son tanto una relación estática (de estado estacionario) como una

Rizo. Las fuentes de potencia monofásicas generalmente requieren algún sistema de filtro de rizo en el circuito de soldadura. Por lo regular este filtro es un banco de condensadores elec- trolíticos conectado a través de la salida del rectificador. Su propósito es producir una salida de cc lisa, capaz de despejar un cortocircuito. Se usa un inductor para controlar la salida de los condensadores. Sin algo de inductancia, la descarga de los condensadores a través de un cortocircuito sena demasiado violenta para una soldadura satisfactoria.

Dispositivos de control

dinámica (transitoria). La relación estática por lo regular se indica por medio de curvas volt-ampere, como las de las figuras 1.13 y 1.14. Las curvas normalmente representan el máximo y el mínimo para cada intervalo de corriente. Como se explicó en la sección anterior, no es fácil definir ni medir la relación di- námica para todas las condiciones de carga. Las características dinámicas determinan la estabilidad del arco en las condiciones de soldadura reales, y en ellas influyen el diseño y el control del circuito.

Diseño general ENESTADOS UNIDOS, los voltajes usuales de las h e a s principa-

LAS FüENTES DE potencia de voltaje constante por lo regular vienen equipadas con contactores primarios. Los modelos controlados eléctricamente suelen tener capacidad de control remo- to del voltaje. Otras funciones con que cuentan ciertas máquinas

les de alimentación son nominalmente 208, 240, 480-y 600 v con una frecuencia de 60 Hz. Los transformadores están diseña- dos para trabajar con estos voltajes. Esto se hace disponiendo las bobinas primarias en secciones con derivaciones; así, las termi-



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nales de cada sección pueden conectarse en serie o en paralelo con otras secciones para igualar el voltaje de linea de entrada. En las máquinas trifásicas, el primario puede conectarse en configuración de triángulo (delta) o estrella ( “Y) . Ei secundario muchas veces se conecta en triángulo; esta conexión se prefiere para voltaje bajo y comente elevada.

La comente por lo regular se controla en la sección de Ia máquina que está entre el transformador y los rectificadores. EI control de comente se basa en el principio de ia inductancia o impedancia variable. Los que siguen son métodos para variar la impedancia y así controlar la comente:

(1) Bobina móvil. (2) Derivación móvil. (3) Reactor saturable o amplificadores magnéticos. (4) Reactor con derivaciones. (5 ) Núcleo de reactor móvil. (6) Estado sólido.

Además de estos seis sistemas de control, existe un tipo que utiliza resistores en serie con ia porción de cc dei circuito de soldadura. Los métodos (i), ( 2 ) y (5) se clasifican como controles mecánicos; los métodos ( 3 ) y (6), como controles eléctricos; el método (4) y el tipo de resistor externo, como controles de derivación. Estos mismos métodos sirven también para controlar las fuentes de transformador de comente constante.

Por io regular se incluye una inductancia en el circuito de soldadura de cc para controlar íos picos excesivos en la corriente de carga. Estos picos de comente pueden ocurrir por cambios dinámicos en la carga del arco. La inductancia también sirve para reducir el rizo inherente que se observa después de rectificar Ia corriente alterna. Un rectificador trifásico produce un rizo relativamente pequeño; por tanto, el tamaño de su inductor está determinado en primer término por la necesidad de controlar los picos en la carga del arco. Los rizos grandes se asocian a la rectificación monofásica. El tamaño de los inductores para las máquinas monofásicas está determinado por la necesidad de reducir el rizo; por tanto, son mayores que los de ias máquinas trifásicas de la misma especificación. Las fuentes de potencia de este tipo por lo regular tienen un conmutador en la salida de cc que permite invertir Ia polaridad del voltaje en las terminales de la máquina sin intercambiar los cables de soldadura.

Funciones auxiliares LAS FUNCIONES AUXILIARES son similares a ias que ofrecen las fuentes de potencia de ca de corriente constante, aunque no todas ias fuentes cuentan con todas las funciones. El fabricante puede proporcionar infonnación completa al respecto.

Además de las funciones antes mencionadas, muchas fuentes de potencia de cc cuentan con capacidad de pulsado de corriente como equipo estándar u opcional. Las fuentes de potencia de pulsos pueden alternar en forma repetitiva entre corriente de soldadura alta y baja. Normalmente, los valores de corriente alta y baja, ia duración de los pulsos y la tasa de repetición de los mismos se pueden ajustar de manera independiente. Esta fun- ción resulta Útil cuando se suelda fuera de posición y en aplicaciones crítcas de la soldadura por arco de tungsteno y gas.

FUENTE DE POTENCIA DE INVERSOR UNA MÁQUINA DE inversor difiere de una del tipo de transformador-rectificador en que el inversor rectifica la corriente de línea de ca de 60 Hz, utiliza un circuito conmutador para producir una ca de alta frecuencia, reduce ese voltaje con un transformador de ca y luego lo rectifica para obtener Ia salida de comente de cc requerida. El cambio de la frecuencia de ca a un valor mucho más alto hace posible reducir considerablemente el tamaño del transformador, así como las pérdidas de este Ultimo.

GENERADORES Y ALTERNADORES IMPULSADOS POR MOTOR ELÉCTRICO Y DE COMBUSTIÓN LAS FUENTES DE potencia del tipo de generador convierten energía mecánica en potencia eléctrica adecuada para la soldadura por arco. La potencia mecánica puede obtenerse de un motor de combustión interna o eléctrico, o aprovechando la potencia de otro equipo. En soldadura se usan dos tipos básicos de fuente de potencia rotatoria: el generador y el alternador. Ambos tienen un miembro que gira, llamado rotor o armadura, y un miembro estacionario, llamado estator. Ambos tipos requieren un sistema de excitación.

El principio en que se basan todas las fuentes de potencia rotatorias es que se produce una comente en un conductor eléc- trico cuando éste se desplaza dentro de un campo magnético. Fisicamente, no importa si el campo magnético se mueve o el conductor lo hace; lo importante es que la bobina experimente una intensidad magnética cambiante. En ia práctica, un genera dor tiene un campo estacionano y conductores móviles, y un alternador tiene un campo móvil y conductores estacionarios.

EI generador de cc tiene un sistema de conmutador-escobilla para convertir la ca en potencia de cc para soldadura. Normal- mente, este generador es un dispositivo eléctrico trifásico. Los sistemas trifásicos producen ia potencia de soldadura más uniforme de todas las fuentes de potencia electromecánicas.

Un generador de cc consta de un rotor y un estator. La unidad del rotor se compone de (1) un eje de través, (2) dos cojinetes en los extremos para sostener la carga del rotor y el eje, ( 3 ) una armadura que incluye el núcleo de hierro laminado y las bobinas portadoras de corriente y (4) un conmutador. Es en las bobinas de ia armadura que se genera la potencia para soldar.

Ei estator es la parte estacionaria del generador dentro de la cual gira la unidad del rotor, y contiene las bobinas de campo magnético del generador. Estas bobinas conducen una pequeña cantidad de cc necesaria para mantener el campo magnético continuo que se requiere para generar la potencia. El aniperaje de cc normalmente no excede los 10 o 15 V, y en muchos casos es menor.

En la generación de potencia eléctrica, debe haber un movimiento relativo entre un campo magnético y un conductor portador de la corriente. En el generador de cc, la armadura es ei conductor portador de la corriente; las bobinas del campo mag- nético se encuentran en el estator. La armadura gira dentro del estator y su sistema de campos magnéticos, y así se genera ia corriente para soldar.



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Los conductores de la armadura de un generador para soldadura son relativamente gruesos porque transportan la comente de soldadura. El conmutador se encuentra en un extremo de la armadura; es un grupo de barras conductoras que se colocan paralelas al eje rotatorio para establecer un contacto de conmu- tación con un juego de escobillas de carbón estacionarias. Estas barras están conectadas a los conductores de la armadura. Todos estos componentes se disponen con la sincronización debida con el campo magnético de modo que, al girar la armadura, el conmutador realice una función de rectificación mecánica.

Las fuentes de potencia de alternador son muy similares, excepto que en general las bobinas del campo magnético se devanan en el rotor, y las bobinas pesadas de la comente de soldadura se devanan en el estator. Estas máquinas se denominan también máquinas de campo giratorio o rotatorio.

El voltaje de ca producido por las bobinas de la armadura al moverse a través del campo magnético del estator se conduce a las barras de un conmutador de cobre por medio de conductores eléctricos desde las bobinas de la armadura. Los conductores están unidos por soldadura blanda a las barras individuales del conmutador, las cuales pueden considerarse como terminales, o “barras colectoras” para la corriente alterna generada en la armadura.

EI conmutador es un sistema de barras de cobre montado en el eje del rotor. Cada barra de cobre tiene una superficie superior maquinada y pulida. Escobillas de contacto descansan sobre esa superficie para captar cada medio ciclo de la comente altema generada. Ei propósito del conmutador es transportar ambos medios ciclos de Ia onda senoidal de ca generada, pero en barras de cobre separadas. Cada una de las barras del conmutador está aislada respecto a las demás.

Las escobillas de carbón captan cada medio ciclo de la comente alterna generada y la dirigen a un conductor como comente continua. Puede decirse que el sistema de escobillas-conmutador es un tipo de rectificador mecánico, ya que convierte la comente alterna generada en corriente continua (cc). Casi todas las escobillas empleadas son una aleación de carbón, grafito y pequeñas hojuelas de cobre.

Cuando se colocan los conductores gruesos en el estator se hacen innecesarios el conmutador y las escobillas de carbón para transportar la corriente elevada; sin embargo, la salida es ca, y requerirá rectificación externa para aplicaciones de cc. La recti- ficación suele hacerse con un puente, empleando diodos de silicio. Los alternadores por lo regular tienen escobillas y un anillo deslizante para alimentar la potencia baja a las bobinas de campo. No se acostumbra retroalimentar una porción de la comente de soldadura al circuito de campo dei alternador. Exis- ten alternadores tanto monofásicos como trifásicos para suministrar ca al sistema rectificador necesario. Las características de cc son similares a las de las unidades de transformador-rectificador monofásicas y trifásicas.

El alternador o generador puede ser autoexcitado o excitado externamente, dependiendo de la fuente de la potencia para el campo. Cualquiera de ellos puede valerse de un alternador o generador auxiliar pequeño, con su rotor en el mismo eje que el rotor principal, para proveer la potencia de excitación. En muchas unidades impulsadas por motor de combustión, una porción de la potencia del campo excitador está disponible para operar herramientas o lámparas que se necesitan para ia operación de soldadura. En el caso de los generadores, esta potencia auxiliar

suele ser de 115 V cc. Las fuentes de potencia del tipo de alternador generalmente producen potencia auxiliar de 120 o 120/240 V cc. La frecuencia del voltaje depende de la velocidad del motor.

Características de salida LAS FUENTES DE potencia tanto del tipo de generador como de alternador normalmente permiten ajustar la comente de soldadura a niveles discretos amplios llamados intervalos, y por lo regular se coloca un reóstato u otro control en el circuito de campo para ajustar la fuerza del campo magnético interno y así realizar un ajuste fino de la potencia de salida dentro de cada intervalo. Como el ajuste fino regula la fuerza del campo mag- nético, también modifica el voltaje de circuito abierto. Si el ajuste se hace cerca del límite inferior del intervalo, el voltaje de circuito abierto normalmente será bastante más bajo que en el extremo superior del intervalo.

En la figura 1.30 se muestra una familia de curvas caracterís- ticas volt-ampere para una fuente de potencia ya sea del tipo de generador o de alternador.

En muchas fuentes de potencia de alternador, los intervalos amplios se obtienen de derivaciones sacadas de un reactor en la porción de ca del circuito. La máquina básica pocas veces posee la respuesta dinámica requerida para soldadura por arco de metal protegido, por lo que casi siempre se inserta un inductor conectado en serie en una rama de la salida de cc del rectificador. Los generadores para soldadura por lo regular no necesitan un inductor.

El equipo rotatorio normalmente tiene asociado un intervalo de traslapo limitado en el que es posible obtener la comente de soldadura deseada con una gama de voltajes de circuito abierto. Si suelda dentro de este intervalo, el soldador tiene la oportunidad de adaptar mejor la fuente de potencia al trabajo. Si se usa un voltaje de circuito abierto bajo, la pendiente de la curva será menos pronunciada, y el soldador podrá regular hasta cierto punto la comente de soldadura variando ia longitud del arco. Esto puede ayudar a controlar el charco de soldadura, sobre todo cuando se trabaja fuera de posición.

Algunos generadores de soldadura llevan esta función más allá de los pasos limitados que se acaban de describir. Los generadores con devanado compuesto y controles de comente y voltaje independientes y continuos pueden ofrecer al operador varias curvas volt-ampere a escoger con casi cualquier capacidad de amperaje dentro dei intervalo total de la máquina. Así, el soldador puede fijar el voltaje de arco deseado con un control y la comente de arco con otro. Con esto se ajusta la fuente de potencia de generador de modo que proporcione una caracterís- tica Volt-ampere estática susceptible de “adaptarse” al trabajo dentro de casi todo su intervalo. Las curvas volt-ampere que se obtienen cuando cada control se modifica de manera independiente se niuestran en las figuras 1.3 1 y 1.32

Hay fuentes de potencia que producen tanto corriente constante como voltaje constante. Estas unidades se usan en aplicaciones de campo en las que ambos modos de operación se necesitan en el lugar de trabajo y no se dispone de potencia de las líneas eléctricas. Además, muchos diseños nuevos se valen de circuitos electrónicos de estado sólido para obtener diversas características volt-ampere.



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VOLTAJE DE CIRCUITO ABIERTO MÁXIMO

LOS INTERVALOS A, B, C Y D SON CUATRO NIVELES DE CORRIENTE DE LA FUENTE DE POTENCIA

INTERVALO A, MAX.

INTERVALO B, MÁX.

INTERVALO C, MÁX. INTERVALO D, MÁX.

INTERVALO

1 O0 200 300 400 AMPERES

Figura 1 .JO-Relación volt-ampere para una fuente de potencia rotatoria de corriente constante típica

Fuentes de potencia mecánica EXISTEN GENERADORES CON motores impulsores de ca con diversas especificaciones de voltaje y frecuencia, y también con motores de cc. Los generadores para soldadura suelen ser unidades de una sola pieza con el motor impulsor y el generador montados sobre el mismo eje.

Los generadores para soldadura impulsados por motores de inducción normalmente se fabrican para alimentación con potencia trifásica de 200, 240, 480 y 600 V a 60 Hz. Otros requerimientos de entrada estándar son 220,380 y 440 V a 50 Hz. Pocos se fabrican con motores monofásicos, ya que las fueGtes de potencia para soldadura del tipo de transformador por lo regular satisfacen las necesidades de operación monofásica. El motor impulsor de uso más común es el de inducción trifásico de 2301460 V a 60 Hz.

En la figura 1.33 se resumen algunas de las características eléctricas de un conjunto motor-generador típico de 2301460 V, trifásico, de 60 Hz: eficiencia global, factor de potencia y entrada de comente. Los motores de los generadores para soldadura con cc suelen tener un factor de potencia favorable (80 a 90%) cuando están sometidos a carga, con un factor rezagado del 30 al 40% en condiciones sin carga. La entrada de potencia en condiciones sin carga puede ser de 2 a 5 kW, dependiendo de la especificación del conjunto motor-generador. EI factor de potencia de los generadores para soldadura impulsados por motor de inducción puede mejorarse empleando condensadores estáti-

cos similares a los que se usan en los transformadores para soldadura. Se han construido generadores para soldadura con motores impulsores síncronos a fin de corregir el bajo factor de potencia.

MIN. MAX. AMPERES

Figura 1 .Jl-Efecto de ias variaciones de control de corriente sobre la salida del generador



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MAX

cn 5 9

MíN

M íN MAX AMPERES

Figura 1.32-Efecto de las variaciones en el control de voltaie sobre la salida del generador

Las fuentes de potencia del tipo rotatorio se emplean en labores de construcción en el campo donde no se dispone de potencia eléctrica. Para este fin está disponible una amplia variedad de motores de combustión interna, tanto enfriadas por líquido como enfriadas por aire, dependiendo de las aplicaciones específicas de la fuente de potencia.

En Estados Unidos el combustible más utilizado es la gasolina, en virtud de su precio y disponibilidad. EI combustible diesel también es popular por su elevado punto de inflamación. Además, algunas leyes federales sólo permiten el empleo de diesel en motores utilizados para aplicaciones específicas. Un buen ejemplo es el uso de motores diesel en las fuentes de potencia para soldar en las plataformas petroleras marinas. En algunas aplicaciones se emplea propano porque su combustión es más limpia que la de la gasolina, aunque requiere un sistema de carburación especial.

Operación en paralelo ES POSIBLE INCREMENTAR la salida de corriente conectando en paralelo generadores para soldadura. Sin embargo, la conexión en paralelo 120 se recomienda a menos que se sigan las instrucciones especificas del fabricante. Esta precaución es necesaria porque para que una conexión en paralelo funcione es necesario igualar el voltaje de salida, la corriente de salida y la polaridad de todas las máquinas. En el caso de los generadores autoexita-

dos, el problema se complica todavía más por la necesidad de igualar la excitación entre los generadores.

La naturaleza bloqueadora de los rectificadores facilita la operación en paralelo de las unidades de alternador. Debe verificarse que las conexiones tengan la misma polaridad, y todas las unidades conectadas en paralelo deben ajustarse para que suministren salidas iguales.

Funciones auxiliares LAS FUENTES DE potencia del tipo rotatorio cuentan con muchas funciones auxiliares. Las unidades pueden estar equipadas con un aditamento de control remoto: un control de mano o de pie que el operador lleva a la estación de trabajo para ajustar la fuente de potencia mientras suelda.

Los motores de gas a menudo cuentan con dispositivos de marcha en vacío cuyo fin es ahorrar combustible. Estos dispositivos son automáticos en cuanto a que el motor trabaja a cierta velocidad de marcha en vacío hasta que se toca el trabajo con el electrodo. Marchando en vacío, el voltaje de circuito abierto del generador es bajo. Cuando se toca el trabajo con el electrodo se energiza un circuito sensor que acelera automaticamente el motor hasta la velocidad de operación. Cuando el arco se interrumpe, el motor vuelve a la marcha en vacío después de un tiempo preestablecido.

Los generadores impulsados por motor de combustión a menudo están equipados con una salida de potencia eléctrica auxiliar. En algunas unidades esta potencia está disponible todo el tiempo, y en otras sólo durante la marcha en vacío. Otras funciones auxiliares con que cuentan muchas máquinas soldadoras impulsadas por motor son los conmutadores de polaridad (para cambiar fácilmente de CCEN a CCEP), medidores de tiempo de funcionamiento, medidores de combustible, cargado- res de baterías, iniciadores de arco de alta frecuencia, tacómetros y medidores de salida. Algunas de las unidades más grandes están equipadas con compresoras de aire.

FUENTES DE POTENCIA A PULSOS Y A PULSOS SINÉRGICOS LAS FUENTES DE potencia a pulsos se han empleado con SMAW, GTAW, GMAW, FCAW y SAW. Estas fuentes aparecieron en el mercado en la década de 1960, y las más comunes son las que se usan para GMAW y GTAW.

Fuentes de potencia a pulsos para soldadura por arco de metal y gas EN EL PROCESO GMAW se usan fuentes de potencia a pulsos para reducir la potencia del arco y la rapidez de deposición del alambre pero sin perder la transferencia por aspersiói. que es deseable. EI concepto se basa en el hecho de que el metal se transfiere desde el electrodo de alambre con dos tasas distintas, dependiendo de la corriente de soldadura; una alcanza unos cuantos cientos de gotas por segundo (el modo de arco de aspersión), cuando la corriente excede un nivel crítico, y el otro es de menos de 1 O gotas por segundo (el modo globular), cuando la corriente está por debajo del nivel crítico. Esta corriente crítica se denomina corrietire de tratisicióii. Si se pulsa ia corriente



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1 O0

80

60

40

20

O

FACTOR DE POTENCIA

r I

~

Figura 1.33-Curvas características típicas de una fuente de potencia de motor-generador de 300 amperes de cc

100 200 300 400 500 600

CDRRIENTE DE SALIDA, A

entre estas dos regiones, es posible obtener las cualidades deseables de la transferencia por aspersión y también reducir la comente media y la tasa de deposición significativamente. Esto permite usar el proceso GMAW en todas las posiciones y para soldar piezas de lámina.

En la práctica, el nivel de corriente durante el intervalo globular se mantiene tan bajo que no hay transferencia de metal, pero lo bastante alto como para mantener la ionización en las regiones del arco. Por esta razón, se le conoce como “corriente de supervivencia”, aunque el término más común es corriente defondo. Durante el intervalo de aspersión, la corriente se eleva por encima del nivel de transición durante el tiempo suficiente para transferir ûna o dos gotas; ésta es la corriente de pulso. Se han diseñado fuentes de potencia con los controles necesarios para producir la salida regulada que necesita la GMAW a pulsos.

Las primeras fuentes de potencia para GMAW a pulsos eran máquinas de frecuencia fija, que todavía se usan. Consisten en una fuente de potencia de voltaje constante para la corriente de fondo y una fuente de potencia rectificada de media onda para los pulsos de corriente (véase la figura 1.34).

La siguiente versión mejorada produjo pulsos a 60 o 120 Hz; empleaba una fuente de potencia de corriente constante para la corriente de fondo y una de SCR controlado por ángulo de fase para ajustar la comente pico (véase la figura 1.35).

Con la aparición de las fuentes de potencia transistorizadas a finales de los años sesenta y principios de los setenta, se realizaron investigaciones con GMAW a pulsos empleando fuentes de potencia de frecuencia variable. Con las fuentes de potencia

de estado sólido, como las de inversor, fue posible ajustar de manera independiente todas las variables de los pulsos: comente pico, comente de fondo duración de la comente pico (anchura de pulso) y duración de la comente de fondo. Véase la figura 1.36. Al controlar estas variables individualmente, o al hacerlas interactuar, es posible tener un control casi total de la transferencia de metal, haciendo que se transfiera una sola gota en cada pulso, al tiempo que se mantiene el control de la comente media.

CORRIENTE

PICO t i

Figura 1.34-Salida de corriente de una fuente de potencia a pulsos para GMAW. Fuente de potencia de voltaje constante para la corriente de fondo y fuente

de potencia rectificada de media onda para los pulsos de corriente



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EL DISPARO VARIABLE DEL SCR t l í CONTROLA LA CORRIENTE PICO

I

TIEMPO - Figura 1.35-Salida de corriente de una fuente de potencia para GMAW a pulsos. Fuente de potencia de corriente

constante para la corriente de fondo y fuente de potencia de SCR controlado por ángulo de fase Dar8 la corriente Dico variable

Cuando todas las condiciones de la operación a pulsos ya están establecidas, puede ser difícil reajustar algunas de las fuentes de potencia más complejas cuando, por ejemplo, surge la necesidad de modificar la velocidad de alimentación del alambre, pues esto hace necesario reajustar cierto número de variables. La operación de estas fuentes de potencia para GMAW a pulsos puede simplificarse empleando controles electrónicos y de microprocesador para establecer las condiciones óptimas para el funcionamiento a pulsos con base en la velocidad de alimen- tación del alambre. Los elementos de circuito típicos para esta clase de fuentes de potencia se presentan en forma de diagrama en la figura 1.37.

Las variables empleadas y los controles ejercidos dependen de los objetivos de sus diseñadores. Por ejemplo, si se desea

modificar la tasa de deposición es posible efectuar cambios proporcionales en la frecuencia de los pulsos manteniendo fijas las demás variables. En vez de cambiar la frecuencia, podría variarse la anchura de los pulsos de acuerdo con las demandas del arco. Algunas fuentes de potencia se diseñan de modo que ajusten tanto la frecuencia de los pulsos como la comente de fondo, siempre dependiendo de la velocidad de alimentación del alambre.

Se emplea la palabra sinérgico (varias cosas actuando al unísono) para describir las máquinas de GMAW a pulsos que establecen las variables del proceso con base en la velocidad de alimentación del alambre. Usando controles electrónicos, es posible elegir entre varias curvas sinérgicas para satisfacer las necesidades de aplicaciones específicas.

a

DURACIÓN DEL PULSO

CORRIENTE DE P U L S O 7 7 /

- - - - -i DURACIÓN

DE LA CORRIENTE DE FONDO

-----

CORRIENTE DE FONDO

CORRIENTE MEDIA I

T I E M P O 4

Figura 1.36-Variables de soldadura por arco de gas y metal a pulsos



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n CONTROL . .

I

T A P A I ' C l r l CORRIENTE CONSTANTE 8 nuuuLIJERADOR

+ ARCO

r 1 REGULADOR DE TRANSISTOR

* - A - -

ENTRADA DE MANDO (VOLTAJE DE SALIDA PROPORCIONAL

A LA VELOCIDAD DE ALIMENTACION) 1 L r

e +

FUENTE DE CC

e -

l I I I I I I I I I l I I I I I I

I CONTROL DE

LA CORRIENTE DE FONDO

CONTROL

DE REPETICION DEL PULSO

CONTROL DE FIJAR FRECUENCIA fo DE DURACION

FIJAR To

AMPLITUD INTER RU PTOR

DE PULSO

ESTABLECIDA

i/- DE CORRIENTE Ip

PRE- ELECTRÓNICO

I I I I I I I I I I I I I I I I I

Figura 1.37-Circuito base para ia operación a pulsos sinergicos



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CORRIENTE PICO DE PULSO f

INICIO TIEMPO FINAL

~~

Figura 1 .J&Programa de GTAW a pulsos típico que muestra pendiente positiva y negativa

En los años sesenta, las fuentes de potencia totalmente transistorizadas eran bastante costosas. Con la aparición de los semiconductores de alta potencia y respuesta rápida se ha reducido considerablemente el precio de las fuentes de potencia a pulsos de frecuencia variable. La mayor parte de las fuentes de potencia de inversor para soldadura puede usarse para GMAW a pulsos. Tanto los tiempos de respuesta como la frecuencia, la anchura del pulso y los niveles pico y de fondo son ajustables con los inversores de estado sólido. Algunas fuentes de potencia sinérgicas están diseñadas para asegurar la transferencia de una sola gota con cada pulso mediante ajustes instantáneos de la frecuencia y la anchura de los pulsos, dependiendo del voltaje que se detecte a lo largo del arco. Algunas máquinas varían la frecuencia de los pulsos, la duración de la corriente pico (anchura de pulso) o bien la velocidad de alimentación del alambre cuando cambia la distancia que sobresale el alambre. Las fuentes de potencia de GMAW a pulsos típicamente alcanzan hasta 500 A de corriente pico, y la frecuencia varía entre 60 y 200 Hz.

Fuentes de potencia a pulsos para soldadura por arco de tungsteno y gas

El concepto de comente pulsada también se ha usado con bastante efectividad en el proceso GTAW. Las frecuencias difieren de las empleadas en el proceso GMAW, y generalmente van desde 2 segundos por pulso hasta 10 pulsos por segundo, siendo las frecuencias bajas las de uso más común. Debido a lo avanzado del sistema eléctrico que se requiere para la operación a pulsos, resulta sencillo incluir otras funciones deseables, como circuitos iniciadores y pendientes de comente controladas. En la figura 1.38 se presenta un diagrama que muestra la forma

cómo puede variarse la comente al programar una soldadura con tales máquinas.

La GTAW a pulsos se caracteriza por una variación repetitiva de la comente del arco desde un valor de fondo (bajo) hasta un valor pico (alto). Los niveles de comente, tanto de pico como de fondo, se pueden ajustar dentro de un intervalo amplio. La dura- ción de la comente pico más la de la comente de fondo consti- tuyen la duración de un ciclo de pulso. Además, es posible ajustar de manera independiente la duración de la comente pico y la de la comente de fondo.

El propósito de pulsar es calentar y enfriar en forma alternada el metal de soldadura fundido. El ciclo de calentamiento (corriente pico) se basa en la obtención de un charco de metal fundido del tamaño apropiado durante el pulso de pico sin una fusión excesiva de las paredes laterales y sin perforación, dependiendo de la unión que se está soldando. La corriente de fondo y su duración están determinadas por el grado de enfriamiento del charco de soldadura deseado. El propósito de la porción de enfriamiento (comente de fondo) del ciclo es acelerar la tasa de solidificación y reducir el tamaño del charco fundido sin interrumpir el arco. Así, los pulsos permiten aumentar y reducir en forma alternada el tamaño del charco fundido.

La fluctuación en el tamaño y la penetración del charco fundido está relacionada con las variables de pulsación, la velocidad de desplazamiento, el tipo, espesor y masa del metal base, el tamaño del metal de aporte y la posición de soldadura. Como el tamaño del charco fundido se controla en parte por la acción de pulsación de la corriente, se reduce o elimina la necesidad de manipular el arco para controlar el charco. Así pues, la comente a pulsos es una herramienta útil para la GTAW manual fuera de posición, como la unión de tuberías en su lugar y la soldadura a tope automática de conductos de paredes delgadas.

FUENTES DE POTENCIA ESPECIALES

SOLDADURA CON MULTIPLES OPERADORES EL EQUIPO PARA sddadura con multiples operadores resulta económico para talleres que tienen varias estaciones de solda-

dura en un área pequeña. La mayor parte de estos equipos se ha utilizado provechosamente en los astilleros y talleres de cons- trucción que utilizan el proceso de soldadura por arco de metal protegido.



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Tipicamente, una instalación para múltiples operadores consiste en una fuente de potencia grande de voltaje constante con voltaje de circuito abierto de 70 a 80 V que alimenta a ocho o diez estaciones de soldadura.

Las unidades comerciales de motor-generador varían entre 500 y 2500 A; las de transformador-rectificador entre 500 y 1500 A, y las de transformador entre 400 y 2000 A. Se emplean dispositivos de sobrecarga y cortacircuitos para evitar que el equipo se dañe. El portaelectrodos de cada estación de soldadura se conecta a la fuente de potencia a través de un resistor variable o una red, con lo cual se obtiene una característica de caída, de comente esencialmente constante, en el arco de soldadura. Se usa una terminal de trabajo común para todas las estaciones de soldadura.

Módulos individuales UN TIPO DE fuente de potencia para mÚkiples operadores consiste en un banco de módulos de potencia individuales que, albergados en un gabinete común, suministran potencia de soldadura de cc controlada remotamente desde la unidad principal hasta las estaciones individuales a distancias de hasta 60 m (200 pie). Si la salida de unmódulo individual no basta para un trabajo de soldadura determinado, es posible conectar en paralelo dos o más módulos. Se cuenta con una conexión a la terminal de trabajo común para todos los módulos. Cada soldador puede elegir cualquiera de las dos polaridades; cada uno de los módulos está aislado, y puede controlarse individualmente.

Conceptos de diseño EL EQUIPO DE multiples operadores resulta efectivo cuando los ciclos de trabajo operativos de cada estación de soldadura manual son bastante bajos (20 a 25%). Estas condiciones prevalecen en las situaciones en las que los soldadores deben cambiar de electrodo con frecuencia, verificar el embonamiento, cambiar de posición y eliminar escoria. Así, su tiempo de arco real será relativamente corto en relación con su periodo de trabajo total. El equipo para múltiples operadores aprovecha este bajo ciclo de trabajo para reducir los costos de maquinaria y aumentar la flexibilidad y la transportabilidad.

Por ejemplo, si la corriente de arco media requerida es de 160 A y el ciclo de trabajo promedio de 10 minutos de una máqui- na soldadora es del 25 $6, la comente media por máquina soldadora será de 160 x 0.25 = 40 A. Así, en cualquier periodo de 10 minutos una fuente de potencia de 800 A podrá alimentar 40 A en promedio a unas 20 máquinas soldadoras de la instalación.

Funciones ENINSTALACIONES GRANDES, el empleo de fuentes de potencia de múltiples operadores casi siempre reduce los costos de capital del equipo y sus costos de instalación. Los costos de mantenimiento también se reducen, ya que sólo es necesario dar mantenimiento a una fuente de potencia, 110 a varias. Los bancos de resistores o tableros de reactores casi siempre pueden colocarse cerca de cada soldador para que éste pueda ajustar con comodi- dad la corriente.

SOLDADURA POR ARCO SUMERGIDO LA FUENTE DE potencia empleada para soldadura por arco sumergido (SAW) puede ser de ca o cc de comente constante, o de cc de voltaje constante. Las fuentes de potencia de corriente continua pueden ser motores-generadores o bien transformadores-rectificadores. Las fuentes de corriente constante a menudo se usan en combinación con controles de la velocidad de alimen- tación del electrodo por voltaje del arco. Las fuentes de potencia de voltaje constante se configuran de modo que produzcan un arco con la longitud requerida, y se usa la velocidad de alimen- tación del electrodo para regular la comente de soldadura. La soldadura por arco sumergido generalmente se efectúa con corrientes altas (350 a 1200 A), así que la fuente de potencia debe tener una especificación de comente elevada con ciclo de trabajo alto.

Para la soldadura por arco sumergido se puede usar una fuente de potencia de cc estándar con especificación de la NEMA, ya sea del tipo de transformador-rectificador o del tipo de motor-generador, si tiene la especificación adecuada pardesta aplicación. Las fuentes de potencia se pueden conectar en paralelo siguiendo las instrucciones del fabricante, si esto es necesario para obtener la capacidad de comente de soldadura requerida. Existen unidades dúplex, constituidas por dos unidades de un solo operador armadas y conectadas para operación individual o en paralelo. Es preferible usar máquinas dúplex o unidades individuales con especificación de corriente elevada en lugar de fuentes de potencia estándar conectadas en paralelo.

Las fuentes de potencia de cc de voltaje constante que se empleen para soldadura por arco sumergido deberán tener un voltaje de circuito abierto del orden de 50 V y una especifica- ción de corriente apropiada para la aplicación manual. La comente de soldadura se controla automáticamente por la velocidad de alimentación del alambre del electrodo. Una de las ventajas de este método es que un sistema de control sencillo proporciona un voltaje de arco uniformemente estable, lo que resulta especialmente ventajoso en la soldadura de calibres delgados a alta velocidad, y además un inicio de arco más consistente gracias al pico de corriente inicial tan alto.

Si se emplean fuentes de potencia de motor-generador, los requerimientos de potencia elevada de algunas aplicaciones de soldadura por arco sumergido pueden implicar una carga excesiva para el motor impulsor. A una corriente dada, la entrada al generador es más o menos proporcional a su voltaje de carga; por tanto, se debe procurar escoger unidades con una especifi- cación de potencia motora adecuada. Esta precaución también es aplicable a algunas máquinas del tipo de transformador-rectificador cuando el voltaje de arco real excede el voltaje de salida especificado.

EI flujo de corriente de soldadura desde un generador puede iniciarse y suspenderse mediante un contactor magnético en el circuito de soldadura o por uti relevador en el circuito de campo del generador, dependiendo de su diseño y características. Las fuentes de potencia del tipo de transformador controlan el flujo de comente por medio de un contactor en la linea primaria de la máquina.

La desviación magnética del arco (golpe del arco), caracte- rística de la soldadura con comente continua, por lo regular limita la magnitud de la cc que puede usarse en la soldadura por arco sumergido. La corriente alterna minimiza el golpe del arco.



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40 F U E N T E S D E P O T E N C I A P A R A S O L D A D U R A P O R

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A R C O

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1

Hay transformadores con especificaciones de hasta 2000 A con características especiales que permiten adaptarlos a aplicaciones de soldadura por arco sumergido. El voltaje de circuito abierto debe ser de por lo menos 80 V, pero es preferible que esté entre 85 y 100 V.

Hay varias formas distintas de suministrar la comente de soldadura a los sistemas de arco múltiple. En la soldadura por arco paralelo, puede conectarse una fuente de potencia en la forma convencional para electrodo único, y luego alimentar dos o más electrodos de soldadura por medio de una cabeza de impulso único a través de una boquilla o mordaza común.

En los sistemas de arco en sene, puede usarse una sola fuente de potencia de transformador o de cc para alimentar dos electrodos independientes que se introducen en el mismo charco de soldadura. Las terminales de salida de la fuente de potencia se conectan por separado a una de las dos cabezas de soldadura, no al trabajo, de modo que ia pieza de trabajo no forma parte del circuito eléctri- co. Esto se conoce comosistema de arco en serie, y requiere una fuente de potencia con voltaje de circuito abierto elevado.

La soldadura en tándem a alta velocidad generalmente emplea dos cabezas de soldadura independientes que son alimenta- das por múltiples unidades de transformador conectadas a una línea trifásica por medio de una conexión de triángulo cerrada o una conexión Scott. Puesto que en la soldadura en tándem es frecuente el uso de comentes elevadas, estos sistemas distribuyen la carga de potencia en las tres fases.

El sistema de triángulo cerrado requiere tres transformadores con reactores de control de corriente individuales. Los secundarios de los transformadores se conectan en triángulo cerrado adelante de los reactores, como se indica en la figura 1.39. Este sistema contempla el ajuste de las comentes de soldadura en ambos arcos, la corriente a tierra y el desplazamiento de ángulo

de fase entre las tres comentes. Es importante ajustar estas condiciones para obtener la desviación de arco (magnéticamen- te), penetración y perfil de soldadura deseados. Las comentes de arco no se pueden ajustar independientemente; un cambio en una hará cambiar la otra a causa de los ángulos de fase.

El sistema en conexión Scott emplea dos transformadores. Al menos uno de ellos debe haberse diseñado especificamente para conexión Scott, con los primarios y secundarios conectados como en la figura 1.40. Las unidades deberán tener voltaje de circuito abierto de 85 a 100 V. Este sistema se sobrepone al ajuste de comente interrelacionado inherente al sistema de triángulo cerrado y ofrece control independiente de las comentes de arco.

SOLDADURA DE PERNOS POR ARCO LA SOLDADURADE pernos por arco (sw) debe realizarse con una fuente de potencia de cc. El proceso requiere mayor capacidad, mejor consistencia de operación y mejor control dinámico de la corriente que lo que puede obtenerse con las fuentes de potencia convencionales. Las características generales deseables en una fuente de potencia para soldadura de pernos por arco son las siguientes:

(1) Voltaje de circuito abierto alto, del orden de 70' a 100 V. (2) Característica volt-ampere de caída, tal que con carga

(3) Tasa de elevación de corriente rápida. (4) Salida de comente elevada para un ciclo de trabajo

máxima aparezcan entre 25 y 35 V a través del arco.

relativamente bajo.

Cada uno de los diversos tipos de fuentes de potencia especiales disponibles tiene sus propias Características, por lo que es

Cr TRANSFORMADOR

I

ELECTRODO TRASERO TRABAJO

+ ELECTRODO 4 DELANTERO -

Figura 1.39-Conexiones de transformador para soldadura por arco con un sistema trifásico en triángulo. Este método iguala las cargas en las líneas



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difícil comparar estos tipos con otras fuentes de potencia. Un método de comparación podria consistir en evaluar cada fuente de potencia en términos de la salida de comente y del diáme- tro de la base de los pernos. La fuente de potencia debe poder suministrar la comente de soldadura requerida para el tamaño de pernos que se van a soldar.

SOLDADURA ELECTROESCORIA Y ELECTROGAS ELEQUIPO EMPLEADO para soldadura electroescoria y electroghs es muy similar al requerido para soldadura por arco sumergido o por arco con núcleo de fundente. Pueden usarse las mismas fuentes de potencia para ambos procesos, con una excepción: no se usan fuentes de potencia de ca en el proceso electrogás. Pueden usarse fuentes tanto de cc como de ca para el proceso electroescoria. Las fuentes de potencia estándar que se empleen para cualquiera de estos procesos deberán tener un voltaje de circuito abierto de 80 V y poder suministrar 600 A continuamente (ciclo de trabajo del loo%), y estar equipadas con controles remotos. El número de fuentes de potencia requeridas dependerá del número de electrodos de soldadura que se empleen para rellenar la unión. Se necesita una fuente de potencia para cada electrodo.

Existen fuentes de potencia de cc de voltaje constante especiales para soldadura electroescona y electrogás. Las más comunes son del tipo de transformador-rectificador con 74 V en circuito abierto y con especificación de salida de 750 A a 50 V, ciclo de trabajo de 1 0 0 % . La entrada primaria es trifásica de 60 Hz, 230/460 V.

CA TRIFÁSICA v

l I i l


L

1 I I I I I

DELANTERO

Figura i .40-Conexiones de transformador para soldadura con arco con un sistema de conexión Scott

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SOLDADURA POR ARCO DE METAL PROTEGIDO


D. R. Amos, Presidente Westinghouse Electric Corp.

D. A. Fink Lincoln Electric Co.

J. R. Hannah Midmark Corporation

R. W. Heid Newport News Shipbuilding

A. R. Hollins Duke Power Co.

J. E. Mathers Welding Consultants Inc.

L. C. Norîhard* Tennessee Valley Authority

M. Parekh Hobart Brothers Co.

A. Pollack Consultor

M. S. Sierdzinski Alloy Rods Co.

M. J. Tomsic Plastronic, Inc. ~

MIEMBRO DEL COMITÉ DEL MANUAL DE SOLDADURA: Fundamentos del proceso D. R. Amos

* Fallecido

Equipo 47 Westinghouse Electric Corp.

Materiales 52

Aplicaciones 56

Diseño y preparación de las uniones 57

Procedimientos de soldadura 61

Calidad de la soldadura 68

Recomendaciones de seguridad 70




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SOLDADURA PQR ARCO DE METAL PROTEGIDO FUNDAMENTOS DEL PROCESO

DEFINICIÓN Y DESCRIPCIÓN GENERAL LA SOLDADURA POR arco de metal protegido (shielded metal arc welding, SMAW) es un proceso de soldadura por arco en el que se produce coalescencia de metales por medio del calor de un arco eléctrico que se mantiene entre la punta de un electrodo cubierto y la superficie del metal base en la unión que se está soldando.

EI núcleo del electrodo cubierto consiste en una varilla de metal sólida de material estirado o colado, o bien una varilla fabricada encerrando metal en polvo en una funda metálica. La varilla del núcleo conduce la corriente eléctrica al arco y suministra metal de aporte a la unión. Las funciones principales de la cobertura del electrodo son estabilizar el arco y proteger el metal derretido de la atmósfera por medio de los gases que se crean cuando el recubrimiento se descompone por el calor del arco.

La protección empleada, junto con otros ingredientes de la cobertura y del alambre del núcleo, controlan en gran medida las

' propiedades mecánicas, la composición química y la estructura metalúrgica del metal de soldadura, así como las características de arco del electrodo. La composición de la cobertura del electrodo varía dependiendo del tipo de electrodo.

PRINCIPIOS DE FUNCIONAMIENTO LA SOLDADURA POR arco de metal protegido es por mucho el más ampliamente utilizado de los procesos de soldadura por arco. Aprovecha el calor del arco para derretir el metal base y la punta de un electrodo consumible cubierto. El electrodo y el trabajo forman parte de un circuito eléctrico que se ilustra en la figura 2.1. Este circuito comienza con la fuente de potencia eléctrica e incluye los cables de soldadura, un portaelectrodos, una conexión con la pieza de trabajo, la pieza de trabajo (soldamento) y un electrodo de soldadura por arco. Uno de los dos cables de la fuente de potencia se conecta al trabajo; el otro se conecta al portaelectrodos.

La soldadura se inicia cuando se enciende un arco eléctrico entre la punta del electrodo y el trabajo. El intenso calor del arco demte la punta del electrodo y la superficie del trabajo cerca del arco. En la punta del electrodo se forman con rapidez pequeños glóbulos de metal fundido, los cuales se transfieren a través del chorro del arco hasta el charco de soldadura fundida.' De esta forma se deposita metal de aporte conforme el electrodo se va consumiendo. EI arco se mueve sobre el trabajo conuna longitud de arco y velocidad de desplazamiento apropiadas, derritiendo y fusionando una porción del metal base y añadiendo continuamente metal de aporte. Puesto que el arco es uno de los más calientes que producen las fuentes de calor comerciales [se han medido temperaturas por encima de 5000°C (9000°F) en su centro], la fusión del metal base se efectúa en forma casi instantánea al iniciarse el arco. Si las soldaduras se hacen en posición plana u horizontal, la transferencia de metal es inducida por la fuerza de la gravedad, la expansión del gas, fuerzas eléctricas y elec- tromagnéticas y la tensión superficial. Si se suelda en otras posiciones, la gravedad actuará oponiéndose a las demás fuerzas.

EI proceso requiere suficiente corriente eléctrica para derretir tanto el electrodo como una cantidad adecuada del metal base. También requiere un espacio apropiado entre la punta del electrodo y el metal base o el charco de soldadura. Estos requisitos son necesarios para establecer las condiciones en que se llevará a cabo la coalescencia. Los tamanos y tipos de los electrodos para soldadura por arco de metal protegido definen los requerimientos de voltaje (dentro del intervalo global de 16 a 40 V) y de amperaje (dentro del intervalo global de 20 a 550 A) del arco. La corriente puede ser alterna o continua, dependiendo del electrodo empleado, pero la fuente de potencia debe ser capaz de controlar el nivel de corriente dentro de un intervalo razonable para responder a las complejas variables del proceso de soldadura en si.

I . La traiisfereiicia de metal por el arco de soldadura se describe eii el capitulo 2 de Welditig Hmdúook, vol. I , Xa ed., pp. SO-54.



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S O L D A D U R A P O R A R C O DE M E T A L P R O T E G I D O #

PORTAELECTRODOS

TE DE POTENCIA DE

CABL TRABAJO

CABLE DEL ELECTRODO

Figura 2.1-Elementos de un circuito de soldadura típico para soldadura por arco de metal protegido

Electrodos cubiertos ADEMAS DE ESTABLECER el arco y proporcionar metal de aporte para el depósito de soldadura, el electrodo introduce otros materiales en el arco o sus inmediaciones, o en ambos lugares. Dependiendo del tipo de electrodo que se use, la cobertura desempeña una o más de las siguientes funciones:

(1) Provee un gas para proteger el arco y evitar una contami- nación excesiva del metal de aporte derretido por parte de la atmósfera.

(2) Suministra limpiadores, desoxidantes y agentes fundentes para purificar la soldadura y evitar un crecimiento excesivo de granos en el metal de soldadura.

(3) Establece las características eléctricas del electrodo. (4) Proporciona un manto de escoria que protege el metal de

soldadura caliente del aire y mejora las propiedades mecánicas, la forma de la franja y la limpieza superficial de dicho metal.

(5) Constituye un medio para añadir elementos de aleación que modifiquen las propiedades mecánicas del metal de solda- durâ.

Las funciones 1 y 4 evitan la absorción de oxígeno y nitróge- no del aire por parte del metal de aporte derretido en el chorro del arco y del metal de soldadura mientras se solidifica y enfría.

La cobertura de los electrodos para SMAW se aplica por el método de extrusión o bien por el de inmersión. La extrusión se usa con mucha más frecuencia; el proceso de inmersión se usa principalmente para los núcleos de varilla colados y algunos de los fabricados. En todos los casos, la cobertura contiene la mayor parte de los materiales de protección, limpieza y desoxidación. La mayor parte de los electrodos para SMAW tienen un núcleo de metal sólido. Algunos se elaboran con un núcleo fabricado o compuesto formado por metal en polvo encerrado en una funda metálica; en este caso, el propósito de algunos de los polvos

metálicos, o incluso de todos, es producir un depósito de soldadura de aleación.

Además de mejorar las propiedades mecánicas del metal de soldadura, las coberturas de electrodo pueden diseñarse para soldar con comente alterna (Ca). Con ca, ei arco de soldadura se apaga y reestablece cada vez que la comente invierte su direc- ción. Para que el arco de ca sea estable, es necesario tener en el chorro del arco un gas que permanezca ionizado durante cada inversión de la comente. Este gas ionizado hace posible la reignición del arco. Los gases fácilmente ionizables pueden obtenerse de diversos compuestos, incluidos los que contienen potasio. La incorporación de tales compuestos en la cobertura del electrodo es lo que permite a éste operar con ca.

A fin de aumentar la tasa de deposición, las coberturas de algunos electrodos de acero de carbono y de baja aleación contienen polvo de hierro, el cual es otra fuente de metal disponible para deposición, además dei que se obtiene del núcleo del electrodo. La presencia de polvo de hierro en la cobertura también permite aprovechar de manera más eficiente la energía del arco. A menudo se emplean polvos metálicos distintos del hierro a fin de alterar las propiedades mecánicas del metal de soldadura.

Las coberturas de electrodo gruesas con cantidades relativamente grandes de hierro en polvo incrementan la profundidad del crisol en la punta del electrodo. Este crisol profundo ayuda a contener el calor del arco y permite usar la técnica de arrastre (descrita en el siguiente párrafo) para mantener una longitud de arco constante. Si se añade hierro pulverizado u otros polvos metálicos en cantidades relativamente grandes, la tasa de depo- sición y la velocidad de soldadura casi siempre se incrementan.

Los electrodos de hierro en polvo con coberturas gruesas reducen la habilidad que se necesita para soldar. La punta del electrodo puede arrastrarse sobre la superficie del trabajo manteniendo todo el tiempo un arco de soldadura. Por esta razón, los



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46 S O L D A D U R A P O R A R C O DE M E T A L P R O T E G I D O

electrodos gruesos con hierro en polvo se conocen también como electrodos de arrastre. Las tasas de deposición son altas pero, como la solidificación de la escoria es lenta, estos electrodos no son apropiados para usarse fuera de posición.

Protección del arco LA ACCIÓN DE protección del arco, ilustrada en la figura 2.2, es en esencia la misma para todos los electrodos, pero el método específico de protección y el volumen de escoria producido vanan de un tipo a otro. El grueso de los materiales de cobertura de algunos electrodos se convierte en gas por el calor del arco, y sólo se produce una pequeña cantidad de escoria. Los electrodos de este tipo dependen en buena medida de un escudo gaseoso para evitar la contaminación por parte de la atmósfera. El metal de soldadura de tales electrodos puede identificarse por la capa incompleta o clara de escoria que cubre a la franja.

En los electrodos situados al otro extremo, el grueso de la cobertura se convierte en escoria por el calor del arco, y sólo se produce un volumen pequeño de gas protector. Los diminutos glóbulos de metal que se transfieren por el arco están cubiertos totalmente por una película delgada de escoria fundida, la cual flota a la superficie del charco de soldadura porque es más ligera que el metal. La escoria se solidifica después de hacerlo el metal de soldadura. Las soldaduras hechas con estos electrodos se identifican por los gruesos depósitos de escoria que cubren por completo las franjas de soldadura. Entre estos extremos hay una amplia variedad de tipos de-electrodos, cada uno con una com- binación diferente de protección por escoria y por gas.

Las variaciones en la proporción de protección por escoria y por gas también influyen en las características de soldadura de los electrodos cubiertos. Los electrodos que producen mucha escoria pueden transportar un amperaje elevado y ofrecen altas tasas de deposición, lo que los hace ideales para soldar piezas gruesas en la posición plana. Los electrodos que producen poca escoria se usan con amperajes menores y ofrecen tasas de depo- sición más bajas. Estos electrodos producen un charco de soldadura más chico y son apropiados para soldar en cualquier posi- ción. Por las diferencias en ias características de soldadura, un tipo de electrodo cubierto será por lo regular el más adecuado para una aplicación dada.

CAPACIDADES Y LIMITACIONES DEL PROCESO LA SOLDADURA POR arco de metal protegido es uno de los procesos más ampliamente utilizados, sobre todo para soldaduras cortas en trabajos de producción, mantenimiento y repara- ción, y para construcción en el campo. Las siguientes son ventajas del proceso:

(1) EI equipo es relativamente sencillo, económico y portátil. (2) El electrodo cubierto proporciona el metal de aporte y el

mecanismo para proteger dicho metal y el metal de soldadura contra una oxidación perjudicial durante la soldadura.

COBERTURA DEL ELECTRODO

NUCLEO DE ALAMBRE

ATMOSFERA PROTECTORA \

I METAL BASE

-DIRECCIÓN DE IA SOLDADURA-

~~

Figura 2.2-Soldadura por arco de metal protegido

(3) No se requiere protección con gas auxiliar ni un fundente granular.

(4) El proceso es menos sensible al viento y las corrientes de aire que los procesos de soldadura por arco protegidos con gas.

(5) Se puede utilizar en áreas de acceso limitado. (6) El proceso es adecuado para la mayor parte de los metales

y aleaciones de uso común.

Existen electrodos de SMAW para soldar aceros al carbono y de baja aleación, aceros inoxidables, hierro colado, cobre y níquel y sus aleaciones, y para algunas aplicaciones de aluminio. Los metales de bajo punto de fusión, como el plomo, el estaño y el cinc, y sus aleaciones, no se sueldan con SMAW porque el intenso calor del arco es demasiado para ellos. El proceso no es apropiado para metales reactivos como el titanio, zirconio, tán- talo y colombio porque la protección es insuficiente para evitar que la soldadura se contamine con oxígeno.

Los electrodos cubiertos se producen en longitudes de 230 a 460 mm (9 a 18 pulg). Al encenderse inicialmente el arco, la corriente fluye a lo largo de todo el electrodo; por tanto, la cantidad de corriente que puede aprovecharse está limitada por la resistencia eléctrica del alambre del núcleo. Un amperaje excesivo sobrecalienta el electrodo y descompone su cobertura. Esto, a su vez, altera las características del arco y de la protección que se obtiene. Por esta limitación, las tasas de deposición suelen ser más bajas que con un proceso como GMAW.

El ciclo de trabajo del operador y las tasas de deposición globales para los electrodos cubiertos suelen ser menores que los alcanzables con un proceso de electrodo continuo como FCAW. Esto se debe a que los electrodos sólo pueden consumirse hasta una cierta longitud mínima. Una vez alcanzada esa longitud, el soldador deberá desechar la cola de electrodo no consumida e insertar un electrodo nuevo en el portaelectrodos. Además, casi siempre debe eliminarse escoria en los puntos donde se inicia y se detiene, y antes de depositar una franja de soldadura junto a otra previamente depositada, o sobre ella.



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EQUIPO

FUENTES DE POTENCIA

Tipo de corriente de salida SE PUEDE USAR comente alterna (Ca) o bien continua (cc) para la soldadura por arco de metal protegido, dependiendo de la comente suministrada por la fuente de potencia y del electrodo escogido. El tipo especifico de corriente utilizada influye en el rendimiento del electrodo. Ambos tipos de comente tienen ventajas y limitaciones, y éstas deben considerarse al seleccionar el tipo de comente para una aplicación específica. Los factores que deben tenerse en cuenta son los siguientes:

Caída de voltaje. La caida de voltaje en los cables de soldadura es menor si se usa Ca. Esto hace a la comente alterna más apropiada cuando la soldadura debe efectuarse a cierta distancia de la fuente de potencia. Sin embargo, los cables largos que transportan ca no deben enrollarse porque las pérdidas inductivas que ocurren en tales casos pueden ser considerables.

Baja corriente. Si los electrodos son de diámetro pequeño y baja comente de soldadura, la comente continua ofrece mejores caracteristicas de operación y un arco más estable.

Inicio del arco. En general, es más fácil encender el arco con cc, sobre todo si se usan electrodos de diámetro pequeño. Con ca, la comente de soldadura para por cero cada medio ciclo, y esto presenta problemas para el inicio y la estabilidad del arco.

Longitud del arco. La soldadura conarco corto (bajo voltaje de arco) es más fácil con cc que con Ca. Esto es una consideración importante, excepto cuando se usan electrodos gruesos de hierro en polvo, pues en estos casos el profundo crisol formado por la cobertura gruesa mantiene automáticamente la longitud de arco correcta cuando la punta del electrodo se arrastra sobre la superficie de la unión.

Golpe del arco. La comente alterna pocas veces presenta problemas de golpe del arco porque el campo magnético se está invirtiendo constantemente (120 veces por segundo). El golpe de arco puede ser un problema significativo cuando se suelda acero ferrítico con cc a causa de los campos magnéticos dese- quilibrados que rodean al a r ~ ~ . ~

Posición de soldadura. La comente continua es un poco mejor que la alterna para soldaduras verticales o por encima de la cabeza porque permite usar un amperaje menor. Sin embargo, si se emplean los electrodos apropiados, es posible hacer soldaduras satisfactorias con ca en todas las posiciones.

2. La influencia de campos magnéticos en el arco y el golpe del arco es estudiado en el capítulo 2 de Welding Handbook, vol. 1 ,8” ed., pp. 47-49

Espesor del metal. Se puede soldar tanto metal laminado como secciones gruesas empleando cc. La soldadura de lámina metálica con ca es menos recomendable que con cc. Las condiciones del arco en los niveles de comente bajos requeridos para materiales delgados son menos estables cuando se usa potencia ca que cuando se usa cc.

Un análisis de la aplicación de soldadura generalmente indi- cará si lo más adecuado es usar comente alterna o continua. Hay fuentes de potencia de cc, ca o ca/dc combinadas. La fuente de potencia para el proceso SMAW debe ser del tipo de comente constante, de preferencia sobre el de voltaje constante, porque para el soldador es difícil mantener la longitud de arco constante que requieren las fuentes de potencia de voltaje constante.

Importancia de la curva volt-ampere LAFIGURA 2.3 muestra las características de salida volt-ampere típicas de las fuentes de potencia tanto de ca como de cc. Las fuentes de voltaje constante no son apropiadas para SMAW porque con su curva volt-ampere plana un cambio aunque sea pequeño en la longitud del arco (voltaje) produce un cambio relativamente grande en el amperaje. Las fuentes de potencia de comente constante son preferibles para la soldadura manual, porque cuanto mayor sea la pendiente de la curva volt-ampere (dentro del intervalo de soldadura), menor será el cambio en la comente para un cambio dado en el voltaje del arco (longitud del arco).

En aplicaciones en las que se usan electrodos de diámetro grande y corrientes de soldadura elevadas, es deseable una curva volt-ampere empinada.

Si se requiere un control más preciso del tamaño del charco de soldadura (soldaduras fuera de posición y repasos de raíz en uniones con embonamiento variable, por ejemplo), es más conveniente una curva volt-ampere más plana que permita al soldador variar la comente de soldadura dentro de un intervalo especifico con sólo modificar la longitud del arco. De esta manera, el soldador tiene cierto control sobre la cantidad de metal de aporte que se deposita. La figura 2.4 presenta estas distintas curvas volt-ampere para una fuente de potencia de soldadura tipica. Aunque la diferencia en la pendiente de las diversas curvas es sustancial, la fuente de potencia se sigue considerando de comente constante. Los cambios que se muestran en la curva volt-ampere se logran ajustando los niveles tanto de voltaje de circuito abierto como de corriente en la fuente de potencia.

Voltaje de circuito abierto EL VOLTAJE DE circuito abierto, que es el voltaje establecido en la fuente de potencia, no se refiere al voltaje del arco. Este último es el voltaje que hay entre el electrodo y el trabajo cuando se está soldando, y depende de la longitud del arco para un electrodo determinado. En cambio, el voltaje de circuito abierto es el que genera la máquina soldadora cuando no se está soldando. Los voltajes de circuito abierto generalmente están entre 50 y



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1 O0 i 4NTE

\ \ \ \ 1 , \ , \

O 1 O0 200 300 400 500 600

CORRIENTE, A

Figura 2.3-Curvas volt-ampere típicas para fuentes de potencia de corriente constante y de voltaje constante

100 V, en tanto que los voltajes de arco varían entre 17 y 40 V. El voltaje de circuito abierto cae hasta el voltaje de arco cuando se enciende el arco y la máquina se somete a la carga de soldadura. La longitud del arco y el tipo de electrodo empleado determinan el valor de este voltaje: si el arco se alarga, el voltaje de arco aumenta y la comente de soldadura disminuye. El cambio en el amperaje producido por un cambio en la longitud del arco está determinado por la pendiente de la curva volt-ampere dentro del intervalo de soldadura.

Algunas fuentes de potencia no permiten controlar el voltaje de circuito abierto porque esto no es necesario para todos los procesos de soldadura. Es una función útil para SMAW, pero no se necesita para todas las aplicaciones del proceso.

Selección de la fuente de potencia SONVARIOS LOS factores a considerar cuando se selecciona una fuente de potencia para SMAW:

La selección del tipo de comente, Ca, cc o ambas, dependerá en gran medida en los tipos de electrodos que se usarán y de los tipos de soldadura que se realizarán. Para ca, puede usarse una fuente de potencia del tipo de transformador o de alternador; para cc se dispone de fuentes de transformador-rectificador o de motor-generador. Si se necesita tanto ca como cc, puede usarse una fuente monofásica de transformador-rectificador o de alternador-rectificador. Si no, se necesitarán dos máquinas soldadoras, una para ca y otra para cc.

Los requerimientos de amperaje dependerán de los tama- ños y tipos de electrodos que se usarán. Si la variedad es amplia, la fuente de potencia debe ser capaz de suministrar el intervalo de amperaje requerido. El ciclo de trabajo debe ser suficiente.’

También hay que considerar las posiciones en que se soldará. Si se planea soldar en posición vertical o por encima de la cabeza, probablemente será conveniente ajustar la pendiente de la curva volt-ampere (véase la figura 2.4). Si es así, la fuente de potencia deberá incluir esta función. Para esto por lo regular se necesitan controles tanto del voltaje como de la corriente de salida.

(1) El tipo de comente de soldadura requerida. (2) El intervalo de amperaje requerido. (3) Las posiciones en que se soldará. (4) La potencia primana disponible en la estación de trabajo. 3. En el capitulo 1, págs. 14-15, se da una explicación del ciclo de trabajo.



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Se requiere una fuente de potencia primaria. Si se dispone de potencia de linea, deberá averiguarse si es monofásica o trifási- Ca. La fuente de potencia para soldadura debe estar diseñada para potencia monofásica o trifásica, y deberá usarse con la potencia para la cual fue diseñada. Si no hay potencia de línea disponible, será necesario usar un generador o alternador impulsado por motor.

EQUIPO ACCESORIO

Portaelectrodos UNPORTAELECTRODOS ES un dispositivo de sujeción que permite al soldador sostener y controlar el electrodo, como se muestra

100

L: a 5 50 9

32

21

22

VOLTAJE DE CIRCUITO ABIERTO MAXIM0

\ VOLTAJE DE CIRCUITO ABIERTO MINIM0

- ARCO LARGO

-ARCO DE LONGITUD NORMAL

- ARCO CORTO

1Ob J 1 5 u

1-40 J CORRIENTE, A

NOTA: UNA PENDIENTE MENOR PRODUCE UN CAMBIO MAYOR EN IA CORRIENTE DE SOLDADURA PARA UN CAMBIO DADO EN ELVOLTAJE DEL ARCO.

200

Figura 2.4-Efecto de la pendiente de ia curva volt-ampere sobre la salida de corriente con un cambio en el voltaje del arco



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Figura 2.5-Soldadura de una estructura con el proceso de arco de metal protegido



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en la figura 2.5. También sirve como medio para conducir la comente de soldadura del cable al electrodo. Un mango aislado en el portaelectrodos separa la mano del soldador del circuito de soldadura. La comente se transfiere al electrodo a través de las quijadas del portaelectrodos. A fin de asegurar una resistencia de contacto mínima y evitar el sobrecalentamiento del portaelectrodos, las quijadas debenmantenerse en buenas condiciones. El sobrecalentamiento del portaelectrodos no sólo es una moles- tia para el soldador, sino que también puede causar una caída de voltaje excesiva en el circuito de soldadura. Ambas cosas pueden perjudicar el desempeño del soldador y reducir la calidad de la soldadura.

El portaelectrodos debe sujetar el electrodo firmemente y mantenerlo en posición con un buen contacto eléctrico. La instalación del electrodo debe ser rápida y fácil. El portaelectrodos debe ser ligero y fácil de manipular, pero lo bastante robusto como para resistir un uso tosco. La mayor parte de los portaelectrodos tiene material aislante alrededor de las quijadas para evitar que éstas hagan tierra con el trabajo.

Los portaelectrodos se producen en tamaños apropiados para un intervalo de diámetros de electrodo estándar. Cada tamaño de portaelectrodos está diseñado para transportar la comente requerida para el electrodo de mayor diámetro que puede sostener. El mejor portaelectrodos para un trabajo dado es el de menor tamaño que puede usarse sin sobrecalentamiento; será el más ligero y el más cómodo de usar para el operador.

Conexión con la pieza de trabajo LA CONEXIÓN CON la pieza de trabajo es un dispositivo para conectar el cable de pieza de trabajo a ésta. Debe producir una conexión fuerte, pero al mismo tiempo debe poderse sujetar con rapidez y facilidad al trabajo. Para trabajo ligero puede ser apropiada una pinza tensada con resorte, pero para comentes elevadas puede requerirse una abrazadera de tomillo para establecer una buena conexión sin sobrecalentar la abrazadera.

Cables para soldadura LOS CABLES PARA soldadura sirven para conectar el portaelectrodos y la abrazadera de tierra a la fuente de potencia; son parte del circuito de soldadura (véase la figura 2.1). El cable se construye de modo que tenga flexibilidad máxima para facilitar su manipulación, sobre todo el que se conecta al portaelectrodos; también debe ser resistente al desgaste y a la abrasión.

El cable para soldadura consiste en muchos alambres finos de cobre o aluminio trenzados y encerrados en una funda aislante flexible. La funda se fabrica con hule sintético o un plástico que tenga buena tenacidad, elevada resistencia eléctrica y buena resistencia térmica. Se coloca una envoltura protectora entre los alambres conductores trenzados y la funda aislante para permitir un poco de movimiento entre ellos y así aumentar al máximo la flexibilidad.

Los cables para soldadura se producen en una gama de tama- ños (desde aproximadamente AWG 6 a 4/0).4 El tamaño del cable requerido para una aplicación en particular depende del amperaje máximo que se usará para soldar, de la longitud del circuito de soldadura (combinación de los cables de soldadura y de la pieza de trabajo) y del ciclo de trabajo de la máquina soldadora. La tabla 2.1 muestra el tamaño recomendado para cable de cobre conectado a diversas fuentes de potencia y con diferentes longitudes del circuito. Si se usa cable de aluminio, deberá ser dos tamaños AWG mayor que el cable de cobre para la aplicación. Los tamaños de cable se incrementan al aumentar la longitud del circuito de soldadura a fin de mantener la caída de voltaje y la consiguiente pérdida de potencia en el cable en niveles aceptables.

Si se necesitan cables largos, es posible unir tramos cortos por medio de conectores apropiados. Los conectores deben establecer un buen contacto eléctrico de baja resistencia, y su aislamiento debe ser equivalente al del cable. Se emplean oreje- tas en el extremo de cada cable para conectarlo a la fuente de potencia. La conexión entre el cable y un conector u orejeta debe ser fuerte y de baja resistencia eléctrica; para ello se emplean

4. Tamaños de calibre de alambre americano (uinerican wire gage).

Tabla 2.1 Tamaños recomendados Para cable de soldadura de cobre

Fuente de Dotencia Tamaño Ciclo

en amperes de trabajo, % 100 20 1 80 20-30 200 60 200 50 250 30 300 60 400 60 500 60 600 60

Tamaño de cable AWG para el tramo combinado de cables de electrodo y tierra Oa15m 15a30m 30a46m & a 6 1 m 61 a 76 m

(O a 50 pies) (50 a 100 pies) (100 a 150 pies) (150 a 200 pies) (200 a 250 pies) 6 4 3 2 1 4 4 3 2 1 2 2 2 1 1 10 3 3 2 1 110 3 3 2 1 110

1 10 1 10 1 /o YO 310 2/0 YO 2D 310 410 YO YO 310 310 410 u0 YO 310 410 f

* Usar dos cables 3/0 en paralelo.



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uniones de soldadura blanda y conexiones mecánicas. Los cables de aluminio requieren una buena conexión mecánica para evitar el sobrecalentamiento. La oxidación del aluminio aumenta apreciablemente la resistencia eléctrica de la conexión. Esto, desde luego, pued causar sobrecalentamiento, excesiva pérdida de potencia y falla del cable.

Debe cuidarse de no dañar la funda del cable, sobre todo el del electrodo. El contacto con metal caliente o bordes filosos puede perforar la funda y aterrizar el cable.

Careta ELPROPÓSITO DE ia careta es proteger los ojos, el rostro, ia frente, el cuello y las orejas del soldador de los rayos directos del arco y de chispas y salpicaduras que salen despedidas. Algunas caretas tienen una visera articulada opcional que permite levantar la placa de filtro oscura que cubre la abertura de la careta para que el soldador pueda ver al raspar la escoria de la soldadura. Esto protege la cara y los ojos del operador de las partículas de escoria que salen despedidas. Estas partículas pueden causar daños serios, sobre todo si están calientes, y pueden lastimar los ojos sea que estén calientes o frías.

Las caretas generalmente se construyen con un material aislante de fibra comprimida o fibra de vidrio. La careta debe ser ligera y diseñarse de modo que sea lo más cómoda posible para el usuario. El soldador de la figura 2.5 está usando careta; el observador está usando un escudo de mano.

Equipo diverso LA LIMPIEZA AL soldar es importante. Las superficies de las piezas de trabajo y el metal de soldadura previamente depositado deben estar libres de suciedad, escoria y cualquier otro material extraño que pudiera interferir con la soldadura. Para este fin, el soldador debe contar con un cepillo de alambre de acero, un martillo, un cincel y un mazo para descascarar. Estas herramientas sirven para eliminar suciedad y orín del metal base, cortar soldaduras provisionales y raspar escoria de la franja de soldadura.

La unión que se va a soldar puede requerir respaldo para sostener el charco de soldadura durante la deposición de la primera capa de metal de soldadura. A veces se usan tiras de materiales de respaldo no metálicos, sobre todo para uniones que sólo son accesibles por un lado.

MATERIALES

METALES BASE EL PROCESO SMAW se usa para aplicaciones de unión y recubrimiento sobre diversos metales base. La idoneidad del proceso para un metal base específico depende de la disponibilidad de un electrodo cubierto cuyo metal de aporte tenga la composición y propiedades requeridas. Hay electrodos para los siguientes metales base:

(1) Aceros al carbono. (2) Aceros de baja aleación. (3) Aceros resistentes a la corrosión. (4) Hierros colados (ductiles y grises). (5) Aluminio y aleaciones de aluminio. (6) Cobre y aleaciones de cobre. (7) Níquel y aleaciones de níquel.

metal de soldadura sin diluir. Los electrodos de acero al carbono, acero de baja aleación y acero inoxidable también se clasifican de acuerdo con el tipo de comente de soldadura con la que trabajan mejor, y en ocasiones de acuerdo con las posiciones de soldadura en las que pueden emplearse.

Electrodos de acero ai carbono EN ANSI/AWS A5.1, Especificación para electrodos de acero al carbonopara soldadura por arco, se usa un sencillo sistema de numeración para clasificar los electrodos. En E6010, por ejemplo, la E designa a un electrodo. Los dos primeros dígitos (60) indican la resistencia a la tensiónmínima del metal de soldadura sin diluir en ksi, en la condición “recién soldada”. El tercer dígito representa la posición de soldadura (en este caso, el 1 se refiere

Se dispone de electrodos para la aplicación a estos mismos metales de recubrimientos resistentes al desgaste, el impacto o la corrosión.

Tabla 2.2 Especificaciones de la AWS para electrodos cubiertos

ELECTRODOS CUBIERTOS Tipo de electrodo Especificación de la AWS

LOS ELECTRODOS CUBIERTOS se clasifican de acuerdo con los requisitos de especificaciones emitidas por la American Wel- ding Society. Ciertas agencias del Departamento de la Defensa de Estados Unidos también emiten especificaciones para los electrodos cubiertos. Los números de especificación de la AWS y las clasificaciones de electrodos correspondientes se dan en la tabla 2.2. Los electrodos se clasifican con base en la composición química o en las propiedades mecánicas, o ambas cosas, de su

Acero al carbono Acero de baja aleación Acero resistente a la corrosión Hierro colado Aluminio y aleaciones de aluminio Cobre y aleaciones de cobre Níquel y aleaciones de níquel Recubrimiento

A5.1 A5.5 A5.4 A5.15 A5.3 A5.6 A5.11

A5.13 yA5.21



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sin diluir en ksi, en la condición “recién soldada”. El tercer dígito representa la posición de soldadura (en este caso, el 1 se refiere a todas las posiciones). El último digito se refiere al tipo de cobertura y al tipo de corriente con la que puede usarse el electrodo.

Los electrodos de acero al carbono tienen dos niveles de resistencia mecánica: la serie 60 y la serie 70. La resistencia a la tensión mínima permisible para el metal de soldadura de la serie 60 es de 62 ksi (427 MPa), aunque un alargamiento adicional puede permitir que algunos de éstos bajen hasta 60 ksi (414 m a ) . Para la serie 70, es 72 ksi (496 MPa) y, una vez más, algunos de éstos pueden bajar hasta 70 ksi (483 MPa) con alargamiento adicional. En cuanto a la composición química, los lí- mites superiores para los elementos significativos se dan dentro de las especificaciones AWS aplicables a la mayor parte de las clasificaciones de electrodos. Para algunos electrodos de ambas series se dan los requisitos de prueba de impacto Charpy con muesca en “V”.

Algunos electrodos de acero al carbono están diseñados para operar sólo con cc; otros operan tanto con cc como con Ca. La polaridad en cc por lo regular es inversa (electrodo positivo), aunque algunos electrodos están hechos para polaridad directa, y otros más pueden usarse con cualquier polaridad.

La mayor parte de los electrodos está diseñada para soldar en todas las posiciones. Sin embargo, los que contienen grandes cantidades de hierro en polvo u óxido de hierro en el recubrimiento generalmente están restringidos a soldaduras de surco en la posición plana y a soldaduras de filete horizontales. Las coberturas de estos electrodos son muy gruesas, lo que impide su uso en las posiciones vertical y arriba de la cabeza.

Varios electrodos de la serie 70 son del tipo de bajo hidróge- no. Sus recubrirnientos tienen ingredientes con bajo contenido de humedad y de celulosa y, por tanto, de hidrógeno. El hidró- geno produce la baja ductilidad y el agrietamiento de la franja inferior que en ocasiones se observan en soldaduras muy restringidas. Por esta razón, los electrodos de bajo hidrógeno se usan para soldar aceros endurecibles; también se usan para soldar aceros de bajo azufre y para aportar metal de soldadura con buena tenacidad de muesca a baja temperatura.

La especificación no fija un límite para el contenido de humedad de estos electrodos, pero se recomienda que sea menor que el 0.6%. Para controlar la humedad es necesario un alinace- namiento y manejo correctos; las condiciones de almacenainieii- to y cocimiento típicas se dan en ANSI/AWS A5.1

Electrodos de acero de baja aleación ANSIIAWS ~ 5 . 5 , POR excepción especificación para electrodos de acero de baja aleación para soldadura por arco, clasifica los electrodos de acero de baja aleación cubiertos de acuerdo con un sistema de numeración similar al que acaba de describirse para los electrodos de acero al carbono. Además, esta especifi- cación emplea un sufijo como Al para designar la composición quimica (sistema de aleación) del metal de soldadiira. Así, una clasificación de electrodo completa es E7010-Al; otra es E8016- C2. Los sistemas de aleación a los que pertenecen los electrodos son acero al carbono-niolibdeno, acero al croino-molibdeno, acero al níquel y acero al inanganeso-inolibdeno. Los niveles de resistencia mecánica del metal de soldadura van desde 70 hasta

120 ksi (480 a 830 MPa) de resistencia a la tensión mínima, en incrementos de 10 ksi (70 m a ) . En esta especificación, los metales de soldadura de uso común que no suelen recibir tratamiento posterior se clasifican con base en sus propiedades en la condición “recién soldada”. De manera similar, los que normalmente se usan en la condición de tensiones liberadas se clasifican con base en las propiedades que tienen después de un tratamiento térmico para liberar las tensiones.

En este respecto, cabe señalar que la liberación de tensiones que prescribe ANSYAWS A5.5 consiste en mantener el ensamble de prueba a la temperatura indicada durante una hora. Los fabricantes que usen tiempos de retención a temperatura significativamente mayores o menores que una hora tal vez tengan que ser más selectivos en cuanto a los electrodos que usan, y quizá tengan que efectuar pruebas para demostrar que las propiedades mecánicas del metal de soldadura escogido son adecuadas después de un tratamiento térmico de cierta duración y a cierta temperatura. En muchas clasificaciones de electrodos para SMAW se incluyen normas radiográficas de calidad para metal de soldadura depositado y requisitos de tenacidad de muesca.

Las especificaciones militares para electrodos de acero de baja aleación a veces usan designaciones similares a las de la especificación de la AWS. Además, se producen algunos electrodos que no están clasificados en las especificaciones de la AWS pero que están diseñados para materiales específicos o que corresponden a grandes rasgos a las composiciones AIS1 están- dar para metal base de acero de baja aleación, como 4130. La especificación A5.5 fija límites para el contenido de humedad de los electrodos de bajo hidrógeno empacados en recipientes sellados herméticamente. Estos límites van desde 0.2 hasta 0.6% en peso, dependiendo de la clasificación del electrodo. Cuanto mayor sea el nivel de resistencia mecánica, más bajo será el límite del contenido de humedad. Esto es porque ia humedad es una fuente primaria de hidrógeno, y el hidrógeno puede producir agrietamiento en la mayor parte de los aceros de baja aleación si no se emplea precalentamiento a temperatura elevada y ciclos de enfriamiento largos y lentos. Cuanto mayor sea la resistencia mecánica de la soldadura y del metal base, mayor será la necesidad de niveles bajos de humedad para evitar el agrietamiento. La exposición a entomos húmedos (70% de humedad relativa o más) puede elevar el contenido de humedad del electrodo en unas cuantas horas.

Electrodos de acero resistente a la corrosión LOS ELECTRODOS CUBIERTOS para soldar aceros resistentes a la corrosión se clasifican en ANSI/AWS A5.4, Especificación para electrodos de acero al croiiio y al cromo-níquel, resistentes a la corrosión, cubiertos, para soldadura. La clasificación dentro de esta especificación se basa en la composición quimica del metal de soldadura sin diluir, las posiciones de soldadura y el tipo de corriente con la que se recomienda usar los electrodos. EI sistema de clasificación es similar al de los electrodos de acero ai carbono y de baja aleación. Tomando E310-15 y E310-16 como ejemplos, el prefijo E indica un electrodo. Los tres primeros digitos se refieren al tipo de aleación (en cuanto a su composición quimica), y pueden ir seguidos de una o más letras que indiquen una modificación, como E3 10Mo- 15. Los Últimos dos dígitos se refieren a la posición de soldadura y al tipo de



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comente para la que son apropiados los electrodos. El -1 indica que los electrodos pueden usarse en todas las posiciones hasta diámetros de 4 mm (5/32 pulg). El número 5 indica que los electrodos están hechos para usarse con ccep (polaridad directa). El número 6 significa que los electrodos son apropiados tanto para ca como para ccep (polaridad directa). Los electrodos de más de 4 mm (5/32 pulg) de diámetro se usan en las posiciones plana y horizontal.

La especificación no describe los ingredientes de la cobertura, pero las coberturas -15 por lo regular contienen una propor- ción elevada de piedra caliza (carbonato de calcio). Este ingre- diente suministra el CO y CO, que sirven para proteger el arco. El aglutinante que mantiene unidos los ingredientes en este caso es silicato de sodio. La cobertura -16 también contiene piedra caliza para protección del arco, pero además suele contener bastante titania (dióxido de titanio) para mejorar la estabilidad del arco. El aglutinante en este caso probablemente será silica- to de potasio.

Las diferencias en las proporciones de estos ingredientes producen diferencias en las características del arco. Los electrodos 15 (coberturas tipo cal) tienden a producir un arco más penetrante y una franja más convexa y con ondulaciones más pronunciadas. La escoria se solidifica con relativa rapidez, por lo muchos los prefieren para trabajos fuera de posición, como la soldadura de tuberías. Por otro lado, las coberturas -16 (tipo titania) producen un arco más uniforme, menos salpicaduras y una franja más uniforme con ondulaciones más finas. La escoria, empero, es más fluida y el electrodo suele ser más difícil de manejar en trabajos fuera de posición.

Los aceros inoxidables pueden dividirse en tres tipos básicos: austeníticos, martensíticos y ferríticos. El grupo austenitico (2XX y 3XX) es, por mucho, el más grande. Normalmente, la composición del metal de soldadura de un electrodo de acero inoxidable es similar a la del metal base para el que fue diseñado el electrodo.

En el caso de los aceros inoxidables austeníticos, la coinpo- sición del metal de soldadura difiere un poco de la del metal base con el fin de producir un depósito de soldadura que contenga femta (esto es, que no sea del todo austenítico) para evitar fisuras o agrietamiento en caliente del metal de soldadura. La cantidad de ferrita común a los diversos electrodos para soldadura se analiza en ANSYAWS A5.4 con cierto detalle. En general, basta un contenido de ferrita dentro del intervalo de número de femta (FN) de 3 a 5 para evitar el agrietamiento. Un contenido de ferrita tan alto como 20 FN puede ser aceptable para algunas soldaduras a las que no se aplica tratamiento térmico posterior. El diagrama de Schaeffler, o la modificación de DeLong de una porción de ese diagrama, puede servir para predecir el contenido de ferrita de los metales de soldadura de acero inoxidable. Existen instrumentos magnéticos para medir directamente el contenido de ferrita del metal de soldadura depositado. (Véase ANSYAWS A4.2, Procedimientos estándar de calibración de instrunientos magnéticos para medir el contenido de delta ferrita de nzetal de soldadura de acero inoxidable austenítico.)

Ciertos metales de soldadura de acero inoxidable austenítico (los tipos 310,320 y 330, por ejemplo) no forman ferrita porque su contenido de níquel es demasiado elevado. En estos materiales se limita el contenido de fósforo, azufre y silicio, o se aumenta el contenido de carbono, a fin de minimizar las fisuras y el agrietamiento.

También pueden usarse procedimientos de soldadura apropiados para reducir las fisuras y el agrietamiento. Por ejemplo, un bajo amperaje resulta benéfico. También puede ser útil un ligero movimiento zigzagueante al soldar, con el fin de promover el crecimiento celular del grano. Se recomienda seguir los procedimientos adecuados al apagar el arco, a fin de evitar las grietas de cráter.

ANSYAWS A5.4 contiene dos clasificaciones para los electrodos cubiertos de aceros inoxidables al cromo puro (serie 4XX). Una prescribe del 11 al 13.5% de cromo; la otra, de 15 a 18 %. El contenido de carbono en ambas es O. 1 % como máximo. Los metales de soldadura de las dos clasificaciones se endurecen en aire, y las piezas soldadas con ellos requieren precalentamien- to y tratamiento térmico posterior para adquirir la ductilidad que se necesita en la mayor parte de las aplicaciones de ingenieria.

La especificación también contiene tres clasificaciones de electrodos que se usan para soldar aceros al cromo-molibdeno de 4 a 10%. Estos materiales también se endurecen al aire, y se requiere precalentamiento y tratamiento térmico posterior para obtener uniones firmes y útiles.

Electrodos de níquel y aleaciones de níquel Los ELECTRODOS CUBIERTOS para soldar por SMAW níquel y sus aleaciones tienen composiciones que en general se asemejan a las de los metales base que unen, y algunos tienen adiciones de elementos como titanio, manganeso y colombio para desoxidar el metal de soldadura y evitar el agrietamiento.

ANSl/AWS A5.11, Especificación para electrodos cubiertos para soldar níquel y aleación de níquel, clasifica los electrodos en grupos de acuerdo con sus elementos de aleación principales. La letra “ E al principio indica un electrodo, y el símbolo químico “Ni” identifica los metales de soldadura como aleaciones con base de níquel. Se agregan otros símbolos químicos para indicar los elementos de aleación principales, seguidos por números sucesivos que identifican cada clasificación dentro de su grupo. Por ejemplo, ENiCrFe-1 contiene bastante hierro y cromo además del níquel.

La mayor parte de los electrodos está diseñada para usarse con ccep (polaridad directa), aunque algunos también pueden operar con ca para sobreponerse a posibles problemas de golpe del arco (por ejemplo, cuando se suelda acero con 9% de níquel). Casi todos los electrodos pueden usarse en cualquier posición, pero los mejores resultados cuando se suelda fuera de posición se obtienen con electrodos de 3.2 mm (1/8 pulg) de diámetro o menores.

La resistividad eléctrica del alambre del núcleo de estos electrodos es excepcionalmente alta, por lo que un amperaje excesivo sobrecalentará el electrodo y dañará la cobertura, causando inestabilidad del arco y excesiva salpicadura. Cada clasi- ficación y tamaño de electrodo tiene un intervalo de amperaje óptimo.

Electrodos de aluminio y aleaciones de aluminio ~ S I I A W S ~5.3, ESPECIFICACIÓN para electrodos de alunzinio y aleación de alunzinio para soldadura por arco de nietal protegido, contiene dos clasificaciones de electrodos cubiertos para



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soldar metales base de aluminio. Estas clasificaciones se basan en las propiedades mecánicas del metal de soldadura sin tratamiento térmico y en la composición quimica del alambre del núcleo. Un alambre de núcleo es aluminio comercialmente puro (1 100) y el otro una aleación de aluminio con 5 % de silicio (4043). Ambos electrodos se usan con ccep (polaridad directa).

La cobertura de estos electrodos tiene tres funciones. Provee un gas para proteger el arco, un fundente para disolver el óxido de aluminio y una escoria protectora para cubrir la franja de soldadura. Como la escoria puede ser muy corrosiva para el aluminio, es importante que se elimine por completo después de soldar.

La presencia de humedad en la cobertura de estos electrodos es una causa importante de porosidad en el metal de soldadura. Para evitar esta porosidad, los electrodos deben guardarse en un gabinete con calefacción mientras no se usen. Los electrodos que se hayan expuesto a la humedad deberán reacondicionarse (CO- cerse) antes de usarse, O desecharse.

Un problema que puede surgir al soldar es la fusión de escoria con el extremo del electrodo si el arco se interrumpe. Para poder encender otra vez el arco, es preciso eliminar esta escoria fusionada.

Los electrodos de aluminio cubiertos se emplean principalmente para soldadura no critica y aplicaciones de reparación. Sólo deben usarse con metales base para los que se recomienden metales de aporte I100 o 4043. Estos metales de soldadura no responden a tratamientos térmicos de endurecimiento por preci- pitacidn. Si se usan conmateriales de este tipo, habrá que evaluar con cuidado cada aplicación.

Los electrodos de bronce de aluminio tienen una amplia aplicación en la soldadura de aleaciones con base de cobre y algunas combinaciones de metales disímiles. Se emplean para soldar en fuerte muchos metales ferrosos y aplicar superficies de apoyo resistentes al desgaste y a la corrosión. La soldadura por lo regular se efectúa en posición plana con algo de precalentamiento

Electrodos para hierro colado ANSIIAWS ~ 5 . 1 5 , Especificación para electrodos y varillas para soldar hierro colado, clasifica los electrodos cubiertos para soldar hierro colado. Los electrodos clasificados en A5.15 son de níquel, niquel-hierro, aleaciones de níquel-cobre y una alea- ción de acero. Se recomienda precalentamiento al soldar piezas de hierro coladas, sobre todo si se emplea el electrodo de acero. La temperatura específica depende del tamaño y la complejidad de la pieza colada y de los requisitos de maquinabilidad. Los hoyos y grietas pequeños pueden soldarse sin precalentamiento, pero la soldadura no será maquinable. La soldadura se efectúa con ccep (polaridad directa) de bajo amperaje para minimizar la dilución con el metal base. En este caso no se aplica precalentamiento, excepto para minimizar los esfuerzos residuales en otras partes de la pieza colada.

Los electrodos patentados de níquel y aleaciones de níquel también pueden servir para reparar piezas coladas y unir los diversos tipos de hierros colados consigo mismos y con otros metales. La dureza del metal de soldadura depende del grado de dilución del metal base.

Los electrodos de bronce fosforado y de bronce de aluminio se usan Dara soldar en fuerte hierro colado. EI Dunto de fusión Electrodos de cobre y aleaciones de cobre

ANSIIAWS A5.6, Especificación para electrodos de cobre y alea- ción de cobre, cubiertos, para soldadura por arco, clasifica los electrodos de cobre y de aleaciones de cobre con base en las propiedades y la composición química del metal de soldadura sin diluir. EI sistema de designación es similar al de los electrodos de níquel; la diferencia principal es que cada clasificación individual dentro de un grupo se identifica con una letra, la cual en ocasiones va seguida por un número, como en ECuAlLA2, por ejemplo. Los grupos son: CuSi para el bronce de silicio, CuSn para el bronce fosforado, CuNi para el cupro-níquel y CuAl para el bronce de aluminio. En general, estos electrodos se usan con ccep (polaridad directa).

Los electrodos de cobre se usan para soldar cobre puro y reparar revestimientos de cobre en acero o hierro colado. Los electrodos de bronce de silicio sirven para soldar aleaciones de cobre y cinc, cobre, y algunos materiales con base de hierro. También se usan para recubrimientos que protegen contra la corrosión.

Los metales base de bronce fosforado y latón se sueldan con electrodos de bronce fosforado. Estos electrodos también sirven para soldar en fuerte aleaciones de cobre a acero y a hierro colado. Los bronces fosforados son un tanto viscosos cuando se derriten, pero su fluidez mejora precalentando a unos 200°C (400°F). Los electrodos y el trabajo deben estar secos.

Los electrodos de cobre-níquel se usan para soldar una amplia gama de aleaciones de cobre y niquel y también revestimientos de cupro-níquel en acero. En general, no se requiere precalentamiento para estos materiales.

de sus metales de soldadura es menor que el del hierro colado. La pieza colada deberá calentarse a unos 200°C (400°F) y soldarse con ccep (polaridad directa) empleando el amperaje más bajo que produzca una buena adhesión entre el metal de soldadura y las caras del surco. Las superficies dei hierro colado no deben derretirse.

Electrodos de recubrimiento LA MAYOR PARTE de los electrodos de recubrimiento duro se diseñan de modo que cumplan con ANSIIAWS A5.13, Especi- ficación para electrodos y varillas de soldadura para recubri- riiiento sólido, o ANSYAWS A5.21, Especificación para electrodos y varillas de soldadura para recubriniiento conipuesto. Se dispone de una amplia gama de electrodos para SMAW (dentro de ésta y otras especificaciones AWS para metales de aporte) que producen capas resistentes al desgaste, el impacto, el calor o la corrosión sobre diversos metales base. Todos los electrodos cubiertos especificados en A5.13 tienen alambre de núcleo sólido; los especificados en A5.21 tienen un núcleo compuesto. EI sistema de designación de los electrodos en ambas especificaciones es similar ai que se usa para los electrodos de aleación de cobre, con excepción de los electrodos de carburo de tungsteno, en los que la E de la designación para estos electrodos va seguida por WC y por los límites de tamaño de malla para los gránulos de carburo de tungsteno del núcleo para completar la designación. En este caso, el núcleo consiste en un tubo de acero relleno con los gránulos de carburo de tungsteno.



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El recubrimiento con electrodos cubiertos se emplea para revestimientos, untaduras, engrosamientos y aplicación de superficies duras. El objetivo del depósito de soldadura en estas aplicaciones es conferir a las superficies una o más de las siguientes cualidades:

(1) Resistencia a la corrosión. (2) Control metalúrgico. (3) Control dimensional. (4) Resistencia al desgaste. (5) Resistencia al impacto.

La selección de electrodos cubiertos para una aplicación de recubrimiento en particular deberá hacerse después de analizar detenidamente las propiedades que debe tener el metal de soldadura aplicado a un metal base específico.

Acondicionamiento de los electrodos LAS COBERTURAS DE los electrodos para SMAW son higroscó- picas (absorben con facilidad y retienen la humedad), aunque algunas son más higroscópicas que otras. La humedad que captan al exponerse a una atmósfera húmeda se disocia durante la soldadura produciendo hidrógeno y oxigeno. Los átomos de hidrógeno se disuelven en la soldadura y en la zona térmicamen- te afectada, y pueden causar agrietamiento en frío. Este tipo de grietas es más común en los metales base de aceros endurecibles

y en los metales de soldadura de aceros de alta resistencia. Un exceso de humedad en la cobertura de los electrodos puede originar porosidad en el metal de soldadura depositado.

A fin de minimizar los problemas de humedad, sobre todo con los electrodos de bajo hidrógeno, es preciso empacarlos, almacenarlos y manejarlos correctamente. Este control es crítico para los electrodos que se usan para soldar metales base endurecibles. El control de la humedad aumenta en importancia conforme se incrementa la resistencia mecánica del metal de soldadura o del metal base. Se usan estufas de retención para los electrodos de bajo hidrógeno que se han sacado de su recipiente sellado y no se han usado durante un tiempo determinado. Este periodo puede ser tan bajo como media hora o tan alto como ocho horas, dependiendo de la resistencia mecánica del electrodo, de la humedad durante la exposición e incluso del recubrimiento específico del electrodo. El tiempo que un electrodo puede conservarse fuera de una estufa o calentador de varillas se reduce al aumentar la humedad.

La temperatura de la estufa de retención debe estar dentro del intervalo de 65 a 150°C (150 a 3OOOF). Los electrodos que han estado expuestos demasiado tiempo deben cocerse a una temperatura bastante más alta para expulsar la humedad absorbida. Es necesario seguir las recomendaciones específicas del fabricante del electrodo porque las limitaciones de temperatura y tiempo pueden variar de un fabricante a otro, incluso para electrodos con la misma clasificación. Un calentamiento excesivo puede dañar la cobertura del electrodo.

APLICACIONES

MATERIALES EL PROCESO sMAW puede servir para unir la mayor parte de los metales y aleaciones comunes. La lista incluye los aceros al carbono, los de baja aleación, los aceros inoxidables y el hierro colado, así como cobre, níquel y aluminio y sus aleaciones. La soldadura por arco de metal protegido también se usa para unir una amplia gama de materiales químicamente disimiles.

El proceso no se usa para materiales en los que resulta insatisfactoria la protección del arco provista por los productos gaseosos de una cobertura de electrodo. Los metales reactivos (Ti, Zr) y refractarios (Cb, Ta, Mo) pertenecen a esta categoría.

ESPESORES EL PROCESO DE arco de metal protegido se puede adaptar a materiales de cualquier espesor dentro de ciertos límites prácti- cos y económicos. Si el espesor es menor que unos 1.6 mm (1/16 pulg), el metal base se fundirá de lado a lado y el metal derretido se perderá a menos que se empleen procedimientos de fijación y soldadura especiales. No hay un límite superior para el espesor, pero otros procesos como SAW o FCAW pueden ofrecer mayo-

res tasas de deposición y ahorros para casi todas las aplicaciones en las que intervienen espesores de más de 38 mm (1.5 pulg). La mayor parte de las aplicaciones de SMAW implican espesores de entre 3 y 38 mm (1/8 y 1.5 pulg), excepto cuando la configu- ración de las piezas de trabajo es irregular. Estas configuraciones representan una desventaja de tipo económico para los procesos de soldadura automatizados, y en tales casos es frecuente usar el proceso por arco de metal protegido para soldar materiales de hasta 250 mm (10 pulg) de espesor.

POSICIÓN DE SOLDADURA UNA DE LAS ventajas importantes de SMAW es que puede soldarse en cualquier posición con la mayor parte de los materiales para los que el proceso es apropiado. Esto hace que el proceso sea de utilidad para soldar uniones que no se pueden colocar en la posición plana. A pesar de esta ventaja, es recomendable soldar en la posición plana siempre que resulte prác- tico porque se requiere menos habilidad y es posible usar electrodos más grandes que ofrecen mayores tasas de deposición. Las soldaduras en posición vertical o por encima de la cabeza



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(cenital) requieren mayor habilidad por parte del soldador y se realizan con electrodos de menor diámetro. Los diseños de las uniones para soldadura vertical y cenital pueden ser diferentes de los apropiados para soldar en la posición plana.

la operación. Puede soldarse en interiores o exteriores, en una línea de producción, un barco, un puente, un armazón de edificio, una refinería de petróleo, una tubería a campo traviesa o cualquier otro trabajo de esta clase. No se requieren mangueras de gas ni de agua, y los cables de soldadura se pueden extender a una distancia considerable de la fuente de Potencia. En áreas

UBICACIÓN DE LA SOLDADURA remotas es posible usar unidades que trabajan con gasolina o diesel. A pesar de esta versatilidad, siempre es recomendable

La sencillez del equipo hace que SMAW sea un proceso extremadamente versátil en lo tocante a la ubicación y el entorno de

usar el proceso en un entorno que lo proteja del viento, la lluvia y la nieve.

DISEÑO Y PREPARACIÓN DE LAS UNIONES

TIPOS DE SOLDADURAS LAS W O N E S SOLDADAS se diseñan teniendo en cuenta en primer término la resistencia mecánica y la seguridad que la pieza soldada debe ofrecer en las condiciones de servicio a las que se someterá. Siempre debe considerarse la forma en que se aplica- rán los esfuerzos de servicio, y la temperatura a la que se expondrá la pieza soldada. Una unión que soportará una carga dinámica puede ser muy distinta de otra permitida bajo carga estática.

La carga dinámica exige considerar la resistencia a la fatiga y a la fractura friable. Esto, entre otras cosas, obliga a diseñar las uniones de modo que se reduzcan o eliminen los puntos de concentración de esfuerzos. El diseño también debe equilibrar los esfuerzos residuales y lograr un nivel de estos esfuerzos lo más bajo posible. La soldadura debe producir una unión con la resistencia mecánica requerida.

Además de los requerimientos de servicio, las uniones soldadas deben diseñarse de modo que sean económicas y accesibles para el soldador durante la fabricación. La accesibilidad de las uniones puede mejorar la capacidad del soldador para satisfacer los requisitos de hechura y calidad deseados, y puede ayudar a controlar la distorsión y a reducir los costos de soldadura. A con- tinuación se analizará el efecto del diseño sobre algunos de estos aspectos.

Soldaduras de surco SE EMPLEAN DIFERENTES tipos de diseños de unión para soldaduras de surco. En la selección del diseño más apropiado para un aplicación específica influyen los siguientes factores:

(1) Idoneidad para la estructura que se considera. (2) Accesibilidad de la unión para soldarla. (3) Costo de soldadura. (4) Posición en que se soldará.

Los surcos cuadrados son los más económicos de preparar, pues sólo requieren un recorte recto del borde de cada miembro. Este tipo de unión está limitado a los espesores en los que puede obtenerse resistencia mecánica e integridad satisfactorias. En el caso de SMAW, dicho espesor casi nunca es mayor que unos 6 mm (1/4 pulg) y eso sólo cuando la unión se va a soldar en la

posición plana por ambos lados. También debe considerarse el tipo de material que se va a soldar.

Si se van a soldar miembros más gruesos, el borde de cada miembro debe prepararse con un perfil que permita dirigir el arco al punto en el que debe depositarse el metal de soldadura. Esto es necesario para que haya fusión hasta la profundidad requerida.

Por economía y también para reducir la distorsión y los esfuerzos residuales, el diseño de la unión debe incluir una abertura de raíz y un ángulo de surco que confiera resistencia mecánica e integridad suficientes con la deposición de la mínima cantidad de metal de aporte. La clave para lograr la integridad es que pueda tenerse acceso a la raíz y las paredes laterales de la unión. Las uniones de surco en “J” y de surco en “ U son recomendables para secciones gruesas. En secciones muy gruesas, los ahorros de metal de aporte y tiempo de soldadura alcanzan a compensar con creces el costo adicional de prepara- ción de estas uniones. El ángulo de las paredes laterales debe ser suficientemente grande como para evitar el atrapamiento de escoria.

Soldaduras de filete SI LOS REQUERIMIENTOS de servicio de la pieza soldada lo permiten, es común usar soldaduras de filete en lugar de soldaduras de surco, pues requieren poca o ninguna preparación de la unión, si bien las soldaduras de surco en ocasiones requieren menos soldadura. Puede usarse soldadura de filete intermitente si una soldadura continua conferiría más resistencia mecánica que la necesaria para soportar la carga.

La soldadura de filete a menudo se combina con una soldadura de surco para conferir la fortaleza requerida y reducir la concentración de esfuerzos en la unión. Si se emplean filetes cóncavos, se logra una concentración mínima de esfuerzos en la base de la soldadura.

RESPALDOSDESOLDADURA SI SE REQUIEREN soldaduras con penetración completa y se suelda desde un lado de la unión, puede ser necesario contar con un respaldo de soldadura. El propósito es proveer un lugar para que se deposite la primera capa de metal y así evitar que el metal derretido de esa capa escape por la raíz de la unión.



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Son cuatro los tipos de respaldo de uso común:

(1) Tira de respaldo. (2) Soldadura de respaldo. (3) Barra de cobre de respaldo. (4) Respaldo no metálico.

Tira de respaldo UNA TIRA DE respaldo es una tira de metal que se coloca detrás de la unión, como se muestra en la figura 2.6 (A). La primera pasada de soldadura pega ambos miembros de la unión a sí mismos y a la tira de respaldo. La tira puede dejarse en su lugar si no interfiere con el servicio de la unión; de lo contrario, deberá eliminarse, para lo cual es preciso que el lado de atrás de la unión esté accesible. Si no es así, habrá que usar alguna otra forma de realizar una pasada de raíz apropiada.

La tira de respaldo siempre debe ser de un material metalúr- gicamente compatible con el metal base y el electrodo que se usará para soldar. Si el diseño lo permite, otro miembro de la estructura puede servir como respaldo para la soldadura. La figura 2.6 (B) presenta un ejemplo de esto. En todos los casos, es importante que la tira de respaldo y las superficies de la unión estén limpias para evitar la porosidad y la inclusión de escoria en la soldadura. También es importante que la tira de respaldo embone debidamente, pues de lo contrario el metal de soldadura fundido escumrá por cualquier hueco entre la tira y el metal base en la raíz de la unión.

Barra de respaldo de cobre EN OCASIONES SE utiliza una barra de cobre para sostener el charco de soldadura en la raíz de la unión. Se usa cobre en virtud de su elevada conductividad térmica, que ayuda a evitar que el metal de soldadura se fusione con la barra de respaldo. Con todo, la barra de cobre debe tener la masa suficiente para no derretirse durante la deposición de la primera pasada de soldadura. En aplicaciones de alta producción es posible pasar agua por agujeros en la barra para eliminar el calor que se acumula durante la soldadura continua. Sea cual sea el método de enfriamiento empleado, no deberá permitirse que el arco incida sobre la barra de cobre, pues si ésta se funde aunque sea un poco el metal de soldadura se contaminará con cobre. La barra puede tener surcos para dar a la cara de raíz el perfil y el refuerzo deseados.

Respaldo no metálico EL RESPALDO NO metálico con fundente granular o bien material refractario es otro método que se usa para producir una pasada inicial íntegra. La principal función del fundente es sostener el metal de soldadura y moldear la superficie de la raíz. Una capa de fundente granular se sostiene contra la parte de atrás de la soldadura con algún método como podría ser una manguera para incendio presurizada. Los sistemas de este tipo se usan en trabajos de línea de producción, aunque no se utilizan mucho para SMAW.

EI respaldo refractario consiste en una pieza moldeada flexible que se sostiene contra el dorso de la soldadura mediante

(A) TIRA DE RESPALDO (B) RESPALDO DE ESTRUCTURA

~ ~~

Figura 2.ô-Respaldo de metal fusionable para una soldadura

abrazaderas o cinta sensible a la presión. Este tipo de respaldo se usa ocasionalmente con el proceso SMAW, aunque se requieren técnicas de soldadura especiales para obtener buenos resultados de manera consistente. Es importante seguir las recomendaciones del fabricante del respaldo.

Soldadura de respaldo UNA SOLDADURA DE respaldo consiste en una o más pasadas de respaldo en una unión de surco único. Esta soldadura se deposita en el dorso de la unión antes de depositarse la primera pasada en el anverso. Este concepto se ilustra en la figura 2.7. Después de la soldadura de respaldo, todas las pasadas subsecuentes se realizan en el surco desde el anverso. La raíz de la unión puede amolarse o biselarse después de aplicarse la soldadura de respaldo a fin de producir metal limpio e íntegro sobre el cual depositar la primera pasada del anverso de la unión.

La soldadura de respaldo puede hacerse con el mismo proceso que el empleado para soldar el surco, o con uno distinto. Si se emplea el mismo proceso, los electrodos deberán tener la misma clasificación que aquellos con los que se soldará el surco. Si se utiliza otro proceso, como el de soldadura por arco de tungsteno y gas, las varillas de soldadura deberán depositar metal que tenga composición y propiedades similares a las del metal de soldadura de SMAW. EI metal de soldadura de respaldo debe tener el

SOLDADURA DE SURCO HECHA DESPUES DE SOLDAR EL OTRO LADO

SOLDADURA DE RESPALDO

Fiaura 2.7-Soldadura de remaldo tirica



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00

T = 1/16 MÁX PARATODAS LAS UNIONES

UNIONES DE SURCO CUADRADO SOLDADAS POR UN LADO

T T 1 t-R loo 7- DIM T DIM R

118 A 114 TI2 MÁX

UNIONES DE SURCO CUADRADO SOLDADAS POR AMBOS LADOS

118 MÁX O

T i 1 P T M i N

T = 311 6 MÁX T-

UNIONES DE SURCO CUADRAW SOLDADAS POR UN L A W CON RESPALDO

1/16 A 118 UNION RECOMENDADA PARA POSICION HORIZONTAL

UNIONES DE SURCO EN "V" UNICO SOLDADAS POR UNO O AMBOS LADOS

espesor suficiente para soportar cualquier carga que se aplique. Esto es importante sobre todo cuando es necesario cambiar de posición la pieza soldada después de haber depositado la soldadura de respaldo y antes de soldar el surco.

X DIM R POSICIONES 5"AlO" _ _ _ ~ 1 /4 TODAS UNIÓN RECOMENADADA 450

200 1 /2 120 1 /2 F

F,V,O PARA POSICION HORIZONTAL

UNIONES DE SURCO EN " V ÚNICO SOLDADAS POR UN LADO CON RESPALDO

114 118 A 114

UNIÓN RECOMENDADA PARA POSICION HORIZONTAL

UNIONES DE SURCO EN "V" SOLDADAS POR AMBOS LADOS

1/16 MÁX A 114

MAX 118 A 114 3/16 MíN

UNIONES DE SURCO DE BISEL UNICO SOLDADAS POR UNO O AMBOS LADOS

TODAS LAS DIMENSIONES EN PULGADAS EXCEPTO LOS ÁNGULO:

EMBONAMIENTO EL EMBONAMIENTO DE la unión implica la colocación de los miembros de la unión de modo que se obtengan las dimensiones y la alineación especificadas para el surco.'Los puntos que deben cuidarse son la abertura de la raíz y la alineación de los miembros a lo largo de la raíz de la soldadura. Estas dos cosas influyen de manera importante sobre la calidad de la soldadura y la econo- mía del proceso. Una vez que la unión se ha alineado correctamente a todo lo largo, hay que mantener las posiciones de los miembros por medio de abrazaderas o soldaduras provisionales. Es posible colocar barras de dedo o puentes en "U" atravesando la unión y soldarlas provisionalmente a cada uno de los miembros.

Si la abertura de la raíz no es uniforme, la cantidad de metal de soldadura variará de un lugar a otro a lo largo de la unión. En consecuencia, el encogimiento, y por tanto la distorsión, no será uniforme. Esto puede ser un problema si las dimensiones del

ensamble terminado se predicen con base en un encogimiento uniforme y controlado.

Una desalineación a lo largo de la raíz de la soldadura puede causar falta de penetración en algunas áreas o un perfil deficiente de la superficie de la raíz, o ambas cosas. Una abertura insuficiente de la raíz puede ser causa de penetración incompleta en la unión; una abertura demasiado ancha dificulta la soldadura y requiere más metal para llenar la unión. Esto, desde luego, implica un costo adicional. En miembros delgados, una abertura de raíz excesiva puede ocasionar perforación del dorso de la unión, e incluso hacer que se demta'el borde de uno de los miembros, o ambos.

GEOMETRíAS DE UNIÓN TíPICAS LOS SURCOS DE soldadura que se muestran en la figura 2.8 ilustran los diseños y dimensiones típicos de las uniones para soldar acero por arco de metal protegido. En general, estas uniones son apropiadas para lograr soldaduras integrales en forma económica. Es posible que se requieran otros diseños de unión o cambios en las dimensiones sugeridas para aplicaciones especiales.

Figura 2.8-Geometrías de unión típicas para soldar acero por arco de metal protegido



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X DIM. R POSICIONES ~

450 1 /4 TODAS 200 3/8 TODAS 120 3/8 F.V.0

POSICIONES -~ ÁNGULO x DIM. R

450 1 /4 TODAS 350 3/8 TODAS

UNIONES DE SURCO DE BISEL UNICO SOLDADAS POR UN LADO CON RESPALDO

45" 4 1/16 MÁX yM¡N

1/16 MAX

0 I, II8 A 114

118 A 114 4 NIONES DE SURCO DE DOBLE BISELSOLDADAS POR AMBOS LADOS

ÁNGULOX Ay8 PÖSI~ONES RECOMENDADA PARA

450 TODAS POSICION HORIZONTAL 200 F.V.0 120 F

UNIONES DE SURCO EN 'U" UNICO SOLDADAS POR UNOOAMBOS LADOS

5"AlO"

ÁNGULO X POSICIONES

45 o POSICION HORIZONTAL 200 F.V.0

UNIÓN RECOMENDADA PARA

UNIONES DE SURCO EN "U" DOBLE SOLDADAS POR AMBOS LADOS

3/16 MAX 35' TODAS L1/16A1/0 MAX

3/16 25' F,V.O 1/16 A 1/8 UNIONES DE SURCO EN =I" ÚNICO SOLDADAS POR UNO O AMBOS LADOS

TODAS LAS DIMENSIONES EN PULGADAS EXCEPTO LOS ÁNGULOS

ÁNGULOX POSICIONES

350 MIN TODAS 25'MIN F.V.0

1 /2

UNIONES DE SURCO EN 'J" DOBLE SOLDADAS POR AMBOS LADOS

-4 I-DIÁM

DIÁM ~ _ _ ~ DIM. T

MENOS DE 118 114 M,¡N l!8 A 112 2T MIN

MAS DE 112 T + 1/2

UNIÓN PARA SOLDADURA DE TAPÓN

I DIM. T DIM. W

2 T M¡N 118 o MÁS 1.5TMIN

~

MENOS DE l i a

JNIÓN PARA SOLDADURA DE RANURA

TODAS LAS DIMENSIONES EN PULGADAS EXCEPTO LOS ÁNGULOS

(Cl

Figura 2.&-(ContinÚa)-Geometrías de unión típicas para soldar acero por arco de metal protegido



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PESTAÑAS DE ESCURRIMIENTO EN ALGUNAS APLICACIONES, es necesario llenar por completo el surco hasta los extremos de la unión. En tales casos se emplean pestañas de escurrimiento que, de hecho, extienden el surco más allá de los bordes de los miembros que se van a soldar. La soldadura se prolonga hasta las pestañas. Con esto se asegura que la unión esté llena en toda su longitud hasta la profundidad necesaria con metal de soldadura integro. En la figura 2.9 se muestra una pestaña de escurrimiento tipica. Estas pestañas son lugares excelentes para comenzar a soldar y terminar, pues cualesquier defectos que presenten el inicio y el paro quedarán en áreas que posteriormente se eliminarán.

La selección del material para las pestañas es importante. No debe permitirse que la composición de las pestañas afecte de manera adversa las propiedades del metal de soldadura. Por ejemplo, en el caso de acero inoxidable destinado a servicio en condiciones de corrosión, las pestañas de escurrimiento deben ser de un acero inoxidable de grado compatible. Las pestañas de acero al carbono serían más baratas, pero la fusión con el metal de aporte de acero inoxidable alteraría la composición del metal de soldadura en la juntura entre la pestaña y los miembros de acero inoxidable de la unión. Con toda probabilidad, el metal de soldadura en este punto no tendria la suficiente resistencia a la corrosión.

PRECALENTAMIENTO Es NECESARIO CALENTAR el área que se va a soldar antes de soldar y durante la soldadura, a fin de obtener las propiedades deseadas en la soldadura o en el metal base adyacente, o ambas cosas. Hay que evitar todo precalentamiento innecesario, ya que consume tiempo y energía. Las temperaturas de precalentamien- to excesivas no justifican el costo y podrían degradar las propie-

MISMO SURCO I QUE EN LA PLACA

PESTAÑA DE ESCURRIMIENTO

Figura 2.9-Pestana de escurrimiento en el extremo de una unión

dades y la calidad de la unión. La incomodidad del soldador aumenta si el precalentamiento es muy alto, y la calidad del trabajo tiende a bajar. Las temperaturas de precalentamiento que se usen se basarán en los requisitos de soldadura prescritos, una evauación técnica competente o los resultados de pruebas. En general, la temperatura dependerá del material que se va a soldar, los electrodos que se usarán y el grado de restricción de la unión.

Normalmente se requiere precalentamiento para los aceros endurecibles, los aceros de alta resistencia y cuando se usan electrodos distintos de los de bajo hdrógeno.

En ocasiones se aplica precalentamiento al soldar materiales de elevada conductividad térmica, como las aleaciones de cobre y aluminio, a fin de reducir el amperaje de soldadura requerido, mejorar la penetración y ayudar a fusionar el metal de soldadura y el metal base.

PROCEDIMIENTOS DE SOLDADURA

DIÁMETRO DEL ELECTRODO EL DIhfETRO DE electrodo Correct0 es aquel que, usado con el amperaje y velocidad de desplazamiento correctos, produce una soldadura del tamaño requerido en el tiempo más corto posible.

EI diámetro que se escoja dependerá en gran medida del espesok del material por soldar, la posición en la que se efectuará la soldadura y el tipo de unión. En general se escogerán electrodos más grandes para aplicaciones que impliquen materiales más gruesos y para soldar en la posición plana, a fin de aprovechar sus mayores tasas de deposición.

AI soldar en las posiciones horizontal, vertical y cenital, el metal de soldadura fundido tiende a fluir hacia fuera de ia unión debido a la fuerza de la gravedad. Esta tendencia puede controlarse empleando electrodos pequeños a fin de reducir el tamaño del charco de soldadura. La manipulación del electrodo y la mayor velocidad de recorrido a lo largo de la unión también ayudarán a controlar el tamaño del charco de soldadura.

AI seleccionar el tamaño del electrodo también debe cons- derarse el diseño del surco de la unión. EI electrodo empleado en las primeras pasadas debe ser lo bastante pequeño como para

que pueda manipularse con facilidad en la raiz de la unión. En los surcos en “ V , es frecuente usar electrodos de diámetro pequeño para la pasada inicial, a fin de evitar la perforación y controlar la forma de la franja. Luego pueden usarse electrodos más grandes para completar la soldadura, aprovechando su mayor penetración y altas tasas de deposición.

Por último, la experiencia del soldador a menudo influye en la elección del tamaño del electrodo, sobre todo cuando se va a soldar fuera de posición, ya que la habilidad del soldador determina el tamaño del charco de soldadura que puede controlar.

Se recomienda usar el electrodo de mayor tamaño que no viole cualesquier limitaciones de aporte de calor pertinentes ni deposite una franja demasiado grande. Las soldaduras innecesa- riamente grandes son más costosas y, en algunos casos, incluso perjudiciales. Cualquier cambio repentino en el tamaño de la sección o en el perfil de una soldadura, como sería el caso de una unión sobresoldada, crea concentraciones de esfuerzos. Es obvio que el tamaño de electrodo correcto es aquel que, empleado con el amperaje y velocidad de recorrido apropiados, produce una soldadura del tamaño requerido en el tiempo más corto posible.



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CORRIENTE DE SOLDADURA LA SOLDADURA POR arco de metal protegido puede efectuarse con comente tanto alterna como continua, siempre que se use el electrodo adecuado. El tipo de comente de soldadura, la polaridad y los constituyentes de la cobertura del electrodo afectan la rapidez de fusión de todos los electrodos cubiertos. Para un electrodo determinado, la rapidez de fusión se relaciona directamente con la energía eléctrica suministrada al arco. Parte de esta energía se destina a fundir una porción del metal base, y otra parte sirve para fundir el electrodo.

Corriente continua LA CORRIENTE CONTINUA siempre produce un arco más estable y una transferencia de metal más uniforme que la comente alterna. Esto se debe a que la polaridad de la corriente no está cambiando todo el tiempo, como sucede con Ca. La mayor parte de los electrodos cubiertos trabajan mejor con polaridad inversa (electrodo positivo), aunque algunos son apropiados (e incluso están diseñados) para polaridad directa (electrodo negativo). La polaridad inversa logra mayor penetración, pero la directa aumenta la rapidez de fusión del electrodo.

El arco de cc hace que el charco de soldadura moje mejor las superficies de unión y produce una franja de soldadura de dimensiones más uniformes incluso con amperajes bajos. Por esta razón, la comente continua es ideal para soldar secciones delgadas. La mayor parte de los electrodos combinados de cclca trabajan mejor con cc, a pesar de estar diseñados para operar con cualquiera de los dos tipos de comente.

La corriente continua es la preferida para soldar en posición vertical o cenital, y también para soldar con arco corto. El arco de cc no es tan propenso a entrar en cortocircuito cuando glóbulos de metal fundido se transfieren a través de él.

El golpe del arco puede ser un problema al soldar con cc metales magnéticos (hierro y níquel). Una forma de resolver este problema es cambiar a Ca.

Corriente alterna PARA EL PROCESO SMAW, la corriente alterna ofrece dos ventajas que no tiene la continua. Una es la ausencia de golpe del arco y la otra es el costo de la fuente de potencia.

Al no haber golpe del arco, es posible usar electrodos más grandes y comentes de soldadura más elevadas. Ciertos electrodos (los que tienen hierro pulverizado en su cobertura) están diseñados para operar a mayores amperajes con Ca. Las velocidades de soldadura máximas con SMAW se logran empleando la técnica de arrastre con estos electrodos y con corriente alterna. Es posible que los materiales de fijación, el diseño de las fijaciones y la posición de la conexión de la pieza de trabajo no sean tan críticos si se usa Ca.

Un transformador de ca cuesta menos que una fuente de potencia de cc equivalente, pero el costo del equipo no debe ser el único criterio para seleccionar la fuente de potencia; es preciso considerar todos los factores operativos.

Amperaje LOS ELECTRODOS CUBIERTOS de un tamaño y clasificación espe- cíficos pueden operar de manera satisfactoria a diversos ampe-

rajes dentro de cierto intervalo. Este intervalo varía un poco dependiendo del espesor y la formulación de la cobertura.

La rapidez de deposición aumenta con el amperaje. Para un electrodo de cierto tamaño, los intervalos de amperaje y las tasas de deposición resultantes varían dependiendo de la clasifica- ción del electrodo. En la figura 2.10 se muestra esta variación para diversas clasificaciones de electrodos de acero al carbono del mismo tamaño.

Para un tipo y tamaño de electrodo específicos, el amperaje óptimo depende de varios factores como la posición de soldadura y el tipo de unión. El amperaje debe ser suficiente para obtener una buena fusión y penetración sin perder el control del charco de soldadura. Al soldar en posición vertical o cenital, lo más probable es que los amperajes óptimos estén en la región baja del intervalo permitido.

No conviene usar amperajes que rebasen el intervalo recomendado, ya que el electrodo puede sobrecalentarse y causar demasiadas salpicaduras, golpe del arco, socavamiento y agrietamiento del metal de soldadura. En las figuras 2.11 (A), (B) y (C) se muestra el efecto del amperaje sobre la forma de la franja de soldadura.

LONGITUD DEL ARCO LA LONGITUD DEL arco es la distancia entre la punta derretida del núcleo del electrodo y la superficie del charco de soldadura. Es importante usar un arco con la longitud apropiada para obtener una soldadura de buena calidad. La transferencia de metal desde la punta del electrodo hasta el charco de soldadura no es una acción suave y uniforme. El voltaje instantáneo del arco varía al transferirse gotitas de metal fundido a través del arco, incluso cuando la longitud de éste se mantiene constante. No obstante, las variaciones en el voltaje serán mínimas si se suelda con el amperaje y la longitud de arco correctos. Para lo segundo se requiere una alimentación del electrodo constante y consistente.

La longitud de arco correcta varía con la clasificación del electrodo, su diámetro y la composición de su cobertura; asimis- mo varia con el amperaje y la posición de soldadura. La longitud del arco aumenta al incrementarse el diámetro del electrodo y el amperaje. Por regla general, la longitud del arco no debe exceder el diámetro del alambre del núcleo del electrodo, aunque suele ser aún más corta en el caso de electrodos con cobertura gruesa, como los de hierro en polvo o de “arrastre”.

Si el arco es demasiado corto, puede ser irregular y entrar en cortocircuito durante la transferencia de metal. Por otro lado, si el arco es demasiado largo, carecerá de dirección e intensidad, y tenderá a dispersar el metal fundido que viaja desde el electrodo hasta la soldadura. Las salpicadiiras pueden ser considerables, y la eficiencia de deposición se reducirá. Además, el gas y el fundente generados por la cobertura del electrodo no serán tan eficaces para proteger el arco y el metal de soldadura; esto puede causar porosidad y contaminación del metal de soldadura con oxígeno o hidrógeno, o con ambos.

El control de la longitud del arco es en gran medida cuestión de habilidad del soldador, e implica conocimientos, experiencia percepción visual y destreza manual. Aunque la longitud del arco varía dentro de ciertos límites al cambiar las condiciones, hay algunos principios fundamentales que pueden servir como



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11

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E6010 (cc) ' E6011

125 175 225

E6027 I E601 3

/4 E701 8

200 250 300 225 275 325 2

CORRIENTE DE SOLDADURA, A

E7024

7 x E701 4

1 250 300

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2

1

Figura 2.10-Relación entre tasa de deposición y corriente de soldadura para diversos tipos de electrodos de acero al carbono de 4.8 mm (3116 Dula) de diámetro

guía para determinar la longitud del arco correcta para un conjunto de condiciones determinado.

Si se suelda con la mano hacia abajo, sobre todo si el electrodo tiene cobertura gruesa, la punta del electrodo puede arrastrarse suavemente a lo largo de la unión. En este caso, la longitud del arco estará determinada automáticamente por el espesor del recubrimiento y la rapidez de fusión del electrodo; además, será uniforme. En la soldadura vertical o cenital, el soldador debe estimar la longitud del arco. En estos casos, la longitud correcta será aquella que permita al operador controlar el tamaño y el movimiento del charco de soldadura.

En las soldaduras de filete, el arco debe introducirse en la unión a fin de obtener una penetración y tasa de deposición óptimas. Lo mismo se aplica a las pasadas de raíz en las soldaduras de surco en tuberías.

Si hay golpe del arco, la longitud del arco deberá reducirse hasta donde sea posible. Las diversas clasificaciones de electrodos tienen características de operacióninuy distintas, incluida la longitud del arco. Por ello, es importante que el soldador esté familiarizado con las Características de operación de los tipos de

electrodos que usa; así sabrá cuál es la longitud de arco correcta y qué efectos tienen las diferentes longitudes del arco. En las figuras 2.11 (D) y (E) se muestran los efectos de un arco corto y largo sobre el aspecto de la franja de soldadura cuando se usa un electrodo de acero dulce.

VELOCIDAD DE RECORRIDO LA VELOCIDAD DE recorrido o de desplazamiento es la rapidez con que el electrodo se desplaza a lo largo de la unión. La velocidad de recorrido correcta es aquella que produce una franja de soldadura con el perfil y el aspecto correctos, como se muestra en la figura 2.11 (A). Son varios los factores que determinan cuál debe ser la velocidad correcta:

(1) Tipo de corriente de soldadura, amperaje y polaridad. (2) Posición de soldadura. (3) Rapidez de fusión del electrodo. (4) Espesor del material. (5) Condición de la superficie del metal base.



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(6) Tipo de unión. (7) Embonamiento de la unión. (8) Manipulación del electrodo.

Al soldar, la velocidad de recorrido debe ajustarse de modo que el arco vaya un poco adelante del charco de soldadura. Hasta cierto punto, un aumento en la velocidad de recorrido reduce el ancho de la franja de soldadura y aumenta la penetración. Más allá de ese punto, el incremento en la velocidad de recorrido puede reducir la penetración, causar un deterioro de la superficie de la franja y producir un socavamiento en los bordes de la soldadura, dificultar la eliminación de la escoria y atrapar gas (porosidad) en el metal de soldadura. El efecto de una velocidad de recorrido alta se muestra en la figura 2.11 (G). Si la velocidad de recorrido es baja, la franja de soldadura será ancha y convexa, con poca penetración, como se ilustra en la figura 2.11 (F). La falta de penetración se debe a que el arco se queda en el charco de soldadura en vez de adelantarse a él y concentrarse en el metal base. Esto, a su vez, afecta la dilución. Si es necesario controlar la dilución (por ejemplo, al aplicar revestimientos), habrá que mantener baja la velocidad de recorrido.

La velocidad de recorrido también influye en el aporte de calor, y por tanto afecta las estructuras metalúrgicas del metal de soldadura y de la zona térmicamente afectada. Si la velocidad de recorrido es baja, se incrementa el aporte de calor y en

consecuencia la anchura de la zona térmicamente afectada, y se reduce la rapidez de enfriamiento de la soldadura. La velocidad de recorrido hacia adelante necesariamente se reduce cuando se aplica una franja ?tejida? (con un movimiento zigzagueante del electrodo), en comparación con las velocidades que pueden lograrse aplicando una franja recta. Un aumento en la velocidad de recorrido reduce el tamaño de la zona afectada por el calor y eleva la rapidez de enfriamiento de la soldadura. El aumento en la tasa de enfriamiento puede elevar la resistencia mecánica y ia dureza de una soldadura en un acero endurecible, a menos que se precaliente hasta un nivel tal que se evite el endurecimiento.

ORIENTACION DEL ELECTRODO LA ORIENTACIONDEL electrodo con respecto al trabajo y al surco de soldadura es importante para la calidad de la soldadura. Una orientación incorrecta puede causar atrapamiento de escoria, porosidad y socavamiento. La orientación adecuada depende del tipo y tamaño del electrodo, la posición de soldadura y la geo- metría de la unión. Un soldador experimentado toma en cuenta todos estos factores automáticamente al determinar la orienta- ción que usará para una unión especifica. Se emplea el ángulo de desplazamiento y el ángulo de trabajo para definir la orien- tación del electrodo.

A B C D E F G

Figura 2.11-Efectos del amperaje, la longitud del arco y la velocidad de recorrido al soldar; (A) amperaje, longitud de arco y velocidad de recorrido correctos; (B) amperaje demasiado bajo; (C) amperaje demasiado alto; (D) arco

demasiado corto; (E) arco demasiado largo; (F) velocidad de recorrido demasiado lenta; (G) velocidad de recorrido excesiva



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El ángulo de desplazamiento es el ángulo menor que 90 grados entre el eje del electrodo y una línea perpendicular al eje de soldadura, en un plano deteminado por el eje del electrodo y el eje de soldadura. El ángulo de trabajo es el ángulo me- nor que 90 grados entre una línea perpendicular a la superficie principal de ia pieza de trabajo y un plano determinado por el eje del electrodo y el eje de soldadura. Si el electrodo apunta hacia la dirección de soldadura, se está usando la técnica de derecha, y en tal caso el ángulo de desplazamiento se denomina ángulo de empuje. En la técnica de dorso el electrodo apunta en dirección opuesta a la de soldadura, y el ángulo de desplazamiento es el ángulo de arrastre. Estos ángulos se muestran en la figura 2.12.

En la tabla 2.3 se indica la orientación del electrodo y la técnica de soldadura típicas para soldaduras de surco y de filete, para electrodos de acero al carbono. Estos valores pueden ser distintos para otros materiales. Si la orientación es la correcta se puede controlar mejor el charco de soldadura, la penetración deseada y la fusión con el metal base.

Un ángulo de desplazamiento excesivo puede producir una franja convexa con insuficiente penetración y una forma deficiente, en tanto que un ángulo de desplazamiento demasiado pequeño puede causar atrapamiento de escoria. Un ángulo de trabajo grande puede producir socavamiento, pero si es demasiado pequeño el resultado puede ser falta de fusión.

TÉCNICA DE SOLDADURA EL PRIMER PASO para soldar por arco de metal protegido es reunir el equipo, materiales y herramientas apropiados para el trabajo. A continuación hay que determinar el tipo de comente de soldadura y su polaridad (si es cc), y ajustar la fuente de potencia de manera acorde. También es preciso ajustar la fuente de potencia de modo que produzca la característica volt-ampere apropiada (voltaje de circuito abierto) para el tamaño y tipo de electrodo que se usará. Después de esto, el trabajo se coloca en posición para soldar y, de ser necesario, se sujeta.

Ei arco se enciende golpeando suavemente la pieza de trabajo con la punta del electrodo cerca del lugar donde se comenzará a soldar, y retirando de inmediato el electrodo una distancia corta para producir un arco de la longitud correcta. Otra técnica para encender el arco consiste en usar un movimiento de frotación similar al que se usa para encender un fósforo. Cuando el

electrodo toca el trabajo, tienden a pegarse; el propósito del movimiento de golpe o de frotación es evitar esto. Si el electrodo se pega, es preciso despegarlo de inmediato; de lo contrario, se sobrecalentará y los intentos por despegarlo de la pieza de trabajo sólo lograrán que se doble. En un caso así será necesario usar un martillo y un cincel.

La técnica para volver a encender el arco una vez que se ha interrumpido varía un poco dependiendo del tipo de electrodo. En general, la cobertura de la punta del electrodo se vuelve conductora cuando se calienta durante la soldadura. Esto ayuda a reiniciar el arco si se hace antes de que el electrodo se enfríe. El encendido y reencendido del arco se facilitan mucho si el electrodo tiene una proporción apreciable de polvos metálicos en su cobertura, ya que tales coberturas conducen ia electricidad aun frías. Si se usan electrodos con cobertura gruesa pero no conductora, como los E6020, los de bajo hidrógeno y los de acero inoxidable, puede ser necesario romper la cobertura en la punta para dejar al descubierto el alambre del núcleo y poder reencender el arco con facilidad.

El encendido del arco cuando se usan electrodos de bajo hidrógeno requiere una técnica especial para evitar la porosidad de la soldadura en el punto donde se inicia el arco. Esta técnica consiste en encender el arco unos cuantos diámetros de electrodo más adelante de punto donde se desea comenzar a soldar. En seguida se regresa rápidamente el electrodo y se suelda normalmente. La soldadura continúa sobre el área donde se encendió originalmente el arco, volviendo a fundir cualesquier glóbulos pequeños de metal de soldadura que puedan haber quedado después de encender el arco.

Durante la soldadura, el operador mantiene una longitud de arco normal moviendo el electrodo uniformemente hacia el trabajo conforme el electrodo se funde. Al mismo tiempo, el electrodo se desplaza de manera constante a lo largo de la unión en la dirección de soldadura para formar la franja.

Hay varias técnicas para romper el arco. Una de ellas consiste en acortar el arco rápidamente y luego sacar el electrodo del cráter con unmovimiento lateral brusco. Esta técnica se emplea cuando se va a reemplazar un electrodo agotado, en cuyo caso la soldadura continuará a partir del cráter. Otra técnica consiste en detener el movimiento hacia adelante del electrodo y dejar que el cráter se llene, retirando después el electrodo gradualmente para romper el arco. Cuando se continúa una soldadura a partir de un cráter, el arco deberá encenderse en el borde delantero del cráter, moverse de inmediato al lado opuesto del cráter y ade-

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Tabla 2.3 Orientación del electrodo y técnica de soldadura típicas para soldar por arco de metal protegido con electrodos

de acero al carbono

Tipo de unión Posición

de soldadura Surco Surco Surco Surco Filete Filete Filete

Plana Horizontal Vertical subiendo Cenital Horizontal Vertical subiendo Cenital

Ángulo de trabajo, grados

90 80-1 O0

90 90 45

35-45 30-45

Ángulo de desplazamiento, grados 5-1 o' 5-10 5-1 O 5-1 O 5-1 O* 5-10 5-1 O

Técnica de soldadura

De dorso De dorso De derecha De dorso De dorso De derecha De dorso

* EI ángulo de desplazamiento puede ser de 10" a 30" para electrodos con coberturas de hierro en polvo gruesas.



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ANGULO DE EMPUJE AL SOLDAR DE DERECHA

i

EJE DE SOLDADURA (A) SOLDADURA DE SURCO

ÁNGULO DE TRABAJO

ÁNGULO DE EMPUJE AL SOLDARDEDERECHA

ÁNGULO DE ARRASTRE AL SOLDAR DE DORSO

EJE DE SOLDADU

(B) SOLDADURA DE FILETE

Fiaura 2.12-Orientación del electrodo



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(3) El tamaño de las gotas de metal de aporte fundido y

(4) La ionización del trayecto del arco desde el electrodo al

(5 ) La manipulación del electrodo.

escoria en el arco.

trabajo.

lantarse lentamente para continuar con la soldadura. Así, el cráter se llenará sin causar porosidad ni atrapar escoria. Esta técnica tiene importancia especial cuando se usan electrodos de bajo hidrógeno.

ELIMINACIÓN DE ESCORIA LA MINUCIOSIDAD CON que se elimina la escoria de cada franja de soldadura antes de soldar sobre ella influye directamente en la calidad de las soldaduras de múltiples pasadas. Si no se limpia exhaustivamente cada franja, aumenta la probabilidad de atrapar escoria y, por tanto, de producir una soldadura defectuosa. Para la eliminación completa y eficiente de la escoria es necesario que cada franja tenga el perfil apropiado y que se funda en forma continua con la franja o el metal base adyacente.

Las franjas pequeñas se enfrían con mayor rapidez que las grandes, lo que facilita la eliminación de escoria de las franjas pequeñas. Las franjas cóncavas o planas cuyos bordes se con- funden con el metal base o la franja adyacente, si la hay, minimizan el socavamiento e impiden que se forme una muesca aguda en el borde de la franja donde podría pegarse la escoria. Por último, es vital que el soldador pueda reconocer las áreas donde podría quedar atrapada la escoria. Los soldadores experimentados saben que es preciso eliminar toda la escoria antes de continuar con una soldadura.

CONEXIÓN CON LA PIEZA DE TRABAJO ES IMPRESCINDIBLE CONECTAR debidamente el cable del trabajo cuando se suelda con arco de metal protegido. La ubicación del cable es importante sobre todo al soldar con cc. Si la posición no es la correcta, puede fomentar el golpe del arco y dificultar el control de éste. Además, es importante la forma como se sujeta el cable. Una conexión deficiente no establece un contacto eléctrico consistente, y se calienta. Esto puede hacer que se interrumpa el circuito y se rompa el arco. Lo mejor es una zapata de contacto de cobre fijada con una abrazadera con forma de “C”. Si la adhesión de cobre al metal base debida a esta conexión resulta perjudicial, la zapata de cobre deberá sujetarse a una placa que sea compatible con el trabajo. La placa, a su vez, se sujetará al trabajo. En el caso de contactos rotatorios, el contacto se hará con zapatas que se deslicen sobre el trabajo, o cojinetes de rodillo sobre el eje en el que se monta el trabajo. Si se emplean zapatas deslizanies, conviene usar por lo menos dos. Si se emplea sólo una zapata y se pierde momentáneamente el contacto, el arco se extinguirá.

ESTABILIDAD DEL ARCO SE NECESITA UN arco estable para producir soldaduras de calidad. Los defectos como fusión inconsistente, escoria atrapada, agujeros de respiración y porosidad pueden ser el resultado de un arco inestable.

Los siguientes factores influyen de manera importante en ia estabilidad del arco:

(1) El voltaje de circuito abierto de la fuente de potencia. (2) Las características de recuperación de voltajes transito-

rios de la fuente de potencia.

Los dos primeros factores tienen que ver con el diseño y las características de operación de la fuente de potencia. Los dos que siguen son funciones del electrodo. La última representa la habilidad del soldador.

El arco de un electrodo cubierto es transitorio, incluso cuando el soldador mantiene una longitud de arco más o menos constante. La máquina soldadora debe poder responder con prontitud cuando el arco tiende a apagarse, o está en cortocircuito a través de las gotas de metal que forman un puente en el espacio del arco. En tal caso, se requiere un pico de comente para despejar el cortocircuito. Si se usa ca, es importante que el voltaje pase por cero antes que la corriente lo haga. Si los dos están en fase, el arco será muy inestable. Este desplazamiento de fase debe estar integrado al diseño de la máquina soldadora.

Algunos ingredientes de la cobertura del electrodo tienden a estabilizar el arco, y son necesarios para que un electrodo trabaje bien con ca. Algunos de estos ingredientes son dióxido de titanio, feldespato y diversos compuestos de potasio (incluido el aglutinante, silicato de potasio). La inclusión de uno o más de estos compuestos estabilizadores del arco en la cobertura sum- nistra un gran número de partículas fácilmente ionizables que contribuyen a la ionización del chorro del arco. Así pues, tanto el electrodo como la fuente de potencia y el soldador contribuyen a la estabilidad del arco.

GOLPE DEL ARCO EL GOLPE DEL arco se presenta con mayor frecuencia al soldar con cc materiales magnéticos (hierro y níquel). Puede ocurrir con ca, en ciertas condiciones, pero estos casos son poco frecuentes y la intensidad del golpe siempre es mucho menos severa. La corriente continua, al fluir por el electrodo y el metal base, crea campos magnéticos alrededor del electrodo que tienden a desviar el arco del trayecto deseado. El arco puede des- viarse lateralmente, pero lo más común es que desvíe hacia adelante o hacia atrás a lo largo de la unión. El golpe hacia atrás se presenta cuando se suelda hacia la conexión con la pieza de trabajo cerca del extremo de la unión o en una esquina. El golpe hacia adelante se presenta cuando se suelda alejándose del cable al principio de la unión, como se muestra en la figura 2.13.

@CONEXIÓN CON LA PIEZA DE TRABAJO J

Figura 2.13-Efecto de ia ubicación de la conexión con ia pieza de trabajo sobre el golpe de arco



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El golpe del arco puede hacer que la fusión no sea completa y haya un exceso de salpicaduras, y puede ser tan severo que imposibilite la producción de una soldadura satisfactoria. Al soldar con electrodos de hierro en polvo o electrodos que producen mucha escoria, el golpe hacia adelante puede ser particularmente problemático, ya que permite que la escoria fundida, que normalmente está restringida al borde del cráter, fluya hacia adelante bajo el arco.

La flexión del arco en estas condiciones se debe a los efectos de un campo magnético desequilibrado. Si hay una mayor con- centración de flujo magnético en un lado del arco que en el otro, el arco siempre se flexiona alejándose de la concentración más alta. La fuente del flujo magnético sigue la regla eléctrica según la cual un conductor que transporta una comente eléctrica produce un campo magnético en círculos alrededor del conductor. Estos círculos están en planos perpendiculares al conductor y se centran en él.

AI soldar, este flujo magnético se superpone al acero y cruza el espacio que se va a soldar. El flujo en la placa no causa problemas, pero una concentración desigual de flujo a través del espacio o alrededor del arco hace que éste se flexione alejándose de la concentración más alta. Puesto que el flujo atraviesa el acero con mucha mayor facilidad que el aire, el trayecto del flujo tiende a permanecer dentro de las placas de acero. Por esta razón, cuando el electrodo está cerca de un extremo de la unión, el flujo alrededor del electrodo se concentra entre éste y el extremo de la placa. Esta mayor Concentración del flujo en un lado del arco, al principio o al final de una soldadura, desvía el arco alejándolo de los extremos de las placas.

El golpe hacia adelante aparece momentáneamente al principio de una soldadura y después disminuye; esto se debe a que el flujo pronto encuentra un camino fácil a través del metal de soldadura. Una vez que el flujo magnético detrás del arco se concentra en la placa y en la soldadura, la principal influencia sobre el arco será la del flujo que está adelante de él, cuando este flujo cruza la abertura de la raíz. En este momento puede aparecer el golpe hacia atrás, y la posibilidad de que ocurra está latente hasta llegar al final de la unión. Cuando la soldadura se aproxima al final, el flujo adelante del arco se constriñe cada vez

más, incrementando el golpe hacia atrás. En el final mismo de la unión, el golpe hacia atrás puede hacerse muy severo.

La comente de soldadura que atraviesa el trabajo crea un campo magnético a su alrededor, perpendicular al trayecto de la comente entre el arco y la conexión con la pieza de trabajo. El campo magnético alrededor del arco es perpendicular al campo en el trabajo, y esto hace que el flujo magnético se concentre en el lado del arco que da hacia el cable conectado al trabajo; esta concentración tiende a empujar el arco en dirección opuesta. Los dos campos de flujo magnético que hemos mencionado son en realidad un solo campo, perpendicular al trayecto de la comente a través del cable, el trabajo, el arco y el electrodo.

Si el golpe del arco no es demasiado severo, hay varias medidas correctivas que pueden tomarse para eliminarlo, o por lo menos reducir su severidad. Quizá sea necesario tomar algunas de las siguientes medidas, o todas:

(1) Coloque las conexiones con la pieza de trabajo lo más lejos posible de las uniones que vaya a soldar.

(2) Si el problema es un golpe hacia atrás, coloque la cone- xión con la pieza de trabajo al principio de la soldadura, y suelde hacia una soldadura provisional gruesa.

(3) Si hay problema por golpe hacia adelante, coloque la conexión con la pieza de trabajo al final de la unión que va a soldar.

(4) Sitúe el electrodo de modo que la fuerza del arco se oponga al golpe del arco.

(5) Emplee el arco más corto posible que se ajuste a las prácticas de soldadura recomendadas. Esto ayudará a que la fuerza del arco contrarreste el golpe.

(6) Reduzca la comente de soldadura. (7) Suelde hacia una soldadura provisional gruesa o una

(8) Emplee la secuencia de soldadura de paso hacia atrás. (9) Cambie a ca, lo que puede requerir un cambio de clasifi-

cación de electrodo. (10) Enrolle el cable de trabajo alrededor de la pieza de

trabajo en dirección tal que el campo magnético creado contrarreste el campo magnético que causa el golpe del arco.

pestaña de escurrimiento.

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CALIDAD DE LA SOLDADURA LA UNIÓN SOLDADA debe tener las cualidades necesarias para desempeñar su función esperada en servicio. Para ello, la unión ha de poseer las propiedades físicas y mecánicas requeridas, y para esto pueden ser necesarias cierta microestructura y compo- sición química. También son importantes el tamaño y la forma de la soldadura, así como la integridad de la unión. Tal vez se necesite resistencia a la corrosión. En todos estos aspectos influyen los materiales base, los materiales de soldadura y la manera de soldar.

La soldadura por arco de metal protegido es un proceso manual, y la calidad de la unión depende de la habilidad del soldador que la produce. Por esta razón, es preciso seleccionar

con cuidado los materiales que se usarán, el soldador debe ser apto, y el procedimiento que use debe ser el correcto.

Las uniones soldadas, por su naturaleza, contienen discontinuidades de diversos tipos y tamaños. Por debajo de cierto nivel aceptable, éstas no se consideran perjudiciales; por encima de ese nivel, se consideran defectos. EI nivel de aceptación puede variar con la severidad de las condiciones de servicio, pero lo más común es que se base en requisitos de los contratos de fabricación o en un código o especificación determinados.

En las soldaduras hechas con el poceso SMAW a veces se encuentran las siguientes discontinuidades:



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Porosidad. Inclusiones de escoria. Fusión incompleta. Socavamiento. Grietas.

POROSIDAD ESTE TÉMINO SE emplea para describir las bolsas de gas o huecos en el metal de soldadura. Estos huecos son el resultado de la formación de gases por ciertas reacciones químicas que ocurren durante la soldadura. Contienen gas en vez de sólidos, y en este sentido se distinguen de las inclusiones de escoria.

Por lo regular, la porosidad puede prevenirse empleando el amperaje apropiado y manteniendo un arco con la longitud correcta. En muchos casos también resultan útiles los electrodos secos. Si se emplea una comente elevada o un arco largo, los desoxidantes que un electrodo cubierto requiere se pierden fácilmente durante la deposición; la cantidad que queda no basta para desoxidar debidamente el metal derretido.

INCLUSIONES DE ESCORIA ESTE TÉRMINO SE emplea para describir los óxidos y sólidos no metálicos que a veces quedan atrapados en el metal de soldadura entre franjas adyacentes o entre el metal de soldadura y el metal base. Durante la deposición y subsecuente solidificación del metal de soldadura, tienen lugar muchas reacciones químicas. Algunos de los productos de estas reacciones son compuestos no metálicos sólidos insolubles en el metal fundido. En virtud de su menor peso específico relativo, estos compuestos flotarán sobre el metal derretido si es que no quedan atrapados dentro de él.

La acción de agitación del arco puede hacer que la escoria que se forma a partir de la cobertura de los electrodos de arco de metal protegido se meta debajo de la superficie del metal derretido. También, si el soldador no es cuidadoso, la escoria puede fluir hacia adelante del arco. Es fácil que suceda esto cuando se suelda sobre la grieta entre dos franjas paralelas pero convexas o entre una franja convexa y una pared lateral del surco. También puede ocurrir cuando se suelda pendiente abajo. En tales casos, El metal derretido puede fluir por encima de la escoria, atrapán- dola debajo de la franja. Los factores que propician esto son una escoria muy viscosa o que se solidifica con rapidez, o una corriente de soldadura insuficiente.

La mayor parte de las inclusiones de escoria puede prevenirse con una buena práctica de soldadura y, en áreas problema, preparando debidamente el surco antes de depositar la siguiente franja de metal de soldadura. En estos casos, debe tenerse cuidado de corregir los perfiles que sean difíciles de penetrar como es debido con el arco.

FUSIÓN INCOMPLETA ESTE TÉRMINO, EN el sentido que se le da aquí, se refiere a la incapacidad para fusionar franjas adyacentes de metal de soldadura, o el metal de soldadura con el metal base. Se puede tratar de una condición localizada o generalizada, y puede ocurrir en cualquier lugar del surco de soldadura. Incluso puede ocurrir en la raíz de la unión.

La fusión incompleta puede deberse a que el metal base (o la franja de nieta1 de soldadura previamente depositada) no se elevó al punto de fusión. La causa también puede ser que, por carencia de fundente, no se disolvieron los óxidos o demás materiales extraños que podrían estar presentes en la superficie que debe fusionarse con el metal de soldadura.

La fusión incompleta puede evitarse asegurándose de que las superficies por soldar estén debidamente preparadas y embona- das, y que estén lisas y limpias. En el caso de fusión incompleta en la raíz, las correcciones deben asegurar que la cara de la raíz no sea demasiado grande, que la abertura de la raiz no sea demasiado angosta, que el electrodo no sea demasiado grande, que la comente de soldadura no sea demasiado baja y que la velocidad de recorrido no sea demasiado rápida.

SOCAVAMIENTO ESTE TÉRMINO SE usa para describir una de dos situaciones. La primera es cuando se derrite la pared lateral de un surco de soldadura en el borde de la franja, con la formación de un nicho agudo en la pared lateral en el área donde se va a depositar la siguiente franja. La otra es cuando se reduce el espesor del metal base en la línea donae las franjas de la capa final de metal de soldadura se ligan a la superficie del metal base (esto es, en el pie de la soldadura).

Ambos tipos de socavamiento suelen deberse a la técnica de soldadura específica empleada por el operador. Si el amperaje es elevado y el arco largo, aumenta la tendencia al socavamiento. Otras causas son una posición incorrecta del electrodo o una velocidad de recomdo inadecuada, así como tardarse demasiado en los cambios de dirección de una soldadura “tejida” (zigzagueante). Incluso el tipo de electrodo influye sobre este fenóme- no. Las distintas clasificaciones de electrodos presentan carac- terísticas muy diversas en este respecto. Con algunos electrodos, incluso el soldador más habilidoso podría verse imposibilitado para evitar por completo el socavamiento en ciertas posiciones de soldadura, sobre todo en uniones con acceso restringido.

El socavamiento de las paredes laterales de un surco de soldadura no afecta en absoluto la soldadura terminada si se elimina antes de depositar en ese sitio la siguiente franja. Se requerirá una herramienta de raspado bien redondeada o una piedra de amolar para eliminar el socavamiento. Sin embargo, si el socavamiento no es profundo, un soldador experimentado que sepa hasta dónde va a penetrar el arco posiblemente no tenga que eliminar el socavamiento.

El grado de socavamiento que se permite en una soldadura terminada por lo regular está determinado por el código de fa- bricación empleado, y es necesario seguir los requisitos especificados porque un socavamiento excesivo puede reducir apreciablemente la resistencia mecánica de la unión. Esto es aún más importante en aplicaciones sujetas a fatiga. Por fortuna, este tipo de socavamiento puede detectarse mediante un examen visual de la soldadura terminada, y puede corregirse mediante abrasión de fusionado o depositando una franja adicional.

G R I ETAS EL AGRIETAMIENTO DE las uniones soldadas puede clasificarse como agrietamiento en caliente o en frío. Pueden producirse grietas en el metal de soldadura, en el metal base, o en ambos.



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Si se observa agrietamiento durante la soldadura, las grietas deberán eliminarse antes de seguir soldando, porque si se deposita metal de soldadura sobre una grieta ésta puede continuar hacia la franja recién depositada.

El agrietamiento en caliente es una función de la composición química, y su causa principal es la presencia en el metal de soldadura de constituyentes con punto de fusión relativamente bajo, los cuales se acumulan en las fronteras de los granos durante la solidificación. Un ejemplo tipico es el sulfuro de hierro en aceros. Las grietas son intergranulares o interdendríti- cas, y se forman conforme el metal de soldadura se enfria. Al avanzar la solidificación en el metal de soldadura, los esfuerzos de encogimiento aumentan hasta que llega un momento en que los granos que todavia tienen algo de líquido en sus fronteras se separan. Las estructuras de grano grueso, de una sola fase, son muy propensas a este tipo de agrietamiento. Entre las soluciones aplicables a los problemas de agrietamiento están:

(1) Cambiar el metal base (por ejemplo, usar un acero con adiciones de manganeso, o uno producido de modo que tenga una estructura de grano fino).

(2) Cambiar el metal de aporte (por ejemplo, usando metal de aporte con suficiente femta al soldar acero inoxidable austenitico).

(3) Modificar la técnica/procedimiento de soldadura ajustando las temperaturas de precalentamiento y entre pasadas, y reduciendo la comente de soldadura.

El agrietamiento en frío se debe a falta de ductilidad o a la presencia de hidrógeno en aceros endurecibles. La causa de esta condición es una tenacidad insuficiente en presencia de muesca mecánica o metalúrgica y esfuerzos de cierta magnitud. En algunos materiales los esfuerzos no tienen que ser muy elevados, por ejemplo en acero inoxidable ferritic0 de granos grandes.

Para evitar el agrietamiento en frio de aceros endurecibles es preciso emplear electrodos de bajo hidrógeno secos y un precalentamiento adecuado. También se requiere precalentamiento con materiales que naturalmente son quebradizos o de baja tenacidad. Los materiales propensos a un crecimiento excesivo de los granos (como el acero con 28% de cromo) deben soldarse con un aporte de calor bajo manteniendo bajas las temperaturas entre pasadas. También deben evitarse las muescas.

Si se desea mayor información al respecto, la publicación de la AWS, Welding Inspection, es una buena referencia.

RECOMENDACIONES DE SEGURIDAD EL OPERADOR DEBE protegerse los ojos y la piel de ia radiación producida por el arco. Se recomienda usar una careta de soldador con un filtro ocular adecuado, asi como ropa oscura, preferiblemente de lana, para proteger la piel. Conviene usar guantes y ropa de cuero para protegerse contra las quemaduras por las salpicaduras del arco.

Las caretas de soldador cuentan con ventanas con filtros cuyo tamaño estándar es de 5 1 por 130 mm (2 por 4- 1/8 pulg), aunque las hay con aberturas más grandes. La placa del filtro deberá ser capaz de absorber rayos infrarrojo, rayos ultravioleta y la mayor parte de los rayos visibles que emanan del arco. Ya hay filtros que absorben el 99% o más de los rayos infrarrojo y ultravioleta del arco.

El tono de filtro que se sugiere emplear con electrodos de hasta 4 mm (5/32 pulg) de diámetro es el número 10. Para electrodos de 4.8 a 6.4 mm (3/16 a 1/4 pulg), se recomienda usar la sombra número 12. El número 14 es el más apropiado para electrodos de más de 6.4 mm (1/4 pulg).

La placa del filtro debe protegerse contra salpicaduras de metal derretido y contra rotura. Esto se hace colocando una placa de vidrio transparente, u otro material apropiado, a cada lado de la placa de filtro. Las personas que no sean soldadores pero que trabajen cerca del arco también deben protegerse. Esta protección por lo regular consiste en escudos permanen- tes o portátiles. Si no se utiliza una protección adecuada el resultado puede ser quemaduras oculares del operador o de quienes trabajan cerca del arco. La quemadura ocular, similar a las quemaduras de la piel por el sol, es muy dolorosa durante

un periodo de 24 a 48 horas. La piel no protegida expuesta al arco también puede quemarse. En caso de quemaduras severas por el arco, sean de la piel o de los ojos, debe consultarse al médico.

Si se suelda en espacios cerrados con poca ventilación, es preciso suministrar aire auxiliar al soldador. Esto debe hacerse mediante un aditamento sujeto a la careta.

El método empleado no debe restringir la manipulación de la careta por parte del soldador, interferir el campo de visión de éste, ni dificultar la soldadura. En ANSI 249.1, Seguridad al soldar y cortar, publicada por la American Welding Society, se proporciona mayor información sobre la protección ocular y la ventilación.

De vez en cuando durante la soldadura, chispas o glóbulos de metal derretido salen despedidos del arco. Esto siempre amerita atención, pero adquiere mayor importancia cuando se suelda fuera de posición o cuando se emplean comentes de soldadura muy elevadas. Para protegerse de las quemaduras en estas condiciones, el soldador debe usar guantes resistentes al fuego, un delantal protector y una chaqueta (véase la figura 2.5). También puede ser conveniente proteger los tobillos y pies del soldador contra la escoria y las salpicaduras. Se recomiendan pantalones sin doblez y zapatos de trabajo altos o botas.

A fin de evitar choques eléctricos, el operador nunca debe soldar si está parado en una superficie húmeda. El equipo debe examinarse periódicamente para verificar que no haya grietas ni lugares desgastados en el portaelectrodos ni en el aislante de los cables.



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LISTA DE LECTURAS COMPLEMENTARIAS American Society for Metals. “Welding, brazing, and Solder-

ing”, en Metals Handbook, vol. 6,9” ed., 75-95. Metals Park, Ohio, American Society for Metals, 1983.

Barbin, L. M. “The new moisture resistant electrodes”, en Weld- ing Journal 56(7): 15-18; julio de 1977.

Chew, B. “Moisture loss and gain by some basic flux covered electrodes”, en Welding Journal 55(5): 127s-134s; mayo de 1976.

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SOLDADURA POR ARCO DE TUNGSTENO Y GAS

Introducción 74

Principios de funcionamiento 75

Equipo 77

Técnicas de GTAW 94

Materiales 98

Diseño de las uniones 1 o1

Calidad de la soldadura 102 -~ ~~

Aplicaciones 103

Prácticas seguras 105


PREPARADO POR UN COMITE INTEGRADO POR:

G. K. Hicken, Presidente Sad ia National Labs

R. D. Campbell E. G. & G. Rocky Flats

G. J. Daumeyer, III Allied Signal Aerospace

R. B. Madigan Edison Welding Institute

S. J. Marburger Sanúia National Labs

B. Young Westinghouse Savannah River Company

MIEMBRO DEL COMITÉ DEL MANUAL DE SOLDADURA: M. J. Tomsic Plastronic incorporated



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SOLDADURA POR ARCO DE TUNGSTEN Y GAS INTRODUCCIÓN LA SOLDADURA POR arco de tungsteno y gas (gas tungsten arc welding, GTAW) es un proceso de soldadura por arco que utiliza un arco entre un electrodo de tungsteno (no consumible) y el charco de soldadura. El proceso se emplea con un gas protector y sin aplicación de presión. La adición de metal de aporte es opcional. La figura 3.1 muestra el proceso de soldadura por arco de tungsteno y gas.

El proceso GTAW se ha vuelto una herramienta indispensable en muchas industrias en virtud de la alta calidad de las soldaduras producidas y del bajo costo del equipo. El propósito del presente capítulo es presentar los fundamentos del proceso GTAW, el equipo y los consumibles empleados, los procedi-

mientos y variables del proceso, sus aplicaciones y consideraciones de seguridad.

La posibilidad de utilizar helio para proteger un arco de soldadura y el charco de metal fundido se investigó por primera vez en la década de 1920.’ Sin embargo, nada se hizo con este método hasta el comienzo de la Segunda Guerra Mundial, cuando en la industria de los aviones se hizo imperativo encontrar una forma de unir materiales reactivos como el aluminio y el magnesio sin emplear remaches. Con la ayuda de un electrodo de tungsteno y potencia de arco de comente continua con el electrodo negativo, se logró producir una fuente de calor estable y eficiente con la que se podían realizar soldaduras excelentes.

CONDUCTOR DE LA CORRIENTE

ENTRADA DE GAS PROTECTOR

DIRECCIÓN DE SOLDADURA

BOQUILLA DEL GAS

ELECTRODO DETUNGSTENO NO CONSUMIBLE

ESCUDO DE GAS METAL DE APORTE

1. H. M. Hobart, Patente de EE.UU. 1,746,081,1926 y P. II. Devers, Patente de EE.UU. 1,746,191,1926.

METAL DE SOLDADURA SOLIDIFICADO

Fiaura 3.2-Alaunas de las primeras cabezas para soldadura por arco de tungsteno y gas, de alrededor de 1943, con un cuerpo de soplete y un medidor de Figura 3.1-Operación de soldadura por arco de

tungsteno y gas flujo primitivo



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S O L D A D U R A P O R A R C O D E T U N G S T E N O Y G A S 7 5

Se escogió el helio para crear la protección necesaria porque, en esa época, era el único gas inerte disponible en abundancia. En la figura 3.2 se muestran sopletes de electrodo de tungsteno con gas inerte típicas de ese periodo.* El proceso ha recibido también los nombres de soldadura con electrodo no consumible y soldadura con tungsteno y gas inerte (TIG), pero la tenninolo- gía de la AWS para este proceso es soldadura por arco de tungsteno y gas (GTAW) porque en algunas aplicaciones es posible usar mezclas de gases protectoras que no son inertes.

Desde que se inventó el proceso, se han hecho numerosas mejoras a los procedimientos y al equipo. Se han creado fuentes

de potencia de soldadura especificamente para el proceso. Al- gunas suministran potencia de cc a pulsos y ca de polaridad variable. Se inventaron sopletes enfriados por agua y enfriados por gas. El electrodo de tungsteno se ha aleado con cantidades pequeñas de elementos activos para aumentar su emisividad; con esto ha mejorado el encendido del arco, la estabilidad del arco y la durabilidad de los electrodos. Se han identificado mezclas de gases protectoras que mejoran el rendimiento de la soldadura. Los investigadores están tratando de lograr otros avances en las áreas de control automático, visión y sensores de penetración, y controles de longitud del arco.

PRINCIPIOS DE FUNCIONAMIENTO

DESCRIPCIÓN DEL PROCESO EL PROCESO DE soldadura por arco de tungsteno y gas se ilustra en la figura 3.1. El proceso utiliza un electrodo de tungsteno (o de una aleación de tungsteno) no consumible sostenido en un soplete. Se alimenta gas protector por el soplete para proteger el electrodo, el charco de soldadura y el metal de soldadura en proceso de solidificación de contaminación por parte de la atmósfera. El arco eléctrico se produce por el paso de corriente a través del gas protector ionizado, que conduce la electricidad. El arco se establece entre la punta del electrodo y el trabajo. El calor generado por el arco funde el metal base. Una vez establecido el arco y el charco de soldadura, el soplete se mueve a lo largo de la unión y el arco funde progresivamente las superficies de empalme. Si se usa alambre de aporte, se alimenta por el borde delantero del charco de soldadura para llenar la unión.

Todas las configuraciones de GTAW tienen en común cuatro componentes básicos, como puede verse en las figuras 3.1 y 3.3:

(1) Soplete. (2) Electrodo. (3) Fuente de potencia para soldadura. (4) Gas protector.

(8) Puede servir para soldar casi todos los metales, incluso

(9) Permite controlar en forma independiente la fuente de las uniones de metales disímiles.

calor y las adiciones de metal de aporte.

LIMITACIONES DEL PROCESO ALGUNAS DE LAS limitaciones del proceso de arco de tungsteno y gas son:

(1) Las tasas de deposición son más bajas que las que pueden alcanzarse con procesos de soldadura por arco con electrodo consumible.

(2) EI soldador requiere un poco más de destreza y coordi- nación que con la soldadura por arco de metal y gas o la de arco de metal protegido cuando suelda manualmente.

(3) Para secciones de más de 10 mm (3/8 pulg) de espesor, resulta menos económica que los procesos de soldadura por arco con electrodo consumible.

(4) Es difícil proteger debidamente la zona de soldadura en lugares donde hay corrientes de aire.

VENTAJAS DEL PROCESO ÉSTAS SON ALGUNAS de las ventajas del proceso de arco de tungsteno y gas:

(1) Produce soldaduras de muy buena calidad, generalmente

(2) Está libre de las salpicaduras que ocurren con otros

(3) Puede usarse con metal de aporte o sin él, según lo

(4) Ofrece un control excelente de la penetración de la

(5) Puede producir soldaduras autógenas económicas a altas

(6) Puede usar fuentes de potencia de costo relativamente bajo. (7) Permite controlar de manera precisa las variables de

libres de defectos.

procesos de soldadura por arco.

requiera la aplicación específica.

pasada de raíz.

velocidades.

soldadura.

SOPLETE CONDUCTOR 11

CONDUCTOS

TANQUE P IE . . DE TRABAJO I \ FUNDA AISLANTE

GAS PROTECTOR

Figura 3.3-Disposición del equipo para soldadura 2. R. Meredith, Patente de EE.UU. 2,274,631.



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76 S O L D A D U R A P O R A R C O D E T U N G S T E N O Y G A S

Entre los problemas potenciales del proceso están:

(1) Puede haber inclusiones de tungsteno si se permite que el electrodo haga contacto con el charco de soldadura.

(2) EI metal de soldadura puede contaminarse si no se mantiene como es debido el escudo de gas protector alrededor del metal de aporte.

(3) No se tolera mucha contaminación de los metales base o de aporte.

(4) Puede haber contaminación o porosidad causadas por fugas del refrigerante en sopletes enfriados por agua.

(5) Puede haber golpe o desviación del arco, como en otros procesos.

VARIABLES DEL PROCESO LAS PRINCIPALES VARIABLES en el proceso GTAW son el voltaje del arco (longitud del arco), la comente de soldadura, la velocidad de recorrido y el gas protector. La cantidad de energia producida por el arco es proporcional a la comente y al voltaje. La cantidad transferida por unidad de longitud de soldadura es inversamente proporcional a la velocidad de recorrido. El arco en helio es más penetrante que en argón. Sin embargo, como todas estas variables tienen fuertes interacciones, es imposible tratarlas como variables independientes al establecer los procedimientos de soldadura para uniones específicas.

Corriente del arco EN TÉRMINOS GENERALES, la comente del arco controla la pe- netración de la soldadura; su efecto es directamente proporcional, si no es que un poco exponencial. Además, la corriente del arco afecta el voltaje: si se mantiene constante la longitud del arco, su voltaje aumentará en proporción con la corriente. Por esta razón, si se desea mantener una longitud de arco fija, es preciso ajustar también el voltaje cuando se ajusta la corriente.

El proceso puede usarse con corriente tanto continua como alterna, y la elección depende en buena parte del metal que se va a soldar. La corriente continua con el electrodo negativo ofrece las ventajas de penetración profunda y velocidades de soldadura altas, sobre todo cuando se usa escudo de helio. El helio es el gas preferido para la soldadura mecanizada. La corriente alterna tiene una acción de limpieza catódica (chisporroteo) que elimina óxidos refractarios de las superficies de unión de aluminio y magnesio, lo que permite obtener soldaduras de muy buena calidad. En este caso es preciso usar argón como gas protector porque no puede lograrse chisporroteo con helio. EI argón es el gas preferido para la soldadura manual, sea que se utilice con corriente alterna o continua.

Existe una tercera opción en cuanto a la potencia: usar corriente continua con el electrodo positivo. Esta polaridad casi nunca se usa porque hace que se sobrecaliente el electrodo. Estos efectos de la polaridad se explicarán con mayor detalle más adelante, en la sección sobre corriente continua.

Voltaje del arco EL VOLTAJEMEDIDO entre el electrodo de tungsteno y el trabajo se conoce comúnmente como volraje del arco. Este voltaje

es una variable muy dependiente, que acusa efectos por lo siguiente:

(1) Comente del arco. (2) Forma de la punta del electrodo de tungsteno. (3) Distancia entre el electrodo de tungsteno y el trabajo. (4) Tipo de gas protector.

EI voltaje del arco cambia cuando cambian las otras variables, y sólo se utiliza para describir los procedimientos de soldadura porque es fácil de medir. Como las demás variables, como el gas protector, el electrodo y la comente se determinan previamente, el voltaje del arco puede servir para controlar la longitud del arco, una variable critica que es difícil de vigilar. La longitud del arco es importante en este proceso porque afecta la anchura del charco de soldadura; la anchura del charco es proporcional a la longitud del arco. Por tanto, en casi todas las aplicaciones con excepción de aquellas en las que se suelda lámina, la longitud de arco recomendada es la más corta posible.

Desde luego, hay que tener en cuenta la posibilidad de que el electrodo haga cortocircuito con el charco o con el metal de aporte si el arco es demasiado corto. Sin embargo, en la soldadura mecanizada con escudo de helio, potencia CCEN y comente relativamente alta, es posible sumergir la punta del electrodo por debajo de la superficie de la placa y producir soldaduras muy penetrantes pero angostas a altas velocidades. Esta técnica ha recibido el nombre de arco enterrado.

Si se usa el voltaje del arco para controlar la longitud del arco en aplicaciones críticas, hay que vigilar las otras variables que afectan el voltaje del arco. Entre ellas están los contaminantes del electrodo y del gas protector, una alimentación incorrecta del alambre de aporte, cambios de temperatura en el electrodo y co- rrosión del electrodo. Si cualquiera de estas cosas cambia lo suficiente como para afectar el voltaje del arco durante la soldadura mecanizada, habrá que ajustar la longitud del arco para restablecer el voltaje deseado.

Velocidad de recorrido LA VELOCIDAD DE recorrido afecta tanto la anchura como la penetración de una soldadura por arco de tungsteno y gas, aunque el efecto sobre la anchura es más pronunciado que aquel sobre la penetración. La velocidad de recorrido es importante por su efecto sobre el costo. En algunas aplicaciones, la velocidad de recorrido se define como un objetivo, y ias demás variables se seleccionan de modo que se logre la configuración de soldadura deseada a esa velocidad. En otros casos, la velocidad podria ser una variable dependiente, elegida de modo que se obtenga una soldadura con la calidad y uniformidad deseada en las mejores condiciones posibles con la combinación de las demás variables. Independientemente de los objetivos, en la soldadura mecanizada casi siempre se fija la velocidad de recorrido y se modifican otras variables como la corriente o el voltaje para mantener el control de la soldadura.

Alimentación del alambre ENLA SOLDADURA manual, la forma como el metal de aporte se añade al charco influye sobre el número de pasadas necesarias y el aspecto de la soldadura tenninada.



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S O L D A D U R A P O R A R C O D E T U N G S T E N O Y G A S 77

En la soldadura mecanizada y automática, la velocidad de alimentación del alambre determina la cantidad de metal de aporte depositada por unidad de longitud de la soldadura. Si se reduce la velocidad de alimentación del alambre, se incremen- tará la penetración y se aplanará el perfil de la franja. Si el

alambre se alimenta con demasiada lentitud, puede haber socavamiento, agrietamiento de la línea central y subrellenado de la unión. AI aumentarse la velocidad de alimentación del alambre se reduce la penetración de la soldadura y se produce una franja más convexa.

EQUIPO EL EQUIPO PARA GTAW incluye sopletes, electrodos y fuentes de potencia. Los sistemas de GTAW mecanizada pueden incluir controles de voltaje del arco, osciladores del arco y alimentadores de alambre.

SOPLETES PARA SOLDAR LOS SOPLETES DE GTAW sostienen el electrodo de tungsteno que transporta la comente de soldadura al arco y conducen el gas protector a la zona del arco.

Las especificaciones de los sopletes se refieren a la comente de soldadura máxima que pueden transportar sin sobrecalentarse. En la tabla 3.1 se dan los intervalos de comente típicos. La mayor parte de los sopletes está diseñada para manejar electrodos dentro de cierto intervalo de tamaños y diferentes tipos y tamaños de boquillas.

Casi todos los sopletes para aplicaciones manuales tienen un ángulo de cabeza (el ángulo entre el electrodo y el mango) de 120". También hay sopletes con cabeza de ángulo ajustable, cabeza a 90" o cabeza en línea recta (tipo lápiz). Los sopletes de GTAW manuales a menudo cuentan con interruptores y válvulas auxiliares integradas a su mango para controlar la comente y el flujo de gas. Los sopletes para GTAW mecanizada o automática por lo regular se montan en un dispositivo que centra el soplete sobre la unión, puede desplazar el soplete a lo largo de la unión, y puede modificar o mantener la distancia entre el soplete y el trabajo.

Sopletes enfriados por gas EL CALOR GENERADO en el soplete durante la soldadura se elimina mediante enfriamiento por gas o bien por agua. Los sopletes enfriados por gas (o, como a veces se dice, enfriados por aire) eliminan el calor por medio del flujo del gas protector,

Tabla 3.1 Especificaciones de corriente típicas para copletes de

GTAW enfriadas con gas Y con aire

Tamaio del soplete

relativamente frío, a través del soplete, como se muestra en la figura 3.1. Los sopletes enfriados por gas están limitados a una comente de soldadura máxima de unos 200 amperes.

Sopletes enfriados por agua Los SOPLETES ENFRIADOS por agua eliminan el calor mediante el flujo continuo de agua a través de conductos interiores. Como se aprecia en la figura 3.4, el agua de enfriamiento entra en el soplete a través de la manguera de entrada, circula por el soplete y sale por la manguera de salida. Por lo regular, el cable procedente de la fuente de potencia se coloca en el interior de la manguera de salida del agua.

Los sopletes enfriados por agua están diseñados para usarse con comentes de soldadura en un ciclo de trabajo continuo más altas que los sopletes enfriados por gas de tamaño similar. Por lo regular es posible usar comentes de 300 a 500 amperes, aunque se han construido sopletes capaces de manejar comentes de soldadura de hasta 1000 amperes. En la mayor parte de las aplicaciones mecanizadas o automáticas se emplean sopletes enfriados por agua.

Estos sopletes normalmente se enfrían con agua de la llave que fluye a través del soplete y luego se desecha al desagüe. Si se desea ahorrar agua, es posible usar un sistema cerrado que incluye un tanque, una bomba y un radiador o enfriador de agua para dispersar el calor del sistema. La capacidad de estos sistemas va desde uno a 50 galones. Se puede agregar anticongelante de automóvil al líquido de enfriamiento para evitar el congela- miento y la corrosión y al mismo tiempo lubricar la bomba de agua.

Mandriles LOS ELECTRODOS DE diferentes diámetros se sujetan en el portaelectrodos por medio de mandriles del tamaño apropiado, típica- mente fabricados con una aleación de cobre. El mandril sujeta el electrodo cuando se aprieta la tapa del soplete. Es indispensable que el electrodo y la superficie interior del mandril estén en contacto íntimo para una buena transferencia de la corriente sin sobrecalentainiento.

Caracterictica del soplete Pequeño Mediano Grande Corriente máxima 200 200-300 500

Método de enfriamiento Gas Agua Agua (trabajo continuo), A

Diámetros de electrodo 0.020-3132 0.040-5132 0.040-114 manejados, pulg

manejados, pulg Diámetros de copa de gas 114-510 114-314 310-314

Boquillas EL GAS PROTECTOR se dirige a la zona de soldadura mediante boquillas o copas que se montan en la cabeza del soplete, como se muestra en la figura 3.1. El cuerpo del soplete también incluye difusores o espreas de patrón muy preciso que alimentan el gas protector a la boquilla. Su propósito es ayudar a que el escudo de gas que sale tenga un flujo laminar. Las boquillas de gas se



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fabrican con diversos materiales resistentes al calor y con distintas formas, diámetros y longitudes. Estas boquillas se atornillan al soplete o bien se ensartan y sujetan por fricción.

Materiales de la boquilla. Las boquillas se fabrican con cerámicas, cerámicas con funda metálica, cuarzo fusionado u otros materiales. Las boquillas de cerámica son las más econó- micas y populares, pero son quebradizas y deben reemplazarse con frecuencia. Las boquillas de cuarzo fusionado son transpa- rentes y ofrecen una mejor vista del arco y del electrodo. Sin embargo, la contaminación con vapores metálicos de la soldadura puede hacer que se vuelvan opacas, y además son quebradizas. Las boquillas metálicas enfriadas por agua son las más dura- deras y se emplean principalmente en aplicaciones de soldadura mecanizada y automática en las que las comentes de soldadura exceden los 250 A.

Tamaños y formas de las boquillas. La boquilla o copa de gas debe ser lo bastante grande como para cubrir con gas protector el área del charco de soldadura y el metal base caliente circundante. El diámetro de la boquilla debe ser apropiado para el volumen de gas protector que se requiere para dar la protec- ción necesaria con la suficiente rigidez para mantener la cobertura cuando hay comentes de aire. Hay un equilibrio delicado entre el diámetro de la boquilla y la tasa de flujo. Si la tasa de flujo para un diámetro dado es excesiva, el escudo dejará de ser

eficiente a causa de la turbulencia. Para mantener una tasa de flujo elevada sin turbulencia se requiere un diámetro grande; éstas son condiciones esenciales cuando el amperaje es alto. La selección del tamaño depende del tamaño del electrodo, el tipo de unión por soldar, el área de soldadura que debe protegerse efectivamente y el acceso a la unión que se va a soldar.

En la tabla 3.2 se dan los tamaños de copa de gas sugeridos para electrodos de diversos diámetros. El empleo de la boquilla más pequeña sugerida permite soldar en áreas más restringidas y ofrece una mejor visión de la soldadura. Sin embargo, si se usa una boquilla demasiado chica, puede haber turbulencia y forma- ción de chorros del gas protector, e incluso puede fundirse el borde de la boquilla. Las boquillas más grandes ofrecen mejor protección, sobre todo al soIdar metales reactivos como el tita- ni0.

Hay boquillas de diversas longitudes diseñadas para soldar uniones con geometrías específicas y mantener la distancia requerida entre la boquilla y el trabajo. En general, las boquillas más largas producen escudos de gas más rígidos y menos turbu- lentos.

La mayor parte de las boquillas para gas tiene forma cilíndrica con extremos rectos o ahusados. Hay boquillas con construcción interna aerodinámica que minimizan la turbulencia del gas protector, y con secciones posteriores alargadas o extremos aboci- nados que ofrecen mejor protección al soldar metales como el titanio, que es muy susceptible a la contaminación a temperaturas elevadas.

r ELECTRODO DE TUNGSTENO r PORTAMANDRIL

c

LCABLE DE POTENCIA ENTRADA DEL GAS PROTECTOR

Figura 3.4-Corte seccional de un soplete enfriado por agua típico para GTAW manual



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Lentes de gas. Un dispositivo que se emplea para asegurar un flujo laminar del gas protector es un aditamento conocido como lente de gas. Los lentes de gas contienen un difusor de ba- rrera porosa y están diseñados para insertarse alrededor del electrodo o del mandril. Estos lentes producen un flujo más largo y uniforme del gas protector y permiten a los operadores soldar con la boquilla a 25 mm (1 pulg) o rnás del trabajo, lo que mejora su capacidad para ver el charco de soldadura y alcanzar lugares con acceso limitado como las esquinas interiores.

ELECTRODOS EN GTAW LA palabra tungsteno se refiere al elemento tungsteno puro y a las diferentes aleaciones de tungsteno empleadas como electrodos. Los electrodos de tungsteno son no consumibles si el proceso se emplea como es debido, ya que no se derriten ni se transfieren a la soldadura. En otros procesos, como SMAW, GMAW y SAW, el electrodo es el metal de aporte. La función del electrodo de tungsteno es servir como una de las terminales eléctricas del arco que proporciona el calor necesario para

soldar. EI punto de fusión del tungsteno es 3410°C (6170"F), y cuando se acerca a esta temperatura se vuelve termoiónico; es decir, es una fuente abundante de electrones. EI electrodo alcanza esta temperatura gracias al calentamiento por resistencia y, de no ser por el considerable efecto de enfriamiento de los electrones que se desprenden de su punta, dicho calentamiento haría que se fundiera la punta. De hecho, la punta del electrodo tiene una temperatura mucho menor que la parte que está entre la punta y el mandril con enfriamiento externo.

Clasificación de los electrodos LOS ELECTRODOS DE tungsteno se clasifican con base en su composición química, como se especifica en la tabla 3.3. Los requisitos para los electrodos de tungsteno se dan en la edición más reciente de ANSYAWS A5.12, Especificación para electrodos de tungsteno y de aleación de tungsteno para soldadura y cortepor arco. El sistema de identificación por código de color de las diversas clases de electrodos de tungsteno se muestra en la tabla 3.3.

Tabla 3.2 Electrodos de tungsteno y copas de gas recomendadosa para diversas corrientes de soldadura

Corriente continua. A Corriente alterna, A

Diámetro del electrodo

0.010 0.020 0.040 1/16 3/32 118 5/32 311 6 114

Pub mm 0.25 0.50 1 .o0 1.6 2.4 3.2 4.0 4.8 6.4

Polaridad directab

Polaridad inversab

CCEN CCEP hasta 15

5-20 15-80 70-1 50

150-250 250-400 400-500 500-750 750-1 1 O0

10-20 15-30 25-40 40-55 55-80 80-1 25

Onda no balanceada'

hasta 15 5-1 5

10-60 50-1 O0

100-1 60 150-21 O 200-275 250-350 325-450

Onda balanceada'

hasta 15 10-20 20-30 30-80 60-1 30

100-1 80 160-240 190-300 325-450

~

a. Todos los valores se basan en el empleo de argón como gas protector. b. Usar electrodos EWTh-2. c. Usar electrodos EWP.

Tabla 3.3 Códiao de color v elementos de aleación de diversas aleaciones Dara electrodo de tunasteno

Elemento Óxido Porcentaje en peso nominal COIOP aleación de aleación del óxido de aleación Clasificación AWS

- - EWP Verde EWCe-2 Anaranjado Cerio Ceo, EWLa-1 Negro Lantano LaZo3 EWTh-1 Amarillo Torio Th02 EWrh-2 Rojo Torio Th02 EWZr-1 Marrón Zirconio Zr02 EWG Gris No se especificab -

- 2 1 1 2

.25 -

a. EI color puede aplicarse en forma de bandas, puntos, etc. en cualquier punto de la superficie del electrodo. b. EI fabricante debe identificar el tipo y el contenido nominal de la adición de óxido de tierra rara.



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Los electrodos se producen con un acabado limpio o amolado. Los que tienen acabado limpio han sido sometidos a limpieza química para eliminar las impurezas superficiales después de la operación de moldeado. Los que tienen acabado amolado se amolaron con una técnica sin centro para eliminar las imperfecciones superficiales.

Tamaños y capacidades de corriente de los electrodos ENLATABLA 3.2 se indican los tamaños e intervalos de comente de los electrodos de tungsteno y de tungsteno con tono, junto con los diámetros de copa de gas protector recomendados para usarse con diferentes tipos de potencia de soldadura. Esta tabla es una guía Útil para seleccionar el electrodo correcto para una aplicación específica con cierto nivel de corriente y cierto tipo de fuente de potencia.

EI empleo de niveles de corriente por encima de los que se recomiendan para un tamaño de electrodo y configuración de punta determinados hará que el tungsteno se erosione o derrita. Es posible que caigan partículas de tungsteno en el charco de soldadura y se conviertan en defectos de la unión soldada. Si la comente es demasiado baja para un tamaño de electrodo determinado, el arco puede ser inestable.

Si se usa comente continua con el electrodo positivo (CCEP) se requerirá un diámetro mucho mayor para manejar un nivel de corriente dado porque la punta no se enfría por la evaporación de electrones sino que se calienta por el impacto de los electrones contra ella. En general, se esperará que un electrodo de cierto diámetro con CCEP maneje una corriente de sólo el 10% de la que podría manejar con el electrodo negativo. Si se usa corriente altema, la punta se enfriará durante el ciclo de electrodo negativo y se calentará durante el positivo; por tanto, la capacidad de transporte de corriente de un electrodo con ca está entre la de CCEN y la de CCEP. En general, es de cerca del 50% de la capacidad de CCEN.

Clasificación de electrodos EWP. Los electrodos de tungsteno puro (EWP) contienen por lo menos 99.5% de tungsteno, y ningún elemento de aleación intencional. La capacidad de transporte de corriente de los electrodos de tungsteno puro es menor que la de los electrodos aleados. Los electrodos de tungsteno puro se emplean principalmente con ca para soldar aleaciones de aluminio y magnesio. La punta del electrodo EWP mantiene un extremo limpio con forma de bola, que produce un arco bastante estable. Estos electrodos también pueden usarse con cc, pero no ofrecen las características de encendido y estabilidad del arco de los electrodos con torio, con ceno o con lantano.

Clasificaciones de electrodos EWTh. La emisión ter- moiónica del tungsteno puede mejorarse aleándolo con óxidos metálicos que tienen funciones de trabajo muy bajas. El resultado es que los electrodos pueden manejar corrientes de soldadura más altas sin fallar. El óxido de torio es uno de estos aditivos. A fin de evitar problemas de identificación con éstos y otros tipos de electrodos de tungsteno, se marcan con un código de color como se indica en la tabla 3.3. Hay dos tipos de electrodos de tungsteno con tono. Los electrodos EWTh- 1 y EWTh-2 contie-

nen i % y 2%, respectivamente, de óxido de tono (Tho,) llamado toria, dispersado uniformemente en toda su longitud.

Los electrodos de tungsteno con tono superan a los de tungsteno puro en varios aspectos. La toria aumenta en cerca del 20% la capacidad de transporte de corriente y en general hace al electrodo más duradero; además, tiende a contaminar menos la soldadura. Con estos electrodos es más fácil encender el arco, y éste es más estable que el producido por electrodos de tungsteno puro o de tungsteno con zirconio.

Los electrodos EWTh- 1 y EWTh-2 se diseñaron para aplicaciones de CCEN. Mantienen una configuración de punta aguda durante la soldadura, lo que es deseable cuando se suelda acero. Casi nunca se usan con ca porque es difícil mantener el extremo de bola, necesario para la soldadura con Ca, sin rajar el electrodo.

El torio es un material radiactivo de muy bajo nivel. No se ha demostrado que el nivel de radiación represente un peligro para la salud, pero si se va a soldar en espacios encerrados durante periodos largos, o si existe la posibilidad de ingerir polvo de amolado de los electrodos, conviene considerar precauciones especiales en lo tocante a la ventilación. Se recomienda al usuario consultar con el personal de seguridad apropiado.

Una clasificación de electrodos de tungsteno descontinuada es la clase EWTh-3. Este electrodo tenía un segmento longitudinal o axial con un contenido de toria entre 1.0 y 2.0%. El contenido de tona medio de todo el electrodo variaba entre 0.35 y 0.55 %. Los avances en la metalurgia de polvos y otras mejoras del procesamiento han hecho que se descontinúe esta clasificación, y ya no es posible encontrar estos electrodos en el comercio.

Clasificación de electrodos EWCe. Los electrodos de tungsteno con cerio se introdujeron en el mercado estadouniden- se a principios de la década de 1980. Estos electrodos se crearon como un posible sustituto de los electrodos con tono porque el ceno, a diferencia del tono, no es un elemento radiactivo. Los electrodos EWCe-2 son electrodos de tungsteno que contienen 2% de óxido de cerio (Ceo,), llamado ceria. En comparación con los electrodos de tungsteno puro, los de tungsteno cenado tienen menores tasas de vaporización o quemado. Estas ventajas mejoran al aumentar el contenido de ceria. Los electrodos EW- Ce-2 trabajan bien con ca o cc.

Clasificación de electrodos EWLa. Los electrodos EW- La- i se inventaron en la misma época que los de tungsteno con cerio y por la misma razón, que el lantano no es radiactivo. Estos electrodos contienen 1 % de óxido de lantano (La,O,), conocido como látitana. Las ventajas y características de operación de estos electrodos son muy similares a las de los electrodos de tungsteno ceriado.

Clasificación de electrodos EWZr. Los electrodos de tungsteno con zirconio (EWZr) contienen una pequeña cantidad de óxido de zirconio, como se indica en la tabla 3.3. Estos electrodos tienen características de soldadura que generalmente están entre las del tungsteno puro y las del tungsteno con torio. Son los electrodos preferidos para soldar con ca porque combinan las características deseables de estabilidad del arco y extremo de bola típicas del tungsteno puro con las características de capacidad de corriente y encendido del arco del tungsteno con torio. Tienen mayor resistencia a la contaminación que el tungs-



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teno puro y se prefieren para aplicaciones de soldadura de calidad radiográfica en las que debe minimizarse la contamina- ción de la soldadura con tungsteno.

mente la corriente y se extingue, dejando una bola hemisférica en el extremo del electrodo de tungsteno. El tamaño del hemis- ferio no debe ser mayor que 1.5 veces el diámetro del electrodo, pues de lo contrario puede desprenderse cuando está fundido.

Clasificación de electrodos EWG. La clasificación de electrodos EWG se asignó a las aleaciones no cubiertas por ias clases anteriores. Estos electrodos contienen una adición no especificada de un óxido o combinación de óxidos (de tierras raras u otros) no especificada. El propósito de esta adición es afectar la naturaleza o características del arco, según la defini- ción del fabricante, quien debe identificar la adición o adiciones específicas y la cantidad nominal añadida.

Hay varios electrodos EWG disponibles en el mercado o en desarrollo. Incluyen electrodos con adiciones de óxido de itrio o de óxido de magnesio. Esta clasificación también incluye los electrodos con cerio o con lantano que contienen los óxidos correspondientes en cantidades distintas de las que se mencionaron, o combinados con otros óxidos.

Configuraciones de punta de los electrodos LAFORMADE la punta del electrodo de tungsteno es una variable importante del proceso GTAW. Es posible usar electrodos con diversas preparaciones de la punta. Para soldar con Ca, los electrodos de tungsteno puro o zirconiado forman un extremo hemisférico abultado. Para soldar con cc suelen usarse electrodos de tungsteno con tono, con cerio o con lantano . En este caso, el extremo por lo regular se amuela hasta un ángulo incluido específico, a menudo con el extremo truncado. Como puede verse en la figura 3.5, las diferentes geometrias de punta del electrodo afectan la forma y el tamaño de la franja de soldadura. En general, al aumentar el ángulo incluido, aumenta la penetra- ción de la soldadura y disminuye la anchura de la franja. Aunque pueden usarse electrodos de diámetro pequeño con punta cuadrada para soldar con CCEN, las puntas cónicas ofrecen un mejor rendimiento.

Sea cual sea la geometría de punta del electrodo que se escoja, es importante seguir usando la misma geometría una vez establecido el procedimiento de soldadura. Los cambios en la geometria del electrodo pueden influir de manera significativa en el tamaño y la forma de la franja de soldadura; por tanto, la configu- ración de la punta del electrodo es una variable que debe estu- diarse durante el desarrollo del procedimiento de soldadura.

En general, las puntas de tungsteno se preparan por formación de bola, amolado o afilado químico. En casi todos los electrodos, con excepción de los más pequeños, se prepara una punta ahusada, aunque posteriormente se le vaya a dar forma de bola para soldar con ca.

Amolado. Si se desea un arco con estabilidad óptima, los electrodos de tungsteno deben amolarse con su eje perpendicular al eje de la rueda de amolar. La rueda deberá reservarse para amolar exclusivamente tungsteno, a fin de evitar una posible contaminación de la punta de tungsteno con materiales extraños durante la operación de amolado. Es recomendable usar campa- nas de ventilación al amolar electrodos con tono a fin de eliminar el polvo de amolado del área de trabajo.

Los electrodos de tungsteno con tono, con cerio y con lantano no forman bola con tanta facilidad como los de tungsteno puro o con zirconio; mantienen mucho mejor la forma de la punta amolada. Si se usan con ca, estos electrodos a menudo se rajan.

Afilado químico. El afilado químico consiste en sumergir el extremo al rojo vivo de un electrodo de tungsteno en un recipiente con nitrato de sodio. La reacción química entre el tungsteno caliente y el nitrato de sodio hará que el tungsteno se erosione con velocidad uniforme alrededor de la circunferencia y el extremo del electrodo. El calentamiento e inmersión repeti- dos del tungsteno en el nitrato de sodio formarán una punta ahusada.

Contaminación de los electrodos LA CONTAMINACIÓN DEL electrodo de tungsteno ocurre con mayor frecuencia cuando el soldador toca accidentalmente el charco de soldadura con la punta del electrodo o toca el tungsteno con el metal de aporte. El electrodo de tungsteno también puede oxidarse si el gas protector no es el adecuado o si su flujo es insuficiente durante la soldadura o después de extinguirse el arco. Otras fuentes de contaminación son: vapores metálicos del arco de soldadura, erupciones o salpicaduras del charco de soldadura, causadas por atrapamiento de gases, y evaporación d e impurezas superficiales.

El extremo contaminado del electrodo de tungsteno afectará adversamente las características del arco y puede dar pie a inclusiones de tungsteno en el metal de soldadura. Si esto ocurre, será preciso detener la operación de soldadura y eliminar l a porción contaminada del electrodo.

Los electrodos de tungsteno contaminados deben rectificarse debidamente desprendiendo la sección contaminada y amolando hasta darles la fonna correcta según el procedimiento sugerido por el fabricante.

Formación de bola. Cuando se suelda conca (por lo regular con un electrodo de tungsteno puro o zirconiado) la forma de punta más deseable es la hemisférica. Antes de usarse para soldar, se le puede dar forma de bola a la punta del electrodo

ALIMENTADORES DE ALAMBRE LOS ALIMENTADORES DE alambre sirven para añadir metal de

encendiendoün arco sobre un bloque de cobre u otro material apropiado enfriado por agua empleando ca o CCEP. La comente del arco se aumenta hasta que el extremo del electrodo se calienta al blanco y comienza a fundirse, con lo cual se forma una pequeña bola en la punta. A continuación se reduce gradual-

aporte durante la soldadura mecanizada y automática. Se puede alimentar alambre a temperatura ambiente (frío) o bien precalentado (caliente) al charco de soldadura. El alambre frío se alimenta por el borde delantero del charco, y el alambre caliente por el borde de atrás.



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Figura 3.5-Forma del arco y perfil de la zona de fusión en función de la geometria de la punta del electrodo con un escudo de argón puro (150 A, 2.0 s, punto sobre placa)

Alambre frío EL SISTEMAPARA alimentar alambre frío tiene tres componentes:

(1) Mecanismo impulsor del alambre. (2) Control de velocidad. (3) Aditamento guía para introducir el alambre en el charco

de soldadura.

El impulsor consiste en un motor y tren de engranes que impulsanun conjunto de rodillos, los cuales empujan el alambre. El control es en esencia un gobernador de velocidad constante que puede ser un dispositivo mecánico o electrónico. El alambre se alimenta a la guía a través de un conducto flexible.

La guía de alambre ajustable se sujeta al portaelectrodos. Esta guía mantiene la posición de entrada del alambre a la soldadura y el ángulo de aproximación relativo al electrodo, la superficie de trabajo y la unión. En aplicaciones de trabajo pesado, la guía del alambre se enfría con agua. Se emplean alambres con diámetros entre 0.4 y 2.4 mm (0.015 a 3/32 pulg). Hay alimentadores especiales que introducen el alambre en forma continua, pulsada o intermitente.

Alambre caliente EL PROCESO DE adición del alambre caliente es similar al del alambre frío, excepto que el alambre se calienta por resistencia hasta una temperatura cercana a su punto de fusión justo antes



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S O L D A D U R A P O R ARCO DE T U N G S T E N O Y G A S 83

de hacer contacto con el charco de soldadura. Si se usa alambre precalentado (caliente) en soldadura por arco de tungsteno y gas mecanizada o automática en la posición plana, el alambre se alimenta mecánicamente al charco de soldadura a través de un retén desde el que fluye gas inerte para proteger el alambre caliente contra la oxidación. Este sistema se ilustra en la figura 3.6. Normalmente se usa una mezcla de 75 % de helio y 25 % de argón para proteger el electrodo de tungsteno y el charco de soldadura.

La tasa de deposición es mayor con alambre caliente que con alambre frio, como se aprecia en la figura 3.7. Esta tasa es comparable con la de soldadura por arco de metal y gas. EI flujo de comente se inicia cuando el alambre hace contacto con la superficie de la soldadura. El alambre se alimenta al charco fundido inmediatamente detrás del arco con un ángulo de 40 a 60 grados respecto al electrodo de tungsteno.

El alambre se calienta por resistencia con corriente alterna de una fuente de potencia de voltaje constante. Se usa ca para calentar el alambre con el fin de evitar el golpe del arco. Si la comente no excede el 60% de la comente del arco, el arco oscilará 30 grados en dirección longitudinal. La oscilación aumenta a 120 grados cuando las corrientes de calentamiento y del arco son iguales. La amplitud de oscilación del arco puede controlarse limitando el diámetro del alambre a 1.2 mm (0.045 pulg) y reduciendo la comente de calentamiento a menos del 60% de la comente del arco.

Se ha usado con éxito alambre de aporte precalentado para unir aceros al carbono y de baja aleación, aceros inoxidables y aleaciones de cobre y niquel. No se recomienda el precalentamiento para alambres de aporte de aluminio y cobre porque la baja resistencia eléctrica de estos metales exige una corriente de calentamiento elevada, que a su vez produce una desviación excesiva del arco y una fusión dispareja.

FUENTES DE POTENCIA LAS FUENTES DE potencia recomendadas para GTAW son las de comente constante. La potencia requerida para soldar tanto con ca como con cc puede obtenerse de fuentes de transformador- rectificador o de generadores rotatorios de ca o cc. Los avances en la electrónica de semiconductores han popularizado el em-

ALIMENTADOR DE ALAMBRE DE APORTE DE ALTA VELOCIDAD

TUBO DE SOPLETE CONTACTO GTAW

\ CALIENTE SOLDADURA PIEZA DE TRABAJO

pleo de fuentes de potencia de transformador-rectificador para GTAW tanto en talleres como en el campo, pero las fuentes del tipo rotatorio se siguen utilizando mucho en el campo.

Las fuentes de potencia para GTAW suelen tener caracteristicas estáticas de salida de caida o de comente prácticamente constante, como las que se muestran en la figura 3.8. La caracteristica de salida estática es función del tipo de control de corriente de soldadura empleado en el diseño de la fuente de potencia.

2 1 4 - .o o vj 12 - 0 10- w n 8 - a

6 -

4 -

2 -

2

ALAMBRE CALIENTE

ALAMBRE FRí0

- 6

- 5 L \ m

- 4 y

- 3

- 2

- 1

2 4 6 8 10-

ENERGíA DEL ARCO, kW

Figura 3.7-Tasas de deposición para soldadura por arco de tungsteno y gas con alambre de aporte de

acero frío v caliente

SALIDA DE CORRIENTE CONSTANTE

LONGITUD DE ARCO 1 LONGITUD DE ARCO 2

I I 12 CORRIENTE, A-

Figura 3.6-Sistema de alambre caliente para arco de tunasteno v aas

Figura 3.û-Caracteristicas volt-ampere estaticas para fuentes de Dotencia de caída v de corriente constante



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La característic volt-ampere de caída es típica de las fuentes de potencia controladas magnéticamente, incluidos los dise- ños de bobina móvil, derivación móvil, reactor de núcleo móvil, reactor saturable o amplificador magnético, y también los de fuente de potencia rotatoria. Se puede obtener una salida de comente verdaderamente constante con fuentes de potencia de control electrónico. La caractenstica del tipo de caída es ventajosa para la soldadura manual cuando no se dispone de un control remoto de corriente operado por pedal. Con este tipo de carac- terística, el soldador puede variar ligeramente el nivel de corriente modificando la longitud del arco. El grado de control que es posible cambiando la longitud del arco puede inferirse de la figura 3.8.

En la mayor parte de las fuentes de potencia controladas magnéticamente, el control del nivel de la comente se efectúa en la porción de ca de la fuente. Es por ello que este tipo de fuentes de potencia casi nunca se usa para suministrar corriente a pulsos, pues su respuesta dinámica es lenta. La adición de un puente rectificador permite a estas fuentes suministrar comente de soldadura tanto de ca como de cc. Las fuentes de potencia que emplean un componente móvil para controlar la comente no se prestan al control remoto mediante un pedal, como sucede con las de los demás tipos.

En general, se considera que las fuentes de potencia controladas magnéticamente tienen control de lazo abierto, en cuanto a que la corriente de soldadura real para un nivel de comente dado depende de las condiciones de soldadura y puede variar si éstas cambian. Las fuentes de potencia monofásicas pueden suministrar comente tanto de ca como de cc, en tanto que las trifásicas por lo regular sólo suministran cc. La corriente de cc de una fuente trifásica casi siempre es más constante que la de una fuente monofásica por su menor amplitud de corriente de rizo.

Las ventajas de ias fuentes de potencia controladas magnéti- camente son su sencillez de operación, el poco mantenimiento que requieren en entornos industriales adversos, y su costo relativamente bajo. Las desventajas es que son grandes en valu- men y en peso y tienen menor eficiencia en comparación con las fuentes controladas electrónicamente. Además, como ya se dijo, la mayor parte de las técnicas de control magnético es de lazo abierto, lo que limita la repetibilidad, la exactitud y ia respuesta. Las fuentes de potencia controladas electrónicamente, como los diseños de regulador lineal en sene, rectificador controlado por silicio, secundario conmutado e inversor, pueden proporcionar una característica volt-ampere de corriente esencialmente constante.

Este tipo de característica suele ser ventajosa en la soldadura mecanizada y automática, pues ofrece exactitud y repetibilidad en el nivel de corriente de una soldadura a otra. La mayor parte de las fuentes de potencia de comente verdaderamente constante tienen control de lazo cerrado, en el que la corriente real se mide y compara con el nivel de corriente deseado. Los ajustes se efectúan electrónicamente dentro de la fuente de potencia a fin de mantener la corriente deseada aunque cambien las condiciones de soldadura.

En general, las fuentes de potencia controladas electrónica- mente ofrecen una respuesta dinámica rápida; por ello, pueden servir para suministrar corriente de soldadura a pulsos. Los disefios de regulador lineal en serie y secundario conmutado sólo proporcionan corriente de soldadura de cc a partir de potencia

de entrada monofásica o trifásica. Los diseños de rectificador controlado por silicio puede suministrar comente de ca y cc a partir de potencia monofásica y comente de cc a partir de potencia trifásica. Dependiendo del diseño, los inversores pueden proporcionar salida de ca y cc a partir de potencia de entrada monofásica y trifásica. Las fuentes de potencia de inversor son las más versátiles, y muchas ofrecen capacidades de multipro- ceso y salida de corriente de soldadura con forma de onda variable. Además, los inversores son más ligeros y compactos que otros diseños de fuente de potencia con especificación de comente equivalente.

Las ventajas de las fuentes de potencia controladas electróni- camente son que ofrecen una respuesta dinámica rápida, proporcionan corriente de salida con f m a de onda variable, tienen excelente repetibilidad y se prestan al control remoto. Las desventajas son que su operación y mantenimiento son más complejos y su costo es relativamente elevado.

Es importante seleccionar la fuente de potencia para GTAW con base en el tipo de corriente requerida para una aplicación en particular. Los tipos de comente de soldadura incluyen ca senoidal, ca de onda cuadrada, cc y cc a pulsos. En la siguiente sección del presente capítulo se dará más información acerca de los tipos de comente de soldadura y sus efectos, Existen muchas fuentes de potencia con diversos controles y funciones adicionales, como control dei agua y del gas protector, secuenciado del alimentador de alambre y del mecanismo de desplazamiento, pendiente de comente positiva y negativa, y secuencias de corriente múltiple. Si desea información mas detallada, consulte el capítulo 1.

Corriente directa SI SE USA corriente directa, el electrodo de tungsteno puede conectarse ya sea a la terminal negativa o a la positiva de la fuente de potencia. En casi todos los casos, se escoge que el electrodo sea negativo (cátodo). Con esta polaridad, los electrones fluyen del electrodo al trabajo y los iones positivos se transfieren del trabajo al electrodo, coino se muestra para CCEN (polandad directa) en la figura 3.9. Cuando el electrodo es positivo (ánodo), las direcciones de flujo de los electrones y los iones positivos se invierten, como se muestra para CCEP (Pola- ridad inversa) en la figura 3.9.

Con CCEN y un electrodo termoiónico como el de tungsteno, aproximadamente el 70% del calor se genera en el ánodo y el 30% en el cátodo. Puesto que CCEN produce la mayor parte del calor en la pieza de trabajo para una corriente de soldadura dada, esta polaridad produce mayor penetración de la soldadura que CCEP (véase la Fig. 3.9). CCEN es la configuración más común empleada en GTAW, y se usa con argón, helio o una mezcla de los dos para soldar la mayor parte de los metales.

Cuando el electrodo de tungsteno se conecta a la terminal positiva (CCEP), se crea una acción de limpieza catódica en la superficie de la pieza de trabajo. Esta acción ocurre con todos los metales, pero es más importante cuando se suelda aluminio o magnesio porque elimina la película de óxido refractario que inhibe la humectación del soldamento por parte del metal de soldadura.

A diferencia de CCEN, donde la punta del electrodo se enfría por ia evaporación de los electrones, cuando el electrodo se usa



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TIPO DE CORRIENTE CCEN CCEP CA (EQUILIBRADA)

POLARIDAD DEL ELECTRODO NEGATIVA POSITIVA

FLUJO DE ELECTRONES E IONES

CARACTERSTICAS DE PENETRACION

ACCIÓN LIMPIADORA DE OXIDOS NO SI

Si, UNA VEZ CADA MEDIO CICLO

~ ~~

BALANCE CALORIFICO EN EL ARCO (APROX.)

70% EN EL EXTREMO DEL TRABAJO

30% EN EL EXTREMO DEL ELECTRODO 30% EN EL EXTREMO DEL TRABAJO

70% EN EL EXTREMO DEL ELECTRODO

50% EN EL EXTREMO DELTRABAJO

50% EN EL EXTREMO DEL ELECTRODO

PENETRACIÓN PROFUNDA; ANGOSTA SOMERA; ANCHA MEDIANA ~~~~~

CAPACIDAD EXCELENTE DEFICIENTE BUENA DEL ELECTRODO p. ej. 3.2 mm (1/8 pulg) 400 A p. ej. 6.4 mm (1/4 pulg) 120 A p. ej. 3.2 rnm (1/8 pulg) 225 A

Figura 3.9-Características de los tipos de corriente para soldadura por arco de tungsteno y gas

como polo positivo su punta se calienta por el bombardeo de electrones además de por la resistencia que opone a su paso por el electrodo. Por tanto, cuando se usa polaridad inversa se requiere un electrodo de diámetro más grande para una comente de soldadura dada, a fin de reducir el calentamiento por resistencia e incrementar la conducción térmica hacia el mandril del electrodo. La capacidad de transporte de corriente de un electrodo conectado a la tenninal positiva es aproximadamente la déci- ma parte de la de un electrodo conectado a la tenninal negativa. En general, el LISO de CCEP está limitado a la soldadura de piezas de lámina.

Soldadura con CC a pulsos. En la cc a pulsos la comente del arco varía en forma repetitiva desde un valor de fondo (bajo) hasta un valor pico (alto). Las fuentes de potencia de cc a pulsos por lo regular permiten ajustar la duración del pulso de corriente, el tiempo de la corriente de fondo, el nivel de ia corriente pico y el nivel de la corriente de fondo, a fin de producir una salida con foniia de onda adaptada a una aplicación en particular. En la figura 3.10 se muestra una fonna de onda de corriente a pulsos típica. En general, los tiempos de duración del pulso y dei fondo se ajustan de modo que la corriente cambie de nivel a intervalos que van desde una vez cada dos segundos hasta 20 pulsos por segundo. La corriente a pulsos por lo regular se aplica con el electrodo negativo (CCEN).

En la soldadura con cc a pulsos, el nivel de comente del piil- so suele ajustarse a entre 2 y 20 veces el nivel de corriente de

fondo. Esto combina las Características de arco vigoroso de la corriente elevada con el aporte de calor bajo de la comente reducida. La comente de los pulsos logra buena fusión y pene- tración, en tanto que ia corriente de fondo mantiene el arco y pennite que se enfríe el área de soldadura.

W- u I dd-4 c c c IRRIENTE PICO DEL PULSO

CORRIENTE DE FONDO

o

TIEMPO-

Fiaura 3.10-Forma de onda de cc a DU~SOS



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La comente a pulsos tiene varias ventajas. Para un nivel de corriente medio dado, es posible obtener mayor penetración que con una comente estable, cosa que resulta útil con metales sensibles al aporte de calor, además de que minimiza la distor- sión. Como no hay suficiente tiempo para que fluya una cantidad significativa de calor durante el tiempo de pulso tan corto, los metales con espesores disímiles por lo regular tienen la misma respuesta y es posible lograr una penetración uniforme. Por lo mismo, es posible soldar metales muy delgados con cc a pulsos. Además, es posible usar el mismo conjunto de variables de soldadura para uniones en todas las posiciones, como en la soldadura circunferencia1 de tubos horizontales. La cc a pulsos también resulta útil para salvar brechas en uniones de raíz abierta.

Aunque se usa principalmente para GTAW mecanizada y automática, el pulsado ofrece ventajas para la soldadura manual. Los soldadores con poca experiencia pronto se dan cuenta de que pueden mejorar su habilidad si cuentan los pulsos (de 1/2 a 2 pulsos por segundo) y los usan para regular el movimiento del soplete y del alambre frío. Los soldadores experimentados pueden soldar materiales más delgados, aleaciones disímiles y espesores disímiles con menos dificultad.

Soldadura a pulsos de alta frecuencia. La cc conmutada de alta frecuencia implica la aplicación de comente continua que se conmuta desde un nivel bajo hasta otro alto con una frecuencia fija rápida de aproximadamente 20 kHz, como se muestra en la figura 3.11.

El tiempo de “encendido” de la corriente pico se varia a fin de cambiar el nivel de corriente medio. El efecto de la conmu- tación de alta frecuencia es producir un arco “rígido”. La presión del arco es una medida de su rigidez. Como se observa en la figura 3.12, conforme la frecuencia de conmutación se acerca a 10 kHz, la presión del arco se incrementa hasta casi cuatro veces la presión de un arco de cc estable. Al aumentar la presión del arco, se reduce su desplazamiento lateral, como el producido por campos magnéticos (golpe del arco) o por movimiento del gas protector (viento del arco).

La cc conmutada de alta frecuencia es útil en aplicaciones de precisión mecanizadas y automáticas en las que se requiere un

1 5 0

t a W-

E I- z [r II:

8 5

rCORRIENTE PICO DEL PULSO

IIi TIEMPO EN

CORRIENTE DE FONDO-

Figura 3.1 1-Relación entre la presión del arco y la frecuencia de los pulsos

CORRIENTE MEDIA: 50 A &- CORRIENTE PICO: 150 A

J

ÁNGULO DE PUNTA: 60” GAS PROTECTOR: Ar 15 L/rnin

v) DIÁM. AGUJERO EN PLACA -

DE COBRE: 1 .O rnrn

I L a

CONV. C.C. 5 10 15

FRECUENCIA (kHz)

Figura 3.12-Forma de onda de corriente de soldadura de cc a pulsos conmutada de alta frecuencia

arco con propiedades direccionales y estabilidad excepcionales. También se emplea cuando se necesita un arco estable con niveles de comente media muy bajos. La desventaja de la cc conmutada de alta frecuencia es que las fuentes de potencia para soldadura son costosas. Además, si la frecuencia de conmuta- ción está en el intervalo audible, el sonido del arco puede ser muy molesto.

Corriente alterna LA CORRIENTE ALTERNA experimenta una inversión periódica de su polaridad, de electrodo positivo a electrodo negativo. Por tanto, la corriente alterna puede combinar la acción limpiadora del trabajo de la polaridad inversa (electrodo positivo) con la penetración profunda característica de la polaridad directa (electrodo negativo). La soldadura con ca se compara con CCEN y CCEP en la figura 3.9.

Las fuentes de potencia de ca para soldadura convencionales producen una salida de voltaje de circuito abierto senoidal que está defasada cerca de 90” con la corriente. La frecuencia de inversión del voltaje suele estar fija a la frecuencia están- dar de 60 Hz de la potencia primaria. El voltaje de arco real está en fase con la corriente de soldadura. El voltaje que se mide es la suma de las caídas de voltaje en el electrodo y el plasma y en el ánodo y el cátodo; todas éstas son resultado del flujo de la corriente.

Cuando la corriente cae a cero, se presentan diferentes efectos, dependiendo de la polaridad. Si el electrodo de tungsteno termoiónico se vuelve negativo, proporciona de inmediato electrones para volver a encender el arco. En cambio, cuando el charco de soldadura se vuelve negativo, no podrá suministrar electrones a menos que el voltaje se eleve lo suficiente para iniciar una emisión de cátodo frío. Sin este voltaje, el arco se vuelve inestable, como se muestra en la figura 3.13 (A).

Si se usan fuentes de potencia sinusoidal convencionales, se requiere algún mecanismo para estabilizar el arco durante la



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inversión del voltaje. Esto se ha hecho empleando fuentes con voltaje de circuito abierto elevado, descargando condensadores en el momento apropiado durante el ciclo, empleando chispas de alto voltaje y alta frecuencia en paralelo con el arco y utilizando fuentes de potencia con salida de onda cuadrada. Los resultados de semejante estabilización se muestran en la figura 3.13 (B).

El voltaje de circuito abierto del transformador puede incrementarse a fin de mejorar la estabilidad del arco. Si se usa helio como gas protector, se requiere un voltaje de circuito abierto de cerca de 100 V (rms). También puede obtenerse el voltaje necesario añadiendo una fuente de voltaje de alta frecuencia en serie con el transformador. El voltaje de alta frecuencia suele ser del orden de varios miles de volts, y su frecuencia puede ascender a varios megahertz. La comente es muy baja. EI voltaje de alta frecuencia puede aplicarse continuamente o en forma periódica durante la soldadura. En el segundo caso, se hace que cuando la comente pasa por cero se produzca una ráfaga de alto voltaje.

Las fuente de potencia para soldadura de onda cuadrada pueden cambiar la dirección de la comente en un lapso muy corto. La presencia de alto voltaje, aunada a una temperatura elevada del electrodo y del metal base en el momento de invertirse la comente, permite que el arco se vuelva a encender sin necesidad de un estabilizador. Además, la comente “pico” más baja de la forma de onda cuadrada tiende a ampliar el intervalo de comente útil del electrodo.

Puesto que es más fácil proporcionar los electrones necesarios para sostener un arco cuando el electrodo es negativo, el voltajsrequerido también es menor. El resultado es una comente de soldadura más alta durante el intervalo de CCEN que durante CCEP. De hecho, la fuente de potencia produce comente tanto continua como alterna. Esta rectificación puede dañar la fuente de potencia por el sobrecalentamiento o, en algunas máquinas, causar un decaimiento de la salida. La rectificación se elimina con un balanceo de comente, como se muestra en la figura 3.13 (C).

Las primeras fuentes de potencia de comente balanceada empleaban condensadores conectados en serie o bien una fuente de voltaje de cc (como una batería) en el circuito de soldadura. Los circuitos de fuente de potencia modernos utilizan balanceo electrónico de la onda. El flujo de comente balanceado no es indispensable para la mayor parte de las operaciones de soldadura manual, pero sí es deseable para la soldadura mecanizada o automática a alta velocidad. Las ventajas del flujo de corriente balanceado son las siguientes:

(1) Más completa eliminación de óxidos. (2) Soldadura más uniforme y de mayor calidad. (3) No se requiere reducir ia especificación de salida de un

tamaño dado de transformador para soldadura convencional (se minimiza la magnetización de núcleo no balanceada producida por el componente de cc de un flujo de comente no balanceado).

Las que siguen son desventajas del flujo de corriente balanceado:

(1) Se requieren electrodos de tungsteno más grandes. (2) Los voltajes de circuito abierto más elevados que gene-

ralmente se asocian a los mecanismos de balanceo de la onda pueden representar un problema de seguridad.

(3) Las fuentes de potencia para soldadura de onda balanceada son más costosas.

Algunas fuentes de potencia de ca de onda cuadrada ajustan el nivel de la comente durante los ciclos de electrodo positivo y electrodo negativo a la frecuencia estándar de 60 Hz. Las fuentes de mayor costo ajustan el tiempo de cada medio ciclo de polaridad además del nivel de la comente durante ese medio ciclo. Estas formas de onda variables ajustan la comente de soldadura adaptándola a una aplicación en particular. Las características de la comente alterna de onda cuadrada variable se muestren en la figura 3.14.

CONTROL DEL VOLTAJE DE ARCO EN GTAW MECANIZADA y automática se emplean controladores del voltaje de arco para mantener la longitud del arco. En este caso, el arco mismo es un sensor, ya que convierte una medida de longitud (espacio del arco) en una señal eléctrica (voltaje del arco).

El controlador compara los voltajes de arco medido y deseado para determinar en qué dirección y con qué velocidad debe desplazarse el electrodo de soldadura. Esta determinación, ex- presada como una señal de error de voltaje, se amplifica para impulsar motores de un soporte deslizante sobre el que está montado el soplete. Se detecta el voltaje cambiante que resulta del movimiento del electrodo de soldadura, y el ciclo se repite para mantener el voltaje de arco deseado.

VOLTAJE DE CC PERO SIN ARCO EN EL MEDIO CICLO POSITIVO

t t ? t t t VOLTAJE DE CIRC. ABIERTO

t O -

VOLTAJE (A 1 CORRIENTE

t O

CORRIENTE VOLTAJE (BI

CORRIENTE VOLTAJE (Cl -

Figura 3.13-Formas de onda de voltaje y corriente para soldadura con Ca: (A) Rectificación parcial y completa;

(B) con estabilización del arco; (C) con balanceo de corriente



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88 S O L D A D U R A P O R A R C O D E T U N G S T E N O Y GAS

paldo con gas reduce el agrietamiento de la raíz y la porosidad de la soldadura.

NIVEL DE CORRIENTE CON ELECTRODC NEGATIVO L

TIEMPO CON ELECTRODO

F P O S I T I V O 4

NIVEL DE CORRIENTE CON ELECTRODO POSITIVO

TIEMPO CON ELECTRODO NEGATIVO

Figura 3.14-Características de la Ca de onda cuadrada variable

OSCILACIÓN DEL ARCO LA ANCHURA DE las soldaduras por arco de tungsteno y gas pueden aumentarse mediante oscilación mecánica. Esto puede efectuarse montando el soplete de GTAW en un soporte deslizante cruzado que permita el movimiento del soplete en direc- ción transversal respecto a la línea de recorrido. Este equipo ofrece velocidad de alimentación cruzada, amplitud de oscila- ción y tiempo de cambio de dirección (dwell) ajustables a cada lado del ciclo de oscilación.

Con oscilación magnética es posible obtener una mejor fusión de las paredes de la unión y una reducción de los efectos perjudiciales del golpe de arco. Estos osciladores desvían el arco longitudinal o lateralmente sobre el charco de soldadura sin mover el electrodo. Los osciladores consisten en electroima- nes situados cerca del arco y energizados por una fuente de potencia de polaridad y amplitud variables. Entre las funciones de control están el ajuste de la frecuencia y la amplitud de os- cilación y el ajuste independiente de los tiempos de cambio de dirección.

GASES PROTECTORES EL SOPLETE DIRIGE el gas protector hacia el arco y el charco de soldadura con el fin de proteger el electrodo y el metal fundido de la contaminación por gases atmosféricos. También puede usarse un gas purgante de respaldo para proteger el lado de abajo de la soldadura y las superficies de metal base adyacentes contra la oxidación durante la soldadura. Hay mayores posibilidades de lograr un perfil uniforme de la franja de raíz, ausencia de socavamiento, y el refuerzo de raíz deseado si se usa respaldo con gas en condiciones controladas. En algunos materiales, el res-

Tipos de gases protectores EL ARGON Y el helio, o las mezclas de estos dos, son los tipos más comunes de gases inertes empleados como escudo. En aplicaciones especiales se usan mezclas de argón e hidrógeno.

Dependiendo del volumen utilizado, estos gases pueden suministrarse en cilindros o como líquidos en tanques aislados. El líquido se vaporiza y envía mediante tuberías a distintos puntos de la planta, con lo que se elimina el manejo de cilindros.

Argón. El argón (Ar) es un gas monoatómico inerte con peso molecular de 40. Se obtiene de la atmósfera por separación del aire licuado.

El argón de grado soldadura se refina hasta una pureza mínima del 99.95%. Esto es aceptable para soldar con GTAW la mayor parte de los metales excepto los reactivos y refractarios, para los cuales se requiere una pureza mínima del 99.997%. En muchos casos, estos metales se procesan en cámaras de las que se ha purgado todo el aire antes de iniciarse la operación de soldadura.

El argón se utiliza más ampliamente que el helio porque tiene las siguientes ventajas:

(1) Acción de arco más uniforme y silenciosa. (2) Menor penetración. (3) Acción de limpieza al soldar materiales como el aluminio

(4) Menor costo y mayor disponibilidad. (5 ) Buena protección con tasas de flujo más bajas. (6) Mayor resistencia a ráfagas transversales. (7) Más fácil iniciación del arco.

La menor penetración de un arco escudado con argón resulta especialmente útil al soldar a mano materiales delgados, ya que se reduce la tendencia a una perforación excesiva. Esta misma característica representa una ventaja en la soldadura vertical o cenital porque se reduce la tendencia del metal base a pandearse o escurrir.

y el magnesio.

Helio. El helio (He) es un gas monoatómico inerte muy ligero, con peso atómico de cuatro. Se obtiene por separación a partir del gas natural. El helio de grado soldadura se refina hasta una pureza de por lo menos el 99.99%.

Con valores fijos de comente de soldadura y longitud del arco, el helio transfiere más calor al trabajo que el argón. El mayor poder de calefacción del arco de helio puede ser ventajoso al soldar metales con elevada conductividad térmica y en aplicaciones mecanizadas de alta velocidad. Además, el helio se usa con mayor frecuencia que el argón para soldar placas gruesas. Las mezclas de helio y argón son útiles cuando se desea un término medio entre las características de ambos gases.

Características del argón y el helio. El factor principal que influye en la efectividad de la protección es la densidad del gas. El argón es aproximadamente una y un tercio veces más denso que el aire y diez veces más denso que el helio. El argón,



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después de salir por la boquilla del soplete, forma un manto sobre el área de soldadura. El helio, como es más ligero, tiende a elevarse alrededor de la boquilla. Trabajos experimentales han demostrado consistentemente que, para lograr una efectividad de protección equivalente, el flujo de helio debe ser de dos a tres veces el flujo del argón. La misma relación general se cumple para las mezclas de argón y helio, sobre todo las de alto contenido de helio.

Las características importantes de estos gases son las relaciones voltaje-comente del arco de tungsteno en argón y en helio que se ilustran en la figura 3.15. En todos los niveles de comente, con arcos de longitud equivalente, el voltaje de arco que se obtiene con helio es bastante mayor que con argón. Puesto que el calor del arco se mide aproximadamente según el producto de la comente y el voltaje (potencia de arco), el helio ofrece más calor disponible que el argón. Esto hace que se le prefiera para soldar materiales gruesos y metales con elevada conductividad térmica o punto de fusión relativamente alto.

Sin embargo, cabe señalar que con corrientes bajas las curvas volt-ampere pasan por un mínimo de voltaje, en niveles de corriente separados aproximadamente 90 amperes (A), después del cual el voltaje aumenta al disminuir la corriente. En el caso del helio, este aumento en el voltaje se presenta en el intervalo entre 50 y 150 A, donde se efectúa la mayor parte de los trabajos de soldadura de materiales delgados. Puesto que el incremento de voltaje del argón ocurre por debajo de 50 A, el empleo de este gas en el intervalo de 50 a 150 A ofrece al operador una mayor tolerancia en la longitud del arco para controlar la operación de soldadura.

Es evidente que para obtener la misma potencia de arco se requiere una comente bastante mayor con argón que con helio. Puesto que el socavamiento con cualquiera de estos gases ocurre más o menos con la misma corriente, el helio producirá soldaduras satisfactorias a velocidades mucho más altas.

La otra característica influyente es la de estabilidad del arco. Ambos gases ofrecen una estabilidad excelente con potencia de corriente continua. Con potencia de corriente alterna, que se usa mucho para soldar aluminio y magnesio, el argón produce un arco mucho más estable y la acción de limpieza que tanto se desea, lo que lo hace muy superior al helio en este aspecto.

Mezclas de argón e hidrógeno. Las mezclas atgón-hdtó- geno se emplean en casos especiales, como la soldadura mecanizada de tubos de acero inoxidable de calibre delgado, en los que el hidrógeno no tiene efectos metalúrgicos adversos como la porosidad y el agrietamiento inducido por hidrógeno. Es posible aumentar la velocidad de soldadura máxima en propor- ción casi directa a la cantidad de hidrógeno añadida al argón, en virtud del aumento en el voltaje del arco. Sin embargo, la cantidad de hidrógeno que puede agregarse varía con el espesor del metal y el tipo de unión para cada aplicación específica. Un exceso de hidrógeno causará porosidad. Se han usado concentraciones de hidrógeno de hasta 35% con acero inoxidable de todos los espesores cuando se usa una abertura de raíz de aproximadamente 0.25 a 0.5 mm (0.010 a 0.020 pulg). Las mezclas de agón-hidrógeno sólo pueden usarse con acero inoxidable, níquel-cobre y aleaciones con base de níquel.

ARCO DE TUNGSTENO, ALU MIN IO

? 25 30 c LONGITUD DEL ARCO

2 mm (0.08 pulg) 4 mm (0.1 6 pulg)

-- -

0- O 50 100 150 200 250 300 350 400

CORRIENTE DEL ARCO, A

Figura 3.1 SRelación voltaje-corriente con escudos de helio v araón

La mezcla de argen-hidrógeno de uso más común contiene 15 % de hidrógeno y se usa para soldar mecánicamente uniones a tope estrechas en acero inoxidable de hasta 1.6 mm (0.062 pulg) de espesor a velocidades comparables con las que son posibles con helio (50% más rápido que con argón). También se usa para soldar barriles de cerveza de acero inoxidable, y uniones entre tubos y láminas de tubos en diversos aceros inoxidables y aleaciones de níquel. Para la soldadura manual en ocasiones se prefiere un contenido de hidrógeno del 5% para obtener soldaduras más limpias.

Selección del gas protector. No hay una regla fija para escoger el gas protector para una aplicación en particular. En la mayor parte de las aplicaciones puede usarse con éxito argón, helio o una mezcla de argón y helio, con la posible excepción de la soldadura manual de materiales muy delgados, donde el argón es indispensable. En general, el argón produce un arco que opera de manera más uniforme y silenciosa, se maneja con mayor facilidad y es menos penetrante que un arco escudado con helio. Por añadidura, el menor costo unitario y los requisitos de tasa de flujo más bajos del argón hacen a este gas preferible desde el punto de vista económico. El argón se prefiere en casi todas las aplicaciones, excepto aquellas en las que se requiere la mayor penetración calorífica del helio para soldar secciones gruesas de metales con elevada conductividad térmica, como el aluminio y el cobre. En la tabla 3.4 se da una guía pata seleccionar los gases.



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Tabla 3.4 Tipos de corriente, electrodos de tungsteno y gases protectores recomendados para soldar diferentes metales

Tipo de metal Espesor Tipo de corriente Electrodo* Gas protector Aluminio .................................... Todos Corriente alterna Puro o con zirconio Argón o argón-helio

Menos de 1/8 pulg CCEP Toriado o con zirconio Argón Cobre, aleaciones de cobre ..................... Todos CCEN Toriado Holio

Menos de 1/8 pulg Corriente alterna Puro o con zirconio Argón Aleaciones de magnesio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Todos Corriente alterna Puro o con zirconio Argón

Menos de 1/8 pulg CCEP Con zirconio o con torio Argón Níquel, aleaciones de níquel .................... Todos CCEN Con torio Argón Aceros al carbono ordinarios, de baja aleación . . . . . . Todos CCEN Con torio Argón o argón-helio

Menos de 1/8 pulg Corriente alterna Puro o con zirconio Aagón Acero inoxidable .............................. Todos CCEN Con torio Argón o argón-heiio

Menos de 1/8 pulg Corriente alterna Puro o zirconiado Argon Titanio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Todos CCEN Toriado Argon

Más de 1/8 pulg CCEN Toriado Argón-helio o argón

En los casos en que se recomiendan electrodos con torio también pueden usarse electrodos con cerio o con lantano.

Tasas de flujo de gas recomendadas LOS REQUISITOS DE flujo de gas protector se basan en el tamaño de la copa o la boquilla, el tamaño del charco de soldadura y el movimiento del aire. En general, la tasa de flujo aumenta en proporción con el área de sección transversal de la boquilla (considerando la obstrucción que representa el mandril). Se escoge un diámetro de boquilla apropiado para el tamaño del charco de soldadura y la reactividad del metal que se va a soldar. La tasa de flujo mínima está determinada por la necesidad de un chorro rígido que venza los efectos de calentamiento del arco y las corrientes de aire transversales. Con los sopletes de uso más común, las tasas de flujo de gas protector típicas son de 7 a 16 L/min (15 a 35 pies3/h) para argón y de 14 a 24 L/min (30 a 50 pies3/h) para helio. Una tasa de flujo de gas excesiva causará turbulencia en el chorro de gas que puede introducir contamina- ción atmosférica en el charco de soldadura.

Un viento o comente de aire transversal con velocidad de ocho o más kilómetros por hora puede romper el escudo de gas protector. Los chorros de gas más rígidos sin turbulencia (con velocidades de flujo elevadas) se obtienen incorporando lentes de gas a la boquilla y empleando helio como gas protector. Sin embargo, para reducir los costos, es preferible usar pantallas protectoras para bloquear el flujo del aire en lugar de aumentar el flujo del gas protector.

Purgante de respaldo ALEFECTUARLA pasada de raíz de una soldadura, el aire contenido en el lado de atrás de la pieza de trabajo puede contaminar la soldadura. Para evitar este problema, es preciso purgar el aire de esta región. El argón y e1 helio son satisfactorios como purgantes de respaldo sea cual sea el material soldado. Se puede

usar con éxito nitrógeno para respaldar soldaduras en acero inoxidable austenítico, cobre y aleaciones de cobre.

La tasa de flujo de gas requerida para el purgante de respaldo va de 0.5 a 42 L/min (1 a 90 pies3/h), dependiendo del volumen que se va a purgar. Como regla empírica, se puede obtener una atmósfera relativamente inerte dejando pasar cuatro veces el volumen que se va a purgar. Una vez purgado el volumen, el flujo de gas de respaldo durante la soldadura deberá reducirse de modo que se mantenga apenas una presión ligeramente positiva en el área purgada. Una vez completada la pasada de raíz y las primeras pasadas de relleno, puede descontinuarse el purgante de respaldo.

Hay varios dispositivos que sirven para contener el gas protector en el lado de atrás de soldamentos de placa y tubería. Uno de ellos se muestra en la figura 3.16. Si desea más información, consulte la edición más reciente de ANSYAWS (25.5, Prácticas recomendadas para soldadura por arco de tungsteno y gas.

Al purgar sistemas de tubería, es importante contar con un respiradero o escape adecuado, como el de la figura 3.17, para evitar que suba demasiado la presión durante la soldadura. El área de los respiraderos por los que el gas de respaldo sale a la atmósfera debe ser por lo menos igual al área de la abertura por la que el gas entra al sistema. Se debe tener cuidado especial de asegurar que la presión del purgante de respaldo no sea excesiva al soldar los últimos centímetros de la pasada de raíz, a fin de evitar que el charco de soldadura burbujee o se forme una concavidad en la raíz.

Si se usa argón o nitrógeno, es preferible que el gas de respaldo entre en el sistema por un punto bajo, para que desplace la atmósfera hacia arriba, y que salga por un punto situado más allá de la unión que se va a soldar. Una vez más, refiérase a la figura 3.17. En sistemas de tuberías con varias uniones, todas excepto la que se está soldando deberán cubrirse con cinta para evitar pérdida de gas.



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Fiaura 3.16-Canal de aas Duraante de resDaldo

Cámara para soldar con atmósfera controlada SE PUEDE OBTENER el máximo de beneficios al soldar metales reactivos si el objeto entero que se va a soldar puede colocarse en una cámara de atmósfera controlada. Estas cámaras, como la de la figura 3.18, contienen las piezas por soldar, el gas protector y el equipo de soldadura. Una vez colocadas las piezas en la cámara, se inicia la purga y se toman lecturas con instrumentos analizadores de oxígeno, nitrógeno y vapor de agua para asegurar que no se comenzará a soldar hasta que los contaminantes tengan niveles suficientemente bajos, por lo regular menores que 50 ppm.

Escudos de estela EN EL CASO de algunos metales, como el titanio, se requieren escudos con estela si no están disponibles cámaras u otras técnicas de protección o si no resultan prácticas. El empleo de

ENTRADA DE GAS SALIDA DEL GAS PURGANTE

DEFLECTOR

TUBO UNIÓN POR SOLDAR

Figura 3.1 7-Sistema de gas purgante de respaldo para unión circunferencia1 en tubería (obsérvese el uso de

deflectores Dara contener el aas puraante)

un escudo con estela asegura que el área de soldadura estará cubierta hasta que el metal fundido se haya enfriado hasta el punto en que ya no reacciona con la atmósfera. En la figura 3.19 se muestra un tipo de escudo con estela. Las barreras fijas, como la de la figura 3.20, también ayudan a confinar el gas protector dentro del área inmediata al electrodo.

MÉTODOS DE INICIACIÓN DEL ARCO

Inicio de fricción o toque CON LA FUENTE de potencia energizada, y el gas protector flu- yendo por la copa, el soplete se acerca a la pieza de trabajo hasta que el electrodo de tungsteno hace contacto con ella. De inmediato se retira el soplete una distancia corta para establecer el arco.

La ventaja de este método de iniciación del arco es su sencillez tanto para soldadura manual como mecanizada. La desventaja del inicio de toque es la tendencia del electrodo a pegarse a la pieza de trabajo, con la consiguiente contaminación del electrodo y transferencia de tungsteno al trabajo.

Inicio de alta frecuencia ELINICIODE alta frecuencia puede usarse con fuentes de potencia de cc o de ca en aplicaciones tanto manuales como automatizadas. Los generadores de alta frecuencia por lo regular tienen un oscilador de salto de chispa que superpone una salida de ca de alto voltaje a radiofrecuencias en serie con el circuito de soldadura. El circuito se muestra en la figura 3.21. El alto voltaje ioniza el gas entre el electrodo y el trabajo, y el gas ionizado conduce la comente de soldadura cpe inicia el arco.

Como las radiaciones del generador de alta frecuencia pueden afectar los equipos de radio, electrónicos y de computación, el empleo de este tipo de sistemas de inicio del arco está regido por los reglamentos de las autoridades de comunicaciones. El usuario deberá seguir las instrucciones del fabricante para instalar y usar el equipo de inicio de arco por alta frecuencia correctamente.

Inicio de pulso LA APLICACIONDE un pulso de alto voltaje entre el electrodo de tungsteno y el trabajo ionizará el gas protector y establecerá el arco de soldadura. Este método generalmente se usa con fuentes de potencia de cc en aplicaciones de soldadura mecanizada.

Inicio con arco piloto EL INICIO CON arco piloto puede usarse con fuentes de potencia de cc para soldadura. El arco piloto se mantiene entre el electrodo y la boquilla del soplete, y proporciona el gas ionizado que se necesita para establecer el arco de soldadura, como se muestra en la figura 3.22. El arco piloto se alimenta de una pequeña fuente de potencia auxiliar y se inicia con alta frecuencia.



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- Figura 3.18-Cámara de atmósfera controlada empleada para soldadura por arco de tungsteno y gas de metales

reactivos (Nota: EI operador vigila el arco a través de una ventana de plexiglas)

I

/ INDIVIDUAL

EMPACADO CON LANA DE ACERO INOXIDABLE O COBRE PARA UNIFORMAR EL FLUJO DE GAS

(CI

Figura 3.20-Barreras empleadas para contener el gas protector cerca de la unión que se va a soldar Figura 3.19-Escudo con estela para soplete manual



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a - ELECTRODO DE TUNGSTENO

4

/ ARCO PILOTO O

/

FUENTE DE V /- POTENCIA DEL

ANILLO DE ÁNODO / / 4 r

TRANSFORMADOR CON NUCLEO DE AIRE

O / /

/ -BOQUILLA DE GAS AISLADA FUENTE DE POTENCIA

-

PARASOLDAR ARCO PILOTO- -- Y œ

O I 9 1 i w

I I

1 GENERADOR DE ALTA FRECUENCIA

FUENTE DE POTENCIA PARA SOLDAR

ELECTRODO ql OsciLADoR DE SALTO DE CHISPA

I A I 1

PIEZA DE TRABAJO’ - Fiaura 3.21-Inicio de arco con alta frecuencia

Figura 3.22-Circuito de inicio con arco piloto empleado para la soldadura de puntos por arco de tungsteno y gas



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TÉCNICAS DE GTA

~ O L ~ A D U ~ A ~ A ~ U A ~ LA PALABRA ''h4ANUAL," en el proceso GTAW implica que una persona controla todas las funciones del proceso de soldadura. Las funciones incluyen la manipulación del portaelectrodos y el control de las adiciones de metal de aporte, la corriente de soldadura, la velocidad de recorrido y la longitud del arco. El proceso se muestra en la figura 3.23.

Equipo para soldadura manual ADEMAS DE UNA fuente de potencia apropiada y una fuente de gas protector, el equipo de GTAW manual incluye el soplete para soldar, mangueras y conductores eléctricos, pedal (o interruptor en el soplete) para regular los niveles de corriente durante el ciclo de soldadura, y controles del flujo de gas.

Técnicas de soldadura manual L A T E C N I C A P A F U ~ ~ ~ ~ ~ ~ a mano se ilustra en la figura 3.24. Una vez iniciado el arco, el electrodo se mueve describiendo un círculo pequeño hasta establecer el charco de soldadura deseado. Luego se sostiene el soplete con un ángulo de 1.5" respecto a la vertical como se muestra en la ilustración y se mueve a lo largo de la unión para fundir progresivamente las superficies de empalme. El metal de aporte, si se usa, se añade al borde delantero del charco.

El portaelectrodos y la varilla de soldadura se deben desplazar progresivamente y cor, suavidad para que el charco de soldadura, el extremo caliente de la varilla y la soldadura solidificada caliente no queden expuestos al aire que contaminaría el metal de soldadura o la zona térmicamente afectada. En general una envoltura grande de gas protector evita la exposición al aire.

La varilla de soldadura por lo regular se sostiene con un ángulo de unos 15" respecto a la superficie del trabajo y se alimenta lentamente al charco de soldadura. Durante el proceso, ei extremo caliente de la varilla no debe salir de la protección que brinda el escudo de gas inerte.

SOLDADURA MECANIZADA EA SOLDADURAMECANIZADA se efectúa con equipo que realiza la operación de soldadura bajo la supervisión y control constantes de un operador. Ei equipo puede o no cargar y descargar las piezas de trabajo.

Ea GTAW mecanizada ofrece mayor control sobre la velocidad de recorrido y el aporte de calor a la pieza de trabajo. El mayor costo del equipo que proporciona estos beneficios debe justificarse con los requisitos de producción y calidad.

El equipo de GTAW mecanizada, como el soldador orbital de tubos que se muestra en la figura 3.25, va desde sencillos secuenciadores de programas de soldadura y manipuladores mecánicos hasta sistemas de soldadura orbital de tubos y conductos. Los secuenciadores de soldadura operan en modo de control de lazo abierto: las variables se mantienen en niveles preestablecidos y no se intenta ajustarlos para responder a cam-

bios en la calidad de la soldadura. El secuenciador inicia y completa la soldadura automáticamente, pasando de un conjunto de valores de las variables a otro en momentos o lugares previamente determinados a lo largo de la unión que se suelda. Las tolerancias de las piezas deben controlarse estrictamente y las fijaciones deben ser fuertes, ya que el secuenciador no puede compensar movimientos no deseados de las piezas durante la soldadura. Las piezas de alta precisión y las fijaciones robustas incrementan los costos de producción, pero los secuenciadores por lo regular cuestan menos que los controladores automáticos más avanzados.

SOLDADURA SEMIAUTOMATICA LA GTAW SEMIAUTOMATICA se define como una soldadura con equipo que controla sólo la alimentación del metal de aporte; el avance del soplete se controla manualmente. Los sistemas semi- automáticos para GTAW se introdujeron alrededor de i952 pero sólo se han usado en aplicaciones especiales.

SOLDADURA AUTOMATKA LA SOLDADURA CON equipo que lleva a cabo ia operación sin que un operador ajuste los controles se denomina soldadura autonzática. El equipo puede o no cargar y descargar las piezas de trabajo. La figura 3.26 muestra una aplicación de GTAW automática típica en la que las piezas se cargan y descargan también en forma automática.

Figura 3.23-Soldadura manual con arco de tungsteno y gas de una unión de tubería. Obsérvese la manguera

del aac Duraante de resDaldo



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(A) FORMAR EL CHARCO CON MOVIMIENTO CIRCULAR O DE LADO A LADO

(e) MOVER EL ELECTRODO AL BORDE TRASERO DEL CHARCO

(C) AÑADIR METAL DE APORTE AL CENTRO DEL BORDE DELANTERO DEL CHARCO

MANTENER LA VARILLA EN EL CHORRO DE

(D) RETIRAR LA VARILLA (E) MOVER EL ELECTRODO AL BORDE DELANTERO DEL CHARCO

Figura 3.24-Técnica para soldadura por arco de tungsteno y gas manual

Algunos sistemas de soldadura automática modernos (con frecuencia caracterizados como de control adaptativo o por retroalimentación) comgen las variables de soldadura basándo- se en información obtenida durante el proceso. El objetivo es mantener la calidad de la soldadura en un nivel constante a pesar de cambios en las condiciones del proceso. El ajuste automáti- co de las variables de soldadura individuales, como la corriente o la longitud del arco, se hace vigilando una característica de la soldadura, como la anchura del charco. Existen otros sistemas de control por retroalimentación que guían el electrodo y relle- nan constantemente la unión.

SOLDADURA DE PUNTOS POR ARCO

LA SOLDADURA DE puntos por arco de tungsteno y gas a menudo se realiza manualmente con un portaelectrodos parecido a una pistola que tiene una boquilla de gas enfriada por agua y con respiraderos, un electrodo de tungsteno situado en posición concéntnca respecto a la boquilla y un interruptor de gatillo para controlar la operación. La figura 3.27 ilustra un sistema de este tipo. También hay portaelectrodos para aplicaciones automati- cas de la soldadura de puntos por arco de tungsteno y gas.



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La configuración de la boquilla vana para adaptarse al perfil de las piezas de trabajo. Es posible usar dispositivos detecto- res de bordes para evitar variaciones en la distancia que hay entre los puntos de soldadura y el borde de la pieza de trabajo. Enmu- chos casos se usa la boquilla para presionar contra la pieza de trabajo y asegurar un buen embonamiento de las superficies de empalme. Esta técnica también controla la distancia entre el electrodo y el trabajo.

La soldadura de puntos puede efectuarse con ca o CCEN. Ge- neralmente se usan controles de secuencia automáticos porque los ciclos en cuestión son relativamente complejos. Los controles establecen automáticamente el flujo de gas y agua previo a la

soldadura, encienden el arco, miden la duración del arco y suministran el flujo de gas y agua posterior a la soldadura requerido.

La penetración se controla ajustando el nivel de la comente y el tiempo que fluye. En algunas aplicaciones se prefieren múltiples pulsos de corriente en vez de un pulso largo sostenido. Las variaciones en la resistencia al corte, el diámetro de la pepita y la penetración de la soldadura pueden minimizarse con cronó- metros precisos, monitores de comente y electrodos de tungsteno cuya punta haya sido amolada con precisión.

Un punto fundido en la cara inferior de la pieza de trabajo inferior es una indicación positiva de una buena soldadura de punto.

Figura 3.25-Soldadura mecanizada de un ensamble de tuberías empleando una soidadora orbital (Nota: Se pegó un deflector a la boquilla para contener el gas de respaldo)



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Figura 3.26-Aplicación de GTAW automática en la que ias piezas de trabajo se cargan y descargan automáticamente



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CABLE Y MANGUERAS DELSOPLETE

I I

0 ELECTRODO DE TUNGSTENO - BOQUILLA DE GAS RANURADA

PEPITA DE SOLDADURA

A c

CONTR,OLES CRONOMETRICOS

DEL FLUJO DE CORRIENTE, GAS

PROTECTOR, AGUA DE ENFRIAMIENTO

Y ALTA FRECUENCIA

-. t

4

FUENTE DE POTENCIA

PARA SOLDAR

4

~

Figura 3.27-Esquema de la soldadura de puntos manual por arco de tungsteno y gas

MATERIALES ENESTA SECCIÓN se describen los materiales que pueden soldarse con el proceso GTAW. Las soldadura autógenas se hacen fundiendo sólo el metal base. Si se usa metal de aporte, puede ser en forma de alambre o de inserciones consuinibles precolo- cadas.

METALES BASE CASI TODOS LOS metales pueden soldarse con el proceso GTAW, incluidos varios grados de aceros al carbono, de aleación e inoxidables y otras aleaciones ferrosas; aleaciones resistentes al calor de diversos tipos; aleaciones de aluminio; aleaciones de magnesio; cobre y sus aleaciones, como cobre-níquel, bronces y latones, y aleaciones de niquel. Ciertos metales deben soldarse con el proceso GTAW porque es el que ofrece mayor protección

en cuanto a contaminación por la atmósfera. Este proceso resulta especialmente útil para soldar metales reactivos y refractarios y algunas aleaciones no ferrosas. No se usa para soldar metales como cadinio, estaño o cinc, cuyos líquidos tienen muy baja presión de vapor.

En esta sección se presenta información sobre los posibles problemas metalúrgicos exclusivos del proceso de soldadura por arco de tungsteno y gas, y las precauciones especiales que deben tomarse al soldar ciertos metales y aleaciones con GTAW. Se incluyen sugerencias respecto al tipo de comente de soldadura, composición de los electrodos y composición del gas protector que pueden producir soldaduras de calidad óptima. La tabla 3.4 puede servir de guía para la selección de electrodos y gases. En general, los mejores resultados se obtienen con CCEN para casi todos los metales, a menos que se especifique lo contrario. La composición típica del electrodo de tungsteno es la toriada al 2 % , si no se indica otra cosa.



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Aceros al carbono y de aleación LA CALIDAD DE las soldaduras por arco de tungsteno y gas en aceros al carbono y de aleación acusa mayor influencia del contenido de impurezas del metal base (p. ej., azufre, fósforo, oxígeno) que las soldaduras hechas con SMAW o SAW. Esto se debe a que en GTAW no hay fundentes que eliminen o capturen estas impurezas.

Los aceros de baja aleación y alta resistencia mecánica (HSLA) se sueldan fácilmente con el proceso GTAW, aunque niveles combinados de fósforo y azufre en el metal base en exceso de 0.03% pueden causar agrietamiento de la zona de fusión y de la zona térmicamente afectada. La pérdida de ductilidad por hidrógeno en estas aleaciones es un problema si hay contaminación por hidrocarburos o vapor de agua. El agrietamiento inducido por hidrógeno puede minimizarse con la apli- cación de precalentamiento o un tratamiento térmico posterior o, en algunos casos en áreas muy húmedas, usando escudos de gas con estela.

En general se usa argón como gas protector para soldar aceros al carbono y de aleación de hasta 12 mm (112 pulg) de espesor, porque el charco de soldadura es más fácil de controlar que si se usa helio. Al soldar secciones más gruesas puede emplearse ar- gón o una mezcla argón-helio, dependiendo del espesor de las uniones.

Aceros inoxidables y aleaciones resistentes al calor Los ACEROS INOXIDABLES y las superaleaciones resistentes al calor con base de hierro, níquel y cobalto se sueldan mucho con el proceso GTAW porque el gas inerte los protege de la atmós- fera. La composición del metal de soldadura es en esencia idén- tica a la del metal base porque se utilizan las mismas aleaciones como metal de aporte y porque el metal de aporte entra en el charco de soldadura sin pasar por el arco, donde podrían esperarse pérdidas de aleaciones volátiles.

Se recomienda argón para soldar a mano espesores de hasta i2 mm (1/2 pulg) porque permite controlar mejor el charco de soldadura. En el caso de secciones gruesas, y en muchas aplicaciones mecanizadas y automáticas, se puede usar mezclas argón- helio o helio puro para aumentar la penetración de la soldadura. En algunas aplicaciones de acero inoxidable se emplean mezclas de argón e hidrógeno para mejorar la forma de la franja de soldadura y reducir su tensión superficial.

Se puede usar comente alterna para la soldadura automática de las aleaciones resistentes al calor, donde es posible controlar con precisión la longitud del arco.

Aleaciones de aluminio EL PROCESO GTAW resulta ideal para soldar aleaciones de aluminio de cualquier espesor; la soldadura puede efectuarse con o sin metal de aporte.

Las aleaciones de aluminio forman óxidos superficiales refractarios que dificultan la unión. Por esta razón, el aluminio casi siempre se suelda con comente alterna (empleando estabiliza- ción del arco con alta frecuencia) porque se obtiene la acción de limpieza superficial de CCEP junto con las características de

mayor penetración de CCEN. En ocasiones se usa CCEP para soldar secciones de aluminio delgadas. Para la soldadura auto- mática de secciones mayores que 6 mm (1/4 pulg) se usa CCEN con escudo de helio y comente elevada. Como la CCEN no tiene acción limpiadora, las piezas de aluminio deben limpiarse minuciosamente antes de soldar.

Se recomiendan los electrodos de tungsteno puro, tungsteno con ceno y tungsteno con zirconio para soldar con Ca. Los electrodos de tungsteno con tono se usan para soldar aluminio sólo con cc.

Generalmente se usa argón como gas protector para soldar aluminio con comente alterna porque facilita el encendido del arco, produce mejor acción limpiadora y permite obtener soldaduras de mejor calidad que el helio. Si se usa CCEN, el helio ofrece mayores velocidades de recomdo y penetración más profunda; sin embargo, la deficiente acción limpiadora de esta combinación puede dar pie a que haya porosidad.

Aleaciones de magnesio LAS ALEACIONES DE magnesio, a semejanza de ias de aluminio, forman óxidos superficiales refractarios. Por lo regular se usa GTAW con corriente alterna para soldar estas aleaciones por la acción de limpieza de óxidos que ofrece. Se puede usar CCEP para soldar secciones de menos de 5 mm (31 16) de espesor, pero la comente alterna ofrece la mayor penetración que se necesita para soldar secciones más gruesas. Las soldaduras de mejor calidad se obtienen con argón, pero también se usa helio y mezclas de los dos gases. Se puede usar electrodos de tungsteno puro, con ceno y con zirconio.

Berilio EL BERILIO ES un metal ligero difícil de soldar por su tendencia al agrietamiento y pérdida de ductilidad en caliente. la GTAW de berilio se efectúa en una cámara de atmósfera inerte, casi siempre empleando una mezcla de gas protector de cinco partes de helio y una de argón. Los vapores de benlio son tóxicos.

Aleaciones de cobre EL PROCESO GTAW se presta para soldar cobre y sus aleaciones porque el intenso calor que genera el arco puede producir fusión con un mínimo de calentamiento del metal base circundante, de elevada conductividad. La mayor parte de las aleaciones de cobre se sueldan con CCEN y helio a causa de la conductividad ténnica tan alta. En ocasiones se usa ca para soldar cobres de berilio y bronces de aluminio porque ayuda a disgregar los óxidos superficiales que están presentes.

Aleaciones de níquel LAS ALEACIONES DE níquel a menudo se sueldan con arco de tungsteno y gas, casi siempre con adiciones de metal de aporte. Se recomienda CCEN para todas las aplicaciones, pero se puede usar ca con estabilización por alta frecuencia para soldadura mecanizada. Los gases protectores más comunes son argón, argón helio y helio. Se prefiere el helio cuando no se va a añadir



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metal de aporte. En ocasiones se emplea argón con pequeñas cantidades de hidrógeno (hasta 5 %) para soldaduras de una soia pasada.

Las aleaciones de níquel de alta pureza pueden tener variaciones en la penetración de ia soldadura causadas por diferencias en el contenido de elementos surfactantes.

La GTAW de hierros colados normalmente se limita a ia reparación de piezas pequeñas. Se recomiendan metales de aporte con base de níquel y de acero inoxidable austenítico; minimizan el agrietamiento en virtud de su ductilidad y su tolerancia respecto al hidrógeno. También puede minimizarse el agrietamiento precalentando y aplicando tratamiento térmico posterior. Se recomienda CCEN, aunque puede usarse Ca.

Metales refractarios y reactivos EL ARCO DE tungsteno con gas es el proceso de soldadura más utilizado para unir metales refractarios y reactivos. Los metales refractarios (sobre todo tungsteno, molibdeno, tantalio, niobio y cromo) tienen puntos de fusión muy elevados y, al igual que los metales reactivos (como las aleaciones de titanio, las aleaciones de zirconio y el hafnio) se oxidan con rapidez a altas temperaturas si no se protegen con una capa de gas inerte. La absorción de impurezas como el oxígeno, nitrógeno, hidrógeno y carbono reduce la tenacidad y ductilidad del metal de soldadura.

Para estos metales y aleaciones, GTAW ofrece una alta con- centración de calor y máximo control sobre el aporte de calor, al tiempo que proporciona la mejor protección con gas inerte de cualquier proceso de soldadura. Típicamente, estos metales se sueldan en cámaras purgadas que contienen gases inertes de alta pureza. En ocasiones, la soldadura GTAW se efectúa sin cáma- ras de purgado especiales, proveyendo ia atmósfera inerte necesaria con escudos de soplete, de estela y de respaldo.

El argón es el gas que más a menudo se usa para proteger, pero puede usarse helio y mezclas de ambos gases. Son suficientes tasas de flujo de 15 pies3/h para argón y de 40 pies3/h para helio, incluso cuando se recomiendan boquillas de diámetro grande.

Hierros colados EL HIERRO COLADO se puede soldar con el proceso GTAW porque se puede minimizar la dilución del metal base mediante un control independiente del aporte de calor y de ia colocación del metal de aporte. Se requiere mucha habilidad por parte del operador para minimizar la dilución al tiempo que se mantiene una penetración y fusión aceptables.

METALES DE APORTE SE DISPONE DE metales de aporte para unir una amplia variedad de metales y aleaciones mediante soldadura por arco de tungsteno y gas. Si se usa metal de aporte, debe ser similar, aunque no necesariamente idéntico, al metal que se va a unir. Ai unir metales disímiles, el metal de aporte será diferente de uno de los metales base, o de ambos.

En general, la composición de metal de aporte se ajusta tratando de igualar las propiedades del metal base en su condi- ción soldada (colada). Estos metales de aporte se producen con un mayor control sobre su química, pureza y calidad que los metales base. Es frecuente que se les añadan desoxidantes para garantizar la integridad de la soldadura. Algunas composiciones de metales de aporte se ajustan para mejorar la respuesta al tratamiento térmico posterior.

La elección del metal de aporte para cualquier aplicación es un término medio en cuanto a los aspectos de compatibilidad metalúrgica, idoneidad para el servicio propuesto y costo. Tam- bién es preciso considerar las propiedades de resistencia a la tensión, el impacto y ia corrosión, y de conductividad térmica o eléctrica que se requieren en un ensamble soldado en particular. Ei metal de aporte debe adecuarse tanto a la aleación que se va a soldar como al servicio ai que se le piensa destinar.

En la tabla 3.5 se dan las especificaciones de la AWS para metales de aporte aplicables a la soldadura por arco de tungsteno y gas. Las especificaciones establecen clasificaciones de los metales de aporte con base en las propiedades mecánicas o en las composiciones químicas, o en ambas cosas, de cada metal de aporte. También indican las condiciones en las que deben probarse los metales de aporte.

Los apéndices de las especificaciones ofrecen antecedentes Utiles sobre ias propiedades y usos de los metales de aporte

Tabla 3.5 Especificaciones de la AWS de metales de aporte apropiados Dara soldadura Dor arco de tunasteno v aas

Número de especificacion Titulo A 5.2 A 5.7 A 5.9

A5.10 A5.13 A5.14 A5.16 A5.18 A5.19

Varillas de hierro y acero para soldadura con gas Varillas y electrodos para soldadura desnudos de cobre y aleaciones de cobre Varillas y electrodos para soldadura por arco de acero al cromo y al cromo niquel, resistentes a la corrosión, desnudos

y compuestos con núcleo de metal, y trenzados Varillas y electrodos desnudos para soldadura de aluminio y aleaciones de aluminio Varillas y electrodos de soldadura para recubrimiento Varillas y electrodos para soldadura desnudos de níquel y aleaciones de níquel Varillas y electrodos para soldadura desnudos de titanio y aleaciones de titanio Electrodos de acero dulce para soldadura por arco de metal y gas Varillas v electrodos desnudos Dara soldadura de aleaciones de maanesio

A 5.24 Varillas i electrodos para soldadura desnudos de zirconio y aleaciones de zirconio



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dentro de las diferentes clasificaciones. Los catálogos de los fabricantes proporcionan información práctica sobre el uso debido de sus productos. En la Última edición de Filler Metal Comparison Charts de la AWS se presentan listas de marcas y direcciones de proveedores de metales de aporte.

Los metales de aporte para GTAW están disponibles, para la mayor parte de las aleaciones, en forma de tramos rectos (varillas), por lo regular de 1 m (36 pulg) de largo, para soldadura manual, y en forma de alambre continuo en carretes o rollos para soldadura mecanizada o automática. Los diámetros van desde 0.5 mm (0.020 pulg) para trabajo fino y delicado hasta unos 5 mm (3/16 pulg) para soldadura o recubrimiento manual con corriente elevada.

Se debe tener cuidado especial para mantener los metales de aporte limpios y libres de toda contaminación mientras están almacenados, y también al usarlos. El extremo caliente del alambre o varilla no debe salir del área protegida por el escudo de gas inerte durante la operación de soldadura.

El metal de aporte puede añadirse en forma de inserciones consumibles para las soldaduras de pasada de raíz en ciertas aplicaciones de tubería y placas. Entre las ventajas de este procedimiento están las tolerancias de embonamiento más amplias, menores niveles de habilidad y experiencia de los operadores, fusión de la franja de soldadura más consistente y franjas infe- riores más lisas y uniformes.

DISEÑO DE LAS UNIONES ENVIRTUD DE la diversidad de metales base y de sus caracterís- ticas individuales (como tensión superficial, fluidez, punto de fusión, etc.), conviene usar geometrías o diseños de unión que ofrezcan condiciones óptimas para la soldadura. Entre los factores que influyen en el diseño de las uniones están la composi- ción y espesor de los metales, los requisitos de penetración de la soldadura, la restricción de las uniones y los requisitos de eficiencia de las mismas.

CONFIGURACIÓN BÁSICA DE LAS UNIONES LAS CINCO UNIONES básicas (a tope, traslapada, en “T”, de borde y de esquina) que se muestran en la figura 3.28 se pueden usar para prácticamente todos los metales. Hay muchas variaciones derivadas de estas uniones básicas. En todos los casos, el objetivo primordial es minimizar el costo al tiempo que se mantiene la calidad de soldadura y el nivel de rendimiento deseados para el diseño.

Los factores que afectan el costo son el tiempo de preparación de la unión, el área de unión que debe rellenarse y el tiempo de preparación del equipo. Aunque no hay reglas fijas que rijan el

(A) TOPE (6) TRASLAPADA (C) EN “T”

(D) DEBORDE (E) DEESQUINA

Figura 3.28-Cinco uniones soldadas básicas

uso de un diseño de unión en particular para un metal dado, ciertos diseños se desarrollaron para fines específicos.

Las variables primarias del diseño de las miones son la abertura de la raíz, el espesor de la cara de la raíz y el ángulo de bisel. Todas estas variables deben considerarse antes de preparar la unión.

La magnitud de la abertura de raíz y el espesor de la cara de raíz dependen de si el proceso GTAW es manual o automático, de si se añadirá o no metal de aporte durante la pasada de raíz, y de si se usará o no una inserción consumible. En general, no se usan tiras de respaldo debido al costo adicional del material y del embonamiento, así como a la dificultad para interpretar las radiografías.

La magnitud del ángulo de bisel depende del espesor del metal y del espacio que se requiere para el movimiento del arco a fin de asegurar una fusión adecuada en ambos lados de la unión. Estas variables generalmente se determinan soldando uniones de muestra que abarcan diversas configuraciones.

Una consideración importante en el diseño de uniones para GTAW es la accesibilidad. El ángulo del surco debe permitir la manipulación el portaelectrodos a fin de lograr una fusión adecuada de la cara del surco. También hay que tener en cuenta las características del metal de soldadura. Por ejemplo, las aleaciones altas en níquel son muy espesas cuando se funden, y el metal de soldadura no moja bien las caras del surco. Por tanto, los ángulos de surco para aleaciones altas en níquel deben ser más abiertos que en acero al carbono y de aleación, a fin de tener espacio para la manipulación. Por otro lado, al abrirse el ángulo del surco se incrementa la distorsión, el tiempo de soldadura y el costo, de modo que debe limitarse hasta donde sea posible.

Se puede encontrar información específica sobre los diseños de uniones en la literatura de los proveedores de metales.

PREPARACIÓN DE LA UNIÓN UNA VEZ SELECCIONADO un diseño de unión en particular, ia consideración más importante es el método de preparación de la unión. Hay muchas formas de eliminar metal para preparar una configuración de unión dada; sin embargo, muchos problemas de GTAW, o supuestos problemas, son consecuencia directa del empleo de métodos inadecuados para preparar la unión. El más



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notable de éstos es el uso incorrecto de ruedas de amolar para preparar las uniones. Los materiales blandos como el aluminio se impregnan de partículas microscópicas de abrasivo que, si no se eliminan posteriormente, producirán una porosidad excesiva. Las ruedas de amolar deberán limpiarse y dedicarse exclusivamente al material que se va a soldar. La forma ideal de preparar las uniones es con herramientas de corte como los tomos para uniones redondas o cilíndricas o las cortadoras de fresado para preparaciones longitudinales. Se debe tener cuidado al elegir el fluido de corte, en caso de usarse. La limpieza después del corte o torneado debe hacerse con disolventes seguros que no dejen residuos.

El corte congas oxicombustible y con arco de plasma también son aceptables a condición de que se elimine toda la escoria mediante un amolado minucioso.

Tolerancia de las uniones LA TOLERANCIA PERMITIDA para las dimensiones de la unión depende de si la soldadura va a ser manual o mecanizada. Las aplicaciones de soldadura manual pueden tolerar mayores irre- gularidades en el embonamiento de la unión que las de soldadura mecanizada. La tolerancia específica para una aplicación dada sólo puede determinarse mediante pruebas, y esta tolerancia debe especificarse para trabajos futuros.

Limpieza LA LIMPIEZA, TANTO de las áreas de unión como del metal de aporte, es una consideración importante cuando se suelda con el proceso de arco de tungsteno y gas. Es preciso eliminar por completo de los bordes de la unión y de las superficies metálicas los aceites, grasas, suciedad, pintura, crayón de marcar y depó- sitos de orín o corrosión, hasta una distancia que rebase la zona térmicamente afectada. Su presencia durante la soldadura puede

producir inestabilidad del arco y contaminaci6n de la unión soldada. Dependiendo de la respuesta metalúrgica a estos contaminantes, las soldaduras pueden contener poros, grietas e inclusiones. La limpieza puede efectuarse con medios mecáni- cos, empleando limpiadores en forma de vapor o líquido, o con una combinación de estos procedimientos.

FIJACIÓN m D E REQUERIRSE FIJACIÓN si las piezas por soldar no pueden sostenerse solas durante la soldadura o si no puede tolerarse ninguna distorsión resultante ni cbrregirse mediante enderezado. La fijación deberá tener la masa suficiente para soportar el peso de las piezas y del ensamble soldado y resistir los esfuerzos causados por la expansión y contracción térmicas. Las fijaciones también deben resistir el desgaste y maltrato normal que ocurren durante la producción.

La decisión de usar o no fijación para la fabricación de un ensamble soldado depende de los aspectos económicos y de los requisitos de calidad. El empleo correcto de fijaciones, incluidos los disipadores de calor, puede reducir el tiempo de soldadura. Si un ensamble sólo se va a fabricar una vez, quizá no se justifique el costo de la fijación; sin embargo, la fabricación de un gran número de ensambles podría justificar incluso fijaciones complejas. Además, la fijación puede ser imprescindible en trabajos de alta calidad para mantener las estrechas tolerancias requeridas por el diseño o por los requisitos de inspección no destructiva.

Las funciones primarias de la fijación son las siguientes:

(1) Situar las piezas con precisión dentro del ensamble. (2) Mantener la alineación durante la soldadura. (3) Minimizar la distorsión del ensamble soldado. (4) Controlar la acumulación de calor.

CALIDAD DE LA SOLDADURA

DISCONTINUIDADES Y DEFECTOS LAS DISCONTINUIDADES SON interrupciones en ia estructura típica de un ensamble soldado, y pueden ocumr en el metal base, en el metal de soldadura o en las zonas térmicamente afectadas. Las discontinuidades que no satisfacen los requisitos del código o especificación de fabricación de una aplicación se clasifican como defectos, y su eliminación es necesaria porque podrían perjudicar el rendimiento del ensamble soldado en servicio.

PROBLEMAS Y CORRECCIONES

Inclusiones de tungsteno UNA DISCONTINUIDAD QUE se presenta sólo en las soldaduras hechas con arco de tungsteno y gas son las inclusiones de tungsteno. Es posible que se incrusten en una soldadura partícu- las de tungsteno del electrodo cuando se emplean procedimien-

tos incorrectos con el proceso GTAW. Las causas más comunes son las siguientes:

(1) Contacto de la punta del electrodo con el charco de soldadura.

(2) Contacto del metal de aporte con la punta caliente del electrodo.

(3) Contaminación de la punta del electrodo por salpicaduras del charco de soldadura.

(4) Empleo de comente por encima del límite para un tama- ño o tipo de electrodo dado.

(5) Extensión del electrodo del mandril más allá de su distancia normal (como cuando se usan boquillas largas), lo que causa sobrecalentamiento del electrodo. (6) Apretado incorrecto del mandril portaelectrodo. (7) Tasa de flujo de gas protector insuficiente o corrientes de

aire excesivas, con la consiguiente oxidación de la punta del electrodo.

(8) Defectos como hendiduras o grietas en el electrodo.



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(9) Empleo de gases protectores indebidos, como mezclas argón-oxígeno o argón CO, que se usan para soldadura por arco de me ta l y gas.

cabo importante s i se pierde l a protecc ión por gas inerte. En muchos casos, la efectividad de la protecc ión por gas puede evaluarse antes de l a soldadura de producción realizando una soldadura de punto y continuando e l flujo de gas hasta que l a soldadura se haya enfriado. S i e l escudo f u e efectivo, e l punto tendrá aspecto plateado bril lante.

Los pasos para corregir este problema son obvios una vez que se reconoce l a causa y se capacita debidamente a l soldador.

PROBLEMAS DE SOLDADURA Y SUS REMEDIOS

Falta de protección LAS DISCONTINUIDADES RELACIONADAS c o n l a Dérdida d e l escudo de gas inerte son las inclusiones de tungsteno previamente descritas, porosidad, películas e inclusiones de óxido, fusión incompleta y agrietamiento. El grado e n que éstas ocurren está muy relacionado c o n las Características de l meta l que se suelda. Además, las propiedades mecánicas d e l titanio, aluminio, níquel y aleaciones de acero de alta resistencia pueden suf r i r un menos-

SON MUCHOS LOS problemas que pueden surgir durante l a pre- paración o real ización de una operación de GTAW. Su soluc ión requerirá una cuidadosa evaluación de l material, l a f i jación, e l equipo de soldadura y los procedimientos. En l a tabla 3.6 se presentan algunos problemas que pueden presentarse y sus posibles remedios.

Tabla 3.6 Guía de localización de problemas para soldadura por arco de tungsteno y gas

Problema Causa Remedio Consumo excesivo del electrodo

1. Flujo de gas insuficiente. 2. Operación con polaridad inversa. 3. Electrodo del tamaño incorrecto para la corriente requerida. 4. Calentamiento excesivo del portaelectrodos. 5. Electrodo contaminado.

6. Oxidación del electrodo durante el enfriamiento.

7. Empleo de gas que contiene oxgeno o CO,. 1. EI metal base está sucio o grasoso.

2. La unión es demasiado angosta.

3. EI electrodo esta contaminado. 4. EI arco es demasiado largo. 1. Impurezas gaseosas atrapadas (hidrógeno, nitrógeno,

aire, vapor de agua).

2. Manguera de gas defectuosa o conexiones flojas. 3. Película de aceite en el metal base.

1. Aumentar el flujo de gas. 2. Usar electrodo más grande o cambiar a polaridad directa. 3. Usar electrodo mas grande. 4. Verificar que el mandril haga buen contacto. 5. Eliminar la porción contaminada. Los resultados seguirán

6. Mantener el flujo de gas durante por lo menos 1 O o 15

7. Cambiar al gas correcto. 1. Usar limpiadores químicos apropiados, cepillo de alambre o

2. Abrir el surco de la unión; acercar mas el electrodo al trabajo;

3. Eliminar la porción contaminada del electrodo. 4. Acercar más el electrodo al trabajo para acortar el arco. 1. Purgar el aire de todas las líneas antes de encender el arco;

eliminar la humedad condensada en las líneas; usar gas inerte de grado para soldadura (99.99%).

2. Verificar que las mangueras y conexiones no tengan fugas. 3. Limpiar con agente químico sin propensión a descqmponerse

en,el arco; NO SOLDAR SI EL METAL BASE ESTA HUMEDO.

siendo irregulares mientras haya contaminación.

segundos después de apagar el arco.

Arco irregular abrasivos.

reducir el voltaje.

Porosidad

Contaminación de lá 1. Contacto al encender con el electrodo. pieza de trabajo con cobre. tungsteno 2. Fusión del electrodo y aleación con el metal base.

3. Contacto entre el tungsteno y el charco fundido.

1. Usar iniciador de alta frecuencia; usar placa de encendido de

2. Usar corriente más baja o electrodo más grande; usar electrodo de tungsteno con torio o con zirconio.

3. Mantener el tungsteno fuera del charco fundido.

APLICACIONES EL PROCESO DE soldadura por arco de tungsteno y gas ofrece ventajas para muchas industrias, desde l a alta cal idad requerida en las industrias aeroespacial y nuclear y las soldaduras autóge- nas de alta velocidad que se exigen e n la fabricación de tuberías

y productos de lámina metálica, hasta l a fac i l idad y f lex ib i l idad de GTAW que tan apreciada es en los talleres de reparación.

L a soldadura por arco de tungsteno y gas ofrece un contro l preciso de l aporte de calor. Por esta razón es e l proceso preferido



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para unir metales de calibre delgado y para soldar en las inmediaciones de componentes sensibles al calor. También se emplea en trabajos pequeños y reparaciones en muchos talleres de fabricación por la facilidad con que se controla el proceso y la posibilidad de agregar metal de aporte cuando es necesario. La soldadura por arco de tungsteno y gas se usa con o sin metal de aporte para producir soldaduras de alta calidad con perfil liso y uniforme. El proceso GTAW también puede usarse para soldadura de puntos en aplicaciones de lámina metálica.

El proceso puede usarse para soldar casi todos los metales. Tiene especial utilidad en la soldadura de aluminio y magnesio, que forman óxidos refractarios, y de metales reactivos como el

titanio y el zirconio, que pueden volverse quebradizos si se exponen al aire en su estado fundido.

Se puede usar GTAW para soldar todo tipo de geometrías de unión y superposiciones en placas, láminas, tuberías, conductos y otras formas estructurales. Es apropiada sobre todo para soldar secciones de menos de 10 mm (3/8 pulg) de espesor. La soldadura de tuberias a menudo se realiza empleando arco de tungsteno y gas para la pasada de raíz y SMAW o GMAW para las pasadas de relleno.

En la figura 3.29 se muestra una aplicación aeroespacial de GTAW. En este caso se emplea corriente a pulsos para soldar una unión bridada entre dos piezas de acero inoxidable colado.

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Figura 3.29-Soldadura autógena con arco de tungsteno y gas en dos piezas de acero ¡Foxidable 17-4ph coladas y maquinadas (Nota: Se us6 argón como gas protector con esta unión bridada de 180 mm [7 pulg] de diámetro. La

velocidad de recorrido fue de 40 cmlmin 116 Dulalminl emrileando corriente a pulsos de 41 amperes en promedio)



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PRÁCTICAS SEGURAS EL TEMA GENERAL de la seguridad y ias prácticas seguras en los procesos de soldadura, corte y similares se trata en ANSI 249.1, Seguridad al soldar y ~ o r t a r . ~ Todo el personal de soldadura debe estar familiarizado coñn las prácticas seguras descritas en este documento.

El empleo de prácticas seguras al soldar y cortar asegurará que las personas no sufran heridas ni padezcan enfermedades y que las propiedades no sufran daños indeseables. Las áreas de peligro potencial durante la soldadura y el corte con arco incluyen, pero no están limitadas a, el manejo de cilindros y reguladores, gases, humos, energía radiante y choque eléctrico. En esta sección se tratan brevemente las áreas asociadas a GTAW. Las prácticas seguras siempre deben ser la principal preocupación del soldador u operador.

MANEJO SEGURO DE CILINDROS Y REGULADORES DE GAS LOS CILINDROS DE gas comprimido deben manejarse con mucho cuidado. Los golpes, caídas o maltrato pueden dañar los cilindros, las válvulas o los dispositivos de seguridad y causar fugas o explosiones. Las tapas para proteger las válvulas, si están incluidas, siempre deben estar colocadas (apretadas a mano), excepto cuando los cilindros están en uso o conectados para usarse. Mientras se usan, los cilindros deben estar bien sujetos para evitar que se vuelquen accidentalmente. Si desea mayor infonnación, consulte el folleto P- 1 de la CGA, Manejo seguro de gases coniprimidos en recipientes.'

GASES PELIGROSOS LOS PRINCIPALES GASES tóxicos asociados a GTAW son el ozono, el dióxido de nitrógeno y el gas fosgeno. EI fosgeno puede estar presente como resultado de la descomposición tér- mica o por luz ultravioleta de agentes limpiadores a base de hidrocarburos clorados, como tricloroetileno y percloroetileiio, que se encuentren en las inmediaciones de las operaciones de soldadura. Las operaciones de desengrasado y limpieza en que intervengan hidrocarburos clorados deberán efectuarse en sitios donde los vapores de estas operaciones no queden expuestos a la radiación del arco de soldadura.

Ozono LA LUZ ULTRAVIOLETA que emite el arco de soldadura actua sobre el oxígeno de la atmósfera circundante para producir ozono. La cantidad de ozono que se produzca dependerá de la intensidad de la energía ultravioleta, la humedad, la acción

3. ANSI 239.1 puede obteiierse de la American Welding Society, 5.50 N. W. LeJeune Road, Miami, Florida 33126. 4. CGA P- I puede obteiierse de la Coiiipressed Gas Association, Iiic., SOO Fifth Avenue, New York, New York 10036.

filtradora de las emisiones de la soldadura y de otros factores. Los resultados de pruebas basadas en los métodos de muestre0 actuales indican que la concentración media de ozono generado en el proceso GTAW no constituye un peligro en condiciones de buena ventilación y empleo de prácticas de soldadura correctas. (Véase en ANSI 249.1 las condiciones de soldadura que requieren ventilación, sobre todo cuando se suelda en lugares encerrados.)

Dióxido de nitrógeno LOS RESULTADOS DE algunas pruebas indican que sólo hay concentraciones elevadas de dióxido de nitrógeno a una distancia de 150 mm (6 pulg) del arco o menos. La ventilación natural rápidamente reduce estas concentraciones a niveles seguros en la zona de respiración del soldador. En tanto el soldador mantenga la cabeza fuera de las emisiones, el dióxido de nitrógeno no constituirá un peligro durante GTAW.

Gases protectores inertes ES PRECISO CONTEMPLAR una ventilación adecuada cuando se emplean gases inertes como protección y purgante. La acumu- lación de estos gases puede provocar asfixia en el personal de operación e inspección.

Vapores metálicos LAS EMISIONES GENERADAS por el proceso GTAW pueden controlarse mediante ventilación natural, ventilación general, ven- tilación de escape local o equipo protector respiratorio, como se describe en ANSI 249.1. EI método de ventilación requerido para mantener el nivel de sustancias tóxicas en la zona de respiración del soldador dentro de límites de concentración aceptables depende directamente de varios factores, entre los que están el material que se suelda, el tamaño del área de trabajo y el grado de eiicerrarnieiito u obstrucción del movimiento natural del aire en el lugar donde se está soldando. Es preciso evaluar cada operación en fonna individual para determinar lo que se requiere.

La Occupational Safety and Health Administration (OSHA) de Estados Unidos ha publicado los niveles aceptables de sustancias tóxicas asociadas a la soldadura, designándolos como valores Iíinite de umbral (TLV) promedio ponderados en el tiempo y como valores máximos pennitidos. Las nonnas OSHA para la industria en general también se conocen como Código de Reglamentación Federal (29CFR 1910) y pueden obtenerse en la U S . Goveniinent Printing Office, Washington, D.C. 20402. EI cumplimiento con estos niveles aceptables puede verificarse iniiestreaiido la atmósfera dentro de la careta del soldador o en las inmediaciones de la zona de respiración del ayudante. EI iiiiiestreo debe realizarse de acuerdo con ANSI/AWS F1.l, Método porn tirirestrenr pnrticrrlndos aéreos generodos por soldndirrn y procesos rclaciotindos.



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ENERGíA RADIANTE LA ENERGIA RADIANTE es un peligro y puede causar heridas al soldador (o a otras personas expuestas al arco de soldadura) en dos áreas: los ojos y la piel. el tema general de la protección ocular se cubre en ANSI 249.1, Seguridad al soldar y cortar y en ANSI 287.1, Prácticas de protección ocupacional y educacional de los ojos y el rostro. Todo el personal presente en las inmediaciones de una operación de soldadura debe contar con protección adecuada contra la radiación producida por el arco. En general, la energía radiante ultravioleta de máxima intensidad se produce cuando se emplea argón como gas protector y cuando se suelda aluminio o acero inoxidable.

Para proteger los ojos es preciso usar cristales o cortinas con filtros. Los tonos de filtro recomendados en ANSI 249.1 para GTAW se presentan en la tabla 3.7.

Se sugiere que el soldador emplee el tono más oscuro que no le estorbe, pero nunca más claro que el recomendado.

Para proteger la piel se recomienda ropa de cuero o de lana oscura (para reducir los reflejos que podrían causar quemaduras de ultravioleta en la cara y el cuello debajo de la careta). La radiación ultravioleta de alta intensidad desintegra con rapidez el algodón y algunos materiales sintéticos.

Además, cuando se dedica un área o recinto para GTAW, las paredes deberán recubrirse con pigmentos como dióxido de titanio u óxido de cinc, porque éstos reducen la reflexión de ultravioleta. Si desea información adicional sobre Reflexión ultravioleta de laspinturas puede consultarse ANSI 249.1, disponible en la American Welding Society, que la publica.

CHOQUE ELÉCTRICO Lo QUE SIGUE se tomó de ANSI 249.1 - 1983, sección 11.4.9: “La prevención de choques eléctricos está en buena parte bajo el control del soldador; por tanto, es de vital importancia que el soldador reciba instrucciones minuciosas y detalladas sobre la forma de evitar los choques. Siempre deben seguirse procedimientos seguros al trabajar con equipo que maneje voltajes nece-

sarios para soldadura por arco. Incluso los choques leves pueden causar contracciones musculares involuntarias, que podrían conducir a heridas por caídas desde lugares altos. La severidad del choque depende en gran medida del trayecto, la duración y la cantidad de comente que fluye por el cuerpo, lo que a su vez depende del voltaje y de la resistencia de contacto del área de la piel en cuestión. La ropa húmeda por el sudor o condiciones de trabajo húmedas puede reducir la resistencia de contacto y aumentar la comente hasta un nivel suficiente para causar una contracción muscular de tal violencia que el soldador no pueda soltar la pieza que lleva la comente.’’

SEGURIDAD DEL EQUIPO DE SOLDADURA TODO EL EQUIPO de soldadura debe estar incluido en una lista aprobada por una agencia de pruebas reconocida por la NFPA, como Factory Mutual o Underwriters Laboratory. El equipo dañado debe repararse debidamente antes de usarse. No deberá soldarse en tanto no estén firmes todas las conexiones eléctricas de la fuente de potencia, los cables de soldadura, la máquina soldadora y las abrazaderas del trabajo, o el armazón de la fuente de potencia no esté bien puesto a tierra. La abrazadera del trabajo debe estar bien sujeta y el cable que la une a la fuente de potencia en buenas condiciones. Siempre que se deje sola la fuente de potencia, deberá apagarse. Además, el interruptor de desconexión de la línea deberá colocarse en la posición ‘‘OW (apagado).

Tabla 3.7 Tonos de lente recomendados para diversos intervalos

de corriente de soldadura

Núm. de sombra Corriente de soldadura, A 0

10 12 14

Hasta 75 75 a 200

200 a 400 Más de 400

LISTA DE LECTURAS COMPLEMENTARIAS Baeslack, W. A. III y Banas, C. M. “A comparative evaluation

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SOLDADURA POR ARCO DE METAL Y GAS

Introducción 110

Fundamentos del proceso 111

Equipo 123

Consumibles 132

Gases protectores 133

Aplicaciones 136

Aplicaciones especiales 142

Inspección y calidad de la soldadura 146

Localización de problemas 150

Prácticas seguras 152

Lisia de lecturas complementarias 1 54

PREPARADO POR UN COMITE INTEGRADO POR:

D. B. Holliday, Presidente Westinghouse Electric

S. R. Carter Scott Paper Company

L. DeFreitas College of San Mate0

D. A. Fink Lincoln Electric Company

R. W. Folkening FMC Corporation

D. D. Hodson Tweco Products, Incorporated

R. H. Mann Miller Electric Manufacturing Company

~ ~

MIEMBRO DEL COMITÉ DEL MANUAL DE SOLDADURA: P. I. Temple Detroit Edison



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SOLDADURA POR ARCO DEMETALYGAS INTRODUCCIÓN

DEFINICIÓN Y ANTECEDENTES GENERALES LA SOLDADURAPOR arco de metal y gas (gas metal arc welding, GMAW) es un proceso de soldadura por arco que emplea un arco entre un electrodo continuo de metal de aporte y el charco de soldadura. El proceso se realiza bajo un escudo de gas suministrado externamente y sin aplicación de presión.

El concepto básico de GMAW surgió en ia década de 1920, pero apenas en 1948 estuvo disponible comercialmente. En un principio se le consideraba básicamente un proceso de electrodo de metal desnudo de diámetro pequeño con alta densidad de comente que empleaba un gas inerte para proteger el arco. La aplicación primaria de este proceso fue en la soldadura de aluminio. Por lo anterior, se acuñó el término MIG (metal gas inerte) y todavia algunos lo usan para rsferirse a este proceso. Entre los avances posteriores del proceso están la operación con bajas densidades de comente y con corriente continua a pulsos, la aplicación a una gama más amplia de materiales y el empleo de gases y mezclas de gases reactivos (sobre todo CO,). Este último avance condujo a la aceptación formal del término soldadura por arco de metal y gas (GMAW) para el proceso, ya que se usan gases tanto inertes como reactivos.

Una variación del proceso GMAW emplea un electrodo tubular dentro del cual hay un núcleo constituido principalmente por polvos metálicos (electrodo con núcleo de metal). Estos electrodos requieren un escudo de gas para proteger el charco de soldadura de contaminación por parte de la atmósfera.

La American Welding Society considera los electrodos con núcleo de metal como un segmento de GMAW. Algunas asociaciones del ramo en otros paises agrupan los electrodos con núcleo de metal junto con los electrodos con núcleo de fundente.

GMAW puede operar en modalidades mecanizada, seiniau- tomática o automática. Todos los metales de importancia comercial, como el acero al carbono, el acero de baja aleación de alta resistencia mecánica, el acero inoxidable, el aluminio, el cobre, el titanio y ias aleaciones de níquel se pueden soldar en cualquier

posición con este proceso escogiendo el gas protector, electrodo y variables de soldadura apropiados.

USOS Y VENTAJAS LOS UsOs DEL proceso, desde luego, están regidos por sus ventajas; las más importantes de éstas son:

(1) Es el único proceso de electrodo consumible que puede servir para soldar todos los metales y aleaciones comerciales.

(2) GMAW no tiene la restricción de tamaño de electrodo limitado que se presenta con la soldadura por arco de metal protegido.

(3) Puede soldarse en todas las posiciones, algo que no es posible con la soldadura por arco sumergido.

(4) Se logran tasas de deposición bastante más altas que con la soldadura por arco de metal protegido.

(5) Las velocidades de soldadura son más altas que con soldadura por arco de metal protegido gracias a la alimentación continua del electrodo y a las mayores tasas de deposición dei metal de aporte.

(6) Como la alimentación de alambre es continua, es posible depositar soldaduras largas sin parar y volver a comenzar.

(7) Cuando se usa transferencia por aspersión, es posible lograr mayor penetración que con la soldadura por arco de metal protegido, lo que puede permitir el uso de soldaduras de filete más pequeñas para obtener una resistencia mecánica equivalente.

(8) Casi no se requiere limpieza después de la soldadura porque no se produce mucha escoria.

Estas ventajas hacen al proceso ideal para aplicaciones de soldadura en alto volumen de producción y automatizadas. Esto se ha hecho cada vez más obvio con la llegada de la rebótica, donde GMAW ha sido el proceso predominante.



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S O L D A D U R A P O R A R C O D E M E T A L Y G A S 111

LIMITACIONES COMO EN CUALQUIER proceso de soldadura, hay ciertas limitaciones que restringen el uso de la soldadura por arco de metal y gas. Entre ellas están las siguientes:

(1) El equipo de soldadura es más complejo, más costoso y menos transportable que el de SMAW.

(2) GMAW es más difícil de usar en lugares de difícil acceso porque la pistola soldadora es más grande que un portaelectrodos

de arco de metal protegido, y la pistola debe estar cerca de la unión [entre 10 y 19 mm (3/8 y 3/4 pulg)] para asegurar que el metal de soldadura esté bien protegido.

(3) El arco de soldadura debe protegerse contra comentes de aire que puedan dispersar el gas protector. Esto limita las aplicaciones en exteriores a menos que se coloquen barreras protectoras alrededor del área de soldadura.

(4) Los niveles relativamente altos de calor radiado y la intensidad del arco pueden hacer que los operadores se resistan a utilizar el proceso.

FUNDAMENTOS DEL PROCESO

PRINCIPIOS DE OPERACIÓN arco. Por todo esto, en efecto, los únicos controles manuales que el soldador reauiere para la operación semiautomática son los

ELPROCESO G U W se basa en la alimentación automática de un electrodo continuo consumible que se protege mediante un gas de procedencia externa. El proceso se ilustra en la figura 4.1. Una vez que el operador ha hecho los ajustes iniciales, el equipo puede regular automáticamente las características eléctricas del

de velocidad y dirección del desplazamiento, así como también el posicionamiento de la pistola. Cuando se cuenta con equipo y ajustes apropiados, la longitud del arco y la comente (es decir, la velocidad de alimentación del alambre) se mantienen automá- ticamente.

ELECTRODO DE ALAMBRE SOLIDO /

ENTRADA DE GAS PROTECTOR / CONDUCTOR DE CORRIENTE

GUíA DEL ALAMBRE Y TUBO DE CONTACTO

DESPLAZAMIENTO DIRECCIÓN DEL

r- BOQUILLA DEL GAS

ELECTRODO CONSUMIBLE

METAL BASE

Figura 4.1-Proceso de soldadura por arco de metal y gas



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112 S O L D A D U R A P O R A R C O D E M E T A L Y G A S

REGULADOR DEL GAS PROTECTOR

SUMINISTRO DE ELECTRODO

DEL ELECTRO

DE POTENCIA

PISTOLA SOLDADORA

CIRCULADOR DE AGUA (OPCIONAL)

(i?

SUMINISTRO DE GAS PROTECTOR

=@= PIEZA DE TRABAJO

0 CABLE DEL TRABAJO @ CONJUNTO DE CABLES

@ AGUA A LA PISTOLA @ GAS PROTECTOR DELCILINDRO @ AGUA DE LA PISTOLA @ CONTROL DE CONTACTOR PARA SOLDAR @ CIRCUITOCONMUTADOR DE LA PISTOLA @ CABLE DE POTENCIA @ GAS PROTECTOR A LA PISTOLA @ ENTRADA DE POTENCIA PRIMARIA

Figura 4.2-Diagrama del equipo para soldadura por arco de metal y gas

EI equipo necesario para GMAW se muestra en la figura 4.2. Los componentes básicos del equipo son la unidad de pistola soldadora y cables, la unidad de alimentación del electrodo, la fuente de potencia y la fuente de gas protector.

La pistola guía el electrodo consumible y conduce la corriente eléctrica y el gas protector al trabajo, de modo que proporciona la energía para establecer y mantener el arco y fundir el electrodo, además de la protección necesaria contra la atmósfera del entorno. Se emplean dos combinaciones de unidad de alimenta- ción de electrodo y fuente de potencia para lograr la autorregu- lación de la longitud del arco que se desea. Generalmente, esta regulación se efectúa con una fuente de potencia de voltaje (potencial) constante (que por lo regular tiene una curva volt- ampere prácticamente plana) en conjunción con una unidad de alimentación de electrodo de velocidad constante. Como alternativa, una fuente de potencia de comente constante proporciona una curva volt-ampere de caída, y la unidad de alimentación del electrodo se controla por medio del voltaje del arco.

Con la combinación de potencial coiistante/aliinentación de alambre constante, los cambios en la posición del soplete ori- ginan un cambio en la comente de soldadura que coincide exactamente con el cambio en la extensión (protrusión) del electrodo, de modo que la longitud del arco no se modifica. Por ejemplo, si se aumenta la extensión del electrodo al retirar el soplete, la salida de corriente de la fuente de potencia se reduce, con lo que se mantiene el mismo calentainiento por resistencia del electrodo.

En el sistema alternativo, la autorregulación se efectúa cuando las fluctuaciones del voltaje de arco reajustan los circuitos de control del alimentador, los cuales modifican de manera apropiada la velocidad de alimentación del alambre. En algunos casos (como cuando se suelda aluminio), puede ser preferible apartarse de estas combinaciones estándar y acoplar una fuente de potencia de comente constante con una unidad de alimenta- ción del electrodo de velocidad constante. Esta combinación no tiene mucha capacidad de autorregulación, y por tanto requiere operadores más hábiles en operaciones de soldadura semiauto- mática. Pese a ello, algunos usuarios opinan que esta combina- ción ofrece un grado de control sobre la energia del arco (corriente) que puede ser importante para resolver el problema que implica la elevada conductividad térmica de los metales base de aluminio.

MECANISMOS DE TRANSFERENCIA DEL METAL LA MEJOR FORMA de describir ias caracteristicas del proceso GMAW es en términos de los tres mecanismos básicos einplea- dos para transferir metal del electrodo al trabajo:

(1) Transferencia en cortocircuito. (2) Transferencia globular. (3) Transferencia por aspersión.



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-0 g (2 Z

El tipo de transferencia está determinado por vanos factores. Entre los más influyentes de éstos están:

?--- +

-PERIODO DE ARCO-

z

(1) Magnitud y tipo de la comente de soldadura. (2) Diámetro del electrodo. (3) Composición del electrodo. (4) Extensión del electrodo. (5) Gas protector.

Transferencia en cortocircuito ESTE TIPO DE transferencia abarca el intervalo mas bajo de comentes de soldadura y de diámetros de electrodo asociados al proceso GMAW. La transferencia en cortocircuito produce un charco de soldadura pequeño, de rápida solidificación, que generalmente es apropiado para unir secciones delgadas, soldar fuera de posición y tapar aberturas de raíz anchas. El metal se transfiere del electrodo al trabajo sólo durante el periodo en que el primero está en contacto con el charco de soldadura; no se transfiere metal a través del espacio del arco.

El electrodo hace contacto con el charco de soldadura a razón de 20 a más de 200 veces por segundo. La secuencia de sucesos durante la transferencia de metal, y la corriente y el voltaje correspondientes, se muestran en la figura 4.3. Cuando el alambre toca el metal de soldadura, la comente aumenta [(A), (B), (C), (D) en la figura 4.31. El metal fundido en la punta del alambre se estrangula en (D) y (E), iniciando un arco como se aprecia en (E) y (F). La rapidez con que aumenta la corriente debe ser suficiente para calentar el electrodo y promover la transferencia de metal, pero lo bastante baja como para minimizar las salpicaduras causadas por la separación violenta de la gota de metal. Esta tasa de aumento de la corriente se controla ajustando la inductancia de la fuente de potencia.

EI ajuste de inductancia óptimo depende tanto de la resistencia eléctrica del circuito de soldadura como del punto de fusión del electrodo. Una vez que se establece el arco, la punta del alambre se funde al tiempo que el alambre se alimenta hacia el siguiente cortocircuito en (H) de la figura 4.3. EI voltaje de circuito abierto de la fuente de potencia debe ser tan bajo que la gota de metal derretido en la punta del alambre no pueda transferirse hasta que toque el metal base. La energía para el mantenimiento del arco proviene en parte de la energía almacenada en el inductor durante el periodo de cortocircuito.

Aunque sólo hay transferencia de metal durante el cortocircuito, la composición del gas protector tiene un efecto drás- tico sobre la tensión superficial del metal fundido. Los cambios en la composición del gas protector pueden afectar notablemen- te el tamaño de las gotas y la duración del cortocircuito. Además, el tipo de gas influye sobre las características de operación del arco y la penetración en el metal base. EI dióxido de carbono generalmente produce niveles de salpicadura elevados en comparación con los gases inertes, pero el CO, también promueve la penetración. Para lograr un buen término medio entre salpicaduras y penetración, a menudo se usan mezclas de CO, y argón al soldar aceros al carbono y de baja aleación. Las adiciones de helio al argón incrementan la penetración en metales no ferrosos.

Transferencia globular CON UN ELECTRODO positivo (CCEP), hay transferencia globular cuando la comente es relativamente baja, sea cual sea el gas protector empleado. Sin embargo, con dióxido de carbono y helio este tipo de transferencia ocurre con todas las corrientes de soldadura útiles. La transferencia globular se caracteriza por un tamafio de gota mayor que el diámetro del electrodo. La grave-

Figura 4.3-Representación esquemática de la transferencia de metal en cortocircuito



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dad actúa fácilmente sobre esta gota grande, por lo que en general sólo hay transferencia útil en la posición plana.

Con comentes medias, sólo un poco mayores que las empleadas para la transferencia en cortocircuito, es posible lograr transferencia globular en dirección axial con un escudo de gas más o menos inerte. Si el arco es demasiado corto (bajo voltaje), la gota en crecimiento puede hacer corto con la pieza de trabajo, sobrecalentarse y desintegrarse, produciendo una buena cantidad de salpicaduras. Por tanto, el arco debe tener la longitud suficiente para asegurar que la gota se suelte antes de que haga contacto con el charco de soldadura. Sin embargo, una soldadura hecha empleando el voltaje más alto probablemente resulte inaceptable a causa de la falta de fusión, la insuficiente penetra- ción y el excesivo refuerzo. Esto limita considerablemente el empleo de la modalidad de transferencia globular en aplicaciones de producción.

La protección con dióxido de carbono produce transferencia globular en dirección aleatoria cuando la comente y el voltaje de soldadura están bastante por encima del intervalo para la transíerencia en cortocircuito. La desviación respecto a la transferencia axial está regida por fuerzas electromagnéticas, generadas por la comente de soldadura al actuar sobre la punta fundida, como se muestra en la figura 4.4. Las más importantes de estas fuerzas son ia fuerza de estrangulamiento electromag- nético (P) y la fuerza de reacción del ánodo (R).

La magnitud de la fuerza de estrangulamiento es función directa de la comente de soldadura y del diámetro del alambre,

y por lo regular es la que causa la separación de las gotas. Con protección de CO,, la comente de soldadura se cmduce a través de la gota fundida y el plasma del arco no envuelve la punta del electrodo. Con fotografías de alta velocidad se ha visto que el arco se mueve sobre la superficie de la gota fundida y la pieza de trabajo, porque la fuerza R tiende a sustentar la gota. La gota fundida crece hasta que se separa por cortocircuito [figura 4.4 (B)] o por gravedad [figura 4.4 (A)], ya que P por sí sola nunca vence a R. Como se aprecia en la figura 4.4 (A), es posible que la gota se suelte y se transfiera al charco de soldadura sin romperse. La situaciónmás probable se muestra en la figura 4.4 (B), donde puede verse que la gota pone en cortocircuito la columna del arco y explota. Por ello, las salpicaduras pueden ser severas, lo que limita el empleo del escudo de CO, en muchas aplicaciones comerciales.

No obstante, el CO, sigue siendo el gas más utilizado para soldar aceros dulces. La razón es que el problema de la salpicadura puede reducirse de manera significativa “enterrando” el arco. Cuando se hace esto, la atmósfera del arco se convierte en una mezcla del gas y de vapor de hierro, lo que permite una transferencia casi por aspersión. Las fuerzas del arco bastan para mantener una cavidad que atrapa una buena parte de las salpicaduras. Esta técnica requiere una corriente de soldadura más alta y produce mayor penetración. Sin embargo, a menos que la velocidad de recorrido se controle con mucho cuidado, la excesiva tensión superficial (mojado deficiente) puede dar como resultado un refuerzo excesivo de la soldadura.

~ ~

BOQUILLA DEL GAS /

ELECTRODO ;I, 9, a (d

I R

Firiura 4.4-Transferencia globular no axial



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Transferencia por aspersión CON UN ESCUDO rico en argÓn, es posible producir una modalidad de transferencia de “rocío axial” muy estable y libre de salpicaduras, como el que se ilustra en la figura 4.5. Para esto es preciso usar corriente continua con el electrodo positivo (CCEP) y un nivel de comente por encima de un valor crítico conocido como corriente de transición. Por debajo de este nivel, la transferencia se realiza en la modalidad globular antes descrita, a razón de unas cuantas gotas por segundo. Por encima de la comente de transición, la transferencia se efectúa en forma de gotas muy pequeñas que se forman y sueltan a razón de cente- nares por segundo. Se aceleran axiaimente a través del espacio del arco. La relación entre la tasa de transferencia y la corriente se representa gráficamente en la figura 4.6.

La corriente de transición, que depende de la tensión superficial del metal líquido, es inversamente proporcional al diáme- tro del electrodo y, enmenor grado, a la extensión del electrodo. Vana con el punto de fusión del metal de aporte y la composición del gas protector. En la tabla 4.1 se dan las corrientes de transi- ción típicas para algunos de los metales más comunes.

EI modo de transferencia por aspersión produce un flujo altamente direccional de gotas discretas aceleradas por las fuerzas del arco hasta alcanzar velocidades que vencen los efectos de la gravedad. Por esta razón, y en ciertas condiciones, el proceso puede usarse en cualquier posición. Como las gotas son más pequeñas que la longitud del arco, no hay cortocircuitos y las salpicaduras son insignificantes, si es que no se eliminan del todo.

Otra característica de la modalidad de aspersión es la pene- tración de “dedo” que produce. Aunque el dedo puede ser profundo, acusa el efecto de los campos magnéticos, los cuales

TRANSFERENCIA POR ASPERSIÓN AXIAL

Fiaura 4.5-Transferencia por aspersión axial

deben controlarse para que siempre esté situado en el centro del perfil de penetración de la soldadura.

La modalidad de transferencia por arco de rocío puede servir para soldar casi cualquier metal o aleación gracias a las caracte- rísticas inertes del escudo de argón. Sin embargo, puede ser difícil aplicar el proceso a láminas delgadas por las corrientes tan altas que se necesitan para producir el arco de rocío. Las fuerzas de arco que resultan pueden perforar láminas relativamente delgadas en vez de soldarlas. Además, la tasa de deposi- ción característicamente alta puede producir un charco de soldadura demasiado grande para sostenerse exclusivamente con la tensión superficial en la posición vertical o cenital.

LL u) Z

I- I W n

a 2 I-

l l i

ELECTRODO DE ACERO DULCE DE 1.6 rnrn (1/16 pulg), CCEP

GAS PROTECTOR

LONGITUD DE ARCO 6.4 rnrn (1/4 pulg)

ARGON-1 % OXIGENO

lA 0- E E

F O o W n

-10 z

3

- 1 5 4

W a

- 5 9

O J, O 100 200 300 400 500 600

CORRIENTE, A

Fiaura 4.6-Variación en el volumen y la tasa de transferencia de las gotas con la corriente de soldadura



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Q W- I- z F i U

o 8

Tabla 4.1 Corrientes de transición de globular a aspersión para diversos electrodos

INTERVALO DE CORRIENTE PARA TRANSFERENCIA POR ASPERSION

CORRIENTE PICO DEL PULSO

CORRIENTE PARA 5 TRANSFERENCIA

CORRIENTE DE FONDO

Diámetro del electrodo de alambre Corriente de arco

de alambre Pub mm Gas protector de rocio minima, A Tipo de electrodo

Acero dulce 0.030 0.8 98% de argon, 2% de oxígeno 150 Acero dulce 0.035 0.9 98% de argón, 2% de oxigeno 165

Acero dulce 0.062 1.6 98% de argón, 2% de oxígeno 275 Acero inoxidable 0.035 0.9 98% de argón, 2% de oxigeno 170 Acero inoxidable 0.045 1.1 98% de argón, 2% de oxígeno 225 Acero inoxidable 0.062 1.6 98% de argón, 2% de oxígeno 285

Aluminio 0.045 1.1 Argón 135

Acero dulce 0.045 1.1 98% de argón, 2% de oxigeno 220

Aluminio 0.030 0.8 Argón 95

Aluminio 0.062 1.6 Argón 180 Cobre desoxidado 0.035 0.9 Argón 180 Cobre desoxidado 0.045 1.1 Argón 21 o Cobre desoxidado 0.062 1.6 Argón 310 Bronce al silicio 0.035 0.9 Argón 165 Bronce al silicio 0.045 1.1 Argón 205 Bronce al silicio 0.062 1.6 Argón 270

Las limitaciones de la transferencia por arco de rocío en cuanto al espesor del trabajo y la posición de soldadura se han superado en gran medida mediante el empleo de fuentes de potencia de diseño especial. Estas máquinas producen formas de onda y frecuencias cuidadosamente controladas que “pulsan” la comente de soldadura. Como puede verse en la figura 4.7, suministran dos niveles de comente; una comente de fondo baja y constante que mantiene el arco sin proporcionar energía suficiente para hacer que se formen gotas en la punta del alambre, y una corriente a pulsos superpuesta cuya amplitud es mayor que la comente de transición necesaria para la transferencia por aspersión. Durante este pulso, se fonnan y transfieren una o más gotas. La frecuencia y amplitud de los pulsos controlan el nivel de energía del arco, y por tanto la rapidez con que se funde el alambre. Al reducir la energía media del arco y la rapidez de fusión del alambre, los pulsos penniten aprovechar las caracte-

rísticas deseables de la transferencia por aspersión en la soldadura de láminas y de metales gruesos en cualquier posición.

Existen muchas variaciones de estas fuentes de potencia. Las más sencillas producen pulsos de una sola frecuencia (60 o 120 pps) con control independiente de los niveles de comente de fondo y de pulso. Las fuentes de potencia más avanzadas, a veces llamadas sinérgicas, proporcionan automáticamente la combina- ción de comente de fondo y de pulso apropiada para la velocidad de alimentación del alambre escogida.

VARIABLES DEL PROCESO LAS QUE SIGUEN son algunas de las variables que afectan la penetración de la soldadura, la geometría de la franja y la calidad global de la soldadura:

Fiaura 4.7-Característica de corriente de soldadura de arco de rocio a pulsos



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t m 3

700-- w m 4' 600-- a

500-- z .O

2 400-- I- z W

. -

II

_I

-

300-1 d 4 zoo--

9 loo--

W o

0 o W >

(1) Corriente de soldadura (velocidad de alimentación del

(2) Polaridad. (3) Voltaje del arco (longitud del arco). (4) Velocidad de recorrido. (5) Extensión del electrodo. (6) Orientación del electrodo (ángulo respecto a la dirección

(7) Posición de la unión que se va a soldar. (8) Diámetro del electrodo. (9) Composición y tasa de flujo del gas protector.

electrodo).

de desplazamiento).

-

El conocimiento y control de estas variables es indispensable para producir consistentemente soldaduras de buena calidad. Estas variables no son del todo independientes, y cuando se modifica una casi siempre es necesario modificar una o más de las otras para obtener los resultados que se buscan. Se requiere considerable habilidad y experiencia para seleccionar los valores óptimos para cada aplicación. Estos valores óptimos son afectados por (1) el tipo de metal base, (2) la composición del electrodo, (3) la posición en que se suelda y (4) los requisitos de calidad. Por tanto, no hay un conjunto único de parámetros que produzca resultados óptimos en todos los casos.

--

Corriente de soldadura SI TODAS LAS demás variables se mantienen constantes, el amperaje de soldadura varía con la velocidad de alimentación del electrodo o con la rapidez de fusión siguiendo una relación no lineal. Al variarse la velocidad de alimentación, el amperaje de soldadura varía de manera similar si se emplea una fuente de po-

C ._ E

W-

m

- E II

--15 5 a _I - w o z 52

--lo 4 I- Z W

_I

W o

-- -i a

--5 o a 0

2 o W >

tencia de voltaje constante. Esta relación entre ia corriente de soldadura y la velocidad de alimentación del alambre se muestra en la figura 4.8 para electrodos de acero al carbono. En los niveles de baja comente para cada tamaño de electrodo, la curva es casi lineal, pero con corrientes de soldadura altas, sobre todo si los electrodos son de diámetro pequeño, las curvas dejan de ser lineales y su pendiente aumenta al incrementarse el amperaje de soldadura. Esto se atribuye al calentamiento por resistencia de la extensión del electrodo que sobreseale del tubo de contacto. Las curvas pueden representarse aproximadamente por medio de la ecuación

WFS = al + bL12 (4.1)

donde WFS = velocidad de alimentación dei electrodo, mm/s

( P U W a = constante de proporcionalidad para el

calentamientó a6ódico o catódico. Su magnitud depende de la polaridad, la composición y otros factores, mm/(s . A) [pu@(min A)]

b = constante de proporcionalidad para el calentamiento por resistencia eléctrica, s-' A-2 (inin-' A-2)

L = extensión o protrusión del electrodo, mm (pulg) I = corriente de soldadura, A

Como puede verse en las figuras 4.8,4.9,4.10 y 4.11, cuando se aumenta el diámetro del electrodo (manteniendo la misma velocidad de alimentación) se requiere una corriente de soldadura más alta. La relación entre la velocidad de alimentación del electrodo y la comente de soldadura depende de la composición

.E 800 1 t 20

I l I 1 L I 1 I 1 0

O 50 100 150 200 250 300 350 400 450

CORRIENTE DE SOLDADURA, A (CCEP)

Figura 4.8-Corrientes de soldadura típicas contra velocidades de alimentación del alambre para electrodos de acero al carbono



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.- S800-- a

W 700--

- O.

o I 3 1 ! I 1 w O r


-- 20 .E ‘E w- U m I

--I5 2 n

-- 10 0

z

1 w

z

2

2 --5 E

3

z W

n a 8

Figura 4.9-Corriente de soldadura contra velocidad de alimentación del alambre para electrodos - de aluminio ER4043

química del electrodo. Este efecto puede verse comparando las figuras 4.8,4.9,4.10 y 4.11, que corresponden a electrodos de acero al carbono, aluminio, acero inoxidable y cobre, respectivamente. Las diferentes posiciones Y pendientes de las curvas se

(1) Un aumento en la profundidad y anchura de penetración

(2) Un incremento en la tasa de deposición. (3) Un aumento en el tamaño de la franja de soldadura.

de la soldadura.

~,

deben a diferencias en -10s puntos- de fusión y resistividades eléctricas de los metales. La extensión del electrodo también afecta las relaciones.

Si todas las demás variables se mantienen constantes, un aumento en la comente de soldadura (velocidad de alimentación del electrodo) producirá lo siguiente:

La soldadura por aspersión a pulsos es una variación del proceso GMAW en la que la comente se pulsa con el fin de dis- frutar de las ventajas de la modalidad de transferencia de metal por aspersión con una corriente promedio igual o menor que la comente de transición de globular a por aspersión.


Figura 4.1û-Corrientes de soldadura típicas contra velocidades de alimentación del alambre para electrodos de acero inoxidable de la serie 300



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C ._ 1 E 800 m n W- 700 U m 5 600 Q

500

- 3

1

z $0 O 400

3 300 ;i

5 4 200

3 100 s d o

n n

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I I I

O 1 O0 200 300 400 500 1 1


20 .G E E W- U m

15 3 Q 1 W

z

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10 O 2 2

5 w n n

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z w 1 U

3 8

o d >

Fiaura 4.1 I-Corriente de soldadura contra velocidad de alimentación del alambre Dara electrodos de cobre ECU

Puesto que la fuerza del arco y la tasa de deposición dependen en forma exponencial de la comente, cuando se opera por encima de la corriente de transición, las fuerzas del arco a menudo se vuelven incontrolables en las posiciones vertical y cenital. AI reducir la corriente promedio con los pulsos, es posible reducir tanto las fuerzas del arco como las tasas de deposición para poder soldar en cualquier posición y en secciones delgadas.

Si se usa alambre sólido, otra ventaja de la soldadura con potencia a pulsos es que se puede usar alambre de mayor diámetro E1.6 mm (1/16 pulg)]. Aunque las tasas de deposición en general no son más altas que aquellas con alambre de menor diámetro, la ventaja reside en el menor costo por unidad de metal depositado. También hay un incremento en la eficiencia de de- posición porque se reducen las pérdidas por salpicadura.

Si se usa alambre con núcleo de metal, la potencia a pulsos produce un arco que es menos sensible a los cambios en la extensión (protrusión) del electrodo y en el voltaje, en compa- ración con los alambres sólidos. Esto hace al proceso más tolerante respecto a las fluctuaciones de la conducción por parte del operador. La potencia a pulsos también minimiza las salpicaduras en una operación que ya de por sí salpica muy poco.

Polaridad EL TÉRMINO poiaridad describe la conexión eléctrica de la pistola soldadora en relación con las terminales de una fuente de potencia de corriente continua. Si el cable de potencia de la pistola se conecta a la terminal positiva, la polaridad se designa como comente continua con el electrodo positivo (CCEP), y se le ha dado arbitrariamente el nombre de polaridad inversa. Cuando la pistola se conecta a la terminal negativa, la polaridad se designa como corriente continua con el electrodo negativo (CCEN), que originalmente se llamó polaridad direcra. Casi todas las aplicaciones de GMAW emplean corriente continua

con el electrodo positivo (CCEP). Esta condición produce un arco estable, una transferencia de metal uniforme, relativamente pocas salpicaduras, buenas características de la franja de soldadura y profundidad máxima de penetración para una amplia gama de corrientes de soldadura.

La corriente continua con el electrodo negativo (CCEN) raras veces se usa porque no puede obtenerse transferencia por asper- sión axial sin efectuar modificaciones que no han gozado de mucha aceptación comercial. CCEN ofrece una clara ventaja de velocidades de fusión altas que no puede explotarse porque la transferencia es globular. En el caso de los aceros, la transferencia puede mejorarse añadiendo un mínimo de 5 % de oxígeno al escudo de argón (lo que requiere aleaciones especiales para compensar las pérdidas por oxidación) o tratando el alambre para hacerlo termoiónico (lo que eleva el costo del metal de aporte). En ambos casos, las tasas de deposición decaen, con lo que desaparece la única ventaja real de cambiar la polaridad. Sin embargo, en virtud de la alta tasa de deposición y la menor penetración, CCEN se ha usado ocasionalmente en aplicaciones de recubrimiento.

Los intentos por usar corriente alterna con el proceso GMAW casi nunca han tenido éxito. La forma de onda cíclica hace inestable el arco porque éste tiende a extinguirse cuando la comente pasa por cero. Aunque se han desarrollado tratamientos especiales de la superficie del alambre para resolver este problema, el costo de su aplicación ha hecho que la técnica no resulte eco- nómica.

Voltaje del arco (longitud del arco) VOLTAJE DEL ARCO y longitud del arco son términos que con frecuencia se usan indistintamente. Pese a ello, cabe señalar que si bien están relacionados entre sí, son diferentes. En GMAW, la longitud del arco es una variable crítica que debe controlarse cuidadosamente. Por ejemplo, en la modalidad de arco de rocío



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con escudo de argón, un arco que es demasiado corto experimenta cortocircuitos momentáneos que causan fluctuaciones de la presión, mismas que bombean aire hacia el chorro del arco y producen porosidad y pérdida de ductilidad por absorción de nitrógeno. Si el arco es demasiado largo, tiende un movimiento lateral aleatorio que afecta tanto la penetración como el perfil de la superficie de la franja. Además, un arco largo puede romper el escudo de gas. En el caso de arcos enterrados con escudo de dióxido de carbono, un arco largo produce salpicaduras excesivas y también porosidad; si el arco es demasiado corto, la punta del electrodo hará cortocircuito con el charco de soldadura, causando inestabilidad.

La longitud del arco es la variable independiente. EI voltaje del arco depende de la longitud del arco así como de muchas otras variables, como la composición y dimensiones del electrodo, el gas protector, la técnica de soldadura y, dado que a menudo se mide en la fuente de potencia, incluso la longitud del cable de soldadura. El voltaje del arco permite expresar en forma aproximada la longitud física del arco (véase la figura 4.12) en términos eléctricos, aunque el voltaje del arco también incluye la caída de voltaje en la extensión del electrodo que sobresale del tubo de contacto.

Si todas las variables se mantienen constantes, el voltaje del arco se relaciona directamente con la longitud del arco. Aunque la variable que interesa y que debe controlarse es la longitud del arco, es más fácil vigilar el voltaje. Por esta razón, y por el requisito normal de que en el procedimiento de soldadura se especifique el voltaje del arco, éste es el término que se usa con mayor frecuencia.

Los niveles establecidos de voltaje del arco varian dependiendo del material, el gas protector y la modalidad de transferencia. En la tabla 4.2 se presentan valores típicos. Se requieren series de prueba para ajustar el voltaje del arco a fin de producir las caracteristicas de arco y el aspecto de franja de soldadura más

TUBO DE CONTACTO,

DISTANCIA BOQUILLA-TRABAJO

t LONGITUD DEL ARCO

PIEZA DE TRABAJO

Figura 4.12-Terminologia de soldadura por arco de metal y gas

favorables. Estas pruebas son indispensables porque el voltaje de arco óptimo depende de diversos factores, incluidos el espesor del metal, el tipo de unión, la posición de soldadura, el ta- maño del electrodo, la composición del gas protector y el tipo de soldadura. A partir de cualquier valor específico de voltaje del arco, un incremento en el voltaje tiende a aplanar la franja de soldadura y aumentar la anchura de la zona de fusión. Un voltaje excesivo puede causar porosidad, salpicaduras y socavamiento. Si se reduce el voltaje se obtendrá una franja de soldadura más angosta con una corona más alta y penetración más profunda. Un voltaje demasiado bajo puede hacer que el electrodo se embote.

Velocidad de recorrido LA VELOCIDAD DE recorrido o de desplazamiento es la tasa de movimiento lineal del arco a lo largo de la unión que se va a soldar. Si todas las demás condiciones se mantienen constantes, la penetración de la soldadura es máxima a una velocidad de recorrido intermedia.

Cuando se reduce la velocidad de recorrido, se incrementa la deposición del metal de aporte por unidad de longitud. A velocidades muy bajas, el arco actúa sobre el charco de soldadura, no sobre el metal base, con lo que se reduce la penetración efectiva. Otra consecuencia es una franja de soldadura ancha.

Al incrementarse la velocidad de recorrido, en un principio se incrementa también la cantidad de energía térmica que se transmite del arco al metal base, porque el arco actúa de manera más directa sobre el metal base. Si continúa el aumento en la velocidad de recorrido, se impartirá al metal base menos energía térmica por unidad de longitud de la soldadura. Por tanto, al incrementarse la velocidad de recorrido, la fusión del metal base primero aumenta y luego disminuye. Si se aumenta todavía más la velocidad de recorrido, aparecerá una tendencia al socavamiento a lo largo de los bordes de la franja de soldadura, porque no se depositará suficiente metal de aporte para rellenar el trayecto fundido por el arco.

Extensión del electrodo LAEXTENSIÓNDEL electrodo es la distancia entre el extremo del tubo de contacto y la punta del electrodo, como puede verse en la figura 4.12. Un aumento en la extensión del electrodo produce un aumento en su resistencia eléctrica. El calentamiento por resistencia, a su vez, hace que se eleve la temperatura del electrodo, lo que aumenta ligeramente la tasa de fusión del electrodo. La mayor resistencia eléctrica hace que aumente la caída de voltaje entre el tubo de contacto y el trabajo, cosa que es detec- tada por la fuente de potencia, la cual compensa este aumento reduciendo la corriente. Esto de inmediato reduce la tasa de fu- sión del electrodo y permite que se acorte la longitud física del arco. En consecuencia, a menos que haya un incremento de voltaje en la máquina soldadora, el metal de aporte se depositará en una franja de soldadura angosta y de corona alta.

La extensión de electrodo deseable generalmente está entre 6 y 13 mm (1/4 y 1/2 pulg) para la transferencia en cortocircuito y entre 13 y 25 mm (1/2 y 1 pulg) para los demás tipos de transferencia de metal.



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Metal Aluminio Magnesio Acero al carbono

Acero inoxidable Acero de baja aleación

Transferencia globular/por aspersiónb Electrodo de 1.6 mm (1/16 pulg) de diámetro

Transferencia en cortocircuito Electrodo de diametro

25%Ar- Ar-02 Ar-O, 75%Ar-

- 19 - 16

Argón Heiio 75% He (14% O,) CO, Argón (1-5%03 25%C02 CO, - - - 25 30 29 -

- 28 - 26 - - - 28 30 17 18 19 20 - - - 28 30 17 18 19 2’0 24 - - 26 - 28 19 21

- - -

- Níquel Aleación cupro-níquel Aleación níquel-cromo-hierro Cobre Aleación cobre-niauel Bronce de silicio Bronce de aluminio Bronce fosforado

- - - - - 22 26 30 28 22 26 30 28 22 26 30 28

30 36 33 - - 24 22 28 32 30 - 23

- - - - - - - - - -

- - - - - -

a. Más o menos aproximadamente 10%. Los voltajes bajos normalmente se usan con materiales ligeros y bajo amperaje; los voltajes altos se usan con materiales pesados y alto amperaje. b. En la variación a pulsos de la transferencia por aspersion, el voltaje del arco estará entre 18 y 28 volts, dependiendo del intervalo de amperaje empleado.

Orientación del electrodo COMO EN TODOS los procesos de soldadura por arco, la orienta- ción del electrodo con respecto a la unión por soldar afecta la fonna y la penetración de la franja de soldadura, y este efecto sobre la franja es mayor que el del voltaje del arco o el de la velocidad de recorrido. La orientación del electrodo se describe de dos maneras: (1) por la relación entre el eje del electrodo y la dirección de desplazamiento (el ángulo de desplazamiento) y (2) con el ángulo entre el eje del electrodo y la superficie adyacente del trabajo (ángulo de trabajo). Cuando el electrodo apunta en dirección opuesta a la dirección del desplazamiento, la técnica se denominasoldadura de revés con ángulo de arrastre. Cuando el electrodo apunta en la dirección del desplazamiento, la técnica es soldadura de derecha con ángulo de ataque. La orientación del electrodo y su efecto sobre la anchura y la penetración de la soldadura se ilustran en las figuras 4.13 (A), (B) y (C).

Cuando el electrodo se saca de la perpendicular dándole un ángulo de ataque, y todas las demás condiciones se mantienen sin alteración, la penetración disminuye y la franja de soldadura se hace más ancha y plana. La penetraciónmáxima en la posición plana se obtiene con la técnica de arrastre, empleando un ángulo de arrastre de unos 25 grados respecto a la perpendicular. Esta técnica también produce una franja más convexa y angosta, un arco más estable y menos salpicaduras en ia pieza de trabajo. Para todas ias posiciones, el ángulo de desplazamiento que se usa normalmente es un ángulo de arrastre del orden de 5 a 15 grados, ya que así se controla y protege mejor el charco de soldadura.

En algunos materiales, como el aluminio, se prefiere una técnica de ataque. Esta técnica produce una “acción limpiadora”

adelante del metal de soldadura fundido que reduce su tensión superficial y la oxidación del metal base.

Si se desea producir soldaduras de filete en la posición horizontal, el electrodo deberá colocarse a unos 45” respecto al miembro vertical (ángulo de trabajo), como se ilustra en la figura 4.14.

Posición de ia unión por soldar CASI TODAS LAS soldaduras con GMAW en la modalidad de aspersión se efectúan en las posiciones plana u horizontal, pero si el nivel de energía es bajo, la GMAW a pulsos y en cortocircuito se puede usar en todas las posiciones. Las soldaduras de filete hechas en la posición plana con transferencia por aspersión suelen ser más uniformes, menos propensas, tener un perfil asimétrico o convexo y menos suscepibles al socavamiento que soldaduras de filete similares hechas en la posición horizontal.

A fin de vencer la atracción de la gravedad sobre el metal de soldadura al soldar en las posiciones vertical y cenital, por lo regular se usan electrodos de diámetro pequeño, con transferencia de metal en cortocircuito o bien por aspersión con comente continua a pulsos. Los electrodos con diámetros de 1.1 mm (0.045 pulg) o menos son los más apropiados para soldar fuera de posición. El bajo aporte de calor permite al charco de soldadura solidificarse rápidamente. Cuando se suelda lámina en la posición vertical, la dirección de soldadura más efectiva casi siempre es hacia abajo.

Si se suelda en la posición “plana”, la inclinación del eje de soldadura resDecto al dano horizontal influirá en la forma de la



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DIRECCIÓN DE SOLDADURA

-- I 1 I J

(A) TÉCNICA (B) SOPLETE DE DERECHA PERPENDICULAR

(c) TÉCN~CA DE REVES

Figura 4.13-Efecto de la posición del electrodo y de la técnica de soldadura

recorrido. En la soldadura circunferencia1 en posición plana, el trabajo gira debajo de la pistola soldadora y la inclinación se obtiene moviendo la pistola en cualquier dirección que la aparte del centro muerto superior.

Si las uniones lineales se colocan con el eje de soldadura a 15 grados respecto a la horizontal y se suelda cuesta abajo, es posible reducir el refuerzo de la soldadura en condiciones que produ- cirían un refuerzo excesivo si se colocara el trabajo en la posición plana. Además, con el desplazamiento cuesta abajo casi siempre es posible aumentar la velocidad. Al mismo tiempo, la penetra- ción es menor, lo que resulta benéfico cuando se sueldan piezas de lámina.

La soldadura cuesta abajo afecta el perfil y la penetración de la soldadura, como se observa en la figura 4.15 (A). El charco de soldadura tiende a fluir hacia el electrodo y precalienta el metal base, sobre todo en la superficie. Esto produce una zona de fusión de forma irregular, llamada depósito secundario. Al aumentar el ángulo de inclinación, la superficie media de la soldadura adquiere una depresión, la penetración disminuye y la anchura de la franja aumenta. En el caso del aluminio, esta téc-

nica cuesta abajo no es recomendable porque se pierde acción limpiadora y el escudamiento es insuficiente.

La soldadura cuesta arriba afecta el perfil de la zona de fusión y de la superficie de la soldadura, como se ilustra en la figura 4.15 (B). La fuerza de la gravedad hace que el charco de soldadura fluya hacia atrás y se retrase respecto al electrodo. Los bordes de la soldadura pierden metal, el cual fluye hacia el centro. Al aumentar el ángulo de inclinación, aumentan también el refuerzo y la penetración, y la anchura de la franja disminuye. Los efectos son exactamente opuestos a los de la soldadura cuesta abajo. Si se emplean comentes de soldadura elevadas, se reducirá el ángulo máximo que puede usarse.

Tamaño del electrodo EL TAMAÑO (DIÁMETRO) del electrodo influye en la configura- ción de la franja de soldadura. Un electrodo de mayor tamaño requiere una comente mínima más alta que un electrodo peque- ño con las mismas características de transferencia de metal. Las



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n

yiw 45"

Figura 4.14-Ángulo de trabajo normal para soldaduras de filete

comentes altas, a su vez, producen mayor fusión del electrodo y depósitos de soldadura más grandes y fluidos. Otra consecuencia de las comentes altas es el aumento en la tasa de deposición

y en la penetración. No obstante, la soldadura en posición vertical o cenital por lo regular se efectúa con electrodos de menor diámetro y con comentes más bajas.

Gas protector LAS CARACTERISTICAS DE los diversos gases y su efecto sobre la calidad de la soldadura y las características del arco se analizan en la sección sobre consumibles del presente capítulo.

(A) CUESTA ABAJO (B) CUESTA ARRIBA

Figura 4.1 !%Efecto de la inclinación del trabajo sobre la forma de la franja de soldadura

EQUIPO EL PROCESO GMAW se puede usar en forma semiautomática o automática. El equipo básico para cualquier instalación de GMAW consiste en lo siguiente:

(1) Pistola soldadora (enfriada por aire o agua). (2) Unidad de alimentación del electrodo. (3) Control de soldadura. (4) Fuente de potencia para soldadura. (5) Suministro regulado de gas protector. (6) Suministro de electrodo. (7) Cables y mangueras para interconexión. (8) Sistema de circulación de agua (para sopletes enfriados

por agua).

En las figuras 4.2 y 4.16 se ilustran los componentes típicos para operación semiautomática y mecanizada.

PISTOLAS SOLDADOR AS SE HAN DISEÑADO diversos tipos de pistolas soldadoras para obtener el máxima de eficiencia sea cual sea la aplicación, y van desde pistolas de trabajo pesado para trabajos de producción de alto volumen con comente elevada hasta pistolas ligeras para soldadura fuera de posición con comente baja.

Se pueden conseguir boquillas enfriadas por aire o por agua, curvadas o rectas, tanto para pistolas ligeras como de trabajo pesado. Las pistolas enfriadas por aire suelen ser más pesadas que las enfriadas por agua para el mismo amperaje y ciclo de trabajo especificados, porque la pistola enfriada por aire requiere más masa para compensar la menor eficiencia del enfriamiento.

Los componentes básicos de las pistolas para soldadura por

(1) Tubo de contacto (o punta). (2) Boquilla para el escudo de gas. (3) Conducto para el electrodo y forro. (4) Manguera de gas. (5) Manguera de agua. (6) Cable de potencia. (7) Interruptor de control.

Estos componentes se ilustran en la figura 4.17. El tubo de contacto, que por lo regular es de cobre o de una

aleación de cobre, transfiere la corriente de soldadura al electrodo y dirige a este último hacia el trabajo. El tubo de contacto se conecta eléctricamente a la fuente de potencia de soldadura mediante el cable de potencia. La superficie interior del tubo de contacto debe ser lisa para que el electrodo se alimente con facilidad a través del tubo sin dejar de mantener un buen contacto eléctrico. EI instructivo que acompaña a la pistola indica el tamaño de tubo de contacto correcto para cada tamaño y material del electrodo.

En general, el agujero del tubo de contacto debe ser entre O. 13 y 0.25 mm (0.005 y 0.010 pulg) mayor que el alambre empleado, aunque se podrían requerir agujeros más grandes en el caso del aluminio. EI tubo de contacto debe sostenerse firmemente en el soplete y centrarse dentro de la boquilla del escudo de gas. El posicionamiento del tubo de contacto en relación con el extremo de la boquilla puede ser una variable que dependa de la modalidad de transferencia empleada. Si la transferencia es en cortocircuito, el tubo por lo regular estará en el mismo nivel o

arco son los siguientes:



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124 S O L D A D U R A P O R ARCO D E M E T A L Y G A S

SUMINISTRO Y REG ULADOR DEL GAS PROTECTOR

FUENTE DE POTENCIA

SUMINISTRO DE ELECTRODO

MOTOR IMPULSOR DEL CARRO

MI CARRO DE VIGA LATERAI

VIGA LATERAL

4-

@ POTENCIA DE ENTRADA PRIMARIA

@ CABLE DELTRABAJO

@ CABLE DE POTENCIA

@ ENTRADA DEL GAS PROTECTOR

@ SALIDA DEL AGUA DE ENFRIAMIENTO

ENTRADA DE GAS PROTECTOR AL CONTROL @ DE SOLDADURA ENTRADA DE AGUA DE ENFRIAMIENTO AL CONTROL @ DE SOLDADURA

@ ENTRADA DE 115 V ca AL CONTROL DE SOLDADURA

@ ENTRADA DEL AGUA DE ENFRIAMIENTO

@ ~ ~ : ~ ~ ~ ~ ~ o f ~ N I D A D DE ALIMENTACION

@ ENTRADA DE 1 15 V ca AL CONTROL DEL CARRO

@ ENTRADA AL MOTOR IMPULSOR DEL CARRO

~~ ~ ~ ~~

Figura 4.16-Instalación para soldadura por arco de metal y gas mecanizada

extendido más allá de la boquilla, pero si se usa arco de rocío estará retraído aproximadamente 3 mm (II8 pulg). Durante la soldadura, deberá examinarse periódicamente y reemplazarse si el agujero se ha dilatado por un desgaste excesivo o si se ha taponado con salpicaduras. El empleo de una punta desgastada o taponada puede perjudicar el contacto eléctrico y producir un arco con características irregulares.

La boquilla dirige una columna de gas protector de flujo uniforme hacia la zona de soldadura. Es en extremo importante que el flujo sea uniforme para asegurar que el metal de soldadura fundido esté bien protegido contra contaminación por los gases

de la atmósfera. Hay boquillas de diferentes tamaños que deben elegirse de acuerdo con la aplicación; esto es, boquillas grandes para trabajos con corriente elevada en los que el charco de soldadura es grande, y boquillas pequeñas para soldadura de baja corriente y en cortocircuito. Las boquillas para aplicaciones de soldadura de puntos cuentan con aberturas que permiten al gas escapar cuando la boquilla se presiona contra la pieza de trabajo.

El conducto del electrodo y su forro se conectan a una mén- sula adyacente a los rodillos de alimentación del motor que alimenta el electrodo. Ei conducto sustenta, protege y dirige el electrodo desde los rodillos de alimentación hasta la pistola y el tubo



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DEL TRAYECTO DEL GAS PROTECTOR

LíNEA DE ENTRADA DEL AGUA

CÁMARA DE AGUA

INTERRUPTOR PUNTA DE CONTACTO

CABLE DE POTENCIA/ SALIDA DE AGUA

Fiaura 4.17-Vista en corte seccional de una pistola para soldadura por arco de tungsteno y gas típica

de contacto. Se necesita una alimentación ininterrumpida del electrodo para asegurar un arco estable. Es preciso evitar que el electrodo se doble o se pandee. Si el electrodo no está bien sustentado en todos los puntos entre los rodillos y el tubo de contacto, tenderá a atascarse.

El forro puede ser una parte integral del conducto o adquirirse por separado. En cualquier caso, el material y el diámetro interior del forro son importantes. Es preciso dar mantenimiento periódico a los forros para asegurar que estén limpios y en buenas condiciones, a fin de que la alimentación del alambre sea consistente.

Se recomienda un forro helicoidal de acero si se usan electrodos de un material duro como el acero o el cobre. Los forros de nailon sirven para materiales de electrodo blandos como el aluminio y el magnesio.

Hay que tener cuidado de no estrangular o flexionar excesivamente el conducto aunque, como es usual, su superficie exterior tenga un refuerzo de acero. El instructivo que acompaña a cada unidad por lo regular incluye una lista de los conductos y forros recomendados para cada tamaño y material de electrodo.

Los accesorios restantes llevan el gas protector, el agua de enfriamiento y la potencia de soldadura a la pistola. Estas mangueras y cables pueden conectarse directamente a los suministros correspondientes o al control de soldadura. Hay escudos de gas con estela que pueden ser obligatorios para proteger el charco de soldadura en operaciones de alta velocidad.

Figura 4.18-Pistola comercial para soldadura por arco de metal y gas

La pistola básica (figura 4.18) se conecta a una unidad alimentadora del electrodo que empuja el electrodo desde una posición remota para hacerlo pasar por el conducto. Existen otros diseños, como la unidad de la figura 4.19 que cuenta con un pequeño mecanismo de alimentación del electrodo integrado. Esta pistola tira del electrodo en el suministro, donde puede haber un impulsor adicional que al mismo tiempo empuje el electrodo hacia el conducto (es decir, un sistema de “empuje- tracción”). Este tipo de pistola también resulta Útil para alimentar electrodos suaves (como los de aluminio) o de diámetro pequeño, pues si se empujaran el alambre podría pandearse. Otra variación es la de “carrete en la pistola” que se ilustra en la figura 4.20, en la que el mecanismo de alimentación del electrodo y el suministro del electrodo están integrados.

UNIDAD DE ALIMENTACIÓN DEL ELECTRODO LAUNIDAD DE alimentación del electrodo (alimentador de alambre) consiste en un motor eléctrico, rodillos impulsores y accesorios para mantener la alineación y la presión sobre el electrodo. Estas unidades pueden incorporarse al control de velocidad o ubicarse en una posición remota. El motor de alimentación del electrodo por lo regular es de comente continua, y empuja el electrodo a través de la pistola hacia el trabajo. El motor debe tener un circuito de control que vane su velocidad dentro de un intervalo amplio.

Los alimentadores de alambre de velocidad constante normalmente se usan en combinación con fuentes de potencia de voltaje

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Figura 4.19-Pistola de GMAW del tipo de tracción



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TUBO DE TUEO RODILLO BOQUILLA CONTACTO TUERCA GUIA IMPULSOR

\ I

BARAIL DE 2 PIEZAS

Figura 4.2û-Vista explotada de un soplete del tipo de carrete en la Distola

constante. Pueden usarse con fuentes de potencia de comente constante si se añade un circuito de “ensarte” lento del electrodo.

Si se emplea una fuente de potencia de corriente constante, se requiere un control automático detector de voltaje. Este control detecta cambios en el voltaje del arco y ajusta la velocidad de alimentación del alambre a modo de mantener una longitud de arco constante. Esta combinación de alimentador de alambre de velocidad variable y fuente de potencia de corriente constante está limitada a alambres de diámetro grande [mayor que 1.6 mm (1/16 pulg)] con los que se usan velocidades de alimentación más bajas. Si la velocidad de alimentación del alambre es alta, la velocidad de motor normalmente no podrá ajustarse con la rapidez suficiente para mantener la estabilidad del arco.

El motor de alimentación se conecta a un conjunto de rodillos impulsores que transmiten la fuerza al electrodo; lo sacan del suministro de alambre y lo meten a la pistola soldadora. Las unidades de alimentación de alambre pueden tener un sistema de dos o de cuatro rodillos. En la figura 4.21 se muestra una unidad de cuatro rodillos típica. El ajuste de presión de los rodillos permite aplicar una fuerza variable al alambre, dependiendo de sus Características (por ejemplo sólido o con núcleo, duro o blando). Las guías de entrada y de salida alinean debidamente el alambre con los rodillos y le dan soporte para evitar que se doble.

En la figura 4.22A se muestra el tipo de rodillos que suelen usarse con alambre sólido: un rodillo provisto de un surco se combina con un rodillo de respaldo liso. Se einplea un surco con forma de “V” para alambres sólidos duros, coino los de aceros al carbono e inoxidables, y un surco en forma de “U” para alambres blandos como el de aluminio.

Los rodillos de alimentación con dientes de sierra o moleteados, con un rodillo de respaldo moleteado, como los de la figura 4.22B, se usan generalmente con alambres con núcleo. El diseño moleteado permite transmitir el máximo de fuerza irnpulsora al alambre con el mínimo de presión de los rodillos. Estos tipos de rodillos no se recomiendan para alambres blandos, coino el de aluminio, porque tienden a formar hojuelas del metal del alambre que pueden llegar a taponar la pistola o el forro.

Figura 4.21-Unidad de alimentación de alambre de cuatro rodillos tínica

Control de soldadura EN APLICACIONES SEMIAUTOMATICAS, el control de soldadura y el motor de alimentación del electrodo pueden estar integrados en una sola unidad. La función principal del control de soldadura es regular la velocidad del motor de alimentación del electrodo, por lo regular mediante un gobernador electrónico. Si aumenta la velocidad de alimentación del alambre, el operador incremen- tará la comente de soldadura. Una disminución en la velocidad de alimentación produce comentes de soldadura más bajas. EI control también regula el arranque y la detención de la alimen-

Figura 4.22A-Rodillo de alimentación amolado con respaldo plano empleado para alimentar alambres

sólidos



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tación del electrodo a través de una señal procedente del interruptor de la pistola.

También están disponibles funciones de control de alimenta- ción del electrodo que permiten usar un “arranque de toque” (la alimentación del electrodo se inicia cuando el electrodo toca el trabajo) o un “ensarte lento” (la tasa de alimentación inicial se reduce hasta que se enciende el arco y luego se incrementa hasta la requerida para soldar). Estas dos funciones se emplean pri- mordialme2te en conjunción con fuentes de potencia de comente constante, y son especialmente útiles para la soldadura por arco de metal y gas de aluminio.

Normalmente, el gas protector, el agua de enfriamiento y la potencia de soldadura se suministran a la pistola a través del control, para lo que se requiere una conexión directa del control con estos recursos y con la fuente de potencia. El flujo de gas y de agua se regulan mediante válvulas de solenoide de modo que coincidan con el inicio y la detención de la acción de soldar. El control también puede determinar el inicio y la detención del flujo de gas, y energizar el contactor de la fuente de potencia. Puede ser que el control permita cierto flujo de gas antes de comenzar a soldar (prepurga) y después de terminar (pospurga) con el fin de proteger el charco de soldadura. El control por lo regular tiene una alimentación independiente de 115 V de Ca.

Fuente de potencia LA FUENTE DE potencia para soldadura suministra energía elkc- trica al electrodo y a la pieza de trabajo a fin de producir el arco. En casi todas las aplicaciones de GMAW se emplea comente continua con el electrodo positivo (CCEP); por tanto, la terminal positiva se conecta a la pistola y la negativa a la pieza de trabajo. Los tipos principales de fuentes de potencia de comente continua son generadores impulsados por motor (rotatorias) y transformadores-rectificadores (estáticas). Los inversores están incluidos en la categoría estitica. Generalmente se prefieren las

Figura 4.22B-Rodillos de alimentación moleteados generalmente utilizados con alambres

con núcleo

fuentes de transformador-rectificador para fabricación dentro de un taller donde se dispone de una fuente de 230 V o 460 V. Este tipo de fuentes de potencia responde con mayor rapidez que las de generador impulsado por motor cuando cambian las condiciones del arco. El generador impulsado por motor se usa cuando no se dispone de otra fuente de energía eléctrica, como en lugares remotos.

Ambos tipos de fuentes de potencia pueden diseñarse y construirse de modo que suministren comente constante o bien potencial constante. Las primeras aplicaciones de GMAW empleaban fuentes de potencia de comente constante (a menudo conocidas como fuentes de cuida). Estas fuentes mantienen un nivel de corriente relativamente fijo durante la soldadura, sin importar las variaciones en la longitud del arco, como se ilustra en la figura 4.23. Estas máquinas se caracterizan por voltajes de circuito abierto elevados y niveles de comente en cortocircuito limitados. Como suministran una salida de comente práctica- mente constante, el arco mantendrá una longitud fija sólo si la distancia entre el tubo de contacto y el trabajo permanece constante, con una velocidad de alimentación del electrodo también constante.

En la práctica, como esta distancia varía, el arco tiende a “arder hacia atrás” con el tubo de contacto o a “embotarse” dentro de la pieza de trabajo. Esto puede evitarse empleando un sistema de alimentación del electrodo controlado por el voltaje. Cuando el voltaje (longitud del arco) aumenta o disminuye, el motor se acelera o se frena a fin de mantener constante la longitud del arco. El sistema de control modifica automática- mente la velocidad de alimentación del electrodo. Este tipo de fuente de potencia generalmente se usa para soldar con transferencia por aspersión, ya que la corta duración del arco en la transferencia en cortocircuito hace que el control por regulación del voltaje no resulte práctico.

Al aumentar el número de aplicaciones de GMAW, se vio que una fuente de potencia de voltaje (potencial) constante mejoraba la operación. Si se emplea junto con un alimentador de alambre de velocidad constante, mantiene un voltaje casi constante durante la operación de soldadura. La curva volt-ampere de este tipo de fuente de potencia se ilustra en la figura 4.24. El sistema de potencial constante compensa las variaciones en la distancia entre la punta de contacto y la pieza de trabajo que ocurren durante las operaciones de soldadura normales incrementando o decrementando instantáneamente la comente de soldadura, a fin de contrarrestar los cambios en la extensión del electrodo debidos a los cambios en la distancia entre la pistola y el trabajo.

La longitud del arco se establece ajustando el voltaje de soldadura en la fuente de potencia. Una vez fijada, no se requieren más modificaciones durante la soldadura. La velocidad de alimentación del alambre, que además se convierte en el control de corriente, la establece el soldador u operador antes de comenzar a soldar. Se puede ajustar dentro de un intervalo considerable antes de que el arco se embote dentro de la pieza de trabajo o arda hacia el tubo de contacto. Los soldadores y operadmes de inmediato aprenden a ajustar los controles de alimentación del alambre y de voltaje con un mínimo de capacitación.

EI mecanismo de autocorrección de una fuente de potencia de voltaje constante se ilustra en la figura 4.25. Al aumentar la distancia entre la punta de contacto y el trabajo, el voltaje del arco y la longitud del mismo tenderian a crecer; sin embargo, la



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> W-

;i 3 9

FUENTE DE POTENCIA DE CORRIENTE CONSTANTE I

- - - - - - - - PUNTO DE OPERACIÓN I

1 I

I I l I I I I I p - n A 4 I I

t---- - - - - - - - - - t

A V

I I

CORRIENTE, A

Fiaura 4.23-Relación volt-ampere para una fuente de potencia de corriente constante

comente de soldadura disminuye con este ligero aumento en voltaje, lo que compensa el incremento en la extensión del electrodo. Por otro lado, si la distancia se acorta, el menor voltaje irá acompañado por un aumento en la corriente que compensará la reducción en la extensión.

La función de autocorrección de la fuente de potencia de voltaje constante es importante para producir condiciones de soldadura estables, pero hay otras variables que contribuyen a un rendimiento óptimo, sobre todo cuando la transferencia se realiza en cortocircuito.

Además del control del voltaje de salida, puede ser deseable cierto grado de control sobre la pendiente y la inductancia. EI soldador u operador debe entender el efecto de estas variables sobre el arco de soldadura y su estabilidad.

Voltaje. El voltaje de arco es el potencial eléctrico entre el electrodo y la pieza de trabajo. Este voltaje es menor que el que se mide directamente en la fuente de potencia a causa de las caídas de voltaje en las conexiones y a lo largo del cable de soldadura. Como ya se dijo, el voltaje del arco está relacionado

_ _ ~

Figura 4.24-Relación volt-ampere para una fuente de potencia de voltaje constante



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CONDICIÓN ESTABLE

CONDICIÓN ESTABLE RESTABLECIDA

LONGITUD DEL ARCO, L VOLTAJE DEL ARCO, V

DEL ELECTRODO

6.4 mm (114 pulg) 32 CORRIENTE DEL ARCO, A 32 31 O VELOCIDAD DE ALIMENTACIÓN 280 i 70 mm/s (400 pulglmin)

6.4 mm (114 pulg)

170 mm/s (400 pulglmin)

~~

Figura 4.25-Regulación automática de la longitud del arco en el proceso GMAW

directamente con la longitud del arco; por tanto, un aumento o reducción en el voltaje de salida de la fuente de potencia produ- cirá un cambio similar en la longitud del arco.

Pendiente. Las características volt-ampere estáticas (salida estática) de una fuente de potencia de voltaje constante se ilustran en la figura 4.24. La pendiente de la salida es la pendiente algebraica de la curva volt-ampere y se acostumbra citarla como la caída de voltaje por 100 amperes de aumento en la comente.

La pendiente de la fuente de potencia, según la especificación del fabricante, se mide en sus terminales de salida y no es la pehdiente total del sistema de soldadura por arco. Cualquier cosa que añada resistencia al sistema de soldadura (por ejemplo cables de potencia, conexiones deficientes, terminales flojas, contactos sucios, etc.) hará crecer la pendiente. Por tanto, en un sistema de soldadura dado lo mejor es medir la pendiente en el arco. Se requieren dos puntos de operación para calcular la pendiente de un sistema de soldadura del tipo de potencial constante, como se muestra en la figura 4.26. No conviene usar el voltaje de circuito abierto como uno de los puntos, porque en algunas máquinas hay una marcada caída de voltaje a corrientes bajas. Esto se indica en la figura 4.24. Se deben escoger dos condiciones de arco estables en niveles de comente que abar- quen el intervalo que probablemente se usará.

La pendiente tiene una función preponderante en la modalidad de transferencia en cortocircuito de GMAW en cuanto a que

controla la magnitud de la comente de cortocircuito, que es el amperaje que fluye cuando el electrodo está en corto con la pieza de trabajo. En GMAW, la separación de gotas de metal fundido del electrodo se controla por un fenómeno eléctrico conocido como efecto de estrangulación electromagnética. La estrangu- lación es la fuerza de “constricción” que la comente ejerce sobre un conductor al fluir por él. En la figura 4.27 se ilustra este efecto para la transferencia en cortocircuito.

La corriente en cortocircuito (y por tanto la fuerza del efecto de estrangulación) es función de la pendiente de la curva volt- ampere de la fuente de potencia, como se ilustra en la figura 4.28. El voltaje de operación y el amperaje de las dos fuentes de potencia son idénticos, pero la comente en cortocircuito de la curva A es menor que la de la curva B. La curva A tiene una pendiente más pronunciada, o una mayor caída de voltaje por cada 100 amperes, en comparación con la curva B; por tanto tiene una corriente en cortocircuito menor y un efecto de estran- gulación menos intenso.

En la transferencia en cortocircuito, la magnitud de la comente de cortocircuito es importante porque el efecto de estrangula- ción resultante determina la forma cómo una gota fundida se desprende del electrodo. Esto, a su vez, afecta la estabilidad del arco. Si hay poca o ninguna pendiente en el circuito de la fuente de potencia, la comente de cortocircuito subirá con rapidez hasta un nivel elevado. El efecto de estrangulación será intenso, y la gota fundida se separará violentamente del alambre. El excesivo efecto de estrangulación hará a un lado abruptamente el metal



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VOLTAJE DE CIRCUITO

> W" 2 5 O >

v-

CORRIENTE, A O

A V 3 8 V - 2 8 V - E - 100A 100 A PENDIENTE = - = A A

Figura 4.26-Cálculo de la pendiente para una fuente - de potencia

fundido, despejará el cortocircuito, y producirá demasiadas salpicaduras.

Si la corriente de cortocircuito disponible de la fuente de potencia se limita a un nivel bajo mediante una pendiente pronunciada, el electrodo transportará la comente completa, pero es posible que el efecto de estrangulamiento sea demasiado leve

CORRIENTE (A)

RZA DEL EFECTO RANGULACION, P

PUNTO DE OPERACIÓN

CORRIENTES DE CORTOCIRCUITO

CORRIENTE, A

Figura 4.28-Efecto de un cambio de pendiente

para separar la gota y restablecer el arco. En esas condiciones, el electrodo chocará contra la pieza de trabajo o se congelará en el charco. Si la comente de cortocircuito tiene un valor aceptable, la separación de la gota fundida del electrodo será suave con muy poca salpicadura. En la tabla 4.3 se dan las comentes de cortocircuito típicas requeridas para la transferencia de metal con un arco lo más estable posible.

Muchas fuentes de potencia de voltaje constante están equipadas con un ajuste de pendiente. Pueden ajustarse por pasos o continuamente para suministrar los niveles deseados de corriente de cortocircuito para la aplicación de que se trate. Algunos tienen pendiente fija que se ha establecido previamente para las condiciones de soldadura más comunes.

Inductancia. Cuando el electrodo hace corto con el trabajo, la corriente sube rápidamente a un iuvel elevado. La caracterís- tica del circuito que afecta la rapidez de este aumento es la inductancia, que por lo regular se mide en henrys. El efecto de la inductancia se ilustra con las curvas de la figura 4.29. La curva A es un ejemplo de curva corriente-tiempo inmediatamente después de un cortocircuito cuando hay cierta inductancia en el circuito. La curva B ilustra el camino que habría seguido la corriente si no hubiera inductancia en el circuito.

DE Tabla 4.3

Corrientes de cortocircuito típicas necesarias para transferir metal en la modalidad en cortocircuito

Corriente de cortocircuito,

Diámetro del electrodo Material del

electrodo PUkl mm amperes (CCEP)

Acero al carbono 0.030 0.8 300 Acero al carbono 0.035 0.8 320

Figura 4.27-Ilustración del efecto de estrangulación Aluminio 0.030 0.8 175 durante la transferencia en cortocircuito Aluminio 0.035 0.9 195



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CORRIENTE EXCESIVA, MUCHAS SALPICADURAS

CURVA B - CON INDUCTANCIA

CORRIENTE DESEADA PARA BUENA ESTABILIDAD Y POCAS SALPICADURAS

TIEMPO, s

Fiaura 4.29-Cambio en la rapidez de elevación de la corriente debido a la adición de inductancia

La magnitud máxima del efecto de estrangulación está determinada por el nivel de corriente de cortocircuito final. El efecto de estrangulación instantáneo está bajo el control de la corriente instantánea, y por tanto la forma de la curva corriente-tiempo es significativa. La inductancia del circuito controla la rapidez de elevación de la corriente. Sin inductancia, el efecto de estrangu- lación se aplica con rapidez y la gota fundida será “cercenada” violentamente del electrodo, con un exceso de salpicadura. Una inductancia mayor produce una reducción en el número de cortocircuitos por segundo y una aumento en el tiempo de “arco encendido”. Esto último hace al charco más fluido y produce una franja de soldadura más plana y lisa.

En la transferencia por aspersión, la adición de inductancia a la fuente de potencia producirá un inicio de arco más suave sin afectar las condiciones de soldadura de estado estable. Los ajustes a la fuente de potencia requeridos para obtener condiciones de salpicadura mínima varían con el material y el diámetro del electrodo. Por regia general, se requieren comentes de cortocircuito e inductancias más altas para electrodos de mayor diámetro.

Hay fuentes de potencia con niveles de inductancia fijos o ajustables por pasos o continuamente.

Reguladores de gas protector SE REQUIERE UN sistema que proporcione una tasa de flujo de gas protector constante a presión atmosférica durante la soldadura. Un regulador de gas reduce la presión del gas fuente a una presión de trabajo constante sin importar las variaciones en la fuente. Los reguladores pueden ser de una o dos etapas y pueden tener un medidor de flujo integrado. Los reguladores de dos etapas suministran gas a una presión más consistente que los de una etapa cuando la presión de la fuente varía.

La fuente de gas protector puede ser un cilindro de alta presión, un cilindro lleno de líquido o un sistema de líquido de alto volumen. Es posible conseguir mezclas de gases en un solo cilindro. Cuando se emplean dos o más fuentes de gas o líquido, las proporciones correctas se obtienen por medio de dispositivos mezcladores. El usuario debe determinar el tamaño y el tipo de la fuente donde estará almacenado el gas, con base en el volumen de gas que se consuma al mes.

Suministro del electrodo EL PROCESO GMAW emplea un electrodo de alimentación continua que se consume con relativa rapidez. Por tanto, el suministro de electrodo debe proveer una gran cantidad de alambre que pueda alimentarse con facilidad a la pistola para elevar al máxi- mo la eficiencia del proceso. Por lo regular, esta fuente es un carrete o rollo que contiene entre 4.5 y 27 kg (10 y 60 Ib) de alambre, enrollado para que la alimentación esté libre de dobleces y nudos. También hay carretes más grandes de hasta 114 kilogramos (250 lb), y se puede conseguir alambre en tambores de 340 a 450 kilogramos (750 a loo0 lb). Se emplean carretes pequeños [de .45 a .9 kg (1 a 2 lb)] con el equipo de “carrete en la pistola”. La especificación de la AWS o militar aplicable define los requisitos de empaque estándar. Si el usuario tiene requerimientos especiales, normalmente puede llegar a un acuerdo con el proveedor.

El suministro de electrodo puede estar ubicado muy cerca del alimentador de alambre, o colocarse a cierta distancia y conducirse por medio de un equipo de entrega especial. Normal- mente, el sutninistro de electrodo deberá estar lo más cerca posible de la pistola para minimizar los problemas de alimenta- ción, pero lo bastante lejos para dar flexibilidad y accesibilidad al soldador.



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CONSUMIBLES ADEMÁS DE LOS componentes del equipo, como las puntas de contacto y los forros del conducto, que se desgastan y deben reemplazarse, los consumibles del proceso GMAW son los electrodos y los gases protectores. La composición química del electrodo, del metal base y del gas protector determinan la composición del metal de soldadura. A su vez, esta composición determina en gran medida las propiedades químicas y mecánicas del ensamble soldado. Los que siguen son factores que influyen en la selección del gas protector y del electrodo:

(1) Metal base. (2) Propiedades que debe tener el metal de soldadura. (3) Condición y limpieza del metal base. (4) Tipo de servicio o requisito de especificación aplicable. (5 ) Posición de soldadura. (6) Modalidad de transfrencia de metal que se piensa usar.

ELECTRODOS LOS ELECTRODOS (METALES de aporte) para ia soldadura por arco de metal y gas están cubiertos por diversas especificaciones de la AWS para metal de aporte. Otras asociaciones que redactan normas también publican especificaciones de metal de aporte para aplicaciones específicas. Por ejemplo, la SAE redacta especificaciones para materiales aeroespaciales. En la tabla 4.4 se muestran las especificaciones de electrodos de la AWS, desig- nadas como normas A5.XX, aplicables a GMAW. Definen requisitos de tamaño y tolerancias, empaque, composición quí- mica y en algunos casos propiedades mecánicas. La AWS tam- bién publica cartas de comparación de metales de aporte (Filler Metal Comparison Charts) en las que los fabricantes pueden inclur sus marcas para cada una de las clasificaciones de metal de aporte.

En general, para aplicaciones de unión, la composición del electrodo (metal de aporte) es similar a la del metal base. La composición de metal de aporte puede alterarse un poco para compensar las pérdidas que ocurren en el arco o para desoxidar el charco de soldadura. En algunos casos, esto apenas requiere modificación de la composición del metal base, pero en ciertas aplicaciones se requiere un electrodo con una composición química muy diferente de la del metal base con el fin de obtener características de soldadura y propiedades del metal de soldadura satisfactorias. Por ejemplo, el mejor electrodo para soldar por GMAW bronce de manganeso, una aleación de cobre y cinc, es uno de bronce de aluminio o de una aleación de cobre-manganeso-níquel-aluminio. 1

Los electrodos más apropiados para soldar las aleaciones de aluminio y acero de más alta resistencia mecánica a menudo tienen una composición diferente de la de los metales base con los que se van a usar. Esto se debe a que las aleaciones de aluminio como la 6061 no son apropiadas como metales de aporte. Por ello, las aleaciones de electrodo se diseñan de modo que produzcan las propiedades de metal de soldadura deseadas con características de operación aceptables.

Aparte de cualesquier otras modificaciones que se hagan a la composición de los electrodos, casi siempre se agregan desoxi-

dantes u otros elementos limpiadores. Esto se hace para minimizar la porosidad de la soldadura o para asegurar que el metal de soldadura tenga propiedades mecánicas satisfactorias. La adi- ción de desoxidantes apropiados en las cantidades correctas es indispensable para producir soldaduras íntegras. Los desoxidantes más utilizados en los electrodos de acero son manganeso, silicio y aluminio. El titanio y el aluminio son los principales desoxidantes que se emplean con los electrodos de aleación de níquel. Los electrodos de aleación de cobre pueden desoxidarse con titanio, silicio o fósforo.

Los electrodos que se usan para GMAW son de diámetro muy pequeño si se les compara con los de la soldadura por arco sumergido o por arco con núcleo de fundente. Son comunes los diámetros de 0.9 a 1.6 mm (0.035 a 0.062 pulg), pero pueden usarse electrodos con diámetro tan pequeño como 0.5 mm (0.020 pulg) y tan grande como 3.2 mm (1/8 pulg). Como los diámetros de electrodo son pequeños y las comentes relativamente altas, las velocidades de alimentación del alambre en GMAW son altas, desde unos 40 hasta 340 mm/s (100 a 800 pulglmin) para la mayor parte de los metales, excepto el magnesio, con el que pueden requerirse velocidades de hasta 590 mm/s (1400 pulglmin).

Con tales velocidades de alimentación, los electrodos se proveen en forma de hilos continuos largos de alambre debidamente templado que pueden alimentarse de manera suave y uniforme a través del equipo de soldadura. Normalmente, los alambres están enrollados en carretes de tamaño conveniente, o en bobinas.

Los electrodos tienen razones superficie/volumen altas por su tamaño relativamente pequeño. Cualesquier compuestos o lubricantes de estiramiento que hayan penetrado en la superficie del electrodo durante el proceso de fabricación pueden afectar adversamente las propiedades del metal de soldadura. Estos materiales extraños producen porosidad en aleaciones de aluminio y acero, y agrietamiento del metal de soldadura o de la zona térmicamente afectada en aceros de alta resistencia mecánica. Por tanto, los electrodos deben fabicarse con una superficie de alta calidad para evitar la acumulación de contaminantes en las costuras o traslapos.

Además de usarse en aplicaciones de unión, el proceso GMAW se utiliza ampliamente para recubrir en los casos en que

Tabla 4.4 EsDecificaciones Dara diversos electrodos Dara GMAW

~~

h o de material base EsDecificación de la AWS Acero al carbono Acero de baja aleación Aleaciones de aluminio Aleaciones de cobre Magnesio Aleaciones de níquel Acero inoxidable de la serie 300 Acero inoxidable de la serie 400 Titanio

A5.18 A5.28 A5.1 O A5.7 A5.19 A5.14 A5.9 A5.9 A5.16



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un depósito de soldadura superpuesto puede conferir una resistencia al desgaste o a la corrosión deseable, u otras propiedades. Los recubrimentos normalmente se aplican a aceros al carbono o al manganeso y deben someterse a una ingeniería y evaluación cuidadosas para garantizar resultados satisfactorios. En las operaciones de recubrimiento, la dilución del metal de soldadura con el metal base se convierte en una consideración importante; es función de las caractensticas del arco y de la técnica. Con

GMAW pueden esperarse tasas de dilución del 10 al 50% dependiendo de la modalidad de transferencia. Por esta razón, lo normal es que se requieran múltiples capas para obtener una química apropiada del depósito en la superficie. La mayor parte de los recubrimientos de metal de soldadura se depositan auto- máticamente a fin de controlar con precisión la dilución, l a anchura y el espesor de la franja, y el traslapo al colocar cada franja junto a la franja precedente.

GASES PROTECTORES

GENERALIDADES LA FUNCIÓN PRIMARIA del gas protector es impedir que la atmósfera entre en contacto con el metal de soldadura fundido. Esto es necesario porque la mayor parte de los metales, al calentarse hasta su punto de fusión en aire, presentan una marcada tendencia a formar óxidos y, en menor grado, nitruros. Además, el oxígeno reacciona con el carbono del acero fundido para formar monóxido y dióxido de carbono. Estos diversos productos de reacción pueden causar deficiencias de la soldadura, como escoria atrapada, porosidad y pérdida de ductilidad del metal.de soldadura. Los productos de reacción mencionados se forman con facilidad en la atmósfera si no se toman precauciones para excluir el oxígeno y el nitrógeno.

Además de proporcionar un entorno protector, el gas protector y la tasa de flujo tienen un efecto importante sobre lo siguiente:

(1) Características del arco. (2) Modalidad de transferencia del metal. (3) Penetración y perfil de la franja de soldadura. (4) Velocidad de soldadura. (5 ) Tendencia al socavamiento. (6) Acción limpiadora. (7) Propiedades mecánicas del metal de soldadura.

En la tabla 4.5 se muestran los principales gases que se usan con GMAW. Casi todas son mezclas de gases inertes que tain- bién pueden contener pequeñas cantidades de oxígeno o CO2. El empleo de nitrógeno al soldar cobre es una excepción. En la tabla 4.6 se da una lista de los gases que se emplean para GMAW con transferencia en cortocircuito.

LOS GASES PROTECTORES INERTES: ARGÓN Y HEL10 EL ARGON Y el helio son gases inertes. Éstos dos y sus mezclas se emplean para soldar metales no ferrosos y aceros inoxidables, al carbono y de baja aleación. Las diferencias físicas entre el argón y el helio son la densidad,la conductividad térmica y las características del arco.

El argón es aproximadamente 1.4 veces más denso que el aire, en tanto que la densidad del helio es de alrededor de 0.14 veces la del aire. El argón, al ser más pesado, es más efectivo

para proteger el arco y cubrir el área de soldadura en la posición plana. El helio requiere tasas de flujo unas dos o tres veces mayores que las usadas con argón para proporcionar una protec- ción equivalente.

El helio tiene mayor conductividad térmica que el argen y produce un plasma de arco en el cual la energía del arco está distribuida de manera más uniforme. El plasma de arco del argón, en cambio, se caracteriza por un núcleo de alta energía y una zona exterior de menor energía. Esta diferencia afecta sobremanera el perfil de la franja de soldadura. Un arco protegido con helio produce una franja profunda, ancha, parabólica. Un arco protegido por argón produce un perfil de franja carac- terizado por una penetración tipo “dedo”. En la figura 4.30 se ilustran los perfiles de franja típicos para argón, helio, mezclas argón-helio y dióxido de carbono.

El helio tiene un potencial de ionización más alto que el del argón y, en consecuencia, un voltaje de arco más alto si todas las demás variables son iguales. Además, el helio puede presentar problemas de iniciación del arco. Los arcos protegidos exclusivamente con helio no presentan transferencia por aspersión axial verdadera en ningún nivel de corriente. El resultado es que los arcos protegidos con helio producen más salpicaduras y tienen franjas con superficies más ásperas que los protegidos con argón. La protección con argón (incluidas las mezclas con un contenido de argón tan bajo como 80%) producen transferencia por aspersión axial cuando la comente está por encima del nivel de transición.

MEZCLAS DE ARGON Y HELIO LA PROTECCIÓN CON argón puro se usa en muchas aplicaciones de soldadura de materiales no ferrosos. El empleo de helio puro generalmente está restringido a áreas más especializadas porque un arco en helio tiene estabilidad limitada. Pese a ello, las carac- terísticas de perfil de la franja de soldadura deseables (profundo, ancho y parabólico) que se obtienen con el arco de helio muchas veces son el objetivo al usar mezclas de argón y helio como gas protector. El resultado, que se ilustra en la figura 4.30, es un mejor perfil de franja aunado a la característica de transferencia de metal por aspersión axial deseable del argón.

En la transferencia en cortocircuito se usan mezclas argón- helio con entre 60 y 90% de helio a fin de obtener un mayor aporte de calor al metal base y mejorar las características de fu- sión. Con algunos metales, como los aceros inoxidables y de baja



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Tabla 4.5 Gases protectores para transferencia por aspersión en GMAW

Metal Gas protector Espesor Ventajas

Aluminio

Magnesio Acero al carbono

Acero de baja aleación

Acero inoxidable

Níquel, cobre y sus aleaciones

Titanio

100% argón 35% argón -65% helio 25% argón -75% helio 100% argón - Excelente acción limpiadora.

O a 25 mm (O a 1 pulg) Transferencia de metal y estabilidad del arco Óptimas; mínimo de salpicaduras. 25 a 76 mm (1 a 3 pulg) Más alto aporte de calor que sólo con argón; mejores características de fusión

Más de 76 mm (3 pulg) Máximo aporte de calor; minimiza la porosidad. con aleaciones Al-Mg de la serie 5XXX.

95% argón t 3.5% oxígeno

- Mejora la estabilidad del arco; produce un charco de soldadura más fluido y controlable; buena coalescencia y perfil de franja; minimiza el socavamiento; permite velocidades más altas que el argón puro.

90% argón t 8/10% dióxido de carbono 98% argón - Minimiza el socavamiento; confiere buena tenacidad. -2% oxígeno 99% argón -1 % oxígeno

98% argón -2% oxígeno 100% argón

- Soldadura mecanizada de alta velocidad; soldadura manual de bajo costo

- Mejora la estabilidad del arco; produce un charco de soldadura más fluido y controlable; buena coalescencia y perfil de franja; minimiza el socavamiento en aceros inoxidables gruesos.

Ofrece mejor estabilidad de arco, coalescencia y velocidad de soldadura que la mezcla con 1 % de oxígeno para piezas de acero inoxidable delgadas.

-

Hasta 3.2 mm (1/8 pulg) Ofrece buen mojado; reduce la fluidez del metal de soldadura.

Argón -helio

- Mayor aporte de calor que con mezclas con 50 y 75% de helio, Io que compensa la elevada disipación de calor de los calibres más gruesos.

100% araón - Buena estabilidad del arco: contaminación mínima de la soldadura: se reauiere " respaldo con gas inerte para evitar la contaminación con aire de'la parte de atrás del área de soldadura.

Tabla 4.6 Gases protectores para transferencia en cortocircuito en GMAW

Metal Gas protector Espesor Ventajas

Acero al carbono 75% argón

75% argón

ArgÓn con 5-10% de CO,

Acero inoxidable 90% helio t 7.5% argón

60-70% helio t 25-35% argón + 4.5% CO, 75% argón

t hellio

t 25% COZ

+ 25% COZ

t 2.5% COZ Acero de baja aleación

+ 25% COZ Aluminio, cobre, magnesio, Argón y argón níquel y sus aleaciones

Menos de 3.2 mm (1/8 pulg)

Más de 3.2 mm (1/8 pulg)

-

Altas velocidades de soldadura sin perforación; mínimo de distorsión

Mínimo de salpicaduras; aspecto limpio de la soldadura; buen control

Penetración más profunda; más altas velocidades de soldadura.

y salpicaduras.

del charco en las posiciones vertical y cenital.

Ningún efecto sobre la resistencia a la corrosión; zona térmicamente afectada pequeña; sin socavamiento; mínima distorsión.

Reactividad mínima; excelente tenacidad; excelentes estabilidad del arco, características de mojado y perfil de franja; pocas salpicaduras.

-

Más de 3.2 mm (1/8 pulg)

Buena tenacidad; excelentes estabilidad del arco, caracteristicas de

EI argón es satisfactorio para lámina; se prefiere argón-helio para mojado y perfil de franja; pocas salpicaduras.

material base.



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1 ARGON ARGON-HELIO HELIO CO2

Figura 4.30-Perfil de frania Y patrones de penetración para diversos gases protectores

aleación, se escogen adiciones de helio en lugar de las de CO, porque este último puede afectar adversamente las propiedades mecánicas del depósito.

Las mezclas de argón y 50 a 75% de helio aumentan el voltaje del arco (para la misma longitud de arco) con respecto a la del argón puro. Estos gases se emplean para soldar aluminio, magnesio y cobre porque el mayor aporte de calor (gracias al voltaje más alto) reduce el efecto de la elevada conductividad térmica de estos metales base.

ADICIONES DE OXíGENO Y CO, AL ARGON Y EL HELIO EL ARGON Y, en menor medida, el helio puros producen excelentes resultados cuando se sueldan metales no ferrosos. No

obstante, la protección de aleaciones no ferrosas con argón puro produce un arco irregular y una tendencia al socavamiento. Las adiciones de 1 a 5 % de oxígeno o de 3 a 25 % de CO, producen una notable mejoría en la estabilidad del arco y ausencia de socavamiento al eliminar las divagaciones del arco causadas por el chisporroteo en el cátodo.

La cantidad óptima de oxígeno o CO, que se añade al gas inerte es función de la condición de la superficie del trabajo (presencia de incrustaciones de forja u óxidos), la geometría de la unión, la posición o técnica de soldadura y la composición del metal base. En general, 2% de oxígeno u 8 i 10% de CO, se considera un buen término medio para cubrir un intervalo amplio de estas variables.

Las adiciones de dióxido de carbono al argón también pueden mejorar la apariencia de la franja de soldadura al producir un perfil “en forma de pera” de más fácil definición, como se

ARGON-O, ARGÓN CO,

Figura 4.31-Efecto relativo de las adiciones de oxígeno y de dióxido de carbono al escudo de argón



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aprecia en la figura 4.3 1. La adición de entre 1 y 9% de oxígeno al gas mejora la fluidez del charco de soldadura, la penetración y la estabilidad del arco. El oxígeno también reduce la comente de transición. La tendencia al socavamiento disminuye, pero hay una mayor oxidación del metal de soldadura con una pérdida apreciable de silicio y manganeso.

Las mezclas argón-dióxido de carbono se usan con acero al carbono y de baja aleación, y en menor grado con aceros inoxidables. Las adiciones de dióxido de carbono de hasta el 25% elevan la comente de transición mínima, aumentan las pérdidas por salpicadura y la profundidad de penetración, y reducen la estabilidad del arco. Las mezclas argón-CO, se usan primordialmente en aplicaciones de transferencia en cortocircuito, pero también pueden servir para soldadura con transferencia por aspersión y con arco pulsado.

Se ha usado ampliamente una mezcla de argón con 5% de CO, para soldar con arco pulsado y alambres sólidos de acero al carbono. Las mezclas de argón, helio y CO, son las favoritas para soldar con arco pulsado y alambres sólidos de acero inoxidable.

MEZCLAS DE MÚLTIPLES GASES PROTECTORES

Argón-oxígeno-dióxido de carbono LAS MEZCLAS DE argón con hasta 20 % de dióxido de carbono y 3 a 5% de oxígeno son versátiles. Proveen una protección adecuada y características de arco deseables para soldar en las modalidades de aspersión, cortocircuito y a pulsos. Las mezclas con 10 a 20% de dióxido de carbono no son comunes en Estados Unidos pero sí gozan de popularidad en Europa

ArgÓn-helio-dióxido de carbono LAS MEZCLAS DE argón, helio y dióxido de carbono se usan para soldar aceros al carbono, de baja aleación e inoxidables en cortocircuito o con arco pulsado. Las mezclas en las que el argón es el constituyente primario sirven para soldadura con arco

pulsado, y aquellas en las que el helio predomina se emplean para soldar en cortocircuito.

Argón-helio-dióxido de carbono-oxígeno ESTA MEZCLA, CONOCIDA comúnmente como quad-mix, es popular para G m W de alta deposición empleando el tipo de arco de transferencia de metal con elevada densidad de comente. Esta mezcla ofrece buenas propiedades mecánicas y operabilidad dentro de un intervalo amplio de tasas de deposición. Su aplica- ción principal es en la soldadura de materiales base de baja aleación y buena resistencia a la tensión, pero también se ha usado con acero dulce en soldadura de alta producción. Los aspectos económicos son una consideración importante para usar este gas en la soldadura de acero dulce.

DIÓXIDO DE CARBONO EL DIÓXIDO DE carbono (CO,) es un gas reactivo ampliamente utilizado en su forma pura para la soldadura por arco de metal y gas de aceros al carbono y de baja aleación. Es el único gas reactivo que puede usarse solo como escudo en el porceso GMAW. La mayor velocidad de soldadura, la penetración más profunda en la unión y el bajo costo son características generales que han promovido el uso del CO, como gas protector.

Con un escudo de CO,, la modalidad de transferencia de metal es en cortocircuito o bien globular. La transferencia por aspersión axial requiere un escudo de argón y no puede lograrse con uno de CO,. Con la transferencia globular, el arco es muy brusco y produce abundantes salpicaduras, lo que exige fijar las condiciones de soldadura de modo que produzcan un “arco enterrado” muy corto (la punta del electrodo está por debajo de la superficie del trabajo) a fin de minimizar las salpicaduras.

En una comparación general con el arco protegido por una mezcla rica en argón, el arco protegido por CO, produce una franja de soldadura con excelente penetración y un perfil superficial más áspero, con una acción de “mojado” muy inferior en los bordes de la franja de soldadura gracias al arco enterrado. Se logran depósitos de soldadura muy íntegros, pero las propiedades mecánicas pueden sufrir menoscabo por la naturaleza oxidante del arco.

APLICACIONES EL PROCESO GMAW puede usarse con una amplia variedad de metales y configuraciones. El éxito en su aplicación depende de la elección correcta de lo siguiente:

(1) Electrodo - composición, diámetro y empaque. (2) Gas protector y tasa de flujo. (3) Variables del proceso, incluidos amperaje, voltaje, velo-

(4) Diseño de las uniones. (5) Equipo, incluida la fuente de potencia, la pistola y el

cidad de desplazamiento y modalidad de transferencia.

alimentador de alambre.

SELECCIÓN DEL ELECTRODO EN LA INGENIERÍA de ensambles soldados, el objetivo es seleccionar los metales de aporte que producirán un depósito de soldadura con dos características básicas:

(1) Un depósito que se asemeja mucho al metal base en sus propiedades mecánicas y físicas o que lo mejora, por ejemplo confiriéndole resistencia a la corrosión o al desgaste.

(2) Un depósito de soldadura íntegro, libre de discontinuidades.



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En el primer caso, el depósito de soldadura, aunque tenga una composición casi idéntica a la del metal base, tiene característi- cas metalúrgicas únicas. Esto depende de factores tales como el aporte de energía y la configuración de la franja de soldadura. La segunda caracteristica generalmente se logra empleando un electrodo de metal formulado, por ejemplo uno que contenga desoxidantes para producir un depósito relativamente libre de defectos.

Composición EL ELECTRODO DEBE satisfacer ciertas demandas del proceso en cuanto a estabilidad del arco, comportamiento de transferencia de metal y características de soldificación. También debe producir un depósito de soldadura compatible con una o más de las siguientes características del metal base:

(1) Química. (2) Resistencia mecánica. (3) Ductilidad. (4) Tenacidad.

Es preciso considerar también otras propiedades como la resistencia a la corrosión, la respuesta al tratamiento térmico, la resistencia al desgaste y la igualación de colores. Sin embargo, todas estas consideraciones tienen importancia secundaria en comparación con la compatibilidad metalúrgica del metal base y el metal de aporte.

La American Welding Society ha establecido especificaciones para los metales de aporte de uso común. La tabla 4.7 ofrece una guia básica para seleccionar los tipos de metal de aporte apropiados para los metales base que se listan, junto con todas las especificaciones AWS de metal de aporte aplicables.

Alambres tubulares EN EL PROCESO GMAW se usan alambres tanto sólidos como tubulares. Estos últimos tienen un núcleo de polvo metálico que incluye pequeñas cantidades de compuestos estabilizadores del arco. Estos alambres producen un arco estable y tienen eficiencias de deposición similares a las de los alambres sólidos. EI enfoque tubular permite fabricar electrodos metálicos de baja escoria y alta eficiencia con composiciones que no sería fácil fabricar como alambres sólidos.

SELECCIÓN DEL GAS PROTECTOR COMO SE APUNTO en secciones anteriores, ei gas protector que se emplea para el proceso de arco de metal y gas puede ser inerte (argón o helio), reactivo (CO,) o una mezcla de ambos tipos. Se puede agregar un poco de oxígeno y en ocasiones de hidrógeno a fin de lograr otras características de arco y geometrías de franja de soldadura deseadas.

La selección del mejor gas protector se basa en la considera- ción del material que se va a soldar y del tipo de transferencia de metal que se empleará. Para la transferencia por arco de rocío, la tabla 4.5 presenta los gases protectores de uso más común para diversos materiales. La tabla 4.6 presenta los gases que se emplean con la modalidad de transferencia en cortocircuito. Estas

tablas no listan todas las combinaciones especiales de gases que están disponibles.

ESTABLECIMIENTO DE LAS VARIABLES DEL PROCESO LA SELECCIÓNDE los parámetros del proceso (amperaje, voltaje, velocidad de desplazamiento, tasa de flujo del gas, extensión del electrodo, etc.) requiere una estrategia de prueba y error para determinar un conjunto de condiciones aceptable. Esto se dificulta aún más por la interdependencia de muchas de las variables. Se han establecido intervalos típicos de siete variables, mismos que se listan en las tablas 4.8 a 4.13 para diversos metales

SELECCIÓN DEL DISEÑO DE LA UNIÓN EN LA FIGURA 4.32 se muestran diseños y dimensiones de uniones de soldadura típicos para el proceso GMAW. Las dimensiones indicadas generalmente producen una penetración completa en la unión y un refuerzo aceptable si se emplean los procedimientos de soldadura correctos.

Es posible usar configuraciónes de unión similares con otros metales, aunque los tipos con mayor conductividad térmica (p. ej., aluminio y cobre) deben tener ángulos de surco más amplios a fin de minimizar los problemas por fusión incompleta.

Las características de penetración profunda de la GMAW con transferencia por aspersión pueden permitir el empleo de ángu- los incluidos mis pequeños. Esto reduce la cantidad de metal de aporte y las horas de mano de obra requeridas para fabricar los ensambles soldados.

SELECCIÓN DEL EQUIPO AL SELECCIONAR EQUIPO, el comprador debe considerar los requerimientos de la aplicación, el intervalo de potencia de salida, las características estáticas y dinámicas y las velocidades de alimentación del alambre. Por ejemplo, si una parte importante de ia producción implica el uso de alambre de aluminio de diámetro pequeño, el fabricante deberá considerar la adquisición de un alimentador de alambre del tipo de empuje-tracción. Si se contempla soldadura fuera de posición, el usuario deberá investigar las máquinas soldadoras de potencia a pulsos. Si se desea soldar acero inoxidable de calibre pequeño, podría considerarse una fuente de potencia con pendiente e inductancia ajustables.

Si se piensa adquirir equipo nuevo, conviene pensar un poco en ia versatilidad del equipo y en la estandarización. La selec- ción de equipo para producción de un solo propósito o de alto volumen por lo general puede basarse únicamente en los requisitos de esa aplicación en particular. En cambio, si se piensa realizar un gran número de trabajos distintos (como en un taller), muchos de los cuales tal vez no se conozcan en el momento de hacer la selección, la versatilidad es muy importante.

Hay que considerar el resto del equipo que ya se está usando en la instalación. La estandarización de ciertos componentes y la coinplementación del equipo existente minimizará los requerimientos de inventario y aumentará al máximo la eficiencia de la operación global. En secciones anteriores del capítulo se dieron ya los detalles de los componentes del equipo.



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Aceros Tipo 201 ER308 inoxidables austeníticos Tipos 301,302, (normas ASTM 304 y 308 ER308

Tipo 304L ER308L volumen 1.04)

Tipo 31 O ER310 Tipo 316 ER316 Tipo 321 ER321

,

Tabla 4.7 Electrodos recomendados para GMAW

Ti DO Clasificación Clasificación de electrodo (use la última edición) Especificación de electrodo de la AWS Material base

Aluminio y 1100 aleaciones 3003,3004 de aluminio 5052,5454

(normas ASTM 5083,5086

volumen 2.02) 6061,6063 5456

ER4043 ER5356 ER5554, ER5556

ER5556 o ER5356

ER4043 o ER5356

o ER5183 A5.10

~~ ~~

Aleaciones de AZ1 OA magnesio AZ31 B, AZ61 A, (normas ASTM AZ80A volumen 2.02) ZElOA

ZK21A AZ63A, AZ81A

AZ92A, AM1 00A HK31A, HM21A

LA1 41 A

AZ91c

HM31A

ERAZ61A. ERAZ92A

ERAZ61 A, ERAZ92A ERAZ61 A, ERAZ92A ERAZ92A

EREZ33A EREZ33A

EREZ33A EREZ33A

A5.19

Cobre y Comercialmente puro ERCU aleaciones Latón ERCuSi-A, ERCuSn-A de cobre Aleaciones Cu-Ni ERCuNi (normas ASTM volumen 2.01)

Bronce de manganeso ERCUAI-A2 Bronce de aluminio ERCUAI-A2 Bronce ERCuSn-A

A5.7

Níquel y Comercialmente puro ERN¡

de níquel Aleaciones Ni-Cr-Fe ERNiCrFe-5 (normas ASTM volumen 2.04)

aleaciones Aleaciones Ni-Cu ERNCU-7 A5.14

~~ ~~~

Titanio y Comercialmente puro ERTi-1, -2, -3, -4 aleaciones Ti-6AL-4V ERTi-6AI-4V de titanio Ti-0.15 Pd ERTi-0.2Pd

Ti-5AI-2 5 Sn ERTi-5AI-2.5Sn Ti-13V-llCr-3AL ERTi-13V-llCr-3AL

(normas ASTM volumen 2.04)

A5.16

Aceros al carbono

Aceros al carbono ordinario E70S-3. o E70S-1 1 rodados en caliente y en frio E70S-2; E70S-4

E70S-5, E70S-6

A5.9

A5.18



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Tabla 4.8 Condiciones típicas para la soldadura por arco de metal y gas de acero al carbono y de baja aleación

en la Dosición dana

Espesor del material

pulg mm

.O62 1.6

.125 3.2

.187 4.7 ,250 6.4 .250 6.4

Diámetro del alambre

Tipo de soldadura pulg mm

A tope3 .O35 0.9

A tope3 .O35 0.9 A tope3 .O35 0.9 A tope4 .O45 1.1

A tope3 .o35 0.9

Corriente y voltaje'

amps volts

95 18 140 20 150 20 150 21 200 22

Velocidad de alimentación del alambre

pulglmin mm/s

150 64 250 106 265 112 265 112 250 106

Flujo de gas

Gas protectoi2 pies3/h L/min

Ar 75%, CO2-25% 25 12 Ar 75%, CO2-25% 25 12 Ar 75%, CO2-25% 25 12 Ar 75%, COZ-25% 25 12 Ar 75%, C02-25% 25 12

1. Corriente continua con el electrodo positivo. 2. También puede usarse COz grado soldadura. 3. Abertura de raiz de 0.8 mm (0.03 pulg) 4. Abertura de raiz de 1.6 mm (0.062 pulg)

Tabla 4.9 Condiciones típicas para la soldadura por arco de metal y gas de aluminio en ia posición plana

Espesor del Diámetro dei Corriente y Velocidad de material alambre voltaje' alimentación del alambre Flujo de gas

pulg mm Tipo de soldadura pulg mm amps volts pulglmin mm/s Gas protector pies3/h L/min

.O62 1.6 A tope .O30 0.8 90 18 365 155 Argón 30 14 ,125 3.2 A tope .O30 0.8 125 20 440 186 Argón 30 14 ,187 4.8 A tope .O45 1.1 160 23 275 116 Argón 35 16 .250 6.4 A tope .O45 1.1 205 24 335 1 42 Argón 35 16 .375 9.5 A tope .O63 1.6 240 26 21 5 91 Argón 40 19

*Corriente continua con el electrodo positivo.

~~~ ~ ~~~~ ~~ ~~~~ ~ ~~ ~~ ~~ ~ ~ ~~~

Tabla 4.10 Condiciones típicas para la soldadura por arco de metal y gas de acero inoxidable austenítico empleando

un arco de rocío en ia posición plana

Espesor Diámetro del Corriente Velocidad de dei material alambre y voltaje' alimentación del alambre Flujo de gas

pulg mm Tipo de soldadadura pulg mm amps volts pulglmin mm/s Gas protector pies3/h L/min ,125 3.2 Unión a tope con

.250(1) 6.4 Unión a tope en V con

.375(1) 9.5 Unión a tope en V con

respaldo .O62 1.6 225 24 130 55 Ar98%,022% 30 14

ángulo inc. de 60" ,062 1.6 275 26 175 74 Ar98%,0,2% 35 16

ángulo inc. de 60" ,062 1.6 300 28 240 102 Ar98%,0,2% 35 16

1. Corriente continua con el electrodo positivo. 2. Se requieren dos pasadas.



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Tabla 4.1 1 Condiciones típicas para la soldadura por arco de metal y gas de acero inoxidable austenitic0 empleando

un arco en cortocircuito

Espesor Diámetro Corriente del material del alambre y voltaje'

pulg mm Tipodesoldadura pulg mm amperes volts .O62 1.6 Unión a tope .O30 0.8 85 21

,093 2.4 Unión a tope ,030 0.8 105 23

.I25 3.2 Unión atope ,030 0.8 125 24

Velocidad de alimentación del alambre Flujo de gas

14 78 He90%,Ar7.5% 30

97 He 90%, Ar 7.5%

pulglmin mm/s Gas protector pies3/h L/min 185

CO2 2.5% 30 14 230

COP 2.5% 280 He90%,Ar7.5% 30 14

CO, 2.5%

+ Corriente continua con el electrodo positivo.

Tabla 4.12 Condiciones típicas para la soldadura por arco de metal y gas de aleaciones de cobre en la posición plana

Espesor Diámetro Corriente Velocidad de alimentación del material del alambre y voltaje' del alambre Flujo de gas

pulg mm Tipo de soldadura pulg mm amperes volts pulglmin mm/s Gas protector pies3/h L/min 25 12 .I25 3.2 A tope .O35 175 23 430

30 14

,187 6.4 A tope, espaciada ,062 365 26 240 1 o1 Argón 35 16

182 Argón

1 o1 Argón ,187 4.8 A tope .O45 210 25 240

~~

* Corriente continua con el electrodo positivo.

Tabla 4.13 Valores típicos de variables para la soldadura por arco de metal Y nas de mannesio

Espesor Diámetro Corriente Velocidad de del material del alambre y voltaje' alimentación del alambre Flujo de gas

PUkJ mm Tipo de soldadura pulg mm amperes volts pulg/min mm/s pies3/h L/min .O62 1.6 .O62 1.6 70 16 160 68 50 24 Surco cuadrado

o filete

Surco cuadrado o filete




.O90 2.3 .O62 1.6 105 17 245 104 50 24

.I 25 3.2 .O62 1.6 125 18 290 123 50 24

.250 6.4 .O62 1.6 265 25 600 254 60 28

,375 9.5 .O94 2.4 335 26 370 157 60 28

Corriente continua con el electrodo positivo.



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R MAX = T, T = 1/16 MAX

UNIONES DE SURCOCUADRADO SOLDADAS POR UN LADO

T f

UNIONES DE SURCO EN VABOCINADO SOLDADASPOR UN L A W

- -MÏR T -4 l--R I-- 7- T R

HASTA l/û O 1/8 A 1/4 T/2 MAX

UNIONES DE SURCO CUADRADO SOLDADAS POR AMBOS LADOS

R MiN = T, T = 3/16 MAX U UNIONES DE SURCO CUADRADO SOLDADAS POR UN LADO CON RESPALDO

R = 1/16 MÁX LA POSICION HORIZONTAL

UNIONES DE SURCO EN"V"ÚNIC0 SOLDADAS POR UNO O AMBOS LADOS

RAC-?L 5"AiOo 1/8A1/4 3/16 MiN 4

UNIÓN RECOMENDADA PARA LA POSICION HORIZONTAL

R = 11s M ~ N

UNIONES DE SURCO EN"V" UNICO SOLDADAS POR UN LADO CON RESPALDO

6oD 4 1/16 MAX

-1 1/16 MAX 10°A150

UNION RECOMENDADA PARA LA POSICION HORIZONTAL

UNIONES DE SURCO E N ' V DOBLE SOLDADAS POR AMBOS LADOS

R = 1/16 MAX, f = 1/16 MÁX

UNIONES DE SURCO DE BISEL ÚNICO SOLDADAS POR UNO O AMBOS LADOS

TODAS LAS DIMENSIONES EN PULGADAS EXCEPTO LOS ÁNGULOS (A)

Figura 4.32-Disenos y dimensiones de uniones típicos para el proceso de soldadura por arco de metal y gas



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" 1 I ÁNGULO U

45"MIN 35'MIN

114 M!N POSICIONES 3/6 MIN

TODAS TODAS

I I - 4 I- ANGULOa R POSICIONES 3/16 MiN

45OMiN 1/6MiN TODAS 35'MIN 114MIN TODAS

UNIONES DE SURCO DE BISEL ÚNICO SOLDADAS POR UN LADOCON RESPALDO

- 4 L - f

f = 1/16 MAX. R = 1/6 MAX 4 t r R

UNIONES DE SURCO DE DOBLE BISEL SOLDADAS POR AMBOS LADOS

f = l / iS A 3/16 r = i l 4

UNION RECOMENDADA PARA LA POSICION HORIZONTAL

UNIONES DE SURCO EN *-um UNICO SOLDADAS POR UNO O AMBOS LADOS

R = 3/32 MAX f = 1/16 A 3/16 r = 114

5OA100

UNIÓN RECOMENDADA PARA LA POSICION HORIZONTAL

UNIONES DE DOBLE SURCO EN 'u" SOLDADAS POR AMBOS LADOS

I, "

f = l / i 6 A 3 / 1 6 r = 1/4

UNIONES DE SURCO EN"J" ÚNICO SOLDADAS POR UNO O AMBOS LADOS

(B) TODAS LAS DIMENSIONES EN PULGADAS EXCEPTO LOS ANGULOS

~~ ~ ~~ ~

Figura 4.32-(ContinuaciQn)-Diseños y dimensiones de uniones típicos para el proceso de soldadura por arco de metal y gas

APLICACIONES ESPECIALES

SOLDADURA DE PUNTOS LA SOLDADURA DE puntos por arco de metal y gas es una variación de la GMAW continua en la que dos piezas de lámina se fusionan mediante penetración completa a través de una pieza hasta llegar a la otra. Se ha usado este proceso para unir materiales de calibre pequeño, hasta unos 5 min (3/16 pulg) de espesor, en la producción de carrocerías, aparatos domésticos y gabinetes eléctricos. No se requiere más preparación de la unión que una limpieza de las áreas de traslapo. También es posible soldar por puntos secciones más gruesas empleando esta técnica si se taladra o troquela un agujero en la pieza superior y se dirige un arco a través de él para lograr la unión con la pieza subyaceii- te. Esto se conoce como soldadura de tnyóiz.

En la figura 4.33 se compara una soldadura de punto hecha con arco de gas y metal y una hecha por resistencia. Las soldaduras de puntos por resistencia se efectúan mediante el caleiita- miento por resistencia y la presión de un electrodo que fuiideri los dos componentes en su interfaz y los fusionan. En la soldadura por arco de metal y gas, el arco penetra de lado a lado el miembro superior y fusiona el componente inferior con SII

charco de soldadura. Una ventaja importante de la soldadura de

punto por arco de metal y gas es que sólo se requiere acceso a un lado de la unión.

La variación de soldadura de puntos requiere cierta modifi- cación del equipo de GMAW convencional. Se emplean boquillas especiales con aberturas que permiten al gas protector escapar ciiaiido el soplete se presiona contra el trabajo. También son necesarios controles del tiempo y de la velocidad de alimenta- ción del alainbre, a fin de regular el tiempo de soldadura real y un periodo de decaimiento de la corriente para llenar el cráter de soldadura y dejar un perfil de refuerzo adecuado.

Diseño de las uniones LA SOLDADURA POR arco de inetal y gas puede usarse para soldar uniones traslapadas en acero al carbono, aluininio, inagnesio, acero inoxidable y aleaciones que contengan cobre. Es posible soldar inetales con espesores iguales o distintos, pero la lámina inás delgada siempre debe ser el inieinbro superior si se sueldan espesores desiguales. La soldadura de puntos por arco de metal y gas nomialniente está restringida a la posición plana, pero si se modifica el diseno de la boquilla puede adaptarse a uniones de traslapo-filete, filete y esquina en la posición horizontal.



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~~

PEPITA DE SOLDADURA SOLIDIFICADA

I 1 I

SOLDADURA DE PUNTO SOLDADURA DE POR RESISTENCIA PUNTO POR GMAW

Fiaura 4.33-Com~aración de soldaduras de Duntos e

hechas por arco de gas metal y por resistencia

Operación del equipo LA PISTOLA SOLDADORA de puntos por G m W se coloca en po- sición, prensando las dos piezas de trabajo, y se acciona el gatillo para iniciar el arco. El cronómetro del arco arranca mediante un dispositivo que detecta el flujo de la corriente de soldadura. El arco es mantenido por el electrodo consumible alimentado continuamente hasta que la lámina superior se funde de lado a lado y se fusiona con la lámina inferior sin que se haya desplazado lateralmente la pistola. El ciclo de tiempo se ajusta de modo que se mantenga un arco hasta completar la secuencia de fusión, es decir, hasta haber formado una soldadura de punto. El electrodo se sigue alimentando durante el ciclo del arco y deberá producir un refuerzo en la supeificie de la lámina superior.

Efecto de las variables del proceso sobre las Características de soldadura EL DIAMETRO DE la soldadura en la cara intema y el refuerzo son las dos características de una soldadura de punto por GMAW que detenninan si la soldadura satisfará o no los requisitos de servicio propuestos. Tres variables principales del proceso -comente de soldadura, voltaje y tiempo de arco- afectan una de estas características, o ambas.

Corriente. LA corriente tiene el efecto más marcado sobre la penetración. Ésta aumenta si se usan comentes más elevadas (con un aumento correspondiente en la velocidad de alimenta- ción del alambre). El aumento en la penetración generalmente produce una soldadura de mayor diámetro en la superficie.

Voltaje del arco. El voltaje del arco es lo que más afecta la forma de la soldadura de punto. En general, si la comente se mantiene constante, un aumento en el voltaje del arco hará crecer el diámetro de la zona de fusión, aunque también causará una pe- queña disminución en la altura del refuerzo y en la penetración. Las soldaduras hechas con voltajes de arco demasiado bajos presentan una depresión en el centro del refuerzo. Si el voltaje de arco es excesivo, se crearán condiciones de fuerte salpicadura.

Tiempo de soldadura. Se recomienda elegir condiciones que produzcan una soldadura satisfactoria en un lapso de 20 a 100 ciclos de una comente de 60 Hz (0.3 a 1.7 s) al unir metal base de hasta 3.2 mm (O. 125 pulg) de espesor. Puede requerirse un tiempo de arco de hasta 300 ciclos (5 segundos) en materiales más gruesos para lograr una resistencia mecánica adecuada. La penetración, el diámetro de la soldadura y la altura del refuerzo generalmente aumentan con el tiempo de soldadura.

Como sucede con la GMAW convencional, los parámetros de la soldadura de puntos son muy interdependientes. La modi- ficación de uno por lo regular exige ajustar uno o más de los otros. Se requiere cierto tanteo para encontrar un conjunto o conjuntos de condiciones para una aplicación en particular. En la tabla 4.14 se muestran parámetros de “arranque” para la soldadura de puntos por arco de metal y gas en acero al carbono.

SOLDADURA DE SURCO ANGOSTO LA SOLDADURA DE surco angosto es una técnica de múltiples pasadas para unir materiales de sección gruesa en los que la unión tiene una configuración a tope casi cuadrada con anchura de surco minima [aproximadamente 13 mm (1/2 pulg)]. En la figura 4.34 se muestra una configuración de unión de surco angosto típica. Esta técnica se emplea con muchos de los procesos de soldadura convencionales, incluido GMAW, y es un método eficiente para unir aceros al carbono y de baja aleación gruesos con un mínimo de distorsión.

El empleo de GMAW para soldar uniones con la configura- ción de surco angosto requiere precauciones especiales para asegurar que la punta del electrodo se coloque en el punto exacto en el que se obtiene una fusión correcta de las paredes del surco. Se han inventado muchos métodos de alimentación de alambre para lograr esto, y se han empleado con éxito en entomos de producción. En la figura 4.35 se muestran algunos ejemplos.

Se usan en tándem dos alambres de forma controlada y dos tubos de contacto, como se aprecia en la figura 4.35 (A). Cada arco se dirige hacia una de las paredes, produciendo una serie de soldaduras de filete traslapadas.

El mismo efecto puede lograrse con un alambre empleando una técnica de zigzagueo, oscilando el arco a través del surco durante la soldadura. Esta oscilación puede crearse mecánica- mente moviendo el tubo de contacto en sentido transversal sobre el surco [figura 4.35 (B)] pero, debido a la distancia tan corta entre el tubo y la pared, esta técnica no resulta práctica y casi nunca se usa.

Otra técnica mecánica emplea un tubo de contacto doblado con un ángulo de unos 15 grados [figura 4.35 (C)]. Al tiempo que se desplaza hacia adelante durante la soldadura, el tubo de contacto describe un arco hacia un lado y hacia el otro, impar- tiendo al arco un movimiento zigzagueante.

En la figura 4.35 (D) se ilustra una técnica más avanzada. El mecanismo de alimentación del electrodo da a éste una forma ondulada mediante la acción flexionadora de una “placa batido- ra” y de los rodillos alimentadores al girar. Continuamente, el alambre se somete a deformación plástica para adquirir esta forma ondulada, conforme los rodillos alimentadores lo presio- nan contra la placa de flexion. EI electrodo se endereza en buena medida al atravesar el tubo de contacto y la punta, pero recupera su ondulación al salir otra vez. El consumo continuo



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del electrodo ondulado oscila el arco de un lado del surco al otro. Esta técnica produce un arco oscilante incluso en un surco muy angosto, manteniendo el tubo de contacto centrado en la unión.

La técnica de electrodo trenzado, figura 4.35 (E), es otro método que se ha inventado para mejorar la penetración en las paredes laterales sin mover el tubo de contacto. El electrodo trenzado consiste en dos alambres entrelazados que, al alimentarse al surco, generan arcos en sus puntas. Gracias al trenzado, los arcos describen una trayectoria rotatoria continua que incrementa la penetración en las paredes sin necesidad de un dispositivo de zigzagueo especial.

Dado que estas técnicas de oscilación del arco a menudo requieren equipo de alimentación especial, se ha desarrollado un método alternativo en el que un electrodo de mayor diámetro [por ejemplo 2.4 a 3.2 mm (.O93 a . 125 pulg)] se alimenta directamente al centro del surco desde una punta de contacto situada por encima de la superficie de la placa. Con esta técnica, la colocación del alambre sigue siendo crítica, pero hay una probabilidad menor de que se establezca un arco entre la punta de contacto y el trabajo, y es posible usar equipo de soldadura estándar. La desventaja es que sólo puede aplicarse a espesores limitados y normalmente sólo en la posición plana.

Los parámetros para la soldadura de surco angosto (narrow groove welding, NGW) son muy similares a los que se usan para la GMAW convencional. En la tabla 4.15 se presenta un resumen de algunos valores típicos. Sin embargo, en la aplicación de surco angosto la calidad de los resultados es sensible a cambios pequeños en estos parámetros, de los cuales el voltaje tiene especial importancia. Un voltaje de arco (longitud de arco) excesivo puede socavar las paredes del surco y causar atrapamiento de óxidos o falta de fusión en pasadas subsecuentes. El voltaje alto puede hacer que el arco suba por la pared del surco y dañe el tubo de contacto. Por esta razón es que se ha popularizado el uso de fuentes de potencia a pulsos en esta aplicación, pues son

capaces de mantener un arco de rocío estable con voltajes de arco bajos.

Se han usado diversos gases protectores con la técnica de separación angosta, al igual que con la GMAW convencional. La mezcla más usada consiste en argón con 20 a 25% de CO,, pues ofrece una buena combinación de características de arco, perfil de franja y penetración en las paredes. El suministro del gas al área de soldadura no es fácil en la configuración de surco angosto, y se han desarrollado numerosos diseños de boquilla.

Figura 4.34-Configuración de unión típica para soldadura de seDaraciÓn anaosta

Tabla 4.14 Ajustes variables para la soldadura de puntos por GMAW de acero al carbono en la posición plana [gas protector

CO, con Depita de 6.4 mm (114 Dula) de diámetro1

Tiempo Tamaho dei electrodo Espesor de arco Corriente y voltaje' Dula mm Calibre pula mm S A B 0.030 0.8 24 0.022 0.56 1 90 24

22 0.032 0.81 1.2 120 27 20 0.037 0.94 1.2 1 20 27

0..035 0.9 18 0.039 0.99 1 190 27 16 0.059 1.50 2 190 28 14 0.072 1.83 5 190 28

0.045 1.2 14 0.072 1.83 1.5 300 30 12 0.110 2.79 3.5 300 30 11 0.124 3.1 5 4.2 300 30

0.063 1.6 11 1/8 3.15 1 490 32 5132 4.0 1.5 490 32

* Corriente continua con el electrodo positivo.



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S O L D A D U R A P O R A R C O D E M E T A L Y G A S 1 4

c

PI

~

Figura 4.35-Técnicas de alimentación dei alambre típicas de la soldadura por arco de metal y gas de separación angosta

Tabla 4.15 Condiciones de soldadura típicas para el proceso GMAW de surco angosto

Escudo soldadura Pub mm Amperes Volts’ pulglmin mm/s de gas

NGW-I 0.375 9.5 260-270 25-26 40 17 Ar-CO,

NGW-I 0.4-0.5 10-1 2 220-240 24-202 13 6 Ar-CO,

NGW-I 0.375 9.5 280-300 29‘ 9 4 Ar-CO2

NGW-II 0.5 12.5 450 30-37.5 15 6 Ar-CO,

NGW-II 0.47-0.55 12-14 450-550 38-42 20 8 Ar-CO,

Voltaje Velocidad de desplazamiento Corriente Técnica, posición de Anchura del surco

horiz.

horiz.

plana

plana

plana

1. Corriente continua con el electrodo positivo. 2. Potencia pulsada a 120 pulsos por segundo.



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INSPECCIÓN Y CALIDAD DE LA SOLDADURA

INTRODUCCIÓN LOS PROCEDIMIENTOS DE control de calidad para las uniones de GMAW son muy similares a los que se usan para otros procesos. De acuerdo con las especificaciones aplicables, los procedimientos de inspección deberán servir para determinar si es apropiado el desempeño del soldador o del operador, para Cali- ficar un procedimiento de soldadura satisfactorio y para realizar un examen completo del producto final soldado.

La inspección de la soldadura del producto terminado se limita a los métodos de examen no destructivos como la inspec- ción visual, con líquido penetrante, con partículas magnéticas, radiográfica y ultrasónica. Las pruebas destnictivas (de tensión, corte, fatiga, impacto, flexión, fractura, pelado, sección transversal o dureza) por lo regular se limitan al desarrollo de ingenieria, la calificación de procedimientos de soldadura y la calificación del rendimiento de los soldadores y operadores.

POSIBLES PROBLEMAS

Perdida de ductilidad por hidrógeno ES IMPORTANTE ESTAR conscientes de los problemas de pérdida de ductilidad que pueden presentarse a causa del hidrógeno, si bien no es muy probable que esto suceda con GMAW porque no se usan fundentes o recubrimientos higroscópicos. No obstante, es recomendable tener en cuenta otras fuentes de hidrógeno. Por ejemplo, el gas protector debe tener un contenido de humedad suficientemente bajo. El proveedor del gas debe controlar bien este aspecto, pero quizá convenga verificarlo. El aceite, la grasa y los compuestos de estiramiento presentes en el electrodo o el metal base pueden convertirse en fuentes potenciales de absor- ción de hidrógeno en el metal de soldadura. Los fabricantes de electrodos están conscientes de lo necesaria que es la limpieza y normalmente se preocupan mucho por suministrar un electrodo limpio. Es posible introducir contaminantes durante la mani- pulación en las instalaciones del usuario. Los usuarios que están conscientes de esta posibilidad toman medidas para evitar problemas graves, sobre todo al soldar aceros endurecibles. Las mismas precauciones son necesarias al soldar aluminio, excepto que el problema potencial es la porosidad causada por la relativamente baja solubilidad del hidrógeno en el aluminio solidificado, más que la pérdida de ductilidad por hidrógeno.

Contaminación con oxígeno y nitrógeno EL OXÍGENO Y el nitrógeno pueden representar problemas más graves que el hidrógeno en el proceso GMAW. Si el gas protector no es totalmente inerte o no protege debidamente, estos elementos se pueden absorber con facilidad de la atmósfera. Tanto los óxidos como los nitruros pueden reducir la tenacidad de muesca del metal de soldadura. El metal depositado por GMAW no es tan tenaz como el depositado por soldadura por arco de tungsteno y gas. Sin embargo, cabe señalar que es posible añadir

al gas protector oxígeno en proporciones de hasta el 5% o más sin afectar adversamente la calidad de la soldadura.

Limpieza LA LIMPIEZA DEL metal base cuando se usa GMAW es más crítica que cuando se usa SMAW o SAW (soldadura por ârco sumergido). Los compuestos fundentes presentes en SMAW y SAW capturan impurezas y limpian el depósito de metal fundido eliminando óxidos y compuestos que forman gases. Estas escorias fundentes no están presentes en GMAW, y esto hace crecer la importancia de limpiar minuciosamente el área de soldadura antes de soldar y entre cada pasada, sobre todo cuando se suelda aluminio; en este caso es preciso aplicar procedimientos minu- ciosos de limpieza química o eliminación mecánica de los óxi- dos metálicos.

Fusión incompleta EL MENOR APORTE de calor característico de la modalidad de GMAW en cortocircuito da como resultado una penetración somera en el metal base. Esto es deseable en materiales de calibre delgado y al soldar fuera de posición, pero si la técnica de soldadura no es la apropiada, el resultado puede ser ma fusión incompleta, sobre todo en el área de la raíz o a lo largo de las caras del surco.

DISCONTINUIDADES DE SOLDADURA ENLOS P~~RRAFOS que siguen se analizan algunas de las discontinuidades de soldadura más comunes que pueden ocurrir con el proceso GMAW.

Socavamiento LAS SIGUIENTES SON posibles causas de un socavamiento, y las medidas que pueden tomarse para corregirlo (véase la figura 4.36):

Posibles causas

Velocidad de desplazamien- to excesiva. Voltaje de soldadura demasiado alto. Corriente de soldadura excesiva. Insuficiente permanencia.

h g u l o de la pistola.

Acciones correctivas

Reducir la velocidad de desplazamiento. Reducir el voltaje.

Reducir la velocidad de ali- mentación del alambre. Prolongar la permanencia en el borde del charco de soldadura. Cambiar el ángulo para que la fuerza del arco ayude a colocar el metal.



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Figura 4.36-Socavamiento en la base de la soldadura

Porosidad LAS QUE SIGUEN son posibles causas de porosidad, y las medidas que pueden tomarse para corregirla:

Posibles causas Acciones correctivas Figura 4.37-Porosidad causada por una cobertura inadecuada con aas Drotector

Cobertura de gas protector insuficiente (véase la figura 4.37)

Contaminación por gas.

Contaminación del electrodo. Contaminación de la pieza de trabajo.

Excesivo voltaje de arco. Tubo de contacto demasiado alejado del trabajo.

Optimizar el flujo de gas. Aumentar el flujo hasta desplazar todo el aire de la zona de soldadura. Reducir el flujo excesivo para evitar turbulencia y el atrapamiento de aire en la zona de soldadura. Eliminar fugas de las líneas de gas. Elirn- nar comentes de aire (de ventiladores, puertas abier- tas, etc.) que incidan sobre el arco de soldadura. Res- taurar por medio de calen- tadores los reguladores congelados (taponados) cuando se suelda con CO,. Reducir la velocidad de soldadura. Reducir la distancia boquilla-trabajo. Dete- ner la pistola al final de la soldadura hasta que se so- lidifique el metal fundido. Usar gas protector grado soldadura. Usar sólo electrodos l i n pios y secos. Quitar de la superficie de trabajo toda la grasa, atei- te, humedad, orín, pintura y suciedad antes de soldar. Usar un electrodo más desoxidante. Reducir el voltaje. Reducir la extensión.

Fusión incompleta LAS SIGUIENTES SON posibles causas de una fusión incompleta, y las acciones que pueden emprenderse para corregirla:

Posibles causas

Las superficies de la zona de soldadura no están libres de películas o de exceso de óxido.

Insuficiente aporte de calòr.

Charco de soldadura siado grande.

Técnica de soldadura cuada.

dema-

inade-

Diseño incorrecto de las uniones (véase la figura 4.38).


Limpiar todas las caras de los surcos y las superficies de la zona de soldadura, eliminando todas las impurezas de forja antes de soldar. Aumentar la velocidad de alimentación del alambre y el voltaje del arco. Reducir la extensión del electrodo. Minimizar el zigzagueo excesivo a fin de producir un charco más controlable. Aumentar la velocidad de recorrido. Si se usa una técnica de zigzagueo, permanecer mo- mentáneamente en las paredes del surco. Mejorar el acceso a la raíz de las uniones. Mantener el electrodo dirigido hacia el borde delantero del charco. Usar un ángulo de surco suficiente para permitir el acceso al fondo del surco y a



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Posibles causas Acciones correctivas

las paredes con la extensión de electrodo correcta, o usar un surco en ‘‘7 o en “ U . Reducir la velocidad de re- (6) Velocidad de recomdo exce-

siva. comdo.

Penetración incompleta en la unión LAS QUE SIGUEN son posibles causas de una penetración incompleta en las uniones, y las acciones que pueden emprenderse para corregirla:

Posibles causas

(1) Preparación incorrecta de la unión.

(2) Técnica de soldadura incorrecta.


El diseño de la unión debe proveer acceso apropiado al fondo del surco y al mismo tiempo mantener la ex- tensión de electrodo correcta. Reducir la cara de raíz si es excesivamente grande. Aumentar la sepa- ración en la raíz en uniones a tope, y aumentar la profundidad del bisel trasero. Mantener el ángulo del electrodo normal a la superficie del trabajo a fin de lograr penetración máxi- ma. Mantener el arco en el borde delantero del charco.

Figura 4.38-Fusión incompleta debida a un surco anaocto

Fisura 4.39-Penetración incornpieta

(3) Corriente de soldadura insuficiente (véase la figura 4.39). (comente de soldadura).

Aumentar la velocidad de alimentación del alambre

Excesiva perforación por fusión LAS SIGUIENTES SON posibles causas de una excesiva perfora- ción por fusión, y las medidas que pueden tomarse para corregirla:


(1) Excesivo aporte de calor. Reducir la velocidad de ali- mentación del alambre (corriente de soldadura) y el voltaje. Aumentar la velocidad de desplazamiento. Reducir la abertura de raíz.

uniones. Aumentar la dimensión de la cara de la raíz.

(2) Preparación incorrecta de las

Grietas en el metai de soldadura TODAS LAS QUE siguen son posibles causas de que se agriete el metal de soldadura, y sus acciones correctivas:


(1) Diseño incorrecto de las Mantener las dimensiones de surco correctas para que sea posible depositar sufi-

uniones.



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Posibles causas

(2) Razón profÙndidaQanchura de la soldadura demasiado alta (véase la figura 4.40).

(3) Franja de soldadura demasiado pequeña (sobre todo en franjas de filete y de raíz).

(4) Excesivo aporte de calor, que causa demasiado encogimiento y distorsión.

(5 ) Friabilidad en caliente.

( 6 ) Fuerte restricción i -3s miembros de la unión.

Acciones correctivas ciente metal de aporte y sobreponerse a condiciones de restricción. Aumentar el voltaje o reducir la comente, o ambas cosas, a fin de ensanchar la franja de soldadura o reducir la penetración. Reducir la velocidad de desplazamiento para aumentar el área seccional del depósito. Reducir la comente o el voltaje, o ambas cosas. Au- mentar la velocidad de desplazamiento. Usar electrodo con mayor contenido de manganeso (usar arco más corto para minimizar la pérdida de manganeso en el arco). Ajustar el ángulo del surco para que pueda añadirse suficiente metal de aporte. Ajustar la secuencia de pasadas para reducir la res- tricción sobre la soldadura durante el enfriamiento. Cambiar a otro metal de aporte que confiera las ca- racterísticas deseadas. Usar precalentamiento para reducir la magnitud de los esfuerzos residuales

Figura 4.40-Razón profundidad/anchura de la soldadura demasiado alta

Posibles causas Acciones correctivas Ajustar la secuencia de soldadura a fin de reducir las condiciones de restric- ción. Eliminar los cráteres con la técnica de paso hacia atrás.

(7) Enfriamiento rápido en el cráter del extremo de la unión (véase la figura 4.41).

Grietas en la zona térmicamente afectada EL AGRIETAMIENTO DE la zona térmicamente afectada casi siempre está asociado a los aceros endurecibles.


(1) Endurecimiento en la zona térmicamente afectada.

(2) Excesivos esfuerzos residua-

Precalentar para hacer más lenta la tasa de enfriamien- to. Utilizar tratamiento térm- CO para liberación de tensiones. Usar electrodos limpios y

drógeno. gas protector seco. Elimi- nar contaminantes del metal base. Mantener la soldadura a temperaturas elevadas durante varias horas antes de enfriar (la temperatura y el tiempo necesarios para eliminar el hidró- geno varían depen-diendo del tipo de metal base).

les.

( 3 ) Pérdida de ductilidad por hi-

Figura 4.41-Agrietamiento del metal de soldadura en el cráter al final de una soldadura



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LOCALIZACIÓN DE PROBLEMAS LA LOCALIZACIÓN DE problemas en cualquier proceso requiere un conocimiento exhaustivo del equipo y de la función de los diversos componentes, de los materiales que intervienen y del proceso mismo. En el caso de la soldadura por arco de metal y gas ésta es una tarea más complicada que en el de procesos manuales como SMAW y GTAW en virtud de la complejidad del equipo, el número de variables y las interrelaciones de dichas variables.

Por conveniencia, los problemas pueden clasificarse de acuerdo con estas tres categorías: eléctricos, mecánicos y de proceso.

Las tablas 4.16 a 4.18 señalan algunos de los problemas que pueden presentarse e indican cuáles podrían ser sus causas y posibles remedios. Estos son problemas que ocurren durante la operación de soldadura o que impiden la formación de la soldadura, en contraposición con los que se descubren como resultado de inspeccionar el producto final. Los problemas de este último tipo se cubrieron en la sección “Inspección y control de calidad” del presente capítulo.

Tabla 4.1 6 Localización de Drobiemac eléctricos aue Dueden Drecentarce al soldar Dor arco de metal v aac

Problema Posible causa Remedio

Dificultad para iniciar el arco

Alimentación de alambre irregular

Sobrecalentamiento de los cables y retroquemado

No hay control sobre la velocidad de

Arco inestable alimentación del alambre

Falta de alimentación del electrodo

EI alambre avanza pero no fluye gas

EI alambre avanza pero no recibe corriente (no hay arco)

Porosidad en la soldadura

Polaridad equivocada Mala conexión con el trabajo Fluctuaciones en el circuito de potencia Polaridad equivocada Cables demasiado delgados o demasiado largos

Conexiones de cables flojas

Alambres rotos o flojos en el circuito de control Tarjeta de circuitos impresos defectuosa en el

Conexiones de cables flojas Fusible quemado en el circuito de control Fusible quemado en la fuente de potencia Interruptor de gatillo de la pistola defectuoso o

Motor impulsor quemado Falla del solenoide de una válvula de gas Alambres al solenoide de una válvula de gas

Conexión deficiente con la pieza de trabajo

gobernador

terminales rotas

rotos o flojos

Conexiones de cable flojas Bobina o platinos del contactor primario

Terminales de control del contactor rotas Alambres al solenoide de una valvula de gas

defectuoso

rotos o flojos

Verificar la polaridad; invertir las terminales si es necesario Fijar bien la conexión del cable del trabajo Verificar el voltaje de línea Comprobar la polaridad; invertir las terminales si es necesario Verificar los requerimientos de transporte de corriente cambiar o acortar si es necesario Apretar

Revisar y reparar si es necesario Cambiar tarjeta de circuitos impresos

Apretar conexiones Cambiar fusible Cambiar fusible Verificar conexiones, cambiar interruptor

Revisar y cambiar Cambiar Revisar y cambiar si es necesario

Apretar si está suelta; limpiar el trabajo de pintura, orín,

Apretar Reparar o cambiar

Reparar o cambiar Reparar o cambiar

etcétera



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Tabla 4.17 Localización de problemas mecánicos que pueden presentarse al soldar por arco de metal y gas


Alimentación irregular del alambre y retroquemado

EI alambre de electrodo se enrolla en el rodillo impulsor (“nido de pájaro”)

Depósito de soldadura muy oxidado

EI alambre de electrodo deja de avanzar durante la soldadura

Ei alambre avanza pero no fluye gas

Porosidad en la franja de soldadura

EI motor alimentador del alambre funciona pero el alambre no avanza

La pistola soldadora se sobrecalienta

Insuficiente presión de los rodillos impulsores Tubo de contacto taponado o desgastado Alambre de electrodo con dobleces Cable de la pistola enrollado Forro del conducto sucio o desgastado Conducto demasiado largo

Excesiva presión de los rodillos de alimentación Forro del conducto o punta de contacto incorrectos Rodilos impulsores o guías de alambre mal alineados Restricción en la pistola o en su cable

Fugas de airelagua en la pistola y los cables

Flujo de gas protector restringido Presión de rodillos impulsores excesiva o insuficiente Rodillos impulsores del alambre mai alineados o

Forro o tubo de contacto taponado EI cilindro de gas está vacío La válvula del cilindro de gas está cerrada EI medidor de flujo no está ajustado Restricción en la línea de gas o en la boquilla

desgastados

Falla en el solenoide de una válvula de gas Válvula del cilindro de gas cerrada Insuficiente flujo de gas protector

Fugas en las lineas de suministro del gas (incluida

Insuficiente presión de los rodillos impulsores Rodillos alimentadores de alambre incorrectos

la pistola)

Presión excesiva sobre el freno dei carrete de alambre Restricción en el forro del conducto o en la pistola Forro o tubo de contacto incorrecto

Linea de refrigerante estrangulada o taponada Nivel de refrigerante bajo en el depósito de la bomba La bomba de agua no funciona correctamente

Ajustar Limpiar o reemplazar Recortar, cambiar de carrete Enderezar cables, colgar el alimentador de alambre Limpiar o reemplazar Acortar o usar sistema de impulso de empuje-tracción Ajustar Usar forro y punta de contacto del tamaño correspondiente

Revisar y alinear debidamente Quitar la restricción Comprobar que no haya fugas y reparar o reemplazar

si es necesario Revisar y limpiar la boquilla Ajustar Alinear y/o reemplazar Limpiar o reemplazar

al electrodo

Reemplazar y purgar las lineas antes de soldar Abrir válvula del cilindro Ajustar hasta obtener el flujo especificado en el procedimiento Revisar y limpiar Reparar o reemplazar Abrir la válvula Comprobar que no haya restricciones en la línea de gas o

Comprobar que no haya fugas (sobre todo en las

Ajustar Usar rodillos impulsores diseñados para el tamaño y tipo

de alambre empleado Reducir la presión del freno Revisar el forro y la punta de contacto Limpiar y/o reemplazar Revisar y reemplazar con componentes del tamaño

Revisar y corregir Revisar y agregar refrigerante si es necesario Revisar y reparar o reemplazar

en la boquilla; corregir

conexiones); corregir

correcto



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Tabla 4.18 Localización de problemas de proceso que pueden presentarse al soldar por arco de metal y gas


Arco inestable Depósito de soldadura muy

oxidado

Porosidad en la franja de soldadura

EI alambre del electrodo se embota en la pieza de trabajo

Exceso de salpicaduras

La pistola soldadora se sobrecalienta

Área de soldadura sucia Ángulo de la pistola incorrecto Distancia boquilla-trabajo excesiva Corrientes de aire Tubo de contacto no centrado en la boquilla de gas Material base sucio Velocidad de alimentación del alambre excesiva Humedad en el gas protector Electrodo contaminado

Velocidad de alimentación del alambre excesiva Voltaje de arco demasiado bajo Se fijó una pendiente excesiva en la fuente de potencia

Voltaje de arco excesivo Se fijó una pendiente insuficiente en la fuente de potencia

Tubo de contacto demasiado retraído en la boquilla Tasa de flujo de gas excesiva Amperaje demasiado alto para la pistola

(para transferencia en cortocircuito)

(para transferencia en cortocircuito)

Limpiar para eliminar incrustaciones, orín, etcétera

Usar ángulo de ataque o arrastre de unos 15" Reducir. Debe estar entre 13 y 19 mm (1/2 y 1/4 pulg) Proteger de las corrientes el área de soldadura Centrar el tubo de contacto Limpiar para eliminar incrustaciones, orín, etcétera Reducir Cambiar cilindro de gas Mantener protegido el alambre durante el uso. Limpiar el

Reducir la velocidad Aumentar el voltaje Restablecer para reducir la pendiente

alambre antes de que entre en el alimentador

Reducir el voltaje Ajustar hacia arriba la pendiente

Ajustar o cambiar por uno más largo Reducir el flujo Reducir el amperaje o cambiar a pistola de mayor capacidad

PRÁCTICAS SEGURAS

INTRODUCCIÓN LA SEGURIDAD EN la soldadura, el corte y procesos afines se trata en ANSI 249.1, Seguridad alsoldar y cortar,' y en ANSI 249.2, Prevención de incendios durante el empleo de procesos de soldadura y corte.2

El personal debe estar familiarizado con las prácticas seguras que se describen en estos documentos.

En la soldadura y el corte por arco hay ciertas áreas de peligro potencial (incluidos humos, gases, energía radiante, ruido, manejo de cilindros y reguladores y choque eléctrico) que ameritan consideración. En este capítulo se describirán brevemente aquellas áreas que pueden estar asociadas al proceso GMAW.

1. ANSI 249.1 puede obtenerse de la Amencan Welding Society, 550 N. W. LeJeune Road, Miami, 33135. 2. ANSI 249.2puedeobtenesedelAmencanNational Standardshstitute, 1430 Broadway, Nueva York, NY 10018.

MANEJO SEGURO DE CILINDROS DE GAS Y REGULADORES LOS CILINDROS DE gas comprimido deben manejarse con cuidado y fijarse firmemente cuando estén almacenados o en uso. Los golpes, las caídas y el mal trato pueden dañar los cilindros, las válvulas y los tapones de fusibles, y causar fugas o un accidente. Si se cuenta con tapas para proteger las válvulas, hay que mantenerlas en su lugar (apretadas a mano) a menos que se conecte un regulador al cilindro. (Véase el folleto P- 1 de la CGA, Manejo seguro de cilindros de gas conzprimido).'

Se recomienda tomar las siguientes precauciones al instalar y usar los cilindros de gas protector:

(1) Asegurar debidamente el cilindro. (2) Antes de conectar un regulador a la válvula del cilindro,

se debe abrir y cerrar momentáneamente la válvula para dejar

3. CGA P-1 puede obtenerse de la Compressed Gas Association, Inc., 500 Fifth Avenue, Nueva York, 10036.



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escapar una cantidad muy pequeña de gas, a fin de despejar cualquier polvo o suciedad que pueda haber en la válvula y que de otra manera podría introducirse en el regulador. El operador de la válvula deberá pararse a un lado de los manómetros del regulador, nunca frente a ellos.

(3) Una vez conectado el regulador, el tomillo de ajuste de la presión deberá soltarse dándole vuelta en sentido antihorario (contrario al del giro de las manecillas del reloj). A continuación se deberá abrir la válvula del cilindro con lentitud para evitar la entrada repentina de gas a alta presión en el regulador. Luego se dará vuelta al tomillo de ajuste en sentido horario hasta obtener la presión correcta.

(4) Cuando no se esté usando, la fuente del suministro de gas (en este caso, ia válvula del cilindro) deberá cerrarse, y el tomillo de ajuste se deberá soltar.

GASES LOS PRINCIPALES GASES tóxicos asociados al proceso GMAW son el ozono, el dióxido de nitrógeno y el monóxido de carbono. También puede estar presente gas fosgeno como resultado de la descomposición térmica o por luz ultravioleta de agentes limpiadores con base en hidrocarburos clorados que se encuentren en las inmediaciones de las operaciones de soldadura. Dos de estos solventes son el tricloroetileno y el percloroetileno. Las operaciones de desengrasado y limpieza en que intervengan hidrocarburos clorados deberán efectuarse en sitios donde los vapores de estas operaciones no queden expuestos a la radiación del arco de soldadura.

Ozono LA LUZ ULTRAVIOLETA que emite el arco de GMAW actua sobre el oxígeno de ia atmósfera circundante para producir ozono. La cantidad de ozono que se produzca dependerá de ia intensidad y longitud de onda de ia energía ultravioleta, de la humedad, de la acción filtradora de las emisiones de la soldadura y de otros factores. En general, la concentración de ozono aumenta ai incrementarse la corriente de soldadura, al usar argón como gas protector y al soldar metales muy reflejantes. Si no es posible reducir el ozono a un nivel seguro mediante ventilación o variaciones del proceso, será necesario suministrar aire fresco ai soldador ya sea con un respirador conectado a un tanque de aire o por otros medios.

Dióxido de nitrógeno LOS RESULTADOS DE algunas pruebas indican que sólo hay concentraciones elevadas de dióxido de nitrógeno a una distancia de 150 mm (6 pulg) del arco o menos. La ventilación natural normal rápidamente reduce estas concentraciones a niveles seguros en la zona de respiración dei soldador, siempre que éste mantenga ia cabeza fuera de la nubecilla de emisiones (y por tanto fuera de la nubecilla de gases generados por la soldadura). EI dióxido de nitrógeno no se considera un peligro durante GMAW.

Monóxido de carbono EL CALOR DEL arco disocia el escudo de dióxido de carbono que se emplea con el proceso GMAW, con ia formación de monó- xido de carbono. El proceso de soldadura sólo crea cantidades pequeñas de dióxido de carbono, pero se pueden generar tempo- ralmente concentraciones relativamente elevadas en la nubecilla de emisiones. El monóxido de carbono caliente se oxida a dióxi- do de carbono, así que las concentraciones dei primero se reducen a niveles insignificantes a distancias de más de 75 o 100 mm (3 o 4 pulg) de la nubecilla de emisiones.

En condiciones de soldadura normales, esta fuente de monó- xido de carbono no deberá representar un peligro. Si el soldador se ve obligado a colocarse encima del arco, o si la ventilación natural lleva la nubecilla de emisiones hacia su zona de respira- ción, o si se suelda en un espacio encerrado, se deberá suministrar ventilación suficiente para desviar la nubecilla o eliminar íos humos y gases (véase ANSI 249.1, Seguridad al soldar y cortar).

VAPORES METÁLICOS LAS EMISIONES GENERADAS por el proceso GMAW pueden controlarse mediante ventilación general, ventilación de escape local o equipo protector respiratorio, como se describe en ANSI 249.1. El método de ventilación requerido para mantener el nivel de sustancias tóxicas en ia zona de respiración dei soldador por debajo de las concentraciones de umbral depende directamente de varios factores, entre los que están el material que se suelda, el tamaño dei área de trabajo y el grado de encerramiento u obstrucción del movimiento natural del aire en el lugar donde se está soldando. Es preciso evaluar cada operación en forma individual para determinar lo que se requiere.

La American Conference of Governmental Industrial Hygie- nists (ACGIH) y la Occupational Safety and Health Administra- tion (OSHA) de Estados Unidos ha establecido los niveles aceptables de exposición a sustancias asociadas a la soldadura, designándolos como valores límite de umbral (TLV) promedio ponderados en el tiempo y como valores máximos permitidos. EI cumplimiento con estos niveles de exposición aceptables puede verificarse muestreando la atmósfera dentro de la careta del soldador o en las inmediaciones de su zona de respiración. EI muestre0 debe realizarse de acuerdo con ANSYAWS Fl.1, Método para niuestrear particulados aéreos generados por soldadura y procesos relacionados.

ENERGíA RADIANTE LA ENERGIA RADIANTE total producida por el proceso GMAW puede ser más alta que la generada por SMAW, en virtud de ia mayor energía de su arco, la menor producción de humos y el hecho de que el arco está más expuesto. En general, la energía radiante ultravioleta de máxima intensidad se produce cuando se emplea argón como gas protector y cuando se suelda aluminio.

Las sombras de filtro de vidrio recomendados en A N S I 249.1 para GMAW se presentan como una guía en la tabla 4.19. La mejor sombra para una aplicación puede determinarse seleccionando primero una sombra muy oscuro. Si es difícil ver bien la



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Tabla 4.19 Tonos de filtro de vidrio sugeridos para GMAW Corriente de Número de tono Núm. de tono soldadura, A mínimo cómodo Menos de 60 7 9

60-1 60 10 11 160-250 10 12 250-500 10 14

operación, se debe seleccionar sombras sucesivamente más cla- ras hasta que sea posible ver la operación con la claridad suficiente para tener un buen control. Sin embargo, nunca debe esco- gerse un número de sombra más clara que la recomendada, en

Para GMAW se recomienda ropa de cuero o de lana oscura (para reducir los reflejos que podrían causar quemaduras de

su caso.

ultravioleta en la cara y el cuello debajo de la careta). La radia- ción ultravioleta de alta intensidad puede desintegrar con rapidez la ropa de algodón.

RUIDO; PROTECCIÓN DEL OiDO EL PERSONAL DEBE protegerse contra ia exposición al ruido generado por los procesos de soldadura y corte de acuerdo con el párrafo 1910.95 ?Exposición ocupacional al ruido? de la Occupational Safety and Health Administration del Departa- mento del Trabajo de Estados Unidos.

CHOQUE ELÉCTRICO LOS VOLTAJES DE h e a que se a h e n t a n a las fuentes de potencia y equipo auxiliar empleados en GMAW van de 110 a 575 volts. Los soldadores y el personal de servicio deben tomar medidas para no entrar en contacto con estos voltajes. Véanse las precauciones descritas en ANSI 249.1, Seguridad al soldar y cortar.

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SOLDADURA POR ARCO I

CON NUCLEO DE FUNDENTE

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Fundamentos del proceso 1 58

Equipo 162

Materiales 168

Control del proceso 175

Diseños de uniones y procedimientos de soldadura 181


Seguridad 1 90 ~~



G. C. Barnes, Presidente Alloy Rods

K. E. Banks Teledyne McKay

J. E. Hinkle Consultor

G. H. MacShane Consultor

M. T. Merlo Tri-Mark Incorporated

L. Soisson Welding Consultants, Incorporated

MIEMBRO DEL COMITÉ DEL MANUAL DE SOLDADURA: R. M. Walkosak Westinghouse Electric Corporation



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SOLDADURAPOR I

ARCOCONNUCLEQ DE FUNDENTE FUNDAMENTOS DEL PROCESO LA SOLDADURA POR arco con núcleo de fundente cfrux: cored arc welding, FCAW) es un proceso de soldadura por arco que aprovecha un arco entre un electrodo continuo de metal de aporte y el charco de soldadura. Este proceso se emplea con protección de un fundente contenido dentro del electrodo tubular, con o sin un escudo adicional de gas de procedencia externa, y sin aplica- ción de presión.

EI electrodo con núcleo de fundente es un electrodo tubular de metal de aporte compuesto que consiste en una funda metálica y un núcleo con diversos materiales pulverizados. Durante la soldadura, se produce un manto de escoria abundante sobre la superficie de la franja de soldadura.

Ei aspecto que distingue al proceso FCAW de otros procesos de soldadura por arco es la inclusión de ingredientes fundentes dentro de un electrodo de alimentación continua. Las nota- bles características de operación del proceso y las propiedades de la soldadura resultante se pueden atribuir al empleo de este tipo de electrodo.

Este capítulo no trata los electrodos con núcleo de metal, porque los polvos del núcleo apenas producen “islas” de escoria en la superficie de la franja de soldadura; por tanto, no se ajustan a ia definición de los electrodos con núcleo de fundente. Los electrodos con núcleo metálico se tratan en el capítulo 4.

EI proceso FCAW tiene dos variaciones principales que difieren en su método de protección del arco y del charco de soldadura contra la contaminación por gases atmosféricos (oxígeno y nitrógeno). IJna de ellas, la FCAW con autoprotección, protege el metal fundido mediante la descomposición y vaporización del núcleo de fundente en el calor del arco. EI otro tipo, la FCAW con escudo de gas, utiliza un flujo de gas protector además de la acción del núcleo de fundente. En ambos métodos, el material del núcleo del electrodo proporciona una cubierta de escoria sustancial que protege el metal de soldadura durante su solidificación.

Los electrodos con núcleo de fundente también se usan en la soldadura electrogás (EGW), un proceso de soldadura de una sola pasada en dirección vertical ascendente que se describe en el capítulo 7.

Normalmente, la soldadura por arco con núcleo de fundente es un proceso semiautomático, aunque también se emplea para soldadura automática y mecanizada.

HISTORIA LOS PROCESOS DE soldadura por arco metálico con escudo de gas se han usado desde principios de la década de 1920. Expenmen- tos realizados en esa época indicaron que las propiedades del metal de soldadura mejoraban significativamente si el arco y el metal de soldadura se protegían contra la contaminación por parte de la atmósfera. Sin embargo, la invención de los electrodos recubiertos a finales de esa década redujo el interés en los métodos con escudo de gas.

No fue sino hasta principios de los años cuarenta, con la intro- ducción y aceptación comercial del proceso de soldadura por arco de tungsteno y gas, que resurgió el interés por los métodos con escudo de gas. Después en esa misma década, se comercia- lizó con éxito el proceso de soldadura por arco de metal y gas. Los principales gases protectores entonces eran argón y helio.

Ciertas investigaciones realizadas sobre soldaduras manuales hechas con electrodo recubierto incluyeron un análisis del gas que se producía al desintegrarse las coberturas de los electrodos. Los resultados de dichos análisis indicaron que el gas predominante en las emisiones de la cobertura era CO,. Este descubri- miento pronto condujo al empleo de CO, como protección en el proceso de arco de metal y gas aplicado a aceros al carbono. Aunque los primeros experimentos con COz como gas protector fracasaron, finaiinente se desarrollaron técnicas que permitían s u LISO. La GMAW con escudo de dióxido de carbono apareció en el mercado a mediados de la década de 1950.

Aproximadamente en la misma época se combinó el escudo de CO, con un electrodo tubular relleno de fundente que resolvía muchos de los problemas que se habían presentado anterionnen- te. Las características de operación se mejoraron mediante la adición de los materiales del núcleo, y se elevó ia calidad de las soldaduras al eliminarse ia contatninación por la atmósfera. El



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S O L D A D U R A P O R A R C O C O N N Ú C L E O D E F U N D E N T E 159

proceso se presentó al público en la Exposición de la AWS efectuada en Buffalo, Nueva York, en mayo de 1954. Los electrodos y el equipo se refinaron y aparecieron prácticamente en su forma actual en 1957.

El proceso se está mejorando continuamente. Las fuentes de potencia y los alimentadores de alambre se han simplificado mucho y son más confiables que sus predecesores. Las nuevas pistolas son ligeras y resistentes. Los electrodos se mejoran día con día. Entre los avances más recientes están los electrodo de aleación y de diámetro pequeño [hasta 0.9 m (0.035 pulg)].

CARACTERkTICAS PRINCIPALES LOS BENEFICIOS DE FCAW se obtienen al combinarse tres carac- terísticas generales:

(1) La productividad de la soldadura de alambre continuo. (2) Las cualidades metahírgicas que pueden derivarse de un

(3) Una escoria que sustenta y moldea la franja de soldadura. fundente.

El proceso FCAW combina características de la soldadura por arco de metal protegido (SMAW), la soldadura por arco de metal y gas (GMAW) y la soldadura por arco sumergido (SAW).

En las figuras 5.1 y 5.2 se muestran los elementos del proceso FCAW, así como las características que distinguen las dos variaciones principales [la versión con escudo de gas (figura 5.1) y con autoprotección (figura 5.2)]. En ambas figuras se destaca la

fusión y deposición de metal de aporte y fundente, junto con la formación de una cubierta de escoria sobre el metal de soldadura.

En el método con escudo de gas (figura 5. i), el gas protector (por lo regular dióxido de carbono o una mezcla de argón y dióxido de carbono) protege el metal fundido del oxígeno y el nitrógeno del aire al formar una envoltura alrededor del arco y sobre el charco de soldadura. Casi nunca es necesario desnitrificar el metal de soldadura porque el nitrógeno del aire queda prácticamente excluido. Es posible, empero, que se genere cierta cantidad de oxígeno por la disociación de CO, para formar monóxido de carbono y oxígeno. Las composiciones de los electrodos incluyen desoxidantes que se combinan con cantidades pequeñas de oxígeno en el escudo de gas.

En el método con autoprotección que se muestra en la figura 5.2, la protección se obtiene a partir de ingredientes vaporizados del fundente que desplazan el aire y por la escoria que cubre las gotas de metal derretido y el charco de soldadura durante la ope- ración. La producción de CO, y la introducción de agentes desoxidantes y desnitrurantes que proceden de ingredientes del fundente justo en la superficie del charco de soldadura explican por qué los electrodos con autoprotección pueden tolerar comentes de aire más fuertes que los electrodos con escudo de gas. Es por esto que la FCAW con autoprotección es el método preferido para trabajo en el campo como el que se muestra en la figura 5.3.

Una característica de ciertos electrodos con autoprotección es el empleo de extensiones de electrodo largas. La extensión del electrodo es el tramo de electrodo no fundido que se extiende más aiiá del extremo del tubo de contacto durante la soldadura.

'I ' BOQUILLA DEL GAS

GUíA DEL ALAMBRE Y TUBO DE CONTACTO

I ,GAS PROTECTOR

FUNDENTE Y MATERIALES FORMADORES DE ESCORIA

DADURA SOLIDIFICADO FERENCIA

DE METAL

Figura 5.1-Soldadura por arco con núcleo de fundente protegida con gas



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160 S O L D A D U R A P O R A R C O C O N N Ú C L E O D E F U N D E N T E

ELECTRODO TUBULAR f GUíA DELALAMBRE Y TUBO DE CONTACTO

METAL EN POLVO, MATERIALES GENERADORES DE VAPORES, DESOXIDANTES Y AGENTES LIMPIADORES ESCORIA SOLIDI

ESCUDO DEL ARCO FORMADO POR COMPUESTOS VAPORIZADOS Y GENERADORES DE ESCORIA

Y TRANSFERENCIA DE METAL

Figura 5.2-Soldadura por arco con núcleo de fundente y autoprotección

En general se usan extensiones de 19 a 95 mm (0.5 a 3.75 pulg) con los electrodos autoprotegidos, dependiendo de la aplicación.

AI incrementarse la extensión del electrodo aumenta el calentamiento por resistencia del electrodo. Esto precalienta el electrodo y reduce la caída de voltaje a través del arco. AI mismo tiempo, la corriente de soldadura baja, con la consecuente reduc- ción en el calor disponible para fundir el metal base. La franja de soldadura que resulta es angosta y poco profunda, lo que hace al proceso ideal para soldar materiales de calibre delgado y para salvar huecos causados por un embonamiento deficiente. Si se mantiene la longitud (voltaje) del arco y la comente de soldadura (subiendo el voltaje en la fuente de potencia e incrementando la velocidad de alimentación del electrodo), el aumento en la exten- sión del electrodo elevará la tasa de deposición.

Con ciertos tipos de electrodos con iiúcleo de fundente y autoprotección, la polaridad recomendable es CCEN (polaridad directa), ya que produce menor penetración en el metal base. Esto hace posible usar con éxito electrodos de diámetro pequefio [de 0.8 min (0.030 pulg), 0.9 i i m (0.035 pulg) y 1.2 min (0.045 pulg)] para soldar materiales de calibre delgado. Se han desarre llado electrodos autoprotegidos especificamente para soldar los aceros recubiertos de cinc y aluininizados que se usan coinun- mente en la actualidad para fabricar automóviles.

En contraste, el método con escudo de gas es apropiado para la producción de soldaduras angostas y penetrantes. Se usan extensiones de electrodo cortas y corrientes de soldadura elevadas con alambres de todos los diámetros. Las soldaduras de filete hechas por FCAW son inás angostas y de garganta mas profunda

que las producidas con SMAW. EI principio de extensión del electrodo no puede aplicarse al método con escudo de gas porque una extensión grande afecta adversamente la protección.

APLICACIONES PRINCIPALES LAS APLICACIONES DE las dos variantes del proceso FCAW se traslapan, pero las características específicas de cada una las hacen apropiadas para diferentes condiciones de operación. EI proceso se emplea para soldar aceros al carbono y de baja aleación, aceros inoxidables y hierros colados. También sirve para soldar por puntos uniones traslapadas en láminas y placas, así como para revestimiento y deposición de superficies duras.

EI tipo de FCAW que se use dependerá del tipo de electrodos de que se disponga, los requisitos de propiedades mecánicas de las uniones soldadas y los diseños y embonamiento de las uniones. Eii general, el método autoprotegido puede usarse en aplicaciones que normalmente se unen mediante soldadura por arco de metal protegido. EI método con escudo de gas puede servir para algunas aplicaciones que se unen con el proceso de soldadura por arco de metal y gas. Es preciso comparar las ventajas y desventajas del proceso FCAW con las de esos otros procesos cuando se evalúa para una aplicación específica.

En muchas aplicaciones, el principal atractivo de la soldadura por arco con núcleo de fuiidente, en comparación con la de arco de metal protegido, es la mayor productividad. Esto generalmeii- te se traduce en costos globales más bajos por kilogramo de metal depositado en iiniories que pemiiteri la soldadura continua



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Figura 5.3-Soldadura por arco con núcleo de fundente y autoprotección en una aplicación de campo

y están fácilmente accesibles para la pistola y el equipo de FCAW. Las ventajas consisten en tasas de deposición elevadas, factores de operación altos y mayores eficiencias de deposición (no se desechan “colillas” de electrodo).

La FCAW tiene amplia aplicación en trabajos de fabricación en taller, mentenimiento y construcción en el campo. Se ha usado para soldar ensambles que se ajustan ai Código de calderas y recipientes de presión de la ASME, a las reglas del American Bureau of Shipping y a ANSI/AWS D1.l, Código de soldadura estructural - Acero. La FCAW tiene categoría de proceso precalificado en ANSI/AWS D1.l.

Se han usado electrodos de acero inoxidable con núcleo defundente, autoprotegidos y con escudo de gas, para trabajos

de fabricación en general, recubrimiento, unión de metales disímiles, mantenimiento y reparación.

Las desventajas más importantes, en comparación con el proceso SMAW, son el mayor costo del equipo, la relativa complejidad de la configuración y control de éste, y la restricción en cuanto a la distancia de operación respecto al alimentador $el electrodo de alambre. El proceso puede generar grandes vol& menes de emisiones de soldadura que requieren equipo de escape apropiado, excepto en aplicaciones de campo. En com- paración con el proceso GMAW, libre de escoria, la necesidad de eliminar la escoria entre una pasada y otra reperesenta un costo de mano de obra adicional. Esta eliminación es necesaria sobre todo en las pasadas de raíz.



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EQUIPO

EQUIPO SEMI AUTOMÁTICO COMO SE MUESTRA en ia figura 5.4, el equipo básico para ia soldadura por arco con núcleo de fundente autoprotegida y con escudo de gas es similar. La principal diferencia radica en el suministro y regulación del gas para el arco en la variante con escudo de gas. La fuente de potencia recomendada es la de cc de voltaje constante, similar a las que se usan para soldadura por arco de metal y gas. Esta fuente deberá ser capaz de trabajar en el nivel de comente máximo requerido para la aplicación espe- cífica. La mayor parte de las aplicaciones semiautomáticas usa menos de 500 A. El control de voltaje deberá poderse ajustar en incrementos de un volt o menos. También se usan fuentes de

potencia de cc de comente constante con la suficiente capacidad y controles y alimentadores de alambre apropiados, pero estas aplicaciones son poco comunes.

El propósito del control de alimentación del alambre es suministrar el electrodo continuo al arco de soldadura con una velocidad constante previamente establecida. La rapidez de alimentación del electrodo determina el amperaje de soldadura suministrado por una fuente de potencia de voltaje constante. Si se modifica esta rapidez, la máquina soldadora se ajustará auto- máticamente para mantener el voltaje de arco preestablecido. La velocidad de alimentación del electrodo se puede controlar por medios mecánicos o electrónicos.

FUENTE DE POTENCIA DE CORRIENTE CONTINUAY

VOLTAJE CONSTANTE I I

A LA VÁLVULA DE SOLENOIDE I

\ I CONTROL DE VOLTAJE

L

SUMINISTRO DE GAS PROTECTOR

NOTA: SÓLO SE USA ESCUDO DE GAS CON LOS ELECTRODOS CON NÚCLEO DE FUNDENTE QUE LO REQUIEREN

~

Figura 5.4-Equipo típico para soldadura por arco con núcleo de fundente semiautomática



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Este proceso requiere rodillos impulsores que no aplanen ni distorsionen de alguna otra manera el electrodo tubular. Se emplean diversos rodillos con superficies ranuradas y moletea- das para adelantar el electrodo. Algunos alimentadores de alambre tienen sólo un par de rodillos impulsores, mientras que otros cuentan con dos pares en los que por lo menos uno de los rodillos de cada par está conectado a un motor. Si todos los rodillos están motorizados, el alambre se podrá adelantar ejerciendo menos presión con los rodillos.

En las figuras 5.5 y 5.6 se muestran pistolas típicas para soldadura semiautomática. Están diseñadas de modo que se sos- tengan cómodamente, sean fáciles de manipular y duren largo tiempo. Las pistolas establecen un contacto interno con el electrodo a fin de conducir la comente de soldadura. La comente y la alimentación del electrodo se accionan con un interruptor montado en la pistola.

Las pistolas soldadoras pueden enfriarse con aire o con agua. Se prefieren las pistolas enfriadas por aire porque no hay necesidad de un suministro de agua, pero las enfriadas por agua son más compactas y ligeras, y requieren menos manteniiniento que las enfriadas por aire. Además, suelen tener especificaciones de

corriente más altas, que pueden llegar a 600 A con ciclo de trabajo continuo. Las pistolas pueden tener boquillas rectas o curvas. El ángulo de la boquilla curva puede variar de 40" a 60". En algunas aplicaciones, la boquilla curva ofrece mayor flexibilidad y facilidad de manipulación del electrodo.

Algunos electrodos autoprotegidos con núcleo de fundente requieren una extensión de electrodo mínima específica para proveer una protección adecuada. Las pistolas que usan estos electrodos generalmente cuentan con tubos guía provistos de una extensión aislada que sustenta el electrodo y asegura que se extenderá al menos una distancia minima. Los detalles de una boquilla de electrodo autoprotegido, incluido el tubo guia aislado, se ilustran en la figura 5.7.

EQUIPO AUTOMÁTICO LA FIGURA 5.8 muestra la disposición del equipo en una instala- ción de soldadura por arco con núcleo de fundente automática. Para este tipo de operación se recomienda una fuente de potencia de cc de voltaje constante diseñada para un ciclo de trabajo del

CABLE DE POTENCIA TIPO CONDUCTO

Figura 5.5-Pistola para soldadura semiautomática por arco con núcleo de fundente y autoprotección



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CABLE DE POTENCIA

TUBO DE

[CoNTACTo/, CÁMARA ENFRIADA POR AGUA

BOQUILLA DEL GAS

CABLE DE POTENCIA, ENTRADA DEL GAS, ENTRADA Y SALIDA DE AGUA

.C-- ENTRADA DE AGUA - SALIDA DE AGUA INTERRUPTOR

LAS FLECHAS INDICAN

a GAS

ESCUDO PARA LA MANO- \ \ \

Figura 5.&Pistolas típicas para soldadura por arco con núcleo de fundente con escudo de gas



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I JE BOQUILLA AISLADA t

EXTENSIÓN DEL ELECTRODO

ELECTRODO CON NÚCLEO DE FUNDENTE u

TRABAJO

Fiaura 5.7-Boauilla de electrodo autoproteaido

100%. El tamaño de la fuente de potencia está determinado por la comente que requiere el trabajo por realizar. Como pueden ser necesarios electrodos grandes, tasas de alimentación de electrodo elevadas y tiempos de soldadura prolongados, los alimentadores de electrodo por fuerza tienen motores impulsores de mayor capacidad y componentes para trabajo más pesado que en equipo similar para operación semiautomática.

En la figura 5.9 se muestran dos unidades de boquilla típicas para soldadura por arco con núcleo de fundente automática con escudo de gas. Las boquillas pueden diseñarse de modo que formen un escudo lateral o concéntrico alrededor del electrodo. El escudo lateral permite soldar en surcos angostos y profundos y minimiza la acumulación de salpicaduras en la boquilla. Las unidades de boquilla pueden enfriarse con aire o con agua. En general, se prefieren las boquillas enfriadas por aire para soldar con corrientes de hasta 600 A. Si la comente va a ser mayor, se recomienda usar una boquilla enfriada por agua. Es posible usar pistolas soldadoras en tándem con el fin de lograr tasas de deposición más altas con electrodos protegidos por gas, como se muestra en la figura 5.10.

En trabajos de recubrimiento a gran escala, se puede aumentar la productividad empleando equipo automático oscilante con múltiples electrodos. Estas instalaciones pueden incluir un ma-

nipulador montado sobre rieles que sostiene una cabeza soldadora oscilante de múltiples electrodos con alimentadores de electrodo individuales y un rodillo giratorio motorizado también montado en rieles, además de fuente de potencia, controles electrónicos y sistema de suministro de electrodo. La figura 5.1 1 ilustra los detalles de la operación de un sistema oscilante de seis electrodos con autoprotección para recubrir el casco de un tanque con acero inoxidable.

EXTRACTORES DE HUMOS EN VISTA DE los requisitos de seguridad y salubridad para controlar la contaminación del aire, varios fabricantes han intro- ducido pistolas soldadoras equipadas con extractores de humos integrados. El extractor por lo regular consiste en una boquilla de escape que rodea a la boquilla de la pistola. Se puede adaptar a las pistolas con escudo de gas y con autoprotección. La boquilla está conectada mediante ductos a una lata con filtros (canis- ter) y a una bomba de extracción. La abertura de la boquilla para extracción de humos está situada detrás de la parte superior de la boquilla de la pistola a una distancia suficiente para captar las emisiones que se desprenden del arco sin perturbar el flujo de gas protector.

La ventaja principal de este sistema de extracción de emisiones es que siempre está cerca del origen de las emisiones sin importar dónde se use la pistola soldadora. En cambio, un extractor de humos portátil casi nunca puede colocarse tan cerca del origen de las emisiones, además de que se requiere una reubica- ción de la campana extractora cada vez que hay un cambio significativo en el lugar donde se suelda.

Una desventaja del sistema de extracción de emisiones es que el aumento en el peso y el volumen del equipo hacen a la soldadura semiautomática más bromosa para el soldador. Si no se instalan correctamente y se les da el mantenimiento debido, los extractores de humos pueden causar problemas de soldadura al perturbar el escudo de gas. En un área de soldadura bien ventilada, tal vez no sea necesaria una combinación de extractor de humos-pistola soldadora.

EQUIPO PARA PROTECCIÓN CON GAS AL IGUAL QUE los electrodos de GMAW, los de FCAW con escudo de gas requieren un gas protector además del fundente interno. Esto implica un suministro de gas, un regulador de presión, un dispositivo para medir el flujo y las mangueras y conectores necesarios. Los gases protectores provienen de cilindros, grupos de cilindros conectados con múltiples, o de tanques de gran volumen que se conectan mediante tuberías a estaciones de soldadura individuales. Los reguladores y medidores de flujo sirven para controlar la presión y las tasas de flujo. Como los reguladores pueden congelarse cuando se extrae CO, gaseoso rápidamente de los tanques de almacenamiento, se debe contar con calefactores a fin de evitar esa complicación. Se requieren gases con pureza de grado soldadura porque cantidades pequeñas de humedad pueden producir porosidad o absor- ción de hidrógeno en el metal de soldadura. El punto de rocío de los gases protectores debe estar por debajo de -4OOC (-40°F).



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166 S O L D A D U R A P O R A R C O C O N N U C L E O D E F U N D E N T E

FUENTE DE POTENCIA DE CORRIENTE CONTINUA Y VOLTAJE CONSTANTE

1 VOLTíN AMPER

I,ETRO Y IMETRO CONTROL SUMINISTRO DE

DEVOLTAJE

CONTROL DE G O T E C T o R CONTROL DE

ALIMENTACIÓN DE ELECTRODO

L

I CARRETEDE ALAMBRE

CABLE DE POTENCIA DEL ELECTRODO

I

I

i DEGAS I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I l I

>SALIDA DE GAS I

TUBO GUíA Y TUBO DE CONTACTO

l-7 U NOTA: SÓLO SE USA GAS PROTECTOR

PIEZA DE TRABAJO

Figura 5.û-Equipo típico para soldadura por arco con núcleo de fundente automática



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S O L D A D U R A P O R A R C O C O N N U C L E O D E F U N D E N T E 167

A

f l O

t TERMINAL DE POT EN C IA

JCIRCULANTE

TERMINAL DE POTENCIA I

UNIDAD DE BOQUILLA ENFRIADA POR AIRE PARA ESCUDO LATERAL

U- u - ELECTRODO

UNIDAD DE BOQUILLA ENFRIADA POR AIRE PARA ESCUDO CONCENTRIC0

/ELECTRODO

Figura 5.9-Unidades de boquilla típicas para FCAW automática con escudo de gas

- DIRECCIÓN DE SOLDADURA

Figura 5.10-Soldadura por arco automática en tándem con dos electrodos con núcleo de fundente

protegidos con gas



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Figura 5.1 1-Instalación típica de recubrimiento con zigzagueo múltiple

MATERIALES

GASES PROTECTORES

Dióxido de carbono EL DIÓXIDO DE carbono (CO,) es el gas protector mas utilizado para soldadura por arco con núcleo de fundente. Dos ventajas de este gas son su bajo costo y la penetraciónprofunda que permite lograr. Aunque habitualmente produce una transferencia de metal globular, algunas formulaciones de fundente producen una transferencia tipo rocio en CO,.

El dióxido de carbono es relativamente inactivo a temperatura ambiente. Cuando el arco de soldadura lo calienta a temperaturas elevadas, el CO, se disocia para formar monóxido de carbono (CO) y oxígeno (O), según la ecuación química

2c0 , - 2 c o + o, (5.1)

Así pues, la atmósfera del arco contiene una buena cantidad de oxígeno que puede reaccionar con elementos del metal fundido. La tendencia oxidante del CO, como gas protector se ha recono-



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cido al desarrollar electrodos con núcleo de fundente. Se agregan materiales desoxidantes al núcleo del electrodo a fin de compensar el efecto oxidante del CO,.

Además, el hierro fundido reacciona con CO, para producir óxido de hierro y monóxido de carbono en una reacción rever- sible:

Fe + CO, Fe0 + CO (5.2)

A temperaturas de rojo vivo, parte del monóxido de carbono se disocia para dar carbono y oxígeno:

2 c o e 2 C + O , (5.3)

El efecto de la protección con CO, sobre el contenido de carbono de aceros dulces y de baja aleación es único. Depen- diendo del contenido de carbono original del metal base y del electrodo, la atmósfera de CO, se puede comportar como medio carburizante o descarburizante. Que el contenido de carbono del metal de soldadura aumente o disminuya dependerá del carbono presente en el electrodo y en el metal base. Si el contenido de carbono del metal de soldadura está por debajo del 0.05%, aproximadamente, el charco de soldadura tenderá a absorber carbono de la atmósfera protectora de CO,. En cambio, si el contenido de carbono del metal de soldadura es mayor que el O. lo%, es posible que el charco de soldadura pierda carbono. La pérdida de carbono se atribuye a la formación de monóxido de carbono a causa de las características oxidantes del escudo de CO, a temperaturas elevadas.

Cuando ocurre esta reacción, el monóxido de carbono puede quedar atrapado en el metal de soldadura como porosidad. Esta tendencia se minimiza incluyendo una cantidad adecuada de elementos desoxidantes en el núcleo del electrodo. EI oxígeno reaccionará con los elementos desoxidantes en lugar de hacerlo con el carbono del acero. Los productos de esa reacción serán óxidos sólidos que flotarán a la superficie del charco de soldadura, donde se incorporarán a la cubierta de escoria.

Mezclas de gases LAS MEZCLAS DE gases empleadas en la soldadura por arco con núcleo de fundente pueden combinar las ventajas individuales de dos o más gases. Cuanto mayor sea el porcentaje de gas inerte en las mezclas con CO, u oxígeno, mayor será la eficiencia de transferencia de los desoxidantes contenidos en el núcleo. EI argón puede proteger el charco de soldadura a todas las temperaturas a las que se suelda. Su presencia en cantidades suficientes en una mezcla de gas protector da como resultado menor oxida- ción que con un escudo de CO, al 100%.

La mezcla de uso más común en FCAW con escudo de gas consiste en 75% de argón y 25% de dióxido de carbono. EI metal de soldadura depositado con esta mezcla suele tener mayor resistencia a la tensión y al vencimiento que el depositado con escudo de CO, puro. Si se suelda con esta mezcla, se logra un arco con transferencia tipo rocío. La mezcla Ar-CO, se usa principalmente para soldar fuera de posición; es más atractiva para el operador y produce un arco con mejores características que el CO, puro.

El empleo de mezclas de gases protectores con un alto porcentaje de gas inerte junto con electrodos diseñados para usarse con escudo de CO, puede causar una acumulación excesiva de manganeso, silicio y otros elementos desoxidantes en el metal de soldadura. Este alto contenido de elementos de aleación en la soldadura alterará las propiedades mecánicas del metal. Por esta razón, se recomienda consultar con los fabricantes de electrodos para averiguar qué propiedades mecánicas tiene el metal de soldadura depositado con mezclas de gas protector específicas. Si no hay información disponible, hay que realizar pruebas con el fin de determinar las propiedades mecánicas para la aplicación de que se trate.

Las mezclas de gases con alto contenido de argón, como 95 % de argón, 5 % de O,, casi nunca se usan con electrodos con núcleo de fundente porque se pierde la cubierta de escoria.

METALES BASE SOLDADOS LA MAYOR PARTE de los aceros que se puede soldar con los procesos SMAW, GMAW o SAW se sueldan fácilmente empleando el proceso FCAW. Como ejemplos se pueden mencio- nar los siguientes aceros:

(1) Grados de acero dulce, estructural y de recipiente de presión, como ASTM A36, A5 15 y A5 16.

(2) Grados de alta resistencia mecánica, baja aleación, como ASTM A440, A441, A572 y A588.

(3) Aceros de aleación de alta resistencia mecánica, extinguidos y templados, como ASTM A514, A517 y A533.

(4) Aceros al cromo-molibdeno, como 1.25% Cr-0.5% Mo y 2.25% Cr-i% Mo.

(5) Aceros inoxidables forjados resistentes a la corrosión, como los tipos AIS1 304,309,3 16,347,410,430 y 502; también aceros inoxidables colados como los tipos AC1 CF3 yCF8.

(6) Aceros al níquel, como AST A203. (7) Aceros de aleación resistentes a la abrasión, cuando se

sueldan con metal de aporte que tiene una resistencia al vencimiento menor que la del acero que se suelda.

ELECTRODOS LA SOLDADURA POR arco con núcleo de fundente debe buena parte de su flexibilidad a la amplia variedad de ingredientes que se puede incluir en el núcleo de un electrodo tubular. El electrodo por lo regular consiste en una funda de acero de bajo carbono o de aleación que rodea un núcleo de materiales fundentes y de aleación. La composición del núcleo de fundente vana de acuerdo con la clasificación del electrodo y con el fabricante.

La mayor parte de los electrodos con núcleo de fundente se fabrica haciendo pasar una tira de acero por una serie de rodillos que la moldean hasta que adquiere una sección transversal en forma de ?U?. La tira moldeada se rellena con una cantidad medida de material de núcleo (aleaciones y fundente) en forma granular y posteriormente se cierra mediante rodillos que la redondean y que comprimen con fuerza el material del núcleo. A continuación, el tubo redondo se hace pasar por troqueles o rodillos de estiramiento que reducen su diámetro y comprimen todavia más el núcleo. El proceso de estiramiento continúa hasta que el electrodo alcanza su tamafio final y luego se enrolla en



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carretes o en bobinas. También se usan otros métodos de fabri- cación.

En general, los fabricantes consideran la composición precisa de sus electrodos con núcleo como un secreto industrial. Si se seleccionan los ingredientes de núcleo correctos (en combina- ción con la composición de la funda), es posible lograr lo siguiente:

(1) Producir características de soldadura que van desde altas tasas de deposición en la posición plana hasta fusión y forma de franja de soldadura apropiadas en la posición cenital.

(2) Producir electrodos para diversas mezclas de gases protectores y para autoprotección.

(3) Variar el contenido de elementos de aleación del metal de soldadura, desde acero dulce con ciertos electrodos hasta acero inoxidable de alta aleación con otros.

Las funciones primarias de los ingredientes del núcleo de fundente son las siguientes:

(1) Conferir al metal de soldadura ciertas propiedades mecá- nicas, metalúrgicas y de resistencia a la corrosión mediante un ajuste de la composición química.

(2) Promover la integridad del metal de soldadura protegien- do el metal fundido del oxígeno y el nitrógeno del aire.

(3) Extraer impurezas del metal fundido mediante reacciones con el fundente

(4) Producir una cubierta de escoria que proteja el metal del aire durante la solidificación y que controle la forma y el aspecto

de la franja de soldadura en las diferentes posiciones para las que es apropiado el electrodo.

(5) Estabilizar el arco proporcionándole un camino eléctrico uniforme, para asi reducir las salpicaduras y facilitar la deposi- ción de franjas lisas, uniformes y del tamaño correcto.

En la tabla 5.1 se da una lista con la mayor parte de los elementos que suelen incluirse en el núcleo de fundente, sus fuentes y los fines para los que se usan.

En los aceros dulces y de baja aleación es preciso mantener una proporción correcta de desoxidantes y desnitrificantes (en el caso de los electrodos con autoprotección) a fin de obtener un depósito de soldadura íntegro con ductilidad y tenacidad suficientes. Los desoxidantes, como el silicio y el manganeso, se combinan con oxígeno para formar óxidos estables. Esto ayuda a controlar la pérdida de elementos de aleación por oxidación, y la formación de monóxido de carbono que de permanecer cau- saría porosidad. Los desnitrificantes, como el aluminio, se combinan con el nitrógeno y lo fijan en forma de nitruros estables. Esto evita la porosidad por nitrógeno y la formación de otros nitruros que podrian ser perjudiciales.

CLASIFICACIONES DE LOS ELECTRODOS Electrodos de acero dulce LA MAYOR PARTE de los electrodos de acero dulce para FCAW se clasifica de acuerdo con los requisitos de la última edición de ANSIIAWS A5.20, Especificación para electrodos de acero al

~~~ ~~~

Tabla 5.1 Elementos que comúnmente se incluyen en el núcleo de los electrodos con núcleo de fundente

Elemento Habitualmente presente como Propósito al soldar Aluminio Calcio Carbono Cromo

Hierro

Manganeso

Moli bdeno

Níquel

Potasio

Silicio

Sodio

Titanio

Zirconio Vanadio

Polvo metálico Minerales como fluorospato (CaF,) y piedra caliza (CaCO,) Elemento de ferroaleaciones como el ferromanganeso Ferroaleación o polvo metálico

Ferroaleaciones y polvo de hierro

Ferroaleación como el ferromanganeso o como polvo metálico

Ferroaleación

Polvo metálico

Minerales como feldespatos con contenido de potasio y silicatos de fritas Ferroaleación como ferrosilicio o silicomanganeso; silicatos minerales como los feldespatos Minerales como feldespatos con contenido de sodio y silicatos de fritas Ferroaleación como ferrotitanio; en mineral, rutilo

Oxido o polvo metálico Oxido o polvo metálico

Desoxidar y desnitrificar Proveer protección y formar escoria Aumentar ia dureza y la resistencia mecánica Alearse a fin de mejorar la resistencia a la plastodeformación, la

dureza, la resistencia mecánica y la resistencia a la corrosión Matriz de aleación en depósitos con base de hierro, aleación en depósitos con base de níquel o de otro metal no ferroso Desoxidar; evitar la friabilidad en caliente al combinarse con

azufre para formar MnS; aumentar la dureza y ia resistencia mecánica; formar escoria

Alearse para aumentar la dureza y la resistencia mecánica, y en aceros inoxidables austeníticos para incrementar ia resistencia a la corrosión del tipo de picaduras

Alearse para mejorar la dureza, la resistencia mecánica, ia tenacidad y la resistencia a la corrosión

Estabilizar el arco y formar escoria

Desoxidar y formar escoria

Estabilizar el arco y formar escoria

Desoxidar y desnitrificar; formar escoria; estabilizar el carbono en algunos aceros inoxidables

Desoxidar y desnitrificar; formar escoria Aumentar la resistencia mecánica



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DESIGNA UN ELECTRODO.

INDICA LA RESISTENCIA A LA TENSIÓN MíNIMA DEL METAL DE SOLDADURA DEPOSITADO EN UNA PRUEBA DE SOLDADURA REALIZADA CON EL ELECTRODO EN CONDICIONES ESPECIFICADAS.

INDICA LA POSICION DE SOLDADURA PRIMARIA PARA LA QUE SE DISENO EL ELECTRODO: O - POSICIONES PIANA Y HORIZONTAL 1 - TODAS LAS POSICIONES

E X X T - X

INDICA LAS CAPACIDADES DE USO Y RENDIMIENTO.

INDICA UN ELECTRODO CON NÚCLEO DE FUNDENTE.

Figura 5.12-Sistema de identificación para electrodos de acero dulce para FCAW

carbono destinados a soldadura por arco con núcleo de fundente. El sistema de identificación sigue el patrón general de clasi- ficación de electrodos y se ilustra en la figura 5.12. Puede explicarse considerando una designación típica, E70T- 1.

El prefijo “ E indica un electrodo, al igual que en otros sistemas de clasificación de electrodos. El primer número se refiere a la resistencia mínima a la tensión antes de cualquier tratamiento postsoldadura, en unidades de 10 O00 psi. En el presente ejemplo, el número “7” indica que el electrodo tiene una resistencia a la tensión mínima de 72 O00 psi. EI segundo número indica las posiciones de soldadura para las que está diseñado el electrodo. En este caso el cero significa que el electrodo está diseñado para soldaduras de surco y de filete planas y en la posición horizontal.

Algunas clasificaciones pueden ser apropiadas para soldar en la posición vertical o en la cenital, o en ambas. En tales casos, se usaría “1” en vez de “O” para indicar el uso en todas las posiciones. La letra “ T indica que el electrodo tiene construc- ción tubular (electrodo con núcleo de fundente). El número sufijo (“1” en este ejemplo) coloca al electrodo en un grupo específico de acuerdo con la composición química del metal de soldadura depositado, el método de protección y la idoneidad del electrodo para soldaduras de una o varias pasadas. La tabla 5.2 explica el significado del último dígito de las designaciones para FCAW.

Los electrodos de acero dulce para FCAW se clasifican teniendo en cuenta si proveen autoprotección o requieren dióxi- do de carbono como gas protector aparte, el tipo de corriente y si sirven o no para soldar fuera de posición. La clasificación también especifica si el electrodo se usa para aplicar una sola pasada o varias, y la composición química y las propiedades del metal de soldadura depositado antes de cualquier tratamiento. Los electrodos se diseñan de modo que produzcan metales de

soldadura con ciertas composiciones quimicas y propiedades mecánicas cuando la soldadura y las pruebas se realizan de acuerdo con los requisitos de la especificación.

Los electrodos se producen en tamaños estándar con diáme- tros desde 1.2 hasta 4.0 mm (0.045 a 5/32 pulg), aunque puede haber tamaños especiales. Las propiedades de soldadura pueden variar apreciablemente dependiendo del tamaño del electrodo, el amperaje de soldadura, el espesor de las placas, la geometria de la unión, las temperaturas de precalentamiento y entre pasadas, las condiciones de las superficies, la composición del metal base y la forma de combinarse con el metal depositado, y el gas

Tabla 5.2 Requerimientos de protección y polaridad para electro-

dos de FCAW de acero dulce

Clasificación de la AWS

EXXT-1 (múltiples pasadas) EXXT-2 (pasada Única) EXXT-3 (pasada Única) EXTT-4 (múltiples pasadas) EXTT-5 (múltiples pasadas) EXTT-6 (múltiples pasadas) EXTT-7 (múltiples pasadas) EXTT-8 (múltiples pasadas) EXXT-10 (pasada Única) EXTT-11 (múltiples pasadas) EXTT-G (múltiples pasadas) EXXT-GS (pasada Única)

Medio protector externo

CO2 CO2

CO2

Ninguno Ninguno

Ninguno Ninguno Ninguno Ninguno Ninguno

t

t

Corriente y Dolaridad

cc, electrodo positivo cc, electrodo positivo cc, electrodo positivo cc, electrodo positivo cc, electrodo positivo cc, electrodo positivo cc, electrodo positivo cc, electrodo positivo cc, electrodo positivo cc, electrodo positivo

Según Io convenido entre el proveedor y el usuario.



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protector (si se requiere). Muchos electrodos se diseñan primordialmente para soldar en las posiciones plana y horizontal, pero pueden ser apropiados para otras posiciones si se escoge la comente de soldadura y el tamaño de electrodo correctos. Algu- nos electrodos con diámetros menores que 2.4 mm (3/32 pulg) pueden servir para soldar fuera de posición si se usa una comente de soldadura baja dentro del intervalo recomendado por el fabricante.

En ANSI/AWS A5.20 se designan 12 diferentes clasificaciones de electrodos de acero dulce para FCAW. A continuación mencionaremos sus descripciones y usos propuestos.

EXXT-1. Los electrodos del grupo T-1 están diseñados para usarse con CO, como gas protector y con comente CCEP, pero también se emplean mezclas de argón y CO, a fin de ampliar su intervalo de aplicación, sobre todo al soldar fuera de posición. Si se reduce la proporción de CO, en la mezcla de argón-CO,, aumentará el contenido de manganeso y silicio en el depósito y posiblemente mejorarán las propiedades de impacto. Estos electrodos se diseñan para soldadura de una o varias pasadas. Los electrodos T- 1 se caracterizan por tener transferencia por asper- sión, bajas pérdidas por salpicaduras, configuración de franja plana o ligeramente convexa y volumen de escoria moderado que cubre por completo la franja de soldadura.

EXXT-2. Los electrodos de esta clasificación se usan con CCEP. Son en esencia electrodos T-1 con mayor contenido de manganeso o de silicio, o de ambos, y se diseñan primordialmente para soldaduras de una pasada en la posición plana y para filetes horizontales. El mayor contenido de desoxidantes de estos electrodos permiten soldar con una sola pasada sobre acero con incrustaciones o bordes. Los electrodos T-2 que usan manganeso como principal agente desoxidante confieren buenas propiedades mecánicas en aplicaciones tanto de una como de varias pasadas; sin embargo, el contenido de manganeso y la resistencia a la tensión serán más elevados en las aplicaciones de múltiples pasadas. Estos electrodos pueden servir para soldar materiales cuyas superficies tienen mayor cantidad de incrustaciones, orín u otros materiales extraños que lo que normalmente toleran algunos electrodos de la clasificación T-1, y aun así producir soldaduras con calidad radiográfica. Las caracteristicas del arco y las tasas de deposición son similares a las de los electrodos T- I .

EXXT-3. Los electrodos de esta clasificación proveen auto- protección, se usan con CCEP y tienen transferencia por asper- sión. EI sistema de escoria está diseñado para producir condiciones en las que es posible soldar a muy alta velocidad. Los electrodos se usan para soldar con una sola pasada en las posiciones plana, horizontal y cuesta abajo (con pendiente de hasta 20") en piezas laminares de hasta 4.8 inm (3/16 pulg) de espesor. No se recomiendan para soldar materiales más gruesos, ni para soldaduras de múltiples pasadas.

EXXT-4. Los electrodos de la clasificación T-4 proveen auto- protección, trabajan con CCEP y tienen transferencia globular. El sistema de escoria está diseñado para establecer condiciones en las que la tasa de deposición sea alta y el metal de soldadura

se desulfurice hasta un nivel bajo, lo que hace al depósito resistente al agrietamiento. Estos electrodos están diseñados para penetración somera, adaptables a uniones con embonamiento deficiente y soldadura de una o varias pasadas en las posiciones plana y horizontal.

EXXT-5. Los electrodos del grupo T-5 están diseñados para usarse con escudo de CO, (pueden usarse con mezclas de argón- CO,, al igual que los del grupo T-1) para soldar con una o varias pasadas en la posición plana o en filetes horizontales. Estos electrodos se caracterizan por una transferencia globular, configuraciones de franja ligeramente convexas y una escoria delgada que tal vez no cubra por completo la franja de soldadura. Los depósitos producidos por electrodos de este grupo mejoran en cuanto a su resistencia al impacto y al agrietamiento, en compa- ración con los tipos de rutilo (EXXT-1 y EXXT-2).

EXXT-6. Los electrodos de la clasificación T-6 proveen auto- protección, trabajan con CCEP y tienen transferencia por asper- sión. El sistema de escoria está diseñado para conferir excelentes propiedades de resistencia al impacto a bajas temperaturas, lograr penetración profunda y facilitar sobremanera la eliminación de escoria al soldar en surcos profundos. Estos electrodos sirven para soldar con una o varias pasadas en las posiciones plana y horizontal.

EXXT-7. Los electrodos de la clasificación T-7 proveen auto- protección y trabajan con CCEN. El sistema de escoria está diseñado para crear condiciones en las que pueden usarse electrodos grandes para obtener altas tasas de deposición y electrodos pequeños para soldar en todas las posiciones. El sistema de escoria también está diseñado para desulfurizar casi por comple- to el metal de soldadura, lo que aumenta su resistencia ai agrietamiento. Los electrodos sirven para soldar con una o varias pasadas.

EXXT-8. Los electrodos de la clasificación T-8 proveen auto- protección y trabajan con CCEN. El sistema de escoria tiene características que permiten soldar en todas las posiciones con estos electrodos; además, confiere al metal de soldadura buenas propiedades de impacto a bajas temperaturas y lo desulfuriza hasta un nivel bajo, io que ayuda a hacerlo resistente al agrietamiento. Estos electrodos se usan en aplicaciones tanto de una como de vanas pasadas.

EXXT-1 O. Los electrodos de la clasificación T- IO proveen autoprotección y trabajan con CCEN. EI sistema de escoria tiene caracteristicas que permiten soldar a alta velocidad. Los electre dos sirven para hacer soldaduras de una sola pasada en materiales de cualquier espesor en las posiciones plana, horizontal y cuesta abajo (hasta 20").

EXXT-11. Los electrodos de la clasificación T-1 1 proveen autoprotección y trabajan con CCEN, y producen un arco uniforme tipo rocio. EI sistema de escoria permite soldar en todas las posiciones y con velocidades de recorrido altas. Se trata de electrodos de propósito general para soldar con una o varias pasadas en todas ias posiciones.



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S O L D A D U R A P O R A R C O CON N Ú C L E O DE F U N D E N T E 173

EXXT-G. La clasificación EXXT-G se usa para electrodos de múltiples pasadas nuevos que no están cubiertos por ninguna de las clasificaciones ya definidas. El sistema de escoria, las caracteristicas del arco, el aspecto de la soldadura y la polaridad no están definidas.

EXXT-GS. La clasificación EXXT-GS se usa para electrodos nuevos de una sola pasada que no están cubiertos por ninguna de las clasificaciones ya definidas. El sistema de escoria, las caracteristicas del arco, el aspecto de la soldadura y la polaridad no están definidas.

Electrodos de acero de baja aleación EN EL MERCADO están disponibles electrodos con núcleo de fundente para soldar aceros de baja aleación. Se describen y clasifican en la edición más reciente de ANSIIAWS A5.29, Especificación para electrodos de acero de baja aleación destinados a soldadura por arco con núcleo de fundente. Los electrodos están diseñados para producir metales de soldadura depositados con composición química y propiedades mecánicas similares a las que se obtienen con electrodos de SMAW de acero de baja aleación. Generalmente se usan para soldar aceros de baja aleación con composición química similar. Algunas clasificaciones de electrodos están diseñadas para soldar en

todas las posiciones, pero otras están limitadas a las posiciones plana y de filete horizontal. Como en el caso de los electrodos de acero dulce, hay un sistema de identificación que la AWS usa para describir las distintas clasificaciones. La figura 5.13 ilustra los componentes de dichas designaciones.

ANSIIAWS A5.29 da cinco clasificaciones diferentes de electrodos de acero de baja aleación para FCAW. A continua- ción se resumen sus descripciones y los usos a los que se destinan.

EXXT1-X. Los electrodos del grupo T1-X están diseñados para usarse con escudo de CO, , pero si el fabricante lo recomienda es posible usar mezclas de argón y CO, para ampliar la aplicabilidad, sobre todo al soldar fuera de posición. Estos electrodos están diseñados para soldadura de una o varias pasadas, y se caracterizan por tener transferencia por aspersión, bajas pérdidas por salpicaduras, configuraciones de franja planas o ligeramente convexas y un volumen moderado de escoria que cubre por completo la franja de soldadura.

EXXT4-X. Los electrodos de la clasificación T4-X proveen autoprotección, trabajan con CCEP y tienen transferencia globular. El sistema de escoria está diseñado para crear condiciones de tasa de deposición alta y para desulfurizar el metal de solda-

DESIGNA UN ELECTRODO.

INDICA LA RESISTENCIA A LA TENSIÓN MíNIMA DEL METAL

ESPECIFICADAS.

INDICA I$,POSICIÓN DE SOLDADURA PRIMARIA PARA LAQUE SE DISENO EL ELECTRODO:

I I I O - POSICIONES PLANA Y HORIZONTAL 1 - TODAS LAS POSICIONES

DESIGNA LA COMPOSICIÓN QUiMICA DEL METAL DE SOLDA- 111 E X X T X - X

DURA DEPOSITADO. NO SIEMPRE SE IDENTIFICAN LAS COM- POSICIONES QUíMICAS ESPECIFICAS CON PROPIEDADES MECÁNICAS ESPECiFICAS. LA ESPECIFICACION OBLIGA AL

PIADAS PARA UN ELECTRODO EN PARTICULAR DENTRO DE FABRICANTE A INCLUIR LAS PROPIEDADES MECANICAS APRO-

UNA CLASIF!CACION. ASI, POR EJEMPLO, E80T5-Ni3 ES UNA DESIGNACION COMPLETA; EXXT5-Ni3 NO ES UNA CLASIFICA- CION COMPLETA.

INDICA LAS CAPACIDADES DE USO Y RENDIMIENTO.

INDICA UN ELECTRODO CON NUCLEO DE FUNDENTE

Figura 5.13-Sistema de identificación para electrodos de acero de baja aleación para FCAW



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dura hasta un nivel bajo, lo que mejora la resistencia al agrietamiento del depósito. Estos electrodos están diseñados para pe- netración somera, lo que permite usarlos en uniones con embonamiento deficiente y para soldar con una o varias pasadas en las posiciones plana u horizontal.

EXXTBX. Los electrodos del grupo T5-X están diseñados para usarse con CCEP y escudo de CO, (se puede usar mezclas argón-CO, si el fabricante lo recomienda, como con los tipos T1) para soldar con una o varias pasadas en la posición plana o en filetes horizontales. Ciertos electrodos T5-X están diseñados para soldar fuera de posición con CCEN y mezclas de argón- CO,. Estos electrodos se caracterizan por una transferencia globular, configuración de franja ligeramente convexa y capa de escoria delgada, que tal vez no cubra por completo la franja. Los depósitos de soldadura producidos por electrodos de este grupo mejoran en cuanto a sus propiedades de resistencia al impacto y al agrietamiento, en comparación con los tipos T1-X.

EXXT-8X. Los electrodos de la clasificación T8-X proveen autoprotección y trabajan con CCEN. El sistema de escoria tiene características que permiten usar estos electrodos en todas las posiciones; además, confiere al metal de soldadura buenas propiedades de resistencia al impacto a bajas temperaturas y lo desulfuriza casi por completo, lo que mejora la resistencia al agrietamiento. Los electrodos se usan para soldar con una o varias pasadas.

EXXTX-G. La clasificación EXXTX-G corresponde a electrodos nuevos de múltiples pasadas que no están cubiertos por ninguna de las clasificaciones ya definidas. El sistema de escoria, las características del arco, la apariencia de la soldadura y la polaridad no están definidas.

La mayor parte de los electrodos de acero de baja aleación para FCAW se diseña para soldar con escudo de gas empleando una formulación de núcleo de fundente -TI-X o -T5-X1 y CO, como gas protector. No obstante, cada vez es más común el empleo de formulaciones especiales diseñadas para protección con mezclas de 75% de argón y 25% de CO,. Generalmente producen metal de soldadura con resistencia al impacto Charpy de muesca en V de 27 J (20 pies-lb) a - 18°C (0°F) o menos. Hay unos cuantos electrodos de acero al níquel con formulaciones -T4-X o -T8-X disponibles para FCAW con autoprotección.

En cuanto a los requisitos de resistencia al impacto Charpy de muesca en “V”, el metal de soldadura depositado con la formulación -T4 generalmente llega a 275 (20 pies-lb) a -18°C (0°F). El metal de soldadura depositado con electrodos -T8 generalmente llega a 27J (20 pies-lb) a -29°C (-20°F). En la edición más reciente de la especificación ANSI/AWS AS.29, Especificacióii para electrodos de acero de bajo aleocióii des- tiizados a soldadura por arco coli niícleo de fiiliderite, se describe una serie completa de electrodos de baja aleación con nucleo de fundente comparable con los diversos electrodos de baja alea- ción para soldadura por arco de metal protegido descritos eii ANSIIAWS A5.5, Especificacióii para electrodos cle ocero de baja aleación cubiertospara soldodim por arco. Como consecuencia de la publicación de la especificación AS.29, los elec-

1 . Si desea uiia explicación de las desigiacioiies de iiucleo de fiiiideiite, coiisulte la edición más reciente de ANSl/AWS AS. 29, Espccr/icnciórr par-n ciccrr-odos de acero de boja aleación destinados a soidadirra por arco con niícleo dc

trodos de baja aleación con núcleo de fundente han logrado tener amplia aceptación para la soldadura de aceros de baja aleación y elevada resistencia mecánica.

Electrodos para recubrimiento SE PRODUCENELECTRODOS con núcleo de fundente para ciertos tipos de aplicaciones de recubrimiento, como la restauración de componentes de servicio y la creación de superficies duras. Estos electrodos ofrecen muchas de las ventajas de los electrodos empleados para unir, pero no hay tanta estandarización de la composición química ni de las características de rendimiento del metal de soldadura. Se recomienda consultar la literatura de los diversos fabricantes para conocer los detalles de los electrodos con núcleo de fundente para recubrimiento.

Los electrodos para recubimiento depositan aleaciones con base de hierro que pueden ser ferriticas, martensiticas o austení- ticas. También pueden depositar metal con alto contenido de carburos. El diseño de los electrodos se varía a fin de producir superficies con resistencia a la corrosión, resistencia al desgaste, tenacidad o propiedades antirozaduras. Estos electrodos pueden servir para restaurar las dimensiones originales de piezas desgastadas.

Electrodos de acero inoxidable EL SISTEMA DE clasificación de íìNSI/AWS A5.22, Especifica- ciones para electrodos de acero al cromo y al cromo-níquel con iziícleo de ficiidente, resistentes a la corrosión prescribe requisitos para los electrodos de acero al cromo y al cromo-níquel con núcleo de fundente, resistentes a la corrosión, mismos que se clasifican con base en la composición química del metal de soldadura depositado y el medio protector que se emplea durante la soldadura. En la tabla 5.3 se identifican las designaciones de protección empleadas para la clasificación y se indican Ias características de corriente y polaridad respectivas.

Los electrodos clasificados como EXXXT- 1 que usan escudo de CO, experimentan pérdidas menores de elementos oxidables y un cierto aumento en el contenido de carbono. Los electrodos de las clasificaciones EXXXT-3, que se usan sin protección externa sufren cierta pérdida de elementos oxidables y una

Tabla 5.3 Designaciones de protección y características de corriente de soldadura para electrodos de acero inoxida-

ble con núcleo de fundente

Designaciones AWSa Medio protector Corriente y (todas las externo polaridad

clasificaciones)

EXXX-1 EXXX-2 EXXX-3 EXXX-G

CO2 CCEPb (polaridad inversa) CCEPb (polaridad inversa)

Ninguno CCEPb (polaridad inversa) No se esDecifiCa

Ar + 2% O

No se esDecifiCa

a. Las clasificaciones se dan en AWS A5.22, Especificaciones para electrodos de acero al cromo y al cromo-níquel con núcleo de fundente, resistentes a la corrosión. Las letras “XXX representan la composición química (tipo AISI), como308,316,410y502.

fundente, dispoiiible de la American Welding Society. b. Corriente continua con el electrodo positivo



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absorción de nitrógeno que puede ser significativa. La comentes de soldadura bajas aunadas a longitudes de arco grandes (voltajes de arco elevados) fomentan la absorción de nitrógeno. El nitrógeno estabiliza la austenita y por tanto puede reducir el contenido de ferrita del metal de soldadura.

Los requisitos de las clasificaciones EXXXT-3 son diferentes de las clasificaciones EXXXT- 1 porque la protección con un sistema de fundente exclusivamente no es tan efectiva como la protección con un sistema de fundente y un gas protector de aplicación independiente. Así pues, los depósitos de EXXXT-3 suelen tener un mayor contenido de nitrógeno que los de EXXXT- 1. Esto significa que, para controlar el contenido de femta del metal de soldadura, la composición quimica de los depósitos de EXXXT-3 debe tener una razón Cr/Ni distinta de la de los depósitos de EXXXT- 1. En contraste con los electrodos de acero dulce o de acero de baja aleación con autoprotección, los electrodos de acero inoxidable EXXXT-3 no suelen contener elementos desnitrurantes fuertes, como el aluminio.

La tecnología de los tipos EXXXT- 1 ha evolucionado a tal punto que ya están disponibles alambres de acero inoxidable con núcleo de fundente para soldar en todas las posiciones. Estos alambres tienen mayores tasas de deposición que los de acero inoxidable sólido cuando se usan fuera de posición; son más fáciles de usar que los alambres sólidos en el modo de transferencia por inmersión; y producen de manera consistente soldaduras íntegras con fuentes de potencia de voltaje constante estándar. Es posible adquirir estos alambres con diámetros tan pequeños como 0.9 mm (0.035 pulg).

Para cada clasificación se especifican las propiedades mecá- nicas del metal de soldadura depositado, incluida una resistencia mínima a la tensión y una ductilidad mínima. También se especifican requisitos de integridad radiográfica.

Aunque las soldaduras efectuadas con electrodos que cumplen con las especificaciones de la AWS se usan ampliamente

en aplicaciones que requieren resistencia a la corrosión o al calor, no resulta práctico exigir pruebas de calificación de los electrodos para estos tipos de resistencia en especímenes de soldaduras o de metal de soldadura. Lo recomendable es establecer pruebas especiales pertinentes para una aplicación propuesta por acuerdo mutuo entre el fabricante de electrodos y el usuario.

Electrodos con base en níquel con núcleo de fundente ENELMOMENTO de escribirse esta obra se estaba redactando una nueva especificación de la AWS, la A5.34, para clasificar los electrodos con base enníquel connúcleo de fundente. Estos electrodos ya han aparecido en el mercado para unas cuantas aleaciones con base de níquel. Sus sistemas de escoria y caracterís- ticas de operación tienen mucho en común con los electrodos de acero inoxidable clasificados por ANSYAWS A5.22. Se recomienda consultar A5.34 tan pronto como se publique, a fin de obtener información adicional útil.

Protección contra ia humedad PARA CASI TODOS los electrodos con núcleo de fundente, la protección contra la absorción de humedad es indispensable. La humedad absorbida puede dejar “huellas de gusano” en la franja de soldadura, o hacerla porosa. Si un electrodo no se va a usar el mismo día, se recomienda guardarlo en el empaque original.

Algunos fabricantes recomiendan reacondicionar el alambre expuesto calentándolo a temperaturas entre 150 y 315°C (300 y 600’F). Esto presupone que el alambre está enrollado en un dispositivo metálico.

CONTROL DEL PROCESO

CORRIENTE DE SOLDADURA LA CORRIENTE DE soldadura es proporcional a la velocidad de alimentación del electrodo para un electrodo con diámetro, composición y extensión específicos. La relación entre la velocidad de alimentación del electrodo y la comente de soldadura para electrodos típicos de acero dulce protegidos con gas, de acero dulce autoprotegidos y de acero inoxidable autoprotegidos se presenta en las figuras 5.14,5.15 y 5.16, respectivamente. Se emplea una fuente de potencia de voltaje constante del tamaño apropiado para fundir el electrodo con una rapidez tal que se mantenga el voltaje de salida (longitud de arco) preestablecido. Si las demás variables de soldadura se mantienen constantes para un electrodo de cierto diámetro, la modificación de la comente de soldadura tendrá los siguientes efectos preponderantes:

(1) Un incremento en la comente eleva la tasa de deposición

(2) Un aumento en la comente aumenta la penetración. (3) Una comente excesiva produce franjas de soldadura

del electrodo.

convexas de aspecto deficiente.

(4) Una comente insuficiente produce transferencia de gota grande y demasiadas salpicaduras.

(5) Una comente insuficiente puede causar una absorción excesiva de nitrógeno y también porosidad del metal de soldadura cuando se suelda con electrodos con núcleo de fundente autoprotegidos.

Cuando se incrementa o reduce la comente de soldadura modificando la velocidad de alimentación del electrodo, conviene ajustar el voltaje de salida de la fuente de potencia de modo que se mantenga la relación óptima entre el voltaje de arco y la corriente. Para una velocidad de alimentación de electrodo dada, la comente de soldadura medida varía con la extensión del electrodo. Al aumentar la extensión del electrodo, la corriente de soldadura se reduce, y viceversa.

VOLTAJE DEL ARCO EL VOLTAJE Y la longitud del arco están íntimamente reiaciona- dos. El voltaje que indica el medidor de la fuente de potencia es ia suma de las caídas de voltaje en todo el circuito de soldadura.



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1 O00

c .- E

5 800 . u) -

B 2 w t-

i 600 n

-0

W

z o s 400 W

-I Q W

z n n 3 200 o W > 9

O

DIAM. DE 1.1 m m (0.045 pulg)

DIAM. DE 2.4 mm

DIAM. DE 2.8 mm

400

350

300

250

2002 E

150

100

50

1 O0 200 300 400 500 600 700 800 CORRIENTE DE SOLDADURA, A

Figura 5.14-Velocidad de alimentación del electrodo contra intervalo de corriente de soldadura para electrodos de acero E70-1 con escudo de CO,

Esto incluye la caída a través del cable de soldadura, la extensión del electrodo, el arco, la pieza de trabajo y el cable conectado al trabajo. Por tanto, el voltaje del arco será proporcional a la lectura del medidor si los demás elementos del circuito (y sus temperaturas) se mantienen constantes.

El voltaje del arco puede afectar el aspecto, la integridad y las propiedades de las soldaduras hechas con electrodos con núcleo de fundente. Un voltaje de arco excesivo (arco demasiado largo) puede producir demasiadas salpicaduras y franjas de soldadura anchas y de forma irregular. Si se usan electrodos autoprotegidos, un voltaje de arco excesivamente alto hará que se absorba demasiado nitrógeno, y si el electrodo es de acero dulce también puede causar porosidad. En los electrodos de acero inoxidable, el voltaje excesivo reduce el contenido de femta del metal de soldadura, y esto a su vez puede causar grietas. Un voltaje de arco insuficiente (arco demasiado corto) produce franjas angostas y convexas con demasiadas salpicaduras y penetración somera.

EXTENSIÓN DEL ELECTRODO EL TRAMO DE electrodo no fundido que sobresale del tubo de contacto al soldar (la extensión del electrodo) se calienta por resistencia en proporción a su longitud, siempre que las demás

variables permanezcan constantes. Como ya se explicó, la temperatura del electrodo afecta la energía del arco, la tasa de de- posición del electrodo y la penetración de la soldadura. También puede influir en la integridad de la soldadura y en la estabilidad del arco.

El efecto de la extensión del electrodo como factor operativo en FCAW introduce una nueva variable que debe mantenerse equilibrada con las condiciones de protección y las variables de soldadura relacionadas. Por ejemplo, la fusión y activación de los ingredientes del núcleo debe ser consistente con la del tubo de contención, y también con las características del arco. Si todo lo demás es igual, una extensión excesiva produce un arco inestable con demasiadas salpicaduras. Una extensión muy corta puede producir un arco demasiado largo a un nivel de voltaje determinado. En el caso de los electrodos con escudo de gas, puede causar una acumulación de salpicaduras en la boquilla que tal vez interfiera con el flujo de gas. Una cobertura de gas protector deficiente puede causar porosidad y oxidación excesiva del metal de soldadura.

La mayoría de los fabricantes recomienda una extensión de 19 a 38 inm (3/4 a 1.5 pulg) para los electrodos con escudo de gas y de 19 a 95 mm (3/4 a 3.75 pulg) para los tipos con auto- protección, dependiendo de la aplicación. Se recomienda consultar con el fabricante para determinar los ajustes óptimos dentro de estos intervalos.



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VELOCIDAD DE DESPLAZAMIENTO FLUJO DE GAS PROTECTOR LA VELOCIDAD DE desplazamiento influye en la penetración y el perfil de la franja de soldadura. Si los demás factores permane- cen constantes, la penetración a velocidades de recorrido bajas es mayor que a velocidades altas. Si la velocidad de desplazamiento es baja y la comente es elevada, el metal de soldadura puede sobrecalentarse y producir una soldadura de aspecto áspero que tal vez atrape escoria mecánicamente, o atravesar de lado a lado el metal base. Si la velocidad de desplazamiento es excesiva, la franja de soldadura tiende a ser irregular y acordo- nada.

SI SE EMPLEAN electrodos con escudo de gas, la tasa de flujo del gas es una variable que afecta la calidad de la soldadura. Un flujo insuficiente no protege bien el charco de soldadura, y el resultado es una soldadura porosa y oxidada. Si el flujo es excesivo puede haber turbulencia y mezcla con el aire; el efecto sobre la calidad de la soldadura será el mismo que el de un flujo insuficiente. Los dos extremos incrementan el contenido de impurezas del metal de soldadura. El flujo de gas correcto depende, principalmente, del tipo y diámetro de la boquilla de la pistola, así como también la distancia entre la boquilla y el trabajo y los

400

350

c .- E - rn - 2 300 O a

+ o 9 250 W -I W n Z *O iJ 200 2 z W ' 150 a

0

z W

a Q:

o ; 100 >

50

O

0 E71T-7, EXTENSIÓN DE 25 rnrn (1 pulg) x E70T-4, EXTENSIÓN DE 70 rnrn (2.75 pulg) 0 E70T-4, EXTENSIÓN DE 95 mrn (3.75 pulg) A E70T-G, EXTENSIÓN DE 32 rnrn (1.25 pulg)

I - / / / 1

/

150

125

100

< E E

75

50

25

O O 200 400 600 800 lo00


Figura 5.1 5-Velocidad de alimentación vs. corriente de soldadura para electrodos de acero dulce con auto protección



--`,,,```-`-`,,`,,`,`,,`---


600

C 500 .- E - o> 3 Q

-

B ; 400 o w -I W

Z

o Z W

J

u]

n

.o 300

2 z a

n a 0

CI 200

o, o w > 100

O

O X

EXTENSION EXTENSION

DE 25 mm (1 pulg) DE 19 mm (3/4 pulg)

DIAM. DE

I I 1 1 I O 100 200 300 400 500 600

CORRIENTE DE SOLDADURA. A

250

200

150

e E E

1 O0

50

O

Figura 5.1 6-Velocidad de alimentación del electrodo contra corriente de soldadura para electrodos E308T-3 con autoprotección

movimientos del aire en las inmediaciones de la operación de soldadura.

TASA Y EFICIENCIA DE DEPOSICIÓN LA TASA DE deposición en cualquier proceso de soldadura es el peso de material depositado en la unidad de tiempo, y depende de variables como el diámetro, la composición y la extensión del electrodo, y la corriente de soldadura. En las figuras 5.17,5. I8 y 5.19 se presenta la variación en ias tasas de deposición con la comente de soldadura para diversos diámetros de, respectivamente, electrodos de acero dulce con escudo de gas, electrodos de acero dulce con autoprotección y electrodos de acero inoxidable con autoprotección.

Las eficiencias de deposición de los electrodos para FCAW variai: entre el 80 y el 90% si se emplea escudo de gas, y entre el 78 y el 87% si los electrodos proveen autoprotección. La

eficiencia de deposición es la razón entre el peso de metal depositado y el peso de electrodo consumido.

ÁNGULO DEL ELECTRODO ELANGULO CONque se sostiene el electrodo durante la soldadura determina la dirección en que la fuerza del arco se aplica al charco de inetal fundido. Si las variables de soldadura se ajustan en los niveles correctos para la aplicación de que se trata, se puede usar ia fuerza del arco para contrarrestar los efectos de la gravedad. En los procesos FCAW y SMAW, la fuerza del arco no sólo sirve para dar a la franja de soldadura la fonna deseada, sino también para evitar que la escoria corra por delante del metal de soldadura y quede atrapada por él.

AI efectuar soldaduras de surco y de filete en la posición plana, la gravedad tiende a hacer que el charco de metal fundido corra por delante de la soldadura. A fin de Contrarrestar esto, el



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25

20

f 0

.o' 15

8 - Q a n w

10 ;5 a l-

5

O

DIAM. DE 11.3

10

8

6 Lz \ 0) Y

4

2

O 1 O0 200 300 400 500 600 700 800


Figura 5.17-Tasa de deposición contra corriente de soldadura para electrodos de acero dulce E70T-1 con escudo de CO,

electrodo se sostiene angulado respecto a la vertical, con la punta apuntando hacia la soldadura, es decir, en dirección opuesta a la dirección de desplazamiento. Este ángulo de desplazamiento, definido como ángulo de arrastre, se mide a partir de una línea vertical en el plano del eje de la soldadura, como se muestra en la figura 5.20 (A).

EI ángulo de arrastre correcto depende del método de FCAW empleado, del espesor del metal base y de la posición de soldadura. Si se usa el método con autoprotección, los ángulos de arrastre deberán ser de la misma magnitud aproximada que los empleados con electrodos para soldadura por arco de metal protegido. En las posiciones plana y horizontal, los ángulos de arrastre variarán entre 20 y 45 grados, aunque se usan ángulos más grandes para soldar secciones delgadas. AI aumentar el espesor del material, el ángulo de arrastre se reduce para incrementar la penetración. Cuando se suelda verticalmente hacia arriba, el ángulo de arrastre deberá ser de 5 a 10 grados.

Con el método de escudo de gas el ángulo de arrastre debe ser pequeño, habitualmente entre 2 y 15 grados, pero nunca de más de 25 grados. Si el ángulo es excesivo, se perderá la efectividad del escudo de gas.

AI hacer soldaduras de filete en la posición horizontal el charco de soldadura tiende a fluir tanto en la dirección del recorrido como en dirección perpendicular a ella. A fin de contrarrestar el flujo lateral, el electrodo deberá apuntar hacia la placa de abajo cerca de la esquina de la unión. Además de su ángulo de arrastre, el electrodo deberá tener un ángulo de trabajo de 40 a 50" respecto al iniembro vertical. La figura 5.20 (B) muestra cuánto debe apartarse el electrodo de la línea que apunta hacia la esquina de la unióii y cuái debe ser el ángulo de trabajo al soldar filetes horizontales.

Ei1 la soldadura vertical hacia arriba, puede usarse un ángulo de ataque (eii la dirección del recorrido) pequeño.



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180 S O L D A D U R A P O R A R C O C O N N U C L E O D E F U N D E N T E

O DIM DE 1.6 mm (1/16 pulg) 0 DIM DE 2.0 mm (5/64 pulg) x DIM DE 2.4 mm (3/32 pulg) 0 DIM DE 3.2 mm (1/8 pulg) A DIM DE 4.0 mm (5/32 pulg)

40

3 5

30

5 2 5

2 20

3

- i -0 o z

n n

2 15

W

w

10

5

O O 200 400 600 800 1 O00


18.0

16

14

12

I O c \ cn Y

8

6

4

2

3

Figura 5.1 &Tasa de deposición contra corriente de soldadura para electrodos de acero dulce con autoprotección



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S O L D A D U R A P O R A R C O C O N N U C L E O D E F U N D E N T E 181

20 a

E308LT-3 EXTENSIÓN

DE 25 mm (I pul@ 15 -

- 2 1 .o 2

- n 8 1 0 - u1

W n - o 2 2

5 - -

8

6

.!= Y

4 k

2

O O 100 200 300 400

CORRIENTE DE SOLDADURA. A

Figura 5.1 %Tasa de deposición contra corriente de soldadura para electrodos de acero inoxidable

E308LT-3 con autoprotección

% 'I (A)

ÁNGULO DE TRABAJO

UN DIÁMETRO DE ELECTRODO

' r 1

Fiaura 5.20-Posiciones del electrodo al soldar

DISEÑOS DE UNIONES Y PROCEDIMIENTOS DE SOLDADURA LOS DISEÑOS DE uniones y los procedimientos de soldadura

apropiados para la soldadura por arco con núcleo de fundente dependerán de si se usa el método con escudo de gas o con autoprotección. No obstante, todos los tipos de unión básicos pueden soldarse con cualquiera de los dos métodos. Todas las formas de surco de soldadura básicas a las que comúnmente se aplica la soldadura por arco de metal protegido se pueden soldar con ambos métodos de FCAW.

Puede haber ciertas diferencias en las dimensiones específi- cas del surco para una unión en particular entre los dos métodos de FCAW y entre los procesos FCAW y SMAW. Dado que las fonnulaciones y las características de uso y de operación de los electrodos de FCAW difieren entre las distintas clasificaciones, los valores de las variables del procedimiento también pueden diferir.



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ELECTRODOS CON ESCUDO DE GAS EN GENERAL, ES posible diseñar las uniones a modo de aprovechar la penetración que se logra con densidades de comente altas. Con el método de FCAW protegido por gas es posible usar surcos más angostos con ángulos de surco más pequeños, aberturas de raiz más estrechas y caras de raiz más grande que lo que resulta práctico con SMAW.

Para los diseños de unión a tope básicos, es prudente considerar los siguientes aspectos:

(1) La unión deberá diseñarse de modo que sea posible mantener una extensión del electrodo constante al soldar pasadas sucesivas en la unión.

(2) La unión deberá diseñarse de modo que la raiz esté accesible y sea posible efectuar con facilidad todas las manipu- laciones del electrodo que sean necesarias.

El ángulo de surco para un espesor de metal está bien diseña- do cuando permite tener el acceso debido con la boquilla de gas y extensión del electrodo correctas. Las boquillas de escudo lateral para soldadura automática ofrecen mejor acceso a uniones angostas y también permiten ángulos de surco más pequeños que las boquillas concéntricas. Si el procedimiento de soldadura es el apropiado, es posible obtener soldaduras íntegras. En la tabla 5.4 se presentan los diseños de unión y procedimientos de soldadura tipicos para soldar por FCAW acero al carbono. La comente de soldadura y el voltaje pueden variar dependiendo de la fuente del electrodo.

Se requiere un escudo de gas apropiado para obtener soldaduras integras. Las tasas de flujo requeridas dependen del tama- ño de la boquilla, de la presencia de corrientes de aire y de la extensión del electrodo. La soldadura en aire estático requiere tasas de flujo del orde de 14 a 19 litros por minuto (30 a 40 pies3/h). Si se suelda en aire en movimiento o si la extensión del electrodo es mayor que la normal, pueden ser necesarias tasas de flujo de hasta 26 L/min (55 pies3/h). Las tasas de flujo para las boquillas con escudo lateral generalmente son las mismas o un poco más altas que aquellas para las boquillas concéntricas. Es importante mantener la abertura de las boquillas libre de salpicaduras adheridas.

Si hay movimientos bruscos del aire en el área de soldadura, como cuando se suelda en exteriores, conviene usar cortinas para encerrar la zona de soldadura y evitar la pérdida de protección del gas.

ELECTRODOS DE ACERO DULCE CON AUTOPROTECCIÓN LOS TIPOS DE uniones básicos apropiados para los procesos de FCAW con escudo de gas y SMAW son también adecuados para FCAW con autoprotección. Aunque la forma general de los surcos de soldadura es similar a la que se usa en la soldadura por arco de metal protegido, las dimensiones especificas del surco pueden diferir. Estas diferencias se deben principalmente a que en la FCAW con autoprotección las tasas de deposición son más altas y la penetración es menos profunda.

La extensión del electrodo introduce otra variable del procedimiento de soldadura que puede influir en el diseño de las uniones. Si se usa una extensión de electrodo larga para realizar soldaduras de surco en la posición plana sin respaldo, es preciso

planear la forma de obtener una buena penetración en la raíz. Lo mejor puede ser soldar la primera pasa& del surco con el proceso SMAW para controlar mejor la fusión y la penetración. De manera similar, en surcos con respaldo, la abertura de raíz debe ser suficiente para que pueda haber fusión completa por transferencia de metal globular.

En la tabla 5.5 se presentan los diseños de unión y procedimientos tipicos para soldar acero al carbono con electrodos autoprotegidos. La comente de soldadura y el voltaje pueden variar entre los diferentes fabricantes para un tamaño y clasifi- cación de electrodo específicos. Dependiendo del espaciado de la unión y de la técnica empleada para soldar la pasada de raíz, puede ser necesario biselar y soldar la parte trasera cuando no se usa tira de respaldo.

Al soldar en la posición plana se usan técnicas similares a las empleadas con electrodos cubiertos bajos en hidrógeno. Al efectuar soldaduras verticales en placas de 19 mm (3/4 pulg) o más de espesor, la pasada de raíz puede depositarse verticalmente hacia abajo en uniones sin respaldo, y hacia amba en uniones con respaldo. Con algunos electrodos autoprotegidos las pasadas de raíz pueden depositarse en cualquier posición sin respaldo. Las pasadas subsecuentes se depositan en posición vertical y en dirección ascendente empleando una técnica similar a la que se usa con electrodos cubiertos bajos en hidrógeno. Como los electrodos de acero dulce y de baja aleación autoprotegidos (pero no los de acero inoxidable autoprotegidos) contienen cantidades considerables de desnitrurantes que pueden tener efectos meta- lúrgicos indeseables si se diluyen en depósitos protegidos con gas, tal vez no sea aconsejable usar electrodos autoprotegidos para la pasada de raiz seguidos de electrodos protegidos con gas para las pasadas de relleno. Antes de intentar un procedimiento así, se deberá consultar con el fabricante de los electrodos para conocer sus recomendaciones.

ELECTRODOS DE ACERO INOXIDABLE AUTOPROTEGIDOS LOS DISEÑOS DE unión y procedimientos tipicos para electrodos de acero inoxidable autoprotegidos se dan en la tabla 5.6. Estos electrodos, en su actual estado de desarrollo, están limitados a la soldadura de uniones a tope en la posición plana, la soldadura de filetes en las posiciones plana y horizontal, y el recubrimiento en las posiciones plana y horizontal. Si es necesario soldar acero inoxidable en cualquier otra posición, se puede usar uno de los nuevos electrodos EXXXT-1 con aplicabilidad a todas las posiciones. En general, la geometria de las uniones para soldaduras a tope debe ser aproximadamente la misma que se usa para soldadura por arco de metal protegido. AI aplicar recubrimientos en aceros al carbono o de baja aleación, hay que tomar precauciones especiales para controlar la dilución durante las pasadas de recubrimiento iniciales.

PREPARACIÓN DE LOS BORDES Y TOLERANCIAS DE EMBONAMIENTO LAPREPARACI~NDE los bordes que se van a soldar con electrodos con núcleo de fundente puede hacerse mediante corte con gas oxicombustible, corte con arco de plasma, biselado con arco de carbono y aire o maquinado, dependiendo del tipo de metal



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Tabla 5.4 Procedimientos típicos de soldadura por arco con núcleo de fundente con escudo de gas para electrodos de

acero al carbono y de baja aleación (tipos E X X T - I )

Velocidad de Espesor, Abertura de Diámetro Potencia de alimentación

T la raiz, R Total de del electrodo soldadura, CCEP del alambre Diseio de la unión Pub mm Pub mm pasadas pulg mm V A pulglmin mm/s

Y P-fl 6 1 18 3 1 5/64 2.0 30 425 275 116

13 114 6 2 3/32 2.4 32 450 195 80

Soldaduras de surco en posición plana (semiautomática) &2Lr+ 114 112

13 O O 2 3/32 2.4 30 480 225 95 25 O O 6 3/32 2.4 32 480 225 95

16 311 6 5 3 3/32 2.4 32 480 225 95 25 311 6 5 6 3/32 2.4 32 480 225 95

25 O O 6 3/32 2.4 32 450 195 80 51 O O 14 3/32 2.4 32 450 195 80

25 O O 4 3/32 2.4 32 450 195 80 51 O O 10 3/32 2.4 32 450 195 80

Soldadura de surco en posición horizontal (semiautomática) 13 118 3 6 5/64 2.0 28 350 175 75 25 118 3 18 5/64 2.0 28 350 175 75

..

Soldaduras de surco en posición vertical (semiautomática) 10 O O 2 1/16 1.6 23 220 165 70 13 O O 3 1/16 1.6 23 220 165 70

& 318 112 W W A

Soldaduras de surco en posición plana (automática) 6 118 3 1 3/32 2.4 30 450 195 83

13 114 6 1 3/32 2.4 30 450 195 83 z-$'?~ 114

112



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Tabla 5.5 Procedimientos típicos de soldadura por arco con núcleo de fundente con autoprotección para electrodos de ace-

ro al carbono y de baja aleación

Diámetro Potencia Velocidad de Extensión

Disfi0 de la las placas, T la raíz electrodo cc del alambre electrodo Espesor de Abertura de ~~~l del de soldadura, alimentación del

de unión pulg mm pulg mm pasadas pulg mm A V(P)a pulg/min mm/s pulg mm

Soldaduras de surco en posición plana (semiautomática) 4 1 3/3T 2.4 300 29+ 150 65 2-314 70

Y8 10 Y8 10 2 1/8c 3.2 500 33+ 200 85 2 4 4 70 $fLf- 0.14 3.4 5/32

13 318 10 3 l/Sc 3.2 500 32+ 200 85 2-314 70 25 318 10 6 l/Sc 3.2 550 36+ 300 125 3-314 95

13 3/32 2 2 3/3T 2.4 350 29+ 190 80 2-314 70 a2 112 3 76 3/32 2 26 118' 3.2 550 36+ 300 125 3-314 95

s* cw1 SMAW

318 10 2 1/ûC 3.2 500 32t 200 85 2-314 70 318 10 7 1/Sc 3.2 550 36+ 300 125 3-314 95

fl b~ 1-114 318 32 10

Soldaduras de surco en posición vertical (semiautomática) 0.105 2.7 118 3 1 5/64d 2.0 250 2 G 110 55 1 25 627 114 6 7/32 5 3 5/64d 2.0 350 25- 230 100 1 25

vnöail dsassndsnie

Soldaduras de surco en posición vertical (semiautomática) 3/32 2 1 1/16d 1.6 150 ia 90 40 1 25

2 1 1/16d 1.6 195 21- 120 50 1 25 @ Wwb 5/16 1 25 8 3/32

'+MAW (/ô pub V e h d ascandanla

10 3/16 5 2 1/16' 1.6 170 19- 105 45 1 25 25 3/16 5 6 5/64' 2.0 190 19- 110 45 1 25

318 1

vernul aacsndmte

10 114 6 1 l / lSd 1.6 170 19- 105 45 1 25 1-112 38 114 6 4 5/64' 2.0 190 19- 110 45 1 25 Y8



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Tabla 5.5 Continúa)


Disefi0 de la las Placas, la raíz electrodo cc del alambre electrodo Espesor de Abertura de Total del de soldadura, alimentación del

de unión pulg mm pulg mm pasadas pulg mm A V(Pp pulglmin mm/s pulg mm

Soldadura de filete en posición vertical (semiautomática) 6 O O 1 1/16d 1.6 130 18 80 35 1 25

2 2 T 5/8 16 O O 1 1/16d 1.6 185 21 108 45 1 25 Vertid ' T ascendente 1-1/2 38 O O 4 1/16d 1.6 190 21 110 45 1 25

J9L ! + 1/4

Soldaduras de surco en posición horizontal (semiautomática) 3/16 5 3 3/32 2.4 300 28+ 150 65 2-314 70

5 16 118' 3.2 400 29+ 160 70 2-314 70 5/16 8

f 1-1/4 32 3/16

Soldaduras de surco en posición horizontal (semiautomática) 314 19 3/32 2 6 3/32 2.4 300 28t 140 60 2-3/4 70

1-1/2 38 3/32 2 12 1/8' 3.2 400 29+ 160 70 2-314 70

2 2 0.105 2.7 O O 1 1116~ 1.6 150 i a io0 40 1 25 'F 3/4 19 O O 6 1/16d 1.6 180 19- 115 50 1 25

Soldaduras de surco y de filete en posición cenital (semiautomática)

Soldarcan CMAW

8 1/16 1.6 2 1116~ 1.6 i50 i a 90 40 1 25 25 1/16 1.6 8 1/16d 1.6 170 19- 105 45 1 25

Soldaduras de filete en posición horizontal (semiautomática) O O 1 5/64d 2.0 235 20- 105 45 1 25

2~ 2 3/16 5 O O 1 3/32d 2.4 335 21- 110 45 1 25 , ,l"n[ , 0.105 2.7

T-----l

6 O O 1 3/32 2.4 325 29t 150 65 1 25 25 O O 5 1/8' 3.2 450 29+ 175 75 2-3/4 70

,& 1/4 1 I. 2 i

Soldaduras en posición plana (semiautomática) 8 O O 1 3/32 2.4 350 301. 190 80 2-3/4 70 'T6 25 O O 4 1/8' 3.2 580 27+ 330 140 3-314 95



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Tabla 5.5 (Continúa)


Diseño de la las placas, la raíz electrodo cc del alambre electrodo de Espesor de Abertura de Total del de soldadura, alimentación del

unión pulg mm pulg mm pasadas pulg mm A V(P)B pulglmin mm/s pulg mm

Soldaduras de surco en posición plana (automática) O O 1 3/32' 2.4 425 26t 160 70 1 25 O O 1 5/32' 4.0 950 27+ 150 65 1-114 32

T Soldaduras de filete en posición horizontal (automática) 0.05 1.2 O O 1 3/32' 2.4 475 26+ 170 70 1 25 311 6 5 O O 1 5/32' 4.0 900 26+ 140 60 1-114 32

0.06 1.5 O O 1 3/32' 2.4 425 26+ 160 70 1 25 311 6 5 O O 1 5/32' 4.0 875 27+ 130 55 1-114 32

a. (p)-Polaridad: +electrodo positivo; - electrodo negativo b. Tasa de producción con factor de operador del 100% c. Electrodo E70T-4

d. Electrodo E60T-7 e. Electrodo E70T-G

Tabla 5.6 Procedimientos típicos de soldadura por arco con núcleo de fundente con autoprotección en aceros inoxidables

empleando electrodos de acero inoxidable

Tamaio Diámetro Potencia Velocidad de Extensión de la Abertura de Total del de soldadura, alimentación del

Diseño de la soldadura, T la raíz, R electrodo CCEP del alambre electrodo de unión pulg mm pulg mm pasadas pulg mm A V pulglmin mm/s pulg mm

Soldaduras de surco en posición plana Y 45"i

6 118 3 1 3/32 2.4 300 27.5 190 70 1 25 3 2 3/32 2.4 300 27.5 170 70 1 25

R 1 I8 318 10 2bw-$ 114

. . Vertical ascendente

~ ~~ ~~~

13 3/16 5 2 3/32 2.4 300 27.5 170 70 1 25 19 3/! 6 5 4 3/32 2.4 300 27.5 170 70 1 25

22 318 10 6 3/32 2.4 300 27.5 170 70 1 25 1-114 32 318 10 8 3/32 2..4 300 27.5 170 70 1 a 1.25 25-32

13 118 3 2 3/32 2.4 300 27.5 170 70 1 25 76 118 3 25 3/32 2..4 300 27.5 170 70 1 a 1.25 25-32



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Tabla 5.6 (Continúa)

Tamaño Diámetro Potencia Velocidad de Extensión de la Abertura de Total del de soldadura, alimentación del

Diseño de la soldadura, T la raíz, R electrodo CCEP del alambre electrodo de unión pulg mm pulg mm pasadas pulg mm A Y pulglmin mm/s pulg mm

10 318 10 3 3/32 2.4 300 27.5 170 70 1 25 1-114 32 318 10 8 3/32 2.4 300 27.5 170 70 1 a 1.25 25-32

Soldadura de filete en posición plana 318 10 O O 1 3/32 2.4 300 27.5 170 70 1 25 314 19 O O 3 3/32 2..4 300 27.5 170 70 1 25

Soldadura de filete en posición horizontal 3 O O 1 1/16 1.6 185 24 265 110 112 13

10 O O 1 3/32 2.4 300 27 170 70 1 25

base y del diseño de unión requerido. Si se desea obtener la mejor calidad radiográfica, es recomendable eliminar por completo todas las rebabas del corte o el biselado así como los lubricantes de maquinado antes de soldar. Las tolerancias de embonamiento para soldar dependerán de lo siguiente:

(1) Tolerancia global del ensamble terminado. (2) Nivel de calidad de la unión requerido. (3) Método de soldadura (con escudo de gas o autoprotec-

ción; automática o semiautomática).

(4) Espesor del metal base soldado. (5) Tipo y tamaño de electrodo. (6) Posición de soldadura.

En general, las preparaciones para soldadura por arco con núcleo de fundente mecanizada y automática requieren tolerancias estrictas para el embonamiento de las uniones. Las soldaduras hechas con equipo semiautomático pueden aceptar tolerancias un poco más amplias.

CALIDAD DE LA SOLDADURA LA CALIDAD DE las soldaduras que pueden producirse con el proceso FCAW depende del tipo de electrodo empleado, del método (con escudo de gas o con autoprotección), de la condi- ción del metal base, del diseño de la unión y de las condiciones de soldadura. Se debe poner especial atención en cada uno de estos factores si se desea producir soldaduras íntegras con propiedades mecánicas óptimas.

Las propiedades de impacto del metal de soldadura de acero dulce pueden acusar una influencia del método de soldadura. Algunos electrodos autoprotegidos son de tipos altamente deso- xidados que pueden producir metal de soldadura con tenacidad de muesca relativamente baja. Otros electrodos autoprotegidos tienen propiedades de impacto excelentes. Hay electrodos para escudo de gas y autoprotegidos que cumplen con los requisitos de impacto Charpy de muesca en “V” de clasificaciones especí- ficas de las especificaciones de metal de aporte de la AWS. Se

recomienda considerar los requisitos de tenacidad de muesca antes de escoger el método y el electrodo específico para una aplicación.

Unos cuantos electrodos de acero dulce para FCAW están diseñados para tolerar una cierta cantidad de incrustaciones de forja y orín en los metales base. Es de esperar cierto deterioro de la calidad de las soldaduras cuando se sueldan materiales sucios. Si se emplean estos electrodos para soldadura de múltiples pasadas, puede haber agrietamiento del metal de soldadura por causa de la acumulación de agentes desoxidantes.

En general, es posible producir soldaduras íntegras con FCAW en aceros dulces y de baja aleación que cumplan con los requisitos de varios códigos de construcción. Si se pone mucha atención en todos los factores que afectan la calidad de la soldadura, con toda seguridad se cumplirá con los requisitos de los códigos.



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Si se imponen requisitos menos exigentes, es posible aprovechar las ventajas que ofrecen las velocidades de recomdo y comentes altas. En tales soldaduras pueden permitirse discontinuidades menores que no sean objetables desde los puntos de vista del diseño y el servicio.

En aceros inoxidables es posible producir soldaduras por arco con núcleo de fundente de calidad equivalente a las hechas con soldadura por arco de metal y gas. La posición de soldadura y la longitud del arco son factores significativos cuando se emplean electrodos con autoprotección. Los procedimientos de soldadura fuera de posición se deben evaluar cuidadosamente en lo tocante a la calidad de la soldadura. Si el arco es demasiado largo es posible que el metal de soldadura absorba mucho nitrógeno. Como el nitrógeno estabiliza la austenita, la absorción de este gas en cantidades excesivas puede evitar la formación de suficiente femta en la soldadura y hacerla más susceptible a las microfisuras.

Los aceros de baja aleación pueden soldarse con el método de escudo de gas empleando formulaciones de núcleo de electrodo TX-1 o TX-5 si se requiere una buena tenacidad a baja temperatura. En general, la combinación de escudo de gas y for- mulación de fundente correcta produce soldaduras íntegras con propiedades mecánicas y tenacidad de muesca aceptables. Tam- bién hay electrodos autoprotegidos que contienen níquel para conferir propiedades de resistencia mecanica y de impacto aceptables, además de aluminio como desnitrurante. En general, la composición del electrodo deberá ser similar a la del metal base.

IDENTIFICACIÓN DE PROBLEMAS EL EMPLEO DE procedimientos o practicas indebidos puede producir varios tipos de discontinuidades. Aunque muchas de éstas son inocuas, afectan adversamente el aspecto de la soldadura, y por tanto perjudican la reputación del proceso FCAW. En la tabla 5.7 se presentan estos problemas y discontinuidades, junto con sus causas y remedios.

VENTAJAS DE FCAW LA SOLDADURA POR arco con núcleo de fundente tiene muchas ventajas en comparación con el proceso SMAW manual; ade- más, ofrece ciertas ventajas respecto a los procesos SAW y GMAW. En muchas aplicaciones, el proceso FCAW produce metal de soldadura de alta calidad con un costo más bajo y menor esfuerzo por parte del soldador que con SMAW. FCAW es más tolerante que GMAW, y más flexible y adaptable que SAW. Las ventajas citadas pueden resumirse como sigue:

(1) Depósito de metal de soldadura de alta calidad. (2) Excelente aspecto de la soldadura: lisa y uniforme.

(3) Excelente perfil de las soldaduras de filete horizonta-

(4) Es posible soldar muchos aceros dentro de un intervalo

(5) Factor operativo elevado - fácil de mecanizar. (6) Tasa de deposición alta-densidad de corriente elevada. (7) Eficiencia de depósito del electrodo relativamente alta. (8) Diseños de unión económicos en cuanto a su ingeniería. (9) Arco visible - fácil de usar. (10) No requiere tanta limpieza previa como GMAW. (11) Produce menor distorsión que SMAW. (12) Tasa de deposición hasta 4 veces mayor que con SMAW. (13) El empleo de electrodos con autoprotección hace inne-

cesario el equipo para manipular fundente o gas, y tolera mejor las condiciones de movimiento brusco del aire que prevalecen en la construcción en exteriores (véase la desventaja “ 6 de los escudos de gas en la sección que sigue).

(14) Mayor tolerancia de contaminantes que podrían causar agrietamiento de la soldadura.

(15) Resistencia al agrietamiento de la franja de soldadura inferior.

les.

de espesores amplio.

LIMITACIONES DE FCAW LAS QUE SIGUEN son algunas limitaciones de este proceso:

(1) El proceso FCAW actual está limitado a la soldadura de metales ferrosos y aleaciones con base de níquel.

(2) El proceso produce una cubierta de escoria que es preciso eliminar.

(3) El alambre de electrodo para FCAW cuesta más por unidad de peso que el alambre de electrodo sólido, excepto en el caso de algunos aceros de alta aleación.

(4) El equipo es más costoso y complejo que el que se requiere para SMAW; no obstante, el aumento en la productividad casi siempre compensa esto.

(5) Ei alimentador de alambre y la fuente de potencia deben estar relativamente cerca del punto de soldadura.

(6) En la versión con escudo de gas, el escudo externo puede sufrir efectos adversos por el viento y las comentes de aire. Esto no es un problema con los electrodos autoprotegidos, excepto cuando hay vientos muy fuertes, porque el escudo se genera eii el extremo del electrodo, que es exactamente donde se requiere.

(7) EI equipo es más complejo que el de SMAW, por lo que requiere mayor mantenimiento.

(8) Se genera mayor cantidad de humos y vapores (en com- paración con GMAW o SAW).



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Tabla 5.7 Localización de Droblemas de soldadura Dor arco con núcleo de fundente

Problema Posible causa Acción correctiva

Porosidad

Fusión o penetración incompleta

Agrietamiento

Alimentación del electrodo

Flujo de gas bajo Flujo de gas alto Fuertes corrientes de aire Gas contarninado

Metal base contaminado Alambre de aporte contaminado

Insuficiente fundente en el núcleo Voltaje excesivo Excesiva extensión del electrodo Insuficiente extensión del electrodo (electrodos autoprotegidos) Excesiva velocidad de desplazamiento Manipulación incorrecta

Parámetros no apropiados

Diseiio incorrecto de las uniones

Restricción excesiva de las uniones

Electrodo incorrecto No hay suficientes desoxidantes en el núcleo, o su contenido de fundente es inconsistente Desgaste excesivo de la punta de contacto Punta de contacto fundida o pegada

Conducto del alambre en el cable sucio

Ajustar hacia arriba el medidor de flujo del gas; limpiar boquilla taponada con salpicaduras Reducir para eliminar la turbulencia Proteger la zona de soldadura de las corrientes o el viento Revisar el suministro de gas Comprobar que no haya fugas en mangueras/conexiones Limpiar las caras de la unión por soldar Eliminar los compuestos de estiramiento del alambre Limpiar aceite de los rodillos Evitar suciedad del taller Reacondicionar en estufa el alambre de aporte Cambiar de electrodo Reajustar el voltaje Reajustar la extensión y equilibrar la corriente Reajustar la extensión y equilibrar la corriente

Ajustar la velocidad Dirigir el electrodo hacia la raiz de la unión

Incrementar la corriente Reducir la velocidad de desplazamiento Reducir la extensión Usar alambre mas delgado Incrementar la velocidad de desplazamiento (electrodos con autoprotemion) Incrementar la abertura de raíz Reducir la cara de raíz Reducir la restricción Precalentar Usar metal de soldadura más dúctil Emplear martillado Revisar la formulación y el contenido de fundente

Reducir la presión de los rodillos impulsores

Reducir el voltaje Ajustar el control de retroquemado Cambiar forro desgastado Cambiar forro del conducto. Limpiar con aire comprimido



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SEGURIDAD LA SOLDADURA DEBE efectuarse a modo de ofrecer al soldador y a quienes se encuentren en las inmediaciones del área de soldadura el máximo de seguridad. Desde el punto de vista de la seguridad eléctrica y la protección ocular, la soldadura por arco con núcleo de fundente requiere las mismas precauciones que GMAW. Además, se generan emisiones de soldadura.

Los electrodos para soldadura por arco con núcleo de fundente generan emisiones en una proporción por kilogramo de metal depositado comparable a la de SMAW. Puesto que las tasas de deposición de FCAW son varias veces más altas que las de SMAW, la tasa de generación de humos, en gramos por minuto, es mucho más alta que la de SMAW. Es importante asegurarse de que la concentración de emisiones no rebase el límite de exposición permitido (PEL), especificado como 5 mdm3 por la Occupational Safety and Health Administration (OSHA) del Departamento del Trabajo de Estados Unidos. Cabe señalar que los reglamentos locales pueden ser aún más estrictos.

Es preciso tomar precauciones especiales para evitar que el soldador respire emisiones que contengan manganeso al soldar productos de manganeso Hadfield. Además, la soldadura de aceros inoxidables y el recubrimiento con aleaciones de cromo presenta el problema de emisiones que contienen cromo.

La seguridad exige tener conciencia de que los gases protectores presentan un peligro por sí mismos cuando se suelda en espacios encerrados. Estos gases no son venenosos, pero sí pueden asfixiar porque desplazan al oxígeno. La soldadura con gases protectores que contienen argón genera radiaciones ultravioleta bastante intensas que actúan sobre el oxígeno de las inmediaciones para producir ozono.

El empleo seguro del proceso de soldadura por arco con núcleo de fundente exige una evaluación cuidadosa de estos factores y el establecimiento de medidas correctivas apropiadas antes de soldar.

LISTA DE LECTURAS COMPLEMENTARIAS American Society for Metals. Metals Handbook, vol. 6, 9” ed.,

96-1 13, Metals Park, Ohio, American Society for Metals, 1983.

American Welding Society. Method for siitrplirzg airborrzepar- ticulates generated by welding and Allied Processes, AWS F1.l. Miami, American Welding Society, 1976.

. Safety in weldingarzd cutting, AWSI 249.1. Miami: American Welding Society, 1973.

. Specification for carbon steel electrodes forflux cored arc welding, ANSIIAWS A5.20. Miami, American Welding Society, 1979.

. Specification for flux cored corrosiorz-resisting chro- ririutil and clironiiuni-riickel steel electrodes, ANSIIAWS A5.22. Miami, American Welding Society, 1974.

Barnes, G. “Comparison of AWS filler metal specification for low alloy covered electrodes and low alloy flux Ccred electrodes”, en Weldiiig Joirrtzal61(8): 57-61; agosto de 1982.

Bishel, R. A. “Flux-cored electrode for cast iron welding”, en Welding Joiirrial52(6): 372-38 1; junio de 1973.

Cary, Howard “Match wire to the job“, en Welding Eizgiiieer 55(4): 44-46; abril de 1970.

Hinkel, J. L. “Long stickout welding-a practical way to increase deposition rates”, en Welding Jormzal47(3): 869-874; marzo de 1968.

Hoitomt, M. y Lee, R. K. “All-position production welding with flux-cored gas-shielded electrodes”, en welding Jourilal 51(11): 765-768, noviembre de 1972.

The Lincoln Electric Company. The procedure harzdboook of arc welding, 12” ed., Cleveland, The Lincoln Electric Com- pany, 1973.

Wick, W. C. y Lee, R. K. “Welding low-alloy steel castings with the flux-cored process”, en Welding Jouriial47 (5 ) : 394-397; mayo de 1968.

Zvanut, A. J. y Fanner, H. N., Jr. “Self-shielded stainless steel flux cored electrodes”, en Weldiiig Jo14r11al81(11): 775-780; noviembre de 1972.



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SOLDADURA POR ARCO SUMERGIDO


Equipo 1 96

Materiales 204

Aplicaciones generales del proceso 21 1

Variables de operación 212

Tipos de soldaduras 216

Procedimientos de soldadura 21 8

Variaciones del proceso 224


Recomendaciones de seguridad 230



R. M. Nugent, Presidente Houston Lighting and Power Company R. J. Dybas General Electric Company J. E. Hinkel Consultor D. W. Meyer L-Tee Welding and Cutting Systems

MIEMBRO DEL COMITÉ DEL MANUAL DE SOLDADURA: D. R. Amos Westinghouse Turbine Generator Plant



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SOLDADURA POR ARCO SUMERGIDO FUNDAMENTOS DEL PROCESO

DESCRIPCIÓN LA SOLDADURA POR arco sumergido (subnierged arc welding, SAW) produce la coalescencia de metales calentándolos con un arco entre un electrodo de metal desnudo y el trabajo. EI arco y el metal derretido están “sumergidos” en un manto de fundente granular fusible sobre el trabajo. No se aplica presión, y el metal de aporte se obtiene del electrodo y en ocasiones de un suminis- 4ro complementario como una varilla para soldar o gránulos metálicos.

En la soldadura por arco sumergido, el arco está cubierto por fundente, el cual desempeña un papel preponderante porque (1) la estabilidad del arco depende del fundente, (2 ) las propiedades mecánicas y quimicas del depósito de soldadura final se pueden controlar con el fundente y (3) la calidad de la soldadura puede ser afectada por la forma como se maneje el fundente.

La soldadura por arco sumergido es un proceso de soldadura de producción versátil capaz de soldar con corrientes de hasta 2000 amperes de ca o cc, empleando uno o varios alambres o tiras de metal de aporte. Es posible usar fuentes de potencia tanto de ca como de cc en la misma soldadura simultáneamente.

PRINCIPIOS DE FUNCIONAMIENTO EN LA SOLDADURA por arco sumergido, el extremo de un electrodo continuo de alambre desnudo se inserta en un montículo de fundente que cubre el área o la unión que se va a soldar. Se enciende un arco empleando uno de seis métodos de iniciación del arco, mismos que se describirán más adelante en este capitulo. A continuación, un mecanismo alimentador de alambre comienza a introducir el electrodo en la unión a una velocidad controlada, y el alimentador se desplaza manual o automática- mente a lo largo de la soldadura. En la soldadura mecanizada o automática, el trabajo puede desplazarse debajo de un alimentador de alambre estacionario.

En todo momento, se alimenta fundente adicional adelante del electrodo y a su alrededor, y se distribuye continuamente sobre la unión. El calor producido por el arco eléctrico derrite progresivamente parte del fundente, el extremo del alambre y los bordes adyacentes del metal base, creando un charco de metal fundido debajo de una capa de escoria líquida. El baño fundido cerca del arco presenta mucha turbulencia, y burbujas de gas ascienden rápidamente a la superficie del charco. EI fundente flota sobre el metal derretido y protege por completo de la atmósfera la zona de soldadura.

El fundente líquido puede conducir algo de corriente eléctrica entre el alambre y el metal base, pero el arco eléctrico es la fuente de calor predominante. EI manto de fundente que flota sobre el charco de soldadura evita que los gases atmosféricos contaminen el metal de soldadura y disuelve las impurezas del metal base y del electrodo, que entonces flotan sobre el charco. Además, el fundente puede agregar ciertos elementos de aleación al metal de soldadura, o extraerlos de él.

AI avanzar la zona de soldadura a lo largo de la unión, el metal de soldadura primero y luego el fundente líquido se enfrían y solidifican, formando una franja de soldadura con una capa protectora de escoria encima.

Es importante eliminar por completo la escoria antes de efectuar otra pasada de soldadura. El proceso de arco sumergido se ilustra en la figura 6.1.

Entre los factores que determinan si conviene o no usar soldadura por arco sumergido están:

(1) La composición química y las propiedades mecánicas

(2) El espesor del metal base que se va a soldar. (3) La accesibilidad de la uiuón. (4) La posición en que se va a soldar. (5) La frecuencia o la cantidad de soldaduras que se van a

que debe tener el depósito final.

efectuar.



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S O L D A D U R A P O R A R C O S U M E R G I D O 193

AL ALIMENTADOR AUTOMATIC0 DE ALAMBRE

A LA POTENCIA DE SOLDADURA

ALIMENTADOR RETENEDOR DE FUNDENTE

DE SOLDADURA TERMINADO

PARA SOLDAR

PARA SOLDAR

DIRECCIÓN DE RECORRIDO \ PESTANA

PLACA DE RES- PALDO DE IA SOLDADURA

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Figura 6.1-Esquema del proceso de soldadura por arco sumergido

MÉTODOS GENERALES LA SOLDADURA POR arco sumergido se puede aplicar en tres modos distintos: automático, semiautomático y mecanizado. En todos ellos es preciso colocar el trabajo de modo que el fundente y el charco de soldadura permanezcan en su sitio hasta solidificarse. Ya existen o pueden construirse muchos tipos de fijaciones y equipos de posicionamiento para satisfacer este requisito.

Soldadura semiautomática LA SOLDADURA SEMIAUTOMATICA se realiza con una pistola soldadora de mano que suministra tanto el fundente como el electrodo. El electrodo es impulsado por un alimentador de alambre; el fundente puede suministrarse mediante una tolva de gravedad montada en la pistola o alimentarse a presión a través de una manguera. Este método requiere conducción manual empleando electrodos de diámetro relativamente pequeño y velocidades de recorrido moderadas. EI desplazamiento puede ser manual o impulsado por un motor pequeño montado en la pistola (véase la figura 6.2). sumergido

Figura 6.2-Pistoia soldadora de mano para arco



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194 S O L D A D U R A P O R A R C O S U M E R G I D O

Soldadura automática LA SOLDADURA AUTOMÁTICA se efectúa con equipo que realiza la operación de soldadura sin que un operador tenga que vigilar y ajustar continuamente los controles. EI costoso equipo de au- torregulación se puede justificar si se desea alcanzar tasas de producción elevadas. En la figura 6.3 se muestra la unión de tuberias con SAW automática.

Soldadura mecanizada EN LA SOLDADURA mecanizada se emplea equipo que realiza toda la operación de soldadura, pero bajo la vigilancia de un operador que coloca el trabajo en su posición, inicia y detiene la soldadura, ajusta los controles y fija la velocidad de cada soldadura. En la figura 6.4 se muestra una operación típica de soldadura mecanizada.

VARIACIONES DEL PROCESO LA SOLDADURA POR arco sumergido se presta a una amplia variedad de combinaciones de alambre y fundente, disposiciones de uno o varios electrodos, y empleo de fuentes de potencia

de ca o cc. Este proceso se ha adaptado a una amplia gama de materiales y espesores. Es posible usar diversas configuraciones de múltiples arcos para controlar el perfil de la soldadura e incrementar las tasas de deposición respecto a las de la operación conunsolo arco. Los depósitos de soldadura pueden ir desde franjas anchas con poca penetración para trabajos de recubrimiento hasta franjas angostas con penetración profunda para uniones gruesas. Parte de esta versatilidad se debe al empleo de arcos de Ca.

Los principios que favorecen el empleo de capara minimizar el golpe de arco cuando se suelda con un solo arco a menudo se aplican a la soldadura conmúltiples arcos para crear una desvia- ción de arco favorable. La comente que fluye por electrodos adyacentes crea campos magnéticos interactuantes que pueden reforzarse o bien reprimirse mutuamente. En el espacio entre los arcos, estos campos magnéticos sirven para producir fuerzas que desvían los arcos (y por tanto distribuyen el calor) en direcciones que benefician a la aplicación de soldadura propuesta.

Se han diseñado y fabricado diversos tipos de fuentes de potencia y equipo accesorio especialmente para la soldadura con múltiples arcos. Estas máquinas relativamente avanzadas se destinan a la producción de alto volumen en series largas de aplicaciones repetitivas.

Figura 6.3-Soldadura automática de tuberías por arco sumergido empleando cinco cabezas de alimentación de alambre



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Figura 6.4-Soldadura por arco sumergido mecanizada hecha en la cabeza de un tanque



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EQUIPO EL EQUIPO REQUERIDO para soldadura por arco sumergido consiste en (1) una fuente de potencia, (2) un sistema de suministro de electrodo, (3) un sistema de distribución de fundente, (4) un mecanismo de desplazamiento y (5) un sistema de control del proceso. El equipo opcional incluye sistemas de recuperación de fundente y equipo de posicionamiento o manipulación.

FUENTES DE POTENCIA LA ELECCIÓN DE la fuente de potencia para un sistema de soldadura por arco sumergido desempeña un papel operativo muy importante.

Hay varios tipos de fuente de potencia adecuados para la soldadura por arco sumergido. Las fuentes de potencia de cc pueden ser del tipo de transformador-rectificador o de motor-generador, y proporcionar salida de voltaje constante (cv), cornerr te constante (cc) o salida cv/cc seleccionable. Las fuentes de potencia de ca por lo general son del tipo de transformador, y pueden suministrar una salida de cc o bien de cv de onda cuadrada. Como en general el proceso SAW es de comente elevada con ciclo de trabajo alto, se recomienda una fuente de potencia capaz de suministrar un amperaje alto con ciclo de trabajo del 100%.

Las fuentes de potencia de cc de voltaje constante son las fuentes de uso más común para soldadura por arco sumergido. Funcionan bien en la mayor parte de las aplicaciones en las que la comente del arco no rebasa los 1000 A, y es probable que trabajen sin problemas a corrientes aún más altas. La fuente de potencia de cc de voltaje constante es la mejor opción para soldar acero delgado a alta velocidad.

Fuentes de potencia de cc de corriente constante ES POSIBLE CONSEGUIR fuentes de potencia de cc de comente constante en modelos tanto de transformador-rectificador como de motor-generador, con salidas especificadas de hasta 1500 A. Algunas fuentes de cc de comente constante también pueden usarse para GTAW, SMAW y corte con arco de carbono. Con excepción de la soldadura a alta velocidad de acero delgado, las fuentes de cc de comente constante se pueden usar para el mismo intervalo de aplicaciones que las fuentes de cc de voltaje constante.

Las fuentes de comente constante no tienen autorregulación, así que deben usarse con un control de alimentación variable del alambre que detecte el voltaje. Este tipo de control ajusta la

Fuentes de potencia de cc de voltaje constante EN EL MERCADO hay fuentes de potencia de cc de voltaje constante en modelos de transformador-rectificador y de motor-generador. Su capacidad varía entre 400 y 1500 A. Las fuentes más pequeñas también pueden servir para GMAW o FCAW. Estas fuentes de potencia se usan para SAW serniautomática con corrientes de 300 a 600 A con electrodos de 1.6, 2.0 y 2.4 mm (1/16, 5/64 y 3/32 pulg) de diámetro. La soldadura automática se efectúa con comentes de 300 a más de loo0 A, generalmente con diámetros de alambre entre 2.4 y 6.4 mm (3/32 y 1/4 pulg). Sin embargo, las aplicaciones de la soldadura con cc a más de 1000 A son limitadas porque a niveles de comente tan altos el golpe de arco puede ser severo. En la figura 6.5 se muestra una fuente de potencia de cc de voltajy constante típica.

Con algunas fuentes de cv antiguas, la densidad de comente mínima útil es de unos 62 A/mm2 (40 O00 A/pulg2), con base en el diámetro del electrodo. Por debajo de esta densidad de comente, el arco se vuelve inestable. Este problema se ha resuelto en las fuentes de potencia más modernas que permitenmantener un arco estable con densidades de corriente tan bajas como 23 A/mm2 (15 000 A/pulg2).

Las fuentes de potencia de voltaje constante cuentan con autorregulación, de modo que pueden usarse con un alimentador de alambre de velocidad constante. No es necesario detectar el voltaje o la comente para mantener un arco estable, asi que se puede usar controles de velocidad de alimentación del alambre muy sencillos. La velocidad de alimentación del alambre y el diámetro del mismo controlan la comente del arco, y la fuente de potencia controla el voltaje del arco.

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Figura 6.5-Fuente de potencia de cc de voltaje constante típica para soldadura por arco cumeraido



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velocidad de alimentación del alambre en respuesta a variaciones en el voltaje del arco. Ei voltaje se vigila a fin de mantener un arco de longitud constante. Con este sistema, el voltaje del arco depende de la velocidad de alimentación del alambre y del diámetro del mismo. La fuente de potencia controla la comente del arco. Como los controles de alimentación variable de alambre con detección de voltaje son más complejos, también son más costosos que los alimentadores de velocidad constante que se pueden usar con los sistemas de cv.

Fuentes de potencia cv/cc combinadas TWIÉN ESTAN DISPONIBLES fuentes de potencia que pueden conmutarse entre los modos cv y cc. Hay fuentes con especificaciones de hasta 1500 A, pero las máquinas con especifica- ción de 650 A o menos son mucho más comunes. La valía de estas fuentes de potencia radica en su versatilidad, ya que pueden usarse para SMAW, GMAW, GTAW, FCAW, corte con arco de carbono y soldadura de pernos, además de la soldadura por arco sumergido.

Fuentes de potencia de corriente alterna LAS FUENTES DE potencia para soldadura con ca por lo regular son transformadores. Hay fuentes con especificación entre 800 y 1500 A con ciclo de trabajo de 100%. Si se requieren amperajes más altos, es posible conectar estas máquinas en paralelo. Las fuentes de potencia de ca convencionales son del tipo de comente constante. El voltaje de salida de estas máquina se aproxima a una onda cuadrada, y la comente de salida, a una onda senoidal, como se muestra en la figura 6.6 (A). La salida de estas máquinas decae a cero cada vez que se invierte la polaridad, por lo que se requiere un voltaje de circuito abierto alto (mayor que 80 V) para asegurar que el arco se volverá a encender. Incluso con un voltaje de circuito abierto tan alto, puede haber problemas de reignición del arco cuando se usan ciertos fundentes. Como estas fuentes de potencia son del tipo de comente constante, el control de alimentación del alambre debe ser del tipo de velocidad variable con detección de voltaje.

La fuente de potencia de cc de onda cuadrada y voltaje constante es un tipo relativamente nuevo. Tanto la corriente de salida como el voltaje de salida de estas fuentes se aproximan a ondas cuadradas. Dado que en las fuentes de onda cuadrada las inversiones de polaridad son instantáneas, como se aprecia en la figura 6.6 (B), los problemas de reignición del arco no son tan severos como los que se presentan con las fuentes de potencia de ca convencionales. Por tanto, algunos fundentes que no funcionan con ias fuentes de ca convencionales sí lo hacen con una fuente de potencia decade onda cuadrada. Si se emplea este tipo de fuentes, el control de alimentación del alambre puede ser bastante sencillo y de velocidad constante, ya que el voltaje suministrado es constante.

Los usos más comunes de potencia de ca para SAW son las aplicaciones de comente elevada, las de múltiples alambres, ia soldadura de uniones con separación angosta y las aplicaciones en las que el golpe del arco es un problema.

CONTROLES LOS SISTEMAS DE control que se usan para la soldadura por arco sumergido semiautomática son sencillos controles de velocidad

de alimentación del alambre. Los que se usan con fuentes de potencia de voltaje constante mantienen una velocidad del alambre constante; los que se emplean con fuentes de potencia de comente constante vigilan el voltaje del arco y ajustan la velocidad de alimentación del alambre a fin de mantener un voltaje constante.

Los alimentadores de alambre más sencillos tienen controles analógicos de una sola perilla que mantienen una velocidad de alimentación de alambre constante. En la figura 6.7 puede verse una unidad típica.

Los alimentadores más modernos que se usan para SAW automática, como el que se muestra en la figura 6.8, tienen controles digitales basados en microprocesadores. Estos contro-

(A) FORMAS DE ONDA DE CA CONVENCIONALES

(B) FORMAS DE ONDA DE CA DE ONDA CUADRADA

Figura 6.6-Diferencia entre las formas de onda de ca convencionales v de onda cuadrada



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les cuentan con lazos de retroalimentación conectados a la fuente de potencia y al motor de alimentación del alambre, y mantienen el voltaje de soldadura y la velocidad del alambre en niveles preestablecidos. La gran ventaja de los controles digitales es que permiten controlar con precisión el proceso de soldadura; las desventajas son que los controles no son compatibles con algunas fuentes de potencia y que su construcción es un poco menos robusta que la de la mayor parte de los controles analógicos.

En la actualidad sólo hay en el mercado controles digitales para usarse con fuentes de potencia de voltaje constante. Estos controles permiten ajustar la velocidad de alimentación del alambre (control de comente), ajustar la fuente de potencia (control de voltaje), iniciar y detener la soldadura, conmutar el modo de desplazamiento (manual o automático), ajustar verticalmente la alimentación de alambre frío, controlar el retardo inicial y el llenado de cráteres, evitar el retroquemado y activar o desactivar el suministro de fundente. Todos los controles digitales cuentan con medidores de comente, voltaje y velocidad de alimentación del alambre también digitales.

Los controles analógicos existentes pueden usarse con fuentes de potencia tanto de voltaje constante como de corriente constante. Los controles básicos consisten en un control de velocidad de alimentación del alambre (ajusta la comente en los sistemas de cv; controla la comente en los sistemas de cc), un interruptor para iniciar y detener la soldadura, un conmutador para desplazamiento manual/automático y un control vertical para la alimentación de alambre frío. Estos controles tienen las mismas ventajas que los controles analógicos para SAW semi-

Figura 6.7-Ejemplo de alimentador de alambre en el que se aprecia el control, el motor alimentador y la

unidad impulsora del alambre

Figura 6.8-Control digital para soldadora por arco sumergido de dos alambres

automática, pero son propensos a derivar y no permiten un control preciso del proceso.

CABEZAS Y SOPLETES DE SOLDADURA UNA CABEZA DE soldadura por arco sumergido comprende la unidad de motor alimentador y rodillos impulsores del alambre, la unidad de soplete y punta de contacto y accesorios para montar y posicionar la cabeza. Casi siempre se monta una boquilla de fundente en la cabeza de soldadura, con el fin de depositar el fundente un poco por delante del alambre de soldadura o en forma concéntrica a su alrededor.

Los motores alimentadores del alambre por lo regular son del tipo de imán permanente, de trabajo pesado, con caja de engranes reductores integrada, y alimentan el alambre a velocidades del orden de 8 a 235 mm/s (20 a 550 pulghin).

La unidad de rodillos alimentadores puede tener un rodillo impulsor y otro de marcha en vacío, dos rodillos impulsores, o cuatro rodillos impulsores. Se ha informado que las unidades con cuatro rodillos impulsores ofrecen una alimentación positiva con un mínimo de deslizamiento del alambre. Los rodillos pueden ser del tipo de ranura en “V” dentada o de ranura en “V” lisa, siendo los primeros los más comunes. En algunos casos, cuando el alambre se mete por un conducto, la alimentación es más uniforme si se usan rodillos con surco en “V” liso.

Hay numerosos diseños de unidades de soplete, pero su propósito siempre es el mismo: guiar el alambre a través de la



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punta de contacto hacia la zona de soldadura y suministrar potencia de soldadura al alambre en la punta de contacto.

Se requiere equipo especial para la soldadura por arco sumergido estándar, de surco angosto (SAW-NG) y con electrodo de tira. La SAW de alambres paralelos emplea unidades de rodillos alimentadores y soplete especiales que proveen alimentación positiva de dos alambres a través deunmismo cuerpo de soplete. La SAW con electrodo de tira también requiere una unidad de rodillos alimentadores y soplete especial. Los sopletes a los que se alimenta tira generalmente pueden ajustarse para manejar vanos tamaños de tira, con anchuras típicas de 30,45,60, y 90 mm (1.2, 1.8,2.4, y 3.5 pulg) y espesores de hasta 1 mm (0.04 pulg). Las unidades para SAW de alambres paralelos y electrodo de tira por lo regular se diseñan para montarse sobre cabezas de soldadura estándar con muy pocas modificaciones, o ninguna.

El equipo especial para SAW-NG tiene unidades de soplete largas y angostas y boquillas de fundente también largas y angostas para introducir el fundente y el alambre en el fondo de surcos angostos y profundos. Estos sistemas también pueden tener algún sistema para torcer el alambre y asegurar una buena fusión de las paredes del surco angosto. Los adaptadores de SAW-NG más sencillos pueden montarse directamente sobre cabezas de soldadura estándar; hay sistemas más complejos que forman parte de unidades de cabeza de soldadura integrales.

Para la SAW semiautomática, la cabeza de soldadura puede ser un alimentador de alambre tipo GMAW que empuja el electrodo a través de un conducto hacia la unidad de soplete. Estos alimentadores aceptan cualquiera de los sistemas de rodillos impulsores que se trataron en párrafos anteriores y generalmente pueden alimentar alambre de hasta 2.4 mm (3/32 pulg) de diámetro a velocidades de más de 235 mm/s (550 puldmin). La unidad de soplete y conducto puede estar situada a una distancia de hasta 5 in (15 pies) del alimentador de alambre. La alimenta- ción de fundente se hace por medio de una tolva pequena de alimentación por gravedad de 1.8 kg (4 lb) montada en el soplete, o desde un tanque de fundente remoto que se vale de aire comprimido para empujar el fundente hasta la zona de soldadura. En ambos casos, el fundente se suministra a través del soplete que rodea al alambre de soldadura. En la figura 6.2 se muestra un sistema de SAW semiautomática típico.

EQUIPO ACCESORIO ELEQUIPO ACCESORIO que comúnmente se usa con SAW incluye equipo para desplazamiento, unidades de recuperación de fundente, equipo de fijación y equipo de posicionamiento.

Equipo para desplazamiento EL DESPLAZAMIENTO DE la cabeza de soldadura en SAW generalmente se efectúa por medio de un carro tipo tractor, un carro de riel lateral o un manipulador.

Un carro tipo tractor, como el de la figura 6.9, sirve para desplazarse a lo largo de uniones rectas o suavemente curvadas

viajando sobre neles dispuestos a un lado de la unión, o viajando sobre la pieza de trabajo misma. Las unidades sin rieles emplean ruedas guía o algún otro tipo de dispositivo mecánico que permita seguir la unión. La cabeza de soldadura, el control, el suministro de alambre y la tolva de fundente por lo general están montadas en el tractor. La velocidad máxima que puede alcanzarse con tractores es de alrededor de 45 mm/s (100 pulg/min). Los tractores se usan sobre todo para soldar en el campo en aplicaciones que requieren su relativa transportabilidad porque la pieza de trabajo no puede moverse.

Los carros de ne1 lateral sólo tienen desplazamiento lineal y pueden alcanzar velocidades de más de 85 mm/s (200 pulg/min). Como estos sistemas generalmente están fijos y la pieza de trabajo debe llevarse a la estación de soldadura, se usan sobre todo para soldar en talleres. La cabeza de soldadura, el suministro de alambre, la tolva de fundente y a veces el control están montados en el carro. En la figura 6.10 se muestran dos cabezas de soldadura montadas en un solo carro para una operación de revestimiento.

Los manipuladores son similares a los carros de ne1 lateral, en cuanto a que están fijos y la pieza de trabajo debe llevarse a la soldadora, pero son más versátiles porque pueden moverse linealmente a lo largo de tres ejes. La cabeza de soldadura, el suministro de alambre, la tolva de fundente y a menudo también el control y el operador viajan sobre el manipulador. Véame las figuras 6.11 y 6.12.

Figura 6.9-Cabeza de soldadura por arco sumergido, control, suministro de alambre y tolva de fundente

montados en un carro tipo tractor



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Figura 6.10-Doscabezas de soldadura por arco sumergido montadas en un carro de riel lateral para una operación de revestimiento

Unidades de recuperación de fundente A MENUDO SE usan unidades de recuperación de fundente para optimizar el aprovechamiento del fundente y minimizar la limpieza manual. Este tipo de unidades pueden realizar cualquier combinación de las siguientes actividades:

(i) Retirar el fundente no fusionado y la escoria fusionada de detrás de la soldadura.

(2) Separar conmallas la escoria fusionada y otros materiales de tamaño grande.

(3) Eliminar partículas magnéticas. (4) Eliminar polvos finos. (5) Recircular fundente a una tolva para su reutilización. (6) Calentar el fundente en una tolva para mantenerlo seco.

La alimentación neumática de fundente es la que se usa más comúnmente en la SAW semiautomática y con frecuencia en la SAW automática.

Posicionadores y fijaciones DADO QUE LA SAW está limitada a la soldadura en posición plana, se utilizan ampliamente posicionadores y equipo de fija- ción relacionado. Entre los posicionadores de uso común están:

(i) Unidades de cabeza-cola, rodillos giratorios, o ambas cosas, para girar piezas cilíndricas bajo la cabeza de soldadura (figura 6.13).

(2) Posicionadores de inclinación y giratorios para colocar piezas irregulares de modo que el área por soldar quede en la posición plana (figura 6.14).

La fijación a la medida a menudo incluye posicionadores que ayudan a preparar, ubicar y sostener la pieza de trabajo. También hay sistemas de carcelero.



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Figura 6.1 1-Soldadura por arco sumergido de múltiples pasadas sobre un accesorio de paredes gruesas empleado para probar sistemas de prevención de explosiones en pozos petroleros (un posicionador gira el

accesorio debaio de una cabeza estacionaria)



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Figura 6.12-Aplicación de material de revestimiento duro al interior de un casco de forja de esferas empleando el proceso de arco sumerqiåo (a la cabeza de soldadura viaja sobre carro de desplazamiento montado en un riel)



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Figura 6.13-Realización simultánea de tres soldaduras por arco sumergido circunferenciales en piezas forjadas de pared gruesa durante la fabricación de equipo para prevenir explosiones en pozos petroleros (este dispositivo

de prevención de explosiones, calificado para temperaturas de hasta -7OoF, esta diseñado para servicio en el Ariico)



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Figura 6.14-Soldadura por arco sumergido de múltiples pasadas en surco profundo realizada en un cofre de vapor y válvula reguladora para una turbina de vapor de agua [Un posicionador gira la pieza de trabajo debajo

de la cabeza de soldadura. EI metal base es acero con 2.25% Cr, 1 YO Mo con 203 mm (8 pulg) de espesor en la unión soldada]

ATERIALES L A SOLDADURA POR arco sumergido se emplea para fabricar ensambles de casi todos los materiales empleados en la actualidad, desde aceros al carbono “ordinarios” hasta aleaciones exó- ticas con base de níquel. La mayor parte de los aceros y aleaciones se pueden soldar fácilmente con alambres y fundentes comerciales, aunque algunos metales requieren alambres de electrodo especiales de composición química precisa y fundentes especiales diseñados para conferir a la unión soldada propiedades específicas.

METALES BASE LAS QUE SIGUEN son clases generales de metales base que se pueden soldar:

(1) Aceros al carbono con contenido de carbono de hasta

(2) Aceros de baja aleación [con resistencia al vencimiento

(3) Aceros al cromo-molibdeno (0.5 a 9% de Cr y 0.5 a I %

0.29%.

de hasta 100 ksi (690 MPa)].

de Mo).

(4) Aceros inoxidables. (5 ) Aleaciones con base de níquel.

La gama de composiciones de las aleaciones que pueden soldarse por arco sumergido se ha expandido al aparecer electrodos y fuiidentes apropiados. Las combinaciones electrodo- fundente por lo regular pueden clasificarse según las especificaciones de un código. Los datos de combinaciones alambre- f u n dente especiales para metales base de uso menos extendido se pueden obtener de los fabricantes de fundentes.

ELECTRODOS LOS ELECTRODOS PARA arco sumergido producen depósitos de soldadura que coinciden con los inetales base de acero al carbono, acero de baja aleación, aceros de alto carbono, aceros de aleación especial, aceros inoxidables, aleaciones de níquel y aleaciones especiales para aplicaciones de recubrimiento. Estos electrodos se surni!iistran como alambre sólido desnudo y como electrodos compuestos con núcleo metálico (similares a los electrodos para soldadura por arco con núcleo de fundente).



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Los fundentes fusionados tienen las siguientes ventajas: (1) Buena homogeneidad química. (2) Fácil eliminación de polvos finos sin afectar la composi-

ción del fundente. (3) Normalmente no son higroscópicos, lo que simplifica el

manejo y el almacenamiento, y evita problemas al soldar. (4) Se recicla fácilmente mediante sistemas de alimentación

y recuperación sin que cambie significativamente el tamaño de las partículas o su composición.

Su desventaja principal es la dificultad para añadirles desoxidantes y ferroaleaciones durante la fabricación sin segregación ni pérdidas muy elevadas. Las temperaturas tan altas necesarias para fundir los ingredientes limitan la gama de composiciones de los fundentes.

Los fabricantes de electrodos preparan electrodos compuestos que duplican aleaciones complejas encerrando los elementos de aleación requeridos en un tubo de metal de una composición más ordinaria (acero inoxidable u otros metales).

Los electrodos normalmente se empacan en carretes o bobinas cuyo peso va de 11 a 454 kg (25 a 1 0 0 lb). Los paquetes de electrodo grandes resultan económicos: aumentan la eficiencia de operación y eliminan el desperdicio de fin de rollo.

Los electrodos de acero suelen estar recubiertos de cobre, excepto los destinados a materiales resistentes a la corrosión o a ciertas aplicaciones nucleares. El recubrimiento de cobre prolonga la vida en almacenamiento, reduce el desgaste por roza- miento con el tubo de contacto y mejora la conductividad eléc- trica. Los electrodos se empacan de manera que duren mucho tiempo almacenados en interiores en condiciones normales.

El diámetro de los electrodos para soldadura por arco sumergido varía de 1.6 a 6.4 mm (]/I6 a 1/4 pulg). En la tabla 6.1 se presentan pautas generales para seleccionar el intervalo de amperaje. Los intervalos amplios son tipicos de la soldadura por arco sumergido.

FUNDENTES LOS FUNDENTES PROTEGEN el charco de soldadura de la atmósfe- ra al cubrir el metal con escoria fundida (fundente fusionado). Los fundentes limpian el charco de soldadura, modifican la compo- sición química del metal de soldadura e influyen en la forma que adquirirá la franja de soldadura y en las propiedades mecánicas que tendrá. Los fundentes son compuestos minerales granula- res que se mezclan de acuerdo con diversas formulaciones. De- pendiendo del método de fabricación elegido, los diferentes tipos de fundentes se fusionan, aglomeran o mezclan por medios mecánicos.

Fundentes fusionados PARA FABRICAR UN fundente fusionado, las materias primas se mezclan en seco y se funden en un homo eléctrico. Una vez fundida y después de agregarse cualesquier ingredientes finales, la carga del horno se vacía y enfria. El enfriamiento puede efectuarse disparando la mezcla a través de un chorro de agua o vaciándola sobre grandes bloques refrigerados. El resultado es un producto de aspecto vidrioso que se tritura, se pasa por mallas para uniformar su tamaño y se empaca.

Tabla 6.1 Alambres para arco sumergido - diámetros contra

intervalo de corriente

Diámetro del alambre P u b mm 5/64 2.3 3/32 2.4 1 I8 3.2

5/32 4.0 311 6 4.8 7/32 5.6 114 6.4

Intervalo de corriente (amperes)

200 - 500 300 - 600 300 - 800 400 - 900 500 - 1200 600 - 1300 600 - 1600

Fundentes aglomerados PARA FABRICAR UN fundente aglomerado, las materias primas se pulverizan, se mezclan en seco y se aglomeran con silicato de potasio, silicato de sodio o una mezcla de ambos. Ya aglomera- da, la mezcla húmeda se convierte en pelotillas y se cuece a una temperatura menor que la empleada con los fundentes fusionados. Las pelotillas se disgregan, se pasan por mallas para uniformar el tamaño y se empacan.

Entre sus ventajas están las siguientes:

(1) Es fácil añadir desoxidantes y elementos de aleación; estos últimos se agregan como ferroaleaciones o como metales elementales para producir aleaciones que no están fácilmente disponibles como electrodos, o para ajustar la composición del metal de soldadura.

(2) Se puede usar una capa de fundente más gruesa al soldar. (3) Se pueden identificar por su color.

Sus desventajas son las siguientes:

(1) Tendencia de algunos fundentes a absorber humedad como lo hacen los recubrimientos de algunos electrodos para soldadura por arco de metal protegido.

(2) Posible generación de gases a partir de la escoria fundida. (3) Posibles cambios en la composición del fundente debido

a segregación o eliminación de partículas de grano fino.

Fundentes mezclados mecánicamente PARA PRODUCIR UN fundente de mezcla mecánica, dos o mas fundentes fusionados o aglomerados se mezclan en la propor- ción necesaria para producir los resultados deseados.

La ventaja de los fundentes mezclados mecánicamente es la posibilidad de combinar varios fundentes comerciales para operaciones de soldadura extremadamente críticas o patentadas.

Los fundentes producidos por mezcla mecánica tienen las siguientes desventajas:

(1) Segregación de los fundentes combinados durante el

(2) Segregación dentro de los sistemas de alimentación y

(3) Inconsistencia del fundente combinado de una mezcla a

embarque, el almacenamiento y el manejo.

recuperación durante la operación de soldadura.

otra.



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Tamaño y distribución de partículas Los TAMAÑOS DE las particulas de fundente y su distribución uniforme dentro del material en cantidad son importantes porque afectan la alimentación y la recuperación, el nivel de amperaje y la tersura y forma de la franja de soldadura. Si se incrementa el amperaje, es recomendable reducir el tamaño medio de las partículas de los fundentes fusionados y aumentar el porcentaje de partículas pequeñas. Si el amperaje es demasiado alto con un tamaño de partícula dado, el arco puede ser inestable y producir franjas con bordes irregulares y discontinuos. Si se suelda acero con herrumbre, son preferibles los fundentes con partículas gruesas porque dejan escapar más fácilmente los gases.

Algunos fabricantes de fundentes incluyen en sus paquetes información de tamaño de partículas presentada en forma de dos números de malla. Los números representan los tamaños más grandes y más pequeños de partículas presentes cuando se usan mallas estandarizadas para medirlos. EI primer número identifica la malla a través de la cual pasan prácticamente todas las partículas, y el segundo, la malla a través de la cual no pasa prácticamente ninguna de las partículas.

Estos tamafios de partícula no proporcionan toda la infonna- ción que podría necesitarse. Por ejemplo, si se designa un fundente con tamaño de partícula 20 x 200, no se está indicando si el fundente es de grano grueso con algo de finos o de grano fino con algo de gruesos. Lo único que se conoce es el intervalo.

Algunos fabricantes de fundentes ofrecen cada uno de sus fundentes en un solo intervalo de tamaño de partícula, adaptado a un área general de aplicación del fundente.

Utilización del fundente SI EL FUNDENTE es demasiado fino, se apretara y no podrá alimentarse debidamente. Si un fundente fino o un fundente con cantidades pequeñas de partículas finas se recupera mediante un sistema de vacío, las partículas finas pueden quedar atrapadas en el sistema. Sólo las partículas gruesas volverán al sistema de alimentación para reutilizarse, lo que puede causar problemas de soldadura.

En aplicaciones en las que es importante la ausencia de hidrógeno, los fundentes deben mantenerse secos. Los fiindentes fusionados no contienen H,O unida químicamente (agua de hidratación), pero las partículas pueden tener humedad superf- cial. Los fundentes aglomerados contienen agua de hidratación y también pueden tener humedad superficial. Los fundentes aglomerados deben protegerse como se hace con los electrodos para arco de metal protegido bajos en hidrógeno. El Lisuario debe seguir las instrucciones del fabricante en cuanto a los procedimientos de estufado específicos.

Si se usan fundentes que contienen aleaciones, es necesario mantener una proporción fija entre las cantidades de fundente y de electrodo que se funden, a fin de obtener un metal de soldadura de composición consistente. Esta proporción la determinan realmente las variables del procedimiento de soldadura. Por ejemplo, si el proceso se aparta de una relación volt-ampere establecida, cambiará el contenido de aleación del metal de soi- dadura al cambiar la proporción de fusión del fundente y el electrodo.

Los fundentes también se identifican como quiiiiicaineiite básicos, químicamente ácidos o químicamente neutros. La basi-

cidad o acidez de un fundente tiene que ver con la facilidad con que los óxidos componentes del fundente se disocian para dar un catión metálico y un anión de oxígeno. Los fundentes químicamente básicos generalmente tienen un contenido elevado de MgO o Cao, en tanto que los fundentes quimica- mente ácidos por lo regular tienen un contenido considerable de SiO,.

La basicidad o acidez de un fundente muchas veces se expresa como la proporción entre Ca0 o MgO y SiO,. Los fundentes con proporciones mayores que uno se denominan químicamente básicos; aquellos en los que la proporción se acerca a la unidad son quínzicamente neutros, y los que tienen una proporción menor que la unidad son químicamente ácidos.

En fechas recientes, los fundentes básicos se han convertido en los fundentes principales para soldar aplicaciones críticas que requieren un control estricto de las propiedades y la quimica del depósito. La mayor parte de los fundentes de esta clase se formulan para depósitos específicos; p. ej., fundentes que estabilizan la pérdida de cromo o de carbono. Estos fundentes limitan la transferencia de silicio/manganeso/oxígeno de la escoria al metal de soldadura. Es posible conseguir fundentes básicos apropiados para cualquier material que pueda soldarse por arco sumergido.

SOLDADURA DE MATERIALES DE ACERO AL CARBONO Los MATERIALES DE acero al carbono por lo regular se sueldan con combinaciones de electrodo y fundente clasificadas bajo la nonna AWS A5.17, Electrodos de acero al carbono y fundentes para soldadura por arco sumergido. Los aceros típicos que se sueldan con estos consumibles se listan en ANSI/AWS D1.1, Acero de código de soldadura estructural, dentro de las clasificaciones de Grupo I y Grupo II. Estos aceros incluyen ASTM A 106 Grado B, A36, A5 16, Grados 55 a 70, A537 Clase 1, A570 Grados 30 a 50, API 5LX Grados X42 a X52 y ABS Grados A a EH36. Estos aceros habitualmente se suministran en la condi- ción recién rodada o nonnalizados.

En la tabla 6.2 se dan las propiedades mecánicas mínimas para diversas combinaciones de alambre/fundente. Al seleccionar consumibles para SAW, es preciso que tanto la resistencia a la tensión y al vencimiento mínimas como las propiedades de tenacidad de muesca (si se requieren) del metal de soldadura coincidan con las del metal base. En las cartas de comparación de metales de aporte de la AWS (A WS Filler Metal Couryarisotz Charts) se Indican los productos comerciales que se ajustan a las clasificaciones de alainbre/fundente de la AWS listadas en la tabla 6.2. En aplicaciones especiales, sobre todo en ensambles de acero al carbono sujetos a tratamiento térmico de larga duración después de la soldadura, es posible que se requieran los consuinibles de baja aleación para soldadura por arco sumergido cubiertos por ANSI/AWS A5.23, Especificaciones pnra electrodos yfrrtzdentes de acero de baja aleaciórz, a fin de igualar las propiedades de resistencia a la tensión del metal base. En ANSI/AWS A5.23 se da una lista de los consumibles de soldadura que se emplean con materiales base de acero al carbono para cumplir con requisitos especiales de tenacidad de muesca.



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Tabla 6.2 Propiedades mecánicas minimas con consumibles de acero al carbono cubiertos Dor AWS A517

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Resistencia Resistencia Clasificación Condición a la tensión al vencimiento % de alargamiento Valores Charpy de impacto

AWS dexhk~dura KSI MPA KSI MPA en 2 pulg (pies-Lb) (Joules) Temp. de prueba

F6A2-EL12 AW 60 414 40 331 22 20 27 (-29°C) -20°F F6A2-EL12 AW 60 414 40 331 22 20 27 (-51°C) -60°F F7A2-EL12 AW 70 403 50 400 22 20 27 (-29°C) -20°F F6P4-EM12K SR 60 414 40 331 22 20 27 (-40°C) -40°F F7A2-EM12K AW 70 403 50 400 22 20 27 (-29°C) -20°F F7A6-EM12K AW 70 483 58 400 22 20 27 (-51°C) -60°F F7A2-EH14 AW 70 403 50 400 22 20 27 (-29°C) -20°F

1. Las propiedades mecánicas reales logradas pueden exceder significativamente los valores mínimos dados. 2. El tipo de fundente (fabricación) con que se suelda influye de manera importante sobre las propiedades de impacto CVN del metal de soldadura. 3. Debe tenerse cuidado si estos depósitos metálicos se someten a liberación de tensiones, ya que su resistencia mecánica final puede ser inferior a la del metal base. 4. Datos de prueba en placas de 1 pulgada de espesor (placa ASTM A36).

5. Después de liberación de tensiones a 621 “C (1 150°F) durante una hora.

Requisitos de precalentamiento y temperatura máxima entre pasadas LAS TEMPERATURAS DE precalentamiento mínimas para soldar aceros estructurales con SAW se dan en la tabla 4.3 de AN- SYAWS D 1.1-90. En el apéndice XI del mismo documento se presentan métodos alternativos para determinar las temperaturas mínimas de precalentamiento y entre pasadas para aceros similares. Aunque estas temperaturas de precalentamiento mínimas son en general aceptables, hay que tener presente que ciertos diseños de unión y consumibles de soldadura de resistencia mecánica alta producen esfuerzos residuales elevados cuando se usan con materiales base de acero al carbono, y esto puede requerir precalentamiento a temperatwas más altas para evitar tanto el agrietamiento por licuefacción como el agrietamiento retardado (por hidrógeno). Otros códigos o especificaciones de ingeniería pueden requerir precalentamiento a temperaturas más altas que las especificadas o las calculadas usando ANSI/AWS D1.1.

La temperatura entre pasadas máxima al soldar aceros al carbono por lo regular es de 260°C (500°F). Los estudios realizados han demostrado que al aumentar las temperaturas de precalentamiento y entre pasadas, también aumenta el tamaño de la zona térmicamente afectada y se reduce la resistencia a la tensión y la tenacidad de muesca tanto del metal de soldadura depositado como de la zona térmicamente afectada. Es posible que se especifiquen temperaturas máximas entre pasadas más bajas cuando sea preciso obtener propiedades mecánicas especiales, como por ejemplo propiedades de tenacidad de muesca mínimas a bajas temperaturas.

Condiciones de servicio especiales ALGUNOS COMP0”rES DE acero al carbono que se sueldan por arco sumergido se usan en condiciones de servicio en las que la dureza del metal de soldadura, de la zona térmicamente afectada y de las placas no debe exceder un nivel máximo especificado.

Esto sucede comúnmente en la industria petrolera en los casos en que los componentes se exponen a sulfuro de hidrógeno gaseoso húmedo. Se ha visto que si la dureza se mantiene por debajo de cierto nivel que depende del tipo de material y de las condiciones de servicio, se puede evitar que haya agrietamiento por tensión de corrosión.

La dureza se controla seleccionando consumibles de soldadura que produzcan metal depositado de baja dureza menor que 200 Brinell para acero al carbono o precalentando el trabajo o incrementando el aporte de calor durante la soldadura. EI precalentamiento del trabajo y el aumento en el aporte de calor hacen más lenta la tasa de enfriamiento de la soldadura y producen metal de soldadura más blando y microestructras en la zona tér- micamente afectada.

El tratamiento térmico después de soldar también puede reducir la dureza del metal de soldadura, de la zona térmicamen- te afectada y de metal base.

ELECTRODOS Y FUNDENTES DE ACERO AL CARBONO LA ESPECIFICACIÓN AWS A5.17 prescribe los requisitos que deben cumplir los electrodos y fundentes para soldadura por arco sumergido de aceros al carbono. Los electrodos sólidos se clasifican con base en su composición química (de fábrica), en tanto que los electrodos compuestos se clasifican según la química del depósito. Los fundentes se clasifican con base en las propiedades del metal de soldadura que se obtienen cuando se usan con electrodos específicos. En la tabla 6.3 se muestra el sistema de clasificación para las combinaciones fundente-electrodo.

Los aceros al carbono se definen como aceros que tienen adiciones de carbono de hasta 0.29%, de manganeso de hasta 1.65%, de silicio de hasta 0.60% y de cobre de hasta 0.60%, sin especificarse intervalos para otros elementos de aleación.

Los fundentes se clasifican con base en la composición química y en las propiedades mecánicas del metal de soldadura



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Tabla 6.3 Sistema de clasificación para combinaciones fundente-electrodo

Consulte la publicación A5.17 de la AWS (Última edición) si desea información adicional

Indica fundente

Indica la resistencia mínima a la tensión [en incrementos de 10 O00 psi (69 MPa)] del metal de soldadura depositado de acuerdo con las condiciones de soldadura dadas y empleando el fundente que se clasifica y un electrodo con la clasificación especifica que se indica.

Designa las condiciones de tratamiento térmico en que se efectuaron las pruebas: "A" indica recién soldado, y?', tratado térmicamente después de la soldadura. EI tiempo y la temperatura del tratamiento térmico postsoldadura son los que se especifican.

I- Indica la temperatura minima (en O F ) a la que la resistencia al impacto del metal de soldadura arriba mencionado es de 27 J (20 pies-lb) o mas.

E indica un electrodo sólido; EC indica un electrodo compuesto

I I . . . . . FXXX-EXXX

T- I Clasificación del electrodo empleado para producir la soldadura a la que se refiere Io anterior.

Ejemplos F7A6-EM12K es una designación completa. Se refiere a un fundente que produce metal de soldadura que, en la condición recién soldada, tiene una resistencia a la tensión de por Io menos 70 O00 psi (480 MPa) y resistencia al impacto Charpy de muesca en "V" de por Io menos 27 J (20 ft-lb) a -51°C (-60°F) cuando se produce con un electrodo EM12K en las condiciones que prescribe esta especificación. F7A4-ECl es una designación completa para un fundente cuando también se indica la marca del electrodo empleado para la clasificación. Se refiere a un fundente que con dicho electrodo produce metal de soldadura que, en la condición recién soldada, tiene una resistencia a la tensión de por lo menos 70 O00 psi (480 MPa) y energia Charpy de muesca en 'V" de por Io menos 27 J (20 pies-lb) a -40°C (-4O"F), cuando se produce en las condiciones que prescribe esta especificación.

depositado con un electrodo de una clasificación específica. La selección de los consumibles de SAW dependerá de las propiedades químicas y mecánicas que deba tener el componente que se fabrica, de la posición de soldadura (lG, 2G, 2F), y de la preparación que deba recibir la superficie del acero por soldar.

Los fabricantes de consumibles para SAW producen combinaciones de electrodo/fundente formuladas para satisfacer requisitos específicos de propiedades químicas y mecánicas y de condicones de soldabilidad. Si se usan electrodos compuestos, se recomienda comprar los consumibles siempre al mismo fabricante. En cambio, si se usan electrodos sólidos, el usuario puede escoger entre los fundentes disponibles para usarse con una clasificación de electrodo AWS dada. Cabe señalar que la elec- ción del electrodo influye de manera más importante sobre la química del metal de soldadura depositado, en tanto que la elec- ción del fundente afecta más las propiedades de impacto Charpy de muesca en " V (CVN) y la soldabilidad global de la combi- nación electrodo/fundente. Al seleccionar los consumibles para SAW, conviene tener presentes los siguientes aspectos:

(1) Conveniencia de escoger un fundente "neutral" o "activo". Un fundente neutral añade pocos elementos de aleación, o ninguno, al depósito de soldadura, en tanto que un fundente activo agrega elementos de aleación al metal de soldadura depositado. Los fundentes activos suelen preferirse para operaciones de soldadura de una sola pasada; su empleo en aplicaciones de múltiples pasadas puede estar limitado por las especificaciones de ingeniería, dada la posibilidad de que haya una acumulación

excesiva de elementos de aleación en el metal de soldadura depositado.

(2) Si los fundentes que se están considerando tienen una composición química debidamente equilibrada para usarse con una clasificación de electrodo dada.

(3) Los requisitos de propiedades mecánicas exigidos. Esto incluye las propiedades de impacto CVN, así como la resistencia mecánica y la ductilidad del depósito resultante.

(4) Aplicabilidad de una combinación electrodo/fundente dada, lo que incluye la capacidad para mojar las paredes de la unión sin socavamiento ni traslapo en frío, la capacidad para soldar sobre orín e incrustaciones y la facilidad de eliminación de la escoria.

SOLDADURA DE MATERIALES DE ACERO DE BAJA ALEACIÓN LOS MATERIALES DE acero de baja aleación se sueldan con combinaciones de electrodo y fundente clasificadas según AN- Si/AWS A5.23. Los aceros de baja aleación se dividen en muchos subgrupos, y se utiliza la composición química y la resistencia a la tensión de los aceros como criterios para determinar cuáles consumibles de SAW conviene elegir para soldar las uniones. En muchos casos, es indispensable que la composi- ción del metal de soldadura sea similar a la del metal base en términos de elementos de aleación, a fin de satisfacer los requisitos de servicio. Esto tiene especial importancia en el caso de



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componentes que se usarán a temperaturas mayores que 345°C (650”F), ya que aquí ia resistencia a la oxidación y las propiedades de alta resistencia a la tensión son esenciales. A continuación describimos los grupos principales de aceros de baja aleación.

Aceros de baja aleación de alta resistencia mecánica LOS ACEROS DE baja aleación y alta resistencia mecánica son aceros con adiciones químicas relativamente bajas -por lo regular de menos del 1 %- de Cr, Cu, Ni, Cb y V. El fabricante por lo regular suministra estos aceros en las condiciones recién roladas, normalizado o extinguido y templado, dependiendo de los requisitos de especificación del material. Los aceros que se sueldan con consumibles de SAW cubiertos por ANSI/AWS A5.23 incluyen las especificaciones ASTM A242, A537 Clases 1 y 2, A572 Grados 42-65, A588 y A633 Grados A-E. Cabe señalar que algunos de estos aceros también pueden soldarse con consumibles especificados en ANSI/AWS A5.17; la elección depende de los requisitos de propiedades mecánicas.

Los aceros ASTM A242 y A588 son resistentes a la oxida- ción. En algunas aplicaciones estos materiales deben soldarse con combinaciones de electrodo/fundente que produzcan soldaduras con el mismo aspecto y resistencia a la oxidación que el material base.

Algunos de los aceros amba mencionados se producen en versiones “microaleadas” que generalmente pueden conseguirse en Japón o en Europa. Las adiciones de microaleación son cantidades de menos del O. 1 % de boro, colombio y vanadio. Muchos de 10s aceros microaleados soldables tienen resistencias a la tensión de hasta 80 ksi (552 MPa).

Acero de baja aleación extinguido y templado con alta resistencia al vencimiento LOS ACEROS DE baja aleación extinguidos y templados, con alta resistencia al vencimiento, son similares a los aceros de baja aleación y alta resistencia mecánica de los que hablamos en la subsección anterior, excepto que tienen mayores adiciones de elementos de aleación, de hasta alrededor del 2% de Cr, Cu, Ni, Cb y V. Estos aceros siempre se suministran en la condición tratada térmicamente. Entre los aceros típicos que se sueldan con consumibles de SAW cubiertos por ANSI/AWS A5.23 están ASTM A514 y A517. Hay muchos grados distintos de estos aceros cuya composición química vana. Si se sueldan estos aceros, conviene consultar con el fabricante del acero para detenninar cuáles consumibles recomienda. La selección de la combi- nación electrodo/fundente depende del espesor de los aceros y de las propiedades mecánicas requeridas, incluidas las de tenacidad de muesca.

Aceros al carbono-molibdeno LOS ACEROS AL carbono-molibdeno son similares a los aceros al carbono excepto que tienen una adición de cerca del 0.5% de molibdeno. Estos aceros se emplean en recipientes a presión o tu- berías que operan a temperaturas elevadas. Incluyen piezas forjadas de ASTM A204 Grados A, B, y C y ASTM A182 Grado FI.

Los aceros al carbono-molibdeno se producen en las condiciones recién rolada o normalizada. Después de soldar, es recomendable aplicar tratamiento térmico al ensamble.

Aceros al cromo-molibdeno LOS ACEROS AL cromo-molibdeno son aceros que contienen cantidades variables de cromo, hasta una composición química nominal dei 9%, y de molibdeno hasta una composición química nominal del 1 %. Por lo regular, el fabricante suministra estos aceros en las condiciones recocida, normalizada y templada o extinguida y templada. Estos aceros también se usan en recipientes a presión y tuberías que trabajan a temperaturas elevadas. Incluyen ASTM A387 grados 2,5,7,9,11,12,21 y 22 y ASTM A182 grados de forjado F2, F5, F7, F9, F11, F12, F21 y F22.

Otros aceros de aleación HAY UN GRAN número de aceros al níquel, al níquel-molibdeno, al níquel-cromo-molibdeno y de otro tipo que pueden soldarse empleando consumibles cubiertos por ANSI/AWS A5.23.

ELECTRODOS Y FUNDENTES PARA ACEROS DE BAJA ALEACIÓN Los ACERO DE baja aleación por io regular tienen menos del 10% de cualquier elemento de aleación individual. El metal de soldadura de acero de baja aleación pude depositarse con electrodos sólidos de acero de aleación, fundentes que contienen los elementos de aleación y electrodos compuestos cuyo núcleo contiene los elementos de aleación. Los electrodos de acero de aleación y los electrodos compuestos normalmente se sueldan bajo un fundente neutral. Los fundentes con elementos de alea- ción generalmente se usan con electrodos de acero al carbono para depositar metal de soldadura aleado. Hay muchas combinaciones electrodo/fundente disponibles.

ANSI/AWS A5.23 prescribe requisitos para los electrodos sólidos y compuestos y los fundentes que se usan para soldar aceros de baja aleación. Los fundentes se clasifican de acuerdo con las propiedades de metal de soldadura que se obtienen cuando se usan con electrodos específicos. En la versión más reciente de la especificación se detalla la composición química que deben tener los electrodos o los depósitos, o ambos, además de otra información.

ACEROS INOXIDABLES LOS ACEROS INOXIDABLES pueden satisfacer una amplia gama de requerimientos para íos productos terminados, como resistencia a la corrosión, resistencia mecánica a temperaturas elevadas y tenacidad a temperaturas criogénicas, y se seleccionan para una gran variedad de aplicaciones.

Los aceros inoxidables más utilizados en aplicaciones industriales que implican soldadura se clasifican como sigue:

(1) Martensíticos. (2) Ferríticos. (3) Austeníticos. (4) Endurecibles por precipitación. (5) Dúplex, o ferríticos-austeníticos.



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Los metales de aporte para procesar estos aceros se especifican en ANSYAWS A5.9, Especificación de electrodos y varillas para soldar, de acero al cromo y al cromo-níquel, resistentes a la corrosión, desnudos y compuestos, con núcleo metálico y trenzados.

pansión lineal de unmetal de soldadura austenítico. En los casos en que se especifica recocido a 790°C (145OOF) después de soldar, el metal de aporte austenitico deberá ser de un grado estabilizado o de bajo carbono para evitar la precipitación de carburos.

ACEROS INOXIDABLES AUSTENíTICOS No todos los aceros inoxidables se pueden soldar fácilmente con el proceso de arco sumergido, y algunos requieren conside-

I . _ - raciones especiales. En el caso de los aceros inoxidables y las aleaciones con base de níquel, la principal ventaja de la soldadura por arc0 sumergido -10 elevado de SUS tasas de deposición- en ocasiones se convierte en una desventaja. Al aumentar la tasa de deposición, también aumenta el aporte de calor, y en los ace-

Los ACEROS INOXIDABLES son en esencia aleaciones cr0mo-d- quel, y están cubiertos por las clasificaciones AISI 300. Se emplean los metales de aporte AWS ER3XX correspondientes 0 metales de aporte de la serie 300 con características superiores en más del 90% de las aDlicaciones de soldadura de acero

ros inoxidables un aporte de calor alto puede causar cambios mi- croestructurales indeseables. En las secciones que siguen se presentan comentarios breves relativos a cada una de las clases de aceros inoxidables y las consideraciones de soldadura pertinentes.

ACEROS INOXIDABLES MARTENSíTICOS Los ACEROS INOXIDABLES martensíticos de la sene AISI “400” tienen entre 11.5 y 18% de Cr como principal elemento de alea- ción. El tipo AISI 410, que también puede producirse como un producto colado conocido como CA-15, tiene entre 11.5 y 13.5% de cromo. Hay un grado para colado relativamente nuevo, de bajo carbono, con 13 Cr-4.5 Ni-0.5 Mo (CA-6NM) que ofrece mayor resistencia mecánica y tenacidad, es más soldable y posee mayor resistencia a la corrosión que el grado para colado CA-15 tradicional. Ambas aleaciones son aceros inoxidables martensíticos.

Los aceros de la sene AISI 500 (por ejemplo, el tipo 502 con 5 Cr-0.5 Mo y el tipo 505 con 9 Cr-1 Mo) son resistentes al calor, aunque no se clasifican como inoxidables porque su contenido de cromo está bastante por debajo del 11 % mínimo requerido.

,Pese a ello, son martensíticos. Si los aceros inoxidables martensíticos se enfrían rápidamen-

te, adquieren una estructura quebradiza. El precaleiitainiento del metal base retarda la tasa de enfriamiento, reduce los esfuerzos por contracción y permite que escape el hidrógeno disuelto.

ACEROS INOXIDABLES FERRiTICOS LA SERIE AISI 400 también abarca los aceros inoxidables ferriticos. Si el contenido de cromo de los aceros rebasa el 18%, la estructura metalúrgica predominante será la ferrita, incluso a temperaturas elevadas, siempre que el contenido de carbono sea bajo. Los aceros inoxidables ferriticos se endurecen relativamente poco. Como son muy magnéticos, son propensos al golpe de arco durante la soldadura. Si el calor de la soldadura hace que el carbono y el nitrógeno se combinen con el cromo para formar carburos y nitruros en las fronteras de los granos, el resultado puede ser una corrosión intergranular, aunque no en el grado en que ocurre con los aceros inoxidables austeníticos.

Por los problemas de pérdida de ductilidad, no se considera que los aceros inoxidables ferríticos sean fáciles de soldar, y no hay metales de aporte estándar ampliamente disponibles. Es posible adquirir alambre inoxidable con núcleo de fundente mediante pedido especial a diversos fabricantes. A menudo se usan los metales de aporte austeníticos 309, 310 y 312 en las aplicaciones en que es posible conciliar las diferencias en las carac- terísticas de resistencia a la corrosión y el mayor coeficiente de ex-

inoxidable. Estas soldaduras tienen resistencia a la corrosión aceptable y excelente resistencia mecánica a temperaturas tanto altas como bajas, y se caracterizan por un alto grado de tenacidad incluso en la condición recién soldada. Al ser austeníticos, estos soldamentos carecen casi por completo de magnetismo y no son propensos al golpe de arco durante su soldadura.

Si bien los aceros inoxidables austeníticos de la serie 300 se sueldan con mayor facilidad que los de la serie 400, hay varios factores peculiares a los aceros inoxidables de la serie 300 que es preciso considerar para garantizar la producción de ensambles soldados satisfactorios. En comparación con los aceros al carbono ordinarios, los aceros de baja aleación y los aceros inoxidables de la serie 400, los aceros inoxidables tienen puntos de fusión más bajos, mayor resistencia eléctrica, la tercera parte de la conductividad térmica y coeficientes de expansión casi 50% más altos. Por estas razones, se requiere un menor aporte de calor (corriente más baja) para la fusión, y el calor se concentra en una zona pequeña adyacente a la soldadura. La mayor expansión térmica puede causar deformación o distorsión, sobre todo en secciones delgadas, lo que sugiere una mayor necesidad de guías para mantener el control dimensional.

La estructura de los metales de soldadura de acero inoxidable austenítico varía desde totalmente austenítica en el tipo 3 10 hasta austenítica-ferrítica de fase doble en los tipos 308, 309, 3 12 y 316. Es deseable un poco de ferrita en tales soldamentos a fin de mejorar la resistencia al agrietamiento. Las técnicas para medir el número de ferrita (FN) de metales de soldadura de acero inoxidable se describen en ANSIIAWS A4.2, Procedinzieiztos estándar de calibracióiz de instrumentos magnéticos para medir el contenido de delta ferrita de metales de soldadura de acero inoxidable austcnitico. El número de ferrita deberá ser mayor que 7 para garantizar una resistencia al agrietamiento adecuada y una buena resistencia al impacto a bajas temperaturas, pero no deberá ser mayor que 10FN si se desea evitar la formación de una fase sigma quebradiza cuando el ensamble soldado se expone a temperaturas dentro del intervalo de 900 a 1700°F.

ACEROS INOXIDABLES ENDURECIBLES POR PRECIPITACIÓN LOS ACEROS INOXIDABLES endurecibles por precipitación (PH) son una familia de aleaciones Fe-Cr-Ni con aditivos como cobre, molibdeno, colombio, titanio y aluminio. El endurecimiento por precipitación ocurre cuando una disolución sólida sobreenfriada (recocida en solución) cambia de estructura metalúrgica al en- vejecer. La ventaja de los aceros PH es que los componentes pueden fabricarse en la condición recocida y posteriormente



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endurecerse (fortalecerse) mediante un tratamiento a 480-590°C (900-1 100°F), con lo que se minimizan los problemas asociados con la extinción a altas temperaturas. Es posible lograr niveles de resistencia mecánica de hasta 260 ksi (1 800 MPa) (lo que excede la resistencia mecánica de los aceros inoxidables martensí- ticos) con una resistencia a la corrosión similar a la del tipo 304.

Los aceros PH se dividen en tres grupos generales: aceros inoxidables PH martensíticos, PH semiausteníticos y PH auste- niticos. La AWS no ha publicado especificaciones “PH’, pero es posible conseguir electrodos de patente.

ACEROS INOXIDABLES DUPLEX Los ACEROS INOXIDABLES dúplex tienen una microestructura en parte austenitica y en parte ferrítica. Muchos grados de acero inoxidable austenitic0 son de “fase doble”, con niveles de ferrita que van desde 7FN en el tipo 308 hasta más de 28FN en el tipo 3 12. Los grados dúplex tienen cerca del 50% de femta. Son bajos en carbono y por lo regular contienen entre 0.10 y 0.20 de nitrógeno. Las uniones soldadas en aceros inoxidables duplex que no contienen nitrógeno pueden tener zonas ténnicamente afectadas totalmente ferríticas y contener la fase sigma quebradiza. El tipo 312 no es un grado duplex en virtud de su alto contenido de carbono.

Los aceros inoxidables dúplex combinan algunas de las ca- racterísticas más favorables de los aceros inoxidables austeniti- cos (que son vulnerables al agrietamiento por corrosión de tensión [SCC] en entomos ricos en cloruros) y los aceros inoxidables ferriticos (que son quebradizos). En comparación con los grados austeníticos de baja femta, los grados de metal de aporte duplex de ferrita-austenita presentan una resistencia mecánica elevada (de más del doble de la resistencia al vencimiento), un mejoramiento extraordinario de la resistencia a la SCC en diso- luciones de cloruros, pero menor ductilidad y tenacidad.

Se han usado con éxito metales de aporte de acero inoxidable duplex patentados en muchas aplicaciones. Estos inetales de aporte deben tener un contenido intencionalinente elevado de austenitizadores, sobre todo níquel, aunque también nitrógeno. Todavía no hay especificaciones de la AWS para ellos.

ELECTRODOS Y FUNDENTES DE ACERO INOXIDABLE ANSIIAWS AS.9 CUBRE~OS metales de aporte para soldar aceros al cromo y al cromo-níquel resistentes a la corrosión o al calor. Esta especificación incluye aceros en los que el cromo excede el 4% y el níquel no excede el 50% de la composición. Los electrodos de alambre sólido se clasifican con base en su com-

posición química de fábrica, y los electrodos compuestos, con base en el análisis químico de una muestra fusionada. Para estas aleaciones se emplea el sistema de numeración del American Iron and Steel Institute (AISI).

Los fundentes para SAW de acero inoxidable son patentados, por lo que conviene consultar con los fabricantes para conocer sus recomendaciones. Hay fundentes para soldar por arco sumergido aleaciones inoxidables en presentaciones fusionadas y aglomeradas. Algunos fundentes aglomerados contienen cromo, níquel, molibdeno o colombio para reemplazar los elementos que se pierden en el arco. Los nuevos fundentes químicamente básicos han demostrado una recuperación de elementos más consistente que los tipos anteriores ácidos o menos básicos. EI rendimiento de los fundentes en la soldadura de acero inoxidable puede depender del cuidado que el usuario tenga al manipular y reutilizar el fundente. Los fundentes excesivamente reciclados pueden empobrecerse en elementos compensadores. Conviene consultar las recomendaciones del fabricante en cuanto al manejo y el reciclaje del fundente.

Aceros de aleación al níquel LOS ACEROS DE aleación al níquel contienen entre 1 y 3.5% de níquel. Estos aceros se emplean en aplicaciones de baja temperatura [por debajo de -46°C (-50”F)I porque tienen buenas propiedades de tenacidad de muesca a bajas temperaturas. En este grupo se incluyen los grados A, B, C, D, E y F de ASTM A203 y los grados LF3, LF5 y LF9 de ASTM A350.

AI seleccionar consuinibles (electrodo/fundente), las carac- terísticas importantes que se debe tratar de igualar son la resistencia a la tensión mínima y la tenacidad de muesca mínima del metal base. Por lo regular, es difícil lograr valores de impacto superiores a los 20 pies-lb a -100°F en soldaduras de SAW.

Electrodos y fundentes para níquel y aleaciones de níquel HAY ELECTRODOS DEníquei y de aleación de níquel disponibles en fonna de alambre para soldadura por arco sumergido. AN- SI/AWS AS. 14, Especificacióii para electrodos y varillas des- niidos para soldar Iiíqirel y aleaciorzes de níquel, cubre los inetales de aporte de niquel y de aleaciones de níquel. Los electrodos se clasifican de acuerdo con su composición química de fábrica. Si desea iiifonnación específica sobre estos electrodos, consulte la versión más reciente de la especificación. Los fuiidentes para SAW de níquel y aleaciones de níquel tienen composicioiies patentadas; conviene consultar con los fabricantes para conocer sus recomendaciones.

APLICACIONES GENERALES DEL PROCESO LA SAW SE usa en Lina amplia gaina de aplicaciones iiidustria- les. La alta calidad de la soldadura, las elevadas tasas de depo- sicióti, la penetración profunda y la adaptabilidad a la operación automática hacen que el proceso sea apropiado para la fabrica- cióii de ensambles soldados grandes. La SAW se usa mucho en

la fabricaciónde recipientes a presión, la construcción de barcos, barcazas y carros de ferrocarril, ia fabricación de tuberías y la manufactura de miembros estructurales que requieren soldaduras largas. Algunas instalaciones de SAW automática producen en masa ensambles tinidos con soldaduras cortas repetitivas.



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El proceso se emplea para soldar materiales que van desde láminas de 1.5 mm (0.06 pulg) de espesor hasta soldamentos gruesos y pesados. La soldadura por arco sumergido no es apropiada para todos los metales y aleaciones. Se le utiliza mucho con aceros al carbono, aceros estructurales de baja alea- ción y aceros inoxidables. Une algunos aceros estructurales de alta resistencia mecánica, aceros de alto carbono y aleaciones de níquel, pero es posible obtener mejores propiedades de unión en

esos metales empleando un proceso con menor aporte de calor al metal base, como la soldadura por arco de metal y gas.

La soldadura por arco sumergido se emplea para soldar uniones a tope en la posición plana, para soldaduras de filete en las posiciones plana y horizontal, y para recubrimientos en la posición plana. Si se cuenta con herramental y fijaciones especiales, es posible soldar uniones traslapadas y a tope en la posición horizontal.

VARIABLES DE OPERACIÓN EL CONTROL DE las variables de operación en la soldadura por arco sumergido es indispensable para obtener tasas de produc- ción elevadas y soldaduras de buena calidad. Estas variables, en orden aproximado de importancia, son las siguientes:

AMPERA JE DE SOLDADURA LA C O ~ ~ ~ E D E s ~ l d a d ~ r a es la va-k~ble más influyente porque controla la rapidez con que se funde el electrodo, y por tanto la tasa de deposición, la profundidad de penetración y la cantidad de metal base fundido. Si la comente es demasiado alta a una Amperaje de soldadura.

Tipo de "fundente y distribución de partículas. Voltaje de soldadura. Velocidad de soldadura. Tamaño del electrodo. Extensión del electrodo. Tipo de electrodo. Anchura y espesor de la capa de fundente.

velocidad de desplazamiento determinada, la profundidad de fusión o penetración será excesiva. La soldadura resultante puede tender a atravesar de lado a lado el metal base que se es- tá uniendo. Una comente alta también propicia el desperdicio de electrodos al reforzar demasiado la soldadura, lo que incrementa la contracción de la soldadura y causa mayores distor- siones.

Si la corriente es demasiado baia. el resultado Duede ser una _ I I

El operador debe saber qué efecto tienen las variables sobre penetración insuficiente o una fusión incompleta. El efecto de las variaciones en la corriente se muestra en la figura 6.15. la acción de soldadura, y cómo deben ajustarse.

SOLDADURA SEMIAUTOMÁTICA ALAMBRE DE 2.4 rnm (3/32 pulg), 35 V,

1 O rnrn/s (24 pulglrnin)

SOLDADURA TOTALMENTE AUTOMÁTICA ALAMBRE DE 5.6 mm (7/32 pulg), 34 V,

13 mm/s (30 pulglrnin)

350 500 650 A A A

700 1 O00 850 A A A

Fiaura 6.15-Efecto de variar el amperaie sobre la forma v penetración de la frania de soldadura



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Tres reglas relativas a la corriente de soldadura son:

(i) Si se incrementa la comente aumenta la penetración y la

(2) Una comente demasiado alta produce un arco excavador

(3) Una comente de soldadura demasiado baja produce un

tasa de fusión.

y socavamiento, o una franja alta y angosta.

arco inestable.

VOLTAJE DE SOLDADURA EL AJUSTE DEL voltaje de soldadura hace variar la longitud del arco entre el electrodo y el metal de soldadura fundido. Si se incrementa el voltaje global, la longitud del arco aumentará; si se reduce el voltaje global, el arco se hará más corto.

El voltaje casi no afecta la tasa de desposición del electrodo, que depende de la comente de soldadura. El voltaje determina sobre todo la forma de la sección transversal de la franja de soldadura y el aspecto externo de esta última. En la figura 6.16 se ilustra este efecto.

Las consecuencias de incrementar el voltaje de soldadura manteniendo constantes la comente de soldadura y la velocidad de desplazamiento son:

(1) Una franja de soldadura más plana y ancha. (2) Mayor consumo de fundente. (3) Tendencia a reducir la porosidad causada por orín o

(4) Se tapa mejor una abertura de raíz excesiva cuando el incnistaciones en el acero.

embonamiento es deficiente.

(5) Mayor absorción de elementos de aleación de un fundente de aleación.

Las consecuencias de un voltaje de arco excesivo son:

(1) Franja de soldadura ancha propensa al agrietamiento. (2) Problemas para eliminar la escoria en las soldaduras de

(3) Soldadura cóncava que puede ser propensa al agneta-

(4) Mayor socavamiento en los bordes de las soldaduras de

surco.

miento.

filete.

Si se reduce el voltaje se obtiene un arco más “rígido”, con lo que se mejora la penetración en surcos de soldadura profundos y se reduce la tendencia al golpe de arco. Un voltaje demasiado bajo produce una franja alta y angosta que dificulta la elimina- ción de la escoria a lo largo de sus bordes.

VELOCIDAD DE DESPLAZAMIENTO CON CUALQUIER COMBINACIÓN de comente y voltaje de soldadura, los efectos de alterar la velocidad de desplazamiento se ajustan a un patrón general. Si se aumenta la velocidad, (1) se reduce el aporte de potencia o calor por unidad de longitud de la soldadura y (2) se deposita menos metal de aporte por unidad de longitud de la soldadura, con lo que se reduce el refuerzo de esta última. Así, la franja de soldadura se hace más pequena, coino se aprecia en la figura 6.17.

SOLDADURA SEMIAUTOMATICA ALAMBRE DE 2.4 mm (3/32 pulg), 500 A,

10 rnrn/s (24 pulglmin)

25 35 45 V V V

SOLDADURA TOTALMENTE AUTOMÁTICA ALAMBRE DE 5.6 mrn (7/32 pulg), 850 A,

13 rnrnls (30 pulglmin)

27 V

45 34 V V

Figura 6.16-Efecto de las variaciones en el voltaie del arco sobre la forma y penetración de la franja de soldadura



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SOLDADURA SEMIAUTOMÁTICA ALAMBRE DE 2.4 mm (3/32 pulg), 500 A, 35 V

SOLDADURA TOTALMENTE AUTOMÁTICA ALAMBRE DE 5.6 mm (7/32 pulg), 850 A, 34 V

5 mm/s 10 mm/s 20 mm/s (1 2 puiglmin) (24 pulglmin) (48 pulglmin)

13 mm/s 25 mm/s 6 mm/s (60 Dulohnin) (I 5 pulglmin) (30 pulglmin)

~~ ~~~

Figura 6.17-Efecto de variar la velocidad de recorrido sobre la forma y penetración de la franja de soldadura

La penetración de la soldadura acusa más efectos por la velocidad de desplazamiento que por cualquier otra variable excepto la corriente. Esto no sucede a velocidades excesivamente bajas, cuando el charco de soldadura queda debajo del electrodo. En este caso la fuerza de penetración del arco es amor- tiguada por el metal fundido. Una velocidad excesiva puede causar socavamiento.

Dentro de ciertos límites, la velocidad de recorrido puede ajustarse para controlar el tamaño y la penetración de la soldadura. En este sentido, está relacionada con la corriente y el tipo de fundente. Una velocidad de desplazamiento excesiva promueve el socavainiento, el golpe de arco, la porosidad y la irregularidad en la forma de la franja. Si la velocidad es relativamente baja, los gases tienen tiempo de escapar del metal fundido y se reduce la porosidad. Una velocidad demasiado alta produce (1) una franja de forma convexa propensa al agrietamiento, (2) una exposición excesiva del arco, lo que resulta molesto para el operador y (3) un charco de soldadura grande que fluye alrededor del arco y produce una franja áspera con inclusiones de escoria.

TAMANO DEL ELECTRODO EL TAMANO DEL electrodo afecta la forma de la franja de soldadura y la profundidad de penetración a una corriente determinada, como puede verse en la figura 6.18. Los electrodos de diámetro pequeño se usan con equipo semiautomático porque así se tiene más flexibilidad de movimiento. También se emplean en equipo de potencia paralela y de múltiples electrodos. Si el embonamiento es deficiente, un electrodo de diámetro grande es mejor que uno pequeño para cubrir las aberturas de raíz anchas.

El tamaño del electrodo también influye en la tasa de depo- sición. A una comente dada, un electrodo de diámetro pequeño tiene mayor densidad de corriente y una tasa de deposición mayor que uno más grueso. Por otro lado, los electrodos de diámetro grande pueden transportar más comente que los pe- queños, y producir una tasa de deposición más alta a amperajes elevados. Si la velocidad de alimentación del electrodo deseada es más alta (o más baja) que la que puede mantener el motor alimentador, puede lograrse la tasa de deposición deseada cambiando a un electrodo más grueso (o más delgado).

EXTENSION DEL ELECTRODO A DENSIDADES DE corriente por encima de 125 Nmm2 (80 O00 A/puig2), la extensión del electrodo se convierte en una variable importante. Si la densidad de comente es elevada, el calentamiento por resistencia del tramo de electrodo que está entre el tubo de contacto y el arco incrementa la tasa de fusión del electrodo. Cuanto más larga sea la extensión, mayor serán el calentamiento y la rapidez de fusión. Este calentamiento por resistencia se conoce comúnmente como calentamiento I?R.

Al desarrollar un procedimiento, un buen punto de partida es una extensión de electrodo de unas ocho veces el diámetro del electrodo. Conforme se afina el procedimiento, esta longitud se modifica hasta lograr la tasa de fusión del electrodo óptima con un amperaje fijo.

El aumento en la extensión del electrodo añade un elemento de resistencia al circuito de soldadura y consume parte de la energía que de otra manera se suministraría al arco. Al bajar el voltaje a través del arco, disminuyen la anchura y la penetración de ia franja (véase la figura 6.16). Como la baja en el voltaje del



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SOLDADURA TOTALMENTE AUTOMATICA 600 A, 13 V, 13 mm/s (30 pulglmin)

TAMAÑO DEL ELECTRODO:

3.2 mrn 4.0 mrn 5.6 mm (1/8 Pulg) (5/32 P W Pub)

Figura 6.18-Efecto del tamaño del electrodo sobre la forma y penetración de la franja de soldadura

arco hace más convexa la franja, ésta tendrá una fonna distinta de la que se obtendría con una extensión de electrodo normal. Por tanto, cuando se incrementa la extensión del electrodo a fin de aprovechar la mayor tasa de fusión, se debe ajustar hacia arriba el voltaje en la máquina de modo que se mantenga la longitud de arco correcta.

La condición del tubo de contacto afecta la extensión efectiva del electrodo. Los tubos de contacto deben cambiarse a intervalos predeterminados a fin de asegurar condiciones de soldadura consistentes.

Las tasas de deposición se pueden incrementar entre un 25 % y un 50% empleando extensiones de electrodo largas sin alterar el ainperaje de soldadura. En la SAW automática con un solo electrodo, la tasa de deposición puede acercarse a la del método de dos alambres con dos fuentes de potencia.

Un incremento en la tasa de deposición va acompañado por una reducción en la penetración, por lo que no se recomienda alargar la extensión del electrodo cuando se desea una penetra- ción profunda. Si hay problemas de fusión de lado a lado de la pieza de trabajo, como puede suceder cuando se sueldan materiales de calibre delgado, puede resultar benéfico incrementar la extensión del electrodo. Sin embargo, conforme se aumenta la extensión del electrodo se hace más difícil mantener la punta del electrodo en la posición correcta respecto a la unión.

Las que siguen son extensiones de electrodo máximas sugeridas para electrodos de acero sólidos para SAW:

(1) Para electrodos de 2.0, 2.4 y 3.2 min (5/64, 3/32 y i/S pulg), 7.5 mm (3 pulg).

(2) Para electrodos de 4.0, 4.8 y 5.6 mm (5132, 3/16 y 7/32 pulg), 125 mm (5 pulg).

ANCHURA Y ESPESOR DE LA CAPA DE FUNDENTE

LA ANCHURA Y el espesor de la capa de fundente granular influye en el aspecto y la integridad de la soldadura terminada, así como en la acción de soldadura. Si la capa granular es muy gruesa, el arco estará demasiado confinado y la soldadura resultante tendrá un aspecto acordonado áspero. Los gases generados durante la soldadura no pueden escapar con facilidad, y la superficie del metal de soldadura fundido se distorsiona de manera irregular. Si la capa granular es demasiado delgada, el arco no quedará sumergido por completo en el fundente y habrá destellos y salpicaduras. La soldadura tendrá un aspecto deficiente, y puede ser porosa. La figura 6.19 muestra los efectos sobre el aspecto superficial de la franja de soldadura de un espesor correcto e incorrecto de la capa de fundente.

Hay un espesor óptimo de la capa de fundente para cualquier conjunto de condiciones de soldadura. Este espesor puede establecerse incrementando lentamente el flujo de fundente hasta que el arco de soldadura quede sumergido y ya no haya destellos. Los gases saldrán sin violencia a los lados del electrodo, y en ocasiones se encenderán.

Durante la soldadura, el fundente granular no fusionado puede irse retirando a una distancia corta detrás de la zona de soldadura una vez que el fundente fusionado se haya solidificado. No obstante, lo mejor puede ser no perturbar el fundente hasta que el calor de la soldadura se haya distribuido uniformemente por todo el espesor de la sección

EI fundente fusionado no deberá aflojarse por la fuerza mientras el metal de soldadura esté a alta temperatura ([por encima de 600°C (1 100"F)]. Si se deja enfriar, el material fusionado se desprenderá fácilmente y podrá retirarse con un cepillo con muy poco esfuerzo. En algunas ocasiones, se podrá desprender por la

ESPESOR CORRECTO DEMASIADO DELGADA

CAPA DE 19 mm (3/4 pulg) PLACA DE 16 mm (518 pulg) RESULTADO: FRANJA LISA,

CAPA DE 6 mm (1/4 pulg) PLACA DE 16 mm (5/8 pulg) RESULTADO BOLSAS DE

GAS EN LA BUENA ESTRUC- TURA DE SOLDA- SOLDADURA, DURA ARCO ABIERTO

Figura 6.19-Efecto de un espesor correcto e incorrecto de la capa de fundente sobre el aspecto de la soldadura



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fuerza una sección pequeña con objeto de inspeccionar rápida- mente el aspecto superficial de la soldadura.

Es importante no recoger materiales extraños al recuperar el fundente no usado. Para este fin, se deberá limpiar un espacio de unos 300 mm (12 pulg) de anchura a ambos lados de la unión soldada antes de depositar el fundente. Si el fundente recuperado contiene trozos fusionados, se le deberá pasar por una malla con

abrturas no mayores que 3.2 mm (1/8 pulg) a fin de eliminar las partículas gruesas.

En el momento en que el fabricante lo empaca, el fundente está bien seco. Si se le expone a una humedad elevada, se deberá secar en una estufa antes de usarse. La humedad del fundente causa porosidad en la soldadura. Siempre deben seguirse las recomendaciones del fabricante.

TIPOS DE SOLDADURAS LA SOLDADURA POR arco sumergido se usa para producir soldaduras de surco, de filete, de tapón y de recubrimiento. Las de surco por lo regular se realizan en la posición plana, y las de filete, en las posiciones plana y horizontal. La razón es que es más fácil contener el charco de soldadura y la capa de fundente en estas posiciones. Sin embargo, existen técnicas sencillas para producir soldaduras de surco en la posición horizontal. Es posible lograr buenas soldaduras por arco sumergido pendiente abajo con ángulos de hasta 15 grados respecto a la horizontal. El recubrimiento y las soldaduras de tapón se realizan en la posición plana.

Las soldaduras efectuadas con este proceso se pueden clasificar con respecto a lo siguiente:

Tipo de unión. Tipo de surco. Método de soldadura (semiautomático o mecanizado). Posición de soldadura (plana u horizontal). Deposición con una o varias pasadas.

(6) Operación con uno o varios electrodos. (7) Una o varias fuentes de potencia (en serie, en paralelo o

con conexiones individuales).

SOLDADURAS DE SURCO LAS SOLDADURAS DE surco por io regular se hacen en uniones a tope con láminas desde 1.2 mm (0.05 pulg) de espesor hasta placas gruesas. La mayor penetración inherente a la soldadura por arco sumergido permite soldar por completo desde un solo lado uniones de surco cuadrado con un espesor de 13 mm (1/2 pulg) o más, a condición de que se utilice algún tipo de respaldo para sustentar el metal fundido (en las tablas 6.4 y 6.5 se proporcionan datos representativos). Se hacen soldaduras de una sola pasada con un espesor de hasta 7.9 mm (5/16 pulg) y de dos pasadas con un espesor de hasta 15.9 mm (5/8 pulg) en acero con una unión a tope sin abertura de raíz y usando respaldo.

Tabla 6.4 Condiciones típicas para soldadura por arco sumergido mecanizada, con un solo electrodo, de placas de acero

con una sola Datada (surco cuadrado)

TIRA RESPALDO DE Y L - W - I ' DE ACERO

Espesor de la placa T

pulg mm cal. 10 3.6 3/16 4.8 114 6.4 318 9.5 112 12.7

Abertura de raíz S

pulg mm

1/16 1.6 1/8 3.2 118 3.2

3/16 4.8

O-1/16 1.6

Velocidad de voltaje desplazamiento

Corriente CCEP pulglmin mm/s

850 32 36 15 900 33 26 11 950 33 24 10

1100 34 18 8

650 -28 48 20

Diámetro del electrodo

pulg mm 1/8 3.2

3/16 4.8 3/16 4.8 7/32 5.6 7/32 5.6

Consumo de electrodo

Ib/pies kg/m 0.070 0.104 0.13 0.194 0.20 0.248 0.24 0.357 0.46 0.685

t, min. W, min. pulg mm pulg mm 1/8 3.2 5/8 15.9

3/16 4.8 3/4 19.0 114 6.4 1 25.4 114 6.4 1 25.4 318 9.5 1 25.4



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Tabla 6.5 Condiciones t íp icas para soldadura por arco sumergido, con un solo electrodo, de placas de acero

con dos pasadas (surco cuadrado)

SEGUNDA PASADA

PASADA DE RESPALDO

Soldadura semiautomática

Espesor de la placa T

pulg mm cal. 10 3.6 3/16 4.8 1/4 6.4 3/8 9.5 1/2 12.7 518 15.9

Corriente CCEP

A 325 350 375 475 500 500

Segunda pasada Voltaje Velocidad CCEP desplazamiento

A pulglmin mm/s 27 50 21 32 46 19 33 42 18 35 28 12 36 21 9 37 16 7

Diámetro electrodo

pulg mm 1/16 1.6 1/16 1.6 1/16 1.6 5/64 2.0 5/64 2.0 5/64 2.0

Corriente CCEP

A Voltaje

V 250 300 325 425 475 500

25 29 34 33 34 35

Pasada de respaldo Velocidad Diámetro

desplazamiento electrodo pulglmin mm/s pulg mm

50 21 1/16 1.6 46 19 1/16 1.6 42 18 1/16 1.6 28 12 5/64 2.0 21 9 5/64 2.0 16 7 5/64 2.0

Consumo electrodo

Ib/pies kg/m 0.070 0.104 0.088 0.131 0.106 0.158 0.18 0.268 0.28 0.417 0.43 0.640

Soldadura mecanizada 1/4 6.4 575 32 48 20 5/32 4.0 475 29 48 20 5/32 4.0 0.11 0.164 3/8 9.5 850 35 32 14 5/32 4.0 500 33 32 14 5/32 4.0 0.23 0.343 1/2 12.7 950 36 27 11 3/16 4.8 700 35 27 11 3/16 4.8 0.34 0.506 518 15.9 950 36 22 9 3/16 4.8 900 36 22 9 3/16 4.8 0.50 0.745

Si se emplea soldadura de múltiples pasadas con uno o más electrodos, es posible soldar placas de cualquier espesor. Las soldaduras en materiales gruesos, depositadas por ambos lados, pueden usar surcos en “ V o en “ U en uno o ambos lados de la placa.

La soldadura por surco de uniones a tope en la posición horizontal se conoce como “soldadura a las tres” haciendo alusión a la carátula de un reloj. Este tipo se soldadura puede hacerse simultáneamentte desde ambos lados de la unión, si se desea. En la mayor parte de los casos, los electrodos se colocan con un ángulo de 10 a 30 grados respecto a la horizontal. Se utiliza algún tipo de soporte deslizante (o una banda móvil patentada) para sostener el fundente y el metal fundido.

SOLDADURAS DE FILETE SI SE EMPLEA un solo electrodo, es posible hacer soldaduras de filete con tamaño de garganta de hasta 9.5 mm (3/8 pulg) en la posición horizontal con una sola pasada. Se pueden lograr soldaduras de filete más grandes con una sola pasada en la posición horizontal si se emplean varios electrodos. Pese a ello, las soldaduras de más de 7.9 mm (5/16 pulg) por lo regular se realizan en la posición plana o empleando varias pasadas en posición horizontal. Las soldaduras de filete hechas con el proceso de soldadura por arco sumergido pueden tener ma-

yor penetración que las realizadas mediante soldadura por arco de metal protegido, y por tanto mayor resistencia al cizallamiento.

SOLDADURAS DE TAPÓN LA SOLDADURA POR arco sumergido se usa para obtener soldaduras de tapón de alta calidad. El electrodo se coloca en el centro del agujero y permanece en esa posición hasta completar la soldadura. El tiempo requerido depende de la corriente de soldadura y del tamaño del agujero. En virtud de la gran penetración que se logra con este proceso, es indispensable usar un respaldo con el espesor apropiado.

SOLDADURAS DE RECUBRIMIENTO S E EMPLEAN METODOS de SAW tanto de uno como de vanos electrodos para conferir al metal base propiedades de superficie especiales. El propósito puede ser reparar o salvar equipo desgastado que por lo demás todavía funciona bien, o impartir propiedades deseables a las superficies de equipo original. Las elevadas tasas de deposición que se logran con la soldadura por



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PROCEDIMIENTOS DE SOLDADURA SI SEDESEA aprovechar al máximo los beneficios de alta produc- ción del proceso SAW, es muy importante analizar las operaciones previas a la soldadura. Hay que considerar el diseño de las uniones, la preparación de los bordes, el embonamiento y la fijación de la pieza de trabajo.

DISEÑO DE UNIONES Y PREPARACIÓN DE LOS BORDES Los TIPOS DE uniones que se sueldan por arco sumergido son principalmente las uniones a tope, en “T” y traslapadas, aunque también es posible soldar uniones de borde y de esquina. Los principios de diseño de las uniones y los métodos de preparación de los bordes son similares a los de otros procesos de soldadura por arco. Las soldaduras típicas son las de filete, surco cuadrado, surco en “V” sencillo y doble, y surco en “U” sencillo y doble.

Los diseños de uniones, sobre todo cuando se sueldan placas, a menudo exigen una abertura de raíz de 0.8 a 1.6 mm (1/32 a 1/16 pulg) a fin de evitar la distorsión angular o el agrietamiento debidos a esfuerzos de contracción. Por otro lado, si la abertura de raíz es mayor que la necesaria, el tiempo y los costos de soldadura aumentarán. Esto se cumple para las soldaduras tanto de filete como de surco.

La preparación de los bordes puede hacerse con cualquier método de corte térmico o por maquinado. La exactitud de la preparación de los bordes es importante, sobre todo para la soldadura mecanizada o automática. Por ejemplo, si una unión diseñada con una abertura de raíz de 6.4 mm (1/4 pulg) se produjera realmente con una cara de raíz que convergiera desde 7.9 hasta 3.2 mm (5/16 a 1/8 pulg) a lo largo de la unión, la soldadura podría ser inaceptable por falta de penetración al principio y excesiva perforación al final. En un caso así habría que verificar y corregir el funcionamiento del equipo de corte y quizá dar capacitación al operador.

EMBONAMIENTO DE LAS UNIONES EL EMBONAMIENTO DE las uniones es una parte importante de las operaciones de ensamblado o subensamblado, y puede afectar en buena medida la calidad, fortaleza y aspecto de la soldadura terminada. Cuando se sueldan placas, las características de penetración profunda del proceso de arco sumergido subrayan la necesidad de controlar con exactitud el embonamiento. Es indispensable mantener la uniformidad de la alineación de la unión y de la abertura de la raíz.

RESPALDO DE SOLDADURA LA SOLDADURA POR arco sumergido crea un volumen grande de metal fundido que permanece en estado fluido durante un tiempo apreciable. Este metal derretido debe sustentarse y contenerse hasta que se haya solidificado.

Hay varios métodos de uso común para sostener el inetal de soldadura fundido cuando se requiere penetración completa de la unión:

(1) Tiras de respaldo. (2) Soldaduras de respaldo. (3) Barras de respaldo de cobre. (4) Respaldo de fundente. (5) Cintas de respaldo.

Con los dos primeros métodos, el respaldo puede pasar a fonnar parte de la unión terminada. En los otros tres métodos se aplica un respaldo temporal que se retira una vez que se termina de soldar. Los métodos 1 y 2 pueden requerir la remoción del respaldo, dependiendo de los requisios de diseño de la unión.

En muchas uniones, la cara de raíz se diseña de modo que sea lo bastante gruesa como para sustentar la primera pasada de soldadura. Este método puede usarse para soldaduras a tope (penetración parcial de la unión), de filete, de tapón y de ranura. En ocasiones se usa respaldo o refrigeración complementarios. Lo más importante es que las caras de raíz de las soldaduras de surco estén en contacto íntimo en el punto de máxima penetra- ción de la soldadura.

Tira de respaldo CON ESTE MÉTODO, la soldadura penetra en, y se fusiona con, una tira de respaldo que se convierte, de manera temporal o pennanente, en parte integral del ensamble.

Las tiras de respaldo deben ser compatibles con el metal que se está soldando. Si el diseño lo pennite, la unión se ubica de modo que una parte de la estructura forme el respaldo. Es importante que las superficies de contacto estén limpias y muy cercanas; de lo contrario, puede haber porosidad o fugas de metal de soldadura fundido.

Soldadura de respaldo ENUNA M O N respaldada con metal de soldadura, la pasada de respaldo por lo regular se efectúa con algún otro proceso, como FCAW, GMAW o SMAW. Esta pasada de respaldo constituye un soporte para las pasadas de SAW subsecuentes hechas por el lado opuesto. Se emplean soldaduras manuales o semiautomáti- cas como respaldo para soldaduras por arco sumergido cuando otros métodos de respaldo no son convenientes por cuestiones de accesibilidad, penetración o embonamiento deficiente en la unión, o dificultad para dar vuelta al soldamento.

EI respaldo de soldadura puede quedarse como parte de la unión terminada o eliminarse por biselado con oxígeno o arco, por cincelado o por maquinado una vez efectuada la soldadura por arco sumergido. Posteriormente será sustituida por una franja de recubrimiento permanente depositada por SAW.

Respaldo de cobre EN ALGUNAS UNIONES se emplea una barra de respaldo de cobre para sustentar el charco de soldadura pero sin converirse en parte de la soldadura. Se usa cobre en virtud de su elevada conductividad térmica que impide al metal de soldadura fusionarse con



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la barra de respaldo. Si se desea reforzar el lado inferior de la soldadura, la barra de respaldo puede ranurarse a modo de producir un refuerzo con el perfil deseado. La barra de respaldo debe tener la masa suficiente como para no fundirse bajo el arco, pues esto contaminaría la soldadura con cobre. Hay que tener cuidado al encender el arco, pues un encendido brusco puede causar inclusión de cobre en la soldadura. En algunos casos se circula agua por el interior de la barra de respaldo de cobre para mantenerla a baja temperatura, sobre todo en aplicaciones de soldadura de alta producción. Es preciso cuidar que no se con- dense agua en la barra de respaldo.

A veces se diseña el respaldo de cobre de modo que se deslice, lo que permite usar un tramo relativamente corto en la región del arco y del charco de soldadura. En otras aplicaciones, el respaldo de cobre es una rueda giratoria.

Respaldo de fundente EL FUNDENTE SOMETIDO a presión moderada se puede utilizar como material de respaldo para soldaduras por arco sumergido. El fundente granular suelto se coloca en una artesa sobre una pieza delgada de material laminar flexible, debajo de la cual corre una manguera de lona ahulada (para incendios) inflable. La manguera se infla a no más de 5 o 10 psi (35 a 70 @a) para que el fundente ejerza una presión moderada contra la parte de atrás de la soldadura. Este concepto se ilustra en la figura 6.20.

FIJACIÓN

el pandeo y la deformación. En casos intermedios puede ser necesaria una combinación de soldaduras temporales, fijación y secuenciado de soldaduras. En uniones con poca restricción en materiales de calibre delgado se requiere sujeción. Las abrazaderas mantienen la alineación y eliminan calor para reducir o evitar las deformaciones; por lo regular se necesitan soldaduras de puntos temporales.

Las fijaciones incluyen también las guías y el herramental que se emplean para facilitar la operación de soldadura. Se emplean seguidores de costura y carros de desplazamiento para guiar las cabezas de soldadura mecanizadas o automáticas. Las piezas de trabajo cilíndricas se giran mediante rodillos motorizados durante el embonamiento y la soldadura. Es posible usar tomamesas con ajuste angular a fin de colocar las uniones en la posición más favorable para soldarlas. Los manipuladores con grúas corredizas sirven para llevar la cabeza de soldadura, y en ocasiones el operador, hasta lugares de difícil acceso.

INCLINACIÓN DEL TRABAJO LA INCLINACIONDEL trabajo durante la operación puede afectar la forma de la franja de soldadura, como se aprecia en la figura 6.2 1. La mayor parte de las soldaduras por arco sumergido se efectúan en la posición plana, pero en ocasiones es necesario o deseable soldar con el trabajo ligeramente inclinado para que la soldadura avance cuesta arriba o cuesta abajo. Por ejemplo, en la soldadura a alta velocidad de láminas de acero de 1.3 mm (0.050 pulg) de espesor, se obtiene una mejor soldadura cuando el trabajo se inclina entre 15 y 18 grados y se suelda cuesta abajo. La penetración es más que cuando la lámina está en un plano horizontal. El ángulo de inclinación debe reducirse con-

penetración, La soldadura cuesta abajo afecta a la so]dadura, como se

muestra en la figura 6.21 El de soldadura tiende a fluir por debajo del arco y precalentar el metal base, sobre todo

EL PROPÓSITO PRINCIPAL de las fijaciones es mantener un ensamble de piezas de trabajo en la alineación correcta durante la

rir fijaciones de soporte para mantener su forma; además de esto, puede requerirse algún tipo de sujeción o fijación para mantener la alineación de la unión durante la soldadura y para evitar que haya deformación y pandeo a causa

mmiPulación Y la Pueden reque- forme aumenta el espesor de las placas, a fin de incrementar la

de soldadura. En que por su rígidos, pueden en la superficie. Esto produce una zona de fusión de forma

bastar de Puntos telnPorales. Las InuY irregular, Coiiforme aumenta el ángulo de inclinación, la parte gruesas por sí solas ofrecen una restricción considerable contra de la soldadura adquiere una depresión, la penetración se

reduce y la franja se hace más ancha. La sóldaduracuesta arriba afecta el perfil de la zona de fusión

y la superficie de la soldadura, como se ilustra en la figura 6.21 (C). La fuerza de la gravedad hace que el charco de soldadura fluya hacia atrás y se retrase con respecto al electrodo. Los r\ /-{

FUNDENTE

boides del metal base se funden y fluy& hacia la parte media. Conforme aumenta el ángulo de inclinación, se incrementan el refuerzo y la penetración, y la soldadura se hace más angosta. Además, cuanto más grande sea el charco de soldadura mayor será la penetración y la acumulación en el centro. Estos efectos son exactamente lo contrario de lo que ocurre cuando se suelda cuesta abajo. El ángulo de inclinación limitante cuando se suelda cuesta arriba con comentes de hasta 800 amperes es de unos 6 grados, o una pendiente de aproximadamente uno en diez. Si -

/ ARTESA se emplean comentes de soldadura más elevadas, se reduce el ángulo práctico máximo. Una inclinación mayor que 6 grados hará que se pierda el control de la soldadura. La inclinación lateral de la pieza de trabajo produce los efectos que se muestran en la figura 6.21 (D). El límite para una pendiente lateral es de aproximadamente 3 grados o de 1 en 20. La pendiente lateral

MANGUERA INFLADA

Figura 6-20-h método de soPorte del de fundente Para So~dadura Por arco Sumergido



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mal colocado puede causar o fomentar el golpe de arco, y el

(A) SOLDADURA EN POSICIÓN PLANA

(B) SOLDADURA CUESTA ABAJO (PENDIENTE 1/8)

(C) SOLDADURA CUESTA ARRIBA (PENDIENTE 1/8)

(D) SOLDADURA LATERAL (PENDIENTE 1/19)

Figura 6.21-Efecto de la inclinación del trabajo sobre la forma de la franja de soldadura

perimisible varia un poco dependiendo del tamaño del charco de soldadura.

CONEXIÓN CON EL TRABAJO EL CIRCUITO ELÉCTRICO de soldadura consiste en un cable que va de la fuente de potencia a la cabeza de soldadura y un cable de retorno que va de la pieza de trabajo a la fuente de potencia. Este Último se conoce como conexión con el trabajo; a veces se le denomina cable de tierra, que es un término incorrecto. EI trabajo también puede ponerse a tierra con el edificio o el suelo, pero en soldadura por arco sumergido los mejores resultados se obtienen si el trabajo se conecta directamente a la fuente de potencia.

El método de sujeción y la ubicación de la conexión con el trabajo son consideraciones importantes en la soldadura por arco sumergido ya que afectan la acción del arco, la calidad de la soldadura y la velocidad a la que se suelda. Un cable de trabajo

resultado final puede ser porosidad, falta de penetración y forma de franja deficiente. Posiblemente sea necesario hacer pruebas, pues a menudo es difícil predecir el efecto de la ubicación de la conexión con el trabajo. En general, es mejor soldar alejándose de la conexión con el trabajo.

La corriente de soldadura puede acusar una tendencia a variar lentamente durante la soldadura de costuras largas. Esto se puede deber a que el trayecto y las características eléctncas del circuito cambian conforme la soldadura avanza. En muchos casos es posible obtener una soldadura más uniforme conectando cables de trabajo en los dos extremos del objeto que se va a soldar.

Si se desea soldar la costura longitudinal de un cilindro de calibre delgado sostenido en una fijación de abrazadera con respaldo de cobre, por lo regular es mejor conectar el cable de trabajo a la parte inferior del cilindro en el extremo donde se co- menzará a soldar. Si esto no es posible, el cable del trabajo se deberá conectar a la fijación en el extremo de inicio. No se recomienda conectar el cable de trabajo a una barra de respaldo de cobre, porque la corriente de soldadura entrará en el trabajo o saldrá de él en el punto donde se establezca el mejor contacto eléctrico, no necesariamente bajo el arco. Si la corriente crea un campo magnético alrededor de un tramo de la barra de respaldo, puede haber golpe del arco.

Cuando la comente regresa a través de una zapata deslizante, siempre deben usarse dos o más zapatas. Esto evitará interrupciones de la corriente.

MÉTODOS PARA INICIAR EL ARCO EL METODO QUE se emplee para iniciar el arco en una aplicación en particular dependerá de factores tales como el tiempo requerido para el inicio en comparación con el tiempo de configura- ción y soldadura total, el número de piezas por soldar y la importancia de comenzar a soldar en un punto específico de la unión. A continuación se describirán los seis métodos para encender el arco.

Inicio con bola de lana de acero UNA BOLA MUY apretada de unos 10 min (3/8 pulg) de diámetro hecha con lana de acero se coloca sobre la unión directamente abajo del electrodo de soldadura. EI electrodo se baja de modo que comprima la bola hasta cerca de la mitad de su altura original. En seguida se aplica el fundente y se comienza a soldar. La bola de lana de acero establece un camino para la comente hacia el trabajo, pero se funde rápidamente y crea un arco.

Inicio con alambre afilado EL TRAMO DE electrodo que sobresale del tubo de contacto se recorta con unas pinzas para cortar alambre; esto forma una coiifiguracióii filosa, semejante a un cincel, en el extremo del alambre. A continuación se baja el electrodo hasta que el extremo apenas toca la pieza de trabajo. Se aplica el fundente y se comienza a soldar. La punta de cincel se fundirá rápidamente para formar el arco.



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S O L b A D U R A P O R A R C O S U M E R G I D O 221

Inicio de fricción e iniciar la operación. Esta es una técnica de inicio de arco muy utilizada.

EL ELECTRODO SE baja hasta que hace contacto suavemente con el trabajo, y se aplica el fundente. En seguida se pone en movimiento el carro y se aplica la corriente de soldadura. El movimiento del carro evitará que el alambre de soldadura se fusione con la pieza de trabajo.

Inicio con fundente derretido SIEMPRE QUE HAYA un charco de fundente derretido, se podrá iniciar un arco con sólo insertar el electrodo en el charco y aplicar la corriente de soldadura. Este método se usa mucho en la soldadura con múltiples electrodos. Si dos o más electrodos se alimentan individualmente a un charco de soldadura, bastará con encender un electrodo para establecer el charco. Los demás electrodos formarán un arco cuando se alimenten hacia el charco de soldadura.

Inicio con retracción del alambre EL INICIO DE arco por retracción es uno de los métodos más positivos, pero el equipo de soldadura debe estar diseñado para utilizarlo. Resulta costeable cuando hay que iniciar arcos con cierta frecuencia y en los casos en que la posición del inicio es importante.

La práctica normal consiste en bajar el electrodo hasta que apenas haga contacto con la pieza de trabajo; a continuación, el extremo del electrodo se cubre con fundente y se aplica la corriente de soldadura. El bajo voltaje entre el electrodo y el trabajo indica al alimentador del alambre que debe retirar la punta del electrodo de la superficie de la pieza de trabajo. En el inomento en que esto se hace, se inicia un arco. Al crecer el voltaje del arco, el motor que alimenta el alambre invierte rápidamente su dirección para alimentar el electrodo hacia la superficie de la pieza de trabajo. La alimentación del electrodo se acelera hasta que la tasa de fusión del electrodo y el voltaje del arco se estabilizan en el valor preestablecido.

Si la pieza de trabajo es un metal de calibre delgado, el electrodo apenas deberá hacer contacto con ella, lo suficiente para que fluya la comente. La cabeza de soldadura debe estar montada rígidamente, y el extremo del electrodo debe estar lin- pio y libre de escoria fusionada. El electrodo se recorta con una pinza para cortar alambre (preferiblemente dejándolo puntiagu- do) antes de cada soldadura. Se deberá escoger un tamaño de electrodo que permita trabajar con altas densidades de comente, ya que éstas facilitan el encendido.

Inicio por alta frecuencia ESTE MÉTODO REQUIERE equipo especial pero ninguna manipu- lación por parte del operador aparte de accionar un interruptor de encendido. Es particularmente útil como método para iniciar soldaduras intermitentes o para soldar con tasas de producción elevadas que requieren muchos inicios.

Cuando el electrodo se aproxima a unos 1.6 mm (1/16 pulg) de la pieza de trabajo, un generador de alta frecuencia y alto voltaje en el circuito de soldadiira hace que salte una chispa del electrodo a la pieza de trabajo. Esta chispa crea un trayecto ionizado a través del cual puede fluir la corriente de soldadura

TERMINACIÓN DEL ARCO EN ALGUNOS SISTEMAS eléctricos, el desplazamiento y la ali- mentación del electrodo se detienen al mismo tiempo cuando se pulsa el botón de “alto”. Otros sistemas sólo detienen el desplazamiento y siguen alimentando el electrodo durante un lapso controlado. Un tercer tipo de sistema invierte la dirección del desplazamiento durante un lapso controlado mientras continúa la soldadura. Los dos últimos sistemas llenan el cráter de soldadura.

POSICIÓN DEL ELECTRODO SON TRES Los factores a considerar para determinar la posición correcta del electrodo de soldadura:

(1) La alineación del electrodo en relación con la unión. (2) El ángulo de inclinación en dirección lateral, esto es, la

inclinación en un plano perpendicular a la unión (ángulo de trabajo).

(3) La dirección en que apunta el electrodo hacia adelante o hacia atrás (ángulo de desplazamiento).

La dirección hacia “adelante” es en el sentido del desplazamiento; por tanto, un electrodo que apunta hacia adelante forma un ángulo agudo con la soldadura terminada. Un electrodo que apunta hacia atrás forma un ángulo obtuso con la soldadura terminada.

La mayor parte de las soldaduras con arco sumergidas se efectúan con el eje del electrodo en posición vertical. La incli- nación dei electrodo hacia adelante o hacia atrás adquiere importancia cuando se usan múltiples arcos, al aplicar recubrimientos y cuando la pieza de trabajo no se puede inclinar. Si el electrodo apunta hacia adelante, se obtiene una configuración de soldadura parecida a cuando se suelda cuesta abajo; si el electrodo apunta hacia atrás la soldadura será similar a la que se produce soldando cuesta arriba. La inclinación del electrodo hacia adelante o hacia atrás no afecta tanto la configuración de la soldadura como lo hace el posicionamiento inclinado de las piezas de trabajo.

Cuando se sueldan uniones a tope entre placas de igual espesor, el electrodo debe alinearse con la línea central de la unión, como se muestra en la figura 6.22 (A). Una alineación incorrecta puede causar falta de penetración, como se aprecia en la figura 6.22 (B). Si se sueldan a tope espesores desiguales, el electrodo debe colocarse sobre la sección gruesa para fundirla con la misma rapidez que la sección delgada. En la figura 6.22 (C) se ilustra esta condición.

Al soldar filetes horizontales, la línea central del electrodo deberá estar alineada por debajo de la raíz de la unión y despla- zada hacia la pieza horizontal una distancia equivalente a una cuarta parte o la mitad del diámetro de electrodo. La distancia mayor se usa para hacer soldaduras de filete más grandes. Una alineación inexacta o inconsistente puede causar socavamiento del miembro vertical o producir una soldadura asimétrica.

Cuando se sueldan filetes horizontales, el electrodo se inclina entre 20 y 45 grados respecto a la vertical (ángulo de trabajo).



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CORRECTO

LíNEA CENTRAL DEL ELECTRODO

LíNEA CENTRAL ' DE LA UNION

(A) ELECTRODO DIRECTAMENTE ARRIBA DE LA LINEA

CENTRAL DE LA UNION

(B) SI EL ELECTRODO NO SE MANTIENE EN LA LIN,EA CENTRAL

LA PENETRACION ES INCOMPLETA

EXCEPCIÓN

LíNEA CENTRAL DEL ELECTRODO

DISTANCIA FUERA DE CENTRO LiNEACENTRAL

(c) A VECES SE REQUIERE UNA ALINEACIÓN FUERA DE CENTRO AL SOLDAR A TOPE

PLACAS DE DIFERENTE ESPESOR

Figura 6.22-Efecto de la colocación del electrodo respecto al surco de soldadura

El ángulo exacto lo determina uno de los siguientes factores, o ambos:

(1) Espacio para que entre el soplete, sobre todo cuando se sueldan secciones estructurales a placas.

(2) El espesor relativo de los miembros que forman la unión (si existe la posibilidad de fundir de lado a lado uno de los miembros, será necesario dirigir el electrodo hacia el miembro más grueso).

Normalmente, la soldadura de filetes horizontales debe hacerse con el electrodo perpendicular al eje de la soldadura.

Si los filetes se sueldan en la posición plana, el eje del electrodo normalmente estará en posición vertical y bisecará el ángulo entre las piezas de trabajo, como se muestra en la figura 6.23 (A). Sin embargo, si se desea una penetración más profunda que la normal, el electrodo y las piezas de trabajo se colocarán como se muestra en la figura 6.23 (B). EI electrodo se posiciona de modo que su línea central interseque la unión cerca de s u centro. El electrodo puede inclinarse para evitar el socavamiento.

PESTAÑAS DE INICIO Y DE ESCURRIMIENTO C U M 0 UNA SOLDADURA comienza y termina abruptamente en los extremos de la pieza de trabajo, es necesario proveer un soporte para el metal de soldadura, el fundente y la escoria fundida que evite que se derramen. Las pestañas son el método de uso más coin<in. EI arco se enciende en una pestaña de inicio que se suelda con puntos provisionales al extremo donde comenzará la soldadura, y se apaga en una pestaña de escurrimiento colocada en el extremo donde termina la soldadura. Las pestañas son lo bastante grandes como para que el metal de soldadura en el trabajo mismo tenga la forma correcta en los extremos de la unión. Al preparar las pestañas, el surco deberá ser similar al que se va a soldar, y las pestañas deben ser lo bastante anchas como para sostener el fundente.

Una variación de las pestañas es una represa de cobre que sostiene el fundente; éste a su vez sostiene el metal de soldadura en los extremos de la unión.



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CORRECTO

LíNEA CENTRAL DEL ELECTRODO c Y DE LA UNION

(A) ALINEACIÓN PARA SOLDAR FILETES EN LA POSICION PLANA

EXCEPCIÓN

ÁNGULO DE INCLINACIÓN

LiNEA CENTRAL DEL ELECTRODO

A- MAYOF OUE45" \ i

DISTANCIA FUERA DE CENTRO

(B) CUANDO SE REQUIERE UNA MAYOR PENETRACION

Fiaura 6.23-Posiciones del electrodo Dare soldaduras de filete en la r>osición dana

SOLDADURAS CIRCUNFERENCIALES

LAS SOLDADURAS CIRCUNFERENCIALES difieren de las que se hacen en la posición plana en virtud de la tendencia que tienen el metal de soldadura y el fundente fundidos a fluir y alejarse del arco. A fin de evitar un derramamiento y la distorsión de la franja, las soldaduras deben solidificarse al pasar por los puntos que corresponderian a las doce y a las seis en la carátula de un reloj. En la figura 6.24 se ilustran los perfiles de franja que

resultan de las diversas posiciones de electrodo con respecto a las posiciones de las doce y las seis.

Si el desplazamiento angular es insuficiente en una soldadura exterior, o excesivo en una soldadura interior, la penetración será profunda y la franja de soldadura será angosta y muy convexa; además, puede haber socavamiento. Un desplazamiento excesivo en una soldadura exterior o un desplazamiento insuficiente en una soldadura interior produce una franja somera y cóncava.

El fundente es granular y no podrá sostenerse sobre una pieza de trabajo de diámetro pequeño si no se le contiene. Si el

DESPLAZAMIENTO

Figura 6.24-Efecto de la posición del electrodo sobre la forma de la franja de soldadura en la soldadura circunferencia1



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224 S O L D A D U R A ? O R A R C O S U M E R G I D O

fundente se derrama, el arco quedará descubierto y la soldadura será de baja calidad. Un método para resolver esta situación consiste en usar una unidad de boquilla que vierta el fundente concéntricamente alrededor del arco; de esta manera, no tendrá mucha oportunidad de derramarse. Además, puede agregarse un aditamento de cerdas de alambre u otro material flexible resistente al calor que descanse sobre el trabajo adelante del arco y contenga el fundente (véase la figura 6.25).

Sea cual sea la posición del electrodo, si el charco fundido es demasiado grande para el diámetro del trabajo, el metal de soldadura líquido se derramará por la sencilla razón de que no puede solidificarse con la suficiente rapidez. El tamaño de la franja, en términos del volumen de metal depositado por unidad de longitud de la soldadura, depende del amperaje y de la velocidad de desplazamiento empleados. Los amperajes bajos y las velocidades de recorrido altas reducen el tamaño de la franja.

ELIMINACIÓN DE ESCORIA EN LAS SOLDADURAS de múltiples pasadas, la eliminación de escoria es importante porque no es recomendable depositar soldadura en pasadas subsecuentes si hay escoria en la superficie. Los factores que más influyen en este aspecto son el tamaño y la forma de la franja de soldadura. Las franjas pequeñas tienden a enfriarse con mayor rapidez, con lo que se reduce la adherencia de escoria. En las franjas planas o ligeramente convexas que se funden suavemente con el metal base la eliminación de la escoria es mucho más fácil que en las franjas muy cóncavas o socavadas. Por esta razón, una reducción del voltaje mejorará la eliminación de la escoria en surcos angostos. Si la franja depositada en la primera pasada de una soldadura de dos pasadas es cóncava y se funde suavemente con los bordes superiores de la unión será mucho más fácil de limpiar que una franja convexa que forma una muesca en su frontera con el metal base.

Figura 6.25Soldadura circunferencia1 por arco sumergido. Se usa un cepillo de alambre para contener el fundente alrededor del electrodo

VARIACIONES BEL PROCESO LA SOLDADURA POR arco sumergido se puede usar con una amplia variedad de combinaciones de electrodo y fundente, con disposiciones de uno o varios electrodos, y con fuentes de potencia de ca o de cc. El proceso se ha adaptado a una amplia gama de materiales y espesores. Hay muchas combinaciones de múltiples arcos que se usan para controlar el perfil de la soldadura e incrementar la tasa de deposición. Los depósitos de soi-

dadura pueden ir desde franjas anchas con poca penetración apropiadas para recubritnientos hasta franjas angostas con pene- tración profunda para uniones gruesas. Una parte de esta versatilidad se deriva del uso de arcos de Ca.

Los principios que favorecen el empleo de ca para minimizar el golpe del arco al soldar con un solo arco a menudo se aplican a la soldadura con múltiples arcos a fin de crear una desviación



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favorable del arco. La corriente que fluye por electrodos adyacentes establece campos magnéticos que interactúan y pueden reforzarse o bien cancelarse mutuamente. En el espacio entre los arcos, estos campos magnéticos pueden servir para producir fuerzas que desvíen los arcos (y por tanto distribuyan el calor) en direcciones que beneficien a la aplicación de soldadura propuesta.

Se han diseñado y fabricado diversos tipos de fuentes de potencia y equipo relacionado especialmente para soldar con múltiples arcos. Estas máquinas relativamente avanzadas se destinan a aplicaciones de alta producción en series largas de operaciones repetitivas.

A continuación describiremos brevemente las configuraciones de SAW típicas que se emplean actualmente en soldadura de producción. Pueden usarse para soldar tanto acero al carbono como aceros de baja aleación dentro de las limitaciones antes mencionadas.

SOLDADURA CON UN SOLO ELECTRODO LA SOLDADURA CON un solo electrodo es la mas común de todas las configuraciones de proceso SAW, y emplea sólo un electrodo y una fuente de potencia. Normalmente se usa con comente continua de polaridad directa (CCEP, electrodo positivo), pero también puede usarse con corriente continua de polaridad inversa (CCEN, electrodo negativo) si se requiere menos penetración en el metal base. Este proceso puede usarse en la modalidad semiautomática en la que el soldador manipula el electrodo, o en la modalidad mecanizada.

Es común usar un solo electrodo con equipo de soldadura especial para completar soldaduras de surco horizontales en tanques de almacenamiento grandes y recipientes de proceso. La unidad descansa sobre la parte superior de cada anillo confonne se construye el casco y suelda la unión circunferencia1 que está abajo. Se emplea una banda de fundente especial u otro dispositivo para sostener el fundente contra el anillo del casco; ade- más, es común soldar ambos lados de la unión (por dentro y por fuera) simultáneamente a fin de reducir el tiempo de fabricación.

SOLDADURA DE SURCO ANGOSTO ES FRECUENTE ADOPTAR una configuración de surco angosto para soldar materiales de 50 mm (2 pulg) de espesor o más, con una abertura de raíz de 13 a 25 nun (1/2 a 1 pulg) en la parte inferior del surco y un ángulo incluido total del surco de entre O y 8 grados. En esta variación del proceso por lo regular se alimenta corriente a un solo electrodo con una fuente de CCEP o de comente alterna, dependiendo del tipo de electrodo y de fundente que se empleen. Es indispensable usar fundentes desa- rrollados especificamente para soldar surcos profundos, dada la dificultad para eliminar la escoria. Estos fundentes tienen carac- terísticas especiales que facilitan su remoción del surco angosto.

SOLDADURA CON MÚLTIPLES ALAMBRES LOS SISTEMAS DE este tipo combinan dos o más alambres ali- mentándolos al mismo charco. Los alambres pueden ser electro-

dos portadores de corriente o alambres de relleno fríos, y pueden alimentarse de una o más fuentes de potencia, las cuales pueden ser de cc o de ca o de ambos tipos.

Los sistemas de soldadura de múltiples alambres no sólo elevan las tasas de deposición de metal de soldadura, sino que también hacen más flexible la operación y aprovechan de manera más eficiente el metal de soldadura disponible. Además, el mejor control sobre la deposición de metal permite soldar a más altas velocidades, de hasta cinco veces las que se pueden alcanzar con un solo alambre.

Proceso SAW de electrodos gemelos ESTA CONFIGURACIÓN DE soldadura emplea dos electrodos que se alimentan al mismo charco de soldadura. Ambos electrodos están conectados a una misma fuente de potencia y al mismo alimentador de alambre, y por lo regular se usan con CCEP. Como se funden dos electrodos, la tasa de deposición con este método es mayor que cuando se usa un solo electrodo. EI proceso se usa en las modalidades de soldadura mecanizada o automática y sirve para soldar surcos planos y filetes horizontales.

Proceso de SAW de arco en tándem HAY DOS VARIACIONES de la SAW de arco en tándem con dos electrodos. Una configuración consiste en un electrodo delantero de CCEP y un electrodo trasero de corriente alterna. La separación entre los electrodos es de 19 mm (0.75 pulg) pero actúan sobre el mismo charco de soldadura. Este proceso ofrece tasas de deposición más altas que el de SAW con un solo electrodo, de hasta 18 kg/h cuando se usan electrodos gruesos. Esta configuración se emplea en las modalidades mecanizada o automática para soldar materiales de 25 mm (1 pulg) o más de espesor en la posición plana (figura 6.26). Es posible agregar a esta configuración más electrodos de ca traseros con objeto de incrementar todavía más las tasas de deposición.

La segunda configuración emplea dos fuentes de potencia de ca conectadas eléctricamente como se muestra en la figura 6.27. Esta configuración se conoce como conexión Scott, y la in- teracción de los campos magnéticos de los dos arcos produce una desviación hacia adelante del arco trasero. La desviación hacia adelante permite lograr velocidades de soldadura más altas sin socavar el metal base.

SAW de triple arco en tándem HAY DOS VARIACIONES muy utilizadas de la SAW de triple arco en tándem. En la primera, los tres electrodos se conectan a transformadores de ca, los cuales están conectados al primario trifásico corno se muestra en la figura 6.28. Los primeros electrodos de este sistema se disponen en conexión Scott (figura 6.27), con el electrodo trasero en fase con el delantero. Esta conexión produce una fuerte desviación del arco trasero hacia adelante y promueve el empleo de velocidades de soldadura altas. Esta variación se usa en muchas forjas de tuberías, y



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CA TRIFÁSICA - T

l 1

ELECTRODO TRASERO

PIEZA DE TRABAJO

I

ELECTRODO DELANTERO

r 1

Figura 6.26-Soldadura cc-ca de potencia múltiple

también es popular en la construcción de barcos en aplicaciones en las que sólo se suelda por un lado.

La segunda variación de SAW de triple arco emplea un arco delantero de CCEP y dos arcos traseros de ca en una conexión Scott como la de la figura 6.27.

ADICIÓN DE ALAMBRE FRíO SE HA VISTO^^^ es posible agregar alambre frío empleando tanto alambres sólidos como con núcleo de fundente sin que haya deterioro de las propiedades de la soldadura, pero esta técnica todavia no se usa mucho en la industria. EI equipo es el mismo que se usa en cualquier aplicación de múltiples alambres, sólo que uno de los alambres no se conecta a ninguna fuente de potencia. Es posible incrementar la tasa de deposición hasta en un 73%, y son comunes los incrementos consistentes del 35 o 40%. El aumento en la deposición con un aporte de calor fijo prodiice una menor penetración.

TRIFASICA ENTRPDA 1

1 - PIEZA DE TRABAJO I DESPLAZAMIENTO -t

Figura 6.27-Transformadores de ca para soldadura por arco - conexiones Scott



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S O L D A D U R A ? O R A R C O S U M E R G I D O 227

- O

0 1 SUMINISTRO DE 460 VOLTS 1 1

I I I

I I m I I

Figura 6.28-Soldadura Ca-Ca-Ca con tres alambres

ADICIÓN DE ALAMBRE CALIENTE LA ADICIÓNDE un alambre caliente es mucho más eficiente que la adición de un alambre frío o de otro arco, porque toda la co- miente que se introduce sirve para calentar el alambre de aporte y no para fundir material base o fundente. Es posible elevar la tasa de deposición en un 50 o 100% sin perjuicio de las propiedades del metal de soldadura. EI proceso requiere equipo de soldadura adicional, control de un mayor número de variables, más tiempo para configurar la máquina y mayor atención por parte del operador

ADICIÓN DE POLVO METÁLICO LAS ADICIONES DE polvo metálico pueden incrementar las tasas de deposición hasta en un 70%. Esta técnica ofrece una fusión suave, una franja de mejor aspecto y menor penetración y dilución. Además, los polvos metálicos pueden modificar la composición química del depósito de soldadura final. Estos polvos se pueden agregar adelante del charco de soldadura o directamente en el charco, ya sea por alimentación de gravedad o aprovechando el campo magnético que rodea al alambre para transportar el polvo (véase la figura 6.29).

Pruebas con adiciones de polvos metálicos han confinnado que el incremento en las tasas de deposición no consume energia

de arco adicional, no menoscaba la tenacidad del metal de soldadura y no incrementa la probabilidad de agrietamiento. Dichas pruebas indican también que es posible mejorar las propiedades de la soldadura por medio del control de las estuc- turas de grano resultantes, gracias al menor aporte de calor y al restablecimiento de la composkión quimica del metal de soldadura diluido.

RECUBRIMIENTO POR SOLDADURA EL TERMINO recubriniiento aplicado al proceso SAW, se refiere a la aplicación mediante soldadura de una capa de material a una superficie con el fin de obtener las propiedades o dimensiones deseadas. Esto es muy distinto de soldar una unión.

EI proceso SAW se usa con frecuencia para recubrir acero al carbono con acero inoxidable a fin de obtener sin demasiado gasto una capa resistente a la corrosión en una pieza de trabajo de acero. Para lograr una capa sobrepuesta con la composición especificada, el metal de aporte se debe enriquecer lo suficiente como para compensar la dilución. Para cualquier composición de metal de aporte dada, los cambios en el procedimiento de soldadura pueden causar variaciones en la dilución y, por tanto, capas sobrepuestas con composiciones inadecuadas. Es por esto que el poceso de soldadura se debe contolar cuidadosamente para obtener resultados satisfactorios y consistentes.



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\ CAJA DE CONTROL

/ *IAMBRE

MOTOR ALIMENTADOR DEL ALAMBRE

PUNTA DE CONTACTO

FUNDENTE NO DERRETIDO

FUNDENTE FUSIONADO

DESPLAZAMIENTO - POLVO METÁLICO

SOLDADURA

METAL BASE

Figura 6.29-Diagrama típico de adición de polvo metálico

En la figura 6.30 se muestran los métodos para calcular la dilución por soldadura y el contenido aproximado de cualquier elemento en el metal de soldadura.

Las variables de soldadura y las desviaciones del proceso pueden originar variaciones en la dilución, con la consecuente variación en la composición. Los registros de calificación de procedimientos deben incluir un análisis químico del depósito de soldadura. La especificación del procedimiento deberá incluir los límites aceptables para la composición química del depósito.

ACEROS REVESTIDOS

acero inoxidable en todo el espesor de la unión, pero es más común usar metal de aporte de acero al carbono o de baja alea- ción en el lado no revestido. A continuación, se quita una parte del revestimiento y se completa la unión con metal de aporte de acero inoxidable.

Conviene que los usuarios no experimentados consulten con el fabricante del acero revestido para conocer sus recomendaciones respecto a procedimientos de soldadura detallados y tratamientos térmicos posteriores. Para unir secciones de acero revestido con secciones de acero no revestido normalmente es necesario hacer la soldadura a tope y luego restaurar la sección revestida de manera similar a como se hace al unir dos placas revestidas.

LOS EFECTOS DE dilución analizados en la sección anterior tienen igual importancia para la soldadura de aceros revestidos. En ocasiones, placas de acero al carbono o de baja aleación revestidas con acero inoxidable se sueldan con metal de aporte de

En la figura 6.3 1 se muestra un procedimiento de soldadura tipico para acero con revestimiento inoxidable. La alternativa para el paso 6 muestra una técnica de franja central de “recocido” que se usa cuando el revestimiento es acero inoxidable de la serie 400.



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La selección de los metales de aporte requiere una conside- ración cuidadosa. En el lado no revestido se necesita un metal de aporte de acero al carbono o de baja aleación con la compo- sición apropiada (XXl8 en electrodos protegidos manuales). En el lado revestido podría usarse el tipo 309L para 405,410,430, 304 o 304L; el tipo 309Cb para 321 o 347; 310 para 310; y 309Mo para 3 16. En algunas aplicaciones puede ser necesaria una composición prácticamente idéntica cuando la superficie está revestida con un tipo 400. El usuario deberá tener en cuenta las recomendaciones del fabricante al elegir los metales de aporte.

donde

Z, = concentración del elemento Zen el metal de soldadura Z,, = concentración del elemento Z en el metal base Z,, = concentración del elemento Z en el metal de aporte

% DE DILUCIÓN = A+~ X l o o

Figura 6.30-Método para calcular la dilución en una soldadura

10 O \ I CALIBRES

DE 3!8 pulg O MAS

R DE 3/16 pulg

CALIBRES DE 3/16 a 3/8 pulg

= 1/16 pulg - - 1/16 pulg

PASO 1 - PREPARACIÓN DEL BORDE

I I 1 1 I 1 PASO 2- EMBONAMIENTO DE LAS PLA- CAS ANTES DE SOLDAR. EL ESPESOR DE ACERO ARRIBA DEL REVESTIMIENTO EVI- TA OVE LA SOLDADURA AWUIERA ELE- MENTOS DE ALTA ALEAC16N.

PASOJ-ELLADO DE ACEROSE SUELDA CON ELECTRODO DE ACERO. OBSERVE- SE QUE LA SOLDADURA DE ACERO NO PENETA HASTA EL REVESTIMIENTO.

PASO 4- EL LADO REVESTIDO SE PRÈ- PARA PARA SOLDAR MEDIANTE ACANALA- DO. CINCELADO0 AMOLADO. INOXIDABLE APROPIADO

PASO 5- EL LADO REVESTIDO SE SUEL. DA CON UN METAL DE APORTE DE ACERO

PASO 6 - LA SOLDADURA SE COMPLETA CON METAL DE SOLDADURA INOXIDABLE.

PASO 6 -ALTERNATIVA. NOTA: FRANJA DE"RECOCIDO"0 4PARAREVESTIMIEN- TO DE SERIE 4ûû.

Figura 6.31-Procedimiento de soldadura de acero revestido típico. Obsérvese que se suelda primero por

el lado no revestido.

CONDICIONES DE SERVICIO ESPECIALES ALGUNOS COMPONENTES DE acero de baja aleación que se sueldan por arco sumergido se utilizan en condiciones de servicio especiales en las que el metal de soldadura, la zona térmicamente afectada y las placas mismas no deben exceder ciertos requisitos de dureza máxima según las especificaciones de ingeniería, similares a las que se mencionaron en el caso de componentes de acero al carbono. Esto sucede sobre todo con componentes para la industria petrolera que se van a exponer a sulfuro de hidrógeno gaseoso húmedo. Se ha visto que si la dureza se mantiene por debajo de cierto nivel, dependiendo del material y de las condiciones de servicio, puede evitarse en general el agrietamiento por exposición al hidrógeno. Los requisitos de dureza máxima típicos para aceros al carbono-molibdeno y al cromo- molibdeno, según lo que establecen API y NACE, se muestran en ia tabla 6.6.

Hay varias formas de reducir la dureza: seleccionando consumibles que produzcan metal de soldadura de baja dureza, elevando la temperatura de precalentamiento o el aporte de calor de soldadura a fin de producir metales de soldadura y zonas térmicamente afectadas con microestructuras más blandas, y aplicando tratamiento térmico después de soldar.

Tabla 6.6 Requisitos de dureza maxima típicos para aceros

C-Mo y Cr-Mo que se expondrán a sulfuro de hidróaeno aaseoso húmedo

Dureza máxima

Acero al carbono - 0.5% molibdeno Aceros 1.25% Cr-0.5% Mo Aceros 2.25% Cr-1% Mo Aceros 5% Cr-0.5% Mo Aceros 9% Cr-1 % Mo

225 BHN 225 BHN 225 BHN 235 BHN 241 BHN

(BHN = Número de dureza de Brinell)



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CALIDAD DE LA SOLDADURA

PROBLEMAS DE POROSIDAD EL METAL DE soldadura depositado por arco sumergido suele ser limpio y estar libre de porosidad perjudicial gracias a la excelente protección proporcionada por el manto de escoria fundida. Si llega a haber porosidad, puede estar en la superficie de la franja de soldadura o debajo de una superficie íntegra. Los factores que pueden causar porosidad son los siguientes:

(1) Contaminantes en la unión. (2) Contaminación del electrodo. (3) Insuficiente cobertura con fundente. (4) Contaminantes en el fundente. (5) Fundente atrapado en la parte inferior de la unión. (6) Segregación de constituyentes del metal de soldadura. (7) Velocidad de desplazamiento excesiva. (8) Residuo de escoria de soldaduras de puntos provisionales

hechas con electrodos cubiertos.

Como en otros procesos de soldadura, el metal base y cl electrodo deben estar limpios y secos. Las velocidades de recorrido altas y la solidificación rápida del metal de soldadura asociada a ellas no dan tiempo para que los gases escapen del metal de soldadura fundido. Es posible reducir la velocidad de desplazamiento, pero conviene investigar antes otras soluciones que no aumenten el costo de la soldadura. La porosidad de soldaduras provisionales hechas con electrodos cubiertos puede evitarse empleando electrodos que no dejen residuos que puedan causar porosidad. Los electrodos recomendados para este fin son E6010, E6011, E7016 y E7018.

PROBLEMAS DE AGRIETAMIENTO EL AGRIETAMIENTODE ias soldaduras en acero por lo regular esta asociado al agrietamiento por metal líquido (agrietamiento de la franja central). Los orígenes de este problema pueden estar en la geometría de la unión, las variables de soldadura o los esfuerzos en el punto en que el metal de soldadura se está solidificando. EI problema puede presentarse tanto en uniones a tope como en filetes, incluidas las soldaduras de surco y de filete que se realizan simultáneamente por ambos lados.

Una forma de resolver este problema es hacer que la profundidad de la franja de soldadura sea menor o igual que la anchura de la cara de la unión. La mejor forma de medir las dimensiones

de la franja de soldadura es cortar una sección transversal de una soldadura de muesca y aplicarle un baño de ácido. Para corregir el problema es preciso modificar las variables de soldadura o la geometría de la unión. Si es necesario reducir la profundidad de penetración en comparación con la anchura de la cara de la unión, se pueden reducir tanto la velocidad de desplazamiento como la comente de soldadura.

El agrietamiento del metal de soldadura o de la zona térmi- camente afectada puede deberse a la presencia de hidrógeno susceptible de difusión en el metal de soldadura. El hidrógeno puede llegar al charco de soldadura procedente de las siguientes fuentes: fundente, grasa o suciedad en el electrodo o en el metal base, e hidrógeno en el electrodo o en el metal base. El agrietamiento por hidrógeno susceptible de difusión en el metal de soldadura por lo regular está asociado a los aceros de baja aleación y al aumento en la resistencia a la tensión y al vencimiento. Este problema puede ocurrir ocasionalmente en aceros al carbono. Siempre hay algo de hidrógeno en el metal de soldadura depositado, pero se debe procurar que su concentración sea relativamente baja. Al aumentar la resistencia a la tensión, se reduce la cantidad de hidrógeno susceptible de difusión que puede tolerarse en la soldadura depositada.

El agrietamiento causado por exceso de hidrógeno en la soldadura se conoce como agrietamiento retardado; cuando se presenta, por lo regular lo hace varias horas después de que la soldadura se ha enfriado a temperatura ambiente, casi siempre antes de que hayan pasado 12 horas. A temperaturas elevadas [por encima de unos 93°C (200"F)I el hidrógeno sale del metal base por difusión sin producir grietas. Es a temperatura ambiente que el hidrógeno acumulado en pequeños defectos del metal de soldadura o del metal base causa grietas.

Para mantener en un nivel bajo el contenido de hidrógeno se puede hacer lo siguiente:

(1) Eliminar la humedad del fundente calentándolo en un homo (según las recomendaciones del fabricante).

(2) Quitar todo resto de aceite, grasa o suciedad del electrodo y del material base.

(3) Subir la temperatura del trabajo para que una mayor cantidad de hidrógeno pueda escapar durante la operación de soldadura. Esto puede hacerse continuando el "precalentamien- to" hasta que se haya soldado por completo la unión, o aplicando poscalentamiento durante varias horas -a la unión soldada antes de dejarla enfriar hasta la temperatura ambiente.

RECOMENDACIONES DE SEGURIDAD SI DESEA INFORMACIÓN detallada sobre seguridad, consulte las instrucciones del fabricante del equipo y las ediciones más recientes de ANSI 249.1, Seguridad al soldar y cortar. Los reglamentos federales referentes a la seguridad establecidos por la Occupational Safety and Health Administration (OSHA) del Departamento del Trabajo de Estados Unidos se pueden consultar en la edición más reciente de OSHA Standards, Code of

Federal Regulations, Title 29 Part 1910, disponible de Superinten- dent of Documents, U.S. Printing Office, Washington, DC 20402.

Los operadores siempre deben usar protección ocular como precaución contra salpicaduras, exposición a la luz del arco y partículas de escoria que pudieran salir despedidas.

Las fuentes de potencia y el equipo accesorio, como los alimentadores de alambre, deben estar debidamente puestos a



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tierra. Los cables de soldadura se deben mantener en buenas condiciones.

Ciertos elementos pueden ser peligrosos al vaporizarse. Los aceros de aleación, los aceros inoxidables y las aleaciones de níquel contienen elementos de ese tipo, como cromo, cobalto, manganeso, níquel y vanadio. Se recomienda solicitar datos de seguridad de materiales a los fabricantes con el fin de determinar el contenido de elementos potencialmente peligrosos y sus valores de umbral. Para muchos de esos elementos, el límite es de 1.0 miligramo por metro cúbico o menos.

El proceso de arco sumergido limita en buena medida la exposición de los operadores a contaminantes aéreos porque la mayor parte de las emisiones de soldadura no logra escapar del manto de fundente. En general, una ventilación adecuada man- tendrá el área de soldadura libre de peligros. El tipo de ventila- dor, escape u otro sistema de desplazamiento de aire dependerá del área de trabajo que deba despejarse. Conviene preguntar a los fabricantes de este tipo de equipo cuál es el mejor para una aplicación en particular.

LISTA DE LECTURAS COMPLEMENTARIAS Allen, L. J. et al. “The formation of chevron cracks in submerged

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SOLDADURA I I

ELECTROGAS


B. L. Schultz, Presidente Taylor- Winfield Corp

G. A. Gix Neyer, Tiseo and Hindo, Ltd.

J. Gonzalez The Lincoln Electric Co.

J. R. Hannah Midmark Corporation

D. Metzler Owen Steel Co.

O. W. Seth Chicago Bridge and Iron Co.

MIEMBRO DEL COMITÉ DEL MANUAL DE SOLDADURA: J. R. Hannah

Introducción 234 Midmark Corporation


Equipo 238

Consumibles 239

Variables de operación 243

Aplicaciones 247

Seguridad 268




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SOLDADURA ELECTROGAS INTRODUCCIÓN EL PRIMER MÉTODO del que se dispuso para soldar placas gruesas en posición vertical con una sola pasada fue la soldadura electroescoria. De inmediato surgió la demanda por equipo que aplicara el proceso a secciones más delgadas. Casi todas las uniones verticales se estaban soldando entonces con el proceso de arco de metal protegido (SMAW) manual o por soldadura por arco de metal y gas (GMAW) semiautomática, pero en 1961 estudios de laboratorio realizados con una máquina soldadora de electroescoria adaptada para alimentar gas protector auxiliar alrededor de un electrodo con núcleo de fundente demostraron que era posible soldar satisfactoriamente placas de un espesor tan pequeño como 13 mm ( 1/2 pulg) en posición vertical con una sola pasada. Esta técnica se conoce como soldadura electrogás

Durante la década pasada, el proceso EGW disfrutó de un crecimiento constante en Estados Unidos. Este crecimiento se debió a que el proceso emplea preparaciones sencillas de los bordes del metal base y ofrece altas tasas de deposición y eficiencias. Las soldaduras electrogás normalmente producen una franja con muy buena integridad, así que además de beneficios económicos el proceso ofrece un mejoramiento de la calidad.

Los aspectos mecánicos de la soldadura electrogás son muy parecidos a los del proceso de electroescoria del cual se derivó. Existen dos variaciones del proceso de uso común en Estados Unidos. La que se basa en el proceso GMAW alimenta un

(EGW).

electrodo sólido a la unión; la que se basa en el proceso de soldadura por arco con núcleo de fundente (FCAW) puede incluir un fundente dentro de un electrodo tubular. Ambas variaciones usan zapatas de retención (represas) para confinar el metal de soldadura fundido y poder soldar en la posición vertical. Si se requiere un escudo de gas, se suministra a través de entradas para gas en las represas o con una copa de gas alrededor del electrodo, o con ambas cosas. Si se emplea un electrodo de FCAW con autopro- tección, no se agrega gas.

Más adelante se verán con detalle las aplicaciones para soldar aceros al carbono ordinarios, aceros estructurales y aceros para recipientes de presión. No se tratarán las aplicaciones en las que intervengan aleaciones de aluminio o aceros inoxidables, aunque se ha informado de casos en que han tenido éxito.

Algunas de las ventajas asociadas a la EGW han redundado en una reducción considerable de los costos, sobre todo al soldar materiales gruesos. Se han logrado ahorros en los casos en que los componentes se pueden unir en la posición vertical con una soldadura vertical continua. En los materiales más gruesos, la EGW muchas veces es más económica que los métodos de unión más convencionales, como la soldadura por arco sumergido o la soldadura por arco con núcleo de fundente. Incluso en algunas aplicaciones en las que intervienen materiales base más delgados, la EGW puede reducir los costos por su eficiencia y lo sencillo que resulta preparar las uniones.

FUNDAMENTOS DEL PROCESO Una unión de surco cuadrado o de surco en “ V único se

coloca de modo que el eje longitudinal de la soldadura quede vertical. Una vez que se inicia la soldadura, no se ajusta ya la posición de la unión; se sigue soldando hasta terminar, comple- tando la soldadura con una sola pasada. La soldadura electrogás es un proceso mecanizado. Las características de la fusión y la solidificación durante la soldadura produce un depósito de alta calidad. En las soldaduras de una sola pasada hay poca o ninguna

DESCRIPCIÓN DEL PROCESO LA SOLDADURA ELECTROGAS es un proceso de soldadura por arco que utiliza un arco entre un electrodo continuo de metal de aporte y el charco de soldadura para soldar en la posición vertical con respaldos que retienen el metal de soldadura fundido. El proceso se emplea con o sin un gas protector de proJeniencia externa y sin aplicar presión.



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S O L D A D U R A E L E C T R O G A S 235

distorsión angular del metal base. La acción de soldadura es tranquila, sin muchas salpicaduras.

PRINCIPIOS DE FUNCIONAMIENTO EL ELECTRODO CONSUMIBLE, sea sólido o con núcleo de fundente, se alimenta en dirección descendente hacia una cavidad formada por los metales base que se van a soldar y las zapatas de retención. Al principio de la soldadura se emplea un sumidero (pestaña de inicio) con el fin de que el proceso se estabilice antes de que el metal de soldadura fundido llegue al trabajo. El arco se inicia entre el electrodo y el sumidero.

El calor del arco funde el electrodo de alimentación continua y las caras del surco. El metal de aporte y el metal base fundidos forman un charco bajo el arco y se solidifican para formar la soldadura. Se puede imprimir al electrodo un movimiento osci-

latorio horizontal a lo ancho de la unión a fin de distribuir el calor y el metal de soldadura con uniformidad. Conforme se llena la cavidad, una o ambas zapatas se pueden desplazar hacia amba. Aunque el desplazamiento de la soldadura es vertical, el metal de soldadura en realidad se deposita en la posición plana en el fondo de la cavidad.

VARIACIONES DE LOS ELECTRODOS Electrodo sólido EN LA FIGURA 7.1 se muestra un esquema de una instalación tipica de soldadura electrogás que emplea un electrodo sólido. El electrodo se alimenta a través de una pistola soldadora, llamada guía no consumible. El electrodo puede oscilar horizontalmente para soldar materiales gruesos. Se provee a la cavidad

RODILLOS ALAMBRE PARA SOLDAR

CONDUCTO DEL ELECTRODO

\

GAS PROTECTOR SOLDADURA COMPLEMENTARIO ~.

METAL DE SOLDADURA SOLIDIFICADO

Figura 7.1-Soldadura electrogas con electrodo sólido



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236 S O L D A D U R A E L E C T R O G A S

de soldadura un escudo de gas, normalmente dióxido de carbono (CO,), o una mezcla argón-dióxido de carbono (Ar-CO,) a través de aberturas, cajas o boquillas de gas.

Normalmente se usan zapatas de retención de cobre, enfriadas por agua, a ambos lados de la unión con el fin de retener el metal de soldadura fundido. Por lo regular, las zapatas están unidas a la máquina soldadora y se desplazan verticalmente junto con la máquina. El movimiento vertical de la máquina soldadora debe ser consistente con la tasa de deposición, y puede ser automático o controlado por el operador.

La soldadura electrogás con electrodos sólidos puede servir para soldar metales base cuyo espesor va desde unos 10 mm (318 pulg) ha 100 mm (4 pulg). Los espesores de metal base que más comúnmente se sueldan están entre 13 mm (1/2 pulg) y 76 mm (3 pulg). Los diámetros de electrodo de uso más común son 1.6, 2.0,2.4 y 3.2 mm (1/16,5/64,3/32 y 118 pulg).

Electrodo con núcleo de fundente LA FIGURA 7.2 ilustra la soldadura electrogás empleando un electrodo con núcleo de fundente que provee su propia protec- ción. Los principios de operación y las caracteristicas son idén- ticas a los de la variación con electrodo sólido, excepto que no se requiere un escudo de gas aparte. El electrodo con núcleo de fundente crea una delgada capa de escoria entre el metal de soldadura y las zapatas de cobre que produce una soldadura lisa.

La soldadura electrogás con electrodo con núcleo de fundente puede efectuarse con un escudo de gas externo o con un electro-

do autoprotegido. Los electrodos autoprotegidos trabajan con niveles de comente y tasas de deposición más altos que los que requieren escudo de gas.

El diámetro de los electrodos con núcleo de fundente suele variar entre 1.6 mm y 3.2 mm (1/16 y 1/8 pulg). El alimentador de alambre (electrodo) debe poder alimentar en forma continua y uniforme alambres de diámetro pequeño a altas velocidades, y alambres de diámetro mayor a velocidades más bajas.

PROCESO CON GUiA CONSUMIBLE LA EGW CON guía consumible es similar a la soldadura electroescoria con guía consumible. Esta variación de EGW se usa primordialmente para soldar ensambles cortos en astilleros, y en la fabricación de columnas y vigas. La EGW de guía consumible utiliza equipo relativamente sencillo, como se aprecia en la figura 7.3. La principal diferencia es que ninguna parte del equipo se desplaza verticalmente durante la soldadura. En vez de ello, el electrodo se alimenta a través de un tubo guía consumible que se extiende hasta cerca de 25 mm (1 pulg) del fondo de la unión. Conforme la soldadura avanza verticalmente, el electrodo se funde hasta llegar al tubo guia. En un principio, el electrodo se extiende unos 25 mm (1 pulg) más allá del extremo del tubo; posteriormente, se establece una relación de estado estable entre la fusión del extremo del tubo guía y del electrodo de alambre, como se muestra en la figura 7.4. Dicha relación continúa hasta que se completa la soldadura.

ELECTRODO CON NUCLEO DE FUNDENTE \ , RODILLOS QUE ALIMENTAN EL ELECTRODO

GAS PROTECTOR

ESCORIA FUNDIDA

METAL DE SOLDADURA

(SI SE USA)

FUNDIDO -1

PIEZA DE TRABAJO

CIRCULACIÓN DEL AGUA

CONEXIONES

ZAPATA INTERIOR

PARA EL AGUA

ZAPATA EXTERIOR DE COBRE ENFRIADA POR AGUA, SEA ESTACIONARIA O MOVIL

Figura 7.2-Soldadura electrogás con electrodo autoprotegido con núcleo de fundente



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FUENTE DE POTENCIA #

I ‘ / /

/

\ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \

EARRE DE ELECT

i /

/

RODILLOS ALIMENTADORES DEL ELECTRODO

TUBOGUiA CONSUMIBLE

1

/ /

TABLERO DE CONTROL

\ \ \

/ /

/ &=’ MOTOR IMPULSOR DEL ELECTRODO

3

I k I

J

\ SALIDA DE AGUA

,ENTRADA DE AGUA

Figura 7.3-Equipo para soldadura eiectrogác con guía concumible



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r

- - - I l - - 4

PIEZA DE TRABAJ

A

LONGITUD, DE LA UNION

ELECTRODO

TUBO GUíA JCONSUMIBLE

PIEZA DE TRABAJO

t A Z A T - ! !

METAL DE SOLDADURA FUNDIDO METAL DE SOLDADURA SOLIDIFICADO

Figura 7.4-Esquema del proceso de soldadura electrogás con guía consumible

La guía consumible proporciona entre el 5 y el 10% del metal depositado; el resto proviene del electrodo. El arco se enciende

cional. Un collarín o abrazadera, por lo regular hecho de cobre,

sostiene el tubo guía en la posición correcta. La guía consumible elegida debe tener una composición química compatible con el material base. Los tubos guía suelen tener un diámetro exterior

de 13 a 16 mm (1/2 a 5/8 pulg) y un diámetro interior de 3 a 5 mm (1/8 a 3/16 pulg); están disponibles en diversas longitudes y para algunas aplicaciones en las que la unión es más larga se pueden soldar extremo con extremo. La oscilación con un tubo guía consumible de más de 1 m (3 pies) se vuelve cada vez más difícil conforme aumenta la longitud de la unión, porque el extremo inferior del tubo adquiere un movimiento de "latigueo" y puede distorsionarse por el calentamiento. Esta tendencia puede eliminarse añadiendo uno o más electrodos adicionales para reducir o eliminar la oscilación. Se pueden colocar aislantes circulares a intervalos de unos 300 a 450 mm (12 a 18 pulg) a lo largo del tubo para evitar que éste haga corto con las paredes del surco.

En la EGW con guía consumible, las zapatas de retención son independientes del equipo de soldadura, como se indica en la figura 7.3. Las zapatas pueden fijarse en su sitio con cuñas insertadas entre las zapatas y caballetes soldados a la pieza de trabajo. En soldaduras cortas, las zapatas pueden tener la misma longitud que la unión; para soldaduras más largas se pueden apilar juegos de zapatas uno encima de otro.

Una complicación que puede surgir en la EGW de guía consumible es la acumulación de escoria encima del charco de soldadura. Si la acumulación es excesiva, la penetración puede ser deficiente, e incluso puede haber falta de fusión. Esto puede evitarse incluyendo agujeros de desalojo en las zapatas de reten- ción o insertando calzas entre el trabajo y las zapatas intermiten- temente a lo largo de la soldadura. Cualquiera de los dos métodos permitirá que el exceso de escoria escape del surco de la soldadura.

Algunas veces es posible usar tubos guía consumibles para fonnas complejas. Las guías pueden premoldearse de modo que einbonen dentro de un unión curvada.

EQUIPO EL EQUIPO MEC~NICO básico para soldadura electrogas consiste en una fuente de potencia de corriente continua, un dispositivo para alimentar el electrodo, zapatas para retener el metal fundido, una guía para el electrodo y el equipo necesario para suini- nistrar gas protector, si se usa. En un sistema de soldadura elec- trogás típico, los componentes esenciales (excepto la fuente de potencia) se integran en una unidad que se desplaza verticalmente conforme avanza la soldadura.

Fuente de potencia NORMALMENTE SE USA comente continua con el electrodo positivo (polaridad inversa) para EGW, y la fuente de potencia puede ser de voltaje constante o de corriente constante. La fuente debe ser capaz de suministrar la corriente requerida sin interriip- ción durante la soldadura de una uiiióii que puede ser bastante larga. Las fuentes de potencia empleadas para soldadura elec- trogás por lo regular tienen capacidades de 750 a i O00 ainpe- res a 30 o 35 volts y ciclo de trabajo del 100%. La corriente

continua casi siempre proviene de un transformador-rectificador, aunque también pueden usarse generadores impulsados por motor.

Alimentador del electrodo EL ALIMENTADOR DE alambre para el electrodo es del tipo de empuje como el que se usa coli GMAW o FCAW automáticas. EI alimentador normalmente está montado como parte integral de la máquina soldadora que se mueve verticalmente. La velocidad de alimentación del alambre puede llegar hasta 230 mm/s (550 pulg/mi n) .

EI sistema de alimentación del alambre puede incluir un enderezador para eliminar la echada y la espiral imprimidas al electrodo y así minimizar la divagación del electrodo dentro de la iinióii. Puesto que la extensión del electrodo en EGW es relativamente larga -de 40 min (1 .S pulg) o más- es necesario que el tramo que sobresale de la guía sea recto para que la posición del arco dentro de la iiiiióii sea la correcta.



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Guia del electrodo ENMUCHOS ASPECTOS, las guias de electrodo son similares a las pistolas de soldar que se usan para GMAW o FCAW semiauto- máticas. La guia puede tener UM salida de gas protector que forme un escudo de gas alrededor del tramo de electrodo saliente (complementando, por lo regular, el gas protëctor suministrado a través de aberturas en las zapatas) y puede estar o no enfriada por agua. La guia del electrodo (o al menos una parte de ella, en el caso de una guia curvada) se sitúa dentro del espacio que está directamente amba del charco de soldadura. Debe ser lo bastante angosta como para caber en ese espacio con la holgura suficiente para que pueda haber oscilación horizontal, si se usa, entre las dos zapatas. Por esta razón, la anchura de la guia del electrodo casi nunca es mayor que 10 mm (3/8 pulg), ya que la separación que suele haber entre las piezas de trabajo es de 18 mm (1 1/16 pulg).

Osciladores de la guia del electrodo SIELESPESOR de los metales base está entre 30 y 100 mm (1.25 y 4 puig), será necesario mover el arco de un lado a otro entre las dos zapatas y sobre el charco de soldadura a fin de lograr una deposición de metal uniforme y asegurar la fusión de ambas piezas de trabajo. Esta oscilación horizontal del arco casi nunca se necesita en uniones en las que el metal base tiene menos de 30 mm (1.25 pulg) de espesor, pero algunas veces se usa con metales base delgados para minimizar la penetración en el trabajo y mejorar las propiedades de la soldadura. Este movimiento horizontal se efectúa con un sistema que oscila la guía del electrodo y permite ajustar los tiempos de permanencia o cambio de dirección (dwell) en los extremos de la oscilación. Normalmente, el arco se oscila hasta una distancia de unos 6 mm (1/4 pulg) de la zapata de retención a cada lado de la unión. El tiempo de permanencia puede ajustarse de modo que produzca una buena fusión de la superficie del metal base.

Zapatas de retención LAS ZAPATAS DE retención, también llamadas represas, se pre- sionan contra los lados del espacio que se deja entre los metales

base que se van a soldar a fin de retener el metal de soldadura fundido dentro del surco. Una o ambas zapatas podríanmoverse hacia amba conforme avanza la soldadura. En algunos ensambles, una barra de respaldo de acero, que se fusiona a la soldadura, puede sustituir a la zapata exterior. También se han usado respaldos de cerámica que no se fusionan. Por lo regular, las zapatas de retención están enfriadas por agua; esto es indispensable en el caso de las zapatas móviles. Casi siempre se moldea un surco en las zapatas a fin de conferir a la soldadura el refuerzo deseado. Las zapatas deslizantes pueden o no contener aberturas para alimentar gas protector directamente a la cavidad formada por las zapatas y el surco de soldadura. Si no se incluyen aberturas para gas en las zapatas, puede montarse un sistema de “caja de gas” sobre las zapatas cuyo propósito es rodear al electrodo y al arco de soldadura con gas protector. Estos mecanismos para proveer un escudo de gas no son necesarios cuando se usan electrodos con núcleo de fundente que generan su propia protección.

Controles CON LA EXCEPCIÓN del control de desplazamiento vertical, los controles de EGW son primordialmente adaptaciones de los dispositivos que se usan con GMAW y FCAW. Los controles de recorrido vertical, sean eléctricos, Ópticos o manuales, mantienen una extensión de electrodo dada, con el borde superior de la zapata móvil a una distancia especifica por encima del charco de soldadura.

En los equipos que usan electrodo con núcleo de fundente y autoprotección, los procedimientos de inicio se deben controlar con mucho cuidado a fin de minimizar la porosidad en el área del sumidero de inicio. Por lo regular, las soldaduras se inician con velocidades de alimentación del alambre bajas y voltajes altos. Estos ajustes de arranque bajos deberán mantenerse hasta que el arco se estabilice y el área de inicio se caliente. Después de un tiempo preestablecido, el equipo cambia automáticamente la velocidad de alimentación y el voltaje a sus niveles de opera- ción normal. El cambio es automático y no manual porque así se reduce la probabilidad de que un error del operador cause porosidad en la zona de inicio.

CONSUMIBLES

ELECTRODOS ENEL PROCESO de soldadura electrogás se usan electrodos tanto con núcleo de fundente como sólidos.

Los electrodos de EGW con núcleo de fundente contienen un porcentaje más bajo de compuestos generadores de escoria que los electrodos típicos empleados en el proceso FCAW. Estos electrodos especiales promueven la formación de una delgada capa de escoria entre las zapatas y la soldadura, que dará a esta última una superficie lisa. Los electrodos con núcleo de fundente están disponibles con diámetros entre 1.6 y 3.2 mm (1/16 y 1/8 pulg). Sólo deben usarse electrodos con núcleo de fundente diseñados especificamente para EGW.

En general, los electrodos sólidos son idénticos a los que se usan para GMAW. Están disponibles en tamaños desde 0.8 hasta 3.2 mm (0.030 a 1/8 pulg).

Los electrodos tanto sólidos como con núcleo de fundente se fabrican con diversas composiciones químicas diseñadas para introducir los elementos de aleación necesarios para obtener las propiedades de resistencia mecánica y de impacto (o combinaciones de éstas y otras propiedades) deseadas en el metal de soldadura depositado. En el caso de la soldadura de acero, estos elementos adicioneales pueden ser manganeso, silicio o níquel. Las propiedades requeridas normalmente se obtienen sin necesidad de tratamiento posterior.

La American Welding Society publica la ANSI/AWS A5.26, Especificación para consuniibles empleados en soldadura electrogás de aceros al carbono y de aleación con alta resistencia niecáizica, que prescribe los requisitos que deben cumplir los electrodos sólidos y con núcleo de fundente para soldadura elec- trogás.



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Esta especificación clasifica los electrodos sólidos con base en su composición química de fábrica y las propiedades mecá- nicas del metal de soldadura sin tratamiento posterior. Los electrodos con núcleo de fundente se clasifican con base en si se requiere o no escudo de gas externo, en la composición quimica del metal de soldadura y en las propiedades mecánicas de dicho metal sin tratamiento posterior. El sistema general de clasifica- ción de los electrodos para EGW se ilustra en la figura 7.5.

Los requisitos de clasificación respecto a la composición quí- mica de fábrica de los alambres sólidos y la composición quími- ca de los metales de soldadura depositados con electrodos con núcleo de fundente para soldadura electrogás se muestran en las tablas 7.1 y 7.2, respectivamente. Las propiedades mecánicas que debe tener el metal de soldadura depositado, sin tratamiento posterior, se muestran en la tabla 7.3. Cabe señalar que hay dos clasificaciones de resistencia mecánica, y que se usan diferentes metales base en el ensamble soldado de prueba estándar para cada clasificación. Obsérvese también que tanto los electrodos con núcleo de fundente como los sólidos se pueden clasificar de acuerdo con cualquiera de las clasificaciones de propiedades mecánicas. El empleo de metales base específicos para las prue-

bas de clasificación de electrodo tiene en cuenta las altas tasas de dilución características de la soldadura electrogás de una sola pasada. Para cada nivel de resistencia mecánica, se cuenta con clasificaciones de electrodos que definen tres niveles de tenacidad mínima definidos según la prueba de impacto Charpy de muesca en “V”.

PROTECCIÓN LOS ELECTRODOS CON núcleo de fundente autoprotegidos para EGW contienen en el núcleo materiales que protegen el metal de soldadura fundido. Otros electrodos con núcleo de fundente requieren un escudo de gas externo adicional (normalmente dió- xido de carbono, pero también se usan mezclas de argón y dióxi- do de carbono). Las tasas de flujo de gas recomendadas varían entre 14 y 66 L/min (30 y 140 pies3/h). Estas tasas dependen del diseño del equipo, y se recomienda seguir las indicaciones del fabricante. Las mezclas de argón y dióxido de carbono se usan normalmente para soldar acero con electrodos sólidos, pero también pueden usarse con electrodos con núcleo de fundente.

DESIGNA UN ELECTRODO PARA SOLDADURA ELECTROGAS

INDICA, EN UNIDADES DE 10 KSI (69 MPa).’ LA RESISTENCIA MINIMA A LA TENSIÓN DEL METAL DE SOLDADURA

INDICA LA RESISTENCIA MíNiMA AL IMPACTO DEL METAL DE SOLDADURA DEPOSjTADO CON UN ELECTRODO ESPECIFICO (VEASE LATABLA7.3)

ri E G

INDICA,UN ELECTRODO CON NUCLEO DE FUNDENTE (LA LETRAS INDICA UN ELECTRODOSOLIDO) r

I l : X T X X X I

QUIMICA DEL METAL DE SOLDADURA DEPOSITADO CON UN ELECTRODO CON NUCLEO DE FUDENTE O LACOMPOSICION QUiMiCA DE UN ELECTRODO SOLIDO. PUEDETENER DOS, TRES o *CUANDO SE USAN UNIDADES DELSI,

LA DESIGNACION DE RESISTENCIA A LA TENSION SE SIGUE,DANDO EN UNIDADES DEL SISTEMA INGLES (VEASE LA TABLA A)

7.1 y ”*)

r E

- ELECTRODO PARA SOLDADURA ELECTROGAS

RESISTENC!A MíNIMA A LA TENSION DE 60 KSI r

RESISTENCIA MiNIMA AL IMPACTO DE 20 PIES-LB A -4OOF

1 G 6 2 S - 1

COMPOSICIÓN QUIMICA LL ALAMBRE SÓLIDO

Fiaura 7.5-Sistema de clasificación de electrodos Dara soldadura electroaás



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Tabla 7.1 Requisitos de composición química para electrodos sólidos

Porcentaje Clasificación en pesoa delaAWSb C Mn S P si Ni Mo CuC Ti Zr AI

0.07 0.90

0.19 1.40 0.90

1.40 0.06 0.90

0.15 1.40 0.07 0.90

0.19 1.40 0.07 1.40

0.1 5 1.85 0.07 1.6

0.12 2.1

EGXXS-1 a a 0.035

EGXXS-2 0.07 a 0.035

EGXXS-3 a a 0.035

EGXXS-5 a a 0.035

EGXXS-6 a a 0.035

EGXXS-D2d a a 0.035

EGXXS-G No especificadae

0.30

0.50 0.40

0.70 0.45

0.70 0.30

0.60 0.80

1.15 0.50

0.80

0.025 a

0.025 a

0.025 a

0.025 a

0.025 a

0.025 a

0.35

0.05 0.02 0.05

0.15 0.12 0.15 0.35 a a a

0.35

0.50

0.90 0.35 a

0.35

0.15 0.40

0.60 a 0.35

~~~

a. Los valores únicos son máximos. b. Las letras 'XX" se refieren a las designaciones de propiedades mecánicas 6Z, 60,62,7Z, 70,72 y 8Z, 80 y 82 de la tabla 7.3. c. EI límite de cobre incluye el cobre que puede aplicarse como recubrimiento sobre el electrodo. d. Antes EGXXS-1 B. e. Se informará la composición; los requisitos serán aquellos convenidos entre el comprador y el proveedor.



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Tabla 7.2 Requisitos de composición química para metal de soldadura derivado de electrodos compuestos con núcleo

de fundente v núcleo metálico ~~ ~~ ~~~~ ~~~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ _ _ _ _ _

Porcentaje en Clasificación Gas peso’ Total de otros de la AWSb protector C Mn P S si Ni Cr Mo Cu V elementos

EGXXT-1 EGXXT-2 EGXXT-Ni1

EGXXT-3) EGXXT-NM1

(Antes

(Antes EGXXT-4)

(Antes EGXXT-NM2

EGXXT-6) EGXXT-W

EGXXT-5) EGXXT-G

(Antes

(c) 1.7 0.03 0.03

(c) 2.0 0.03 0.03

0.10 a 0.03 0.03 1 .o

1.8 1 .o 2.0 1.10

2.10 0.50

1.3

0.12 a 0.02 0.03

0.12 a 0.03 0.03

0.12 a 0.03 0.03

No especificadae

0.50 0.30 0.90 0.30

0.7 0.50 a

1.1 0.15 1.5

a a 0.50 2.0 0.20 1.1

a a 0.60 2.0 0.30 0.40

a a 0.80 0.80

0.20 0.35 0.35 0.08 0.50 0.20 0.35 0.35 0.08 0.50

0.50 0.30 0.35

0.40 0.50

0.65 0.10 0.50

0.20 a 0.35 0.05 0.35

0.45 0.30 0.50 a a

0.70 0.75

0.20 a 0.35 0.05

a. Los valores únicos son máximos. b. Las letras ‘XX” se refieren a las designaciones de propiedades mecánicas 6Z, 60,62,7Z, 70, 72 y 8Z, 80 y 82 de la tabla 7.3. c. En estas clasificaciones no se especifica el intervalo de composición para el carbono, pero se habrá de determinar e informar la cantidad. e. Se informará la composición; los requisitos serán aquellos convenidos entre el comprador y el proveedor.



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Tabla 7.3 Requisitos de propiedades mecánicas dei metal de soldadura depositado, antes de cualquier tratamiento

posterior

Resistencia al vencimiento con desalineación del 0.2% Resistencia al impacto Charpy

Resistencia a la tensión (min.) Alargamiento en de muesca en "V", min.b Clasificación de 50 mm (2 pulg)

ia AWS' ksi MPa ksi MPa min;, o/, -. Dies-ib J (Usando placa ASTM A36)

EGGZXXX} {:i} {4:} 36 250 24 EG6OXXX EG62XXX 550

EG7ZXXX) {:{} raO} 50 350 22 EG70XXX EG72XXX 650 EGBZXXX} { y } raO} 60 420 20 EG8OXXX EG82XXX 100 690

(Empleando aceros estructurales ASTM, A242, A441, A572 Grado 50 o A588)'

No se requiere 20 a O"Fd

20 a -20"Fd

No se especifica 27 a -18"Cd 27 a -29"Cd

No se requiere 20 a O"Fd

20 a -20"Fd No se requiere

20 a O"Fd 20 a - 20"Fd

No se especifica 27 a -18°C' 27 a -29"Cd

No se especifica 27 a -1 8"Cd 27 a -29"Cd

a. Las letras XXX en esta tabla se refieren a las clasificaciones T 1 ~ T2, T3, S-1, S-2, S-3, etc. EI gas protector para los electrodos con núcleo de fundente es el que se indica en la tabla 7.2. EI gas protector es CO, para los electrodos sólidos. Es posible usar otros gases si el proveedor y el comprador están de acuerdo. b. En esta prueba se puede hacer caso omiso del valor mas bajo obtenido y del valor mas alto obtenido. Dos de los tres valores restantes deberán ser mayores que el nivel de energia especificado de 27 J (20 pies-lb). EI promedio calculado de los tres valores deberá ser igual o mayor que el nivel de energia de 27 J (20 pies-lb). c. Es necesario restringir los materiales de placa para las resistencias a la tensiÓn/vencimiento dadas, en virtud de las características inherentes al proceso electrogás. d. Obsérvese que si un electrodo especifico satisface los requisitos de una clasificación dada, también satisfará los requisitos de todas las clasificaciones de número más bajo en la serie. Por ejemplo, un electrodo que satisfaga los requisitos de la clasificación EG62 también satisfará los requisitos de EG6Z. Esto también se aplica a la serie EG7X.

VARIABLES DE OPERACIÓN Es posible que algunos códigos no permitan el uso de solda-

dura electrogás con aceros extinguidos y templados o normalizados. Por ejemplo ANSI/AWS D 1.1, Código para so/dad/tra esrr//cr/rrol- ocpro, no pemiite la soldadura por EGW de aceros extiiigiiidos y templados.

METALES BASE LOS METALES QUE con 1116s frecuencia se unen mediante soldadura electrogas son 10s aceros al carbono ordinarios, 10s estriic- turales y los destinados a recipientes de presión. En la tabla 7.4 se dan ejemplos de estos grados de acero. Además, el proceso EGW se ha utilizado para unir aluminio y algunos grados de aceros inoxidables. DISEÑO DE LAS UNIONES

Tabla 7.4 Ejemplos de grados de acero que comúnmente

se unen mediante soldadura eiectrogás

Aplicación Grados

Aceros al carbono ordinarios

Aceros estructurales

Aceros para recipientes a presión

AISI 1010, 1018, 1020

ASTM A36, A l 31, A242, A283, A441, A572, A573, A588

ASTM A36, A285, A51 5, A51 6, A537

SE USAN COMUNMENTE iiiiiones a tope cuadradas con una sepa- ración de aproximadamente 22 min (7/8 pulg). Esta unión normalmente emplea dos zapatas móviles como se muestra en la figura 7.6 (A). También se usan soldaduras de surco único en "V" con Lina zapata móvil y la otra estacionaria [figura 7.6 (B)]. La abertura de raíz en ias soldaduras de surco único en "V" suele ser de mos 4 min (5/32 pulg), y la abertura de cara normalmente es de 22 min (7/8 piilg). La zapata móvil moldea el metal en la cara de soldadura, y la zapata estacionaria moldea la cara de raíz.

Er1 la figura 7.7 se muestran ejemplos de otras coiifiguracio- iies de unión que se liaii utilizado con éxito. También son aceptables las variaciones de estas configuraciones, y el ingeniero de



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22.2 mm ZAPATAS MOVILES O 718pW) ESTACIONARIAS PAR

CON TUBO GUIA CON

(A) UNION A TOPE CON SOLDADURA DE SURCO CUADRADO

(8) UNIÓN A TOPE CON SOLDADURA DE SURCO ÚNICO EN ?V?

Figura 7.6-Diseños de unión típicos para soldadura electrogás

soldadura deberá realizar experimentos para determinar el intervalo de dimensiones de la unión que resulta más apropiado para la aplicación que propone.

EMBONAMIENTO Y ENSAMBLADO Desalineación LA DESALINEACION DE las superficies del metal base no deberá ser mayor que 3.2 mm (1/8 pulg) tanto en la cara delantera como en la trasera. Tal vez se requiera amolado para ajustarse a esta tolerancia. Una desalineación mayor crea diversos problemas, como la fuga de metal de soldadura, una franja de forma irregular, ligado deficiente, traslapo, socavamiento y pérdida de pro- tección. Además, cuando se usa respaldo de acero, una desali- neación excesiva puede resultar en una fusión de lado a lado.

Al soldar placas de diferente espesor, la placa más gruesa se deberá ahusar, lo mismo que la zapata de retención correspondiente. En aplicaciones de soldadura estrxtural es suficiente un ahusamiento de 1:2.5.

Ca balletes SE REQUIEREN ABRAZADERAS, soportes o caballetes apropiados para mantener los materiales base alineados durante la soldadura. Los soportes con forma de ?U? que se muestran en la figura 7.8 dejan espacio para la zapata móvil o el respaldo. Los soportes deberán mantener el material base alineado, pero no deberán ser tan ngidos que causen una restricción excesiva. En general, se puede usar soportes más pequeños en aplicaciones de respaldo fijo que los necesarios para dejar pasar una zapata móvil.

Sumidero de inicio EL SUMIDERO DE inicio permite encender el arco por debajo de la unión real con el fin de que las discontinuidades iniciales estén contenidas en material de desecho. El sumidero debe ser lo bastante profundo para que el proceso tenga tiempo de cambiar de los procedimientos de inicio a los de soldadura normal y el arco y el movimiento se estabilicen antes de que el charco de soldadura suba hasta la unión que se va a soldar. El sumidero se elimina cortándolo después de soldar.

EI espesor y la configuración del sumidero deben ser los mismos que los del material base por soldar. El sumidero se une a los materiales base como se muestra en la figura 7.9. EI borde superior del sumidero, que embona con la parte inferior de los materiales base, debe estar limpio y seco. El sumidero de inicio se deberá soldar a la unión sellándolo, pero no en toda su ex- tensión; debe quedar una abertura para que los gases que se expandan entre el sumidero y el trabajo como resultado del calor de soldadura sean expulsados del metal de soldadura fundido.

Pestañas de escurrimiento L>E REQUIEREN PESTAÑAS de escummiento porque el rápido enfriamiento del voluminoso charco de soldadura al final de la unión crea un cráter de contracción que tiende a atrapar escoria o gases. En la figura 7.9 se muestran pestañas de escurrimiento típicas. Las barras de respaldo fijas deben llegar hasta el borde superior del área de escurrimiento, y terminar entre 25 y 50 mm (1 y 2 pulg) más arriba del borde superior de la pieza de trabajo. Las pestañas de escurrimiento deben eliminarse una vez completada la soldadura.



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ZAPATA ESTACIONARIA ZAPATA MÓVIL

(A) UNIÓN EN “T”

ZAPATA ESTACIONARIA PARA LA PRIMERA PASADA

RESPALDO RESPALDO

ZAPATA ESTACIONARIA

I - L ZAPATA

(B) UNIÓN A TOPE CON RESPALDO

ZAPATA MÓVIL PARA LA SEGUNDA PASADA

- MÓVIL

- PERMANENTE

Y ZAPATA MÓVIL

(c) UNIÓN A TOPE CON SURCO EN c‘v” DOBLE ZAPATA MOVIL PARA

ZAPATA MOVIL

TERCERA PASADA ZAPATA ESTACIONARIA O MOVIL PASADA

(D) SOLDADURA DE MÚLTIPLES PASADAS

Fiaura 7.7-Diseños de unión alternativos Dara soldadura electroaas



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A (A) PARA ZAPATA MÓVIL

, 3 T í 8

\

PESTANAS

3/8 9 5 1/2 12.7

1-1/2 38 2 51

(8) PARA ZAPATA FIJA 3 76 4 102 5 127 6 152 7 178

*LAS DIMENSIONES REALES DEPENDEN DELTAMAMO DE LA ZAPATA

T = ESPESOR DEL METAL BASE

1~112 38 2 51 3 76 4 102 5 127

152 7 178

w = ANCHURA DE LA ZAPATA MOVIL MAS DOS PULGADAS

LAS SOLDADURAS SE INDICAN CON XXXX

Figura 7.9-Disposiciones típicas de sumidero, pestañas de escurrimiento y caballetes para soldadura Figura 7.8-Dimensiones típicas de caballetes para

soldadura electrogás electrogás



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APLICACIONES ENTRE LAS APLICACIONES de la soldadura electrogás están los tanques de almacenamiento, cascos de buques, miembros estructurales y recipientes de presión. Se recomienda considerar la EGW para cualquier unión que se deba soldar en posición vertical en materiales con espesor entre 10 y 100 mm (3/8 y 4 pulg). En las figuras 7.10 a 7.14 se ilustran algunas aplicaciones de EGW típicas.

CONSIDERACIONES METALÚRGICAS

Ciclo térmico de la soldadura electrogas EL CICLO TÉRMICO de EGW es prolongado a causa de las velocidades de recorrido relativamente lentas [0.2 a 3 min/s (1.5 a 8 pulg/min)]. Por tanto, la estructura del metal de soldadura contiene granos grandes con una marcada tendencia al crecimiento columnar. La zona térmicamente afectada es más ancha que en la soldadura por arco convencional, y también contiene una región de engrosamiento del grano más amplia. No obstante, la zona térmicamente afectada y las regiones de engrosamiento del grano de soldaduras electrogás son más angostas que las de soldaduras electroescoria de tamaño comparable. Lo prolongado del ciclo térmico implica una tasa de enfriamiento de la soldadura relativamente lenta, lo que produce zonas térmica- mente afectadas sin ias estructuras duras indeseables que a menudo aparecen en las soldaduras por arco convencionales hechas en aceros al carbono y de baja aleación.

Los perfiles de dureza de una soldadura electrogás y de una soldadura por arco de metal protegido se muestran en las figuras 7.15 y 7.16, respectivamente. El perfil de la soldadura electrogás es relativamente uniforme, mientras que el de la soldadura por arco de metal protegido muestra un aumento significativo de la dureza en la zona térmicamente afectada cerca de la de contacto

con la soldadura. La elevada dureza de la zona térmicamente afectada es resultado de las reacciones metalúrgicas que ocurren cuando la soldadura por arco de metal protegido se enfría con rapidez desde la temperatura de soldadura.

En algunos casos, esta dureza puede acercarse a la dureza máxima por extinción dei material. El patrón de la zona térmica- mente afectada que se muestra en la figura 7.16 es representativo de todos los procesos de soldadura de múltiples pasadas de uso común, como la soldadura por arco de metal protegido, la soldadura por arco sumergido, la soldadura por arco con núcleo de fundente y la soldadura por arco de metal y gas.

Además de reducir la velocidad de enfriamiento, el prolongado ciclo térmico de la soldadura electrogás permite que la unión se mantenga durante más tiempo en los niveles de temperatura en los que ocurre el crecimiento de granos; por ello, el metal de soldadura y la zona térmicamente afectada de las soldaduras electrogás presentan granos más grandes y regiones de grano grueso más extensas.

Estructura de la soldadura EL RASGO DOMINANTE de ia microestructura de las soldaduras electrogás son los grandes granos columnares que resultan de la solidificación dei metal de soldadura. El contorno de la interfaz sólido-líquido se puede estimar a partir de un corte transversal vertical de una soldadura terminada. El crecimiento columnar de los granos ocurre en dirección perpendicular a la interfaz sólido-líquido, y una macrosección vertical tratada con ácido de una soldadura electrogás será idéntica al corte seccional de una soldadura electroescoria que se muestra en la figura 7.17. Así, durante la soldadura, la frontera aproximada entre el metal líquido y el sólido es prácticamente perpendicular a los granos columnares, como se aprecia en la figura 7.17.



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Figura 7.1 &Soldadura electrogas del casco de un barco



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S O L D A D U R A E L E C T R O G Á S 249

Finura 7.1 1-Soldadura electrogas de un tanque de almacenamiento en el campo



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250 S O L D A D U R A E L E C T R O G Á S

Ficiura 7.12-Unidad de soldadura electrociás portátil alberciada en una ¡aula de elevador esDeciai



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NOTA LOS PANELES PROTEGEN A LA UNIDAD ELECTROGAS DE CORRIENTES DE AIRE QUE PODRAN DISPERSAR EL GAS PROTECTOR

Figura 7.1 3-Unidad de soldadura electrogas autocontenida empleada en la construcción de barcos



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Figura 7.14-Soldadura electrogas de tanques de surgencia



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L~NEA CENTRAL DE LA SOLDADURA x

h

rn Y

W - n 250

200 z 5 Y

W U 3 D W n i 150 r 3 = I

UBICACIÓN DEL ESTUDIO KHN (METAL BASE)

METAL DE SOLDADURA

r L ¡ N E A CENTRAL DE LA SOLDADURA

\ LíNEA DE FUSIÓN

METAL BASE ZONA TERMICAMENTE AFECTADA

O O 0.20 0.40 0.60 0.80 1 .o0

DISTANCIA DE LA LíNEA CENTRAL DE LA SOLDADURA, pulg

1 O0

90

ao

70

1.20

- X O U a 0 5 _I A

$ o E 4 a o In W

Fiaura 7.15-Estudio de microdureza Knoop en una soldadura electroaás en metal base A283 Grado C

El término factor de fornia -la razón entre la anchura del charco de soldadura y su profundidad- es el de uso más frecuente para describir la forma del charco de soldadura en el proceso electrogás. En general es deseable un factor de forma elevado porque el avance de la solidificación es vertical y cualesquier impurezas, segregados y constituyentes de bajo punto de fusión se mantienen en el charco de soldadura, flotan hacia arriba y se solidifican de manera inocua en la pestaña de escun-imiento fuera del metal de soldadura de producción. En cambio, en las soldaduras con factor de forma bajo los constituyentes de bajo punto de fusión y las impurezas pueden quedar atrapadas a lo largo de la línea central de la soldadura, donde se producirá un plano de debilidad. Esta condición incrementa la tendencia al agrietamiento de la soldadura que por lo regular ocurre a altas temperaturas simultáneamente con la solidificación o inmediatamente después.

La estructura de soldadura que se produce con el proceso electrogás consiste en granos columnares grandes; la zona tér- micamente afectada resultante es ancha, con un engrosamiento de granos considerable cerca de la línea de fusión. Las soldaduras con granos columnares grandes generalmente presentan una

tenacidad de muesca menor y una temperatura de transición más alta que las soldaduras con granos equieje o dendnticos finos. Las soldaduras electrogás correctamente efectuadas y sin tratamiento posterior casi siempre tienen las propiedades de impacto mínimas especificadas para aceros al carbono y de baja aleación rodados en caliente. En muchos casos también, las propiedades de impacto de la zona térmicamente afectada son comparables con las de los grados de acero normalizados. El tratamiento térmico después de soldar puede mejorar la tenacidad y hacer posible el uso de la soldadura electrogás en aplicaciones para servicio a bajas temperaturas.

Precalentamiento ENGENERAL, NO es necesario precalentar el metal base al soldar con el proceso electrogás aceros de bajo y medio carbono. La mayor parte del calor generado en la soldadura electrogás se transmite por conducci6n hacia las piezas de trabajo y sirve para precalentar el metal base gracias al avance relativamente lento del arco de soldadura.



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I

ZONATÉRMICA- MENTE AFECTADA

I .. e

e e

~ L ~ N E A CENTRAL DE LA SOLDADURA

METAL BASE

(A 0.10 puig DE LA FUENTE DE METAL BASE)

5 / 10 15 2 0 \ I I 1 I

A METAL DE SOLDADURA

L¡NEA DE FUSIÓN \ LÍNEA CENTRAL r DE LA SOLDADURA

” O 0.20 0.40 0.60 0.80 1 .o0

DISTANCIA DE LA L¡NEA CENTRAL DE LA SOLDADURA, puig

EQUIVALENTES EN EL Si puig mm puig mm

1 O 0 2 B 5 a Y

_1 _I

90 g o B S

w 80 5

70

0.10 2 .5 0.60 15.2 0.20 5.1 0.80 20.3 0.40 10.2 1.00 25.4

Figura 7.1 6-Estudio de microdureza Knoop en una soldadura por arco de metal protegido (vertical ascendente) en metal base A283 Grado C

Aunque el calor de soldadura provee el precaleiitainieiito en ia mayor parte de las aplicaciones, el usuario deberá determinar si se requiere precalentamiento con base eil las condiciones específicas de cada aplicación. EI precalentamiento puede iiicre- inentar ia resistencia al agrietamiento cuando se sueldan:

(1) Aceros de alta resistencia mecánica. (2) Aceros con alto contenido de carbono o elementos de

(3) Metales base gruesos [más de 75 mm (3 pulg)]. (4) Metales base muy restriiigidos. (5) Metales base por debajo de 0°C (32°F).

aleacióii.

El precalentamiento del área de inicio de la soldadura taiii- biéii mejora el “mojado” de los bordes. Sin embargo, un precalentamiento excesivo reduce la tasa de enfriamiento de la soldadura, incrementa la penetración en la unión y puede contribuir a las fugas de metal de soldadura y a la fusión de lado a lado.

En algunos casos, por falla del equipo u otras causas, la soldadura podría suspenderse antes de completarse, y habría necesidad de reiniciar el arco en la unión. En esta situación será preciso insertar uiia cuña o algo similar en ia unión abierta inmediatamente después de suspender la soldadura, a fin de evitar que, al contraerse los metales base por la desaparición dei calor de soldadura, la cabeza de soldadiira que está dentro del surco



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FASE S,OLIDO LIQUIDO

Figura 7.17-Patrón de crecimiento de granos típico de una sección vertical de una soldadura electroaás

sea comprimida. Al precalentarse el área de reinicio las fuerzas de contracción se invertirán y la cabeza de soldadura podrá seguir ascendiendo por la unión. Una vez reiniciado el arco, la abertura de la unión deberá expandirse lo suficiente como para quitar la cuña. Es importante señalar que el reinicio puede causar ciertos defectos en la soldadura, la cual deberá examinarse con detenimiento en esa región.

Tratamiento térmico después de soldar EN LA MAYOR parte de las aplicaciones de la soldadura electro- gás, sobre todo al soldar estructuras erigidas en el campo, no se requiere tratamiento térmico después de la soldadura. El tratamiento termico de ensambles soldados por EGW para liberar tensiones casi siempre resulta en una ligera disminución de la resistencia al vencimiento y a la tensión y una leve mejora de la tenacidad de muesca de la soldadura y de la zona térmicamen- te afectada. En soldamentos que requieren una tenacidad de muesca óptima puede ser necesario un tratamiento térmico postsoldadura, como la normalización. Los aceros extinguidos y templados soldados por EGW tienen una resistencia mecánica más baja en el metal de soldadura y en la zona térmicamente afectada. Es posible igualar su resistencia mecánica a la dei metal base mediante un tratamiento térmico completo (austenitizar, extinguir y templar), pero en muchas ocasiones este procedimiento no es práctico.

Esfuerzos residuales y distorsión miEST0 QUE LA solidificación de una soldadura elec,trogás comienza en las zapatas, las superficies exteriores de la soldadura están sometidos a esfuerzos de compresión residuales, y el centro de la soldadura está sometida a tensión. Este singular patrón de esfuerzos residuales es justamente el opuesto al que cabe esperar en los procesos de soldadura por arco de múltiples pasadas.

En las soldaduras electrogás de una sola pasada prácticameti- te no hay distorsión angular en el plano horizontal. Esto se debe a la simetría de la mayor parte de las uniones diseñadas para soldadura electrogás alrededor de la parte media del espesor del material base, lo que resulta en una contracción uniforme en la dirección del espesor. Al avanzar la soldadura hacia arriba

por la unión, las piezas tienden a juntarse debido a la contracción de la soldadura. Por tanto, la abertura de raíz en la parte superior de la unión debe ser aproximadamente de 2.4 a 3.2 mm (3/32 a 1/8 pulg) más grande que en la parte inferior, a fin de compensar esta contracción. Los factores que influyen en este margen de contracción son, entre otros, el tipo de material, el espesor de la unión, la longitud de la unión y el grado de restricción de las piezas que se van a unir.

Puede haber distorsión angular en aplicaciones de múltiples pasadas de soldadura electrogás. Esto puede compensarse pre- fijando las piezas. La experiencia sugerirá el grado de prefijado correcto para cada aplicación.

Propiedades mecånicas LA EGW IMPLICA una gran penetración en el metal base, de modo que el metal base fundido puede contribuir hasta el 35% del metal de soldadura total. Por tanto, la composición y las propiedades mecánicas de la soldadura pueden variar considerablemente en los diferentes tipos de acero e incluso con diferentes grados de calentamiento del mismo grado de acero.

Las propiedades mecánicas también varían con las condiciones de soldadura como los niveles de comente y de voltaje, el diseño de las uniones, el tipo de respaldo y la rapidez de enfriamiento. Los electrodos para EGW se diseñan contemplan- do el grado más alto de variación que resulta práctico, y es posible obtener propiedades mecánicas consistentes si las condiciones de soldadura se controlan dentro de los limites normales de las variables citados en las normas de fabricación.

AWS B2.1, Norma para la cal@cación de procedimientos de soldadura y su rerzdinziento, describe las variables de califica- ción de los procesos de soldadura -y sus límites- que deben controlarse en el proceso electrogás y otros. En algunos códigos se describen requisitos de calificación de procedimientos similares dirigidos a aplicaciones específicas.

ANSI/AWS D 1.1, Código de soldadura estructural - acero, por ejemplo, incluye requisitos de calificación para soldadura estructural. Los resultados de las pruebas de calificación de procedimientos de soldadura son representativos de las propiedades mecánicas que cabe esperar de las soldaduras de produc- ción. En la tabla 7.SA se listan las propiedades mecánicas típicas del metal de soldadura y de la zona térmicamente afectada para soldaduras con electrodos con núcleo de fundente hechas en aceros al carbono de diversos grados. La tabla 7.SB muestra resultados similares en unidades del SI.

Un problema que ha surgido en la soldadura electrogás es el de la baja tenacidad de muesca de la soldadura y de la zona térmicamente afectada en la condición sin tratamiento posterior (“recién soldada”). Si se usan electrodos con la aleación adecuada y se controlan debidamente las condiciones de soldadura, las propiedades de tenacidad de muesca del metal de soldadura pueden ser comparables a las del metal base, o mejores, para la mayor parte de los aceros estructurales y de recipientes de pre- sión. En la mayor parte de los casos, estas propiedades de tenacidad de muesca pueden lograrse en la condición sin tratamiento posterior. En muchos grados de acero estructural y acero para recipientes de presión, la tenacidad de muesca de ia zona térmi- camente afectada depende más de la tenacidad de muesca del metal base que de las condiciones de soldadura. En la tabla 7.6 se dan las tenacidades del metal base, de la zona térmicamente



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Tabla 7.6 Propiedades de tenacidad de muesca de una soldadura electrogas en acero A283 de 25 mm (1 pulg) de espesor,

sin tratamiento Dosterior

Charpy de muesca en "V"', pies-lb (J) t70°F(21 O C ) +2OoF(-PC) OoF(-1S0C)

Placa no afectada 25,18,9 5,5,6 4,3,5 (34,24,12) (7,7,8) (5,4,7)

Zona térmicamente afectada 35, 28, 12 5,5,5 6,6,5 (47,38,16) (7,7,7) (8,8,7)

Centro de la soldadura 35,32, 18 22,23,11 12,10,8 (47,43,24) (30,31,15) (16,14,11)

* Muesca perpendicular a la superficie de la placa.

afectada y del metal de soldadura en un ensamble de acero A238 unido mediante soldadura electrogás.

EI proceso electrogás debe usarse con cautela y probarse exhaustivamente para aplicaciones que requieran tenacidad de muesca a bajas temperaturas o que impliquen una inversión de esfuerzos. El proceso electrogás puede degradar la tenacidad de la zona térmicamente afectada a tal grado que sólo debe considerarse el uso del proceso acompañado de un tratamiento térmico postsoldadura completo.

VARIABLES DEL PROCESO ENTRE LAS VARIABLES del proceso para la soldadura electrogas están el voltaje del arco, la corriente, la velocidad de alimenta- ción del electrodo, la extensión del electrodo, su oscilación y permanencia en los puntos de cambio de dirección, y la abertura de la unión. La selección correcta de estas variables afecta la operación y los costos del proceso y la calidad de la soldadura resultante. Es preciso comprender por completo los efectos de cada variable, ya que difieren significativamente de los que tienen en la soldadura por arco de metal y gas y en la soldadiira por arco con núcleo de fundente. Por ejemplo, la peiietracióii de la soldadura y la profundidad de fusión en los proceso de soldadura por arco convencionales (GMAW y FCAW) siguen la di- rección del eje del electrodo, de modo que aurneiitan cuando se incrementa la comente de soldadura y se reduce el voltaje. En la soldadura electrogás, en cambio, las caras del metal base en la unión son paralelas al eje del electrodo, asi que si se incrementa la corriente de soldadura o se reduce el voltaje el resultado es un charco de soldadura más profundo y una profundidad de fusión más somera (menor penetración eii las paredes laterales).

Voltaje de soldadura EL VOLTAJE ES la variable que nias afecta la anchura de la soldadura y la fusión del metal base en la soldadura electrogk Nonnalmente se usan voltajes de 30 a 35 volts. Si se incrementa el voltaje, aumentará la penetración en las paredes y la anchura de la soldadura, como se ilustra en la figura 7.18. Si el metal base es más grueso o se desea iiicreiiientar la tasa de deposición, se debe aumentar el voltaje. Sin embargo, un voltaje deinasindo alto puede hacer que el electrodo forme un arco con Ias paredes de la unión más arriba del charco de soldadura, Iiacieiido iiies- table la operación.

Corriente de soldadura; velocidad de alimentación del electrodo

LA CORRIENTE DE soldadura y la velocidad de alimentación del electrodo son proporcionales para un diámetro de electrodo y extensión dados. Si se incrementa la velocidad de alimentación, aumentará la tasa de deposición, la comente de soldadura y la velocidad de desplazamiento (rapidez de llenado).

Para un conjunto dado de condiciones, un incremento de la corrientee reduce la penetración en las paredes y la anchura de la soldadura, como se muestra en la figura 7.19. Los niveles de corriente bajos producen velocidades de desplazamiento bajas y soldaduras anchas. Una corriente excesiva puede reducir severamente la anchura de la soldadura y la penetración en las paredes de la unión; además, da lugar a un factor de forma bajo que contribuye a la susceptibilidad de la soldadura a grietas a lo largo de la línea central. Se usan comúnmente corrientes de 300 a 400 amperes para electrodos de 1.6 min (1/16 pulg) de diáme- tro, de 400 a 800 amperes para electrodos de 2.4 inm (3/32 pulg) y de 500 a 1000 amperes para electrodos de 3.2 mm (1/8 pulg). La fuente de potencia y los cables de soldadura deben tener la especificación apropiada para las elevadas corrientes y tiempos de arco prolongados tipicos de este proceso.

Factor de forma LA RESISTENCIA DE ia soldadura ai agrietamiento en ia linea central acusa una marcada influencia de la forma como se

(A) BAJO VOLTAJE (B) ALTO VOLTAJE

Figura 7.18-Bosquejos de la macroestructura de soldadura en una sección vertical de una soldadura

electroaás



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(A) CORRIENTE BAJA (B) CORRIENTE MEDIA

n

(C) CORRIENTE ALTA

Figura 7.19-Efecto de la corriente de soldadura sobre la forma del charco de metal fundido

solidifica. El metal base y las zapatas de retención extraen calor del metal de soldadura fundido. La solidificación se inicia en estas áreas más frías y avanza hacia el centro de la soldadura. Puesto que continuamente se agrega metal de aporte, hay una solidificación progresiva desde la parte inferior de la unión, y siempre hay metal de soldadura fundido encima del que se está solidificando. EI patrón de solidificación se muestra en el bos- quejo de un corte vertical de una soldadura electrogás de la figura 7.20.

EI patrón de solidificación del charco de soldadura puede expresarse mediante el términofador deforma. EI factor de forma, como se señaló antes, es la razón entre la anchura máxima del charco de soldadura (abertura de la unión más penetración en las paredes) y su profundidad máxima. EI factor de fonna se mide en un corte vertical de la soldadura electrogás, habitualmente hecho a la mitad del espesor del metal base. Las soldadu-

(A) FACTOR DE FORMA 0.8 (E) FACTOR DE FORMA 1.5

ras con factor de forma alto (1.5; anchura grande y charco somero) tienen la mayor resistencia al agrietamiento de la línea central. Las soldaduras con factor de forma bajo (0.5; anchura pequeña y charco profundo) presentan poca resistencia al agrietamiento de la línea central. Así pues, el factor de forma es un número empírico que provee una medida relativa de la resistencia al agrietamiento de la línea central y describe la forma del patrón de solidificación del metal de soldadura. Pese a ello, el factor de forma por sí solo no determina la propensión al agrietamiento. La composición química del metal de aporte y del metal base (sobre todo el contenido de carbono) y la restric- ción de la unión también contribuyen a la susceptibilidad a las grietas en la línea central.

La forma del charco de soldadura y el factor de forma resultante se pueden controlar a través de las variables de soldadura. En general, una mayor abertura de raíz o un aumento en el voltaje producen un factor de forma más alto, en tanto que un incremento de la corriente o una reducción de la abertura de raíz producen un factor de fonna más bajo. Puesto que las variables de soldadura por lo regular ya están especificadas en un procedimiento de soldadura calificado, el factor de forma casi nunca se inide ni se registra.

Extensión del electrodo EN LA SOLDADURA electrogas con escudo de gas extenlo se recomienda una extensión de electrodo de unos 40 mm (1.5 pulg) tanto para electrodos sólidos como con núcleo de fundente. Si se suelda con un electrodo con núcleo de fundente que provee aiitoprotección, se recomienda una extensión de electrodo de 50 a 75 mm (2 a 3 pulg).

La fuente de potencia modifica el efecto de la extensión del electrodo. Si se usa una fuente de voltaje constante, un incremento de la extensión del electrodo levantando un poco la cabeza de soldadura reducirá el voltaje del arco. La anchura de la soldadura resultante disrninuirá, como se muestra en la figura 7.21. Si la extensión del electrodo se aumenta incrementando la velocidad de alimentación del alambre, la tasa de deposición se elevará y tanto la penetración en las paredes como la anchura de la soldadura se reducirán.

(e) EXTENSION DE (A) EXTENSION DE ELECTRODO CORTA ELECTRODO LARGA

Figura 7.20-Bosquejos de la macroectructura de soldadura en una sección vertical de una soldadura

electroaás

Figura 7.21-Efecto de la extensión del electrodo (con fuente de potencia de voltaje constante) sobre la forma

del charco de metal fundido



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Si se emplea una fuente de potencia de comente constante (de caída), un aumento en la extensión del electrodo obtenido por elevación de la cabeza de soldadura causará un incremento del voltaje, lo que producirá una soldadura más ancha. Si se aumenta la extensión del electrodo elevando la velocidad de alimentación del alambre, el voltaje del arco se reducirá, con el consecuente aumento en la tasa de deposición (y de llenado); la soldadura será entonces más angosta.

Oscilación del electrodo LA NECESIDAD DE oscilar el electrodo dependerá de las condiciones de soldadura, incluidos la comente, el voltaje y el diáme- tro del electrodo. Por tanto, los comentarios que siguen son generales, y los usuarios deberán desarrollar los procedimientos más adecuados para su operación.

Los metales base de hasta 19 mm (0.75 pulg) de espesor comúnmente se sueldan con un electrodo estacionario, y los metales base con espesor entre 19 y 32 mm (0.75 y 1.25 pulg) se pueden soldar con electrodo estacionario, aunque suele aplicarse oscilación con los espesores mayores. Se han soldado con electrodo estacionario metales base con espesor entre 32 y 40 mm (1.25 y 1.5 pulg), pero se requieren voltajes elevados y técnicas especiales para evitar la falta de fusión de los bordes.

La oscilación del electrodo debe controlarse de modo que el arco se detenga a una distancia de unos 10 mm (3/8 pulg) de cada zapata. La velocidad de oscilación suele estar entre 13 y 16 mm/s (20 y 50 pulpjmin). En muchos casos se requiere un tiempo de permanencia en el extremo de cada oscilación a fin de asegurar la fusión completa de las esquinas de la unión. El tiempo de permanencia vm’a entre 0.5 y 3 segundos dependiendo del espesor de la unión.

Abertura de la unión SE REQUIERE UNA abertura mínima de la unión para que quepa con holgura la guía del electrodo, que por lo regular se introduce dentro de la unión. Si se aumenta la abertura de la unión se hace

más ancha la soldadura. Una abertura excesiva alargará el tiempo de soldadura y consumirá más metal de aporte y gases, todo lo cual elevará el costo de la soldadura. Además, una abertura excesiva de la unión puede resultar en falta de fusión de los bordes si no se incrementa el voltaje. Las aberturas para el diseño de soldadura de surco cuadrado generalmente están en el intervalo de 17 a 32 mm (1 i/ 16 a 1.25 pulg). En los diseños de surco único en “V”, la abertura de la cara de la unión está entre 17 y 32mm(11/16y 1.25pulg),yladelaraíz,entre4y lOmm(5/32 Y 3/8 pulg).

Cable del trabajo EL CABLE DEL trabajo por lo regular se conecta al sumidero de inicio, pero puede dividirse y conectarse a ambos lados de la unión en la parte inferior. Aunque esta colocación del cable del trabajo ha resultado satisfactoria en la mayor parte de las aplicaciones, un golpe de arco severo puede causar una porosidad excesiva en el inicio, falta de fusión en un lado de la unión, o ambas cosas. El usuario debe determinar la posición óptima del cable de trabajo para las condiciones específicas que exige cada aplicación.

En la tabla 7.7 se muestran los ajustes de uso común en la soldadura electrogás. Los usuarios deberán optimizar estos ajustes hasta satisfacer sus necesidades específicas.

Métodos de inspección LOS METODOS DE examen no destructivo convencionales pueden servir para inspeccionar las uniones soldadas por EGW.

Entre las técnicas de examen no destructivo que se usan normalmente con soldadura electrogás están las siguientes:

(1) Visuales. (2) Radiográficas (isótopos o rayos X). (3) Con partículas magnéticas. (4) Con liquido penetrante. (5) Ultrasónicas (el tamaño de grano tan grande puede reque-

rir técnicas especiales).

Tabla 7.7 Condiciones típicas para soldadura electrogás empleando un electrodo de clase AWS EG72Tl de 0.120 pulg

de diámetro v zaDatas móviles

Espesor Alimentación Velocidad de Extensión Distancia Abertura Secuencia de placa Corriente Voltaje del electrodo desplazamiento del electrodo de oscilación de la unión de inicio

Pulg amperes CCEP‘ pulglmin pulglmin Puhl Pub Pub segundos

450-500 35-37 300 6.0 2+1/8 N.D. 112 r? 475-525 36-38 340 4.4 2+1/8 N.D. 518 3’

112 518 314 525-575A 37-39 380 3.9 2+1/8 N.D. 314 3‘

1 625-675 40-42 350 3.4 3+1/8 N.D. 314 53 1 114 625-675 40-42 350 2.6 3+1/8 N.D. 314 a3 1 112 625-675 40-42 350 1.7 3+1/8 314 314 103

1. Medido en las terminales de la fuente de potencia. 2. Condiciones de inicio: alimentación de electrodo de 150 pulglmin a 29 volts. 3. Condiciones de inicio: alimentación de electrodo de 250 pulglmin a 37 volts.



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Todos los exámenes deberán efectuarse de acuerdo con procedimientos calificados y por técnicos calificados. Además de la capacitación habitual del personal de pruebas no destructivas, se requiere capacitación especial para interpretar las discontinuidades de soldadura que se encuentran en EGW. Más adelante se analizarán las discontinuidades típicas de la soldadura electro-

El método de inspección empleado dependerá no sólo de los requisitos del código que rige la aplicación sino también de las especificaciones del contrato del propietario o del comprador.

Todas las uniones se deberán someter a un examen visual minucioso que puede revelar fusión incompleta de los bordes, subrellenado y, en algunos casos, grietas. Cuando se quiten el sumidero y las pestañas de escurrimiento, tal vez se detecten defectos como agrietamiento y porosidad. Sin embargo, para encontrar los defectos internos (como porosidad, inclusiones, agrietamiento y, en casos poco frecuentes, falta de fusión interna) las pruebas radiográficas y ultrasónicas son los métodos de examen más efectivos. Las pruebas con partículas magnéticas también pueden servir para detectar grietas y falta de fusión, pero están limitadas a la superficie y a una zona subsuperficial delgada.

gás.

Aceptación LAMAYORPARTE de los criterios de aceptación de una soldadura los establece el cliente o alguna agencia reguladora, o ambos. Las aplicaciones de EGW casi siempre se sueldan ajustándose a los requisitos de diversos códigos. Algunas de las normas que actualmente permiten el empleo del proceso EGW (en ocasiones con restricciones adicionales) son las siguientes:

ANSYAWS D1.l: Código de soldadura estructural - acero ANSI/ASME: Código de calderas y recipientes de presión Normas API 620 y 650 Normas CSA W59 ABS: Reglas para construir y clasificar recipientes de acero Registro de Lloyds de reglas y reglamentos navales para la

clasificación de buques

Ocasionalmente, las especificaciones del cliente pueden su- marse a los requisitos de la agencia regulatoria.

Control de calidad ES CONVENIENTE PREPARAR un procedimiento escrito que identifique las variables principales que se usarán en la soldadura electrogás. Este procedimiento deberá revisarse para determinar su idoneidad comparándolo con, los requisitos de los códigos aplicables.

Nunca deberán entregarse al capataz o al operador de soldadura procedimientos que no hayan sido aprobados. En las tablas 7.8 y 7.9 se muestran formas de especificación de procedimientos de EGW típicas ya llenas. Cualesquier instrucciones adicionales que se consideren necesarias deberán formar parte de la especificación del procedimiento.

El operador de soldadura deberá usar una lista de verificación para asegurarse de que el equipo esté debidamente configurado

y que se hayan hecho todos los ajustes de operación requeridos. En la tabla 7.10 se muestra una lista de verificación de EGW típica.

Es preciso usar procedimientos de control de calidad apropiados para asegurar que se esté usando el metal de aporte correcto y que se esté siguiendo el procedimiento de soldadura calificado.

Retrabajo EN GENERAL, LAS reparaciones de uniones defectuosas pueden minimizarse con un buen programa de mantenimiento preventi- vo del equipo, empleando operadores de soldadura calificados y capacitados, e implementando un procedimiento de soldadura efectivo.

Los defectos como el subrellenado a menudo pueden repararse acrecentando con el proceso SMAW sin excavar ni amolar. Los defectos como la falta de fusión (en la superficie de la unión), el traslapo, la inclusión de cobre en la cara de la soldadura y el escurrimiento de metal son fallas visibles que pueden repararse mediante excavación o amolado superficial hasta llegar a metal íntegro y una nueva soldadura con el proceso SMAW. Los defectos como porosidad, agrietamiento y falta de fusión (interna) por lo regular se detectan mediante pruebas radiográficas o ultrasónicas, y pueden repararse excavando pro- fundamente hasta llegar a metal íntegro y volviendo a soldar con el proceso SMAW. En la figura 7.22 se muestran ejemplos gráficos de discontinuidades peculiares al proceso EGW.

Las consideraciones económicas determinarán si debe usarse EGW o algún otro proceso para la reparación. En general, las reparaciones se harán con el proceso SMAW empleando electrodos apropiados para el metal base y un procedimiento de soldadura calificado.

Siempre que sea posible, deberá evitarse el reinicio de una soldadura electrogás. Si llega a ser necesario reiniciar una soldadura, el defecto de inicio podrá confinarse al área cercana a la superficie empleando la técnica que se ilustra en la figura 7.23. Como puede verse en la figura, se da a la cavidad de inicio una pendiente mediante biselado por arco de carbono y aire. El área de inicio se precalienta por lo menos a 135°C (300°F) y el arco se inicia cerca de la zapata delantera. Al irse llenando el cráter inclinado, el arco se lleva hacia el centro del surco hasta llegar a la posición de operación normal. En el caso de soldaduras de placas gruesas en las que se requiere oscilación, la distancia de oscilación se expande siguiendo el mismo principio. Esta téc- nica deberá producir una discontinuidad de inicio somera en el lado cercano que podrá eliminarse sin dificultad. La cavidad puede rellenarse con metal íntegro depositado con algún proceso de soldadura convencional.

CAPACITACIÓN DE LOS OPERADORES DE SOLDADURA

LOS OPERADORES DE soldadura debidamente capacitado son indispensables para aplicar con éxito el proceso EGW. En general, la EGW es un proceso de una sola pasada, pero si se emplean técnicas especiales es posible realizar soldaduras de múltiples pasadas. Se deberá capacitar al operador en la configuración y operación correcta del equipo.



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Tabla 7.8 Especificación de procedimiento de EGW con zapata(s) móvil(es) típica*

Proceso de soldadura: La soldadura se realizará por el proceso electrogás (EGW) empleando un electrodo de alambre. [Si se usan dos (2) electrodos, se deberá especificar el espaciado entre ellos.]

Materialbase: EI metal base se ajustará a la especificación para ASTM A588

Espesor delmaterial base: Este procedimiento cubrirá el soldado del material base desde - - mm ( 2 pulg) de espesor hasta 50 50 - - mm ( 2 pulg) de espesor.

Metalde apofle: EI electrodo se ajustará a la especificación A5.26 de la AWS para la clasificación EG 70s-1 B . EI diámetro del electrodo será 1.6 mm ( 0.062 pulg). -~

Gas protector: EI electrodo se usará con gas protector de proveniencia externa. Gas protector, si se usa: Composición Ar 80% CO2 20%

Posición: Se soldará en la posición vertical.

Zapatas: Se soldará empleando una zapata interior de cobre enfriada por agua. La zapata exterior será de cobre enfriada por agua . Precalentamiento: No se requiere en esta especificación de procedimiento. Sin embargo, no se soldará cuando la temperatura del metal base en el punto de soldadura este por debajo de 0°C (32°F).

Tratamiento térmico postsoldadura: No se requiere en esta especificación de procedimiento.

Preparación delmaterialbase: Los bordes o superíicies de las piezas que se unirán deberán prepararse por corte con oxgeno y se limpiarán para eliminar aceite, grasa, humedad, incrustaciones, orín u otros materiales extraños. Las superficies sobre las cuales se deslizarán las zapatas de cobre deberán ser planas y lisas.

Corriente de soldadura: La corriente de soldadura será corriente continua con el electrodo positivo (polaridad inversa).

Técnica de soldadura: La soldadura se realizará con una sola pasada, en dirección vertical ascendente. Se usarán pestañas de inicio y de escurrimiento. Se mantendrá una extensión de electrodo de - _ _ 38 mm ( 1.5 pulg) durante la soldadura. La fuente de potencia para soldadura tendrá una característica de corriente constante.

Condiciones de soldadura: Toda soldadura se efectuará empleando las condiciones dadas a continuación:

Tasa de flujo u 4 m /h (130 pies /h)

Espesor de las placas [mm (pulg)] 50 mm (2 pulg)

Abertura de raíz [mm (pulg)] 17.5 - 20.6 (11/16 - 13/16)

Corriente de soldidura (amperes) 350

Velocidad de alimentación del electrodo [mm/s (puig/min)]

Voltaje de soldadura (volts) 35

Distancia [mm (pulg)] 38 (1.5)

Periodo (segundos) 4.2

Permanencia (segundos) 2

Tiempo de recorrido (segundos) 0.1

ZAPATA EXTERIOR

controlada por la corriente

Oscilación:

Velocidadde desplazamiento: La velocidad del desplazamiento vertical es función de la tasa de deposición y no es preciso especificarla.

Calificación delprocedimiento: Se realizaron pruebas de calificación de acuerdo con ANSI/AWS D1.l

Diseño de la unión: EI diseño de la unión será como se detalla arriba:

‘ZAPATA INTERIOR

* Una especificación de procedimiento de EGW típica deberá incluir los elementos que aquí se indican, pero no estará limitada a ellos.



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Tabla 7.9 EsDecificación de Drocedimiento de EGW tbica*emDleando tubos auía consumibles v zat>atas de cobre fiias

Proceso de soldadura: La soldadura se realizará por el proceso electrogás (EGW) empleando un tubo guia consumible.

Metal base: EI metal base se ajustará a la especificación para ASTM A36

Espesor delmaterialbase: Este procedimiento cubrirá el soldado del material base desde 100 mm ( 4 pulg) de espesor hasta 100 mm ( 4 pulg) de espesor.

- - - -

Metalde apofle: EI electrodo se ajustará a la especificación A5.26 de la AWS para la clasificación EG 72T1 . EI diámetro del electrodo será 3.2 mm ( 0.120 pulg).

Tuboguia consumible: Diámetro exterior: 1/2 pulg. Diámetro interior: 5/32 pulg. C1008/C1020

Gas protector: EI electrodo se usará sin gas protector de proveniencia externa. Gas protector, si se usa: Composición NINGUNA

Tasa de flui0 NINGUNA

Zapatas: Las zapatas de cobre fijas estarán enfriadas por agudenfriadas por aire y serán de una piezalapiladas.

frecalenfamiento: No se requiere en esta especificación de procedimiento. Sin embargo, no se soldará cuando la temperatura del metal base en el punto de soldadura este por debajo de 0°C (32". EI área de inicio de la soldadura se puede precalentar a - - "C ( 100 38 O F ) a fin de mejorar el "mojado" de la franja al principio de la soldadura, sobre todo en placas más gruesas.

Tratamiento témico postsoldadura: No se requiere en esta especificación de procedimiento.

Preparación delmaterialbase: Los bordes o superficies de las piezas que se unirán deberán prepararse por para eliminar aceite, grasa, humedad, incrustaciones, orín u otros materiales extraños. Las superficies contra las cuales se fijarán las zapatas de cobre deberán ser planas y lisas.

Corriente de soldadura: La corriente de soldadura sera corriente continua con el electrodo positivo (polaridad inversa).

Técnica de soldadura: La soldadura se realizará con una sola pasada, en dirección vertical ascendente. Se usarán pestaias de inicio y de escurrimiento. La fuente de potencia para soldadura tendrá una característica de potencialconstante.

Condiciones de soldadura: Toda soldadura se efectuará empleando las condiciones dadas a continuación:

corte con oxígeno y se limpiarán

Espesor de las placas (mm (pulg)]

Abertura de raíz Imm (pulg)]

Velocidad de alimentación del electrodo (mm/s (puig/min)]

Corriente de soldadura (amperes) alimentación del alambre

Voltaje de soldadura (volts)

100 (4)

25 - 30 (1 - 1 1/8)

170 (400)

controlada por la velocidad de

45 - 47

Oscilación:

Distancia [mm (pulg)] 75 (3)

Periodo (segundos) 18

Permanencia (segundos) 3 - 4

Tiempo de recorrido (segundos) 5.5

Velocidadde desplazamiento: La velocidad del desplazamiento vertical es función de la tasa de deposición y de la abertura de raíz, y no es preciso especificarla. ZAPATA DELANTERA (RANURADA)

Calificación delprocedimiento: Se realizaron pruebas de calificación de acuerdo con ANSI/AWS D1.l

/

Diseh de la unión: EI diseño de la unión será como se detalla arriba:

Una especificación de procedimiento de EGW típica deberá incluir los elementos que aqui se indican, pero no estará limitada a ellos.



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264 S O L D A D U R A E L E C T R O G Á S

Tabla 7.10 Lista de verificación típica para soldadura electrogas

con zar>ataísì móvilíesì

La soldadura electrogas esta diseñada para soldar continuamente toda la unión, por Io regular con una sola pasada. Antes de comenzar a soldar, es crucial que el operador verifique todos los elementos de la operación.

MARQUE CADA ELEMENTO CONFORME AVANCE EL TRABAJO

1. Verifique la preparación del material. Asegúrese de que el borde de la soldadura y la superficie adyacente se hayan preparado como es debido a todo Io largo.

2. Ajuste el sumidero de inicio a la parte inferior de la unión y las pestañas de escurrimiento en la parte superior. La distancia minima desde la superficie de inicio en el sumidero hasta el borde inferior de la unión será 38 mm (1.5 pulg).

3. Embone la unión según el procedimiento. Mantenga la tolerancia requerida.

4. Conecte y apriete los cables del trabajo.

5. Asegúrese de que la máquina esté debidamente acoplada a la

6. Compruebe la subida vertical. Asegúrese de que no haya

unión.

obstrucciones que pudieran evitar o detener la subida de la máquina y que los cables del equipo tengan la longitud suficiente.

7. Revise la cantidad de alambre de electrodo y de gas (si se usa). Cerciórese de que haya suficiente para terminar la soldadura.

8. Revise las conexiones del agua y del gas. Asegúrese de que ambas estén en condiciones de operación.

9. Examine las caras de las zapatas. Cerciórese de que no haya áreas desgastadas o irregulares que pudieran hacer que se "atorarán" durante la soldadura.

10. Revise la punta de la guía del alambre. No comience si la punta está desgastada; causaría apagado o condiciones de soldadura inestables.

11. Compruebe la alineación de la cabeza y el electrodo. Alinee la cabeza y el control del electrodo. Los ajustes y tolerancias de alineación específicos se listan en cada procedimiento de soldadura.

11 a. EI ángulo entre el electrodo y la unión siempre es de 90".

11 b. Ajuste el enderezador de alambre de modo que el electrodo sea recto o tenga una curva máxima de 9 mm (3/8 pulg).

Tabla 7.10 Continúa

1 IC. Ajuste la extensión del electrodo. No altere la extensión

11 d. Ajuste el ángulo de arrastre (veáse la figura 11 c.)

del electrodo al hacer otros ajustes.

ANGULO

ARRAS-

11 e. Establezca la posición del electrodo midiendo a partir de la cara delantera de la placa una vez que el electrodo esté en la unión. Nota: La posición del electrodo cambia conforme se desgasta la punta de la guia. Cambie la punta de la guia cuando se desgaste o su extremo se fusione o deforme.

CARA DELANTERA

POSICIÓN TRASERA DEL ELECTRODO

1 I f . Deje suficiente espacio entre la punta de la guía y el borde superior de la zapata móvil. Si se requiere oscilar el electrodo dentro de la unión, establezca la posición delantera (del electrodo), la distancia de oscilación, el tiempo de oscilación y el o los tiempos de permanencia según las especificaciones.



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realizarse la inspección visual. Por estas razones, los operadores de electrogás deben entender el proceso y seguir el procedimien- to al pie de la letra. Los operadores deberán ser pacientes, concienzudos y despiertos, y tener la suficiente experiencia para reconocer cuando se están depositando soldaduras insatisfacto-

Tabla 7.10 Continúa

DISTANCIA DE RECORRIDOi

RECORRIDO

DELANTERA

11 g. Establezca un espaciado de 13 mm (1/2 pulg) entre el extremo del electrodo y el sumidero.

nas.

CALIFICACIONES EL PROCESO ELECTROGAS ha demostrado su valia en muchas aplicaciones, incluidas las que ya se mencionaron. Quienes usan con éxito la EGW dan mantenimiento a su equipo, emplean operadores calificados y bien capacitados, y siguen procedimientos de soldadura que satisfacen los requisitos del código o especificaciones pertinentes; además, se familiarizan con las recomendaciones del fabricante del equipo. Es conveniente redactar una lista de verificación para el operador, similar a la que se muestra en la tabla 7.10, para cada nueva aplicación.

PUNTA DE IA GU¡A

ESPACIADO

GUíA PARA LA LOCALIZACIÓN DE FALLAS Porosidad al principio VARIOS FACTORES CONTRIBUYEN a la porosidad inicial de ias soldaduras electrogás. Entre ellos están los siguientes:

12. Revise la o las zapatas móviles. Sujete con la presión operativa correcta.

13. Aplique cinta de vidrio o mastique a todas las aberturas que haya entre la cara de la zapata y el trabajo, causadas por el surco de refuerzo de soldadura de la zapata. Puede haber derrame durante el inicio si no se hace esto.

14. Ajuste las tasas de flujo del agua y del gas.

15. Tenga a la mano algunas herramientas (p. ej., pinzas, destornillador y llave inglesa).

16. Verifique el funcionamiento del equipo de ventilaciSn, si se usa.

17. Tenga listo el protector ocular.

18. Ajuste los volts y amperes de inicio.

19. Energice el contactor.

20.%elva a verificar y ajustar las condiciones de soldadura.

21. Encienda el oscilador, si se usa.

La EGW no es como los procesos semiautomáticos y manuales en los que la soldadura puede suspenderse o retrasarse momentáneamente y luego reiniciarse. El proceso electrogás está diseñado para operar continuamente de principio a fin. Si la soldadura no es íntegra, es probable que las discontinuidades sean continuas, de modo que será preciso eliminar toda la soldadura y volver a soldar la unión. Dependiendo del tipo de aplicación y de la configuración, por lo menos cierta parte de la soldadura debe completarse antes de que el operador pueda inspeccionar visualmente la soldadura, evaluarla y tomar cualquier medida correctiva que sea necesaria. En algunas aplicaciones, se debe completar toda la soldadura antes de que pueda

(1) Baja velocidad de alimentación del electrodo, voltaje alto, extensión de electrodo corta, tiempo insuficiente en el sumidero.

(2) Contaminantes en el sumidero o entre el sumidero y los metales base.

(3) Condensación en las zapatas o entre las zapatas y los metales base.

(4) Tasas de enfriamiento altas porque las placas son gruesas, o el sumidero de inicio de cobre es grande o la temperatura ambiente es baja.

(5) El sumidero no es lo bastante profundo. (6) El arco queda demasiado cerca de las zapatas. (7) Fugas de agua en el sumidero. (8) Las zapatas o el sumidero no embonan bien. (9) El escudo de gas no cubre bien o está contaminado.

(10) Arco de soldadura irregular.

Porosidad en la soldadura LA POROSIDAD DEL metal de soldadura, que se ilustra en la figura 7.22 (A), generalmente se debe a gases en expansión que son insolubles en el metal que se solidifica, pero algunos problemas mecánicos también pueden crear huecos similars. Entre las causas están las siguientes:

(1) Porosidad inicial que se extiende hasta la soldadura de

(2) Voltaje excesivo. (3) Baja velocidad de alimentación del electrodo. (4) Extensión del electrodo demasiado corta. (5) Soldadura “fría” (baja velocidad de alimentación del

producción.



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(A) POROSIDAD (B) AGRIETAMIENTO DE LA LINEA CENTRAL

(C) AGRIETAMIENTO DE LA LINEA CENTRAL

(FORMA DE RELOJ DE ARENA)

(D) FUSIÓN INCOMPLETA (AMBOS LADOS)

(E) FUSIÓN INCOMPLETA (AMBOS LADOS)

(F) FUSIÓN INCOMPLETA (UN LADO)

(G) TRASLAPO (H) SUBRELLENADO

(J) TRASLAPO CAUSADO POR DERRAMAMIENTO DE METAL

(I) INCLUSIÓN DE COBRE EN LA CARA DE LA SOLDADURA

(GRIETAS INTERNAS)

Figura 7.22-Defectos de soldaduras electrogas causados por una técnica incorrecta, equipo defectuoso o ambas cosas

(7) Zapatas que no embonaii bien y permiten que entre aire

(8) Escudo de gas insuficiente o gas contaminado. (9) Fugas de agua de la zapata.

(10) Arco de soldadura irregular.

a la soldadura.

Porosidad al termino de la soldadura LA POROSIDAD AL final de la soldadura puede deberse a los mismos factores que la porosidad dentro de la soldadura. Ade- más, los siguientes factores pueden causar porosidad:

(i) Pestañas de escurrimiento o zapata estacionaria demasia-

(2) Fugas de escoria porque las pestañas no se fijaron debido cortas.

damente.

(3) Golpe del arco por conectar el cable del trabajo en el lugar incorrecto.

Agrietamiento de linea central de la soldadura EL AGRIETAMIENTODE linea central, ilustrado en las figuras 7.22 (B) y (C), puede tener que ver con las variables del procedimien- to, las condiciones térmicas y la restricción de la soldadura. Algunos grados de acero son más susceptibles que otros al agrietamiento de línea centrai. En los aceros más susceptibles, los factores mencionados se vuelven más críticos.

Como se explicó antes, las variables del procedimiento que contribuyen a un factor de forma bajo contribuyen al agrietamiento de linea central. Entre las condiciones citadas están las siguientes:



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POSICIÓN DE TRABAJO DEL ELECTRODO 1 - POSICIÓN INICIAL DEL ELECTRODO

EXCAVACIÓN DE INICIO i. EXCAVAR CON ARCO EL ÁREA DE INICIO. INCLINAR COMO SE

. I , MUESTRA. 2. PRECALENTAR EL ÁREA DE INICIO A 135°C (300°F) POR LO MENOS. 3. COMENZAR CON EL ELECTRODO CERCA DE LA ZAPATA DELANTERA.

CONFORME EL METAL FUNDIDO SUBA POR LA ZAPATA, LLEVAR EL ELECTRODO A LA POSICION DE TRABAJO NORMAL.

DE INICIO. 4. LA REPARACION DEBERÁ HACERSE EN EL LADO FRONTAL DEL ÁREA

SECCIÓN A-A EXCAVACIÓN DE INICIO

Figura 7.23-Procedimiento para reiniciar una soldadura electrogas

(1) Velocidad de alimentación del electrodo demasiado alta

(2) Voltaje del arco demasiado bajo. (3) Separación demasiado angosta. (4) Permanencia demasiado prolongada.

Las tasas de enfriamiento rápidas también contribuyen al agrietamiento de línea central. Entre los factores que contribuyen a un enfriamiento rápido están las zapatas grandes con flujo de agua excesivo y la falta de precalentamiento de placas grnesas cuando la temperatura ambiente es baja.

Por Último, una restricción excesiva es un factor que contribuye en todos los casos de agrietamiento.

Fusión incompleta con una pared LA FUSION INCOMPLETA con una pared, ilustrada en la figura 7.22 (F), se debe a condiciones térmicas asimétricas. Las causas de esto pueden ser las siguientes:

(comente excesiva).

(1) Arco no centrado. (2) Electrodo angulado hacia una Pared. (3) Golpe del arco causado por conectar el cable del trabajo

en un lugar indebido.

Traslapo ELTRASLAPO OCURRE cuando el metal de soldadura fluye hacia

Fusión incompleta con ambas paredes LA FUSIÓN INCOMPLETA en ambas paredes, ilustrada en las figuras 7.22 (D) y (E), se debe a condiciones térmicas no satisfactorias que impiden la fusión de las paredes de la unión. Una distribución deficiente del calor, así como un calor insuficiente, pueden producir este defecto. Entre los factores que contribuyen están:

(1) Soldadura fría (bajo voltaje o baja velocidad de aliinen-

(2) Velocidad de alimentación del electrodo demasiado alta

(3) Separación demasiado angosta (tasa de llenado rápida). (4) Velocidad de oscilación demasiado alta. (5) Exceso de escoria sobre el charco de soldadura.

tación del electrodo).

(tasa de llenado rápida).

La carga de escoria excesiva puede evitarse diseñando mejor las zapatas. Si el surco se hace más ancho y más profundo mediante maquinado, más escoria podrá cubrir el refuerzo de la soldadura, y se reducirá la carga de escoria. Si el charco de soldadura se mantiene en un nivel más alto de la zapata, más escoria escapará en forma de salpicaduras; esto también reducirá la carga de escoria.

fuera de la unión sin derretir el metal base. Esta condición se ilustra en las figuras 7.22 (G) y (J). La situación que se muestra en la figura 7.22 (J) a menudo se debe a un embonamiento deficiente con el metal base. Esto puede ocurrir si la zapata deslizante deja de hacer contacto con el metal base a causa de materiales extraños como salpicaduras. El metal de soldadura se fuga por el hueco y se solidifica sobre la placa.

(1) Traslapo en la cara delantera. (a) Arco situado demasiado hacia atrás: ajuste incorrecto

del enderezador de alambre, del ángulo de arrastre o de la posi- ción de la guía; desgaste de la punta de la guía.

(b) Ángulo de bisel demasiado grande. (c) Soldadura fría (bajo voltaje, o baja velocidad de ali-

mentación del electrodo y bajo voltaje). (2) Traslapo en la cara trasera.

(a) Arco situado demasiado hacia adelante: ajuste incorrecto del enderezador de alambre, del ángulo de arrastre o de la posición de la guía; desgaste de la punta de la guía.

(b) Soldadura fria (bajo voltaje, o baja velocidad de ali- mentación del electrodo y bajo voltaje).

(3) Traslapo en ambas caras. (a) Soldadura fria (bajo voltaje, o baja velocidad de ali-



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(b) Surco demasiado ancho en la(s) zapata(s) de cobre. (c) Excesivo enfriamiento del metal de soldadura por

parte de la(s) zapata(s): diseño incorrecto de las zapatas o flujo excesivo de agua.

(d) Velocidad de desplazamiento vertical demasiado alta. (e) Abertura de la unión demasiado angosta. (f) Golpe del arco. (g) Ciclo de oscilación incorrecto.

Subrellenado EN CIERTAS CONDICIONES, el subrellenado puede tolerarse, pero en el mejor de los casos representa un trabajo apenas aceptable; además, es relativamente fácil de evitar. Este defecto, que se ilustra en la figura 7.22 (H), se puede deber a una fusión excesiva del metal base más allá de la zapata o a que el surco de la zapata es demasiado angosto.

Fusión de lado a lado en el sumidero de inicio DADO QUE LA fusión de lado a lado en el sumidero de inicio ocurre fuera de la soldadura de producción, no es un defecto de soldadura. Sin embargo, evita la producción de la pieza de trabajo. Se puede evitar fácilmente empleando material dei grosor apropiado en la parte inferior del sumidero, o sujetando una placa de respaldo al sumidero. Si las zapatas de respaldo no embonan bien, se puede presentar el mismo problema.

Agrietamiento en caliente EL AGRIETAMIENTO EN caliente se puede deber a la disolución parcial de las zapatas de moldeo de cobre. Las grietas suelen estar en la superficie o cerca de ella. Este tipo de agrietamiento se muestra en la figura 7.22 (I). La disolución del cobre en el metal de soldadura puede deberse a un arco entre el electrodo y las zapatas o a que éstas se fundieron porque el enfriamiento era insuficiente

Es posible producir soldaduras electrogás de calidad consistente si se da mantenimiento al equipo y se sigue el procedimien- to de soldadura al pie de la letra. Los operadores deben inspeccionar su equipo antes de iniciar cada soldadura, verificando que la punta de contacto no esté desgastada y que el electrodo se alimente libremente y sin torceduras. Los operadores también deberán revisar la pieza de trabajo para comprobar que la unión sea correcta y que la condición del metal base permitirá el paso libre de la cabeza de soldadura hasta la parte superior de la unión. Por último, antes de iniciar la soldadura, se deberá colocar el electrodo dentro de la unión y oscilarlo a fin de asegurarse de que no haya impedimento para su oscilación y que se hayan ajustado debidamente la velocidad de oscilación y la permanencia. Una vez que la soldadura se haya estabilizado, se deberá constatar que la comente y el voltaje estén dentro de los límites prescritos por la especificación del procedimiento de soldadura.

SEGURIDAD LA LITERATURA DEL fabricante deberá contener instrucciones específicas para la operación segura del equipo para soldadura electrogás. Se pueden encontrar instrucciones de seguridad generales para todas las operaciones de soldadura y corte en ANSIIASC 249.1, Seguridad al soldar y cortar, publicada por la AWS. Los reglamentos de seguridad federales obligatorios en Estados Unidos son establecidos por la Occupational Safety an Health Administration del Departamento del Trabajo de EE.UU. La edición más reciente de las normas de la OSHA, Code of Federal Regulations, Title 29 Part 1910, puede obtenerse de Superintendent of Documents, U. S. Printing Office, Washing- ton, D. C. 20402.

ENERGíA RADIANTE QUIENES TRABAJAN CON EGW requieren protección ocular con filtros de la sombra apropiada para la comente empleada. La energía radiante total que produce el proceso EGW puede ser mayor que la generada en el proceso SMAW, ya que EGW tiene un arco más expuesto. En general, las intensidades de energia ultravioleta radiante se producen al usar argón como gas protector y al soldar aluminio. En la tabla 7.1 1 se muestran las sombras de filtro recomendadas para EGW.

La elección de la sombra de filtro puede hacerse con base en ia agudeza visual y, por tanto, puede variar ampliamente de una persona a otra, empleando diferentes densidades de corriente,

materiales y procesos de soldadura. Sin embargo, el grado de protección contra la energía radiante que ofrezca la sombra de filtro o lente elegido teniendo en cuenta la agudeza visual nunca deberá ser menor que el recomendado. Se ha demostrado que las viseras con filtros de la sombra ocho absorben suficientes radiaciones como para proteger los ojos durante las operaciones de soldadura por arco.

Es preciso usar vestimenta adecuada que proteja la piel contra la radiación del arco. Se recomienda ropa de cuero o de lana de color oscuro (para reducir los reflejos que podrían causar quemaduras en la cara y el cuello debajo de la careta). La intensa radiación ultravioleta tiende a desintegrar las prendas compues- tas de algodón.

Tabla 7.1 1 Sombras de filtro recomendadas para la EGW

de varios metales

Metal base por soldar Sombra' Aluminio 13 Metales ferrosos 12

11 Metales no ferrosos (excepto aluminio)

* Se recomienda u n lente con filtro del #2 para gafas contra destellos.



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NOTAS GENERALES SOBRE SEGURIDAD LA MÁQUINA SOLDADORA deberá estar apagada si no se está realizando una soldadura o una revisión de voltaje de circuito abierto (cuando el electrodo no puede avanzar).

El interruptor principal deberá abrirse antes de abrir el gabinete de control.

El equipo accesorio, como los alimentadores de alambre, mecanismos de desplazamiento, osciladores, etc., debe estar puesto a tierra. Si no es así, la ruptura de aislantes podría hacer que estas unidades estuvieran eléctricamente “vivas” respecto a tierra.

Debe contarse con suficiente ventilación, sobre todo al soldar con electrodos con núcleo de fundente autoprotegidos.

Si se usaron disolventes clorados para desengrasar o limpiar la pieza de trabajo, deberá comprobarse que todo el disolvente se haya eliminado antes de soldar. Nunca debe soldarse cerca de tanques de desengrasado.

Si se abandona el trabajo o se suspende éste durante un periodo apreciable, o si se cambia de lugar la máquina, deberá desonectarse la potencia primaria de la fuente de potencia de soldadura, y cualquier suministro de gas protector se deberá cerrar en su origen.

PROTECCIÓN CONTRA EL RUIDO EL PERSONAL DEBERÁ estar protegido contra el ruido que se genera en íos procesos de soldadura y corte, de acuerdo con el párrafo 1910.95, Exposición ocupacional al ruido, de las normas de seguridad y salud ocupacional de la Occupational Safety and Health Administration del Departamento del Trabajo de EE.UU. Además, puede consultarse la publicación Arc Welding und Cutting Noise, disponible de la American Welding Society, 550 N.W. LeJeune Road, P.O. Box 351040, Miami, 33135.

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LISTA DE LECTURAS COMPLEMENTARIAS American Society for Metals. “Welding and brazing”. Metals

Handbook, vol. 6, 9” ed., Metals Park, Ohio, American So- ciety for Metals.

American Welding Society. “Welding process-arc and gas welding and cutting, brazing, and soldering”, en Welding Hnnd- book, vol. 2, 7“ ed., 225-260. Miami, American Welding Society, 1978.

Arnold, P. C. y Bertossa, D. C. “Multiple-pass automatic vertical welding”, en Welding Journal 45(8): 65 1-660; agosto de 1966.

Campbell, H. C. “Electroslag, electrogas, and related welding processes”. Bulletin No. 154. Nueva York: Welding Re- search Council, 1970.

Franz, R. J. y Wooding, W. H. “Automatic vertical welding and its industrial applications”, en Welding Journal 42(6): 489- 494; junio de 1963.

Irving, R. R. “Vertical welding goes into orbit”, en Iron Age 50; octubre 26, 1972.

Normando, N. J., Wilcox, D. V. y Ashton, R. F. “Electrogas vertical welding of aluminum”, en Welding Journal 52(7): 4400-448; julio de 1973.

Schwartz, N. B. “New way to look at welded joints”. Iron Age 54-55; 20 de agosto de 1970.

Warner, Brasil. “Welding offshore drillings rigs”, en American Machinist, 14 de octubre 1974.



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SOLDADURA

ESCORIA ELECTRO=


J. R. Hannah, Presidente Midtnark Corporation

D. R. Amos Westinghouse Electric Corporation

R. J. Christoffel General Electric Company

R. H. Frost Colorado School of Mines

S. A. LaClair Foster Wheeler Corporation

S. Liu Colorado School of Mines

J. E. Sims

R. B. Smith L-TEC Welding and Cutting Systems

CBI-NA-CON

W. E. Wood Introducción 272 Oregon Graduate Center

MIEMBRO DEL COMITÉ DEL

J. R. Hannah, Presidente Fundamentos 273 MANUAL DE SOLDADURA:

Midinark Corporation Equipo 276

Seguridad 279

Consumibles 280

Aplicaciones 282

Inspección y control de calidad 295

Localización de problemas 296




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SOLDADURA ELECTROESCORIA INTRODUCCIÓN

HISTORIA POR MUCHO TIEMPO se deseó contar con un proceso de soldadura de placas gruesas con una sola pasada que hiciera inne- cesarias las técnicas de múltiples pasadas..Antes de 1900, se colocaban moldes de grafito a ambos lados de un espacio entre dos placas verticales con el fin de contener el metal de soldadura creado por electrodos de grafito que fundian los bordes formando una soldadura. Los moldes de grafito fueron reemplazados por moldes de cobre o cerámica, y se desarrollaron arcos de soldadura convencionales, sopletes de gas y mezclas de termita que permitieran generar el metal fundido con un grado de sobrecalentamiento suficiente para obtener una coalesbencia uniforme.

A principios de la década de 1950, cientificos rusos del Instituto Paton de Soldadura Eléctrica de Kiev anunciaron la invención de máquinas que aprovechaban el principio de una escoria conductora de la electricidad para realizar soldaduras verticales de una sola pasada. Trabajos subsecuentes en el Ins- tituto de Soldadura de Bratislava, en la entonces Checoslova- quia, llegaron al conocimiento de los ingenieros belgas en 1958, y a través de ellos al resto del mundo occidental. En 1959 se introdujo una unidad de electroescoria en Estados Unidos. Desde entonces, se han hecho muchos refinamientos y modificaciones hasta la aparición de máquinas de producción capaces de satisfacer las normas de la industria de ese pais.

ALCANCE ENESTECAPITULO se describe el proceso de soldadura electroescoria (electroslag welding, ESW), e incluye material sobre sus fundamentos, equipo, seguridad, consumibles, aplicaciones, control de calidad, calificación, capacitación, localización de fallas y definiciones asociadas al proceso.

USOS Y VENTAJAS EL PROCESO ESW se emplea con mayor frecuencia para unir metales en la posición vertical o casi vertical, por lo regular con una sola pasada. Sin embargo, se ha demostrado que es posible

usar ESW con ángulos de 45" o más respecto a la vertical. Al- gunas de las ventajas asociadas a la ESW han redundado en una reducción significativa de los costos, sobre todo al unir materiales gruesos. Se han logrado ahorros en los casos en que se unen componentes para formar unidades de mayor tamaño, en vez de producir desde un principio enormes piezas coladas o forjadas. En muchos casos, la ESW resulta más económica que los méto- dos de unión más convencionales, como la soldadura por arco sumergido de secciones gruesas. La ESW ha reducido costos incluso en algunas aplicaciones en las que intervienen materiales base más delgados, en virtud de su eficiencia y de lo sencillo que resulta preparar las uniones.

El proceso ESW ofrece muchas oportunidades para reducir los costos de soldadura en tipos de uniones específicos. Las ventajas del proceso son las siguientes:

(1) Las tasas de deposición de metal son extremadamente altas; la ESW tiene una tasa de deposición de 16 a 20 kg por hora por electrodo.

(2) Es posible soldar materiales muy gruesos con una sola pasada; sólo se configura una vez el equipo y no es necesario limpiar entre pasadas, ya que sólo hay una.

(3) Normalmente no se requiere precalentamiento, incluso con materiales muy endurecibles.

(4) El depósito de soldadura es de alta calidad; el metal de soldadura pennanece fundids durante un tiempo apreciable; esto permite que los gases escapen y que la escoria suba a la superficie de la soldadura.

(5) Los requisitos de preparación y embonamiento de las uniones son mínimos. Normalmente se usan los bordes cuadrados tal como salen de la forja, o cortados por flama.

(6) El ciclo de trabajo es alto; el proceso es automático y una vez que se inicia continúa hasta completarse; casi no hay fatiga del operador.

(7) El manejo de materiales es miniino; el trabajo sólo debe manipularse para colocar el eje de la soldadura en posición vertical o casi vertical; no hay necesidad de mover las piezas una vez que se ha comenzado a soldar.

(8) Se eliminan las salpicaduras, con lo que se obtiene una eficiencia de depósito de metal de aporte del 100%.



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S O L D A D U R A E L E C T R O E S C O R I A 273

(9) El consumo de fundente es bajo; se gasta cerca de un kilogramo por cada 20 kilogramos de metal de soldadura.

(10) La distorsión es mínima; no hay distorsión angular en el plano horizontal y la distorsión es mínima en el plano vertical, lo cual puede compensarse con facilidad

(11) El tiempo de soldadura es mínimo; la ESW es el proceso de soldadura más rápido para materiales grandes y gruesos.

LIMITACIONES LAS LIMITACIONES DEL proceso de soldadura electroescoria son las siguientes:

(1) Sólo es posible soldar aceros al carbono y de baja alea- ción, y algunos aceros inoxidables.

(2) Las uniones deben colocarse en la posición vertical o casi vertical.

(3) Una vez iniciada la soldadura, ésta debe completarse; de la contrario, es probable que se produzca un área defectuosa.

(4) La ESW no puede usarse con materiales de menos de 19 mm (3/4 pulg) de espesor.

(5) Los materiales de forma compleja pueden ser difíciles o imposibles de soldar con ESW.

FUNDAMENTOS

PRINCIPIOS DE FUNCIONAMIENTO LA SOLDADURA ELECTROESCORIA (ESW) es un proceso de soldadura que produce coalescencia de metales con escoria fundida que derrite el metal de aporte y las superficies de las piezas de trabajo que se van a soldar. La escoria protege el charco de soldadura, moviéndose a todo lo ancho de la unión conforme avanza la soldadura. El proceso se inicia con un arco que calienta un fundente granulado y lo funde para formar la escoria. En seguida, la escoria conductora extingue el arco y se mantiene fundida por la resistencia que opone al paso de la corriente eléc- trica entre el electrodo y las piezas de trabajo.

Por lo regular, la unión de surco cuadrado se coloca de modo que su eje longitudinal esté vertical o casi vertical. Excepto en el caso de las soldaduras circunferenciales, no se manipula el trabajo una vez que se ha comenzado a soldar. La soldadura electroescoria es un proceso mecanizado, y una vez que se inicia continúa hasta completarse. Puesto que no hay arco, la acción de soldadura es tranquila y libre de salpicaduras. Las tasas de deposición tan elevadas permiten soldar secciones muy gruesas con una sola pasada. La forma en que se funde y solidifica el metal durante el proceso hace que se produzca un depósito de soldadura de alta calidad. No hay distorsión angular de las placas soldadas.

El proceso se inicia encendiendo un arco eléctrico entre el electrodo y el fondo de la unión. En seguida se añade fundente granulado, el cual se funde por el calor del arco. Tan pronto como se forma una capa de escoria fundida del espesor suficiente, la acción del arco se detiene y la corriente de soldadura pasa desde el electrodo a través de la escoria por conducción eléctrica. La soldadura se inicia en un sumidero o en una pestaña de inicio para que el proceso pueda estabilizarse antes de que la acción de soldadura alcance el trabajo.

El calor generado por la resistencia de la escoria fundida al paso de la corriente de soldadura basta para fusionar el electrodo de soldadura y los bordes de la pieza de trabajo. La temperatura interior del baño es del orden de 1925°C (3500°F). La temperatura superficial es de unos 1650°C (3000°F). El electrodo fundi-

do y los metales base forman un charco debajo del baño de escoria fundida y poco a poco se solidifican para formar la soldadura. Hay una solidificación progresiva de abajo hacia arriba, y siempre hay metal fundido encima del metal de soldadura que se solidifica.

Se requieren pestañas de escurrimiento para que la escona fundida y el metal de soldadura se extiendan más allá del borde superior de la unión. Tanto las pestañas de inicio como las de escurrimiento suelen eliminarse al ras de los extremos de la unión.

VARIACIONES DEL PROCESO EXISTENDOS VARIACIONES de la soldadura electroescoria de uso general. En una se emplea un electrodo de alambre con un tubo guía (de contacto) no consumible para dirigir el electrodo hacia el baño de escoria fundida. Esta variación se llamará aquí “método convencional”. La otra variación es similar a la primera, con la excepción de que una guía consumible se extiende a todo lo largo de la unión. Esta variación se llamará “método de guía consumible”. En el método convencional, la cabeza de soldadura se mueve progresivamente hacia arriba conforme se deposita la soldadura. En el método de guía consumible, la cabeza de soldadura permanece estacionaria en la parte superior de la unión, y la escoria fundida derrite progresivamente tanto el tubo guía como el electrodo.

Método convencional EL MÉTODO CONVENCIONAL de la soldadura electroescoria se ilustra en la figura 8.1. Uno o más electrodos se alimentan a la unión, dependiendo del espesor del material que se está soldando. Los electrodos se introducen a través de guías de alambre no consumibles que se mantienen a una distancia de 50 a 75 mm (2 a 3 pulg) por encima de la escoria fundida. Se puede oscilar horizontalmente los electrodos para soldar materiales muy gruesos.



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274 S O L D A D U R A E L E C T R O E S C O R I A

BANO DE ESCORIA FUNDIDA

LECTRODO CURVADO

METAL DE SOLDADURA ZAPATA ENFRIADA

TERMINADA & PIEZA DE TRABAJO

PIEZA DE TRABAJO

Figura 8.1-Método de soldadura electroescoria de guia no consumible (tres electrodos)

Las zapatas (represas) de cobre enfriadas por agua nonnalmente se colocan a ambos lados de la unión a fin de contener el metal de soldadura fundido y el baño de escoria. Las zapatas están unidas a la máquina soldadora y se mueven verticalmente junto con ella. EI movimiento vertical de la máquina soldadora es consistente con la tasa de deposición del electrodo. El movimiento puede ser automático o controlado por el operador de soldadura.

El movimiento vertical de las zapatas expone ias superficies de la soldadura. Lo nonnal es que ésta tenga un ligero refuerzo, moldeado por el surco de la zapata. Las superficies de la soldadura están cubiertas por una delgada capa de escoria. Este consumo de escoria se debe compensar durante la operación con la adición de pequeñas cantidades de fundente al baño de escoria fundido. Lo normal es añadir este fundente en fonna manual, pero pueden usarse alambres con núcleo de fundente para sum- nistrar fundente al baño.

El método convencional de soldadura electroescoria puede usarse para soldar placas con espesores de unos 13 a 500 mm (1/2 a 20 pulg). Lo más común es soldar espesores entre 19 y 460 mm (3/4 y 18 pulg). Un electrodo oscilante puede soldar con éxito espesores hasta 120 mm (5 pulg); dos electrodos, hasta 230 mm (9 pulg), y tres electrodos, hasta 500 min (20 pulg). Con cada electrodo, el proceso depositará entre 11 y 20 kg (25 y 45 lb) de metal de aporte por hora. EI diámetro del electrodo suele ser de 3.2 min (1/8 pulg). La eficiencia de transferencia de metal desde el electrodo es de casi 100%. La soldadura que se produce normalmente es grande y consume alrededor de 2.3 kg (5 Ib) de fundente por cada 45 kg (100 Ib) de metal de soldadura depositado.

Método de guia consumible ELMETODODE ESW de guía consutnible se muestra en la figura 8.2. En este método, el metal de aporte es suministrado tanto por

un electrodo como por el miembro que lo guía. El electrodo de alambre se dirige hacia el fondo de la unión mediante un tubo guía que se extiende a todo lo largo (alto) de la unión. Este tubo transporta la comente de soldadura, y se funde justo arriba de la superficie del baño de escoria. Así pues, la máquina soldadora no se desplaza verticalmente, y se emplean zapatas estacionarias o no deslizantes. En soldaduras cortas, las zapatas pueden tener la misma longitud que la unión; en soldaduras más largas pueden requerirse varios juegos de zapatas. Conforme el metal se solidifica, un juego de zapatas se quita de la parte baja de la soldadura y se coloca arriba del juego de zapatas superior. Este patrón de ?salto de rana? se repite hasta completarse la soldadura.

Conforme la soldadura avanza y el baño de escoria sube, la guía consumible se derrite y se convierte en parte del metal de soldadura. La guia consumible suministra entre el 5 y el 15% del metal de aporte.

AI igual que en el método convencional, se puede usar uno o más electrodos, y pueden oscilar horizontalmente dentro de la unión. Puesto que los tubos guía transportan corriente eléctrica, puede ser necesario aislarlos respecto a las paredes de la unión (placa base) y a las zapatas.

La guia consumible puede tener un recubrimiento exterior de fundente para aislarla y ayudar a reabastecer el baño de escoria. Otras formas de aislamiento son los aislantes con forma de dona, las mangas de fibra de vidrio y la cinta adhesiva.

EI método de guía consumible puede servir para soldar secciones de espesor casi ilimitado. Si se usan electrodos estacionarios, cada uno soldará aproximadamente 63 mm (2.5 pulg) del espesor de la placa. Un electrodo oscilante puede soldar con éxito hasta 130 mm (5 pulg); dos electrodos oscilantes, hasta 300 min (12 pulg); y tres electrodos oscilantes, hasta 450 mm (1 8 pulg). Se han hecho en forma rutinaria soldaduras de hasta 9 m (30 pies) de largo con un solo electrodo estacionario. Puede haber problemas para controlar la oscilación si la soldadura es muy larga; por tanto, si no es posible controlar la oscilación requerida, será preciso usar electrodos adicionales y reducir o eliminar la oscilación.

Es posible usar tubos guía con forma de ala en ciertas aplicaciones en las que un tubo redondo no puede calentar debidamente toda el área seccional de la soldadura, o en ensambles de forma irregular. EI uso más común de guías con fonna de ala es en uniones que en condiciones ordinarias se soldarían empleando un tubo guía oscilante, pero no se cuenta con equipo de oscila- ción. Las guías tipo ala también se usan cuando la unión es lo bastante grande como para requerir dos guías, pero sólo se dispone de un alimentador de alambre. Esta aplicación esta limitada a uniones de 102 min (4 pulg). Las uniones de más de i 14 min (4.5 pulg) de espesor son marginalmente aceptables, si acaso, cuando se sueldaii con un solo tubo guía.

Los tubos guía tipo ala se hacen soldando con puntos provisionales barras delgadas de acero al carbono a los lados de un tubo guía redondo. Esto se ilustra en la figura 8.3. Nonnalinente, las guías tipo ala se extienden hasta unos 6 nim (1/4 pulg) del borde de la unión. La sección transversal aumentada lleva corriente al bario de escoria y mantiene la temperatura del baño en las partes alejadas del alambre de aporte lo bastante alta como para fundir los bordes de las placas. Gracias a esta corriente adicional, la demanda de potencia es igual a la de un sistema con dos electrodos.



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GUíA CONSUMIBLE - \

CABLE DEL TRABAJO -“-p \ SALIDA DE AGUA

lx OSCILACIÓN

PIEZA DE TRABAJO

BAÑO DE ESCORIA FUNDIDA

CHARCO DE SOLDADURA

DE SOLDADURA SOLIDIFICADO

ZAPATA DE RETENCIÓN

ENTRADA DE AGUA

Figura 8.2-Método de soldadura electroescoria de guía consumible



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276 S O L D A D U Fi A E L E C T R O E S C O R I A

Fiaura 8.3-Tubos auía t i m aia

EQUIPO ]EL EQUIPO PARA ambos métodos del proceso ESW es el mismo (2) excepto por el diseiio de los tubos guía de los electrodos y el (3) mecanismo para el desplazamiento vertical. Los que siguen son (4) los componentes principales del equipo para soldadura elec- (5) troescona: (6)

Alimentador y oscilador del alambre. Tubo guía del electrodo. Controles de soldadura. Cabeza de soldadura. Zapatas (represas) de retención.

(1) Fuente de potencia.



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FUENTE DE POTENCIA POR LO REGULAR, las fuentes de potencia son del tipo de transformador-rectificador de voltaje constante, con especificaciones de 750 a 1000 A, cc, con ciclo de trabajo del 100%. Estas fuentes son similares a las que se usan para soldadura por arco sumergido. Los voltajes de carga generalmente son del orden de 30 a 55 V; por tanto, el voltaje de circuito abierto mínimo de la fuente de potencia deberá ser 60 V. En algunas aplicaciones se usan fuentes de potencia de ca de voltaje constante con especificaciones similares. Se requiere una fuente de potencia para cada electrodo.

La fuente de potencia casi siempre está equipada con un contactor, un control remoto del voltaje de salida, un mecanismo para equilibrar las instalaciones de múltiples electrodos, un interruptor de potencia principal, un control de intervalos, un amperímetro y un voltímetro.

ALIMENTADOR Y OSCILADOR DEL ALAMBRE LA FUNCIONDEL dispositivo alimentador del alambre es conducir el electrodo de alambre a una velocidad constante desde el suministro de alambre, a través del tubo guía, hasta el baño de escoria fundida. El alimentador de alambre por lo regular está montado en la cabeza de soldadura.

En general, cada electrodo de alambre es impulsado por su propio motor y sus propios rodillos de alimentación. Puede usarse una caja de engranes dual para impulsar dos electrodos con un mismo motor, pero no ofrece redundancia si llega a presentarse un problema de alimentación. Cuando se suelda con múltiples electrodos, la falla de una unidad aliinentadora de alambre no obliga a suspender la operación de soldadura si es posible emprender una acción correctiva rápida. No obstante, se debe subrayar que para realizar con éxito una soldadura electroescoria es crucial evitar una suspensión, porque la reparación de la soldadura en el punto de reinicio puede ser muy costosa. En algunos casos en que se sueldan piezas largas y gruesas, se exige a estos impulsores de alambre cincuenta o más horas de operación continua.

Los alimentadores de alambre impulsados por motor son similares, en cuanto a su diseño y operación, a los que se usan en otros procesos de soldadura de electrodo continuo, como la soldadura por arco de metal y gas y la soldadura por arco sumergido. En la figura 8.4 se muestra una unidad de aliiueiita- ción de alambre tipica. Los rodillos impulsores generalmente consisten en un par con engranes, de modo que la fuerza iinpul- sora se aplica con ambos rodillos. La configuración del surco de los rodillos puede variar, dependiendo de si se usa un electrodo sólido o uno con núcleo. Si el alambre es sólido, hay que tener cuidado de que se alimente sin resbalar, pero a la vez sin apretarlo tanto que adquiera una superficie dentada. Un alambre asi puede actuar como una lima y desgastar por abrasióii los componentes entre los rodillos de alimentacióii y la soldadura. Se ha observado que los rodillos con surco ovalado son los que mejor funcionan con ambos tipos de alambre, sin peligro de aplastar los electrodos con n<icleo metálico.

Conviene usar un enderezador de alambre, ya sea del tipo sencillo de tres rodillos o 1111 diseno giratorio más complejo, con el firi de quitar ia curvatura al electrodo. La curvatura liara que el electrodo divague al salir de la guia; esto, a su vez, puede

causar cambios en la posición del charco de soldadura y crear defectos como falta de fusión. Un electrodo curvado causa problemas más severos si las piezas por soldar son grandes y gruesas.

La velocidad del electrodo depende de la comente requerida para la tasa de deposición deseada, y también del diámetro y del tipo de electrodo que se está usando. En general, un intervalo de velocidades de 17 a 150 mm/s (40 a 350 pulg/min) es adecuado para electrodos con núcleo metálico o sólidos de 2.4 mm (3/32 pulg) o 3.2 mm (1/8 pulg) de diámetro.

Los electrodos deben estar empacados de modo que se facilite una alimentación uniforme e ininterrumpida. El suministro de alambre debe permitir la alimentación con un motor de par de torsión impulsor mínimo, a fin de que no haya atascaduras ni detenciones del alambre. El paquete de alambre debe tener el tamaño suficiente para completar la soldadura sin detenerse.

Se requieren dispositivos para oscilar el electrodo cuando el espesor de la unión es de más de 57 mm (2.25 pulg) por electrodo. El tubo guía del electrodo puede oscilarse con mecanismos impulsados por motor, como los de tomillo terminal o los de cremallera y piñón. El mecanismo debe se susceptible de ajuste en cuanto a distancia de recorrido, velocidad de recorrido

Figura 8.4-Unidad de alimentación de alambre típica (método de auía consumiblel



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278 S O L D A D U R A E L E CT R O E S C O R I A

y retraso variable en el extremo de cada carrera. El control del movimiento oscilatorio generalmente se efectúa mediante circuitos electrónicos.

TUBO GUíA DEL ELECTRODO Método convencional ENLA SOLDADURA electroescona convencional, el tubo guía no consumible (el “snorkel”) lleva el electrodo desde los rodillos de alimentación del alambre hasta el baño de escoria fundida. También funciona como contacto eléctrico para energizar el electrodo. El extremo de salida del tubo se coloca cerca de la escoria fundida, y sufre cierto deterioro con el tiempo.

Los tubos guía por lo regular se fabrican con una aleación de cobre con berilio y se sostienen con dos barras rectangulares angostas unidas a ellos mediante soldadura fuerte. Se usa cobre al berilio porque conserva una resistencia mecánica razonable a altas temperaturas. Los tubos se envuelven con cinta aislante para evitar que hagan cortocircuito con el trabajo.

Para alimentar los electrodos verticalmente a la escoria fundida, las guías deben ser curvas y lo bastante angostas como para caber en la abertura de raíz de la unión. Generalmente tienen menos de 13 mm de diámetro. EI diseño de las guías puede incluir un mecanismo integrado para enderezar el alambre y quitarle su curvatura.

Método de guía consumible EL TUBO GUIA consumible se fabrica con un acero compatible con el metal base y tiene una longitud un poco mayor que la unión que se va a soldar. Comúnmente tiene un diámetro exterior de 12 a 16 mm (1/2 a 5/8 pulg) y un diámetro interior de 3.2 a 4.8 mm (1/8 a 3/16 pulg). Se requieren diámetros pequeños para soldar secciones de menos de 19 mm (3/4 pulg) de espesor.

El tubo guía se sujeta a un tubo de soporte de aleación de cobre montado en la cabeza de soldadura. La comente de soldadura se transmite del tubo de cobre al de acero, y de ahí al electrodo.

Cuando la longitud de la soldadura es mayor que 600 a 900 mm (2 a 3 pies), es necesario aislar los tubos guía para evitar que puedan hacer cortocircuito con el trabajo. Se puede recubrir todo el tubo con fundente, o ensartar anillos aislantes a intervalos de 300 a 450 mm (12 a 18 pulg) en el tubo fijándolos a él con pequeños botones de soldadura. La cobertura de fundente o los anillos aislantes se funden y ayudan a reabastecer el bafio de escoria conforme se consume el tubo guía.

CONTROLES DE SOLDADURA Los CONTROLES DE la soldadura electroescoria consisten en una consola montada cerca de la cabeza de soldadura que contiene los siguientes grupos componentes:

(1) Sistemas de alarma para detectar fallas del equipo o del sistema.

(2) Amperímetros, voltímetros y controles remotos de contactor para cada una de las fuentes de potencia, y un control

remoto del voltaje en forma de un reóstato manual o un reóstato motorizado accionado mediante un interruptor inversor.

(3) Un control de velocidad para cada uno de los motores impulsores del alambre. Este control también permite avanzar a paso lento e invertir el sentido del impulsor del alambre. En algunas consolas, el contactor de potencia y el alimentador del alambre se pueden activar con un interruptor común.

(4) Controles del oscilador para desplazar transversalmente las guías en la unión por soldar. La longitud de la carrera se controla mediante interruptores de límite ajustables montados en la cabeza de soldadura; la duración de la permanencia en cada extremo de la carrera se controla mediante cronómetros.

(5) Control del ascenso vertical de la cabeza de soldadura (sólo en el método convencional). El tipo de control depende de si la elevación se activa en forma manual o automática.

Puede usarse un sensor de “ojo eléctrico” con el dispositivo de elevación que permita controlarlo automáticamente. El sensor se dirige a un punto situado por debajo del borde superior de la zapata de retención y se ajusta de modo que detecte la superficie del baño de escoria fundida. Cuando el baño sube más allá del punto objetivo, el motor del elevador se activa y sube la cabeza de soldadura y la zapata hasta que ya no se puede detectar el baño. De esta manera se obtiene una elevación automática continua por incrementos.

En una unión dada, si se conocen el espesor de las placas, la abertura de raíz, el número de electrodos y la velocidad de alimentación de estos últimos, la velocidad de ascenso vertical puede calcularse con cierta aproximación. El operador de soldadura puede ajustar un motor de velocidad variable a modo de obtener esta tasa de ascenso. Conforme avance la soldadura, podrían hacerse ajustes menores a fin de mantener el baño de escoria fundida y el charco de metal líquido dentro de las zapatas de contención.

CABEZADESOLDADURA EN LA SOLDADURA electroescoria los soldamentos son relativamente grandes y pesados; por tanto, conviene establecer un lugar fijo para la fuente de potencia y usar cables largos, un control remoto y una cabeza de soldadura portátil que se lleva al lugar donde está la unión por soldar. Las consolas de control suelen ser ligeras y contener un mínimo de componentes. Los controles establecen la conexión entre la fuente de potencia y los alimentadores del alambre en la cabeza de soldadura.

La cabeza de soldadura incluye el alimentador de alambre, el suministro de electrodo, el o los tubos guía, conexiones eléctri- cas para los tubos guía y una forma de sujetarse al trabajo. También puede contener lo necesario para trabajar con varios electrodos y un mecanismo itnpulsor para oscilarlos. Si es importante la transportabilidad, el alimentador de alambre y el suministro de electrodo pueden colocarse a poca distancia de la cabeza de soldadura, como en la soldadura por arco de metal y gas semiautomática.

En la figura 8.5 se muestra un trepador de placa para soldadura electroescoria que alimenta un solo electrodo a la unión a través de un tubo guía. Una vez que se inicia el proceso, la unidad trepadora es impulsada hacia arriba mediante una rueda dentada motorizada que va siguiendo la unión. La velocidad vertical del trepador de placa se ajusta mediante un control remoto. Dos



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a TUBO GUíA ’ DEL ELECTRODO

- RUEDA IMPULSORA

BARRA - DE RANURA

ZAPATA DE COBRE

Figura 8.5-Método convencional de soldadura electroescoria empleando un trepador de placa

zapatas de cobre enfriadas por agua se deslizan a lo largo de la unión con el fin de contener la escoria y el metal de soldadura fundidos. Las zapatas de cobre se mantienen presionadas contra la placa mediante una tensión de resorte entre las secciones delantera y trasera del trepador de placa.

El trepador de placa puede servir para soldar placas de 13 a 5 1 mm (1/2 a 2 pulg) de espesor. Normalmente se usa una unión de surco cuadrado o de surco único en “V”, y es posible obtener velocidades de ascenso de hasta 3 mm/s (7 pulg/min).

ZAPATAS (REPRESAS) DE CONTENCIÓN LAS ZAPATAS DE contención y el sistema de circulaciÓn de agua asociado están incluidos en esta categoria. La función de las zapatas es mantener el metal fundido y el baño de escoria dentro de la cavidad de soldadura. Las zapatas se fabrican con cobre y generalmente incluyen conductos para agua en los lugares de acumulación de calor criticos con el fin de evitar el sobrecalentamiento o la fusión. Como puede verse en la figura 8.2, cada una de las zapatas suele tener una cavidad maquinada en el lado que da hacia la soldadura para que ésta tenga un pequeño refuerzo.

La zapata puede enfriarse con un sistema de recirculación de agua o con agua de la llave. Los circuladores de agua deben tener una capacidad de eliminación de calor de 32 a 42 kJ/h (30 O00 a 40 O00 BTU/h). Los sistemas de recirculación normalmente no causan condensación de agua en las zapatas. EI agua de la llave muchas veces está a una temperatura más baja que el aire, y puede hacer que haya condensación en las zapatas. Si el agua condensada escurre por las zapatas y se acumula en las pestañas de inicio antes de comenzar a soldar, es probable que la soldadura presente porosidad. La condensación en la cara interior de las zapatas se evaporará adelante del baño de escoria ascendente. Así pues, lo mejor es abrir la llave del agua justo antes de comenzar a soldar.

Con la soldadura convencional, las zapatas enfriadas por agua se montan en la cabeza de soldadura y se desplazan hacia arriba conforme se efectua la soldadura. Con el método de guia coiisumible, las zapatas no se mueven, pero si pueden reubicar- se, pasando las de hasta abajo hasta arriba, conforme la soldadura avanza. En algunos casos las zapatas no se enfrian con agua, pero deben tener una masa considerable para que no se derritan. Las zapatas se fijan en su posición, habitualmente mediante ciiiias insertadas entre la zapata y puentes con forma de “U” (caballetes) colocados transversalmente respecto a la unión, o bien con prensas grandes en forma de “C” cuando se sueldan uniones cortas empleando el método de guía consumible.

SEGURIDAD COMO EN CUALQUIER operación de soldadura, hay que ejercer un cuidado razonable al realizar los procedimientos de configu- ración, soldadura y postsoldadura de la ESW. Hay cierto numero de peligros, algunos más serios que otros, pero todos pueden eliminarse. Las omisiones en cuanto a l uso de equipo protector o de prácticas seguras pueden danar las piezas de producción, el

equipo o las instalaciones, y poner en peligro la integridad fisica del personal.

Es preciso usar ropa suficiente y apropiada que proteja contra la radiación del arco de otras operaciones de soldadura, el calor radiante de piezas calientes y los peligros de la escoria derretida caliente. Se debe usar guantes en todo momento.



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Se recomiendan gafas de seguridad con escudos laterales a causa de la escoria caliente o las “bolas de salpicadura” que pueden saltar de la unión durante la soldadura. Se recomienda el tono de filtro núm. 12 si hay necesidad de observar el arco antes de que se establezca el baño de escoria. El tono recomendado para observar el baño es el núm. 4.

Hay que tener mucho cuidado al quitar las zapatas. La escoria solidificada es básicamente vidrio y puede romperse y astillarse en forma irregular.

Todo equipo eléctrico presenta el peligro de choques eléctri- cos. Sin embargo, en el caso de la ESW el operador no toca el equipo excepto para hacer ajustes ocasionales. El electrodo de alambre y, de hecho, todo lo que está en contacto con él, está “eléctricamente vivo”. EI operador u otro personal que trabaje en el área nunca debe tocar el electrodo ni otras partes “vivas” del sistema de soldadura. Como procedimiento normal, el operador deberá efectuar una revisión preliminar del equipo en busca de posibles problemas. Los peligros de naturaleza eléctri- ca, como conexiones flojas o gastadas, aislante pelado o cables situados cerca de agua deben repararse o eliminarse. Hay que cuidar que el drenaje de agua de las zapatas o los circuladores no se realice cerca del equipo de ESW. Siempre deben seguirse las recomendaciones del fabricante en cuanto a tamaño de cables y la instalación, uso y mantenimiento del equipo.

Las piezas que se sueldan por electroescoria suelen ser grandes y, como casi siempre se sueldan verticalmente, a veces son altas y están colocadas en posiciones inestables. Hay que tener cuidado al posicionar estos componentes, y se requieren soldadores calificados para fijar los soportes, abrazaderas, caballetes y otras sujeciones o fijaciones que se necesiten. El mismo cuidado debe ejercerse al quitar las fijaciones mediante corte o excavación con arco de carbono y aire. Al quitar los sumideros o bloques de escurrimiento, hay que cerciorarse de que caigan en un lugar apropiado, no sobre líneas de gas para corte o cables eléctricos.

Como otros procesos de soldadura, la ESW genera emisiones, pero no es necesario que el operador esté todo el tiempo cerca o

dentro de ellas. El proceso es por naturaleza automático, aunque el operador lo vigila ocasionalmente. Si se suelda en un área mal ventilada, es necesario el empleo de ventiladores o extractores de humo.

La escoria fundida puede derramarse por la parte superior de la unión, o fugarse alrededor de la zapata de enfriamiento. Si la zapata no embona bien, o los sumideros y pestañas de escummiento no están bien alineados, puede haber huecos que permitan el derrame de escoria. Las fugas de escoria pueden ser muy peligrosas debido al gran volumen del baño asociado al proceso ESW. Por esta razón, hay que prestar mucha atención al embonamiento y alineación de las zapatas, las cuales deberán dejarse en posición en tanto no se haya completado la soldadura y se haya solidificado el baño de escoria.

El manejo de las zapatas enfriadas por agua es mucho más seguro que el de las zapatas sólidas, pero ambos tipos pueden causar quemaduras graves.

No se debe soldar cerca de materiales combustibles. Es preciso asegurarse de que los disolventes empleados para limpiar el área de la unión se hayan retirado por completo. No coloque latas de aerosol cerca de la soldadura, ya que pueden explotar.

Si desea información detallada sobre seguridad, consulte las instrucciones del fabricante y las ediciones más recientes de las siguientes publicaciones: ANSI 249.1, Seguridad al soldar y cortar y ANSI 287.1, Prácticas de protección ocupacional y educacional de los ojos y el rostro.

Los reglamentos de seguridad federales obligatorios en Esta- dos Unidos, establecidos por la Occupational Safety an Health Administration del Departamento del Trabajo de EE.UU., se pueden consultar en la edición más reciente de las normas de la OSHA, Code of Federal Regulations, Title 29 Part 1910, que puede obtenerse de Superintendent of Documents, U. S . Printing Office, Washington, D. C. 20402. Consúltese también la séptima edición del Manual de prevención de accidentes para operaciones industriales (Accident Prevention Manual for Industrial Operations) del National Safety Council.

CONSUMIBLES LA COMPOSICIÓN DEL metal de soldadura de electroescoria está determinada por las composiciones del metal base y del metal de aporte y por su dilución relativa. El metal de aporte y los consumibles empleados en la soldadura electroescoria incluyen el electrodo, el fundente y, en el caso de la soldadura con guía consumible, una guía consumible y su aislamiento. Los consumibles pueden controlar efectivamente la composición química final y las propiedades mecánicas del metal de soldadura.

ELECTRODOS SE USAN DOS tipos de electrodos con el proceso de soldadura electroescoria: sólidos y con núcleo metálico. Los electrodos sólidos se usan más, y ambos tipos se producen con diversas

composiciones químicas que producen metal de soldadura con las propiedades deseadas.

Los electrodos con núcleo de metal permiten ajustar la com- posición del metal de aporte para soldar aceros de aleación mediante la adición de elementos de aleación (ferroaleaciones) en el núcleo. También son una forma de reabastacer de fundente el baño de escoria fundida. EI tubo metálico es de acero de bajo carbono. El empleo de electrodos con núcleo puede causar una acumulación excesiva de escoria en el baño si el núcleo se compone exclusivamente de fundente.

Al soldar por electroescona aceros al carbono y acero de baja aleación de alta resistencia mecánica, los electrodos por lo regular contienen menos carbono que el metal base. La resistencia y tenacidad del metal de soldadura se logran mediante la



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S O L D A D U R A E L E C T R O E S C O R i A 281

aleación con diversos elementos. Este enfoque reduce la tendencia al agrietamiento del metal de soldadura en aceros que contienen hasta 0.35% de carbono.

La composición de los alambres que se usan para soldar aceros de más alta aleación normalmente coincide con la del metal base. Estos aceros generalmente adquieren sus propiedades mecánicas por una combinación de composición química y tratamiento térmico. Por lo regular, es necesario tratar con calor una soldadura electroescoria en un acero de alta aleación para que el metal de soldadura y la zona térmicamente afectada tengan las propiedades deseadas. Por tanto, la mejor estrategia consiste en seleccionar una composición de metal de soldadura y de metal base tales que ambas respondan al tratamiento térmico más o menos en el mismo grado.

Cuando se selecciona el electrodo de alambre para soldadura electroescoria, es preciso considerar su dilución con el metal base. En una soldadura electroescoria típica, la dilución es del orden de 30 a 50% de metal base. El grado de dilución por fusión del metal base depende del procedimiento de soldadura. EI metal de aporte y el metal base fundido se mezclan perfectamente para formar una soldadura de composición química casi unifonne en todos sus puntos.

Los tamaños de electrodo más utilizados son 2.4 y 3.2 mm (3/32 y 1/8 pulg), aunque se han empleado con éxito electrodos de 1.6 a 4.0 mm (1/16 a 5/32 pulg) de diámetro. Los electrodos de diámetro pequeño producen tasas de deposiciónmás altas que los de mayor tamaño con el mismo amperaje de soldadura. En aplicaciones prácticas se ha observado que los electrodos de 2.4 y de 3.2 mm (3/32 y 1/8 pulg) son los que ofrecen la com- binación óptima de tasa de deposición, facilidad de alimenta- ción, intervalos de amperaje de soldadura y facilidad de enderezado.

Los electrodos para soldadura electroescoria se venden en forma de bobinas de 27 kg (60 lb), carretes grandes de 270 kp (6001b) o tambores grandes. Como es vital que se disponga de suficiente electrodo para soldar toda la unión sin parar, se ha visto que lo más práctico es usar carretes o tambores de hasta 340 kg (750 lb).

FUNDENTE EL FUNDENTE ES un factor muy importante para el éxito de una operación de soldadura electroescoria. La composición del fundente es crucial, ya que sus características determinan qué tan bien funcionará el proceso electroescoria. Durante la operación, el fundente se derrite para formar una escoria que transforma la energía eléctrica en energía térmica para fundir el metal de aporte y el metal base. Además, la escoria (fundente) debe conducir la corriente de soldadura, proteger el metal de soldadura fundido de la atmósfera y fomentar una operación estable.

Un fundente para soldadura electroescoria debe poseer varias características importantes. En su estado líquido, debe conducir la electricidad y a la vez tener la resistencia eléctrica suficiente para generar el calor necesario para soldar. Si su resistencia es demasiado baja, se formarán arcos entre el electrodo y la superficie del baño de escoria. La viscosidad de la escoria fundida debe ser lo bastante baja como para que haya una buena circu- lación que garantice una distribución uniforme del calor en la

unión. Una escoria demasiado viscosa causa inclusiones de escoria en el metal de soldadura, y una demasiado fluida puede fugarse por aberturas pequeñas entre el trabajo y las zapatas de retención.

El punto de fusión del fundente debe estar bastante por debajo del punto de fusión del metal que se está soldando, y su punto de ebullición debe ser mucho más alto que la temperatura de operación, a fin de evitar pérdidas que pudieran alterar las Características de operación. En general, se busca que la escoria fundida sea relativamente inerte en su interacción química con el metal que se suelda, y deberá ser estable dentro de un intervalo amplio de condiciones de soldadura y tamaños del baño de escoria. Pese a ello, hay ocasiones en que conviene escoger un fundente que produzca una escoria reactiva. Las escorias reac- tivas pueden servir para refinar el metal de soldadura o ajustar el nivel de impurezas como el oxígeno.

La escoria solidificada en la superficie de la soldadura deberá ser fácil de eliminar, aunque algunos fundentes comerciales tal vez no tengan esta característica.

EI fundente para electroescoria en los paquetes originales no abiertos deberá estar protegido contra la absorción de humedad en condiciones normales. Puede ser necesario reacondicionar el fundente si éste ha estado expuesto a una humedad elevada.

Los fundentes para soldadura electroescoria normalmente son combinaciones de óxidos complejos de silicio, manganeso, titanio, calcio, magnesio y aluminio, siempre con un poco de fluoruro de calcio presente para ajustar las características eléc- tricas. Se pueden obtener características especiales variando la composición del fundente.

La cantidad de fundente que se gasta durante la soldadura electroescoria es relativamente pequeña. Se requiere una cantidad inicial para establecer el proceso. El fundente se solidifica como escoria en una capa delgada sobre las superficies frías de las zapatas de retención y sobre ambas caras de la soldadura. Es necesario agregar fundente al baño de escoria durante la soldadura a fin de mantener la profundidad correcta. Si no se toman en cuenta las pérdidas por fugas, el gasto total de fundente es de alrededor de 0.5 kg (1 lb) por cada 9 kg (20 lb) de metal depositado. Sin embargo, confonne aumenta el espesor de las placas o la longitud de la soldadura, el consumo de fundente se acerca a 0.5 kg ( I Ib) por cada 36 kg (80 Ib) de metal depositado.

TUBO GUíA CONSUMIBLE LA FUNCIONPRIMARIA del tubo guia consumible es sustentar el electrodo de alambre desde la cabeza de soldadura hasta el baño de escoria fundida, y actuar como trayecto principal de la corriente. La guía consumible se derrite periódicamente justo arriba del baño de escoria fundida en ascenso. Su empleo hace posible fijar la posición de la cabeza de soldadura en la parte superior de la juntura vertical. El cable del electrodo se conecta al tubo guía. La corriente de soldadura se conduce al electrodo cuando este pasa por el extremo del tubo guía, y de ahí al baño de escoria fundida.

La mayor parte de los tubos de guía consumible tiene un diámetro exterior de 13 o 16 mm (1/2 o 5/8 pulg). El diámetro interior del tubo por lo regular está determinado por el tamaño del electrodo empleado. La cantidad de metal que el tubo guía fundido aporta a la soldadura generalmente es pequeño, excepto



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cuando se sueldan secciones delgadas. Puesto que el tubo guía se convierte en parte de la soldadura, su composición deberá ser compatible con la del metal de soldadura deseado.

Si la soldadura es corta, se puede usar un tubo guía consumible desnudo, pero en el caso de soldaduras largas el tubo debe aislarse para evitar que establezca contacto eléctrico con el metal base. Se puede usar un recubrimiento de fundente que sirva como aislante eléctrico y, al mismo tiempo, añada fundente al baño de escoria. Otras formas de aislamiento incluyen aislantes con forma de dona, mangas de fibra de vidrio y cintas. Puesto que el aislante pasa a formar parte del baño de escoria, debe seleccionarse de modo que no afecte el metal de soldadura depositado ni las características de operación del fundente.

ESPECIFICACIÓN DE LOS CONSUMIBLES ANSIIAWS A5.25, ESPECIFICACIÓN de consumibles para soldadura electroescoria de aceros al carbono y aceros de baja aleación y alta resistencia mecánica, clasifica los electrodos y fundentes para ESW. Los electrodos con núcleo de metal se clasifican con base en el análisis químico del metal de soldadura tomado de un lingote no diluido. Los electrodos sólidos se clasifican con base en su composición química de fábrica. Puesto

que el tubo guía consumible por lo regular sólo contribuye una cantidad pequeña de metal de aporte a la soldadura, no cambia la clasificación del electrodo. No obstante, los tubos guia deben ajustarse a las especificaciones de la AISI para tubos de acero al carbono 1008 a 1020.

Los electrodos con núcleo metálico depositan metales de soldadura de aceros de bajo carbono y de baja aleación. Los depósitos de acero de baja aleación contienen pequeñas cantidades de cromo y níquel, y ya sea cobre o molibdeno. El carbono es menos del O. 15 %. Los electrodos sólidos se dividen en tres clases, mediano manganeso (cerca del 1 %), alto manganeso (aproximadamente 2%) y clases especiales.

En el sistema de clasificación de. electrodos y fundentes, electrodos tanto sólidos como con núcleo metálico se usan en cualquier combinación con seis fundentes. Los fundentes se clasifican con base en las propiedades mecánicas de un depósito de soldadura hecho con un electrodo en particular y un cierto metal base. La composición de los fundentes se deja al criterio del fabricante. Se especifican dos niveles de resistencia a la tensión para las combinaciones electrodo-fundente: 60 a 80 ksi (415 a 550 MPa) y 70 a 95 ksi (485 a 655 MPa). Para cada nivel de resistencia mecánica, dos de las tres clasificaciones fundente-electrodo deben satisfacer requisitos de tenacidad minima determinada con la prueba de impacto Charpy de muesca en “ V .

APLICACIONES

METALES BASE MUCHOS TIPOS DE aceros al carbono, como AIS1 1020, AISI 1045, ASTM A36, ASTM A441 y ASTM A515, se pueden soldar por electroescoria en producción. Generalmente pueden soldarse sin tratamiento térmico postsoldadura.

Además de los aceros al carbono, hay otros aceros que se pueden soldar con éxito por electroescoria. Entre ellos están AISI 4130, AISI 8620, ASTM A302, HY80, los aceros inoxidables austeníticos, ASTM A5 14, hierro en lingote y ASTM A387. La mayor parte de estos aceros requiere electrodos especiales y un tratamiento térmico postsoldadura para refinar el grano y desarrollar las propiedades requeridas en la soldadura y en la zona térmicamente afectada.

DISEÑO DE LAS UNIONES HAY UN TIPO de unión básico, que es la unión a tope de surco cuadrado. Es posible usar placas preparadas con bordes cuadrados para formar otros tipos de uniones, como las de esquina, en “ T y de borde. También es posible efectuar soldaduras de transición, soldaduras de filete, uniones en cruz, superposiciones y bases con el proceso ESW. En la figura 8.6 se muestran diseños de,uniones típicos para ESW, y los contornos de las soldaduras finales. Se requieren zapatas de retención de diseño especial para uniones distintas de las uniones a tope, de esquina y en “T.

VARIABLES DEL PROCESO LAS VARIABLES DEL proceso son los factores que afectan la operación del mismo, la calidad de soldadura y los costos. Es posible tener un proceso de funcionamiento impecable y un depósito de calidad si todas las variables se equilibran debidamente. En la soldadura electroescoria, es indispensable comprender perfectamente los efectos de cada una de las variables ya que difieren de los que tienen en los procesos de soldadura convencionales.

Factor de forma LA TASA DE enfriamiento lenta y los patrones de solidificación de una soldadura electroescoria son similares al enfriamiento de metal en un molde. En ESW, el calor es extraído del metal de soldadura fundido por el metal base frío y las zapatas de reten- ción enfriadas por agua. La solidificación se inicia en estas áreas más frías y avanza hacia el centro de la soldadura como se muestra en la figura 8.7, (A) y (B). Sin embargo, como continuamente se añade metal de aporte y la unión se llena durante la soldadura, la solidificación avanza a partir del fondo de la unión, como lo indica la estructura de grano solidificada de la figura 8.7 (B).

El ángulo con que se encuentran los granos en el centro está determinado por la forma del charco de soldadura. Esta forma puede expresarse mediante el parámetro factor de forma: la



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UNIÓN A TOPE -

UNIÓN DE ESQUINA

UNIÓN EN T'

UNIÓN EN T UNIÓN DE TRANSICIÓN SOLDADURA DE FILETE

SUPERPOSICIÓN SOLDADURA EN CRUZ

U UNIÓN DE BORDE

ACRECENTAMIENTO

u UNIÓN DE TAPÓN

Figura 8.ô-Diseiío de uniones para soldadura electroescoria. La linea indica la profundidad de fusión en el metal base

razón entre la anchura del charco y su máxima profundidad. La anchura es la abertura de raíz más la penetración total en el metal base. La profundidad es la distancia entre la superficie del charco de soldadura y el nivel más bajo de la fase de transición sólido- líquido. Las dendritas crecen de manera competitiva hacia el charco de soldadura con un ángulo de aproximadamente 90" respecto a la interfaz sólido-líquido.

Una línea trazada perpendicular a los granos dendríticos aproximará la forma de la fase de transición sólido líquido. Esto

se ilustra en la figura 8.7 (B). Esta frontera definirá la anchura y la profundidad del charco de soldadura, y será fácil determinar el factor de forma. Las soldaduras con factor de forma alto (charco de soldadura ancho y somero) tienden a solidificarse con granos que se encuentran con un ángulo agudo. Las soldaduras con factor de forma bajo (charco de soldadura estrecho y profundo) tienden a solidificarse con granos que se encuentran con un ángulo obtuso. Así, el factor de forma indica cómo se encuentran en el centro los granos que crecen a partir de lados opuestos.



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284 S O L D A D ü R A E L E C T R O E S C O R I A

(A) SECCIÓN TRANSVERSAL

(B) SECCIÓN LONGITUDINAL EN A-A

Figura 8.7-Sección transversal y longitudinal de una soldadura electroesceria de 100 mm (4 pulg) de espesor

El ángulo con que los granos se encuentran en el centro determina si la soldadura va a tener una resistencia alta o baja al agrietamiento en caliente de la línea central. Si los granos dendriticos se topan unos con otros con un ángulo incluido obtuso (grande), la resistencia al agrietamiento será baja. En cambio, si el ángulo es agudo (pequeño), la resistencia al agrietamiento será alta. Por tanto, la resistencia máxima al agrietamiento se logra con un factor de forma alto.

La forma del charco de soldadura y el factor de forma resultante se controlan con las variables de soldadura. Sin ein- bargo, el factor de forma por sí solo no controla el agrietamiento.

La composición del metal base (sobre todo el contenido de carbono), la composición del metal de aporte y la restricción de la unión también tienen un efecto significativo sobre la tendencia al agrietamiento. Los resultados de algunos estudios han indica- do que el contenido de manganeso, o la razón manganesolsilicio, es importante para el agrietamiento.

Amperaje de soldadura EL AMPERAJEDE soldadura y la tasa de alimentación del electrodo son directamente proporcionales y se pueden tratar como una



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sola variable. Si se aumenta la velocidad de alimentación del electrodo, aumentará el amperaje de soldadura y la tasa de depo- sición si se emplea una fuente de potencia de voltaje constante.

Al aumentar el amperaje de soldadura, también aumenta la profundidad del charco de soldadura. Si se suelda con un electrodo de 3.2 mm (il8 pulg) de diámetro por debajo de unos 400 A, un aumento en el amperaje también incrementa la anchura de la soldadura. El resultado neto es una ligera reducción del factor de forma. Por otro lado, cuando se trabaja con un electrodo de 3.2 mm (1/8 pulg) de diámetro por encima de 400 A, un aumento en el amperaje reduce la anchura de la soldadura. Así pues, el efecto neto de incrementar el amperaje de soldadura es reducir el factor de forma y por tanto la resistencia al agrietamiento.

Es común usar amperajes de 500 a 700 A con electrodos de 3.2 mm (1/8 pulg). Los metales o las condiciones propensas al agrietamiento pueden requerir el factor de forma alto asociado a las corrientes de soldadura por debajo de 500 A.

Voltaje de soldadura ELVOLTAJEDE soldadura es una variable en extremo importante. Tiene un efecto notable sobre la profundidad de fusión en el metal base y sobre la estabilidad de funcionamiento del proceso. El voltaje de soldadura es el mecanismo primordial para controlar la profundidad de fusión. Si se aumenta el voltaje, aumenta tanto la profundidad de fusión como la anchura de la soldadura. La profundidad de fusión debe ser un poco mayor en el centro de la soldadura que en los bordes a fin de asegurar una fusión completa de los bordes exteriores, donde es preciso vencer el efecto de enfriamiento de las zapatas enfriadas por agua.

Puesto que un incremento del voltaje de soldadura aumenta la anchura de la soldadura, también aumentará el factor de forma y por tanto la resistencia al agrietamiento.

El voltaje debe mantenerse dentro de ciertos límites para asegurar que el proceso operará en forma estable. Si el voltaje es bajo, puede haber un cortocircuito o un arco con el charco de soldadura. Un voltaje excesivo puede desestabilizar la operación a causa de las salpicaduras de escoria y la formación de arcos en la parte superior del baño de escoria. Se emplean voltajes Oe soldadura de 32 a 55 volts por electrodo. Los voltajes más altos se utilizan con las secciones más gruesas.

Extensión del electrodo CUANDO SE USA el método de ESW convencional, la distancia entre la superficie del baño de escoria y el extremo del tubo guia (de contacto) se denomina extensión de electrodo seca. En el método de guía consumible generalmente no hay extensión seca, ya que el tubo guía se funde primordialmente por conducción del calor de la escoria fundida. Sin embargo, cuando el aporte de calor es elevado, la transferencia de calor por radiación desde el baño de escoria puede ser suficiente para derretir la guia más arriba del charco de soldadura. Si se emplea una fuente de potencia de voltaje constante y una velocidad de alimentación del electrodo constante, y se incrementa la extensión de electrodo seca, aumentará la resistencia. Esto hará que la fuente de potencia reduzca su salida de corriente, incrementando un poco el factor de forma.

En general, se usan extensiones de electrodo de 50 a 75 mm ( 2 a 3 pulg). Las extensiones menores que unos 50 mm ( 2 pulg)

por lo regular hacen que el tubo guía se sobrecaliente; las mayores que 75 mm ( 3 pulg) hacen que el electrodo se sobrecaliente debido al aumento en la resistencia eléctrica. Por tanto, cuando la extensión es larga, el electrodo se fundirá en la superficie del baño de escoria en lugar de hacerlo dentro del baño. El resultado de esto será inestabilidad y un calentamiento incorrecto del baño de escoria.

Oscilación de los electrodos Es POSIBLE SOLDAR placas de hasta 75 mm (3 pulg) de espesor con un electrodo estacionario y alto voltaje. Sin embargo, lo usual es oscilar el electrodo horizontalmente en la dirección del espesor de la placa cuando el material rebasa los 50 mm ( 2 pulg) de espesor. El patrón de oscilación distribuye el calor y ayuda a lograr una mejor fusión de los bordes. Las velocidades de oscilación varían entre 8 y 40 mm/s (20 y 100 puldmin), usándose las más altas cuando el espesor es mayor. En general, las velocidades de oscilación se basan en un tiempo de recorrido de 3 a 5 segundos. Si se aumenta la velocidad de oscilación se reduce la anchura de la soldadura y por tanto el factor de forma. Asi pues, la velocidad de oscilación debe equilibrarse con las demás variables. Se utiliza un periodo de permanencia en los extremos del recorrido de oscilación (dwell) para lograr una fusión completa con el metal base y vencer el efecto de enfriamiento de las zapatas de retención. EI tiempo de permanencia puede variar entre 2 y 7 segundos.

Profundidad del baño de escoria EL BAÑO DE escoria debe tener una profundidad mínima para que el electrodo penetre en él y se derrita debajo de la superficie. Un baño demasiado somero provocará salpicaduras de escoria y arcos en la superficie. Un baño demasiado profundo presentará un área excesiva para la transferencia de calor a las zapatas de retención y el metal base; esto reducirá la temperatura global del baño de escona, disminuyendo la anchura de la soldadura y por tanto el factor de forma. Cuando el baño es demasiado profundo, su circulación es deficiente, y la escoria más fría puede tender a solidificarse en la superficie del metal base, dando origen a inclusiones de escoria. La profundidad Óptima del baño de escoria es de 38 mm (1.5 mm), pero puede ser tan baja como 25 mm (1 pulg) o tan alta como 51 mm ( 2 pulg) sin que tenga un efecto significativo.

Número de electrodos y espaciamiento AL AUMENTAR EL espesor de metal por electrodo, la anchura de la soldadura disminuirá un poco, pero la profundidad del charco de soldadura se reducirá mucho. Así pues, el factor de forma mejorará al aumentar el espesor de material para un número de electrodos dado. Sin embargo, se llega a un punto en que la anchura de la soldadura en las zapatas de retención, que están frías, es menor que la abertura de raíz, y no hay fusión de los bordes. En este punto se hace necesario aumentar el número de electrodos. En general, se puede usar un electrodo oscilante para secciones de hasta 130 mm (5 pulg) de espesor, y das electrodos oscilantes para secciones de hasta 300 mm (12 pulg). Cada electrodo oscilante adicional podrá encargarse de otros 150 mm



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(6 pulg) de espesor. Esto se aplica a los métodos tanto convencional como de guía consumible. Si se usan electrodos no oscilantes, cada uno podrá encargarse de unos 65 mm (2.5 pulg) del espesor de las placas.

Abertura de raiz SE REQUIERE UNA abertura de raíz mínima para que el baño de escoria tenga el tamaño suficiente, para que la escoria circule debidamente y, de usarse el método de guía consumible, para que el tubo guía y su aislamiento quepan dentro de la unión. Un aumento en la abertura de raíz no afecta la profundidad del charco de soldadura, pero sí aumenta la anchura de la soldadura y por tanto el factor de forma. Una abertura de raíz excesiva requerirá grandes cantidades de metal de aporte, lo que tal vez no resulte económico. Además, una abertura demasiado grande puede causar falta de fusión en los bordes. En general, la abertura de raíz es del orden de 20 a 40 mm (3/4 a 1.5 pulg), dependiendo del espesor del metal base, del número de electrodos y del empleo de oscilación.

PROCEDIMIENTOS DE SOLDADURA Preparación de la unión UNADE LAS principales ventajas del proceso electroescona es la relativa sencillez de la preparación de las uniones. Básicamente, se trata de una unión de surco cuadrado, así que la única prepara- ción requerida es un borde plano y recto en cada una de las caras del surco, lo que puede obtenerse mediante corte térmico, maquinado, etc. Si se emplean zapatas de retención deslizantes, las superficies de las placas a ambos lados del surco deben ser razonablemente lisas para evitar que la escoria se fugue y las zapatas se atasquen.

La unión debe estar libre de aceite, incrustaciones de forja gruesas o humedad, lo mismo que con cualquier otro proceso de soldadura. Sin embargo, no es preciso que la unión tenga el grado de limpieza requerido para otros procesos. Las superficies cortadas con oxígeno deben estar libres de escoria adherida, pero una ligera oxidación de la superficie no resulta perjudicial.

Hay que tener cuidado de proteger la unión antes de iniciar la soldadura. Los niatenales con alto contenido de humedad ein- pacados alrededor de de las zapatas, comúnmente conocidos como lodo, causan porosidad. La unión debe estar completamente seca antes de soldar. Además, si las zapatas enfriadas por agua tienen fugas, la cara de la soldadura puede tener porosidad u otros defectos.

Embonamiento de las uniones ANTES DE SOLDAR, los componentes deberán posicionarse con la alineación y abertura de raíz correctas. Se recomienda usar fijaciones rígidas o caballetes que fomieii 1111 “puente” sobre la unión. Los caballetes son piezas con forma de “U” somera que se sueldan con una pata en cada componente a lo largo de la unión, a fin de mantener la alineación durante la soldadura. Se diseñan de modo que quede espacio para las zapatas de retención fijas o deslizantes. Una vez completada la soldadura, los caballetes se quitan.

Si se usa el método de guia consutnible, puede tolerarse hasta cierto punto una alineación imperfecta de la unión. La placas con

fuertes desalineaciones se pueden soldar usando zapatas de retención especiales adaptables al embonamiento. Como alternativa, el espacio entre las zapatas y el trabajo se puede empacar con material refractario o tiras de acero (de composición similar al metal base). Posteriormente, las tiras de acero pueden eliminarse de tal manera que las caras de la soldadura se confundan con el metal base adyacente.

La experiencia indicará cuál es la abertura de raíz adecuada para cada aplicación. Al avanzar la soldadura hacia la parte superior de la unión, las piezas tenderán a juntarse por la contracción de la soldadura. Por tanto, en el caso de soldaduras largas, la abertura de raíz en la parte superior de la unión deberá ser unos 3 a 6 mm (1/8 a 1/4 pulg) más grande que en la parte inferior, a fin de tener en cuenta este encogimiento. Los factores que influyen en esta tolerancia por contracción son, entre otros, el tipo de material, el espesor de la unión y la longitud de la misma.

El empleo de una abertura de raíz y una tolerancia por contracción correctas es importante para mantener las dimensie ries del ensamble soldado. Sin embargo, si la abertura de raíz resulta incorrecta, las condiciones de soldadura podrán variarse para compensar el error, dentro de ciertos límites. Por ejemplo, si la abertura de raíz inicial es demasiado angosta, podrá reducirse la velocidad de alimentación del alambre a fin de bajar la tasa de deposición e incrementar la penetración. Si la abertura de raíz es excesiva, la velocidad de alimentación del alambre podrá incrementarse sin rebasar los límites de operación aceptable. Sea cual sea el tipo de metal base, el voltaje deberá aumentarse para compensar una abertura de raíz demasiado grande.

Si la abertura de raíz es tan grande que no puede soldarse con el número de electrodos empleado, será preciso agregar un electrodo adicional si hay espacio disponible. En algunos casos, la abertura de raíz excesiva puede compensarse oscilando el o los electrodos.

Si la abertura de raíz es demasiado pequeña, es posible que la unión se llene con demasiada rapidez, causando grietas en la soldadura o falta de fusión en los bordes. Por otro lado, si la abertura es demasiado pequena, también existe la posibilidad de que se cierre por la contracción de la soldadura y detenga el recorrido de un tubo guía oscilante.

Inclinación del trabajo EL EJE DE la unión por soldar suele estar en posición vertical o casi vertical. Si se desvía en más de 10 o 15 grados respecto a la vertical, será preciso emplear procedimientos de soldadura especiales. Si la desviación es mayor, cada vez será más difícil soldar sin que haya inclusiones de escoria o falta de fusión de los bordes. Pese a todo, se han producido soldaduras aceptables a 45 grados y más de la vertical.

La alineación del tubo guia puede ser un problema en las soldaduras inclinadas cuando se emplea el método de guia consu- inible. En muchos casos se requieren aislantes grandes (anillos de fundente) o tubos guia recubiertos de fundente y provistos de broches de resorte para mantener el tubo alineado en la unión.

Conexión eléctrica con la pieza de trabajo UNBUENRETORNO eléctrico (conexión con el trabajo) es importante en vista de lo elevado de las corrientes de soldadura que se



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emplean con el proceso de ESW. Normalmente basta con dos cables de soldadura 4/0 para cada electrodo. Lo mejor es conectar el cable del trabajo directamente debajo del sumidero, es decir, abajo del electrodo. En esa posición se minimizará el efecto de cualquier campo magnético fuerte del soldamento sobre la transferencia de metal.

Las abrazaderas de puesta a tierra tensadas por resorte no son recomendables porque tienden a sobrecalentarse. Lo mejor es una conexión más positiva, como una abrazadera tipo “C”.

Pestañas de inicio y de escurrimiento y placa de arranque SI SEREQUIERE penetración completa a todo lo largo de la unión, se requerirán pestañas de inicio y de escurrimiento. Las pesta- ñas de inicio, opestanaS de arranque, se situan en la parte inferior de la unión y se usan junto con una placa de arranque para iniciar el proceso de soldadura. En general, las pestañas y la placa de arranque se fabrican con metal igual o similar a1 metal base, y fonnan un sumidero en el que se inicia la soldadura. En este caso, el sumidero se quita y desecha después de soldar. Las pestañas y la placa de arranque tienen el mismo grosor que las piezas de trabajo.

Si las pestañas de inicio y la placa de arranque son desechables, se suelda una pestaña a la parte inferior de cada una de las piezas de trabajo. La placa de arranque se suelda entre las dos pestañas, por debajo de ellas, para formar el sumidero. Las caras del sumidero quedan al nivel de las superficies de las piezas de trabajo.

Es posible usar sumideros de cobre, en cuyo caso suele ser necesario enfriamiento por agua. El arco no se inicia en el sumidero de cobre porque se fundiría y se perforaría la camisa de agua. Normalmente se colocan uno o dos bloques pequeños de metal base en el fondo del sumidero de cobre, y el arco se inicia en ellos.

Las pestañas de escurrimiento desechables también deben ser del mismo metal o de un metal similar al metal base. Es posible usar pestañas de cobre, pero deben estar enfriadas por agua. Las pestañas de escurrimiento deben tener el mismo espesor que el metal base y deben sujetarse firmemente a ambas placas en el extremo de la unión. La soldadura se completa en la cavidad que forman arriba de las piezas de trabajo.

Posición del electrodo LA POSICIÓN DEL electrodo determina dónde se generará la mayor cantidad de calor. Normalmente, el electrodo debe centrarse en la unión, pero si tiende hacia un lado por su curvatura natural, la guía puede desplazarse en la dirección opuesta para compensar la curvatura. Cuando se sueldan uniones de esquina o en “T”, o cualquier unión en la que se fonne un filete, el electrodo tal vez tenga que estar fuera de centro para producir la geometría de metal de soldadura requerida.

Iniciación y termino de la soldadura A MENOS QUE se vierta escoria fundida en la unión, el método de arranque nonnal consiste en encender un arco entre el electrodo y la placa de arranque. Esto puede hacerse con dos méto- dos: ( I ) Se inserta una pelotilla de lana de acero entre el electrodo

y el metal base, y se aplica la potencia; o bien (2) el electrodo se avanza hacia la placa de arranque después de aplicar la potencia. Para el segundo método es necesario que el electrodo tenga punta de cincel. Una vez encendido el arco, se agrega fundente poco a poco hasta que se extingue el arco. En este punto el proceso ya está en el modo de electroescoria.

Es crucial que la operación de soldadura se lleve a cabo sin interrupción. Se deberá verificar el equipo y asegurarse de que los suministros de electrodo y fundente sean suficientes antes de iniciar la soldadura. La soldadura no debe interrumpirse para reabastecer el suministro de electrodo. El equipo de soldadura debe ser capaz de trabajar continuamente hasta completar la soldadura.

Cuando la soldadura haya llegado a las pestañas de escummiento, la terminación deberá seguir un procedimiento que llene el cráter, pues de lo contrario puede haber agrietamiento del cráter. Por lo regular se reduce gradualmente la alimentación de electrodo cuando la escoria llega a la parte superior de las pestañas de escurrimiento y el cráter se llena. El amperaje de soldadura se reducirá simultáneamente. Cuando la alimentación del electrodo se detenga, la fuente de potencia se apagará. En seguida, las pestañas de inicio y de escurrimiento y el metal de soldadura excedente se cortan al nivel de los bordes inferior y superior del ensamble soldado.

Eliminación de la escoria UNA PISTOLA DESCASCARADORA puede ser efectiva para elirni- nar la escoria, aunque esto también puede hacerse con un martillo o pico para escoria. La escoria se adherirá también a las zapatas de cobre y al sumidero de cobre, si se usa. Estas piezas deben limpiarse antes de hacer otra soldadura. Es importante usar protección ocular durante las operaciones de eliminación de escoria.

Soldaduras circunferenciales SE USA UNA unión a tope de surco cuadrado para unir dos componentes cilíndricos extremo con extremo. La soldadura se hace girando las piezas de modo que la escoria y el metal de soldadura fundido siempre estén en la posición que en un reloj correspondería a las tres, girando en el mismo sentido que las manecillas. La cabeza de soldadura se mantiene estacionaria hasta el término de la soldadura. Se requieren técnicas de inicio y término especiales para completar la costura. Es posible que este proceso no resulte económico si el diámetro del trabajo es pequeño. Sin embargo, al aumentar el espesor de las paredes y el diámetro, el ahorro en los costos puede hacer atractivo el proceso.

CONSIDERACIONES METALÚRGICAS DURANTE LA SOLDADURA electroescoria se genera calor por la resistencia al flujo de la corriente que pasa del electrodo, a través de la escoria fundida, al charco de soldadura. La escoria fundida, al ser conductora, experimenta una agitación electromagnética por una acción de motor vigorosa. El calor se difunde a través de toda la sección transversal que se está soldando. Las temperaturas que se alcanzan en el proceso de soldadura electroescoria son bastante más bajas que las de los procesos de soldadura por arco. Pese a ello, la temperatura del baño de escoria fundida debe



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ser mayor que el intervalo de punto de fusión del metal base para que la soldadura sea satisfactoria. La zona fundida, tanto en la escoria como en el metal de soldadura, avanza con relativa lentitud, por lo regular a razón de 13 a 38 mm/min (0.5 a 1.5 pulgmin), y la soldadura normalmente se completa con una sola pasada. Hay varias diferencias entre las soldaduras electroescoria y las que se hacen con arco de electrodo consumible; he aquí algunas de ellas:

(1) En la condición recién depositada de una soldadura electroescoria, se desarrolla un patrón de esfuerzos residuales que en general es favorable. Las superficies de la soldadura y las zonas térmicamente afectadas normalmente están en compre- sión, y el centro de la soldadura está en tensión.

(2) Debido a la simetría de la mayor parte de las soldaduras a tope verticales hechas por ESW (uniones de surco cuadrado soldadas con una sola pasada), no hay distorsión angular del ensamble soldado. Hay una ligera distorsión en el plano vertical causada por la contracción del metal de soldadura, pero esto puede compensarse durante el embonamiento de la unión.

(3) EI metal de soldadura permanece fundido el tiempo suficiente para que haya una cierta acción de refinamiento por la escoria, como en el refundido electroescoria. La solidificación progresiva pennite que los gases del metal de soldadura escapen y que las inclusiones no metálicas floten a la superficie y se mezclen con el baño de escoria. En general, la ESW produce depósitos de soldadura íntegros de alta calidad.

(4) El bafio de escoria circulante lava las caras del surco y las funde en la porción inferior del bafio. EI depósito de soldadura contiene hasta un 50% de metal base mezclado, dependiendo de las condiciones de soldadura. Por tanto, la composición del acero que se suelda y la cantidad que se funde afectan significativamente tanto la composición quími- ca de la soldadura como las propiedades mecánicas de la unión soldada resultante.

(5 ) Lo prolongado del ciclo térmico produce una estructura de metal de soldadura que consiste en granos de austenita previa grandes que en general siguen un patrón de solidificación CO-

luinnar. LOS granos están orientados horizontalmente en los bordes del metal de soldadura y adquieren una orientación vertical en el centro de la soldadura, como se muestra en la figura 8.7 (B).

La microesructura de las soldaduras electroescoria eii aceros de bajo carbono generalmente consiste en granos aciculares de ferrita y perlita, con ferrita proeutectoide delineando los granos de austenita previa. Es muy común observar granos de austenita previa gruesos en la periferia de la soldadura y una región de grano mucho más fino cerca del centro de la soldadura. Esta región de grano fino aparece en equieje en un corte seccional transversal, pero las secciones longitudinales revelan s u naturaleza columnar, como se aprecia en la figura 8.7 (B). Los cambios en la composición del metal de soldadura, y en menor medida en el procedimiento de soldadura, pueden alterar inarcadamente las proporciones relativas de las regiones de grano grueso y fino, a tal grado que es posible que sólo esté presente una de ellas.

(6) EI tiempo relativamente largo a temperatura elevada y la lentitud del enfriamiento después de la soldadiira producen zonas ténnicamente afectadas anchas con una estructura de granos relativamente gruesos. La tasa de enfriamiento es lo bastante baja como para que se formen sólo productos de trans- formacióiirelativamente suaves, a alta temperatura. Ei1 la mayor

parte de los aceros, esto es una ventaja, sobre todo si puede haber problemas de agrietamiento debido a corrosión por esfuerzos.

Precalentamiento y poscalentamiento EL PRECALENTAMIENTO GENERALMENTE no es necesario, ni se utiliza, en la soldadura electroescoria. Ésta es una ventaja importante respecto a la soldadura por arco de muchos tipos de acero. Por su naturaleza, el proceso tiene autoprecalentamiento, en el sentido de que una cantidad considerable de calor es transmitida por conducción a las piezas de trabajo y las calienta por delante de la soldadura. Además, por la lentitud de la tasa de enfriamiento, casi nunca es necesario un poscalentamiento.

Tratamiento térmico postsoldadura ENLAMAYOR parte de las aplicaciones de la soldadura electroescoria, sobre todo en la soldadura de acero estructural, no se requiere tratamiento térmico después de soldar. Como ya se explicó, las soldaduras de electroescoria tal como se depositan tienen un patrón de esfuerzos residuales favorable que sena anulado por un tratamiento ténnico. Los tratamientos térmicos subcríticos (liberación de tensiones) pueden ser perjudiciales o benéficos para las propiedades mecánicas, sobre todo para la tenacidad de muesca. En general no se aplican después de la soldadura electroescoria.

Las propiedades de las soldaduras en aceros al carbono y de baja aleación se pueden alterar sustancialmente con un tratamiento térmico. La normalización elimina casi todos los rastros de la estructura de colado de la soldadura y prácticamente uniforma las propiedades del metal de soldadura y el metal base. Esto puede mejorar la resistencia a la iniciación y propagación de fracturas friables por encima de ciertas temperaturas, según se inide con la prueba de impacto Charpy de muesca en “V”.

Los aceros extinguidos y templados por lo regular no se sueldan por ESW. Se deben tratar ténnicamente después de la soldadura para obtener propiedades de resistencia mecánica adecuadas en ia soldadura y en las zonas ténnicamente afecta- cLs. Un tratamiento térmico de esta índole es muy difícil de aplicar a estructuras grandes y gruesas.

PROGRAMASDESOLDADURA EN LA TABLA 8.1 se listari las condiciones de soldadura típicas que producen soldaduras a tope íntegras en situaciones nonna- les. Sin embargo, las condiciones que se muestran no son necesariamente las únicas que se pueden usar para una soldadura en particular. Es posible que confonne se conozcan mejor los requerimientos específicos de una soldadura repetitiva, sea fac- tible ajustar los valores a fin de obtener resultados óptimos. Las pruebas de calificación que a menudo se requieren para trabajos regidos por códigos pueden iiidicar condiciones diferentes de las que se dan en la tabla.

Los datos que aparecen en la tabla 8.1 se basan en soldaduras a tope hechas en aceros al carbono empleando zapatas enfriadas por agiia. Tal vez se necesite efectuar ajustes dependiendo del fundente, el diámetro del electrodo y del diseiío de unión ein- pleacio. Los voltajes de soldadura que se indican se miden directamente a través del bano de escoria, no en la fuente de potencia. Hay una caída de voltaje en los cables de soldadura y eii el o los tubos guía.



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Tabla 8.1 Condiciones de soldadura electroescoria tipicas

(A) Un electrodo - sin oscilación

Corriente Voltaje de soldadura, de soldadura,

Espesor Abertura de la placa de la unión

Pulg mm PUki mm Amperes Volts

314 19 1 25 500 35 1 25 1 25 600 38 2 51 1 25 700 39 3 76 1 25 700 52

(B) Un electrodo -con oscilación

Espesor de la placa

Pulg mm

2 51 3 76 4 102 5 127

Abertura Distancia de la unión de oscilación

PU@ mm PUkl mm

1 1/4 32 1114 32 1 1/4 32 2 1/4 57 1114 32 3 1/4 83 11/4 32 4 114 108

'Se usa un tiempo de permanencia de dos segundos en cada zapata.

(C) Dos electrodos - sin oscilación

Velocidad de oscilación'

pulglmin mmls

25 11 45 19 65 27 85 36

Corriente de Voltaje de soldadura, soldadura, Amperes Volts

700 39 700 40 700 43 700 46

Espesor de la placa

Abertu ra de la unión Corriente de Voltaje de

soldadura, soldadura, Espacio de

los electrodos Pulg mm PU& mm PU& mm Amperes Volts

3 76 1 25 2 112 64 425/alambre 40

5 127 1 25 2 112 64 425lalambre 46 4 102 1 25 2 112 64 425/alambre 43

(D) Dos electrodos - con oscilación'

Corriente de Voltaje de soldadura, soldadura,

Espesor Abertura Distancia Velocidad de la placa de la unión de oscilación de oscilación2

PUkI mm Pulg mm Pub mm pulglmin mm/s Amperes Volts

5 127 1 114 32 1 25 20 8 700/alambre 41 6 152 1 114 32 2 51 40 17 700/alam bre 42 8 203 11/4 32 4 102 80 34 700/alambre 45

10 254 1 114 32 6 152 120 51 700/alam bre 48 12 305 1114 32 8 203 120 51 700/alambre 51

1. EI espaciado de los electrodos es de 83 mm (3.25 pulg) para dos (2) electrodos oscilantes. 2. Se usa un tiempo de permanencia de dos segundos en cada zapata.

~~

IEì Cuatro electrodos' - con oscilación

Espesor de la placa

Abertura de la unión

Espaciado de los electrodos

Distancia de oscilación

Velocidad de oscilación2

Pulg mm

24 609 25 635 26 660 27 686 28 71 1 29 737 30 762

PUhl 1 112 1112 1 1/2 1 112 1 112 1 112 1112

mm Pulg mm

38 38 38 30 38 38 38

5 127 5 114 133 5 1/2 140 5 314 146

6 152 6 152

6 1/4 159

Pulg mm

3 76 3 76 3 76 3 76 3 76 4 102 4 102

pulglmin

75 82.5 90 97.5

105 112.5 120

m mls

32 35 38 41 44 48 51

1. Úsese en un principio 600 amperes y 55 volts en cada electrodo. Una vez que se adquiera experiencia, se deberá ajustar la corriente de soldadura y el voltaje según lo dicho en la sección sobre variables de soldadura. 2. Se usa un tiempo de permanencia de cuatro segundos en cada zapata.



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290 SO L D A D U R A E L E C T R O E S C 0 R I A

Tabla 8.1 (continúa)

(FI Seis electrodos' - con oscilación

Espesor Abertura Espaciado Distancia de la placa de la unión de los electrodos de oscilación

PUkJ mm Pulg mm Pub mm PU& mm

30 762 1 112 38 5 114 133 2 314 70 31 787 1 112 38 5 112 140 2 112 64 32 813 1 112 38 5 518 143 2 718 73 33 838 1 112 38 5 314 146 3 114 83 34 864 1 112 38 6 152 3 76 35 889 1 112 38 6 118 156 3 318 86 36 91 4 1 112 38 6 114 159 3 314. 95

1. Úsese en un principio 600 amperes y 55 volts en cada electrodo. Una vez que se adquiera experiencia, se deberá ajustar la corriente de soldadura y el voltaje según Io dicho en la sección sobre variables de soldadura. 2. Se usa un tiempo de permanencia de cuatro segundos en cada zapata.

Velocidad de oscilación2

pulglmin mmls

82.5 35 90 38 94 40 99.5 42

105 44 1 o9 46 112.5 48

(G) Tres electrodos - sin oscilación

Corriente de Voltaje de soldadura, soldadura,

Espesor Abertura Espacio de de la placa de la unión los electrodos

PUkl mm Pulg mm PUkJ mm Amperes Volts

6 152 1 25 2 112 64 500/alambre 41 7 178 1 25 2 112 64 550/alambre 45 8 203 1 25 2 314 70 600/alambre 49 9 229 1 25 3 76 6251alambre 53

~~

IM Tres electrodos' -con oscilación

Espesor de la placa

PUh mm

12 305 13 330 14 356 15 38 1 16 406 17 432 18 457

Abertura de la unión

Putg mm

1112 38 1112 38 1112 38 1112 38 1 112 38 1 112 38 1112 38

Espaciado de los electrodos

PUkl mm

4 112 114 5 127

5 114 133 5 112 140

6 152 6 114 159 6 112 165

Distancia de oscilación

Velocidad de oscilación'

pulglmin mmls

2 51 2 112 64 2 314 70

3 76 3 112 89 3 314 95

4 102

pulglmin

60 75 82.5 90

105 112.5 120

mmls

25 32 35 38 44 48 51

1. Úsese en un principio 600 amperes y 55 volts en cada electrodo. Una vez que se adquiera experiencia, se deberá ajustar la corriente de soldadura y el voltaje segun Io dicho en la sección sobre variables de soldadura. 2. Se usa un tiempo de permanencia de cuatro segundos en cada zapata.

(I) Cuatro electrodos' - con oscilación

Espesor de la placa

Abertura Espaciado de Distancia Velocidad de la unión los electrodos de oscilación de oscilación'

PU@ mm Pub mm Pub mm pulglmin mmls pulglmin mmls

18 457 1 112 38 5 127 2 51 75 32 19 483 1 112 38 5 114 133 2 114 57 82.5 35 20 508 1112 38 5 112 140 2 112 64 90 38 21 533 1 112 38 5 314 146 2 314 70 97.5 41 22 559 1 112 38 6 152 3 76 105 44 23 584 1 112 38 6 114 159 3 114 83 112.5 48 24 61 O 1112 38 6 112 165 3 112 89 120 51

1. Úsese en un principio 600 amperes y 55 volts en cada electrodo. Una vez que se adquiera experiencia, se deberá ajustar la corriente de soldadura y el voltaje según Io dicho en la sección sobre variables de soldadura. 2. Se usa un tiempo de permanencia de cuatro segundos en cada zapata.



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APLICACIONES Y OTROS USOS REPRESENTATIVOS LA SOLDADURA ELECTROESCORIA es reconocida por todos los códigos importantes de Estados Unidos. Varios de los códigos tienen requisitos que pueden diferir de los de otros procesos de soldadura. Por ejemplo, en ANSYAWS D 1.1 , Código de soldadura estructural - acero, la soldadura electroescona no se permite como proceso de soldadura precalificado. Esto significa que el contratista debe preparar una placa de prueba para la Cali- ficación del procedimiento de soldadura y probar la unión des- tructivamente. La prueba debe demostrar que el contratista puede usar con éxito el proceso. Las soldaduras electroescoria en recipientes de presión que se fabrican de acuerdo con el Código ASME para calderas y recipientes de presión se deben normalizar después de soldados. Como se indicó antes, esto refina la estructura de grano del metal de soldadura y de la zona térmicamente afectada.

Otros códigos de fabricación y construcción, como AN- Si/AF’I 1 104, Norma para soldar tuberías e instalaciones relacionadas y Reglas ABS para la construcción y clasificación de recipientes de acero, no requieren pruebas especiales o tratamiento térmico posterior de las soldaduras electroescoria. No obstante, los contratos de compra pueden permitir a los propie- tarios, a sus representantes y a las agencias reguladoras exigir pruebas especiales antes de aprobar los procedimientos de soldadura, y estas prerrogativas pueden ejercerse antes de la apro- bación de la soldadura electroescoria.

Estructurales ES PROBABLE QUE el uso mas amplio del proceso ESW sea en aplicaciones estructurales. EI proceso electroescoria tiene muchas ventajas únicas que lo convierten n un proceso de soldadura muy deseable. Las altas tasas de i eposición de metal de soldadura, el bajo porcentaje de defectos kie soldadura y el hecho de que es un proceso automático son razones de peso para usar la soldadura electroescoria. Para las secciones gruesas, la soldadura electroescoria es un proceso de bajo cost9 si los soldamentos satisfacen los requisitos de diseño y las condiciones de servicio. Sin embargo, si el proceso se detiene por cualquier razón durante la soldadura de una unión, será necesario inspeccionar minuciosamente el área de reinicio en busca de discontinuidades. Las que se consideren inaceptables para la aplicación deberán repararse con un proceso de soldadura más aceptable.

Una aplicación estructural común del proceso electroescoria es la unión de transición entre bridas de distinto espesor, que es un tipo de unión a tope. Si se usan zapatas de cobre diseñadas para este tipo de configuración de unión, las variaciones en el espesor no presentan problema.

La soldadura electroescoria se usa a menudo para soldar costillas de refuerzo a columnas de caja y bridas anchas. En todos los casos, la soldadura de refuerzo es una unión en “T”. Esta aplicación se ilustra en la figura 8.8.

Maquinaria LOS FABRICANTES DE prensas y maquinas herramienta grandes trabajan con placas grandes y gruesas. Con mucha frecuencia el diseiio requiere placas más grandes que las que una forja puede

producir en una sola pieza. La soldadura electroescoria se usa para empalmar dos o más placas.

Otras aplicaciones para maquinaria son los homos, ias piezas para fabricar engranes, los armazones de motor, los armazones de prensa, los anillos de turbina, los anillos de contracción, los cuerpos de trituradoras, la reconstrucción de rodillos para forjas de metal y de cilindros para aplanadoras. Estas piezas se forman a partir de placas y se sueldan a lo largo de una costura longitudinal.

Recipientes de presión LOS RECIPIENTES DE presión para las industrias química, del pe- tróleo, marina y de generación de electricidad tienen muy diversas formas y tamaños, con paredes de menos de 13 mm (1/2 pulg) de espesor hasta más de 400 mm (16 pulg). Según la práctica actual, las placas pueden rodarse para formar el casco del recipiente, soldando después la costura longitudinal. En recipientes muy grandes o de paredes muy gruesas, ei casco puede fabricarse a partir de dos o más placas curvadas y unirse por medio de varias soldaduras de costura longitudinales hechas por electroescoria.

Los aceros que se emplean en la construcción de recipientes de presión generalmente han recibido tratamiento térmico. En consecuencia, al soldar estos aceros con un elevado aporte de calor, como sucede con la soldadura electroescoria, la zona tér- micamente afectada de la soldadura no tiene propiedades mecá- nicas adecuadas. Para que adquieran estas propiedades, se da al ensamble soldado el tratamiento térmico requerido.

Buques LA SOLDADURA ELECTROESCORIA se emplea en ia industria de construcción naval para aplicaciones tanto de taller como en los barcos. La unión de las secciones principales del casco se hace con el método convencional. La soldadura vertical del casco lateral, desde el área de la sentina hasta la traca de arrufadura pero sin incluir a esta última, puede hacerse con un trepador de placa de electroescoria. Las placas con espesores de 13 a 32 mm (0.5 a 1.25 pulg) son comunes en los cascos laterales de los barcos. La longitud de la soldadura puede ser de 12 a 21 m (40 a 70 pies), dependiendo del tamaño del buque.

Piezas coladas LA SOLDADURA ELECTROESCORIA se usa a menudo para fabricar componentes colados. Las características metalúrgicas de una pieza colada y de una soldadura electroescoria son similares, y ambas responden al tratamiento térmico postsoldadura de manera similar. Muchos componentes grandes difíciles de colar se pueden producir en piezas más pequeñas y de más alta calidad, y luego eiisainblarse mediante soldadura electroescoria. Los costos se reducen y la calidad casi siempre mejora. Si el metal de soldadura es compatible, se obtiene una estructura homogé- nea. Así se obtienen igualación de colores, maquinabilidad y otras propiedades deseables.

PROPIEDADES MECÁNICAS LA PROPIEDADES MECÁNICAS de las soldaduras electroesco-

ria dependen del tipo y del espesor del metal base, de la compo- sición del electrodo, de la combinación electrodo-fundente y de las condiciones de soldadura. Todos estos factores influyen en



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Fiaura 8.û-Soldadura electroescoria de una Dlaca Dara dar riaidez a una columna de construcción



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la composición química, la estructura metalúrgica y las propiedades mecánicas del ensamble soldado. En general, las soldaduras electroescoria se usan en estructuras que se van a cargar en condiciones estáticas o fluctuantes. Un aspecto importante es la tenacidad de muesca del metal de soldadura y de las zonas térmicamente afectadas en condiciones de servicio, sobre todo a bajas temperaturas. Esto se debe evaluar cuidadosamente para cada aplicación específica, a fin de satisfacer los requisitos de diseño y asegurar que los ensambles soldados funcionarán de manera satisfactoria.

En la tabla 8.2 se dan propiedades típicas del metal de soldadura depositado en aceros estructurales selectos, y en la tabla 8.3 se hace lo propio para algunos aceros al carbono y de baja aleación. En las tablas se indica el número y tipo de electrodos empleados para soldar. Algunas de las variables que podrían afectar las propiedades mecánicas no se conocen, así que esos datos no deben usarse como base para un diseño.

ASPECTOS ECONÓMICOS SI QUEREMOS APRECIAR la verdadera economía global de la soldadura electroescoria, la primera consideración debe ser el costo de la preparación de las uniones. Un borde cuadrado cortado con oxígeno es suficiente preparación para el proceso en aceros ai carbono. No se requiere una coincidencia elaborada de las uniones ni un embonamiento exacto. En las soldaduras de 75 mm (3 pulg) o más de espesor, la soldadura electroescoria requiere mucho menos metal de soldadura, y casi 90% menos de fundente, que una soldadura por arco sumergido comparable.

Lo siguiente es comparar los tiempos de soldadura. Una vez colocadas las piezas en posición para soldar, la soldadura electroescoria se completa sin parar si el proceso permanece bajo control. El tiempo inactivo o no productivo que hay en la mayor parte de los procesos de soldadura por arco puede variar entre el 30 y el 75 %. No obstante, debe reconocerse claramente que la detención de una soldadura electroescoria pesada a la mitad del proceso puede ser muy costosa. Además, puede ser muy difícil o imposible reiniciarla sin producir un defecto.

La tasa de deposición para ESW es de apioximadamente 16 a 20 kg/h (35 a 45 lb/h) por electrodo. En placas muy gruesas y empleando tres electrodos, es posible depositar de 47 a 61 kgjh (105 a 135 lb/h) de metal de soldadura. En la figura 8.9 se

muestra la velocidad de soldadura cuando la separación de la unión es de 29 mm (1 1/8 pulg). Las placas con espesores entre 76 a 305 mm (3 a 12 pulg) se sueldan a velocidades entre 0.6 a 1.2 m/h (2 a 4 pies/h).

Otro ahorro significativo es el que se logra al eliminar ia distorsión angular y el retrabajo subsecuente. La distorsión angular puede ser un factor de primordial importancia en las soldaduras gruesas de múltiples pasadas, sea que se hagan por un solo lado o por los dos.

La soldadura electroescoria normalmente produce un alto porcentaje de soldaduras libres de defectos, con lo que se minimizan los costos de reparación. En la mayor parte de los casos es posible evitar el atrapamiento de escoria, la porosidad y la falta de fusión.

mm

1 5 0 0 TRODOS

1 500 I

9 o 1 1 ELECTRODO ABERTURA DE RAíZ - 29 mm

J W

O 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 1 1 1 2 1 3 1 4 1 5 1 6

ESPESOR DE LA PLACA, pulg

Figura 8.9-Velocidades de soldadura electroescoria Dara placas de diversos esDesores

Tabla 8.2 Propiedades mecánicas típicas de metal de soldadura de coldaduras electroescoria en aceros estructurales,

sin tratamiento posterior (método de guía consumible)

Metal base, ASTM

A441 A441 A36 A36 A572 Gr. 42 A5722 Gr. 60

Espesor

Pulg mm

1 25 2-1/2 64

6 152 12 305 8 203

2-114 57

Electrodo

Tipo (AWS) No.

EM13K-EW 1 EM13K-EW 1 EMl3K-EW 2 EMl3K-EW 2 EM13K-EW 2 EHlOMû-EW 1

Resistencia al vencimiento

ksi MPa

49.9 344 45.0 316 46.0 317 37.0 255 58.2 400 61.5 423

Resistencia a la tensión % de alargam.

en 51 mm (2 ksi MPa P W

75.8 523 20.0 73.3 505 26.5 79.5 548 28.5 67.3 464 33.5 04.8 505 25.0 98.5 650 10.0

Reducción de área,

%

59.0 66.0 52.0 71 .O 67.6 35.6

Resistencia al impacto'

pies-lb J

17 23 27 37

- - 20 30

Impactos a -1 7.8"C (0°F)



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294 SO L D A D U R A E L E C T R O E S C O Fi I A

E -0 o o al o al U * O

m o o v)

al o o c al v) m c 0 al c o

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9

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INSPECCION Y CONTROL DE CALIDAD POR LA NATURALEZA del proceso ESW, los defectos de soldadura que llegan a presentarse no siempre se parecen a los de una soldadura por arco de múltiples pasadas. Los defectos del metal de soldadura que pueden ocurrir en el proceso electroescoria se analizan en la sección sobre localización de problemas.

Los exámenes no destructivos convencionales pueden servir para determinar la integridad de la unión ESW. Entre las técnicas no destructivas que suelen emplearse con ESW están las siguientes:

(1) Examen visual. (2) Inspección con líquido penetrante. (3) Inspección con partículas magnéticas. (4) Radiografía (de isótopos o de rayos X). (5) Pruebas con ultrasonido (los granos tan grandes pueden

requerir técnicas especiales).

Todos los exámenes no destructivos deben efectuarse de acuerdo con procedimientos calificados y por técnicos calificados.

MÉTODOS DE INSPECCIÓN EL METODO DE inspección empleado dependerá no sólo de los requisitos del código o ia norma pertinente al soldamento, sino también de las especificaciones del contrato del propietario o comprador.

Todas las uniones se deberán someter a un minucioso examen visual, el cual revelará la presencia de falta de fusión de los bordes, socavamiento y grietas superficiales. Al quitarse el sumidero y las pestañas de escummiento, podrán observarse defectos como inclusiones, agrietamiento y porosidad. Sin ein- bargo, los mejores métodos de inspección para detectar defectos internos (como porosidad, inclusiones, agrietamiento y, en casos poco comunes, falta de fusión interna) son las pruebas radiográ- ficas y ultrasónicas. Las pruebas con partículas magnéticas también pueden servir para detectar grietas y falta de fusión, pero están limitadas a la superficie y a la capa subsuperficial inmediata.

ACEPTACIÓN LAMAYORPARTE de los criterios de aceptación de soldadura los establece el cliente o alguna agencia reguladora, o ambos. Las aplicaciones de ESW casi siempre se sueldan ajustindose a los requisitos de diversos códigos. En ocasiones, los requisitos del cliente complementarán o alterarán esos requisitos.

CONTROL DE CALIDAD SE DEBE REDACTAR un procedimiento que identifique las variables esenciales que se usarán en la ESW. Este procedimiento deberá someterse a revisión para detenninar su idoneidad con base en una comparación con los requisitos de los códigos aplicables. Sólo se deberán entregar al capataz u operador de solda-

dura procedimientos de soldadura aprobados, junto con cualesquier instrucciones adicionales que se consideren necesarias. El operador podrá usar una lista de verificación para asegurarse de que el equipo está debidamente configurado y que se han reali- zado todos los ajustes de operación requeridos. Si va a soldar uniones que no puede ver fácilmente por ambos lados, el operador quizá necesite un ayudante. Es importante emplear procedimientos de control de calidad apropiados para tener la seguridad de que se está siguiendo el procedimiento de soldadura calificado.

RETRABAJO EN GENERAL, LAS reparaciones de uniones defectuosas pueden minimizarse con un buen programa de mantenimiento preventi- vo del equipo, empleando operadores de soldadura calificados y debidamente capacitados, y poniendo en práctica un procedimiento de soldadura apropiado.

Los defectos como el socavamiento a menudo pueden repararse resoldando con el proceso SMAW O GMAW sin excava- ción ni amolado. Los defectos como la falta de fusión (en la superficie de la unión), traslapo, inclusión de cobre en la cara de la soldadura y el derramamiento de metal alrededor de las zapatas son defectos visibles que pueden repararse excavando o amolando hasta llegar a metal íntegro y luego resoldando. Los defectos como porosidad, agrietamiento y falta de fusión (interna) por lo regular se detectan mediante pruebas radiográficas o de ultrasonido y se pueden reparar excavando hasta llegar a metal íntegro y resoldando. Las consideraciones económicas dictarán si se usará ESW o algún otro proceso para la reparación.

Si es posible, debe evitarse el reinicio de las soldaduras por ESW. Cuando es inevitable, casi siempre es indispensable cierta reparación del área de reinicio. Un método de preparar la placa para el reinicio empleando un área de arranque excavada por arco se ilustra en la figura 8.10. Es importante examinar minuciosamente el área de reinicio para detectar cualesquier defectos.

PRUEBA DE LAS SOLDADURAS TODOS LOS CODIGOS y especificaciones tienen reglas bien definidas para probar soldaduras de calificación con el fin de determinar si cumplen con los requisitos. Lo que más a menudo se requiere en el caso de las soldaduras de surco son pruebas mecánicas, como las de tensión y flexión, con muestras cortadas de lugares específicos de las soldaduras. Las soldaduras de filete no se prestan fácilmente a pruebas de flexión mecánica. En tales casos quizá se requieran pruebas de ruptura de la soldadura o pruebas de macrograbado con ácido, o ambas. Los procedimientos de prueba y los métodos para determinar las propiedades mecánicas se detallan en AWS B4.0, Métodos estándar paru pnrebas iiiecánicm de soldaduras.

Las pruebas radiográficas también se aceptan en algunos casos como alternativa de las pruebas mecánicas para calificar operadores.



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POSICIÓN DE TRABAJO DEL ELECTRODO

POSICIÓN DE INICIO DEL ELECTRODO

EXCAVACIÓN DE ARRANQUE

i. EXCAVE CON ARCO EL ÁREA DE ARRANQUE. DE LA PENDIENTE MOSTRADA.

2. PRECALIENTE EL ÁREA DE ARRANQUE A 135°C (300°F) MIN.

3. COMIENCE CON EL ELECTRODO CERCA DE LA ZAPATA DELANTERA. CONFORME EL CHARCO DE SOLDADURA

DE ARRANQUE

EL DETALLE A EL PERFIL

DETALLE A SUBA POR LA ZAPATA, MUEVA EL ELECTRODO HACIA ATRÁS HASTA,LA POSICIÓN DE TRABAJO NORMAL.

4. LA REPARACION DEBER HACERSE EN EL LADO DELANTERO DEL AREA DE ARRANQUE.

Fiaura 8.10-Procedimiento de reinicio típico para ESW

LOCALIZACIÓN DE PROBLEMAS LAS SOLDADURAS HECHAS con el proceso ESW en las condiciones de operación correctas son de alta calidad y están libres de discontinuidades perjudiciales. No obstante, en todos los proce- SOS de soldadura pueden presentarse condiciones anormales durante la soldadura y causar discontinuidades en ella. En la

tabla 8.4 se presentan algunas de esas discontinuidades, sus poi.lbles causas y sus remedios. La información se aplica primordialmente a uniones soldadas por ESW en aceros al carbono y de baja aleación.



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S O L D AD U R A E L E C T R O E S C O R I A 297

Tabla 8.4 Discontinuidades de soldaduras electroescoria. sus causas Y remedios

Lugar Discontinuidad Causas Remedios

Soldadura 1. Porosidad

2. Agrietamiento

3. Inclusiones no metálicas

Línea de fusión 1. Falta de fusión

2. Socavamiento

Zona térmicamente 1. Agrietamiento afectada

1 Profundidad de la escoria insuficiente 1. Agregar más fundente 2. Humedad, aceite u orin 3. Fundente contaminado o hlimedo 1. Velocidad de soldadura excesiva 2. Factor de forma deficiente

3. Distancia centro a centro excesiva entre los electrodos o los tubos guía

1. Superficies de las placas ásperas 2. Sustancias no metálicas de laminaciones de las

1. Voltaje bajo 2. Velocidad de soldadura excesiva 3. Escoria demasiado profunda 4. Electrodos o tubos guía mal alineados 5. Insuficiente tiempo de permanencia 6. Velocidad de oscilación demasiado alta 7. Distancia excesiva entre el electrodo y la zapata

8. Distancia centro a centro excesiva entre los

1. Velocidad de soldadura demasiado baja

2. Voltaje excesivo 3. Tiempo de permanencia demasiado largo 4. Insuficiente enfriamiento de las zapatas

5. Diseño deficiente de las zapatas 6. Embonamiento deficiente de las zapatas

1. Demasiada restricción 2. Material sensible al agrietamiento 3. Excem de inclusiones en la placa

2. Secar o limpiar la pieza de trabajo 3. Secar o cambiar el fundente 1. Reducir la velocidad de alimentación del electrodo 2. Reducir la corriente; subir el voltaje; bajar la

3. Reducir los espacios entre los electrodos o tubos

1. Amolar las superficies de las placas 2. Usar placas de mejor calidad

1. Aumentar el voltaje 2. Reducir la velocidad de alimentación del electrodo 3. No agregar tanto fundente; dejar que se desborde

4. Realinear los electrodos o tubos guía 5. Prolongar el tiempo de permanencia 6. Reducir la velocidad de oscilación 7. Incrementar el recorrido de la oscilación

8. Reducir los espacios entre los electrodos

1. Incrementar la velocidad de alimentación del electrodo

2. Bajar el voltaje 3. Reducir el tiempo de permanencia 4. Incrementar el flujo de agua de enfriamiento

a las zapatas o usar zapatas más grandes 5. Rediseñar el surco de la zapata 6. Mejorar el embonamiento; sellar los huecos con

represa de cemento refractario 1. Modificar la fijación 2. Determinar la causa del agrietamiento 3. Usar placas de mejor calidad

velocidad de oscilación

guía

placas no fusionadas

la escoria

o agregar otro electrodo

electrodos

LISTA DE LECTURAS COMPLEMENTARIAS Brosholen, A., Skaug, E. y Visser, J. J. “Flectroslag welding of

large castings for ship constnictioii”. en Welding Jorrninl 56(8): 26-30; agosto de 1977.

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SOLDADURA DE PERNOS

Introducción 300

Posibilidades y limitaciones del proceso 301

Soldadura de pernos por arco 301

Soldadura de pernos por descarga de condensador 317 _ _ _ ~ ___ ~

Selección y aplicación de los procesos 324

Consideraciones de aplicación 326

Precauciones de seguridad 326



D. E. Kuehn, Presidente Nelson Stud Welding

J. C. Jenkins, Copresidente TR W Nelson Stud Welding Div.

R. W. Folkening FMC Corp.

R. McClellan Ingalls Shipbuilding

C. C. Pease Eric0 Fastening Systems, Inc.

MIEMBRO DEL COMITÉ DEL MANUAL DE SOLDADURA: J. C. Papritan Ohio State University



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SOLDADURA DE PERNOS I NTRODUCCIÖN EL TÉRMINO soldadura de pernos se aplica en general a la unión de un perno metálico u otro componente similar a una pieza de trabajo. La soldadura puede hacerse con diversos procesos, incluidos los de arco, resistencia, fricción y percusión. De estos procesos, el que utiliza técnicas y equipo exclusivos para la soldadura de pernos es la soldadura por arco. Este proceso, conocido como soldadura de pernos por arco (SW) es el que se tratará en el presente capítulo. Los demás procesos emplean equipo de diseño convencional con herramental especial para la soldadura de pernos, y se tratarán en otros capítulos de este libro.’

En la soldadura de pernos por arco, la base (extremo) del perno se une a la pieza de trabajo mediante el calentamiento del pemo y del trabajo con un arco que se forma entre los dos. Una vez que las superficies que se van a unir alcanzan la temperatura apropiada, se juntan a baja presión. Se emplean pistolas soldadoras de pernos para sostener los pernos y empujarlos en la secuencia correcta durante la soldadura. Se usan dos tipos bási- cos de fuentes de potencia para crear el arco con que se sueldan los pernos. Uno de ellos emplea comente continua similar a la que se usa para soldadura por arco de metal protegido; el otro utiliza un banco de condensadores de almacenamiento para suministrar la potencia del arco. Los procesos de soldadura de pernos que emplean estos dos tipos de fuentes de potencia se conocen comúnmente como soldadura de pernos por arco y soldadura de pernos por descarga de condensador, respectivamente.

SOLDADURA DE PERNOS POR ARCO LASOLDADURADE pernos por arco, ei más ampliamente utilizado de los dos procesos principales de soldadura de pernos, se parece en muchos aspectos a la soldadura por arco de metal protegido manual. EI calor necesario para soldar los pemos se genera con un arco de cc entre el perno (electrodo) y la placa (trabajo) a la cual se va a soldar el perno. La comente de soldadura proviene de una fuente de potencia de cc de motor-generador o de transformador-rectificador, similares a las que se usan

1. Véase el capitulo 17, “Soldadura de puntos, de costura y de proyección”, el capitulo 18, “Soldadura por destello, por vuelco y por percucioti” y el cnpitulo 23, “Soldadura por fricción”.

para la soldadura por arco de metal protegido. El tiempo de soldadura y la inmersión del perno en el charco de soldadura para completar la operación se controlan automáticamente. El perno, que se sostiene en una pistola soldadora de pernos, se coloca en posición bajo el control del operador, quien entonces acciona la unidad pulsando un interruptor. La soldadura se completa con rapidez, por lo regular en menos de un segundo. Este proceso generalmente usa un escudo de arco de cerámica, llamado casquillo, que rodea al perno con el objeto de contener el metal fundido y proteger el arco. En algunas técnicas de soldadura especiales no se usan casquillos, y tampoco con algunos metales no ferrosos.

SOLDADURADEPERNOSPORDESCARGA DE CONDENSADOR LA SOLDADURA DE pernos por descarga de condensador utiliza el calor de un arco producido por la descarga rápida de energía eléctrica almacenada en un banco de condensadores. Durante la descarga eléctrica, o ininediatamente después, se aplica presión al perno, clavando su base en el charco de metal fundido en la pieza de trabajo. EI arco puede establecerse ya sea mediante calentamiento por resistencia rápido, que vaporiza una proyec- ción en la base del perno, o estirando un arco al levantar el perno de la pieza de trabajo. En el primer caso, la duración del arco es de unos tres a seis milisegundos; en el segundo, de seis a quince milisegundos. El proceso de descarga de condensador no requiere casquillos protectores de cerámica por la corta duración del arco y la cantidad tan pequeña de metal fundido que es expulsada de la unión. Es apropiado para aplicaciones que requieren pernos de tamaño pequeño o mediano.

En ambos procesos, se dispone de una atnplia gaina de estilos de pernos. Incluyen tipos como los sujetadores roscados, clavos lisos o ranurados, sujetadores con rosca interior, sujetadores plaiios de sección transversal rectangular y clavos con cabeza con diversos vuelcos. Los pernos pueden servir como sujetadores, espaciadores, miembros para transferencia de calor, soportes de aislante y otras aplicaciones de sujeción. Casi todos los estilos de pernos se pueden aplicar rápidamente con equipo portátil.



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S O L D A D U R A D E P E R N O S 301

POSIBILIDADES Y LIMITACIONES DEL PROCESO

POSIBILIDADES COMO LOS CICLOS de soldadura de pernos por arco son de muy corta duración, el aporte de calor al metal base es muy pequeño en comparación con la soldadura por arco convencional. En consecuencia, el metal de soldadura y la zona térmicamente afectada son muy angostos. La distorsión del metal base en las posiciones de los pernos es mínima. El aporte de calor local puede ser perjudicial cuando los pernos se sueldan a aceros de mediano y alto carbono. Las porciones del perno y del metal base que no se calientan enfrían la soldadura y la zona térmicamente afectada con gran rapidez, y hacen que se endurezcan. La falta de ductilidad de la unión soldada que resulta puede ser perjudicial bajo ciertos tipos de carga, como las cargas cíclicas. Por otro lado, cuando se sueldan pernos a aleaciones de aluminio que endurecen por precipitación, el ciclo de soldadura corto minimiza el envejecimiento y ablandamiento del metal base adyacente. También hay que considerar la compatibilidad metalúrgica entre el material del perno y el metal base.

Los pernos pueden soldarse en el momento apropiado durante la construcción o la fabricación sin necesidad de tener acceso al lado de atrás del miembro base. No es necesario taladrar, roscar o remachar para efectuar una instalación.

Con este proceso, los diseñadores no están obligados a especificar materiales más gruesos ni a proveer salientes y bridas gruesos a fin de obtener la profundidad de agujero roscado necesaria para los sujetadores roscados. Con los diseños ligeros de pernos soldados no sólo se ahorra material, sino que puede reducirse el número de operaciones de soldadura y maquinado que se necesitan para unir piezas.

Los pernos pequeños pueden soldarse a secciones delgadas con el método de descarga de condensador. Se han soldado pernos a láminas con espesores tan bajos como 0.75 mm (0.03 pulg) sin que haya fusión de lado a lado. En ciertos materiales (acero inoxidable, por ejemplo) se han llegado a soldar pernos en láminas de 0.25 mm (0.01 pulg) de espesor. Como la profundidad de fusión es muy somera, las soldaduras por descarga de condensador pueden hacerse sin dañar el lado opuesto, el cual

podría tener ya el acabado deseado. No se requiere limpieza ni acabado subsecuente.

El método de descarga de condensador permite soldar metales y aleaciones más disímiles que la soldadura de pernos por arco. Aunque ambos métodos pueden unir acero a acero inoxidable, sólo el sistema de soldadura por descarga de condensador puede unir latón a acero, cobre a acero, latón a cobre, aluminio a cinc troquelado, y combinaciones similares.

LIMITACIONES SÓLO ES POSIBLE soldar un extremo del perno a la pieza de trabajo. Si se requiere un perno a ambos lados del miembro, deberá soldarse un segundo perno por el otro lado. La forma y el tamaño de los pernos están limitados porque el diseño del perno debe permitir su sujeción con un mandril para soldarlo. El tamaño de la base del perno está limitado cuando el metal base es delgado.

Los pernos que se aplican mediante soldadura por arco normalmente requieren un casquillo de cerámica desechable alrededor de la base. También es necesario alimentar fundente a la base del perno o proveer un escudo de gas protector para obtener una soldadura íntegra.

La mayor parte de los pernos aplicados por descarga de condensador debe tener en la base una proyección con tolerancias estrictas que sirve para iniciar el arco. Los diámetros de los pernos que se pueden fijar con este método están dentro del intervalo de 3.2 a 9.5 mm (1/8 a 3/8 pulg). Si el tamaño es mayor, resulta más económica la soldadura de pernos por arco.

La soldadura de pernos requiere una fuente de potencia situada en un lugar estratégico del área de trabajo. Para la soldadura de pernos por arco se necesita potencia de ca de 230 o 460 V para operar la fuente de potencia de cc para soldadura. Para la soldadura por descarga de condensador normalmente basta con una línea principal de ca monofásica de 110 V, pero las unidades de alta producción requieren ca trifásica de 230 o 460 V para su operación.

SOLDADURA DE PERNOS POR ARCO

PR I NCI PIOS DEL FUNCIONAM I E NTO EL PROCESO DE soldadura de pernos por arco se basa en los mismos principios de los demás procesos de soldadura por arco. La aplicación del proceso consta de dos pasos.

(1) Se genera calor para soldar mediante un arco entre el

(2) Cuando se alcanza la temperatura apropiada, las dos perno y la placa (trabajo).

piezas se ponen en contacto íntimo.

La disposiciónmás elemental del equipo consiste en la pistola de pernos, una unidad de control (dispositivo de sincronización),

pernos y casquillos y una fuente de corriente de soldadura de cc. El equipo típico se ilustra en la figura 9.1A. Actualmente se dispone de equipo en el que la fuente de potencia y el dispositivo de sincronización están integrados en una sola unidad, como se muestra en la figura 9.1B. El mecanismo del proceso se ilustra en ia figura 9.2. El perno se carga en el mandril, el casquillo (también conocido como escudo del arco) se pone en el extremo del perno, y la pistola se coloca en la posición correcta para soldar [figura 9.2 (A)]. En seguida se oprime el gatillo para iniciar el ciclo de soldadura automático.

Se energiza una bobina solenoide dentro del cuerpo de la pistola. EI solenoide levanta el perno del trabajo y, al mismo tiempo, crea un arco [figura 9.2(B)]. El arco funde el extremo



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302 S O L D A D U R A D E P E R N O S

CABLE DE POTENCIA AL TRABAJO UNIDAD DE CONTROL r f

c

CABLE DE CONTROL A LA PISTOLA

CABLE DE CONTROL AL TRABAJO

Figura 9.lA-Configuración básica del equipo para soldadura de pernos por arco en acero

del perno y la pieza de trabajo. Una vez transcurrido el periodo de arco preestablecido, la corriente de soldadura se interrumpe automáticamente y la unidad de control deja de alimentar ener- gía al solenoide. EI resorte principal de la pistola empuja al perno contra el charco de metal fundido que se ha formado sobre el trabajo y completa la soldadura [figura 9.2 (C)]. A continuación se levanta ia pistola y se rompe el casquillo [figura 9.2 (O)].

Ei tiempo requerido para completar una soldadura varía con el área de sección transversal del perno. Por ejemplo, el tiempo de soldadura típico para un perno de calibre i0 (3.4 min o O. 135 pulg de diámetro) es de 0.13 segundos, y para un perno de 22 min (7/8 pulg) de diámetro es de 0.92 segundos. La tasa de soldadura media es de alrededor de 6 pernos por minuto, aunque en algunas aplicaciones puede alcanzarse una tasa de hasta 15 pernos por minuto.

EI equipo empleado para la soldadura de penios es comparable en cuanto a transportabilidad y facilidad de operación con el de soldadura por arco de metal protegido manual. EI costo inicial del equipo varía según el tamafio de los pernos que se van a soldar.

La pistola y la unidad de control se conectan a una fuente de potencia de cc. Las conexiones de la unidad de control que se muestran en la figura 9.1A corresponden a fuentes de potencia diseñadas para interrupción de la corriente secundaria, como es

el caso de los conjuntos motor-generador, las unidades de bate- rías y la mayor parte de las máquinas soldadoras del tipo de rectificador.

DISEÑO PARA LA SOLDADURA DE PERNOS POR ARCO CUANDO UN DISENO exige sujetadores o soportes tipo perno, conviene considerar la soldadura de penios por arco como mecanismo para fijarlos. En comparación con los pernos roscados, el espesor del material base (trabajo) requerido para obtener una fortaleza máxima es menor con la soldadura de pernos por arco. El empleo de pernos soldados por arco puede reducir el espesor de los relieves en los puntos de sujeción o incluso puede eliminarlos. Las bridas de las tapas pueden ser más delgadas que las requeridas cuando se usan sujetadores roscados. Así, pues, existe la posibilidad de ahorrar peso cuando se usa el proceso.

Los diámetros de la base para soldadura de los penios de acero van de 3.2 a 32 inm (1/8 a 1.25 pulg). En el caso del aluminio, el intervalo es de 3.2 a 13 rnm (1/8 a 1/2 pulg), y para los aceros inoxidables es de 3.2 a 25 mm (1/8 a i pulg). Para fines de diseño, conviene usar el área de sección transversal de



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INTERRUPTOR DE DESCONEXIÓN

UNIDAD DE POTENCIA/CO TRANSFORMA

DE SOLDADURA

Figura 9.1B-Equipo de soldadura de pernos con el control de sincronización integrado a la fuente de potencia

perno más pequeña para determinar la carga, considerando factores de seguridad apropiados.

Para aprovechar al máximo la resistencia mecánica del sujetador, el espesor de la placa (trabajo) debe ser por lo menos una tercera parte del diámetro de la base para soldadura. Se requiere un espesor de placa mínimo para cada tamaño de perno que pennita soldar sin atravesar la placa o distorsionarla excesivamente, como se indica en la tabla 9.1. en el caso del acero, la regla general es una proporción mínima de 1:5 entre el espesor de la placa y el diámetro de la base del perno.

Los sujetadores pueden soldarse con distancias al borde de la placa más pequeñas que las requeridas para los sujetadores roscados. Sin embargo, es preciso considerar los requisitos de carga y desviación en las posiciones de los pernos.

PERNOS Materiales de los pernos LOS MATERIALES MAS comunes de los pernos que se sueldan con el proceso de soldadura de pernos por arco son el acero de bajo carbono, el acero inoxidable y el aluminio. Se usan pernos de otros materiales en aplicaciones especiales. Los pernos de acero de bajo carbono típicos tienen la siguiente composición química (todos los valores son máximos): 0.23% de carbono, 0.90% de manganeso, 0.040% de fósforo y 0.050% de azufre. Tienen una resistencia a la tensión mínima de 55 O00 psi (380 MPa) y

una resistencia al vencimiento mínima de 50 o00 psi (345 MPa). La resistencia a la tensión típica de los pernos de acero inoxidable es de 85 O00 psi.

También están disponibles pernos de alta resistencia mecáni- ca que cumplen con el requisito de resistencia a la tensión mínima de 120 O00 psi (825 m a ) de la SAE para sujetadores de acero de Grado 5. Estos pernos son básicamente aceros al carbono tratados térmicamente para que satisfagan el requisito de resistencia a la tensión mínima.

Los pernos de acero de bajo carbono y de acero inoxidable requieren una cierta cantidad de fundente para soldadura conte- nida dentro de su extremo o adherida de manera permanente a él. Los propósitos principales del fundente son desoxidar el metal de soldadura y estabilizar el arco. En la figura 9.3 se muestran los métodos que se usan para fijar el fundente en la base del perno.

Los pernos de aluminio no llevan fundente en el extremo de soldadura. Se necesita un escudo de argen o helio para evitar la oxidación del metal de soldadura y estabilizar el arco. Por lo regular, lo pernos tienen una pequeña punta en el extremo de soldadura para facilitar la iniciación del arco.

Diseños de pernos CASI TODOS LOS pernos tienen la base de soldadura redonda, pero hay muchas aplicaciones en las que se usan pernos de forma cuadrada o rectangular. En este último caso, la proporción



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MANDRIL

PERNO

CASQUILLO

METAL BASE

(A) La pistola se coloca en la posición correcta; (B) se oprime el gatillo y el perno se levanta y crea un arco; (C) el periodo de arco termina y el perno se empuja contra el charco de metal fundido en el metal base; (D) la pistola suelta el perno soldado y se quita el casquillo.

Figura 9.2-Pasos de la soldadura de pernos por arco

anchuralespesor de la base de soldadura no debe ser mayor que cinco para obtener una soldadura satisfactoria. En la figura 9.4 se muestra una amplia variedad de tamaños, formas y tipos de pernos sujetadores que se pueden soldar. Además de los pernos rectos roscados convencionales, hay annellas redondas y en forma de ?J?, y pernos perforados, ranurados, surcados y afila- dos.

Los diseños de pernos están limitados en cuanto a que (1) sólo pueden soldarse por un extremo; (2) la forma debe ser tal que sea posible producir un casquillo (escudo de arco) que einbone en la base del perno; (3) la sección transversal de la base de soldadura del perno debe estar dentro del intervalo que se puede soldar con el equipo disponible, y (4) el tamaño y la forma del perno debe pennitir la sujeción con un mandril para sostenerlo y soldarlo con la pistola. Hay varios diseños estándar de pernos que se producen comercialmente. Los fabricantes de pernos pue-

den proporcionar información sobre los diseños tanto estándar coino especiales para diversas aplicaciones.

Una consideración importante para diseñar o seleccionar un perno es el hecho de que una parte de su longitud se perderá en el proceso de soldadura, ya que el perno y el metal base se funden. El metal derretido se expulsa de la unión. Las reducciones en la longitud de los pernos que se muestran en la tabla 9.2 son representativos, pero pueden variar dependiendo de los materiales, geometrías y variables de soldadura implicados en el proceso.

Parte del material que proviene de la reducción de longitud aparece como material de vuelco en forma de un filete alrededor de la base del perno. Este material de vuelco no debe confundirse con una soldadura de filete convencional porque se forma de otra manera. Si se forma y contiene como es debido, el material de vuelco indica que hubo fusión completa en toda la sección

Tabla 9.1 Diámetro de la base del perno

Aluminio

Diámetro de la base del perno Acero sin respaldo Sin respaldo Con respaldo?

PUkl mm PUkJ mm Pulg mm PQ mm

311 6 4.8 0.04 1 .o 0.13 3.3 0.13 3.3 114 6.4 0.05 1.3 0.13 3.3 0.1 3 3.3 511 6 7.9 0.06 1.5 0.19 4.8 0.13 3.3 318 9.5 0.08 2.0 0.19 4.8 0.19 4.8 711 6 11.1 0.09 2.3 0.25 6.4 0.19 4.8

12.7 0.12 3.0 0.25 6.4 0.25 6.4 0.15 3.8

112 15.9 19.1 0.19 4.0 314 22.2 0.25 6.4 718

1 25.4 0.38 9.5

- - - - - - - - 518

- - - - - - - -

* Un respaldo metálico para evitar que la placa se funda de lado a lado.



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(Cl (A) y (8) fundente sólido; (C) cobertura de fundente

Figura 9.3-Métodos para fijar el fundente en el extremo de un Derno Dara soldar

transversal de la base del perno. Este material también sugiere que la soldadura está libre de contaminantes y de porosidad. Es posible que el material de vuelco del perno no se fusione por sus caras horizontal y vertical, pero esta falta de fusión no se considera perjudicial para la calidad de la unión del perno soldado.

El diseño del casquillo, en los casos en que se requiere, controla dentro de límites estrechos las dimensiones del material volcado. Puesto que el diámetro del material volcado generalmente es mayor que el diámetro del perno, hay que considerarlo al diseñar piezas que vayan a embonar con el perno. En la tabla 9.3 se muestran las dimensiones de contrabarreno y avellanado que se usan comúnmente para librar el material de vuelco de pernos redondos. El tamaño y la forma del material volcado varían con el material del perno y la separación del casquillo; por tanto, conviene realizar y examinar soldaduras de prueba. En la figura 9.5 se muestran otros tres métodos para librar el material volcado.

CASQUILLOS EN LAMAYOR parte de las aplicaciones de la soldadura de pernos por arco se requieren casquillos. El casquillo se coloca en el extremo del perno, y un retén de la pistola soldadora lo sostiene en su lugar. El casquillo desempeña las siguientes funciones importantes durante la soldadura:

(1) Concentrar el calor del arco en el area de soldadura. (2) Restringir el flujo de aire en el área, lo que ayuda a

controlar la oxidación del metal de soldadura fundido.

Tabla 9.2 Reducciones de longitud del perno típicas

de la soldadura de Dernos Dor arco

Diámetros de pernos oula mm Dula mm

Reducciones de longitud

3/16a1/2 5a13 1 18 3 518 a 718 16a22 311 6 5 1 o más 25 o más 3/16 a 114 5 a 6

(3) Confinar el metal fundido al área de soldadura. (4) Evitar que materiales no metálicos adyacentes sufran

quemaduras.

El casquillo también protege al operador de las radiaciones del arco. No obstante, se recomienda usar gafas de seguridad con filtros del número 3 para protegerse los ojos.

Los casquillos se fabrican con materiales cerámicos y se quitan fácilmente rompiéndolos. Como los casquillos están di- señados para usarse una sola vez, su tamaño se minimiza por razones económicas, y sus dimensiones se optimizan para la aplicación. Los casquillos estándar suelen tener forma cilíndrica y un borde inferior plano para soldar en superficies planas. La base del casquillo tiene estrías que dejan escapar los gases expulsados del área de soldadura. La forma interna del casquillo se diseña de modo que moldee el metal fundido expulsado con una configuración de vuelco cilíndrica alrededor de la base del perno. En aplicaciones especiales como cuando se suelda con cierta inclinación respecto al trabajo o cuando se suelda sobre superficies no planas se emplean diseños de casquillos especiales. Los casquillos para tales aplicaciones se diseñan de modo que sus bases coincidan con el perfil superficial en cuestión.

TÉCNICAS DE PROCESO ESPECIALES HAY VARIAS TÉCNICAS de proceso especiales que utilizan el proceso de soldadura de pernos por arco básico, pero que están limitadas a tipos muy específicos de aplicaciones.

Una de estas técnicas, conocida comogus-arco, utiliza un gas inerte para proteger de la atmósfera el arco y el metal de soldadura fundido. No se utiliza casquillo. Esta técnica es apropiada para soldar pernos tanto de acero como de aluminio, pero se emplea principalmente con aluminio. Normalmente está limitada a aplicaciones de producción, ya que se necesita una insta- lación fija y las variables de soldadura se deben mantener dentro de intervalos muy estrechos. Al no usarse casquillo, aumenta la susceptibilidad al golpe del arco y hay menos control sobre el filete alrededor de la base.

Otra técnica de proceso especial, que tampoco usa casquillo, se denomina soldadura de ciclo corto. Utiliza una comente de soldadura relativamente alta durante un tiempo muy corto a fin de minimizar la oxidación y nitrificación del metal de soldadura. La soldadura de ciclo corto generalmente está limitada a pernos pequeños, de 6.4 mm (0.25 pulg) o menos, en los que la cantidad de metal fundido es mínima. Una aplicación es la soldadura de pernos a materiales base delgados en los que debe haber muy poca penetración y no importa si se marca el lado de atrás de la lámina.



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NOTA: EI perno puede tener sección transversal redonda, cuadrada o rectangular.

Fiaura 9.4-Pernos v dispositivos de suieción aue suelen usarse para soldadura de pernos por arco

Fiaura 9.5-Métodos para librar el material volcado



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Tabla 9.3 Espacios para los filetes de las soldaduras de pernos por arco

Diámetro de la base del perno

PUkl mm 1/4 6.4 5/16 7.9 318 9.5 7/16 11.1 112 12.7 518 15.9 314 19.1

Contrabarreno A B

Pub mm Pub mm 0.437 11.1 0.125 3.2 0.500 12.7 0.125 3.2 0.593 15.1 0.125 3.2 0.656 16.7 0.187 4.7 0.750 19.1 0.187 4.7 0.875 22.2 0.21 8 5.5 1.125 28.6 0.31 2 7.9

Avellanado de 90 grados C

Pub mm 0.125 3.2 0.125 3.2 0.125 3.2 0.125 3.2 0.187 4.7 0.187 4.7 0.187 4.7

EQUIPO PARA SOLDADURA DE PERNOS POR ARCO EL EQUIPO QUE se necesita para soldar pernos por arco incluye una pistola soldadora, una unidad integrada de potencia y control o una fuente de potencia y una unidad de control para regular el tiempo que fluye la corriente, y los cables de conexión y accesorios apropiados.

Tipos de pistolas HAY DOS TIPOS de pistolas para soldadura de pernos, las porta- tiles que se sostienen en la mano y los tipos fijos para produc- ción. En la figura 9.6 se muestran ejemplos de estos dos tipos. El principio de operación es el mismo en ambos casos.

La pistola soldadora de pernos portátil se asemeja a una pistola real. Se fabrica con un material plástico resistente y pesa entre 2 y 4 kg (4.5 y 9 lb), dependiendo del tamaño y tipo de la pistola. Las pistolas pequeñas manejan pernos de 3.2 a 16 min (1/8 a 5/8 pulg) de diámetro; las pistolas mayores de trabajo pesado sirven para soldar pernos de hasta 32 inm (1.25 pulg) de diámetro. Las pistolas grandes se pueden usar para toda la gaina de pernos, pero en aplicaciones en las que sólo se usan pernos de diámetro pequeño resulta más ventajoso emplear una pistola pequeña y ligera.

La pistola consiste básicamente en un cuerpo, un mecanismo de elevación, un mandril, un soporte ajustable para el retenedor del casquillo y los cables de soldadura y de control (Fig. 9.6). El cuerpo de la pistola por lo regular se fabrica con un plástico con alta resistencia al impacto. El mecanismo de elevación del perno consiste en un solenoide, un embrague y un resorte principal. EI mecanismo se acciona tnediante el solenoide para tener un control positivo de la elevación, la cual será consistente dentro de un intervalo de 0.8 a 3.2 min (0.03 a 0.125 pulg) y será constante sin importar qué tanto sobresalga el perno, dentro de

(A) Pistola portátil operada a mano

Figura 9m6-Dos tipos de pistolas para ''Idadura de pernos por arco



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(8) Tipo para producción fija

Figura 9.6 (Continúa)-Dos tipos de pistolas para soldadura de pernos por arco

los limites de la pistola. Algunas pistolas tienen además un dispositivo amortiguador que controla la acción de empuje del perno para completar la soldadura. El empuje controlado elimina las salpicaduras excesivas que normalmente ocurren cuando se sueldan pernos de diámetro grande sin control.

Las pistolas fijas o de producción se montan en un dispositivo de posicionamiento automático que normalmente es de opera- ción neumática y control eléctrico. La pieza de trabajo se coloca debajo de la pistola con fijaciones apropiadas. Cuando se emplea una pistola de producción, es posible obtener tolerancias de O. 13 mm (0.005 pulg) en la posición y de 0.26 mm (0.010 pulg) en la altura. Una unidad de producción puede incluir varias pistolas, dependiendo de la naturaleza del trabajo y de la tasa de produc- ción requerida.

Unidad de control LA UNIDAD DE control básica consiste en un conlactor capaz de conducir e interrumpir la corriente de soldadura y un dispositivo de cronómetro para controlar el tiempo de soldadura, junto con los controles eléctricos asociados. El cronómetro de soldadura

ajustable está graduado en ciclos o números. Una vez ajustada, la unidad de control mantiene el intervalo de tiempo apropiado para el tamaño de perno que se va a soldar. Dicho intervalo puede variar entre 0.05 y 2 segundos, dependiendo del diámetro del perno.

La unidad de control tiene dos conectores para los cables de soldadura. Uno es para el cable que viene de la terminal de la fuente de potencia de cc; el otro es para el cable que va a la pistola soldadora de pernos. La mayor parte de las unidades de control tiene además un cable que se conecta a la pieza de trabajo. Como en el caso de las pistolas soldadoras, hay unidades de control de dos tamaños. Se puede usar una unidad de control pequeña para soldar pernos de hasta 16 mm (5/8 pulg) de diámetro, pero si los pernos son mayores se deberá usar una unidad de control grande.

Fuentes de potencia LA SOLDADURA DE pernos por arco se realiza con una fuente de potencia de cc; la comente alterna no es apropiada para soldar pernos. Hay tres tipos básicos de fuentes de potencia de cc que se pueden usar: (I) de transformador-rectificador, (2) de motor- generador (impulsado por motor eléctrico o de combustión interna) y (3) de baterías.

La fuente de potencia para soldadura de pernos debe tener las siguientes características:

(1) Voltaje de circuito abierto alto, del orden de 70 a 100 V. (2) Característica volt-ampere de salida del tipo de caída. (3) Subida rápida de la corriente de salida hasta el valor

establecido. (4) Salida de corriente elevada durante un tiempo relativa-

mente corto. La comente requerida es más alta y el ciclo de trabajo más bajo para la soldadura de pernos que para otros tipos de soldadura por arco.

En el comercio hay muchas fuentes de potencia estándar de cc para soldadura por arco que satisfacen estos requisitos y son totalmente satisfactorias para la soldadura de pernos. Sin embargo, las fuentes de potencia de cc para soldadura con caracterís- tica de voltaje constante no son apropiadas para soldar pernos. Con este tipo de fuentes de potencia puede ser difícil controlar la corriente de soldadura, y tal vez no sea posible obtener el intervalo de corrientes requerido para la aplicación.

En muchos casos, el intervalo de corriente requerido para soldadura de pernos rebasa los que se usan con SMAW. Debido a la limitación de corriente de salida máxima, las fuentes de potencia de cc estándar generalmente se usan sólo para soldar pernos de 13 inm (0.5 pulg) de diámetro o menores. Para soldar pernos mayores se deben usar dos fuentes de potencia de cc estándar conectadas en paralelo o bien una sola unidad diseñada especificamente para soldadura de pernos por arco.

Si las aplicaciones requieren corrientes de soldadura elevadas (a veces de más de 2500 A) y tiempos de soldadura cortos, lo más recomendable es usar fuentes de potencia especiales para soldadura de pernos. Estas fuentes resultan más eficientes no sólo desde el punto de vista de la corriente de soldadura que producen en relación con su tamaño y peso, sino también por el hecho de que cuestan menos que dos o más máquinas estándar para soldadura por arco.



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Ciclo de trabajo LA BASE DE especificación de las fuentes de potencia especiales para soldadura de pernos es diferente de la de las máquinas convencionales para soldadura por arco. Como para soldar pernos se requiere una comente alta durante un tiempo relativamente corto, los requisitos de salida de comente de una fuente de potencia para soldadura de pernos son más altos, pero los de ciclo de trabajo sonmucho más bajos que para otros tipos de soldadura por arco. Además, el voltaje de carga normalmente es más alto para la soldadura de pernos. La caída de voltaje en los cables es mayor en la soldadura de pernos que en la soldadura por arco debido a que se requiere una comente más alta.

La duración de un ciclo de soldadura de perno generalmente es de menos de un segundo. Por tanto, las especificaciones de carga y de ciclo de trabajo se hacen con base en un segundo. La salida especificada de una máquina es la comente media que produce a 50 V durante un periodo de un segundo. Entonces, una especificación de 1000 A a 50 V significa que durante un periodo de un segundo la salida de comente será de loo0 A en promedio, y que el voltaje en las terminales será de 50 V en promedio.

Las trazas oscilográficas muestran que la salida de corriente de una fuente de potencia de motor-generador para soldadura de pernos es más alta al principio de la soldadura que al final. Es por esto que se debe usar la corriente media para fines de especificación.

EI ciclo de trabajo para las máquinas soldadoras de pernos se basa en la fórmula % Ciclo de trabajo = 1.7 x núm. de cargas de 1 s por minuto donde la carga de un segundo es la salida especificada.

Así pues, si una máquina puede operarse seis veces por minuto con la carga especificada sin que sus componentes excedan sus temperaturas máximas permisibles, la máquina tendrá una especificación de ciclo de trabajo del 10%.

Unidades de potencia y control LAS FUENTES DE potencia del tipo de trarisfonnador-rectificador creadas especificamente para la soldadura de pernos son de dos clases básicas: (1) las que requierenuna unidad de control aparte para soldar pernos y (2) las que incluyen los circuitos de control y sincronización de la pistola soldadora de pernos como parte integral de la fuente de potencia. Las del segundo tipo suelen denominarse unidades de potencia y control. Estas unidades emplean rectificadores controlados por silicio para iniciar e interrumpir la comente de soldadura, y componentes de estado sólido para los circuitos de control y sincronía de la pistola. Hay unidades de potencia y control para alimentación con potencia tanto trifásica como inoiiofásica. Las unidades trifásicas son las prefe- ridas para soldar pernos de diámetro grande porque representan una carga balanceada para la línea de potencia de alimentación. Las unidades monofásicas son de bajo costo, portátiles, y sirven para soldar pernos de 12.7 min ( I / ? pulg) o menos de diámetro.

La tendencia en las unidades de potencia y control ha sido hacia las máquinas de corriente regulada. Esto ha sido posible gracias a la invención de componentes de estado sólido de alta potencia. Los controles están diseñados con circuitos de retro- alimentación de corriente que vigilan y mantienen o regulan la salida de la unidad en el nivel de corriente deseado sin importar los cambios en el voltaje primario, en la longitud de los cables

o en la resistencia de los cables debido a la acumulación de calor. Este tipo de unidad es el que se recomienda cuando se busca un control de corriente y tiempo óptimos. La figura 9.1B muestra una configuración de equipo típica para la soldadura de pernos por arco en acero con una unidad de potencia y control integrada.

Las fuentes de potencia no reguladas pueden enfrentar limitaciones severas por el uso de cables muy largos o de diámetro muy pequeiio. Este factor a menudo se pasa por alto cuando surge el problema de potencia de soldadura insuficiente. Cuando se examina la longitud de los cables, se debe tomar en cuenta la totalidad de los cables del circuito de soldadura. Para una longitud de cable dada, la comente de soldadura se puede incrementar en un 10% aproximadamente si se emplea cable del diámetro mayor siguiente.

Otros factores importantes que deben considerarse en rela- ción con las fuentes de potencia para soldadura de pernos son la potencia de entrada y el tamaño y longitud de los cables (potencia primaria y cables de soldadura). Las fuentes tanto de motor- generador como de rectificador normalmente trabajan con potencia de ca trifásica de 230 o 460 V. Debido a lo elevado de las comentes que se requieren para soldar pernos, hay ocasiones en que la regulación del voltaje de línea se convierte en un problema. Sólo puede garantizarse un funcionamiento satisfactorio del equipo de cualquiera de estos dos tipos si la regulación del voltaje de la línea de potencia se mantiene dentro de los límites prescritos mientras se está realizando una soldadura.

Cables de soldadura LA LONGITUD DE los cables de soldadura, que incluye tanto el cable de la pistola como el de tierra, y el tamaño de los mismos, son muy importantes para la soldadura de pernos. En muchos casos hay una pérdida de potencia significativa en el circuito de soldadura causada por el empleo de cables muy delgados o muy largos. La corriente disponible para soldar con un ajuste dado de la máquina puede variar hasta en un 50% dependiendo del tamaño y la longitud de los cables de soldadura empleados.

La figura 9.7 ilustra el efecto del tainaiio y la longitud de los cables sobre la corriente de soldadura. Las pruebas que se efectuaron para obtener estas curvas emplearon una fuente de potencia de motor-generador de 2000 A ajustada al nivel máximo. Sólo se modificaron la longitud de los cables y su diámetro. En este caso, la corriente de soldadura máxima fue de 2360 A con 9 in (30 pies) de cable AWG #I. Cuando se usó cable del mismo diámetro pero con una longitud de 55 m (1 80 pies), la corriente de soldadura se redujo en un 38%, hasta 1450 A. Por otro lado, cuando se usó 55 m ( I 80 pies) de cable del número 4/0, la corriente fue de 2050 A, lo que representa una disminución de tan sólo el 13%. Si bien las máquinas reguladas mantienen una salida constante cuando se añade cable, sólo podrán hacerlo en tanto no lleguen a la salida máxima de la unidad. EI empleo de cables más gruesos extiende este límite. Por tanto, si aumenta significativaineiite la distancia entre la fuente de potencia y la pistola soldadora, es conveniente usar cable de soldadura más grueso

Sistemas de alimentación automática EXISTEN SISTEMAS DE soldadura de pernos con alimentación automática de pernos para pistolas soldadoras tanto portátiles



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v) 7 I l I I 1 1 1 1 1

3 a 2500 - à 4 n

3

c1 v3

CABLE DE SOLDADURA #4/0

CABLE DE SOLDADURA #U0

CABLE DE SOLDADURA #i

I I I I

%< w 2

5 2000 -

W

W n

2 1500- E a a

Hay equipo portátil automatizado, con controles de estado sólido y que no usa casquillos, para soldar pernos de 9.5 mm (3/8 pulg) o menos de diámetro.

TÉCNICAS DE POSICIONAMIENTO DE PERNOS EL MÉTODO PARA ubicar los pernos depende del uso que se les vaya a dar y de la precisión de colocación requerida. En aplicaciones en las que se necesita extrema precisión, se recomienda emplear fijaciones de posicionamiento especiales y equipo de soldadura fijo (tipo producción). La necesidad de herramental será función de la tasa de producción requerida y de la cantidad total que se va a producir.

Se emplean varios métodos y procedimientos para posicionar pernos con una pistola soldadora portátil. EI procedimiento más

TOLVA DE PERNOS I( CABLE PARA EL TRABAJO _ _ _ -

TERMINALES DE LA FUENTE DE POTENCIA

POTENCIA DE 1 15 V DE ca

LA PISTOLA AL ALIMENTADOR

DE CONTROL

Figura 9.8-Equipo portátil convencional para soldadura de pernos por arco con sistema de alimentacion automática de pernos



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DIÁMETRO DE LOS PERNOS

PUkI mm

13 O MENOS 112 O MENOS 510 A 314 710 O MÁS

16 A 19 22 o MÁS

PERNO

TPLANTILLA 7 ESPACIA-

D L

pulg mm pulg mm

1-1/4 32 2 51 1-9/16 40 2-1/2 64 2-1/8 54 2-1/2 64

~~

Figura 9.9-Plantilla simple para posicionar pernos con precisión de 0.8 mm (1/32 pulg)

posiciona el perno. Considerando las tolerancias de fabricación de los casquillos, ia precisión de posicionamiento de los pernos con este método suele ser de 0.8 mm (0.030 pulg).

Si se requiere un posicionamiento y alineación exactos de los pernos, se emplea una plantilla tipo tubo. El perno se centra de manera indirecta insertando un adaptador de tubo de la pistola en un buje posicionador de la plantilla. En la figura 9.10 se ilustra este tipo de plantilla. Los bujes de la plantilla han sido endurecidos y amolados, y el tubo adaptador se maquina con precisión. Como se emplean sujetadores de casquillos estándar con este adaptador, es posible estandarizar las plantillas. Basta con cambiar el sujetador de casquillo para soldar pernos de distintos diámetros. Con este tipo de plantilla es posible ajustarse a una tolerancia de 0.4 mm (0.015 pulg) respecto a la posición dei perno. Además, este método mantiene la alineación perpendicular del perno.

RELACIONES CORRIENTE DE SOLDADURA-TIEMPO LA CORRIENTE Y el tiempo requeridos para una soldadura de perno por arco correcta dependen del área de sección transversal

ADAPTADOR DE TUBO PLANTILLA 7 BUJE\\ PARA LA PLANTILLA

TRABAJO

t l L 2.4 mm (3132 pulg) MíN. SUJETADOR ESTÁNDAR

Figura 9.10-Plantilla con bujes endurecidos y amolados, y adaptador para pistola soldadora, empleados para posicionar pernos con precisión de 0.4 mm (0.01 5 pulg)



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del perno. EI aporte total de energía (joules o watts-segundo) es función de la corriente de soldadura, del voltaje del arco y del tiempo del arco. El voltaje del arco lo determina el ajuste de distancia de elevación que se establece en la pistola. Lo usual es que el fabricante de los pernos recomiende la distancia de ele- vación correcta. Por tanto, una vez que se fija la distancia de elevación, la energía del arco es básicamente una función de los ajustes de corriente de soldadura y tiempo de soldadura.

Se puede obtener el mismo aporte de energía con una gama de ajustes de comente y tiempo. Dentro de ciertos límites, es posible compensar una corriente de soldadura alta o baja modificando el tiempo de soldadura. Existe un intervalo bastante amplio de combinaciones para cada tamaño de perno. En ciertas condiciones, como cuando se sueldan pernos a un miembro vertical o a material de calibre delgado, el intervalo permisible es mucho más estrecho.

Aunque el aporte de energía es un factor primordial para obtener soldaduras satisfactorias, no es el único. Otros factores como el golpe del arco, las condiciones superficiales del trabajo (orín, incrustaciones, humedad, pintura) y la técnica del operador pueden producir soldaduras deficientes aunque se use el aporte de energía correcto.

Figura 9.1 1-Macroectructura de una soldadura de perno por arco típica

CONSIDERACIONES METALÚRGICAS LAS ESTRUCTURAS METALÚRGICAS observadas en las soldaduras de perno por arco generalmente son las mismas que presenta cualquier soldadura por arco en la que se aprovecha el calor de un arco eléctrico para fundir una porción tanto del metal base como del electrodo (perno) en el curso de la soldadura. Se obtienen propiedades mecánicas aceptables cuando el perno y el material base son metalúrgicamente compatibles. Las soldaduras de penios por arco bien ejecutadas se caracterizan por la ausencia de inclusiones, porosidad, grietas y otros defectos.

Una macrosección de una soldadura de perno típica (figura 9.1 i), muestra que el metal de soldadura fundido es empujado hacia la periferia del perno y fonna un anillo de vuelco. La cantidad de metal de soldadura (estructura colada) en la unión es mínima. Por la brevedad del ciclo de soldadura, las zonas ténnicamente afectadas típicas de la soldadura por arco, si bien están presentes, son pequeñas.

MATERIALES SOLDADOS

Aceros Acero de bajo carbono. Los aceros de bajo carbono (dulces) se pueden unir mediante soldadura de pernos sin que surjan problemas metalúrgicos itnportantes. El límite superior de com tenido de carbono de un acero que se va a soldar sin precalentamiento suele ser de 0.30%. Si el trabajo es relativamente delgado en comparación con el diámetro de los pernos por soldar (espesores menores que los indicados en la tabla 9.1), el limite de carbono puede ser un poco más alto porque se reduce el efecto de enfriamiento del trabajo. EI factor más importante en lo que respecta al espesor del trabajo es que el material sea lo bastante grueso como para que los pernos puedan soldarse sin que el trabajo se funda de lado a lado.

Aceros de mediano y alto carbono. Si se va a soldar penios a aceros de mediano y alto carbono, es indispensable usar precalentamiento para evitar grietas en las zonas térmicamente afectadas. En algunos casos puede usarse una combinación de precalentamiento y poscalentamiento para obtener resultados satisfactorios. En los casos en que los ensambles soldados van a recibir tratamiento térmico de endurecimiento, se puede elim- nar la operación de precalentamiento o poscalentamiento si las piezas se manejan de manera tal que los pernos no se dañen.

Acero de baja aleación. En general, los aceros de baja aleación y alta resistencia mecánica producen resultados satisfactorios con la soldadura de pernos cuando el contenido de carbono es de 0. 15 % o menos. Si el contenido de carbono excede el 15%, puede ser necesario un precalentamiento a temperatura moderada para que el área de soldadura tenga la tenacidad deseada.

Si la dureza de las zonas ténnicamente afectadas y del filete no excede 30 Rockwell C, puede confiarse en que los pernos tendrán buen desempeno en casi cualquier tipo de servicio severo. Aunque se han obtenido buenos resultados cuando la dureza llega hasta 35 Rockwell C, es mejor evitar esfuerzos de trabajo y cargas de fatiga extremadamente altos. En casos especiales en que ias microestnicturas son importantes, la soldadura deberá evaluarse y calificarse para la aplicación específica. Puesto que los aceros de aleación varían en cuanto a su tenacidad y su ductilidad cuando la dureza es elevada, la dureza de la soldadura no deberá usarse como Único criterio para evaluarla.

Acero estructural tratado termicamente. Muchos aceros estructurales que se usan en la construcción de barcos y de otras estructuras reciben un tratamiento ténnico en la forja. Cuando se sueldan aceros tratados térmicamente, es preciso prestar atención a las características metalúrgicas de la zona ténnicamente afectada. Algunos de estos aceros son a tal grado endiirecibles que las zonas térmicamente afectadas se vuelven martensíticas. Semejante estructura es muy sensible ai agrieta-



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miento bajo la franja de soldadura, y no posee la suficiente ductilidad para soportar cargas de impacto. Si se desea obtener una tenacidad máxima en estos aceros, es recomendable un precalentamiento a 370°C (700°F). Las consideraciones de apli- cación y uso final del perno influirán también en los procedimientos de. soldadura a seguir.

Aceros inoxidables. Casi todas las clases de aceros inoxidables se pueden unir mediante soldadura de pernos por arco. Las excepciones son los grados de maquinado libre. Sin embargo, sólo los aceros inoxidables austeníticos (grados 3XX) se recomiendan para aplicaciones generales. Los demás tipos son propensos al endurecimiento por aire y tienden a ser quebradizos en el área de soldadura si no reciben un tratamiento térmico posterior. Entre los grados soldables de acero inoxidable están los tipos AIS1 304,305,308,309,3 10,316,321 y 347. Los tipos 302 HQ, 304 y 305 son los que más se usan para soldadura de pernos.

Los pernos de acero inoxidable se pueden soldar a acero inoxidable o a acero dulce según lo requiera la aplicación. La configuración de soldadura empleada es la misma que se recomienda para acero de bajo carbono excepto por un incremento de cerca del 10% en la potencia requerida. Si se sueldan pernos de acero inoxidable a acero dulce, es muy importante que el contenido de carbono del metal base no exceda el 0.20%. Si es preciso soldar pernos de acero inoxidable a acero dulce con un contenido de carbono entre 0.20 y 0.28%, o a aceros endurecibles de bajo carbono, se recomienda usar pernos del tipo 308, 309 o 310. En virtud de la composición del metal de soldadura cuando se sueldan pernos de aleación cromo-níquel a acero dulce, la dureza de !a zona de soldadura puede ser bastante elevada. La dureza dependerá del contenido Je carbono del metal base y de si el metal fundido es predominantemente austenítico. Es posible sobreponerse a esto empleando pernos con un contenido de aleación alto, como los de tipo 309 o 3 10. También se sugiere usar pernos completamente recocidos cuando se van a soldar pernos de acero inoxidable a acero dulce.

Metales no ferrosos Aluminio. Ei enfoque básico para soldar pernos de aluminio es similar al que se emplea para soldar pernos de acero dulce. Las fuentes de potencia, el equipo para soldar y los controles son los mismos. La pistola soldadora se modifica un poco por la adición de un dispositivo amortiguador que controla la velocidad con que el perno se empuja contra el trabajo una vez transcurrido el tiempo de soldadura. Además se emplea un adaptador de gas especial en el retenedor del casquillo para contener el gas protector inerte de alta pureza durante el ciclo de soldadura. Generalmente se usa argón, pero el helio puede ser útil cuando se sueldan pernos grandes, ya que se aprovecha la energía de arco más alta.

Se emplea polaridad inversa, con el perno (electrodo) positivo y el trabajo negativo. Los pernos de aluminio difieren de los de acero en que no se incluye fundente en el extremo de soldadura. Se usa una proyección cilíndrica o en forma de cono en ia base del perno. Las dimensiones de esta proyección están dise- ñadas para producir la acción de arco óptima para cada tamaño de perno. La proyección sirve para iniciar el arco largo que se emplea en la soldadura de pernos de aluminio.

Los diámetros de la base de los pernos varian entre 6.4 y 13 mm (1/4 y 1/2 pulg). Sus tamaños y formas son similares a las de los pernos de acero.

Los pernos de aluminio suelen fabricarse con aleaciones de aluminio y magnesio, incluidas la 5086 y la 5356, que tienenuna resistencia a la tensión típica de 40 O 0 0 psi (275 m a ) . Estas aleaciones tienen alta resistencia mecánica y buena ductilidad, y son metalúrgicamente compatibles con la mayor parte de las aleaciones de aluminio que se usan en la industria.

En general, todas las placas de aleaciones de las series 1100, 3000 y 5000 se consideran excelentes para la soldadura de pernos; las aleaciones de las series 4000 y 6000 se consideran regulares, y las de las series 2000 y 7000, deficientes. En la tabla 9.1 se da el espesor mínimo de las placas de aluminio, con o sin respaldo, a las que pueden soldarse pernos de aluminio con bases de 4.8 a 13 mm (3/16 a 1/2 pulg) de diámetro.

En la figura 9.12 puede verse la sección transversal de una soldadura de perno de aleación de aluminio típica. La tabla 9.4 da las condiciones usuales para soldar pernos de aluminio por arco.

Magnesio. El proceso de soldadura de pernos por arco con escudo de gas que se emplea para el aluminio también produce soldaduras de alta resistencia mecánica en aleaciones de magnesio. No se requiere casquillo de cerámica. Se recomienda usar helio como gas protector y comente continua de polaridad inversa (electrodo positivo). Si la pistola tiene amortiguación de empuje se evitarán las salpicaduras y el socavamiento del metal base.

Se han logrado cargas de ruptura de hasta 6.7 kN (1500 lb) para pernos de 6.4 mm (114 pulg) de diámetro, y de hasta 20 kN (4500 Ib) para pernos de 13 mm (0.5 pulg) de diámetro, con pernos de aleación AZ31B soldados a metal base AZ31B o ZE1OA de 6.4 mm (1/4 pulg) de espesor.

Los espesores mínimos de metal base al que pueden soldarse pernos de 6.4 y 13 mm (1/4 y 1/2 pulg) de diámetro sin fusión

___-

Fiaura 9.1 2-Macroestructura de un Perno de aleación dealuminio tipo 5356 de 9.5 mm (3/8 pulg) de diámetro soldado a una placa de aleación de aluminio tipo 5053

de 6.4 mm (1/4 pulg)



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Tabla 9.4 Condiciones típicas para la soldadura de pernos por arco en aleaciones de aluminio

Diámetro de la base del perno Tiempo de soldadura, Corriente de Flujo de gas protectorb

Pub mm segundos soldaduraa, A pies3/h L/min

114 6.4 0.33 250 15 7.1 511 6 7.9 0.50 325 15 7.1 318 9.5 0.67 400 20 9.4 711 6 11.1 0.83 430 20 9.4 1 /2 12.7 0.92 475 20 9.4

~ ~~~~

a. Las corrientes indicadas son corrientes de soldadura reales y no necesariamente corresponden a los niveles ajustados en la fuente de potencia. b. Gas protector: argón 99.95% puro.

de lado a lado ni una pérdida considerable de resistencia mecá- nica son de 3.2 y 6.4 mm (1/8 y 1/4 pulg), respectivamente. Si la resistencia mecánica no es importante, es posible soldar pernos de 13 mm (1/2 pulg) a placas de 4.8 mm (2/16 pulg) de espesor sin que haya fusión de lado a lado.

Otros materiales. En escala moderada, la soldadura de pernos por arco se está empleando en la industria con diversas aleaciones de latón, bronce, níquel-cobre y níquel-cromo-hierro. Por lo regular, las aplicaciones son muy especiales y requieren una evaluación cuidadosa para determinar si el diseño es adecuado.

Los pernos de níquel y aleaciones níquel-cobre, níquel-cromo-hierro y níquel-cromo-molibdeno se sueldan mejor con cc de polaridad inversa (electrodo positivo). Las soldaduras de pernos de níquel y de aleaciones níquel-cobre y níquel-cromo- hierro son propensas a contener porosidad y fisuras. Pese a esto, la resistencia mecánica suele ser lo bastante alta como para satisfacer la generalidad de los requisitos. La soldadura no deberá exponerse a medios corrosivos.

CONTROL DE CALIDAD E INSPECCIÓN LA OBTENCIÓN DE soldaduras de buena calidad requiere materiales, equipo, configuración y procedimientos de operación apropiados, y también un operador capacitado. La configuración correcta incluye cosas como la retracción (elevación) de la pistola, la extensión del perno más allá del casquillo (empuje), la corriente de soldadura y el tiempo.

La calidad y la consistencia de las soldaduras se mantienen prestando mucha atención a los factores que pueden producir variaciones en la soldadura. Se requiere lo siguiente:

(1) Suficiente potencia de soldadura para el tainaiio y tipo de los pernos que se van a soldar.

(2) Emplear cc con polaridad directa para aceros y cc de polaridad inversa para aluminio y magnesio.

(3) Una buena conexión con el trabajo. (4) Cables de soldadura del diámetro adecuado con buenas

(5) Emplear los accesorios y casquillos correctos. (6) Limpiar la superficie del trabajo en el punto donde se va

conexiones.

a soldar el perno.

(7) Ajustar la pistola de modo que el perno se extienda la distancia recomendada más allá del casquillo y además lo retrac- te la distancia correcta para obtener un arco con buenas caracte- rísticas. La extensión del perno será aproximadamente igual a las reducciones de longitud indicadas en la tabla 9.2.

(8) Sostener la pistola firmemente con el ángulo debido respecto al trabajo. En general, será perpendicular. Un movimiento accidental de la pisola durante el ciclo de soldadura puede producir una soldadura defectuosa.

(9) Mantener el equipo de soldadura de pernos limpio y en buen estado.

(10) Realizar soldaduras de prueba antes de comenzar y cada cierto tiempo durante el trabajo.

Pernos de acero LA EDICIÓN MÁS reciente de ANSI/AWS D 1.1, Código de soldadura estrirctirral - acero, contiene lineamientos para la insta- lación e inspección de pernos de acero soldados a componentes de acero, e incluye además requisitos de control de calidad e inspección para la soldadura de pernos. ANSI/AWS (3.4, Prác- ticas recorneizdadas para soldadura de pernos, en su edición más reciente, trata brevemente la inspección y prueba de soldaduras de pernos tanto en acero como en aluminio.

Los pernos soldados pueden inspeccionarse visualmente para determinar el aspecto y la consistencia de la soldadura, y también mecánicamente. Los pernos de producción se pueden probar en servicio aplicándoles una carga (fuerza) especificada. Si los pernos no fallan, se considerarán aceptables. Los pernos de producción no se deberán doblar o torcer para la prueba en servicio.

Inspección visual. EI filete de soldadura alrededor de la base del perno se debe inspeccionar para determinar su consistencia y unifonnidad. Si no hay filete, puede ser indicación de una soldadura defectuosa. En la figura 9.13 (A) se ilustra una soldadura de penio satisfactoria con buena formación de filete. En contraste, la figura 9.13 (B) muestra una soldadura de perno en la que el empuje fue demasiado corto. Antes de soldar, el perno siempre debe sobresalir del borde inferior del casquillo una longitud detenninada. (Este tipo de defecto también puede ser causado por golpe de arco.) La figura 9.13 (C) ilustra la condición de “atoramiento”, en la que el perno no se mete al



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( D l ( E ) ( F )

(A) Soldadura de perno satisfactorio con buena formación de filete (B) Soldadura de perno en la que el empuje fue demasiado corto (C) Atoramiento (D) Mala alineación (E) Soldadura de perno hecha con corriente muy baja (F) Soldadura de perno hecha con corriente muy alta.

Figura 9.1 3-Soldaduras de pernos por arco satisfactorias y no satisfactorias

charco de soldadura. Esta condición puede corregirse ajustando la alineación de los accesorios de modo que se asegure un movimiento completamente libre del perno durante la retracción y el empuje. También puede ser necesario ajustar la longitud del

En la figura 9.13 (D) se muestra una alineación deficiente, que puede corregirse colocando la pistola soldadora perpendicular al trabajo. En la figura 9.13 (E) se observa el resultado de una comente de soldadura baja. Para corregir este problema, es preciso verificar el cable del trabajo y todas las conexiones. Además, se deberá incrementar el nivel de corriente, el tiempo de soldadura, o ambas cosas. También puede ser necesario ajustar la longitud del arco. El efecto de una comente de soldadura excesiva se muestra en la figura 9.13 (Q. La corriente puede reducirse bajando el nivel de comente o acortando el tiempo de soldadura, o con ambas cosas.

arco.

Pruebas mecánicas. Las pruebas mecánicas deben efectuarse como parte de la calificación del procedimiento y del desempeño antes de comenzar la soldadura de producción, a fin de asegurar que el programa de soldadura sea satisfactorio. También pueden realizarse durante la serie de producción o al principio de un turno para asegurar que las condiciones de sol-

dadura no han cambiado. Las soldaduras de pernos por arco se prueban por flexión del perno o por la aplicación de una carga de tensión de prueba de servicio.

La flexión puede aplicarse golpeando el perno con un martillo o empleando una herramienta de flexión como podría ser un tramo de tubo, como se muestra en la figura 9.14. El ángulo hasta el que pueda doblarse el perno sin que falle la soldadura depen- derá de la composición del perno y del metal base, de las condiciones (trabajado en frío, tratado con calor) y del diseño del perno. La flexión aceptable se determinará cuando se establezca la especificación del procedimiento de soldadura o estará prescrita en el código aplicable. Las pruebas de flexión pueden dañar el perno y de preferencia se realizarán sólo en muestras para calificación, aunque para algunas aplicaciones los pernos pueden quedar doblados.

Ei método empleado para aplicar una carga de tensión a un perno soldado por arco dependerá del diseño dei perno. Es posible que se requiera herramental especial para sujetar el perno debidamente sin dañarlo, y también un dispositivo de carga especial. En la figura 9.15 se muestra un método sencillo que puede usarse con pernos roscados rectos. Un manguito de acero del tamaño apropiado se ensarta en el perno y una tuerca del mismo material que el perno se aprieta con una llave de torsión



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lubricación. Para otros materiales kpuede tener un valor distinto debido a las diferencias de fricción entre las piezas.

HERRAMIENTA

SOLDADURA

Figura 9.14-Prueba de flexión de pernos soldados para determinar la aceptabilidad de los procedimientos de

soldadura

contra una rondana que ejerce presión contra el manguito. Esto aplica una carga de tensión (y cierto cizallamiento) al perno.

La relación entre el par de torsión de la tuerca, T, y la carga de tensión, F, se puede estimar empleando la ecuación

T = kFd (9.1)

donde d = el diámetro nominal de la rosca k = una constante relacionada con factores tales como el

ángulo de la rosca, el ángulo helicoidal, los diámetros de la rosca y los coeficientes de fricción entre la tuerca y la rosca, y entre la tuerca y la rondana.

Para el acero dulce, k es aproximadamente 0.2 para todos los tamaños de rosca y para roscas tanto finas como gruesas. Sin embargo, los múltiples factores que influyen en la fricción influirán en el valor de k. Entre ellos están los materiales del perno, la tuerca y la rondana, los acabados superficiales y la

f TUERCA

NOTA: Se puede usar un perno para una rosca interna

Figura 9.15-Método para aplicar una carga de tensión a un Derno soldado emdeando un bar de torsión

Pernos de aluminio LA INSPECCIÓN VISUAL de los pernos de aluminio soldados para determinar su aceptabilidad es de utilidad limitada porque el aspecto del filete de soldadura no necesariamente indica la calidad. Por tanto, la inspección visual de las soldaduras de pernos de aluminio sólo se recomienda para determinar si hubo fusión completa y si no hay socavamiento en la periferia de la soldadura.

Los pernos de aluminio pueden probarse para establecer los procedimientos de soldadura aceptables empleando la prueba de flexión que se muestra en la figura 9.14. Si el perno se dobla unos 15 grados o más respecto a su eje original sin que se rompa el perno o la soldadura, se deberá considerar que los procedimientos de soldadura son satisfactorios. Los pernos de produc- ción no se deben doblar y luego enderezar porque esto puede dañarlos. En este caso, puede realizarse la prueba de torsión como alternativa, o utilizarse placas de prueba en lugar de los pernos de producción.

La prueba de torsión de pernos de aluminio roscados se realiza de la misma manera que en los pernos de acero. Se aplica torsión hasta un valor previamente determinado o hasta que el perno falla. Las pruebas de torsión típicas dan las cargas de falla que se muestran en la tabla 9.5. Para una aplicación en particular se deberá establecer la carga de prueba en servicio aceptable mediante ensayos de laboratorio apropiados que relacionen la torsion aplicada con la carga de tensión.

APLICACIONES LA SOLDADURA DE pernos por arco goza de amplia aceptación por parte de todas las industrias metalúrgicas. Especificamente, la soldadura de pernos se está usando en gran escala en los siguientes campos: automotores, construcción de calderas, edificios y puentes, fabricación de equipo agrícola e industrial, ferrocamles y construcción naval. Entre las aplicaciones de la industria militar están los recipientes de misiles, los vehículos blindados y los tanques.

Entre las aplicaciones típicas están la sujeción de pisos de madera a cubiertas o armazones de acero; la fijación de forros o aislantes a tanques, vagones de carga y otros contenedores; el afianzamiento de arneses de conductos y alambres; y la soldadura de conectores de cizallamiento y anclas de concreto a las estructuras.

Tabla 9.5 Torsiones de tuerca típicas que causan falla

de pernos de aleación de aluminio

Caraa de falia Tamafio de la rosca ibf * pülg N a m 1/4-20 60 7 511 6-1 8 115 13 318-1 6 195 22 7/16-14 290 33 1/2-13 435 49



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SOLDADURA DE PERNOS POR DESCARGA DE CONDENSADOR

DEFINICIÓN Y DESCRIPCIÓN GENERAL LA SOLDADURA DE pernos por descarga de condensador es un proceso de soldadura de pernos por arco en el que la energía del arco se produce mediante una descarga rápida de energía eléc- trica almacenada, con aplicación de presión durante la descarga eléctrica o inmediatamente después de ella. El proceso emplea un sistema de almacenamiento electrostático como fuente de potencia, en el cual la energía para soldar se almacena en condensadores de alta capacitancia. No se requieren casquillos ni fundente.

PRINCIPIOS DE FUNCIONAMIENTO HAY TRES TIPOS distintos de soldadura de pernos por descarga de condensador: de contacto inicial, de separación inicial y de arco estirado. Los tres métodos difieren principalmente en la forma como se inicia el arco. Los pernos que se emplean con los dos primeros métodos tienen una pequeña proyección (punta) de diseño especial en el extremo de soldadura del perno. En la soldadura de pernos con arco estirado se crea un arco piloto cuando el perno se levanta de la pieza de trabajo con la pistola soldadora. Esta versión es similar a la soldadura de pernos por arco.

Método de contacto inicial EN LA SOLDADURA de pernos por contacto inicial, el perno se coloca contra el trabajo como se muestra en la figura 9.16 (A). En seguida se descarga la energía almacenada a través de la proyección en la base del perno. La proyección, al ser pequefia ofrece una resistencia elevada a la energía almacenada, por I C que rápidamente se desintegra a causa de la elevada densidad de corriente, como se muestra en la figura 9.16 (ß). Esto crea un arco que funde las superficies que se van a unir. AI tiempo que se forma el arco [figura 9.16 (C)], las piezas que se van a unir se juntan por la acción de un resorte, un peso o un cilindro neuiná- tico. Cuando las dos superficies entran en contacto [figura 9.16 (D)], tiene lugar la fusión y se completa la soldadura.

Método de separación iniciai LA SECUENCIA DE sucesos de la soldadura de pernos con sepa- ración inicial se muestra en la figura 9.17. En un principio, el

perno se coloca separado del trabajo, dejando un espacio inter- medio como se aprecia en la figura 9.17 (A). EI perno se libera y se mueve en forma continua hacia el trabajo bajo la acción de la gravedad o de un resorte [figura 9.17 (B)]. Al mismo tiempo, se aplica unvoltaje de circuito abierto entre el perno y el trabajo. Cuando el perno hace contacto con el trabajo [figura 9.17 (C)], la corriente elevada forma un destello en la punta e inicia un arco. EI arco funde la superficie del perno y del trabajo al tiempo que el perno continúa su movimiento [figura 9.17 (O)]. Final- mente, el perno choca con el trabajo y se completa la soldadura [figura 9.17 (E)].

Si las características eléctricas del circuito y el tamaño de la proyección se diseñan como es debido, es posible producir un arco de alta comente de tan breve duración (cerca de 0.006 segundos) que su efecto sobre el perno y la pieza de trabajo es únicamente superficial. Apenas una capa de unas cuantas centé- simas de milimetro (milésimas de pulgada) llega a fundirse.

Método de arco estirado ENEL &TODO de arco estirado la iniciación del arco se logra de manera similar a como se hace en la soldadura de pernos por arco. No es necesario que el perno tenga una punta en el extremo de soldadura. Se emplea un control electrónico para determinar la secuencia de operaciones. El tiempo de soldadura se controla mediante un circuito electrónico en la unidad. La pistola soldadora es similar a la que se usa en la soldadura de pernos por arco.

La secueticia de operaciones se muestra en la figura 9.18. Primero, el perno se coloca contra el trabajo como se muestra en la figura 9.18 (A). En seguida se acciona el interruptor de gatillo de la pistola soldadora, con lo que se energiza el circuito de soldadura y una bobina solenoide en el cuerpo de la pistola. El inoviinieiito de la bobina levanta el perno y lo separa del trabajo [figura 9.18 (B)], estirando un arco piloto de bajo amperaje entre ellos. Cuando se deja de aliinentar energía a la bobina elevadora, el penio comienza a regresar hacia el trabajo. En ese momento los condensadores de soldadura se descargan a través del arco. EI alto amperaje de los condensadores funde el extremo del perno y la superficie del trabajo adyacente [figura 9.18 (C)]. La acción de resorte de la pistola soldadora empuja el perno contra el metal fundido [figura 9.18 (D)] para completar la soldadura.

Figura 9.16-Pasos de la soldadura de pernos por descarga de condensador con contacto inicial

Figura 9.17-Pasos de la soldadura de pernos por descarga de condensador con separación inicial



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Figura 9.18-Pasos de la soldadura de pernos por descaraa de condensador con arco estirado

DISEÑO PARA LA SOLDADURA DE PERNOS PORDESCARGADECONDENSADOR LA CAPACIDAD DEL método de descarga de condensador para soldar pernos a secciones delgadas es una característica de diseño importante. Es posible soldarmaterial de espesor tan bajo como 0.75 mm (0.030 pulg) sin que haya fusión de lado a lado. Se han soldado con éxito pernos a algunos materiales (acero inoxidable, por ejemplo) con espesores tan bajos como 0.25 mm

Otra caracteristica de diseño de este sistema de soldadura de pernos es su capacidad para soldar pernos a metales disimiles. La penetración en el trabajo debida al arco es tan somera que hay muy poca mezcla entre el metal del perno y el metal del trabajo. Entre las combinaciones que pueden soldarse están acero a acero inoxidable, latón a acero, cobre a acero, latón a cobre y aluminio a cinc colado en troquel. Muchas otras combinaciones de metales poco usuales, que ordinariamente no se consideran soldables mediante procesos de fusión, son factibles con este proceso.

Otra característica es la eliminación de las operaciones de limpieza o acabado postsoldadura en el lado del metal base opuesto al lado de sujeción del perno (superficie de vista). El proceso puede usarse en piezas cuya superficie de vista ha sido pintada, chapeada, pulida o recubierta con material cerámico o plástico.

(0.010 pulg).

PERNOS Materiales de los pernos Los MATERIALES QUE se usan comúnmente en la soldadura de pernos por descarga de condensador son el acero de bajo carbono, el acero inoxidable, el aluminio y el latón. Los pernos de acero de bajo carbono y de acero inoxidable generalmente tienen la misma composición que los que se usan para soldadura de pernos por arco. En el caso del aluminio, generalmente se usan aleaciones de las series 1100 y 5000. Los pernos de aleación de cobre son en su mayor parte composiciones núms. 260 y 268 (latones).

Diseños de pernos LOS DISEÑOS DE los pernos para soldadura de pernos por descarga de condensador van desde las formas estándar hasta formas complejas para aplicaciones especiales. Por lo regular, la base de soldadura del sujetador es redonda. El vástago puede tener casi cualquier forma o configuración: roscada, lisa, redonda,

cuadrada, rectangular, ahusada, ranurada, doblada, etc., o estam- pados planos. La gama de tamaños abarca de 1.6 a 12.7 mm (1/16 a 1/2 pulg) de diámetro, aunque el grueso de los sujetadores está dentro del intervalo de diámetros de 3.2 a 9.5 mm (1/8 a 3/8 pulg). En la figura 9.19 se muestran algunos diseños de pernos comunes.

Los pernos para descarga de condensador con contacto inicial y con separación inicial se diseñan con una punta o proyección en el extremo de soldadura. El tamaño y la forma de esta punta es importante porque es una de las variables que intervienen en la obtención de soldaduras de buena calidad. La punta estándar es de forma cilíndrica, pero en aplicaciones especiales se emplea una punta cónica. EI diseño detallado de la base depende del material del perno, del diámetro de la base y, en algunos casos, de la aplicación de que se trate. La base de soldadura tiene un ligero ahusamiento para facilitar la expulsión de los gases en expansión que se generan durante el ciclo de soldadura. Por lo regular, el diámetro de la base de soldadura es mayor que el del vástago del perno. El área de soldadura es mayor que la sección transversal del perno a fin de obtener una unión con resistencia mecánica igual o mayor que la del perno.

Los pernos para descarga de condensador con arco estirado se diseñan sin una punta o proyección en el extremo de soldadura. Sin embargo, dicho extremo tiene un ahusamiento o es ligeramente esférico con el fin de que el arco se inicie en el centro de la base. Al igual que en los otros métodos de descarga de condensador, estos pernos generalmente se diseñan con una base grande con forma de brida.

La reducción de la longitud de los pernos debida a la fusión es casi insignificante en comparación con el método de soldadura de pernos por arco. En general, esta reducción es del orden de 0.2 a 0.4 mm (0.008 a 0.015 pulg).

EQUIPO PARA SOLDAR PARA LA SOLDADURA de pernos por descarga de condensador se requiere contar con una pistola de pernos y una unidad combinada de potencia y control con los cables de interconexión asociados. Existen unidades tanto portátiles como estacionarias de producción.

Los circuitos de control de estado sólido generan señales para controlar automáticamente la secuencia de varios sucesos durante el ciclo de soldadura. Dichos sucesos incluyen uno o más de los siguientes:

(1) Energizar el solenoide o el cilindro neumático de la pistola para los métodos de separación inicial y de arco estirado.

(2) Iniciar el arco piloto en el método de arco estirado. (3) Descargar la corriente de soldadura del banco de conden-

sadores en el momento apropiado de la secuencia de soldadura. (4) Desenergizar el solenoide o el cilindro neumático de la

pistola. (5) Controlar el voltaje cambiante del banco de condensa-

dores.

Unidades portátiles LAS PISTOLAS DE pernos manuales por lo regular se fabrican con plásticos de alta resistencia al impacto. La pistola sostiene y posiciona el perno para soldarlo. Un gatillo inicia el ciclo de soldadura a través de un cable de control que va a la unidad de



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Figura 9.19-Pernos de uso común en la soldadura de pernos por descarga de condensador

control de la fuente de potencia. Si se cambia el mandril que sostiene el perno, es posible manejar pernos de diversos diáme- tros y formas.

La unidad de control de la fuente de potencia suministra la comente de soldadura y contiene los circuitos necesarios para cargar los condensadores. Se obtienen comentes de descarga variables ajustando el voltaje de carga de los condensadores. La máquina soldadora controla automáticamente las comentes de carga y de descarga. Las unidades generalmente trabajan con potencia de 115 V a 60 Hz.

En la figura 9.20 se ilustra un equipo de descarga de condensador típico. La energía almacenada de una unidad como ésta es del orden de 70 O00 pF cargados a 170 V, y es capaz de soldar pernos de 6.4 mm (1/4 pulg) de diámetro a razón de ocho por minuto.

Equipo de producción estacionario ESTE TIPO DE equipo consiste en una o varias pistolas de pernos de acción neumática, eléctrica o gravitacional montadas sobre una superficie de trabajo. Los controles eléctricos para los sistemas neumáticos y para cargar los condensadores por lo regular están situados debajo de la mesa de trabajo.

Las unidades de potencia y control generalmente se diseñan para una aplicación específica porque pueden incluir una se- cuenciación automática de los dispositivos de sujeción, posicionamiento y descarga. La capacitancia de las unidades de produc- ción es del orden de 20 O00 a 200 O00 pF. El voltaje de carga de los condensadores no excede los 200 V, y está aislado del

mandril que sostiene el perno hasta que se inicia la soldadura. La entrada de potencia es de 230 o 460 V, monofásica o trifásica.

Dependiendo del grado de automatización de los mecanismos de fijación y de alimentación de pernos y piezas por soldar, es posible alcanzar tasas de producción elevadas con este equipo. Se ha logrado hacer hasta 45 soldaduras por minuto con una soia pistola.

Sistemas automáticos de alimentación de pernos LA SOLDADURA DE pernos por descarga de condensador se presta a las aplicaciones de alta velocidad con alimentación automática de pernos porque no se requieren casquillos de cerámica. Existe equipo portátil de descarga de condensador del tipo de arco estirado con alimentación automática de pernos con diámetros de 3.5 a 6.4 inm (del ## 6 hasta 1/4 pulg). Con este sistema es posible alcanzar tasas de soldadura de alrededor de 42 pernos por minuto. En la figura 9.21 se muestra una unidad de este tipo.

POSICIONAMIENTO DE LOS PERNOS EL METODO PARA ubicar los pernos depende de varios factores: la precisión y consistencia del posicionamiento requeridas, el tipo de equipo de soldadura que se utilizará (portátil o fijo), ia tasa de producción requerida y, hasta cierto punto, la geometría o fomia de la pieza de trabajo. En general, las unidades soldadoras fijas del tipo de producción ofrecen mayor precisión en el posicionamiento de los pernos que ias unidades portátiles que se sostienen con la mano.



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La exactitud del posicionamiento con una pistola portátil por lo regular depende del cuidado que se tenga al marcar la o las posiciones en la pieza de trabajo. No obstante, si se emplean diversos tipos de espaciadores, bujes y plantillas, el intervalo de exactitud puede estar dentro de un margen de tolerancia de 0.5

Las unidades estándar del tipo de producción permiten lograr precisiones del orden de O. 12 mm (0.005 pulg). El posicionamiento exacto no sólo requiere equipo de soldadura y herramental de precisión en buenas condiciones, sino pernos de alta calidad fabricados dentro de tolerancias muy estrictas.

mm (0.020 pulg).

REQUERIMIENTOS DE ENERGIA DE SOLDADURA

En la soldadura de pernos por descarga de condensador la potencia del arco se obtiene al descargar un banco de condensadores a través del perno hacia el trabajo. Los tiempos de arco son bastante más cortos, y las corrientes de soldadura mucho más altas, que en el caso de la soldadura de pernos por arco. Es la brevedad del tiempo de arco lo que produce la penetración tan somera de la soldadura en el trabajo, y también la reducción de longitud por fusión tan corta de los pernos.

(A) Unidad de potencia y control

(6) Pistola de pernos

Figura 9.20-Equipo portátil para soldadura de pernos por descarga de condensador



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'O 1

Figura 9.2GMaquina soldadora de producción para soldadura de pernos por descarga de condensador

provista con un sistema de alimentación automática de Dernos

Dependiendo del tamaño de los pernos y del tipo de equipo empleado, la comente de soldadura máxima puede variar entre unos 600 y 20 O00 A. El tiempo total que tarda la soldadura depende del método de soldadura empleado. Para el método de arco estirado es del orden de 4 a 6 milisegundos. La figura 9.22 ilustra las relaciones corriente-tiempo típicas para los tres méto- dos de soldadura. Obsérvese que la corriente de arco en los métodos de contacto inicial y de separación inicial es mucho más alta que en el método de arco estirado.

MATERIALES SOLDADOS EN GENERAL, LAS mismas combinaciones de metales que se pueden soldar con el método de soldadura de pernos por arco se pueden unir también con el método de descarga de condensador. Entre ellas están el acero al carbono, el acero inoxidable y las aleaciones de aluminio.

Además, algunas combinaciones de metales disímiles que presentan problemas metalúrgicos con la soldadura de pernos por arco se pueden soldar con éxito usando el método de descarga de condensador. Esto se debe a que el volumen de metal fundido durante el tiempo de descarga de condensador tan breve es muy pequeño. Este volumen, y su expulsión cuando el perno choca contra la placa, producen una capa muy delgada de metal de soldadura en la unión. Si el metal de soldadura está íntegro y es fuerte, el perno soportará su carga de diseño. La ductilidad del metal de soldadura no es un factor significativo.

En la tabla 9.6 se indican las combinaciones de perno y metal base soldables para las aleaciones de uso común. Las aplicaciones no están limitadas a estos materiales. La conductividad eléctrica y el punto de fusión relativos de los materiales no tienen mucha importancia si las diferencias entre ellos no son excesivamente grandes.

En la figura 9.23 se muestran las tnacroestructuras típicas de soldaduras de pernos hechas por descarga de condensador. Ob- sérvese la línea de soldadura tan angosta entre el latón y la lámina de acero en la figura 9.23 (B).

SOLDADURA DE DESCARGA DE CONDENSADOR CON SEPARACIÓN 9000 AMPERES MÁX. TIEMPO DE SOLDADURA 1.2 rns

r

w U U

3

w D w

SOLDADURA DE DESCARGA DE CONDENSADOR C,ON CONTACTO 6500 AMPERES MAX. TIEMPO DE SOLDADURA: 2.3 rns

SOLDADURA DE DESCARGA DE CONDENSADOR CON ARCO ESTIRADO 2300 AMPERES MÁX. TIEMPO DESOLDADURA

1 2 3 4 5 6 7 8 9

TIEMPO - MILISEGUNDOS

Figura 9.22-Curvas de corriente contra tiempo típicas de los tres métodos de soldadura de pernos por

descarga de condensador

Debido a la brevedad de los tiempos de soldadura, normalmente no se requiere fundente ni gas protector para evitar la contaminación del metal de soldadura por el aire. Una excepción es el empleo de un escudo de argón para soldar pernos de aluminio y de algunos otros metales con el método de arco estirado. El tiempo de arco es lo bastante largo como para que ocurra una oxidación perjudicial. La pistola soldadora deberá estar equipada con un adaptador de gas. Se recomienda usar argón de grado soldadura (99.95% puro) con la tasa de flujo recomendada por el fabricante.

CONTROL DE CALIDAD E INSPECCIÓN EL CONTROL DE calidad de una soldadura de perno hecha por descarga de condensador es más difícil que el de una soldadura de perno por arco porque no hay un arco de soldadura estable ni un filete de soldadura. El operador no ve ni escucha el arco, ni puede usar las características del filete de soldadura para evaluar la calidad de la misma. Sin embargo, debe haber una cierta cantidad de material volcado en la unión.

EI mejor método para controlar la calidad de las soldaduras de pernos por descarga de condensador es probar de tructivamente pernos soldados a un metal base similar al que se usa en producción. La prueba destructiva debe ser de flexión, torsión o tensión. Una vez establecido un programa de soldadura satisfactorio, se puede iniciar la serie de producción. Lo mejor es verificar la calidad de las soldadura a intervalos regulares durante la producción y sobre todo después de dar mantenimiento, a fin de constatar que las condiciones de soldadura no se han alterado.



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Tabla 9.6 Combinaciones típicas de metal base y metal de perno para la soldadura de pernos por descarga

de condensador

Metal base ~ ~~~

Metal de perno

Acero de bajo carbono, AISI 1006 a 1022 Acero de bajo carbono, AISI 1006 a 1010, acero inoxidable, serie 300,* aleaciones de cobre 260 y 268 (latón)

Acero inoxidable, serie 300* y 400

Aleaciones de aluminio, 11 00, serie 3000, serie 5000,6061 y 6063

Acero de bajo carbono, AISI 1006 a 1010, acero inoxidable, serie 300'

Aleaciones de aluminio 11 00,5086,6063

Cobre ETP, latón libre de plomo y cobre rodado Acero de bajo carbono, AISI 1006 a 1010, acer.0 inoxidable, serie 300; aleaciones de cobre 260 y 268 (latón)

Aleaciones de cinc (coladas en troquel) Aleaciones de aluminio 11 O0 y 5086

* Excepto el acero inoxidable tipo 303 de maquinado libre.

(A) PERNO DE ACERO DE 5 mm (3/16 pulg) DE DIÁMETRO, A LÁMINA DE ACERO DE 0.6 mm (0.024 pulg) DE ESPESOR

(€3) PERNO DE LATON DE 6.4 mm (II4 pulg) DE DIAMETRO, A ACERO DULCE DE 1.6 mm (1/16 pulg) DE ESPESOR

(C) PERNO DE ALUMINIO 6061 T6 DE 9.5 mm (3/8 pulg) DE DIÁMETRO, A LAMINA DE ALUMINIO DE LA MISMA ALEACION DE 3.2 mm (1/8 pulg)

Figura 9.23-Macroestructuras de tres soldaduras de pernos por descarga de condensador



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Los que siguen son algunos de los puntos a considerar para producir de manera consistente soldaduras de pernos por descarga de Condensador aceptables:

(1) Fuente de potencia del tamaño suficiente para el tamaño

(2) Equipo en buenas condiciones que funcione correcta-

(3) Conexiones firmes de los cables. (4) Manejo correcto de los pernos y de la pistola durante el

proceso de soldadura. (5) Limpieza de la superficie de soldadura. La superficie

deberá estar libre de aceites, grasa y otros lubricantes, y de orin, incrustaciones de forja y otros óxidos. Estas condiciones contribuyen a elevar la resistencia eléctrica en áreas de soldadura y puesta a tierra.

(6) Imperfecciones de la superficie, como una asperidad excesiva, que pueden impedir la fusión completa del área de soldadura.

(7) Perpendicularidad del eje del perno respecto a la superficie del trabajo. Esto es importante para que la fusión sea completa.

(8) Diseño correcto del extremo del perno. El tamaño de la punta, el ángulo facial y el diámetro de la base de soldadura deben ser adecuados para la aplicación.

de pernos que se van a soldar.

mente.

Las soldaduras de pernos por descarga de condensador se pueden inspeccionar tanto visual como mecánicamente. El éxito de los métodos de inspección visual depende de la interpreta- ción de la apariencia de la soldadura. La figura 9.24 ilustra soldaduras de pernos por descarga de condensador aceptables y deficientes.

Si se detecta una soldadura dudosa por inspección visual, se deberá someter a pruebas mecánicas.

PRUEBAS MECÁNICAS LAS PRUEBAS MECÁNICAS de las soldaduras de pernos por descarga de condensador deben realizarse empleando los mismos métodos que se describieron para la soldadura de pernos por arco. l h o s incluyen las pruebas de flexión y las cargas de prueba en servicio. Las pruebas sirven para establecer las condiciones de soldadura y también para calificar los pernos de producción.

En la tabla 9.7 se dan los valores de torsión de tuerca máximos para probar en servicio pernos siguiendo este método, para

(A) BUENA SOLDADURA (6) POTENCIA EXCESIVA

(C) POTENCIA INSUFICIENTE

Figura 9.24-Ejemplos de soldaduras de pernos por descarga de condensador satisfactorias

v no satisfactorias

diversos materiales y tamaños de pernos. Los valores de torsión dados producen esfuerzos de tensión en esos pernos que están ligeramente por debajo de la resistencia al vencimiento del material.

La tabla también proporciona las cargas de tensión que desa- rrollarán aproximadamente la resistencia a la tensión nominal del material del perno para los diferentes diámetros. También se proporciona, como dato informativo, la carga de corte máxima que pueden soportar los pernos. EI usuario deberá aplicar los factores de seguridad que considere apropiados para probar en servicio o seleccionar los pernos.

APLICACIONES ENTRELAS APLICACIONES de la soldadura de pernos por descarga de condensador en la industria están las de aeronaves y vehiculos aeroespaciales, los aparatos domésticos, la construc- ción de edificios, la construcción marítima, los muebles metáli- cos, los equipos de acero inoxidable y los transportes. Los pernos soldados por descarga de condensador también se usan como sujetadores y soportes en aplicaciones apropiadas.



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Tabla 9.7 Cargas de torsión, tensión y cizallamiento para pernos de diversos materiales y tamaños soldados

por descarga de condensador

Torsión de sujeción Carga de tensión Carga de cizallamiento Material Tamatío máxima' máximab máxima del perno del perno Ib - Dula N - m Lb kN Lb kN Acero de bajo 6-32 carbono con 8-32 destello de cobre 10-24

1/4-20 5/16-18 311 8-1 6

Acero 6-32 inoxidable 8-32 304 o 305 10-24

1/4-20 511 6-1 8 318-1 6

6 12 14 43 72

106 10 20 23 75

126 186

0.7 1.4 1.6 4.9 8.1

1 .I 2.3 2.6 8.5

12

14 21

500 765 960

1750 2900 4300 790

1260 1530 2880 3750 4850

2.2 3.4 4.3 7.8

13 19 3.5 5.6 6.8

13 17 22

375 575 720

1300 2200 3250 590 940

1150 21 60 31 O0 4550

1.7 2.6 3.2 5.8 9.8

2.6 4.2 5.1 9.6

14

14 20

Aleación 6-32 2.5 0.3 200 0.9 125 0.6 de aluminio 8-32 5 0.6 295 1.3 185 0.8 1100 10-24 6.5 0.7 380 1.7 235 1 .o

1/4-20 21.5 2.4 670 3.0 41 5 1.9 5/16-18 36 4.1 1125 5.0 695 3.1 318-1 6 53 6.0 1660 7.4 1 O00 4.4

Aleación 6-32 3.5 0.4 375 1.7 235 1 .o de aluminio 8-32 7.5 0.8 585 2.6 365 1.6 5086 10-24 10 1.1 735 3.3 460 2.0

1/4-20 32.5 3.7 1360 6.1 850 3.8 5/16-18 54.5 6.2 2300 10 1400 6.2 318-1 6 81 9.2 3400 15 21 O0 9.4

Aleación de 6-32 8 0.9 600 2.7 390 1.7 cobre (latón) 8-32 16 1.8 860 3.8 560 2.5 260 y 268 10-24 18.5 2.1 1040 4.6 680 3.0

1 /4-20 61 6.4 1950 8.7 1275 5.7 511 6-1 8 102 12 3280 15 21 40 9.5 318-1 6 150 16 4800 21 31 60 14

a. Estos valores deberán desarrollar esfuerzos de tensión en los pernos ligeramente por debajo de la resistencia al vencimiento de los materiales. b. Estos valores deberán desarrollar la resistencia al vencimiento nominal de los materiales.

SELECCIÓN Y APLICACIÓN DE LOS PROCESOS HAY ALGUNOS TIPOS de aplicaciones en las que las posibili-

dades de los procesos de soldadura de pernos por arco y de soldadura de pernos por descarga de condensador se traslapan,

estos criterios, casi siempre es posible seleccionar el mejor método.

pero en general los criterios para escoger entre estos dos prcce- SOS básicos están bien definidos. En la tabla 9.8 se muestra un

TAMANO DEL SU JETADOR diagrama de selección del proceso. EI área en la que la selección suele dificultarse más es la del método de soldadura de pernos por descarga de condensador que conviene usar; esto es, de contacto, de separación o de arco estirado. Los criterios principales para seleccionar el tipo de proceso de soldadura de pernos básico que conviene usar son el tainaiío del sujetador, el espesor dei metal base y la composición del metal base. Coli

Si LOS PERNOS tienen diámetro mayor que 8.0 mm (5/16 pulg), es preciso usar el proceso de soldadura de pernos por arco para las aplicaciones portátiles. EI proceso de soldadura de pernos por descarga de Condensador está limitado a pernos de 8.0 mm (5/16 pulg) de diámetro con pistolas manuales y a pernos de 9.5 mm (3/8 pulg) de diámetro con equipo fijo o de tipo producción. Las aplicaciones apropiadas para el proceso de descarga de conden-



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Diagrama de selección dei proceso de soldadura de pernos

Soldadura de Dernos Dor descaraa de condensador

Factores por considerar Forma del perno

Redonda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Cuadrada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Rectangular . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Irregular . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Diámetro o área del perno Diám. de 1.6 a 3.2 mm (1/16 a 1/8 pulg) Diám. de 3.2 a 6.4 mm (1/8 a 1/4 pulg) . . . . . . . . . . . . . Diám. de 6.4 a 12.7 mrn (1/4 a 1/2 pulg)

Hasta 32.3 mm2 (0.05 pulg2)

. . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . Diám de 12.7 a25.4 mm (1/2 a 1 pulg) . . . . . . . . . . . . .

Más de 32.3 mm2 (0.05 pulg2) . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Acero al carbono . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Acero inoxidable . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Acero de aleación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Aluminio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Latón . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Acero al carbono . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Acero inoxidable . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Acero de aleación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Aluminio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Latón . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Menos de 0.4 mm (0.015 pulg) . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . .

Metal del perno

Metal base

Espesor del metal base

De 0.4 a 1.6 mm (0.015 a 0.062 pulg) De 1.6 a 3.2 mrn (0.062 a 0.125 pulg) Más de 3.2 mm (0.125 pulg)

. . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Criterios de resistencia mecánica Efecto del calor sobre superficies expuestas . . . . . . . . . . Libramiento del filete de soldadura . . . . . . . . . . . . . . .

La resistencia mecánica del metal base manda La resistencia mecánica del perno manda . . . . . . . . . . .

. . . . . . . .

Soldadura de Separación inicial v contacto inicial Dernos Dor arco Arco estirado

A A A A

D A C A A B A D C A A D

D C B A

A A A A

A A A A

A A A A

B A A A

A A A A

Leyenda A - Aplicable sin procedimientos, equipo, etc. especiales. B - Aplicable con técnicas especiales o en aplicaciones específicas que justifican estudios preliminares o pruebas para desarrollar el procedimiento

C -Aplicación limitada. D - No se recomienda.

de soldadura y la técnica.

sador con pernos dentro del intervalo de diámetros de 1.6 a 9.5 mm (1/16 a 3/8 pulg) generalmente implican materiales base delgados en los que es requisito indispensable evitar marcas en el lado opuesto. apariencia.

fusión de lado a lado. En materiales tan delgados, la lámina se desgarrará si el perno se carga excesivamente. Las marcas del lado opuesto son el efecto principal en lo que respecta a la

Si se utiliza el proceso de soldadura de pernos por arco, el

ESPESOR DEL METAL BASE espesor del metal base deberá ser de por lo inenos un tercio del diámetro de la base de soldadura del perno para asegurar que la ..

SIELMETAL base tiene menos de 1.6 mrn (i/ 16 pulg) de espesor, conviene usar el método de soldadura de pernos por descarga de condensador. Si se usa este proceso, el metal base puede tener un espesor tan bajo como 0.5 mm (0.020 pulg) sin que haya

soldadura tendrá la resistencia mecánica máxima. Si la resistencia mecánica no es el requisito principal, el espesor del metal base puede bajar hasta un quinto del diámetro de la base de soldadura.



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COMPOSICIÓN DEL METAL BASE SE PUEDE USAR cualquiera de los dos procesos con acero dulce, acero inoxidable austenitic0 y diversas aleaciones de aluminio. Para cobre, latón y lámina de acero galvanizada es más apropiado el método de descarga de condensador.

MÉTODO DE DESCARGA DE CONDENSADOR SI, CON BASE en los criterios antenores, se escoge el proceso de descarga de condensador como el más apropiado para la aplica- ción, será preciso evaluar los métodos que abarca el proceso. Puesto que las posibilidades de soldadura de pernos de los tres métodos se traslapan bastante, habrá muchas aplicaciones en las que se podrá usar más de uno de ellos. Por otro lado, hay muchos casos en los que uno de los métodos es el mejor para la aplica- ción. Es un tanto difícil establecer pautas específicas para seleccionar el mejor método de descarga de condensador, pero en términos generales los tres métodos se utilizan como sigue:

Método de contacto inicial EL MÉTODO DE contacto inicial se usa sólo con equipo portátil, principalmente para soldar pernos de acero dulce. La sencillez

del equipo lo hace ideal para soldar clavos de aislamiento de acero dulce a ductos galvanizados.

Método de separación inicial ESTE MÉTODO SE usa con equipo portátil y fijo para soldar acero dulce, acero inoxidable y aluminio. En general, es mejor que los métodos de contacto inicial y de arco estirado para soldar metales disímiles y aluminio. No se requiere gas inerte para soldar aluminio.

Método de arco estirado LOS TIPOS DE equipo y los materiales soldados son los mkmos que para el método de separación inicial. El perno no requiere una punta especial. El método resulta ideal para aplicaciones de alta producción con sistemas de alimentación automática y equipo portátil o fijo tipo producción. Se requiere gas inerte para soldar aluminio.

CONSIDERACIONES DE APLICACIÓN Los PERNOS PUEDEN soldarse con el trabajo en cualquier posi- ción; esto es, plana, vertical o por encima de la cabeza (cenital). Desde luego, el empleo del principio de caída gravitacional del perno está limitado a la posición plana. La soldadura de pernos en la posición vertical actualmente está limitada a pernos con un diámetro máximo de 19 mm (3/4 pulg).

Los pernos pueden soldarse en superficies curvas o angula- das. Sin embargo, si se usa el soldadura de pernos por arco que funde bastante más metal, el casquillo de cerámica debe dise- ñarse de modo que embone con el perfil de la superficie de trabajo.

El proceso de soldadura de pernos por arco es mucho más tolerante respecto a la presencia de contaminantes, como capas delgadas de pintura, incrustaciones, orín o aceite, en la superfi- Cie de trabajo que el proceso de soldadura de penios por descarga de condensador. La mayor duración del arco en el proceso de

soldadura de pernos por arco tiende a eliminar los contaminantes por combustión. Además, la expulsión del metal fundido tiende a sacar de la unión cualquier residuo.

Por otro lado, La naturaleza percusiva del arco de descarga de condensador tiende a expulsar de la unión los recubrimientos metálicos, como los que se aplican por electrodeposición y galvanizado. Esto hace al proceso apropiado para soldar pernos de diámetro pequeño a láminas de metal galvanizado delgadas. EI proceso de soldadura de pernos por arco es adecuado para soldar atravesando recubrirnientos galvanizados gruesos si se emplean procedimientos de soldadura especiales, siempre que el metal base tenga el espesor suficiente para soportar el arco durante el tiempo necesario.

La soldadura de pernos por arco y la soldadura de pernos por descarga de condensador gozan de amplia aceptación por parte de todas las industrias que trabajan metales.

PRECAUCIONES DE SEGURIDAD EI personal que opera equipo de soldadura de pernos debe

contar con protección para el rostro y la piel que evite quemaduras causadas por las salpicaduras que se producen al soldar. Se debe usar protección ocular en fonna de gafas o caretas con filtros del núm. 3 para evitar daños por la radiación del arco.

Antes de intentar reparar el equipo, hay que desconectar la potencia eléctrica y bloquear las cajas de interruptores. Los coiideiisadores que se usan en los equipos de descarga de coil- deiisador deberán descargarse por completo antes de intentar cualquier reparación.



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LISTA DE LECTURAS COMPLEMENTARIAS American Society of Metals. “Welding and brazing”, en Metals

Handbook, vol. 6 , Y ed., 729-738. Metals Park, Ohio, Ame- rican Society Metals, 1983.

American Welding Society. Recommended practices for stud welding, ANSYAWS C5.4. Miami, American Welding So- ciety, 1974.

. Structural Welding Code-Steel, ANSI/AWS D1.1- 90. Miami, American Welding Society, 1990.

“Automated system welds heat transfer studs”, en Welding Jour- nal 53( 1): 29-30; enero de 1974.

Baeslack, W. A., Fayer, G., Ream, S. y Jackson, C. E. “Quality control in arc stud welding”, en Welding Journal 54( 1 I): 789-798; noviembre de 1975.

Hahu, O. y Schmitt, K. G. “Microcomputerized quality control of capacitor discharge stud welding”. Proceedings; 4th Inter- national JWS Symposium, Osaka, 24-26 de noviembre de 1982, vol. 2,633-637, Japón, 1982.

Lockwood, L. F. “Gas shielded steel welding of magnesium”, en Welding Journal 46(4): 168s-174s; abril de 1967.

Masubuchi, K. et. al. “A initial study of remotely manipulated stud welding for space applications”, en Welding Journal 67(4); 25-34, abril de 1988.

Pease, C. C. “Capability studies of capacitor discharge stud welding on aluminum alloy”, Welding Journal 48(6): 253s- 257s; junio de 1969.

Pease, C. C. y Preston, F. J. “Stud welding through heavy galvanized decking”, en Welding Journal 5 l(4): 241-244; abril de 1972.

Pease, C. C., Preston, F. J. y Taranto, J. “Stud welding on 5083 aluminum and 9% nickel steel for cryogenic use”, en Welding Journal 52(4): 232-237; abril de 1973.

Shoup, T. E. “Stud welding”, Bulletin 214. Nueva York, Wel- ding Research Council, abril de 1976.



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