Tipos de Soldadura y Electrodos, Apuntes de Ciencia de materiales

¡Descarga Tipos de Soldadura y Electrodos y más Apuntes en PDF de Ciencia de materiales solo en Docsity! La soldadura es un proceso de unión de materiales en el cual se funden las superficies de contacto de dos o más piezas mediante la aplicación conveniente de calor y/o presión. Muchos procesos de soldadura se obtienen solamente por calor, sin aplicar presión; otros mediante una combinación de calor y presión; y otros más, únicamente por presión, sin suministrar calor externo. En algunos procesos de soldadura se agrega un material de relleno para facilitar la fusión. El ensamblaje de partes que se unen mediante soldadura se denomina ensamblaje soldado. La soldadura se asocia por lo regular con piezas metálicas, pero el proceso también se usa para unir plásticos. El análisis de la soldadura en este texto se enfocará en la unión de metales. La soldadura es un proceso relativamente nuevo (nota histórica 30.1). Su importancia comercial y tecnológica se deriva de lo siguiente: • La soldadura proporciona una unión permanente. Las piezas soldadas se convierten en una sola entidad. • La unión soldada puede ser más fuerte que los materiales originales, si se usa un metal de relleno que tenga propiedades de resistencia superiores a las de los materiales originales y si se emplean las técnicas de soldadura adecuadas. • Por lo general, la soldadura es la forma más económica de unir componentes, en términos del uso de materiales y costos de fabricación. Los métodos mecánicos alternativos de ensamble requieren alteraciones más complejas de las formas (por ejemplo, el taladrado de orificios) y la adición de sujetadores (por ejemplo, remaches o tuercas). Usualmente, el ensamble mecánico resultante es más pesado que la soldadura correspondiente. • La soldadura no se limita al ambiente de fábrica. Puede realizarse “en el campo”. Aunque la soldadura tiene las ventajas indicadas, también tiene ciertas limitaciones y desventajas (o desventajas potenciales): • La mayoría de las operaciones de soldadura se realizan en forma manual y son caras en términos de costo de mano de obra. Muchas operaciones de soldadura se consideran “rutinas especializadas” y la mano de obra para realizar estas operaciones puede ser escasa. • La mayoría de los procesos de soldadura son inherentemente peligrosos debido a que implican el uso de mucha energía. • Como la soldadura logra una unión permanente entre los componentes, no permite un desensamble adecuado. Si se requiere un desensamble ocasional de producto (para reparación o mantenimiento), no debe usarse la soldadura como método de ensamble. • La unión soldada puede tener ciertos defectos de calidad que son difíciles de detectar y que pueden reducir la resistencia de la unión. 30.1.1 Tipos de procesos de soldadura La American Welding Society ha catalogado más de 50 tipos diferentes de operaciones de soldadura que utilizan diversos tipos o combinaciones de energía para proporcionar la energía requerida. Los procesos de soldadura pueden dividirse en dos grupos principales: 1) soldadura por fusión y 2) soldadura de estado sólido. Soldadura por fusión Los procesos de soldadura por fusión usan calor para fundir los metales base; en muchas de las operaciones se agrega un metal de relleno a la combinación fundida para facilitar el proceso y proporcionar volumen y resistencia a la unión soldada. Una operación de soldadura por fusión en la cual no se agrega un metal de relleno se denomina soldadura autógena. La categoría por fusión incluye los procesos de soldadura de uso más amplio, los cuales pueden organizarse en los siguientes grupos generales (las iniciales entre paréntesis son designaciones en inglés, de la American Welding Society): FIGURA 30.1 Fundamentos de la soldadura con arco: 1) antes de la soldadura, 2) durante la soldadura (se funde el metal base y se agrega el metal de relleno a la combinación fundida, y 3) la soldadura terminada. Existen muchas variaciones del proceso de soldadura con arco. 30.2.2 Tipos de soldaduras Cada una de las uniones anteriores puede hacerse mediante soldadura. Es adecuado distinguir entre el tipo de unión y el modo en que se suelda, es decir, el tipo de soldadura. Las diferencias entre los tipos de soldadura están en la forma (el tipo de unión) y el proceso de soldadura. Se usa soldadura de filete para rellenar los bordes de las placas creadas mediante uniones de esquina, sobrepuestas y en te, como en la figura 30.3. Se usa un metal de relleno para proporcionar una sección transversal con una forma aproximada a la de un triángulo recto. Es el tipo de soldadura más común en la soldadura con arco y en la de oxígeno y gas combustible porque requiere una mínima preparación de los bordes, pues se usan los bordes cuadrados básicos de las partes. Las soldaduras de filete pueden ser sencillas o dobles (es decir, pueden soldarse en uno o ambos lados) y continuas o intermitentes (esto es, soldadas a lo largo de toda la longitud de la unión o con espacio sin soldar a lo largo de la pieza). FIGURA 30.3 Diversas formas de soldaduras de filete: a) unión de esquina con filete interno único; b) unión de esquina con filete externo único; c) unión sobrepuesta con filete doble y d) unión en te con filete doble. Las líneas punteadas muestran los bordes originales de las piezas. FIGURA 30.4 Algunas soldaduras con surco típicas: a) soldadura con surco cuadrado, un lado; b) soldadura con surco en bisel único; c) soldadura con surco en V único; d) soldadura con surco en U único; e) soldadura con surco en J único; f ) soldadura con surco en V doble para secciones más gruesas. Las líneas punteadas muestran los bordes originales de las piezas. Las soldaduras con surco por lo general requieren que se moldeen las orillas de las piezas en un surco para facilitar la penetración de la soldadura. Las formas con surco incluyen un cuadrado, un bisel, la V, la U y la J, en lados sencillos o dobles, como se muestra en la figura 30.4. Se usa metal de relleno para saturar la unión, por lo general, mediante soldadura con arco eléctrico o con oxígeno y gas combustible. Con frecuencia se preparan los bordes de las piezas más allá de un cuadrado básico, aunque se requiera de un procesamiento adicional, para aumentar la resistencia de la unión soldada o donde se van a soldar piezas más gruesas. Aunque se asocia más estrechamente con una unión empalmada, la soldadura con surco se usa en todos los tipos de uniones, excepto en la sobrepuesta. Las soldaduras con insertos y las soldaduras ranuradas se usan para unir placas planas, como se muestra en la figura 30.5, usando uno o más huecos o ranuras en la pieza superior, que después se rellenan con metal para fundir las dos piezas. En la figura 30.6 se muestran la soldadura de puntos y la soldadura de costura, usadas para uniones sobrepuestas. Una soldadura de puntos es una pequeña sección fundida entre las superficies de dos láminas o placas. Normalmente se requieren varias soldaduras de puntos para unir las piezas. Se asocia más estrechamente con la soldadura por resistencia. Una soldadura de costura es similar a una de puntos, excepto que consiste en una sección fundida más o menos continua entre las dos láminas o placas. FIGURA 30.5 a) Soldadura con inserto y b) soldadura ranurada. FIGURA 30.6 a) Soldadura de puntos y b) soldadura de costura. FIGURA 30.7 a) Soldadura en reborde y b) soldadura en superficie En la figura 30.7 se muestran soldaduras en rebordes y soldaduras en superficies. Una soldadura en rebordes se hace en los bordes de dos (o más) piezas, por lo general, láminas metálicas o placas delgadas, en donde al menos una de las piezas está en un reborde, como en la figura 30.7a). Una soldadura en superficie no se usa para unir el uso de electrodos de varilla. La soldadura con arco de núcleo fundente (FCAW, por sus siglas en inglés) es un proceso en el cual el electrodo es un tubo consumible continuo que contiene fundente y otros ingredientes en su núcleo. Tales ingredientes incluyen elementos desoxidantes y aleantes. El “alambre” tubular con núcleo de fundente es flexible y, por ende, puede suministrarse en forma de rollos para que sea alimentado de manera continua a través de la pistola para soldadura con arco. Existen dos versiones de la FCAW: 1) autoprotegida y 2) protegida con gas. En la primera versión de la FCAW, la protección se proporcionaba por medio de un núcleo de fundente; de allí se obtuvo el nombre de soldadura con arco de núcleo fundente autoprotegida. El núcleo en esta forma de FCAW no sólo incluye fundentes, sino también ingredientes que generan gases protectores para el arco. La segunda versión de FCAW, primordialmente para soldar aceros, obtiene la protección del arco mediante gases que se incorporan en forma externa, de manera similar a la soldadura con arco de metal y gas. Esta versión se llama soldadura con arco de núcleo fundente protegida por gas. Debido a que utiliza un electrodo que contiene su propio fundente junto con gases protectores separados, podría considerarse una combinación de la SMAW y la GMAW. Los gases protectores que se emplean de manera típica son el dióxido de carbono para aceros suaves, o mezclas de argón y dióxido de carbono para aceros inoxidables. En la figura 31.6 se ilustra el proceso de FCAW, donde el gas (opcional) sirve para distinguir los dos tipos distintos. FIGURA 31.6 Soldadura con arco de núcleo fundente. La presencia o ausencia de gas protector incorporado desde el exterior distingue los dos tipos: 1) autoprotegida, en la cual el núcleo proporciona los ingredientes protectores y 2) protegida con gas, en la cual se suministra gases protectores externos. Soldadura con arco sumergido Este proceso, creado durante la década de 1930, fue uno de los primeros de AW que se automatizaron. La soldadura con arco sumergido (SAW, por sus siglas en inglés) es un proceso que usa un electrodo de alambre desnudo consumible continuo y el arco se protege mediante una cobertura de fundente granular. El alambre del electrodo se alimenta en forma automática desde un rollo hacia dentro del arco. El fundente se introduce a la unión ligeramente adelante del arco de soldadura, por gravedad, desde un tanque alimentador, como se muestra en la figura 31.8. El manto de fundente granular cubre por completo la operación de soldadura con arco, evitando chispas, salpicaduras y radiaciones que son muy peligrosas en otros procesos de AW. Por lo tanto, el operador de la SAW no necesita usar la molesta máscara protectora que se requiere en otras operaciones (pero los anteojos de seguridad y guantes protectores sí son necesarios). La porción de fundente más cercana al arco se derrite y se mezcla con el metal de soldadura fundido para remover impurezas, que después se solidifican en la parte superior de la unión soldada y forman una escoria con aspecto de cristal. La escoria y los granos de fundente no derretidos en la parte superior proporcionan una buena protección de la atmósfera y un buen aislamiento térmico para el área de soldadura, lo que produce un enfriamiento relativamente bajo y una unión soldada de alta calidad, cuyos parámetros de tenacidad y ductilidad son notables. Como se aprecia en el esquema, el fundente no derretido que queda después de la soldadura puede recuperarse y reutilizarse. La escoria sólida que cubre la soldadura debe arrancarse, usualmente por medios manuales. FIGURA 31.8 Soldadura con arco sumergido. La GTAW es aplicable a casi todos los metales en un amplio rango de espesores para la materia prima. También puede usarse para unir diferentes combinaciones de metales distintos. Sus aplicaciones más comunes incluyen el aluminio y el acero inoxidable. Las aleaciones de hierro, los hierros colados, el plomo y por supuesto el tungsteno son difíciles de soldar mediante la GTAW. En las aplicaciones de soldadura de acero, la GTAW generalmente es más lenta y más costosa que los procesos de AW de electrodo consumible, excepto cuando se incluyen secciones delgadas y cuando se requieren soldaduras de muy alta calidad. Cuando se sueldan hojas delgadas con TIG a tolerancias muy reducidas no se agrega metal de relleno. El proceso puede realizarse de manera manual o mediante métodos de máquina y automatizados para todos los tipos de uniones. Las ventajas de la GTAW en las aplicaciones para las que es adecuada incluyen su alta calidad, que no hay salpicaduras de soldadura debido a que no se transfiere un metal de relleno a través del arco y casi no se requiere limpieza posterior a la soldadura porque no se utiliza fundente. FIGURA 31.9 Soldadura con arco de tungsteno y gas. Soldadura por arco de plasma La soldadura por arco de plasma (PAW, por sus siglas en inglés) es una forma especial de la soldadura con arco de tungsteno y gas, en la cual un arco de plasma controlado se dirige hacia el área de soldadura. En la PAW, se coloca un electrodo de tungsteno dentro de una boquilla especialmente diseñada, la cual enfoca una corriente de gas inerte a alta velocidad (por ejemplo, argón o mezclas de argón e hidrógeno) hacia la región del arco para formar una corriente de arco de plasma intensamente caliente a alta velocidad, como en la figura 31.10. También se usan el argón, el argónhidrógeno y el helio como gases protectores del arco eléctrico. FIGURA 31.10 FIGURA 31.21 Una operación típica de soldadura con oxiacetileno (OAW). Soldadura explosiva La soldadura explosiva (EXW, por sus siglas en inglés) es un proceso de estado sólido en el cual se produce una rápida coalescencia de dos superficies metálicas mediante la energía de un explosivo detonado. Por lo general se usa para unir dos metales distintos, en particular para revestir un metal sobre un metal base en áreas grandes. Las aplicaciones incluyen la producción de materias primas de láminas y placas resistentes a la corrosión destinadas a la fabricación de equipo de procesamiento en las industrias química y petrolera. En este contexto se utiliza el término revestimiento por explosión. En la EXW no se usa un metal de relleno ni se aplica calor externo. Además, durante el proceso no ocurre difusión (el tiempo es demasiado corto). La naturaleza de la unión es metalúrgica, en muchos casos combinada con un entrelazado mecánico producido por una interfaz ondulada o rizada entre los metales. FIGURA 31.27 Soldadura explosiva (EXW): 1) disposición en la configuración paralela y 2) durante la detonación de la carga explosiva. Soldadura por fricción La soldadura por fricción es un proceso comercial ampliamente usado y es conveniente para los métodos de producción automatizada. El proceso fue creado en la antigua Unión Soviética, y fue introducido en Estados Unidos alrededor de 1960. La soldadura por fricción (FRW, por sus siglas en inglés) es un proceso en estado sólido en el cual se obtiene la coalescencia mediante una combinación de calor por fricción y presión. La fricción se induce mediante el frotamiento mecánico entre las dos superficies, generalmente por la rotación de una pieza respecto a la otra, con el propósito de elevar la temperatura en la interfaz de unión hasta un rango de trabajo caliente para los metales involucrados. Después, las piezas se dirigen una hacia otra con suficiente fuerza para formar una unión metalúrgica. La secuencia se ilustra en la figura 31.28 para soldar dos piezas cilíndricas, la aplicación típica del proceso. La fuerza de compresión axial recalca las piezas y se produce un reborde por el material desplazado. Cualquier película superficial que se encuentre sobre las superficies de contacto es expulsada durante el proceso. Después debe emparejarse el reborde (por ejemplo, por torneado) para proporcionar una superficie lisa en la región soldada. Cuando se realiza en forma correcta, no ocurre una fusión en las superficies de empalme. Normalmente no se usa metal de relleno, ni fundentes o gases protectores. FIGURA 31.28 Soldadura por fricción (FRW): 1) pieza rotatoria, sin contacto; 2) piezas puestas en contacto para generar calor por fricción; 3) rotación detenida y presión axial aplicada; y 4) soldadura creada.