Tipos de Soldaduras., Diapositivas de Procesos de Producción

¡Descarga Tipos de Soldaduras. y más Diapositivas en PDF de Procesos de Producción solo en Docsity! Por: Ing. Santiago Choto. SOLDADURA Tema 1.5. - El Arco Eléctrico Á re a d e m a te ri a le s - S e c c ió n In g e n ie rí a M e c á n ic a Motivación 2 ▪ Para soldar se requiere usualmente calor. ▪ Este calor puede provenir de tres fuentes: eléctricas, químicas o mecánicas. ▪ Existen 4 métodos para generar “eléctricamente” calor: Arco eléctrico, Haz de electrones, Resistencia eléctrica y radiación electromagnética. ▪ Hoy analizaremos el ARCO ELÉCTRICO. Á re a d e m a te ri a le s - S e c c ió n In g e n ie rí a M e c á n ic a Física del arco eléctrico 5 El arco eléctrico conductores separados ligeramente, ▪ “Es una descarga continua entre dos por donde pasa la corriente eléctrica, al hacerse conductor el aire o gas que está comprendido entre ellos” ▪ Se manifiesta con gran desprendimiento de: • Luz y • Calor Á re a d e m a te ri a le s - S e c c ió n In g e n ie rí a M e c á n ic a Física del arco eléctrico (2) CÁTODO (ÁNODO) COLUMNA DE PLASMA 6 Á re a d e m a te ri a le s - S e c c ió n In g e n ie rí a M e c á n ic a Física del arco eléctrico (3) 7 Propiedades ✓ Proporciona alta intensidad de calor. ✓ Se puede controlar con parámetros eléctricos. ✓ Elimina óxidos superficiales. ✓ Afecta directamente al tipo de transferencia del metal. ✓ Existe en un medio conductor gaseoso. Á re a d e m a te ri a le s - S e c c ió n In g e n ie rí a M e c á n ic a Física del arco eléctrico (6) ➢ A una temperatura elevada se puede conseguir que el gas se ionice ➢ El plasma estará formado por átomos donde alguno o todos sus electrones se han separado dejando un ión positivo 10 + + + + + + + + 11 Área de materiales - Sección Ingeniería Mecánica Física del arco eléctrico (7) Á re a d e m a te ri a le s - S e c c ió n In g e n ie rí a M e c á n ic a Física del arco eléctrico (8) 12 Flujo de cargas eléctricas ▪ En la separación entre dos polos con una determinada tensión, no fluye ninguna corriente debido a que el aire es un mal conductor eléctrico. ▪ Sin embargo se puede establecer un flujo de cargas eléctricas bajo ciertas condiciones, cuando la distancia entre ambos polos es muy corta y la tensión es alta. Á re a d e m a te ri a le s - S e c c ió n In g e n ie rí a M e c á n ic a Física del arco eléctrico (11) 15 Emisión de electrones ▪ El número de iones y electrones generados depende directamente de la magnitud del campo eléctrico, que a su vez está en relación a la tensión del campo eléctrico. ▪ La descompensación producida por la carga positiva generada con la emisión de los electrones produce un efecto de freno a la emisión. ▪ Por eso, para liberar a los electrones se necesita una determinada energía que se mide en electrón-voltios (eV). Á re a d e m a te ri a le s - S e c c ió n In g e n ie rí a M e c á n ic a Física del arco eléctrico (12) 16 Emisión de electrones ▪ La energía de emisión es una propiedad específica de los materiales y por esta razón es diferente para cada metal. ▪ Los óxidos metálicos tienen generalmente más baja emisividad que los metales puros, por eso es que se interrumpe el arco voltaico en las superficies metálicas oxidadas. Á re a d e m a te ri a le s - S e c c ió n In g e n ie rí a M e c á n ic a Física del arco eléctrico (13) 17 Metal Energía de emisión en eV Hierro 4.79 Cobre 4.82 Aluminio 3.95 Bario 2.29 Cesio 1.36 Tungsteno 5.36 Torio 3.57 Tungsteno torio 2.62 Á re a d e m a te ri a le s - S e c c ió n In g e n ie rí a M e c á n ic aLa ionización se consigue por el choque de electrones que salen de uno de los electrodos con el gas. Un gas parcialmente ionizado o ionizado sedenomina plasma. La ionización del gas puede lograrse mediante una elevada temperatura. + 20 Física del arco eléctrico (16) Á re a d e m a te ri a le s - S e c c ió n In g e n ie rí a M e c á n ic a Física del arco eléctrico (17) 21 Ionización por impacto ▪ Con el impulso en dirección al ánodo, los electrones impactan contra las moléculas del gas presente entre los polos, provocando la disociación en los átomos. ▪ Con el impacto de otros electrones los átomos disociados son convertidos en iones positivos, puesto que se desprenden los electrones de las capas superiores. ▪ El ión positivo generado es atraído por el cátodo, y el electrón libre es una nueva carga negativa. Á re a d e m a te ri a le s - S e c c ió n In g e n ie rí a M e c á n ic a Física del arco eléctrico (18) 22 Ionización por impacto ▪ Los nuevos electrones impactan nuevamente contra otras partículas, generando sucesivamente más cargas positivas y negativas. ▪ El número de iones positivos y de electrones se incrementa hasta establecer un flujo permanente en forma de un arco eléctrico entre ambos polos, en el que existe un flujo de partículas en ambas direcciones. Á re a d e m a te ri a le s - S e c c ió n In g e n ie rí a M e c á n ic a Física del arco eléctrico (21) 25 Encendido por contacto ▪ Por contacto de un electrodo con la superficie metálica, para levantar la varilla y establecer el arco. ▪ Con una pastilla de viruta metálica que se funde al calor del arco, estableciéndose el flujo eléctrico mientras se mantenga la distancia entre ambos polos. Á re a d e m a te ri a le s - S e c c ió n In g e n ie rí a M e c á n ic a Física del arco eléctrico (22) 26 Encendido por contacto ▪ La superficie real de contacto entre ambos polos es relativamente pequeña, se ha establecido que está entre el 0.1 al 1% de la superficie expuesta al corto circuito. ▪ Esto produce un alta densidad de corriente en los puntos de contacto. ▪ Para una intensidad de 200 A en un electrodo de 4 mm la densidad de corriente puede ser de 1,600 hasta 16,000 A/mm2. Á re a d e m a te ri a le s - S e c c ió n In g e n ie rí a M e c á n ic a Física del arco eléctrico (23) Encendido sin contacto 27 Á re a d e m a te ri a le s - S e c c ió n In g e n ie rí a M e c á n ic a Física del arco eléctrico (26) 30 Curva característica del arco ▪ Se distinguen dos zonas, con variación de la tensión y la corriente. relación a la intensidad de ▪ La zona de la Ley de Ohm es la de mayor utilización en los procesos de soldeo. ▪ Existen dos rectas definidas como arco corto y arco largo. ▪ La zona de Airton encuentra aplicación en el proceso microplasma. Á re a d e m a te ri a le s - S e c c ió n In g e n ie rí a M e c á n ic a Física del arco eléctrico (27) 31 Curva característica de la fuente ▪ En realidad la corriente al inicio del arco es dos a tres veces mayor a la corriente del arco a establecer. ▪ En la curva característica de la fuente de poder se representa la variación dinámica de la intensidad en el instante del encendido del arco, donde la corriente de cortocircuito ICC es mayor que la corriente de soldeo Is. Á re a d e m a te ri a le s - S e c c ió n In g e n ie rí a M e c á n ic a Física del arco eléctrico (28) I U Uo Us Is ID Curva estática de la 32 fuente. Curva de encendido. A Curva del arco. A es el punto de trabajo. ICC Á re a d e m a te ri a le s - S e c c ió n In g e n ie rí a M e c á n ic a 35 Distribución de la tensión (2) Zonas del arco eléctrico ▪ La gradiente de voltaje es mucho mayor cerca de las superficies de los electrodos (109 V/m) , en comparación con la columna de plasma (103V/m). ▪ La densidad de corriente puede ser de 107 A/m2 en la columna de plasma, mayor a 1012 A/m2 en el cátodo, y hasta de 109 A/m2 en el ánodo. 3 6 Área de materiales - Sección Ingeniería Mecánica Distribución de la tensión (3) Á re a d e m a te ri a le s - S e c c ió n In g e n ie rí a M e c á n ic a Distribución de la tensión (4) 37 El voltaje mínimo depende de: ▪ Tamaño del cátodo. ▪ Material del cátodo. ▪ Tamaño, material y temperatura del ánodo. ▪ Naturaleza del gas protector. ▪ Longitud del arco. 40 Generación de calor Clasificación de arcos ✓Con electrodo no consumible ✓Con electrodo consumible Á re a d e m a te ri a le s - S e c c ió n In g e n ie rí a M e c á n ic a Generación de calor (2) Arco con electrodo no consumible 41 Á re a d e m a te ri a le s - S e c c ió n In g e n ie rí a M e c á n ic a 42 Generación de calor (3) Arco con electrodo no consumible ▪ Configuración Punto-a-plano ▪ Tiene dos zonas axiales concéntricas: • Plasma : Zona interna y camino principal de conducción de corriente debido a su estado altamente ionizado (gases y sólidos vaporizados). Tiene mayor temperatura. • Manto: Zona externa de menor temperatura. Aquí las moléculas disociadas y los átomos ionizados vuelven a su estado estado normal y los metales vaporizados se condensan. Á re a d e m a te ri a le s - S e c c ió n In g e n ie rí a M e c á n ic a 45 Generación de calor (5) Arcos con electrodos consumibles ▪ Mediante la composición del flux del metal de aporte se puede hacer modificaciones en las distribuciones de calor naturales. ▪ Las composiciones del flux y los parámetros de soldadura también pueden modificar la forma de transferencia del metal de soldadura. • Transferencia de cortocircuito (gotas que momentáneamente establecen un puente) • Transferencia spray (gotas finas) • Transferencia por arco pulsado • Transferencia globular (gotas grandes) Á re a d e m a te ri a le s - S e c c ió n In g e n ie rí a M e c á n ic a 46 Generación de calor (6) Transferencia por corto circuito Á re a d e m a te ri a le s - S e c c ió n In g e n ie rí a M e c á n ic a Generación de calor (7) Transferencia por spray 47 Á re a d e m a te ri a le s - S e c c ió n In g e n ie rí a M e c á n ic a Generación de calor (10) 50 Fenómenos catódicos ▪ Existen cátodos termoiónicos y no termoiónicos. ▪ El foco de emisión termiónica en el cátodo suele ocupar una posición fija. ▪ El foco de emisión de cátodo no termiónico es móvil, se compone de un cierto número de zonas de emisión muy agrupadas. Á re a d e m a te ri a le s - S e c c ió n In g e n ie rí a M e c á n ic a 51 Generación de calor (11) Fenómenos catódicos ▪ Bajo ciertas circunstancias, altas corrientes y focos de emisión en lento movimiento, aparecen chorros de partículas alejándose del foco. ▪ Los chorros se pueden deber a: 1. Ebullición del material del electrodo 2. Vaporización de las capas superficiales 3. Reacción química con generación de gas 4. Flujos de gas en la columna de plasma 5 2 Generación de calor (12) Área de materiales - Sección Ingeniería Mecánica Generación de calor (15) e o Repolled Projected Streaming — Tr "Rota Short-circuiting Flux-wall-guided ¿ Generación de calor (16) S0r e2.5 mmSMAW GMA 1.6 mm GMA 1.6 mm Lesnewch Ludwig 80 GMA INM SAW SAW | SAW 1.2 mm 3 mm 4mm|5 mm 70 sor e E BOP 3 40+- o 30+ 20+- SMAW 10/3-25 mm o 100 200 300 400 500 600 700 1000 Current (A) Generación de calor (17) 57 Fenómenos anódicos ✓En muchos aspectos la región anódica es muy similar a la región catódica. ✓El ánodo influye fundamentalmente en la continuidad de la corriente, pero ejerce menos influencia que el cátodo en la estabilidad del arco. ✓La caída de tensión en el ánodo es relativamente pequeña de 1 a 12 voltios y la densidad de corriente puede llegar a 108 A/m2 Á re a d e m a te ri a le s - S e c c ió n In g e n ie rí a M e c á n ic a Generación de calor (20) 60 Energía térmica del arco eléctrico ✓La energía del arco eléctrico esta en función directa de la tensión y la intensidad. ENERGIA = TENSIÓN * INTENSIDAD*TIEMPO Energía (calor): Julios Tensión: Voltios Intensidad: Amperios Tiempo: segundos Á re a d e m a te ri a le s - S e c c ió n In g e n ie rí a M e c á n ic a 61 Generación de calor (21) Energía térmica del arco eléctrico Las pérdidas de calor se deben a: ✓Conducción térmica del metal base. ✓La convección ✓La radiación ✓La difusión Así mismo, dependen de la eficiencia térmica del proceso de soldeo. Generación de calor (22) 50,000 | SAW 1 = 90-99% £ O SMA. and 10,000 GMA 1 = G6-85% = 5000|- B| = y 36 1000!- sooL- 3 i 4 5 j 10 5.0 10 50 Arc power (kW) Á re a d e m a te ri a le s - S e c c ió n In g e n ie rí a M e c á n ic a La polaridad y sus características (2) Corriente Continua (CC) 65 Á re a d e m a te ri a le s - S e c c ió n In g e n ie rí a M e c á n ic a La polaridad y sus características (3) Polaridad directa • La zona más caliente es la pieza de trabajo (ánodo). - + e- Iones + 66 • Cordones más anchos, menor penetración. • El electrodo soportará mayores intensidades (8 veces) ya que se calienta menos. • No se produce decapado. Á re a d e m a te ri a le s - S e c c ió n In g e n ie rí a M e c á n ic a La polaridad y sus características (4) + - e-Iones + 67 Polaridad inversa • La zona más caliente es el electrodo (ánodo), se realiza un decapado del material base (cátodo). • Cordones poco anchos, mayor penetración. • Excesivo calor en el electrodo (sobrecalentamiento y deterioro). • Limpieza de óxidos de la pieza de trabajo. Á re a d e m a te ri a le s - S e c c ió n In g e n ie rí a M e c á n ic a 70 La polaridad y sus características (7) Onda cuadrada 7 1 5. Influencia en los procesos de soldeo Á re a d e m a te ri a le s - S e c c ió n In g e n ie rí a M e c á n ic a Procesos de soldeo 72 Influencia en los procesos de soldeo ✓La resistencia de la columna de plasma es muy variable en cada proceso y en cada tipo de transferencia. ✓Los procesos con escoria también diferentes resistencias de arco debido componentes del fundente. tienen a los ✓En los procesos semiautomáticos se definen 3 zonas en función al tipo de transferencia: Corto circuito, Globular y Rocío. Á re a d e m a te ri a le s - S e c c ió n In g e n ie rí a M e c á n ic a Procesos de soldeo (4) 75 Soldeo con los procesos semiautomáticos ✓Para los procesos MIG (131) y MAG (135) solo es posible obtener un arco estable con corriente continua. ✓La polaridad directa genera un arco errático y tiene mayor cantidad de proyecciones. ✓Para algunos alambre tubulares de los procesos FCAW autoprotegido (114) y protegido con gas activo (136), fabricados para recargue, es conveniente el soldeo con polaridad directa. Á re a d e m a te ri a le s - S e c c ió n In g e n ie rí a M e c á n ic a Procesos de soldeo (5) 76 Soldeo con los procesos semiautomáticos ✓En los procesos semiautomáticos 131 y 135 normalmente no se utiliza corriente alterna CA. ✓En el proceso SAW se puede utilizar tanto la corriente alterna como la corriente continua. ✓SAW, soldeo con polaridad inversa para los procesos de unión con un solo alambre. ✓En los procesos TANDEM, el primer electrodo con polaridad inversa y los siguientes con corriente alterna CA. Á re a d e m a te ri a le s - S e c c ió n In g e n ie rí a M e c á n ic a 6. Distribución de temperaturas en el arco eléctrico y sus efectos 77 Á re a d e m a te ri a le s - S e c c ió n In g e n ie rí a M e c á n ic a 80 Temperatura en el arco • Existen mermas de calor debidas a la conducción térmica del metal base, a la convección, a la radiación y difusión. • Estas mermas están en equilibrio con la potencia eléctrica suministrada. • La conductividad térmica de los protección influye directamente temperaturas máximas alcanzadas. gases de en las Distribución de temperaturas (3) 8 1 Distribución de temperaturas (4) Área de materiales - Sección Ingeniería Mecánica 8 2 Distribución de temperaturas (5) Área de materiales - Sección Ingeniería Mecánica Á re a d e m a te ri a le s - S e c c ió n In g e n ie rí a M e c á n ic a 85 Efectos del soplo de arco ▪ La columna de plasma, como todo conductor, tiene un campo magnético transversal que gira alrededor del eje del arco. de arco a la desviación▪ Se denomina soplo lateral del arco. ▪ Se puede originar por: • Excentricidad de los electrodos • Viento o movimiento relativo del arco respecto a la atmósfera que le rodea. • Campos magnéticos transversales. Efectos del campo magnético 8 6 Área de materiales - Sección Ingeniería Mecánica Efectos del campo magnético (2) 87 Á re a d e m a te ri a le s - S e c c ió n In g e n ie rí a M e c á n ic a Efectos del campo magnético (3) ➢ EL SOPLO MAGNÉTICO ES LA DESVIACIÓN DEL ARCO DE SOLDEO PRODUCIDO POR LA DISTORSIÓN DEL CAMPO MAGNÉTICO EXISTENTE ALREDEDOR DEL ARCO ➢ Se suele presentar en los extremos de las piezas que se sueldan cuando éstas son ferromagnéticas Á re a d e m a te ri a le s - S e c c ió n In g e n ie rí a M e c á n ic a Efectos del campo magnético (6) 90 Solución 2: Colocación de apéndices en los extremos de las planchas para disminuir el soplo magnético Á re a d e m a te ri a le s - S e c c ió n In g e n ie rí a M e c á n ic a Efectos del campo magnético (7) ➢ Problema: Producido por la conexión a tierra 91 92 Efectos del campo magnético (8) ➢ Solución: Es conveniente colocar la conexión a tierra tan lejos como sea posible de las piezas que se van a soldar Á re a d e m a te ri a le s - S e c c ió n In g e n ie rí a M e c á n ic a Efectos del campo magnético (11) Efecto Pinch (pellizco) 95 Á re a d e m a te ri a le s - S e c c ió n In g e n ie rí a M e c á n ic a 96 Efecto Pinch (pellizco) ✓Las fuerzas electromagnéticas (Lorenz) transversales producen la estrangulación de la gota que se forma en el extremo del electrodo. ✓Las fuerzas de Lorenz aumentan proporcionalmente al cuadrado de la densidad de corriente. ✓La acción centrípeta produce una resultante en dirección axial. ✓La fuerza axial produce la aceleración de la gota, la que es lanzada hacia el metal base. Efectos del campo magnético (12) 9 7 Efectos del campo magnético (13) Área de materiales - Sección Ingeniería Mecánica