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NOTIACESCO • Edición Nº 4 • Abril de 2009 PROCESOS DE SOLDADURA

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PROCESOS DE SOLDADURA La soldadura como método de unión de dos piezas metálicas ha resultado ser un proceso vital en el desarrollo de las estructuras, fácil de emplear y con gran efectividad, implicando variables que deben ser consideradas detalladamente si se quiere un resultado óptimo. Hoy día la ciencia ha avanzado mucho en materia de soldadura, permitiendo la utilización de tecnologías vanguardistas como robots y procesos automáticos de gran velocidad, pero que en su mayor parte se realiza en taller. Este boletín describe los principales aspectos a tener en cuenta para una excelente unión de dos piezas soldadas, los procesos más comunes (Arco eléctrico, por llamas, por puntos y por presión) y recomendaciones generales para conseguir la cohesión idónea de las partes a unir.

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1. Uniones mediante Soldadura

La soldadura puede definirse como un proceso de unión de partes, principalmente implicando la cohesión localizada de ellas por fusión y/o presión, generalmente con un elemento o material de aporte. Las piezas a unir se conocen como material base y el proceso conlleva a la formación de cristales comunes por difusión en la frontera de unión. Dentro de las características más importantes que se deben tener en cuenta para obtener excelentes resultados en el proceso de soldadura están: Composición química, tamaño de grano y el espesor de la placa. a. Composición química El elemento más importante que afecta la soldabilidad es el carbono, sin embargo, el efecto de otros elementos también se tiene en cuenta mediante una fórmula de carbono equivalente. Se obtienen mejores resultados en la soldadura a medida que el carbono equivalente es menor, debido a que la máxima dureza y la fragilidad, que un acero puede llegar a alcanzar después de un rápido descenso de temperatura con medios enfriadores, es directamente proporcional al carbono equivalente. Esta relación se puede observar en la Figura 1. Aleaciones de Ni, Cr y Mo en el acero permiten el endurecimiento con bajas tasas de enfriamiento, incluso aumentando la dureza a distancias alejadas de la superficie; el precalentamiento es la solución más común para la disminución de la tasa de enfriamiento y dureza.

60 255

50 Máxima dureza para aceros al carbono y aleados

40

180 140

30 20 10

0

0.20

0.40

0.60

0.80

0.0

ESFUERZO DE TENSIÓN EQUIVALENTE Ksi

MÁXIMA DUREZA, ROCKWELL C.

70

PORCENTAJE DE CARBONO

Figura 1. Máxima dureza obtenida para tasas de enfriamiento elevadas en función del porcentaje de carbono del acero

Los electrodos son diseñados usualmente para depositar un material de aporte con un contenido del 0.008% a 0.12% de carbono para evitar agrietamiento. b. Tamaño de Grano Se obtienen buenos resultados en la soldadura para aceros con un tamaño de grano fino1; el tamaño de grano es una de las principales variables que afectan la ductilidad y la resistencia al impacto. Un grano es una porción del material dentro del cual el arreglo de los átomos es casi idéntico. Los materiales de ingeniería normalmente son policristalinos. La orientación del arreglo de átomos, ó estructura cristalina, es distinta en cada grano vecino. La zona donde se encuentran 2, ó más granos, se denomina límite de grano, y es la zona donde se detienen las dislocaciones producto de las cargas externas. Un método para controlar las propiedades de un material metálico es controlar su tamaño de grano. Al reducir este, se aumenta su cantidad, y en consecuencia se aumenta la cantidad de superficies límites aumentando la resistencia del mismo. Se obtie(1)

nen buenos resultados en la soldadura para aceros con un tamaño de grano fino. c. Espesor En general, si el espesor a ser soldado disminuye, se mejora la soldabilidad del material. Las láminas gruesas absorben el calor con tasas de enfriamiento más rápidas que las láminas delgadas usando el mismo tipo de soldadura. Una solución parcial para ello es precalentar la lámina y mantenerla a una temperatura de unos cientos de grados centígrados para las condiciones de operación de la soldadura.

2. Tipos de Soldadura

Los procesos de soldadura más conocidos son: Arco eléctrico, por llamas, por puntos, por presión, etc. Para su elección se debe realizar un análisis técnico económico. a. Arco El calor de fusión es obtenido mediante un arco eléctrico entre las piezas y un electrodo que puede ser de aporte o no. El electrodo puede ser una varilla metálica recubierta, dicho recubrimiento cuando se vaporiza es una de las formas empleadas para garantizar una atmósfera protectora para el material localmente fundido durante el proceso. Porta electrodo Electrodo Máquina para soldar

Arco Cable de masa

Pieza

Cable del electrodo

Figura 1. Esquema general soldadura por arco eléctrico.

Se define grano como aquella estructura de segunda fase conformada por la aglomeración de celdas unitarias las cuales están constituidas por átomos. El acero estructural utilizado en ACESCO posee grano de tamaño fino para laminado en frío, grano grande para laminado en caliente y tamaño regular para el galvanizado. Los metales de grano pequeño tienen mayor resistencia a la tracción, mayor dureza y se distorsionan menos durante el temple, así como también son menos susceptibles al agrietamiento. Los aceros de grano grande son más dúctiles.

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b. Llama o Gas El potencial eléctrico para obtener la coalescencia del metal base se obtiene de la llama generada en la quema de un combustible (Gas natural, Butano, Propano, Acetileno, Gasolina, etc.) en presencia de oxigeno, O2. Normalmente el metal de aporte es desnudo y se alcanzan temperaturas hasta de 3300° C dependiendo del material base.

mucha resistencia eléctrica, no se utilizan consumibles, es un proceso automatizable especial para espesores delgados.

Manómetro de alta presión

El siguiente esquema muestra la distribución de temperatura en las vecindades del metal base al momento de aplicar cualquier tipo de soldadura:

Llave de paso Manómetro de baja presión Válvula Antirretroceso

d. Soldadura por presión Se aplica calor sin lograr la fusión total, se llevan los materiales hasta el estado plástico y se aplica presión hasta conseguir la unión. Dentro de esta naturaleza de procesos incluye la soldadura por forja.

Llave de corte

Boquilla Soplete

Combustible (C2H2)

Oxígeno (O2) Válvula Antirretroceso

Extintor

Mangueras flexibles

Figura 3 distribución de temperatura en ZAC.

3. Ventajas y desventajas de la soldadura Figura 2 Esquema general soldadura por llama.

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c. Soldadura por resistencia Las partes a unir se presionan una contra otra por un electrodo, se hace circular una corriente elevada y el potencial energético para la coalescencia se obtiene del efecto joule sobre materiales a unir de

Dentro de las ventajas y desventajas prácticas en la selección de la soldadura como método de conexión se pueden listar las siguientes: Ventajas • Bajo cargas estáticas no inducen concentraciones de esfuerzo importantes y puede por tanto reemplazar a los remaches con bajo nivel de ruido.

•

•

•

Es un método de unión económicamente ventajoso para producción de volúmenes pequeños. Puede requerir procesos mecánicos más simples que otros métodos de unión como las roscadas o remachadas en determinados espesores, especialmente en los bajos. Es un proceso flexible en que la maquinaria utilizada se puede adaptar fácilmente a cambios en el diseño con bajo costo herramental.

Soldaduras de Filete Agudo

Obtuso

4. Configuraciones de soldadura y posiciones del electrodo

Concavo

Convexo

Longitud del Garganta Cateto Raíz

Longitud del Cateto

J simple

U simple

Soldaduras a tope Cuadrada

Bisel simple

V sencilla con apoyo Bisel doble V sencilla

Doble V

Desventajas • Limitado desempeño a cargas dinámicas que implica la realización de tratamientos mecánicos y térmicos para mejorarlo. • Emisión de radiaciones y calor que pueden afectar la salud de los operarios. • Elevada dificultad para la separación. • Requiere de personal de adecuada calificación para su realización. • Introduce concentración de esfuerzos y tensiones residuales. • Introduce deformaciones no deseables. • Puede requerir técnicas de inspección o ensayo especiales para garantizar la eficiencia de la junta y controlar los defectos que pueden ser focos potenciales para la nucleación y crecimiento de fisuras, especialmente en carga dinámica o estática bajo determinadas condiciones de temperatura o químicas. • Su diseño puede implicar la aplicación de modelos de mecánica de la fractura.

Múltiple

Múltiple

Agudo

Bisel sencillo con apoyo

Soldaduras de esquina

Soldaduras traslapadas Soldadura de borde

Figura 4. Configuraciones de soldaduras Soldadura acanalada

Soldadura de filete

(a) Plana

(b) Horizontal

(c) Vertical

Las diferentes configuraciones de uniones mediante soldaduras las encontramos en la Figura 4. Las diferentes posiciones del soldador en las que se puede ejecutar las soldaduras se ilustran en la Figura 5.

(d) Sobrecabeza

Figura 5. Posiciones de aplicación de soldadura

5

5. Materiales y procedimientos de soldaduras en perfiles ACESCO El Instituto Americano de Soldadura (American Welding Society, AWS) utiliza un sistema de codificación para los electrodos de consumo con el objeto de designar el esfuerzo de fluencia y la combinación de sus recubrimientos. Los procesos de soldadura discutidos en este boletín corresponden a los de arco: Soldadura de arco con metal de aporte protegido (shielded metal arc welding, SMAW), soldadura de arco sumergido (Submerged arc welding, SAW), soldadura de arco metálico gaseoso (Gas-metal arc welding, GMAW) y soldadura de arco con núcleo fundente (Flux-cored arc welding, FCAW). Estos procesos usan energía eléctrica de una descarga de arco entre el electrodo de acero y el metal base para proporcionar el calor de fusión. Los más utilizados para la formación de perfiles tipo cajón de Acesco y, en general, para el ensamble de estructuras metálicas con perfiles formados en frío son el SMAW y el GMAW, y su elección depende en gran medida de las condiciones ambientales del lugar donde se realice la obra.

PRINCIPIO DE SMAW

Tansferencia de metal Arco

Electrodo recubierto

Gas de protección

Pieza de trabajo

Figura 6 Esquema de aplicación de soldadura SMAW en perfiles formados en frío.

En este proceso, se mantiene un Arco Eléctrico entre la punta de un electrodo cubierto (Coated Electrode) y la pieza a trabajar. Las gotas de metal derretido son transferidas a través del arco y son convertidas en un cordón de soldadura; un escudo protector de gases es producido de la descomposición del material fundente que cubre el electrodo, además, el fundente también puede proveer algunos com-

Clasf.

Corriente

Arco

Penetración

Fundente y Escoria

EXX10 EXXX1 EXXX2 EXXX3

DCEP AC o DCEP AC o DCEN AC o DCEP o DCEN AC o DCEP o DCEN DCEP AC o DCEP AC o DCEP AC o DCEN

Penetrante Penetrante Mediano Suave

Profunda Profunda Mediana

Celuloso - Sodio (0-10% de polvo de hierro) Celuloso - Potasio (0-10% de polvo de hierro) Titanio - Sodio (0-10% de polvo de hierro) Titanio - Potasio (0-10% de polvo de hierro)

Mediano Mediano Mediano Mediano

Mediana Mediana Mediana Mediana

Bajo Hidrógeno - Sodio (0% de polvo de hierro) Bajo Hidrógeno - Potasio (0% de polvo de hierro) Bajo Hidrógeno - Polvo de hierro (25-40% de polvo de hierro) Óxido de hierro - Sodio (0% de polvo de hierro)

AC o DCEN o DCEP AC o DCEN o DCEP AC o DCEN o DCEP AC o DCEP AC o DCEP

Mediano

Mediana

Óxido de hierro - Sodio (0% de polvo de hierro)

Suave

Ligera

Titanio - Polvo de hierro (50% de polvo de hierro)

Mediano

Mediana

Öxido de hierro - Polvo de hierro (50% de polvo de hierro)

Mediano Mediano

Mediana Mediana

Bajo Hidrógeno - Polvo de hierro (50% de polvo de hierro) Bajo Hidrógeno - Polvo de hierro (25-40% de polvo de hierro)

EXXX4 EXXX5 EXXX6 EXXX8 EXX20 EXX22 EXX24 EXX27 EXX28 EXX48

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a. Soldadura de arco con metal de aporte protegido (SMAW)

Titanio - Polvo de hierro (25-40% de polvo de hierro)

Suave

DCEP - Corriente Directa Electrodo Positivo. DCEN - Corriente Directa Electrodo Negativo. Nota: El porcentaje del polvo de hierro esta calculado en base al peso del fundente.

Tabla 2. Codificación de usabilidad del electrodo

plementos a la aleación, la escoria derretida se escurre sobre el cordón de soldadura donde protege el metal soldado aislándolo de la atmósfera durante la solidificación, esta escoria también ayuda a darle forma al cordón de soldadura especialmente en soldadura vertical y sobre cabeza. La escoria debe ser removida después de cada procedimiento. En la corriente de arco, la humedad cae y libera átomos de hidrógeno los cuales son fácilmente solubles en el hierro fundido. Cuando se solidifica la soldadura, el hidrógeno se vuelve menos soluble y los átomos son expulsados combinándose para formar moléculas de H2 menos volátiles. Esta molécula de hidrógeno puede combinarse con los esfuerzos de contracción para ejercer presión en las imperfecciones internas lo cual es suficiente para causar fisuras y grietas en la soldadura. Lo anterior puede prevenirse manteniendo el contenido de humedad de los electrodos consumibles bajo niveles específicos y un apropiado precalentamiento. Existen dos tipos de Especificaciones de la AWS para los electrodos del proceso SMAW: El AWS A5.1 y AWS A5.5 resumidos en las siguientes tablas: Clasificación AWS para los metales de aporte de la especificación A5.1 Electrodo cubierto de acero dulce

E-XXXX (1) (2) (3) (4) (5) (1) Lo identifica como electrodo. (2) y (3) Dos primeros dígitos indican su resistencia a la tensión x 1000 psi. (4) Indica posición que se debe usar para optimizar la operación del electrodo. (5) Indica la usabilidad del electrodo, Ej: tipo de corriente y tipo de fundente, en algunos casos, tercer y cuarto dígito son muy significativos.

Tabla 1. Clasificación AWS A5.1 Ejemplo: E-6010 E = Electrodo cubierto. 60 = 60 x 1000 Psi = 60.000 Psi de fuerza de tensión. 1 = Cualquier posición (de piso, horizontal, vertical y sobrecabeza) (Ver Tabla 3) 0 = DCEP (Direct Current Electrode Positive) Corriente Directa DC Electrodo Positivo + (Ver Tabla 2)

Clasf.

Posición

EXX1X

Cualquier posición (de piso, horizontal, sobrecabeza y vertical)

EXX2X

Horizontal y de piso solamente

EXX3X

De piso solamente

EXX4X

De piso, sobrecabeza, horizontal y vertical hacia abajo

Tabla 3. Codificación para posición del electródo

Clasificación AWS para los metales de aporte de la especificación A5.5 Electrodo cubierto de baja aleación de acero

E-XXXX-XX (1) (2) (3) (4) (5) (6) (7) (1) Lo identifica como electrodo. (2) y (3) Dos primeros dígitos indican su resistencia a la tensión x 1000 psi. (4) Indica posición que se debe usar para optimizar la operación del electrodo. (5) Indica el uso del electrodo, Ej: Tipo de corriente y tipo de fundente, en algunos casos, tercer y cuarto digito son muy significativos. (6) y (7) Composición química del material después de depositado.

Tabla 4. Clasificación AWS A5.5

Ejemplo: E-7018-Mo E = Electrodo cubierto 70 = 70 x 1000 Psi = 70.000 Psi de fuerza de tensión. 1 = Cualquier posición, (de piso, horizontal, vertical y sobre cabeza) (Ver Tabla 3) 8 = AC o DCEP Corriente Alterna o Directa con Electrodo Positivo + (Ver Tabla 2) Mo= Molibdeno en el material después de depositado.

Los electrodos con bajo contenido de hidrógeno E7015, E7016, E7018 y E7028 tienen recubrimientos especiales generados por tratamientos, manteniendo un contenido de humedad limitada (Hidrógeno) por peso. A medida que el esfuerzo de tensión de diseño del metal base aumenta, se deben seleccionar electrodos con bajo contenido de humedad para evitar el agrietamiento de la soldadura. Los electrodos se deben almacenar en hornos de secado para evitar que absorban humedad del ambiente. Este método (SMAW) se emplea frecuentemente cuando se presentan altas velocidades de viento en el punto de ejecución de la soldadura.

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b. Soldadura de arco metálico gaseoso (GMAW)

MIG ( SOLDADURA METAL GAS INERTE ) Metal

Contacto Tubo- Vc

Gas inerte Arco

Pieza de trabajo ( perfiles )

65% es aprovechado como parte de la soldadura, el uso de alambre solido y el alambre tubular ha incrementado la eficiencia entre 80-95% a los procesos de soldadura. El proceso MIG opera en D.C. (Corriente directa) usualmente con el alambre como electrodo positivo. Las corrientes de soldadura varían desde unos 50 amperios hasta 600 amperios, en muchos casos en voltajes de 15V hasta 32V; se obtiene un arco auto-estabilizado con el uso de un sistema de fuente de poder de potencia constante (voltaje constante) y una alimentación constante del alambre. Existen dos especificaciones de la AWS para electrodos de GMAW: A5.18 y A5.28.

Clasificación AWS para los metales de aporte de la especificación A5.18

Figura 7. Esquema de aplicación de soldadura GMAW en perfiles formados en frío ACESCO

La Soldadura de Arco Metálico Gaseoso (Gas Metal Arc Welding, GMAW) o soldadura MIG (Metal Inert Gas) es un proceso en el cual un arco eléctrico es mantenido entre un alambre sólido que funciona como electrodo continuo y la pieza de trabajo. El arco y la soldadura fundida son protegidos por un chorro de gas inerte o activo. El proceso puede ser usado en la mayoría de los metales y gama de alambres en diferentes aleaciones y aplicaciones.

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La soldadura MIG es inherentemente más productiva que la soldadura de arco manual, donde las pérdidas de productividad ocurren cada vez que el soldador se detiene para reemplazar el electrodo consumido. En la soldadura de arco manual también es notable la pérdida cuando el restante del electrodo que es sujetado por el portaelectrodo es desechado. Por cada kilogramo de varilla de electrodo cubierto comprado, solamente alrededor del

Electrodos de acero al carbón para soldadura de arco protegida por gas

ER - XX S - X (1) (2) (3) (4)

(1) (2) (3) (4) Las primeras dos letras lo identifican como alambre o varilla desnudas. Resistencia a la tensión x 1000 Psi. La letra intermedia indica su estado físico sólido. Composición química del alambre.

Tabla 5. Clasificación AWS A5.18

Clasificación AWS para los metales de aporte de la especificación A5.28 Electrodos de acero al carbón para soldadura de arco protegida por gas

ER - XXX S - XXX (1) (2) (3) (4)

(1) (2) (3) (4) Las primeras dos letras lo identifican como alambre o varilla desnudas. Los tres primeros números indican la resistencia a la tensión x 1000 Psi. La letra intermedia indica su estado físico sólido. Los últimos tres dígitos indican la composición química del alambre.

Tabla 6. Clasificación AWS A5.28

Lo que determina la ejecución correcta de este proceso es: • • • •

La fluidez de la soldadura fundida La forma del cordón de la soldadura y sus bordes La chispa o salpicaduras que genera (Spatter) La condición de viento

Un buen procedimiento de soldadura está caracterizado por la poca presencia de porosidad, buena fusión y una terminación libre de grietas o rajaduras. La porosidad, es una de las causas más frecuentemente citadas de una soldadura pobremente ejecutada, es causada por el exceso de oxígeno de la atmosfera, creada por el gas usado en el proceso y cualquier contaminación en el metal base, que, combinado con el carbón en el metal soldado forma diminutas burbujas de monóxido de carbono (CO). Se han desarrollado alambres que contienen elementos (desoxidantes), tales como manganeso (Mn), silicio (Si), titanio (Ti), aluminio (Al) y zirconio (Zr), con los cuales el oxígeno se combina preferiblemente para formar escorias inofensivas. La fluidez de la soldadura fundida en el cordón de soldadura es muy importante debido a que, cuando ésta es suficientemente fluyente mientras está en su estado líquido, tiende a moverse sola llenando los espacios hasta los bordes produciendo una forma rasa. Excesiva fluidez podría generar problemas en la ejecución de la soldadura en ciertas posiciones o haciendo soldaduras sobre filetes cóncavos horizontales. El incremento en el voltaje del arco tiende a incrementar la fluidez, haciendo las soldaduras más rasas afectando la penetración de los bordes, generando más salpicaduras y podrían causar la perdida de elementos que forman parte de la aleación.

Se debe ejecutar en sitios cerrados, preferiblemente en taller, donde el soldador se encuentre protegido de elevadas velocidades de viento, ya que este desplazará la capa protectora gaseosa y permitirá la presencia de elementos indeseables provenientes de la humedad del ambiente que son perjudiciales para los resultados de la soldadura. c. Soldadura de arco sumergido (SAW) Los procesos Soldadura de arco sumergido (SAW) automáticos y semiautomáticos proporcionan consistencia, alta calidad y depósitos económicos que son particularmente apropiados para soldaduras de gran longitud. Su mayor limitación es que el trabajo debe ser en posiciones de soldaduras plana u horizontal. En el proceso SAW, los fundentes pueden ser fusionados o aglomerados (componentes en polvo fino unidos mediante silicatos). Los fundentes deben mantenerse secos en bodegas para evitar un incremento en el contenido de humedad y así impedir el agrietamiento en el acero. d. Soldadura de arco con núcleo fundente (FCAW) Los electrodos de soldadura de arco con núcleo fundente (FCAW) son hechos mediante el formado de una cinta de lámina delgada en una forma de U y llenados con fundente. Después de cerrar el tubo, éstos son llevados a formar un rollo continuo. AWS clasifica estos electrodos de acuerdo a: 1) Si se usa o no el dióxido de carbono como una protección separada de gas. 2) Si es aplicación sencilla o de múltiples pasadas. 3) El tipo de corriente 4) La posición de la soldadura y 5) propiedades mecánicas del metal de aporte. Se pueden conseguir altas tasas de producción de soldaduras con un equipo semiautomático que puede usarse en cualquier posición con el electrodo apropiado.

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