Dossier soldadura_v2 PDF

MFP 3021 Soldadura i fusteria metàl·lica RA7 Sistemes d’unió mitjançant processos de soldadura per arc elèctric. Objectius d’aprenentatge: Prepara els equips de soldadura per arc elèctric. Descriu el funcionament dels components d’un lloc de treball de soldadura per arc elèctric. Configura els equi...

MFP 3021 Soldadura i fusteria metàl·lica RA7 Sistemes d’unió mitjançant processos de soldadura per arc elèctric. Objectius d’aprenentatge: Prepara els equips de soldadura per arc elèctric. Descriu el funcionament dels components d’un lloc de treball de soldadura per arc elèctric. Configura els equips i les variables de treball, com ara la Intensitat. Selecciona els elèctrodes i les aportacions i els hi relaciona amb les característiques tècniques. Identifica diferents tipus de soldadura i ho relaciona amb la normativa vigent. Defineix els riscos derivats de la soldadura elèctrica i identifica els equips EPI. TIPUS D’UNIONS 1 1. Fonaments elèctrics de la soldadura De manera general, la soldadura per arc elèctric es basa en la fusió dels metalls per l'acció de la calor (fins a 3500 ºC), que produeix el pas continu del corrent elèctric entre dos conductors (metall base i elèctrode) separats mil·limètricament. El posterior refredament i solidificació del bany de fusió produirà una unió extra forta de les parts. La soldadura elèctrica amb elèctrode revestit és una soldadura per arc elèctric amb elèctrode consumible i en atmosfera natural (SAN). L'elèctrode en forma de vareta metàl·lica subministra el metall d'aportació de principi a fi, mentre que el revestiment millora el procés elèctric i metal·lúrgic (Figura 1). Figura 1. Descripció general del procés de soldadura elèctrica amb elèctrode revestit. 1.1 Principis elèctrics L'electricitat és un conjunt de fenòmens físics produïts pel moviment i la interacció de les càrregues elèctriques de la matèria. Més concretament, dels electrons lliures que giren al voltant dels protons i neutrons del nucli dels àtoms. Dels dos tipus d'electricitat que hi ha, estàtica i dinàmica, només la segona té utilitat. De fet, el seu descobriment i posterior domini al segle XIX va suposar una autèntica revolució industrial, a més d'econòmica i social. L'electricitat dinàmica s'aconsegueix en provocar el flux d'electrons per un material conductor, generalment un metall. De vista físic, l'electricitat és una forma d'energia que s'obté per transformar altres energies com la mecànica, mitjançant generadors; o la química, mitjançant bateries 2 1.2 Circuit elèctric Els circuits elèctrics canalitzen l'electricitat per aconseguir altres efectes o aplicacions útils com moviment, calor, llum, magnetisme, etcètera. Bàsicament qualsevol circuit elèctric es compon d'una font d'energia (V), un consumidor (R) i, entre ambdós, els cables de connexió pels quals flueix el corrent elèctric (I). L'esquema apareix a la Figura 2. En el cas de la soldadura, l'energia la subministra l'equip, els cables connecten la peça i la pinça, i l'efecte és aprofitar la calor que genera l'arc elèctric (Figura 1). Els paràmetres generals de qualsevol circuit elèctric són: Intensitat (I): és la quantitat de corrent que circula per un circuit elèctric, que es mesura en amperes (A). En un símil amb els fluids, seria el cabal que circula per una canonada. Voltatge (V): és la tensió o força elèctrica que origina la circulació del corrent; es mesura en volts (V). En un símil amb els fluids, seria la pressió. Resistència (R): és l'oposició que presenta un conductor al pas del corrent elèctric, i es mesura en ohms (Ω). Els metalls són molt bons conductors, al contrari que els plàstics, que són aïllants. La llei d'Ohm relaciona els tres paràmetres anteriors en una fórmula matemàtica: el voltatge és el producte de la resistència per la intensitat (Figura 2). V=I·R Potència (P): és la quantitat d'energia elèctrica lliurada o absorbida per un circuit elèctric en un determinat temps, i es mesura watts (W). Matemàticament s'expressa amb la fórmula següent: P=V·I Figura 2. Diferents representacions de la llei d’ohm. A la dreta, física, amb el circuit elèctric; a l’esquerra, matemàtica, amb formules. 3 Efectes del corrent elèctric Un dels efectes inherents i perceptibles del corrent elèctric és la calor, que és una altra forma d’energia que es produeix quan circula per un conductor. La seva quantificació energètica es fa sobre la base de la llei de Joule, que matemàticament s'expressa amb la fórmula següent: E = I² · R · t Els seus termes són: Energia (E): és la quantitat d'energia calorífica que genera el flux elèctric en passar per un conductor en un temps determinat. El resultat s'indica al Joules. Intensitat (I): és el flux d'electrons que circula pel conductor, mesurat en amperes. Com més intensitat, més energia calorífica. Resistència (R): és la resistència que oposa el conductor al pas del corrent, mesurada en ohms. Com més gran sigui, més energia calorífica produeix. Temps (t): és la durada del fenomen elèctric, mesurat en segons. Figura 3. Direcció dels electrons depenent de la polaritat del conductor. A la soldadura, la calor necessària per fondre els metalls es genera per l'arc elèctric entre la peça i l'elèctrode, amb temperatures que poden arribar fins a 3500 °C. S'aplica un gran potencial elèctric que provoca un flux d'electrons, els quals arrosseguen gotes de la vareta metàl·lica que es fonen amb el metall base. El revestiment es fon i crea una campana gasosa que protegeix el metall líquid mentre es diposita i solidifica. A més, el corrent elèctric genera un camp magnètic que influeix en la forma de la gota de metall fos i provoca un cràter en el bany de fusió, a més d'intervenir en altres fenòmens com la tensió superficial i la gravetat. El pas del corrent elèctric genera un camp magnètic, un fenomen conegut com a electromagnetisme, que és essencial per al funcionament de motors, relés i transformadors. 4 En soldadura, aquest camp magnètic provoca: L'estricció magnètica, que allarga la gota de metall fos que surt de l'elèctrode cap al bany de fusió. Altres factors com la tensió superficial i la gravetat també influeixen en el moviment del metall, creant un cràter en el bany. Bufada magnètica: consisteix en la desviació de l'arc a causa de la distorsió del camp magnètic existent al voltant de l'elèctrode. És un altre dels aspectes que modifiquen el flux de metall d’aportació. El seu efecte s'aprecia en soldar als extrems de les peces, a la zona pròxima a la pinça de la massa o una esquadra magnètica, i també a les soldadures en angle. Es redueix amb la utilització de corrent AC. Figura 4.1. Desviació de la gota fosa a causa del flux magnètic. Figura 4.2. Causes i recomanacions de la desviació de la gota fosa a causa del flux magnètic. 5 1.3 Tipus de corrent elèctric L'energia elèctrica que flueix entre l'elèctrode i la peça és produïda per l'equip de soldadura (grup) i s'adapta a les particularitats del procés de soldadura. Es treballa amb els següents tipus de corrent (Figura 6.6): A. Corrent continu (CC) El flux d’electrons té sempre el mateix sentit (polaritat) i el mateix voltatge (tensió nominal). Com es veurà més endavant, si es canvia la polaritat entre elèctrode i peça (massa), es canvia també la manera com s'allibera l'energia calorífica entre ells. Els grups que produeixen aquest corrent són rectificadors. Reben el corrent altern de l'estesa elèctrica i l'adapten a les condicions de soldadura. És el corrent utilitzat a les bateries i als dispositius electrònics personals. B. Corrent altern (AC) Els electrons del flux oscil·len d'una banda a l'altra des del seu centre (ona sinusoidal), amb la mateixa amplitud, a una freqüència fixa i mantinguda en el temps. La freqüència (f ) és el nombre d'oscil·lacions per segon, mesurada a Herz (Hz). El període (T) és el temps que triga a repetir-se l'ona, indicat en segons (s). Aquest tipus de corrent és el que se subministra per la xarxa elèctrica, domèstica o industrial, amb un voltatge de 230 V o 400 V i amb una freqüència de 50 Hz. El corrent altern per soldar el generen transformadors, que adapten el corrent altern de la xarxa a les particularitats del procés. S'utilitza per soldar grans gruixos o per evitar el bufa magnètic, fins i tot quan hi hagi molta distància entre el grup i la peça a soldar. C. Rectificada o polsada És un flux de corrent altern complex, format per ones semirrectangulars asimètriques de la mateixa amplitud i freqüència variable. S'obté a partir del corrent altern de la xarxa, rectificant-la mitjançant equips amb electrònica de potència (inverter). S'utilitza amb metalls de baixa o difícil soldabilitat com l'alumini o l'acer inoxidable. Figura 5. Esquerra; corrent rectificada o polsada. Dreta; Corrent continua i alterna. 6  Figura 6. Diferents alternatives de connexió elèctrica entre elèctrode i peça, segons les investigacions de American Welding Society (AWS). Figura 6.1 Polaritats en soldadura per arc en CC. 1.4 Protecció de la soldadura Com hem vist, la soldadura amb elèctrode revestit es produeix per la calor que genera un arc elèctric entre l'elèctrode i la peça. La vareta metàl·lica de l'elèctrode es fon en petites gotes que es projecten al metall base, formant així el cordó de la soldadura (Figura 7). Els metalls fosos de vareta i peça, en estat líquid, tendeixen a formar els seus òxids a causa del menor estat energètic, el que s'anomena corrosió. A més, durant el procés de transferència i barreja dels metalls, aquests poden incloure bombolles d'aire (porus) o altres elements (inclusions), que contaminen el bany de fusió i, finalment, es fragilitza el cordó que es forma en solidificar-se. Per evitar aquesta contaminació i el seu efecte perniciós, l'elèctrode compta amb un revestiment adherit a la vareta que es fon i gasifica alhora que ella, actuant en diversos fronts: 7 Protecció atmosfèrica: els gasos del revestiment produeixen una campana gasosa que envolta la transferència del metall d'aportació i del bany de fusió, impedint així l'entrada d'oxigen, nitrogen i aigua de l'atmosfera. Millora elèctrica: els gasos de revestiment, a més, ajuden a ionitzar l’espai que hi ha entre l'elèctrode i la peça, donant estabilitat a l’arc. Protecció tèrmica: el material fos del revestiment, de menor densitat que el metall, flota sobre el bany de fusió en estat líquid, que en refredar-se i solidificar-lo es converteix en una mena de «crosta» esponjosa anomenada escòria. Aquesta capa superficial protegeix el cordó durant la fase de refredament i solidificació. Millora metal·lúrgica: el revestiment conté, a més, altres productes químics (metàl·lics o no) que es combinen amb els metalls del bany de fusió, amb efectes desoxidants i de depuració. Es pot deduir que, encara que aquest procés de soldadura no estigui classificat com d'atmosfera natural (SAP), el material fos (en estat líquid) sí que compta amb la protecció de la campana gasosa que formen els gasos del revestiment en fondre's (Figura 7). Figura 7. Protecció de l’arc elèctric mitjançant la campana gasosa que formen els gasos de revestiment. Les gotes de metall fos es solidifiquen formant el cordó i, sobre aquest, la capa d'escòria que el protegeix. 8 1.5 Característiques generals del procés La soldadura amb elèctrode revestit és popular en diverses indústries per la seva versatilitat, senzillesa i portabilitat, així com per la seva economia. Es realitza manualment i requereix habilitat, permetent soldar en qualsevol posició i en metalls ferrosos i no ferrosos. Tanmateix, presenta desavantatges com la baixa productivitat i la irregularitat del cordó, ja que l'elèctrode s'ha de substituir durant el procés i l'escòria ha de ser eliminada manualment. A causa d'aquests inconvenients, ha estat substituïda progressivament per mètodes semiautomàtics com el MIG-MAG o el TIG, que ofereixen millors resultats en productivitat i qualitat. Figura 8. Esquerra; Soldadura pilar base. Dreta; soldadura costura dipòsit. 1.6 Grup elèctric Tècnicament són màquines elèctriques que transformen i modulen el corrent altern de la xarxa a valors elèctrics propis de les condicions particulars de la soldadura. Si dividim aquest fenomen elèctric en les fases del cicle de treball, resulta el següent. En activar el grup: l’equip subministra una tensió de buit o inicial (Vo) d'entre 40 V i 100 V (en el cas de l’equip Trasnpoket 150 és Vo = 96V) entre elèctrode i peça. Vo = V= I= R= 9 A l’iniciar l’arc (encebat): a l’instant que l'elèctrode frega la peça, el voltatge cau a 0 i, simultàniament, s’estableix l’arc. El voltatge anirà augmentant a mesura que es distanciï l'elèctrode de la peça; si se separen molt, l'arc s'interromp. Vo = V= I= R= Amb l'arc establert: la màquina ha de ser capaç de mantenir estables els valors d'intensitat malgrat les fluctuacions de voltatge que provoquen les petites variacions de longitud de l'arc elèctric (entre 20 V i 60 V). A més, hi ha la possibilitat de regular la intensitat en funció del diàmetre de l'elèctrode, el gruix de la peça o la posició de soldadura. Els valors d'intensitat amb què es treballa són sempre molt alts, entre 75 A i 500 A (en el cas de l’equip TransPoket 150 està entre 10A i 150A). Vo = V= I= R= En interrompre l'arc: quan se separa l'elèctrode de la peça, la màquina torna instantàniament a la tensió inicial de buit (Vo ). Vo = V= I= R= 10 De manera general, tots els grups reben el corrent elèctric de la xarxa a 230 V (monofàsica) o a 400 V (trifàsica), amb una freqüència de 50 Hz. A partir d'ella, la transformen en diferents tipus de corrent: AC , CC i polsada (citats a l'apartat «Tipus de corrent elèctric»). Hi ha una extensa gamma comercial de grups basats en les tecnologies següents: A) Transformadors AC→ AC Com el seu nom indica, transformen el corrent altern de la xarxa (ones sinusoidals) en una altra, també alterna, però de valors adequats al procés de soldadura. Constructivament es basen en l'efecte electromagnètic que provoquen el pas del corrent elèctric per dues bobines atropellades a un nucli ferromagnètic comú (inducció magnètica). El seu ús està recomanat per soldar grans gruixos i evitar la bufa magnètica (ja que no hi ha polaritat) i, extraordinàriament, quan hi hagi molta distància entre el grup i la peça que se soldarà, per les seves condicions d'accessibilitat. Com a desavantatges té la inestabilitat de l'arc i la impossibilitat de soldar amb alguns tipus d'elèctrodes. B) Rectificadors AC → DC Transformen el corrent altern de la xarxa en corrent continu de valor constant (lineal). La regulació és similar a la dels transformadors, només que en aquests es pot canviar la polaritat d'elèctrode i peça, adaptant-se encara més a les particularitats del procés (Figura 5). Es pot soldar amb tot tipus d'elèctrodes, en metalls no fèrrics i acer inoxidable, produint un arc suau i una excel·lent qualitat del cordó. A més, aquest corrent facilita l'inici o arrencada de l'arc (encebat) i la soldadura en totes les posicions. 11 C) Inverter Són l'evolució tecnològica dels dos anteriors, i poden transformen el corrent altern de la xarxa en corrent continu, altern i polsat, podent treballar amb totes dues (Figura 9). L'emissió de polsos s'utilitza per millorar el control del bany de soldadura i del procés de solidificació. La freqüència de pols és prou baixa per permetre que el bany de soldadura se solidifiqui almenys parcialment entre pols i pols. Constructivament estan formats per un conjunt de transistors IGBT que realitzen la transformació i modulació del corrent de la xarxa. Fins i tot incorporen microprocessadors. Aquests grups només tenen avantatges: reduït tamany, poc pes, cost moderat i una versatilitat elèctrica extraordinària. Això sí, per aconseguir un bon cordó de soldadura cal una destresa manual mínima. Figura 9. Equip multiprocés Inverter Ignis 150 de Fronius D) Inverter multiprocés Són equips inverter, que a més d'elèctrode revestit, admeten altres processos de soldadura. Des dels més simples amb TIG, fins als més sofisticats amb TIG, MIG-MAG, tall amb elèctrode de grafit (i aire comprimit), etc. Incorporen molta més tecnologia de control (microprocessadors i programari). A més, compten amb pantalles tàctils que permeten veure i variar fàcilment els seus paràmetres de funcionament. El seu únic desavantatge és el preu, ja que saber com manejar-los és un privilegi que tenim al nostre abast. 12 1.7 Cables i pinces Els dos conjunts de cables són els encarregats de transmetre l'energia elèctrica del grup a la peça i a l'elèctrode per tancar el circuit elèctric (Figura 10). Constructivament, tots dos estan formats per un cable de coure recobert, de longitud variable, mínim de 3 m, i de secció gruixuda, major de 25 mm2, als extrems dels quals se situen els elements de subjecció (pinces) i de connexió al grup (clavilles). Aquestes clavilles són de tipus mascle, totes dues iguals. Al grup són femella i la seva polaritat (signe) està identificada. El cable de la massa té una pinça metàl·lica que es fixa i connecta a la peça o metall base (Figura 10). És fonamental que la connexió sigui ferma i estable, per evitar punts de resistència. L'altre cable és el de la pinça portaelèctrodes, amb la qual es fixa i es guia l'elèctrode. Aquest s'empresonarà segons convingui en les diverses canals de la mordassa metàl·lica. La resta del conjunt metàl·lic està fortament aïllat amb una carcassa de plàstic (Figura 10). Figura 10. Dreta cable amb pinça portaelèctrodes. Esquerra cable amb pinça de massa. 1.7 Elèctrodes L'elèctrode és la vareta metàl·lica revestida, que guia i produeix l'arc, aporta el metall de la soldadura i, a més, el protegeix (Figura 11). L'únic inconvenient és que es consumeix i, per tant, requereix interrompre el cordó per reemplaçar l'elèctrode per un de nou. Tant el metall de la vareta (ànima) com el de revestiment admeten infinitat de possibilitats, per dimensions i composició. En ambdós aspectes, el ventall comercial que ofereixen els fabricants és immens. A grans trets, el metall de l’ànima pot ser d’acer dolç (baix en carboni), acer especial (inoxidable, recarregues, etc.), fundició i metalls no fèrrics (alumini. níquel, bronze, etc.). Figura 11. Identificació de l'elèctrode a la seva cua (sobre el revestiment). La cua és la part sense recobriment. 13 1.7.1 Dimensions dels elèctrodes Les dimensions de l'elèctrode estan normalitzades (AWS i EN ISO) i vénen donades per diferents magnituds. Diàmetre de l'ànima: és el diàmetre del filferro o vareta interior (en mm). Pot ser de: 1; 1,6; 2; 2,5; 3; 3,25; 4, 5; fins a 8 mm. Els més usuals són els de 2, 3,25 i 4 mm. Longitud: és la mida de la vareta de principi a fi, inclosos els 30 mm de la cua per inserir a la pinça (Figura 11). Poden ser de: 150, 200, 250, 350, 400 i 450mm. Els més usuals són els de 250, 350 i 450 mm. Gruix del revestiment: es defineix en funció del diàmetre de l'ànima (d). Pot ser 1,2 o 1,55 vegades el seu diàmetre, resultant fins, mitjos i gruixuts. Si hi ha més revestiment, l'elèctrode admet més intensitat, el cràter és més pronunciat i augmenta el seu poder de penetració. 1.7.2 Composició del revestiment Bàsics (B): són barreja de carbonat càlcic i altres carbonats bàsics. És el tipus d'elèctrode més utilitzat després del rútil. Es caracteritzen per: El revestiment és gruixut i molt higroscòpic (absorbeix humitat amb gran facilitat), cosa que els fa malbé, per la qual cosa cal prendre mesures per mantenir-los secs. El metall dipositat presenta bons valors de resiliència i baixa fissuració en calent. La seva escòria és de color marró fosc i brillant, densa i poc abundant. Admet totes les posicions de soldadura i s'empra en soldadures de responsabilitat (estructures amb càrregues). Es requereix prou destresa per manejar-los perquè el seu arc és molt curt. Sobretot per rebre'ls, si no són nous i estan freds. S'utilitzen amb CA i CC directa. Cel·lulòsics (C): formats per substàncies orgàniques (cel·lulosa) que generen gran quantitat de gasos. Destaquen perquè: L'arc és molt estable i penetrant a causa de l'enorme campana gasosa que formen. L'escòria és escassa i es desprèn amb gran facilitat. S'utilitza en posicions de soldadura vertical per la gran velocitat que imprimeixen a les gotes de l'elèctrode, que fa que s'aconsegueixi una gran penetració. Al contrari, genera moltes projeccions. S'empra amb CC i polaritat inversa. 14 Rútil (R): consten bàsicament d'òxid de titani (rútil), aproximadament en un 50 %, juntament amb materials cel·lulòsics (inferiors al 15 %). És el més universal pel seu fàcil maneig, el seu bon acabat i les seves característiques mecàniques acceptables. L'escòria és densa i viscosa. Se solda en totes les posicions. S'utilitza amb CC i CA. 1.7.3 Designació dels elèctrodes La designació dels elèctrodes està normalitzada, com és habitual, sobre la base de dues normes, l'europea (EN) i l'americana (nord-americana) (AWS). Ambdues utilitzen símbols i codis alfa- numèrics que en defineixen les característiques principals. Norma americana AWS A5.1 S'aplica a elèctrodes per a soldadura d'acers al carboni. N'hi ha d'altres, com l'AWS A5.5, per a acers de baix aliatge, o l'AWS A5.4, per a acers inoxidables. Per exemple, la marca E 60 1 1 en un elèctrode aporta la informació següent. E: símbol de soldadura manual per arc elèctric. ✔ 60: resistència mínima a tracció, expressada en lliures per polzada al quadrat (kpsi). ✔ 1: posicions de soldadura. Pot ser: 1, a totes les posicions; 2, en pla i en angle horitzontal; o 4, a totes, però especialment en vertical descendent. ✔ 1: tipus de corrent i polaritat: 0: contínua amb polaritat positiva, per a elèctrodes cel·lulòsics. 1: alterna i contínua (pol positiu). 2: alterna i contínua (pol negatiu). 3: alterna i contínua per elèctrodes al rútil. 4: alterna i contínua per elèctrodes d'alt rendiment, al rútil. 5: continua amb polaritat positiva per elèctrodes de gran rendiment. 6: alterna i contínua per a elèctrodes bàsics. 7: alterna i contínua (qualsevol polaritat) per a elèctrodes de gran rendiment. 8: alterna i contínua (pol positiu) per a elèctrodes bàsics de gran rendiment Taula 1. Relació entre el diàmetre de l’elèctrode i l’amperatge (A). 15 També es pot determinar el corrent (I) de forma aproximada amb la següent expressió: I = 50 x ( diàmetre de l’elèctrode - 1 ) Exemple per un elèctrode de diàmetre 2,5 mm: I = 50 x ( 2,5 – 1) = 50 x 1,5 = 75 A Taula 2.3. Descriu alguns dels elèctrodes aptes per ser usats en CC, detallant per a quina metall són aplicable. 16 Activitat resolta: Identificació d'elèctrodes Descriu la simbologia que apareix a l’etiqueta d'elèctrodes de la Figura 12. Figura 12. Etiqueta de la caixa d’elèctrodes OMNIA 46 de la marca Lincoln Electric. Solució: Dades comercials: Fabricant: Licoln Electric. És una reconeguda multinacional americana d’equips i consumibles per soldadura. Serie: OMNIA46. És la denominació comercial del fabricant. Presenta certificat de conformitat CE, i identifica el seu lot (P1MS190157) per assegurar una traçabilitat i qualitat del producte. Dimensions: 4,0 mm de diàmetre de l’ànima i 350 mm de longitud. Envàs: paquet de de 110 unitats. Pes net de 5 kg. Dades d’us: Corrent: alterna i continua amb polaritat negativa a l’elèctrode. Amb un valor d’intensitat entre 140 i 200 A. Ressecat: en forn, una hora a 100ºC. Tres cops màxim aquesta operació. E6013: Designació americana AWS A5.1, per soldadura d’acers al carbó. E: Elèctrode consumible per soldadura manual per arc elèctric. 60: resistència mínima a la tracció. 60 kpsi. 1: totes les posicions. 3: us en corrent altern (AC) i continua (CC) per elèctrode de rutilo. 17 Activitat 1: Identificació d'elèctrodes Descriu la simbologia que apareix a les se l’etiqueta d'elèctrodes. 18 19 2. Què és la soldadura? La soldadura és un procés que permet que dos o més metalls s’uneixin indissolublement amb un altre. Son protagonistes l’acer, acer inoxidable, l’alumini, el coure, el bronze, el titani, els aliatges metàl·liques i les superfícies zincades. La soldadura s’utilitza quan es necessari garantir les prestacions més altes, inclòs en condicions ambientals i d’utilització més extremes, però és també una aliada capaç d’adequar-se a les nostres necessitats més senzilles, però no per això no menys importants per poder ser flexible amb el fi de satisfer totes les necessitats d’instal·lacions i de manteniment en tots els camps civils i professionals. Existeixen diferents processos de soldadura: la més comú i senzilla és per arc elèctric revestit (MMA Manual Metal Arc), però existeixen també la soldadura per arc de fil continu amb protecció de gas (GMAW) o sense protecció de gas (FLUX o Self Shielded Wire) i aquella per arc en gas inert amb electrode infusible de tugsté (TIG Tungsten Inert Gas). Figura 13. Tipus de soldadura que existeixen. Classificació segons els materials de fusió. Soldadura heterogènia: S’efectua entre materials de diferents naturalesa, amb o sense aportació: o entre metalls iguals, però amb diferent metall d’aportació. Pot ser tova o forta. Soldadura homogènia: Els materials que se solden i el metall d’aportació, si n’hi ha, són de la mateixa naturalesa. Pot ser oxiacetilènica, elèctrica (per arc voltaic o per resistència), etc. Si no hi material d’aportació, les soldadures homogènies es denominen autògenes. Per soldadura autògena s'entén aquella que es realitza sense metalls d’aportació, de manera que s’uneixen cossos d’igual naturalesa per mitja de la fusió dels mateixos; així, al refredar- se forma un tot únic. La soldadura per fusió és un procés en què dos o més materials es fusionen mitjançant l'aplicació de calor intensa, generalment a través d'un arc elèctric, fins a arribar a l'estat líquid. Aquesta tècnica és àmpliament utilitzada en la unió de metalls, especialment en estructures metàl·liques i components industrials. La soldadura per pressió és un procés de unió de materials que implica la compressió de les superfícies a unir, generalment sense la necessitat d'aplicar calor externa. Aquesta tècnica es basa en la fusió local dels materials a les superfícies d'unió, que es produeix per la pressió aplicada. 20 2.1 Prevenció de Riscos Laborals en operacions de soldadura Possibles riscos derivats dels treballs de soldadura: Descàrregues elèctriques: Contacte accidental amb parts energitzades pot causar descàrregues que poden ser mortals. Poden ser contactes directes o indirectes. Cremades: El calor intens i les espurnes poden provocar cremades a la pell o als ulls. Radiació UV i infraroja: L’arc elèctric emet radiacions que poden danyar la vista (retinopatia) i la pell. Fums tòxics: La soldadura pot generar fums i gasos que, si s’inhalen, poden ser perjudicials per a la salut. Espurnes i projectils: Les espurnes i petites peces de metall poden causar lesions o cremades. Incendis: Les espurnes poden encendre materials inflamables a l'entorn de treball. Risc d'implosió: En soldar materials que contenen gasos inflamables, pot haver-hi risc d'explosions. Postura inadequada: Realitzar la feina en posicions incòmodes pot provocar lesions musculars o articulars. Estrès tèrmic: La transició entre àrees calentes i fredes pot provocar estrès en els materials i en el soldador. Efectes a llarg termini: L'exposició constant a fums i radiacions pot provocar problemes de salut crònics, com malalties respiratòries o danys oculars. 21 2.2 Equip de seguretat mínim Per realitzar qualsevol tipus de soldadura elèctrica, l'operari ha de disposar de l'equip de protecció necessari. Aquest compleix la funció de protegir el soldador de les espurnes, la calor i la llum intensa produïda durant el procés de soldadura elèctrica. Les normes de seguretat que sempre s'han de complir són les següents: 1. Utilitzar sempre màscara o casc amb vidres del grau de protecció correcte. 2. Abans de començar a soldar, examinar si els lents protectors del casc no tenen esquerdes ni fissures. 3. Utilitzar sempre roba resistent, juntament amb un davantal de cuir. Cobrir el cos i els braços amb roba pesada i totalment cordada. 4. Abans de començar a soldar, comprovar que les altres persones estiguin protegides contra les radiacions que es desprendran per efecte de l'arc elèctric. 5. Utilitzar una pantalla no reflectant per protegir les persones que treballen a prop de vostè dels reflexos lluminosos. Mai comenci a soldar a prop d'una persona que no estigui protegida. 6. Mai treballar en un lloc humit o amb aigua, ja que es produirien descàrregues elèctriques a terra a través de l'operari. 7. Comprovar que la peça i/o el banc de treball estiguin connectats elèctricament a terra. 2.3 Soldadura per arc elèctric 2.3.1 Introducció La soldadura per arc elèctric és un procés de fusió per unir peces metàl·liques. Mitjançant l’aplicació d’un calor intens, es fon el metall en la unió de dues peces, formant una barreja amb o sense metall d’aportació. Després del refredament, s’obté una unió resistent mecànicament, amb una tensió de tracció similar o superior a la del metall base. El calor necessari es genera per un arc elèctric entre les peces i un elèctrode, que pot ser consumible o no, aportant metall de soldadura si es fon. Els elèctrodes metàl·lics recoberts són habituals per a ferro, acer al carboni i acer inoxidable. 22 2.3.2 Equip elèctric bàsic per Soldadura per arc Figura 14. Elements per soldar amb elèctrode revestit. Figura 15. Circuit bàsic per soldar amb arc elèctric. 23 2.3.3 Procès de soldadura amb arc MMA (Metal Manual Arc) La soldadura per arc amb elèctrodes revestits és un procediment manual en què el calor generat per un arc elèctric entre un elèctrode revestit i la peça que s'ha de soldar provoca la fusió d'aquests dos elements. La protecció del metall fos es garanteix amb el revestiment de l'elèctrode que, en volatilitzar-se, crea una atmosfera de protecció. La part del revestiment que es fon es converteix en escòria de protecció per al bany de fusió, que s'ha de retirar posteriorment. Figura 16. Esquema d’un elèctrode revestit en plena execució. 2.3.4 Selecció d’un elèctrode Alhora d’escollir un elèctrode adequat, S’han de considerar els següents aspectes: Naturalesa, espessor i forma del metall base. Característiques de l’equip elèctric amb el qual es realitzarà la soldadura. Posició en la que s’ha d’efectuar la soldadura. Disseny i especificacions de la soldadura. Eficiència i rapides requeria a l’operació. Un cop escollit l’elèctrode, s’han de configurar el paràmetres del grup d’acord amb les condicions de soldeig: intensitat, polaritat, posició, material, geometria del cordó, entre d’altres. 24 El valor aproximat de la Intensitat (I) es pot calcular a partir del diàmetre de l’elèctrode (d) amb la següent formula: I = 50 x (d – 1) = Exemple, per un elèctrode de 2,5 mm d’ànima la intensitat aproximada serà la següent: I = 50 x (2,5 – 1) = 75A Activitat: Càlcul de la intensitat depenent del diàmetre de l'elèctrode Calcula la intensitat pels següents diàmetres d’elèctrode: ◦ 1,6 mm ◦ 2 mm ◦ 3 mm ◦ 3,25 mm ◦ 4 mm ◦ 5 mm A continuació verifica que la intensitat calculada està compresa en el rang establert a la Taula 1 de l’apartat 1.7.3 de la pàgina 15. 25 2.3.5 Conservació dels elèctrodes En general, els elèctrodes s'han de conservar en el seu empaquetat original , en llocs secs i nets. Si per qualsevol circumstància el revestiment es desprèn, esquerda o inflada, l'elèctrode s'haurà fet malbé. El mateix passa si es taquen o impregnen de pols, oli o aigua; quan se soldi amb ells, la campana gasosa es distorsionarà, originant alteracions a l'arc que finalment provocaran defectes al cordó (irregularitats, porositats i inclusions). Tampoc no convé doblar-los, ja que es produirà el mateix efecte. Excepcionalment, en condicions d'accés molt complicat, es pot donar una lleugera curvatura sempre que l'elèctrode no sigui gaire gruixut. 2.3.6 Eines auxiliars Els treballs de soldadura amb elèctrode requereixen operacions de preparació i neteja abans i després de la soldadura. La dedicació i destresa en aquestes tasques és tan important com la perícia amb la pinça portaelèctrodes. Les eines més utilitzades són: tenalles, mordasses, posicionadors, esquadres magnètiques, raspalls de filferro, piquetes, burins, martells i radials elèctriques. Les operacions que s'hi fan són: Prèvies: preparació de vores, eliminació de restes d'òxids, pintures o vernissos. També és una tasca prèvia la presentació de la junta, que inclou les operacions de col·locació i muntatge de la unió mitjançant mordasses, posicionadors i esquadres magnètiques. Postsoldeig: eliminació d'escòria i projeccions, desbast del cordó amb radials de disc de filferro o abrasius (Figura 17). A l'argot tècnic s'anomena «sanejar» el cordó. Figura 17. Sanejat de cordons amb radial de disc en un marc metàl·lic. 26 2.4 Tècnica operatòria de soldeig El procés de soldadura amb elèctrode requereix superar successives etapes; saltar-se'n alguna, per intranscendent que sembli, poden ocasionar resultats catastròfics a la unió. Aquestes etapes són: preparació de vores i fixació de la unió, connexió de l'equip, execució del cordó i sanejat del mateix. 2.4.1 Preparació de la unió En aquesta primera fase es preparen les vores de les peces i es col·loquen o presenten per a la soldadura. Els passos que cal seguir són els següents: 1. Mecanitzar les vores de la unió segons les especificacions de disseny. Per això s'empraran màquines energitzades; manuals, com ara radials i serres; o màquines eines, com torns i fresadores. També es recorre als processos de tall per fer aquesta operació: oxitall, làser, raig d'aigua, plasma, etc. A la Figura 19 s'utilitza un equip d'oxitall guiat per fer el bisell en una de les vores d'una canonada a la mateixa estesa del gasoducte. 2. Netejar les vores, ja que, una vegada mecanitzades, han de presentar un aspecte net, sense restes de metall, òxids, pintures, trepants o rebaves. Si no fos així, caldrà eliminar-los manualment amb un raspall de filferro, una llima i un drap. 3. Presentar les peces que formen la junta a la seva posició o estat final. 4. Immobilitzar les peces que formen la junta mitjançant mordasses, posicionadors mecànics o magnètics perquè no es moguin en puntejar-les (Figura 18). Habitualment, als grans tallers de construccions metàl·liques hi ha personal especialitzat en les tasques de presentar les peces que formen la junta; quan aquest acaba, el soldador les punteja i, finalment, les sola. 27  Esquerra: Figura 18. Presentació de peces mitjançant escaire magnètica de perfils metàl·lics. Dreta: Figura 19. Preparació i bisellat de l’extrem d’un gasoducte per oxitall guiat. 2.4.2 Connexió de l’equip de soldadura Abans de connectar el grup cal assegurar-se que els dispositius elèctrics de seguretat del quadre de connexió funcionen correctament (magnetotèrmic i diferencial). No cal dir que ja s'estarà equipat amb els EPI. Els passos següents seran: 1. Seleccionar l'elèctrode adequat a la unió que s'ha de fer (apartat 1.4). Comprovar-ne la quantitat i l'estat. Convé veure amb antelació si necessiten ressecat o seran suficients. 2. Premeu l'elèctrode en una de les estries de la mordassa de la pinça portaelèctrodes (Figura 20). Donar suport a la pinça fora de la taula o de la zona de soldadura. 3. Subjectar la pinça de massa a la peça o a la taula, assegurant-ne la immobilització (Figura 21). 4. Connectar les clavilles dels cables de massa i elèctrode al grup, segons el tipus de corrent i la polaritat recomanada pel fabricant de l'elèctrode. 5. Seleccionar la intensitat de soldadura al grup (Apartat 1.4 i Taula 1 de la pàgina 12) en funció del diàmetre de l'elèctrode, de l'espessor i preparació de la peça i de la posició de soldadura. 6. Connecteu el grup a la xarxa elèctrica i premeu l'interruptor d'encesa. Habitualment aquests equips emeten un brunzit característic; si no fos així, cal apagar i revisar les connexions elèctriques. 28  Esquerra: Figura 20. Detall estries de la mordassa de la pinça portaelèctrodes. Dreta: Figura 21. Detall de la subjecció de la peça amb la pinça de massa. 2.4.3 Posicions dels cordons Figura 22. Posicions de soldeig segons les normes AWS i EN 26947. 29  Figura 23. Disseny d’unions habituals en soldadura. 2.4.4 Execució del cordó Si s'ha arribat a aquesta fase, voldrà dir que es tenen els coneixements suficients per establir un arc elèctric entre elèctrode i peça sense complicacions. A partir d'aquí només es necessita, a més de bona vista, bon pols i molta pràctica per adquirir destresa. L’operativa per realitzar un cordó horitzontal en una unió a tope (PA o 1G) serà la següent: 1. Cebar l’arc fregant la punta de l'elèctrode, com si fos un llumí, sobre la zona on es realitzarà la soldadura. Amb el fregament apareix un lleuger espurneig, que prepara el grup, escalfa l'elèctrode i ionitza l'aire, originat l'arc elèctric. En cas de tenir problemes amb l'encebat de l’arc, és recomanable utilitzar una xapa de metall base externa o contigua a la peça per iniciar l'arrencada, evitant així deteriorar la primera. 30 2. Distanciar adequadament l'elèctrode de la peça per mantenir l'arc. La distància entre tots dos serà constant i, aproximadament, de la mateixa mesura que el diàmetre de l'elèctrode. En augmentar aquesta distància, augmentarà la resistència i es generarà més calor. Així mateix, el revestiment mai no ha de tocar el bany de metall fos. Tot i que és un detall tan obvi que sovint s'oblida, cal abaixar la mà a mesura que es fon l'elèctrode, amb suavitat, perquè altrament l'elèctrode es quedarà enganxat. 3. Sempre s'ha de puntejar la junta de la unió, a fi d'evitar-ne la deformació per efecte de la calor. Aquests punts de soldadura amb elèctrode, que caldrà sanejar prèviament, es realitzaran amb una intensitat lleugerament superior a fi que no quedin voluminosos i, així, el cordó de passada els sobrepassi. 4. Per reprendre l'execució del cordó, cal posicionar l'elèctrode amb l'orientació adequada al tipus de soldadura. En el cas de cordó horitzontal, cal inclinar l'elèctrode un angle d'entre 65° i 75° respecte de l'horitzontal en el sentit d'avanç al pla vertical de la junta (Figura 24). 5. Guiar la punta de l'elèctrode en línia recta i sense balancejos per aconseguir una passada estreta, o bé amb lleugers balancejos per obtenir una passada ampla. Els balancejos poden ser en ziga-zaga, semicercles, etcètera (Figura 24). Quan el balanceig és exagerat i la passada resultant és molt ampla, el cordó es denomina de «pentinat». Figura 24. Posició i guiat de l’elèctrode en una soldadura horitzontal a tope (PA o 1G). 31  6. Mantenir la velocitat d'avanç, ja que en depèn la forma i l'aparença del cordó. Un avenç lent produirà un cordó rodó i ample, mentre que un avenç ràpid produirà un cordó pla i estret. La velocitat del guiat anirà en funció de la intensitat i del gruix del cordó. 7. Deixeu refredar a l'aire la soldadura realitzada. Mai no s'ha d'introduir la peça en aigua per accelerar-ne el refredament, ja que seria catastròfic per a la metal·lúrgia de la unió. 8. Finalment, sanejar el cordó eliminant-ne l'escòria i desbastant-ne les irregularitats. 2.4.5 Incidències habituals En aquest apartat s'aporten solucions a les incidències habituals de l'operatòria. A. Elèctrode enganxat (Figura 25) Quan l'elèctrode es queda enganxat a la peça, cal mantenir la calma i optar per alguna de les solucions següents: La primera opció és balancejar la pinça, lateralment i amb força, a banda i banda fins a alliberar l'elèctrode (Figura 25); si no s'aconsegueix en uns segons, cal desistir i passar a les opcions següents ja que, en cas contrari, l'elèctrode es posarà al vermell viu i finalment malmetrà la pinça i el grup. Alliberar l'elèctrode de la mordassa de la pinça accionat la seva palanca i allunyant la pinça a una zona sense contacte elèctric. Després es procedirà a enlairar-se l'elèctrode de la peça amb molta precaució, ja que estarà molt calenta. L'última opció, més efectiva i contundent, és apagar el grup. Després cal enlairar l'elèctrode com a l'apartat anterior. 32 B. Finalització del cordó (Figura 26) Per evitar el cràter final del cordó, es girarà l'elèctrode en direcció contrària a l'avenç, mantenint-lo uns segons, i després s'aixecarà. Figura 25. Desenganxat de l’elèctrode Figura 26. Finalització del cordó des de la balancejant lateralment el mateix des de la posició 1 (soldeig), a la 4 (aixecant l’elèctrode). posició 1 (enganxat) a la posició 4 (desenganxat). 33 C. Unió de cordons (Figura 27) Per realitzar aquesta operació caldrà encebar i establir l'arc per davant del fi provisional del cordó, retrocedir sobre el cordó i reprendre l'avanç. D. Ull de pany (Figura 28) Aquest fenomen es produeix en soldar unions al màxim. Apareix la forma d'un ull de pany al costat de l'arc de l'elèctrode que origina el cordó, a uns 10-15 mm del seu inici. La seva aparició indica que la penetració és correcta, i la mida es corregeix variant la intensitat de l'equip. Figura 27. Unió de cordons, des de la posició 1 fins a la 3. Figura 28. Ull de pany en una unió a testa. 34 2.4.6 Altres posicions de soldeig Cada posició específica de soldadura requerirà una orientació i guiatge particular de l'elèctrode, fins i tot variant la intensitat prevista. Les diferents posicions de soldadura estan descrites a l'apartat 2.4.3. L'americana, amb un número i una lletra. A. En angle (PB o 2F) A la unió de peces a angle, l'elèctrode ha d'apuntar a la junta en un pla de 45° i una inclinació propera a 70° (Figura 29). SI es tingues que fer més d’un cordó, es variarà a 30º i 70º, respectivament (Figura 30). La intensitat s'ha d'incrementar un 20 % respecte a la posició horitzontal. Figura 29. Posició en angle amb un sol cordó (PB o 2F). Figura 30. Posició en angle amb triple passada (PB o 2F). B. En cornisa (PC o 2G) L'elèctrode en cornisa s'ha d'inclinar 10° cap avall respecte de la perpendicular al pla vertical per contrarestar l'efecte de la gravetat en la projecció de les gotes de l'elèctrode (Figura 31). Figura 31. Orientació de l’elèctrode en soldadura a cornisa (PC o 2G) 35 C. Angle sota sostre i sostre (PE i PD o 4G) Són posicions molt difícils d'executar per l'efecte de la gravetat, i s'han d'utilitzar elèctrodes específics. La intensitat s'ha de reduir al 50% respecte de l'horitzontal (Figura 32). Figura 32. Direcció i orientació de l’elèctrode en sostre (PE o 4G) D. Vertical ascendent i descendent (PG i PF o 3G) També són posicions molt difícils d'executar, ja que s'ha d'evitar la desvinculació de la gota mantenint un arc molt curt. Reduir la intensitat un 25% respecte de l'horitzontal. Figura 33. Orientació de l’elèctrode en Figura 34. Orientació de l’elèctrode en soldadura vertical descendent (PG o 3G). soldadura vertical ascendent (PF o 3G) 36 E. Vertical en angle ascendent (PF o 3F) L'arc haurà de ser molt curt i l'elèctrode realitzarà un petit balanceig, com si fos esglaó de banda a banda. Es reduirà el corrent un 20%. Figura 35. Orientació de l’elèctrode en soldadura vertical en angle vertical ascendent (PF o 3G). 37 2.4.7 Múltiples cordons Sovint, les unions per soldadura requereixen realitzar més d'un cordó per complir amb les especificacions del disseny de la junta en amplada, gola o costat (Figura 36). Quan passi això en una soldadura al màxim, el primer cordó es anomena «d'arrel», i se sol executar amb elèctrodes bàsics o TIG, per assegurar la qualitat de la unión. Si per contra és l'últim cordó i aquest és extra ample s'anomena «de farciment», i si a més apareixen les aigües del vaivé de l'elèctrode es denomina «amb pentinat». Figura 36. Múltiples cordons en una soldadura a testa amb taló en V. D’arrel a la part inferior i de farciment amb pentinat a l’última. 38 2.5 Senajament de cordons El sanejat del cordó és eliminar l'escòria i les projeccions que s'han produït. Per eliminar-les, s'utilitza un raspall de filferro, burí o piqueta (Figura 39); o bé màquines energitzades amb discos de filferro o abrasius. Aquesta operació permet verificar l'absència de defectes: porus, fisures, inclusions, etcètera. Així mateix, quan el cordó és molt irregular o bé les especificacions de disseny ho requereixen es recorre al seu esmolat mitjançant esmoladora rectes amb maduixes (Figura 37) o radials amb discos abrasius (Figura 38). Figura 37. Sanejat del cordó de soldadura amb Figura 38. Repàs del cordó de soldadura amb amoladora recta i fresa. radial i disc d’emerilar. Figura 39. Sanejant un cordó: eliminació d'escòria i projeccions. 39 2.6 Manteniment d'equips i eines Els equips i les eines de soldadura requereixen la mateixa atenció que la resta de les màquines d'un taller. Equips elèctrics: grups de soldadura i màquines auxiliars (radials, trepants, etc.): Comprovar l'aïllament de cables i connectors. Verificar l'ajustat i l'ajustament de connexions (interiors i exteriors). Netejar l'interior amb aire comprimit. Canviar filtres de pols d'extractors i màquines. Eines i utillatges: escaires, regles, posicionadors, raspalls, piquetes, martells, burils, entre d’altres. En aquest cas, actuarem de la següent manera: Netejar sempre després del seu ús. Col·locar al mateix lloc una vegada net. Separar i marcar aquelles eines que necessitin reparació, per fer-ho nosaltres mateixos en temps morts, o bé per personal especialitzat. 40 MAPA CONCEPTUAL SOLDADURA AMB ELÈCTRODE REVESTIT 41