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Ingeniería de Fabricación Grado en Ingeniería Mecánica Grado en Ingeniería Electrónica Industrial Grado en Ingeniería Eléctrica Grado en Ingeniería de Organización Industrial Tema 6.2 Procesos de soldadura Área de Ingeniería de los Procesos de Fabricación Departamento de Ingeniería Mecánica y Minera Escuela Politécnica Superior de Jaén Curso Académico 2020-2021 ÍNDICE 1. INTRODUCCIÓN 2. SOLDADURA CON GAS 3. SOLDADURA POR RESISTENCIA 4. SOLDADURA POR ARCO ELÉCTRICO 5. SOLDADURA POR ARCOS ESPECIALES 6. OTROS PROCESOS DE SOLDADURA 7. SOLDADURA EN ESTADO SÓLIDO 2 1. INTRODUCCIÓN El MA tiene un pto de fusión alto Con soplete Fuerte Tª de trabajo > 450 ºC Horno Por inducción Por resistencia Unión de metales mediante la adherencia del MA líquido a las superficies de MB Por fluencia Heterogénea (éste no se funde); unión por capilaridad. Por arco doble de carbón Por inmersión Entre materiales (MB) Blanda El MA tiene un pto de fusión bajo de distinta naturaleza Tª de trabajo < 450 ºC Oxiacetilénica o cuando se utiliza un Aire-Acetileno MA diferente al del MB Oxigas Oxhídrica Otros gases combustibles Con Fusión Soldadura Electrodo de carbono Arco eléctrico Arco doble de carbono La unión de metales se Electrodo de carbono en atmósfera inerte efectúa a una temperatura Hidrógeno atómico superior a la de fusión del Electrodo metálico MB y MA. Presencia de fase Electrodo metálico revestido líquida Arco sumergido TIG MIG MAG Unión Arc Soldadura de espárragos Soldadura por plasma Forja Presión en caliente Homogénea Presión en frío Por puntos Fricción Por costura Tanto los MB como el Explosión Resistencia Por protuberancias Por inducción Por chispa MA son de idéntica o Por alta frecuencia Por recalcado semejante composición Por ultrasonidos Ausencia de fase líquida, sólo Partículas Rayo electrónico Rayo láser se alcanza el estado plástico; alta energía unión mediante atracción interatómica. Bajo electroescoria Sin Fusión Otros Aluminotérmica 3 2. SOLDADURA CON GAS DEFINICIÓN Proceso de soldeo por fusión que utiliza el calor producido por una llama obtenida por la combustión de un gas y oxígeno para fundir el MB y, si se emplea, el MA. Para conseguir la combustión se emplea: Gas comburente O2 No inflamable, inicia combustión de gases y materiales combustibles Se almacena a alta presión (hasta 200 atm) o en estado líquido Gas combustible Acetileno CaC2 + 2H2O → Ca(OH)2 + C2H2 Gas explosivo si contenido en aire > 2%. Gas explosivo si se comprime solo a P > 1,5 atm Se comprime disuelto en acetona en estructura porosa (hasta 15 atm) Explosivo en contacto con Ag, Hg y Cu (>70%) 4 2. SOLDADURA CON GAS Ventajas e inconvenientes  De bajo coste, portátil  Se puede utilizar en otras aplicaciones  Control independiente del M.A. y la Fuente de calor  Se producen grandes deformaciones  Proceso lento, de baja productividad  Destinado a espesores pequeños Aplicaciones Pequeñas producciones y pequeños espesores Reparaciones Soldaduras con cambios bruscos de dirección No aplicable a metales refractarios (W) ni activos (Ti) 5 2. SOLDADURA CON GAS EQUIPO DE SOLDEO Suministrar la mezcla de gases a una velocidad, presión y proporción adecuadas Nota: se estudia en prácticas 6 2. SOLDADURA CON GAS CARACTERÍSTICAS DE LA LLAMA OXIACETILÉNICA Se produce en el extremo de la boquilla, por la combustión de 1 volumen de acetileno con 1 volumen de oxígeno (en la práctica de 1,1 a 1,3 dependiendo de la potencia del soplete). Carburante  Exceso de acetileno Dardo visible Penacho acetilénico de color verde pálido Tª Baja  Soldeo de metales con bajo punto de fusión (Al) Neutra  misma cantidad de oxígeno que de acetileno Penacho acetilénico desaparece Soldeo de acero Oxidante  Exceso de oxígeno a.- Mezcla La llama se estrecha en la salida b.- Cono o dardo del soplete c.- Zona de trabajo Reducción en el dardo; penacho más corto. Sonido áspero d.- Penacho Soldeo de latón 7 3. SOLDADURA POR RESISTENCIA DEFINICIÓN DE SOLDADURA POR RESISTENCIA Soldadura en la que el calor se genera por medio de una corriente eléctrica de baja tensión y elevada intensidad que se hace circular con la ayuda de sendos electrodos durante un corto espacio de tiempo, a través de la unión que se desea soldar, y aplicando presión elevada Q = I2 R t CARACTERÍSTICAS: Uniones discretas, no continuas Ausencia de MA No necesita una especial cualificación del operario Gran repetibilidad Elevada producción Zonas de fusión localmente establecidas Soldeo de aleaciones férreas y no férreas 8 3. SOLDADURA POR RESISTENCIA DESCRIPCIÓN DEL PROCESO Relectrodo Rcontacto e-m Electrodo Rmetal Piezas a soldar G Rcontacto m-m Rmetal Rcontacto m-e Electrodo Relectrodo 9 3. SOLDADURA POR RESISTENCIA CICLO DE SOLDEO P3 P [N/m2] P3 > P1 > P2 P1 P2 I [A] t [s] Posicionamiento Soldadura Forja Cadencia Fase 1 Fase 2 Fase 3 Fase 4 10 3. SOLDADURA POR RESISTENCIA EQUIPOS  Un circuito eléctrico  transformador y circuito secundario  Un sistema mecánico  sujeta la pieza y se aprietan los electrodos  Un sistema de control  para regular tiempos y magnitudes  Corriente  Presión  Tiempo ELECTRODOS Conducir la corriente eléctrica Fijar y soportar los materiales a soldar alineados Transmitir la presión Retirar el calor que se produce en la zona soldada Pueden ir refrigerados por agua interiormente 11 3. SOLDADURA POR RESISTENCIA PROCEDIMIENTOS El punto de soldadura se localizará bajo los electrodos y en la Por puntos superficie de contacto de los dos materiales. Alto grado de automatización Superficies limpias  deben estar exentas de grasas, óxidos,… (contaminan la punta del electrodo y aumenta el paso de la corriente) A solape Aplicaciones: carrocerías, electrodomésticos y muebles metálicos. Soldadura por Resistencia A tope 12 3. SOLDADURA POR RESISTENCIA PROCEDIMIENTOS Por puntos A solape Previamente se hacen unos resaltes a uno de los MB, en el Por resaltes sitio que queremos que exista un punto de soldadura. Para distribuir mejor la corriente y concentrar el área de aplicación de la fuerza Los electrodos suelen ser de mayor diámetro que en el soldeo por puntos, porque cubren a la vez varios resaltes Soldadura por Resistencia A tope 13 3. SOLDADURA POR RESISTENCIA PROCEDIMIENTOS Por puntos A solape Por resaltes El soldeo por roldanas en una variante del soldeo por puntos, Por roldanas en la que se obtienen una serie de puntos solapados El objetivo es producir soldaduras lineales que dan una gran Soldadura estanqueidad (caso de fabricación de bidones, depósitos,…) por Resistencia A tope 14 3. SOLDADURA POR RESISTENCIA PROCEDIMIENTOS Por puntos A solape Por resaltes Por roldanas Soldadura por Los MB se sitúan mediante mordazas con los extremos a soldar Resistencia A tope enfrentados a tope Las mordazas son los electrodos Superficies de contacto deben ser paralelas y estar muy limpias A tope La presión se aplica antes del calentamiento y se mantiene durante todo el proceso. 15 3. SOLDADURA POR RESISTENCIA PROCEDIMIENTOS Por puntos A solape Por resaltes Por roldanas Soldadura por Resistencia A tope A tope Fuerza aplicada durante la fase de posicionamiento muy pequeña Contacto de superficies a soldar sólo en determinados puntos La corriente de soldadura se concentra en estos puntos Por chispas provocando su rápida fusión Se establecen multitud de arcos eléctricos, que calientan más rápidamente los materiales (consumo de energía mucho menor) No es necesario superficies paralelas y limpias 16 4. SOLDADURA POR ARCO DEFINICIÓN Proceso de soldadura en el que la fusión se genera a través de la energía calorífica producida por un arco eléctrico establecido entre un electrodo (MA) y el MB Potencial de ionización de metales: PI   Más facilidad de formar iones  que facilita la conducción del plasma Potencial termoiónico: PT   Mayor energía generada  mayor temperatura facilita la soldadura Conductividad térmica: CT   Para que no se pierda el calor y se facilite el arco 17 4. SOLDADURA POR ARCO FUENTES DE ALIMENTACIÓN CORRIENTE CONTINUA + Cationes Cátodo Ánodo ─ Electrones Electrodo Electrodo +─ - +─ + V + ─ + + ─ + ─ + ─ - Pieza Pieza Ánodo Cátodo Tª pieza < Tª electrodo Tª pieza > Tª electrodo Evita pérdida de elementos por ox. La pieza evacua más rápidamente Q Menores deformaciones Mayor penetración Menor penetración Evita que el electrodo se ponga al rojo Acción decapante en pieza (mayor masa cationes  Al  Alúmina) POLARIDAD DIRECTA POLARIDAD INVERSA 18 4. SOLDADURA POR ARCO FUENTES DE ALIMENTACIÓN CORRIENTE ALTERNA Cátodo Electrodo - +─ ~ +─ + ─ + + ─ + ─ + ─ Pieza Pieza Ánodo Tª pieza = Tª electrodo Arco menos estable penetración y deformac. Intermedios Equipos más baratos CORRIENTE ALTERNA 19 4. SOLDADURA POR ARCO DEFINICIÓN Y CLASIFICACIÓN DE LOS ELECTRODOS A. Electrodos desnudos Varilla de metal metálico usada en la soldadura para producir el arco eléctrico Electrodos Desnudos  Varilla metálica de sección circular y composición química definida (grandes inconvenientes) Defectos más importantes: Dificultad de cebado y mala estabilidad del arco (sólo con c.c.) Su fusión  Favorece absorción de gases, oxígeno y nitrógeno  porosidades y compuestos  Reducción flexibilidad de la soldadura Su fusión  pérdida de oxidación de los elementos del acero  ↓ propiedades mecánicas 20 4. SOLDADURA POR ARCO DEFINICIÓN Y CLASIFICACIÓN DE LOS ELECTRODOS B. Electrodos revestidos Alma Forma cilíndrica Revestimiento Composición química variable, mezcla de materias orgánicas y minerales Cada sustancia tiene un papel determinado: - estabilizadores del arco - depuradores del metal - constituyentes de escorias - aportadores de elementos,… 21 4. SOLDADURA POR ARCO FUNCIÓN DEL REVESTIMIETNO 1. Función Eléctrica Facilitar el cebado y mantenimiento del arco (sales de sodio, potasio y bario) y estabilizar el arco  muy imp en c.a. porque el arco se apaga en cada periodo. 2. Función Física Formar escoria y gas protector Facilitar el soldeo en las diferentes posiciones (naturaleza y espesor  viscosidad de la escoria) Velocidad de consumo del revestimiento < Velocidad de consumo del alma  cráter en el revestimiento  ↓ pérdidas térmicas y mejor concentración del chorro del arco 3. Función Metalúrgica Contiene elementos que se disuelven en el metal fundido para mejorar las características mecánicas del metal depositado (p.e. productos aleantes). Reduce el nº de poros e inclusiones en la soldadura, al eliminar gran parte de las impurezas. Formar una escoria que evita el enfriamiento 22 brusco del cordón. 5. SOLDADURA POR ARCOS ESPECIALES SOLDADURA POR ARCO BAJO GAS PROTECTOR (TIG y MIG/MAG) Procedimiento de soldadura por arco bajo gas protector con: TIG Electrodo no consumible MIG / MAG Electrodo consumible Argón (Ar) Gases inertes Helio (He) Mezcla Ar - He Dióxido de carbono (CO2) Gas hidrógeno (H2) Gases activos Gas oxígeno (O2) Gas nitrógeno (N2) 23 5. SOLDADURA POR ARCOS ESPECIALES 5. 1. SOLDADURA TIG SOLDADURA POR ARCO BAJO GAS PROTECTOR CON ELECTRODO NO CONSUMIBLE (TIG): Soldadura por fusión mediante el calor generado por un arco eléctrico entre un electrodo no consumible y el material base, empleando gas como medio de protección 24 5. SOLDADURA POR ARCOS ESPECIALES 5. 1. SOLDADURA TIG SOLDADURA POR ARCO BAJO GAS PROTECTOR CON ELECTRODO NO CONSUMIBLE (TIG): Soldadura por fusión mediante el calor generado por un arco eléctrico entre un electrodo no consumible y el material base, empleando gas como medio de protección VENTAJAS LIMITACIONES Adecuado para la mayoría de  Proceso manual  materiales habilidad del operario Ni proyecciones ni escoria  Menos deposición Soldeo regular, lineal y de  No económico para gran calidad espesores > 10 mm Todo tipo de uniones y posiciones Control independiente Energía – M.A. 25 5. SOLDADURA POR ARCOS ESPECIALES 5. 1. SOLDADURA TIG Electrodo: no consumible mantiene el arco sin aportar material al baño posee alta Tª de fusión  W Con c.c en polaridad directa Material de aportación: No necesario para espesores < 3 mm Varillas de composición similar al MB, con distintos Ø Aplicaciones: todo tipo de uniones o posiciones materiales diversos (aceros al C, inoxidables, férreos,…) soldadura de alta calidad y elevada pureza metalúrgica exenta de defectos y buen acabado superficial soldaduras de responsabilidad en la industria del petróleo, química, alimentación, de generación de energía, nuclear,… 26 5. SOLDADURA POR ARCOS ESPECIALES 5. 1. SOLDADURA TIG Gases de protección Argón Ar/He Helio gas monoatómico, Mezcla de ambos gases gas monoatómico, incoloro, inodoro e incoloro, inodoro e insípido insípido Por destilación del aire En yacimientos de gas natural Bajo P.I. prestaciones según Mayor P.I. Proporciona eficiente proporción en que Baja densidad (más protección (alta intervienen cantidad) densidad) penetración intermedia Para materiales de gran Cebado fácil y buena conductividad estabilidad del arco Baja estabilidad del arco Económico (Europa) Habitual en EEUU Penetración baja (< Mayor penetración (> espesores) espesores) Baja conductividad Para grandes espesores térmica 27 5. SOLDADURA POR ARCOS ESPECIALES 5. 2. SOLDADURA MIG / MAG SOLDADURA POR ARCO BAJO GAS PROTECTOR CON ELECTRODO CONSUMIBLE (MIG / MAG): Soldadura por fusión mediante el calor generado por un arco eléctrico entre un electrodo desnudo y el material base empleando como protección un gas inerte (MIG) o activo (MAG), alimentados continuamente 28 5. SOLDADURA POR ARCOS ESPECIALES 5. 2. SOLDADURA MIG / MAG Electrodo: consumible hilo macizo o tubular continuo de Ø = 0,8-1,6 mm composición similar a la del MB seleccionar pareja hilo/gas Ventajas  Adecuado para cualquier material y cualquier posición  Soldaduras largas, sin empalmes  Alta productividad, alta tasa de deposición  Automatizable Limitaciones  Equipo costoso, complejo y menos transportable  Sensible a las corrientes de aire 29 5. SOLDADURA POR ARCOS ESPECIALES 5. 2. SOLDADURA MIG / MAG Procedimiento GAS Características - Bajo potencial de ionización - Idóneo para pequeños espesores Argón - No se utiliza en acero - Se usa en Al, Cu, Ni, Ti - El O2 actúa sobre la tensión MIG Ar + O2 superficial - Mejor penetración - Elevada conductividad Helio - Poca penetración - Cordones amplios - Más barato que el Ar - Carácter oxidante CO2 - Mayor penetración - Arcos energéticos MAG - Se usa en chapas finas - Mejor visibilidad del baño Ar + CO2 - Mejor aspecto del cordón - Menos proyecciones - Fácil de regular 30 5. SOLDADURA POR ARCOS ESPECIALES 5. 3. SOLDADURA POR ARCO SUMERGIDO (SAW) Procedimiento de soldadura por fusión con generación de calor mediante un arco eléctrico entre un electrodo continuo y desnudo y el M.B., protegido por la escoria generada por un fundente suministrado a parte  A veces no necesita preparación de bordes  El arco actúa bajo una capa de flux  evita salpicaduras  El flux actúa como desoxidante  Almacenamiento, alimentación y recogida del flux  No adecuado para unir metales e < 5 mm  Posiciones plana y horizontal 31 5. SOLDADURA POR ARCOS ESPECIALES 5. 4. SOLDADURA POR ELECTROESCORIA (ESW) Procedimiento de soldadura por fusión con generación de calor mediante la resistencia que ofrece la escoria sólida al paso de corriente, siendo ésta suficiente como para fundir el M.A. y al mismo tiempo, las paredes adyacentes del M.B. Comienzo de la soldadura por un arco eléctrico entre la pieza y el electrodo que funde la escoria  aumenta la resistencia eléctrica y la Tª Posición vertical con los bordes escuadrados Patines de Cu refrigerados por agua en los laterales de la unión  evitan que el metal y la escoria fundidos se derramen Proceso altamente automatizado Espesor de la escoria: 50 mm por encima de la superficie del MB y del MA 32 5. SOLDADURA POR ARCOS ESPECIALES 5. 5. SOLDADURA POR PLASMA (PAW) Variante de la soldadura TIG. Un gas es calentado a una temperatura suficiente para conseguir su ionización, separando así el elemento en iones y electrones, llevándolo al estado plasmático. La energía necesaria para conseguir la ionización la proporciona el arco eléctrico que se establece entre un electrodo de tungsteno y el metal base a soldar Como soporte del arco se emplea un gas, generalmente argón puro o en ciertos casos helio con pequeñas proporciones de hidrógeno, que pasa a estado plasmático a través del orificio de la boquilla que estrangula el arco, dirigiéndose al metal base un chorro concentrado que puede alcanzar los 28.000 ºC. El flujo de gas de plasma no suele ser suficiente para proteger de la atmósfera al arco, el baño de fusión y al material expuesto al calentamiento. Por ello a través de la envoltura de la pistola se aporta un segundo gas de protección, que envuelve al conjunto. 33 5. SOLDADURA POR ARCOS ESPECIALES 5. 5. SOLDADURA POR PLASMA (PAW) VENTAJAS Arco excepcionalmente muy estable Concentración de la energía en una zona muy reducida (2 o 3 veces < TIG) Deformación mínima de la pieza a soldar por la concentración de energía térmica Posibilidad de soldar espesores muy pequeños APLICACIONES Industria aeroespacial Industria nuclear Industria Petroquímica Instrumentación y control Equipamiento en acero inoxidable 34 6. OTROS PROCESOS DE SOLDADURA SOLDADURA CON HAZ DE ELECTRONES Se genera calor por medio de un haz de electrones a alta velocidad Generalmente, se realiza en vacío Puede soldarse prácticamente cualquier metal Generalmente, no requiere gas protector, fundente o metal de aporte SOLDADURA CON RAYO LÁSER Utiliza un rayo láser de alta potencia como fuente de calor El rayo tiene una gran densidad de energía y capacidad de penetración Los diámetros del rayo pueden ser muy reducidos (0,2 mm) Es un proceso adecuado tanto para soldar materiales delgados como gruesos 35 7. SOLDADURA EN ESTADO SÓLIDO FORJA DEFINICIÓN Procedimiento de soldadura consistente en: calentar los extremos de los metales a unir en una fragua, horno u otros, hasta alcanzar el estado plástico sacarlos fuera de la fuente de calor, colocarlos uno encima de otro y aplicar presión 36 7. SOLDADURA EN ESTADO SÓLIDO FORJA PROCEDIMIENTO Preparación de bordes Es necesario limpiar perfectamente la zona a unir Puede ser necesario el empleo de fundente CARACTERÍSTICAS APLICABLE A:  Hierro forjado  aceros de bajo contenido en C  Aceros con alto contenido en C Empleo de fundentes  cobre y aluminio  aceros que producen óxidos refractarios CALIDAD DE UNIÓN  ciclo de calentamiento 37 6. SOLDADURA EN ESTADO SÓLIDO SOLDADURA POR PRESIÓN EN FRIO DEFINICIÓN Procedimiento de soldadura donde los metales se sueldan exclusivamente por la aplicación de presión No se aporta calor por ninguna fuente externa Todas las operaciones se producen a Tª ambiente No existe en ningún momento la fase líquida PROCEDIMIENTO Procedimiento: Se aplica presión a las superficies puestas en contacto hasta que se verifica la unión metalúrgica entre ellas Cantidad de deformación Pieza soldada a solape antes y después de aplicar presión 38 7. SOLDADURA EN ESTADO SÓLIDO SOLDADURA POR PRESIÓN EN CALIENTE DEFINICIÓN En este procedimiento, las superficies a soldar se calientan para favorecer el proceso Procedimiento diferente al de fusión la soldadura se consigue mediante la difusión y unión de granos en la superficie por recalcado. CARACTERÍSTICAS Una amplia gama de aceros al C, bajo y alto aleados Metales a soldar Metales y aleaciones no férreas Solo soldadura a tope Calentamiento Debe realizarse lo más rápidamente posible para evitar posteriores deformaciones  Mediante oxigás o Mediante corrientes inducidas Procedimiento 1  En contacto Procedimiento Procedimiento 2  Con una ligera separación 39 7. SOLDADURA EN ESTADO SÓLIDO SOLDADURA POR PRESIÓN EN CALIENTE PROCEDIMIENTO 1 Se colocan los extremos perfectamente alineados bajo una ligera presión Se inicia el calentamiento y se mantiene hasta alcanzar la Tª adecuada Se aumenta la presión hasta conseguir el recalcado Consideraciones: El calentamiento debe ser igual en toda la superficie Puede ser necesario el uso de varios sopletes En caso de piezas circulares  el soplete gira alrededor de la unión a una determinada distancia Preparación de las superficies: Limpieza de superficie  mecanizado o cepillado Aceros de bajo contenido en C  chaflán (6-10º) 40 7. SOLDADURA EN ESTADO SÓLIDO SOLDADURA POR PRESIÓN EN CALIENTE PROCEDIMIENTO 2 Las superficies están separadas. Se coloca en medio sopletes de llama múltiple que calientan las superficies hasta el Punto de Fusión. Después se realiza el recalcado aplicando P (280 – 350 kg/cm2). Material a soldar: Aceros al C; metales no férreos (mónel (Ni-Cu), Cr-Ni, Cu-Si) Se pueden soldar metales diferentes No requiere limpieza especial  suficiente corte por sierra y cepillado 41 7. SOLDADURA EN ESTADO SÓLIDO SOLDADURA POR FRICCIÓN DEFINICIÓN La soldadura por fricción es una variante de la soldadura por presión. La unión se realiza sin fusión del metal, por la deformación plástica de las piezas por el calor producido por la fricción PROCEDIMIENTO (A) Girar uno de los extremos (B) Contacto (C) Calentamiento local (D) Collar típico 42 7. SOLDADURA EN ESTADO SÓLIDO SOLDADURA POR FRICCIÓN CARACTERÍSTICAS Ventajas e inconvenientes Aplicable a la mayoría de los metales de uso industrial Se pueden unir metales similares o diferentes Económico, coeficiente de eficiencia muy elevado Limitaciones: Diámetros de las piezas a soldar < 80 mm Forma de las piezas Aplicaciones 43 7. SOLDADURA EN ESTADO SÓLIDO SOLDADURA POR EXPLOSIÓN DEFINICIÓN Proceso que utiliza la energía de la detonación de un explosivo para unir dos piezas de metal. La explosión origina el desplazamiento de una de las piezas sobre la otra, originando la unión metálica en el punto de colisión. Presiones en el contacto extremadamente altas Generación de una interfase ondulante como consecuencia de la energía cinética de la chapa que golpea Unión mecánica de las dos superficies. Se produce deformación plástica Adecuado para materiales disímiles 44