MANUAL DE
TOMO II
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SOLDADURA
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MANUAL DE
SOLDADURA
TOMO II
Octava edición
AMERICAN WELDING SOCIETY
R. L. O’Brien
Editor
TRADUCCIÓN:
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Ing. Roberto Escalona García
M. en C. UNAM
REVISIÓN TÉCNICA:
Ing. Juan Antonio Torre Marina
Universidad Anáhuac
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MÉXICO ARGENTINA BRASIL COLOMBIA. COSTA RICA CHILE
ESPAÑA GUATEMALA PERÚ PUERTO RICO VENEZUELA
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AMERICAN WELDING SOCIEW/MANUAL DE SOLDADURA
TOMO II (Sa. EDICIÓN)
Traducido de la 8a. edición en inglés: WELDING HANDBOOK/WELDING PROCESSES. VOLUME 2.
Prohibida la reproducción total o parcial de esta obra, por cualquier medio o método, sin la autorización escrita del editor.
No part of this book may be reproduced or transmitted in any form or by any means, electronic or mechanical, including photocopying,
recording or by any information storage and retrieval system, without permission in writing from the publisher.
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Derechos reservados O 1996 respecto a la primera edición en español publicada pot
PRENTICE-HALL HISPANOAMERICANA, S.A.
Calle 4 Ne25-2? piso Fracc. Ind. Alce Blanco,
Naucalpan de Juárez, Edo. de México,
C.P. 53370
ISBN 968-880-768-0 Tomo II, ISBN 968-880-766-4 Obra completa
Miembro de la Cámara Nacional de la Industria Editorial, Reg. Núm. 1524
Original English Language Edition Published by AMERICAN WELDING SOCIETY
Copyright O MCMXCI
All rights reserved
ISBN 0-87171-354-3
IMPRESO EN MÉXICO/PRINTED IN MEXICO
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TOMO II
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CAPíTULO 10. SOLDADURA POR ARCO DE PLASMA
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Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Técnicas del proceso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Equipo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Materiales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Recomendacionesde seguridad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Lista de lecturas complementarias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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CAPíTULO 11. SOLDADURA CON GAS OXICOMBUSTIBLE
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Fundamentos del proceso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Características de los gases combustibles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Equipo para soldadura con gas oxicombustible . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Aplicaciones de la soldadura con gas oxicombustible . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Procedimientos de soldadura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Soldadura con otros gases combustibles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Practicas seguras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Lista de lecturas complementarias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
CAPiTULO 12. SOLDADURA FUERTE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Procesos de soldadura fuerte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Metales de aporte para soldadura fuerte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Fundentes y atmósferas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Aplicaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Diseño de las uniones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Procedimientos de soldadura fuerte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Inspección . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Localización de problemas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Latonado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Prácticas seguras para soldadura fuerte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Lista de lecturas complementarias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
CAPíTULO 13. SOLDADURA BLANDA
.................................
Historia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Fundamentos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Pasos básicos para una soldadura blanda satisfactoria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Soldaduras blandas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Fundentes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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CONTENIDO
Diseño de las uniones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Limpieza previa y preparación de las superficies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Consideracionesde proceso en soldadura blanda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Métodos y equipo para soldadura blanda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Tratamiento de los residuos de fundente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Inspección y prueba . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Propiedades de las soldaduras blandas y de las uniones soldadas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Practicas seguras en la soldadura blanda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Lista de lecturas complementarias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
CAPíTULO 14. CORTE CON OXíGENO
.................................
Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Corte con gas oxicombustible . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Materiales cortados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Corte con lanza de oxigeno . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Practicas seguras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Lista de lecturas complementarias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
CAPíTULO 15. CORTE Y ACANALADO CON ARCO
.......................
Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Corte con arco de plasma . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Corte con arco de carbono y aire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Otros procesos de corte con arco . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Lista de lecturas complementarias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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482
489
496
499
CAPíTULO 16. CORTE CON RAYO LÁSER Y CON CHORRO DE AGUA . . . . . . .
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502
509
513
515
521
522
523
529
CAPíTULO 17. SOLDADURA DE PUNTOS. DE COSTURA Y DE PROYECCIÓN
531
532
540
542
543
552
Corte con rayo laser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Equipo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Materiales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Variables del corte con laser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Inspeccióny control de calidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Seguridad en el corte con laser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Corte con chorro de agua . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Lista de lecturas complementarias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Fundamentos de los procesos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Equipo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Preparaciónde las superficies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Soldadura de resistencia de puntos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Soldadura de resistencia de costura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Soldadura de proyección . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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CONTENIDO
Metales soldados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Programas de soldadura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Calidad de la soldadura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Seguridad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Lista de lecturas complementarias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
CAPíTULO 18. SOLDADURA POR DESTELLO. DE VUELCO Y DE PERCUSIÓN
Soldadura por destello . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Soldadura de vuelco . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Soldadura de percusión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Seguridad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Lista de lecturas complementarias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
CAPíTULO 19. EQUIPO PARA SOLDADURA DE RESISTENCIA
.............
Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Maquinas para soldadura de puntos y de proyección . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Construcción general . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Maquinas para soldadura de punto rodado y de costura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Maquinas para soldadura por destello y de vuelco . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Maquinas para soldadura de vuelco . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Controles para soldadura de resistencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Característicaseléctricas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Electrodos y portaelectrodos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Fuentes de potencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Seguridad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Lista de lecturas complementarias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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PREPARADO POR UN
COMITÉ INTEGRADO POR:
S. E. Barhorst, Presidente
Hobart Brothers Co.
SOLDADURA
POR ARCO
DE PLASMA
E . H. Daggett
Consultor
S. A. Hilton
Pratt & Whitney
J. T.Perozek
Hobart Brothers
E. Spitzer
Merrick Engineering Corp.
MIEMBRO DEL COMITÉ DEL
MANUAL DE SOLDADURA:
J. R.Condra
E. I. DuPont de Nemours & Co.
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Técnicas del proceso
335
Equipo
336
Materiales
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Recomendacionesde seguridad
349
Lista de lecturas complementarias
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Introducción
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SOLDADURA
POR ARCO
DE PLASMA
INTRODUCCIÓN
LASOLDADURAPOR arco de plasma (plasmaarc welding, PAW)
es un proceso de soldadura por arco que produce coalescencia
de metales calentándolos con un arco constreñido entre un electrodo y la pieza de trabajo (arco transferido) o entre el electrodo
y la boquilla de constricción (arco no transferido). La protección
generalmente se obtiene del gas caliente ionizado que sale del
soplete. Este gas de plasma por lo regular se complementa con
una fuente auxiliar de gas protector, el cual puede ser un solo
gas inerte o una mezcla de gases inertes. No se aplica presión, y
se puede añadir o no metal de aporte.
La soldadura por arco de plasma, al igual que la soldadura
por arco de tungsteno y gas (GTAW), emplea un electrodo no
consumible. EI soplete de PAW tiene una boquilla que crea una
cámara de gas alrededor dei electrodo. El arco calienta el gas
alimentado a la cámara hasta una temperatura tal que se ioniza
y conduce la electricidad. Este gas ionizado se denomina plasma. El plasma sale por el orificio de la boquilla a una temperatura
de unos 16 700°C (30 000°F).
La soldadura por arco de plasma puede servir para unir ia
mayor parte de los metales en todas las posiciones. Ofrece mejor
control direccional del arco y zonas térmicamenteafectadas más
angostas que GTAW. Además, el patrón de arco constreñido
tan angosto tolera mejor las variaciones en la distancia de separación del soplete.
La desventaja principal de la soldadura por arco de plasma es
el costo relativamente elevado del equipo. Además, en coinparación con GTAW, hay un mayor número de variables del proceso, lo que requiere procedimientos de soldadura más complejos
y una capacitación de los operadores más extensa.
un tubo a través del cual se encendía un arco. La fuerza centrífuga del gas estabilizaba el arco a lo largo del eje del tubo mediante la creación de un núcleo axial de baja presión. Se produjeron arcos de varios metros de longitud, y el sistema resultó útil
para los estudios sobre arcos.
Gerdien y Lotz2construyeron un dispositivo estabilizador de
arco con vórtice de agua en 1922.En este aparato, agua inyectada
tangencialmenteen el centro de un tubo se hacía girar alrededor
de ia superficie interna y salía expulsado por los extremos.
Cuando se pasaba por el tubo un arco encendido entre electrodos
de carbono, el agua concentrabael arco a lo largo del eje, produciendo densidades de comente y temperaturas más altas que ias
alcanzables de alguna otra forma. EI invento de Gerdien y Lotz
no tuvo aplicaciones prácticas en metalurgia a causa del rápido
consumo de sus electrodos de carbono y la presencia de vapor
de agua en los chorros de plasma.
Mientras trabajaba sobre la fusión con arco de metales refractarios en 1953, Gage' observó la similitud aparente de un arco
eléctrico largo y una flaina de gas ordinaria. Sus intentos por
controlar la intensidad calorifica y la velocidad del arco condujeron al desarrollo del soplete de arco de plasma moderno.
La primera herramienta práctica de arco de plasma para
trabajar metales fue un soplete de corte introducido en 1955.Este
dispositivo era similar a un soplete de soldadura por arco de
tungsteno y gas en cuanto a que usaba un electrodo de tungsteno
y un gas de "plasma". Sin embargo, el electrodo estaba metido
en el soplete, y el arco se constreiiia al pasar por un orificio en
la boquilla del soplete. Los circuitos usuales para soldadura por
arco de tungsteno y gas se complementaronen el soplete de corte
por arco de plasma con un circuito de arco piloto para la
iniciación del arco.
HISTORIA DE LOS ARCOS DE PLASMA
EI equipo comercial para recubrimiento con arco de plasma
UNO DE LOS primeros sistemas de arco de plasma fue un dispo- surgió en 1961, y la soldadura por arco de plasma se introdujo
sitivo de vórtice de gas estabilizado introducido por Schonherr en 1963.
en 1909.' En esta unidad, se hacía pasar gas tangencialmentepor
1.
Encyclopedia of physics, XXII, 300. Springer-Verlog, Berlin, 1956.
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2 . Lor. rir.
3. Gage, R. M., Patente de E.U.A.núm. 3 806 124.
Not for Resale
SOLDADURA POR ARCO DE PLASMA
331
protector. El arco de tungstenoy gas no está constreñidoy adopta
una forma aproximadamente cónica que produce un patrón de
LA SOLDADURA POR arco de plasma es básicamente una exten- calor relativamente ancho en la pieza de trabajo. Para una
sión del proceso de soldadura por arco de tungsteno y gas comente de soldadura dada, el área de incidencia del arco cónico
(GTAW), pero tiene una densidad de energía de arco mucho más sobre la pieza de trabajo varía con la distancia entre el electrodo
alta y una velocidad del plasma más alta en virtud de que este y el trabajo. Así, un cambio pequeño en la longitud del arco
último se obliga a pasar por una boquilla constrictora, como se produce un cambio relativamente grande en el aporte de calor
aprecia en la figura 10.1.
por unidad de área.
El gas de orificio es el gas que se hace pasar por el soplete
En contraste, el electrodo del soplete de arco de plasma está
rodeando al electrodo; se ioniza en el arco para formar el plasma, metido dentro de la boquilla constrictora. La boquilla colima el
y sale por el orificio de la boquilla del soplete como un chorro arco y lo enfoca sobre un área relativamente pequeña de la pieza
de plasma. En la mayor parte de las operaciones, se suministra de trabajo. Como la forma del arco es en esencia cilíndrica, el
gas protector auxiliar a través de una copa de gas exterior, similar área de contacto sobre la pieza de trabajo cambia muy poco
a la de la soldadura por arco de tungsteno y gas. El propósito cuando se varía la separación del soplete. Por ello, el proceso
de este gas auxiliar es cubrir el área de incidencia del chorro de PAW es menos sensible a las variaciones en la distancia entre el
plasma sobre la pieza de trabajo para que el charco de soldadura soplete y el trabajo que el proceso GTAW.
no se contamine.
Como el electrodo del soplete de arco de plasma está metido
La boquilla constrictora del arco a través de la cual pasa el en la boquilla constrictora del arco, no puede tocar la pieza
plasma del arco tiene dos dimensiones principales: el diámetro de trabajo. Esta característica reduce considerablemente la
de orificio y la longitud de garganta. El orificio puede ser posibilidad de contaminar la soldadura con metal del eleccilíndrico o tener un ahusamiento convergente o divergente.
trodo.
La distancia que el electrodo está metido dentro del soplete
Conforme el gas de orificio pasa por la cámara de pleno del
es el retiro del electrodo. La dimensión desde la cara exterior de soplete de arco de plasma, es calentado por el arco, se expande,
la boquilla del soplete hasta la pieza de trabajo se conoce como y sale por el orificio constrictor a alta velocidad. Dado que un
distancia de separación del soplete.
chorro de gas demasiado fuerte puede causar turbulencia en el
El pleno o cámara de pleno es el espacio entre la pared interior charco de soldadura, las tasas de flujo de gas por el orificio
de la boquilla constrictora y el electrodo. EI gas de orificio se generalmente se mantienen dentro del intervalo de 0.25 a 5
dirige a esta cámara y de ahí a través del orificio hacia el trabajo. L/min (0.5 a 10 pies3/h).En general, el gas de orificio por sí solo
Es posible que se imparta al flujo de gas un vector tangencia1 no basta para proteger el charco de soldadura contra la contamipara formar un remolino en el paso por el orificio.
nación por gases atmosféricos. Por tanto, hay que suministrar
En la figura 10.2 se muestra la disposición básica de los gas protector auxiliar a través de una boquilla exterior. Las tasas
sistemastanto de GTAW como de PAW. El electrodo del soplete de flujo de gas protector típicas son del orden de 10 a 30 L/min
de GTAW se extiende más allá del extremo de la boquilla de gas (20 a 60 pies’fi).
A
,/S
DE ORIFICIO
ELECTRODO
\
GAS PROTECTOR
CONSTRICTORA
BOQUILLA DE GAS EXTERIOR
LONGITUD DE GARGANTA
DEL ELECTRODO
IAMETRO DEL ORIFICIO
SEPARACIÓN DEL SOPLETE
Fiuura 10.1-Terminologia de los sopletes de arco de plasma
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PRINCIPIOS DE FUNCIONAMIENTO
332
SOLDADURA POR ARCO DE PLASMA
GAS
PROTECTOR
-
3
BOQUILLA
DEL GAS
PROTECTOR
PROTECTOR
PLASMA
DEL A
R
C
O
,
l
/
ARCO DE TUNGSTENO Y GAS
ARCO DE PLASMA
Figura 10.2-Comparación de los procesos de soldadura por arco de tungsteno y gas y por arco de plasma
Propósitos de la constricción del arco
ES POSIBLEMEJORAR en varios sentidos el rendimiento respecto
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a la operación de arco abierto (GTAW) si se hace pasar el arco
de plasma por un orificio pequerio. La mejora más notable es ia
estabilidad direccional del chorro de plasma. Un arco de tungsteno y gas convencional es atraído hacia la conexión con el
trabajo más cercana para regresar hacia la fuente de potencia, y
es desviado por campos magnéticos de baja intensidad. En
cambio, los chorros de plasma son relativamente rígidos; tienden
a seguir la dirección hacia la que se les dirige y no acusan tanto
los efectos de los campos magnéticos.
La constriccióii del arco puede producir altas densidades de
corriente y una concentración de energía elevada. Las densidades de corriente altas producen temperaturas inás elevadas en el
arco de plasma.
La elevación de la temperatura y los cambios eléctricos
causados por la constricción del arco se coinparaii en la figura
10.3. EI lado izquierdo de esta figura representa un arco de
tungsteno nonnal no constreriido que trabaja a 200 A, CCEN, eii
argón con una tasa de flujo de 19 L/rnin (40 pies’lti). EI lado
derecho ilustra un arco, con la misrna corriente y flujo de gas,
que se constrifie al pasar por un orificio de 4.8 inin (3/16 pulg)
de diámetro. En estas condiciones, el arco constreriido muestra
un incremento del 100%en la potencia del arco y del 30%eii Ia
temperatura, en comparacióii con el arco abierto. Los iiiétodos
espectroscópicos que se ernpleaii para medir la teiiiperatiira de
los arcos se basan en el análisis e iiiterpretacióii de los espectros
de einisión.
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La mayor temperatura del arco constreñido no es su principal
ventaja, ya que la temperatura en el arco de tungsteno y gas excede por mucho los puntos de fusión de los metales que normalmente se sueldan con ese proceso. Las ventajas priiicipales del
arco de plasma son su estabilidad direccional, el efecto de enfoque que tiene la constricción del arco y la relativa falta de
sensibilidad del arco a las variaciones en la distancia de separación dei soplete.
EI arco de plasma aprovecha de manera eficiente la energia
que se le proporciona. EI grado de colimación del arco, la fuerza
del arco, la densidad de energia eii la pieza de trabajo y otras
características son primordialinente funciones de lo siguiente:
(1)
(2)
(3)
(4)
(5)
Corriente de plasma.
Diámetro y foniia del orificio.
Tipo de gas de orificio.
Tasa de flujo del gas de orificio
Tipo de gas protector.
Las diferencias fiindameritales entre los procesos de trabajo
de metales coi1 arco de plasma surgen de las relaciones entre
estos cinco factores, los cuales se pueden ajustar para producir
energias tennicas niiiy altas o niiiy bajas. Por ejemplo, la elevada
concentración de energia y la velocidad de chorro tan alta que
se necesitan para el corte con arco de plasina exigen una corrieiite de arco elevada, un orificio de diáiiietro pequeiio, una tasa de
flujo de gas de orificio alta y 1111gas coil elevada coiiductividad
téniiica. En cainbio, para soldar se necesita una velocidad del
Not for Resale
ARCO NO CONSTRERID0
CÁTODO (-)
ARGON A 40 pies3/h
200 A
15 V
1
I
ARCO CONSTRER IDO
ORIFICIO DE
4.8 rnm (3/16 pulg)
DE DIAM.
ARGON A 40 pies3/h
200A
333
Los arcos transferidos tienen la ventaja de que hay una mayor
transferencia de energía al trabajo, y ésta es la modalidad que se
usa generalmente para soldar. Los arcos no transferidos son
útiles para cortar y unir piezas de trabajo no conductoras o para
aplicaciones en las que se desea una concentración de energía
baja.
Si el flujo de gas de orificio es insuficiente o la comente de
arco es excesiva para una geometría de boquilla dada, o si la
boquilla toca el trabajo, ésta puede sufrir daños a causa de un
fenómeno conocido como arco doble. En esta situación, la
boquilla metálica del soplete forma parte del trayecto de la comente desde el electrodo y de vuelta a la fuente de potencia. En
esencia, se forman dos arcos, como se muestra en la figura 10.5.
El primero va del electrodo a la boquilla, y el segundo va de la
boquilla al trabajo. El calor generado en los puntos catódico y
anódico, que se forma en el punto donde los dos arcos tocan la
boquilla, irremediablementeperjudica este componente.
Tipos de corriente de soldadura
TEMPERATURA, OK
10000-14 O00
: 14000-18 O00
....
iiiiiji; 18 000- 24 000
......
24000 O M A S
Figura 10.3-Efecto de la constricción del arco sobre la
temperatura y el voltaje
chorro de plasma baja, a fin de evitar la expulsión del metal de
soldadura de la pieza de trabajo. Para esto se requiere un orificio
mayor, una tasa de flujo de gas bastantemás baja y una comente
de arco menor.
EI arco constreñido es mucho más efectivo que un arco
abierto para calentar el gas que se usará en una operación
determinada. Cuando el gas pasa directamente a través de un
arco constreñido, queda expuesto a concentraciones de energía
más altas que cuando pasa a los lados de un arco de tungsteno y
gas convencional, como se aprecia en la figura 10.3.
Modalidades de arco
ENLASOLDADURA por arco de plasma se usan dos modalidades
de arco: arco transferido y arco no transferido. La figura 10.4
ilustra las dos modalidades. Con un arco transferido, el arco “se
transfiere” del electrodo a la pieza de trabajo. Esta última forma
parte del circuito eléctrico, y se obtiene calor tanto del punto
anódico en la pieza de trabajo como del chorro del plasma.
Con un arco no transferido, el arco se establece y mantiene
entre el electrodo y el orificio constrictor. EI plasma de arco sale
por el orificio impulsado por la fuerza del gas de plasma. La
pieza de trabajo no queda dentro del circuito del arco, y el calor
Útil se deriva Únicamente del chorro de plasma.
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ENLAMAYOR parte de las aplicaciones de soldadura por arco de
plasma se emplea corriente continua con el electrodo negativo
(CCEN) y un electrodo de tungsteno puro o de tungsteno toriado
con arco transferido. El intervalo de comentes para la soldadura
por plasma con CCEN es de cerca de O. 1 a 500 amperes. Con
frecuencia se usa la pulsación de comente. Comúnmente se
sueldan aleaciones de acero, aceros inoxidables, aleaciones de
níquel y titanio. Se usa en forma limitada corriente continua con
el electrodo positivo (CCEP) para soldar aluminio. El excesivo
calentamiento del electrodo es el principal factor que limita el
uso de CCEP; su comente máxima suele ser menor que 100
amperes.
Se puede usar corriente alterna senoidal con estabilización
continua por alta frecuencia para soldar aleaciones de aluminio
y de magnesio. El intervalo de comente generalmente está entre
i0 y 100 amperes; los amperajes mayores casi siempre producen
un deterioro excesivo del electrodo durante el medio ciclo de
corriente con electrodo positivo, y no pueden usarse. La principal razón para utilizar corriente alterna al soldar aleaciones de
aluminio y de magnesio es la eliminación de óxidos. Durante el
medio ciclo de electrodo positivo de la comente alterna, el electrodo libera iones positivos que bombardean los óxidos en la
superficie de la pieza de trabajo. Este bombardeo, llamado
grabado catódico, elimina los óxidos y expone una superficie
metálica limpia para soldar. La ca de onda cuadrada ha reemplazado en buena medida a la ca senoidal para soldar aleaciones de
aluminio y de magnesio.
La comente alterna de onda cuadrada con medios ciclos de
corriente con electrodos negativo y positivo no balanceados
(arco de plasma de polaridad variable) resulta muy eficientepara
soldar aleaciones de magnesio y de aluminio, y no requiere
estabilización por alta frecuencia. La onda cuadrada no balanceada conserva la propiedad deseable de grabado catódico para
eliminar el óxido, pero la mayor parte de la energía es anódica
para que haya una transferencia máxima de calor. En el capítulo 1 se tratan las formas de onda senoidal y de onda cuadrada
de la corriente alterna. La soldadura por arco de plasma d e
polaridad variable se describirá más adelante en la sección sobre
equipo.
Not for Resale
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SOLDADURA POR A R C O DE PLASMA
334
SOLDADURA POR ARCO DE PLASMA
BOQUILLA CONSTRICTORA
c
S DE ORIFICIO
1
PROTECTOR
/TRABAJO
\-
TRANSFERIDO
NO TRANSFERIDO
Figura 10.4-Modalidades de arco transferido y no transferido del arco de plasma
Longitud del arco
FUENTE
DE POTENCIA
rl
LA NATURALEZA COLUMNAR del arco constreñido hace que el
proceso de arco de plasma sea menos sensible a las variaciones
en la longitud del arco que el proceso de arco de tungsteno y gas.
Como el arco de tungsteno y gas no constreñido tiene forma cónica, el área de aporte de calor a la pieza de trabajo varía con el
cuadrado de la longitud del arco, y un cambio pequeño en esta
longitud causa un cambio relativamente grande en la tasa de
transferencia de calor por unidad de área. En cambio, con el
chorro de plasma de fonna casi cilíndrica, si la longitud del
arco varía dentro de los límites normales, el área de aporte de
calor y la intensidad del arco se mantendrán prácticamente
constantes.
Adeinás, el chorro de plasma coliinado pennite usar una
distaiicia soplete-trabajo mucho mayor (separación del soplete)
que la que es posible con el proczso GTAW, de modo que el
operador no tiene que ser tan habilidoso para inanipular el soplete. En la figura 10.6 se inuestraii las longitudes de arco típicas
empleadas para soldar material de calibre delgado a cerca de 10
amperes. EI arco de plasma tiene unos 6.4 niin (1/4 pulg) de
largo, en comparación con el arco de tungsteno y gas de 1 .S niin
(0.06 piilg).
1iirrGAS
TRABAJO
Fiaura 10.5-Diaarama esauematico del arco doble
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SOLDADURA POR ARCO DE PLASMA
ARCO DE PLASMA
335
ARCO DE TUNGSTENO Y GAS
~~
Figura 1O.ô-Comparación de las longituåes de arco que suelen usarse para soldar por arco de plasma y por arco
de tunasteno v aas secciones metálicas muv delaadas a 1O A.
TÉCNICAS DEL PROCESO
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VENTAJAS
LASMODALIDADES DE baja comente y de alta comente (fusión
en surco) tienen las siguientes ventajas en comparación con la
soldadura por arco de tungsteno y gas:
(1) La concentración de energía es mayor; por tanto:
(a) Las velocidades de soldadura son más altas en algunas aplicaciones.
(b) No se requieren comentes tan altas para produciruna
soldadura dada, y hay menos contracción. La distorsión puede
reducirse hasta en un 50%.
( c ) La penetración puede controlarse ajustando las variables de soldadura.
(2) El arco es más estable.
(3) La columna del arco tiene mayor estabilidad direccional.
(4) La franja de soldadura es más angosta (razón profundidad/ anchura más alta) para una penetración dada, lo que redunda en una menor distorsión.
( 5 ) Se reduce la necesidad de fijación en algunas aplicaciones.
(6) Si es deseable agregar metal de aporte, la operación es
mucho más fácil porque la distancia de separación del soplete
es cómoda y el electrodo no puede tocar el metal de aporte ni el
charco. Otra consecuencia de esto es la reducción del tiempo inactivo invertido en rectificar el electrodo de tungsteno y
la eliminación de la contaminación de la soldadura con tungsteno.
(7) Las variaciones razonables en la distancia de separación
del soplete casi no afectan la anchura de la franja ni la concentración de calor en el trabajo; esto facilita mucho la soldadura
fuera de posición.
Not for Resale
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EL-PROCESO
DE soldadura por arco de plasma goza de buena
aceptación en las industrias de fabricación, aeroespacial y nuclear. Ofrece latitud y economía en los procesos de fabricación,
al tiempo que mantiene la calidad y la confiabilidad de las
uniones soldadas. Todos los metales soldables con el proceso
GTAW se pueden soldar satisfactoriamentecon PAW; por tanto,
casi no se requieren excepciones en el establecimiento de especificaciones de aceptabilidad de los ensambles soldados.
La ventaja del proceso de arco de plasma de baja comente
(0.1 a 50 amperes) es el arco tan estable y controlable que se
obtiene para soldar materiales delgados. Si se usa un arco piloto,
el inicio del arco transferido es más confiable que el inicio de
GTAW en estos niveles de corriente. Gracias al arco colimado,
las uniones de borde soldadas tienen franjas con perfil uniforme
cuando se sueldan manual o autoináticamente.Otras aplicaciones son las aspas de turbina, los bordes sellados, los fuelles,
marcapasos y diafragmas. Para estas aplicaciones, la soldadura
por arco de plasma con frecuencia ha sido la alternativa económica a la soldadura por rayo láser.
Los procedimientosde soldadura con corriente elevada, en el
intervalo de 50 a 400 amperes, a menudo emplean la modalidad
de fusión en surco, que produce una soldadura similar a la que
se obtiene con la soldadura por arco de tungsteno y gas convencional. En las aplicacionesmecanizadas, la modalidad de fusión
en surco generalmente se usa en preferencia al proceso de arco
de tungsteno y gas porque permite un control consistente de la
calidad de las soldaduras. Aqui también, la estabilidad y rigidez
del arco pemiiten una penetración más controlada del arco en la
unión; además, puede reducirse el tiempo de soldadura. Las
aplicaciones incluyen la soldadura de laininaciones apiladas, la
unión de tubos en forjas, el revestimiento y las pasadas de
cobertura en la soldadura por agujero calado.
336 S O L D A D U R A P O R A R C O D E P L A S M A
el soplete se mueve a lo largo de la unión, el metal fundido por el
arco al frente del agujero calado fluye alrededor del chorro de
ENTRELAS LIMITACIONES asociadas a la soldadura por arco de plasma hacia la parte de atrás, donde el charco de soldadura graplasma de baja comente y de alta comente (fusión en surco) dualmente se solidifica. La ventaja principal de la soldadura por
están:
agujero calado es que se puede soldar con una sola pasada.
EI agujero abierto establece además una ruta de escape a tra(1) Como el arco constreñido es muy angosto, el proceso no
vés
de la delgada capa fundida por la cual las impurezas pueden
tolera mucho la falta de alineación de las uniones.
fluir
hacia la superficie y los gases pueden ser expulsados antes
(2) Los sopletes manuales para soldadurapor arco de plasma
de
la
solidificación. El volumen máximo del charco de soldadura
generalmente son más difíciles de manipular que un soplete de
y el perfil de la franja de raíz resultante en la parte inferior de la
GTAW comparable.
(3) Si se desea obtener soldaduras de calidad consistente, la unión quedan determinados en gran medida por el equilibrio de
boquilla constrictora debe recibir un buen mantenimiento e fuerzas entre la tensión superficial dei metal de soldadura funinspeccionarsecon regularidad para detectar indicios de deterie dido, la comente del arco de plasma. y la velocidad del gas
ionizado que sale por el orificio.
ro.
La técnica de soldadura por agujero calado con comente
elevada opera justo por debajo de las condiciones que produciTÉCNICA DE SOLDADURA
rían un corte en lugar de una soldadura. En el caso del corte, una
velocidad del gas de orificio ligeramente mayor hace que el
POR AGUJERO CALADO
metal fundido salga despedido. Al soldar, la menor velocidad
CUANDO SE SUELDA por arco de plasma ciertos intervalos de del gas permite que la tensión superficial mantenga el metal
espesores de metal, una combinación apropiada de flujo de gas fundido en la unión. En consecuencia, la tasa de flujo del gas de
de plasma, comente de arco y velocidad de desplazamiento orificio para soldar es crítica y debe controlarse con mucha preproducirá un charco de soldadura relativamentepequeño con un cisión. Se recomienda un flujo máximo de 0.12 L/min (0.25
agujero que atraviesa por completo el metal base. Este agujero pies3/h), el cual es bastante bajo.
se conoce como agujero calado y se ilustra en la figura 10.7.En
En síntesis, las ventajas de la soldadura por arco de plasma
la técnica de agujero calado por 1o.regularse suelda con la palma con la técnica de agujero calado, en comparación con GTAW,
de la mano hacia el trabajo, y se usa en espesores de material son, entre otras:
entre 1.6 y 9.5 mm (1/16 y 3/8 pulg). No obstante, en las
(1) El gas de plasma que penetra en el agujero calado ayuda
condiciones de soldadura apropiadas y con ciertos espesores de
metales, la soldadura por agujero calado se puede realizar en a eliminar gases que, en otras circunstancias, quedarían atrapacualquier posición. El proceso por arco de plasma es el único dos en el metal fundido y causarían porosidad.
(2) La zona de fusión simétrica de la soldadura por agujero
proceso de soldadura con gas protector que comúnmente se
calado reduce la tendencia a la distorsión transversal.
opera con esta desusada característica.
(3) La mayor penetración en la unión permite reducir el
En la operación con agujero calado, el chorro de plasma (al
penetrar en la unión) desplaza el metal fundido hacia la superfi- número de pasadas que se requieren para una unión dada. MuCie de la franja superior para formar el agujero. Luego, conforme chas soldaduras pueden completarse con una sola pasada.
(4) Generalmente se usan uniones a tope cuadradas, con lo que
se reducen los costos de preparación y maquinado de las uniones.
LIMITACIONES
n
AGUJERO CALADO
\\
-
RECORRIDO DEL SOPLETE
Entre las limitaciones de la técnica de soldadura por plasma
con agujero calado están:
\
Figura 10.7-Representación pictórica del agujero
calado en la soldadura por arco de plasma
(1) En los procedimientos de soldadura intervienen más
variables de proceso que pueden determinar intervalos de operación estrechos.
(2) Para la operación manual, se requiere más habilidad por
parte del operador, sobre todo al soldar materiales gruesos.
(3) Excepto en aleaciones de aluminio, la técnica de soldadura con plasma por agujero calado se restringe en su mayor
parte a la posición 1G (aunque puede usarse en cualquier posición).
(4) El soplete de plasma debe recibir un buen mantenimiento
para que trabaje en forma consistente.
EQUIPO
EL EQUIPOBASICO para la soldadura por arco de plasma se
muestra en la figura 10.8. Este tipo se soldadura se realiza con
equipo tanto manual como mecanizado.
Un sistema completo de soldadura por arco de plasma manual
consiste en un soplete, una consola de control, una fuente de
potencia, suministros de gas de orificio y protector, una fuente
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SOLDADURA POR ARCO DE PLASMA
337
INTERRUPTOR
DEARRANQU4PARO
GERANTE
MANGUERA DEL GAS DE ORIFICIO
TERMINAL(-) Y ENTRADA DE REFRIGERANTE
TERMINAL (+) Y SALIDA DE REFRIGERANTE
CONSOLA
DE CONTROL
MANGUERA DEL GAS PROTECTOR
'8'
I
FUENTE
DE POTENCIA
.
1
1 I 1
--`,,,```-`-`,,`,,`,`,,`---
REMOTODE
CORRIENTE
Figura lO.&Equipo típico para soldadura por arco de plasma
de refrigerante para el soplete y accesorios como un intemptor
para encender y apagar el equipo, medidores de flujo de gas y
un control remoto de la corriente. Actualmente está disponible
equipo para trabajar en el intervalo de comentes de O. 1 a 225 A,
CCEN.
Se debe usar equipo mecanizado para aprovechar las ventajas
de alta velocidad de soldadura y penetración profunda asociadas
a la soldadura por arco de plasma de alta comente. Una instalación mecanizada típica consiste en una fuente de potencia, una
unidad de control, un soplete mecanizado, un soporte para el
soplete o un carro para su desplazamiento, una fuente de refrigerante, un generador de potencia de alta frecuencia y suministros de gases protectores. Si es preciso, se usarán accesorios
como un control de voltaje del arco y un sistema de alimentación
de alambre de aporte. Existen sopletes para soldadura mecanizada con comentes de hasta 500 A, CCEN.
INICIACIÓN DEL ARCO
ELARCO DE plasma no puede iniciarse con ias técnicas nonnaies
que se emplean en la soldadura por arco de tungsteno y gas.
Como el electrodo está metido en la boquilla constrictora, no se
puede tocar con é1 la pieza de trabajo para encender el arco.
Primero es necesario encender un arco piloto de baja corriente
entre el electrodo y la boquilla constrictora. La potencia para el
arco piloto nomialmente proviene de una fuente de potencia
aparte situada dentro de la consola de control o bien de la fuente
de potencia de soldadura misma. Por lo regular, el arco piloto se
inicia empleando potencia de ca de alta frecuencia o un pulso de
alto voltaje superpuesto al circuito de soldadura. Estos métodos
ayudan a disociar ias moléculas presentes en el espacio del arco
e ionizar el gas de orificio para que conduzca la corriente del
arco piloto.
Los circuitos básicos para un sistema de soldadura por arco
de plasma con generador de alta frecuencia se muestran en la
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figura 10.9. La boquilla constrictora se conecta a la terminal
positiva de la fuente de potencia por medio de un resistor
liinitador de la comente. EI generador de alta frecuencia inicia
un arco piloto de baja corriente entre el electrodo y la boquilla.
El circuito eléctrico se completa a través del resistor. EI gas
ionizado del arco piloto fonna un camino de baja resistencia
entre el electrodo y el trabajo. En el momento en que se energiza
la fuente de potencia, se enciende el arco principal entre el electrodo y el trabajo. EI arco piloto sólo sirve para facilitar el
encendido del arco principal. Una vez iniciado el arco principal,
el arco piloto puede extinguirse.
FUENTE DE POTENCIA: SIN PULSOS
LASFUENTES DE potencia de cc de comente estable disponibles
para soldadura por arco de plasma tienen capacidad de amperaje
entre O. 1 A y varios cientos de amperes. Para la soldadura por
arco de plasma con CCEN se emplean fuentes de potencia de
tipo convencional con característica volt-ampere de caída. En
general, son el mismo tipo de fuentes de potencia que se usan
para GTAW y se venden con intervalos de amperaje desde O. 1
hasta 400 amperes con ciclos de trabajo del 60 al 100%.Las
unidades de rectificador son preferibles a las de motor-generador
en virtud de sus características de salida eléctrica.
Un rectificador con voltaje de circuito abierto del orden de
65 a 80 volts resulta satisfactorio para soldadura por arco de plasma con argón o con mezclas argen-hidrógeno que contienen
hasta un 7% de hidrógeno. Sin embargo, si se usa helio o una
mezcla argón-hidrógenocon más de 7 % de hidrógeno, se requerirá un voltaje de circuito abierto más alto para que el encendido
del arco sea confiable. Esto puede lograrse conectando dos
fuentes de potencia en serie. Si el encendido del arco es irregular,
otra estrategia sería encender el arco en argón puro y luego
cambiar a la mezcla argón-hidrógeno deseada o a helio para la
Not for Resale
338
SOLDADURA POR ARCO DE PLASMA
/ELECTRODO
FUENTE
DE POTENCIA
DE SOLDADURA
GENERADOR
DEALTA
FRECUENCIA
-
(-)
GAS DE ORIFICIO
DE ENFRIAMIENTO
7
PROTECTOR
GAS EXTERIOR
Figura 10.9-Sistema de soldadura por arco de plasma con iniciación del arco piloto por alta frecuencia
operación de soldadura. Existen fuentes de potencia de corriente
constante con varias opciones, como una elevación gradual
programada de la comente, un decaimiento programado de la
comente de soldadura y una reducción programada de la comente. Estas funciones especiales de la fuente de potencia se
utilizan en diversas aplicaciones, principalmenteen la soldadura
automática.
--`,,,```-`-`,,`,,`,`,,`---
FUENTE DE POTENCIA:
CORRIENTE PULSADA
ENALGUNAS APLICACIONES de la soldadura por arco de plasma
es indispensable el empleo de comente a pulsos. Las fuentes de
potencia de comente a pulsos que se usan para la soldadura por
-TIEMPO
arco de plasma son similares a las que se emplean en la soldadura
por arco de tungsteno y gas; son fuentes de potencia con característica volt-ampere de caída convencionales pero que son
capaces de emitir pulsos de un nivel de comente elevado que se
conoce como corrientepico. Las fuentes de potencia de comente
a pulsos que se usan para soldadura por arco de plasma tienen
frecuencia de pulsación y anchura de pulso variables. En la
figura 10.10se definen los términos relacionados con la comente a pulsos.
Existen fuentes de potencia transistorizadas, de inversor y de
SCR con capacidad de comente a pulsos integrada. También se
venden unidades que pueden añadirse a las fuentes de potencia
convencionalesde comente estable a fin de producir comente a
pulsos dentro de un intervalo limitado de frecuencias de pulsación. También es posible conferir a la comente de soldadura una
~
Figura 10.10-Terminología de la corriente a pulsos
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Not for Resale
~~~~
SOLDADURA POR ARCO DE PLASMA
pendiente ascendente o descendente con las fuentes de potencia
de corriente a pulsos. En el capitulo 1 se hace un análisis más
detallado de los aspectos técnicos de este tipo de equipo.
SOLDADURA POR ARCO DE PLASMA
DE POLARIDAD VARIABLE
SE HA SOLDADO aluminio por arco de plasma con la técnica de
agujero calado empleando ca de onda cuadrada con polaridad
variable (VPPA). La forma de onda de polaridad variable se
muestra en la figura 10.11. Este tipo de forma de onda, en la que
la duración y la magnitud de las excursiones de comente CCEN
y CCEP se pueden controlar de manera independiente,se obtiene gracias a la tecnología de estado sólido. En el capítulo 1 se
describen las fuentes de potencia que emplean rectificadores
controlados por silicio (SCR) y transistores.
La limpieza de la superficie de la pieza de trabajo de aluminio
es vital para evitar porosidad en la soldadura. Los procedimientos de limpieza usuales emplean disoluciones moderadamente
alcalinas o desengrasado con vapor. La soldadura deberá realizarse poco tiempo después de la limpieza. Con el proceso de
polaridad variable, no es necesario eliminar el óxido de la mayor
parte de las aleaciones de aluminio antes de soldar. Sin embargo,
las aleaciones de la serie 5000, cuyos óxidos superficiales tienen
una tenacidad extrema, sí requieren la eliminación de dichos
óxidos mediante raspadura antes de soldar.
Aunque se mantiene un arco piloto de cc durante la VPPA
con el fin de estabilizar el arco de soldadura, no se emplea alta
frecuencia continua.
Duración de las excursiones de corriente
LAVARIABLE MAS importante en la soldadurapor arco de plasma
con agujero calado en aluminioresulta ser la duración de los tiempos de CCEN y CCEP. La proporción correcta entre los tiempos
de CCEN y CCEP se determinó empíricamente. Los mejores
resultados se obtuvieron con comente CCEN por espacio de 15
a 20 milisegundos seguida por comente CCEP durante 2 a 5
milisegundos. Véase la figura 10.11. Si la duración de CCEP es
menor que 2 milisegundos, la soldadura queda porosa. Si el
tiempo de CCEP excede los 6 milisegundos, se hacen evidentes
un deterioro del tungstenoy una tendencia a la formación de arco
doble.
Obsérvese que la amplitud de la comente CCEP que se
muestra en la figura 10.11 es mayor que la de la comente CCEN.
Esto proporciona un impulso adicional a la acción de limpieza
para disgregar los óxidos superficiales de la pieza de trabajo, sin
aumentar apreciablemente el aporte de calor al electrodo y al
orificio del soplete. Se puede lograr una limpieza apropiada de
la cara de soldadura y de la cara de raíz incrementando la
corriente de CCEP unos 30 a 80 A adicionales.
Aplicaciones
ENLATABLA 10.1 se muestran condiciones de soldadura típicas
para VPPA con agujero calado en aluminio de 6.4 mm (1/4 pulg)
de espesor en las posiciones plana, horizontal y cenital.
Se ha usado el proceso para realizar soldaduras de una sola
pasada, de penetración completa, en los tanques de combustible
del transbordador espacial, en cascos para embarcaciones de
reacción hidráulica y en tanques de aluminio.
CONSOLA DE CONTROL DEL PLASMA
LA CONSOLA DE plasma es un dispositivo que controla ias
funciones principales del arco de p1asma:Una consola de plasma típica contiene controles para establecer el flujo de gas de
plasma y el flujo de gas protector, una caja de empalme para las
mangueras de gas y agua, posiblemente un circuito de alta
frecuencia para encender el arco piloto y probablemente una
fuente de potencia pequeña que alimente comente al arco piloto.
Otras funciones que podna incluir son una opción de nivel alto
o bajo que permita conmutar con facilidad la tasa de flujo del
gas de plasma entre la modalidad de fusión en surco y la de
agujero calado, y un manómetro del arco que mida la retropresión del gas de plasma en el orificio.
La consola de plasma podna incluir una función de incremento y decremento programado del gas de plasma con objeto de
iniciar y cerrar un agujero calado, y también un circulador de agua
integrado. En la figura 10.12 se ilustra una consola de control de
plasma.
a
AMPLITUDCCEN
140 AMPERES
I
W
IZ
h
TIEMPO
[I
8
I
i
-
AMPLITUD CCEP
190 AMPERES
Figura 10.11-Forma de onda típica de corriente de polaridad variable
--`,,,```-`-`,,`,,`,`,,`---
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339
Not for Resale
340
SOLDADURA POR ARCO DE PLASMA
Tabla 10.1
Condiciones de soldadura VPPA para aluminio de 6.4 m m (0.25 pulg) de espesor
en las Dosiciones dana. horizontal v vertical
Plana
Horizontal
Cenital
Posicion
114
2219
1/16
2319
140
19
50
3
Ar 2
Ar 5
Ar 30
1/8
8
SOPLETES PARA SOLDAR
Los
SOPLETES PARA soldadura por arco de plasma son mas
complejos que los empleados para soldadura por arco de tungsteno y gas. Se requiere una serie de conductos que suministren
al soplete gas de orificio, gas protector y refrigerante líquido para
enfriar la unidad de boquilla constrictora.
En la mayor parte de los casos, dos cables de función doble
proporcionan tanto energía eléctrica como refrigerante en circulación. Un cable suministra corriente para el arco piloto, en tanto
que el otro suministra la corriente de soldadura. Dos mangueras
adicionales alimentan los gases de orificio (plasma) y protector.
Se necesita agua de enfriamiento para disipar el calor generado
en la boquilla constrictora por el arco piloto y el arco de soldadura. La unidad de portaelectrodo de un soplete para soldadura
por arco de plasma se fabrica con cobre, y por lo regular está
diseñada para centrar el electrodo automáticamentedentro de la
sección central de la boquilla. Cualquier desalineación del electrodo en esta sección podría fundir la boquilla de cobre cerca del
orificio, posiblemente contaminar la soldadura, y causar socavamiento.
El gas de orificio que se alimenta al soplete tiene una tasa de
flujo baja y por tanto no suministra suficiente gas para proteger
el charco de soldadura de los gases atmosféricos contaminantes.
Además, la turbulencia creada por el chorro de plasma de alta
velocidad cuando se suelda con la técnica de agujero calado
reduce aún más la efectividad de la cobertura con el gas de
plasma. El gas protector necesario se alimenta a través de la
boquilla de gas protector que rodea a la porción del orificio del
soplete. En algunas aplicaciones se requieren estelas adicionales
de gas protector para complementar la protección.
Sopletes manuales
ENLA FIGURA 10.13 se muestra un corte seccional de un diseño
de soplete típico para soldadura por arco de plasma manual. El
soplete generalmente es ligero y tiene un mango, un dispositivo
para fijar el electrodo de tungsteno y llevarle la corriente, con-
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ductos independientes para el gas de orificio y el gas protector,
una boquilla constrictora de cobre enfriada por agua provista de
conductos de entrada y de salida, y una boquilla de gas protector
(por lo regular hecha de un material cerámico).
Hay sopletes manuales para soldadura por arco de plasma con
ángulos de cabeza de 70 grados y de 90 grados. Pueden trabajar con
CCEN a niveles de corriente de hasta 225 A y también con CCEP
hasta unos 70 A. La corriente CCEP tiene uso limitado para soldar
aluminio con electrodos de tungsteno o de cobre enfnadopor agua.
Los controles de la comente de soldadura y del gas casi nunca
están integrados al soplete y se operan ya sea con un control de
pie o automáticamente. También hay soportes para montar el
soplete en aplicaciones mecanizadas.
Sopletes mecanizados
LOS SOPLETES PARA la soldadura por arco de plasma automati-
zada son similares a los sopletes manuales, excepto que se diseñan con configuraciones en línea recta o escalonada.
Hay sopletes para soldadura por arco de plasma mecanizada
que pueden trabajar con CCEN, CCEP o ca de onda cuadrada,
con especificacionesde comente que por lo regular varían entre
50 y 500 amperes. Se usa CCEN con un electrodo de tungsteno
para la mayor parte de las aplicaciones de soldadura, con una
modalidad opcional para soldar con comente a pulsos. En el
modo a pulsos, la comente fluctúa entre dos niveles de amperaje
establecidos; esto permite al charco de metal de soldadura fundido solidificarse en el nivel más bajo. La modalidad a pulsos
puede ayudar a aliviar problemas de distorsión, ya que reduce el
aporte total de calor a lo largo de la unión. También está
disponible la soldadura por arco de plasma de polaridad variable
(Ca de onda cuadrada) para soldar aluminio.
Boquillas constrictoras del arco
SEHADISEÑADO
una gran variedad de boquillas para PAW. Las
hay con uno o varios orificios, con agujeros dispuestos en
Not for Resale
--`,,,```-`-`,,`,,`,`,,`---
Espesor del material, pulg (mm)
Tipo de aluminio
Diámetro del metal de aporte pulg (mm)
Grado del metal de aporte
Corriante de soldadura CCEN, A
Tiempo de soldadura con CCEN, ms
Corriente CCEP adicional, A
Tiempo de corriente CCEP, ms
Flujo de gas de plasma, pies3/h(Umin) (inicio)
Flujo de gas de plasma, pies3/h(Umin) (trabajo)
Flujo de gas protector, pies3/h(Umin)
Tamaño del electrodo, pulg (mm)
Velocidad de desplazamiento, pulglmin (mm/s)
SOLDADURA POR ARCO DE PLASMA
341
--`,,,```-`-`,,`,,`,`,,`---
F-
@
'
v\' I I,,
AM PER^ 0
MANÓMETRO
DE RETROPRESIÓN
DEL GAS DE PLASMA
METRO
J
CORRIENTE DE PLASMA
MANÓMETRO
DEL
REFRIGERANTE
PERILLASDE CONTROL DE FLUJO DE GAS
LOCAL REMOTO
@ @
CONTROL
DELGAS
ON OFF CONT.
LUZ INDICADORA
PILOTO
DIR. INV.
'
ALTO
BAJO -
O 0
POLARIDAD TRAB. CONFIG.
GAS
GAS
DE
PROTECTOR
PLASMA
CONEXIÓN
CONTROL
O0
CONTROL
AUXILIAR
CONEXIÓN DELCABLE
DEL SOPLETE DE PLASMA
ENTRADAY SALIDA DE REFRIGERANTE
Figura 10.15-Consola de control para soldadura por arco de plasma
círculos, filas y otros patrones geométricos. Las boquillas de un
solo orificio son las que más se usan. Entre las boquillas de
múltiples orificios, el diseño más ampliamente utilizado tiene un
orificio central flanqueado por dos orificios de gas auxiliar más
pequeños, todos con una línea central común. Estos dos tipos se
muestran en la figura 10.14.
Si la boquilla tiene un solo orificio, el arco y todo el gas de
plasma pasarán por dicho orificio. En las boquillas de múltiples
orificios el arco y parte del gas de plasma pasan pot el orificio
central, que es más grande, en tanto que el resto del gas sale por
los orificios auxiliares.
Las boquillas de múltiples orificios pueden resultar ventajosas en varios tipos de uniones. Si la boquilla se alínea de modo
que la línea central común de los tres orificios queda perpendi-
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cular al surco de soldadura, las dos comentes de gas adyacentes
concentrarán el chorro de plasma en la unión. EI resultado es una
franja de soldadura más angosta y una velocidad de soldadura
más alta.
Cada tamaño de orificio y tasa de flujo de gas de orificio dado
tiene una especificación de corriente máxima. Por ejemplo, u n
orificio de 2.1 mm (0.081 pulg) de diámetro podría tener una
especificación de 75 A con una tasa de flujo de argón de 0.9
L/min (1.9 pies.'/hr). Si la tasa de flujo del gas de orificio s e
redujera por debajo de 0.9 L/min (1.9 pies3/hr),la especificación
de corriente máxima del orificio también disminuiría.
EI electrodo del soplete de arco de plasma está metido en l a
boquilla constrictora del arco. Cuando el arco pasa por la boquilla, experimenta una colimación que concentra el calor del a r c o
Not for Resale
342 S O L D A D U R A P O R A R C O D E P L A S M A
@ CABLE DEL ARCO PILOTO Y DEL ARCO TRANSFERIDO
SALIDA DE REFRIGERANTE
TAPA
\I
ENTRADA DE GAS
DE ORIFICIO
ENTRADA DE
REFRIGERANTE
ENTRADA DE GAS PROTECTOR
ELECTRODO DE TUNGSTENO
COPA DE ESCUDO EXTERIOR (CERÁMICA)
CUERPO DE ORIFICIO (COBRE)
~~~
~
Figura 10.13-Dise~o de ia cabeza de un soplete manual típico
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dada, puede haber doble arco y dañarse la boquilla. Ya se
describió antes este fenómeno.
EQUIPO ACCESORIO
Alimentadores de alambre
COMO EN EL proceso GTAW, es posible usar sistemas conven-
cionales de alimentación de alambre de aporte con el proceso
PAW. El metal de aporte se agrega en el borde delantero del
charco de soldadura o en el agujero calado a una velocidad
previamente determinada. El sistema de alimentación de alambre puede reducir la ocurrencia de defectos de socavamiento o
subrellenado al soldar materiales gruesos.
Not for Resale
--`,,,```-`-`,,`,,`,`,,`---
en un área relativamente pequeña de la pieza de trabajo. La
mayor concentración del calor, aunada a la fuerza tan alta del
chorro de plasma, produce una zona de fusión mas angosta al
tiempo que incrementa la penetración de la soldadura y evita la
divagación del arco.
Durante la operación normal, la columna del arco dentro de
la boquilla del soplete está rodeada por una capa de gas no
ionizado. Esta capa de gas no conductor, relativamente frío,
provee un aislamiento térmico y eléctrico que protege la superficie interior de la boquilla. EI material de uso más común para
las boquillas es el cobre. Si se enfría con agua, el cobre puede
servir para constreñir un arco de plasma con una temperatura
superior a 16 600°C (30 0oO"F). Si la capa protectora de gas se
altera, como cuando el flujo de gas de orificio es insuficiente, o
si la comente de arco es excesiva para una geometría de boquilla
SOLDADURA POR ARCO DE P L A S M A
CUERPO DE ORIFICIO
I
ELECTRODO
7
343
También pueden usarse sistemas de alimentación de alambre
caliente, el cual debe introducirse por el borde trasero del charco
de soldadura. La iniciación y terminación de la alimentacióndel
alambre puede controlarse y programarse con el equipo de
soldadura automático.
Una técnica popular cuando se suelda a pulsos es introducir
el metal de aporte en la unión también a pulsos, sincronizado
con la comente del arco de plasma. En muchas aplicaciones de
engrosamiento de bordes con soldadura automática se emplean
variaciones de esta técnica.
Control de voltaje del arco
PUESTO QUE EL proceso de soldadura por arco de plasma es
relativamenteinsensible a las variacionesen la longitud del arco,
en muchas aplicaciones no se necesita equipo para controlar el
voltaje del arco. Sin embargo, el control de voltaje puede usarse
al soldar por arco de plasma uniones con geometría irregular o
con perfil. La unidad de control deberá desactivarse o “bloquearse” cuando se confiera una pendiente a la comente o a la tasa de
flujo de gas de plasma durante el inicio de una soldadura o el
rellenado de un cráter, ya que un cambio en estas variables
también modifica el voltaje del arco.
CONDUCTOS
DE GAS
AUXILIAR
Equipo de posicionamiento
SALIDA ÚNICA
~~
~
MÚLTIPLE SALIDA
~
Figura 10.14-Boquillas constrictoras de una y varias
salidas
EL EQUIPO DE posicionamiento para PAW es similar ai que se
usa con GTAW. Dependiendo de la aplicación, puede manipularse la pieza de trabajo o bien controlarse el movimiento del
soplete. La manipulación de la pieza de trabajo generalmente
implica un posicionador giratorio que puede inclinarse. Para
mover el soplete mientras la pieza de trabajo permanece estacie
nana se requiere un carro sobre rieles o sobre una viga lateral
que permita seguir uniones lineales. Si se desea combinar el
movimiento del soplete y de la pieza de trabajo como un sistema
se requiere programación de computadora para coordinar las
operaciones.
MATERIALES
METALES BASE
EL PROCESO DE soldadura por arco de plasma puede servir para
unir todos los metales que pueden soldarse con el proceso
GTAW. Es posible soldar la mayor parte de los materiales con
espesores entre 0.3 y 6.4 mm (0.01 y 0.25 pulg) en una sola
pasada de un arco transferido. Todos los metales excepto aluminio y magnesio y sus aleaciones se sueldan con CCEN. Cuando
se suelda aluminio o magnesio se usa ca de onda cuadrada para
eliminar efectivamente los óxidos refractarios de estos metales.
La soldadura con ca reducirá la capacidad de comente del
electrodo a menos que la fuente de potencia pueda minimizar la
duración del ciclo con electrodo positivo. Se pueden hacer
soldaduras de agujero calado de una sola pasada en aleaciones
de aluminio de hasta 12.7 mm (1/2 pulg) de espesor.
Los efectos metalúrgicos del calor de los procesos de soldadura por arco de plasma y por arco de tungsteno y gas son
similares, excepto que el arco de plasma, al tener menor diáme-
tro, generalmente funde menos metal base, de modo que la
penetración es más angosta y profunda. Los procedimientos de
precalentamiento, poscalentamiento y protección con gas son
similares para ambos procesos. Cada uno de los materiales base
tiene requisitos propios que maximizan la calidad de las soldaduras.
CONSUMIBLES
Metales de aporte
LOS METALES DE aporte que se usan para soldar los materiales
base son los mismos que se emplean en los procesos GTAW y
GMAW. Se añaden en forma de varillas cuando la soldadura es
manual o en forma de alambre cuando es mecanizada. En la tabla
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344
SOLDADURA POR ARCO DE PLASMA
Tabla 10.2
Especificaciones de la AWS para metales de aporte
emDleados en soldadura Dor arco de plasma
--`,,,```-`-`,,`,,`,`,,`---
Especificación
de la AWS
Metales de a m i e
Varillas
de
soldadura
de cobre y de aleación de cobre
A5.7
Electrodos desnudos de acero al cromo y al
A5.9
cromo-níquelresistentesa la corrosión
Varillas de soldadura y electrodosdesnudos de aluminio
A5.10
y de aleación de aluminio
Varillas de soldaduray electrodos desnudos de níquel
A5.14
y de aleación de níquel
A5.16
Varillas de soldaduray electrodos desnudos de titanio
y de aleación de titanio
Electrodos de acero dulce para soldadura por arco
A5.18
de metal y gas
Varillas de soldadura y electrodos desnudos de aleación
A5.19
de magnesio
Varillas de soldaduray electrodos desnudos de zirconio
A5.24
y de aleación de zirconio
Electrodos
ELELECTRODO
ES el mismo que se usa para la soldadura por arco
de tungsteno y gas. Para la soldadura con CCEN se pueden usar
varillas de tungsteno puro o de tungsteno con pequeñas adiciones de tona, zirconia o ceria. Los electrodos se fabrican de
acuerdo con ANSi/AWS A5.2, Especificación de electrodos
para soldadura por arco de tungsteno. Cuando se va a soldar
con ca generalmente se escogen electrodos de tungsteno puro.
La soldadura con comente continua y electrodo positivo no
se practica ampliamentecon el proceso de soldadura por arco de
plasma debido al intenso calentamiento del electrodo y a la
reducida capacidad de comente. El extremo de arco del elecúodo se amuela para darle forma de cono con ángulo de vértice
entre 20 y 60 grados, según la especificación del fabricante del
soplete. Es indispensable que el electrodo tenga una forma
concéntrica lisa. El mandril debe sostener el electrodo en el
centro exacto del orificio de la boquilla. Por lo regular se especifica un calibre para fijar la posición axial del electrodo. Si
no se toman estas precauciones,la consistencia de las soldaduras
sufrirá menoscabo y habrá un deterioro excesivo de la boquilla
constrictora.
Cuando se suelda con ca de onda cuadrada, el electrodo por
lo regular se prepara con un extremo en bola o plano. Las formas
recomendadas ayudan a evitar el sobrecalentamiento del electrodo y aumentan la capacidad de transporte de comente.
GASES
LAELECCIÓNDEL gas que se usará para soldar por arco de plasma
depende del metal que se va a soldar. En muchas aplicaciones
de PAW, el gas protector a menudo es el mismo que el gas de
orificio. En la tabla 10.3se indican los gases típicos que se usan
para soldar diversos metales.
El gas de orificio debe ser inerte con respecto al electrodo de
tungsteno a fin de evitar un deterioro rápido del electrodo. Los
gases protectores generalmente son inertes. Es posible usar un
gas protector activo si no afecta de manera adversa las propiedades de la soldadura.
El argón es el gas de orificio preferido para la soldadura por
arco de plasma de baja corriente porque su bajo potencial de
ionización asegura un arco piloto estable y un encendido de arco
confiable. Como el arco piloto sólo sirve para mantener la ionización en la cámara de pleno, la corriente del arco piloto no es
critica; puede mantenerse fija para una amplia variedad de
indiciones de operación. Las tasas de flujo del gas de orificio
recomendadas suelen ser menores que 0.5 L/min (1 pie3/h), y
la corriente del arco piloto puede fijarse en cinco amperes.
Tabla 10.3
Guía de selección de gases para soldadura por arco de plasma de corriente alta"
Espesor
Metal
Técnica de soldadura
Pub
mm
Agujero calado
Acero al carbono . . . . . . . . . . menos de
(matado con aluminio)
más de
1I8
118
3.2
3.2
Ar
Ar
Ar
75% He-25% Ar
Acerodebajaaleación . . . . . . menosde
más de
1I8
1I8
3.2
3.2
Ar
Ar
Ar
75% He-25%Ar
Acero inoxidable . . . . . . . . . . menos de
más de
Cobre . . . . . . . . . . . . . . . menos de
más de
118
118
3/32
3/32
3.2
3.2
Ar, 92.5% Ar-7.5% H,
Ar, 95% Ar+% H2
Ar
75% He-25% Ar
2.8
2.8
Ar
No se recomiendab
75% He-25% Ar
He
Aleaciones de níquel . . . . . . . . menos de
más de
118
1I8
3.2
3.2
Ar, 92.5% Ar-7.5% H2
Ar, 95% Ar-5% H,
Ar
75% He-25%Ar
Metales reactivos . . . . . . . . . menos de
más de
114
114
114
6.4
Ar
Ar-He (50 a 75% He)
Ar
75% He-25%Ar
a. Los gases recomendadosson tanto para orificio como para protección.
b. La franja inferior no tendrá la forma correcta. Esta técnica sólo puede usarse con aleaciones cobre-cinc.
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Fusión en surco
SOLDADURA POR ARCO DE PLASMA
En la tabla 10.4 se presentan los gases protectores típicos para
soldadura de baja corriente. Se usa argón para soldar acero al
carbono, aceros de alta resistencia mecánica y metales reactivos
como titanio, tantalio y aleaciones de zirconio.
Con frecuencia se usan mezclas argón-hidrógeno como gas
de orificio y protector para realizar soldaduras de agujero calado
en acero inoxidable, aleaciones con base de níquel y aleaciones
cobre-níquel. Los porcentajes permisibles de hidrógeno varían,
desde el 5 % que se usa con acero inoxidable de 6.4 mm (1/4
pulg) de espesor hasta el 159% que se emplea para las velocidades
de soldadura más altas en tubos inoxidables con paredes de 3.8
mm (O. 150 puig) de espesor o más delgadas. En general, cuanto
más delgada sea la pieza de trabajo, mayor será el porcentaje
permisible de hidrógeno en la mezcla de gases, hasta un máximo
del 15%.No obstante, si se emplean mezclas argón-hidrógeno
como gas de orificio, la especificación de diámetro de orificio
para una comente de soldadura dada por lo regular se reducirá
debido a que la temperatura del arco es más alta.
Las adiciones de hidrógeno al argón producen un arco más
caliente y una transferencia más eficiente de calor a la pieza de
trabajo. Esto permite alcanzar velocidades de soldadura más
altas con una corriente de arco dada. La cantidad de hidrógeno
que puede usarse en la mezcla es limitada porque el exceso de
este gas tiende a causar porosidad o agrietamiento en la franja
de soldadura. Si se usa la técnica de agujero calado, es posible
soldar un espesor de metal dado con mayor porcentaje de hidrógeno que con el proceso de soldadura por arco de tungsteno y
gas. La posibilidad de usar mayores proporciones de hidrógeno
sin inducir porosidad puede estar asociada al efecto de agujero
calado y al singular patrón de solidificación que produce.
Las adiciones de helio al argón producen un arco más caliente
para una comente de arco dada. La mezcla debe contener por lo
menos 40% de helio antes de que pueda observarse un cambio
significativo en el calor; las mezclas que contienen más del 75 %
de helio se comportan casi igual que el helio puro. Las mezclas
argón-helio con un contenido de helio entre 50 y 75% general-
345
mente se usan para producir soldaduras por agujero calado en
secciones gruesas de titanio y aluminio, y para pasadas de relleno
en todos los metales en los casos en que resulta deseable el calor
adicional y el patrón de calentamiento más ancho.
El gas protector que se suministra a través de la boquilla de
escudo de gas y alrededorde la boquilla del arco puede ser argón,
una mezcla argón-hidrógeno o una mezcla argón-helio, dependiendo de la aplicación. Las tasas de flujo de gas protector por
lo regular son del orden de 10 a 15 L/min (20 a 30 pies3/h) para
aplicaciones de baja comente; en la soldadura de alta comente
se emplean tasas de flujo de 15 a 30 L/min (30 a 60 pies3/h).
El empleo de helio como gas de orificio incrementa la carga
térmica sobre la boquilla del soplete y reduce su vida útil y su
capacidad de corriente. En virtud de la menor masa del helio,
resulta dificil, con tasas de flujo razonables, obtener una condición de agujero calado con este gas. Por tanto, el helio sólo se
usa para realizar soldaduras de fusión en surco.
Como el gas protector no entra en contacto con el electrodo
de tungsteno, hay ocasiones en que es posible usar gases reactivos como CO,. Las tasas de flujo de CO, son del orden de 10 a
15L/min (20 a 30 pies3/h).Cuando se sueldan por arco de plasma
laminaciones apiladas a menudo se usa 75% Ar - 25 $6 CO, como
gas protector.
Si es preciso variar el flujo de gas y la comente durante la
soldadura, o al principio o al final de una soldadura de agujero
calado, se emplea un sistema de control de gas electrónico
programable.
Gases de purga de respaldo y de estela
CUANDO SE SUELDANmetaies reactivos como titanio, zirconio y
tantalio, es indispensable proteger los metales calientes contra
la contaminación por gases de la atmósfera hasta que se hayan
enfriado por debajo del punto de reacción. En estos casos se
necesitan escudos auxiliares de respaldo y de estela. Es posible
montar un dispositivo de estela protectora a la parte de atrás del
Tabla 10.4
Guía de selección de gases para soldadura por arco de plasma de corriente baja*
Espesor
pulg
mm
Aauiero calado
Fusion en surco
menos de
más de
1/16
1/16
1.6
1.6
No se recomienda
He
Ar, He
He
menos de
más de
1/16
1/16
1.6
1.6
No se recomienda
Ar, 75% He-25% Ar
Ar, 25% He-75%Ar
Ar, 75% He-25% Ar
menos de
más de
1/16
1/16
1.6
1.6
No se recomienda
75% He-25%Ar, Ar-H, (14% H2)
Ar, He, Ar-H, (14% H,)
Ar, He, Ar-H,(1-5% H2)
75% He-25% Ar, Ar-H, (14% H),
Ar, He, Ar-H, (1-5% H),
No se recomienda
75% He-25%Ar, He
25% He-75% Ar, 75% He-25% Ar, He
He
Ar, 75% He-25% Ar, Ar-H, (1-5% H),
Ar, He, Ar-H2(1-5% H,)
Ar, 75% He-25% Ar, He
Ar, 75% He-25% Ar, He
Ar
Ar, 75% He-25% Ar
Metal
Aluminio .
....
. ....
Acero al carbono . . . . . . .
(matado con aluminio)
.
Acero de baja aleación
Acero inoxidable . . . . . . . .
Cobre .
............
....
.......
Todos
menos de
más de
1/16
1/16
Aleacionesdeníquel . .
Metales reactivos
Técnica de soldadura
1.6
1.6
Todos
menos de
más de
1/16
1/16
1.6
1.6
~~~~
~
~
* Los gases recomendados son sólo para protección. EI gas de orificio en todos los casos es argón.
--`,,,```-`-`,,`,,`,`,,`---
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346
SOLDADURA POR ARCO DE PLASMA
soplete de plasma. La estela amplia la cobertura de gas y da más
tiempo para que el metal se enfrie.
La PAW de metales reactivos puede efectuarse enuna cámara
de soldadura o una caja de guantes como las que se usan con
GTAW. En el caso de metales como el acero inoxidable, en los
que la raíz de la soldaduraestá expuesta a la atmósfera, se emplea
un purgado de respaldo con un gas no reactivo como argón, helio
o nitrógeno (véase la figura 10.15).
EMBONAMIENTO Y FIJACIÓN
--`,,,```-`-`,,`,,`,`,,`---
EL EMBONAMENTO Y las fijaciones para PAW deben ser los
mismos que se usan con GTAW. Los bordes de las uniones para
las soldaduras de unión a tope deben estar en contacto intimo, y
es recomendable usar abrazaderas que junten las piezas a presión
durante la soldadura. Las rebabas, muescas y huecos a lo largo
de la unión pueden provocar separación de la soldadura y deben
eliminarse.
El embonamiento, las fijaciones y la limpieza adquieren
extrema importancia cuando se sueldan materiales muy delgados, como acero inoxidable de 0.004 pulg. El embonamientode
la unión debe ser preciso y tal vez valga la pena considerar el
empleo de barras de enfriamientopara eliminarcalor de la unión.
En la figura 10.16 se muestra una gráfica que da una idea
general de las técnicas de fijación y sujeción para soldar acero
inoxidable 304.
Respaldo de soldadura
ELRESPALDO DE soldadura s h e para posicionar las piezas, extraer
calor de la soldadura y proveer un respaldo de gas que proteja el
lado inferior del área de soldadura.
Las abrazaderas de enfriamiento y el respaldo de gas también
ayudan a reducir la zona térmicamente afectada de la soldadura.
El tipo de material soldado detenninará en gran medida si es
necesario usar respaldo de gas. Los metales como el titanio,
zirconio y niobio necesitan respaldo con gas inerte. Algunas
uniones tal vez no permitan el respaldo con gas a causa de
restricciones de diseño. El respaldo con gas en el interior de las
piezas también puede ayudar a enfriar y proteger objetos como
componentes electrónicos que podrian estar dentro de una pieza
durante la soldadura.
Posiciones del soplete
LA PAW SE puede realizar en todas las posiciones, como es el
caso de la soldadura con GTAW. Los usuarios deben recordar
que el arco de plasma es muy direccional, y que es un poco más
dificil mantener el arco exactamente sobre la unión mientras se
está soldando; el arco no se flexiona para seguir la línea central
de la unión. Las variaciones laterales del soplete deben limitarse
lo más que sea posible.
Por fortuna, el arco de plasma es tolerante en lo que toca a la
distancia de separación del soplete, y los cambios en dicha
distancia no son tan criticos como en la soldadura GTAW.
Metal de aporte
SE PUEDE USAR metal de aporte con la soldadura por arco de
plasma de la misma forma como se hace en la soldadura GTAW.
PROCEDIMIENTOS DE SOLDADURA
ENLASTABLAS 10.5 a 10.8 se presentan condiciones de soldadura para diversos materiales.
Soldadura manual
PORLO REGULAR,cuando se suelda con plasma a mano lo mejor
es hacerlo dentro del intervalo de corriente bajo, de 0.1 a 50.0
amperes. Si se va a soldar manualmente con más de 50.0 amperes, el proceso GTAW suele ser más fácil de manipular para el
operador,y también más económico.La PAW manual a menudo
se usa para soldar malla de alambre cuando es preciso unir cada
alambre por fusión del borde. Como la distancia de separación
con PAW no es tan critica como en GTAW, el proceso PAW es
mejor para esta aplicación. Normalmente, la distancia de separación puede aumentarse o disminuirse hasta en 0.9 mm (0.035
pulg) sin afectar la calidad de la soldadura.
Soldadura de fusión en surco mecanizada
Figura 10.15-Barra de respaldo típica para soldadura
por arco de plasma con auuiero calado
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LA PAW DE fusión en surco mecanizada es muy popular, sobre
todo para soldar componentes pequeños e intrincados como los
de equipo médico, de iluminación, de instrumentos, baterias,
alambres y fuelles.
En muchas aplicaciones, el plasma se usa con controles de
microprocesador que regulan la corriente inicial, la pendiente
positiva, los pulsos, la pendiente negativa y la corriente final.
Como la alta frecuencia sólo se usa para iniciar el arco piloto,
no hay una ráfaga de alta frecuencia cuando el arco se transfiere
para soldar. Esto permite usar el plasma cerca de equipo electrónico de prueba, robots, controles de microprocesadory controles
programables sin tener que aislar o blindar los componentes que
necesitarían protección en los sistemas automatizados.
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SOLDADURA POR ARCO DE PLASMA
347
Tabla 10.5
Condiciones de soldadura por arco de plasma típicas para uniones a tope en acero inoxidable
Flujo de Gasb
Velocidad
de
Espesor
Corriente
(CCEN) de
Voltaje
arco
pulg
mm
0.092
2.4
24
10
0.125
3.2
30
13
145
0.187
4.8.
16
7
165
0.250
6.4
14
6
240
38
A
V
115
30
Orificioc
Escudo’
boquilla’ pies3/H L/min pies3/H L/min
Comentariosd
111M
6
3
35
17
Agujero calado, soldadura de surco cuadrado
32
111M
10
5
35
17
Agujero calado, soldadura de surco cuadrado
36
136M
13
6
45
21
Agujero calado, soldadura de surco cuadrado
136M
18
8
50
24
Agujero calado, soldadura de surco cuadrado
Tipo de boquilla: el número indica el diámetro del orificio en milésimas de pulgada; ‘M” indica el diseño.
Se requiere escudo de gas para el lado de abajo de la franja en todas las soldaduras.
Gas empleado: 95% Ar-5% H.
Separación del soplete: 4.8 rnrn (3116 pulg)
--`,,,```-`-`,,`,,`,`,,`---
a.
b.
c.
d.
pulg/min mm/s
Tipo de
-- --n
T, rnm
c
O
3
0.5
I
1
1 .o
1.5
I
I
0
25
.24
20
.2c
u
a‘
.1E
15
.12
.OE
5
.O4
O
O
-
T
ESPESOR DEL MATERIAL
B = ESPACIADO DE LA ABRAZADERA SUPERIOR
C = ESPACIADO DE LA BARRA DE RESPALDO
A = CORRIENTE DE SOLDADURA
0.5 mm
3.5 mm
2.0 mm
9A
0.02 pulg
0.14 pulg
0.08 pulg
9A
~~~
Figura 10.16-Grafica que muestra datos para la soldadura a tope con baja corriente de acero inoxidable
(a la derecha se representa en forma esquemática la geometría de la guía)
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348
SOLDADURA POR ARCO DE PLASMA
Tabla 10.6
Condiciones de soldadura por arco de plasma tipicas para uniones a tope en aceros al carbono y de baja aleación
Flujo de Gasb
Espesor
Metal
Velocidadde
Corriente voltaje
desplazamiento (CCEN)
de arco
Escudo'
A
V
5
185
28
111M
13
6
60
28
Agujerocalado,soldaduradesurco
cuadrado
10
4
200
29
136M
12
6
60
28
Agujero calado, soldadura de surco
cuadrado, adición de alambre
de aporte de 1.2 mrn (3/64 pulg)
de diám. a 13 mm/s (30 pulglmin)
14
6
275
33
136M
15
7
60
28
Agujerocalado,soldaduradesurco
cuadrado, precalentamiento
a 315°C (600" F)
pulg
mm
Acero
dulce
0.125
3.2
12
Acero
4130
0.170
4.3
Acero
û6AC
0.250
6.4
a.
b.
c.
d.
Orificioc
Tipo de
pulglmin mm/s
boquillaa pies3/H L/min pies3/H L/min
Comentariosd
Tipo de boquilla: el número indica el diámetro del orificio en milésimas de pulgada; "M" indica el diseño.
Se requiere escudo de gas para el lado de abajo de la franja en todas las soldaduras.
Gas empleado: argon.
Separación del soplete: 1.2 mm (3/64 pulg) en todas las soldaduras.
Soldadura de agujero calado mecanizada
SE RECOMIENDA REALIZAR la soldadura por arco de plasma con
agujero calado en forma automatizada. Este tipo de soldadura
requiere un control preciso de la velocidad de recorrido, del flujo
de gas de plasma y de la velocidad de alimentacióndel alambre.
El desarrollo de buenos controladores de flujo másico ha hecho
posible un control más preciso del gas de plasma durante la
soldadura.
CONTROL DE CALIDAD DE LAS SOLDADURAS
LASDISCONTINUIDADES DE las soldaduras por arco de plasma
incluyen tipos superficiales y subsuperficiales, como se indica
en la tabla 10.9.
Las discontinuidades superficiales como el refuerzo, el sobrellenado, el socavamiento y la discrepancia, que se asocian al
perfil de la franja de soldadura y a la alineación de la unión, se
detectan con facilidad por inspección visual o dimensional. La
falta de penetración también se detecta visualmente por la ausencia de una franja de raíz. Las grietas de soldadura que llegan
hasta la superficie por lo regular se detectan con tintes penetrantes. Por último, la contaminación superficial, que se debe a una
cobertura deficiente con gas protector, normalmente se revela
por las manchas notorias en la franja de soldadura o en las zonas
ténnicamente afectadas adyacentes.
Las discontinuidadessubsuperficiales de la soldadura por lo
general se presentan más en la PAW manual que en la mecanizada. En ambos casos, dichas discontinuidadesse detectan principalmente por medio de radiografías o pruebas con ultrasonido.
Tabla 10.7
Condiciones de soldadura Dor arco de plasma tbicas Dara uniones a toDe en titanio
Espesor
Velocidadde
desplazamiento
Flujo de Gasb
Corriente Voltaje
Escudo'
(CCEN) de arco Tipo de
Orificio'
A
V
boquillaa pies3/H L/min pies3/H L/min
pulg
mm
0.125
3.2
20
8.5
185
21
111M
8d
3.8
60d
28
Agujero calado, soldadura de surco cuadrado
0.187
4.8
13
5.5
175
25
136M
18d
9
60d
28
Agujero calado, soldadura de surco cuadrado
0.390
9.9
10
4.2
225
38
136M
32e
15
60e
'28
Agujero calado, soldadura de surco cuadrado
0.500
12.7
10
4.2
270
36
136M
27'
13
60'
28
Agujero calado, soldadura de surco cuadrado
pulglmin mm/s
~
a.
b.
c.
d.
e.
f.
~~
Tipo de boquilla: el número indica el diámetro del orificio en milésimas de pulgada; 'M" indica el diseño.
Se requiere escudo de gas para el lado de abajo de la franja en todas las soldaduras.
Separación del soplete: 4.8 mm (3/16 pulg)
Gas empleado: argón.
Gas empleado: 75% He - 25% Ar.
Gas empleado: 50% He - 50% Ar.
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SOLDADURA POR ARCO DE PLASMA
349
Tabla 10.8
Condiciones de soldadura por arco de plasma típicas para soldar aceros inoxidables bajo amperaje
-
--`,,,```-`-`,,`,,`,`,,`---
Espesor
pulg
mm
Diám.
orificio
Velocidad de Corriente
desplazamiento (CCEN)
Tipo de soldadura
0.030 0.76 Agujero calado, soldadura
de surco cuadrado
0.060 1.5 Agujero calado, soldadura
de surco cuadrado
0.030 0.76 Soldadura de filete,
unión en 'T"
0.060 1.5 Soldadura de filete,
unión en "T"
0.030 0.76 Soldadura de filete,
unión traslapada
0.060 1.5 Soldadura de filete,
unión traslapada
Flujo de gas Separación
del
de
orificioaibrc
oplete
Diám.
del
electrodo
5.0
2
11
pulg mm pies3/h L/min pulg mm pulg mm Comentarios
0.030 0.76 0.6 0.3 1/4 6.4 0.040 1.0 Mecanizada
5.5
2
28
0.047
-
-
8
-
-
22
-
-
9
pulglmin mm/s
-
A
22
0.8
0.4
1/4
6.4
0.060
0.030 0.76
0.6
0.3
1/4
6.4
0.040 1.0 Manua1,metal
0.047
0.8
0.4
1/4
6.4
0.060
0.030 0.76
0.3
0.6
3/8
9.5
0.040
0.047
0.8
0.4
3/8
9.5
0.060
1.2
1.2
1.2
1.5 Mecanizada
de aported
1.5 Manua1,metal
de aported
1.0 Manual, metal
de aported
1.5 Manual, metal
de aportee
~~~
a.
b.
c.
d.
e.
Gas de orificio: argón.
Gas protector: 95% Ar-5% H a 10 umin (20 pies3/h).
Escudo de gas para la franja inferior: argón a 5 Umin (10 pies3/h).
Alambre de aporte: acero inoxidable 310 de 1.1 mm (0.045 pulg) de diámetro.
Alambre de aporte: acero inoxidable 31O de 1.4 mm (0.055 pulg) de diámetro.
La porosidad es la discontinuidad subsuperficial que se observa con mayor frecuencia.
Los túneles son huecos notorios que corren a io largo del eje
de la unión. Esta discontinuidad puede ser el resultado de una
combinación de desalineación del soplete y variables de soldadura incorrectas, sobre todo la velocidad de desplazamiento.
Las discontinuidades de falta de fusión se presentan sobre
todo en las áreas de reparación, sean de una o de varias pasadas.
Las discontinuidades se deben a un aporte de calor insuficiente
para lograr una fusión completa.
La contaminación subsuperficial en PAW puede presentarse
cuando el cobre de la boquilla del soplete sale despedido hacia
la soldadura. Esto ocurre por lo regular cuando la boquilla se
acerca demasiado a ia soldadura, se sobrecalienta, y el cobre
se funde y cae en el charco. La contaminación resultante, que
puede ser perjudicial, posiblemente sea indetectable con los
procedimientos de inspección no destructiva convencionales.
La mejor manera de evitar la contaminación con cobre es capacitando debidamente al operador y desarrollando buenas técnicas de manipulación del soplete.
Tabla 10.9
Discontinuidades de la soldadura Dor arco de Dlasma
Discontinuidadessuperficiales
Refuerzo
Subrellenado
Socavamiento
Discrepancia
Falta de penetración
Grietas
Contaminación
Discontinuidadesinternas
Porosidad
Túneles (huecos)
Falta de fusión
Contaminación
Grietas
RECOMENDACIONES DE SEGURIDAD
Cuando se suelda con un arco transferido y comentes de hasta
SI DESEA INFORMACION de seguridad detallada, consulte las
instrucciones del fabricante y la edición más reciente de ANSI 5 A, se recomienda usar gafas con escudos laterales, u otro tipo
249.1, Seguridad al soldar y cortar. Los reglamentos de segu- de protección ocular, con filtros del núm. 6. Aunque normalmew
ridad federales que rigen en los Estados Unidos, y que han sido te no es necesario proteger el rostro en este intervalo de corrienestablecidos por ia Occupational Safety and Health Administra- tes, su empleo se deja a las preferencias personales. Si se suelda
tion del Departamento del trabajo de aquel pais, se pueden con comentes de 5 a 15 A, se recomienda una careta facial de
encontrar en la edición más reciente de OSHA Standards, Code plástico completa además de la protección ocular con filtros del
of Federal Regulations, Title 29 Part 1910, disponible de Supe- núm. 6 . Si el nivel de comente es mayor que 15 A, se requiere
rintendent of Documents, U.S. Printing Office, Washington, una careta de soldadura estándar con el tono de filtro apropiado
para la comente utilizada.
D.C. 20402.
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350
SOLDADURA POR ARCO DE PLASMA
EI equipo accesorio, como los alimentadores de alambre,
En los casos en que se mantiene continuamente un arco
piloto, hay que tomar las precaucionesnormales para protegerse controles de voltaje del arco y osciladores deben estar debidacontra destellos de arco y quemaduras térmicas. Es necesario mente puestos a tierra. Si no es así, la ruptura del aislamiento
usar ropa adecuada que proteja a la piel expuesta contra la podría hacer que estos equipos estén eléctricamente “vivos”
radiación del arco. La potencia de soldadura debe desconectarse respecto a tierra.
Siempre debe haber una ventilación adecuada, sobre todo
antes de ajustar o cambiar los electrodos. Si es necesario observar una descarga de alta frecuencia para centrar el electrodo, es al soldar metales con alto contenido de cobre, plomo, cinc o
importante usar la protección ocular adecuada.
berilio.
LISTA DE LECTURAS COMPLEMENTARIAS
American Welding Society. Recommended practices for plasma-arc welding, C5.1. Miami, American Welding Society,
1973.
Ashauer, R. C. y Goodman, S. “Automatic plasma arc welding
of square butt pipe joints”, en Welding Journal 46(5): 405415; mayo de 1967.
Filipski, S. P. “Plasma arc welding”, en Welding Journal 43(11):
937-943; noviembre de 1964.
Garrabrant, E. C. y Zuchowski, R. S. “Plasma arc-hot wire
surfacing-A new high deposition process”, en Welding Journal 48(5): 385-395; mayo de 1969.
Gorman, E. F. “New developments and applications in manual
plasma arc welding”, en Welding Journal 48(7): 547-556;
julio de 1969.
Gorman, E. F., Skinner, G. M. y Tenni, D.M. “Plasma needle
arc for very low current work”, en Welding Journal 45( 11):
899-908; noviembre de 1966.
Holko, K. H. “Plasma arc welding 2-1/4 Cr - 1 Mo Tubing”, en
Welding Journal 57(5): 23-31; mayo de 1978.
Keanini, R. G. y Rubinsky, B. “Plasma arc welding under normal
and zero gravity”, en Welding Journal 69(6): 41; junio de
1990.
Kyselica, S. “High-frequency reversing arc switch for plasma
arc welding of aluminum”, en Welding Journal 66( 1): 3 1-35;
enero de 1987.
Langford, G. J. “Plasma arc welding of structural titanium
joints”, en Welding Journal 47(2): 102-113; febrero de
1968.
Metcalfe, J. C. y Quigley, M. B. C. “Heat transfer in plasma-arc
welding”, en Welding Journal 54(3): 99-103; marzo de
1975.
. “Keyhole stability in plasma arc welding”, en Welding
Journal 54( 11): 401-404; noviembre de 1975.
Miller, H. R. y Filipski, S. P. “Automated plasma arc welding
for aerospace and cryogenic fabrications”, en Welding Journal 45(6): 493-501;junio de 1966.
Nunes, A. C. et al. “Variable polarity plasma arc welding on the
space shuttle external tank”, en Welding Journal 27-35; septiembre de 1984.
O’Brien, R. L. “Arc plasmas for joining, cutting, and surfacing”.
Bulletin No. 131. Nueva York, Welding Research Council,
julio de 1968.
Ruprecht, W. J. y Lundin, C. D.“Pulsed current plasma arc
welding”, en Welding Journal 53( 1): 11-19; enero de 1974.
Steffans, H. D.y Kayser, H. “Automatic control for plasma arc
welding”, en Welding Journal 51(6): 408-418; junio de
1972.
Toinsic, M. y Barhorst, S. “Keyhole plasma arc welding of
aluminum with variable polarity power”, en Welding Journal
63(2): 25-32; febrero de 1984.
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PREPARADO POR UN
COMITÉ INTEGRADOPOR:
G. R.Meyer, Presidente
Victor Equipment Company
SOLDADURA
CON GAS
OXICOMBUSTIBLE
Fundamentos del proceso
352
Características de los gases combustibles
353
Equipo para soldadura con gas oxicombustible
360
Aplicaciones de la soldadura con gas oxicombustible
369
Procedimientos de soldadura
373
Soldadura con otros gases combustibles
376
Prácticas seguras
376
~
Lista de lecturas complementarias
~
~~~
377
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J. D.Compton
College of the Canyons
R. D.Green
Airco-Mapp
J. F. Leny
Harnischfeger Corporation
C. R.McGowan
Consultor
MIEMBRO DEL COMITÉ DEL
MANUAL DE SOLDADURA:
B. R. Somem
Consultor
SOLDADURA
CON GAS
OXICOMBUSTIBLE
FUNDAMENTOS DEL PROCESO
--`,,,```-`-`,,`,,`,`,,`---
LA SOLDADURA CON gas oxicombusible (oxyfuel gas welding,
O W ) incluye todas las operaciones que emplean la combustión
con oxígeno como medio de calentamiento. El proceso implica
fundir el metal base y por lo regular un metal de aporte, empleando una flama generada en la punta de un soplete de soldadura.
El gas combustibley el oxígeno se combinan en las proporciones
correctas dentro de una cámara de mezclado que puede formar
parte de la unidad de punta de soldadura. El metal fundido de los
bordes de las placas, y el metal de aporte, si se usa, se mezclan
en un charco de soldadura común y se unen al enfriarse.
Una ventaja de este proceso de soldadura es el control que el
soldador puede ejercer sobre el aporte de calor y la temperatura,
independientementede la adición de metal de aporte. El tamaño
y la forma de la franja de soldadura, y la viscosidad del charco,
también se controlan durante el proceso de soldadura. La OFW
es ideal para soldaduras de reparación, para soldar láminas y
conductos delgados, y tuberías de diámetro pequeño. La soldadura de secciones gruesas, excepto en trabajos de reparación, no
resulta económica en comparación con los múltiples procesos
de soldadura por arco de que se dispone.
El equipo que se usa para la soldadura con gas oxicombusible
es de bajo costo, casi siempre portátil y lo bastante versátil como
para emplearse en diversas operaciones relacionadas, como flexión y enderezado, precalentamiento, poscalentamiento, recubrimiento, soldadura fuerte y latonado.
Los aditamentos para corte, las boquillas de calentamientode
múltiples flamas y diversos accesorios de aplicación especial
acrecientan notablemente la versatilidad global dei equipo de
OFW básico. Si se hacen cambios relativamente simples al
equipo, es posible realizar operaciones manuales y mecanizadas
de corte con oxígeno. Los metales que nonnalmente se sueldan
son, entre otros, los aceros al carbono y de baja aleación y la
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mayor parte de los metales no ferrosos, pero en general no los
metales refractarios ni los reactivos.
Los gases combustibles comerciales tienen una propiedad en
común: todos requieren oxígeno para sostener la combustión. Si
ha de ser adecuado para operaciones de soldadura, un gas
combustible, al arder con oxígeno, debe poseer las siguientes
características:
(1) Alta temperatura de flama.
(2) Tasa de propagación de la flama elevada.
(3) Suficiente contenido calorífico.
(4) Mínima reactividad química de la flama con los metales
base y de aporte.
Entre los gases combustibles que se encuentran en el mercado, el acetileno es el que mejor satisface estos requisitos. Otros
gases combustibles, como los productos de metilacetileno-propadieno, propileno, propano, gas natural y mezclas de gases
patentadas basados en los gases anteriores, ofrecen flamas con
temperaturas suficientemente altas, pero tienen tasas de propagación de la flama más bajas. Estas flamas son excesivamente
oxidantes en las proporciones oxígeno-gas lo bastante altas
como para producir tasas de transferencia de calor útiles, de
modo que se requieren dispositivos de contención de la flama,
como contrabarrenos en las puntas, para lograr una operación
estable y una transferencia de calor aceptable, incluso con proporciones altas. Los gases combustibles comerciales sí se usan
mucho para corte con oxígeno, y también para soldadura fuerte
con soplete, soldadura blanda y otras operaciones en las que las
características de la flaina y las tasas de transferencia de calor
no tienen la misma importancia que en O W .
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SOLDADURA CON GAS OXICOMBUSTIBLE
353
CARACTERISTICAS DE LOS GASES COMBUSTIBLES
EN LA TABLA 11.1 se presentan algunas de las características
pertinentes de los gases comerciales. Para poder apreciar el
significado de la información de esta tabla, es preciso entender
algunos de los términos y conceptos que intervienen en la
combustión de los gases.
Peso especifico relativo
ELPESOESPECIFICO relativo de un gas combustible con respecto
al aire indica la forma cómo puede acumularse el gas en caso de
que hubiera una fuga. Por ejemplo, los gases con peso específico relativo menor que uno tienden a elevarse, y pueden
acumularse en las esquinas de las habitaciones, desvanes y
techos falsos. Los gases con peso específico relativo mayor
que uno tienden a acumularse en las áreas bajas, sin mucho
movimiento del aire.
la combustión se realiza con el oxígeno suministrado por el
soplete. La reacción secundariaocurre en una envoltura de flama
exterior, o secundaria, en la que el oxigeno del aire sustenta la
combustión de los productos de la reacción primaria.
Aunque el calor de la flama secundaria es importante en la
mayor parte de las aplicaciones, el calor más concentrado de
la flama primaria contribuye en gran medida a la capacidad
de soldar de un sistema de gas oxicombustible. Se dice que la
flama primaria es neutral cuando la ecuación química de la
reacción primaria está exactamente balanceada y produce
sólo monóxido de carbono e hidrógeno. En estas condiciones,
la atmósfera de la flama primaria no es carburizante ni oxidante.
Puesto que la reacción secundaria por fuerza depende de los
productos finales de la reacción primaria, el término neutral
sirve como punto de referencia conveniente para (1) describir
las razones de combustión y (2) comparar las diversas características térmicas de los distintos gases combustibles.
Razón volumen-peso
Temperatura de la flama
UNA CANTIDAD ESPECÍFICA de un gas a temperatura y presión
estándar se puede describir por su volumen o por su peso. Los
valores que se muestran en la tabla 11.1 dan el volumen por
unidad de peso a 15.6"C (60°F) y presión atmosférica. Si estas
cifras se multiplican por el peso conocido se obtendrá el volumen. Si se conoce el volumen, el producto del recíproco de las
figuras mostradas por el volumen dará el peso.
LATEMPERATURADE
la flama de un gas combustiblevaría según
la razón oxigeno-combustible.Aunque dicha temperatura es una
indicación de la capacidad de calentamiento del gas combustible, sólo es una de las muchas propiedades físicas que debemos
considerar al hacer una evaluación global. Las temperaturas de
flama por lo regular se calculan, ya que en la actualidad no se
cuenta con un método sencillo para medir físicamente estos
valores.
Las temperaturas de flama que se dan en la tabla 11.1 se
refieren a la llamada flama neutral, esto es, la flama primaria
cuyo carácter no es carburizanteni oxidante. Es posible alcanzar
temperaturas de flama más altas que las citadas, pero en todos
los casos la flama será oxidante, condición que resulta indeseable para la soldadura de muchos metales.
Razón de combustión
LATABLA i i. i INDICA ei volumen de oxigeno que en teoría se
requiere para quemar por completo cada uno de los gases combustibles que se muestran. Estas razones oxígeno-combustible (llamadas mezclas estequiorrrétricas) se obtienen de las
ecuaciones químicas balanceadas que se dan en la tabla 11.2.
Los valores que se indican para la combustión completa
resultan útiles en los cálculos. No representan las proporciones oxígeno-combustible que realmente produce un soplete Velocidad de combustión
en funcionamiento ya que, como se explicará más adelante, UNAPROPIEDAD CARACTERÍSTICA de un gas combustible es su
en la combustión completa interviene también el oxígeno del velocidad de combustión (tasa de propagación de la flama): un
aire circundante.
factor importante en lo que respecta al calor producido por la
flama de gas oxicoinbustible. Se trata de la velocidad con que
un frente de flama viaja a través del gas no quemado adyacente,
e
influye en el tamaño y la temperatura de la flama primaria. La
Calor de combustión
velocidad de combustión también afecta la velocidad con que
EL CALOR DE combustión total (valor calorífico) de un gas los gases pueden fluir a través de la punta del soplete sin causar
combustible de hidrocarburos es la suma del calor generado en separación o retroceso de la flama. Hay separación de la flama
las reacciones primarias y secundarias que tienen lugar en toda cuando la combustión ocurre a cierta distancia de la punta del
la flama. Esto se indica en la tabla 11.1. La combustión del soplete, en lugar de hacerlo justo en la punta. El retroceso de
hidrógeno ocurre en una sola reacción.
flama es la retracción momentánea de la flama al interior de la
Tipicamente, el contenido calorifico de la reacción primaria punta de soldadura, seguida por la reaparición o extinción comse genera en una flama interior, o primaria. Este es el sitio donde pleta de la flaina.
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CARACTERkTICAS GENERALES
354
SOLDADURA CON GAS OXICOMBUSTIBLE
plmom-
a.-
m.w
--`,,,```-`-`,,`,,`,`,,`---
mmm
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S O L D A D U R A CON G A S OXICOMBUCTIBLE
Tabla i1.2
Ecuaciones químicas para la combustión completa
de los gases combustibles comunes
Gas combustible
Acetileno
Metilacetilenopropadieno (MPS)
PropiI eno
Propano
Gas natural (metano)
Hidrogeno
Reacción con oxigeno
C2H2 i- 2.502 +X02 i- H20
C3H4 i- 402 + 3CO2 i- 2H20
C3Hs i- 4.502 -* 3C02 i- 3H2O
C3HB i- 50,
3CO2 + 4H2O
CH4 i- 202 CO2 i- 2H20
H2 -0.502
i
-+ H2O
-+
+
355
diversos combustibles al variar las proporciones de oxígeno y
gas combustible. La figura 11.4 muestra las intensidades de
combustióntotales para los mismos gases. Estas curvas indican
que, de los gases graficados, el acetileno tiene las intensidades
de combustiónmás altas.
ACETILENO
EL ACETILENO ES el gas combustible preferido para soldar en
virtud de su elevada intensidad de combustión. Aunque los
demás gases combustibles casi nunca, o nunca, se usan para
soldar, sus características se describirán más adelante.
RAZÓN OXíGENO-COMBUSTIBLE
Como se aprecia en la figura 11.1, la velocidad de combustión
de un gas combustible varía de forma característica según las
proporciones de oxígeno y combustible en la mezcla.
1 0 5 3
1
I
’
2
[
1 .75 .50
’
I
1
I
.25
-
/
HIDRÓGENO 3<
\ 1
I
1
Intensidad de combustión
x = MEZCLA ESTEQUIOMÉTRICA
LA TEMPERATURA DE la flama y el valor calorífico de 10s
combustibles se han usado casi en forma exclusiva como criterios para evaluar los gases combustibles.No obstante, estos dos
factores por sí solos no proporcionan suficiente información
para una valorización completa de los gases combustibles que
se usan para calentar. Se utiliza un concepto denominado intensidad de combustión o “producción específica de flama” para
evaluar las diferentes combinaciones oxígeno-gas combustible.
La intensidad de combustión tiene en cuenta la velocidad de
combustión de la flama, el valor calorífico de la mezcla de oxígeno y gas, y el área del cono de flama que sale de la punta.
La intensidad de combustión se puede expresar como sigue:
c;=C” x c,
O = MEZCLA NEUTRAL
.
v1
v1
% 25
(11.1)
donde:
C, = intensidad de combustión en J/iii2 . s (Btrr/pies2. s)
C, = velocidad de combustión normal de la flaina en in/s
(piesls)
C,,
=
valor calorífico de la mezcla de gases considerada en
Jlni’ (Btulpies’)
Por tanto, la intensidad de combustión (C,) es máxima cuando
el producto de la velocidad de combustión normal de la flama
(C,) y el valor calorífico de la mezcla de gases (C,) es máximo.
AI igual que el calor de combustión, la intensidad de combustión de un gas se puede expresar como la suma de las
intensidades de combustión de las reacciones primaria y secundaria. Sin embargo, la intensidad de combustión de la flama
primaria, situada cerca de la punta del soplete donde puede
concentrarsesobre la pieza de trabajo, es de importancia primordial para soldar. La intensidad de combustión secundaria influye
en el gradiente térmico en las inmediaciones de la soldadura.
Las figuras 11.2 y 11.3 muestran la elevación y caida típicas
de las intensidades de combustión primaria y secundaria de
ACETILENO
1 1
O
1
I
l
I
I
I
1
1
I
FigÜra 11.i-Velocidad de combustión normal (tasa de
propagación de la flama) de diversas mezclas
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i’
\
5
Not for Resale
356
SOLDADURA CON GAS OXICOMBUCTIBLE
15 O00
L
t
RAZÓN OXíGENO-COMBUSTIBLE
10
-
2
5
1 0.75 0.50
,
1
0.25
x = MEZCLA ESTEQUIOMETRICA
O
= MEZCLA NEUTRAL
ACETILENO
150
1 O0
?
N
E
\
2
50
(GAS NATURAL)
HIDRÓGENO
PROPANO
ot
O
I
I
I
10
20
30
I
40
I
I
I
50
60
70
I
80
I
90
1 n-
100
COMBUSTIBLE EN LA MEZCLA, % EN VOLUMEN
Fiaura 11.2-Intensidad de combustión primaria de diversas mezclas oxineno-nas combustible
RAZÓN OXíGENO-COMBUSTIBLE
Figura i1.%Intensidad de combustión secundaria de diversas mezclas oxigeno-gas combustible
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SOLDADURA CON GAS OXICOMBUSTIBLE
357
RAZÓN OXíGENO-COMBUSTIBLE
0z
a1
I
1 0 5
I
I
3
2
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I
I
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(GAS NATURAL)
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HIDRÓGENO
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3
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PROPANO
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na
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za
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10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
COMBUSTIBLE EN LA MEZCLA, % EN VOLUMEN
~~~~~~~~~
~~
Figura 11.&Intensidad de combustión total de diversas mezclas oxigeno-gas combustible
El acetileno es un hidrocarburo, C,H,, que contiene el mayor
porcentaje en peso de carbono de todos los demás gases combustibles de hidrocarburos. Incoloro y más ligero que el aire,
tiene un olor distintivo que recuerda al ajo. EI acetileno contenido en cilindros está disuelto en acetona y por tanto tiene un
olor un tanto diferente al acetileno puro.
A temperaturas por encima de 780°C (1435'F) o a presiones
mayores que 30 psig (207Wa), el acetileno gaseoso es inestable
y puede descomponerse incluso en ausencia de oxígeno. Esta
caracteristica ha sido considerada en la preparación de un código
de prácticas seguras para la generación, distribución y uso de
acetileno gaseoso. La práctica segura aceptada es nunca utilizar
acetileno a presiones por encima de 15 psig (103 @a) en
generadores, tuberías o mangueras.
LA FLAMA DE OXIACETILENO
ENTEORIA,LA combustión completa del acetileno se representa
con la ecuación química
C,H, + 2.50,
-+
2C0, + H,O
(11.2)
Esta ecuación indica que un volumen de acetileno (C,H,) y
2.5 volúmenes de oxígeno (0,)reaccionan para producir dos
volúmenes de dióxido de carbono (CO,) y un volumen de vapor
de agua (H,O). La razón volumétrica de oxígeno a acetileno es
de2.5 a 1.
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Como señalamos antes, la reacción de la ecuación 11.2 no
produce directamente los productos finales que se muestran
aquí, sino que se lleva a cabo en dos etapas. La reacción primaria
se realiza en la zona interior de la flama (llamada cono inferior)
y se representa con la ecuación quimica
C,H, + O,
-+
2CO + H2
(11.3)
Aquí, un volumen de acetileno y un volumen de oxígeno
reaccionan para formar dos volúmenes de monóxido de carbono
y un volumen de hidrógeno. EI contenido de calor y la elevada
temperatura (Tabla 11.i) de esta reacción se deben a la descomposición del acetileno y a la oxidación parcial del carbono que
resulta de dicha descomposición.
Cuando los gases que salen por la punta del soplete están en
la proporción uno a uno indicada en la ecuación 11.3, la reacción
produce el cono interno azul brillante típico. Esta flama, relativamente, pequeña, crea la intensidad de combustión necesaria
para soldar acero. La flama se denomina neutral porque no hay
exceso de carbono ni de oxígeno para carburizar o para oxidar
el metal. Los productos finales están realmente en condiciones
reductoras, lo que resulta ventajoso al soldar acero.
En la envoltura exterior de la flama, el monóxido de carbono
y el hidrógeno producidos por la reacción primaria arden con
oxígeno
- del aire circunáante. Esto produce dióxido de carbono
y vapor de agua, respectivamente, como se muestra en la reacción secundaria siguiente:
Not for Resale
358 S O L D A D U R A C O N G A S O X I C O M B U S T I B L E
2CO + H2 + 1SO2
-+
2C0, + H,O
(11.4)
Aunque el calor de combustión de esta flama exterior es
mayor que el de la interior, su intensidad de combustión y su
temperatura son menores porque el área de sección transversal
es mayor. Los productos finales se generan en la flama exterior
porque no pueden existir a la temperatura tan elevada del cono
interior.
La flama de oxiacetileno se controla con facilidad mediante
las válvulas del soplete de soldadura. Un cambio pequeño en las
proporciones de oxígeno y acetileno que fluyen por el soplete
permite variar dentro de un intervalo amplio las características
quimicas de la zona interna de la flama y la acción resultante del
cono interior sobre el metal fundido. Así, es posible producir una
flama neutral, oxidante o carburizante con sólo ajustar las válvulas del soplete.
DE
CARBURO DE CALCIO
$pT
:O
$:RA
AUTOMATICA
QUE SE CIERRA
CUANbO SE EXCEDE
LA PRESION
ESTABLECIDA
EN LA CAMARA
GENERADORA
DEACETILENO
PRODUCCIÓN
Cae, + 2H20
-+
C2H2+ Ca (OH),
(i 1.5)
El carburo que se emplea en este proceso se obtiene por
fusión de cal y coque en un homo eléctrico. El carburo se saca
del homo y se enfría, y luego se tritura, se pasa por mallas y
se empaca en recipientes herméticos. El tipo más común
contiene 45 kg (100 lb) del sólido grisáceo duro. Con 1 kg
(2.2 lb) de carburo de calcio es posible generar 0.28 m3 (10
pies3) de acetileno.
El acetileno también se produce con frecuencia en las plantas
petroquímicas y puede usarse para muy diversos procesos además de la soldadura y el corte con gas oxicombustible.
GENERADORES DE ACETILENO
Los DOS MÉTODOS principales que actualmente se usan para
generar acetileno son los de carburo a agua y de agua a carburo.
En Estados Unidos, el método de carburo a agua se usa casi sin
excepción. La construccióndel generador que se emplea con este
método permite descargar partículas de carburo de una tolva a
un volumen relativamente grande de agua. Este tipo de generador se muestra en forma esquemática en la figura 11.5. Los
detalles de su construcción varían en los distintos fabricantes.
Todos los generadores de carburo a agua se pueden clasificar
como de baja presión o de presiónmediana. Los primeros trabajan a 1 psig o menos, en tanto que los segundos producen acetileno a presiones entre 1 y 15 psig.
El generador de acetileno del tipo de agua a carburo raras
veces se usa en Estados Unidos, pero es popular en Europa.
Básicamente, el principio en que se basa es el mismo que el tipo
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/
ELAGUA ABSORBE
ELCALOR LIBERADO
EN LA REACCION
\
HIDRATODE CALCIO
(LODOS DE CARBURO)
Figura i1.5-Generador de acetileno en el que se atíade
carburo de calcio a aaua
de carburo a agua, pero el método es distinto. Se permite que
agua de un tanque gotee sobre un lecho de carburo, y el gas
generadosale del generadorpor una tubería. El carburo habitualmente está en forma de tabiques o panes, a fin de limitar el área
superficial que se expone al agua.
La generación de acetileno produce una cantidad considerable de calor, el cual debe disiparse en vista de la inestabilidad
del acetileno a temperaturaselevadas. El volumen relativamente
grande de agua que se emplea en el generador de carburo a agua
hace que este tipo de equipo sea muy eficiente en lo que a disipar
el calor se refiere. En cambio, el tipo de agua a carburo utiliza
la cantidad mínima de agua, y disipa el calor con mucha lentitud.
Existen generadores de acetileno tanto estacionarios como
portátiles, con una gama muy amplia de tamaños y tasas de
producción de gas. La capacidad de generación de estas unidades
varía entre 0.34 m3/h (12 pies3/h) para las unidades portátiles
pequeñas y unos 170 m3/h (6000 pies3/h) para las unidades
estacionarias grandes de instalaciones industriales. La mayor
parte de los generadores modernos opera automáticamente una
vez que se ha establecido la presión de operación inicial.
CILINDROS DE ACETILENO
COMO EL ACETILENO en estado libre, en ciertas condiciones de
presión y temperatura, puede disociarse en forma explosiva para
dar hidrógeno y carbono, los cilindros que se van a llenar con
Not for Resale
--`,,,```-`-`,,`,,`,`,,`---
EL ACETILENO SE produce por la reacción química del carburo
de calcio (CaC,) con agua. En esta reacción, el carbono del
carburo de calcio se combina con hidrógeno del agua para
formar acetileno gaseoso. Al mismo tiempo, el calcio se combina con oxígeno e hidrógeno para €ormarun residuo de hidróxido
de calcio. La ecuación química es
SOLDADURA CON GAS OXICOMBUSTIBLE
acetileno se empacan inicialmente con un relleno poroso. Luego
se añade acetona, un disolvente capaz de absorber 25 veces su
volumen de acetileno por cada atmósfera de presión. Con la
disolución del acetileno y la división del cilindro en celdas
pequeñas, parcialmente separadas, dentro del relleno poroso, se
produce un recipiente lleno de acetileno seguro.
Los cilindros de acetileno se pueden adquirir en tamaños que
contienen entre 0.28 y 12 m3 (10 y 420 pies3) del gas. Los
cilindros están equipados con tapones de seguridad, fusibles
fabricadoscon un metal que se funde a unos 100°C (212°F). Esto
permite al gas escapar si el cilindro se somete a un calentamiento
excesivo. De esta manera se obtiene una combustión relativamente controlada en lugar de que se rompa el cilindro.
TIPOS DE GAS COMBUSTIBLE MPS
--`,,,```-`-`,,`,,`,`,,`---
EXISTENVARIAS
MEZCLAS de gases combustibles de preparación
comercial que pueden servir para soldar, aunque en general no
se utilizan para este propósito; se emplean más bien para corte,
soldadura fuerte con soplete y otras operacionesde calentamiento. Un grupo de gases combustibles mezclados tiene composiciones que se aproximan a la de metilacetileno-propadieno
(MPS) y contiene mezclas de propadieno, propano, butano,
butadieno y metilacetileno. Una característica de estos gases
combustibles mezclados es que la distribución de calor dentro
de la flama es más uniforme que en el caso del acetileno, por lo
que no es necesario manipular tanto el soplete para controlar el
aporte de calor. La temperatura de flama de estos gases es más
baja que la del acetileno cuando se usan mezclas oxígeno-gas
neutrales. Es posible incrementar la temperatura haciendo a la
flama oxidante. Estos gases son populares porque pueden costar
menos que el acetileno y los cilindros contienen un mayor
volumen de combustible para un tamaño y peso dados.
PROPILENO
359
GAS NATURAL (METANO)
ELGAS NATURAL se obtiene de pozos y se distribuye por tubería.
Su composición quimica varía ampliamente, dependiendo del
lugar del que se obtuvo. Los consituyentes principales de la
mayor parte de los gases naturales son metano (CH,) y etano
(C,H,). El requerimiento volumétrico de gas natural es, por
regla general, 1.5 veces el del acetileno para generar una
cantidad equivalente de calor. La principal aplicación del gas
natural dentro de la industria de ia soldadura es como gas
combustible para el corte con oxígeno y en operaciones de
calentamiento.
HIDRÓGENO
EL CONTENIDO CALORIFICO relativamente bajo de la flama de
oxi-hidrógeno limita el uso de este gas a ciertas operaciones
de soldadura fuerte con soplete y a la soldadura de aluminio,
magnesio, plomo y metales similares. Sin embargo, otros procesos de soldadura están suplantando casi por completo todas
las formas de soldadura con gas oxicombustible para muchos
de estos materiales.
El hidrógeno puede adquirirse en cilindros de acero estirados,
sin costura, cargados hasta una presión de cerca de 2000 psig
(14 MPa) a una temperatura de 21°C (70°F).También puede
obtenerse en forma líquida, ya sea en cilindros individuales o a
granel. En el punto de uso, el hidrógeno liquido se vaporiza para
obtener el gas.
OXíGENO
EL OXIGENO EN estado gaseoso es incoloro, inodoro e insípido.
Ocurre con abundancia en la naturaleza, y una fuente importante
ELPROPILENO (C3&), un gas combustible de un solo componen- de este gas es la atmósfera, que contiene alrededor del 21 Sd por
te, es un producto de las refinerías de petróleo con características volumen de oxigeno. Aunque hay suficiente oxígeno en el aire
de rendimiento similares a las de los gases tipo MPS. Aunque para sustentar la combustión del gas combustible, el empleo de
no es adecuado para soldadura normal, se le utiliza para corte oxígeno puro acelera las reacciones de combustión y eleva la
con oxigeno, soldadura fuerte, rociado de flama y endureci- temperatura de las flamas.
miento con flama. El equipo que se utiliza con este gas es
La mayor parte del oxigeno que se utiliza en la industria de
similar en cuanto a diseño al que se emplea con los gases tipo la soldadurase extrae de la atmósfera mediante técnicas de licueMPS.
facción. En el proceso de extracción, el aire puede comprimirse
a cerca de 3000 psig (20 MPa), aunque algunos equipos operan
a presiones mucho más bajas. Primero se elimina el dióxido de
PROPANO
carbono y cualesquier impurezas que contenga el aire, y luego
ELPROPANO (C3H,) se usa principalmente para precalentamien- se pasa éste por tubos espirales donde se le permite expandirse
to en el corte con oxigeno y para operaciones de calentamiento. a una presión relativamente baja. El aire se enfría bastante
La fuente principal de este gas es las mezclas de petróleo crudo durante la expansión, y se le hace pasar sobre los tubos espirales
y gas que se obtienen de los pozos de petróleo y gas natural a fin de enfriar aún más el aire que entra, hasta que se produce
activos, aunque también se produce en ciertos procesos de la licuefacción. El aire líquido se rocía sobre una serie de
refinamiento de petróleo y durante el reciclaje del gas natural. bandejas o platos de evaporación en una torre de rectificación.
El propano se vende y transporta en cilindros de acero que El nitrógeno y otros gases hierven a temperaturas más bajas que
contienen hasta 45 kg (100 lb) del gas licuado. Las entregas a el oxígeno y, conforme estos gases escapan por la parte superior
los consumidoresde grandes volúmenesse hacen mediante carro de la torre, el oxigeno de alta pureza se acumula en una cámara
tanque y suministro a granel. Existen sopletes de propano pe- receptora en la base. Algunas plantas están diseñadas para proqueños y autónomos para usarse en talleres caseros así como ducir oxígeno líquido a granel; en otras, el oxígeno gaseoso se
para operaciones de calentamiento incidentales.
extrae para comprimirlo dentro de cilindros.
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360 S O L D A D U R A C O N
GAS OXICOMBUSTIBLE
EQUIPO PARA SOLDADURA CON GAS OXICOMBUSTIBLE
mentos, y un mango cómodo que permite controlar los movimientos y la dirección de la flama. La figura 11.7 es un esquema
ELEQUIPO BASICO mínimo para soldar con gas oxicombustible simplificadode los elementos básicos de un soplete para soldar.
se muestra de manera esquemática en la figura 11.6. La confiLos gases pasan por las válvulas de control, a través de
guración del equipo es totalmente autónoma y relativamente conductos separados en el mango, hasta la cabeza del soplete. A
económica; consiste en cilindros de gas combustible y oxígeno, continuaciónllegan a una unidad mezcladora donde se juntan el
cada uno con un regulador de gas para reducir la presión del gas combustibley el oxígeno, y por último salen por un orificio
cilindro, mangueras para llevar los gases al soplete, y una en el extremo de la punta. La punta se muestra como un tubo
combinación de soplete y punta para ajustar la mezcla de los sencillo, angostado al frente a fin de producir un cono de
gases y producir la flama deseada.
soldadura apropiado. La cabeza del soplete cuenta con anillos o
Cada uno de estos componentesdesempeña un papel esencial superficies selladores que facilitan un ensamblado hermético.
en el control y aplicación del calor necesario para soldar. EI
mismo equipo básico se usa para soldadura fuerte con soplete y
en muchas aplicaciones de calentamiento.Basta con sustituir la
Tipos de mangos de soplete
combinación apropiada de soplete y punta para convertir fácilmente el equipo a corte con oxígeno manual o controlado por LOS MANGOS DE los sopletes para soldar se fabrican en divercarro. Puesto que el operador controla la forma como se usa este sos tamaños y estilos, desde los pequeños para trabajo muy
equipo, debe estar perfectamente familiarizado con las capaci- ligero (con bajo flujo de gas) hasta los mangos extrapesados (de
dades y limitaciones del equipo y con las regias para una opera- alto flujo de gas) que se emplean generalmente para operaciones
ción segura.
de calentamientolocalizado.
Es posible obtener diversos tipos de equipo para casi cualUn soplete pequeño típico que sirve para soldar láminas
quier operación de soldadura. Algunos de ellos están diseñados metálicas gasta acetileno con tasas de flujo volumétrico de entre
para uso general, y otros se producen para operaciones específi- 0.007 y 1.0 m’/h (0.25 a 35 pies3/h). Los sopletes de tamaño
cas. Se debe seleccionar el equipo más apropiado para cada mediano se diseñan para manejar flujos de acetileno de 0.028 a
operación en particular.
2.8 m3/h ( I a 100 pies3/h). Los sopletes de calentamiento para
trabajo pesado pueden manejar flujos de acetileno de hasta 1I
m3/h (400 pies3/h).Los gases combustibles distintos del acetileno se pueden usar con sopletes todavía más grandes en los que
SOPLETES PARA SOLDAR
la tasa de flujo de gas puede llegar a los 17 m3/h(600 pies3/h).
UN SOPLETE PARA soldar típico consiste en un mango, un mezLos mangos de los sopletes se pueden usar con diversos
clador y una punta; incluye un mecanismo para controlar de diseíios de mezcladores y puntas, así como boquillas de propómanera independiente el flujo de cada uno de los gases, un sito especial, aditamentos de corte y boquillas de calentamiento
sistema para montar diversas puntas de soldadura u otros adita- (véase la figura 11.8).
EQUIPO DE SOLDADURA BÁSICO
ìULADORES DE PRESIÓN
MANGUERAS
>
PUNTA
PARA SOLDAR
CILINDRO DE GAS
COMBUSTIBLE
Figura 11.6-Equipo básico para soldadura con gas oxicombustible
--`,,,```-`-`,,`,,`,`,,`---
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SOLDADURA CON GAS OXICOMBUSTIBLE
361
GAS
cc
:MBUSTIBLE
I
VÁLJUIAS
DE CONTROL
MEZCLADOR
/
I
I
/
__--_---_---r
\
OXiGENO
MANGO DEL SOPLETE
Figura 11.7-Elementos básicos de un soplete para soldadura con gas oxicombustible
Tipos de mezcladores
Dos TIPOS GENERALES de mezcladores de oxigeno y gas com-
(A) BOQUILLA
PARA SOLDAR
(e)
ADITAMENTO
PARA CORTE
--`,,,```-`-`,,`,,`,`,,`---
(C) BOQUILLA
PARA CALENTAMIENTO
~~~
~
~
~~~~~~~~~~~
Figura 11.8-Mango de soplete típico que se usa con
boquillas de soldadura, aditamentos para corte y
boquillas de calentamiento
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bustible son el de presión positiva (también llamado de presión
igual o media) y el de inyector o de bajapresión.
El mezclador de presión positiva requiere que los gases se
alimenten al soplete a presiones por encima de 2 psig (14 Wa).
En el caso del acetileno, la presión deberá estar entre 2 y 15 psig
(14 y 103 Wa). En general, el oxígeno se alimenta a la misma
presión, aunque no hay un limite restrictivo en este caso. Puede
llegar, y en ocasiones lo hace, hasta los 25 psig (172 H a ) cuando
se usan puntas grandes.
El propósito del mezclador del tipo de inyector es incrementar la utilización efectiva de los gases combustibles alimentados
a presiones de 2 psig (14 Wa) o menos. En este soplete, el
oxigeno se alimenta a presiones entre 10 y 40 psig (70 y 275
Wa), en correspondencia con el tamaño de la punta. La velocidad relativamente alta del flujo de oxigeno sirve para aspirar o
“chupar” más gas combustible del que normalmente fluiría a las
presiones de alimentación bajas.
Se fabrican mezcladores de gases en diversos tamaños y
estilos, según el diseño del fabricante. La función principal de
estas unidades es mezclar el gas combustible y el oxígeno perfectamente a fin de asegurar una combustión estable. Gracias a
su construcción, los mezcladores también sirven como disipadores de calor para evitar que la flama retroceda hacia el mezclador
o el soplete.
El retroencendido es la recesión de la flama hasta la cámara
de mezcla del soplete, o incluso más atrás. En algunos casos, el
retroencendido viaja por las mangueras hasta el regulador de
gas, causando un incendio en el cilindro.
En la figura 11.9 (A) se muestra un mezclador tipico para un
soplete de presión positiva. El oxígeno entra por el ducto central
y el acetileno lo hace por varios ductos angulados para realizar
el mezclado. La turbulencia de mezclado se reduce a un flujo
laminar cuando el gas atraviesa la punta.
Los mezcladores de gases diseñados para sopletes tipo inyector utilizan el principio del tubo vénturi para incrementar el flujo
del gas combustible. En este caso [figura 11.9 (B)], el oxigeno
a alta presión pasa por el pequeño ducto central y crea un chorro
Not for Resale
362
SOLDADURA CON GAS OXICOMBUSTIBLE
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de alta velocidad, el cual atraviesa las aberturas de los ductos de
gas combustible angulados en el punto en que el tubo vénturi
está restringido. Esta acción produce una caída de presión en las
aberturas de gas combustible y hace que el flujo a baja presión
aumente conforme los gases de mezcla pasan a la porción
ensanchada del vénturi.
Es importante seguir al pie de la letra las instrucciones de
operación y las recomendaciones del fabricante para un uso
seguro.
Si los sopletes requieren reparación, ésta sólo deberá realizarla un técnico calificado.
Puntas para soldar
Cuidado de los sopletes
LAPUNTAPARA
soldar es la porción del soplete por la que pasan
los gases justo antes de encenderse y arder. La punta permite al
están diseñadospara soportar las rudas condicionesde operación soldadorguiar la flama y dirigirla hacia el trabajo con un máximo
a las que se exponen. Para que este equipo pueda utilizarse de de comodidad y eficiencia.
En general, las puntas se fabrican de un metal no ferroso,
manera segura y eficiente, es preciso darle el mantenimiento
debido para que esté en buenas condiciones en todo momento. como una aleación de cobre, que tenga una conductividad térEl equipo sólo deberá usarse con el gas combustible apropiado mica elevada, a fin de reducir el riesgo de sobrecalentamiento.
Por lo regular, las puntzs se fabrican taladrando barras hasta
y con el fin para el cual fue diseñado.
LOSMANGOS,
MEZCLADORES y puntas de los sopletes para soldar
CABEZA
CORTE SECCIONAL DE LA CÁMARA DE MEZCLADO
IO ENTRA POR O. EL GAS COMBUSTIBLE ENTRA
R VARIAS ABERTURAS O ALREDEDOR DE LA ABERTURA
.OS GASES SE MEZCLAN ALTIEMPO QUE
(A) TIPO DE PRESIÓN POSITIVA
0
VENTURI O Y CHUPA EL
CABEZA
DEL-SOPLETE
(B) TIPO INYECTOR
Figura 11.9-Detalles de diseño típicos de los mezcladores de gases para sopletes de soldadura de presión
positiva y de inyector
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363
Conos de flama. El propósito de la flama de soldadura es
elevar la temperatura del metal hasta su punto de fusión. La
mejor manera de lograr esto es con una flama (o cono) que
permita dirigir el calor con facilidad. Por tanto, las caracteristicas del cono son importantes. Es crucial obtener un flujo de gas
laminar o aerodinámico a todo lo largo de la punta, sobre todo
en el paso por la porción frontal.
Un cono de flama de alta velocidad ofrece una ilustración
impresionante del gradiente de velocidad que se extiende a
través de un orificio circular cuando el flujo de gas es laminar
(véase la figura 11.10).Como la velocidad más alta ocurre en el
centro del flujo, la flama es más larga en la porción central. De
manera similar, como la velocidad del flujo de gas es más baja
en las paredes de la punta (barreno), donde la fricción de flujo
es máxima, la porción de la flama adyacente a la pared es la más
corta. Si analizamos los principios que rigen la formación de un
cono de flama, podremos entender las condiciones de flujo que
existen a lo largo de la porción final del conducto de gas en una
punta. La forma del cono de flama dependerá de varios factores,
como la tersura del barreno, la razón entre el diámetro de entrada
y el de salida, y el ángulo de flexión del cuello.
En términos generales, el cono producido por una punta
(1) Las puntas sólo deben limpiarse empleando limpiadores pequeña varia entre una forma aguda y semiaguda. Los conos
de puntas especialmente diseñados para este propósito.
de puntas de tamaño mediano variarán entre una forma semiagu(2) Las puntas nunca deben usarse para mover o sostener el da y mediana, y los conos de una punta grande variarán entre
trabajo.
una forma semichata y chata (véase la figura 11.1i).
(3) Las roscas de las puntas y mezcladores, y todas las
superficies que sellen, deben mantenerse limpias y en buenas
condiciones. Un sello deficiente puede causar fugas, y el resul- Mangueras
tado puede ser un retroceso de flama o un retroencendido.
LAS MANGUERAS QUE se emplean en la soldadura con gas
obtener el tamaño de orificio deseado o forjando un tubo hasta
el diámetro apropiado sobre un mandril. En ambos casos, el
barreno debe ser liso para que se pueda obtener el cono de flama
necesario. Además, el extremo de la punta debe tener una forma
tal que sea fácil de usar y permita ver claramente la operación
de soldadura en curso.
Las puntas para soldar se pueden adquirir en una amplia
variedad de tamaños, formas y construcciones. Se utilizan dos
métodos para combinar puntas y mezcladores: se puede usar una
punta especial para cada tamaño de mezclador, o uno o más
mezcladores pueden cubrir toda la gama de tamaños de puntas.
Con el segundo método, la punta se conecta al mezclador mediante una unión roscada, y cada tamaño de mezclador tiene un
tamaño de rosca específico con objeto de evitar una combinación
incorrecta de punta y mezclador.
En algunas clases de soldadura se emplea un solo mezclador
provisto de un “cuello de ganso” al que pueden conectarse los
diversos tamaños de puntas.
Puesto que las puntas generalmentese fabrican con una aleación de cobre blanda, es preciso ejercer mucho cuidado para no
dañarlas. Se recomienda tomar las siguientes precauciones:
oxicombustibley operacionesrelacionadas se fabrican especialmente para satisfacer los requisitos de utilidad y seguridad de
este servicio. Las mangueras deben ser flexibles para que el
soplete pueda moverse y manipularse con facilidad durante la
soldadura, y también deben ser capaces de soportar presiones de
línea elevadas a temperaturas moderadas.
Toda manguera deberá tener una válvula de retención en el
regulador y otra en el soplete. El propósito de las válvulas de retención es evitar retroencendidos dentro de la manguera y del
regulador.
A fin de facilitar su identificación, todas las mangueras para
gas combustible son de color rojo. Como precaución adicional,
Tasa de flujo volumétrico. El factor más importante para las tuercas de eslabón giratorio que se usan para conectar la
determinar la idoneidad de una punta de soplete es la acción de manguera se identifican mediante un surco en la parte exterior
la flama sobre el metal. Si es demasiado violenta, puede expulsar de la tuerca. Además, las tuercas tienen rosca izquierda que
el metal fundido del charco. En tales condiciones, se deberán coincide con la salida del regulador de gas combustible y el
reducir las tasas de flujo voluinétrico del oxigeno y del acetileno aditamento de entrada para el gas en el soplete.
Las mangueras para oxigeno son de color verde, y las conehasta un nivel en el que sea posible soldar el metal. Esta condición representa la tasa de flujo volumétrico máxima con que un xiones tienen una tuerca lisa con rosca derecha que coincide con
tamaño de punta dado puede trabajar. Por regla general, cuanto la salida del regulador de oxigeno y el aditamento de entrada
más alta sea la tasa de flujo volumétrico que pueda alcanzarse para el oxigeno en el soplete.
La forma estándar de especificar las mangueras es indicando
con un tamaño de punta especifico, mayor será el calor produsu diámetro interno y su aplicación. Los diámetros internos nocido.
También es posible que una flama sea demasiado “suave” minales de uso más común son 3.2,4.8,6.4,7.9,9.5 y 12.7 mm
para soldar con facilidad. Si éste es el caso, será necesario (1/8, 3/16, 1/4, 15/16, 3/8 y 1/2 pulg), aunque existen tamaños
mayores. Las mangueras y conexiones para soldar de tipo inincrementar las tasas de flujo volumétrico.
Se fabrican puntas con extremo de capuchón o con forma de dustrial estándar tienen una presión de trabajo máxima de 200
copa para gases cuya velocidad de combustión es baja, como el psig.
Siempre que sea posible, las mangueras deberán estar sustenpropano. Por lo regular, estas puntas se usan para calentamiento,
tadas en una posición elevada a fin de evitar daños por objetos
soldadura fuerte y soldadura blanda.
Al realizar una operación de soldadura, hay que cuidar de
obtener el ajuste de flama correcto con los tamaños debidos
de soplete, mezclador y punta. Los métodos recomendadospara
obtener las caractensticas de flama deseadas se presentan en otra
sección del presente capítulo.
Cuando se selecciona una serie de puntas de soldadura para
los diversos espesores rie metal, el intervalo de espesores que
abarque una punta deberá traslaparse un poco con el que abarque la siguiente punta. Dado que no existe una norma única para
las designaciones de tamaño de las puntas, es preciso seguir las
recomendaciones del fabricante.
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SOLDADURA CON GAS OXICOMBUSTIBLE
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364
SOLDADURA CON GAS OXICOMBUSTIBLE
AGUDA
VELOCIDAD
DE GAS MÁXIMA,
/
/
\
\
SEMIAGUDA
MEDIANA
SEMICHATA
CHATA
Figura 11.1 1-Formas de cono de flama representativas
producidas por puntas para soldar
PARA SOLDA
DE GAS MINIMA
~
~~
Figura 11.10-Representación vectorial de la velocidad
de flujo laminar en una punta para soldar y en la
formación de un cono de flama uniforme
que pudieran caer al suelo, ruedas de vehículos o metal caliente.
Las mangueras dañadas deberán reemplazarse o repararse con
las conexiones apropiadas diseñadas para este propósito.
Los tramos de manguera de más de 8 m (25 pies) de largo y
de diámetro pequeño pueden restringir el flujo de gas al soplete.
En algunos casos, es posible vencer esta restricción incrementando la presión en el regulador, pero lo que se recomienda en
general es usar una manguera de mayor diámetro y lo más corta
que resulte práctico.
Reguladores
UNREGULADOR
PUEDE describirse como un dispositivo mecánico que mantiene el suministro de un gas a una presión reducida
más o menos constante sin importar que cambie la presión en la
fuente. Los reguladores que se usan en soldadura con gas oxicombustible y en aplicaciones relacionadas son reductores de
presión ajustables, diseñados para funcionar automáticamente
después de un ajuste inicial. Fuera de diferencias menores, todos
estos reguladores trabajan con base en el mismo principio fun-
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damental. Se dividen en diferentes categorías de aplicación
según sus capacidades de diseño para manejar gases específicos,
diferentes intervalos de presión y diferentes tasas de flujo volumétrico.
En general, los reguladores se clasifican como de una etapa
o de dos etapas, dependiendo de si la presión se reduce en un
solo paso o en dos.
La presión de salida de los reguladores de una sola etapa
presenta una caracteristica denominada elevación o deriva. Se
trata de una ligera elevación o caída en la presión de salida que
tiene lugar conforme se agota el cilindro de gas. En general, esta
característica sólo resulta perjudicial cuando se extrae una cantidad considerable del gas de un cilindro de alta presión en una
misma utilización. En los demás casos, un reajuste periódico de
la presión del regulador deberá corregir cualesquier efectos
perjudiciales.
Los reguladores de dos etapas son en esencia dos reguladores
de una etapa que trabajan en serie dentro de un mismo cuerpo.
Estos reguladores suministran una presión de salida constante
sin importar que se reduzca la presión del cilindro.
Principio de funcionamiento. Los componentes de un regulador reductor de presión se muestran de manera esquemática en
la figura 1 1.12. Los elementos de operación principales son los
siguientes:
(1) Un tornillo de ajuste que controla la fuerza de un resorte
de bonete.
(2) Un resorte de bonete que transmite esta fuerza a un
diafragma.
(3) Un diafragma que hace contacto con un tallo en un
asiento de válvula móvil.
(4) Una válvula que consiste en una esprea y el asiento móvil.
(5) Un resorte pequeño colocado bajo el asiento móvil.
Not for Resale
SOLDADURA CON GAS OXICOMBUSTIBLE
La fuerza del resorte de bonete tiende a mantener el asiento
abierto mientras que las fuerzas que actúan sobre el diafragma
por abajo tienden a cerrar el asiento. Cuando se extrae gas por
la salida, la presión bajo el diafragma se reduce, con lo que el
asiento se abre todavía más para admitir más gas hasta que las
fuerzas a ambos lados del diafragma se igualan.
Un conjunto dado de condiciones, como una presión de
entrada constante, un flujo volumétrico constante y una presión
de salida constante, producen una condición equilibrada tal que
la esprea y su miembro de asiento correspondiente mantienen
una relación fija. Como ya se señaló, la presión de entrada del
cilindro decae conforme se gasta el gas, de modo que hay una
deriva gradual en la presión de salida del regulador. Los factores
que afectan la magnitud de dicha deriva dependen del tipo de
regulador de una etapa.
365
TORNILLO
DE AJUSTE
BONETE
A
Tipos de una etapa. Hay dos tipos básicos de reguladores
reductores de presión:
(1) El tipo de tallo que se cierra por la presión de entrada
(también conocido como tipo inverso o negativo), ilustrado en
la figura 11.12A.
(2) El tipo de esprea, que se abre por la presión de entrada
(también conocido como tipo de acción directa o positivo),
ilustrado en la figura 11.12B.
--`,,,```-`-`,,`,,`,`,,`---
En el regulador del tipo de tallo, la presión de entrada tiende
a empujar el miembro de asiento hacia la esprea (cierre por
presión). La presión de salida de este tipo de regulador tiende a
TORNILLO
RESORTE
Figura 11.12B-Corte seccional que muestra los
componentes principales de un regulador típico de una
sola etapa del tipo de esprea
1/1DE AJUSTE
aumentar un poco cuando se reduce la presión de entrada. Este
aumento se debe a que se reduce la fuerza aplicada contra el área
de asiento cuando la presión de entrada decae.
La presión de salida del gas para una posición dada del
tomillo de ajuste está regulada por un equilibrio de fuerzas entre
el empuje del resorte de bonete y las fuerzas que se oponen a él:
TALLO
SALIDA
RESORTE
~~
Figura 11.12A-Corte seccional que muestra los
componentes principales de un regulador típico de una
sola etapa del tipo de tallo
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(1) La presión del gas contra la cara inferior del diafragma.
(2) La fuerza creada por la presión de entrada contra el
asiento de la válvula.
(3) La fuerza del resorte pequeño situado debajo del asiento
de la válvula.
Cuando la presión de entrada disminuye, su fuerza contra el
miembro de asiento se reduce, y esto permite a la fuerza del resorte de bonete empujar el miembro de asiento y separarlo de la
esprea. Como ahora puede pasar más gas por la esprea, la presión
del gas contra el diafragma aumenta y se restablece la condición de equilibrio.
En el regulador del tipo de esprea, la presión de entrada tiende
a alejar el miembro de asiento de la esprea (abertura por presión),
lo que abre la válvulô. La presión de salida de este tipo de
Not for Resale
366 S O L D A D U R A C O N G A S O X I C O M B U S T I B L E
TORNILLO
Sea cual sea la combinación empleada, el aumento o la
disminuciónen la presión de salida por lo regular son de tan poca
monta (y sólo apreciables cuando la presión de suministro es
muy baja) que durante las operaciones prácticas de soldadura y
corte se hace caso omiso de las variaciones en la presión del gas.
Se sugiere emplear reguladores de dos etapas para trabajos de
precisión, como el corte continuo a máquina, a fin de mantener
una presión de trabajo constante y un flujo volumétrico controlado en el soplete de soldadura o de corte.
__LDEAJUSTE
Figura 11.12C-Corte seccional que muestra los
componentes principales de un regulador típico de dos
etapas
regulador disminuye un poco conforme la presión de entrada
decae, porque la fuerza que tiende a separar el miembro de
asiento de la esprea se reduce confonne la presión de entrada
disminuye. En tal caso se requiere una presión de salida pequeña
sobre la cara inferior del diafragma para cerrar el miembro de
asiento contra la esprea.
Reguladores de dos etapas. El regulador de dos etapas ofrece
una regulación más precisa dentro de un intervalo muy amplio
de presión de entrada variable. Un regulador de dos etapas como
el que se ilustra en la figura 11.12C, es en realidad dos reguladores de una etapa en serie incorporados en una sola unidad.
La presión de salida de la primera etapa por lo regular está
preajustada de modo que suministre una presión especificada a
la segunda etapa. De esta manera, es posible obtener una presión
prácticamente constante a la salida del regulador a pesar de la
reducción en la presión de entrada.
Las combinacionesque se emplean para fabricar un regulador
de dos etapas son las siguientes:
(1) Primera etapa tipo esprea y segunda etapa tipo tallo.
(2) Primera etapa tipo tallo y segunda etapa tipo esprea.
(3) Ambas etapas tipo tallo, como en la figura i i . 12C.
(4) Ambas etapas tipo esprea.
Aplicaciones de los reguladores. Se fabrican reguladores con
diferentes capacidades en cuanto a presión y flujo volumétrico,
dependiendo de la aplicación y de la fuente de suministro. Por
tanto, un regulador sólo debe usarse para el propósito que
corresponde a su diseño. En la soldadura con gas oxicombustible, los reguladores de cilindro requeridos son muy distintos de
los reguladores de estación.
En la configuración de un solo soplete de la figura 11.6, que
es la que comúnmente se usa, el oxígeno y el acetileno provienen
de cilindros individuales; cada uno de éstos se conecta a un
regulador de cilindro, que puede ser del tipo de una o de dos
etapas. Cada regulador está equipado con dos manómetros, uno
para indicar la presión de entrada o del cilindro, el otro para
indicar la presión de salida o de trabajo del soplete. Los reguladores y manómetros para cilindros se construyen de modo que
resistan presiones elevadascon un margen de sobrecarga seguro.
Los manómetros para la presión de trabajo se construyen y
gradúan de acuerdo con la aplicación a la que están destinados.
Las presiones de las tuberías de oxígeno casi nunca rebasan
los 200 psig; para el acetileno, la presión no debe exceder los 15
psig. Por tanto, los reguladores de estación se construyen para
trabajar a baja presión, aunque pueden tener una capacidad de
flujo voliimétrico elevada. Los tipos de una sola etapa equipados
sólo con un manómetro para la presión de trabajo satisfacen con
suficiencia los requisitos para los reguladores de estación. En
virtud de sus limitaciones de capacidad, los reguladores de
estación nunca deben usarse con cilindros, pues existe el peligro
de un accidente grave.
Los reguladores de cilindro no deben usarse en las salidas de
estación porque es posible que no tengan la suficiente capacidad
de flujo, dadas las bajas presiones de entrada.
Conexiones a ia entrada y a la salida del regulador. Las
conexiones de salida de los cilindros tienen diferentes tamaños
y fonnas para evitar que un regulador se vaya a conectar al
cilindro equivocado. Por tanto, los reguladores deben fabricarse
con diferentes conexiones de entrada que correspondan a los
diversos cilindros de gas. La Compressed Gas Association
(CGA) ha estandarizado las conexiones no intercambiables de
válvula de salida de los cilindros. EI American National Standards Institute publica estas especificaciones como ANSI B57.1,
Coizexioiies de valvula de salida y eiitradn para cilindros de gas
conipriniido, última edición, la cual deberá consultarse si se
requiere información.
Los aditamentos de salida de los reguladores también tienen
diferentes tamarios y roscas, dependiendo del gas y de la capacidad del regulador. Los aditamentos de salida para oxígeno
tienen rosca derecha; los aditamentos de salida para gas coinbiistible tienen rosca izquierda, con un surco en la tuerca.
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SOLDADURA CON GAS OXICOMBUSTIBLE
367
Seguridad de Iss reguladores
Accesorios
SEDEBERÁN
OBSERVAR en todo momento las siguientes precauciones de seguridad a fin de prevenir accidentes durante el uso
de reguladores:
ADEMAS DEL EQUIPO y matenales descritos en las secciones
--`,,,```-`-`,,`,,`,`,,`---
anteriores, se puede usar una amplia variedad de equipo auxiliar
en el proceso de soldadura con gas. Aqui sólo se incluirá una
descripción breve de semejantes artículos.
Dos de los artículos de uso más universal son el encendedor
(1) El operador deberá estar capacitado para el uso correcto
de reguladores o estar bajo supervisión competente. Es impor- de fricción que siempre debe usarse para encender el gas, y las
tante seguir al pie de la letra los procedimientos de operación válvulas de retención en ambos extremos de la manguera, para
fines de seguridad.
recomendados por el fabricante.
Otros accesorios, como los limpiadoresde puntas, carritos de
(2) EI regulador siempre deberá estar limpio y en buen
cilindros, abrazaderas y guías y fijaciones de retención también
estado funcional.
(3) Los cilindros deben fijarse a una pared, poste o carro de son auxiliares importantes para la soldadura con gas.
Los soldadores deberán usar en todo momento gafas o escumodo que no puedan volcarse o caer.
dos
oculares como protección contra chispas y contra la luz y el
(4) Se deberá inspeccionar las válvulas de los cilindros para
constatar que la rosca no presente daños, y que no haya suciedad, calor intensos radiados por la flama y el metal fundido. También
polvo, aceite o grasa. Elimine el polvo y la suciedad con un trapo es recomendable usar guantes apropiados, delantales de cuero,
limpio. ¡NO CONECTE EL REGULADOR A UN CILINDRO mangas y polainas. En algunas situaciones puede requerirse de
DE GAS SI OBSERVA ACEITE, GRASA O DAÑOS! Informe un sistema de ventilación forzada o de complemento de la respia su proveedor de gas de esta situación. Sólo técnicos calificados ración.
deberán reparar o dar servicio a los reguladores.
(5) Dé un giro mínimo a la válvula de cilindro limpia para ALMACENAMIENTO Y DISTRIBUCIÓN
abrirla durante un instante, y en seguida ciérrela rápidamente.
los gases a la instalación de trabajo depende
Con esto se expulsará cualquier materia extraña que pudiera LADISTRIBUCIONDE
de la ubicación, el tamaño, los requerimientos de consumo y la
estar dentro del conducto de la válvula.
PRECAUCION Si la válvula del cilindro se abre demasiado, aplicación de los diversos procesos de gas oxicombustible. La
es posible que el cilindro se vuelque a causa de la fuerza del gas entrega puede hacerse por cilindros individuales, múltiples portátiles o estacionarios, sistetnas de suministroa granel y tuberías.
que escapa. No se pare frente a la salida de la válvula.
Los cilindros individuales de oxigeno y acetileno gaseosos
(6) Conecte el regulador a la válvula del cilindro y apriktelo
proporcionanun abasto adecuado de gas para sopletes de soldafirmemente con una llave de torsión.
(7) Antes de abrir la válvula del cilindro, gire el tornillo de dura y corte que consumen cantidades limitadas de gas. Los
ajuste del regulador en el sentido contrario al giro de ias mane- carritos de cilindros se usan mucho para proveer un soporte
cillas del reloj (dirección antihoraria) hasta liberar la presión del cómodo y seguro para un cilindro de oxígeno y otro de acetileno.
Esto permite transportar con facilidad los gases.
resorte de ajuste.
EI oxigeno puede llevarse al usuario en cilindros individuales
(8) Párese a un lado del regulador cuando abra ia válvula del
cilindro. NUNCA se coloque frente a un regulador o detrás de como gas comprimido o como líquido. También hay varios
él. CON CUIDADO y LENTAMENTE abra ia válvula del métodos de distribución a granel. El oxígeno gaseoso en cilincilindro hasta que el manómetro de alta presión indique la dros por lo regular se mantiene a una presión de aproximadamente 2200 psig (15 170 Wa), y se emplean cilindros con
presión del cilindro.
NOTA: Nunca abra la válvula de un cilindro de acetileno más diversas capacidades que contienen alrededor de 2,2.3,3.5,6.9
de una (i) vuelta completa. Las válvulas de todos los demás y 8.5 m3(70,80, 122,244 y 300 pies3)de oxígeno. Los cilindros
cilindros se deberán abrir por completo para sellar el empaque de oxigeno liquido contienen el equivalentede unos 85 m3(3000
pies’) de oxígeno gaseoso. Estos cilindros se usan en aplicaciode la válvula.
(9) Gire el tomillo de ajuste del regulador en dirección nes en las que no se justifica un sistema de suministro de oxígeno
horaria hasta obtener la presión de salida deseada para el aparato a granel pero que son de tal magnitud que el suministro con
tanques de oxigeno gaseoso resulta insuficiente. Los cilindros
que se va a usar.
(10) Se deberá hacer una prueba de fugas del sistema ein- de oxígeno liquido están equipados con convertidoresde líquido
pleando los métodos recomendados por el fabricante del regu- a gas, o pueden utilizar vaporizadores de gas externos.
Hay que tener cuidado de no exceder cierta tasa de extracción
lador.
(11) Mantenga las válvulas de los cilindros cerradas en todo de gas de un cilindro de acetileno de un tamaño determinado. Si
momento, excepto cuando se están usando los cilindros. Una vez la demanda volumétrica es excesiva, existe la posibilidad de
que termine de usar el aparato, cierre las válvulas de los dos extraer acetona del cilindro junto con el acetileno. Por tanto, se
cilindros. Para vaciar el sistema, abra la válvula de gas coinbus- ha adoptado la norma práctica de limitar la extracción de acetitible del soplete y deje que el gas escape hacia un lugar seguro. leno de un solo cilindro a una tasa horaria no mayor que la
En seguida, cierre la válvula de combustible del soplete y gire séptima parte del contenido volumétrico del cilindro. Es posible
el tomillo de ajuste de presión dei regulador en dirección anti- conectar dos o más cilindros de acetileno mediante un múltiple
horaria hasta que dé vueltas libremente. Repita esta operación a fin de obtener tasas de flujo elevadas.
Los cilindros para gas combustible licuado no contienen
con el sistema de oxigeno. Es importante no vaciar ambos
sistemas al mismo tiempo, ya que puede ocurrir un flujo inverso material de relleno. Estos cilindros de acero o aluminio soldados
guardan el gas combustible licuado bajo presión. La presión en
o mezclado de los gases, lo cual puede ser peligroso.
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368 S O L D A D U R A C O N G A S O X I C O M B U S T I B L E
el cilindro es función de la temperatura. Los cilindros de gas
combustible licuado tienen válvulas de alivio que se ajustan a
presiones predeterminadas a fin de evitar una sobrepresurización
en caso de que el cilindro se exponga a temperaturas cercanas a
los 93°C (200°F).
Si llegaran a alcanzarsetales temperaturas,la rápida descarga
de gas combustible por la válvula de alivio hará que el cilindro
se enfríe, que la presión en su interior disminuya, y que la válvula
de alivio se cierre. En caso de incendio, la válvula de alivio se
abre y cierra en forma intermitente hasta la descarga total del
combustible del cilindro o la eliminación de la fuente de calor
extremo.
La tasa de extracción de gases combustibles licuados de
cilindros es función de lo siguiente:
(1) La temperatura.
(2) La cantidad de combustible en el cilindro.
(3) La presión operativa deseada.
Se recomienda solicitar al proveedor de gas la infonnación
pertinente.
Cilindros conectados con múltiple
LOS CILINDROS INDIVIDUALES no pueden proporcionar tasas de
flujo de gas elevadas, sobre todo para operación continua durante periodos de tiempo largos. Una solución para este problema
consiste en conectar cilindros a un múltiple. De esta forma es
posible proveer un volumen razonablemente grande de gas
combustible, descargándolo a una tasa moderadamente rápida.
Los múltiples son de dos tipos, portátiles y estacionarios. Los
múltiples portátiles (véase la figura 11.13) pueden instalarse con
un mínimo de esfuerzo y resultan útiles cuando se requieren
volúmenes moderados de gas para trabajos de naturaleza no
repetitiva, ya sea en un taller o en el campo.
Los múltiples estacionarios (véase la figura 11.14)se instalan
en talleres en los que se requieren mayores volúmenes de gas.
Los múltiples de este tipo alimentan a un sistema de tuberías que
h
~~~
7ACOPLADOR
distribuye el gas a diversas estaciones dentro de la planta. Esta
disposiciónpermite a varios operadores trabajar con un sistema
de tuberías común sin interrupciones. Un sistema así también
puede suministrar gas a operaciones automáticas de soldadura
fuerte con soplete o de corte con oxígeno de gran envergadura.
Un dispositivo protector importante para el sistema de combustible estacionario es su sello hidráulico o su extinguidor de
retroencendidohidráulico. Este dispositivo detiene un retroencendido originado en una estación e impide que llegue a otras
partes del sistema. Consiste en un recipiente de presión pequeño
parcialmente lleno de agua, a través del cual fluye el suministro
de combustible. El gas sigue su camino por el espacio que está
arriba del nivel del agua y por la cabeza del recipiente hasta el
regulador de la estación. Un retroencendido o un retroceso de
alta presión hará que una válvula de alivio en la cabeza del
recipiente deje escapar la presión hacia la atmósfera exterior.
Una válvula de retención impide que el agua se meta a la línea.
Sistemas a granel
A FINDE SATISFACER ia elevada demanda de algunas industrias,
se puede transportar oxígeno gaseoso desde la planta productora hasta el usuario en bancos portátiles de múltiples cilindros
o en tubos largos de alta presión montados en remolques de
camiones. Los remolques pueden contener entre 850 y 1420 m3
(30 O00 a 50 O00 pies3) en las unidades más grandes y 285 m3
(io OO0 pies3)en las más pequeñas.
El oxígeno a granel también puede distribuirse en forma
líquida en recipientes grandes aislados montados en remolques
de camiones o en carros de ferrocarril. El oxígeno líquido se
transfiere a un tanque de almacenamiento aislado en las instalaciones del usuario, de donde se extrae, se convierte en gas y se
alimenta a tuberías de distribución, según las necesidades, mediante equipo regulador automático.
Los gases combustibles licuados pueden distribuirse desde
tanques locales con capacidad de 2000 a 45 O00 L (500 a 12 000
galones), mismos que camiones de entrega llenan periódicamente.
EN ’T”
~
y C O L A DE PUERCO
~
~~~~
Figura 11.13-Disposición típica de un múltiple de oxígeno portátil
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SOLDADURA CON GAS OXICOMEUSTIELE
369
Fiaura 11.14-DisDosición tbica de un mÚltiDle de aas estacionario
Y TUBERIAS
no-gas combustible para soldar y cortar, según las recomendaciones de la National Fire Protection Association (NFPA núm.
5 l)', rigen la instalación de múltiples y tuberías para oxígeno y
gas combustible. También hay que consultar los reglamentos u
ordenanzaslocales para comprobar que se están cumpliendo.En
todos los casos, los múltiples deben obtenerse de fabricantes
confables, y deben ser instalados por personal familiarizado con
la construccióne instalación correctas de múltiples y tuberías de
oxígeno y acetileno.
Es importante señalar que los tubos de cobre, aunque resultan
satisfactorios para conducir el oxígeno, nunca deben usarse para
las tuberías de acetileno. La razón es que el acetileno en contacto
con el cobre puede formar acetiluro de cobre, el cual puede
explotar espontáneamente.
LASREGLAS Y reglamentos establecidos en la versión vigente de
la Norma para la instalación y operación de sistemas de oxíge-
I . Se puede obtener de la National Fire Protection Association, Battery Park,
Quincy, Massachusetts 022U9.
Otros sistemas
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CUANDO SEUSAN mÚltiples estacionarios, remolques de camión
o sistemas de suministro a granel como fuentes de oxígeno, y
grandes generadores de acetileno para producir este gas en la
planta del consumidor,los gases se distribuyen por tuberías hasta
los puntos de uso. Las tuberías deben estar diseñadas correctamente para manejar y distribuir los gases en volúmenes suficientes sin una caída de presión excesiva. También deben incluir
todos los dispositivos de seguridad apropiados.
PRACTICAS SEGURAS PARA MÚLTIPLES
APLICACIONES DE LA SOLDADURA CON GAS OXICOMBUSTIBLE
METALES SOLDADOS
LA SOLDADURA CON gas oxicombustible puede usarse con una
amplia gama de metales y aleaciones comerciales ferrosos y no
ferrosos. Sin embargo, como en todos los procesos de soldadura,
las dimensiones físicas y la composiciónquímica pueden limitar
la soldabilidad de ciertos materiales y piezas.
Durante la soldadura, el metal pasa por un intervalo de
temperaturas casi igual al del procedimientode colado original.
EI metal base del área de soldadura pierde las propiedades que
le fueron conferidas por un tratamiento térmico o im trabajado
en frío previos. La capacidad para soldar materiales como los
aceros de alto carbono y de alta aleación está limitada por el
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equipo del que se disponga para tratar térmicamente el ensamble
ya soldado. Estos metales se sueldan con éxito cuando el tamaño
o la naturaleza de la pieza permite aplicarle procedimientos de
tratamiento térmico postsoldadura.
EI procedimiento de soldadura para los aceros al carbono
simples es directo y no presenta mucha dificultad para el soldador. En otros materiales se producen soldaduras íntegras utilizando variaciones de precalentamiento,técnica, tratamientotérmico y uso de fundentes.
EI proceso de soldadura con gas oxicombustible puede servir
para reparar piezas metálicas de espesor considerable y para los
ensambles que suelen encontrarse en las operaciones de mantenimiento y reparación. Se han reparado armazones de maquina-
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370
SOLDADURA CON GAS OXICOMBUSTIBLE
ria de hierro colado muy gruesos por soldadurafuerte o soldando la reducción en la temperaturaentre pasadas es mayor, se crearán
con una varilla de aporte de hierro colado.
fuerzas de contracción excesivas que pueden producir distorsión
o agrietamienoen la soldadura o en otras secciones. Este tipo de
agrietamientose presenta a menudo cuando se sueldan estructuAceros y hierro colado
ras circulares de metales quebradizos, como el hierro colado.
Es necesario modificar los procedimientospara soldar aceros
LOS ACEROS DE bajo carbono, de baja aleación y colados son los
materiales que con más facilidad se sueldan por el proceso de inoxidablesy similares. En virtud de su alto contenido de cromo
oxiacetileno. Por lo regular se requieren fundentes para soldar y níquel, estos aceros tienen una conductividadtérmica relativamente baja, por lo que se recomienda una flama más pequeña
estos materiales.
En la soldadura con gas oxicombustible, los aceros con más que la que se usaría para un espesor equivalente de acero al
de 0.35% de carbono se consideran aceros de alto carbono y carbono ordinario. Como el cromo se oxida fácilmente, se utiliza
requieren un cuidado especial para mantener sus propiedades una flama neutral para minimizar la oxidación y un fundente
particulares. Los aceros de aleación del tipo que endurece en aire para disolver los óxidos y proteger el metal de soldadura. Se
requieren precauciones adicionales para mantener sus propieda- emplea metal de aporte de acero con alto contenido de cromo o
des, aunque su contenidode carbono sea del 0.35% o menos. Por cromo-níquel.Incluso con estas precauciones, generalmente se
lo regular se precalienta el área de la unión a fin de retardar el recomienda un proceso distinto de la soldadura con gas oxicomenfriamiento de la soldadura por conducción del calor al metal bustible para soldar uniones de gran calibre. En la tabla 11.3 se
base circundante. El enfriamiento lento evita la dureza y falta de resume la información básica para soldar metales ferrosos.
La soldadura de hierro colado, hierro maleable y hierro
ductilidad que se asocia al enfriamientorápido. Puede ser que se
requiera un recocido completo o tratamiento térmico en homo galvanizadopresenta problemas especiales con cualquier métoinmediatamente después de soldar aceros que endurecen con el do. La estructura del hierro colado gris se puede mantener en el
área de soldadura mediante el empleo de precalentamiento,un
aire.
EI soldador deberá usar una flama neutral o ligeramente fundente y una varilla de soldadura de hierro colado apropiada.
El hierro nodular requiere materiales en el metal de aporte
carburizante para soldar, y deberá tener cuidado de no sobrecalentar y descarburizar el metal base. La temperatura de preca- que promuevan la aglomeración del grafito libre, a fin de manlentamientorequerida depende de la composición del acero que tener la ductilidad y la resistencia al choque en el área térmicase va a soldar. Se han utilizado temperaturas entre 150 y 540°C mente afectada. Se deberá consultar con el fabricante del metal
de aporte para obtener información sobre el control de tempera(300 y 1000°F).
Además de encontrar la temperatura de precalentamiento tura de precalentamientoy entre pasadas para el metal de aporte
apropiada, es importante mantenerla uniforme durante la solda- empleado.
Desde luego, hay casos en los que se suelda hierro colado sin
dura. Esto es posible si se protege la pieza con una cubierta que
retenga el calor. Hay otros métodos de protección que pueden precalentamiento, sobre todo en operaciones de recuperación.
servir para conservar la temperatura de la pieza. En general, la Sin embargo, en la mayor parte de las aplicaciones, un precalentemperatura entre pasadas deberá mantenerse dentro de un mar- tamiento entre 200 y 320°C (400 y 600°F) con un control de
gen de 65°C (150°F) de la temperatura de precalentamiento. Si temperatura entre pasadas y medidas para frenar el enfriamiento
Tabla i i .3
Condiciones generales para soldar con oxiacetileno diversos metales ferrosos
Metal
Acero colado
Tubería de acero
Placa de acero
Lámina de acero
Acero de alto carbono
Hierro forjado
Hierro galvanizado
Hierro colado gris
Hierro colado maleable
Tubería de hierro colado gris
Tubería de hierro colado
Acero al cromo-níquel colado
Acero al cromo-níquel(18-8 y 25-12)
Acero al cromo
Hierro al cromo
Aiucte de flama
Neutral
Neutral
Neutral
Neutral
Ligeramenteoxidante
Ligeramentecarburizante
Neutral
Neutral
Ligeramenteoxidante
Neutral
Ligeramenteoxidante
Ligeramente oxidante
Neutral
Ligeramenteoxidante
Neutral
Neutral
Neutral
Neutral
Neutral
Fundente Varilla Para soldar
No
No
No
No
sí
No
No
No
sí
sí
sí
sí
sí
sí
sí
sí
sí
sí
sí
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Acero
Acero
Acero
Acero
Bronce
Acero
Acero
Acero
Bronce
Hierro colado
Bronce
Bronce
Hierro colado
Bronce
Hierro colado o composicióndel metal base
Composición del metal base o acero al cromo-níquel25-12
Acero inoxidable al colombio o composición del metal base
Acero inoxidable al colombio o composición del metal base
Acero inoxidable al colombio o composicióndel metal base
SOLDADURA CON GAS OXICOMBUSTIBLE
asegurarán la obtención de resultados más consistentes. Se puede usar una protección, como cubiertas resistentes al calor, para
asegurar un enfriamiento lento y uniforme. Hay que cuidar que
no ocurra un enfriamiento localizado; también cabe subrayar
que en la recuperación de hierro colado es necesario eliminar
por completo la arena de fundición y la escoria si se desea
obtener resultados de reparación consistentes.
Metales no ferrosos
ES PRECISOCONSIDERAR las propiedades especificas de cada
aleación no ferrosa para seleccionar la técnica de soldadura más
adecuada. Si se toman las precauciones debidas, se podrán obtener resultados aceptables.
EI aluminio, por ejemplo, no avisa con un cambio de color
que está a punto de fundirse, sino que parece colapsarse de
manera repentina cuando se llega al punto de fusión. Por esta
razón, se requiere mucha práctica para aprender a controlar la
tasa de aporte de calor. El aluminio y sus aleaciones son propensos a la friabilidad en caliente, y las soldaduras deberán contar
con apoyo adecuado en todas las áreas durante la soldadura. Por
último, toda superficie de aluminio expuesta se cubre con una
capa de óxido que, al combinarse con el fundente, forma una
escoria fusible que flota sobre el metal fundido.
AI soldar cobre, hay que tomar en cuenta el rápido enfriamiento de las soldaduras debido a la elevada conductividad
térmica del metal. A menudo se requiere precalentamiento. Es
de esperar un grado de distorsión considerable en el cobre
porque la expansión térmica es mayor que en otros metales
comerciales. Obviamente, estas características presentan problemas que es preciso resolver para obtener soldaduras satisfactorias.
Las piezas que se van a soldar deberán fijarse finnemente en
su lugar con piezas de sujeción o soldaduras de puntos provisionales. La sección menos propensa a la distorsión se deberá soldar
primero con objeto de que fonne una estructura rígida para el
resto de la operación.
Si el diseño de la estructura permite soldar por ambos lados,
es posible minimizar la distorsión si se suelda en forma alternada
por cada uno de los lados de la unión. Otra posibilidad es usar
caballetes o soportes en las secciones en las que la distorsión es
más probable. Las soldaduras pueden martillearse para reducir
la distorsión. Este método, si se aplica correctamente, puede
evitar deformaciones severas. También puede usarse una secuencia de soldadura de pasos hacia atrás para controlar la
distorsión. Este método consiste básicamente en realizar incrementos de soldadura cortos en la dirección opuesta al avance de
la soldadura. Se deberá diseñar el ensamble de modo que se
minimice la distorsión durante la soldadura.
Efectos metalúrgicos
LA TEMPERATURA DEL metal base varia durante ia soldadura,
desde la del charco de soldadura hasta la temperatura ambiente
en las áreas más alejadas de la soldadura. En el caso de los
aceros, la soldadura y las zonas ténnicamente afectadas adyacentes se calientan bastante por encima de la temperatura de
transfonnación del acero. Esto produce una estructura de grano
grueso en la soldadura y en el metal base adyacente, la cual
puede refinarse con un tratamiento ténnico nonnalizador, como
podría ser calentar al intervalo de temperaturas de austenitización (alrededor de 900°C o 1650°F)y enfriar en aire después de
soldar.
EI metal base de la zona térmicamente afectada que se
calienta por encima de la temperatura de transformación del
acero puede endurecerse si contiene suficiente carbono y la tasa
de enfriamiento es lo bastante alta. Es posible evitar el endurecimiento en la mayor parte de los aceros endureciblessi se utiliza
el soplete para seguir calentando la soldadura durante un tiempo
corto después de completada la operación. Si se sueldan aceros
endureciblesen aire, el mejor tratamiento térmico es un recocido
completo en homo del ensamble soldado.
La flama de oxicombustible permite ejercer cierto grado de
control sobre el contenido de carbono del metal depositado y
de la porción del metal base que se calienta hasta su punto de
fusión. Si se emplea una flama oxidante, hay una reacción rápida
entre el oxigeno y el carbono del metal. Parte del carbono se
pierde en forma de monóxido de carbono, y además el acero y
los demás constituyentes se oxidan. Por otro lado, si el soplete
opera con un exceso de acetileno en la flama, se introduce
carbono en el metal de soldadura fundido.
Cuando un acero inoxidable austenitic0 no estabilizado se
calienta al intervalo de temperaturas entre 430 y 870°C (800 y
1600"F),ocurre precipitación de carburos. EI carburo de cromo
se acumula en las fronteras de los granos y reduce la resistencia
a la corrosión de la zona ténnicamente afectada. Si esto sucede,
será necesario aplicar un tratamiento ténnico después de soldar,
a menos que el acero sea una aleación estabilizada mediante la
adición de colombio o titanio y soldada con ayuda de una varilla
de soldadura de acero inoxidable que contenga colombio. EI
colombio se combina con el carbono y minimiza la formación
de carburo de cromo; todo el cromo permanece disuelto en la
matriz austenítica, que es la forma en que mejor puede resistir
la corrosión.
Otro factor que debe considerarse al soldar es la posible
tendencia del metal a la friabilidad en caliente (una marcada
reducción de la resistencia mecánica a temperaturas elevadas).
Algunas aleaciones con base de cobre acusan notablementeesta
tendencia. Si el metal base tiene esta tendencia, se deberá soldar
con cuidado para evitar el agrietamiento en caliente de la zona
de soldadura. La técnica de soldadura deberá ajustarse para tener
en cuenta dicha tendencia, y las guías y abrazaderas se deberán
utilizar con cautela. EI agrietamientoen caliente puede reducirse
con una secuencia de soldadura apropiada o soldando en varias
capas con franjas angostas tipo cordón.
Oxidación y reducción
CIERTOS METALES TIENEN tal afinidad por ei oxigeno que los
óxidos se fonnan en las superficies casi con la misma rapidez
con que se eliminan. En las operaciones con oxiacetileno, estos
óxidos generalmente se eliininan por medio de fundentes. La
afinidad por el oxígeno puede ser una característica Útil en
ciertas operaciones de soldadura. EI manganeso y el silicio del
acero al carbono ordinario, por ejemplo, son importantespara la
soldadura con gas oxicoinbustible porque desoxidan el charco
de soldadura. Por tanto, es importante que las varillas de soldadura de acero contengan manganeso y silicio en las proporciones
correctas.
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371
Not for Resale
372
SOLDADURA CON GAS OXICOMBUSTIBLE
El tipo de flama empleado para soldar los diversos metales
desempeña un papel importante en la obtención del depósito de
metal de soldadura más deseable. EI tipo correcto de flama con
la técnica de soldadura apropiada puede actuar como medio
protector para reducir el efecto del oxígeno y el nitrógeno (de la
atmósfera) sobre el metal fundido. Además, una flama así estabiliza el metal fundido y evita la pérdida de carbono,manganeso
y otros elementos de aleación.
El tipo correcto de flama oxicombustiblepara una aplicación
dada está determinado por el tipo de metales base y de aporte
que intervengan y por el espesor del metal base. Con la mayor
parte de los metales se usa una flama neutral. Una excepción es
la soldadura de aluminio y de acero de alto carbono, donde se
usa una flama ligeramente carburizante (reductora).
aleación para soldadura con gas oxicombustible. Las varillas se
clasifican con base en su resistencia mecánica, y la que más
comúnmente se usa es RG60 (con resistencia a la tensión mínima
de 60 ksi [414 MPa]), que tiene propiedades compatibles con la
mayor parte de los aceros de bajo carbono.
Para la soldadura con gas oxicombustible y el latonado de
hierro colado se usan varillas de soldaduratanto de hierro colado
como a base de cobre. Consúltese ANSYAWS A5.15, Especificación de electrodos y varillas para soldadura de hierro colado.
Estos metales de aporte se clasifican con base en su composición
química.
UNO DE LOS mecanismos más importantes para controlar la
calidad de las soldadurasconsiste en eliminarlos óxidos y demás
METALES DE APORTE
impurezas de la superficie del metal que se va a soldar. Si los
LASPROPIEDADES DEL metal de soldadura deben ser muy pare- óxidos no se eliminan, puede dificultarse la fusión, la unión
cidas a las del metal base. Para ello, se fabrican varillas de puede perder fuerza y puede haber inclusiones. Estos óxidos no
soldadura con diversa composición química para soldar muchos fluyen de la zona de soldadura, sino que permanecen en ella y
materiales ferrosos y no ferrosos. Obviamente, es importante quedan atrapados en el metal en solidificación, interfiriendo con
la adición de metal de aporte. Estas condiciones pueden presenescoger el metal de aporte correcto.
El proceso de soldadura mismo influye sobre la composición tarse cuando los óxidos tienen un punto de fusión mayor que el
del metal de aporte, ya que ciertos elementos se pierden durante del metal base, y es preciso encontrar una forma de eliminarlos.
la soldadura. Hay metales de aporte para soldar casi todos los Es con este fin que se aplican los fundentes.
El acero y sus óxidos, y las escorias que se forman durante la
materiales base comunes. Los dirimetros estándar de las varillas
varían entre 1.6 y 10 mm (1/16 y 3/8 pulg) y sus longitudes soldadura, no pertenecen a la categoría mencionada, por lo que
estándar son 610 y 914 mm (24 y 36 pulg).
no requieren fundente. El aluminio, en cambio, forma un óxido
La composiciónquímica del metal de aporte debe estar dentro con un punto de fusión extremadamente alto que es preciso
de los límites especificados para el material de que se trate. Hay eliminar de la zona de soldadura para poder obtener resultados
muchos metales de aporte patentados en el mercado que se satisfactorios. Ciertas sustancias reaccionan químicamente con
recomiendan para aplicaciones específicas. El metal de aporte los óxidos de la mayor parte de los metales, formando escorias
debe estar libre de porosidad, caños, inclusiones no metálicas y que se funden a las temperaturas de soldadura. Tales sustancias,
cualquier otro material extraño; además, debe depositarse con ya sea solas o combinadas, constituyen fundentes eficientes. En
general, se usa GTAW o GMAW para soldar aluminio y evitar
uniformidad.
Al producir las varillas de soldadura se tienen en cuenta los estos problemas de escorias.
cambios que ocurren durante la soldadura, de modo que el metal
Un buen fundente debe ayudar a eliminar los óxidos durante
depositado tenga la composición química correcta. Los depósi- la soldadura formando escorias fusibles que floten sobre el
tos deben hacerse con metal de aporte que fluya libremente y se charco de metal fundido y no interfieran con la deposición ni la
una fácilmente al metal base para producir soldaduras íntegras fusión del metal de aporte. El fundente debe proteger el charco
de soldadura de la atmósfera y también evitar que absorba gases
y limpias.
En trabajos de mantenimiento o reparación no siempre es de la flama o reaccione con ellos. Esto debe hacerse sin obstruir
necesario que la composición de la varilla de soldadura coin- la visión del soldador ni estorbar la manipulación del charco de
cida con la del metal base. Se puede usar una varilla de acero metal fundido.
de resistencia mecánica nominal para reparar piezas fabricaDurante los periodos de precalentamiento y soldadura, el
das con acero de aleación y que se han roto debido a una fundente deberá limpiar y proteger les superficies del metal
sobrecarga o un accidente. No obstante, debe procurarse que base y, en algunos casos, de la varilla de soldadura. No se
el metal de aporte coincida con el metal base. Si es necesario deberá usar el fundente como sustituto de la limpieza del
aplicar tratamiento térmico a una pieza después de soldarla, metal base durante la preparación de la unión. Los fundentes
es posible añadir carbono a un depósito de acero dulce utili- son excelentes limpiadores de metal, pero si su actividad se
zando con medida una flama carburizante, aunque siempre es utiliza para limpiar metal sucio esto interferirá con sus funpreferible emplear una varilla de soldadura de acero de baja ciones primarias.
El fundente puede prepararse como polvo seco, pasta o disoaleación.
El comité de la AWS encargado de los metales de aporte ha lución espesa, o como un recubrimiento previamente colocado
preparado varias especificaciones, y muchos de los metales de sobre la varilla de soldadura. Algunos fundentes funcionan de
aporte para soldadura con gas oxicombustible se ajustan a ellas. manera mucho más favorable si se usan secos. Los fundentes
Las varillas de soldadura para acero se listan en ANSI/AWS para latonado y los que se usan con hierro colado suelen ser
A5.2, Especìjicación para varillas de acero al carbono y de baja de este tipo, y se aplican calentando el extremo de la varilla de
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FUNDENTES
SOLDADURA CON GAS OXICOMBUSTIBLE
soldadura y metiéndolo en el fundente en polvo; se adherirá a la
varilla la cantidad suficiente para obtener la acción deseada.
Cada vez que se necesite más fundente, se meterá en él la varilla
caliente.
En ocasiones (sobre todo cuando se están reparando piezas
coladas “sucias”) resulta útil rociar un poco de fundente seco en
polvo sobre el metal base adelante de la zona de soldadura.
Los fundentes en forma de pasta por lo regular se aplican con
brocha sobre el metal base, y la varilla de soldadura también
puede pintarse o recubrirse por inmersión.
Las varillas recubiertas comercialespueden usarse sin preparación adicional; si es necesario, puede colocarse fundente adicional sobre el metal base. Hay ocasiones en que una varilla
recubierta se debe meter en un recipiente con fundente en polvo,
si es que el fundente se ha fundido en un tramo demasiado largo
de la varilla durante la soldadura.
Los metales base y de aporte comunes que requieren fundente
son el bronce, el hierro colado, el latón, el bronce de silicio, el
acero inoxidable y el aluminio.
APLICACIONES TiPICAS
EL CAWO
TAN amplio de aplicación, así como la comodidad y
economía de la soldadura con oxiacetileno, se reconocen en la
mayor parte de las industrias que trabajan metales. EI proceso
se usa para fabricar piezas de lainina, conductos, tuberías y otros
objetos metálicos en industrias como la de vehículos autoinoto-
373
res y la de tuberías industriales. También se usa para soldar ductos de hasta 5 1 mm (2 pulg) de diámetro.
Este proceso goza de aceptación casi universal en el campo
del mantenimientoy la reparación, donde su flexibilidad y movilidad redundan en grandes ahorros de tiempo y mano de obra.
La unidad autónoma típica, que consiste en un soplete de soldadura, un cilindro de oxígeno y uno de acetileno en un camto con
dos ruedas, se puede desplazar con facilidad dentro de una
planta. Puede llevarse sin problema al campo con una camioneta
para reparar una rotura en cualquier lugar en que haya ocumdo.
La soldadura con oxiacetileno también es de mucha utilidad en
los talleres de reparación de máquinas y automotores, así como
en talleres dedicados por completo a la soldadura en los que la
actividad principal consiste reparar equipos industriales, a g n c e
las y domésticos grandes y pequeños.
Ei proceso de soldadura con gas oxicombustible se usa para
muchas operaciones de recubrimiento, algunas de las cuales no
pueden realizarse con los procesos de soldadura por arco. Por
ejemplo,es posible aplicar materiales con alto contenidode cinc,
como el metal de almirantazgo, con el soplete de soldadura con
gas. En este tipo de aplicaciones de recubrimiento se usan procedimientos automáticos, como se hace con los tubos laminares
o intercambiadoresde calor.
Los mismos gases y equipo se pueden usar para corte, soldadura fuerte, soldadura blanda, tratamientotérmico, recubrimiento y soldadura. Esto hace al proceso de oxiacetileno particularmente atractivo desde el punto de vista de la inversión inicial.
PRINCIPIOS DE OPERACIÓN
EL SOPLETE PARA soldadura de gas oxicombustible sirve como
implementc para mezclar el combustible y los gases que sustentan la combustión y provee el mecanismo para aplicar la flaina
en el lugar deseado. Hay muchos tamaños de puntas para obtener una flama con el volumen o el tamaño deseado. Las flanias
de soldadura pueden variar desde una flama de aguja corta y de
diámetro pequeño hasta una de 4.8 min (3/ 16 pulg) o más de diámetro y 50 mm (2 pulg) o más de longitud.
EI cono interno de la flama, de color azul brillante, que se
forma al arder la mezcla de gases que sale por la punta del soplete
se denoininafkliiia de trabajo. Cuanto más se acerque el extremo
del cono interno a la superficie dei metal que se desea calentar
o soldar, más efectiva será la transferencia de calor de la flaina
al metal. La flaina puede hacerse suave o fuerte variando el flujo
de gas. Si el flujo de gas para un tamaño de punta dado es
demasiado bajo, se producirá una flama suave, ineficaz, propensa al retroceso. Un flujo de gas excesivo producirá una flaina
violenta, de alta velocidad, difícil de controlar y que expulsará
el metal fundido del charco de soldadura.
La acción química de la flaina sobre el charco de metal
fundido puede alterarse modificando la proporción voluinétrica
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entre el oxígeno y el acetileno a la salida de la punta. En general,
la soldadura con oxiacetileno se realiza con una flama neutral
en la que la razón volumétrica de los gases es de aproximadamente 1:1. Se puede obtener una acción oxidante si se aumenta
el flujo de oxígeno, y una acción reductora si se incrementa el
flujo de acetileno. Ambos ajustes resultan muy útiles para soldar.
Ajuste de la flama
LOS SOPLETESPARA soldar deben encendersecon un encendedor
de fricción o una flama piloto. Hay que seguir las instrucciones
del fabricante del equipo para ajustar las presiones de operación
en los reguladores de gas y las válvulas del soplete antes de
encender los gases que salen por la punta. En la figura 11.15se
muestran tres tipos de ajuste a una flama de oxiacetileno.
La forma más fácil de obtener una flaina neutral es ajustando
a partir de una flama con exceso de acetileno, que se reconoce
por la extensión de “plurna”de1cono interior. La pluma se acortará conforme se reduzca el flujo de acetileno o se incremente el
flujo de oxígeno. La flama es neutral justo en el punto en que la
extensión de pluma del cono interior desaparece. Esta flama
neutral, si bien no es carburizante ni oxidante en su interior, puede tener un efecto reductor sobre el metal soldado.
Not for Resale
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PROCEDIMIENTOS DE SOLDADURA
374
SOLDADURA CON GAS OXICOMBUSTIBLE
Un método práctico para determinar la cantidad de acetileno
en exceso en una flama reductora consiste en comparar la
longitud de la pluma con la longitud del cono interior, midiendo
ambas a partir de la punta del soplete. Una flama con dos veces
más acetileno del que se requiere para una flama neutral tiene
una pluma de acetileno dos veces más larga que el cono interior.
Si parte de un ajuste de flama neutral, el soldador puede producir
la pluma de acetileno deseada incrementando el flujo de acetileno.
El ajuste de la flama oxidante a veces se indica en términos
de qué tanto debe reducirse la longitud del cono interior neutral;
por ejemplo, una décima parte. Si se parte de una flama neutral,
el soldador podrá incrementar el flujo de oxígeno hasta que la
iongitud del cono interior se reduzca en la cantidad deseada.
(A) FLAMA DE ACETILENO PURO
CONOi
Soldadura de derecha y de revés
\
\
PLUMA DE ACETILENO
BLANCO INTENSO CON
BORDE DE "PLUMA"
ANARANJADO
CLARO
(B) FLAMA CARBURIZANTE
CONO
BLANCO
\
\
NO HAY PLUMA
DE ACETILENO
AZULOSO A
NARANJA
(C) FLAMA NEUTRAL
CONO
BLANCO
\
CONO DOS DÉCIMAS
MÁS CORTG
LASOLDADURA CON oxiacetileno se puede realizar con la punta
del soplete apuntando hacia adelante, en la dirección en que
avanza la soldadura. Este método se denomina técnica de derecha. También puede soldarse con la punta del soplete apuntando
en la dirección opuesta, hacia la soldadura ya completada; este
método se conoce como soldadura de revés o de dorso. Los
dos métodos tienen ventajas, dependiendo de la aplicación,
y los dos imponen ciertas variaciones en la técnica de deposición.
En general, el método de derecha se recomienda para soldar
materiales de hasta 3.2 mm (1/8 pulg) de espesor, porque permite
controlar bien un charco de soldadura pequeño para obtener una
soldadura más lisa tanto en la parte superior como en la inferior.
Ei charco de metal fundido es pequeño y fácil de controlar. La
lar mejor el charco de metal fundido si se emplea la técnica de
revés. Esta recomendación se basa en un estudio minucioso de
las velocidades que normalmente se alcanzan con esta técnica,
y en la mayor facilidad para lograr la fusión en la raíz de la
soldadura. La soldadura de revés puede realizarse con una flama
ligeramente carburizante (pequeña pluma de acetileno) cuando
conviene derretir una cantidad mínima de metal para formar una
unión. EI mayor contenidode carbono de esta flama baja el punto
de fusión de una capa delgada del acero, e incrementa la veloci-
CASI
INCOLORO
Preparación del metal base
(D) FLAMA OXIDANTE
Figura 11.lSAjustec a la flama de oxiacetileno
LALIMPIEZA A lo largo de la unión y a los lados del metal base
es de vital importancia. La suciedad, el aceite y los óxidos
pueden causar fusión incompleta, inclusiones de escoria y porosidad en la soldadura.
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SOLDADURA CON GAS OXICOMBUSTIBLE
375
El espaciado entre las piezas que se van a unir merece una vuelven a calentar en cada pasada. La capa final no experimenta
consideración cuidadosa. La abertura de raíz para un espesor de este refinamiento, a menos que se agregue una pasada final y
metal dado deberá permitir llenar el espacio sin dificultad y al después se quite, o se pase el soplete sobre la unión para
mismo tiempo ser lo bastante ancha como para que haya pene- calentar el último depósito a la temperatura de normalización.
La soldadura con oxiacetileno no se recomienda para aceros
tración completa. Las especificaciones referentes a la abertura
de raíz se deben seguir con mucha exactitud.
de alta resistencia mecánica tratables con calor, sobre todo
El espesor del metal base en la unión determina el tipo de cuando se usan en fabricación después de haber recibido tratapreparación de bordes que se requiere para soldar. Las láminas miento térmico. Al soldar aceros extinguidos y templados, la
metálicas delgadas pueden fundirse de lado a lado con la flama, lentitud del aporte de calor de la soldadura con oxiacetileno
así que los bordes con cara cuadrada se pueden colocar a tope y puede originar cambios metalúrgicos en el área térmicamente
soldarse. Este tipo de unión está limitado a materiales de menos afectada y destruir las propiedades que adquirió el metal base
de 4.8 mm (3/16 pulg) de espesor. Para espesores de 4.8 a 6.4 con el tratamiento. Este tipo de metal debe soldarse con alguno
mm (3/16 a 1/4 pulg), se necesita una ligera abertura de raíz o de los procesos de soldadura por arco.
surco para que haya penetración completa, pero se deberá agregar metal de aporte para compensar la abertura.
Los bordes de uniones de 6.4 mm (1/4 pulg) o más de espesor CALIDAD DE LA SOLDADURA
se deberán biselar. Los bordes biselados en la unión forman un
surco que mejora la penetración y la fusión en los costados. El EL ASPECTO DE una soldadura no es necesariamente indicativo
ángulo de bisel para la soldadura con oxiacetileno varía de 35 a de su calidad. Si hay discontinuidadesen una soldadura, pueden
45 grados, lo que equivale a una variación en el ángulo incluido agruparse en dos categorías amplias: las que se detectan por
de la unión de 70 a 90 grados, dependiendode la aplicación. Una inspección visual y las que no. El examen visual del lado de
cara de raíz de 1.6 mm (1/16 pulg) es normal, pero en ocasiones abajo de una soldadura indicará si hubo penetración completa
se usan bordes machihembrados.Las placas con espesoresde 19 y si hay un exceso de glóbulos de metal. Si la penetración en
mm (3/4 pulg) o más llevan doble bisel en los casos en que es la unión es deficiente, puede deberse a que no se biselaron lo
factible soldar por ambos lados. La cara de raiz puede variar suficiente los bordes, a que la cara de raíz era demasiado
entre O y 3.2 mm (O y 1/8 pulg). El biselado por ambos lados gruesa, a que la velocidad de soldadura era excesiva o a que
reduce a cerca de la mitad la cantidad de metal de aporte que se no se manipularon correctamente el soplete y la varilla de
requiere, y también se reduce el consumo de gas por unidad de soldadura.
Es fácil determinar si la soldadura es demasiado gruesa o
longitud de soldadura.
La preparación de borde de surco cuadrado es la más fácil de demasiadodelgada. Hay calibradores de soldadura para verificar
hacer. Este borde puede maquinarse, cincelarse, amolarse o si una soldadura tiene un refuerzo excesivo o insuficiente. El
cortarse con oxigeno. No es preciso eliminar la delgada capa de socavamiento o traslapo a los lados de las soldaduras casi
óxido de una superficie de acero cortada con oxigeno porque no siempre puede detectarse por inspección visual.
Aunque otras discontinuidades, como la fusión incompleta,
perjudica la operación de soldadura ni la calidad de la unión. El
la porosidad y el agrietamientopodrian o no ser evidentes desde
ángulo de bisel se puede cortar con oxigeno.
el exterior, el crecimiento excesivo de los granos y la presencia
de puntos duros no se puede determinar visualmente. La fusión
incompleta
puede deberse a un calentamiento insuficiente del
SOLDADURA DE MÚLTIPLES CAPAS
metal base, a un desplazamientodemasiado rápido o a inclusioLASOLDADURA DE multiples capas se usa cuando se desea una nes de gas o suciedad. La porosidad es el resultado del atrapaunión en acero con ductilidad máxima en la condición recién miento de gases, por lo regular monóxido de carbono, que puede
soldada o después de un tratamiento para liberar tensiones, o evitarse con una manipulación más cuidadosa de la flama y el
cuando se requieren varias capas para soldar metal muy grueso. empleo de un fundente adecuado si es necesario. Los puntos
La soldadura de múltiples capas se efectúa depositandometal de duros y el agrietamiento son el resultado de características
aporte en pasadas sucesivas por la unión hasta que ésta se llena. metalúrgicas del soldamento.
Puesto que el área cubierta con cada pasada no es muy amplia,
el charco de soldadura es pequeño. Este procedimiento pennite
al soldador lograr una penetración completa en la unión sin INSPECCIÓN
sobrecalentamiento durante el depósito de las primeras capas.
Al ser pequeño el charco, se controla fácilmente, y el soldador EL TERMINO irzspeccióiz POR io regular implica una inspección
puede evitar los óxidos, las inclusiones de escoria y la fusión formal, prescrita por un código o por los requisitos de un
comprador, que se aplica a las soldaduras y a las estructuras
incompleta con el metal base.
El aumento en la ductilidad del acero depositado se debe al soldadas. Los requisitos minimos de los códigos de soldadura
refinamiento del grano en las capas subyacentes cuando se son infexibles, y deben satisfacerse.
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376
SOLDADURA CON GAS OXICOMBUSTIBLE
SOLDADURA CON OTROS GASES COMBUSTIBLES
PRINCIPIOS DE FUNCIONAMIENTO
Los GASES COMO el propano, el gas natural, el butano el MPS,
el propileno y otros no son apropiados para soldar materiales
ferrosos en virtud de sus características oxidantes. Muchos metales ferrosos y no ferrosos se pueden latonar con estos gases si
se tiene cuidado en el ajuste de la flama y el empleo de fundente.
Estos gases se usan mucho para operacionesde soldadura fuerte
y soldadura blanda tanto manuales como mecanizadas.
Estos gases combustibles tienen tasas de propagación de
flama relativamente bajas. Si se usan puntas de soldadura estándar, la velocidad de flama máxima es tan baja que interfiere de
manera importante con la transferencia de calor de la flama al
trabajo. Las temperaturas de flama más altas se obtienen con
proporciones oxígeno-gascombustiblealtas. Estas proporciones
producen flamas muy oxidantes que impiden soldar de manera
satisfactoria la mayor parte de los metales.
Se debe usar puntas que cuenten con dispositivos de retención
de la flama, como orlas, contrabarrenos y flamas de sustento,
con objeto de lograr velocidades de gas más altas antes de que
éste salga por la punta. Esto posibilita la utilización de estos
gases combustibles en muchas aplicaciones de calentamiento
con una excelente eficiencia de transferencia de calor.
El aire contiene cerca del 80% en volumen de nitrógeno.
Puesto que el nitrógeno no sustenta la combustión, los gases
combustibles quemados con aire producen flamas de temperatura más baja que los quemados con oxígeno. EI contenido total
de calor también es más bajo. La flama de aire-gas combustible
sólo sirve para soldar secciones delgadas de plomo y para
operaciones ligeras de soldadura fuerte y soldadura blanda.
EQUIPO
SEPUEDE USAR ei equipo estándar para oxiacetiieiio con excepción de las puntas para soldar y los reguladores, para distribuir y
quemar estos gases. Es posible obtener reguladores especiales y
puntas especializadas para calentamiento y corte. El gas natural
se suminstrapor tubería; otros gases combustibles se almacenan
en cilindros y se suministran en forma líquida a tanques de
almacenamiento en las instalaciones del usuario, de donde el
equipo de tubería los distribuye a los puntos de uso.
Los sopletes que se emplean con aire-gas combustible generalmente se diseñan de modo que aspiren la cantidad correcta de
aire de la atmósfera para sustentar la combustión. El gas combustible fluye por el soplete con una presión de entrada de 2 a
40 psig y aspira el aire requerido. Para trabajos ligeros, el gas
combusible por lo regular se suministra de un cilindro pequeño
de fácil transporte.
Los oficios de plomería, refrigeración y electricidad emplean
propano en cilindros pequeños para muchas aplicaciones de
calentamiento y soldadura blanda. El propano fluye por el soplete con una presión de entrada de 3 a 60 psig, lo cual alcanza
para aspirar el aire. Los sopletes se emplean para unir por
soldadura blanda conexiones eléctricas y juntas de tuberías de
cobre, y en trabajos ligeros de soldadura fuerte.
Las precauciones de seguridad que se mencionaron en secciones anteriores del capítulo también deben observarse al usar
estos gases combustibles. Los sistemas de almacenamiento y
distribución deben instalarse ajustándose a los códigos nacionales, estatales o locales aplicables.
APLICACIONES
LAMEZCLA AIRE-GAS coinbustible se usa para soldar plomo de
hasta 6.4 min (1/4 pulg) de espesor, pero tal vez el campo de aplicación más grande sea en las industrias de plomería y eléctrica,
en las que se usa mucho para unir tuberías y ductos de cobre por
soldadura blanda.
PRÁCTICAS SEGURAS
NADIEDEBE INTENTAR operar cualquier equipo de gas oxicoiiibustible si no está capacitado en su uso correcto o trabaja bajo
supervisión competente. Es de primordial importancia seguir al
pie de la letra las instrucciones de operación del fabricante y sus
recomendaciones para un uso seguro.
EI oxígeno por sí solo no arde ni explota, pero si sustenta
la combustión. Ei oxígeno a alta presión puede reaccionar
violentamente con aceites, grasas u otros materiales combustibles. Los cilindros, conexiones y todo el demás equipo que
se use con oxígeno debe mantenerse siempre alejado de
aceites, grasas y otros contaminantes. Los cilindros de oxige-
no niinca deben alinacenarse cerca de materiales muy coinbustibles. Nunca debe usarse oxígeno para operar herramientas
neuináticas, arrancar motores de combustión interna, purgar
tuberías, quitar el polvo a la ropa y demás usos potencialinente
peligrosos.
El acetileno es un gas coinbustible y arde con facilidad; por
tanto, debe mantenerse alejado de todas las flarnas abiertas. Las
presiones de los cilindros y los mdtiples de acetileno siempre
deben reducirse mediante reguladores reductores de presión.
Los cilindros siempre deben protegerse contra temperaturas
elevada.
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SOLDADURA CON GAS OXICOMBUSTIBLE
Todos los cilindros de gas deben almacenarse en lugares bien
ventilados, limpios y secos, libres de otros materiales combustibles. Los cilindros deben almacenarse y usarse con el extremo
de la válvula hacia arriba.
Todos los cilindros de gas combustible licuado deben usarse
en posición parada. Si estos cilindros se colocan de costado, es
posible extraer de ellos líquido, en vez de vapor; esto podría
dañar el equipo y producir una flama grande e incontrolable. El
carburo suelto nunca debe tirarse ni permanecer en los pisos
porque absorberá humedad del aire y generará acetileno.
El acetileno en contacto con cobre, mercurio o plata puede
formar acetiluros, sobre todo si hay impurezas presentes. Estos
compuestos son muy explosivos y pueden detonarse con un
choque ligero o por aplicación de calor. No se debe usar en
ningún sistema de acetileno aleaciones que contengan más del
67% de cobre, excepto en las puntas y las boquillas.
Cuando se extrae gas de un cilindro de acetileno que descansa
sobre su costado, se puede extraer acetonajunto con el acetileno,
377
como ya se explicó. Esto puede dañar el equipo o contaminar la
flama, con el consecuente menoscabo de la calidad de la soldadura.
Los cilindros de otros gases combustiblas también están a
presión y deben manejarse con cuidado. Todos ellos deben
almacenarse en lugares limpios, secos y bien ventilados.
Los cilindros de oxígeno refrigerados tienen doble pared,
como las botellas “termo”, con vacío entre la pared interior y la
exterior. Se deben manejar con extremo cuidado a fin de evitar
que se dañen los conductos internos y se pierda vacío. Estos
cilindros siempre deben transportarse y usarse en la posición
parada.
Los cilindros pueden ser un peligro importante si se vuelcan,
y hay que tomar medidas para minimizar esta posibilidad. Si la
válvula del cilindro se rompe de resultas de una caída, el gas que
escape podrá convertir el cilindro en un peligroso proyectil. Es
práctica estándar asegurar los cilindros en un carrito de cilindros
o fijarlos a un soporte rígido.
LISTA DE LECTURAS COMPLEMENTARIAS
Ballis, W. L., et al. “Training of oxyacetylene welding to weld Moen, W. B. y Campbell, J. “Evaluation of fuels and oxidants
for welding and associated processes”, en Welding Journal
mild steel pipe”, en Welding Journal 56(4): 15-19; abril de
34(9): 870-876; septiembre de 1955.
1977.
Fay, R. H. “Heat transfer from fuel gas flames”, en Welding National Fire Protection Association. Gas systems for welding
and cutting, NFPA No. 5 1. Quincy, Massachusetts, National
Journal 46(8): 380s-383s; agosto de 1967.
International Acetylene Association. Oxyacetylene welding and
Fire Protection Association.
its applications. Nueva York, International Acetylene Asso- Postman, B. F. “Safety in installation and use of welding equipment”, Welding Journal 34(4): 337-344; abril de 1955.
ciation, 1958. (Obtained from the Compressed Gas AssociaSosnin, H. A. “Efficiency and economy of the oxyacetyleneprotion).
Koziarski, J. “Hydrogen vs acetylene vs inert gas in welding
cess”, en Welding Journal 61(10): 46-48; octubre de 1982.
aluminum alloys”, en Welding Journal 36(2): 141-148; fe- The National Training Fund for the Sheet Metal and Air Conditioning Industry. Welding book I, 1“ed. Alexandria, Virgibrero de 1957.
nia, The National Training Fund for the Sheet Metal and Air
Kugler, A. N. Oxyacetylene Welding and Oxygen Cutting Instruction Course. Nueva York, Airco, Inc., ed. rev. 1966.
Conditioning Industry, 1979.
Lewis, B. y Von Elbe, G. Conzbustion Flanzes and Explosions Union Carbide Corporation. The oxyacetylene handbook, 2” ed.
Nueva York, Union Carbide Corporation, Linde Div., 1960.
of Gases. Nueva York, Academic Press, Inc., 1961.
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PREPARADO POR UN
COMITÉ INTEGRADO POR:
M.I. Lucas, Presidente
General Electric Corporation
SOLDADURA
FUERTE
R.L. Peaslee
Wall Colmonoy Corporation
MIEMBRO DEL COMITÉ DEL
MANUAL DE SOLDADURA:
M.J. Tomsic
Plastronic, Inc.
Introducción
380
Procesos de soldadura fuerte
381
Metales de aporte para soldadura fuerte
391
Fundentes y atmósferas
396
Aplicaciones
396
Diseño de las uniones
401
Procedimientos de soldadura fuerte
409
Inspección
41 1
Localización de problemas
41 3
Latonado
414
Prácticas seguras para soldadura fuerte
41 7
Lista de lecturas complemeniarias
421
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SOLDADURA
FUERTE
INTRODUCCIÓN
APLICACIONES
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DEFINICIÓN Y DESCRIPCIÓN GENERAL
LASOLDADURA FUERTE une materiaies calentándolosen presen- ELPROCESO DE soldadura fuerte se usa para unir diversos matecia de un metal de aporte que tiene un cambio a fase liquida riales con numerosos propósitos. Si se emplea un diseño de
(liquidus) por encima de 450°C (840OF) pero por debajo del unión adecuado, ia soldadura resultante puede funcionar mejor
cambio a fase sólida (solidus) de los metales base. EI caleiita- que los metales base que se unieron. En muchos casos conviene
miento puede proveerse de muy diversas maneras. El metal de unir diferentes materiales a fin de obtener el beneficio máximo
aporte se distribuye entre las superficies de la unión, que embo- de ambos y producir una unión óptima desde el punto de vista
nan íntimamente, por acción capilar. La soldadura fuerte difiere de la efectividad de costos o de peso. Las aplicaciones de la
de la soldadurablanda en que los metales de aporte de esta última soldadura fuerte abarcan todas las áreas de fabricación, desde
juguetes baratos hasta motores de aviones de la más alta calidad
tienen un liquidus por debajo de 450°C (840°F).
La soldadura fuerte con metales de aporte de aleación de plata y vehiculos aeroespaciales. Se usa la soldadura fuerte porque
se conoce también como soldadura blanda de plata, un ténnino puede producir resultados que no siempre pueden obtenerse con
no preferido. Los metales de aporte de plata para soldadura otros procesos de unión. Las ventajas de la soldadura fuerte para
fuerte no son soldaduras blandas; tienen temperaturas de liqui- la unión de componentes incliiyen lo siguiente:
dus por encima de 450°C.
La soldadura fuerte no incluye el proceso conocido como
(1) Es económica para ensambles complejos.
latonado. EI latonado es un método para soldar con un metal de
(2) Es una forma sencilla de unir áreas de empalme grandes.
aporte de soldadura fuerte en el cual dicho metal de aporte se
(3) La distribución de esfuerzos y térmica es excelente.
funde y deposita en surcos y filetes exactamente en los puntos
(4) Conserva los recubrimientos y revestimientos.
en que se va a usar. La acción capilar no es un factor en ia
(5) Puede unir materiales disímiles.
distribución del metal de aporte; de hecho, durante el latonado
(6) Permite unir metales y no metales.
puede haber una fusión limitada del metal base. El latonado se
(7) Puede unir espesores muy diferentes.
describirá con mayor detalle en una sección posterior.
(8) Pennite unir piezas de precisión.
La soldadura fuerte debe satisfacer tres criterios:
(9) Las uniones requieren poco o ningún acabado.
(10) Se pueden unir.muchaspiezas al mismo tiempo (proce(1) Las piezas deben unirse sin fusión de los metales base.
samiento por lotes).
(2) El metal de aporte debe tener una temperatura de Iiquidos
mayor que 450°C (840°F).
A lo largo de este capitulo, se ilustrará mediante ejemplos
(3) EI metal de aporte debe mojar las superficiesdel metal base cuándo debe optarse por la soldadura fuerte, cómo debe diseñary penetrar en la unión o mantenerse en ella por acción capilar.
se ia unión y cómo seleccionar los materiales de soldadura fuerte
Para lograr una buena unión empleando cualquiera de los idóneos para la aplicación individual.
diversos procesos de soldadura fuerte que se describirán en el
presente capítulo, las piezas deberán limpiarse bien y protegerse VENTAJAS Y DESVENTAJAS DEL PROCESO
con fundente o una atmósfera inerte durante el proceso de
calentamiento para evitar una oxidación excesiva. Las piezas AL IGUAL QUE cualquier proceso de unión, la soldadura fuerte
deben diseñarse de modo que cuando estén correctamente ali- tiene tanto ventajas como desventajas. Las ventajas varían con
neadas provean un capilar para el metal de aporte, y se debe el método de calentamiento empleado, pero en general ia soldaescoger un proceso de calentamiento que mantenga la teinpera- dura fuerte resulta muy económica cuando se realiza en lotes
tura de soldadura fuerte apropiada y distribuya debidamente el grandes. Un beneficio importante de la soldadura fuerte es la
capacidad de desensainblar las uniones posteriormente. Tamcalor.
SOLDADURA FUERTE
PR INCIPIOS DE FUNCIONAMIENTO
ELFLNJOCAPILAR
es el principio físico dominante que garantiza
una buena unión por soldadura fuerte en todos los casos en que
el metal de aporte fundido moja ambas superficies de empalme.
La unión deberá espaciarse de modo que permita una acción
capilar eficiente y ia resultante coalescencia. En términos más
específicos, la capilaridad es un resultado de la tensión superficial entre el o los metales base y el metal de aporte, protegido
por un fundente o una atmósfera, y promovido por el ángulo de
contacto entre el metal base y el metal de aporte. En la práctica,
en el flujo del metal de aporte de soldadura fuerte influyen
consideraciones dinámicas que atañen ia fluidez, ia viscosidad,
ia presión de vapor, la gravedad y sobre todo los efectos de las
reacciones metalúrgicas entre el metal de aporte y el metal base.
La unión de soldadura fuerte típica tiene un área relativamente grande y una separación muy angosta. En la aplicación d e
soldadura fuerte más simple, las superficies que se van a unir
se limpian para eliminar contaminantes y óxidos, y luego se
recubren con fundente. Un fundente es un material capaz d e
disolver los óxidos metálicos sólidos y además evitar una nueva
oxidación. En seguida se calienta el área de la unión hasta que
el fundente se derrite y limpia los metales base, mismos que
quedan protegidos contra una oxidación adicional por la capa
de fundente líquido.
En seguida, el metal de aporte se funde en algún punto de la
superficie del área de unión. La atracción capilar entre el metal
base y el metal de aporte es mucho mayor que aquella entre el
metal base y el fundente; por tanto, el metal de aporte desplaza
al fundente. Al enfriarse la unión hasta la temperatura ambiente,
quedará llena de metal de aporte sólido, y el fundente solidificado se encontrará en la periferia de la unión.
Las uniones que se van a soldar en fuerte por lo regular s e
preparan con separaciones de 0.025 a 0.25 mm (0.001 a 0.01
pulg); por ello, ia fluidez de metal de aporte es un factor
importante. Una fluidez elevada es una característica deseable
en los metales de aporte para soldadura fuerte, ya que ia acción
capilar podría ser insuficiente para atraer un metal de aporte
viscoso a una unión que embona íntimamente.
En ocasiones, ia soldadura fuerte se realiza mediante el uso
de un gas activo como el hidrógeno, un gas inerte o vacío. La
soldadura fuerte con atmósfera elimina ia necesidad de una
limpieza posterior y asegura la ausencia de un residuo corrosivo
de fundente minerai. Los aceros ai carbono, los aceros inoxidables y los componentes de superaleacionesse procesan ampliamente en atmósferas de gases reaccionados, hidrógeno seco,
amoniaco disociado, argón o vacío. Se emplean grandes homos
al vacío para soldar en fuerte zirconio, titanio, aceros inoxidables
y los metales refractarios. Si se emplean buenos procedimientos
de procesamiento, también es posible soldar en fuerte en homo
al vacío aleaciones de aluminio, con excelentes resultados.
La soldadura fuerte resulta económicamenteatractiva para la
producción de uniones metalúrgicasde alta resistencia mecánica
en ias que se conservan las propiedades deseablesdel metal base.
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bién permite unir metales disímiles sin fundir íos metales base
como se hace con otros métodos de unión. En muchos casos es
posible unir varios cientos de piezas con muchos metros de
uniones para soldadura fuerte en una sola operación. Si se utiliza
una atmósfera protectora, las piezas se mantienen limpias y es
factible utilizar el ciclo de tratamiento térmico como parte del
cicio de soldadura fuerte.
Puesto que el proceso de soldadura fuerte emplea un metal
fundido que fluye entre íos materiales que se van a unir, existe
la posibilidad de interacciones con el metal líquido que sean
desfavorables. Dependiendo de ias combinacionesde materiales
en cuestión y del espesor de las láminas base, puede o no haber
erosión del metal base. En muchos casos, la erosión puede tener
poca importancia, pero al soldar en fuerte materiales muy
cargados o delgados la erosión puede debilitar la unión y
hacerla inapropiada para la aplicación propuesta. Además, la
formación de fases quebradizas intermetálicas o de otro tipo
puede hacer que la unión resultante tenga una ductilidad
inaceptablemente baja.
Una desventaja de algunos de los procesos de soldadura
fuerte manual es que se requieren técnicos altamente capacitados para realizar la operación. Esto es cierto sobre todo para la
soldadura fuerte con soplete de gas cuando se emplea un metal
de aporte de alto punto de fusión.
Pese a lo anterior, si el diseño de las uniones, el metal de
aporte y el proceso elegido son los adecuados, será posible
desarrollar una técnica de soldadura fuerte satisfactoria para la
mayor parte de las aplicaciones en las que no es factible unir los
materiales mediante un proceso de soldadura por fusión en
virtud de consideracioneseconómicas o de resistencia mecánica.
381
PROCESOS DE SOLDADURA FUERTE
SE ACOSTUMBRA DESIGNAR los procesos de soldadura fuerte de
acuerdo con las fuentes o los métodos de calentamiento. Los
métodos que actualmente gozan de importancia industrial son
los siguientes:
(1) Soldadura fuerte con soplete.
(2) Soldadura fuerte en homo.
(3) Soldadura fuerte por inducción.
(4) Soldadura fuerte por resistencia.
(5) Soldadura fuerte por inmersión.
(6) Soldadura fuerte al infrarrojo.
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Sea cual sea el proceso empleado, el metal de aporte tendrá un
punto de fusión por encima de los 45OOC ( 8 4 O O F ) pero menor
que el del metal base, y se extenderá dentro de la unión por
acción capilar.
SOLDADURA FUERTE CON SOPLETE
LA SOLDADURA FUERTE con soplete se lleva a cabo calentando
con uno o más sopletes de gas.' Dependiendo de la temperatura
1. EI capitulo 11 contiene información sobre los sopletes de gas que se usan para
soldadura autógenay soldadura fuerte.
Not for Resale
382
SOLDADURA FUERTE
y de la cantidad de calor requerida, el gas combustible(acetileno,
propano, gas municipal, etc.) se puede quemar con aire, aire
comprimido u oxígeno. La soldadura fuerte manual con soplete
se ilustra en la figura 12.1.
Los sopletes de aire-gas natural son los que producen la
temperatura de flama más baja y también el mínimo de calor. El
acetileno a presión se usa en el soplete de aire-acetileno con aire
a presión atmosférica. Se pueden usar con provecho tanto sopletes de aire-gas natural como de aire-acetileno para soldar piezas
pequeñas y secciones delg-d
a as.
Los sopletes que usan oxígeno y gas natural u otros gases de
cilindro (propano, butano) tienen temperaturas de flama más
altas. Si se aplican con una flama neutral o levemente reductora,
es posible obtener excelentes resultados en muchas aplicaciones
de soldadura fuerte.
Los sopletes de oxihidrógeno se usan mucho para la soldadura fuerte de aluminio y aleaciones no ferrosas. Lo bajo de la
temperatura reduce ia posibilidad de sobrecalentar el ensamble
durante la soldadura fuerte. Un exceso de hidrógeno ayuda a
limpiar y proteger la unión.
Se pueden usar con provecho sopletes de diseño especial con
múltiples puntas o múltiples flamas a fin de incrementar la tasa
de aporte de calor. Hay que evitar el sobrecalentamiento local
teniendo cuidado de mover constantemente el soplete sobre el
trabajo.
Para la soldadura fuerte manual con soplete, éste puede
equiparse con una sola punta, que puede ser de una o varias
flamas. La soldadura fuerte manual con soplete resulta especialmente útil para unir ensambles con secciones de masa desigual.
Es posible configurar operaciones mecanizadas, si la tasa de
producción lo justifica, empleandouno o más sopletes equipados
con puntas de una o varias flamas. La máquina puede diseñarse
de modo que mueva el trabajo o bien los sopletes, o ambas cosas.
Si se emplean flamas de gas municipal y aire premezclados, se
utiliza un mechero del tipo refractario.
El calentamientocon soplete para soldadura fuerte sólo puede
usarse con metales de aporte acompañados de fundente o con
autofundente. Esta lista incluye aluminio-silicio, plata, cobrefósforo, cobre-cinc y níquel. Con excepción de los metales de
aporte de cobre-fósforo, todos requieren fundente. En ciertas
aplicaciones incluso los metales de aporte de cobre-fósforo
autofundentes requieren fundente adicional, como se indica en
ia tabla 12.1.
El metal de aporte puede colocarse previamente en la unión
y cubrirse con fundente antes del calentamiento, o alimentarse
en el punto de aplicación de la flama. Primero se aplica calor a
la unión y se derrite el fundente, seguido por el metal de aporte
que entonces fluye al interior de la unión. Es preciso evitar el
sobrecalentamientodel metal base y dei metal de aporte, ya que
este último podría difundirse con rapidez y salir de la unión bajo
la acción de ia gravedad. El gas natural es adecuado para ia
soldadura fuerte con soplete porque la temperatura relativamente baja de su flama reduce el peligro de sobrecalentamiento.
El metal de aporte para soldadura fuerte puede colocarse
previamente en la unión en forma de anillos, rondanas, tiras,
cilindros o polvos, o puede alimentarse a mano, generalmente
en fonna de alambre o varilla. En todos los casos, la limpieza y
el uso del fundente correcto son esenciales.
Las técnicas de soldadura fuerte con soplete difieren de las
que se usan en la soldadura con gas oxicoinbustible. Los operadores que sólo tienen experiencia con la soldadura autógena tal
vez requieran capacitación en técnicas de soidadura fuerte. Por
ejemplo, es práctica recomendable evitar que el cono interior de
la flama entre en contacto con la unión excepto durante el
precalentamiento, ya que la fusión del metal base y la dilución
del metal de aporte puede elevar la temperatura de cambio a fase
líquida (liquidus) y hacer más viscoso el flujo. Además, existe
la posibilidad de sobrecalentar el fundente y nulificar su capacidad para promover el flujo capilar, y de que se evaporen algunos
constituyentes de bajo punto de fusión del metal de aporte.
SOLDADURA FUERTE EN HORNO
Figura 12.1-Soldadura fuerte manual con soplete
LASOLDADURAFUERTE en homo, que se ilustra en la figura 12.2,
se usa mucho cuando ( I ) las piezas que se van a soldar pueden
preensainblarse o sostenerse en la posición correcta por medio
de guías, (2) el metal de aporte puede colocarse en contacto con
la unión, (3) se van a formar simultáneamentevarias uniones por
soldadura fuerte, (4) se van a unir muchos ensambles similares
y (5) hay necesidad de calentar de manera uniforme piezas
complejas a fin de evitar la distorsión que resultaría de un
Calentamiento local dei área de unión.
Se recomienda usar para soldadura fuerte homos eléctricos,
de gas o de petróleo con un control automático capaz de mantener la temperatura con una variación máxima de ?60°C (? 10°F).
Es preciso incluir fundentes o atmósferas especialmentecontroladas que realicen las funciones de los fundentes.
Las piezas que se van a soldar se deben eiisamblar con el metal de aporte -y el fundente, si se usa- colocado dentro de la
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SOLDADURA FUERTE
~~~
~
~~
383
~~~~
Tabla 12.1
Clasificación de fundentes para soldadura fuerte con metales de aporte para
soldadura fuerte o latonado
Clasificación'
Forma
FB1-A
FB1-B
FB1-C
FB2-A
FB3-A
FB3-C
FB3-D
FB3-E
FB3F
FB3G
FB3-H
FB3-I
FB3-J
FB3-K
FB4-A
Polvo
Polvo
Polvo
Polvo
Pasta
Pasta
Pasta
Líquido
Polvo
Suspensión
Suspensión
Suspensión
Polvo
Líquido
Pasta
Tipo de metal de aporte
BalSi
BalSi
BalSi
BMg
BAg y BCuP
BAg y BCuP
BAg, BCu, BNi, BAU,y RBCuZn
BAg y BCuP
BAg y BCuP
BAg y BCuP
BAg
BAg, BCU, BNi, BAU, y RBCuZn
BAg, BCU, BNi, BAU, y RBCuZn
BAg y RBCuZn
BAg y BCuP
Intervalode
temperaturas
de actividad
OF
OC
1080-1140
1040-1140
1000-1140
900-1150
1050-1600
1050-1700
1400-2200
1050-1600
1200-1600
1050-1600
1050-1700
1400-2200
1400-2200
1400-2200
1100-1600
580-615
560-615
540-615
480-620
565-870
565-925
760-1205
565-870
650-870
565-870
565-925
760-1205
760-1205
760-1205
595-870
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EI fundente 38 que apareciaen la terceraedición del Manual de soldadurafuerte, 1976, ha sido descontinuado.
EI tipo 38 se ha dividido en los tipos FB3C y FB3D.
Nota: La selección de una designación de fundente para un tipo especifico de trabajo se puede basar en la
forma, el tipo de metal de aporte y la descripción de esta tabla, pero la información aquí presentadageneralmente
no basta para seleccionar el fundente correcto. Si desea mayor información, consulte la edición más reciente
del Manual de soldadura fuerte.
unión o junto a ella. EI metal de aporte precolocado puede venir
en forma de alambre, papel metálico, limaduras, cilindros, polvo, pasta o cinta. EI ensamble se calienta en el homo hasta que
las piezas alcanzan la temperatura de soldadura fuerte y se
efectúa la unión. A continuación se retira el ensamble. Los pasos
del proceso se muestran en la figura 12.2. Existen muchos
fundentes comerciales para operaciones de soldadura fuerte
tanto generales como específicas. Se obtienen resultados satisfactorios si se rocía fundente seco en polvo a lo largo de la unión.
En la mayor parte de los casos la pasta de fundente es adecuada,
pero en algunos retarda el flujo de la aleación de aporte. Las
pastas de fundente que contienen agua se pueden secar calentando el ensamble a 175 o 200°C (350 o 400°F) durante 5 a 15
minutos en estufas de secado u homos con circulación de aire.
El tiempo de soldadura dependerá hasta cierto punto del
espesor de las piezas y de la masa de las fijaciones que se
necesiten para posicionarlas. EI tiempo de soldadura deberá ser
el mínimo necesario para que el inetal de aporte fluya al interior
de la unión, a fin de evitar una interacción excesiva entre el metal
de aporte y el metal base. Normalmente bastan uno o dos
minutos a la temperatura de soldadura fuerte para fonnar la
unión. Un tiempo inás largo a la temperatura de soldadura fuerte
puede resultar benéfico en los casos en que es preciso elevar el
punto de refusión del metal de aporte, o en los que la difusión
mejora la ductilidad y la resistencia mecánica de la unión. Es
frecuente usar tiempos a la temperatura de soldadura fuerte de
30 a 60 minutos cuando se desea elevar el punto de refusión de
la unión soldada.
Los homos que se emplean para soldadura fuerte se clasifican
como ( I ) de lotes, ya sea con aire o atmósfera controlada, ( 2 )
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continuos, ya sea con aire o atmósfera controlada, (3) de retorta
con atmósfera controlada o (4)de vacío. En la figura 12.3 se
muestra un homo para soldadura fuerte a alta temperatura y alto
vacío, con tablero de control y carro de carga. Casi todos los
homos para soldadura fuerte cuentan con un control de temperatura del tipo de potenciómetro conectado a termopares y válvulas
de control de gas o contactores. La mayor parte de los hornos se
calienta por resistencia eléctrica empleando elementos de calefacción de carburo de silicio, níquel-cromo o un metal refractano (Mo,
Ta, W). Si se usa una flama de gas o petróleo para calentar, la flama
no debe incidir directamente sobre las piezas.
En los homos de atmósfera controlada se debe mantener un
flujo continuo del gas protector en la zona de trabajo a fin de
evitar la contaminación por los gases que pudieran generarse por
desgasificación de las piezas metálicas o disociación de los
óxidos. Si la atmósfera controlada es inflamable o tóxica, se
requerirá una ventilación adecuada del área de trabajo y protección contra explosiones.
Los homos del tipo de lotes calientan cada carga de trabajo
individualmente. Pueden ser del tipo de carga por arriba (tipo de
foso), de carga lateral o de carga por abajo. Si el homo desciende
sobre el trabajo, recibe el nombre de horno de canzpana. Los
homos por lotes que usan flamas de gas o petróleo para calentar
y que no tienen retortas requieren la aplicación de fundente a las
piezas por soldar. Los homos por lotes de calefacción eléctrica
a inenudo están equipados para soldadura fuerte con atmósfera
controlada, ya que los elementos de calentamiento por lo regular
pueden funcionar en la atmósfera controlada.
Los homos continuos reciben un flujo constante de ensambles por soldar. La fuente de calor puede consistir en flamas de
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384
SOLDADURA FUERTE
Figura 12.2-Ilustración de una operación de soldadura fuerte en horno
gas o petróleo, o en elementos de calefacción eléctricos. Las
piezas atraviesan el homo ya sea individualmente, en bandejas
o canastas. Con frecuencia se usan homos continuos con banda
transportadora (de malla de alambre o de rodillos), de obra vibratoria, de empujador o de ranura para soldadura fuerte de alta producción.Los homos continuos por lo regular cuentan con un área
de precalentamiento o de purgado en la que entran primero ias
piezas. En esta área, las piezas se llevan lentamente a una temperatura por debajo de la temperatura de soldadura fuerte. Si se usa
atmósfera protectora en la zona de soldadura fuerte, también
fluye sobre las partes y alrededor de ellas en la zona de precalentamiento,bajo presión positiva. El flujo de gas elimina el aire
atrapado e inicia la reducción de los óxidos superficiales. Cuando
llegan a la zona de enfriamiento, las piezas arrastran una estela
de gas protector.
Los homos tipo retorta son homos de lotes en los que los
ensambles se colocan en una retorta sellada para soldarlos. EI
aire de la retorta se purga con gas de atmósfera controlada y la
retorta se coloca en el homo. Una vez soldadas las piezas, la retorta se saca del homo, se enfría y se purga de atmósfera controlada. A continuación se abre la retorta y se sacan los ensambles
soldados. En ocasiones se emplea una atmósfera protectora
dentro de los homos de alta temperatura para reducir ias incrustaciones extemas en las retortas.
La soldadura fuerte en homo al vacío se utiliza mucho en los
campos aeroespacial y nuclear, cuando se unen metales reactivos o cuando el atrapamiento de fundente sería intolerable. Si el
vacío se mantiene con bombeo continuo, eliminará los constituyentes volátiles que se liberen durante la soldadura.
Ei equipo ai vacío se está empleando mucho para soldar en
fuerte aceros inoxidables, superaleaciones,aleaciones de alumnio, aleaciones de titanio y metales que contienen elementos
refractarios o reactivos. El vacío es una ?atmósfera? relativamente económica que evita la oxidación al eliminar el aire dei
entorno del ensamble. De todos modos se requiere limpieza
superficial para que el metal de aporte moje y fluya como es
debido. Los metales base que contienen cromo y silicio se
pueden soldar en fuerte al vacío. Los metales base que por lo
general sólo pueden soldarse al vacío son los que contienen
proporciones apreciables de aluminio, titanio, zirconio u otros
elementos con óxidos particulamente estables. Con todo, es
preferible usar una barrera chapeada de níquel para obtener una
calidad óptima.
Los homos para soldadura fuerte al vacío son de tres tipos:
(1) Retorta caliente, u horno de retorta de bombeado Único.
Se trata de una retorta sellada, por io regular de metal bastante
grueso. La retorta con el trabajo adentro se sella, evacua y calienta por el exterior con un homo. Casi todos los trabajos de
soldadura fuerte requieren un bombeo continuo durante todo el
cicio de calentamiento a fin de eliminar todos los gases despedidos por la carga de trabajo. Los homos son de flama de gas o
eléctricos. EI tamaño de la retorta y su temperatura de operación
máxima están limitados por la capacidad de la retorta para
resistir la fuerza de colapso de ia presión atmosférica a la
temperatura de soldadura fuerte. La temperatura máxima para
los homos de soldadura fuerte de este tipo es del orden de 1150°C
(2 100°F).
A menudo se introduce argón, nitrógeno u otro gas a la retorta
a fin de acelerar el enfriamiento después de soldar.
(2) Retorta caliente de bombeo doble o de doble pared. El
homo típico de este tipo tiene una retorta intema que contiene
el trabajo, dentro de una pared exterior o cámara de vacío.
También dentro de la pared exterior se encuentran el aislamiento
térmico y los elementos de calentamiento eléctricos. En esta
zona (dentro de la pared exterior) se mantiene una presión más
o menos reducida, por lo regular de 1.O a O. 1 torr (133 a 13.3 Pa),
y una presión mucho más baja por debajo de
torr (1.3 Pa)dentro de la retorta intema. Una vez más, casi siempre se requiere un bombeo de vacío continuo de la retorta intema durante todo
el ciclo de calentamiento a fin de eliminar los gases despedidos
por la carga de trabajo.
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SOLDADURA FUERTE
Figura 12.3-Horno para soldadura fuerte de alta temperatura y alto vacío
con tablero de control y carro para carga
En este tipo de homo, los elementos de calefacción y el
aislainiento ténnico no se someten al alto vacío. Los elementos
de calentamiento suelen ser de una aleación níquel-cromo, de
grafito, de acero inoxidable o de carburo de silicio. EI aislainiento témiico por lo regular consiste en tabiques de silica o alúmina,
o de materiales colables o fibrosos.
(3) Horno al vacío de pored fría. Un homo al vacío de pared
fría típico tiene una sola cámara de vacío, con el aislamiento
ténnico y los elementos eléctricos de calefacción situados dentro
de la cáinara, la cual por lo regular cuenta con enfriamiento por
agua. La temperatura máxinia de operación está detenniriada por
los materiales que se emplean para el aislamiento ténriico (el
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escudo de calor) y los elementos de calefacción, que se someten
al alto vacío y a la temperatura de operación de la cámara.
Los eleinentos de calentamiento para los hornos de pared fria
suelen ser de materiales de muy alto punto de fusión con presión
de vapor baja, como el molibdeno, tungsteno, grafito o tantalio.
Los escudos de calor por lo regular se fabrican con múltiples
capas de inolibdeno, taritalio, níquel o acero inoxidable. El
aislamiento térmico puede consistir en tabiques de alúmina de
alta pureza, grafito o fibras de alúiniiia forradas de acero inoxidable. La temperatura de operación máxima y el vacío que
pueden obteiierse con los homos de pared fría dependen del
material de los elementos de calefacción y del aislamiento
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386 S O L D A D U R A F U E R T E
térmico o de los escudos de calor. Es posible alcanzar temperaturas de hasta 2200°C (4000°F) y presiones tan bajas como
torr (1.33 x
Pa).
Los tres tipos de homos tienen configuracionesque incluyen
las de carga lateral (horizontal), de carga por abajo y de carga
por amba (tipo foso). Las zonas de trabajo por lo regular son
rectangulares en el caso de los homos de carga lateral y circulares para los de carga por abajo o por amba.
Las bombas de vacío para los homos de soldadura fuerte
pueden ser del tipo mecánico con sello de aceite para presiones
de 0.1 a 10 torr (1.3 a 1300 Pa). La soldadura fuerte de metales
base que contienen cromo, silicio u otros materiales que forman
óxidos resistentes por lo regular requieren presiones de
a
torr (1.3 a 0.13 Pa) que se obtienen de preferencia con una
bomba Roots seca de alta velocidad o de tipo turbomecánico.
Las bombas de vacio de este tipo no pueden trabajar con escape
directo a la atmósfera y requieren una bomba de prevacío.
Para la soldadura fuerte de materiales base que contienen
proporciones apreciables de aluminio, titanio o zirconio, los
cuales forman óxidos muy estables, se necesita vacío de
torr
(O. 13 Pa) o menos. Los homos al vacío para tales trabajos por lo
regular requieren una bomba de difusión capaz de alcanzar
presiones de
a
torr (1.3 a 0.0001 Pa). La bomba de
difusión debe estar respaldada por una bomba de vacío mecánica
o por una bomba tipo Roots respaldada a su vez por una bomba
mecánica.
SOLDADURA FUERTE POR INDUCCIÓN
TUBOS DE ACERO
INOXIDABLE
INOXIDABLE
Figura 12.4-Unión en tubos de acero inoxidable hecha
mediante soldadura fuerte por inducción en una
atmósfera controlada. Obsérvese la colocación de la
unión en la bobina de inducción
EL CALOR
PARA soldar por este proceso se obtiene de una
comente eléctrica inducida en las piezas que se van a unir; de
ahí el nombre de soldadura fuertepor inducción. En este tipo de
soldadura fuerte, las piezas se colocan dentro o cerca de una
bobina enfriada por agua que transporta comente alterna. Las
piezas por calentar no forman parte del circuito eléctrico, sino
que actúan como secundario en cortocircuito de un transformador del cual la bobina de trabajo, que está conectada a la fuente
de potencia, es el primario. Tanto en las piezas magnéticas como
en las no magnéticas, el calentamiento se debe a la resistencia
de las piezas a las corrientes que la acción de transformador
induce en ellas (véase la figura 12.4).
EI metal de aporte de soldadura fuerte se coloca previamente
en la unión. Se requiere un diseño cuidadoso de la unión y de la
configuración de la bobina para asegurar que las superficies de
todos los miembros de la unión alcancen la temperatura de soldadura fuerte al mismo tiempo. Se utiliza fundente excepto cuando
se introduce una atmósfera especial que desempeña la misma
función.
Las frecuencias para la soldadura fuerte por inducción generalmente varían entre 10 y 450 kHz. Las frecuencias más bajas
se obtienen con generadores de estado sólido, y las más altas,
con osciladores de tubos de vacío. Los generadores de inducción
se fabrican con capacidades desde un kilowatt hasta varios
cientos de kilowatts de salida. Los diversos disefios de bobinas
de inducción se ilustran en la figura 12.5. Un generador puede
usarse para energizar varias estaciones de trabajo individuales
en secuencia, empleando un interruptor de transferencia, o bien
los ensambles retenidos con fijaciones se pueden indizar o
procesar secuencialmente por una bobina tipo transportador y
así calentarse hasta la temperatura de soldadura fuerte.
La soldadura fuerte por inducción se emplea cuando se requiere un calentamiento muy rápido. El tiempo de procesamiento por lo regular es del orden de segundos cuando se manejan
grandes cantidades de piezas en forma automática. Este tipo de
soldadura fuerte se ha utilizado ampliamente para fabricar productos industriales y de consumo; ensambles estructurales; productos eléctricos y electrónicos; herramientas de minería, máquinas herramienta y herramientas manuales; equipo militar y
armamentos, y ensambles aeroespaciales. En la figura 12.6 se
muestra una aplicación aeroespacial de la soldadura fuerte por
inducción al vacio.
Los ensambles se pueden unir mediante soldadura fuerte por
inducción en una atmósfera controlada colocando los componentes y la bobina en una cámara no metálica, o colocando la
cámara y el trabajo dentro de la bobina. La cámara puede ser de
cuarzo Vycor o de vidrio templado. En la figura 12.7 se muestra
una fijación de campana de cristal de dos estaciones de este tipo.
SOLDADURA FUERTE POR RESISTENCIA
ELCALOR NECESARIO para la soldadura fuerte por resistencia se
obtiene del flujo de una corriente eléctrica a través de los
electrodos y de la unión que se va a soldar. Las piezas que forman
la unión se convierten en parte del circuito eléctrico. El metal de
aporte de soldadura fuerte, en alguna f o m a que resulte conveniente, se coloca previamente en la unión o se alimenta durante
la soldadura. La aplicación de fundente se hace con la debida
consideración de la conductividad de los fundentes. (La mayor
parte de los fundentes son aislantes cuando están secos.) Se
utiliza fundente siempre que no se introduzca especificamente
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SOLDADURA FUERTE
DISCO
387
INTERNA
BOBINA
EXTERNA
ANILLO DE ALEACIÓN
DE SOLDADURAFUERTE
SOLDADURA
SOLDADURA
FUERTE
RECTANGULAR
MOLDEADA
ESPIRAL-HELICOIDAL
Fiaura 12.5-Bobinas v dacas titicas Dara soldadura fuerte Dor inducción
una atmósfera que realice la misma función. Las partes por
soldar se sostienen entre dos electrodos y se aplica una presión
y una corriente adecuadas. La presión deberá mantenerse hasta
que la unión se haya solidificado. En algunos casos, ambos
electrodos pueden estar en el mismo lado de la unión, con un
respaldo apropiado que mantenga la presión necesaria.
El metal de aporte de soldadura fuerte se aplica previamente
en forma de alambre, calzas, rondanas, anillo, polvo o pasta. En
unos cuantos casos es posible la alimentación durante la soldadura. En el caso del cobre y sus aleaciones, los metales de aporte
de cobre-fósforoson los más satisfactorios, ya que son autofundentes. Es factible usar metales de aporte con base de plata, pero
se requerirá un fundente o una atmósfera protectora. Los fundentes húmedos por lo regular se aplican en forma de una mezcla
muy aguada justo antes de colocar el ensamble en la fijación para
soldadura fuerte. No se usan fundentes secos porque son aislantes y no permiten el paso de suficiente comente.
Las piezas por soldar deben estar limpias. Ellas, junto con el
metal de aporte y el fundente, se ensamblan y colocan en la
fijación, y se aplica presion. Conforme fluye la corriente, los
electrodos se calientan, a menudo hasta la incandescencia, y el
fundente y el metal de aporte se derriten y fluyen. La corriente
deberá ajustarse a un nivel tal que se logre un calentamiento rápido y uniforme de las piezas. Si hay sobrecalentamientose corre
el riesgo de oxidar o fundir el trabajo, y los electrodos se deteriorarán. Si la corriente es muy baja, se prolongará el tiempo de
soldadura. La mejor combinación de calentamiento rápido con
una vida útil razonablemente larga de los electrodos se detennina experimentandocon diferentes composiciones de electrodos,
geometrías y voltajes.
El enfriamientorápido desde una temperatura elevada (extim
ción) de las piezas facilitará la eliminación del fundente. EI ensamble soldado primero deberá enfriarse lo suficiente para que
la soldadura fuerte pueda mantener unidas las piezas. Si se sueldan conductores con aislante, puede ser aconsejable extinguir
rápidamente las piezas mientras están todavía en los electrodos
a fin de evitar el sobrecalentamientodel aislante adyacente. Las
abrazaderas enfriadas por agua evitan los daños al aislante.
La soldadura fuerte por resistencia tiene aplicación sobre
todo en uniones que tienen una configuración relativamente
simple. Es difícil lograr una distribución uniforme de la corriente, y por tanto un calentamiento uniforme, si el área que se va a
soldar es grande o discontinua, o desporporcionada en una dimensión. Las piezas por soldar deben diseñarse de modo que sea
posible aplicarles presión a la temperatura de soldadura fuerte
sin distorsionarlas. Siempre que sea posible, las piezas deberán
diseñarse de modo que una anide en la otra, ya que esto elimina
la necesidad de elementos dimensionalesen las fijaciones. También es recomendableque las piezas puedan moverse libremente
conforme el metal de aporte se funda y penetre en la unión.
El equipo consiste en tenazas o abrazaderas con los electrodos sujetos en el extremo de cada brazo. De preferencia, las
tenazas deberán estar enfriadas por agua, a fin de evitar el
sobrecalentamiento.Los brazos son conductores portadores de
corriente que se conectan mediante cables a un transformador.
Una fuente de corriente común para soldadura fuerte por
resistencia es un transformador reductor cuyo circuito secundario puede proporcionar suficiente corriente a un voltaje bajo (2
a 25 V). La corriente variará entre 50 A en el caso de trabajos
pequeños y delicados hasta varios miles de amperes para trabajos más grandes. El equipo para soldadura fuerte de resistencia
está disponible comercialmente.
Los electrodos para soldadura fuerte por resistencia se fabrican con conductores eléctricos de alta resistencia, como los bloques de grafito o de carbón, las varillas de tungsteno o molibdeno, o incluso acero en algunos casos. El calor para la soldadura
fuerte se genera principalmente en los electrodos y fluye hacia
el trabajo por conducción. En general no resulta satisfactorio
usar la resistencia de las piezas de trabajo como única fuente de
calor.
La presión aplicada con una máquina para soldadura de
puntos, prensas, pinzas u otro mecanismo debe ser suficiente
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388
SOLDADURA FUERTE
Figura 12.6-Ejemplo de soldadura fuerte por inducción al vacío. Se está uniendo una base de desgaste a un aspa
de compresor de titanio
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SOLDADURA FUERTE
389
Método de baño de metal fundido
ESTEMÉTODO POR lo regular está limitado a la soldadura fuerte
de ensambles pequeños, como las conexiones de alambres o tiras
metálicas. Un crisol, generalmente de grafito, se calienta externamente hasta la temperatura requerida para mantener el metal
de aporte de soldadura fuerte en estado fluido. Una capa de
fundente cubre el metal de aporte fundido. El tamaño del baño
fundido (crisol) y el método de calentamiento deben ser tales
que la inmersión de las piezas en el baño no baje la temperatura
de este último por debajo de la temperatura de soldadura fuerte.
Las piezas deberán estar limpias y protegidas con fundente antes
de introducirse en el baño. Los extremos de los alambres o las
piezas deberán mantenerse firmemente juntos desde que se
saquen del baño hasta que el metal de aporte se haya solidificado
por completo.
Método de bano de quimics (fundente) fundido
ESTE METODO DE soldadura fuerte requiere un recipiente
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Figura 12.7-Disposición de producción para unir por
soldadura fuerte de inducción en una atmósfera
controlada o vacío. Se muestra la fijación de campana
de cristal de estación doble, el generador de inducción,
la base móvil, los controles del generador y del gas y
los soportes para facilitar el movimiento vertical de la
campana
para mantener un buen contacto eléctrico y unir finnemente las
piezas durante la fusión del metal de aporte. La presión debe
mantenerse durante el tiempo en el rye fluye la comente y
después de que ésta se interrumpe, hasta que la unión se solidifica. La duración del flujo de corriente variará entre cerca de un
segundo para trabajos pequeños y delicados hasta vanos minutos
para trabajos más grandes. Por lo regular, el operador controla
este tiempo, quien determina si ya se completó la soldadura
fuerte con base en la temperatura y el flujo del metal de aporte
fundido.
metálico o de cerámica para el fundente y un mecanismo para calentar
el fundente hasta la temperatura de soldadura fuerte. EI calor
puede aplicarse externamente con un soplete o internamente con
un elemento de calefacción por resistencia eléctrica. Un tercer
método implica el calentamiento por resistencia eléctrica del
fundente mismo; en este caso, el fundente debe derretirse primero mediante calentamiento externo. Se dispone de controles
apropiados para mantener el fundente dentro del intervalo de
temperaturas de soldadura fuerte. El tamaño del baño debe ser
tal que la inmersión de las piezas que se van a soldar no enfríe
el fundente por debajo de la temperatura de soldadura fuerte
(véase la figura 12.8).
Las piezas deberán limpiarse, ensamblarse y de preferencia
sujetarse con guias antes de sumergirlas en el baño. EI metal de
aporte de soldadura fuerte se coloca previamente en forma de
anillos, rondanas, barras, pasta o como revestimiento sobre el
metal base. Puede requenrse precalentamiento para asegurar que
las piezas estén secas y evitar la congelación de fundente en las
piezas, lo que podría causar una fusión selectiva del fundente y
UNIÓN SOLDADA
LAMINA PARA
SOLDADURA FUERTE
\
II
Il
/
SOLDADURA FUERTE POR INMERSIÓN
DOSMÉTODOS DE soldadura fuerte por inmersión son la soldadura
fuerte por inmersión en baño de metal fundido y la soldadura fuerte por inmersión eii baño de químico (fundente) fundido.
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Figura 12.8-llus6ación dela soldadura fuerte p o r
inmersión en baño químico
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390 S O L D A D U R A F U E R T E
SOLDADURA FUERTE AL INFRARROJO
LA SOLDADURAFUERTE al infrarrojo puede considerarse como
una variación de la soldadura fuerte en homo en la que el calor
se suministra por radiación luminosa de onda larga. El calentamiento se produce por la radiación invisible de lámparas de
cuarzo de alta intensidad capaces de proporcionar hasta 5000
watts de energía radiante. El aporte de calor varía en proporción
inversa con el cuadrado de la distancia de la fuente, pero no es
usual que las lámparas se moldeen de modo que sigan el contorno de las piezas que se van a calentar. Se usan reflectores
concentradores para enfocar la radiación sobre las piezas.
Si es preciso soldar al vacío o con protección de gas inerte,
el ensamble y las lámparas se colocan en una campana de cristal
o retorta que pueda evacuarse o llenarse con gas inerte. En
seguida se calienta la unidad hasta una temperatura controlada,
indicada por termopares. La figura 12.9muestra una disposición
para soldadura fuerte al infrarrojo. La pieza se lleva a las platinas
de enfriamiento una vez soldada.
PROCESOS ESPECIALES
Soldadura fuerte con manto
ENLASOLDADURA fuerte con manto se emplea un manto caientado por resistencia; el calor se transfiere a las piezas por conducción y radiación, pero principalmente por radiación.
DE CUARZO
PLATINAS D
ENFRIAMIENTO
Figura 12.9-Equipo para soldadura fuerte al infrarrojo
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SOLDADURA FUERTE EXOTÉRMICA
LASOLDADURAFUERTE exotémiica es un proceso especial que
calienta un metal de aporte comercial mediante una reacción
química exotérmica en estado sólido. Dicha reacción genera
calor por la energía libre que liberan los reactivos. La naturaleza
ofrece un sinnúmero de reacciones exotérmicas metal-óxido de
metal en estado sólido o semisólido que pueden servir para unir
piezas por soldadura fuerte exotémiica.
En la soldadura fuerte exotérmica se emplea herramental y
equipo simplificado. El calor de la reacción lleva las zonas de
unión de los metales adyacentes hasta una temperatura en la que
el metal de aporte previamente colocado se funde y moja las
superficies del metal base. Varios metales de aporte comerciales
para soldadurafuerte poseen una temperatura de flujo apropiada.
El proceso sólo está limitado por el espesor del metal base y el
efecto del calor de soldadura fuerte o de cualquier tratamiento
térmico previo sobre las propiedades del metal.
AUTOMATIZACIÓN DE LA SOLDADURA
FUERTE
LASVARIABLES IMPORTANTES que intervienen en la soldadura
fuerte son la temperatura, el tiempo de permanencia en la temperatura, el metal de aporte y la atmósfera. Otras variables son
el embonamiento de las uniones, la cantidad de metal de aporte
y la tasa y el modo de calentamiento. Todas estas características
pueden automatizarse.
El calentamientocon sopletes para soldadura autógena puede
ser automático. Lo mismo puede decirse de la soldadura fuerte
en homo (p. ej., al vacío o con atmósfera protectora), la soldadura fuerte por resistencia, la soldadura fuerte por inducción, la
soldadura fuerte por inmersióny la soldadura fuerte al infrarrojo.
En general, la cantidad de calor que se suministra a la unión se
automatiza controlandola temperatura y el tiempo que el trabajo
permanece a esa temperatura.
El metal de aporte para soldadura fuerte se puede colocar
previamente en las uniones durante el ensamble de los componentes, o alimentarse automáticamente a las uniones cuando ya
alcanzaron la temperatura de soldadura fuerte. EI fundente puede aplicarse de la misma forma.
La automatizaciónpuede incluir además inspección y limpieza (eliminación de fundente) en línea, soldadura fuerte simultánea de múltiples uniones de un ensamble y operaciones de soldadura fuerte continuas.
En general, cuanto mayor sea el grado de automatización de
un proceso, más rigurosa deberá ser su justificación económica.
Por lo regular, el mayor costo de la automatización se compensa
con el aumento en la productividad. En el caso de la soldadura
fuerte, bien puede haber la justificación adicional del ahorro de
energía por el calentamiento más eficiente de las uniones.
Básicamente, las principales ventajas de la soldadura fuerte
son las siguientes:
(1) Altas tasas de producción.
(2) Productividad elevada de los trabajadores.
(3) Ahorro de metal de aporte.
(4) Consistencia de los resultados.
(5) Ahorro de energía.
(6) Adaptabilidad y flexibilidad.
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el metal de aporte de soldadura fuerte. Las temperaturas de
precalentamiento por lo regular son cercanas al punto de fusión
del fundente. Una cierta cantidad de fundente queda adherida al
ensamble soldado. EI fundente derretido debe escurrir de las
piezas mientras éstas están calientes. El fundente que permanezca en las piezas frías deberá eliminarse con agua o agentes
químicos.
SOLDADURA FUERTE
La soldadura fuerte manual con soplete, sin grado alguno de
automatización, es la técnica de soldadura fuerte más sencilla,
pero tiene justificación económica. En primer lugar, el operador
puede ver la unión que está soldandoy ajustar el proceso con base
en sus observaciones. Segundo, el calor se dirige sólo al área de
la unión. Siempre que los costos de energía representanuna fracción importante del costo de una unión soldada, ésta es una
consideraciónimportante.
Pese a lo anterior, la soldadura fuerte con soplete es de mano
de obra intensiva y baja productividad. Un homo de banda
continua incrementa la productividad pero no permite la inspec-
391
ción en línea y reduce la eficiencia energética porque se calienta
todo el ensamble.
Las máquinas de soldadura fuerte automática mejoran la
técnica de soplete. Por lo regular, el calor se dirige exclusivamente al área de la unión con uno o más sopletes. Se puede
obtener efectos similares mediante calentamiento inductivo.
Una máquina típica cuenta con mecanismos de ensamblado y
fijación, aplicación automática de fundente, precalentamiento
(si se necesita), soldadurafuerte, extinción con aire o agua, retiro
de las piezas e inspección.
METALES DE APORTE PARA SOLDADURA FUERTE
CARACTERkTICAS
LICUACIÓN
LOS METALES DE aporte para soldadura fuerte deben tener las
siguientes propiedades:
COMO LAS FASES de aleación sólida y líquida de un metal de
aporte para soldadura fuerte generalmente no son iguales, la
composición del metal fundido cambiará gradualmente confor(1) Capacidad de formar uniones soldadas con propiedades me se incremente la temperatura desde el solidus hasta el liquifísicas y mecánicas apropiadas para la aplicación de servicio
dus. Si se permite que la porción que se funde primero fluya
propuesta.
hacia afuera, es posible que el sólido restante no se funda y
(2) Punto de fusión o intervalo de fusión compatible con los permanezca como un residuo o “calavera”. Los metales de
metales base que se van a unir, y suficiente fluidez a la tempeaporte con intervalos de fusión estrechos no tienden a separarse,
ratura de soldadura fuerte para penetrar y distribuirse por acción
de modo que fluyen libremente al interior de uniones con sepacapilar en las uniones debidamente preparadas.
raciones extremadamente angostas. Los metales de aporte con
(3) Composición con la suficiente homogeneidad y estabiliintervalos de fusión amplios deben calentarse rápidamente o
dad para minimizar la separación de los constituyentes (licuacolocarse en la unión después de que el metal base haya alcanción) durante la soldadura fuerte.
zado la temperatura de soldadura fuerte, a fin de minimizar la
(4) Capacidad para mojar las superficies de los metales base
separación, que se denomina licuación. Los metales de aporte
y formar una unión fuerte e íntegra.
propensos a la licuación fluyen lentamente, sólo penetran en
(5) Dependiendo de lo que se necesite, capacidad para producir
uniones bastante separadas y forman filetes grandes en las
o evitar las intemcciones del metal de aporte y los metales base.
extremidades de las uniones.
FUSIÓN Y FLUIDEZ
MOJADO Y ADHESIÓN
LOS METALES PUROS se funden a una temperatura constante y
generalmente son muy fluidos. Las composicionesbinarias (dos
metales) tienen diferentes características, dependiendo de las
proporciones de los dos metales. La figura 12.10 es el diagrama
de equilibrio del sistema binario plata-cobre. La línea de cambio
a fase sólida (solidus), ADCEB, indica la temperatura de comienzo de la fusión de las aleaciones, en tanto que la línea de
cambio a fase líquida (liquidus), ACB, indica las temperaturas
a las que las aleaciones se vuelven completamente líquidas. En
el punto C las dos líneas se unen (72% plata-28% cobre), lo que
indica que esa aleación se funde a esa temperatura específica (la
temperatura eutéctica). Esta aleación tiene la composición eutéctica; es tan fluida como un metal puro, en tanto que las demás
combinaciones de aleación son pastosas entre sus temperaturas
de solidus y de liquidus. Cuanto mayor sea la separación entre
estas dos temperaturas, más trabajo costará que la aleación fluya
al interior de una unión capilar.
La región a es una solución sólida de cobre en plata, y la
región p es una solución sólida de plata en cobre. La zona sólida
central consiste en una mezcla íntima de soluciones sólidas GI y
p. Por encima de la línea de liquidus, los átomos de plata y de
cobre están distribuidos en forma totalmente homogénea en una
solución líquida.
PARA SER EFECTIVO,un metal de aporte de soldadura fuerte debe
alearse con la superficie del metal base sin (1) difundirse de
manera indeseable al interior del metal base, (2) diluir el metal
base, (3) erosionar el metal base ni (4) formar compuestos
-1 9 8 1
100%Ag
O%Cu
0% Ag
100%Cu
COMPOSICIÓN
Figura 12.1&Diagrama constitucional plata-cobre
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7 2 % Ag
28%Cu
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392 S O L D A D U R A F U E R T E
SELECCIÓN DEL METAL DE APORTE
HAYQUE CONSIDERAR cuatro factores en el momento de seleccionar un metal de aporte para soldadura fuerte:
(1) Compatibilidad con el metal base y el diseïío de la unión
(2) Requisitos de servicio del ensamble soldado.
La composición elegida debe satisfacer los requisitos de
operación, como temperatura de servicio (alta o criogénica),
ciclaje térmico, vida útil, esfuerzos de carga, condiciones corrosivas, estabilidad ante radiaciones y operación en vacío.
(3) Temperatura de soldadura fuerte requerida.
En general se prefieren las temperaturas de soldadura fuerte
bajas a fin de economizar energía calorifica, minimizar los efectos
térmicos sobre el metal base (recocido, crecimiento de granos,
deformación), minimizar la interacción metal base-metal de aporte
y prolongar la vida Útil de las fijaciones y otras herramientas.
Se usan temperaturas de soldadura fuerte altas cuando se
desea: utilizar un metal de aporte con punto de fusión más alto
pero que resulta más económico; combinar con la soldadura
fuerte el recocido, la liberación de tensiones o el tratamiento
térmico del metal base; realizar un procesamiento subsecuente
a temperatura elevada; promover las interacciones metal base-
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metal de aporte a fin de elevar la temperatura de refusión de la
unión; o promover la eliminación de ciertos óxidos refractarios
al vacio o con una atmósfera especial.
(4) Método de calentamiento
Los metales de aporte con intervalos de fusión angostos -de
menos de 28°C (50°F) entre solidus y liquidus- pueden usarse
con cualquier método de calentamiento, y el metal de aporte de
soldadura fuerte se puede colocar previamente en el área de la
unión en forma de anillos, rondandas, alambres moldeados,
calzas, polvo o pasta.
Como alternativa, este tipo de aleaciones se puede alimentar
en forma manual o automática a la unión una vez que se ha
calentado el metal base. Los metales de aporte que tienden a la
licuación sólo deben usarse con métodos de calentamiento que
lleven la unión a la temperatura de soldadura fuerte con mucha
rapidez, o bien introducirse después de que el metal base haya
alcanzado dicha temperatura.
Con objeto de simplificar la selección del metal de aporte,
ANSIIAWS A5.8, Especijcación para metales de aporte de
soldadiiraberte, divide los metales de aporte en siete categorias
y en varias clasificaciones dentro de cada categoria. La especificación abarca lo productos que son metales de aporte comunes,
disponibles comercialmente. En la tabla 12.2 se dan las combinaciones metal base-metal de aporte sugeridas. Existen otros
metales de aporte que todavía no están cubiertos por la especificación y que se usan en aplicaciones especiales.
METALES DE APORTE DE ALUMINIO-SILICIO
ESTEGRUPO SE usa para unir aluminio de los grados 1060,1100,
1350, 3003, 3004, 3005, 5005, 5050, 6053, 6061, 6951 y las
aleaciones coladas A7 12.0 y C7 11.O. Todos estos tipos se prestan a la soldadura fuerte en homo y por inmersión, y algunos de
ellos también pueden soldarse en fuerte con soplete empleando
uniones traslapadas en lugar de uniones a tope.
Las láminas o tubos para soldadura fuerte son fuentes útiles
de metal de aporte de aluminio. Consisten en un núcleo de aleación de aluminio y un recubrimiento de metal de aporte con más
bajo punto de fusión. Los recubrimientos son aleaciones alumnio-silicio, aplicadas a uno o ambos lados de la lámina. Con
frecuencia se utiliza lámina para soldadura fuerte como uno de
los miembros de un ensamble; el otro miembro se fabrica con
una aleación soldable en fuerte sin revestimiento. El recubrimiento de la lámina o tubo para soldadura fuerte se funde a la
temperatura de soldadura fuerte y fluye por atracción capilar y
la acción de la gravedad hasta llenar las uniones.
METALES DE APORTE DE MAGNES10
SE USA METAL de aporte de magnesio (BMg-i) para unir las
aleaciones de magnesio AZlOA, K1A y MIA empleando procesos de soldadura fuerte con soplete, por inmersión o en homo.
EI calentamiento se debe controlar con precisión para evitar la
fusión del metal base. La separación óptima de las uniones para
la mayor parte de las aplicaciones está entre 0.10 y 0.25 min
(0.004 y 0.010 pulg). La resistencia a la corrosión es buena si el
fundente se elimina por completo después de la soldadura fuerte.
Los ensambles soldados en fuerte generalmente son apropiados
para servicio continuo hasta 120°C (250°F) o servicio intermitente hasta 150°C (300"F),sujetos a las limitaciones usuales del
entorno de operación real.
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quebradizos.Los efectos (i), (2) y (3) dependen de la solubilidad
mutua entre el metal de aporte y el metal base, de la cantidad de
metal de aporte presente y de la temperatura y duración del ciclo
de soldadura fuerte.
Algunos metales de aporte se difunden excesivamente y
alteran las propiedades del metal base. Si se desea controlar la difusión se debe escoger un metal de aporte apropiado, aplicar la
minima cantidad posible y seguir el ciclo de soldadura fuerte
correcto. Si el metal de aporte moja el metal base, mejorará el flujo
capilar. Si los capilares entre las piezas metálicas son largos, la solubilidad mutua puede modificar la composición del metal de aporte
por aleación.Por lo regular, esto elevará su temperatura de liquidus
y hará que solidifique antes de llenar por completo la unión.
La erosión del metal base (3) ocurre cuando el metal base y
el metal de aporte de soldadura fuerte son mutuamente solubles.
Hay ocasiones en que tal aleación produce compuestos intermetálicos quebradizos (4) que reducen la ductilidad de la unión.
La composición de los metales de aporte para soldadura
fuerte se ajusta con el fin de controlar los factores anteriores y
conferir caracteristicas deseables, como resistencia a la corrosión en medios especificos, temperaturas de soldadura fuerte
favorables o ahorro de materiales. Así por ejemplo, para sobreponerse a la capacidad de aleación (humectabilidad)limitada de
las aleaciones plata-cobre que se usan para soldar en fuerte hierro
y acero, esos metales de aporte contienen cinc o cadmio, o ambos, que bajan las temperaturas de liquidus y solidus. Se añada
estaño en lugar de cinc o cadmio en los casos en que son
indeseables los consituyentes con presión de vapor alta.
De manera similar, se usa silicio para bajar las temperaturas
de liquidus y solidus de los metales de aporte para soldadura
fuerte de aluminio y con base de níquel. Otros metales de aporte
contienen elementos como litio, fósforo o boro, que reducen los
óxidos superficiales del metal base y forman compuestos con
punto de fusión por debajo de la temperatura de soldadura fuerte;
esos óxidos fundidos pueden entonces fluir y salir de la unión,
dejando una superficie metálica limpia para la soldadura fuerte.
En esencia, estos metales de aporte son autofundentes.
SOLDADURA FUERTE
5
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393
394
SOLDADURA FUERTE
METALES DE APORTE DE COBRE
Y COBRE-CINC
ESTOSMETALES DE aporte de soldadura fuerte sirven para unir
metales ferrosos y no ferrosos. En general, la resistencia a la
corrosión de los metales de aporte de aleaciones cobre-cinc no
es suficiente para unir cobre, bronce de silicio, aleaciones cobreníquel ni acero inoxidable.
Los metales de aporte de soldadura fuerte de cobre prácticamente puro se usan para unir metales ferrosos, aleaciones con
base de níquel y aleacionescobre-níquel. Estos metales de aporte
fluyen libremente y a menudo se usan para soldadura fuerte en
homo con una atmósferade gas quemado,hidrógenoo amoniaco
disociado, y sin fundente. Los metales de aporte de cobre están
disponibles en formas forjadas y pulverizadas.
Un metal de aporte de cobre es un óxido de cobre que se
suspende en un vehículo orgánico.
Los metales de aporte de cobre-cinc sirven para unir aceros,
cobre, aleaciones de cobre, níquel, aleaciones con base de níquel
y acero inoxidable en los casos en que no se requiere resistencia
a la corrosión. Se emplean con los procesos de soldadura fuerte
con soplete, en homo y por inducción. Se usa fundente, por lo
regular de bórax con ácido bórico.
METALES DE APORTE DE COBRE-FÓSFORO
jado sobre diversosmetales base. Puesto que los vapores de óxido
de cadmio son peligrosos para la salud, se debe tener mucho
cuidado al usar metales de aporte que contengan cadmio.
El estaño tiene baja presión de vapor a las temperaturas de
soldadura fuerte normales, por lo que sustituye al cinc o al
cadmio en los metales de aporte para soldadura fuerte cuando
los constituyentes volátiles son objetables, como cuando la
soldadura fuerte se realiza sin fundente en homos de atmósfera
especial o de vacío, o cuando los ensambles soldados en fuerte
se van a usar al alto vacío a temperaturas elevadas. Los metales
de aporte de plata-cobre con adiciones de estaño tienen intervalos de fusión amplios. Los metales de aporte que contienen cinc
mojan los metales ferrosos con mayor efectividad que los que
contienen estaño, por lo que siempre se prefieren en los casos en
que puede tolerarse el cinc.
Las estelitas, los carburos cementados y otras aleaciones
refractarias ricas en molibdeno y tungsteno se sueldan en fuerte
con metales de aporte a los que se ha agregado manganeso,
níquel y, raras veces, cobalto a fin de incrementar la acción de
mojado.
Cuando los aceros inoxidables y las aleaciones que forman
óxidos refractarios se sueldan en fuerte en atmósferasreductoras
o inertes sin fundente, íos metales de aporte de plata que contienen litio como agente mojador son muy efectivos. El calor de
formaciónde Li,O es muy alto, por lo que el litio metálico reduce
los óxidos adheridos al metal base. El metal de aporte de soldadura fuerte desplaza con facilidad el óxido de litio que se
produce.
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ESTOSMETALES DE aporte sirven principalmentepara unir cobre
y aleaciones de cobre, y tienen aplicación limitada en la unión
de plata, molibdeno y tungsteno; no deben usarse con aleaciones
ferrosas o con base de níquel, ni con aleaciones cobre-níquelque
tengan más del 10% de níquel. Estos metales de aporte son METALES DE APORTE DE ORO
apropiados para todos los procesos de soldadura fuerte, y tienen LOS METALES DE aporte de oro sirven para unir piezas en enpropiedades autofundentes cuando se usan para unir cobre; sambles de tubos de electrones en los que no pueden tolerarse
tienden a la licuación si se calientan con lentitud.
componentesvolátiles. Se usan para soldar en fuerte metales con
base de hierro, de níquel y de cobalto en los que se requiere alta
METALES DE APORTE DE PLATA
resistencia a la corrosión. Por lo regular se usan con secciones
delgadas en virtud de su reducida tasa de interacción con el metal
ESTOSMETALES DE aporte sirven para unir la mayor parte de los base.
metales ferrosos y no ferrosos, con excepción del aluminio y
magnesio, con todos los métodos de calentamiento. EI metal de
aporte puede colocarse previamente en la unión o alimentarse a METALES DE APORTE DE NíQUEL
la unión ya calentada.
Las aleaciones plata-cobre con alto contenido de plata no LOS METALES DE aporte de níquel para soldadura fuerte generalmojan bien el acero cuando la soldadura fuerte se realiza en aire mente se usan con aceros inoxidables de las series 300 y 400,
y con fundente. EI cobre forma aleaciones con cobalto y niquel aleaciones con base de cobalto y de níquel, e incluso acero al
con mucha mayor facilidad que ia plata; por ello, el cobre moja carbono, aceros de baja aleación y cobre cuando se desean
muchos de estos metales y sus aleaciones satisfactoriamente, en propiedadesespecíficas. Estos metales de aporte presentan buetanto que la plata no lo hace. Si se suelda en fuerte en ciertas nas propiedades de resistencia a ia corrosión y al calor, y noratmósferas protectoras sin fundente, las aleaciones plata-cobre malmente se aplican en forma de polvos, pastas, varillas, papel
mojan la mayor parte de los aceros y fluyen libremente si la metálico, o en fonna de láminas o cordones con aglomerantes
plásticos.
temperatura es la adecuada.
Los metales de aporte de níquel tienen la característica de
Se usa comúnmentecinc para bajar las temperaturasde fusión
y de flujo de las aleaciones plata-cobre. Es, por mucho, el mejor presión de vapor muy baja que se requiere en los sistemas al
agente mojador para unir aleaciones con base de hierro, cobalto vacío y en aplicaciones de tubos al vacío a temperaturas elevao níquel. Sólo, o combinado con cadmio o estaño, el cinc produ- das.
Los metales de aporte que contienen fósforo tienen baja
ce aleaciones que mojan los metales del grupo del hierro pero
que no se alean con ellos a profundidades que puedan percibirse. ductilidad porque forman fosfuros de níquel. Los metales de
Se agrega cadmio a algunos metales de aporte de aleaciones aporte que contienen boro se deben controlar con cuidado cuanplata-cobre-cinc a fin de bajar todavía más las temperaturas de do se usan para soldar en fuerte secciones delgadas, a fin de
fusión y de flujo, y de incrementar la fluidez y la acción de mo- prevenir la corrosión.
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SOLDADURA FUERTE
METAL DE APORTE DE COBALTO
ESTEMETAL DE aporte se utiliza por sus propiedades a alta
temperatura y por su compatibilidadcon los metales con base de
cobalto. La soldadura fuerte en una atmósfera de alta calidad o
por difusión produce Óptimos resultados. Existen fundentes
especiales de alta temperatura para soldar en fuerte con soplete.
METALES DE APORTE PARA METALES
REFRACTARIOS
LASOLDADURAFUERTE es excelente para fabricar ensambles de
metales refractarios, sobre todo aquellos en los que intervienen
seccionesdelgadas. No obstante, son pocos los metales de aporte
que se han diseñado especificamente para aplicaciones de alta
temperatura y alta corrosión.
Los metales de aporte y metales puros que se usan para soldar
en fuerte metales refractarios se presentan en la tabla 12.3. Los
metales de aporte de bajo punto de fusión, como plata-cobrecinc, cobre-fósforoy cobre sirven para unir tungsteno en aplicaciones de contactos eléctricos, pero estos metales de aporte no
pueden dar servicio a temperaturas elevadas. En tales casos
conviene usar metales raros de más alto punto de fusión, como
tantalio y colombio.
Los metales de aporte con base de níquel y de metales
preciosos también pueden servir para unir tungsteno
Hay diversos metales de aporte para soldadura fuerte que
unen molibdeno, pero es preciso considerar el efecto de la
temperatura de soldadura fuerte sobre la recristalización del
metal base. Si se suelda en fuerte por encima de la temperatura
de recristalización, el tiempo de soldadura debe ser muy corto.
Si no se requiere servicio a alta temperatura, es factible usar
metales de aporte con base de cobre y plata.
El colombio y el tantalio se sueldan en fuerte con diversos
metales de aporte con base de metal refractario o metal reactivo.
Los sistemas metálicos Ti-Zr-Be y Zr-Cb-Be son representati.
vos, así como los metales de aporte con base de platino, de
paladio, de platino-indio, de platino-rodio, de titanio y de níquel
(como las aleaciones níquel-cromo-silicio). Las aleaciones cobre-oro que contienen oro en proporciones entre el 46 y el 90%
forman compuestos endurecibles por envejecimiento que son
quebradizos. Los metales de aporte con base de plata no se
recomiendan porque pueden hacer quebradizo el metal base.
Tabla 12.3
Metales de aporte de soldadura fuerte para metales refractarios"
Temperatura de liquidus
Temperatura de liquidus
"F
4380
5425
1760
1980
2650
3300
2860
3225
41 70
3720
"C
241 6
2997
960
1082
1454
1816
1571
1774
2299
2049
Ag-Cu-Zn-Cd-Mo
Ag-Cu-Zn-Mo
Ag-Cü-M0
Ag-Mn
1 145-1295
1324-1450
1435
1780
619-701
718-788
780
97 1
Ni-Cr-B
Ni-Cr-Fe-Si-C
Ni-Cr-Mo-Mn-Si
Ni-Ti
Ni-Cr-Mo-Fe-W
Ni-Cu
Ni-Cr-Fe
Ni-Cr-Si
1950
1950
2100
2350
2380
2460
2600
2050
1066
1066
1149
1288
1305
1349
1427
1121
Metal de aporie
Cb
Ta
Ag
Cu
Ni
Ti
Pd-Mo
Pt-Mo
Pt-30W
Pt-50Rh
Mn-Ni-Co
"F
1870
"C
1021
Co-Cr-Si-Ni
Co-Cr-W-Ni
MO-RU
MO-B
Cu-Mn
Cb-Ni
3450
2600
3450
3450
1600
21 75
1899
1427
1899
1899
87 1
1190
Pd-Ag-Mo
Pd-AI
Pd-Ni
Pd-Cu
Pd-Ag
Pd-Fe
AU-CU
Au-Ni
Au-Ni-Cr
Ta-Ti-Zr
2400
21 50
2200
2200
2400
2400
1625
1740
1900
3800
1306
1177
1205
1205
1306
1306
885
949
1038
2094
Ti-V-Cr-AI
Ti-Cr
Ti-Si
Ti-Zr-Beb
Zr-Cb-Beb
Ti-V-Beb
Ta-V-Cbb
Ta-V-Tib
3000
2700
2600
1830
1920
2280
3300-3500
3200-3350
1649
1481
1427
999
1049
1249
18 16-1 927
1760-1843
Metal de aporie
a. No todos los metales de aporte que se muestran están disponibles comercialmente.
b. Depende de la composición especifica
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Not for Resale
396 S O L D A D U R A F U E R T E
FUNDENTES Y ATMÓSFERAS
LOS METALES Y las aleaciones pueden reaccionar con ia atmósfera a la que están expuestos, sobre todo si se eleva la temperatura. La reacción más común es la oxidación, pero en ocasiones
se forman nitruros y carburos.
Se usan fundentes, atmósferas protectoras y vacío para evitar
las reacciones indeseables durante la soldadura fuerte. Algunos
fundentes y atmósferas pueden además reducir los oxidos que
ya están presentes.
El titanio, el zirconio, el colombio (niobio) y el tantalio sufren
una pérdida de ductilidad permanente si se sueldan en fuerte bajo
cualquier atmósfera que contenga hidrógeno, oxígeno o nitrógeno. EI hidrógeno hace quebradizo el cobre que no se ha desoxidado por completo.
EI empleo de fundente o atmósfera no elimina la necesidad
de limpiar las piezas antes de soldarlas en fuerte. Los procedimientos de limpieza recomendados pueden consultarse en el
capitulo 7 del Manual de soldadura fuerte de la AWS (AWS
Brazing Manual, 3a. edición, 1976). Las funciones de los ingredientes individuales de los fundentes se explican en el capítulo
4 de dicho Manual.
Puesto que el propósito del metal de aporte para soldadura
fuerte es fluir sobre el metal base y penetrar en los capilares,
también puede fluir sobre otras porciones de las piezas que se
están uniendo. Esta situación puede ser indeseable desde el
punto de vista cosmético, y también puede haber agujeros o
depresiones de la pieza que no deban llenarse o taponarse, pues
de ocurrir esto el dispositivo dejaría de funcionar correctamente. En los casos en que se debe impedir el flujo indebido el soldador en fuerte aplica un material “bloqueador” para retardar
el flujo del material de aporte. Es en extremo importante cuidar
que el material bloqueador no llegue a la unión por soldar, ya
que de ocurrir así, impediría la adhesión. Los materiales bloqueadores generalmente son óxidos que se suelen aplicar con
brocha, cinta, aspersión o por un sistema de aguja hipodérmica.
Los bloqueadores comunes son óxidos de titanio, calcio, aluminio o magnesio.
Los bloqueadores retardan el flujo del fundente por la colocación deliberada de óxidos en la superficie de los materiales
que se van a unir. Esto funciona muy bien cuando se suelda en
fuerte en un homo sin usar fundente, pero si se utiliza fundente
la acción limpiadora de éste puede contrarrestar el efecto de
bloqueo. Después de la soldadura fuerte, el material de bloqueo
puede eliminarse lavando con agua caliente o mediante raspado
quimico o mecánico.
APLICACIONES
SELECCIÓN DE LOS METALES BASE
ES NECESARIO CONSIDERAR el efecto de la soldadura fuerte sobre
las propiedades mecánicas del nietal de un ensamble soldado y
la fortaleza final de la unión. Los metales base que se hayan
fortalecido mediante trabajado en frío sufrirán un recocido si las
temperaturas y tiempos del proceso de soldadura fuerte estáii en
el intervalo de recocido del metal base que se está procesando.
Los metales resistentes al calor “trabajados en caliente-frio” que
se sueldan en fuerte sólo presentan las propiedades físicas del
metal recocido. Por su naturaleza, el ciclo de soldadura fuerte
casi siempre recuece el metal base trabajado en frio, a menos que
la temperatura de soldadura fuerte sea muy baja y el metal
permanezca muy poco tiempo en esa temperatura.
No resulta práctico trabajar en frío el metal base después de
la operación de soldadura fuerte.
Si un ensamble soldado en fuerte debe tener una resistencia
mecánica superior a la que corresponde a las propiedades del
metal base recocido, se debe seleccionar un material susceptible
de tratamiento térmico. EI metal base puede ser un tipo extiiiguible en aceite, un tipo extinguible en aire que se pueda soldar
en fuerte y endurecer en la misma operación o en operaciones independientes, o un tipo endiirecible por precipitación que pueda
soldarse en fuerte y tratarse en solución en un ciclo combinado.
Las piezas ya endurecidas se pueden soldar en fuerte con un nietal de aporte de baja temperatura einpleando tiempos cortos a teinperatura para evitar que se pierdan las propiedades mecinicas.
ALUMINIO Y ALEACIONES DE ALUMINIO
LASALEACIONES DE aluminio forjadas no tratables por calor que
mejor se pueden soldar en fuerte son las series ASTM IXXX y
3XXX, y las aleaciones de bajo magnesio de la serie ASTM
SXXX. Los metales de aporte disponibles se funden por debajo
de las temperaturas de solidus de todas las aleaciones forjadas
comerciales que no son susceptibles de tratamiento térmico.
Las aleaciones forjadas susceptibles de tratamiento térmico
que con más frecuencia se sueldan en fuerte son las de la serie
ASTM 6XXX. Las series de aleaciones de aluminio ASTM
2XXX y 7XXX tienen bajo punto de fusión y, por tanto, normalmente no pueden soldarse en fuerte, con la excepción de las
aleaciones 7072 y 7005.
Las aleaciones de aluminio coladas en molde de arena y
molde permanente que más comúnmente se sueldan en fuerte
son ASTM 443.0,356.0 y 7 12.0. Las piezas de aluminio coladas
en troquel generalmente no se sueldan en fuerte porque su alto
contenido de gases puede origiiiar ampollas.
En la tabla 12.4 se presentan los metales base de aluminio
comunes que pueden soldarse en fuerte.
La soldadura fuerte de aluminio casi siempre se efectúa con
los procesos de soplete, inmersión u horno. La soldadura fuerte
en horno puede efectuarse en aire o bajo atmósfera controlada,
o incluso al vacío.
EI capítulo i2 de la tercera edición del Manual de soldadura
fuerte contiene mayor información sobre la soldadura fuerte de
aliiiniiiio y sus aleaciones.
MAGNESIO Y ALEACIONES DE MAGNESIO
PARA SOLDAR EN fuerte aleaciones de magnesio se eiiipiean
técnicas similares a las que se usan con aluminio. Se puede soldar
en horno, con soplete y por iiirnersióii, aunque este último
proceso es el más utilizado.
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SOLDADURA FUERTE
397
Tabla 12.4
Composición nominal e intervalo de fusión de lac aleaciones de aluminio soldables en fuerte comunes
Composición nominal'
Designación
comercial
Aleación
ASTM
EC
I100
3003
3004
3005
EC
1100
3003
3004
3005
5005
5005
5050
5050
5052
5052
6151
6151
6951
6951
6053
6053
6061
6061
6063
6063
7005
7005
7072
7072
Colado 43
Colado 443.0
Colado 356 Colado 356.0
Colado 406
Colado 406
Colado A61 2 Colado A71 2.0
Colado C612 Colado C712.0
Calificación de
soldabilidad
enfuerteb
A
A
A
B
A
B
B
C
C
A
A
A
A
B
A
A
C
A
B
A
Intervalo de fusión
aproximado
CU
__
__
0.3
__
__
._
__
0.25
__
0.25
__
__
__
__
__
__
0.1
si
AI 99.45%min
AI 99%min
Mn
Zn
Cr
__
_.
__
1 .o
0.4
0.8
1.2
2.5
0.6
0.65
1.3
1 .o
0.6
._
__
__
1 .o
0.35
0.7
0.6
0.4
0.35
0.7
1.4
__
._
__
5.0
7.0
AI 99%min
0.3
.
.
__
Mg
__
0.7
0.35
6.5
._
"F
"C
11 95-1215
1 190-121 5
1 190-121O
1 165-1205
1 1 80-121 5
1 1 70-121 O
1090-1200
11 00-1200
11 90-1200
1 140-121O
1 105-1205
1 100-1205
1 140-1205
11 25-1195
11 25-1195
1065-1170
1035-1135
1190-1215
1105-1195
1 120-1190
646-657
643-657
643-654
629-651
638-657
632-654
588-649
593-649
643-649
615-654
596-651
593-651
615-651
607-646
607-646
629-632
557-613
643-657
596-646
604-643
a. Porcentaje de elementos de aleación: el resto es aluminio e impurezas normales.
b. Calificacionesde soldabilidad en fuerte: A = Aleaciones que se sueldan en fuerte facilmente con todos los métodos y procedimientoscomerciales.
B = Aleaciones que pueden soldarse en fuerte con todas las técnicas si se tiene un poco de cuidado.
C =Aleacionesque requieren cuidado especial para soldarse en fuerte.
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Las aleaciones de magnesio que se consideran soldables en
fuerte se presentan en la tabla 12.5. La experiencia de soldadura
fuerte en homo y con soplete se limita a la aleación M1A. La
soldadura fuerte por inmersión se puede usar con las aleaciones
AZlOk, AZ31B, AZólA, KlA, MlA, ZElOA, ZK21A Y
ZK6OA.
En la tabla 12.5 se resumen también los metales de aporte que
se utilizan para soldar en fuerte magnesio. El metal de aporte
BMg- 1 es apropiado para los procesos de soldadura fuerte con
soplete, por inmersión o en homo. La aleación BMg-2 suele ser
la preferida para la mayor parte de las aplicaciones de soldadura
fuerte porque su intervalo de fusión es más bajo. Un metal de
aporte con base de cinc conocido como GA432 tiene una composición de punto de fusión todavía más bajo que sólo es
adecuada para soldadura fuerte por inmersión.
BERILIO
LASOLDADURA FUERTE es el método preferido para unir metalúrgicamente el berilio.' Los sistemas de metal de aporte para
soldadura fuerte, con sus intervalos de temperatura, son, entre
otros:
(1) Cinc: 427-454°C (800-850°F)
(2) Aluminio-silicio: 566-677°C (1050-1250°F)
(3) Plata-cobre: 694-904°C (1200-1660°F)
(4) Plata: 882-954°C (1620-1750°F)
2. El benlio y sus compuestos son tóxicos. Los reglamentos federales exigen un
manejo e identificación correctos del berilio metálico.
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El cinc funde por debajo de 450°C (840"F), la temperatura
definida por la AWS para los metales de aporte de soldadura
fuerte. No obstante, generalmentese le acepta como el metal de
aporte de más bajo punto de fusión para soldar en fuerte berilio.
Los metales de aporte de aluminio-silicio pueden usarse en
ensambles de berilio forjados de alta resistencia mecánica porque la temperatura de soldadura fuerte está bastante por debajo
de la temperatura de recristalización del metal base. El metal de
aporte tipo BAlSi-4 suelda en fuerte bien si se usa fundente;para
soldar sin fundente se requiere un control estricto. Los metales
de aporte con base de aluminio tienen menor interacción metalúrgica con el metal base que los metales de aporte con base de
plata. Ésta es una ventaja importante en la unión de secciones
delgadas o papeles de berilio.
Los metales de aporte para soldadura fuerte de plata y con
base de plata resultan Útiles en estructuras que se van a exponer
a temperaturas elevadas. La soldadura fuerte en atmósfera protectora con estos sistemas de aleaciones es sencilla y puede
efectuarse bajo atmósferas purificadas o ai vacío.
COBRE Y ALEACIONES DE COBRE
LOS METALES BASE de aleación de cobre incluyen las aleaciones
cobre-cinc (latón), cobre-silicio (bronce de silicio), cobre-aluminio
(bronce de aluminio), cobre-estaño (bronce fosforado), cobre-níquel y varias más. La soldadura fuerte del cobre y sus aleaciones,
y los metales de aporte apropiados, se analizan con detalle en el
capítulo 24 de la tercera edición del AWS Brazing Manual.
Not for Resale
398 S O L D A D U R A F U E R T E
~~
Tabla 12.5
Aleaciones de maanecio soldablec en fuerte v metales de aDorte
_ _ _ _ _ _ _ ~
Clasificación
de AWS 1158.
Designación
de aleación
Formas
ASTM
disp.
Sólidos
"F
Intervalo de
soldadura fuerte
Líquidos
"F
"C
Metal de
aporte apropiado
"C
"F
"C
BMg-1
BMG-2a
643
627
650
650
646
642
1080-1140
1080-1100
1080-1140
1080-1140
1080-1100
1080-1140
582-616
582-593
582-616
582-616
582-593
582-616
X
X
X
X
X
X
X
X
599
1120-1140
604-616
-
-
Metal base
E
E. S
C
E. S
S
-
AZ1 OA
AZ31B
K1A
MIA
ZEl OA
ZK2 1A
BMg-1
AZ92A
W. R.
ST. P
-
-
E
1170
1050
1200
1198
1100
1159
632
566
649
648
593
626
830
443
1190
1160
1202
1202
1195
1187
X
X
Metal de aporte
E = Formas extrudidasy secciones estructurales
S = Láminas y placas
C = Piezas coladas
W = Alambre
1110
R = Varilla
ST = Tira
P = Polvo
ACEROS DE BAJO CARBONO
Y DE BAJA ALEACIÓN
LOS ACEROS DE bajo carbono y de baja aleación se sueldan en
fuerte sin dificultad. A menudo se sueldan a temperaturas por
encima de 1080°C (1980°F) con metal de aporte de cobre en una
atmósfera controlada, o a temperaturas más bajas con metales
de aporte coli base de plata.
En el caso de los aceros de aleación, el metal de aporte debe
tener un solidus bastante por encima de cualquier temperatura
de tratamiento térmico a fin de evitar daños a uniones que
recibirán tratamiento térmico después de la soldadura fuerte. En
algunos casos, los aceros endurecibles al aire se pueden soldar
en fuerte y luego endurecerse extinguéndolos desde la temperatura de soldadura fuerte.
Se puede usar un metal de aporte con una temperatura de
soldadura fuerte menor que la temperatura critica del acero si no
se desea alterar las propiedades metalúrgicas del metal base.
ACEROS DE HERRAMIENTA DE ALTO
CARBONO Y DE ALTA VELOCIDAD
LOS ACEROS DE alto carbono contienen mas del 0.45 % de carbono. Los aceros de herramienta de alto carbono por lo regular
contienen entre 0.60 y 1.40%de carbono.
Es mejor efectuar la soldadura fuerte de los aceros de alto
carbono antes de la operación de endurecimiento, o simultáneamente. Las temperaturas de endurecimiento para los aceros al
carbono varían entre 760 y 820°C (1400 y 1500"F), por lo que
conviene usar metales de aporte con temperaturas de soldadura
fuerte mayores que 820°C ( 1500°F). Si la soldadura fuerte y el
endurecimiento se realizan en la misma operación, el metal de
aporte deberá tener un solidus igual o mayor que la temperatura
de austenitizacion.
Es posible combinar el templado y la soldadura fuerte en el
caso de aceros de herramienta de alta velocidad y aceros de
herramienta de aleación de alto carbono y alto cromo que tienen
temperaturas de templado del orden de 540 a 650°C (1000 a
1200°F). Se emplean metales de aporte con tratamiento térmico
de soldadura fuerte en ese intervalo. La pieza se saca del homo
de templado, se suelda en fuerte empleando métodos de calentamiento localizado, y se regresa al homo para completar el ciclo
de templado.
HIERRO COLADO
LOSHIERROSCOLADOS generalmente requieren consideraciones
especiales para la soldadura fuerte. Los tipos de hierro colado
son, entre otros, el blanco, el gris, el maleable y el dúctil. El
hierro colado blanco casi nunca se suelda en fuerte.
Antes de la soldadura fuerte, las superficies de empalme casi
siempre se limpian electroquimica o químicamente, se chamuscan con una flama oxidante o se someten a ráfagas de abrasivo.
Si se usan metales de aporte de plata de bajo punto de fusión, se
facilita el mojado con el metal de aporte. Los hierros colados
diictiles y inaleables deben soldarse en fuerte por debajo de los
760°C (1400°F).
Cuando el hierro colado de alto carbono se suelda en fuerte
con cobre, la temperatura debe ser baja para evitar la fusión de
áreas localizadas del hierro colado, sobre todo en secciones
delgadas.
ACEROS INOXIDABLES
TODASLAS ALEACIONES de acero inoxidable son difíciles de
soldar en fuerte por su elevado contenido de cromo. La mejor
forma de soldar en fuerte estas aleaciones es bajo hidrógeno
purificado (seco) o en el vacío. Es preciso mantener puntos de
rocio por debajo de -51°C (-60°F) porque el mojado se dificulta
después de la formación del óxido de cromo. La soldadura fuerte
con soplete requiere fundente para reducir la cantidad de óxidos
de cromo presentes.
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SOLDADURA FUERTE
La mayor parte de los metales de aporte de aleación de plata,
de cobre y de cobre-cinc sirven para soldar en fuerte aceros
inoxidables. Las aleaciones de plata que contienen cinc generalmente son las mejores cuando se busca resistencia a la corrosión.
Los metales de aporte que contienen fósforo no deben usarse en
piezas sometidas a esfuerzos grandes porque es posible que se
formen fosfuros de níquel y hierro quebradizos en la ZOM de la
unión.
Los metales de aporte de níquel que contienen fósforo generalmente son los mejores para aceros inoxidables que contienen
titanio o aluminio, o ambos, porque el boro tiene una acción
fundente moderada que ayuda a mojar estos metales base. La
soldadura fuerte por difusión produce uniones con propiedades
físicas mejoradas.
La soldadura fuerte de los aceros inoxidablesal cromo-níquel
austeníticos se trata más a fondo en el capítulo 18 de la tercera
edición del AWS Brazing Manual.
Hierro y acero al cromo
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LOS ACEROS INOXIDABLES martensíticos (403,410, 414, 416,
420 y 431) se endurecen al aire cuando se enfrían desde la
temperatura de soldadura fuerte, la cual excede su intervalo de
temperaturas de austenitización. Por tanto, es preciso recocerlos
después de la soldadura fuerte o durante el proceso. Además,
estos aceros son propensos al agrietamiento por esfuerzo con
ciertos metales de aporte de soldadura fuerte.
Los aceros inoxidables ferriticos (405, 4096 y 430) no se
pueden endurecer, y su estructura de grano no se puede refinar,
mediante tratamiento térmico. Las propiedades de estas aleaciones se degradan cuando se sueldan en fuerte a temperaturas por
encima de 980°C (1800°F) porque hay un crecimiento excesivo
del grano. Pierden ductilidad después de un calentamiento prolongado entre 340 y 600°C (650 y 1100"F), pero parte de la
ductilidad perdida puede recuperarse calentando el ensamble
soldado a cerca de 790°C (1450°F) durante un lapso apropiado.
Aceros inoxidables endurecibles
por precipitación
ESTOSACEROS SON básicamente aceros inoxidables con adiciones de uno o más de íos siguientes elementos: cobre, molibdeno,
aluminio y titanio. Estas adiciones permiten fortalecer ias aleaciones mediante tratamientos térmicos de endurecimiento por
precipitación. Cuando se sueldan en fuerte aleaciones de este
tipo, el ciclo de soldadura fuerte y la temperatura deben coincidir
con el ciclo de tratamiento térmico de la aleación. Los fabricantes de estas aleaciones han desarrollado procedimientos de soldadura fuerte que recomiendan para sus aceros.
ALEACIONES DE NíQUEL Y DE ALTO NíQUEL
ELNIQUELY
las aleaciones de alto níquel pierden ductilidad por
el azufre y los metales de bajo punto de fusión presentes en ias
aleaciones de soldadura fuerte, como cinc, plomo, bismuto y
antimonio. Las superficies de los metales base se deben limpiar
exhaustivamente antes de la soldadura fuerte a fin de eliminar
cualesquier sustancias que pudieran contener los elementos
mencionados. Además, hay que excluir el azufre y sus compuestos de la atmósfera de soldadura fuerte.
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399
El niquel y sus aleaciones son propensos al agrietamientopor
esfuerzos en presencia de metales de aporte de soldadura fuerte fundidos. Las piezas deben recocerse antes de la soldadura
fuerte a fin de eliminar esfuerzos residuales, o someterse a un
tratamientocuidadosode liberación de tensiones durante el ciclo
de soldadura fuerte.
Es comun usar metales de aporte de soldadura fuerte de plata.
En los entomos corrosivos se prefieren las aleaciones de soldadura fuerte con alto contenido de plata, y cuando se desea evitar
el agrietamientopor corrosión por esfuerzos se escogen metales
de aporte libres de cadmio.
Los metales de aporte para soldadura fuerte con base de
níquel ofrecen la más alta resistencia a la corrosión, a ia oxidación y a las temperaturas elevadas.
La soldadura fuerte es el método preferido para unir aleaciones de níquel fortalecidas por dispersión que deben funcionar a
temperaturas elevadas. Se han soldado en fuerte ensambles de
alta resistencia mecánica con metales de aporte con base de iiiquel especiales, y se han probado hasta 1300°C (2400°F).
ALEACIONES RESISTENTES AL CALOR
LASALEACIONES
RESISTENTES al calor generalmente se sueldan
en fuerte en una atmósfera de hidrógeno o en homos de alta
temperatura ai vacío empleando metales d e aporte con base de
níquel o especiales.
Las aleaciones con base de cobalto son las más fáciles de
soldar en fuerte de todas las superaleaciones porque la mayor
parte de ellas no contiene titanio ni aluminio. Las aleaciones con
alto contenido de titanio o de aluminio son difíciles de soldar en
fuerte en hidrógeno seco porque los óxidos de titanio y de
aluminio no se reducen a las temperaturas de soldadura fuerte.
TITANIO Y ZIRCON10
ELTITANIOY el zirconio se combinan facilmente con el oxígeno,
y reaccionan para formar compuestos intermetálicos quebradizos con muchos metales y con hidrógeno y nitrógeno. Las piezas
deben limpiarse y soldarse en fuerte inmediatamente después de
la limpieza.
En ias primeras ocasiones en que se soldó en fuerte titanio se
usaron metales de aporte de plata y con base de plata, pero se formaban compuestos intermetálicos quebradizos y había corrosión por las fisuras. El papel de aluminio tipo 3003 puede unir
estructuras delgadas y ligeras, como los tableros de emparedado
de panai complejos. Si se electrodepositan diversos elementos
sobre las superficies de empalme de los metales base podrán
reaccionar in situ con el titanio durante la soldadura fuerte para
formar una aleación eutéctica de titanio. Esta fase líquida transitoria fluye bien y forma filetes, y luego se solidifica a causa de
la interdifusión.
Otros metales de aporte para soldadura fuerte con alta capacidad de servicio y resistencia a la corrosión son las aleaciones
Ti-Zr-Ni-&, Ti-Zr-Ni-Cu y Ti-Ni-Cu. Los mejores resultados se
obtienen con estufas de alto vacío controlando con precisión la
temperatura dentro del intervalo de 900 a 955°C (1650 a 1750°F').
CARBUROS Y CERMETS
LOSCAREKJROS DE los metales refractarios tungsteno, titanio y
tantalio aglomerados con cobalto se usan para fabricar herra-
Not for Resale
SOLDADURA FUERTE
mientas de corte y troqueles. Unos materiales de naturaleza muy
similar denominados cermets consisten en partículas cerámicas
aglomeradascon diversos metales.
La soldadura fuerte de carburos y cermets es más difícil que
la de metales. Se emplea calentamiento con soplete, por inducción o en homo, a menudo con una técnica de soldadura fuerte
en emparedado: se interpone una capa de metal dúctil débil
(níquel o cobre puros) entre el carburo o el cermet y un soporte
de metal duro. Los esfuerzos de enfriamientohacen que el metal
blando se deforme en lugar de agrietar la cerámica.
Con frecuencia se usan aleaciones de soldadura fuerte con
base de plata, de cobre-cinc y de cobre con las herramientas de
carburo. Las aleaciones de plata que contienen níquel se prefieren porque mojan mejor. Las aleaciones con base de níquel que
contienen boro, y una aleación 60% Pd40%Ni, pueden ser
satisfactorias para soldar cermets de carburo de tungsteno, de
carburo de titanio y de carburo de coloinbio aglomerados con
níquel y con cobalto.
CERÁMICAS
LAALUMINA, ZIRCONIA, magnesia, forsterita (MgJiO,), berilia
y toria son materiales cerámicos que pueden unirse por soldadura fuerte. Por su naturaleza son difíciles de mojar con los metales
de aporte convencionales.Las diferencias de expansión térmica,
conducción del calor y ductilidad producen grietas y propagación de grietas con esfuerzos relativamente bajos.
Si la cerámica se premetaliza para facilitar el mojado, se usan
metales de aporte de cobre, de plata-cobre y de oro-níquel. El
hidruro de titanio o de zirconio se puede descomponer en la fase
cerámica-metalpara formar un enlace íntimo.
Las cerámicas no metalizadas se sueldan en fuerte con alambres de titanio revestidos con plata-cobre o con níquel. Las
aleaciones de titanio y de zirconio Útiles son Ti-Zr-Be, Ti-V-Zr,
Zr-V-Cb, Ti-V-Be y Ti-V-Cr.
Molibdeno
ELMOLIBDENO Y sus aleaciones se sueldan en fuerte con metales
de aporte con base de paladio y metales con base de molibdeno
(Mo-0.5 Ti) que tengan temperatura de recristalización alta. El
chapeado con cromo, como capa de barrera, evita la formación
de compuestos intermetálicos. La mayor parte de los metales de
aporte de soldadura fuerte a alta temperaturason apropiadospara
servicio resistente a la oxidación en aplicaciones de recubrimiento.
Tantalio y colombio
EL TANTAL10 Y el colombio requieren técnicas especiales para
soldarse en fuerte satisfactoriamente. Es preciso eliminar todos
los gases reactivos de la atmósfera de soldadura fuerte; éstos
incluyen oxígeno, nitrógeno, monóxido de carbono, amoniaco e
hidrógeno. El tantalio forma óxidos, nitruros, carburos e hidruros con mucha facilidad, lo que lleva a una pérdida de ductilidad.
Como protección contra la oxidación a altas temperaturas, el
tantalio y el colombio a menudo se chapean con cobre o níquel;
el metal de aporte de soldadura fuerte debe ser compatible con el
chapeado.
COMBINACIONES DE METALES DISíMILES
MUCHAS COMBINACIONESDE metales dishiles se pueden soldar
en fuerte, incluso los que tienen una incompatibilidad metalúrgica que imposibilita la soldadura autógena.
Los criterios importantes por considerar son en primer término las diferencias en la expansión térmica. Si un metal con
expansión térmica alta rodea a un metal de baja expansión, las
separaciones que resultan satisfactorias para el flujo capilar a
temperatura ambiente serán excesivas a la temperatura de soldadura fuerte. Por otro lado, si un metal de baja expansión rodea a
uno de alta expansión, es posible que no haya separación alguna
METALES PRECIOSOS
a ia temperatura de soldadura fuerte. Por ejemplo, al soldar en
LOSMETALES PRECIOSOS plata, oro, platino y paladio presentan fuerte un tapón de molibdeno en un bloque de cobre, las piezas
pocas dificultades para soldarse en fuerte. La capa de óxidos tan se deberán ensamblar a presión a temperatura ambiente; si un
delgada que tienen se elimina fácilmente con fundentes y atmós- tapón de cobre se va a soldar en fuerte dentro de un bloque de
feras reductoras.
molibdeno, se requerirá un embonamiento flojo debidamente
Es común usar soldadura fuerte por resistencia o en homo centrado a temperatura ambiente.
para contactos eléctricos. Los metales de aporte de plata (BAg)
Para soldar en fuerte uniones del tipo de tubo y cañón entre
y de metal precioso (BAU)sueldan en fuerte contactos metálicos metales base disímiles, el tubo deberá ser el metal de baja
a retenes.
expansión y el cañón el metal de alta expansión.A la temperatura
de soldadura fuerte, la separación será máxima y el capilar se
METALES REFRACTARIOS
llenará con la aleación de soldadura fuerte. Cuando la unión
soldada se enfrie a la temperatura ambiente, ella y el tubo estarán
LA SOLDADURA FUERTE de tungsteno, molibdeno, tantalio y
en compresión.
colombio todavía está en las etapas de desarrollo.
En las uniones de lengüeta en surco, este último deberá estar
en el material de baja expansión. EI embonamiento a temperaTungsteno
tura ambiente se deberá diseñar de modo que deje separaciones
EL TUNGSTENOPUEDE soldarse en fuerte consigo mismo y con capilares a ambos lados de la lengüeta cuando se alcance la
otros metales y no metales empleandometales de aporte con base temperatura de soldadura fuerte. Los esfuerzos de corte longitude níquel, pero la interacción entre el tungsteno y el níquel dinales en el metal de aporte se limitarán si se reducen las
recristaliza el metal base. Se recomienda liberar las tensiones dei distancias de traslapo.
Es común usar la “soldadura fuerte en emparedado” para
tungsteno mediante un tratamiento térmico antes de soldarlo en
fuerte, y el ciclo de soldadura fuerte deberá ser corto para limitar fabricar herramientas de corte de metal con punta de carburo.
Un metal relativamente dúctil se recubre por ambos lados con
la interacción con el metal de aporte.
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400
SOLDADURA FUERTE
metal de aporte de soldadura fuerte, y el material compuesto se
coloca en la unión. Así queda en la unión un tercer material que
se deformará durante el enfriamiento y reducirá los esfuerzos
causados por una contracción diferencial de las piezas soldadas
en fuerte.
El metal de aporte que se use para soldar en fuerte metales
disímiles deberá ser compatiblecon ambos metales base. Deberá
tener una resistencia a la corrosión o a la oxidación por io menos
tan buena como la del menos resistente de los metales que se van
a soldar. No deberá formar pares galvánicos que promuevan la
corrosión de fisuras en el área soldada. Los metales de aporte de
soldadura fuerte forman fases de bajo punto de fusión con
muchos metales base, por lo que se requiere adaptaciones del
401
ciclo de soldadura fuerte, de la cantidad y punto de colocación
del metal de aporte, y del diseño de la unión.
Las reacciones metalúrgicas entre el metal de aporte de soldadura fuerte y metales base disímiles pueden ser objetables. Un
ejemplo es la soldadura fuerte de aluminio a cobre. El cobre reacciona con el aluminio para formar un compuesto quebradizo de
bajo punto de fusión. Estos problemas pueden resolverse si se
recubre uno de los metales base con un metal que sea compatible
con el metal de aporte. Si se desea soldar en fuerte aluminio a
cobre, el cobre se chapeará con plata o con una aleación alta en
plata. La unión se soldará en fuerte a 8 16°C( 1500°F) con un metal
de aporte estándar para soldadura fuerte de aluminio.El chapeado
con níquel también forma una barrera de difusión apropiada.
DISEÑO DE LAS UNIONES
UNIÓN TRASLAPADA
LASEPARACIÓNDE la unión influye de manera importante sobre
el desempeño mecánico de una unión soldada en fuerte. Esto se
aplica a todos los tipos de cargas -estáticas, de fatiga y de impacto- y a todos los diseños de uniones. Entre los efectos de la
separación de la unión sobre el desempeño mecánico están: (1)
el efecto puramente mecánico de la restricción del flujo plástico
del metal de aporte por un metal base de mayor resistencia
mecánica, (2) la posibilidad de que la escoria quede atrapada,
(3) la posibilidad de que haya huecos, (4) la relación entre la
separación de la unión y la fuerza capilar que gobierna la distribución del metal de aporte y (5) la cantidad de metal de aporte
que debe difundirse en el metal base cuando se suelda en fuerte por difusión.
Si la unión soldada en fuerte está libre de defectos (inclusiones de fundente, huecos, áreas no soldadas, poros o porosidad),
su resistencia en corte dependerá del espesor de la unión, como
se ilustra en la figura 12.13. Esta figura ilustra cómo la resistencia de la unión al cizallamiento cambia con la separación. Se
UNIÓN A TOPE
Figura 12.11-Uniones traslapada y a tope básicas para
soldadura fuerte
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SEPARACIÓN DE LA UNIÓN
--`,,,```-`-`,,`,,`,`,,`---
SEUSANBÁSICAMENTE dos tipos de uniones en soldadurafuerte:
la unión traslapada y la unión a tope. Estas uniones se muestran
enla figura 12.11.
La unión traslapada puede hacerse tan fuerte como el miembro más débil, incluso cuando se emplea metal de aporte de baja
resistencia mecánica o en presencia de defectos pequeños en la
unión, si se usa un traslapo de por lo menos tres veces el espesor
del miembro más delgado. Las uniones traslapadas ofrecen una
elevada eficiencia de unión y facilidad de fabricación; tienen la
desventaja de que el aumento en el espesor de metal en la unión
crea una concentración de esfuerzos en los cambios abruptos de
área transversal.
Las uniones a tope se usan en los casos en que el espesor de
la unión traslapada sería objetable, y en los que la fortaleza
de una unión a tope soldada en fuerte satisface los requisitos de
servicio. La resistencia mecánica de la unión depende sólo en
parte de la resistencia mecánica del metal de aporte.
La ensambladurafrancesa es una variación de la unión a tope.
Como se muestra en la figura 12.12, el área de sección transversal de esta unión se incrementa sin necesidad de incrementar el
espesor del metal. Hay dos desventajas que limitan el uso de este
tipo de unión: las secciones son difíciles de alinear y la unión no
es fácil de preparar, sobre todo en miembros delgados. Puesto
que la unión está angulada respecto al eje de las cargas en
tensión, la capacidad de soporte de carga es la de una unión a
tope.
Figura 12.12-Diseños de ensambladura francesa
tiDiCOS
Not for Resale
402 S O L D A D U R A F U E R T E
puede usar la tabla 12.6 como guía para determinar las separaciones a la temperatura de soldadura fuerte cuando se diseñan
, FUNDENTEEN FASE GASEOSA
las uniones de modo que tengan resistencia mecánica máxima.
En las figuras 12.14 y 12S3se muestran algunos datos específicos de separación contra resistencia mecánica para uniones
FUNDENTE
RESISTENCIADEL
a tope soldadas en fuerte con plata en acero. La figura 12.14
MINERAL
METAL DEAPORTE DE
muestra los valores de cizallamiento máximos que se obtienen
SOLDADURAFUERTE
RECIENCOLADO
con uniones en varilla de perforación redonda de 12.7 mm (0.5
pulg) empleando plata pura. Las varillas se soldaron en fuerte a
tope con calentamiento por inducción en una atmósfera seca de
U0
10% nitrógeno-90% nitrógeno. La figura 12.15 relaciona la
resistencia a la tensión con el espesor de la unión para uniones
a tope del mismo tamaño soldadas en fuerte. Obsérvesecómo la
SEPARACIÓN DE LA UNIÓN
resistencia mecánica disminuyó cuando la separación se redujo
SEPARACIÓN
a valores extremadamente pequeños.
RECOMENDADA
El metal de aporte para soldadura fuerte se coloca previamente en la unión, por ejemplo como papel metálico entre dos placas. Figura 12.13-Relación entre la separación de la unión
En esta aplicación, las separaciones indicadas en la tabla 12.6
y la resistencia al cizallamiento para dos métodos de
generalmenteno son las correctas. En aplicaciones en las que el
adicación de fundente
metal de aporte se coloca previamente, los miembros que se van
a unir deben precargarse para que la separación de la unión se
reduzca durante la operación de soldadura fuerte. Esto forzará fuerte, y debe fluir hacia el interior de la unión por delante del
al metal de aporte a entrar en los huecos creados por la asperidad metal de aporte. Si la separación de la unión es demasiado
normal de las superficies de empalme. En algunas aplicaciones, pequeña, el fundente mineral puede quedar retenido en la unión
se proporciona metal de aporte adicional extendiendo la calza y no ser desplazado por el metal de aporte fundido, lo que dará
lugar a defectos de la unión. Si la separación es demasiado
de metal de aporte más allá de los bordes de la unión.
grande,
el metal de aporte fundido fluirá alrededor de “bolsas”
El tipo de acción fundente influye de manera importante
de
fundente,
causando excesivas inclusiones de fundente.
sobre la separación que debe tener la unión para obtener una
La
separación
a la temperatura de soldadura fuerte de una
soldadura fuerte dada.
unión
entre
metales
base disímiles se debe calcular a partir de
Un fundente mineral se debe fundir a una temperatura por
datos
de
expansión
térmica.
La figura 12.16 muestra los datos
debajo del intervalo de fusión del metal de aporte de soldadura
de expansión térmica para algunos materiales. La figura 12.17
3. Los datos de ias figuras 12.14 y 12.15 se obtuvieron con especimenes de puede servir para determinar la separación diametral a la temperatura de soldadura fuerte entre metales disímiles.
prueba no estándar.
/
~
Tabla 12.6
SeDaración recomendada de la unión a la temperatura de soldadura fuerte
Clasificaciónde metal
de aporte de la AWS‘
Grupo BAIS¡
Grupo BCuP
Grupo BAg
Grupo BAU
Grupo BCu
Grupo BCuZn
Grupo BMg
Grupo BNi
PU@
0.006-0.010
0.010-0.025
0.001-0.005
0.002-0.005
0.001-0.002c
0.002-0.005
0.000-0.002c
0.000-0.002c
0.002-0.005
0.004-0.010
0.002-0.005
0.000-0.002
mm
0.15-0.25
0.25-0.61
0.03-0.12
0.05-0.12
0.03-0.05
0.05-0.12
0.00-0.05
0.00-0.05
0.05-0.12
0.10-0.25
0.05-0.12
0.00-0.05
SeDaraciónde la unionb
Para longitud de traslapo menor que 6.35 mm (1/4 pulg)
Para longitud de traslapo menor que 6.35 mm (1/4 pulg)
Soldadurafuerte con fundente (mineral)
Soldadura fuerte en atmósfera (fundentes de fase gaseosa)
Soldadurafuerte con fundente (mineral)
Soldadurafuerte en atmósfera (fundentes de fase gaseosa)
Soldadurafuerte en atmósfera (fundentes de fase gaseosa)
Soldadurafuerte con fundente (mineral)
Soldadurafuerte con fundente (mineral)
Aplicaciones generales (fundenteo atmósfera)
Tipos de flujo libre, soldadurafuerte en atmósfera
a. Véase en la tabla 12.2 una explicación de los metales de aporte.
b. Separación sobre el radio cuando intervienen anillos, tapones o miembrostubulares. En algunas aplicaciones puede ser
necesario usar la separación recomendadasobre el diámetro para asegurar que no haya una separación excesiva si toda
la separación está de un solo lado. Una separación excesiva produce huecos, sobre todo si se suelda en fuerte en una
atmósfera de alta calidad (fundente en fase gaseosa).
c. Para obtener resistencia mecánica máxima se debe usar un embonamiento a presión de 0.001 mm/mm o pulg/pulg de
diámetro.
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O
0.001
0.002
0.003
0.004
ESPESOR DE IA UNIÓN, p i g
Figura 12.14-Relación entre la resistencia al cizallamiento y el espesor de la unión soldada en fuerte para
uniones de plata pura en varilla de perforación de acero de 12.7 mm (0.5 pulg) de espesor
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403
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SOLDADURA FUERTE
404
SOLDADURA FUERTE
ESPESOR/DIÁM ETRO
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10-5
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UNIONES íNTEGRAS SIN HUECOS
3 LIGERA IMPERFECCIÓN
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RESISTENCIAA LA TENSIÓN MÁXIMA
DE LA PLATA COLADA PURA
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ESPESOR DE LA UNIÓN, puig
Figura 12.15-Relación entre la resistencia a la tensión y el espesor de uniones a tope de 12.7 mm (0.5 pulg)
de diámetro en acero 4340 soldadas en fuerte con plata
Para resistir una diferencia de coeficientes de expansión térmica muy grande entre dos metales que se van a soldar en fuerte,
el metal de aporte debe ser lo bastante fuerte como para oponer
resistencia a las fracturas, y los metales base deben ceder durante
el enfriamiento. En el ensamble soldado final quedarán algunos
esfuerzos residuales. El ciclaje térmico de un ensamble así
durante su vida de servicio someterá a tensión repetidamente el
área de la unión, lo que puede acortar dicha vida. Las uniones
de estos ensambles de metales disímiles se deben diseñar de tal
modo que los esfuerzos residuales no acrecienten los esfuerzos
impuestos durante el servicio.
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DISTRIBUCIÓN DE ESFUERZOS
Los ENSAMBLES UNIDOS por soldadura fuerte se diseñan para
fallar en el metal base. En los ensambles en que las uniones se
van a someter a cargas ligeras, resulta económico emplear
diseños de unión simplificadosque pueden romperse en la unión
soldada si se someten a una tensión excesiva durante las pruebas
o el servicio.
Un buen diseño tendrá uniones que eviten grandes concentraciones de esfuerzos en los bordes de la soldadura fuerte, y que
Not for Resale
SOLDADURA FUERTE
TEMPERATURA,
TEMPERATURA,
"F
1200
= 0.016
420
1600
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a
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10
TEM PERATURA, "C
TEMPERATURA, "C
(A)
Figura 12.16-(Continúa)-Curvas de expansión termica
para algunos materiales comunes
Figura 12.16-Diseños de unión a tope para soldadura
fuerte que aumentan la capacidad de la unión para
resistir esfuerzos altos y carga dinámica
CONDUCTIVIDAD ELÉCTRICA
distribuyan los esfuerzos de manera uniforme en el metal base.
En las figuras 12.18 a 12.21 se muestran diseños típicos.
Los filetes de metal de aporte no constituyen un buen diseño
para soldadura fuerte. Pocas veces es posible hacer que el metal
de aporte forme de manera consistente un filete con el tamaño y
perfil deseados. Si los filetes quedan muy gniesos, la contracción
o la porosidad tubular actuarán como tina concentración de
esfuerzos.
Los METALES DE aporte para soldadura fuerte en general tienen
baja coiiductividad eléctrica en comparación con el cobre. No
obstante, una unión soldada en fuerte no incrementará de manera
apreciable la resistencia al circuito si se diseña debidamente.
Eii las uniones a tope, el espesor (resistencia) de la unión
soldada en fuerte es muy pequeño si se le compara con la
resisteiich longitudinal del conductor, auiique la resistividad
unitaria del metal de aporte sea mucho más alta que la del metal
base. De cualquier modo, es recomendable usar un metal d e
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406
SOLDADURA FUERTE
NOMOGRAMA PARA LA ECUACIÓN
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AC, = DAT ((Y,-(Y,)
SOLUCIÓN:
AC, = -0.17 mm
NOTAS:
1. Este nomograma da el cambio en el diámetro debido al calentamiento. Se debe buscar una separación que promueva el flujo del
metal de aporte a la temperatura de soldadura fuerte.
2. D
= diámetro nominal de la unión, mm (pulg)
ACD = cambio en la separación, mm (pulg)
AT = temperatura de soldadura fuerte menos temperatura ambiente, OC (“F)
al = coeficiente medio de expansión térmica, miembro macho, mm/mm/OC (pulg/pulg/OF)
a2 = coeficiente medio de expansión térmica, miembro hembra, mm/mm/OC (pulg/pulg/”F)
3. Este nomograma supone un caso en el que alexcede a pde modo que el valor en la escala para (al- a2)es negativo. Por
tanto, los valores resultantes de ACDtambién son negativos, lo que significa que la separación de la unión se reduce al calentar.
Si (a2- a,)es positivo, los valores de ACDse leen como positivos, lo que significa que la separación de la unión se incrementa al
calentar.
Figura 12.17-Nomograma para determinar el cambio en la separación diametral
en uniones.de metales disimiles
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SOLDADURA FUERTE
407
I
ESFUERZO BAJO
A
1
UNIÓN DE BRIDA ATOPE
+T
b
’
eB
3T
t
’
TOPE Y DUPLICADOR
t
t
4T
c
+nr--P-=$+
T
ESFUERZO ALTO
~
~~
Figura 12.20-Diseños de unión a tope para soldadura
fuerte de lámina metálica-La carga sobre la unión A
no puede ser simétrica
~
Figura 12.1û-Diseños de uniones traslapadas para
soldadura fuerte que se usaran con esfuerzos bajos y
altos-La curvatura del miembro derecho en C y D
distribuirá la carga a través del metal base
aporte con baja resistividad, siempre que cumpla con los demás
requisitos del proyecto.
Como los huecos en la unión soldada en fuerte reducen el área
efectiva del camino eléctrico, se recomiendan uniones traslapadas. Una distancia de traslapo de por lo menos 1.5 veces el
espesor del miembro más delgado tendrá una resistencia de
unión aproximadamente igual a un tramo de la misma longitud
de cobre sólido.
nica aparente de la unión” medida con una distancia de traslapo
corta es alta en comparación con la resistencia mecánica de un
traslapo largo. Si dos laboratorios prueban una sola distancia de
traslapo, pueden estar probando en extremos opuestos de la
curva y sacar conclusiones muy distintas. Es preciso muestrear
todo el intervalo de traslapo útil de la curva con objeto de obtener
datos adecuados.
La capacidad de carga de la unión se revela mejor en la
porción de la derecha de la curva de metal base. El ensamble
soldado debe diseñarse de modo que falle en el metal base sin
un traslapo excesivo.
Si desea mayor información, consulte la edición más reciente
de AWS C3.2, Método estándar para evaluar la resistencia
mecánica en corte de uniones soldadas enfuerte.
PRUEBA DE UNIONES SOLDADAS EN FUERTE
HAY NECESIDAD DE estandarizar las pruebas para evaluar la
resistencia mecánica de las uniones soldadas en fuerte. Diferentes diseños de especimenes de prueba han producido resultados
distintos. Obsérvese en la figura 12.22 que la “resistenciamecá-
METALURGIA DE LA SOLDADURA FUERTE
LASTEMPERATURAS DE soldadura fuerte estan por debajo del
solidus del o los metales que se unen. Los cambios metalúrgicos
ESFUERZO BAJO
ESFUERZO ALTO
Figura 12.19-Diseños de unión a tope para soldadura
fuerte que aumentan la capacidad de la unión para
resistir esfuerzos altos Y carga dinámica
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H
’
ESFUERZO ALTO
Fiaura 12.21-Diseños
Not for Resale
de unión en “T” Dara soldadura
--`,,,```-`-`,,`,,`,`,,`---
4
ESFUERZO BAJO
408 S O L D A D U R A F U E R T E
VAPOR
(A) ÁNGULO DE CONTACTO MAYOR
QUE 90"- NO HAY MOJADO
I
$1
w
DISTANCIA DE TRASLAPO-
\\
n
VAPOR
LiQUiDO
Figura 12.22-Esfuerzo de corte unitario medio en la
unión traslapada de soldadura fuerte y resistencia a la
tensión unitaria media en el metal base en función de
la distancia de traslapo-(Los símbolos huecos
representan fallas en el metal de aporte; los símbolos
llenos rewesentan fallas en el metal base)
(B) ÁNGULO DE CONTACTO MENOR
QUE 90°- HAY MOJADO
Figura 12.~-Ángulos de mojado de metales de aporte
para soldadura fuerte
que acompañan a la soldadura fuerte están limitados a reacciones
de estado sólido en el metal base, reacciones de solidificación e
interfaz entre el metal de aporte y reacciones dentro del metal
de aporte sólido. EI flujo capilar dei metal de soldadura fuerte
depende de su tensión superficial, de sus caracteristicas de
mojado y de las reacciones físicas y metalúrgicas que tenga con
el material base, el fundente o atmósfera y los óxidos superficiales dei metal base. La presión hidrostática dentro de la unión
también controla el flujo. La figura 12.23 es una presentación
idealizada del concepto de mojado.
Un ángulo de contacto menor que 90 grados medido entre el
sólido y el líquido por lo regular identifica una característica de
mojado positiva. Los ángulos de contacto mayores que 90 grados
indican que no hay mojado.
En algunos procesos de soldadura fuerte, el mojado y el flujo
se promueven con la adición de fundente. En la soldadiira fuerte
al vacío, el flujo y el mojado dependen por completo de las
interacciones superficiales entre el metal liquido y el metal base.
La mayor parte de los óxidos se desplaza o elimina con fundente.
Los óxidos de cromo, aluminio, titanio y manganeso requiere
tratamiento especial.
En la temperatura máxima durante el ciclo de soldadura
fuerte, cuando hay metal de aporte líquido en la unión, puede
haber erosión del metal base. La rapidez de disolución del metal
base por el metal de aporte depende de los límites de solubilidad
mutuos, de la cantidad de metal de aporte disponible en la unión,
de la temperatura de soldadura fuerte y de la poteiicial fomiación
de aleaciones eutécticas de más baja temperatura.
En algunas ocasiones se puede formar una capa intermedia
de compuesto inteniietálico entre el metal de aporte y el metal
base durante la operación de unión. Se emplean diagramas de
fase para predecir la fonnacióii de compuestos intermetálicos.
Una vez que el metal de aporte se ha solidificado para formar
la unión, los efectos subsecuentes pueden estar bajo el control de
fenómenos de difusión. AI unir superaleaciones con un metal
de aporte con base de níquel que contenga boro, ciclos térmicos
subsecuentes difundirán el boro en el metal base. Este método
de unión metalúrgica se llama soldudirra por difirsión ucrivuda
por líquido, pero en realidad es una extensión del mecanismo de
unión de la soldadura fuerte.
Puede haber penetración de metal de aporte líquido en las
fronteras de grano del metal base. Los metales base sometidos a
esfuerzos so11especialmente susceptibles a la penetración de
metal liquido. Los metales de aporte con base de cobre einpleados eii aleaciones de alto hierro-níquel sometidas a esfuerzos
fallan rápidamente. Los elementos de aleación se difunden con
mayor rapidez en las fronteras de los granos que en la red
cristalina.
Si se forma uiia aleacióii eutéctica, al tener bajo punto de
fusión es posible que llene cualquier grieta de frontera de grano
tan pronto como ésta aparezca; si es así, el daño puede ser
rníninio. Esto se conoce como intrrrsión.
Las características dinámicas del proceso de soldadura fuerte
reciben cada vez mayor reconocimiento, y se está estudiando
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SOLDADURA FUERTE
409
extensivamente la difusión y los cambios metalúrgicos subse- corrosión. Todo lo anterior significa que las propiedades metacuentes que pueden tener lugar durante el servicio. A tempera- lúrgicas y mecánicas de estas uniones pueden cambiar durante
turas elevadas, puede ser que lleguen a ocurrir cambios en estado el servicio y deberán ser evaluadas como parte del proceso de
sólido como resultado directo de la difusión, la oxidación o la calificación de la unión.
PROCEDIMIENTOS DE SOLDADURA
FUERTE
LIMPIEZA PREVIA Y PREPARACIÓN
DE LAS SUPERFICIES
ES INDISPENSABLE QUE las superficies estén limpias y libres de
formación de otras películas igualmente indeseables en las superficies de las uniones o un ataque químico subsecuente del
metal base.
La limpieza mecánica elimina óxidos e incrustaciones y
además hace ásperas las superficies de empalme, lo que puede
mejorar el flujo capilar y el mojado por parte del metal de aporte
de soldadura fuerte. Se puede usar amolado, limado, maquinado
y cepillado con alambre. También se puede usar ráfagas de
material abrasivo limpio, como arena de silica, alúmina y otros
abrasivos no metálicos, pero no deben dejar en las superficies
depósito alguno que pudiera interferir con la soldadura fuerte.
--`,,,```-`-`,,`,,`,`,,`---
óxidos para asegurar uniones soldadas en fuerte íntegras y de
calidad unifonne. Las grasas, los aceites, la suciedad y los óxidos
evitan que el metal de aporte fluya y se adhiera de manera
uniforme, e interfieren con la acción del fundente con la posible
formación de huecos e inclusiones. Si hay óxidos refractarios o
se trata de aplicaciones de soldadurafuerte en atmósfera especial
criticas, la limpieza previa debe ser más minuciosa, y los componentes limpios se deben mantener libres de contaminación.
El lapso durante el cual la limpieza sigue siendo efectiva
depende de los metales en cuestión, de las condiciones atmosfé- EMPLEO DE FUNDENTES Y BLOQUEADORES
ricas, de qué tanto se manipulan las piezas, de la forma como se SI SE VA a usar fundente, se debe aplicar en una capa uniforme
almacenen y de otros factores similares. Se recomienda realizar que cubra por completo las superficies de empalme de las piezas.
la soldadura fuerte tan pronto como sea posible después de haber La forma más común de aplicar fundentes es como pastas o
limpiado las piezas.
líquidos, pero también se puede rociar fundente seco en polvo
El desengrasadogeneralmente se efectúa primero. Los méto- sobre la unión o metiendo el extremo caliente de la varilla de
dos de desengrasado que siguen son los más comunes, y su metal de aporte en el recipiente de fundente. Las partículas
acción puede intensificarse mediante agitación mecánica o por deben ser pequeñas y perfectamente hornogeneizadas a fin de
la aplicación de energía ultrasónica al baño:
mejorar la cobertura del metal y la acción fundente. Se puede
(1) Limpieza con disolventes: disolventes de petróleo o hi- mantener libres de manchas y oxidación las áreas que rodean a
las uniones aplicando fundente a un área amplía a ambos lados
drocarburosclorados.
de
la unión.
(2) Desengrasado con vapor: tricloroetileno o percloroetileEl fundente liquido o en pasta se debe adherir a las superficies
no estabilizados.
metálicas
limpias. Si las superficies no están limpias, el fundente
(3) Limpieza alcalina: mezclas comercialesde silicatos, fosfatos, carbonatos, detergentes, jabones, agentes humectantes y, formará grumos y dejará áreas desnudas. Los fundentes en pasta
espesa se pueden aplicar con brocha; los de consistencia menos
en algunos casos, hidróxidos.
(4) Limpieza con emulsión: mezclas de hidrocarburos, áci- viscosa se pueden aplicar por inmersión, rociado a mano o algún
mecanismo automático. La consistencia correcta depende de los
dos grasos, agentes humectantes y activadores de superficies.
tipos de óxidos presentes, así como del ciclo de calentamiento.
(5) Limpieza electrolítica: tanto anódica como catódica.
Por ejemplo, los óxidos ferrosos que se forman durante el CaLa eliminación de incrustaciones y óxidos se puede efectuar lentamiento rápido del metal base son blandos y fáciles de elimecánica o químicamente. El desengrasado previo permite un minar, por io que sólo se requiere una acción fundente limitada.
contacto íntimo del baño químico con las piezas, y las vibracio- En cambio, cuando se une cobre o acero inoxidable, o cuando el
nes ayudan a eliminar incrustaciones con cualquiera de las ciclo de calentamiento es largo, se requiere un fundente concentrado. El fundentereacciona con oxígeno, y una vez que se satura
siguientes disoluciones:
pierde toda su efectividad. La viscosidad del fundente se puede
reducir sin dilución si se calienta a 50 o 60°C (120 o 14OoF),de
(1) Limpieza ácida: limpiadores ácidos tipo fosfato.
(2) Baño químico ácido: ácidos sulfúrico, nítrico y clorhí- preferencia en una vasija con recubrimiento cerámico equipada
con control de termostato. EI fundente caliente tiene baja tensión
drico.
(3) Baño químico salino: electrolítico o no electrolitico.
superficial y se adhere al metal con mayor facilidad.
Si es preciso restringir el flujo del metal de aporte a áreas
La selección del agente para limpieza química dependerá de definidas, se emplean “bloqueadores”para delinear las áreas que
la naturaleza del contaminante, del metal base, de la condición no se deben soldar en fuerte. Algunas preparaciones bloqueadode la superficie y del diseño de la unión. Por ejemplo, los metales ras comercialesson suspensiones de óxidos de aluminio, cromo,
base que contengan cobre y plata no deberán tratarse con bafio titanio o magnesio en agua o en un aglomerante orgánico; otras
de ácido nítrico. En todos los casos, el residuo químico se deberá se denominan compuestos separadores y también bloqueadores
eliminar mediante un enjuagado exhaustivo a fin de evitar la de reacción superficial.
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410
SOLDADURA FUERTE
COLOCACIÓN DEL METAL DE APORTE
AL DISEÑARUNA unión para soldadura fuerte, es preciso establecer el proceso de soldadura fuerte que se usará y la forma en que
el metal de aporte se colocará en la unión. En la mayor parte de
las uniones soldadas en fuerte a mano, el metal de aporte
simplemente se alimenta a la cara de vista de la unión durante la
soldadura. En el caso de la soldadura fuerte en homo o de alta
producción, el metal de aporte se coloca previamente en la
unión, posiblemente con equipo automático.
Los metales de aporte para soldadura fuerte se producen en
forma de alambres, calzas, polvos y pastas. Las figuras 12.24 y
12.25 ilustran los métodos para colocar previamente metal de
aporte en forma de alambre o lámina. Si se hace un surco en el
metal base para aceptar el metal de aporte precolocado, se deberá
hacer en la sección más gruesa. Al calcular la resistencia mecánica de la unión propuesta, se deberá restar el área del surco del
área de la unión, ya que el metal de aporte saldrá del surco para
fluir hacia las zonas de la unión, como se indica en la figura
12.26.
El metal de aporte en polvo se puede aplicar en cualquiera de
los puntos indicados en la figura 12.24.El polvo se puede aplicar
seco al área de la unión y luego empaparse con aglomerante, o
bien puede mezclarse previamente con el aglomerantey aplicarse a la unión. La densidad del polvo por lo regular es del 50 al
70%de la del metal sólido, por lo que el volumen del surco debe
ser mayor si se usa polvo.
Si se emplean calzas colocadas previamente, las secciones
por soldar en fuerte deberán tener libertad de movimiento cuando las calzas se derritan. Posiblemente se necesite algún tipo de
carga para juntarlas y expulsar de la unión el exceso de metal de
aporte y fundente.
Figura 12.24-Métodos para precolocar alambre de
aporte de soldadura fuerte
CARGA
LZA O RONDANA
ECOLOCADA
t
Figura 12.25;-Colocación previa de calzas de metal de
aDorte Dara soldadura fuerte
ENSAMBLADO
LASPIEZAS QUE se van a soldar en fuerte se deben ensamblar
inmediatamente después de la aplicación de fundente, antes de
que éste tenga tiempo de secarse y descascararse. Los ensambles
diseñados para autoposicionarse y autoapoyarse son los más
económicos.
Si es necesario usar fijaciones para mantener la alineación o
las dimensiones, es conveniente que las fijaciones tengan la
menor masa posible. El contacto con las piezas debe ser en
puntos agudos o filos, lejos del área de la unión. Los contactos
agudos minimizan la pérdida de calor por conducción hacia la
fijación. El material de la fijación debe tener suficiente resistencia mecánica a la temperatura de soldadura fuerte para sustentar
el ensamble, y no debe alearse fácilmente con el trabajo en los
puntos de contacto a temperaturas elevadas. Si se suelda en
fuerte con soplete, se requerirá espacio adicional para aplicar el
soplete y el metal de aporte a la unión. En la soldadura fuerte por
inducción,las fijaciones por lo regular se fabrican con materiales
cerámicos a fin de evitar la colocación de metal ajeno en el
campo de la bobina de inducción. Las fijaciones de cerámica se
pueden diseñar de modo que sirvan como escudos térmicos o
absorbedores de calor.
Figura 12.2ô-Uniones soldadas en fuerte con surcos
para colocar previamente metal de aporte; después del
ciclo de soldadura fuerte los surcos quedan vacíos
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CARGA
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SOLDADURA FUERTE
Eliminacióndel fundente
ENTODOS LQS procesos es necesario eliminar todos los rastros
de fundente del ensamble soldado en fuerte. Los residuos de
fundente por lo regular se pueden quitar enjuagando con agua
caliente. El fundente saturado con óxidos es vidrioso y más
difícil de eliminar. Si el metal y el diseño de la unión pueden
soportar la extinción, el fundente saturado se puede eliminar
extinguiendoel ensamble soldado desde una temperatura elevada. Este tratamiento quebrará el recubrimiento de fundente. En
casos difíciles, puede ser necesario usar una disolución de ácido
(digamos ácido sulfúrico al 10%) caliente, o alguno de los
compuestos limpiadores patentados disponibles en el mercado.
No se debe usar ácido nítrico en aleaciones que contengan cobre
o plata.
Los fundentes que se usan para soldar en fuerte aluminio no
se disuelven en agua fría; por lo regular se enjuagan con agua
muy caliente [por encima de 82°C (180”F)I con una inmersión
subsecuente en ácido nítrico, ácido clorhídrico o una combinación de estos ácidos. Por último, el ensamble se debe enjuagar
perfectamente con agua.
411
Las áreas oxidadas adyacentes a la unión se pueden restaurar
mediante limpieza química o métodos mecánicos, como cepillado con alambre o ráfagas limpiadoras.
Eliminación de bloqueadores
LOS MATERIALES BLOQUEADORES del tipo de “compuesto separador” se pueden eliminar mecánicamente con facilidad empleando cepillos de alambre, ráfagas de aire o enjuague con
agua. La mejor forma de eliminar los bloqueadores del tipo de
“reacción superficial” empleados en metales base resistentes a
la corrosión y al calor es con un baño químico de ácido nítricoácido clorhídrico caliente, excepto si el ensamble contiene cobre
o plata. Las disoluciones de hidróxido de sodio (sosa cáustica)
o bifluoruro de amonio se pueden usar en todas las aplicaciones,
incluidas las de cobre y plata, porque no atacan a los metales
base ni a los metales de aporte. Unos pocos materiales bloqueadores se pueden eliminar fácilmente sumergiendo el ensamble
en ácido nítrico o clorhídrico al 10%.
INSPECCIÓN
LA INSPECCIÓNDE ensambles soldados en fuerte siempre debe
ser obligatoria a fin de proteger al usuario final, pero a menudo
se especifica en los códigos reguladores o en las políticas del
fabricante. La inspección puede realizarse con especimenes de
prueba o probando el ensamble ya terminado. Las pruebas
pueden ser destructivas o no destructivas.
En general, las discontinuidades de soldadura fuerte pertenecen a tres clases generales:
(1) Las asociadas a requisitos dimensionales.
(2) Las asociadas a discontinuidades estructurales de la
unión soldada en fuerte.
(3) Las asociadas al metal de soldadura fuerte o a la unión
soldada.
MÉTODOS DE PRUEBA NO DESTRUCTIVOS
LOS OBJETIVOS DE la inspección no destructiva de uniones
soldadas en fuerte deben ser (1) detectar discontinuidades definidas en normas de calidad o códigos y (2) obtener indicios que
permitan determinar la causa de irregularidadesen el proceso de
fabricación.
Inspección visual
TODAUNIÓNSOLDADA en fuerte se deberá examinar visualmente; es una prueba preliminar conveniente cuando se van a usar
otros métodos de prueba.
La unión deberá estar libre de materiales extraños: grasa,
pintura, aceite, películas de óxido, fundente y bloqueador. El
examen visual deberá revelar fallas debidas a daños, falta de
alineación y embonamiento deficiente de las piezas, inexactitudes dimensionales, flujo insuficiente de metales de aporte de
soldadura fuerte, huecos expuestos en la unión, defectos superficiales como grietas o porosidad y daños térmicos al metal base.
La inspección visual no revela defectos internos, como atrapamiento de fundente en la unión o flujo incompleto del metal
de aporte entre las superficies de empalme.
Prueba en servicio
LAPRUEBA EN servicio es un método de inspección que somete
a la unión soldada a cargas ligeramente superiores a las que
experimentará durante su vida de servicio subsecuente. Estas
cargas se pueden aplicar con métodos hidrostáticos, cargas de
tensión, pruebas centrífugas, o muchos otros métodos. Hay
ocasiones en que no es posible asegurar que la pieza servirá
empleando los otros métodos de inspección no destructiva, y
entonces las pruebas en servicio se convierten en el método más
satisfactorio.
Prueba de fugas
LASPRUEBAS A presión determinan la hermeticidad de un recipiente cerrado. Se pueden usar como método de preselección
para encontrar fugas obvias antes de adoptar métodos de prueba
más sensibles. La prueba con aire o gas a baja presión se puede
hacer con uno de estos tres métodos (que a veces se usan junto
con una prueba en servicio neumática): (1) sumergir el recipiente
a presión en agua y observar si suben burbujas; (2) presurizar el
ensamble, cerrar la entrada de aire o gas y determinar si hay
algún cambio en la presión interna durante cierto periodo (puede
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412
SOLDADURA FUERTE
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ser necesario hacer correcciones para considerar la temperatura);
o (3) presurizar el ensamble y verificar si hay fugas aplicando
solución jabonosa o alguna preparación liquida comercial con
una brocha en el área de la unión y observando si hay burbujas
y dónde.
Un método que a veces se usa junto con una prueba en
servicio hidrostática es examinar visualmente las uniones soldadas en fuerte en busca de indicios de la fuga de fluido hidrostátic0 por la unión.
La prueba de fugas con freón es muy sensible. La pieza que
se va a probar se presuriza con gas freón puro o con un gas como
nitrógeno adicionado de un trazador, como Freón 12. Las áreas
se examinan con un dispositivo muestreador sensible al ion
haluro. La detección de una fuga se indica con un medidor o una
señal audible. Con este método es posible medir cuantitativamente las fugas. Se debe tener cuidado de no contaminar el aire
circundante con freón, pues esto reduciria la sensibilidad del
método.
Un método menos sensible consiste en buscar fugas del gas
trazador con una flama de soplete de butano. La presencia de
Freón 12 se observa por el cambio en el color de la flama. Las
pruebas con flama no deben realizarse cerca de materiales combustibles.
La prueba de fugas con espectrómetro de masas es la fonna
más sensible y precisa de detectar fugas extremadamentepequeñas. Se usa un gas trazador, como helio o hidrógeno, junto con el
espectrómetro de masas en una de dos formas: (1) se evacua
el ensamble soldado en fuerte y se rodea el área por probar
con el gas trazador, con el espectrómetro de masas acoplado al
interior; o bien (2) se presuriza el ensamble soldado con el gas
trazador y se “olfatea” el exterior con la sonda del espectrómetro
de masas. Un dispositivo sensor muy sensible detecta el gas
trazador y convierte su concentración en una señal eléctrica.
Inspección con líquido penetrante
ESTEMÉTODO DE prueba no destructiva encuentra grietas, porosidad, flujo incompleto y defectos superficiales similares en las
uniones soldadas en fuerte. Los penetrantes comerciales coloreados o fluorescentes entran por acción capilar en las aberturas
superficiales. Una vez eliminado el penetrante de la superficie,
el penetrante introducido en los defectos se extrae con un revelador blanco que se aplica a la superficie. EI penetrante coloreado puede verse bajo luz ordinaria; las indicaciones de defectos
con penetrante fluorescente brillan bajo una fuente de luz ultravioleta (negra). Como aqui interviene la penetración en aberturas diminutas, la interpretación a veces se dificulta por las
irregularidades de los filetes de soldadura fuerte y los residuos
de depósitos de fundente. Es preciso usar otro método de inspección para diferenciar las irregularidades superficiales de las
discontinuidadesde la unión.
Inspección radiográfica
LAINSPECCIÓNRADIOGRÁFICAde ensambles soldados en fuerte
detecta la falta de adhesión o el flujo incompleto de metal de
aporte. Las uniones deberán tener espesor uniforme y la exposición deberá realizarse en una linea normal a la unión. La sensibilidad de este método por lo regular está limitada al 2% del
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espesor de la unión. La absorción de los rayos X por ciertos
metales de aporte, como el oro y la plata, es mayor que la de la
generalidad de los metales base; por tanto, las áreas de la unión
en las que no hay metal de aporte se ven mucho más oscuras que
el área soldada en la pelicula o en la pantalla.
Inspección ultrasónica
EL &TODO DE prueba ultrasónica empleando vibraciones mecánicas de baja energía y alta frecuencia (ondas sonoras)detecta,
localiza o identifica con facilidad discontinuidades en las uniones soldadas. La aplicabilidad de este método a los ensambles
depende en buena parte del diseño de la unión, la condición de
la superficie, el tamaño de grano de los materiales y la configuración de las áreas adyacectes.
Inspección térmica por transferencia de calor
LAINSPECCIÓN POR transferencia de calor detecta falta de adhesión en ensambles soldados en fuerte tales como las superficies
de tableros de panal y de piel sobre armazón. Con una de las
técnicas, las superficies se recubren con un revelador que es un
polvo de bajo punto de fusión. El revelador se funde y migra
hacia las áreas menos calientes cuando se aplica calor con una
lámpara de luz infrarroja. Las áreas en que hubo adhesión actúan
como disipadores de calor y producen un gradiente térmico ante
el cual el revelador reacciona. Las técnicas más avanzadas usan
materiales fosforescentes, cristales liquidos y materiales sensibles a la temperatura.
Hay dispositivos sensibles al infrarrojo provistos con algún
tipo de lectura para detectar diferencias de temperatura de menos
de 1°C (2”F),que indican variaciones en la calidad de la soldadura fuerte.
MÉTODOS DE PRUEBA DESTRUCTIVOS
LOS MÉTODOS DE inspección destructivos muestran claramente
si un diseño de ensamble soldado en fuerte satisface o no los
requisitos del servicio al que se le destinará. Los métodos destructivos deben limitarse a un muestreo parcial; se usan para
verificar los métodos de inspección no destructivos mediante el
muestreo de material de producción a intervalos apropiados.
Inspección metalográfica
ESTEMÉTODO REQUIERE el corte de secciones de las uniones
soldadas en fuerte y su preparación para un examen macroscópico o microscópico. La inspecciónmetalográfica detecta defectos (sobre todo porosidad), flujo deficiente de metal de aporte,
erosión excesiva del metal base, difusión del metal de aporte y
einbonamiento incorrecto de la unión, y además revela la microestructura de la unión soldada en fuerte.
Pruebas de pelado
A MENUDO SE EMPLEAN pruebas de pelado para evaluar uniones
traslapadas. Un miembro del espécimen soldado en fuerte se
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SOLDADURA FUERTE
sujeta rígidamente en una prensa, y el miembro libre se “pela”
de la unión. Las piezas rotas revelan la calidad general de la
adhesión y la presencia de huecos e inclusiones de fundente en
la unión. Las tolerancias en cuanto al número, el tamaño y la
distribución de estas discontinuidades deben estar definidas en
el contrato de trabajo, especificación o código.
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Pruebas de tensión y corte
ESTASPRUEBAS DETERMINAN cuantitativamente ia resistencia
mecánica de la unión soldada en fuerte, o verifican las resistencias relativas de ia unión y el metal base. Este método se usa
mucho para desarrollar un procedimientode soldadura fuerte. Ei
muestre0 al azar de uniones soldadas sirve para controlar la
calidad y verificar el rendimiento de la soldadura fuerte.
Pruebas de torsión
LA PRUEBA DE torsión evalúa las uniones soldadas en fuerte
cuando un miembro es un-perno, tomillo o tubo soldado a un
miembro base. &te se sujeta con rigidez y el perno, tomillo o
tubo se gira hasta que hay falla, sea en el metal base o en la
aleación de soldadura fuerte.
IMPERFECCIONES COMUNES
DE LAS UNIONES SOLDADA§ EN FUERTE
LASINSPECCIONES DESTRUCTIVA y no destructiva identifican los
siguientes tipos de imperfecciones de soldadura fuerte. Los
límites de aceptabilidad se deberán definir especificamente.
Falta de llenado (huecos, porosidad)
LA FALTA DE llenado puede ser el resultado de una limpieza
inadecuada, una separación excesiva, falta de metal de aporte,
gas atrapado y movimiento de las piezas embonadas por deficiencias de la fijación. El metal de aporte es vulnerable cuando
se encuentra en estado líquido o parcialmente liquido. La falta
de llenado reduce la resistencia mecánica de la unión porque
reduce el área que soporta la carga, y puede proveer un camino
de fuga.
413
Atrapamiento de fundente
atrapado en cualquier operación de
soldadura fuerte en la que se agregue fundente para evitar y
eliminar la oxidación durante el cicio de calentamiento. El
fundente atrapado en la unión evita el flujo del metal de aporte
al interior de esa área y por tanto reduce la resistencia mecánica
de ia unión; además, puede falsear las indicaciones de las pruebas de fugas y en servicio. Si queda atrapado un fundente
corrosivo, posiblemente reduzca la vida de servicio.
PUEDE HABER FUNDENTE
Filetes discontinuos
LAFALTA DE filetes por io regular se observa durante ia inspección visual. Que las omisiones puedan tolerarse o no dependerá
dei contrato de trabajo.
Erosión del metal base
LA EROSION occuando el metal de aporte de soldadura
fuerte se alea con el metal base. Puede causar socavamiento o la
desaparición de ia superficie de empalme. La erosión reduce la
resistencia mecánica de ia unión porque altera la composición
de los materiales y reduce el área de sección transversal del metal
base.
Aspecto superficial insatisfactorio
U N ASPECTO INSATISFACTORIOdel metal de aporte de soldadura
fuerte (lo que incluye aspereza y una extensión excesiva) son
objetables no sólo por razones estéticas. Los defectos de apariencia pueden actuar como concentraciones de esfuerzos o
sitios de corrosión, y pueden interferir con la inspección del
ensamble soldado.
Grietas
LASGRIETAS REDUCEN tanto la resistencia mecánica como la
vida de servicio. Actúan como elevadores de esfuerzos, disminuyendo la resistencia mecánica dei ensamble soldado y causando falla prematura por fatiga.
LOCALIZACIÓN DE PROBLEMAS
UNA SOLDADURA FUERTE insatisfactoria por lo regular es el
resultado de las siguientes deficiencias:
(3) Erosión - el metal de aporte ataca el metal base y reduce
el espesor de ias piezas originales.
(i) No hay mojado - no hay flujo capilar y quedan huecos.
(2) Mojado excesivo - hay demasiado metal de aporte donde
no se desea, por ejemplo, en agujeros o en superficies maqui-
Si es posible identificar la causa básica de cada una de estas
deficiencias, se podrá resolver el problema. La tabla 12.7 presenta una lista de los aspectosa considerarpara cada mo de estos
problemas.
nadas.
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414
SOLDADURA FUERTE
Tabla 12.7
Soluciones a los problemas de soldadura fuerte típicos
PROBLEMA
-No hay flujo, no moja
CAUSAS:
-Metal de aporte - Lote diferente o equivocado
-Baja temperatura- mala técnica, error de termopar/controlador
-Tiempo - demasiado corto
-Piezas sucias - limpieza inadecuada
-Mala atmósfera - muy poco fundente, fundente equivocado, gas o vacío deficiente
-Falta de chapeado con Ni - hay oxidación del metal base
-Separación excesiva - control de embonamientodeficiente
PROBLEMA
-Exceso de flujo o de mojado - Causa taponado de agujeros, suelda uniones equivocadas
CAUSAS:
-Temperatura demasiado alta - mala técnica, error de horno
-Tiempo - demasiado largo
-Demasiado metal de aporte - mala técnica, diferente espesor de separación
-Metal de aporte - Lote diferente o equivocado
-No se usó bloqueador
PROBLEMA
-Erosión - EI metal de aporte de soldadura fuerte carcome el metal original
CAUSAS:
-Temperatura demasiado alta - mala técnica, error de horno
-Tiempo a temperatura demasiado largo - mala técnica, error de controlador
-Demasiado metal de aporte - mala técnica, cambio en la separación, piezas en diferente
posición relativa
-Piezas trabajadas en frio - muy susceptibles -cambio de fabricante de las piezas -no se
liberaron las tensiones
-Los metales de aporte de soldadura fuerte están demasiado por encima del liquidus o hay
una concentración excesiva de depresores del punto de fusión
LATONADO
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EL LATONADO SE efectua empleando un metal de aporte de
soldadura fuerte que tenga un liquidus por encima de 450°C
(840°F) pero por debajo del solidus de los metales base que se
van a soldar. Como se señaló en la primera página del presente
capitulo, el latonado se distingue de la soldadura fuerte en que
el metal de aporte no se distribuye dentro de la unión por atracción capilar. Ei metal de aporte se agrega a la unión en forma de
varilla de soldadura o se deposita desde un electrodo de soldadura por arco.4 Los metales base no se funden, sólo lo hace el
metal de aporte. La adhesión tiene lugar entre el metal de aporte
depositado y los metales base calientes no fundidos, igual que
en la soldadura fuerte convencional, pero sin un flujo capilar
intencional. Los diseños de uniones para el latonado son simiiares a los que se usan para la soldadura con oxiacetileno.
El latonado se inventó originalmente para reparar piezas de
hierro colado agrietadas o rotas. La soldadura autógena dei
hierro colado requiere un precalentamiento extenso y un enfriamiento lento, a fin de minimizar ia aparición de grietas y la
4. El latonado de hieno colado a veces se realiza con el proceso de soldadura
p r arco de metal protegido. Véase el capitulo 2.
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formación de cementita dura. Con el latonado, ias grietas y la
cementita son más fáciles de evitar, y surgen menos problemas
de expansión y contracción.
El latonado generalmente se realiza con un soplete de soldadura con gas oxicombustible,una varilla de latonado de aleación
de cobre y un fundente apropiado. El latonado también puede
hacerse con sopletes de arco de carbono, arco de tungsteno y gas
y arco de plasma, sin fundente. El soplete de arco de carbono
sirve para soldar láminas de acero galvanizado. Los sopletes de
GTAW y PAW, que usan escudo de gas inerte, latonan bien con
metales de aporte que tienen punto de fusión relativamentealto.
El latonado tiene las siguientes ventajas respecto a los procesos de soldadura por fusión convencionales:
(1) Se requiere menos calor para lograr la adhesión, lo que
permite soldar más rápidamente y consumir menos combustible.
El proceso produce poca distorsión a causa de la expansión y
contracción térmicas.
(2) El metal de aporte depositado es relativamenteblando y
dúctil, fácil de maquinar y sometido a esfuerzos residuales bajos.
(3) Las soldaduras tienen suficiente resistencia mecánica
para muchas aplicaciones.
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SOLDADURA FUERTE
(4) El equipo es sencillo y fácil de usar.
(5) Los metales quebradizos, como el hierro colado gris, se
pueden latonar sin un precalentamiento extenso.
(6) EI proceso es una forma conveniente de unir metales
disímiles; por ejemplo, cobre a hierro colado y acero, y aleaciones níquel-cobre a hierro colado y acero.
El latonado tiene desventajas, a saber:
(1) La resistencia mecánica no puede ser mayor que la del
metal de aporte.
(2) Las temperaturas de servicio del producto son más bajas
que las de las soldaduras por fusión porque el metal de aporte
tiene punto de fusión bajo. Si se usa metal de aporte de aleación
de cobre, la temperatura de servicio no podrá ser mayor que
260°C (500°F)o incluso menos.
(3) La unión latonada puede ser propensa a corrosión galvánica y ataque químico diferencial.
(4) EI color del metal de aporte de latonado tal vez no se
asemeje al del metal base.
EQUIPO
415
Metales de aporte
LOS METALES DE aporte para latonado comerciales son los
latones que contienen aproximadamente 60% de cobre y 40%
de cinc. Las aleaciones de latonado con pequeñas adiciones de
estaño, hierro, manganeso y silicio tienen caracteristicas de flujo
mejoradas y menor volatilización de cinc, eliminan oxígeno e
incrementan la fortaleza y dureza de la soldadura. EI metal de
aporte con adición de níquel (10%)tiene un color más blanco y
mayor resistencia mecánica.
En la tabla 12.8 se presenta la composición química y las
propiedades de tres varillas de soldadura de cobre-cinc que se
emplean para latonar. La resistencia a la tensión mínima de la
unión será de aproximadamente 40 a 60 ksi (275 a 413 MPa).
La resistencia mecánica de la unión decae rápidamente cuando
el ensamble latonado está por encima de 260°C (500°F).
Como un latonado es una unión bimetálica, es preciso considerar la corrosión en su aplicación. La unión soldada estará
sujeta a corrosión galvánica en ciertos entornos, y el metal de
aporte puede ser menos resistente a ciertas disoluciones químicas que el metal base.
Fundentes
EL LATONADO CONVENCIONAL se realiza con un soplete de
soldadura con gas oxicombustible y el equipo asociado descrito
en el capítulo 11. En algunas aplicaciones se puede necesitar un
soplete de precalentamientocon gas oxicombustible. En aplicaciones especiales se usa equipo para soldadura por arco de carbono, por arco de tungsteno y gas o por arco de plasma, mismo que
se describió en otros capítulos del Manual.
También puede requerirse equipo de sujeción y fijación para
mantener las piezas en su lugar y alinear la unión.
sarrollados para latonar determinados metales base con varillas
de metal de aporte de latón. Estos fundentes se diseñan para
usarse a temperatura más altas que las que prevalecen en operaciones de soldadura fuerte, por lo que permanecen activos durante más tiempo a temperatura que fundentes similares utilizados para soldadura fuerte capilar. Los siguientes tipos de
fundentes son de uso general para el latonado de hierro y aceros:
(1) Un fundente básico que limpia el metal base y las franjas
de soldadura y coadyuva en el recubrimiento previo (estañado)
del metal base. Se utiliza para acero y para hierro maleable.
(2) Un fundente que realiza las mismas funciones que el
fundente básico y además suprime la formación de vapores de
óxido de cinc.
(3) Un fundente formulado especificamentepara latonar hierro colado gris o maleable. Contiene óxido de hierro o dióxido
de manganeso que se combinan con el carbono libre de la
superficie del hierro colado y lo eliminan.
MATERIALES
Metales base
EL LATONADO GENERALMENTE se usa para unir hierro colado y
acero, y puede servir para unir cobre, níquel y aleaciones de níquel. Otros metales se pueden latonar con metales de aporte
apropiados que los mojen y formen un enlace metalúrgico fuerte con ellos.
Es posible latonar ensambles de metales disímiles entre muchos de los metales arriba mencionados si se emplean metales
de aporte adecuados.
EI fundente puede aplicarse con uno de estos cuatro métodos:
Tabla 12.8
Varillas de soldadura de cobre-cinc para latonado
Composición quimica aproximada, %
Clasificación
de la AWS'
RBCuZn-A
RBCuZn-C
RBCuZn-D
Cobre
Cinc
Estai0
Hierro
60
39
38
40
1
1
1
60
50
Resistencia a la tensión min.
Niquel
10
Si desea información adicional, consulte las especificaciones A5.7 y A5.8 de la AWS.
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Temperatura de liquidus
ksi
MPa
"F
"C
40
50
275
344
60
413
1650
1630
1714
900
890
935
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LOS FUNDENTES PARA latonado son compuestos patentados de-
416
SOLDADURA FUERTE
(1) La varilla de aporte caliente puede meterse en el fundente
para transferirlo a la unión durante el latonado.
(2) El fundente puede aplicarse con brocha sobre la unión
antes de latonar.
(3) La varilla de aporte puede recubrirse previamente con
fundente.
(4) El fundente puede introducirse por medio de la flama de
gas oxicombustible.
colado, puede ser que no se necesite fijación si la pieza no se
fragmentó.
Preparación de las uniones
LOS DISEÑOS DE unión para latonado son similares a los de la
soldadura con oxiacetileno. En espesores de más de 3 mm (3/32
pulg), los surcos en “V” sencillos o dobles se preparan con un
ángulo incluido de 90 a 120 grados, a fin de proveer áreas de
unión extensasentre el metal base y el metal de aporte. Es posible
usar surcos cuadrados con espesores de menos de menos de 3
CONSIDERACIONES METALÚRGICAS
mm (3/32 pulg).
ENEL LATONADO, el enlace entre el metal de aporte y el metal
Las caras preparadas de la unión y las superficies adyacentes
base es el mismo que ocurre en la soldadura fuerte convencional. del metal base se deben limpiar con el fin de eliminar todo rastro
El metal base limpio se calienta hasta una temperatura en la que de óxido, suciedad, grasa, aceite y demás materiales extraños.
su superficie se moja con el metal de aporte fundido y produce En el hierro colado, las caras de la unión también deben estar
un enlace metalúrgico entre ellos. La limpieza es indispensable; libres de embarraduras de grafito remanentes de un maquinado
la presencia de suciedad, aceite, grasa, película de óxido o previo. EI grafito puede eliminarse calentando rápidamente el
carbono inhibe el mojado.
hierro colado hasta que adquiera un color rojo opaco y cepillánUna vez mojado el metal base, hay difusión entre éste y el dolo con alambre una vez que se haya enfriado a negro vivo. Si
metal de aporte en una zona angosta de la zona de unión. De la pieza colada se empapó con aceite, se deberá calentar a 320 hecho, en algunos metales base el metal de latonado puede 650°C (600 - 1200°F) para quemar el aceite, y las superficies
penetrar un poco en las fronteras de los granos del metal base, deberán cepillarse con alambre para eliminar cualquier residuo.
contribuyendo aún más a la fortaleza de la unión.
En el latonado de producción de componentes de hierro
Los materiales de aporte para latonado son aleaciones con la colado, las superficies por unir normalmente se limpian por
suficiente ductilidad en su estado colado para fluir plásticamente inmersión en un baño electrolítico de sal fundida.
durante la solidificación y el enfriamiento subsecuente. Por
tanto, las aleaciones toleran los esfuerzos de contracción. Las
aleaciones bifásicas con un constituyente de bajo punto de fusión Precalentamiento
en las fronteras de los granos no se pueden emplear, pues se ES POSIBLE QUE se requiera precalentamiento para evitar la
forman grietas en las fronteras durante la solidificación y el formación de grietas por esfuerzos inducidos térmicamente en
enfriamiento.
piezas de hierro colado grandes. Si se precalienta el cobre se
reducirá la cantidad de calor exigida al soplete de latonado y el
tiempo requerido para completar la operación.
APLICACIONES GENERALES DEL PROCESO
EI precalentamiento puede ser local o general. La temperatura
LA PRINCIPAL APLICACIÓN del latonado es la reparación de deberá estar entre 425 y 480°C (800 y 900°F) para el hierro
piezas de hierro colado y acero rotas o defectuosas. Ya que es colado, y se pueden usar temperaturas más altas para el cobre.
factible reparar componentes grandes en su lugar, el ahorro en Una vez que se completa el latonado de piezas de hierro colado,
términos de costos es considerable. El latonado también une con se les debe aislar térmicamente para que se enfríen con lentitud
rapidez láminas y tubos de acero dulce de calibre delgado en hasta la temperatura ambiente y así minimizar la creación de
casos en que la soldadura autógena sería difícil.
esfuerzos inducidos térmicamente.
Los ductos de acero galvanizado se latonan con una fuente
de calor de arco de carbono. La temperatura de latonado se Técnica
mantiene por debajo de la temperatura de vaporización del cinc,
lo cual minimiza la pérdida del recubrimiento protector de cinc LA UNIÓN POR latonar con flama de gas oxicombustible debe
de las superficies de acero, pero expone al soldador a una alinearse y fijarse en la posición correcta. Si se requiere fundencantidad significativa de vapores de cinc, por lo que se requiere te, se aplica a una varilla de aporte precalentada (a menos que la
ventilación de extracción.
varilla ya venga recubierta de fundente) y también se rocía sobre
Los espesores de metales que se pueden latonar van desde uniones gruesas mientras se calientan con el soplete. El metal
láminas de calibre delgado hasta secciones de hierro colado muy base se calienta hasta que el metal de aporte se derrite, moja el
gruesas. Se usan soldaduras de filete y de surco para latonar metal base y fluye hacia las caras de la unión (recubrimiento
uniones a tope, de esquina, traslapadas y en “T”.
previo). A continuación, la operación de latonado avanza a lo
largo de la unión, precalentandolas caras y llenando el surco con
una o más pasadas, empleando técnicas similares a las de soldaPROCEDIMIENTO DE LATONADO
dura con gas oxicombustible. Si se usa flama de oxiacetileno, el
cono interno no deberá dirigirse a los metales de aporte de
Fijación
aleación cobre-cinc, ni a los metales base de hierro o acero.
Si se emplean sopletes de arco eléctrico, la técnica es similar
POR LO REGULAR se requiere una fijación adecuada para tnantener las piezas en el lugar correcto y bien alineadas para el a la del latonado con flama, excepto que casi nunca se usa
latonado. Para reparar grietas y defectos en piezas de hierro fundente.
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SOLDADURA FUERTE
TIPOS DE SOLDADURAS
SEEMPLEAN SOLDADURAS de surco, filete y borde para latonar
ensambles hechos con láminas y placas, tubos y conductos,
varillas y barras, piezas coladas y piezas forjadas. Si se desea
417
obtener uniones con buena resistencia mecánica, el área de uniLn
entre el metal de aporte de latonado y el metal base debe ser
suficiente. La geometría del surco de soldadura debe tener un
área facial tal que la unión no falle a lo largo de las superficies
de contacto.
PRÁCTICAS SEGURAS PARA SOLDADURA FUERTE
LOS PELIGROS QUE presentan las operaciones de soldadura fuerte
son similares a los que se asocian a la soldadura autógena y el
corte. Algunos elementos se vaporizan a las temperaturas de
soldadura fuerte y producen gases tóxicos. El personal y las
instalaciones requieren protección contra materiales calientes,
gases, humos, choque eléctrico, radiación y sustancias quimicas.
Los requisitos de seguridad mínimos para la soldadura fuerte
se especifican en ANSI 249.1, Seguridad al soldar y cortar,’
publicada por la American Welding Society, Miami, Florida.
Esta norma se aplica a la soldadura fuerte, el latonado y la
soldadura blanda, así como a otros procesos de soldadura autógena y corte.
Protección para el rostro y los ojos
LAPROTECCI~NPARA
el rostro y los ojos debe cumplir con ANSI
287.1, Prácticas ocupacionales y educacionales para proteger
los ojos y el rostro. Los operadores y sus ayudantes deberán usar
gafas o lentes de seguridad con filtros del tono cuatro o cinco
cuando suelden en fuerte con soplete. Los operadores de equipo
de soldadura fuerte por resistencia, por inducción, o por inmersión en baño de sal deberán usar caretas, gafas o lentes de
seguridad, según sea apropiado, a fin de protegerse la cara y los
ojos.
Ropa protectora
PRÁCTICAS SEGURAS DE ÁREA GENERAL
EL EQUIPO PARA soldadura fuerte, máquinas, cables y demás
aparatos deben colocarse de modo que no representen un peligro
para el personal en las áreas de trabajo, pasillos o escaleras, que
siempre deben mantenerse limpios y ordenados.
Se recomienda fijar letreros de precaución que se ajusten a
los requisitos de ANSI 2535.2, Letreros de seguridad para
eiitorizos e instalaciones, indicando los peligros aplicables y los
requisitos de seguridad.
LAROPA PROTECTORA apropiada para la soldadura fuerte deberá
cubrir debidamente el cuerpo y ses de materiales que minimicen
las quemaduras causadas por salpicaduras o radiación. Son
preferibles los materiales gruesos de lana o algodón, ya que se
prenden con menor facilidad. Toda la indumentaria deberá estar
libre de aceite, grasa y disolventes combustibles. Los latonadores deberán usar guantes resistentes al calor hechos de cuero u
otro material apropiado.
Equipo protector respiratorio
PROTECCIÓN PERSONAL
Ventilación
E S INDISPENSABLEQUE haya
una ventilación adecuada para que
el personal no inhale los gases y humos que se generan durante
la soldadura fuerte. Algunos metales de aporte y metales base
contienen materiales tóxicos como cadmio, berilio, cinc, mercurio o plomo, que se vaporizan durante la soldadura fuerte. Los
fundentes contienen compuestos de fluor, cloro y boro, que son
perjudiciales si se inhalai1 o entran en contacto con los ojos o la
piel.
Los disolventes como los hidrocarburos clorados, y los conpuestos de limpieza como ácidos y álcalis, pueden ser tóxicos o
inflamables, o causar quemaduras químicas si están presentes en
el entorno de soldadura fuerte.
A fin de evitar la asfixia, se debe utilizar con cautela los
hornos de atmósfera protectora, cuidando que se purguen con
aire antes de que el personal entre en ellos.
5. Aniencan National Standards Institute (ANSI), 1430 Broadway, NY,10018.
CUANDO LOS CONTROLES corno la ventilación no logran reducir
la contaminación del aire a niveles tolerables, o en los casos en
que no es posible poner en práctica tales controles, se deberá
usar equipo de respiración para proteger al personal de concentraciones peligrosas de contaminantes en el aire. Sólo debe
usarse equipo de protección respiratoria aprobado. En Estados
Unidos, tal aprobación corre por cuenta del National Institute of
Occupational Safety and Health (NIOSH) y la Mine Safety and
Health Administration (MSHA). La selección del equipo apropiado deberá ajustarse a ANSI 288.2.
ETIQUETAS PRECAUTORIAS Y HOJAS
DE DATOS DE SEGURIDAD DE MATERIALES
LASOPERACIONES DE soldadura fuerte presentan riesgos potenciales por humos, gases, choque eléctrico, calor y radiación. En
los casos aplicables, se deberá prevenir al personal de tales
riesgos empleando etiquetas precautorias apropiadas según las
pautas de ANSYASC 249.1. En las figuras 12.27 a 12.30 se
muestran ejemplos de tales etiquetas.
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418 S O L D A D U R A F U E R T E
PRECAUCION: PROTEJASE usted mismo y a los demás. Lea y entienda esta etiqueta.
Los HUMOS Y GASES pueden ser peligrosos para ia salud.
Los RAYOS DEL ARCO pueden dañar los ojos y quemar la piei.
Los CHOQUES ELÉCTRICOS pueden ser MORTALES.
Antes de usar, lea y entienda ias instrucciones del fabricante, las hojas de datos de seguridad de materiales y las prácticas de
seguridad de su empresa.
Mantenga la cabeza fuera de los humos.
Utilice suficiente ventilación, extractor en el arco, o ambas cosas, para evitar que los humos y gases invadan su zona de
respiración y el área general.
Utilice protección para ojos, cara y cuerpo correcta.
No toque componentes eléctricos que lleven comente.
Consulte la norma ANSI 249.1, Seguridad al soldar y cortar, publicada por la American Welding Society, 550 N.W. LeJeune
Rd., P.O. Box 351040, Miami, Florida, 33135; las normas de seguridad y salud de OSHA, 29 CFR 1910, disponibles de U.S.
Government Printing Office, Washington, D.C. 20402.
NO RETIRE ESTA ETIQUETA
~~
Figura 12.27-Etiqueta
~
precautoria para procesos y equipo de soldadura por arco
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PRECAUCION: PROTÉJASE usted mismo y a los demás. Lea y entienda esta etiqueta.
Los HUMOS Y GASES pueden ser peligrosos para la salud.
Los RAYOS CALORIFICOS (RADIACION INFRARROJA de las flamas o el metal caliente) pueden dañar los ojos.
Antes de usar, lea y entienda las instrucciones del fabricante, las hojas de datos de seguridad de materiales y las prácticas de
seguridad de su empresa.
Mantenga la cabeza fuera de los humos.
Utilice suficiente ventilación, extractor en la flama, o ambas cosas, para evitar que los humos y gases invadan su zona de
respiración y el área general.
Utilice protección para ojos, cara y cuerpo correcta.
Consulte la norma ANSI 249.1, Seguridad al soldary cortar, publicada por la American Welding Society, 550 N.W. LeJeune
Rd., P.O. Box 351040, Miami, Florida, 33135; las normas de seguridad y salud de OSHA, 29 CFR 1910, disponibles de U.S.
Government Printing Office, Washington, D.C. 20402.
NO RETIRE ESTA ETIQUETA
Figura 12.28-Etiqueta
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precautoria para procesos de soldadura con gas oxicombustible
Not for Resale
SOLDADURA FUERTE
419
PRECAUCION CONTIENE CADMIO, protéjase usted mismo y a los demás. Lea y entienda esta etiqueta.
LOS VAPORES SON VENENOSOS Y PUEDEN SER MORTALES
Antes de usar, lea y entienda las instrucciones del fabricante, las hojas de datos de seguridad de materiales y las prácticas de
seguridad de su empresa.
Utilice suficiente ventilación, extractor en el trabajo, o ambas cosas, para evitar que los humos y gases invadan su zona de
respiración y el área general. Si esto no es posible, utilice respiradores con suministro de aire.
Mantenga a los niños alejados mientras se usa.
Consulte la norma ANSI 249.1, Seguridad alsoldary cortar, publicada por la American Welding Society, 550 N.W. LeJeune
Rd., P.O. Box 351040, Miami, Florida, 33135; las normas de Seguridad y salud de OSHA, 29 CFR 1910, disponibles de U.S.
Government Printing Office, Washington, D.C. 20402.
Si después del uso experimenta dolor en el pecho, dificultad para respirar, tos o fiebre, obtenga auxilio médico de inmediato.
NO RETIRE ESTA ETIQUETA
Figura 12.29-Etiqueta
precautoria para metales de aporte de soldadura fuerte que contienen cadmio
Procesos de soldadura fuerte por resistencia
y por inducción
COMOMiNIMO, DEBE colocarse la información que se muestra
en la figura 12.27, o su equivalente, en los recipientes de materiales consumiblesy en los equipos principales, como fuentes de
potencia, alimentadores de alambre y controles empleados en
los procesos de soldadura fuerte por resistencia eléctrica o por
inducción. El trabajador debe tener a la vista la información, que
puede estar en un rótulo, una etiqueta u otra forma impresa,
según se define en ANSI 2535.2 y ANSI 2535.4, Letreros y
rótulos de seguridad de productos.
Procesos de soldadura fuerte con gas
oxicombustible, en horno o por inmersión
COMO MiNIMO, DEBE coiocarse ia información que se muestra
en la figura 12.28, o su equivalente, en los recipientes de inateriales consumibles y en los equipos principales empleados en los
procesos de soldadura fuerte con gas oxicombustible, en horno
(excepto al vacío) y por inmersión. El trabajador debe tener a la
vista la información, que puede estar en un rótulo, una etiqueta
u otra forma impresa, según se define en ANSI 2535.2 y ANSI
2535.4.
Metales de aporte que contienen cadmio
COMO MiNIMO, LOS metales de aporte que contengan mas del
O. 1 % en peso de cadmio deben llevar la información que se
muestra en la figura 12.29, o su equivalente, en etiquetas, cajas
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u otros recipientes, y en todos los rollos, tiras o alambres que no
se suministren al usuario en un recipiente rotulado. Los requisitos de rotulación deben ajustarse además a lo prescrito en ANSI
2535.4.
Fundentes de soldadura fuerte que contienen
fluoruros
COMO MiNIMO, LOS fundentes para soldadura fuerte y las sales
para baño salino de aluminio (soldadura fuerte por inmersión)
que contengan compuestos de fluor deben llevar información
precautoria según se muestra en la figura 12.30,o su equivalente,
en etiquetas, cajas, frascos u otros recipientes. Los rótulos para
otros fundentes deben cumplir con los requisitos de ANSI
Z 129.1, Rotulación precautoria para qici'niicos indicstrialespe-
ligrosos.
Hojas de datos de seguridad de materiales
Los PROVEEDORES DE materiales para soldadura fuerte deben
proporcionar hojas de datos de seguridad de materiales (MSDS),
o su equivalente, para identificar los materiales peligrosos presentes, si acaso, en sus productos. Las hojas de datos se prepararán y distribuirán a los usuarios de acuerdo con lo prescrito en
OSHA 29CFR 1910.1200,Nornta de coniunicación depeligros.
Los fundentes, metales de aporte, recubrimientos y atmósferas empleados en soldadura fuerte pueden contener varios materiales potencialmente peligrosos. Si los humos o gases de un
producto contienen un componente cuyo valor limitante individual se excederá antes de alcanzarse el límite general de humos
Not for Resale
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No respire los vapores. Debe evitarse incluso la exposición breve a altas concentraciones.
420 S O L D A D U R A F U E R T E
PRECAUCI6N: CONTIENE FLUORUROS, protéjase usted mismo y a los demás. Lea y entienda esta etiqueta.
LOS VAPORES Y GASES PUEDEN SER PELIGROSOS PARA LA SALUD. QUEMA LOS OJOS Y LA PIEL AL CONTACTO.
PUEDE SER FATAL SI SE INGIERE
Antes de usar, lea y entienda las instrucciones del fabricante, las hojas de datos de seguridad de materiales y las prácticas de
seguridad de su empresa.
Mantenga la cabeza fuera de los humos.
Utilice suficiente ventilación, extractor en el trabajo, o ambas cosas, para evitar que los humos y gases invadan su zona de
respiración y el área general.
Evite el contacto del fundente con los ojos y la piel.
No se ingiera.
Manténgase fuera del alcance de los niños.
Consulte la norma ANSI 249.1, Seguridad al soldar y cortar, publicada por la American Welding Society, 550 N.W. LeJeune
Rd., P.O. Box 35 1040, Miami, Florida, 33135; las normas de seguridad y salud de OSHA, 29 CFR 1910, disponibles de U.S.
Government Printing Office, Washington, D.C. 20402.
Primeros auxilios: Si el fundente entra en contacto con los ojos, enjuague inmediatamente con agua limpia durante por lo menos
15 minutos. S ; se ingiere, indúzcase el vómito. Nunca debe administrarseoralmente ninguna sustancia a una persona inconsciente.
Llame a un médico.
NO RETIRE ESTA ETIQUETA
precautoria para fundentes de soldadura fuerte y soldadura con gas que contienen
fluoruros
de soldadura fuerte de 5 mg)m3, el componente se identificará
en la hoja de datos. Estos componentes incluyen los materiales
de bajo PEL antes mencionados, pero no están limitados a ellos.
PREVENCIÓN Y PROTECCIÓN
CONTRA INCENDIOS
SI DESEA INFORMACIÓN detallada sobre la prevención y protección contra incendios en los procesos de soldadura fuerte, consulte NFPA 5 lB, Protección contra incendios durante el uso de
procesos de corte y soldadura.
De preferencia, la soldadura fuerte debe realizarse en áreas
designadas especificamentepara ello, diseñadas y construidas a
modo de minimizar el riesgo de incendio. No deberá soldarse en
fuerte si la atmósfera es inflamable o si gases (como el hidrógeno) que pueden volverse inflamables al mezclarse con el aire no
se confinan de manera que no puedan liberarse a la atmósfera.
Durante la soldadura fuerte debe haber suficiente equipo para
extinción del fuego listo para usarse. El equipo puede consistir
en cubetas con agua o una manguera, cubetas de arena, extinguidores portátiles o un sistema de rociado automático, dependien-
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do de la naturaleza y la cantidad de material combustible que
haya en el área adyacente.
Antes de comenzar a soldar en fuerte en un lugar que no haya
sido designado especificamente para tal fin, se requerirá la
inspeccióny autorización por parte de una persona responsable.
Al reparar recipientes que han contenido materiales inflamables o peligrosos, hay la posibilidad de explosiones, incendios y
la liberación de vapores tóxicos. Los soldadores deben estar
perfectamente familiarizados con ANSI/AWS F4.1, Prácticas
seguras recomendadas de preparación para soldar y cortar
recipientes y tuberías que han contenido sustancias peligrosas
de la American Welding Society.
Si desea mayor información, consulte las especificaciones
estatales, locales y federales aplicables así como el Brazing
Manual de la AWS.
Atmósferas para soldadura fuerte
EN OCASIONES SE utilizan gases inflamables como atmósferas
para operaciones de soldadura fuerte en homo. Dichos gases
incluyen gas combustible quemado, hidrógeno, amoniaco diso-
Not for Resale
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Figura 12.3û-Etiqueta
SOLDADURA FUERTE
ciado y mezclas nitrógeno-hidrógeno. Antes de introducir tales
atmósferas, el homo o retorta deberá purgarse de aire empleando
procedimientos seguros recomendados por el fabricante del
homo.
El área debe contar con ventilación suficiente que extraiga y
descargue en un lugar seguro los gases explosivos o tóxicos que
podrian emanar del purgado de los homos y las operaciones de
soldadura fuerte. Es preciso consultar los reglamentos ambientales locales durante el diseño del sistema de extracción.
Peligro por vapor de agua de materiales
húmedos
ENLA SOLDADURA fuerte (y blanda) por inmersión, las piezas
que se van a sumergir en el bafio deben estar completamente
secas. La humedad en las piezas causará una generación instan-
421
tánea de vapor que puede expulsar el contenido del recipiente
de inmersión en fonna explosiva. Un secado previo de las piezas
conjura este peligro. Si es preciso agregar fundente complementario, deberá secarse para eliminar tanto la humedad superficial
como el agua de hidratación.
PELIGROS ELÉCTRICOS
TODOEL EQUIPO eléctrico que se use para soldadura fuerte
deberá ajustarse a ANSIINFPA 70, Código Eléctrico Nacional
(edición más reciente). El equipo deberá ser instalado por personal calificado bajo la dirección de un supervisor eléctrico
competente. Antes de usarse en producción, el equipo deberá ser
inspeccionado por personal de seguridad competente a fin de
garantizar que su operación sea segura.
LISTA DE LECTURAS COMPLEMENTARIAS
American Society for Metals. Metals handbook, vol. 6, 9” ed.
Metals Park, Ohio, American Society for Metals, 1983.
Anencan Welding Society. Brazing Martual, 3“ ed. Miami,
American Welding Society, 1976.
. Recotnniended practices f o r design, ~ n a n i ~ a c t iand
~re
inspection of critical coniponents, C3.3-80. Miami, American Welding Society, 1980.
. Safety in welding and cutting, ANSI 249.1. Miami:
American Welding Society, 1988.
. Specification forfiller nietalsfor brazing, ANSYAWS
A5.8-89. Miami, American Welding Society, 1989.
. Standard rnetlrodfor evaluntitig the strength of brazed
joints in shear, C3.2-82.Miami, American Welding Society,
1982.
Cole, N. C., Gunkel, R. W. y Koger, J. W. “Development of
corrosion resistant filler metals for brazing inolybdeniiin”, eii
Welding Journal 52( IO): 446s-473s; octubre de 1973.
Gilliland, R. G. y Slaughter, G. M. “The development of brazing
filler metals for high temperature service”, en Welding Journal 48( 10): 463s-469s; octubre de 1969.
Haminorid, J. P., er al. “Brazing ceramic oxides to metals at low
temperature”, en Welding Journal 67( 10): 227s; octubre de
1968.
Helgesson, C. I. “Ceramic-to-metal bonding”. Cambridge,
Mass., Boston Technical Publishers, Iiic., 1968.
Jones, T. A. y klbright, C. E. “Laser beam brazing of sinall
diameter copper wires to laminated copper circuit boards”,
en Welding Jourtial63( 12): 34-37; diciembre de i 984.
Kawakatsu, I. “Corrosion of BAg brazed joints i n stainless
steel”, en Welding JoirrrialS2(6): 223s-239s; jiiiiio de i 973.
Liigscheider, E. y Cosack, T. “High temperature brazing of
stainless steel with low-phosphorus nickel-based filler nietal”, en Welditig Jorrrnal 67( l i): 215s-219s; octubre de
i 988.
Lugscheider, E. y Krappitz, H. “The influence of brazing conditions on the impact strength of high-temperature brazed
joints”, en Welditig Journal 65(10): 261s; octubre de 1986.
Lugscheider, E., et al. “Themial and metallurgical influences on
AISI3 16 and Inconel 625 by high temperature brazing with
nickel base filler metals”, en Welding Journal 61( 10): 329s333s; octubre de 1982.
Lugscheider, E., et al. “Surface reactions and welding mechanisms of titanium- and aluminum-containing nickel-base and
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. “Metallurgical aspects of additive-aided wide-clearance brazing with nickel-based filter metals”, en Welding Journa/68(1): 9s-13s; enero de 1989.
McDonald, M. M., et al. “Wettability of brazing filter metals on
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octubre de 1989.
Mizuhara, H., y Maliy, K. “Cerainic-to-metal joining with active
brazing filler metal’’, en Welding Jorrrnal 27-32; octubre de
1985.
Moorhead, A. J. y Becher, P. F. “Development of a test for
deteniiining fracture toughness of brazed joints in ceramic
materials”, en Welding Journal 66( i): 26s-31s; enero de
1987.
Patrick, E. P. “Vacuuin brazing of aluminum”, en Welding
Journal 54(6): 159- 163; inarzo de 1975.
Pattee, H. E. “Joining ceramics to metais and other materials”.
Biilletiri 178. Nueva York, Welding Research Council, noviembre de 1972.
. “High-temperature brazing”. Bulletin 187. Nueva
York, Welding Research Council, septiembre de 1973.
Rugal, V., Lehka, N. y Malik, J. K. “Oxidation resistance of
brazed joints in stainless steel”. Metal Construction and
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422
SOLDADURA FUERTE
Sakamoto, A., et al. “Optimizing processing variables in hightemperature brazing with nickel-based filler metals”, en
Welding Journal 68(3): 63-67; marzo de 1989.
Schmatz, D.J. “Grain boundary penetration during brazing of
aluminum”, en Welding Journal 62( 10): 267s-27 1s; octubre
de 1983.
Schultze, W. y Schoer, H.“Fluxless brazing of aluminum using
protective gas”, en Welding Journal 52( 10): 644-65 1; octubre
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Schwartz, M. M. “The fabrication of dissimilar metal joints
containingreactive and refractory metals. Bulletin 210. Nueva York, Welding Research Council, octubre de 1975.
Schwartz,M. M. “Brazed honeycomb structures”. Bulletin 182.
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Schwartz, M. M. Modern metal joining techniques. John Wiley
& Sons,septiembre de 1969.
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Swaney, O. D.,Trace, D. E. y Winterbottom, W. L. “Brazing
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Terrill, J. R. et al., “Understandingthe mechanisms of aluminum
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1971.
The Aluminum Association.Aluminum brazing handbook. Nueva York, The Aluminum Association, 1971.
Winterbottom, W. L. “Process control criteria for brazing under
vacuum”, en Welding Journal 63(10): 33-39; octubre de
1984.
Witherell, C. E. y Ramos, T. J. “Laserbrazing”, WeldingJournal
59(10): 267s-277s; octubre de 1980.
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PREPARADO POR UN
COMITÉ INTEGRADO POR:
R.E. Beal, Presidente
Amalgamated Technologies
SOLDADURA
BLANDA
W.G . Bader
Consultor
MIEMBRO DEL COMITÉ DEL
MANUAL DE SOLDADURA:
C. W. Case
Inco Alloys International
~
424
Fundamentos
424
Pasos básicos para una soldadura blanda satisfactoria
425
Soldaduras blandas
427
Fundentes
434
Diseño de las uniones
438
Limpieza previa y preparación de las superficies
440
Consideraciones de proceso en soldadura blanda
441
Métodos y equipo para soldadura blanda
442
Tratamiento de los residuos de fundente
445
Inspección y prueba
445
Propiedades de las soldaduras blandas y de las uniones soldadas
446
Practicas seguras en la soldadura blanda
446
Lista de lecturas complementarias
447
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Historia
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SOLDADURA
BLANDA
HISTOR IA
LA SOLDADURA BLANDA es una tecnología que ha estado en
continuo desarrollo desde los tiempos antiguos. Muchos artefactos descubiertos en excavaciones arqueológicas fueron unidos
por soldadura blanda. AI parecer, la tecnología ha existido
durante varios milenios, cambiando con el descubrimiento de
conocimientos metalúrgicos y nuevos metales.
Las aleaciones de cobre y de plomo fueron las primeras que
se unieron. Los primeros metalúrgicos aprendieron a identificar
las aleaciones eutécticas en sistemas binarios. EI empleo de estas
aleaciones hizo posible la soldadura blanda para unir formas
simples y producir objetos complejos de joyería y utensilios. La
Revolución Industrial promovió el uso de las uniones soldadas
en blando. Los avances en la unión con aleaciones, técnicas de
procesamiento y aplicaciones continúan hoy día. La soldadura
blanda se emplea ahora en aplicaciones industriales, comunicaciones por satélite, computadores y el programa espacial.
FUNDAMENTOS
DEFINICIÓN
LA SOLDADURA BLANDA se define como un grupo de procesos
de unión que producen la coalescencia de metales mediante
calentamiento hasta la temperatura de soldadura blanda y empleo de un metal de aporte (soldado) cuya linea de cambio a fase
líquida (liquidus)no rebasa los 450°C (840°F) y está por debajo
de la línea de cambio a fase sólida (solidus)de los metales base.
EI soldado se distribuye por acción capilar en las superficies de
empalme de la unión, que embonan íntimamente.
PRINCIPIOS Y PRÁCTICAS DE
SOLDADURABLANDA
LAUNION SOLDADA en blando generalmente se considera
como
un enlace metalúrgico entre el metal de aporte de soldadura
blanda y los metales base que se unen. La resistencia mechica
de la unión puede mejorarse con la configuración mecánica de
la unión. Algunas uniones soldadas en blando no presentan
enlace metalúrgico, pero se mantienen unidas por ias propiedades de adhesión de las interfaces.
La unión metalúrgica soldada en blando se produce por una
reacción entre los metales base y el metal de aporte. La aleación
de soldadura blanda se aplica como metal liquido que moja la
unión y se extiende sobre ella, y que generalmente forma una
capa de un compuesto intermetálico con una pequena cantidad
del metal base. AI solidificarse, ia unión se mantiene íntegra por
la misma atracción entre átomos adyacentes que mantienen integro un trozo de metal sólido.
Para obtener una unión soldada en blando íntegra se debe
seleccionar y usar los materiales y procesos correctos. Hay
muchos metales de aporte, procesos, métodos, procedimientos
y equipos para soldadura blanda, y se unen muchas aleaciones
metálicas. Una aplicación específica requiere la consideración
de todos estos factores si se han de obtener resultados de fabricación y servicio óptimos. EI presente capitulo es en esencia un
resumen de la tecnología de soldadura blanda, y cubre los principios y prácticas con cierto detalle. Se trata la selección de
metales de aporte, el diseño de las uniones, la limpieza de los
metales, los métodos de calentamiento, los fundentes y las propiedades de las uniones. En la figura l se comparan los intervalos
de temperatura de aleaciones de soldadura blanda de uso común
con los puntos de fusión de los metales base.
La soldadura blanda es un proceso de unión de metales
atractivo. Un factor importante en su popularidad es que un
proceso de tan baja temperatura ejerce un efecto mínimo sobre
las propiedades de los metales base. La baja temperatura empleada para soldar requiere un bajo aporte de energia y permite
un control preciso del proceso. Es posible adoptar una amplia
gania de procesos de calentamiento, lo que da flexibilidad a los
procedimientos de diseiio y fabricación. La automatización inodenia produce grandes cantidades de uniones en circuitos eléctricos y electrónicos. La coiifiabilidad de la unión puede ser
considerable si se controlan cuidadosaineiite los procesos. Las
uniones defectuosas que ocasionalmente se producen se pueden
reparar con gran facilidad. La tecnología de soldadura blanda es
esencial para la industria moderna.
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SOLDADURA BLANDA
METAL BASE
HIERRO
Y
ACERO
NiQUEL
ORO
SOLDADOS
PLATA
I
600
200 p
-
-
$l
-
3
àU
w
100 a
ALUMINIO
-
CINC
-
ESTAÑO-PLOMO
5
I-
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PLOMOESTAÑO-
O0
"
\ ESTAÑOPLOMOBISMUT0
Figura 13.1-Intervalos de temperatura de los soldados
comparados con los puntos de fusión de los metales
base
PROPIEDADES FíSICAS Y QUiMiCAS
EN LA SOLDADURA BLANDA
ENLA PREPARACIONy ejecución de la unión soldada en blando
intervienen muchos principios de las ciencias físicas. La química, la física y la metalurgia son las principales disciplinas implicadas en la soldadura blanda.
El mojado y la extensión o esparcimiento de los metales de
aporte de soldadura blanda sobre superficies metálicas están
condicionados por las propiedades de tensión superficial de los
425
materiales en cuestión y del grado de aleación que tiene lugar
durante la acción de soldadc. La soldadura blanda normalmente
requiere la presencia de un fundente que limpia el metal que se
va a unir y reduce la tensión superficial entre el metal fundido y
el sustrato sólido. Esta acción mejora el mojado y la extensión
del metal de aporte.
Se dice que hay mojado cuando el metal de aporte deja una
película permanente continua en la superficie del metal base. La
aleación depende de la solubilidad del metal base en el metal de
aporte fundido. Un alto nivel de aleación entre el metal base y
el de soldadura blanda puede retardar el esparcimiento; por
tanto, los buenos metales de aporte para soldadura blanda sólo
disuelven una cantidad moderada de metal. Es posible que se
formen compuestos intermetálicos, dependiendo de los sistemas
metálicos en cuestión.
Muchas uniones de soldadura blanda se diseñan con separaciones que requieren capilaridad entre el metal de aporte y el
metal base. La atracción capilar se mejora al reducir la tensión
superficial, estrechar la separaciónde la unión y usar un fundente
del tipo de desplazamiento altamente compatible.
Los principios que actúan durante la soldadura blanda exigen
que las superficies de los materiales que se van a unir estén
limpias de suciedad, óxidos u otros contaminantes para poder
obtener una buena unión. Una función del fundente es la de
realizar una limpieza final al reaccionar químicamente con la
superficie del metal. Este ataque debe ser suave pero efectivo.
Cubrir la superficie con fundente no puede ser sustituto de la
limpieza previa.
Cuando se calienta, el fundente se activa, limpia las superficies con las que hace contacto y protege las áreas limpias contra
la oxidación durante la soldadura blanda. El metal de aporte se
aplica una vez que la unión se ha calentado a la temperatura de soldadura blanda. Las superficies están protegidas por el fundente
activado durante la acción de soldadura blanda. Una vez que se enfrían las uniones soldadas, puede haber residuos de fundente que
deben eliminarse a fin de evitar un deterioro prematuro de la unión.
Los problemas físicos que afecten el mojado, el esparcimiento y la acción capilar pueden redundar en uniones insatisfactorias. Estos problemas pueden ser una condición deficiente de las
superficies o un fundente inadecuado. Algunos metales, como
el cromo, no se mojan fácilmente con la mayor parte de los
metales de aporte de soldadura blanda conocidos. La deshumectación es la retracción del soldado en una superficie ya mojada
que deja áreas de cobertura incompleta. Una limpieza insuficiente,
un fundente inapropiado o un metal de aporte con la composición
equivocada son las causas principales de la deshumectación.
PASOS BÁSICOS PARA UNA SOLDADURA BLANDA
SATISFACTORIA
SELECCIÓN DEL METAL BASE
LOS METALES BASE por 10 regular se escogen porque poseen
propiedades específicas requeridas por el diseño del componente o la pieza. Entre ellas están ia resistencia mecánica, la ductilidad, la conductividad eléctrica, el peso y la resistencia a la
corrosión. Cuando se requiere soldadura blanda, también es
preciso considerar la soldabilidad en blando de los materiales
base. La selección del fundente y la preparación de la superficie
dependen hasta cierto punto de la soldabilidad en blando de los
matenales base que se van a unir.
SELECCIÓN DEL METAL DE APORTE
EL METAL DE aporte se selecciona de modo que ofrezca buen
flujo, penetración y mojado durante la operación de soldadura
--`,,,```-`-`,,`,,`,`,,`---
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426
SOLDADURA BLANDA
blanda, y las propiedades de unión deseadas en el producto
terminado.
plomería y para soldar radiadores de vehículos. Las necesidades
de fundente para soldar en blando diversas aleaciones y metales
se indican en la tabla 13.1.
SELECCIÓN DEL FUNDENTE
EL PROPÓSITO DEL fundente es mejorar el mojado de los mate- DISEÑO DE LAS UNIONES
riales base por el metal de aporte, al eliminar películas de
deslustre de superficies previamente limpias y al evitar la oxi- LAS UNIONES DEBERAN diseñarse de modo que satisfagan las
dación durante la operación de soldadura blanda. La selección necesidades del ensamble terminado y permitan la aplicación del
del tipo de fundente por lo regular depende de la facilidad con fundente y el metal de aporte empleando el proceso de soldadura
que un material puede soldarse en blando. Los fundentes de blanda seleccionado. El diseño de la unión debe ser tal que se
resina (colofonia) se usan con los metales base de aplicaciones mantenga la separación debida durante el calentamiento. Puede
eléctricas y electrónicas o con metales que previamentese hayan haber necesidad de fijaciones especiales, o los materiales pueden
recubierto con un acabado soldable en blando. Los fundentes sujetarse por aplastamiento,ensartarse, envolverseo mantenerse
inorgánicos se usan mucho en la soldadura blanda industrial, en juntos de alguna otra manera.
Tabla 13.1
Necesidades de fundente para metales, aleaciones y recubrimientos
Fundente y/o soldado
especiales
Metal o aleación base,
o acabado aplicado
--`,,,```-`-`,,`,,`,`,,`---
Aluminio
Bronce de aluminio
Berilio
Berilio-cobre
Latón
Cadmio
Hierro colado
Cromo
Cobre
Cobre-cromo
dobre-níquel
Cobre-silicio
Oro
Inconel
Plomo
Magnesio
Bronce al manganeso
(alta resistenciaa la tensión)
Monel
Níquel
Níquel-hierro
Nicromo
Paladio
Platino
Rodio
Plata
Acero inoxidable
Acero
Estaio
Bronce al estaño
Estaño-plomo
Estaño-níquel
Estaño-cinc
Titanio
Resina
Orgánico
Inorgánico
-
-
-
X
X
X
X
X
X
X
-
-
-
-
X
X
-
-
X
X
X
X
-
-
-
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-
-
-
-
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-
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-
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X
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-
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X
X
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X
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X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
-
-
-
-
-
-
* Con los procedimientoscorrectos, como un recubrimientoprevio, casi todos los metales pueden soldarse en blando.
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No se recomienda soldar en
blando'
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-
-
SOLDADURA BLANDA
LIMPIEZA PREVIA
TODASLAS SUPERFICIES metálicas que se vayan a unir por
soldadura blanda deberán limpiarse antes de ensamblarse para
facilitar el mojado del metal base por parte del soldado. EI fundente no debe considerarse como sustituto de la limpieza previa.
Puede ser necesario un recubrimiento previo del material base
si éste es dificil de soldar en blando.
PROCESO DE SOLDADURA BLANDA
EL PROCESO DE soldadura blanda debe escogerse de modo que
provea la temperatura de soldadura blanda, distribución de calor
427
y tasa de calentamiento y enfriamiento apropiadas requeridas
para el producto que se va a ensamblar.
La aplicación del metal de aporte y el fundente dependerá de
la selección del proceso de soldadura blanda.
TRATAMIENTO DE LOS RESIDUOS
DE FUNDENTE
LOS RESIDUOS DE fundente deben eliminarse después de soldar
a menos que el fundente esté diseñado especificamente para
consumirse durante el proceso.
SOLDADURASBLANDAS
fundido. Como puede verse en la figura 13.2, el plomo puro se
funde a 327°C (621°F) (punto A) y el estaño puro se funde a
232°C (450°F) (punto B). Los soldados que contienen desde
19.5% de estaño (punto C) hasta 97.5% de estaño (punto D)
tienen la misma temperatura de solidus, que es la temperatura
eutéctica de 183°C (361°F). La composición eutéctica es completamente liquida por encima de 183°C (361°F); cualquier otra
composición contendrá algo de metal sólido en equilibrio con el
líquido. Estas composiciones no se fundirán por completo en
tanto no rebasen la temperatura de liquidus. Por ejemplo, el
soldado 50/50 tiene una temperatura de solidus de 183°C (361°F)
y una temperatura de liquidus de 214°C (417"F), o sea que el
intervalo de fusión abarca 3 1°C (56°F). EI intervalo de fusión es
SOLDADOS DE ESTAÑO-PLOMO
la diferencia de temperatura entre el solidus y el liquidus.
Las caracteristicas de fusión de soldados de estaño-plomo
LOS METALES DE aporte de aleación estaño-plomo son los que
específicos se dan en la tabla 13.2.
más ampliamente se usan para unir metales. La mayor parte de
El soldado 5/95 de estaño-plomo es un metal de aporte de
los fundentes comerciales, métodos de limpieza y procesos
relativamente alta temperatura de fusión que tiene un intervalo
de soldadura blanda se pueden usar con soldados de estañode fusión estrecho. Las características de mojado y flujo de este
plomo.
metal de aporte son menos atractivas si se comparan con las de
AI describir los soldados, se acostumbra indicar primero el
soldados con mayor contenido de estaño. Para que el soldado
contenido de estaño. Por ejemplo, el soldado 40/60 tiene 40%
5/95 de estaño-plomo moje y fluya debidamente se requiere un
de estaño y 60% de plomo.
cuidado especial en la preparación de las superficies. Los soldaLa mejor forma de ilustrar el comportamiento de las diversas
dos con alto contenido de plomo tienen mejores propiedades de
aleaciones de estaño-plomo es por su diagrama de constitución,
plastodeformacióna 149°C (300°F) que los que contienen más
el cual se muestra en la figura 13.2. Se emplean los siguientes
estaño. La elevada temperatura de soldadura blanda limita el
términos para describir el diagrama:
empleo de fundentes con base orgánica, como los de resina
(1) La temperatura de solidus es la temperatura más alta en (colofonia) o los del tipo intermedio.Este soldado se adapta muy
la que un metal o aleación es completamente sólido. Ésta es la bien a la soldadura blanda con soplete, por inmersión, por inducción o en estufa. Se usa para sellar recipientes previamenterecucurva ACEDB de la figura 13.2.
(2) La temperatura de liquidus es la temperatura más baja biertos, para recubrir y unir metales y para radiadores de autoen la que un metal o aleación es completamente liquido. Ésta es motores y otros usos de temperatura moderadamente elevada.
Los soldados de estaño-plomo 10/90, 15/85 y 20/80 tienen
la curva AEB de la figura 13.2.
(3) Una aleación eutéctica es una aleación que se funde a menores temperaturasde liquidus y solidus, pero tienen intervauna temperatura precisa y no dentro de un intervalo de tempera- los de fusión más amplios que el soldado estaño-plomo5/95. Sus
turas. La temperatura eutéctica es la temperatura de solidus en caracteristicas de mojado y flujo son mejores con la mayor parte
la curva CED de la figura 13.2. La aleación eutéctica es la de los fundentes, pero se debe tener un cuidado extremo de evitar
composición indicada en el punto E de esa figura. Esta aleación el movimiento de estos soldados durante la solidificación a fin
de evitar el desgarre en caliente. Estos metales de aporte se usan
tiene aproximadamente 63% en peso de estaño.
(4) El intervalo de fusión es la temperatura entre el solidus para sellar los núcleos de los calefactores celulares de automóACEDB y el liquidus AEB en la que el soldado está parcialmente viles, en algunos radiadores y para recubrir y unir metales.
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LASSOLDADURAS BLANDAS o soldados generalmente tienen un
punto o intervalo de fusión por debajo de 425°C (800°F). Existe
una amplia gama de metales de aporte de soldadura blanda en el
mercado diseñados para unir la mayor parte de los metales y
aleaciones industriales. Estos soldados generalmente fluyen satisfactoriamente si se emplea el fundente adecuado, mojan bien
la superficie y producen uniones con propiedades satisfactorias.
Las aleaciones estaño-plomo son los metales de aporte de soldadura blanda más ampliamenteutilizados. En las secciones que
siguen hablaremos de estas aleaciones y de otros metales de
aporte comunes.
--`,,,```-`-`,,`,,`,`,,`---
428
SOLDADURA BLANDA
400
700
350
600
o-
300
500
250
400
200
300
150
200
1O 0
L/
4
1
I
I
I
MEZCLAS DE a + ß
ti
I
1
.
PLOMO 10
I
1
1
I
I
20
30
40
50
100
I
l
I
I
c)
I I
60
I
I
70
80
I
n
90 ESTAÑO
ESTAÑO, % EN PESO
Figura 13.2-Diagrama de constitución para el sistema de aleación estaño-plomo
Los soldados estaño-plomo 25/75 y 30/70 tienen tempyraturas de liquidus más bajas que las aleaciones antes mencionadas
pero tienen la misma temperatura de solidus que el soldado
20/80, así que sus intervalos de fusión son más angostos que los
del soldado 20/80. Todas las técnicas estándar de limpieza, uso
de fundente y soldadura blanda se pueden usar con estos metales
de aporte. Se utiliza mucho la soldadura blanda con soplete y por
inmersión.Estas aleaciones se usan en radiadores, reparación de
radiadores y otras aplicaciones industriales diversas.
Los soldados estaño-plomo 35/65,40/60 y 50/50 tienen bajas
temperaturas de liquidus y la misma temperatura de solidus que
los soldados con 20 y 30% de estaño, así que su intervalo de
fusión es más estrecho. Los metales de aporte de soldadura
blanda de este grupo tienen muy buenas propiedades de mojado
y notable resistencia mecánica, y resultan económicas para
aplicaciones electrónicas. Estos soldados también se utilizan
ampliamente en trabajos con lámina metálica. La combinación
50/50 se usa para tuberías de agua no potable y de drenaje. Estos
soldados también se fabrican como alambres con núcleo de
resina para soldadura blanda manual y se emplean en aplicaciones industriales de soldadura blanda de ola.
Tabla 13.2
Propiedades de fusión de los soldados estaño-plomo
Clasificaci8n
Composición, % en peso
ASTM del soldado'
Estaño
Plomo
5
10
15
20
25
30
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
60
70
95
90
85
80
75
70
65
60
55
50
40
30
35
40
45
50
60
70
SÓlidus
"F
572
514
437
361
361
361
361
361
361
361
361
361
Líquidus
O C
300
268
225
183
183
183
183
183
183
183
183
183
'Véase la especificación ASTM 832, Especificación estándar para metal de soldadura blanda.
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"F
596
573
553
535
511
491
477
455
441
421
374
370
Intervalo de fusión
"C
314
301
290
280
267
255
247
235
228
217
190
192
"F
24
59
116
174
150
130
116
94
80
60
13
17
"C
14
33
65
97
84
72
64
52
65
34
7
9
SOLDADURA BLANDA
Los soldados estaño-plomo de aleación 60/40 y aleación
eutéctica (63/37) se usan en aplicaciones en las que la unión no
puede exponersea elevadas temperaturas,como en instrumentos
delicados y ensambles electrónicos. La composición 60/40 se
acerca tanto a la aleación estaño-plomo eutéctica que tiene un
intervalo de fusión extremadamente angosto. Se pueden usar
todos los métodos de limpieza, uso de fundente y calentamiento
con estos metales de aporte, que se utilizan ampliamente en la
soldadura blanda de ola, en procesos de fase de vapor, e incorporados a pastas de soldadura blanda.
El soldado estaño-plomo 70/30 es un metal de aporte de
propósito especial que se usa en los casos en que se requiere un
alto contenido de estaño. Se pueden aplicar todas las técnicas de
soldadura blanda.
IMPUREZAS DE LOS SOLDADOS
ESTANO-PLOMO
--`,,,```-`-`,,`,,`,`,,`---
LASIMPUREZAS DE los soldados estaño-plomo se pueden introducir durante la fabricación de las aleaciones o por contaminación durante el uso. Las especificaciones de las aleaciones para
soldadura blanda generalmente limitan el contenido total máximo de impurezas, con limitaciones específicas para ciertos metales. Los metales de aporte de soldadura blanda cubiertos por
ASTM ?332, Especificación estáizdar para metal de soldadura
blanda, se muestran en la tabla 13.3. En ocasiones, usuarios
individuales precisan restricciones adicionales sobre las impurezas para aplicaciones específicas.
Las impurezas pueden causar un menoscabo de las propiedades de mojado, un flujo lento dentro de las uniones, un incremento en la rapidez de oxidación,y alteraciones en los intervalos
de temperatura de fusión. Las propiedades de resistencia mecánica de las uniones pueden sufrir efectos adversos, con una
mayor tendencia al agrietamiento del soldado o problemas de
adhesión a los materiales base.
Los elementos contaminantes afectan el aspecto y la calidad
del soldado fundido, y la combinación de los efectos puede
resultar desastrosa para la unión soldada en blando. Las especificaciones de fabricación reconocen el problema y también
tienen en cuenta la calidad de soldado que se requiere para las
distintas aplicaciones. Al adquirir materiales de soldado es importante verificar que se obtenga la aleación correcta del grado
adecuado.
Aluminio
EL ALUMINIO PUEDE causar arenosidad si su contenido en el
soldado es de más del 0,005%.Un deterioro apreciable en la
oxidación superficial de un baño de soldadura blanda puede ser
indicación de contaminación con aluminio.
Antimonio
EL ANTIMONIO SE usa con frecuencia en los soldados como
aditivo deseable. Este metal tiende a menoscabar las propiedades de mojado y esparcimiento y puede causar problemas
de adhesión si está presente en niveles más altos que los requeri dos.
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429
Arsénico
ELARSENIC0 CAUSA deshumectaciónsi esta presente en concentraciones mayores que el 0.005%. El problema se agrava a
concentraciones mayores, por lo que el nivel máximo deseable
es de 0.002% .
Bismuto
SE PUEDEN TOLERAR niveles bajos de bismuto, aunque puede
alterar las características metalúrgicas de las uniones.
Cadmio
ESTEMETAL COMO contaminante eleva la tensión superficial de
los soldados y puede causar efectos perjudiciales como formación de puentes y ?carámbanos? en las tarjetas de circuitos
impresos.
Cobre
LACANTIDAD DE cobre que puede estar presente en un soldado
sin causar problemas depende en gran medida de la aplicación.
Las especificaciones de la ASTM limitan el contenido de cobre
de los soldados de estaño-plomo al 0.08%, pero puede estar
presente en concentraciones de hasta el 0.3% sin que haya un
menoscabo apreciable en las propiedades de soldadura blanda.
Hierro y níquel
EL HIERRO Y el níquel normalmente no están presentes en ias
aleaciones para soldadura blanda. Por lo regular, las especificaciones limitan el contenido de hierro y níquel a un máximo de
0.02 %. Se han observado reducciones marcadas de las propiedades de mojado con niveles más altos.
Fósforo y azufre
LASCONCENTRACIONES DE fósforo y azufre se deben mantener
en el nivel mínimo absoluto para evitar problemas de oxidación
y arenosidad.
Cinc
ELCINC AFECTA las propiedades de mojado y tensión superficial
del soldado fundido. Por tanto, los soldados de estaño-plomo
deben contener menos del 0.005% de cinc. La deshumectación
en superficies de cobre se ha atribuido a la presencia de sólo
0.01% de cinc en la aleación.
SOLDADO DE ESTANO-ANTIMONIO
EL SOLDADO CON 95% de estaño y 5% de antimonio tiene las
características de fusión que se muestran en la tabla 13.4. Presenta un intervalo de fusión estrecho a una temperatura más alta
que la de la aleación eutéctica estaño-plomo. Este metal de
aporte se usa en muchas aplicaciones de plomería, refrigeración
y acondicionamiento de aire porque tiene buenas propiedades
de plastodeformación.
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SOLDADURA BLANDA
431
Tabla 13.4
ProDiedades de fusión de los soldados de estaño-antimonio
~~~~
Composición, % en peso
Solidus
~
Liquidus
Intervalo de fusión
Estaño
Antimonio
O F
"C
"F
OC
O F
O C
95
5
450
232
464
240
14
8
SOLDADOS DE ESTAÑO-ANTIMONIO-PLOMO
aplicaciones criogénicas. En general se recomienda usar fundentes inorgánicos con estos metales de aporte.
SE PUEDE AÑADIR antimonio a un soldado estaño-plomo como
sustituto de parte del estaño. La adición de antimonio mejora las
propiedades mecánicas de la unión a costa de un ligero menoscabo de las caracteristicas de soldadura blanda. Se pueden usar
todos los métodos estándar de limpieza y calentamiento,pero se
necesitan fundentes especializados para obtener resultados óptimos con estos metales de aporte.
SOLDADOS DE ESTAÑO-CINC
SE HA COMENZADO a usar un gran número de soldados de
estaño-cinc -algunos de los cuales se muestran en la tabla 13.6para unir aluminio. La corrosión galvánica de las uniones de
aluminio soldadas en blando se minimiza si el metal de aporte y
el metal base están cercanos en la serie electroquimica. Para la
soldadura blanda de aluminio se recomiendan aleaciones que
contienen entre 70 y 80%de estaño y el resto de cinc. La adición
de 1 a 2% de aluminio, o un incremento del contenido de cinc
hasta un máximo del 40%, mejora la resistencia a la corrosión,
aunque la temperatura de liquidus también se eleva, lo que
dificulta la aplicación de estos metales de aporte. Los soldados
de estaño-cinc 91/9 y 60140 se pueden usar a temperaturas por
encima de 140°C (300°F); las composiciones 80/20 y 70/30 se
usan más ampliamente para recubrir piezas antes de la operación
de soldadura blanda.
SOLDADOS DE ESTAÑO-PLATA,
ESTAÑO-COBRE-PLATA
Y ESTAÑO-PLOMO-PLATA
ENLA TABLA 13.5 se presentan metales de aporte de soldadura
blanda que contienen plata, junto con sus características de fusión. El soldado con 96% de estaño y 4% de plata está libre de
plomo y a menudo se usa para unir acero inoxidable en equipos
para procesar alimentos. Este soldado tiene buena resistencia al
corte y a la plastodefonnación, y excelentes caracteristicas de
flujo.
Los soldados de estaño-plata y estaño-cobre-plata son las
aleaciones estándar que se usan para unir tubos y conductos de
cobre en los sistemas de agua potable. El plomo no se usa por
razones de salubridad.
EI soldado con 62% de estaño, 36% de plomo y 2% de plata
se usa en aplicaciones electrónicas para soldar en blando superficies recubiertas con plata. La adición de plata retarda la disolución del recubrimiento de plata durante la operación de soldadura blanda, y también incrementa la resistencia a la
plastodeformación.
Los soldados de alto plomo que contienen estafio y plata son
apropiados para aplicaciones de alta temperatura, como los
radiadores de automóviles. Presentan buena resistencia a la
tensión, ai corte y a la plastodeformación,y se recomiendan para
SOLDADO CADMIO-PLATA
EL SOLDADO CON 95% de cadmio y 5% de plata tiene las
caracteristicas de fusión que se muestran en la tabla 13.7. Este
soldado se emplea principalmente en aplicaciones en las que las
temperaturas de servicio son más altas que las permitidas con
soldados de más bajo intervalo de fusión. Es posible producir
uniones a tope en cobre que a temperatura ambiente tengan una
resistencia a la tensión de 25 000 psi (170 MPa). A 219°C
(425"F), la resistencia a la tensión es de 2600 psi (18 MPa).
Es posible unir aluminio consigo mismo o con otros metales
empleando el metal de aporte de cadmio-plata 95. El empleo
incorrecto de soldados que contienen cadmio puede representar
un peligro para la salud; por tanto, se debe tener mucho cuidado
durante su aplicación, sobre todo en lo que respecta a la inhalación de vapores.
Tabla 13.5
Protiedades de fusión de los soldados de estaño-data v estaño-domo-data
Composición, % en peso
Estaño
96
62
5
2.5
1
Plomo
-
36
94.5
97
97.5
Solidus
Liquidus
Intervalo de fusión
Plata
O F
OC
O F
"C
4
2
0.5
0.5
1.5
430
354
561
577
588
221
180
294
303
309
430
372
574
590
588
221
190
301
310
309
--`,,,```-`-`,,`,,`,`,,`---
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Not for Resale
O F
O
18
13
13
O
"C
O
10
7
7
O
432 S O L D A D U R A B L A N D A
Tabla 13.6
Propiedades de fusión de los soldados de estaño-cinc
--`,,,```-`-`,,`,,`,`,,`---
Composición, % en peso
Estano
Cinc
91
80
70
60
30
9
20
30
40
70
Solidus
"F
390
390
390
390
390
Liquidus
"C
199
199
199
199
199
SOLDADOS DE CADMIO-CINC
LOS SOLDADOS DE cadmio-cinc son Útiles para soldar en blando
aluminio. Sus características de fusión se presentan en la tabla
13.8. Los soldados de cadmio-cinc producen uniones con resistencia mecánica y a la corrosión intermedias si se usan con el
fundente apropiado. EI soldado con 40% de cadmio y 60% de
cinc ha encontrado mucha aplicación en la soldadura blanda åe
bases de lámparas de aluminio. El empleo incorrecto de este
metal de aporte puede representar un peligro para la salud, sobre
todo en lo tocante a la inhalación de vapores.
SOLDADOS CON BASE DE CINC
EL SOLDADO DE cinc-aluminio, que se muestra en la tabla 13.9,
se fabrica especificamente para soldar aluminio, en el que pro-
"F
390
518
592
645
708
Intervalo de fusión
"C
199
269
311
340
375
"F
O
128
202
255
318
OC
8
70
112
141
176
duce uniones con alta resistencia mecánica y a la corrosión. La
temperatura de solidus es alta, lo que limita el empleo de este
soldado a aplicacionesen las que es posible tolerar temperaturas
de soldadura blanda por encima de 371°C (700°F). Una aplicación importante es en la soldadura blanda por inmersión de los
codos de retomo en las bobinas de aluminio de los acondicionadores de aire. Estas bobinas también se fabrican mediante soldadura fuerte de flama con fundentes. También se utilizan
recipientes de soldadura blanda ultrasónicos que no requieren
fundente. En operaciones de soldadura blanda manual, la superficie de aluminio caliente se frota con la barra de soldado a fin
de promover el mojado sin fundente.
Se han desarrolladosoldados con 95 % de cinc y otras adiciones que limitan la disolución del cobre y mejoran el mojado, la
resistencia mecánica y la resistencia a la corrosión, especificamente para la soldadura blanda de radiadores de automóviles.
Tabla 13.7
Prooiedades de fusión de los soldados de Cadmio-data
Composición, % en peso
Cadmio
Plata
95
5
Solidus
Liquidus
Intervalo de fusión
O F
OC
O F
O C
O F
"C
640
338
740
393
100
55
Tabla 13.8
Propiedades de fusión de los soldados de Cadmio-cinc
Composición, % en peso
Cadmio
Cinc
82.5
40
10
17.5
60
90
Solidus
"F
509
509
509
Liquidus
"C
265
265
265
"F
509
635
750
Intervalo de fusión
"C
265
335
399
"F
O
128
241
OC
O
70
134
Tabla 13.9
Propiedades de fusión de los soldados de cinc-aluminio
Composición, % en peso
Cinc
Aluminio
95
5
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Solidus
"F
720
Liquidus
"C
382
"F
720
Not for Resale
Intervalo de fusión
OC
382
"F
O
"C
O
SOLDADURA BLANDA
ALEACIONES FUSIBLES
prestar especial atencion a la limpieza de las superficies metálicas. Es necesario emplear fiindentes fuertes, potencialmente
corrosivos, para obtener uniones satisfactorias en superficies no
recubiertas de metales como el cobre o el acero. Si la superficie
se puede chapear previamente con metales como estaño o estaño-plomo, los fundentes de resina no corrosivos pueden ser
satisfactorios, aunque no resultan eficaces por debajo de 177°C
(35OOF).
LASALEACIONES FUSIBLES tienen un contenido importante de
bismuto y se emplean en aplicaciones en las que se requieren
temperaturas de soldadura blanda por debajo de 183OC (361°F).
En la tabla 13.10 se muestran las características de fusión y las SOLDADOS DE INDIO
composiciones de un grupo representativo de aleaciones fusiLOS SOLDADOSDE indio tienen propiedades que los hacen valiobles.
sos en muchas aplicaciones de electrónica y especiales. En la
Los soldados de bajo intervalo de fusión tienen aplicación en tabla 13.11 se presentan las características de fusión y las composiciones de un grupo representativo de estos metales de aporte.
las siguientes situaciones:
Una aleación de 50%estaño y 50%indio se adhiere al vidrio
(1) Se van a soldar en blando metales base que se sometieron
previamentea tratamiento térmico; una temperatura de soldadu- con facilidad y puede servir para soldadura blanda de vidrio a
ra blanda alta reblandecería la pieza.
metal o de vidrio a vidrio. La baja presión de vapor de esta
(2) Los materiales adyacentes a las uniones soldadas en aleación ia hace útil en los sellos de sistemas de vacío.
La elevada resistencia a la fatiga -sobre todo por ciclaje
blando son sensibles a la temperatura y se deteriorarían si la
térmico- de las aleaciones de indio ha hecho que se usen cada
temperatura de soldadura blanda fuera más alta.
(3) Se emplean operaciones de soldadura blanda por pasos a vez más, especialmentelos soldados de indio-plomo y de indiofin de evitar la destrucción de una unión cercana que se efectuó plomo-plata en sistemas electrónicos.
Los soldados de indio no requieren técnicas de manejo especon un soldado de temperatura se fusión más alta.
(4) Dispositivossensores de temperatura, como los sistemas ciales. Todos los métodos de soldadura blanda, fundentes y
de aspersión para incendios, se activan cuando la aleación fusi- procesos que se emplean con los soldados de estaño-plomo son
aplicables a los de indio; aunque debe señalarse que éstos son
ble se funde a una temperatura relativamente baja.
sensibles a la corrosión en presencia de cloruros. Las uniones
Muchos de estos soldados, sobre todo los que contienen un deben limpiarse después de soldarse, y su desempeño es óptimo
alto porcentaje de bismuto, son muy difíciles de usar con éxito cuando se les protege con recubrimientos amoldados o en conen operaciones de soldadura blanda a alta velocidad. Se debe diciones de sellado hermético.
Tabla 13.10
Propiedades de fusión de aleaciones fusibles representativas
Plomo
26.7
25
40
32
28
28.5
44.5
Composición, % en peso
Bismut0
Estafio
13.3
50
12.5
50
52
15.5
52.5
22
50
14.5
48
55.5
Solidus
Otros
10 Cd
12.5 Cd
8 Cd
-
9
-
Sb
Liquidus
"F
O C
158
158
197
203
204
217
255
70
70
91
95
96
102
124
"F
158
165
197
203
225
440
255
Intervalode fusión
"C
"F
"C
70
74
91
95
107
227
124
O
O
4
O
O
11
125
O
7
O
O
25
223
O
Tabla 13.11
Propiedades de fusión de soldados de indio representativos
Estaño
50
37. 5
-
Composición, % en peso
Indio
Plomo
50
25
50
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-
37.5
50
Solidus
Liquidus
"F
O C
"F
O C
243
230
356
117
138
180
257
230
408
125
138
209
Not for Resale
Intervalode fusión
"F
"C
8
14
O
O
52
29
--`,,,```-`-`,,`,,`,`,,`---
Las temperaturas de fusión en estas aplicaciones son del orden
de 425°C (SOû°F>.Los soldados se usan con todos los procesos
de calentamiento, y se dispone de una serie de fundentes inorgánicos para estas aplicaciones.
433
SOLDADURA BLANDA
ESPECIFICACIONES DE LOS SOLDADOS
LOS ORGANISMOSQUE: publican especificacionespara los meta-
les de aporte de soldadura blanda son la ASTM (ASTM B.32,
Especificación estándar de metal para soldadura blanda;
ASTM B284, Especificación estándarpara soldado con núcleo
defundente de resina; y ASTM B486, Especificación estándar
para soldado en pasta) y el gobierno de Estados Unidos (Espe-
cificación federal QQ-571, Soldaduras blandas), además de
diversas especificacionesmilitares.
Las soldaduras blandas están disponibles en el mercado en
diversas formas y productos que se pueden agrupar en cerca de
una docena de clasificaciones. En la tabla 13.12 se listan los
principales grupos de productos. Esta lista de ninguna manera
es completa, sobre todo porque es posible conseguir casi cualquier tamaño, peso o forma de cada clase de soldado si se hace
un pedido especial.
~~
~
~~~
~
Tabla 13.12
Formas comerciales de soldaduras blandas
Bloques
Lingotes
Barras
Pasta o crema
Papel, lámina o cinta
Segmento o granalla
Alambre sólido
Alambre con núcleo de fundente
Preformados
Disponible en bloques de 25 y 45 kg (500 y 1O0 Ib)
De forma rectangular o circular, con pesos de 1.4,2.3 y 4.5 kg (3,5 y 10 Ib)
Disponible en una gran variedad de secciones transversales, pesos y longitudes
Disponiblecomo mezcla de soldado en polvo y fundente
Disponible en varios espesores y anchuras
Barra o alambre triangular recortado en tramos de diversas longitudes
Diámetros de 0.25 a 6.35 mm (0,010 a 0.250 pulg) en carretes
Soldado con núcleo de resina o fundente orgánico o inorgánico. Diámetrosde 0.25 a 6.35 mm (0.010 a 0.250 pulg)
Gama ilimitada de tamaños y formas para satisfacer necesidades especiales
FUNDENTES
ELPROPÓSITO DEL fundente en la soldadura blanda es activar una
superficie metálica previamente limpia, proteger esa superficie
limpia durante los procesos de calentamiento, y estar disponible
para proteger el metal de aporte fundido a la temperatura de
procesamiento correcta. El fundente debe tener suficiente permanencia para continuar desempeñando estas funciones hasta
que la unión se haya soldado por completo.
Los fundentes para soldadura blanda pueden ser materiales
líquidos, sólidos o gaseosos que, al calentarse, promueven o
aceleran el mojado de los metales por parte del soldado. El
fundente debe eliminar y excluir cantidades pequeñas de óxidos
y otros compuestos de las superficies que se van a soldar en
blando. Cualquier cosa que interfiera con el logro de un contacto
uniforme entre la superficie del metal base y el metal de aporte
fundido evitará la formación de una unión íntegra. Un fundente
eficiente impide la reoxidación de las superficies durante el
proceso de soldadura blanda y es desplazado con facilidad por
el soldado fundido.
Un método funcional para clasificar los fundentes se basa en
su capacidad para eliminar deslustres de metales (actividad). Los
fundentes se pueden clasificar en tres grupos: fundentes inorgánicos (los más activos), fundentes orgánicos (moderadamente
activos) y fundentes de resina (los menos activos).
En la tabla 13.13 se presenta una carta generalizada de
soldabilidad en blando de los metales y una guía para seleccionar
el fundente. Esta carta abarca diferentes materiales base y tipos
de fundentes.
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FUNDENTES INORGÄNICOS
LA CLASE DE fundentes inorganicos incluye ácidos y sales inorgánicos. Estos fundentes son los más ventajosos en condiciones
que requieren una acción de fundente rápida y muy activa; se
pueden aplicar como disoluciones, pastas o sales secas, y funcionan igualmentebien con los métodos de soldadura blanda con
soplete, en estufa, por resistencia o por inducción, ya que no se
chamuscan ni arden. Estos fundentes pueden formularse de
modo que sean estables dentro de un intervalo amplio de temperaturas de soldadura blanda
Los fundentes inorgánicos con base de cloruros presentan una
desventaja clara: su residuo retiene actividad química después
de la soldadura blanda. Si no se elimina, este residuo puede
causar una corrosión severa en la unión. Las áreas adyacentes
también pueden sufrir ataque de residuos por las salpicaduras y
vapores del fundente.
La familia de fundentes inorgánicos de bromuros se utiliza
ampliamente en la industria de los radiadores para automotores
con y sin instalaciones para lavado. Ciertas composiciones de
estos fundentes se pueden usar sin lavado, ya que sus residuos
no causan corrosión de las piezas soldadas en blando.
Los que siguen son constituyentes comunes de los fundentes
inorgánicos:
(1)Cloruro de cinc.
(2) Cloruro de amonio.
(3) Cloruro de estaño.
(4) Ácido clorhidrico.
( 5 ) Ácido fosfórico.
(6) Otros cloruros metálicos.
Not for Resale
--`,,,```-`-`,,`,,`,`,,`---
434
SOLDADURA BLANDA
435
O
U
m
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2
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O
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Not for Resale
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436 S O L D A D U R A B L A N D A
FUNDENTES ORGÁNICOS
Resina activada
Los "DENTES ORGANICOS,aunque menos activos que los
materiales inorgánicos, son efectivos a temperaturas de soldadura blanda de 90 a 320°C (200 a 600°F). Estos fundentes
contienen ácidos y bases orgánicas y en muchas ocasiones
algunos de sus derivados, como los halohidratos; son activos a
las temperaturas de soldadura blanda, pero el periodo de actividad es corto en virtud de su susceptibilidad a la descomposición
ténnica. La tendencia de estos compuestos a volatilizarse, chamuscarse o arder cuando se calientan limita su uso con calentamiento de soplete o flama. Si estos fundentes se utilizan debidamente, sus residuos son relativamente inertes y se pueden
eliminar con agua.
Los fundentes orgánicos son especialmente útiles en aplicaciones en las que es posible aplicar cantidades controladas de
fundente y en las que se puede usar suficiente calor como para
descomponer o volatilizar por completo los constituyentes corrosivos. Hay que tomar precauciones para evitar que el fundente
no descompuesto llegue a las fundas aislantes. También hay que
tener cuidado al soldar en blando en sistemas cerrados en los que
vapores corrosivos se puedan condensar en componentes críticos del ensamble.
Los que siguen son constituyentes comunes de los fundentes
orgánicos:
UN TERCER TIPO, a h más activo, de fundente con base de
colfonia es la resina activada. Estos fundentes se utilizan ampliamente en productos electrónicos comerciales y en aplicaciones de alta confiabilidad en las que el residuo debe ser susceptible de eliminación completa después de la soldadura blanda. El
material activador puede ser un compuesto orgánico que reaccione para liberar cloruros u otros haluros, o un ácido orgánico
en baja concentración.
(1) Ácido abiético.
(2) Etilén-diamina.
(3) Ácido glutámico.
(4) Bromhidrato de hidracina.
(5) Ácido oleico.
(6) Ácido esteárico.
(7) Una amplia gama de compuestos quimicos con base de
ácido o que forman ácidos.
FUNDENTES DE RESINA
Resina no activa
--`,,,```-`-`,,`,,`,`,,`---
LACOLOFONIABLANCA disuelta en un disolvente orgánico apropiado es lo más cercano a un fundente no corrosivo. Los fundentes de resina poseen propiedades físicas y químicas importantes
que los hacen especialmente apropiados para la industria eléctrica. EI constituyente activo, el ácido abiético, se vuelve moderadamente activo a temperaturas de soldadura blanda entre 177
y 316°C (350 y 600°F). EI residuo es duro, no es higroscópico,
no conduce la electricidad y no es corrosivo.
Resina moderadamente activada
ENVISTA DE la baia actividad de la colofonia. se han inventado
fundentes de resina moderadamente activados que tienen mayor
acción de fundente sin que se altere SiEnificativamente la naturaleza no corrosiva del residuo. Estos ion los fundentes preferidos para sistemas militares y telefónicos, y otros productos
electrónicos de alta confiabilidad.
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FUNDENTES ESPECIALES
LOS " D E N T E S DE reacción son un grupo especial de fundentes
que resultan útiles para soldar en blando aluminio, aunque
también están encontrando aplicación con otros metales. En la
práctica, la descomposición del fundente limpia y desplaza los
óxidos y deposita una película metálica en la superficie del metal
base que mejora el mojado y el esparcimiento.
ACCIONES DEL FUNDENTE
ENLA TABLA 13.14 se presenta una guia general de selección de
fundente para diversas aplicaciones de soldadura blanda que
incluye todas las clasificaciones que acabamos de ver, con el fin
de ayudar al usuario a escoger los materiales fundentes más
apropiados.
Se fabrican muchos fundentes para soldadura blanda, diseñándolos especificamente para ciertas aplicaciones. Hay fundentes para electrónica, plomería, radiadores, metales disímiles
y una amplia variedad de productos industriales. La determinación del fundente adecuado es importante para asegurar una
operación de soldadura blanda satisfactoria.
Entre las propiedades generales deseables de los fundentes
están la capacidad para eliminar óxidos, proteger superficies
metálicas y fundirse por debajo de las temperaturas de soldadura
blanda. Ya completada la soldadura, el residuo de fundente debe
tener las propiedades de no conducir la electricidad y ser resistente a la corrosión.
Cada fundente se diseña para un proceso de calentamiento y
tiene un intervalo de temperaturas de procesamiento en el que
produce resultados óptimos.
No existe una prueba general que pennita identificar todas
las propiedades necesarias de un fundente para un aplicación
específica. Por tanto, se han desarrollado varias pruebas relacionadas con las Características de los fundentes y con su valor para
la fabricación de componentes específicos. Se recomienda a los
fabricantes realizar un estudio exhaustivo antes de seleccionar
un fundente; no deben apoyarse exclusivamente en los datos que
proporcionan los proveedores, ya que podrían no ser pertinentes
para una aplicación en particular.
FORMAS DE LOS FUNDENTES
LOS FUNDENTES SE venden Como núcleos sencillos 0 múltiples
en soldados de alambre, Y como líquidos, Pastas Y Polvos. No
todos los fundentes están disponibles en todas las formas.
Not for Resale
SOLDADURA BLANDA
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O
O
o
437
438
SOLDADURA BLANDA
DISEÑO DE LAS UNIONES
LASELECCIÓN DE un diseño de unión para una aplicación específica dependerá en gran medida de los requisitos de servicio del
ensamble. También puede depender de factores como el método
de calentamiento que se va a usar, las técnicas de fabricación
previas a la soldadura blanda, el número de artículos por soldar
y el método de aplicación de metal de aporte.
Si los requisitos de servicio de una unión son severos, generalmente es necesario diseñar la unión de modo que no limite la
función del ensamble. Las soldaduras blandas tienen baja resistencia mecánica en comparación con los metales que suelen
soldarse; por tanto, la unión debe diseñarse de modo que no
dependa de la fortaleza del soldado. La resistencia mecánica
necesaria puede proveerse moldeando las piezas por unir de
modo que se ensarten o enganchen, para que el soldado sólo
tenga que sellar y hacer rígido el ensamble.
Hay aplicaciones industriales de la soldadura blanda en las
que la unión soldada misma debe soportar la carga. Un ejemplo
típico son las uniones de tubos en los sistemas de plomería, en
las que se usan uniones traslapadas sin sustento mecánico adicional. En estos casos, las propiedades de la aleación de soldadura blanda y de la configuración de unión son importantes para
el servicio.
EN 'T"
Se emplean dos tipos básicos de diseños de unión para
soldadura blanda: la unión traslapada y la unión de costura de
enganche. En la figura 13.3 se ilustran los diseños de unión que
con más frecuencia se usan para soldadura blanda. Las uniones
a tope no se utilizan muy a menudo.
Siempre que sea posible, deberá usarse diseños de unión del
tipo traslapado o de costura de enganche, ya que ofrecen la
mayor probabilidad de lograr uniones de máxima resistencia
mecánica.
Un factor importantepara el diseño de las uniones es la forma
en que se aplicará el metal de aporte a la junta. El diseñador debe
considerar el número de juntas del ensamble y el número de
ensambles que se van a fabricar. Si la producción es limitada,
con un proceso de soldadura blanda manual, el soldado se puede
alimentar de frente a la unión con poca o ninguna dificultad. En
cambio, si se va a fabricar un gran número de ensambles con
múltiplesjuntas cada uno, puede ser ventajoso un proceso automatizado, como la soldadura blanda de ola. En este caso, el
diseño debe proveer uniones accesibles apropiadas para la aplicación de fundente, soldadura y limpieza automáticas.
La separación entre las piezas que se van a unir deberá
permitir la succión del soldado fundido hacia el espacio inter-
ESQUINA
TRASLAPADA
A TOPE CON UNA TIRA
@
.;:..::
.;p
.;p'
.::..:;':.
EN 'T" ANGULADA
ESQUINA
DOBLE TRASLAPO
A TOPE CON BRIDA
.::.
_ii.
,.:?
EN 'T" CON BRIDA
TRASLAPADA AL RAS
ESQUINA CON BRIDA
CONTACTO EN LiNEA
n
BORDE CON BRIDA
.
.
COSTURA DE
ENGANCHE PLANA
FONDO CON BRIDA
FONDO CON BRIDA
Figura 13.3-Disenos de unión de uso frecuente para soldadura blanda
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SOLDADURA BLANDA
SOLDADA
EXPANDIDAMECON PUNTOS CÁNICAMENTE
EXPANDIDA
HIDRAULICA,
MENTE
COSTURA DE ENGANCHE
PRENSADA
CON BROCHE
ESTACADA
ATORNILLADA O REMACHADA
A CONTRABARRENOY TORNEADA
(A) MOLDEADA
(ô) PRENSADA
ESTRANGULADA
ESTAMPADA
(C) MARTILLADA
DE RANURAY DE OREJETA
CLAVAR BRIDA
AL TUBO
DE GRAVEDAD
ESTACADA
k=SOLDADA \
CLAVADA
SOLDADO
EXPANDIDA
TORNEADA O
ESTAMPADA
MOLETEADA
E INSERTADA
A PRESION
ESTRANGULADA
Figura 13.4-Disefios de unión para soldadura blanda con autoguia
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439
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440
SOLDADURA BLANDA
medio por acción capilar, pero no ser tan amplia que el metal de
aporte no pueda llenar el hueco. Se prefieren separaciones de
0.075 mm (0.003 pulg) a fin de lograr una resistencia mecánica
óptima, pero pueden permitirse variaciones en casos específicos.
Por ejemplo, al soldar materiales previamente recubiertos es
posible usar separaciones tan estrechas como 0.025 mm (0.001
PUM.
En la figura 13.4 se ilustran veintiún diseños de juntas para
soldadura blanda que no requieren guía externa (autoguía). En
la figura 13.5 se muestran diversos métodos para aumentar la
resistencia mecánica de las uniones en circuitos impresos.
FIBRA DE VIDRIOCON RESINA EPOXICA
I
I
'OLDADo
UNION MAS
FUERTE
\
TERMINAL MÁS
LARGA
(A) EMPLEO DE BASES MÁS GRANDES Y TERMINALES MÁS LARGAS
AGUJERO CHAPEADO
TARJETA GRUESA
(E) LAS TARJETAS GRUESAS TIENEN SUPERFICIES
DE CORTE MAS GRANDES
Figura 13.5-Métodos para mejorar la resistencia
mecánica de las uniones
LIMPIEZA PREVIA Y PREPARACIÓN DE LAS SUPERFICIES
evita que el metal de aporte fluya y
dificulta o imposibilita la soldadura blanda. Los materiales como
aceite, grasa, pintura, marcas de lápiz, lubricantes de estirado y
corte, polvo atmosférico, óxidos y películas de orín deben eliminarse antes de soldar en blando. No podemos exagerar la
importancia de la limpieza de asegurar uniones íntegras.
UNA SUPERFICIE SUCIA
DESENGRASADO
SE RECOMIENDA EL desengrasado con disolventes o áicaiis para
limpiar superficies aceitosas o grasosas. De los métodos de
desengrasado con disolvente, el de condensación de vapor es el
que deja la película residual más delgada. Si no se cuenta con
equipo para el desengrasado con vapor, la inmersión en disolventes líquidos o en soluciones detergentes es un procedimiento
adecuado. Los detergentes alcalinos calientes se utilizan mucho
para desengrasar. Todas las soluciones de limpieza se deben
eliminar perfectamente antes de soldar. Los residuos de enjiiagados con agua dura pueden interferir posteriomiente con la
soldadura blanda.
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BAÑO QUiMlCO
EL PROPÓSITO DE la limpieza con baño químico o de ácido es
eliminar el orin, las incnistaciones y los óxidos o sulfuros del
metal, para así dejar superficies limpias soldables. Los ácidos
iiiorgánicos (clorhídrico, sulfúrico, fosfórico, nítrico y fluorhídrico), solos o en combinación, cumplen con esta función,
aunque los ácidos más utilizados son el clorhídrico y el sulfúrico.
Las piezas deberán lavarse minuciosamente con agua caliente
después del bano químico, y secarse lo más rápidamente que se
pueda.
LIMPIEZA MECÁNICA
LALIMPIEZA MECANICA incluye los siguientes métodos:
(1) Lijado o amolado mecánico.
(2) Limado o lijado inaniiales.
(3) Limpieza con lana de acero.
(4)Raspado o cepillado con alambre.
(5) Limpieza con ráfagas de abrasivo o municiones.
Not for Resale
SOLDADURA BLANDA
Los metales blandos como el cobre se limpian de preferencia
con cepillado o lijado suaves, o con lana de acero en los materiales de plomería. En el caso de los componentes electrónicos lo
mejor es evitar la limpieza mecánica. EI aluminio se suelda en
blando mejor una vez que se han eliminado los óxidos por
medios mecánicos; lo mejor es cepillar o raspar con alambre. La
limpieza con ráfagas de municiones es preferible a los abrasivos
porque no hay incrustación de partículas de silica. Se deben usar
municiones de acero inoxidable para superficies inoxidables.
Los mejores resultados se obtienen si se extiende la limpieza más
allá del área de la unión.
RECUBRIMIENTO PREVIO
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HAYOCASIONES EN que conviene recubrir las superficies de los
metales base con un metal o una aleación más soldable antes de
la operación de soldadura blanda. Para este fin se usan recubrimientos de estaño, cobre, plata, cadmio, hierro, níquel y aleaciones de estaño-plomo,estaño-cinc, estaño-cobre y estaño-níquel.
Las ventajas del recubrimiento previo son dos: (1) la soldadura
blanda es más rápida y uniforme y ( 2 ) no hay necesidad de usar
fuiidentes muy ácidos. En el caso de metales que presentan
películas de óxido tenaces, como el aluminio, los bronces de
aluminio, los aceros de alta aleación y el hierro colado el
recubrimiento previo es casi obligatorio. Hay ocasiones en que
resulta Útil recubrir el acero, el latón y el cobre.
Las superficies metálicas se pueden recubrir empleando varios métodos distintos. EI soldado o el estaño se pueden aplicar
con un cautín o una rueda de amolar, mediante soldadura blanda
ultrasónica, por inmersión en metal fundido, por electrodeposición o por desplazamiento químico.
La inmersión en caliente puede efectuarse aplicando fundente a las piezas y sumergiéndolas en estaño o soldado fundido.
Las piezas pequeñas a menudo se colocan en canastas de alambre, se limpian, se cubren con fundente, se sumergen en el metal
fundido y se centrifugan para eliminar el exceso de metal. EI
recubrimiento por inmersión en caliente es aplicable al acero al
carbono, el acero de aleación, el hierro colado, el cobre y ciertas
441
aleaciones de cobre. Se debe evitar una inmersión prolongada
en estaño o soldado fundidos para que no se formen cantidades
excesivas de compuestos intermetálicos en la zona entre el
recubrimiento y el metal base.
EI recubrimiento previo por electrodeposición puede realizarse en tanques estacionarios, en unidades de chapeado de
banda transportadora o en tambores. Estos métodos se pueden
aplicar a todos los aceros, aleaciones de cobre y aleaciones de
níquel. Los materiales de recubrimiento no están limitados al
estaño y el soldado. También se usan comúnmente cobre, cadmio, plata, metales preciosos, níquel, hierro y chapeados de
aleación como estaño-cobre, estaño-cinc y estaño-níquel.
Ciertas combinaciones de metales electrodepositados (recubrimientos dúplex), en los que un metal se chapea sobre otro,
están adquiriendo cada vez más popularidad como ayuda para
la soldadura blanda. En el caso del latón, resulta especialmente
útil un recubrimiento de 0.005 mm (0.0002 pulg) de cobre más
0.008 m m (0.0003 pulg) de estaño. La soldabilidad del aluminio
mejora con un recubrimiento de 0.013 mm (0.0005 pulg) de
níquel seguido por 0.008 mm (0.0003 pulg) de estaño, o por una
combinación de cincato (cinc), 0.005 mm (0.0002 pulg) de
cobre, y estaño. Un chapeado de hierro seguido por uno de
estaño es extremadamente Útil para soldar en blando hierro
colado.
Es posible aplicar recubrimientos por inmersión o por desplazamiento químico de estaño, plata o níquel a algunos metales
base comunes. Estos recubrirnientos por lo regular son muy
delgados y no duran mucho en almacenamiento.
La vida de almacenamiento de un recubrimiento se define
como la capacidad del recubrimiento para resistir las condiciones de almacenaje sin menoscabo de la soldabilidad. Los recubrimientos de estañado en caliente y de electroestañadoabrillantado por flujo tienen excelente vida de almacenamiento,pero los
espesores insuficientes de recubrimientos electroestañados o
estañados por inmersión tienen duración limitada. Se recomiendan espesores de 0.003 mm (0.0001 pulg) a 0.008 mm (0.0003
pulg) de estaño o soldado para asegurar una soldabilidad en
blando máxima después de un almacenamiento prolongado.
CONSIDERACIONES DE PROCESO EN SOLDADURA BLANDA
LA SOLDADURA BLANDA se efectua con varios métodos, de los dos. En muchos casos la soldadura blanda debe efectuarse muy
que hablaremos en la siguiente sección, pero en toda operación cerca de otros materiales sensibles al calor o metales que han
de soldadura blanda hay condiciones comunes que se deben recibido un tratamiento térmico específico. Los metales trabajaconsiderar cuidadosamente antes de decidir cuál proceso o mé- dos en frío pueden ablandarse o relajarse durante el proceso de
todo es el mejor para un trabajo en particular.
soldadura blanda, y esto debe tenerse en cuenta al diseñar una
Los pasos básicos de la soldadura blanda son la preparación pieza terminada. La soldadura blanda exige ajustarse a tolerande las uniones, su limpieza, la aplicación de fundente, el preca- cias estrictas para asegurar uniones de calidad. Enmuchos casos
lentamiento, la soldadura y la limpieza final. La soldadura es aconsejable preparar piezas de muestra con el proceso que se
blanda es un proceso de unión a baja temperatura, de modo que piensa usar y someterlas a pruebas destructivas a fin de asegulos fundentes empleados deben tener una buena activación y rarse que las piezas de producción serán satisfactorias. Los
reacción a esas temperaturas. Cada combinación de soldado y procesos de soldadura blanda se pueden automatizar en alto
fundente tiene un proceso que produce resultados óptimos.
grado si ya se evaluaron con detenimiento todas las variables de
Es común aplicar a los materiales pruebas de soldabilidad en materiales y procesamiento y se controlan con cuidado. En
blando que proporcionan información importante pero no cu- contraste, también es posible soldar en blando en forma satisfacbren efectos como el almacenamiento futuro, la variación en los toria y eficiente piezas individuales o lotes pequeños empleando
materiales o la capacidad para limpiar componentes ya prepara- sopletes de soldadura blanda que se sostienen con la mano.
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442
SOLDADURA BLANDA
El ángulo con que se aplica la punta de cobre al trabajo es
LAAPLICACI~NCORRECTAde calor es de primordial importancia
en cualquier operación de soldadura blanda. El calor debe apli- importante para comunicar el máximo de calor a este último. Se
carse de tal manera que el soldado se funda en contacto con la debe aplicar el lado plano de la punta a fin de lograr el área de
superficie caliente, la moje y fluya sobre ella. Se dispone de contacto máxima. Los metales de aporte connúcleo de fundente
varias herramientas y métodos para suministrar el calor.
no deben fundirse sobre la punta del cautín porque esto destruye
la efectividad del fundente; el soldado con núcleo debe tocar
brevemente la punta del cautín para iniciar una buena transfeCAUTINES
rencia de calor y luego debe fundirse sobre las piezas de trabajo
LA HERRAMIENTA DE soldadura blanda tradicional es el cautin para completar la unión.
con punta de cobre que se puede calentar eléctricamente o con
Los cautines modernos para soldar a mano se fabrican de
mecheros de petróleo, coque o gas. A fin de prolongar la vida modo que la temperatura en la punta está bien controlada, y con
útil de las puntas de cobre, se aplica a su superficie un recubri- una amplia gama de tamaños de punta diseñados para trabajar
miento de metal susceptible de ser mojado por el soldado, como con ciertos diámetros de alambre de soldado y para mantener las
el hierro, con o sin recubrimientos adicionales. La rapidez de temperaturas de soldadura blanda requeridas.
disolución del recubrimiento de hierro en soldado fundido es
bastante menor que en el caso del cobre. Además, el recubrimiento de hierro presenta menos desgaste, oxidación y forma- SOLDADURA BLANDA CON SOPLETE
ción de hoyos que el cobre no recubierto.
La selección de los cautines puede simplificarse clasificán- LA SELECCIÓNDE un soplete de gas para soldar en blando debe
dolos en cuatro grupos: (1) cautines para personal de servicio, corresponder con el tamaño, masa y configuración del ensamble
(2) cautines de lápiz de bajo voltaje del tipo de transformador, que se va a soldar. La temperatura de la flama está controlada
(3) cautines especiales de calentamiento rápido y de tipo pinza por la naturaleza de los gases empleados. Si el gas combustible
y (4) cautines industriales de trabajo pesado. En la tabla 13.15 se quema con oxígeno, producirá temperaturasde flama más altas
que cuando arde en aire. Las temperaturas de flama más altas se
se muestra una lista de los tipos de cautines más comunes.
Sea cual sea el método de calentamiento, ia punta realiza las logran con acetileno, y las más bajas, con propano, butano, gas
natural y gas municipal (sintetizado), aproximadamente en el
siguientes funciones:
orden dado aquí. La flama de un gas combustible que se quema
(1) Almacena calor y lo conduce desde la fuente de calor con oxígeno está bien definida; con aire, la flama será “peluda”
y abocinada.
hasta las piezas que se van a soldar.
Es frecuente usar puntas de múltiples flamas, o mecheros, con
(2) Almacena soldado fundido.
formas apropiadas para el trabajo. Pueden estar diseñadas para
(3) Lleva el soldado fundido.
trabajar con oxígeno y gas combustible, aire comprimido y gas
(4) Retira el exceso de soldado fundido.
combustible o con aire atmosférico y gas (sopletes tipo Bunsen).
El rendimiento de los cautines eléctricos industriales no
Al ajustar las puntas o los sopletes, deben evitarse los ajustes
puede medirse sólo por la especificación de potencia (watts) del que produzcan una flama con hollín; el carbón depositado en el
elemento de calentamiento. Los materiales empleados y el dise- trabajo impedirá el flujo del metal de aporte.
ño del cautín afectan la reserva de calor y la recuperación de
En algunas aplicaciones industriales se usan sistemas de
temperatura de la punta de cobre.
sopletes automatizados complejos, con muchas flamas.
Tabla 13.15
Selección de cautinec
Trabajo por realizar
Intervalo de diámetros de la punta
PUhl
mm
Intervalo de
potencia, watts
Circuitos impresos miniatura, sustratos delgados, componentessensibles al calor
Trabajos intermitentesde ensamble ligero,circuitos impresos, instrumentos,joyería
Trabajo de ensamble repetitivo, teléfonos y aparatos domésticos, vidrio artístico
Soldadura blanda de alta velocidad para producción, utensilios de estano ligeros,
aplicaciones generales, electricidad mediana, plomería ligera
Utensilios de estaño medianos, techos ligeros, reparación a bordo de embarcaciones,
electricidad pesada, plomería pesada
Utensilios de estaio pesados,techos, radiadores,armaduras,cajas de transformadores
1/32 - 118
118 - 3/16
3/16 - 114
1-3
3-5
5-6
10-20
20-35
40-60
114 - 112
6-13
70-150
112 - 1-112
1-112 - 2
13-38
38-53
170-350
350-1250
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MÉTODOS Y EQUIPO PARA SOLDADURA BLANDA
SOLDADURA BLANDA
soldado fluye hacia abajo por una artesa por gravedad y se
devuelve con una bomba al depósito superior.
Los sistemas de soldadura blanda de ola integrados para
ensambles de circuitos impresos cuentan con unidades que
pueden aplicar el fundente, secar y precalentar la tarjeta, soldar
en blando los componentes y limpiar el ensamble terminado.
Algunos de estos sistemas tienen aditamentos especiales que
aplican el fundente haciendo pasar el trabajo por una ola, por
aspersión, con rodillos o por inmersión. Varios sistemas utilizan
aceite mezclado con el soldado para ayudar a la eliminación de
carámbanos (también llamadospuentes) entre los caminos conductores.
Otro sistema cuenta con olas dobles en las que la aleación de
metal de aporte fluye en dirección opuesta al desplazamientode
la tarjeta.
SOLDADURA BLANDA POR INMERSI~N
ESTEMÉTODODE soldadura blanda emplea un baño de metal de
aporte fundido para proporcionar tanto el calor como el soldado
necesario para unir las piezas de trabajo.
En la figura 13.6 (A) se ilustran dos técnicas de soldadura
blanda por inmersión. Si se realiza correctamente,este método
resulta útil y económico porque es posible soldar en una sola
operación un ensamble que incluya cualquier número de juntas.
Por lo regular se requieren fijaciones para sostener las piezas y
mantener la separación debida en la unión durante la solidificación del metal de aporte.
EI recipiente de soldadura blanda debe ser lo bastante grande
como para mantener la tasa de producción. Las piezas que se
sumerjan no deberán bajar apreciablemente la temperatura del
baño de soldado. Si el recipiente es del tamaño apropiado se le
podrá mantener a una temperatura de operación más baja y aun
así suminsitrar suficiente calor para soldar en blando las juntas
swnergidas.
SOLDADURA BLANDA EN FASE DE VAPOR
(CONDENSACI~N)
ESTEMETODO APROVECHA el calor latente de vaporización de
SOLDADURABLANDADEOLA
un líquido saturado que se condensa a fin de suministrar el calor
necesario para soldar en blando piezas de trabajo en las que se
ha colocado previamente el fundente y el soldado. Un tanque de
vapor saturado sobre líquido en ebullición proporciona una
temperatura controlada constante con transferencia de calor
rápida que resulta Uti1 para soldar en blando ensambles grandes,
así como piezas térmicamente sensibles. El equipo comercial
utiliza transportadores para realizar un proceso continuo en línea
de fabricación electrónica. Los fluidos que se condensan son
compuestos orgánicos fluorados con punto de ebullición entre
2 15 y 253°C (420 y 490°F).
ENLA SOLDADURA blanda de ola, como se muestra en la figura
--`,,,```-`-`,,`,,`,`,,`---
13.6 (B), el soldado se bombea por una ranura angosta amba del
recipiente de soldado para producir una ola o una serie de olas.
El transportador del trabajo puede pasar sobre las olas con un
pequeño ángulo respecto a la horizontal, ayudando a drenar el soldado; también pueden usarse olas dobles o formas de ola especiales para este propósito. Los sistemas de soldadura blanda de ola son
excelentes para obtener superficies de soldado libres de óxido.
Una técnica alterativa de soldadura blanda de ola es la soldadura blanda en cascada que se ilustra en la figura 13.6 (C). El
I
DESPLAZAMIENTO DE LA PIEZA
DESPLAZAMIENTO DE IA PIEZA
/
I4
I
-
(A) SOLDADURA BLANDA POR INMERSION
(B) SOLDADURA DE OLA
--
/
BAÑO DE SOLDADO
(C) SOLDADURA BLANDA EN CASCADA
Fiaura 13.6-Diversas técnicas de soldadurablanda w e se emplean en series de producción arandes
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444
SOLDADURA BLANDA
SOLDADURA BLANDA EN ESTUFA O EN HORNO
HAYMUCHAS APLICACIONES, sobre todo en la soldadura blanda
de alto volumen de producción, en las que la soldadura blanda en
homo produce resultados consistentes y satisfactorios.
EI calentamiento en homo debe considerarse en las siguientes
circunstancias:
(1) Cuando es posible llevar los ensambles completos a la
temperatura de soldadura blanda sin dañar los componentes.
(2) Cuando la producción tiene el volumen suficiente para
justificar el gasto en guías y fijaciones que sostengan ias piezas
durante la soldadura blanda.
(3) Cuando el ensable es complicado y hace poco prácticos
otros métodos de calentamiento.
Es importante usar las fijaciones apropiadas durante la soldadura blanda en estufa o en homo. El movimiento de la junta
durante ia solidificación del soldado puede producir una unión
deficiente.
La soldadura blanda en estufa o en homo por lo regular se
realiza con fundentes inorgánicos en virtud de los requisitos de
temperatura y tiempo. EI empleo de una atmósfera reductora en
el homo permite producir uniones con fundentes menos agresivos, dependiendo de la combinación de metal base y soldado.
Las atmósferas inertes evitan la oxidación ulterior de las piezas
pero de todos modos requieren la aplicación adecuada y suficiente de fundente.
En muchos casos es ventajoso acelerar el enfriamiento de las
piezas una vez que se retiran del homo. Se ha comprobado que
una ráfaga de aire resulta satisfactoria.
Los hornos deben estar equipados con controles de temperatura apropiados, ya que el flujo de soldado tiene un intervalo de
temperaturas óptimo, dependiendo del fundente que se use. La
condición de calentamiento Óptima es aquella en la que la capacidad de calentamiento del homo basta para calentar las piezas
con rapidez mientras se aplica fundente de manera controlada.
flujo de comente inducido, en tanto que la distribución del calor
que se obtiene del calentamiento por inducción es función de la
frecuencia de la onda inducida. Las frecuencias más altas concentran el calor en la superficie. Entre los tipos de equipo
disponibles para el calentamiento por inducción están el oscilador de tubos de vacío, el sistema de chispa resonante, las unidades de motor-generador y las fuentes eléctricas de estado sólido.
La soldadura blanda por inducción generalmente se elige para
lo siguiente:
(1) Producción a gran escala.
(2) Aplicación de calor en un área localizada.
(3) Oxidación m’nima de ia superficie adyacente a la unión.
(4) Buen aspecto y calidad consistentemente alta de las
uniones.
(5) Uniones de diseño sencillo que se prestan a la mecanización.
La técnica de inducción requiere que las piezas por unir
tengan superficies limpias y separaciones precisas. Los metales
de aporte de calidad se extienden rápidamente y producen buen
flujo capilar. En muchos casos los preformados son el mejor
método para suministrar la cantidad correcta de soldado y fundente a la unión.
AI soldar en blando metales disímiles por inducción, sobre
todo si las uniones son entre componentes magnéticos y no
magnéticos, se debe cuidar el diseño de la bobina de inducción
para que las dos piezas se calienten aproximadamente a la misma
temperat ma.
SOLDADURABLANDAALINFRARROJO
EXISTEN
SISTEMAS DE soldadura blanda Óptica que se basan en
la concentración de luz infrarroja (energía radiante) sobre la
unión mediante un lente. Se pueden usar lámparas de 45 hasta
1500 watts, dependiendo de la aplicación. Los dispositivos
pueden programarse a través de una fuente de potencia controlada por circuitos de estado sólido con cronómetro interno.
SOLDADURA BLANDA POR RESISTENCIA
PARA LA SOLDADURA blanda por resistencia es necesario colocar
el trabajo entre una tierra y un electrodo móvil o bien entre dos
electrodos móviles a fin de completar un circuito eléctrico. EI
calor se aplica ai trabajo tanto por la resistencia eléctrica del inetal que se suelda como por conducción desde el electrodomóvil,
que por lo regular es de carbono.
Las unidades de producción pueden contar con electrodos
múltiples, electrodos rodantes o electrodos especiales, según lo
que resulte más ventajoso en lo que respecta a ia velocidad de soldadura blanda, el calentamiento localizado y el consumo de
potencia.
Las puntas de los electrodos para soldadura blanda por resistencia no pueden estañarse, y el soldado debe alimentarse a la
unión o suministrarse mediante prefonnados o recubrirnientos
de metal de aporte sobre las piezas.
SOLDADURA BLANDA POR INDUCCIÓN
ELMATERIAL QUE se va a soldar en blando por inducción debe
ser un conductor eléctrico. La tasa de calentamiento depende del
SOLDADURA BLANDA CON GAS CALIENTE
ENLASOLDADURA blanda con gas caliente se emplea un chorro
fino de gas inerte calentado a una temperatura por encima del
liquidos del metal de aporte. EI gas actúa como medio de transferencia de calor y como escudo para reducir el acceso de aire a
la unión.
SOLDADURA BLANDA ULTRASÓNICA
SE FABRICA EQUIPO para operaciones de soldadura blanda por
inmersión y riiaiiuales con ultrasonido. Un transductor ultra&
iiico produce vibraciones de alta frecuencia que desintegran las
películas de óxidos tenaces sobre los metales base. La superficie
recién expuesta se moja fácilmente sin ayuda de fundente, o con
un fundente menos agresivo. Las unidades ultrasónicas son
útiles para soldar en blando codos de retorno a las bobinas de
aluminio de los acondicionadores de aire. La soldadura blanda
ultrasónica también se usa para aplicar recubrirnientos soldables
en blando a metales difíciles de soldar en blando.
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SOLDADURA BLANDA
445
aporte sólido de aproximadamente3.2 mm (1/8 pulg) de diámetro y de alimentacióncontinua. La flama de la pistola funde cerca
del 90% del alambre. El soldado choca con la pieza de trabajo
ESTEMÉTODO GENE-E
se escoge cuando el perfil de la en estado semiliquido y el trabajo, calentado también por la
pieza presenta problemas si se usan técnicas más convencionales. flama, suministra el resto del calor necesario para fundir el
Se fabrican pistolas con calentamiento por gas o eléctrico, soldado y hacerlo fluir. Es posible ajustar la pistola para controdiseñadas para rociar soldado fundido o semifundido sobre el lar el rociado del metal de aporte.
Las pistolas calentadas por electricidad son similares a las de
trabajo a partir de un alambre de metal de aporte de alimentación
gas, excepto que usan un elemento de calefacción para fundir el
continua.
Las pistolas de gas utilizan propano con oxígeno, o gas soldado. Un chorro de aire comprimido rocía entonces el metal
natural con aire, para calentar y rociar un alambre de metal de de aporte fundido sobre la pieza de trabajo.
SOLDADURA BLANDA CON PISTOLA
DE ASPERSIÓN
TRATAMIENTO DE LOS RESIDUOS DE FUNDENTE
UNAVEZ QUE se ha soldado en blando una unión, es preciso
eliminar los residuos de fundente que pueden corroer el metal
base o perjudicar de alguna otra manera la efectividad de la
unión. La eliminación de residuos de fundente tiene especial
importanciacuando las uniones se exponen a entomos húmedos.
Los fundentes con base de cloruro de cinc dejan un residuo
fusionado que absorbe agua de la atmósfera. La mejor forma de
eliminarlos es lavando con agua caliente que contiene 2% de
ácido clorhídrico concentrado, enjuagando después con agua
caliente. El agua acidificada elimina la costra blanca de oxicloruro de cinc, que es insoluble en agua sola. También es posible
eliminar por completo el residuo lavando posteriormente con
agua caliente que contiene un poco de sosa para lavar (carbonato
de sodio) y enjuagando después con agua limpia. De vez en
cuando, puede ser necesario aplicar un poco de restregado
mecánico.
Los residuos de fundentes inorgánicos que contienen sales y
ácidos inorgánicos se deben eliminar por completo. También es
necesario eliminar minuciosamente los residuos de fundentes
orgánicos compuestos por ácidos orgánicos muy débiles, como
el ácido esteánco, el ácido oleico y el sebo ordinario, o las
combinaciones altamente corrosivas de urea y diversos clorhidratos orgánicos.
Para determinar s i ya se eliminaron todas las sales, la unión
deberá lavarse con agua tibia a la que se agregaron unas gotas
de nitrato de plata. Si todavía hay cloruros presentes, el agua se
enturbiará por la precipitación de cloruro de plata.
Los residuos de fundentes orgánicos por lo regular son bastante solubles en agua caliente. Siempre es aconsejable enjuagar
dos veces con agua tibia.
En general, los residuos de fundentes de resina se pueden
dejar en la unión a menos que el aspecto sea un factor importante,
o si el área de la unión se va a pintar o recubrir posteriomente.
Los fundentes de resina activados se pueden tratar del mismo
modo, pero deben eliminarse en el caso de aplicaciones electrónicas críticas.
Si hay necesidad de eliminar los residuos de resina, se puede
usar alcohol o hidrocarburos clorados. Ciertos activadores de la
resina son insolubles en agua pero solubles en disolventes orgánicos. Estos fundentes deben eliminarse con disolventes orgánicos seguidos por un enjuague con agua.
Los residuos de fundentes del tipo de reacción que se emplean
con aluminio por lo regular se eliminan enjuagando con agua
tibia. Si esto no quita perfectamente los residuos, la unión puede
restregarse con un cepillo y luego sumergirse en ácido sulfúrico
al 2%, seguido por inmersión en ácido nítrico al 1%. El último
paso es enjuagar con agua tibia.
Las pastas de soldadura blanda para sistemas de plomería
generalmenteson emulsiones de petrolato y una solución acuosa
de cloruro de cinc y amonio. Dada la naturaleza corrosiva de las
sales ácidas que contiene el fundente, los residuos deben eliminarse para evitar la corrosión de las uniones soldadas y de las tuberías de cobre. Los residuos aceitosos o grasosos de la pasta de
fundente generalmente se eliminan con un disolvente orgánico.
INSPECCIÓN Y PRUEBA
INSPECCIÓN VISUAL
LAINSPECCIÓNVISUAL normalmente es suficiente para las uniones soldadas en blando. Las uniones deberán ser lisas y estar
libres de huecos, agujeros o porosidad obvios. El perfil entre la
unión soldada y el material que se está uniendo deberá mostrar
una transición suave con un ángulo de contacto relativamente
bajo entre el soldado y el metal base. Es necesario examinar
todas las áreas que no se mojaron debidamente. La falta de
mojado se detecta porque el metal conserva su color original.
Hay deshumectación cuando el soldado originalmente fluyó
sobre las superficies de empalme y luego se retiró para formar
glóbulos, dejando una superficie manchada de aspecto sucio.
Estos defectos por lo regular se deben a una limpieza deficiente
de la unión o al empleo de un fundente inapropiado.
Es fácil sobrecalentar o no calentar lo Suficiente las uniones
de soldadura blanda. Las uniones sobrecalentadas se detectan
por la presencia de fundentes quemados y óxidos en la unión
soldada. Las uniones subcalentadas generalmente presentan características de flujo deficientes, con trozos de soldado adheri-
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446
SOLDADURA BLANDA
dos a la superficie. Estos rasgos indican que no hubo unión metalúrgica.
Las tarjetas de circuitos impresos soldadas en blando presentan una serie de defectos peculiares a ese producto. Puede haber
puentes de soldado entre conexiones eléctricas separadas por
distancias muy cortas y que deberían estar aisladas una de la otra.
Los puentes pueden deberse a la composicióndel metal de aporte
o a las condiciones de procesamiento. Otro defecto que sólo se
presenta en las tarjetas de circuitos recibe el nombre de curúmbunos: picos de soldado por debajo de la tarjeta. Esto puede
causar interferencia eléctrica en el producto terminado. Las impurezas como cadmio o cinc y la falta de actividad del fundente
promueven la formación de carámbanos.
Algunos tipos de porosidad se pueden deber al diseño o al
material de la tarjeta de circuitos impresos.
Todos estos defectos pueden detectarse mediante inspección
visual.
OTROS MÉTODOS DE INSPECCIÓN
SE EMPLEAN OTROS métodos de prueba no destructivos para
inspeccionar algunos productos soldados en blando. En sistemas
cerrados se pueden usar pruebas de presión-vacío con sello
fluido o pruebas de tasa de fuga. Ejemplos de esto son los
sistemas de plomería que se revisan con pruebas de presión de
agua, los radiadores de vehículos que se revisan con pruebas de
presión de aire, las latas para alimentos que se revisan mediante
pruebas de vacío y los sistemas llenos de gas que se revisan
empleando pruebas de fuga de halógenos.
Se puede usar radiografías para probar uniones de tuberías u
otras aplicacionesen las que el área cubierta con metal de aporte
de plomo es extensa.
Se están comenzando a usar técnicas de inspección por láser
en procesos de fabricación electrónica. El calor generado por el
láser es una indicación de la calidad de una unión soldada en
blando. Con esta técnica también pueden verificarse las dimensiones superficiales.
Las pruebas de emisión acústica son útiles, pero este proceso
puede afectar la calidad de la unión.
Las técnicas de pruebas destructivas normales, incluidas las
pruebas mecánicas, la evaluación de corrosión y los análisis
metalúrgicos son aplicables a las uniones soldadas en blando en
todas sus áreas de aplicación.
EN GENERAL, LOS proveedores proporcionan datos sobre las
propiedades físicas y mecánicas de los metales de aporte para
soldadura blanda, y estos datos pueden usarse en especificaciones para asegurar que los metales tengan calidad consistente. Es
posible que las propiedades que los fabricantes de metales de
aporte acostumbran informar no sean aplicables a ciertos productos y aplicaciones comerciales. Los usuarios deben realizar
pruebas con sus productos terminadospara detenninar si el metal
de aporte y el proceso de soldadura blanda son los apropiados.
Las propiedades informadas de estas aleaciones sólo sirven
como criterio para elegir entre varios metales de aporte para
soldadura blanda disponibles.
Las uniones soldadas en blando trabajan principalmente en
corte, como juntas traslapadas, o en pelado, como juntas de
costura de enganche o sustentadas por material. EI método de
prueba debe ser apropiado para la evaluación de las propiedades
mecánicas del producto especifico. Las pruebas de tensión du-
rante un lapso corto son adecuadas para el control de calidad en
fabricación y para comparaciones.La mayor parte de las uniones
soldadas en blando se someten a esfuerzos en servicio, y es por
ello que los resultados de pruebas de plastodefonnación, ruptura
por esfuerzo y fatiga son indicadoresimportantesdel desempeño
de los productos. En Última instancia, el producto total soldado
debe probarse de modo que se simule hasta donde sea posible el
servicio real, pues de lo contrario existe el peligro de deficiencias
graves si las uniones fallan prematuramente. Las propiedades
mecánicas de las uniones soldadas dependen en buena medida
del diseño del producto, de la aleación elegida, del proceso de
fabricación y de las condiciones de servicio. Cada producto
individual debe estudiarse teniendo en mente todos estos factores, a fin de obtener un equilibrio óptimo entre los costos y la
utilidad. EI lector puede encontrar información adicional en ia
lista de lecturas complementarias al final del capitulo.
PRÁCTICAS SEGURAS EN LA SOLDADURA BLANDA
LAS OPERACIONES DE soldadura blanda deben realizarse en
condiciones seguras. Se debe tener cuidado de leer todos los
rótulos de los alambres de aporte y fundentes para soldadura
blanda a fin de evitar problemas de manejo, reconocer cualquier
potencial de generación o liberación de metales o compuestos
tóxicos, y usar estos materiales sólo para los propósitos indicados. Todas las operaciones de soldadura blanda manual deben
realizarse en un área ventilada, con las superficies de trabajo
libres de gotas o particulas de soldado y residuos de fundente.
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Los trabajadores que manejen soldados y fundentes siempre
deberán lavarse las'áreas expuestas de la piel antes de consumir
alimentos.
Las operaciones de soldadura blanda industrial a menudo
requieren fuentes eléctricas con niveles de potencia relativamente altos. Todos los cautines y equipos deberán estar puestos a
tierra. Si se usan calentadores eléctricos en operaciones de soldadura blanda por inmersión, los trabajadores deberán protegerse con dispositivos de seguridad de fugas de corriente.
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PROPIEDADES DE LAS SOLDADURAS BLANDAS
Y DE LAS UNIONES SOLDADAS
SOLDADURA BLANDA
Los recipientes de soldado sobrecalentados pueden emitir
vapores y humos de metales tóxicos. Es preciso instalar sistemas
de ventilación para eliminar estas emisiones.
447
Los empleados deben tener conciencia de todos los factores
que intervienen en la soldadura blanda y que pueden influir en
su salud y su seguridad.
LISTA DE LECTURAS COMPLEMENTARIAS
--`,,,```-`-`,,`,,`,`,,`---
Aluminum Company of America (Alcoa). Soldering alcoa aluminum Pittsburgh, Aluminum Company of America, 1972.
American Society for Metals. Metals handbook, vol. 6,9”ed.
Metals Park, Ohio,American Society for Metals, 1983.
American Society for Testing and Materials. Papers on Soldering. ASTM Special PublicationNo. 3 19. Filadelfia, American Society for Testing and Materials, 1962.
. Symposium on Solder, ASTM Special Publication
No. 189. Filadelfia, American Society for Testing And Materials, 1956.
American Welding Society. Soldering manual. Miami, American Welding Society, 1978.
Bannos, T. S. “Lead free solder to meet new safe drinking water
regulations”, en Welding Journal 67( 10): 23-27; octubre de
1988.
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Beal, R. E. “Flux technology of inorganic materials for soldering”, en Welding Journal 58(2); 27-33; febrero de 1979.
Beeferman, D. C. “Soldering Creams for electronic surface
mounted devices”, en Welding Journal 65(1): 37-41; enero
de 1976.
C.D.A. Auto Radiator Seminar, Copper Development Assoc.,
1983.
Coombs, C. F., Jr., ed. Printed circuits handbook. Nueva York,
McGraw-Hill, 1967.
Klein Wassink, R. J. Soldering in electronics. Ayr, Escocia,
Electrochemical Publications Limited, 1984.
Manko, H. H. Solders and soldering. Nueva York, McGrawHill, 1979. Thwaits, C. J. So3 soldering handbook, Publication 533. Columbus, OH, International Tin Research Institute, 1977.
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PREPARADO POR UN
COMITÉ INTEGRADOPOR:
G. R.Meyer, presidente
Victor Equipment Company
CORTE
CON
OXIGENO
I
R.D.Green
A irco-Mapp
J. F.Leny
Harnischfeger Corporation
C. R.McGowen
Consultor
MIEMBRO DEL COMITÉ DEL
MANUAL DE SOLDADURA:
I
B. R.Somers
Consultor
Introducción
450
Corte con gas oxicombustible
450
Materiales cortados
474
Corte con lanza de oxígeno
478
Prácticas seguras
480
Lista de lecturas complementarias
480
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CORTE
CON OXIGENO
INTRODUCCIÓN
EL CORTE CON oxígeno (OC) abarca un grupo de procesos de
corte empleados para separar o eliminar metales mediante una
reacción exotérmica del oxígeno con el metal base. En el caso
de algunos metales resistentes a la oxidación, la reacción puede
facilitarse con el uso de un fundente químico o un polvo metaliLos procesos de corte con oxígeno más comunes son el corte
con gas oxicombustible, con arco de oxígeno, con lanza de
oxígeno, con fundente químico y con polvo metálico.
CO.
CORTE CON GAS OXICOMBUSTIBLE
FUNDAMENTOS DEL PROCESO
Definición y descripción general
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LOS PROCESOS DE corte con gas oxicombustible (OFC) separan
o eliminan metal mediante la reacción química de oxígeno con
el metal a temperaturas elevadas. La temperatura requerida se
mantiene con una flama de gas combustibleque arde en oxígeno.
En el caso de metales resistentes a la oxidación, la reacción se
acelera por la adición de fundentes químicos o polvos metálicos
al chorro de oxígeno de corte.
Este proceso ha recibido vanos otros nombres, como quemado, corte con flama y maquinado con flama. La operación de
corte propiamente dicha la realiza el chorro de oxígeno; la flama
de oxígeno-gas combustible es el mecanismo empleado para
calentar el metal base a una temperatura de precalentamiento
aceptable y para mantener la operación de corte.
El soplete de OFC es una herramienta versátil que puede
llevarse con facilidad al lugar donde se va a trabajar. Sirve para
cortar placas de hasta 2 m (7 pies) de espesor. Gracias a que el
chorro de oxígeno de corte tiene un "filo" de 360°, constituye un
procedimiento rápido para cortar tanto bordes rectos como figuras curvas hasta las dimensiones requeridas sin necesidad de
equipo de manipulación costoso. La dirección de corte puede alterarse continuamente durante la operación.
Principios de funcionamiento
EL PROCESO DE corte con gas oxicombustible se vale de un
soplete provisto de una punta (boquilla). Las funciones del
soplete son producir flamas de precalentamiento mediante la
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mezcla del gas y el oxígeno en las proporciones correctas y
suministrar un chorro concentrado de oxígeno de alta pureza a
la zona de reacción. El oxígeno oxida el metai caliente y también
hace saltar los productos de reacción fundidos eliminándolosdel
corte. En las figuras 14.1 y 14.2 se muestran las características
de los sopletes. El soplete mezcla el combustible y el oxígeno
para las flamas de precalentamiento y dinge el chorro de oxígeno hacia el corte. La punta de corte del soplete contiene varias
salidas para flamas de precalentamiento y un conducto central
para el oxígeno de corte.
Las flamas de precalentamiento sirven para calentar el metal
hasta una temperatura en la que el metal reaccionará con el
oxígeno de corte. El chorro de oxígeno oxida rápidamente casi
todo el metal de una sección angosta para efectuar el corte. Los
óxidos del metal y el metal derretido son expulsados del área de
corte por la energía cinética del chorro de oxígeno. Cuando el
soplete se desplaza sobre la pieza de trabajo a una velocidad
apropiada, se obtiene una acción de corte continua. El soplete
puede moverse a mano o con un carro mecanizado.
La precisión de una operación manual depende en gran
medida de la habilidad del operador. La operación mecanizada
casi siempre mejora la precisión y la rapidez del corte y el
acabado de las superficies cortadas.
Cuando se corta una pieza con un proceso
de OC, se elimina progresivamenteuna franja angosta del metal.
El ancho de esta franja se denomina ancho del corte, como se
indica en la figura 14.3. EI control del ancho del corte es
importante en las operaciones en las que la precisión dimensional de la pieza y la ortogonalidad de los bordes cortados son
Ancho del corte.
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CORTE CON OXiGENO
451
TUERCA DE LA PUNTA
PUNTA
DE CORTE
Al
TUERCADELAPUNTA
~'1~1'~
'
MEZCLADO EN LA PUNTA
GASESDE
PRECALENTAMIENTO
MEZCLADOS
GAS COMBUSTIBLE
OX~GENO
GAS
COMBUSTIBLEDE
PRECALENTAMIENTO
0.I GAS MEZCLADO
\
-
OX¡GENO DE
PRECALENTAMIENTO
/OX¡GENO
CORTE
DE
PALANCA
DELOXIGENO
DE CORTE
--`,,,```-`-`,,`,,`,`,,`---
DELOXIGENO
MANGO-
V
C
P
ENTRADA DEL
GASCOMBUSTIBLE
VÁLVULASDE
PRECALENTAMIENTO
OXIGENO DE
PRECALENTAMIENTO
DELOXIGENO
Figura 14.1-Soplete de corte de tipo premezclado
típico
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Figura 14.2-Soplete de corte de mezclado en la punta
típico
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452
CORTE CON OXIGENO
Un aumento en la velocidad de corte sin incrementar el flujo
de oxígeno por lo regular produce un arrastre mayor, lo cual
puede ir en perjuicio de la calidad del corte. También es muy
probable que a velocidades excesivas haya una pérdida de corte.
Puede haber arrastre inverso si el flujo de oxígeno de cotte es
demasiado elevado o si la velocidad de recorrido es excesivamente baja. En estas condiciones,casi siempre se obtienen cortes
de calidad deficiente. Un retraso en el chorro de corte debido a
una alineación incorrecta del soplete no se considera como
arrastre.
Las velocidadesde corte por debajo de las recomendadas para
cortes de calidad óptima casi siempre producen irregularidades
en el ancho del corte. El chorro de oxígeno oxida y expulsa
material adicional de ambos lados del corte de manera inconsistente. Una flama de precalentamiento excesiva resulta en una
fusión indeseable y un ensanchamiento del corte en la parte
superior.
Aspectos químicos del corte con oxigeno
ANCHO DEL CORTE
Figura 14.3-Ancho del corte y arrastre en el corte con
gas oxicombustible
factores significativos del control de calidad. En el proceso OFC,
el ancho del corte depende del tamaño de la salida de oxígeno,
del tipo de punta empleada, de la velocidad de corte y de las
velocidades de flujo del oxígeno de corte y de los gases de
precalentamiento. Al aumentar el espesor del material, por lo
regular es necesario incrementar la velocidad de flujo del oxígeno. Se requieren puntas de corte con salidas más grandes para el
oxígeno de corte cuando se incrementa la velocidad de flujo. En
consecuencia, la anchura del corte aumenta al aumentar el
espesor del material cortado.
El ancho del corte tiene especial importancia cuando se
cortan figuras. Al planificar el trabajo o al diseñar la plantilla
debe compensarse por el ancho del corte. En general, con materiales de hasta 50 mm (2 pulg) de espesor, el ancho del corte
puede mantenerse dentro de +0.4 mm (+ 1/64 de pulg).
Arrastre. Cuando se ajusta la velocidad del soplete de corte
de modo que el chorro de oxígeno entra por la parte superior del
corte y sale por la parte inferior sin apartarse del eje de la punta
del soplete, el corte tendrá arrastre cero. Si se aumenta la velocidad de corte, o si se reduce el flujo de oxígeno, habrá menos
oxígeno disponible en las regiones inferiores del corte. Al haber
menos oxígeno, la velocidad de la reacción de oxidación disminuirá, y además el chorro de oxígeno tendrá menos energía para
expulsar los productos de reacción del área de corte. El resultado
es que la parte más distante del chorro de corte se atrasa con
respecto a la parte más cercana a la punta del soplete. La longitud
de este retraso, medida a lo largo de la línea del corte, se
denomina arrastre. Esto se ilustra en la figura 14.3.
El arrastre también puede expresarse como un porcentaje del
espesor del corte. Un arrastre del 10% significa que el extremo
lejano del corte va detrás del extremo cercano una distancia igual
al 10% del espesor del material.
EL PROCESO DE corte con oxígeno se basa en la capacidad del
oxígeno de alta pureza para combinarse rápidamente con el
hierro cuando éste se calienta hasta su temperatura de ignición,
por encima de 870°C (1600°F). El oxígeno de alta pureza oxida
de inmediato el hierro, liberándose calor por varias reacciones.
Las ecuaciones químicas balanceadas para estas reacciones
son las siguientes:
-
(1) Fe + O 4 F e 0 + calor (267 kJ), primera reacción
(2) 3Fe + 20,
Fe30, + calor (1 120 H),
segunda reacción
(3) 2Fe + 1.50, Fe,03 + calor (825 H), tercera reacción
-+
La tremenda liberación de calor de la segunda reacción
predomina sobre la de la primera reacción, que resulta complementaria en la mayor parte de las aplicaciones de corte. La tercera reacción ocurre en cierta medida en las aplicaciones de corte
más pesadas. Estequiométricamente,0.29 m3(104 ft3)de oxígeno oxidan 1 kg (2.2 lb) de hierro a Fe30,.
En operacionesprácticas, el consumc de oxígeno de corte por
unidad de masa de hierro varía dependiendo del espesor del
metal. El consumo de oxígeno por unidad de masa es mayor que
en la reacción estequiométrica ideal cuando el espesor es menor
que aproximadamente 40 mm (1-1/2 pulg), y es m e n a cuando
el espesor es mayor. En el caso de secciones más gruesas, el
consumo de oxigeno es menor que en la reacción estequiométrica ideal porque sólo una parte del hierro se oxida por completo
hasta Fe30,. Una cierta cantidad de hierro sin oxidar o parcialmente oxidado se elimina gracias a la energía cinética del chorro
de oxígeno en movimiento.
Se ha demostradomediante análisis químicos que, en algunas
situaciones, más del 30% de la escoria consiste en metal no
oxidado. El calor generado por la rápida oxidación del hierro
derrite una parte del hierro adyacente a la superficie de reacción.
Este hierro fundido sale despedido junto con el óxido de hierro
gracias al movimiento del chorro de oxígeno. La reacción de
oxidación concurrente calienta la capa de hierro que está en el
frente de corte activo.
El calor generado por la reacción entre el hierro y el oxígeno
en el foco de la reacción de corte (el punto caliente) debe ser
suficiente para precalentar continuamente el material hasta la
temperatura de ignición. Teniendo en cuenta las pérdidas de ca-
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CORTE CON OXIGENO
453
lor por radiacióny conducción,hay más que suficiente calor para
Se utilizan varios gases combustibles comerciales con oxigesostener la reacción. En la práctica, la superficie superior del no para producir las flamas de precalentamiento, y algunos de
material a menudo está cubierta por incrustaciones de fábrica u ellos tienen composiciones patentadas. En general, los gases
orín. Las flamas de precalentamiento deberán eliminar por fu- combustibles se seleccionan en función de su disponibilidad y
sión esta capa para exponer una superficie metálica limpia al su costo. En la tabla 14.1se dan las propiedades de algunos gases
chorro de oxígeno. Las flamas de precalentamiento ayudan a combustibles de uso común. Para apreciar la importancia de la
sostener la reacción de corte al suministrar calor a la superficie; información de esta tabla, es preciso entender algunos de los
además, protegen al chorro de oxígeno de una interacción tur- términos y conceptos implicados en la quema de gas combustibulenta con el aire.
ble. Estos términos y conceptos se analizan en el capítulo 11,
Los elementos de aleación que normalmente se encuentran donde también se trata ia intensidad de combustión o producen los aceros al carbono se oxidan o disuelven en la escoria sin ción de flama especifica de diversos gases combustibles. Esta
interferir de manera apreciable con el proceso de corte. Cuando propiedad es una consideración importante para la selección de
el acero contiene cantidades considerablesde elementosde alea- gases combustibles.
ción, es preciso tener en cuenta su efecto sobre el proceso de
corte. Los aceros que contienen adiciones pequeñas de elemen- Selección del combustible
tos resistentes a la oxidación, como níquel o cromo, sí pueden
cortarse con oxígeno; sin embargo, cuando dichos elementos AL ELEGIR UN combustible de precalentamiento, es preciso
están presentes en grandes cantidades, se hace necesario modi- considerar factores como los siguientes:
ficar la técnica para sostener la acción de corte. Esto se aplica a
(1) Tiempo requerido para el precalentamiento cuando se
los aceros inoxidables.
inician cortes en bordes cuadrados y esquinas redondeadas, y
también cuando se perforan agujeros para iniciar cortes.
OXíGENO
(2) Efecto sobre las velocidades de corte para cortes en linea
EL OXIGENO EMPLEADO para las operaciones de corte debe tener recta, de figuras y de biseles.
(3) Efecto de los factores anteriores sobre la cantidad de
una pureza del 99.5%o superior, pues las impurezas reducen la
trabajo
procesado.
eficiencia de la operación de corte. Una disminución del 1% en
(4)
Costo
y disponibilidad del combustible en cilindros, a
la pureza del oxigeno, a 98.5%, resultará en una reducción de la
velocidad de corte de aproximadamenteun 15% ,y en un aumen- granel o por tuberia.
(5) Costo del oxígeno de precalentamiento requerido para
to de cerca del 25% en el consumo de oxígeno de corte. La
quemar
con eficiencia el gas combustible.
calidad del corte sufrirá menoscabo, y aumentará la cantidad y
(6)
Capacidad
de utilizar el combustible de manera eficiente
la tenacidad de la escoria adherida. Si la pureza del oxígeno se
reduce al 95 % o menos, la acción de corte conocida desaparece, para otras operaciones, como soldadura, calentamiento y soldaconvirtiéndose en una acción de fusión y lavado que casi siempre dura de latón, si es necesario.
(7) Seguridad para transportar y manipular los recipientes
resulta inaceptable.
del gas combustible.
LASFUNCIONES DE las flamas de precalentamiento durante la
operación de corte son las siguientes:
(1) Elevar la temperatura del acero hasta el punto de ignición.
(2) Agregar energia calorífica al trabajo para mantener la
reacción de corte.
(3) Crear un escudo protector entre el chorro de oxígeno de
corte y la atmósfera.
(4) Eliminar el orín de la superficie del acero, así como
incrustaciones, pintura y demás sustancias extrañas que impedirian o retardarían el avance normal de la acción de corte.
Pata obtener el mejor rendimiento con un mínimo de riesgo,
los sopletes y puntas deberán estar diseñadospara el combustible
específico que se elija.
Acetileno
EL ACETILENO SE usa ampliamente como gas combustible para
corte con oxigeno y también para soldadura. Sus ventajas principales son la disponibilidad, ia alta temperatura de flama y la
familiaridad que un gran número de usuarios tiene con las
caracteristicas de la flama.
La combustión del acetileno en oxígeno produce una flama
corta y caliente con un cono interior brillante en cada salida de
Una intensidad de precalentamiento que lleve el acero rápi- precalentamiento.Ei punto más caliente se encuentra en el extredamente a la temperatura de ignición casi siempre será suficiente mo de este cono interior. La combustión se completa en la flama
pata mantener la acción de corte a velocidadesde recorrido altas. exterior larga.
No obstante, la calidad del corte no será óptima. Los cortes de
La clara distinción entre las dos flamas ayuda a ajustar la
alta calidad pueden realizarse con intensidades de precalenta- proporción oxigeno/acetileno para las características de flama
miento bastante más bajas que las requeridas normalmente para deseadas.
un calentamiento rápido. En la mayor parte de las máquinas de
Dependiendo de esta proporción, la flama puede ajustarse de
corte grandes, se cuenta con controles de gas de intervalo doble modo que sea reductora (carburizante), neutral u oxidante, como
que limitan el precalentamiento de alta intensidad a la operación se muestra en la figura 14.4. La flama neutral, que se obtiene con
inicial. Luego, las flamas de precalentamiento se reducen a una una proporción de aproximadamente una parte de oxigeno a una
intensidad menor durante la operación de corte, a fin de ahorrar parte de acetileno, sirve para el corte manual. Al reducirse el
combustible y oxígeno y lograr una mejor superficie de corte.
flujo de oxígeno, comienza a apareceruna flámula brillante. Esto
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COMBUSTIBLES DE PRECALENTAMIENTO
454
CORTE CON OXíGENO
Tabla 14.1
Propiedades de gases combustibles comunes
Gas
natural
CH4
(Metano)
Fórmulaquímica
Acetileno
C2H2
Propano
C8H8
Temperatura de flama neutral
"F
"C
5600
31O0
4580
2520
5200
2810
5200
2870
Emisión de calor de flama primaria
btu/ft3
MJ/rn3
507
19
255
10
433
16
517
20
Emisión de calor de flama secundaria
btu/ft3
MJ/m3
963
36
2243
94
1938
72
1889
70
989
37
1470
55
2498
1O4
2371
88
2406
90
1O00
37
21 800
51 O00
21 100
49 O00
21 100
49 O00
23 900
56 O00
Valor calorífico total
(despuésde la vaporización)
btu/ft3
MJ/m3
Propileno
C3H6
Metilacetilenopropadieno
(MPS)
C3H4
(Metilacetileno,
propadieno)
4600
2540
11
0.4
21 500
50 O00
Oxígeno total requerido
(flama neutral)
vol. 02/vol. combustible
2.5
5.0
4.5
4.0
2.0
1.1
16.0
1.o
3.5
30.3
1.9
2.6
23.0
1.4
2.5
22.1
1.4
1.5
35.4
2.2
--`,,,```-`-`,,`,,`,`,,`---
Valor calorifico total
(después de la vaporización)
btu/lb
kJ/kn
Oxígeno suministrado por el soplete
(flama neutral)
vol. O#oi. combustible
ft3 oxígeno/lb combustible (60°F)
m3oxígeno/kg (15.6%)
Presión de regulador
máxima permisible
psi
kPa
15
103
150
1O30
150
1O30
150
1O30
Línea
Límites explosivos en
aire: por ciento
2.5-80
2.3-9.5
2.0-10
3.4-1 0.8
5.3-14
Razónvolumen/peso
ft3/lb (60°F)
rn3/ka 115.6"CI
14.6
0.91
23.6
1.4
Peso específico relativo del gas
(60°F. 15.6"C)
Aire = 1
0.906
8.66
0.54
8.9
0.55
8.85
0.55
1.52
1.48
1.48
indica una flama reductora, que en ocasiones se utiliza para
cortes burdos de hierro colado.
Cuando se suministraoxígeno en exceso, el cono de la flama
interna se acorta y se vuelve más intenso. La temperatura de la
flama aumenta a un máximo cuando la razón oxígeno/acetileno
es de aproximadamente 1.5 a 1. Se utiliza flama oxidante para
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0.62
obtener tiempos de precalentamiento cortos y para cortar secciones muy gruesas.
La elevada temperatura de flama y las características de
transferencia de calor de la flama de oxiacetileno son importantes sobre todo para el corte en bisel. También resultan ventajosas para operaciones en las que el tiempo de precalentamiento
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CORTE CON OXiGENO
455
(C) FLAMA OXIDANTE
Finura 14.4-Tbos de flamas de oxiacetileno
(A) FLAMA CARBURIZANTE
capítulo 11 contiene información adicional sobre el acetileno,
su producción y almacenamiento, y sobre la flama de oxiacetileno.
Metilacetileno-propadienoestabilizado
M P S ES UN combustible licuado y estabilizado, similar al acetileno, que puede almacenarse y manejarse igual que el propano
liquido. Se trata de una mezcla de varios hidrocarburos, incluidos el propadieno (aleno), propano, butano, butadieno y metilacetileno. El metilacetileno, al igual que el acetileno, es un
compuesto de triple ligadura, inestable y de alta energía. Los
demás ingredientes del MPS diluyen el metilacetileno lo suficiente para que el manejo de la mezcla resulte seguro. La mezcla
arde produciendo más calor que el propano o el gas natural;
además, ofrece una elevada liberación de energía en el cono de
flama primaria, en lo cual también se parece al acetileno. La flama exterior produce una liberación de energía relativamente
alta, como sucede con el propano y el propileno. La distribución
global de calor en la flama es la más uniforme de todos los gases.
Se obtiene una flama neutral conuna proporción de 2.5 partes
(B) FLAMA NEUTRAL
de oxígeno suministrado por el soplete a una parte de MPS. La
temperatura de flama máxima se alcanza con una proporción de
Figura 14.4-Tipos de flamas de oxiacetileno
3.5 partes de oxígeno a una de M P S . Estas proporciones se
utilizan para las mismas aplicaciones que la flama de acetileno.
Aunque el MPS gaseoso tiene muchas caracteristicassimilaes una fracción apreciable del tiempo de corte total, como en los res a las del acetileno, requiere aproximadamente el doble de
volumen de oxígeno por volumen de combustible para una flama
cortes cortos.
El acetileno en su estado libre no debe usarse a presiones ma- de precalentamiento neutral. Por tanto, el costo de oxígeno será
nométncas por encima de 15psi (103 Wa), o presiones absolutas mayor cuando se utilice gas MPS en lugar de acetileno para un
de 30 psi (207 P a ) . A presiones mayores, puede descomponerse trabajo específico. Para que sea competitivo, el costo del gas
con fuerza explosiva si se le expone al calor o a golpes. El MPS deberá ser menor que el del acetileno para ese trabajo.
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(MW
456
CORTE CON OXíGENO
El gas M P S sí tiene una ventaja respecto al acetileno para
cortes subacuáticos en aguas profundas. Como la presión de
salida absoluta del acetileno está limitada a 30 psi (207 Ha), en
general no es aplicable a profundidades superiores a 6 m (20 ft)
de agua. M P S puede usarse ahi y a mayores profundidades, lo
mismo que el hidrógeno. Para una aplicación subacuática específica, deberán evaluarse M P S , acetileno e hidrógeno como
combustibles de precalentamiento.
Ventajas
Propileno
EQUIPO
EL PROPILENO, QUE se vende bajo diversas marcas, se utiliza
como gas combustible para el corte con oxígeno. Un volumen
de propileno requiere 2.6 volúmenes de oxígeno suministrado
por el soplete para dar una flama neutral y 3.6 volúmenes para
alcanzar la temperatura de flama máxima. Las puntas de corte
son similares a las que se usan con MPS.
EXISTEN
DOS TIPOS básicos de equipo de OFC: manual y de
máquina. El equipo manual se utiliza primordialmente para
mantenimiento, para corte de chatarra, para quitar rebabas de
piezas coladas y otras operaciones que no requieren un alto grado
de precisión o una superficie cortada de muy buena calidad. El
equipo de corte a máquina se emplea para trabajo preciso de alta
calidad y para cortes de gran volumen, como en los talleres de
fabricación de piezas de acero. Ambos tipos de equipo funcionan
con el mismo principio.
Ninguna persona debe intentar operar cualquier aparato de
oxicombustible si no está adiestrada en su empleo correcto o bajo
supervisión competente, Es importante seguir al pie de la letra
ENTRELASDIVERSAS ventajas del OFC se cuentan las siguientes:
(1) En general, los aceros pueden cortarse con mayor rapidez
por OFC que por procesos de eliminaciónmecánica de fragmentos.
(2) Las secciones con f o m s y espesores que resulta muy
difícil producir por medios mecánicos pueden separarse económicamente mediante OFC.
Gas natural
(3) Los costos básicos del equipo de OFC manual son bajos
LA COMPOSICIÓN DEL gas natural varía dependiendo de su ori- en comparación con los de las máquinas herramienta.
(4) El equipo de OFC manual es muy portátil y puede utiligen. Su componenteprincipal es el metano (CH,). La proporción
de oxígeno suministrado por el soplete a gas natural es de 1.5 a zarse en el campo.
(5) La dirección del corte puede cambiarse rápidamente y
1 para una flama neutral. La temperatura de flama con gas
natural es menor que con acetileno; también es más difusa y con un radio pequeño durante la operación.
(6) Es posible cortar placas grandes en el lugar donde están
menos intensa. Las características de la flama para condiciones
carburizantes, neutrales u oxidantes no son tan nítidas como con moviendo el soplete de OFC en vez de la placa.
(7) El OFC es un método económico de preparación de los
la flama de acetileno.
Debido a la menor temperatura de flama y la menor eficiencia bordes de placas para los diseños de uniones en bisel y de surco
de calentamiento que resulta, se requieren cantidades bastante para soldadura.
mayores de gas natural y oxígeno para producir tasas de calefacción equivalentesa las de oxígeno y acetileno. Para competircon
el acetileno, hay que considerar el costo y la disponibilidad del Desventajas
gas natural y del oxígeno, el mayor consumo de gases, y la EL CORTE DE metales con gas oxicombustible tiene varias desprolongación de los tiempos de precalentamiento. El empleo de ventajas. Entre las más importantes están las siguientes:
puntas diseñadas para suministrar una flama de precalentamiento gruesa, o máquinas de corte que permitan ajustar el precalen(1) Las tolerancias dimensionales son bastante más deficientamiento a alto o bajo, puede compensar las deficiencias en la tes que las alcanzables con máquinas herramienta.
producción de calor del gas natural.
(2) En esencia, el proceso está limitado comercialmente al
Los diseños de soplete y punta para el gas natural son dife- corte de hierro colado y aceros, aunque pueden cortarse otros
rentes que para el acetileno. La presión de suministro del gas
metales de fácil oxidación, como el titanio.
natural generalmente es baja y las razones de combustión son
(3) Las flamas de precalentamiento y la escoria al rojo vivo
distintas (véase la tabla 14.I).
que sale despedida representan riesgos de incendio y quemaduras para la planta y el personal.
Propano
(4) La quema del combustible y la oxidación del metal
requieren
un control de emisiones apropiado y una ventilación
ELPROPANO SE utiliza rutinariamente para el corte con oxígeno
adecuada.
en varias plantas debido a su disponibilidad y a su valor calorí(5) Los aceros endureciblespueden requerir precalentamienfico total mucho más alto (MJ/in3)que el del gas natural (véase
to,
poscalentamiento, o ambas cosas, para controlar sus estrucla tabla 14.I). Para que haya una combustión correcta durante el
turas
metalúrgicas y propiedades mecánicas en la vecindad de
corte, el propano requiere de 4 a 4 1/2 veces su volumen de
los
bordes
cortados.
oxígeno de precalentamiento. Este requisito se compensa hasta
(6)
Se
requieren
modificaciones especiales del proceso para
cierto punto por su mayor valor calorífico. Se almacena en forma
el
corte
OFC
de
hierros
colados y aceros de alta aleación.
líquida y resulta fácil transportarlo al lugar de trabajo.
VENTAJAS Y DESVENTAJAS
EL CORTE CON gas oxicombustible tiene varias ventajas y desventajas cuando se le compara con otras operaciones para cortar
metales, como el aserrado, el fresado y el corte con arco.
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CORTE CON OXíGENO
las recomendaciones del fabricante y las instrucciones de operación para un uso seguro.
Equipo manual
PARA TRABAJAR MANUALMENTE con OFC se requiere lo siguiente:
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(1) Uno o más sopletes de corte adecuados para el gas
combustible de precalentamiento utilizado y el intervalo de
espesores del material por cortar.
(2) Puntas de corte de soplete requeridas para cortar un
intervalo dado de espesores del material.
(3) Mangueras para el oxígeno y el gas combustible.
(4) Reguladores de presión para el oxígeno y el gas combustible.
(5) Fuentes del oxígeno y gas combustible que se utilizarán.
(6) Encendedores de flama, protección para los ojos, guantes
y vestimenta resistentes a las flamas y el calor, y dispositivos de
seguridad.
(7) Instrucciones de operación del equipo provistas por el
fabricante.
Sopletes. Las funciones de un soplete de OFC son las
siguientes:
(1) Controlar el flujo y el mezclado del gas combustible y
del oxígeno de precalentamiento.
(2) Controlar el flujo del oxígeno de corte.
(3) Descargar los gases a través de la punta de corte a las
velocidades y tasas de flujo volumétrico apropiadas para el
precalentamiento y el corte.
Estas funciones están bajo el control parcial del operador,
pero también dependen de las presiones de alimentación de los
gases y del diseño del soplete y de las puntas de corte.
Para el corte manual es preferible un soplete que pueda ser
fácilmente manipulado por el operador. Existen sopletes para
corte manual con oxígeno en vanos tamaños. La selección del
soplete y de la punta en general depende del intervalo de espesores del acero que se va a cortar. Las puntas empleadas en el
equipo de corte manual tienen muy diversos diseños, dependiendo del gas combustible y del tipo de trabajo por realizar. Por
ejemplo, para cortar acero oxidado o con incrustaciones,hay que
escoger una punta que proporcione una gran cantidad de precalentamiento.
Son dos los tipos básicos de sopletes para OFC: (1) el tipo de
mezclado en la punta, en el que el combustible y el oxígeno para
las flamas de precalentamiento se mezclan en la punta, y (2) el
tipo de premezclado, en el que el mezclado se efectúa dentro del
soplete. Además, los sopletes del tipo de premezclado tienen dos
diseños principales: de presión igual (positiva) o de inyector
(baja presión). Los sopletes del tipo de presión positiva se usan
cuando la presión del gas combustible es suficiente para suministrar al mezclador del soplete el volumen requerido del gas.
Los sopletes del tipo de inyector se emplean cuando la presión
del gas combustible (por lo regular gas natural a menos de 2 psig)
es tal que el gas debe ser succionado hacia el soplete por la acción
de venturi del mezclador del inyector. Los dos tipos de sopletes
se muestran en las figuras 14.1 y 14.2 respectivamente. Algunos
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457
fabricantes ofrecen un diseño de 3ezclador que opera efectivamente a presiones del combustible altas y bajas. Este diseño se
conoce como mezclador de presión universal.
Puntas para corte manual. Las puntas de corte son piezas
de aleación de cobre maquinadas con precisión, de diversos
diseños y tamaños. Se sujetan al soplete de corte mediante una
tuerca. Todas las puntas para corte con oxígeno tienen salidas
para las flamas de precalentamiento, casi siempre dispuestas en
círculo alrededor de un orificio central para el oxígeno de corte.
Las salidas de flama de precalentamiento y el orificio del oxígeno de corte tienen tamaños específicos para los intervalos de
espesor del metal para cuyo corte están diseñadas las puntas. Las
puntas se designan como estándar o de alta velocidad. Las puntas
estándar tienen una salida de oxígeno de barreno recto, y por lo
regular se utilizan con presiones de oxígeno entre 30 y 60 psi
(205 y 415 P a ) . Las puntas de alta velocidad difieren de las
puntas estándar en que el extremo de salida del orificio del oxígeno se ensancha o diverge. Esta divergencia permite usar presiones de oxígeno más altas, por lo regular de 60 a 100 psi (415
a 690 kPa) al tiempo que se mantiene un chorro uniforme de
oxígeno a velocidades supersónicas. Las puntas de alta velocidad suelen emplearse únicamente para el corte a máquina, y en
general permiten cortar a velocidades aproximadamente 20%
mayores que con las puntas estándar. Ambos tipos de puntas se
ilustran en la figura 14.5.
El tamaño y diseño del orificio del oxígeno de corte son en
general independientes del tipo de combustible empleado. En
cambio, el diseño de las salidas de las flamas de precalentamiento sí depende del combustible. Los diversos gases combustibles
requieren diferentes volúmenes de oxígeno y combustible, y
arden a diferentes velocidades. Por tanto, el tamaño y número
de las salidas de las flamas de precalentamiento están diseñados
para suministrar tanto una flama estable como un precalentamiento adecuado para las aplicaciones con el gas combustible
específico usado. Las puntas de acetileno suelen ser de una sola
pieza con salidas de flama taladradas o estampadas. Son planas
(4
(6)
PUNTA
PUNTA DE
DE CORTE CORTE DE ALTA
ESTANDAR
VELOCIDAD
Figura 14.5-Puntas de corte con gas oxicombustible
Not for Resale
458
CORTE CON OXíGENO
en el extremo de la flama. Las puntas destinadas al uso con otros
gases combustibles pueden ser de una sola pieza, como las
puntas para acetileno, o de dos piezas con ranuras maquinadas
en el miembro interior, como se ilustra en la figura 14.6.
Las puntas para MPS tienen una superficie plana en el extremo de las flamas. La mayor parte de las puntas para propileno
tienen una ligera concavidad, y ias puntas para gas natural y
propano casi siempre tienen una concavidad más profunda o un
extremo de copa.
(A) PUNTAS DE UNA PIEZA
Las puntas de corte, aunque se consideran artículos consumibles, son herramientas de precisión, y muchos piensan que son
el factor que más influye en el rendimiento de corte. EI mantenimiento correcto de las puntas puede prolongar notablemente
su vida útil y proporcionar un desempeño continuado de alta
calidad.
La acumulación de escoria dentro de los conductos deprecalentamiento y de oxígeno de corte, o alrededor de ellos, altera
las características de fiujo de las flamas de precalentamiento y
del chorro de oxígeno. El resultado puede ser una reducción
obvia en el rendimiento y en la calidad del corte. Cuando esto
sucede, la punta debe sacarse del servicio y restaurarse a unas
condiciones de trabajo aceptables o bien reemplazarse.
Reguladores de presión de gas. Para poder realizar un
buen corte no sólo es necesaria una selección correcta de soplete
de corte y punta para el gas combustible seleccionado, sino
también una forma de regular con precisión las presiones y
volúmenes apropiados de los gases. Los reguladores son dispositivos de control que sirven para reducir las presiones fuente
elevadas a presiones de trabajo requeridas mediante válvulas de
ajuste manual. Su diseño varía, así como su rendimiento y
características de comodidad de uso. Los reguladores de presión
de gas están diseñados para emplearse con tipos específicos de
gases e intervalos de presión bien definidos.
Los reguladores de presión de gas utilizados para OFC en
general son similares en cuanto a su diseño a los utilizados para
soldadura con gas oxicombustible ( O W )que se describen en el
capítulo 11. Los reguladores para casi todos los demás gases
combustibles son similares en diseño a los reguladores de acetileno. Para operaciones de OFC con múltiples sopletes o cortes
pesados es posible que se requieran reguladores con mayores
capacidades e intervalos de presión de salida que los utilizados
para OFW.
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Mangueras. Las mangueras de oxígeno y de gas combustible
empleadas para OFC son las mismas que se utilizan para O W ,
y se estudian en el capítulo 11.
Otros equipos. Existen goggles entintados y otros dispositivos apropiados de protección ocular en en muchos grados de
sombra diferentes. Es recomendable el empleo de limpiadores
de puntas, llaves de tuercas, encendedores y todos los dispositivos de seguridad apropiados, incluida la indumentaria de protección.
Equipo mecanizado
EL OFC MECANIZADO requiere recursos adicionales que dependen de la aplicación:
(8) PUNTAS DE DOS PIEZAS
Figura 14.6-Vista en sección longitudinal de puntas de
una y dos piezas empleadas con gases combustibles
distintos del acetileno
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(1) Una máquina para mover uno o más sopletes en el patrón
de corte requerido.
(2) Monturas de soplete y medios de ajuste en la máquina.
(3) Una mesa de corte para sostener el trabajo.
(4) Medios para cargar y descargar la mesa de corte.
(5) Dispositivosde encendido del precalentamientoautomáticos, en el caso de máquinas de múltiples sopletes.
La complejidad dei equipo de OFC mecanizado puede variar
desde simples máquinas guiadas a mano hasta unidades muy
avanzadas de control numérico. En principio, el equipo mecani-
Not for Resale
CORTE CON OXiGENO
zado es análogo al equipo manual, pero difiere en su diseño para
manejar presiones de combustible más altas y velocidades de
corte más rápidas, y realizar el inicio de los cortes. Muchas
máquinas están diseñadas para fines especiales, como las que
efectúan cortes verticales, las que preparan bordes para soldadura, y las que cortan y biselan tubos. En el mercado se encuentran muchas variaciones de los sistemas de corte mecanizados.
: PRFCAI
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Sopletes de máquina. Un soplete de corte para máquina
representativo consiste en un cañón, similar al de un soplete
manual pero de construcción más pesada, y una punta de corte,
como se aprecia en la figura 14.7. El cuerpo y el cañón del
soplete encierran los tubos del oxígeno y del gas combustible,
que conducen los gases al extremo donde la punta de corte se
sujeta mediante una tuerca. El cuerpo del soplete puede tener
una cremallera para posicionar la punta a cierta distancia con
respecto a la superficie de trabajo. Los sopletes de máquina
pueden tener dos o tres entradas para (mangueras de) gas. Los
que cuentan con dos aditamentos para entrada de gas tienen una
conexión para la linea de combustibley una conexión de oxígeno
con dos válvulas. Los sopletes con tres aditamentos de entrada
tienen conexiones individuales para el gas combustible, el oxigeno de precalentamiento y el oxígeno de corte. Estos sopletes
permiten regular por separado el oxigeno de precalentamientoy
el de corte, y en general son recomendables cuando se desea una
operación de control remoto.
, V,\IUL,.V
VALVULA
EN-
DE
OXíGENO
J
459
ENTRADA
DE OXIGENO
DE CORTE
ENTRADA DE GAS
COMBUSTIBLE DE
PRECALENTAMIENTO
VALVULA
DE GAS
COMBUSTIBLE
CREMALLERA
DE ENGRANE
PARA AJUSTAR
\
LAALTURA
Puntas para corte a máquina. Las puntas para corte a
máquina están diseñadas para trabajar a presiones de oxígeno y
combustible más altas que las utilizadas normalmente para el
corte manual. La punta divergente de dos piezas es uno de los
tipos empleados para la operación a velocidades de corte elevadas [véase la figura 14.5(B)]. Las puntas de corte divergentesse
basan en los principios del flujo de gas a través de un venturi.
Al salir por la boquilla del venturi, los gases alcanzan grandes
velocidades. Las puntas de corte divergentes se maquinan con
precisión para minimizar cualquier distorsión de los gases al
salir de la boquilla. Se utilizan para casi todas las aplicaciones
de corte a máquina debido a sus características de corte superiores en materiales de hasta 150 mm (6pulg) de espesor. No se
recomiendanpara cortar materiales de más de 250 mm (10 pulg)
de espesor.
Reguladores. Cuando se utiliza gas natural o propano como
combustible de precalentamiento en el corte a máquina, es
posible ahorrar combustible y oxigeno si se emplean sistemas
reguladores combinados de alta y baja presión. Dado que estos
combustibles arden con intensidades de transferencia de calor
inferiores a la del acetileno, se requieren tasas de flujo de combustible y oxígeno de precalentamiento altas para calentar el
metal hasta la temperatura de ignición en un tiempo razonable.
Una vez iniciado el corte, se requiere menos calor para mantener
la acción de corte, con el consecuenteahorro en los costos de gas.
Los sistemas de regulación de alta y baja presión permiten
reducir las tasas de flujo de gas iniciales hasta un nivel predeterminado cuando se inicia el flujo de oxígeno de corte. Esta
reducción puede realizarse a mano o automáticamente, dependiendo de los diseños del regulador y del sistema de control.
Máquinas de corte. Las máquinas de corte con gas oxicombustible pueden ser portátiles o estacionarias. Las máquinas
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TUERCA DE
LA PUNTA
PUNTA DE
Figura 14.7-Soplete de corte para maquina de tres
manaueras
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CORTE CON OXIGENO
portátiles casi siempre se llevan adonde está el trabajo. Las
máquinas estacionarias están fijas en un lugar y el trabajo se lleva
a la máquina.
Maquinas portátiles. Las máquinas de corte portátiles se
utilizan primordialmente para cortes en línea recta, aunque
pueden adaptarse para cortar círculos o figuras. Estas máquinas
normalmenteconsisten en un carro impulsadopor motor provisto de una montura ajustable para el soplete de corte, como se
aprecia en la figura 14.8. En la mayor parte de los casos, la
máquina se desplaza sobre neles, cuya función es la de guiar el
soplete. La velocidad del carro puede ajustarse dentro de un
intervalo amplio. El grado de precisión del corte depende tanto
de la exactitud de los neles o de la guía, como del ajuste entre
los neles y las ruedas impulsoras del carro. Las máquinas portátiles son de muy diversos tamaños y pesos, dependiendo del
trabajo al que están destinadas. Las máquinas más pequeñas
pesan sólo unos cuantos kilogramos y están limitadas a sopletes
de trabajo ligero para cortar materiales delgados. Las máquinas
de corte portátiles grandes son pesadas y de construcción robusta; pueden llevar uno o más sopletes de trabajo pesado y el
equipo auxiliar necesario para cortar secciones gruesas.
En general, el operador debe ir siguiendoel carro para realizar
los ajustes que se requieran para obtener cortes de buena calidad.
El operador enciende el soplete, lo coloca en el punto inicial,
abre el flujo de oxígeno de corte y echa a andar el carro. También
ajusta la altura del soplete para mantener las fiamas de precalentamiento a la distancia correcta de la superficie de trabajo. Al
terminarei corte, el operador apaga el soplete de corte y detiene
el carro.
Máquinas estacionarias. Las máquinas estacionarias es-
tán diseñadas para permanecer en un mismo sitio. La materia
prima se lleva a la máquina y las figuras cortadas se retiran y
transportan a otro lugar. La estación de trabajo consta de la
máquina, un sistema para suministrar el oxígeno y el combustible de precalentamiento a la máquina y un sistema de manipulación del material.
El carro que sostiene los sopletes corre sobre neles. La
estructura abarca el trabajo mediante un puente tipo grúa corrediza entre los neles, o bien se proyecta a un lado de los neles
como viga voladiza. Estos tipos de equipos se muestran en las
figuras 14.9 y 14.10 respectivamente, y por lo regular se clasifican de acuerdo con el ancho de placas que pueden cortarse
(movimiento transversal). La longitud que puede cortarse es la
distancia de recorrido de los neles. La longitud de corte máxima
la determinan las limitaciones físicas de las líneas de suministro
de gas y energía eléctrica. Casi siempre, la máquina incluye un
puesto para el operador con controles consolidados para el flujo
de gas, el movimiento de sopletes y el recorrido de ia máquina.
En las máquinas de corte de figuras se pueden montar varios
sopletes, dependiendo del tamaño de la máquina. La máquina
puede cortar figuras de casi cualquier tamaño y grado de complejidad. En operaciones de sopletes múltiples, es posible cortar
simultáneamentevarias figuras idénticas; el número depende del
tamaño de las piezas, el tamaño de la placa y el número de sopletes con que se cuenta.
Las máquinas de impulsor rectilíneo o coordinado suelen
tener un potenciómetro seno-coseno que coordinan motores impulsores individuales para el movimiento logitudinal y transversal del soplete. El carro y el brazo transversal, cada uno con
su propio motor impulsor, se mueven en las direcciones apropiadas, y la velocidad lineal del soplete se mantiene en un valor
constante previamente seleccionado. Este tipo de construcción
permite diseñar y fabricar máquinas de corte con la suficiente
rigidez para llevar todos los equipos de control modernos.
Es posible alimentar información a los motores eléctricos
impulsores del carro y del brazo transversal desde cualquier
control adecuado. Un método se vale de un trazador de celda
fotoeléctrica que puede seguir dibujos de líneas o siluetas. Las
máquinas de control numérico emplean programas de perfil
grabados en cintas perforadas o magnéticas o en discos para
computadora. Estos dispositivos de almacenamiento, a su vez,
controlan el corte de figuras mediante el envío de sefiales apropiadas a los motores iinpulsores de la máquina de corte.
APLICACIONES EN PROCESOS GENERALES
Figura 14.8-SoPlete de corte a máquina montado en un
carro portátil
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EL OFC MANUAL tiene amplio uso en la separación de piezas de
acero y algunas otras aleaciones de hierro. Su portabilidad
permite llevar el equipo al lugar de trabajo. Se puede cortar a la
longitud deseada piezas estructurales, tuberías, barras y materiales similares para fines de construcción y mantenimiento, o
cortar en trozos pequeiios chatarra o metales para reciclaje. En
una fábrica de acero o fundidora, se puede cercenar con rapidez
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460
CORTE CON OXíGENO
461
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Figura 14.9-Máquina d e corte d e figuras tipo grúa corrediza, con impulsor d e control numérico computarizado
proyecciones indeseables de lingotes y piezas coladas, como
tapas, portillos y rebabas. Los sujetadores mecánicos, como
pernos, remaches y chavetas, se pueden separar rápidamentecon
OFC. También es posible perforar con rapidez componentes de
acero.
El OFC a máquina se usa en muchas industrias y almacenes
de acero para cortar placas de acero al tamaño requerido, cortar
diversas figuras de placas y preparar los bordes de las placas para
soldarlos. Muchos componentes de máquinas como engranes,
horquillas, marcos y herramientas se fabrican con procedimientos de corte con oxígeno.
Las máquinas capaces de cortar con tolerancias de 0.8 a 1.6
mm (1/32 a 1/16 pulg) se emplean para producir componentes
que se incorporarán a productos terminados sin un maquinado
intermedio. También sirven para eliminar rápidamente material
antes del maquinado a tolerancias muy exactas.
El corte con gas oxicombustible se utiliza para cortar acero
con espesores dentro de un intervalo muy amplio, desde aproximadamente 3 hasta 2100 mm (1/8 a 84 pulg). En general, no se
cortan espesores mayores de unos 500 mm (20 pulg) excepto en
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operaciones de fábricas de acero, donde las piezas se cortan
estando todavía a temperaturas elevadas.
PROCEDIMIENTOS DE OPERACIÓN
AL OPERAR EQUIPO de OFC siempre deben seguirse al pie de la
letra las recomendaciones del fabricante del equipo para su
ensambladoy uso. Esto evitará que se dañe el equipo y asegurará
que se use de manera correcta y segura.
Reguladores
LOS REGULADORESDE oxígeno y de gas combustibledeben estar
limpios y en buenas condiciones. Si penetra aceite, grasa o algún
material extraño en un regulador u otro equipo, o si se daña el
equipo, no se deberá utilizar antes de que un técnico de reparación calificado lo haya limpiado o dado el mantenimiento debido. Las mangueras deben estar en buenas condiciones y ser del
tamaño adecuado para suministrar el volumen y presión correctos tanto de oxígeno como de gas combustibleal soplete de corte.
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462
CORTE CON OXiGENO
Figura 14.10-Máquina d e corte de figuras mecanizado de tipo viga voladiza equipada c o n trazador d e fotocelda y
seis sopletes d e corte con g a s oxicombustible
Retroencendidoy retroceso de flama
UNRETROENCENDIDO
SE presenta cuando la flama arde en la cámara de mezcla del soplete, o atrás de ella. Es un problema grave,
y deben tomarse medidas correctivas para extinguir la flama. La
válvula de oxígeno del soplete deberá cerrarse de inmediato,
seguida por la válvula del gas combustible. Una causa del
retroencendido es omitir el purgado de las mangueras antes de
encender el soplete; otra causa es el sobrecalentamiento de la
punta del soplete.
El retroceso de flama es la recesión momentánea de la flama
al interior de la punta del soplete, seguida por su reaparición
inmediata o su extinción completa. Después de ocurrido esto,
puede seguirse trabajando con el soplete. Si el retroceso de flama
continúa, el soplete o las puntas, o ambas cosas, deberán retirarse
del servicio para su limpieza y posible reparación.
de la punta. Abra la válvula del oxígeno de precalentamiento
lentamente e incremente el flujo hasta lograr la flama deseada.
La intensidad de la flama puede ajustarse aumentando o disminuyendo ligeramente los volúmenes de ambos gases.
Ajuste de la flama
EL AJUSTE DE ia flama es un factor crucial para lograr una
operación satisfactoria del soplete. La cantidad de calor producida por la flama depende de la intensidad y tipo de flama
empleada. Mediante el ajuste apropiado de las válvulas del
soplete se pueden obtener tres tipos de flarnas, como se muestra
en la figura 14.4.
Una flama carburizante con acetileno, MPS o propileno se
distingue por las plumillas que salen del cono de la flama
primaria o por la presencia de largas flámulas amarillo-anaranjadas en la envoltura de flama secundaria. Los combustibles a
base de propileno, el propano y el gas natural tienen un cono de
Operación del soplete
flama primaria largo y redondeado. Las flamas carburizantes se
SIEMPRE DEBEN SEGUIRSE las recomendaciones del fabricante utilizan a menudo para obtener el mejor acabado y para cortar
para encender, probar y usar el equipo. Sólo se deberá emplear material delgado en pilas.
Una flama neutral con acetileno, MPS o propileno se distinun encendedor de chispa u otro dispositivo de encendido recomendado. Es preciso usar protección sombreada para los ojos y guen por un cono de flama primaria oscuro y bien definido, y
una envoltura de flaina secundaria color azul pálido. Los comdemás vestimenta apropiada.
La forma de encender el soplete que goza de más amplia bustibles a base de propileno y propano y el gas natural tienen
aceptación consiste en abrir un poco la válvula del gas coinbus- un cono corto y bien definido. Esta flaina se obtiene anadiendo
tible y encender el gas con un encendedor de chispa. Ajuste el oxígeno a una flama carburizante, y es la que más se utiliza para
gas combustiblehasta mantener una flama estable en el extremo cortar.
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CORTE CON OXIGENO
463
Una flama oxidante con acetileno o MPS tiene un cono
primario de color claro y una envoltura de flama secundaria más
pequeña; además, casi siempre arde con un silbido áspero. En el
caso de combustibles a base de propano y propileno, y del gas
natural, los conos de flama primaria son más largos, menos
definidos, y tienen un color más claro. Esta flama se obtiene añadiendo un poco de oxigeno a la flama neutral. Es común utilizar
este tipo de flama para cortes rápidos de baja calidad, y de
manera selectiva en perforaciones y biselado de calidad.
hasta que la superficie del acero adquiera un tono rojo amarillento y salten unas cuantas chispas de la superficie del metal.
La punta deberá angularse y levantarse en el momento en que se
abra la válvula del oxígeno de cortar. El soplete se mantendrá
estacionario hasta que el chorro de corte atraviese la placa.
En seguida se iniciará el movimiento del soplete a lo largo de
la linea de corte. Si el oxigeno de corte se abre antes de tiempo
y el soplete no se levanta, es posible que salte escoria penetrando
en la punta y tapando las salidas del gas.
PROCEDIMIENTOS DE CORTE
Corte manual
Corte a máquina
SON VARIOS LOS métodos que pueden usarse para iniciar un corte
en un borde. El más común consiste en colocar las flamas de
precalentamiento a medio camino sobre el borde, manteniendo
el extremo de los conos de la flama de 1.5 a 3 mm (1/16 a 1/8
pulg) por encima de la superficie del material por cortar. El eje
de la punta deberá estar alineado con el borde de la placa.
Cuando la esquina superior adquiera un color amarillo rojizo, se
abrirá la válvula del oxigeno de cortar y se iniciará el proceso de
corte. El movimiento del soplete se iniciará después de que la
acción de corte alcance el extremo lejano del borde.
Otro método de inicio consiste en sostener el soplete a medio
camino sobre el borde, con el oxígeno de cortar abierto, pero sin
tocar el borde del material. Cuando el metal alcance un color
ámarillo rojizo, el soplete se avanzará hacia el material y se
iniciará el corte. Este método desperdicia oxígeno, y el inicio es
más difícil que con el primer método. Sólo deberá usarse para
cortar materiales delgados en los que los tiempos de precalentamiento sean muy cortos.
Un tercer método es colocar la punta totalmente sobre el
material por cortar. La flama de precalentamiento se mantendrá
alli hasta que el metal alcance su temperatura de encendido.Luego la punta se moverá hacia el borde de la placa de modo que el
chorro de oxígeno apenas libre el metal. Con el oxígeno de cortar
abierto, se inicará el corte. Este método tiene la ventaja de
producir esquinas más rectas al principio del corte.
Una vez iniciado el corte, el soplete se mueve a lo largo de la
linea de corte con un movimiento suave y constante. El operador
deberá mantener una distancia entre la punta y el trabajo lo más
constante que pueda. El soplete deberá moverse a una velocidad
tal que produzca un sonido de rasgamiento ligero y un flujo de
chispas uniforme.
En el caso de placas de 13 mm (1/2 pulg) o más de espesor,
la punta de corte deberá sostenerse perpendicular a la placa. En
placas delgadas, la punta puede inclinarse en la dirección del
corte. La inclinación aumenta la velocidad de corte y ayuda a
evitar que la escoria se congele sobre el ancho del corte. Cuando
corte material en posición vertical, comience en el borde inferior
del material y corte hacia arriba.
A menudo es necesario iniciar un corte en un punto que no
está en el borde de una pieza de metal. Esta técnica se conoce
como Iioradación, y por lo regular requiere una flama de precalentamiento un poco más grande que la utilizada para un inicio
en el borde. Además, la flama deberá ajustarse a una mezcla
ligeramenteoxidante para aumentar la energía calorífica. EI área
donde vaya a comenzar el corte de horadación deberá estar en
una área de desecho. Sostenga la punta del soplete en un punto
LASCONDICIONES DE operación para el corte mecanizado con
oxígeno varían dependiendo del gas combustible y del tipo de
soplete de corte que se usen. Las designaciones de tamaño de
punta, diseño de punta y datos operativos pueden solicitarse al
fabricante del soplete.
Los procedimientos de arranque y apagado para el OFC a
máquina son en esencia los mismos que se dieron anteriormente
para el trabajo con soplete manual. Sin embargo, el ajuste
correcto de las condiciones de operación es más importante si se
desea obtener cortes de alta velocidad y alta calidad. Se deberá
utilizar el diagrama de corte del fabricante o del proveedor para
seleccionar el tamaño de punta apropiado para el espesor de
material que se va a cortar. Además del tamaño de la punta, hay
que seleccionar del diagrama los ajustes de presión iniciales para
el combustible y el oxígeno, y las velocidades de recorrido. Es
frecuente que el diagrama indique también tasas de flujo de gas,
tamaño de barreno para el orificio del oxígeno, longitudes de los
conos de precalentamientoy ancho del corte. Con estos datos se
ajustarán las condiciones de operación para obtener un corte con
la calidad deseada.
El tamaño de punta y la presión del oxígeno de cortar correctos son importantespara realizar un corte a máquina de calidad.
Si no se utiliza una punta del tamaño adecuado, no se alcanzará
la velocidad de corte máxima ni se obtendrá un corte de calidad
óptima. El ajuste de la presión del oxígeno de cortar es una
condición esencial; las desviaciones respecto al valor recomendado afectarán considerablemente la calidad del corte. Por esta
razón, algunos fabricantes especifican la presión que debe ajustarse en el regulador y la longitud que debe tener la manguera.
Si se usan mangueras más largas o más cortas, deberá ajustarse
la presión para compensar. Una alternativa consiste en medir la
presión del oxígeno en la entrada del soplete. La presión del
oxígeno de cortar se ajustará entonces de modo que se obtenga
la presión recomendada en la entrada del soplete, en lugar de
en la salida del regulador.
Hay otros ajustes importantes, como las presiones del combustible y el oxígeno de precalentamiento y la velocidad de
recorrido. Una vez ajustados los reguladores, se utilizarán las
válvulas del soplete para controlar los flujos de gas a fin de
obtener la flama de precalentamiento deseada. Si no se logran
tasas de flujo suficientemente altas, se pueden aumentar las
presiones en el regulador para compensar. La limpieza de la
boquilla, el tipo de metal base, la pureza del oxígeno de corte y
otros factores tienen una influencia directa sobre el rendimiento.
Los fabricantes difieren en las velocidades de recorrido que
recomiendan. Algunos dan un intervalo de velocidades para
grosores específicos, en tanto que otros citan una sola velocidad.
En cualquier caso, los valores deben tomarse sólo como una
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464
CORTE CON OXiGENO
guía. Para determinar la velocidad correcta para una aplicación,
inicie el corte a una velocidad inferior a la recomendada, y
auméntela gradualmente hasta que la calidad del corte deje de
alcanzarel nivel requerido. A continuaciónreduzca la velocidad
hasta que se restablezca la calidad del corte, y siga trabajando a
esa velocidad.
En la tabla 14.2 se dan datos representativos para cortar acero
de bajo carbono, usando los gases combustibles más comunes.
Las tasas de flujo de los gases y las velocidades de corte deben
considerarse unicamente como guías en la determinación de
ajustes más precisos para un trabajo en particular. Cuando se
corte un material nuevo, deberán efectuarse unos cuantos cortes
de prueba para obtener las condicionesde operación que resulten
más eficientes.
Corte pesado
SE CONSIDERA CORTE pesado el corte de acero de más de unos
300 mm (12 pulg) de espesor. Las reacciones básicas que permiten el corte con oxígeno de acero grueso son las mismas que
Tabla 14.2
Datos para el corte a mano y a maquina de acero de bajo carbono limpio, sin precalentamiento
Unidades del sistema ingles
Flujo de gas, ft3/h
1
1-112
2
3
4
5
6
8
10
12
Diámetro del
orificio de corte,
Pub
0.020-0.040
0.030-0.060
0.030-0.060
0.040-0.060
0.045-0.060
0.045-0.060
0.060-0.080
0.060-0.080
0.065-0.085
0.080-0.090
0.080-0.095
0.095-0.1 05
0.095-0.1 1O
0.095-0.1 10
0.110-0.130
Velocidad
de corte
pulglmin
16-32
16-26
15-24
12-23
12-21
9-18
6-14
6-1 3
4-1 1
4-1 O
4-8
3-7
3-5
2-4
2-4
Espesor
del acero
mm
Diámetro
del orificio
de corte, mm
Velocidad
de corte
mmls
Oxígeno
de cortar
Acetileno
0.51-1 .O2
0.76-1.52
0.76-1.52
1.02-1.52
1.14-1.52
1.14-1.52
1.52-2.03
1.52-2.03
1.65-2.16
2.03-2.29
2.03-2.41
2.41-2.67
2.41-2.79
2.41 -2.79
2.7 9-3.30
6.8 -13.5
6.8 -1 1.0
6.4 -10.1
5.1 - 9.7
5.1 - 8.9
3.8 - 7.6
2.5 - 5.9
2.5 - 5.5
1.7 - 4.7
1.7 - 4.2
1.7 - 3.4
1.3 - 3.0
1.3 - 2.1
0.85 - 1.7
0.85 - 1.7
7.2- 21.2
14.2- 26.0
18.9- 33.0
26.0- 40.0
47.2- 70.9
51.9- 75.5
51.9- 82.6
61.4- 89.6
89.6-142
113 -170
127 -170
123 -236
217 -293
274 -331
340 -401
2- 4
2- 4
3- 5
3- 5
3- 6
4- 7
4- 8
4- 8
4- 9
5-10
5-10
5-12
7-14
7-17
9-19
Espesor
del acero
PUkJ
118
114
318
112
314
Oxigeno
de cortar
15-45
30-55
40-70
55-85
100-150
110-1 60
110-1 75
130-190
190-300
240-360
270-360
260-500
460-620
580-700
720-850
Acetileno
3-9
3-9
6-1 2
6-12
7-14
7-14
8-16
8-1 6
9-20
9-20
10-25
10-25
15-30
15-35
20-40
Gas
natural
9-25
9-25
10-25
15-30
15-30
18-35
18-35
20-40
20-40
20-40
25-50
25-50
30-55
35-70
45-95
Propano
3-10
5-12
5-15
5-15
6-18
6-18
8-20
8-20
9-22
9-24
10-25
10-30
15-32
15-35
20-45
MPS
Gas
natural
Propano
2- 4
2- 5
2- 5
2- 5
3- 5
4- 7
4- 8
4- 8
4-1 O
4-1 O
5-1O
5-1 2
10-19
10-19
15-29
4-12
4-12
5-12
7-14
7-14
8-17
9-17
9-19
10-19
10-19
12-24
12-24
14-30
16-33
20-75
2- 5
2- 6
3- 7
3- 8
3- 9
4- 9
4-10
4-10
5-1 1
5-1 1
5-12
6-19
7-15
7-15
10-22
MPS
2-1o
4-1 O
4-1 O
6-1 O
8-1 5
8-1 5
8-1 5
8-20
8-20
10-20
10-20
20-40
20-40
30-60
30-60
Unidades del SI
Notas:
1. Consumos de oxígeno de precalentamiento: oxígeno de precalentamiento para acetileno = 1.1 a 1.25 x flujo de acetileno ft3/h; oxÍgeno de
precalentamientopara gas natural = 1.5 a 2.5 flujo de gas natural ft3/h; oxígeno de precalentamiento para propano = 3.5 a 5 x flujo de propano V/h.
2. Notas de operación: Los flujos de gas más altos y las velocidades de corte mas bajas generalmente están asociados al corte manual, en tanto que
los flujos de gas más bajos y las velocidades más altas se aplican al corte a maquina. AI cortar placas con muchas incrustaciones u oxidadas, emplee
un flujo de gas alto yvelocidades bajas. Las velocidades máximas indicadas se aplican al corte el linea recta; para el corte de figuras intrincadas y para
obtener la calidad Óptima, se requeriránvelocidades mas bajas.
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3.2
6.4
9.5
13
19
25
38
51
76
102
127
152
203
254
305
Flujo de gas, L/min
CORTE CON OXíGENO
en el corte de seccionesmás delgadas. h e d e n cortarse espesores
entre 300 y 1525 mm (12 y 60 pulg) con sopletes de trabajo
pesado. Los flujos de oxígeno de precalentamiento y de cortar
aumentan, y la velocidad de corte disminuye, al aumentar el
espesor.
Para el corte pesado, el factor más importante es el flujo de
oxígeno. El tamaño de la punta y la presión de operación deben
ser tales que suministren el flujo de oxígeno de cortar requerido
para el espesor que se está cortando. Se ha visto que presiones
de oxígeno de cortar en el intervalo de 10 a 55 psi (70 a 380 kPa),
medidas en el soplete de corte, son adecuadaspara los cortes más
pesados si se usan puntas del tamaño apropiado y el equipo
adecuado.El flujo de oxígeno en la entrada del soplete es de primordial importancia cuando se comparan los resultados de
diferentes operaciones de corte. Si se relaciona el desempeño
con la tasa de flujo del oxígeno en lugar de hacerlo con la
presión, es posible graficar en una curva continua los datos de
corte pesado.
En términos de flujo, es posible obtener una constante de
demanda aproximada que resulta útil como guía al seleccionar
el equipo adecuado para un trabajo determinado. Estas constantes de demanda pueden variar, pero en términos de espesor,
quedan dentro del rango aproximado de 89 a 139 L de oxígeno
por mm (80 a 125 pies cúbicos de oxígeno por pulgada) de
espesor. La tabla 14.3 muestra el rango de las condiciones de
operación que cubre ias operaciones de corte nonnales.
El corte pesado abarca una amplia variedad de operaciones,
como el recorte de lingotes, el corte de chatarra y el corte de
rebabas. Es posible que los datos de la tabla 14.3 no sean los más
apropiados para todas las operaciones de corte pesado, aunque
los valores dados aquí han sido utilizados con éxito. Pueden
servir como guía para seleccionar el equipo y condiciones de
operación correctos. La mejor forma de hallar los valores reales
para ia realización más eficiente en una aplicación de corte
específica es mediante cortes de prueba.
Cuando se realiza corte pesado con el soplete en posición
horizontal, puede ser necesario incrementar la presión del oxigeno de cortar para que ayude a eliminar la escoria del ancho del
corte.
La tabla 14.3 no incluye velocidades de recorrido recomendadas, pero en el intervalo de espesores que cubre se emplean
velocidades de 0.85 a 2.5 mm/s (2 a 6 pulgJnin). Puede alcan-
465
zarse una velocidad de 1.3 mm/s (3 puldmin) con espesores de
hasta por lo menos 910 mm (36 pulg). La velocidad correcta se
obtiene observando con cuidado ias condiciones de operación y
haciendo los ajustes adecuados durante el corte real.
Como las piezas pesadas casi siempre tienen una superficie
cubierta de incrustaciones, ias técnicas para iniciar el corte
difieren de las usadas con material delgado limpio. EI inicio se
efectúa más lentamente en íos bordes menos lisos. La figura
14.11 indica los procedimientos de inicio correcto e incorrecto.
La figura 14.11(A) muestra la posición de inicio deseable con
las flamas de precalentamiento en la esquina superior y extendiéndose hacia abajo sobre la cara del material. La reacción de
corte comienza en la esquina superior y avanza por ia cara dei
material hacia la parte inferior conforme el soplete se mueve
hacia adelante. Las figuras 14.11(B), (C), (D), (E) y (F)muestran
los problemas que surgen cuando el procedimiento no es el
correcto.
Cuando el corte avanza como es debido, con un flujo de
oxigeno y una velocidad hacia adelante apropiados, la reacción
continuará hasta el extremo dei corte sin dejar una esquina sin
cortar. La figura 14.12 ilustra diversas condiciones de terminación correctas e incorrectas, además de las condiciones
de arrastre recomendadas. Las condiciones que producen un
corte de caída vertical se ilustran en la figura 14.12(A).
En general, se requieren las siguientes condiciones para un
corte pesado aceptable en una situación de producción:
(1) Un suministro de gas suficiente para completar el corte;
esto es necesario porque un corte perdido en materiales pesados
es extremadamente difícil, si no imposible, de reiniciar.
(2) Equipo del tamaño estructural suficiente para mantener la
rigidez y llevar el equipo necesario, y de suficiente capacidad
para manejar el intervalo de velocidades y flujos de gas requeridos.
(3) Personal capacitado que conozca las técnicas de corte
pesado apropiadas.
Corte en pila
SI LOS DATOS sobre velocidades y requerirnientos de gas del
OFC a máquina se grafican contra el espesor del material, “e”,
se observa que los requerimientos no son directamente propor-
Tabla 14.3
Datos para el corte con gas oxicombustible de acero de bajo carbono grueso
Espesor
del material
Pub
mm
12
305
16
406
20
508
24
61 O
28
71 1
32
81 3
36
914
40
1016
44
1118
48
1219
Diámetro del orificio
Pub
mm
0.147-0.221
0.1 70-0.290
0.194-0.332
0.221-0.332
0.250-0.375
0.250-0.375
0.290-0.422
0.290-0.422
0.290-0.468
0.332-0.468
3.74- 5.61
4.32- 7.36
4.93- 8.44
5.61- 8.44
6.35- 9.53
6.35- 9.53
7.37-10.72
7.37-10.72
7.37-1 1.90
8.44-1 1.90
Oxígeno de cortar
Tasa de flujo
pies3/h
1000-1500
1300-2000
1700-2500
2000-3000
2300-3500
2700-4000
3000-4500
3400-5000
3800-5500
4000-6000
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L/min
472- 708
614- 944
803-1 180
944-1416
1087-1652
1274-1888
1416-2120
1605-2360
1792-2600
1888-2830
Presión en el soplete
psi
kPa
56-33
386-228
54-25
372-172
52-22
359-152
48-29
331-200
41-26
283-1 79
51-30
352-207
40-26
276-1 79
46-30
31 1-207
51-26
352-1 79
40-28
466 C O R T E C O N O X i G E N O
m
.ENTADA
ZONACAL-ENTADA
EL CHORRO DE
OXIGENO ENTRA
DEMASIADO EN
ELTRABAJO
ELCHORRO
DE OXIGENO
APENAS LIBRA
LA SUPERFICIE
(A)
(Cl
(6)
AJUSTE CORRECTO: PRECALENTAMIENTO PRINCIPALMENTEEN LACARA DE INICIO
LA PUNTA HA ENTRADO DEMASIADOAL
TRABAJO, CON CALENTAMIENTO MAS
QUE NADA EN LA CARA SUPERIOR
ACCIÓN DE CORTE DE (B)
ESCALÓN
E
S
RESULTADOTPICO DE (B)
PRESIÓN DE OXiGENO EXCESIVA OVELOCIDADDE RECORRIDOINADECUADA
PRESION DE OXiGENO INSUFICIENTE O
VELOCIDAD DE RECORRIDOEXCESIVA
Figura 14.1 1-Procedimientos de inicio para corte pecado
cionales a dicho espesor. El consumo de gas por unidad de
espesor “e” decrece conforme aumenta el espesor, “e”. En
consecuencia, los costos de corte por “e” podrían reducirse al
aumentar “e” cuando “e” está por debajo de un cierto valor,
dependiendo del material cortado. Puede resultar más económico apilar el material para cortarlo que cortar piezas individuales,
sobre todo cuando el espesor del material es inferior a 6 mm
(1/4 pulg). El corte en pila está limitado a láminas y placas de
cuando más 13 mm (1/2 pulg) de espesor, debido a la dificultad
para sujetar con abrazaderas material más pesado formando una
pila apretada. En la figura 14.13 se ilustra una operación de
corte en pila.
El corte en pila también es útil para cortar material laminado
que es demasiado delgado para los métodos de OFC ordinarios.
Los espesores de lámina de 0.9 mm (20 gage) o mayores son los
más prácticos. El corte en pila se utiliza en lugar del cizallado o
el estampado, sobre todo cuando el volumenno justifica el costo
de los troqueles. Los bordes de las láminas cortadas con flama
son rectos, sin rebabas.
Para un corte en pila satisfactorio se requieren láminas o
placas planas y limpias. La suciedad, las incrustaciones de fabricación, el orín y la pintura pueden interrumpir el corte y reducir
su calidad. La pila debe sujetarse con fuerza, sobre todo en el
área del corte, con los bordes alineados en el punto en que se
iniciará el corte.
La horadación de pilas con el soplete de OFC para iniciar un
corte no resulta práctica. Es preciso taladrar agujeros en las pilas
si se desea iniciar un corte interior.
El grosor total de la pila lo determinan la tolerancia de
corte requerida y el espesor de la pieza superior. Con una
tolerancia de corte de 0.8 mm (1/32 pulg), la altura de la pila
no deberá exceder los 50 mm (2 pulg); con una tolerancia de 1.6
mm (1/16 pulg), el grosor puede alcanzar hasta 100mm (4 pulg).
El límite práctico máximo del espesor es de unos 150 mm (6
PUk).
Cuando se corta en pila material de menos de 5 mm (3/16
pulg) de espesor, se usa una placa de desperdicio de 6 mm
(1/4 pulg) encima. Esto asegura un mejor inicio, un borde más
limpio en la pieza de producción superior, y la ausencia de
pandeo de la lámina superior.
El inicio del corte debe hacerse con extremo cuidado para que
se extienda hasta el otro lado de la pila. Un método consiste en
alinear los bordes de las láminas con exactitud en una línea
vertical. Una tira vertical a lo largo de la cara alineada se precalienta con un soplete de mano hasta la temperatura de ignición.
El soplete de máquina se coloca rápidamente en el punto de
inicio y se comienza a cortar. Otro procedimiento consiste en
colocar cada una de las láminas de modo que su borde sobresalga
ligeramente del borde de la lámina de abajo. Esto es lo mejor
para láminas cizalladas apiladas con la rebaba de corte hacia
abajo. El corte se inicia en la placa superior (placa de desperdicio) y avanza de una lámina a la siguiente a través de la pila. Un
tercer método es pegar un reborde de soldadura verticalmente a
la pila de modo que se tenga una franja de metal continuo. El
corte se inicia a través del reborde de soldadura y luego penetra
en la pila.
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CORTE C O N OX¡GENO
467
TERMINACIÓNDEL CORTE
BORDE
DE CORTE
X
LAAUSENCIADEARRASTRE PERMITEAL
CHORROATRAVESAR LA CARA UNIFORMEMENTE ENTODOS LOS PUNTOS. REPRESENTATIVODE CONDICIONESEQUILIBRADAS
EL ARRASTRE HACE QUE LA ACCIÓN DE
CORTE ATRAVIESE EN X Y PASE MAS
ALLÁ DEL MATERIAL, DEJANDO UNA ESQUINA ,SIN CORTAR. REPRESENTATIVO
DE OXIGENO INSUFICIENTE O VELOCIDAD EXCESIVA
X
EL ARRASTRE HACIA ADELANTE HACE
QUE EL CHORRO ATRAVIESE EN X Y SE
DESVIE, DEJANDO UNA ESQUINA SIN
CORTAR. REPRESENTATIVO DE PRESION DE OXIGENO DE CORTE ELEVADA
O DEVELOCIDAD INSUFICIENTE
A-
t
A
(DI
SI LA CARA DE CORTE ES TAL QUE EL
PUNTO DONDE EL CHORRO ATRAVIESA,
A, ESTÁ ADELANTE DEL PUNTO DE ENTRADA, B, Y EN NINGÚN PUNTO LA CARA
SE EXTIENDE MÁSALLÁ DEA, LA ACCIÓN
SEPARA LA PIEZA DE A HACIA ARRIBA
DISPOSICION ANGULADA DE y PUNTA
SIMILARA(D), MOSTRANDOELLIMITE DE
LA EFECTIVIDAD.SIMILARA (A)
SI LAS CONDICIONES SON TALES QUE A
Y 5 ESTAN EN LINEA, O EN OTRA RELACION, PERO C QUEDA ADELANTE DE A,
ELCHORRO ATRAVIESA EN X. DEJANDO
UNA ESQUINASIN CORTAR, SIMILAR A (C)
Figura 14.12-Condiciones de terminación para corte pesado - A, B y C con el soplete vertical; D,E y F con el
soplete inclinado en la dirección del corte
Preparación de los bordes de las placas
PARA UNIR POR soldadura componentes de acero muchas veces
se utilizan diseños de unión en bisel, de surco en V y de surco
en U. La preparación de los bordes que se van a unir puede
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hacerse mediante corte o acanalado con oxígeno. Los biseles
sencillos y dobles se producen empleando puntas y sopletes de
corte estándar, casi siempre mecanizados, para biselar en línea
recta. El acanalado con oxígeno se efectúa con puntas de corte
de diseño especial que producen uniones de surco en U.
--`,,,```-`-`,,`,,`,`,,`---
Aunque se haya tenido extremo cuidado, siempre existe la
posibilidad de una interrupción del corte, pudiéndose perder
toda la pila. La aplicación de procesos de corte con fundente y
corte con polvo minimiza considerablementeeste peligro. Estos
métodos ayudan a propagar la reacción de oxidación dentro del
corte. Así es posible tolerar entre las placas huecos de aire
apreciables que de otra manera podrían inhibir el corte. El
empleo de puntas divergentes con chorros de corte de alta
velocidad al parecer también fomenta esta acción de transferencia.
Sea cual sea el procedimiento empleado, hay que comparar
con inucho cuidado la economía de una operación de corte de
pila con los costos totales que implica, incluidos aspectos como
la preparación del material, la formación de las pilas, las abrazaderas y la mayor capacitación y cuidado requeridos.
Biselado de placas. En muchas aplicaciones es necesario
biselar los bordes de las placas antes de soldarlas, a fin de
asegurar que las dimensiones y el ajuste sean correctos, y también para poder utilizar técnicas de soldadura estándar. El biselado puede efectuarse con un solo soplete o con vanos sopletes
operando siinultáneamente. Aunque el biselado sencillo puede
hacerse a mano, lo mejor es hacerlo a máquina para poder
controlar con precisión las variables de corte. Si se cortan biseles
con dos o tres sopletes, hay que usar dispositivos que corran
sobre las placas para asegurar que la punta mantenga una posición constante sobre la placa, como se ilustra en la figura 14.14.
En el biselado con un solo soplete, la cantidad y el tipo de
precalentatniento es un factor dominante. Si el ángulo del bisel
es menor que 15", la pérdida de eficiencia del precalentamiento
es pequefia. Cuando el ángulo del bisel rebasa los 15", el calor
transferido de las flainas de precalentatniento a la placa dismi-
Not for Resale
468
CORTE CON OXiGENO
Figura 14.13-Operación de corte en pila típica con las placas sujetas mediante soldaduras verticales
nuye rápidamente conforme aumenta el ángulo del bisel. Es
preciso proporcionar un precalentamiento mucho mayor, sobre
todo con espesores de hasta 25 mtn (1pulg). Los mejores resultados se obtienen colocando la punta muy cerca del trabajo y
empleando proporciones de oxígeno/combustiblebastante altas.
Para biseles de más de 30°, o en placas gruesas, puntas de
biselado especiales suministran la capacidad de precalentamiento adicional requerida.
Podemos utilizar un soplete auxiliar (únicamente con flamas
de precalentamiento) montado perpendicularmente respecto al
trabajo, o un adaptador auxiliar que divida el precalentamiento
y aplique parte de él al trabajo en forma ortogonal, con el fin de
obtener velocidades de biselado más altas. Ambos métodos
consumen en realidad menos gas de precalentamiento total que
una sola punta angulada.
Casi nunca se obtienen cortes con caras de óptima calidad
usando la velocidad máxima de corte. El acabado de la cara
cortada por lo regular puede mejorarse trabajando a velocidades
más bajas. Cuando se reduzca la velocidad para obtener un mejor
acabado de la superficie, se deberán reducir también las flamas
de precalentamientoa fin de evitar una fusión excesiva del borde
superior de las caras.
Las figuras 14.15,14.16 y 14.17 ilustran las posicionesde los
sopletes para cortar los tres bordes biselados básicos. En cada
caso, los espaciados de las posiciones de los sopletes A y B están
determinados por el espesor de la placa, el tamaño de la punta y
la velocidad de corte. Los sopletes de corte se sitúan a separaciones que resultan prácticas sin interrumpir la acción de corte
de ninguno de los tres chorros de oxígeno. Si la longitud de
A o de B, o ambas, son excesivas, la acción de corte del
soplete que va más atrás no abarca el ancho äel corte del soplete
que va adelante. Esto hace que el chorro de oxígeno se desvíe
hacia la brecha que deja el corte del soplete de adelante, excavando la cara cortada. El resultado es una superficie irregular y
a menudo adherencias de escoria ligera en el lado de abajo del
borde preparado.
La colocación de los sopletes en dirección lateral para el corte
de múltiples biseles casi siempre se determina por el método de
prueba y error. Sin embargo, esto puede ser costoso e implicar
un retrabajo prolongado o que se arruine el material. Para la
alineación de los sopletes resulta muy útil una sencilla plantilla
maquinada representativa de la geometría que deben tener los
bordes. A cada punta de corte se sujeta un dispositivo para
centrar la punta respecto al ancho del corte, como puede verse
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CORTE CON OXíGENO
469
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Fiaura 14.14-Dis~osición de corte mecanizado para biselar el borde de una daca
en la figura 14.18.Luego se da a los sopletes el ángulo apropiado
y se ajustan a la plantilla del borde. Con esto la cabeza de corte
de múltiples sopletes está lista para duplicar el perfil de la
plantilla.
Si se desea obtener una tolerancia dimensional muy justa al
preparar bordes de placas, hay que utilizar equipo portasopletes
muy preciso. Cuando se requiere reproducibilidad, exactitud y
máxima eficiencia, se usan máquinas de corte grandes del tipo
de rieles con grúa corrediza, aparatos que pueden clasificarse en
la misma categoría que las máquinas herramienta. La placa se
coloca en una mesa de corte plana, entre los neles de una máquina de corte de triple grúa corrediza, como se muestra en la figura
14.19. La máquina puede preparar los cuatro bordes de la placa
sin necesidad de reacomodarla; además, puede cortar la placa en
segmentos más pequeiios al mismo tiempo.
Acanalado. El acanalado de placas de acero mediante procesos de OFC por lo general está limitado a placas con espesor
máximo de 25 mm (1 pulg). Es común utilizar este proceso en
el lado inferior de una unión soldada para eliminar defectos
dejados por la pasada original. También suele usarse el acanalado de OFC para elinunar unioiies soldadas defectuosas o
grietas durante la reparación de material previamente fabricado.
El proceso de acanalado casi siempre requiere una punta
especial con una gran capacidad de precalentainiento y un
orificio central para el oxígeno que produce mucha turbulencia
en el chorro de oxígeno. Esta turbulencia genera un fliijo de
oxígeno ancho que puede ser controlado por el operador para
lograr uti acanalado con la anchura y profundidad deseadas.
Otros factores que detenninan la forma del acanalado son la
velocidad, el ángulo de la punta, la presión, la cantidad de
precalentamiento y el tamafio de la punta. Uiia importante ventaja del acanalado con gas oxicombustible es que no se necesita
equipo adicional distinto del que se usa en el proceso de OFC.
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CORTE BAJO EL AGUA
ELCORTESUBACUATICO se usa en labores de recuperación y para
cortar bajo la superficie en muelles, astilleros y embarcaciones.
Los dos métodos más utilizados son el corte con gas oxicombustible y el corte con arco de oxígeno.
La técnica para cortar bajo el agua con OFC no difiere en lo
esencial de la que se usa para cortar acero en el aire. Los sopletes
de OFC subacuáticos tienen las mismas características de los
sopletes de OFC estándar, pero además cuentan con lo necesario
para proporcionar su propio entorno atmosférico. En un soplete
de corte subacuatico, el oxígeno y el combustible se mezclan y
queman para producir la flama de precalentamieiito. EI oxígeno
de cortar sale por la punta para cortar el acero. Además, el soplete
crea una burbuja de aire alrededor de la punta de corte, como
puede verse en la figura 14.20. EI escudo de aire estabiliza la
flaina de precaleiitainieiito y al mismo tiempo desplaza el agua
del área de corte.
EI soplete de corte subacuático tiene conexiones para tres
mangueras que alimentan aire cotnpriinido, gas combustible y
oxígeno. En el extremo de corte del soplete se monta un dispositivo de escudo y espaciador combinado, EI escudo ajustable
controla la formación de la burbuja de aire, y se ajusta de modo
que la flaina de precalentamiei~toquede a la distancia correcta
del trabajo. Este aditamento es indispensable para trabajar bajo
el agua debido a la poca visibilidad y a la reducción en la
tnovilidad del operador causada por el engorroso traje de buceo.
Unas ranuras en el escudo peniiiteri que escapen los gases
quemados. Se utiliza un soplete corto a fin de reducir la fuerza
de reacción producida por el aire coinprirnido y el oxígeno de
cortar al chocar contra el agua circundante.
Al aumentar la profuiididad a la que se realiza el corte, será
necesario aumentar las presiones de los gases para vencer tanto
la mayor presión del agua como las pérdidas por fricción en las
Not for Resale
470
CORTE CON OXIGENO
DIRECCIÓN DEL RECORRIDO
DIRECCIÓN DEL RECORRIDO
I +
VISTA DE PLANTA
'
VISTA DE PLANTA
o
/
--`,,,```-`-`,,`,,`,`,,`---
VISTA FRONTAL
VISTA FRONTAL
Figura 14.15-Corte d e preparación d e borde d e un solo
bisel con cara raíz
Figura 14.16-Corte d e preparación d e borde d e doble
bisel sin cara raíz
mangueras más largas. A las presiones básicas recomendadas
para el espesor del material cortado en aire hay que añadir
aproximadamente 1/2 psi (3.5 kPa) por cada 300 mm (12 pulg)
de profundidad.
M P S , propileno e hidrógeno son los mejores gases de precalentamientode aplicación general, ya que pueden usarse en todas
las profundidades a las que pueden descender los buzos y trabajan de manera satisfactoria. El acetileno no debe usarse por
debajo de unos 6 m (20 ft) porque su presión de operaciónsegura
máxima es 15 psi (100 kPa) manométrica.
El soplete de corte con gas oxicombustible no experimenta
dificultades sensibles bajo el agua para cortar placas de acero
con espesores entre 13 mm (1/2 pulg) y aproximadamente 101
mm (4 pulg). En el caso de espesores por debajo de 13 mm (1/2
pulg), el constante efecto de extinción del agua circundante
reduce la eficiencia del precalentamiento. Esto requiere flamas
y flujos de gas de precalentamiento mucho más grandes. El
tamaño del orificio del oxígeno de cortar es considerablemente
mayor para el corte bajo el agua que para el corte en aire.
Además, se necesita un aparato especial para encenderlas flamas
de precalentamiento bajo el agua.
Algunos fabricantes han desarrollado una manga de espaciado para uso en cortes subacuáticos con sopletes estándar. Este
dispositivo se sujeta a la punta de corte y sirve como guía para
mantener la distancia apropiada entre la punta y el trabajo. Para
estas unidades no se requiere un suministro de aire comprimido.
Es preciso seguir las recomendaciones del fabricante para
configurar y operar el equipo de OFC subacuático.
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CALIDAD DEL CORTE
LAO B T E N C I ~ N D Ecalidad
~ ~ ~ aceptable en OFC depende de los
requisitos del trabajo. Las operaciones de recuperación y la
separación de miembros para convertirlos en chatarra no requieren cortes de alta calidad. Se utiliza el corte con oxígeno para
completar con rapidez las operaciones sin preocuparse por la
calidad de las superficies cortadas.
Cuando los materiales cortados se emplean en fabricación sin
un procesamiento ulterior de las superficies cortadas, la calidad
de las superficies podría ser vital. La calidad de un corte puede
abarcar cosas como:
Not for Resale
CORTE CON OXIGENO
471
DIRECCIÓN DEL RECORRIDO
II
PLETE CENTRAL
VISTA DE PLANTA
I
VISTA FRONTAL
Figura 14.17-Corte de preparación de borde de doble
bisei con cara de raíz
(1) h g u l o apropiado entre la superficie cortada y las superficies adyacentes.
(2) Lo plano de la superficie.
(3) Lo recto del borde de precalentamiento del corte.
(4) Tolerancias dimensionales de la figura cortada.
(5) Adherencia de escorias tenaces.
(6) Defectos de la superficie cortada, como grietas y bolsas.
En general, estos aspectos sólo se controlan con precisión en
el OFC a máquina. Para un corte de alta calidad se requiere un
buen control de la posición del soplete, de la iniciación del corte,
de la velocidad de recorrido y de la estabilidad de la plantilla.
Además hay que mantener y limpiar el equipo con regularidad.
Con el equipo adecuado en buenas condiciones, un operador
capacitado y piezas de trabajo razonablemente limpias y bien
apoyadas, es posible cortar figuras con tolerancias de 0.8 a 1.6
mm (1/32 a 1/16 pulg) de material con un espesor máximo de
51 mm (2 pulg). Para ello es preciso que las puntas de corte, las
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flamas de precalentamiento, la presión y el flujo de oxígeno de
corte y la velocidad de recorrido sean todos los correctos.
Independientemente de las condiciones de operación, las
líneas de arrastre son inherentes al corte con oxígeno. Se trata
de las líneas que aparecen en la superficie cortada (vease la
figura 14.21) y que resultan del modo como el hierro se oxida
dentro del corte. Unas líneas de arrastre poco marcadas en la
superficie no se consideran como un defecto. La magnitud del
arrastre es importante; si es demasiado grande, la esquina en el
extremo del corte tal vez no se cercene por completo, con lo que
la pieza no se separará.
La calidad de la superficie cortada depende de muchas variables, siendo las más significativas las siguientes:
(1) Tipo del acero.
(2) Espesor del material.
(3) Calidad del acero (ausencia de segregaciones, inclusiones, etc.).
(4) Condición de la superficie del acero.
( 5 ) Intensidad de las flamas de precalentamiento y razón
oxígeno de precalentamiento/gas combustible.
(6) Tamaño y forma del orificio del oxígeno de cortar.
(7) Pureza del oxígeno de cortar.
(8) Tasa de flujo del oxígeno de cortar.
(9) La limpieza y la uniformidad del extremo de salida de la
boquilla.
(10) Velocidad de corte.
Para un corte dado, conviene evaluar las variables mencionadas a fin de obtener un corte con la calidad requerida y con el
Not for Resale
--`,,,```-`-`,,`,,`,`,,`---
Figura 14.1û-Método de centrado sobre el ancho
de corte y ajuste dei ángulo de biselado
472
CORTE CON O X i G E N O
POSICIÓN INICIAL
POSICIÓN FINAL
c
3
2
4
I
IL
Figura 14.19-Vista de planta de una máquina de corte de tres grúas corredizas
1
I
..........:
....................................................................................
...........
:
........................
:::r..
............................................................................
...............................
...
&
/
...
u
.......
..*-*.
AIRE COMPRIMIDO
1
OX~GENODE CORTE
OXiGENO DE PRECALENTAMIENTO
0
COMBUSTIBLE DE PRECALENTAMIENTO
MEZCLA OXICOMBUSTIBLE DE PRECALENTAMIENTO
Figura 14.20-Diseño básico de un soplete de corte subacuático con gas oxicombustible
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1
CORTE CON OXiGENO
La tolerancia dimensional y la aspereza de la superficie deben
considerarse simultáneamente al juzgar la calidad de un corte,
porque dependen hasta cierto punto una de la otra. En general,
las especificaciones incluyen tolerancias dimensionales, corno
lo recto del borde, lo cuadrado del borde y las variaciones
permitidas en el ancho de la placa. Todo esto depende en primera
instancia del equipo de corte y de su funcionamiento mecánico.
Cuando el soplete se sostiene con rigidez y avanza a velocidad
constante. como en el OFC a máauina. las tolerancias dimensionales pueden mantenerse dentro de límites razonables. EI grado
de precisión longitudinal de un corte a máquina depende primordialmente de factores como la condición del equipo, la alineación de los rieles guía, las separaciones en el mecanismo de
operación y la uniformidad del control de velocidad de la unidad
impulsora. Además del equipo, la exactitud dimensional depende del control de la expansión térmica del material cortado. La
falta de una tolerancia dimensional puede deberse a un pandeo
del material (placa delgada o lámina), a deformacionesproduciI
Figura 14.21-Líneas de arrastre en la pared dei corte
producidas por el corte con oxigeno
costo global mínimo en términos de oxígeno, gas combustible,
mano de obra y gastos extra. Las figuras 14.22 y 14.23muestran
condiciones de borde representativas producidas por variaciones
en el procedimiento de corte para material de tipo y espesor
uniformes.
~~~
I
~
Figura 14.22-Condiciones de borde representativas producidas por operaciones de corte con gas
oxicombustible: (1) Buen corte en una placa de 25 mm (1 pulg): el borde es cuadrado y las líneas de arrastre son
prácticamente verticales y n o demasiado pronunciadas; (2) ias flamas de precalentamiento fueron demasiado
pequeñas para este corte, y la velocidad de corte fue demasiado lenta, provocando u n excavado notable en la
parte inferior; (3) las flamac de precalentamiento fueron demasiado largas, por lo que la superficie superior se
derritió, el borde del corte quedó irregular y hubo cantidades excesivas de escoria adherida; (4) la presión de
oxígeno fue demasiado baja, por lo que el borde superior se derritió debido a la baja velocidad de corte; (5) la
presión de oxigeno fue demasiado alta y el tamaño de la boquilla demasiado pequeño, haciendo que se perdiera
el control del corte
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~
473
474
CORTE CON OXiGENO
Figura 14.23-Condiciones de borde representativas producidas por operaciones de corte con gas
oxicombustible: (6) la velocidad de corte fue demasiado baja, por lo que las irregularidades de las líneas
de arrastre quedaron más marcadas; (7) la velocidad de corte fue demasiado alta, por lo que hay una ruptura
pronunciada en la linea de arrastre y el borde cortado es irregular; (8) el recorrido del soplete fue bamboleante,
por lo que el borde cortado quedó ondulado e irregular; (9) se perdió el corte y no se tuvo cuidado para
reiniciarlo, produciendo excavaciones notables en el punto de reinicio
das por la aplicación de calor a un borde, o a un desplazamiento por expansión y contracción térmicas. Al cortar aberturas en
del material durante el corte.
medio de una placa, la distorsión puede limitarse si se hace una
La operación de OFC debe planearse con detenimiento para serie de cortes disconexos. La sección queda pegada a la placa
minimizar el efecto de las variables sobre la exactitud diinensio- en vanos puntos hasta que casi se ha completado la operación de
nal. Por ejemplo, al recortar bordes opuestos de una placa, las corte, y finalmente se cercenan los puntos de conexión. Lo
deformaciones se reducirán al mínimo si ambos cortes se reali- intermitente del corte reducirá un poco la calidad del corte.
zan simultáneamente en la misma dirección. La distorsión a
Los materiales delgados a menudo se cortan en pilas para elimenudo puede controlarse durante el corte de figuras irregulares minar la deformacióny el pandeo. Otra técnica consiste en cortar
de placas si se insertan cuñas en el ancho del corte después de la placa delgada mientras está parcialmente sumergida en agua
haber pasado el soplete, a fin de limitar el movimiento del metal para eliminar el calor.
MATERIALES CORTADOS
PARA CASI TODAS las operaciones de corte de acero, el equipo
de corte con oxígeno resulta satisfactorio. Cuando se cortan
aleaciones altas y acero inoxidable puede ser necesario usar un
proceso de OFC especial, como el corte con inyección de fundente o polvo, o alguno de los procesos de corte con arco. EI
proceso de corte y el tipo de operación (manual o mecanizada)
que se elija dependerá del material por cortar, los requisitos de
producción y el uso final del producto.
ACEROS AL CARBONO Y DE BAJA A L E A C I ~ N
LOS ACEROS AL carbono se cortan con facilidad mediante el
proceso de OFC. Los aceros de bajo carbono se cortan sin
problemas empleando los procedimientos estándar. En la tabla
14.2 se dan datos representativos dei corte de acero de bajo
carbono usando gases combustibles comunes. Las tasas de flujo
de gas y velocidades de corte dadas se deben considerar como
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guías para determinar ajustes m a s precisos para un trabajo e n
particular. Cuando se vaya a cortar un material nuevo, conviene
hacer unos cuantos cortes de prueba para obtener las condiciones
de operación m á s eficientes.
Cabe señalar que las tablas terminan e n los 300 mm (12 pdg),
que es e l espesor máximo d e las placas d e las cuales se cortan
normalmente figuras e n los talleres d e producción. Esta división
se hizo arbitrariamente. EI corte d e placas de acero de más de
unos 300 mm (12 pulg) d e espesor se considera corte pesado.
L a s características d e l corte pesado se verán más adelante.
Efectos de los elementos de aleación
L O S ELEMENTOS DE aleación tienen dos posibles efectos sobre
e l corte de acero con oxígeno. Pueden hacer a l acero más difícil
d e cortar, o pueden producir superficies d e corte endurecidas o
termofijadas, o ambas cosas. Los efectos de los elementos de
aleación se evalúan a grandes rasgos e n l a tabla 14.4.
Cuando se corta acero con un chorro d e oxígeno, se libera
una cantidad enorme d e energía calorífica dentro d e l corte. G r a n
parte d e esta energía se transfiere a los lados d e l corte, donde
eleva l a temperatura d e l acero adyacente a l corte hasta rebasar
s u temperatura crítica. Como e l soplete está avanzando, l a fuente
d e calor pronto se aleja. L a masa d e m e t a l frío cerca d e l corte
actúa c o m o m e d i o de extinción o templado, enfriando rápidamente e l acero caliente. Esta acción d e templado puede endurecer las superficies cortadas d e los aceros de alto carbono y de
aleación.
C O N O X í G E N O 475
L a p r o f u n d i d a d d e l a zona afectada por e l calor depende
d e l contenido de carbono y d e elementos d e aleación, d e l
grosor d e l m e t a l base, y d e l a velocidad d e corte empleada. El
endurecimiento d e las zonas afectadas por e l calor e n aceros c o n
hasta 0.25% d e carbono no resulta crítico e n los espesores que
suelen cortarse. Los aceros d e más alto carbono y algunos aceros
d e aleación se endurecen a un grado t a l que e l espesor puede
volverse crítico.
En l a tabla 14.5 se muestran las profundidades típicas d e las
zonas afectadas por e l calor e n acero cortado con oxígeno. En l a
m a y o r parte d e las aplicaciones del corte c o n oxígeno no hace
falta eliminar e l m e t a l afectado; s i n embargo, s i se elimina,
deberá hacerse con medios mecánicos.
Precalentamientoy poscalentamiento
EL MATERIAL CORTADO puede precalentarse para obtener las
características mecánicas y metalúrgicas deseadas o para mejorar l a operación d e corte.
EI precalentamiento d e l trabajo puede tener varios efectos
útiles:
(1) Puede aumentar l a eficiencia d e l a operación de corte a l
p e r m i t i r u n a velocidad d e recorrido mayor, c o n lo cual se reducirán las cantidades totales d e oxígeno y gas combustible requeridas para efectuar e l corte.
Tabla 14.4
Efecto de los elementos de aleación sobre la resistencia del acero frente al corte con oxigeno
Elemento
Carbono
Manganeso
Silicio
Cromo
Níquel
Molibdeno
Tungsteno
Cobre
Aluminio
Fósforo
Azufre
Vanadio
Efecto del elemento sobre el corte con oxígeno
Los aceros con hasta un 0.25% de carbono se pueden cortar sin dificultad. Los aceros de más alto carbono deben precalentarse para evitar
el endurecimiento y el agrietamiento. EI grafito y la cementita (Fe$) son perjudiciales, pero los hierros colados con un contenido del 4% de
carbono se pueden cortar con técnicas especiales
Los aceros con alrededor del 14% de manganesoy 1.5% de carbono son difíciles de cortar y deben precalentarse para obtener resultados
óptimos
EI silicio, en las proporciones en que suele estar presente, no tiene efecto alguno. Se cortan hierros de transformador que contienen hasta
un 4% de silicio. EI acero al silicio con grandes cantidades de carbono y manganesodebe precalentarse con cuidado y recocerse
posteriormente para evitar endurecimiento por el aire y posibles fisuras superficiales
Los aceros con hasta un 5% de cromo se cortan sin mucha dificultad cuando la superficie está limpia. Los aceros de más alto cfomo, como
los que tienen 10% de cromo, requieren técnicas especiales (véase la sección sobre aceros resistentesa la oxidación), y los cortes son
ásperos cuando se emplea el proceso de corte con oxiacetileno usual. En general, se recomiendan flamas de precalentamiento
carburizantes para cortar este tipo de aceros. Los procesos de corte con inyección de fundente y de hierro en polvo permiten efectuar
fácilmente cortes en los hierros y aceros de cromo rectos comunes, así como en el acero inoxidable.
Los aceros con un contenido de níquel de hasta el 3% se pueden cortar con los procesos normales de corte con oxígeno; con un contenido
de hasta alrededor del 7%, los cortes son bastante satisfactorios. Es posible realizar cortes de excelente calidad en los aceros inoxidables
comunes (18-8 hasta alrededor de 35-15 como limite superior) mediante los procesos de corte con inyección de fundente o hierro en polvo.
Este elemento afecta el corte más o menos como Io hace el cromo. EI acero cromo-molibdeno de calidad para aeronaves no presenta
problemas. Sin embargo, los aceros de alto molibdeno-tungstenosólo pueden cortarse empleando técnicas especiales.
Se pueden cortar con facilidad las aleaciones usuales con hasta un 14% de tungsteno, pero los cortes se dificultancuando el porcentaje de
tungsteno es mayor. EI límite es al parecer 20% de tungsteno.
En cantidades de hasta el 2% el cobre no tiene efecto alguno.
A menos que esté presente en grandes cantidades (del orden del lo%),el efecto del aluminio no es apreciable
Este elemento no tiene efecto alguno en las cantidades en que se le acostumbra tolerar en el acero.
Las cantidades pequenas, como las que están presentes en los aceros, no tienen efecto alguno. Si el porcentaje de azufre es mayor, la
velocidad de corte se reduce y se aprecian emisiones de dióxido de azufre.
En las cantidades en que suele estar presente en los aceros, esta aleacion puede mejorar el corte, en vez de interferir con él.
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CORTE
476
CORTE CON OXiGENO
Tabla 14.5
Profundidades aproximadas de las zonas afectadas por el calor en aceros cortados con oxígeno*
Profundidad
Espesor
P Q
Menos de 1/2
112
6
mm
Menos de 13
13
152
Aceros de bajo carbono
Pub
mm
Menos de 1/32
Menos de 0.8
0.8
1I 3 2
1I 8
3.2
Aceros de alto carbono
PUkI
mm
1/32
1/32 a 1/ 16
1/8 a 114
0.8
0.8 a 1.6
3.2 a 6.4
~ ~ _ _ _ _ _
'La profundidad de la zona endurecida por completo es considerablemente menor que la de la zona afectada por el calor.
(2) Reducirá el gradiente de temperatura en el acero durante
la operación de corte. Esto, a su vez, reducirá, o distribuirá de
manera más favorable, las tensiones inducidas por el calor y
evitará la formación de grietas de templado o de enfriamiento.
También se reducirá la distorsión.
(3) Puede evitar el endurecimiento de la superficie cortada
al reducir la tasa de enfriamiento.
(4) Disminuye la migración de carbono hacia la cara cortada
al reducir el gradiente de temperatura en el metal adyacente al
corte.
HIERRO COLADO
EL ALTO CONTENIDO de carbono del hierro colado resiste las
técnicas de OFC ordinarias para cortar aceros de bajo carbono.
Los hierros colados contienen una parte de su carbono en forma
de hojuelas o nódulos de grafito, y otra parte en forma de
carburo de hierro (Fe$). Ambos constituyentes estorban la
oxidación del hierro. Los cortes de producción de alta calidad
típicos de los aceros no pueden obtenerse con hierro colado. La
mayor parte de los cortes tiene como fin la eliminación de
rebabas, portillos o defectos, la reparación o alteración de piezas
coladas, o el procesamiento de chatarra.
Las temperaturas empleadas en el precalentamientogeneralPor lo regular, el hierro colado puede cortarse manualmenmente están entre 90 y 700°C (200 y 1300°F) dependiendo del
te con un movimiento oscilatorio del soplete, como se muestra
tamaño de la pieza y del tipo de acero por cortar. La mayor parte
en la figura 12.24. El grado de movimiento depende del espesor
de los aceros al carbono y de aleación pueden cortarse con el
de la sección y del contenido de carbono. La oscilación del
acero calentado al intervalo de temperaturasde 200 a 3 15°C (400
soplete ayuda al chorro de oxigeno a expulsar del corte la escoria
a 600°F). Cuanto mayor sea la temperatura de precalentamiento,
y el metal derretido. El corte normalmente resulta ancho y
más rápida será la reacción del oxigeno con el hierro, lo cual
áspero.
permitirá velocidades de corte más altas.
Para cortar un cierto espesor de hierro colado se requiere una
Es indispensable que la temperatura de precalentamiento sea
punta de corte mayor y un flujo de gas más alto que para cortar
bastante uniforme a través de la sección en las áreas que se van
el mismo espesor de acero. Se emplea una flama carburizante
a cortar. Si el metal cercano a las superficies está a una tempecaliente, con la flámula extendiéndose hasta el otro lado de la
ratura menor que el metal interior, la reacción de oxidación se
sección de hierro colado. El exceso de gas combustible ayuda a
efectuará con mayor rapidez en el interior. Se formarán bolsas
mantener el precalentamientoen el ancho del corte al quemarse.
grandes en el interior que producirán superficies de corte no
En ocasiones, el hierro colado también se corta usando las
satisfactorias o bien harán que la escoria quede atrapada pudientécnicas especiales de corte de aceros resistentes a la oxidación.
do interrumpir la acción de corte. Si el material se precalienta en
Éstas son el corte con placa de desperdicio, el corte con polvo
un homo, el corte debe iniciarse lo más pronto posible después
metálico (POC) y el corte con fundente quimico (FOC), que se
de sacarlo del homo, a fin de aprovechar el calor de la placa.
describirán más adelante en el capitulo. El hierro colado se corta
Si no se cuenta con homos de capacidad suficiente para precacon facilidad usando los procesos de corte con arco de carbono
lentar toda la pieza, el precalentamiento local en los alrededores
y aire (CAC-A) y arco de plasma (PAC), y a menudo se les
del corte puede servir de algo. En el caso de cortes ligeros, el
prefiere por encima de los procesos de OFC.
precalentamientopuede efectuarse pasando las flamas de precalentamiento del soplete de corte lentamente sobre la linea del
corte hasta alcanzar la temperatura de precalentamientodeseada.
ACEROS RESISTENTES A LA OXIDACIÓN
Otro método que puede producir mejores resultados consiste en
precalentar con un soplete de calentamiento de múltiples flainas LAAUSENCIADE materiales de aleación en el hierro puro permite
montado delante del soplete de corte.
el avance rápido de la reacción de oxidación. Al aumentar la canA fin de reducir las tensiones intemas inducidas por el calor, tidad y el número de elementos de aleación en el hierro, la
en las piezas cortadas, éstas pueden recocerse, normalizarse o velocidad de oxidación disminuye respecto a la del hierro puro,
someterse a liberación de tensiones. Un tratamiento posterior y el corte se hace más dificil.
con calor puede eliminar casi todos los cambios metalúrgicos
La oxidación del hierro en cualquier acero de aleación libera
causados por el calor de corte. Si no se dispone de un homo del una cantidad considerable de calor. Los óxidos de hierro produtamaño requerido para el tratamiento final con calor, la superfi- cidos tienen puntos de fusión cercanos al del hierro; en cambio,
cie cortada puede recalentarse a la temperatura apropiada con los óxidos de muchos de los elementos de aleación de los aceros,
como aluminio y cromo, tienen puntos de fusión superiores a los
sopletes de calentamiento de múltiples flainas.
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CORTE CON OXiGENO
477
Oscilación del soplete
MOVIMIENTO AL CORTAR HIERRO COLADO DELGADO
ESTATÉCNICAES la que se describió previamente para el corte
de hierro colado. En ocasiones se pueden cortar aceros inoxidables de baja aleación de hasta 100 mm (4pulg) de espesor con
un soplete de corte estándar y oscilación. Es preciso precalentar
todo el espesor del borde de inicio hasta un color rojo brillante
antes de iniciar el corte. Es recomendable combinar esta técnica
con alguno de los otros métodos de corte mencionados.
MOVIMIENTO AL CORTAR HIERRO COLADO PESADO
Placa de desperdicio
UN METODO PARA cortar aceros resistentes a la oxidación consiste en sujetar una placa “de desperdicio” de acero de bajo
carbono a la superficie superior del material que se va a cortar.
El corte se inicia en el material de acero de bajo carbono, y así
el calor liberado por la oxidación de este acero proporciona calor
adicional a la cara de corte para sostener la reacción de oxidación. El óxido de hierro del acero de bajo carbono ayuda a
eliminar los óxidos refractarios del acero inoxidable. El espesor de la placa de desperdicio debe ir en proporción con el
espesor del material cortado. Algunas de las desventajas de este
método son el costo del material de la placa de desperdicio, el
aumento en el tiempo de preparación, las bajas velocidades de
corte y la aspereza del corte.
DIRECCIÓN GENERAL
Figura 14.24-Manipulación tipica del soplete de corte
para cortar hierro colado
Alimentación de alambre
CON EL EQUIPO apropiado, un alambre de acero de bajo carbono
de los óxidos de hierro. Estos óxidos de alto punto de fusión, de de diámetro pequeño se alimenta continuamente a las flamas de
naturaleza refractaria, pueden proteger el material del área de precalentamiento del soplete, adelante del corte. El extremo del
corte e impedir que hierro nuevo quede continuamenteexpuesto alambre deberá fundirse rápidamente en la superficie de la placa
al chorro de oxígeno de cortar. Por esto, la velocidad de corte de acero de aleación. El efecto de la adición del alambre sobre
disminuye al aumentar la cantidad de elementos formadores de la acción de corte es el mismo que el de la placa de desperdicio.
La tasa de depósito del alambre debe ser suficiente para manteóxidos refractarios en el hierro.
Para metales ferrosos con alto contenido de aleación, como el ner la acción de corte del oxígeno, y debe determinarsemediante
acero inoxidable, conviene considerar el uso de corte con arco de cortes de prueba. El espesor de la placa de aleación y la velocidad
plasma (PAC) y en algunos casos el corte con arco de carbono y de corte son otros factores que deben tenerse en cuenta en el proaire (CAC-A). Si estas opciones no están disponibles o no resultan ceso. Se requiere, como equipo accesorio, un alimentador de
alambre impulsado por motor y una guía de alambre, montados
prácticas, será preciso emplear variaciones del OFC.
sobre
el soplete de corte.
Hay numerosas variaciones del corte con oxígeno de aceros
resistentes a la oxidación, aplicables también al hierro colado.
Las importantes son:
Corte con polvo metálico
(1) Oscilación del soplete.
EL PROCESODE corte con polvo metálico (POC) es una técnica
para suministrar a un soplete de OFC un flujo de material
pulverizado rico en hierro. El material en polvo acelera y propaga la reacción de oxidación y también la acción de fusión y
astillado de los materiales difíciles de cortar. El polvo se dirige
Cuando se usan estos métodos para cortar metales resistentes hacia el interior del corte ya sea a través de la punta de corte o
a la oxidación, baja un poco la calidad de la superficie cortada. por una o más espreas externas a la punta. Cuando se usa el priEs posible que se adhieran incrustaciones y escoria a las caras mer método, el polvo transportado por gas se introduce en el
cortadas. Es común observar captación de carbono o hierro, o de corte a través de orificios especiales de la punta de corte. Cuando
ambos, en las superficies cortadas de aceros inoxidablesy aceros el polvo se introduce externamente, el gas que lo transporta
de aleación con niquel. Esto puede afectar las propiedades de imparte a las partículas velocidad suficiente para que atraviesen
resistencia a la corrosión y magnéticas del metal. Si estas pro- la envoltura de precalentamientoy ileguen al chorro de oxígeno
piedades son importantes, habrá que eliminar por maquinado de cortar. El corto tiempo que pasan en la envoltura de precalenaproximadamente 3 mm (1/8 pulg) de metal de los bordes tamiento basta para producir la reacción deseada en la zona de
corte.
cortados.
(2) Placa de desperdicio.
(3) Alimentación de alambre.
(4) Corte con polvo.
(5) Corte con fundente.
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478
CORTE CON OX/GENO
Algunos polvos reaccionan químicamente con los óxidos
refractarios producidos dentro del corte y aumentan su fluidez.
Las escorias fundidas que resultan son expulsadas de la zona de
reacción por el chorro de oxígeno, de modo que continuamente
se exponen superficies metálicas nuevas al chorro de oxigeno y
al polvo. Se emplea hierro en polvo y mezclas de polvos metálicos, como hierro y aluminio.
Los aceros resistentes a la oxidación se pueden cortar con el
método del polvo aproximadamente a las mismas velocidades
que aceros al carbono de espesor equivalente con puro oxígeno.
El flujo de oxígeno de cortar debe ser un poco más alto en el proceso de polvo.
Equipo para corte con polvo
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LOS SURTIDORES DE polvo para el proceso POC son de dos tipos
generales. Uno de ellos es un dispositivo vibratorio en el que la
cantidad de polvo surtida desde la tolva está controlada por un
vibrador. Es posible obtener la cantidad deseada de polvo ajustando la amplitud de la vibración. El surtidor de tipo vibratorio
suele usarse cuando se requiere un flujo uniforme y exacto de
polvo.
El otro tipo de surtidor es un dispositivo neumático. En el
fondo de un recipiente de baja presión hay un eyector o unidad
fluidizante. El gas portador del polvo penetra en el surtidor de
manera tal que fluidiza el polvo, el cual fluye de forma uniforme
hacia una unidad eyectora donde es arrastrado por un chorro de
gas que sirve como medio de transporte al soplete.
Además de las mangueras de combustible y oxígeno, se
utiliza otra manguera para llevar el polvo al soplete. Un soplete
especial de corte manual con polvo mezcla el oxígeno y el gas
combustible y luego descarga esta mezcla a través de múltiples
orificios en la punta de corte. La válvula de polvo es una parte
integral del soplete. La palanca del oxígeno de cortar del soplete
también abre la válvula de polvo en la secuencia apropiada. El
polvo llevado por el gas portador entra por un tubo especial a
una cámara situada adelante de la cámara de gas de precalentamiento en la cabeza del soplete. Así, el polvo entra a un grupo
de conductos separado en la punta de corte de dos piezas. De ahí
se descarga por la boca de la punta en un patrón cónico. El polvo
sale con la velocidad suficiente para atravesar el gas de precalentamientoen combustióny rodear el chorro central de oxígeno
de cortar.
Corte con fundente
ESTEPROCESO ESTA pensado primordialmente para el corte de
aceros inoxidables. El fundente está diseñado para reaccionar
con los óxidos de los elementos de aleación, como el cromo y el
níquel, produciendo compuestos con puntos de fusión cercanos
a los de los óxidos de hierro. Se requiere un aparato especial para
introducir el fundente en el área del corte. Con la adición de
fundente los aceros inoxidables se pueden cortar a una velocidad
lineal uniforme sin tener que oscilar el soplete, lográndose
velocidades de corte cercanas a las alcanzables con espesores
equivalentes de acero al carbono. Las puntas son de mayor
tamaño y el flujo de oxígeno de cortar es un poco más alto que
para los aceros al carbono.
Equipo para corte con fundente
PARA EMPLEAR EL proceso de fundente se requiere una unidad
de alimentación del fundente. El oxígeno de cortar pasa a través de
la unidad de alimentación y transporta el fundente al soplete. El
fundente está en un surtidor diseñado para operar a las presiones
normales del oxígeno de corte, y de ahí es transportado a través
de una manguera a un soplete de corte convencional de tres
mangueras. Una mezcla de oxígeno y fundente sale por el
orificio del oxígeno de cortar en la punta del soplete. Se siguen
procedimientosde operación especiales para evitar la acumulación de fundente en la manguera del oxígeno de cortar y en el
soplete.
CORTE CON LANZA DE OXíGENO
DEFINICIÓN Y DESCRIPCIÓN
EL CORTE CON lanza de oxígeno (LOC) es un proceso de corte
con oxígeno que utiliza oxígeno suministrado a través de un tubo
o lanza consumible de acero. El precalentamientonecesario para
iniciar el corte se logra de manera distinta.
La primera versión de LOC empleaba un tubo simple de
hierro negro como lanza, a través de la cual fluía el oxígeno. Se
usaba un soplete de gas oxicombustible de corte o de soldadura
para calentar el extremo de corte de la lanza hasta un color rojo
cereza, momento en el cual se iniciaba el flujo de oxígeno. El
tubo de hierro arde con una reacción exotérmica autosostenida,
y el soplete de calentamiento se retira. Cuando el extremo
ardiente de la lanza se acerca a la pieza de trabajo, ésta se funde
por el calor de la flama.
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La operación de la lanza de oxígeno se muestra de manera
esquemática en la figura 14.25.
Una versión mejorada de la lanza lleva una serie de alambres
de acero de bajo carbono empacada en el tubo de acero. Esto
aumenta la vida de corte y la capacidad de la lanza. Los tubos
comerciales suelen tener una longitud de 3.2 in (10 1/2 ft) y un
diámetro de 16 mm (0.625 pulg).
El LOC puede servir para horadar casi cualquier material. Se
le ha utilizado con éxito en aluminio, hierro colado, acero y
concreto reforzado.
En la figura 14.26 se muestra la perforación con lanza de oxígeno de un rodillo de hierro colado de 1 m (40 pulg) de diámetro
empleado en una fábrica de papel. El oxígeno de cortar se
alimentó a 80-120 psi (550-870 Wa). Los agujeros horadados en
el rodillo se muestran en la figura 14.27. La ménsula de ángulo
Not for Resale
CORTE CON OXiGENO
TUBO DE ACERO
CONSUMIBLE
479
'PIEZA DE TRABAJO
VÁLVULA DE
ABRAZADERA
Figura 14.25-Diagrama esquemático del corte con
lanza de oxígeno
variable que se aprecia en la figura 14.27 resultó Útil para guiar
la lanza.
Se puede hacer un agujero de 64 mm (2 1/2pulg) de diámetro
en 600 mm (24 pulg) de concreto reforzado a una velocidad de
aproximadamente 100 mm/min (4 pulg/min). Esta operación
gastaría cerca de 1.7 m3(60 ft3) de oxígeno.
El proceso se ha utilizado para abrir agujeros de espita en
hornos y para eliminar material solidificado de recipientes,
Figura 14.27-Agujeros horadados en un rodillo de
hierro colado empleando una lanza de oxigeno
cucharones y moldes. Puede servir para cortar tabiques refractarios, mortero y escoria.
El proceso de LOC se puede usar bajo el agua. Es preciso
encender la lanza antes de meterla al agua, pero de ahí en
adelante el proceso se realiza prácticamente igual que en el aire.
El violento burbujeo que se produce restringe la visibilidad.
LANZA DE OXíGENO INICIADA POR ARCO
Figura 14.26-Corte de un rodillo de hierro colado de
1 m (40 pulg) de diámetro por horadación de múltiples
aauieros con una lanza de oxíaeno
UNAVARIACIÓN DEL proceso de lanza de oxígeno emplea un
arco para iniciar la reacción entre el hierro y el oxígeno. Este
equipo usa tubos con una longitud típica de 45 cm (18 pulg) y
diámetros de 6.4 o 9.5 mm (0.25 o 0.375 pulg). Se puede utilizar
un acumulador de 12 volts coino fuente de potencia, con el tubo
de corte conectado a una terminal y una placa de encendido de
cobre conectada a la otra. Para iniciar la operación de quemado,
el operador abre el flujo de oxigeno y pasa el tubo de acero por
la placa de cobre con un ángulo de 45". Las chispas en la placa
de cobre encienden el tubo. Una vez que el tubo comienza a
arder, puede usarse para cortar, horadar o biselar acero. También
puede servir para quitar clavos, remaches y pernos.
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480
CORTE CON OXíGENO
PRÁCTICAS SEGURAS
(1) Goggles entintados o protectores faciales con lentes de
filtro; los lentes de filtro recomendados para ias diversas operaciones de corte son:
(a) Corte ligero, hasta 25 mm (1 pulg) - sombreado
3 o 4.
(b) Corte mediano, 25 a 150 mm (1 a 6 pulg) sombreado 4 o 5.
(c) Corte pesado, más de 150 mm (6 pulg) - sombreado506.
(2) Guantes resistentes al fuego.
(3) Anteojos de seguridad.
(4) Chaquetas, batas, capuchones, delantales, etc. resistentes al fuego:
(a) De preferencia ropa de lana, no algodón ni materiales sintéticos.
(b) Mangas, cuellos y bolsillos siempre abotonados.
(c) Eliminar los puños.
(5) Cascos protectores.
(6) Polainas.
(7) Zapatos de seguridad.
(8) Equipo protector para extinguir flamas.
(9) Equipo de respiración complementario.
(10) Otro equipo de seguridad.
LISTA DE LECTURAS COMPLEMENTARIAS
Broco, Inc. “Underwater cutting process surfaces for new application”, en Welding Journal 68(6): julio de 1989.
Canonico, D. A. “Depth of heat-affected zone in thick pressure
vessel plate due to flame cutting (technical note)”, en Welding
Journal 47(9): 410s-419s; septiembre de 1968.
Couch, M. F. “Economic evaluation of fuel gases for oxyfuel gas
cutting in steel fabrication”, en Welding journal 46 (10):
825-832; octubre de 1967.
Fay, R. H. “Heat transfer from fuel gas flames”, en Welding
Journal 46(8): 380s-383s; agosto de 1967.
Hembree, J. D., Belfit, R. W., Reeves, H. A. y Baughman, J. P.
“A new fuel gas - stabilized methylacetylene-propadiene”,en
WeldingJournal 42(5): 395-404; mayo de 1963.
Ho, N. J., Lawrence, F. V. Jr. y Altstetter. “The fatigue resistance
of plasma and oxygen cut steel”, en WeldingJournal 60( 11):
23 ls-236s; noviembre de 198 1.
Jolly, W. D. et al. “Control factors for automation of oxyfuel gas
cutting”, en Welding Journal 64(7): 19-25;julio de 1985.
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Kandel, C. “Underwatercutting and welding”, en WeldingJournal 25(3): 209-212; marzo de 1946.
Khuong-Huu, D., White, S . S. y Adams, C. M., Jr. “Combustion
of liquid hydrocarbon fuels for oxygen cutting”, en Welding
Journal 37(3): 101s-106s; marzo de 1958.
Manhart, D. C. “CIM oxyfuel gas cutting”, en Welding Journal
66( 1): 33; enero de 1987.
Moss, C. E. y Murray, W. E. “Gas welding, torch brazing, and
oxygem cutting”, en WeldingJournal 58(9): 37-46; septiembre de 1979.
Phelps, H. C. “Iron powder/oxypropane cutting of stainless
steel”, en Welding Journal 56(4): 38-39; abril de 1977.
Slottman, G. V., y Roper, E. H. Oxygen cutting. Nueva York,
McGraw-Hill, 1951.
Worthhgton, J. C. “Analytical study of natural-gas oxygen
cutting, theory and application”, en Welding Journal 39(3):
229-235; marzo de 1960.
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LAS PRÁCTICAS SEGURAS para la instalación y operación de
sistemas de gas oxicombustible para soldar y cortar se dan en la
Norma Nacional Americana 249. I, en su edición más reciente.
La persona que opere el equipo deberá seguir siempre estas
prácticas y las recomendadas por el fabricante del equipo.
Los vapores y humos son un posible peligro para la salud.
Cuando se utiliza el proceso en un área cerrada o semicerrada,
es preciso proveer ventilación para las emisiones, y el operador
deberá usar un respirador. En algunas circunstancias el ruido de
ia operación puede exceder los niveles seguros. Si es preciso, el
operador deberá contar con protección para los oídos. El fuego
es un posible peligro y los materiales combustibles deberán
retirarse del área de corte una distancia de por io menos 11 m
(35 ft).
La vestimenta y equipo de protección apropiados para cualquier operación de corte varían con la naturaleza y la ubicación
del trabajo a realizar. Es posible que se requieran una o más de
las siguientes precauciones:
PREPARADO POR UN
COMITE INTEGRADO POR:
D. O’Hara, copresidente
Thermal Dynamics
CORTE
YACANALADO
CON ARCO
482
Corte con arco de plasma
482
Corte con arco de carbono y aire
489
Otros procesos de corte con arco
496
Lista de lecturas complementarias
499
D.G . Anderson
L-Tec
R.P. Sullivan
L-Tec
P. I. Temple
Detroit Edison
MIEMBRO DEL COMITÉ DEL
MANUAL DE SOLDADURA:
P. I. Temple
Detroit Edison
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Introducción
L. R. Soisson, copresidente
Welding Consultants, inc.
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CORTE
YACANALADO
CON ARCO
INTRODUCCIÓN
EL CORTE CON arco (AC) abarca un grupo de procesos térmicos
de corte que separan o eliminan metal demtiéndolo con el calor
de un arco entre un electrodo y la pieza de trabajo.
El acanalado térmico (también llamado "biselado") es una
variación del proceso de corte térmico que elimina metal mediante la fusión o combustión de toda la porción eliminada,
formando un bisel o un surco.
Esta definición abarca varios procesos que se utilizan o han
sido utilizados para cortar o acanalar metales. Incluye:
PAC
Corte con arco de plasma
Corte con arco de carbono y aire
CAC-A
Corte con arco de metal protegido SMAC
Corte con arco de metal y gas
GMAC
Corte con arco de tungsteno y gas
GTAC
Corte con arco de oxígeno
AOC
Corte con arco de carbono
CAC
Cada uno de estos procesos ofrece al usuario ciertas ventajas y
desventajas. Para seleccionar un proceso, hay que tener en
cuenta los costos relacionados con el volumen de corte, el equipo
requerido y la capacitación que debe tener el operador. El corte
con arco de plasma y el corte con arco de carbono y aire se tratan
por separado en este capítulo en virtud de lo amplio de su aplicación; los demás se analizan en la sección final del capítulo.
CORTE CON ARCO DE PLASMA
DESCRIPCIÓN
EL PROCESO DE corte con arco de plasma (plusnza arc cutting,
PAC) separa metal empleando un arco constreñido para fundir
un área localizada de la pieza de trabajo, que al mismo tiempo
elimine el material derretido con un chorro de alta velocidad de
gas ionizado que sale por el orificio de constricción. El gas
ionizado es un plasma, de ahí el nombre del proceso. Los arcos
de plasma por lo regular operan a temperaturas de 10 000" a
14 000°C (18 OOO" a 25 000°F).
El PAC se inventó a mediados de la década de 1950 y alcanzó
éxito comercial poco después de su introducción en la industria.
La capacidad del proceso de cortar cualquier material conductor de la electricidad lo hizo especialmenteatractivo para el corte
de metales no ferrosos que no podían cortarse usando el proceso de corte con gas oxicombustible(OFC). En un principio se le
utilizó para cortar acero inoxidable y aluminio, pero al irse
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desarrollandoel proceso se vio que presentaba ventajas respecto
a otros procesos de corte para cortar acero al carbono además de
metales no ferrosos. Estas ventajas se resumen a continuación.
En comparación con los procesos de corte mecánicos, la
cantidad de fuerza requerida para sostener la pieza de trabajo en
su lugar y desplazar el soplete (o viceversa) es muy inferior
en el caso del proceso de corte con arco de plasma, que no hace
contacto. En comparación con el OFC, el proceso de corte con
plasma opera en un nivel energético muy superior, lo que permite mayores velocidades de corte. Además de su velocidad, el
PAC tiene la ventaja de iniciarse inmediatamente, sin necesidad
de precalentamiento.El inicio instantáneo resulta especialmente
ventajoso en aplicaciones que implican interrupción del corte,
como en la separación de mallas.
El PAC adolece de notables limitaciones. En comparación
con la mayor parte de los métodos de corte mecánicos, presenta
peligros como son incendio, choque eléctrico, luz intensa, humo
Not for Resale
CORTE Y ACANALADO CON ARCO
y gases, y niveles de ruido que probablementeno estén presentes
en los procesos mecánicos. Además, es difícil controlar el PAC
con tanta precisión como algunos procesos mecánicos, para
trabajos con tolerancias estrechas. En comparación con el OFC,
el equipo de PAC tiende a ser más costoso, requiere cantidades
bastante grandes de energía eléctrica y presenta peligros de
choque eléctrico.
Un plasma de arco es un gas que ha sido calentado por un
arco hasta alcanzar un estado de por lo menos ionización parcial,
lo que le permite conducir una comente eléctrica. En cualquier
arco eléctrico existe un plasma, pero el término arco de plasma
se aplica a sopletes que utilizanun arco constreñido. La principal
característica que distingue a los sopletes de arco de plasma de
otros sopletes de arco es que, para una comente y tasa de flujo
de gas dadas, el voltaje del arco es más alto en el soplete de arco
constreñido.
El arco se constriñe haciéndolo pasar por un orificio situado
comente abajo del electrodo. La terminología básica y la disposición de los componentes de un soplete de corte con plasma se
muestran en la figura 15.1. Cuando el gas de plasma atraviesa el
arco, se calienta rápidamente hasta una temperatura elevada, se
expande y se acelera al pasar por el orificio de constricción hacia
la pieza de trabajo. La intensidad y la velocidad del plasma
dependen de cierto número de variables, entre las que están el
tipo de gas, su presión, el patrón de flujo, la comente eléctrica,
el tamaño y la forma del orificio y la distancia respecto a la pieza
de trabajo.
En la figura 15.2 se muestra un circuito de PAC. El proceso
trabaja con comente continua, de polaridad recta. El orificio dirige el chorro de plasma sobrecalentadodesde el electrodo hasta
la pieza de trabajo. Cuando el arco funde la pieza de trabajo, el
chorro de alta velocidad expulsa el metal derretido para formar
el corte. El arco de corte se conecta o “transfiere” a la pieza de
trabajo, por lo que se conoce como arco transferido.
Entre los gases que se usan para el corte con arco de plasma
están el nitrógeno, argón, aire, oxígeno y mezclas de nitrógenohdrógeno y argódhidrógeno.
ELECTRODO
0 ,GAS DEL ORIFICIO
h
BOQUILLA DE
CONSTRICCIÓN
1
LONGITUD DE LA
GARGANTA DEL
DEL ELECTRODO
CONSTRICTOR
483
-
1
GENERADOR
DE ALTA
FRECUENCIA
FUENTE
DE
POTENCIA
ELECTRODO
BOQUILLA
CONSTRICTORA
t
~~
Figura 15.2-Circuitos básicos para corte con arco de
plasma
Existen sopletes de PAC para diversos intervalos de comente, generalmente clasificados como de baja potencia [los que
operan a 30 amperes (A) o menos], de nivel medio de potencia
[30-100(A)] y alta potencia [100-1000 (A)]. Cada nivel de
potencia es apropiado para ciertas aplicaciones, utilizándose los
sistemas más potentes para el corte de metales más gruesos a
velocidades altas.
Para iniciar el arco de corte se emplea uno de dos métodos:
el arranque con arco piloto o el arranque por retracción del
electrodo (punta).
Un arco piloto es un arco entre el electrodo y la punta del
soplete. Este arco en ocasiones recibe el nombre de arco no
transferido porque no se transfiere o conecta a la pieza de trabajo, como lo hace el arco transferido. El arco piloto provee una
vía conductora de la electricidad entre el electrodo del soplete y
la pieza de trabajo para que pueda iniciarse el arco de corte
principal.
La técnica de inicio con arco piloto más común consiste en
hacer saltar una chispa de alta frecuencia entre el electrodo y la
punta del soplete; el arco piloto se establece en el trayecto ionizado resultante. Cuando el soplete se acerca lo suficiente a la
pieza de trabajo como para que la pluma o flama del arco piloto la toque, se establece un trayecto conductor de la electricidad
entre el electrodo y la pieza de trabajo. El arco de corte seguirá
este camino hasta la pieza de trabajo.
Los sopletes de arranque por retracción tienen una punta o
electrodo móvil de modo que la punta y el electrodo puedan estar
momentáneamenteen cortocircuito y luego separarse o “retraerse” para establecer el arco de corte.
EQUIPO
Sopletes
Figura
15.1-Terminología deplos sopletes de arco de
plasma
EL PROCESO DE corte con plasma emplea un soplete de mano o
uno montado mecánicamente. Hay varios tipos y tamaños de
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484
CORTE Y ACANALADO CON ARCO
ambos, dependiendo del espesor del metal que se va a cortar.
Algunos sopletes pueden arrastrarse en contacto directo con
la pieza de trabajo, mientras que otros requieren que se
mantenga una separación entre la punta del soplete y la pieza
de trabajo.
Los sopletes mecanizados pueden montarse ya sea en un
tractor o en una máquina de corte controlada por computadora
o robot. Por lo regular, se mantiene una separación entre la punta
del soplete y la pieza de trabajo para obtener cortes de calidad
óptima. La distancia de separación debe mantenerse dentro de
tolerancias bastante estrechas para lograr resultados uniformes.
Algunos sopletes mecanizados están equipados con un dispositivo de control automático de la separación para mantener una
distancia fija entre el soplete y la pieza de trabajo. En otros casos
se emplean seguidores mecánicos para este fin.
Los sopletes de PAC trabajan a temperaturas extremadamente altas, y muchas de sus partes deben considerarse como consumibles. La punta y el electrodo son las más vulnerables al
desgaste durante el corte, y el rendimiento casi siempre se deteriora conforme se van desgastando. El reemplazo oportuno de
los componentes consumibles es indispensable para obtener
cortes de buena calidad.
Los sopletes de plasma modernos tienen componentes consumibles con autoalineación y autoajuste. En tanto se armen
siguiendo las instrucciones del fabricante, los sopletes no deberán requerir ajustes posteriores para que trabajen correctamente.
Otros componentes del soplete, como los escudos de copa,
aislantes, sellos, etc., pueden requerir inspección periódica,
reemplazándose si acusan desgaste o daños. Una vez más, se
recomienda seguir las instrucciones del fabricante.
Fuentes de potencia
EL PAC REQUIERE una fuente de potencia de corriente continua,
de relativamente alto voltaje, con una característicavolt-ampere
de comente constante o de caída. Para que el arco se inicie siempre de manera satisfactoria, el voltaje de circuito abierto de la
fuente de potencia generalmente es casi el doble del voltaje de
operación del soplete. Los voltajes de operación van desde 50 o
60 volts (V) hasta más de 200 volts (VI, por lo que las fuentes
de potencia para PAC tendrán voltajes de circuito abierto entre
unos 150 y más de 400 volts.
Existen varios tipos de fuentes de potencia para PAC, siendo
los más simples los de salida fija que consisten en un transformador y un rectificador. El transformador de uno de estos
dispositivos se devana con una característica de "caída", de
modo qJe el voltaje de salida caiga conforme aumente la comente de corte.
En algunos casos, una sola fuente de potencia puede suministrar varias salidas gracias a un sistema de conmutación, el cual
permite seleccionar una de las derivaciones provistas en el transformador o reactor de la fuente de potencia.
También hay fuentes de potencia de salida variable. Las
unidades más ampliamente utilizadas cuentan con un reactor
saturable y un circuito de retroalimentación de corriente que
permite estabilizar la salida en el nivel de corriente deseado.
Las fuentes de potencia para corte con plasma ofrecen otros
tipos de controles, incluido el control de fase electrónico y
diversos tipos de fuentes de potencia de "modo conmutado", las
cuales emplean semiconductoresde alta velocidad y alta comen-
te para controlar la salida. Pueden regular la salida de una fuente
de potencia estándar de cc o bien incorporarse en una fuente de
potencia tipo inversor. Al aparecer en el mercado nuevos tipos
de semiconductores,es de esperar que surjan versiones mejoradas de este tipo de fuentes de potencia. Las fuentes de modo
conmutado tienen la ventaja de ser más eficientes y menos
voluminosas, y resultan atractivas para aplicaciones en las que
la transportabilidad y la eficiencia son consideraciones importantes.
Controles de corte
LOS CONTROLES DE PAC son relativamente simples. La mayor
parte de los sopletes manuales se controla mediante un interruptor de gatillo, el cual se oprime para iniciar el arco de corte y se
suelta para suspender el corte.
En el caso del corte mecanizado, el encendido y apagado del
arco de corte pueden efectuarse manualmente con un botón
pulsador o automáticamente mediante los controles de movimiento del sistema. Los controles de corte también pueden hacer
que la operación completa siga una secuencia que incluya vanaciones en el flujo de gas y en el nivel de potencia si es necesario.
Los sistemas de PAC normalmente incluyen vanas trabas
automáticas. Si el soplete de PAC se opera sin un suministro
adecuado de gas, puede dañarse por la formación de arcos
internos. Por esta razón, el circuito casi siempre incluye un
interruptor de presión de gas para asegurar que exista una presión
de gas adecuada antes de que el soplete pueda operar. Esta traba
también apagará el soplete en caso de interrumpirse la alimentación de gas durante el corte.
Los sopletes de alta comente están enfriados por líquido, y
en este caso el sistema de refrigeración cuenta con una traba
adicional que impide la operación del soplete cuando no hay
flujo de refrigerante, y que desconecta la fuente de potencia para
evitar daños si el flujo de refrigerante se interrumpe durante la
operación.
Equipo de desplazamiento
EXISTEN
MUY DIVERSOS equipos de desplazamiento para utilizarse con sopletes de corte con plasma. Estos van desde tractores
en línea recta hasta máquinas controladas numéricamente o
directamente por computadora con capacidades de anidamiento
de componentes, etc. El equipo de corte con plasma también
puede adaptarse a accionadores robóticos para cortar objetos
distintos de las placas planas.
Controles ambientales
ELPROCESO DE corte con plasma es por su naturaleza ruidoso y
genera emisiones. Existen vanos dispositivos y técnicas diferentes para controlar y contener estos peligros. Una estrategia que
se usa comúnmente para reducir el ruido y las emisiones es cortar
sobre una mesa de agua y rodear el arco con un capuchón de
agua. Este método requiere una mesa de corte llena con agua
hasta la superficie de apoyo del trabajo, un aditamento de
capuchón de agua que rodee al soplete y una bomba recirculante para extraer agua de la mesa de agua y bombearla a través del
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CORTE Y ACANALADO CON ARCO
capuchón. En este caso se emplea un flujo de agua relativamente
alto (55 a 75 L/min [15 a 20 gpm]).
Otro método que se usa mucho es el corte con plasma subacuático. Con este método, el extremo funcional del soplete y la
placa que se va a cortar se sumergen bajo aproximadamente 75
mm (3 pulg) de agua. Cuando el soplete está bajo el agua pero
no está cortando, se mantiene a través de é1 un flujo constante
de aire comprimido para impedir que entre el agua.
Los requisitos de diseño primarios para las mesas de agua son
una robustez adecuada para sostener el trabajo, suficiente capacidad de chatarra para contener los desechos o escoria que resulten del corte, un procedimiento para retirar la escoria y un
mecanismo para mantener el nivel del agua en contacto con el
trabajo. Cuando la mesa se utiliza para el corte subacuático, es
necesario contar con un mecanismo para elevar y bajar rápidamente el nivel del agua. Esto puede lograrse bombeando el agua
entre la mesa y un tanque de retención, o desplazándolacon aire
de un recipiente situado bajo la superficie del agua.
Las mesas para el corte con plasma mecanizado o manual
suelen estar equipadas con un sistema de escape de tiro descendente, en algunos casos con salida al exterior, aunque es posible
que se requieran dispositivos de eliminacióno filtrado de humos
para cumplir con las disposiciones de control de ia contaminación atmosférica.
APLICACIONES
LAPRIMERA APLICACIÓN comercial del corte con arco de plasma
fue el corte mecanizado de escotillas de acceso en carros tanque
de aluminio para ferrocarril. Desde entonces el proceso se ha
utilizado en diversas aplicaciones con aluminio. La tabla 15.1
muestra las condiciones típicas para el corte mecanizado de
placas de aluminio.
Las condiciones típicas para el corte mecanizado de placas
de acero inoxidable se muestran en la tabla 15.2.
Ei corte manual con arco de plasma se utiliza ampliamente
en la reparación de carrocerías de automóvil para cortar acero
de baja aleación de alta resistencia (HSLA). Ei arranque instantáneo y las altas velocidades de recorrido reducen la transferencia de calor al acero HSLA y ayudan a mantener su resistencia.
La aplicación principal del corte mecanizado con arco de
plasma de acero al carbono es con espesores de hasta 13 mm (1/2
pulg). Lo alto del costo del equipo de arco de plasma en comparación con el equipo de OFC se puede justificar por ia rapidez
de corte. Las condiciones para el corte mecanizado con arco de
plasma de placas de acero al carbono se dan en la tabla 15.3.
El proceso de plasma ha sido utilizado para el corte en pila
de acero ai carboiio, acero inoxidable y aluminio. De preferencia, ias placas que se van a cortar en pila se deben sujetar con
~
~~
Tabla 15.1
Condiciones típicas para cortar aleaciones de aluminio con arco de plasma
~~
Espesor
pulg
mrn
1/4
112
1
2
3
4
6
Diárn. orificio'
mrn
PUk3.2
118
3.2
1I8
4.0
5/32
4.0
5/32
4.8
3/16
4.8
3/16
6.4
1/4
Velocidad
pulg/rnin
mmls
300
127
86
200
38
90
20
9
6
15
12
5
8
3
6
13
25
51
76
102
152
~
~
Corriente
(ccen), A
Potencia kW
300
250
400
400
450
450
750
60
50
80
80
90
90
170
'Las tasas de flujo de gas del plasmavariancon el diámetro del orificio con el gas usado desde unos 47 umin (100
ít3/h) para un orificio de 3.2 mm (l/8 pulg) hasta unos 120 Umin (250 ftY/h) para un orificio de 6.4 rnm (1/4 pulg). Los
gases empleados son nitrógeno y argón con adiciones de hidrógeno desde O hasta 35%. Se recomiendaconsultar al
fabricante del equipo para cada aplicación.
~~~
~
~~
~
Tabla 15.2
Condiciones típicas para cortar aceros inoxidables con arco de plasma
~ Espesor_
pulg
114
112
1
2
3
4
mrn
6
13
25
51
76
102
Velocidad
mm/s
pulg/rnin
200
86
1 O0
42
50
21
20
9
16
7
8
3
_
Diarn. orificio'
mrn
pulg
118
3.2
118
3.2
5/32
4.0
3/16
4.8
3/16
4.8
3/16
4.8
Corriente
íccen), A
300
300
400
500
500
500
Potencia kW
60
60
80
1O0
1O0
1O0
'Las tasas de flujo de gas del plasma varían con el diámetro del orificio y con el gas usado desde unos 47 Umin (100
ft3/h)para un orificio de 3.2 mm (1/8 pulg) hasta unos 94 umin (200 ft3/h)para un orificio de 4.8 mm (3/16 pulg). Los
gases empleados son usualmente aire comprimido, nitrógeno con adiciones de hasta 10% de hidrógeno o nitrógeno
con oxígeno agregado corriente abajo del electrodo (flujo dual). Se recomiendaconsultar al fabricante del equipo para
cada aplicación.
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485
Not for Resale
486
CORTE Y ACANALADO CON ARCO
~
Tabla 15.3
Condiciones típicas para cortar acero al carbono con arco de plasma
Espesor
pulg
mm
6
114
112
13
1
25
2
51
Velocidad
pulglmin
mm/s
200
86
42
1O0
50
21
25
11
Diám. orificio'
pulg
mm
118
3.2
118
3.2
4.0
5/32
3/16
4.8
Corriente
(ccen), A
215
215
425
550
Potencia kW
55
55
85
110
'Las tasas de flujo de gas del plasma varían con el diámetro del orificio y con el gas usado desde unos 94 L/min (200
ft3/h) para un orificio de 3.2 mm (1/8 pulg) hasta unos 134 umin (300 fi3/h) para un orificio de 4.8 mm (3/16pulg). Los
gases empleados son usualmente aire comprimido, nitrógeno con adiciones de hasta 10%de hidrógeno o nitrógeno
con oxígeno agregado corriente abajo del electrodo (flujo dual). Se recomiendaconsultar al fabricante del equipo para
cada aplicación.
CALIDAD DEL CORTE
Los FACTOES QUE debemos considerar al evaluar la calidad de
un corte incluyen la tersura de la superficie, el ancho del corte,
el ángulo del corte, la adherencia de escoria y lo recto del borde superior. Estos factores son afectados por el tipo de material
que se corta, el equipo que se emplea y las condiciones de corte.
Los cortes con plasma en placas de hasta unos 75 mm (3 pulg)
de espesor pueden tener una tersura superficial muy similar a la
producida por el corte con gas oxicombustible. La superficie
prácticamente no se oxida cuando se emplea equipo mecanizado
provisto de inyección de agua o escudo de agua. En placas más
gruesas, las velocidades de recorrido lentas producen una superficie más áspera y manchada. En acero inoxidable muy grueso,
con espesores de 125 a 180 mm (5 a 7 pulg), el proceso de arco
de plasma tiene pocas ventajas con respecto al corte con gas
oxicombustible y polvo.
Los cortes con arco de plasma son entre 1 1/2 y 2 veces más
anchos que los cortes con gas oxicombustible en placas de hasta
50 mm (2 pulg) de espesor. Por ejemplo, el ancho de un corte
típico en acero inoxidable de 25 mm (1 pulg) es de aproximadamente 5 mm (3/16 pulg). EI ancho del corte aumenta con el
espesor de la placa. Un corte con plasma en acero inoxidable de
180 mm (7 pulg) realizado a aproximadamente 3 mm/s (4
pulg/min) tiene un ancho de 28 mm (1-1/8 pulg).
EI chorro de plasma tiende a eliminar más metal de la parte
superior del corte que de la parte inferior. Esto hace que los
cortes biselados sean más anchos arriba que abajo. Un ángulo
incluido representativo en un corte en acero de 25 mm (1 pulg)
es de 4 a 6 grados. Este biselado ocurre en un lado del corte
cuando se usa orificio de gas arremolinado. El ángulo de bisel
en ambos lados del corte tiende a aumentar cuando aumenta la
velocidad del corte.
La escoria es el material que se funde durante el corte y se
adhiere al borde inferior de la cara cortada. Con el equipo
mecanizado actual, es posible producir cortes libres de escoria
en aluminio y acero inoxidable de hasta 75 mm (3 pulg) de
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espesor y en acero al carbono de hasta aproximadamente 40 mm
(1-1/2 pulg) de espesor. En el caso del acero al carbono, la
selección de la velocidad y de la comente son factores más
críticos. En los materiales gruesos casi siempre se forma escoria.
El redondeo del borde superior aparece cuando se usa demasiada potencia para cortar una placa de un cierto espesor o
cuando la distancia de separación del soplete es excesiva. También puede presentarse al cortar a alta velocidad materiales de
menos de 6 mm (1/4 pulg) de espesor.
EFECTOS METALÚRGICOS
DURANTEEL PAC, el material en la superficie del corte se
calienta hasta su temperatura de fusión y sale despedido por la
fuerza del chorro de plasma. Esto produce una zona térmicamente afectada a lo largo de la superficie cortada, como sucede en
las operaciones de soldadura por fusión. El calor no sólo altera la estructura del metal en esta zona, sino que también introduce esfuerzos de tensión internos a causa de la rápida expansión, alteración y contracción del metal en la superficie cortada.
La profundidad a la que el calor del arco penetra en la pieza
de trabajo es inversamente proporcional a la velocidad de corte.
La zona térmicamente afectada en la cara cortada de un placa de
acero inoxidable de 25 mm (1 pulg) de espesor separada a 2 1
mm/s (50 pulglmin) tiene entre 0.08 y 0.13 mm (0.003 y 0.005
pulg) de profundidad. Esta medición se hizo mediante examen
microscópico de la estructura granular del borde cortado de una
placa.
Debido a las elevadas velocidades de corte en acero inoxidable y al efecto de templado de la placa base, la cara cortada pasa
por la temperatura crítica de 650°C (1200°F) con gran rapidez.
Por ello, prácticamente no hay oportunidad de que se precipite
carburo de cromo a lo largo de las fronteras de los granos, con
lo que se conserva la resistencia a la corrosión. Mediciones de
las propiedades magnéticas de acero inoxidable tipo 304 realizadas con el metal base y con muestras cortadas con arco de
plasma indican que la permeabilidad magnética no resulta afectada por el corte con arco.
EI examen metalográfico de cortes realizados en placas de
aluminio indica que las zonas térmicamente afectadas en este
metal son más profundas que en placas de acero inoxidable del
mismo espesor. Esto se debe a la mayor conductividad térmica
del aluminio. Estudios de microdureza indican que el efecto del
Not for Resale
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abrazaderas, pero el PAC puede tolerar huecos más anchos entre
las placas que el OFC.
El biselado de los bordes de placas y tubos se realiza empleando técnicas similares a las de OFC. Se usan de uno a tres sopletes
de PAC dependiendo de la preparación que requiera la unión.
CORTE Y ACANALADO CON ARCO
487
calor penetra unos 5 mm (3/16 pulg) en una placa de 25 mm (1 plasma puede servir para acanalar siempre que la curva de salida
pulg) de espesor. Las aleaciones de aluminio de las series 2000 volt-ampere de la fuente de potencia sea lo bastante pronunciada
y 7000, que se endurecen con la edad, son sensibles a las grietas y el voltaje lo bastante alto como para sostener el arco largo que
en las superficies cortadas. Al parecer, las grietas aparecen se emplea para el acanalado con plasma.
cuando una película eutéctica en las fronteras de los granos se
El soplete lleva una punta de acanalado diseñada para produfunde y separa bajo la tensión. Puede ser necesario maquinar los cir un arco más suave y amplio, y un chorro con la velocidad
bordes que no se van a soldar, a fin de eliminar las grietas.
apropiada. El soplete empleado es idéntico al de corte con plasHabrá endurecimiento en la zona térmicamente afectada de ma y puede tener uno o dos flujos de gas y enfriamiento con aire
un corte con arco de plasma en acero de alto carbono si la tasa o agua.
de enfriamiento es muy alta. El grado de endurecimiento puede
reducirse si se precalienta la pieza de trabajo para reducir la tasa Gases
de enfriamiento en la cara del corte.
Pueden presentarse diversos efectos metalúrgicos cuando se EL GAS DE plasma recomendado para acanalar es el argón con
cortan piezas largas, angostas o ahusadas, o esquinas exteriores. 35-40%de hidrógeno. El gas puede surtirse de cilindros o prepaEl calor generado durante un corte precedente puede alcanzar al rarse con un dispositivomezclador de gases. Se puede usar helio
en vez de la mezcla argón-hidrógeno, pero el canal resultante
corte siguiente, afectando adversamente su calidad.
será más somero. El gas secundario o de enfriamiento, si se
utiliza, es argón, nitrógeno o aire. La selección se basa en la
ACANALADO CON ARCO DE PLASMA
brillantez del canal deseado, la generación de emisiones y el
costo.
Descripción del proceso
En ocasiones se emplea aire como gas de plasma en sistemas
EL ACANALADO CON arco de plasma es una adaptación del que operan con aire, pero en general su uso está limitado al
proceso de corte con arco de plasma. Para el acanalado se redu- acanalado de acero al carbono. La mayor parte de los sistemas
ce la constricción del arco, lo que hace disminuir la velocidad de corte manual con aire están limitados a salidas de 100 A y
del chorro en el arco. La temperatura del arco y la velocidad del esto restringe el tamaño y la velocidad del acanalado con plasma.
chorro de gas hacen que se €unda y expela metal en forma similar
a como sucede en otros procesos de acanalado. Una diferencia Procedimiento de operación
importante con respecto a otros procesos de acanalado es que el
el acanalado con plasma es en esencia idéntica
surco queda brillante y limpio, sobre todo en materiales no LATÉCNICAPARA
a
la
de
otros
métodos
de acanalado. El soplete se inclina a
ferrosos como el aluminio y el acero inoxidable. Prácticamente
no se requiere limpieza posterior antes de soldar una superficie aproximadamente30 grados respecto a la horizontal. La profunacanalada con plasma. En la figura 15.3 se muestra una opera- didad del surco depende de la velocidad de recorrido. Es imporción de acanalado con arco de plasma en una placa de acero tante no intentar la eliminación de demasiado metal en una sola
pasada.
inoxidable.
Equipo
Aplicaciones
ELEQUIPO BASICO para el acanalado con plasma es el mismo que
para el corte con plasma. Casi cualquier equipo de corte con
ELACANALADO
CON plasma se puede usar en todos los metales,
pero resulta especialmente eficaz en aluminio o acero inoxidable, donde los surcos producidos quedan limpios y carentes de
contaminación con carbono.
SEGUR I DAD
LOS PELIGROS POTENCIALES del corte y acanalado con arco de
Figura 15.3-Acanalado de una placa de acero
inoxidable con arco de plasma
plasma son similares a los de la mayor parte de los procesos
de soldadura y corte con arco. Los riesgos obvios como incendio, quemaduras, etc., relacionados con la temperatura del arco
se analizan al final de esta sección. Aqui se hace hincapié en los
peligros menos obvios como son los choques eléctricos, la
generación de Rumos y gases, el ruido y la radiación.
El equipo no deberá operarse sin haber leído y entendido las
instrucciones del fabricante. Además, hay que tener en cuenta
otros peligros físicos potenciales como los que tienen su origen
en los sistemas de gas y agua a alta presión.
Algunas mezclas de gas de corte contienen hidrógeno. La
liberación inadvertida de tales gases puede causar explosiones
o incendios. No debe operarse el equipo si se sospecha que hay
fugas de gases. Se recomienda ponerse en contacto con el
fabricante si se tienen dudas acerca de la operación del equipo
con ciertos gases.
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488
CORTE Y ACANALADO CON ARCO
Existen vanos sistemas alternativos para la remoción de
humos durante el corte mecanizado. Uno consta de dos partes,
LOS VOLTAJES EMPLEADOS en el equipo de corte con plasma van una mesa de corte que mantiene un lecho de agua en contacto
de 150 a 400 V de comente continua. Los choques eléctricos con la superficie inferior de la pieza de trabajo, y una boquilla
pueden ser fatales. El equipo debe estar debidamente aterrizado anular que genera un capuchón de agua alrededor del arco.
y conectarse siguiendo las recomendaciones del fabricante.
Otro sistema emplea también un lecho de agua, pero en vez
Siempre deben estar disponibles primeros auxilios de emer- de mantener el agua al nivel de la superficie inferior de la pieza
gencia. Una respuesta rápida y capacitada a las emergencias de trabajo, ésta se encuentra totalmente sumergida en el agua.
puede reducir la gravedad de las heridas por choques eléctricos Este sistema se denomina corte subacuático y no requiere el
accidentales. Sólo debe permitirse a personal capacitado operar empleo de una boquilla para capuchón de agua. Sí es necesario
el equipo o darle mantenimiento. Además de las instrucciones bajar periódicamente el nivel del agua para cargar y descargar
del fabricante, pueden resultar útiles las siguientes normas:
la placa, colocar la placa y el soplete, etc. Como el operador no
puede ver la placa durante el corte con este sistema, está pensado
(1) ANSI C-2, el Código de Seguridad Eléctrica de los para usarse con mecanismos de control numérico.
Estados Unidos.
Existe la posibilidad de una detonación de hidrógeno debajo
(2) ANSI 249.1, seguridad al soldar y cortar.
de la pieza de trabajo cuando se cortan placas de aluminio o
(3) 29CFR1910, normas industriales generales OSHA y nor- magnesio en una mesa de agua. La causa real de tales detonama NFPA 51B, prevención de incendios al usar procesos de ciones no se conoce a ciencia cierta, pero se cree que se deben
corte y soldadura.
al hidrógeno liberado por la interacción del aluminio o magnesio
fundidos con el agua. El hidrógeno puede acumularse en huecos
A continuación se citan otros aspectos de seguridad:
debajo de la pieza de trabajo y encenderse cuando el arco de
corte pasa cerca del hueco. Antes de cortar aluminio o magne(1) Mantenga secos todos los circuitos eléctricos. La hume- si0 en una mesa de agua conviene ponerse en contacto con el
dad puede proveer un conducto inesperado para el flujo de co- fabricante del equipo para que describa las prácticas recomenmente. LOSgabinetes de equipo que contengan tuberias de agua dadas.
y de gas además de circuitos eléctricos deberán revisarse periódicamente para comprobar que no tengan fugas.
(2) Todas las conexiones eléctricas deberán mantenerse me- Ruido
cánicamente firmes. Las conexiones eléctricas deficientes pue- LACANTIDAD DE ruido generada por un soplete de PAC operado
den generar calor y provocar incendios.
al aire libre depende principalmente de la corriente de corte. Un
(3) Es recomendable el empleo de cables de alto voltaje. soplete que trabaja a 400 A por lo regular genera unos 100 dBA
Asegúrese de que los cables y alambres estén siempre en buen medidos a unos dos metros. A 750 A el nivel de ruido es de unos
estado. Consulte las instrucciones del fabricante para determinar 110 dBA. Gran parte del ruido está en el intervalo de frecuencias
los calibres apropiados para cables y alambres.
de 5000 a 20 O00 Hz. Estos niveles de ruido pueden dañar el oido
(4) No toque circuitos vivos. Mantenga cerradas las puertas humano, por lo que debe usarse protección para los oídos cuando
de acceso al equipo.
el nivel del ruido exceda los límites especificados. Estos valores
(5) El riesgo de un choque eléctrico probablemente sea má- pueden variar localmente y en Estados Unidos los especifica la
ximo cuando se reemplazan los componentes del soplete gasta- OSHA para la mayor parte de los entomos industriales.
dos. Los operadores deberán asegurarse de que la energia prinLa técnica de capuchón de agua descrita anteriormente se usa
cipal de las fuentes de potencia y la energia para los circuitos de con frecuencia para reducir el ruido en aplicaciones de corte
control estén desconectadas al reemplazar componentes del mecanizado. El agua actúa efectivamente como recinto absorsoplete.
bedor del ruido alrededor de la boquilla del soplete. El agua que
(6) Los operadores y el personal de mantenimiento deben está bajo la placa evita que el ruido pase por la abertura del corte.
estar conscientes de que el equipo de corte con arco de plasma, La reducción del ruido es nonnalmente de 20 dBA, y usualmente
por sus altos voltajes, representa un peligro mayor que el equipo basta para que la operación se mantenga dentro de los límites de
de soldadura convencional.
la OSHA.
La técnica de capuchón de agua no debe confundirse con la
de inyección de agua o la de escudo de agua, ya que ninguna de
Gases y humos
estas variaciones del proceso emplean suficiente agua para reducir significativamenteel ruido.
EL PACPRODUCE humos y gases que pueden dañar la salud. La
El PAC subacuático reduce el ruido aún más que el capuchón
composición y tasa de generación de humos y gases dependen de agua porque el extremo de la boquilla del soplete y el arco
de muchos factores, incluidos la corriente del arco, la veloci- están completamentesumergidos.
dad de corte, el material cortado y los gases empleados. Los
subproductos de humos y gases usualmente consisten en óxidos
del metal cortado, ozono y óxidos de nitrógeno.
Radiación
Es preciso sacar tales humos del área de trabajo o eliminarlos en su origen mediante un sistema de escape. Es posible EL ARCO DE plasma emite radiaciones intensas en los espectros
que los reglamentos exijan que el escape sea filtrado antes de visible e invisibles (ultravioleta e infrarrojo). Además dei peligro
potencial para los ojos y la piel, esta radiación puede producir
liberarse a la atmósfera.
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Eléctricos
CORTE Y ACANALADO CON ARCO
ozono, óxidos de nitrógeno u otros vapores tóxicos en la atmósfera circundante.
Es necesario usar protección para los ojos y la piel cuando es
inevitable la exposición a la radiación. La protección ocular
recomendada se muestra en la tabla 15.4.La probabilidad de
exponerse a la radiaciónpuede reducirse con el empleo de barreras mecánicas como paredes y cortinas de soldadura. El capuchón de agua también actúa como escudo que absorbe la luz,
sobre todo cuando se agrega un tinte al agua de la mesa. Si piensa
usar un tinte, póngase en contacto con el fabricante del equipo
para obtener informaciónsobre el tipo y concentración que debe
usar. Es aconsejable que el operador se proteja los ojos, aun
cuando se usen estos tintes, debido a la posibilidad de que el flujo
de agua en el capuchón se interrumpa inesperadamente.
489
Tabla 15.4
Protección oculx recomendada para el corte con arco
de plasma (Fuente: ANSI/AWS C5.2-83, prácticas
recomendadas para el corte con arco de dasmal
Corriente de corte en amperes
Numero de sombreado del lente
Hasta 300
9
300-400
400-800
12
14
El corte con plasma subacuático reduce la radiación debido
a la mayor profundidad del agua. Generalmente no se requiere
tinte adicional.
CORTE CON ARCO DE CARBONO Y AIRE
EL CORTE CON arco de carbono y aire (carbon arc cutting with
air, CAC-A) es una variación del proceso de corte con arco de
carbono que elimina metal fundido con un chorro de aire. En el
proceso de corte con arco de carbono y aire, el intenso calor del
arco entre un electrodo de carbón-grafito y la pieza de trabajo
derrite una porción de esta última. Al mismo tiempo, se hace
pasar por el arco un chorro de aire con velocidad y volumen
suficientes para que el material fundido salga despedido. Luego,
el metal sólido expuesto se funde por el calor del arco, y la
secuencia continúa. El proceso resulta útil para separar y
acanalar.
El corte con arco de carbono y aire no depende de la oxidación
para mantener el corte, por lo que puede cortar metales que no
se cortan con OFC. Se ha usado con éxito el proceso en acero al
carbono, acero inoxidable, muchas aleaciones de cobre y hierros
colados. La velocidad de fusión es función de la comente; la tasa
de eliminación del metal depende de la velocidad de fusión y de
la eficiencia del chorro de aire para remover el metal derretido.
El aire debe ser capaz de expulsar el metal fundido de la región
del arco antes de que pueda solidificarse de nuevo. El proceso
se muestra de manera esquemática en la figura 15.4.
El corte con arco de carbono y aire se desarrolló en la década
de 1940 como una extensión del corte con arco de carbono
(CAC). El CAC debe efectuarse con la pieza de trabajo en
PROYECCIÓN 7 pulg MÁX.
--
ELECTRODO
CABEZAS DEL SOPLETE (+)
CCEP EN CC
PELADO DEL COBRE
;
' 35" A 70"
SIEMPRE BAJO EL ELECTRODO
PIEZA DE TRABAJO (-i
Figura 15.4-Procedimientos de operación típicos para el acanalado con arco de carbono y aire
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490 C O R T E Y A C A N A L A D O C O N A R C O
posición vertical o por encima de la cabeza para que la gravedad
pueda quitar el metal fundido. La versión de CAC con aire
permite al operador eliminar metal en cualquier posición.
Los primeros intentos de lograr una versión de CAC con
soplo de aire requerían dos operadores. El primero sostenía un
soplete de CAC para derretir el metal y el segundo dirigía una
tobera conun chorro de aire hacia el metal fundido. Poco tiempo
después apareció un soplete en el que se combinaba el chorro de
aire con el portaelectrodos de carbono, como precursor de los
actuales sopletes de CAC-A mejorados. El primer soplete de
CAC-A comercial apareció en 1948.
EQUIPO Y CONSUMIBLES
EL PROCESO REQUIERE un portaelectrodos, electrodos de corte,
una fuente de potencia y un suministro de aire. Para el corte
mecanizado también es necesarioun control y un carro. La figura
15.5 muestra una disposición típica del equipo de CAC-A.
Sopletes de corte
L O S PORTAELECïRODOSDE CAC-A manuales son similares a los
portaelectrodosconvencionales de trabajo pesado para soldadura con arco de metal protegido, como se aprecia en la figura 15.6.
El electrodo está sujeto en una cabeza girable que contiene uno
o más orificios para aire, de modo que, sea cual sea el ángulo
que el electrodo adopte respecto al soplete de corte, el chorro de
aire permanecerá alineado con el electrodo. Se dispone de una
válvula para abrir y cerrar el aire. En la figura 15.7 se muestra
r-
un diagrama de sección longitudinal de un soplete de CAC-A
manual.
Hay sopletes cuyo tamaño va desde modelos de trabajo ligero
para granjas y talleres domésticos hasta modelos de trabajo superpesado para fundidoras. A continuación se da una guía para
la selección de sopletes:
Trabajo ligero. Se recomiendan para talleres pequeños,
granjas y operaciones de mantenimiento con suministro de aire
limitado. La comente máxima es de alrededor de 450 amperes
en cc.
Aplicación general. Estos sopletes son para trabajos generales en astilleros, talleres de fabricación y mantenimiento general. Están limitados a un máximo de loo0 amperes.
Trabajo pesado. Estos sopletes se destinan a trabajo general
en fundidoras, para desbastado de bases y corte de piezas, así
como para trabajos de alto amperaje en astilleros y talleres de
fabricación. Limitados a 1600 amperes con cables enfriados por
aire y 2000 amperes con cables enfriados por agua.
Mecanizados. Los portaelectrodosmecanizados se usan para la preparación de bordes y aplicaciones de alto volumen de
producción. Se emplean con carbonos articulados de 8 a 19mm
(5/16 a 3/4 pulg). En la figura 15.8 se muestra un equipo típico
de CAC-A automático.
AIRE COMPRIMIDO
CABLE DEL ELECTRODO
ELECTRODO DE CARBONO
CABLE CONCÉNTRICO
Figura 15.5-Equipo típico para acanalado con arco de carbono y aire
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CORTE Y ACANALADO CON ARCO
491
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-
Figura 15.6-Portaelectrodos típico de 400 amperes
Dara acanalado manual con arco de carbono y aire
Fiaura 15.8-Eaubo
. . de CAC-A automático típico
Controles. Hay tres tipos de controles para el CAC-A mecanizado. Todos los sistemas son capaces de producir surcos de
profundidad uniforme con una tolerancia de f 0.6 mm (0.025
pulg). Estas unidades se emplean cuando se desean acanaladuras
de alta calidad y alto volumen de producción, y son de los
siguientes tipos:
trónicos de estado sólido. Este tipo controla la longitud del arco
determinada por el voltaje prefijado, y puede usarse únicamente
con fuentes de potencia de corriente constante.
(3) Un sistema dual que puede ajustarse para control por
amperaje o control por voltaje mediante un interruptor selector
ubicado en el control.
(1) Un tipo controlado por amperaje que mantiene la corriente del arco mediante señales de amperaje a través de controles
de estado sólido. Este tipo de sistema controla la velocidad de
alimentación del electrodo manteniendo el amperaje prefijado,
y sólo puede alimentarse de fuentes de potencia de voltaje
constante.
(2) Un tipo controlado por voltaje que mantiene la longitud
del arco mediante señales de voltaje a través de controles elec-
IT A’SLANTES
r PALANCA
SON TRESLOS tipos de electrodos empleados en CAC-A: recubiertos de cobre para cc, simples para cc y recubiertos de cobre
para Ca. Su forma normalmente es redonda, aunque existen electrodos planos y semirredondospara producir surcos rectangulares.
Electrodos recubiertos de cobre para cc. Este tipo de
electrodo es el que más se usa debido a que tiene una vida relativamente larga, a lo estable de las características de su arco y a
lo uniforme del surco producido. Estos electrodos se fabrican
con una niezcla especial de carbón y grafito, con un aglutinante
adecuado. La mezcla se extruye
- y- homea para producir electrodos de grafito densos y homogéneos con baja resistencia eléctrica. En seguida, los electrodos se cubren con una capa de cobre
de espesor controlado. Estos electrodos se fabrican en diámetros
desde 3.2 hasta 19.1 mm (il8 a 3/4 pulg).
Existen electrodos articulados para trabajar sin desperdiciar
los extremos residuales. Cuentan con un enchufe hembra y una
espiga macho, y se fabrican en diámetros desde 8 hasta 25.4 mm
(5/16 a 1 pulg).
~~
AIRE COMPRIMIDO
Figura 15.7-Sección Bongitudinal esquemática de un
soplete de acanalado con arco de carbono y aire
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Electrodos
Electrodos simples para cc. De uso limitado, estos electrodos no tienen recubrimiento de cobre. Durante el corte, se
consumen con mayor rapidez que los electrodos cubiertos. LOS
electrodos simples se fabrican con diknetros desde 3.2 hasta
25.4 mm (1/8 a 1 pulg), pero los que más se usan son los de
&rimetros menores
9.5
(318 pulg).
Not for Resale
492 C O R T E Y
ACANALADO CON ARCO
acanalado, pero puede obtenerse un resultado de baja calidad si
la presión del aire se reduce por debajo del mínimo especificado
por el fabricante del soplete o si el volumen de aire está restringido por mangueras o conexiones de diámetro insuficiente.
Si bien puede haber ocasiones en que las acanaladuras o
cortes realizados sin suficiente aire no tienen tan mal aspecto,
pueden estar cargados con depósitos de escoria y carbono. Por
esta razón, es importante que la presión del aire sea cuando
Fuentes de potencia
menos la presión'mínima especificada para el tipo de soplete
CASITODAS LAS fuentes de potencia para soldadura estándar se empleado. El diámetro interior de todas las mangueras y conepueden usar para el proceso de corte con arco de carbono y aire. xiones debe ser suficiente para que el volumen debido de aire
El voltaje de circuito abierto deberá ser lo suficientemente llegue al portaelectrodos.
mayor que el voltaje de arco requerido para compensar la caída
Para portaelectrodos de trabajo ligero son suficientes mande voltaje en el circuito. Los voltajes de arco empleados en el gueras y conexiones con un diámetro interior de 6.4 mm (1/4
corte y acanalado con arco de carbono y aire van desde 35 hasta pulg), pero se requiere un diámetro mínimo de 9.5 mm (3/8 pulg)
55 V, por lo que se requiere un voltaje de circuito abierto de por para los portaelectrodosde aplicación general y de trabajo pesalo menos 60 V. El voltaje de arco real en el corte y acanalado do. Los portaelectrodos para acanalado automático deben equicon arco de carbono y aire depende en gran medida del tamaño parse conmangueras y conexiones cuyo diámetro interior sea de
del electrodo y de la aplicación. Las fuentes de potencia reco- cuando menos 12.7 mm (1/2 pulg).
mendadas se presentan en la tabla 15.5.
Se recomienda consultar con el fabricante de la fuente de APLICACIONES
potencia en lo tocante a su empleo para CAC-A, ya que algunos
tipos de fuentes que resultan satisfactorias para soldadura no EL PROCESO DE corte con arco de carbono y aire puede usarse
para separar y acanalar aceros al carbono, de baja aleación e
sirven para CAC-A.
Los conductores eléctricos del circuito de corte deben ser inoxidables; hierro colado; y aleaciones de aluminio, magnesio,
cables de soldadura estándar recomendados para la soldadura cobre y niquel. El acanalado puede servir para preparar los borcon arco. La comente de corte máxima que se utilizará determi- des de placas y tubos para soldarlos. Se pueden colocar dos
bordes en contacto frontal y acanalar un surco en U a lo largo de
na el calibre de los cables.
la unión, como se muestra en la figura 15.9. También puede acanalarse la raiz de una soldadura hasta llegar a metal bueno antes
Suministro de aire
de completar la soldadura por el segundo lado. De manera
NORMALMENTE
SE REQUIERE aire comprimido con una presión
similar, puede quitarse mediante acanalado el metal de una
entre 80 y 100 psi (560 a 700 Wa) para el acanalado con arco de soldadura defectuosa para repararla. Otra aplicación es la elimicarbono y aire. Los portaelectrodos de trabajo ligero permiten nación de material de recubrimiento viejo antes de volver a
acanalar con apenas 40 psi (280 kPa) a 8.5 litros/min (3 ft3/min). recubrir una pieza.
Puede-usarse nitrógeno o un gas inerte comprimidos si no se
dispone de aire comprimido. No debe usarse oxígeno en un por- PROCEDIMIENTOS DE OPERACIÓN
taelectrodos de CAC-A.
El chorro de aire debe tener el volumen y la velocidad LOS ELECTRODOS DE corte con arco de carbono y aire están disuficientes para eliminar debidamente la escoria fundida del seiiados para operar con ca o cc, o ambas, dependiendo dei macorte. Los orificios de los sopletes de arco de carbono y aire están terial cortado. En la tabla 15.6 se indican los electrodos y tipos de
diseñados para suministrar un flujo de aire adecuado para el corriente recomendados para cortar varias aleaciones comunes.
Electrodos cubiertos para Ca. Estos electrodos se fabrican con una mezcla de carbón y grafito a la que se han añadido
materiales de tierras raras que estabilizan el arco para el corte
con comente alterna. Están cubiertos con un espesor controlado
de cobre y se fabrican con diámetros desde 4.8 hasta 12.7 mm
(3/16 a 1/2 pulg).
Tabla i5.5
Fuentes de potencia para corte y acanalado con arco de carbono y aire
Tipo de
corriente
cc
cc
Ca
ca o cc
Tipo de fuente de potencia
Comentarios
Motorgenerador,rectificador o unidad de reticula de
resistores de corriente continua
Motorgeneradoro rectificador de potencial continua
Recomendada para electrodos de todos los tamaños
Transformador de corriente continua
Corrientecontinua
Recomendado sólo para electrodos de 6.4 mm (1/4 pulg) o de diámetro
mayor. Puede originar depósitos de carbón en el caso de electrodos
pequeños. No es adecuada para sopletes automáticos con control de voltaje.
Recomendado sólo para electrodos de ca.
La cc alimentada por fuentes trifasicas de transformador-rectificador resulta
satisfactoria, pero la cc de fuentes monofasicas produce arms con
Característicasindeseables. La salida de ca de unidades cdcc es
satisfactoria siempre que se utilicen electrodos de ca.
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CORTE Y ACANALADO C O N ARCO
desplazamiento, con el chorro de aire detrás del electrodo. En
las condiciofiesde operación apropiadas,el chorro de aire pasará
bajo el extremo del electrodo y quitará todo el metal derretido.
El arco puede encenderse tocando ligeramente la pieza de trabajo con el electrodo. Una vez encendido el arco, no debe
alejarse el electrodo. La técnica para el acanalado es diferente
que para la soldadura con arco porque se elimina metal en lugar
de depositarlo. Se debe mantener un arco corto avanzando en la
dirección del corte con la velocidad suficiente para mantenerse
al parejo de la remoción de metal. La uniformidad del avance
controla la tersura de la superficie cortada resultante.
Si se usan electrodos de carbono articulados, es importante
encender el arco con el extremo abierto o romo del electrodo.
La razón de esto se hará evidente cuando el electrodo se haya
consumido casi por completo y se esté aproximando la sección
articulada. Si el arco se hubiera encendido en la sección ahusada
del electrodo, la sección articulada consistiría en un extremo
ahusado rodeado por una manga suelta de carbono al rojo vivo.
Esta manga caliente tiende a salir despedida violentamente del
arco de acanalado y, como sucede con las salpicaduras de soldadura, puede causar quemaduras o incendiar materiales inflamables.
Cuando el arco se enciende con el extremo abierto del electrodo, y este último se consume hasta la sección articulada, la
manga forma parte del electrodo nuevo que entra en servicio, y
no puede salir despedida violentamente.
Al acanalar una pieza de trabajo en posición vertical, el
acanalado debe hacerse cuesta abajo, para que la gravedad ayude
a la eliminación del metal fundido. El acanalado en posición
horizontal puede hacerse a la izquierda o a la derecha, pero
siempre en la dirección de la palma de la mano (“de derecha”).
Si se acanala hacia la izquierda, el soplete de corte debe
sostenerse como se muestra en la figura 15.9. Al acanalar hacia
la derecha, el soplete de corte se invertirá para que el chorro de
aire quede detrás del electrodo. Al acanalar amba de la cabeza,
el electrodo y el soplete deberán sostenerse con un ángulo que
impida que metal fundido caiga sobre el operador.
Figura 15.9-Operación de acanalado con arco de
carbono y aire en posición plana
En la tabla 15.7 aparecen los intervalos de comente para los
electrodos de CAC-A de uso común. La corriente real empleada
para un electrodo de un tamaño dado dependerá de las condiciones de operación, como son el material cortado, el tipo de corte,
la velocidad de corte, la posición del corte y la calidad requerida.
Se aconseja seguir las recomendaciones del fabricante para la
operación y mantenimiento del equipo y de los consumibles.
Acanalado
COMOPUEDEVERSE
en la figura 15.4,el electrodo debe sujetarse
de modo que cuando más 178 mm (7 pulg) sobresalgan del
soplete de corte. En el caso de materiales no ferrosos, esta
extensión deberá reducirse a 76.5 mm (3 pulg).
Es preciso abrir el chorro de aire antes de encender el arco, y
el soplete de corte debe sostenerse como se muestra en la figura 15.9. El electrodo debe inclinarse contra la dirección del
Tabla 15.6
Recomendaciones de electrodos y corriente para corte de varias aleaciones con
arco de carbono y aire
Aleacidn
Aceros al carbono, de baja
aleación e inoxidables
Hierros colados
Aleaciones de cobre:
60% de cobre o menos
más de 60% de cobre
Aleaciones de níquel
Aleaciones de magnesio
Tipo de
electrodo
Tipo de
corriente
cc
EeP
ca
ca
ca
Ca
cc
ccen
ca
ccep
cc
EeP
Ca
Ca
Ca
ca
ca
ccen
cc
cc
CCeP
ccep
Aleaciones de aluminio
Comentarios
Apenas 50% tan eficiente como ccep
A la mitad del intervalo de corriente del electrodo
Sólo a corriente máxima
A corriente maxima
Antes de soldar hay que limpiar la superficie.
La extensión del electrodo no debe exceder 1O0
mrn (4 pulg).
Antes de soldar hay que limpiar la superficie.
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493
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494
CORTE Y ACANALADO CON ARCO
Tabla 15.7
Intervalos d e corriente sugeridos para los tipos y tamaños d e electrodos d e CAC-A
Diámetro dei
electrodo
puig
mm
5/32
4.0
3/16
4.8
114
6.4
5/16
7.9
318
9.5
112
12.7
518
15.9
314
19.1
1
25.4
Electrodo de cc
con CCEP, A
min
máx
90
150
150
200
200
400
250
450
350
600
600
1000
800
1200
1200
1600
1800
2200
La profundidad del surco producido la controla la velocidad
de recorrido. Las velocidades bajas producen surcos profundos,
y las altas surcos someros. Pueden hacerse surcos de hasta 25
mm (1 pulg) de profundidad, pero mientras más profundo sea el
surco mayor será la experienciarequerida por parte del operador.
La anchura del surco depende del tamaño del electrodo empleado y por lo regular es aproximadamente 3.2 mm (l/S pulg)
más ancho que el diámetro del electrodo. Puede obtenerse un
surco más ancho oscilando el electrodo con un movimiento
circular u ondulante.
En casi todas las aplicaciones de acanalado se emplea un
ángulo de empuje de 35 grados respecto a la superficie de la
pieza de trabajo. Se recomienda un apoyo estable al acanalar
para asegurar una superficie lisa. Esto resulta provechoso sobre
todo al acanalar arriba de la cabeza. La velocidad de recorrido
correcta depende del tamaño del electrodo, del tipo de metal
base, del amperaje de corte y de la presión del aire. Una indicación de que la velocidad es la correcta y el acanalado de buena
calidad es un sonido de siseo uniforme en el arco.
Separación
ENGENERAL,
LA técnica para cortes con separación es ia misma
que para el acanalado, excepto que el electrodo se sostiene con
un ángulo más empinado, entre 70 y 80 grados respecto a ia
superficie de la pieza de trabajo.
Para el corte de metales no ferrosos gruesos, el electrodo debe
sostenerse perpendicular a la superficie de la pieza de trabajo,
con el chorro de aire frente al electrodo en la dirección del moviiniento. Con el electrodo en esta posición, el metal puede separarse moviendo el arco verticalmente a través del metal con un
movimiento de serrado.
Desbastado
C U N O SE USA el proceso de corte con arco de carbono y aire
para eliminar metal de áreas extensas, como la eliminación de
metal de recubrimientoo de bases de colado, la posición correcta
__
__
__
__
150
200
200
300
150
200
180
250
500
600
300
400
400
500
300
400
~
__
.
.
__
__
__
__
__
.
.
del electrodo es la que se muestra en la figura 15.10.EI electrodo
debe oscilarse de lado a lado al tiempo que se le empuja hacia
adelante a la profundidad deseada. En operaciones de desbastado de bases, se emplea un ángulo de entre 15 y 70 grados con
respecto a la superficie. EI ángulo de 15 grados se usa para
pasadas de acabado ligeras, en tanto que los ángulos mayores
permiten realizar cortes burdos más profundos con mayor facilidad.
Los sopletes de corte con cabezas de ángulo fijo que sostienen
el electrodo con el ángulo correcto son ideales para esta aplicación. Con los demás tipos de sopletes hay que tener cuidado de
mantener el aire detrás del electrodo. La estabilidad de la mano
del cortador determina la tersura de la superficie producida.
EFECTOS METALÚRGICOS
PARAEVITAR PROBLEMAS con metal carburizado, los usuarios
del proceso de corte con arco de carbono y aire deben estar
conscientes de los sucesos metalúrgicos que ocurren durante el
acanalado y el corte. Cuando el electrodo de carbono es positivo
(polaridad inversa), la comente lleva átomos de carbono ionizados del electrodo al metal base. Las partículas de carbono libres
se absorben rápidamente en el metal base fundido. Dado que esta
absorciónes inevitable, es importante que todo el metal derretido
carburizado sea retirado del área de corte, de preferencia por ia
acción del chorro de aire.
Cuando se usa el proceso de corte con arco de carbono y aire
en condiciones inapropiadas, el metal fundido carburizado que
pennaiiece en la superficie casi siempre puede reconocerse por
su color gris-negro mate. Esto contrasta con el color azul brillante de un surco bien hecho. Un flujo de aire inadecuado puede
dejar pequeños charcos de metal carburizado en el fondo dei
surco. Un desplazamiento irregular del electrodo, sobre todo en
una Operación manual, producirá ondulaciones en la pared dei
surco que tienden a atrapar el metal carburizado. Por Ultimo, un
ángulo de electrodo inadecuado puede hacer que pequeñas gotas
de metal carburizado permanezcan a io largo del borde del surco.
El efecto del metal carburizado que queda en el corte o surco sobre una operación de soldadura subsecuente depende de
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Electrodo de ca
con CCEN, A
min
máx
Electrodo de
ca con Ca, A
min
máx
Not for Resale
CORTE Y ACANALADO CON ARCO
495
tivamente más altas. No obstante, las superficies preparadas
empleando CAC-A pueden ser más susceptible al agrietamiento
por tensión, dependiendo del entorno de servicio. Si hay dudas,
lo más recomendable es desbastar mecánicamente las superficies después del CAC-A.
En comparación con el corte con gas oxicombustible, el
CAC-A es un proceso con más baja entrada de calor. Por esta
razón, una pieza acanalada o cortada con CAC-A presenta
menos distorsiones que una preparada con OFC.
PRÁCTICAS SEGURAS
LOS TEMAS GENERALES de seguridad y practicas seguras en los
procesos de soldadura y corte térmico, como el de arco de carbono y aire, se tratan en ANSI 249.1, seguridad al soldar y cortar,
y NFPA 51B, prevención de incendios al usar procesos de
soldadura y corte. Los cortadores con arco de carbono y aire y
sus supevisores deben estar familiarizados con las prácticas
descritas en estos documentos.
Adicionalmente,existen otras posibles áreas de peligro en el
corte y acanalado con arco. Los humos y gases, el ruido y ia
energía radiante merecen consideración adicional. En esta sección estudiaremos las áreas relacionadas con el corte y acanalado
con arco de carbono y aire.
DESPLAZAMIENTO
4
--`,,,```-`-`,,`,,`,`,,`---
O"
Figura 15.10-Técnica de desbastado de bases con
portaelectrodos de arco de carbono y aire. EI ángulo
entre el electrodo y el trabajo es de 15" a 70°, usándose
los ángulos mayores con el hierro colado
Gases
LOS GASES TÓXICOS principales que pueden producirse durante
muchos factores, incluidos la cantidad de metal carburizado
presente, el proceso de soldadura que se usará, el tipo de metal
base y la calidad de soldadura requerida. Aunque podría pensarse que el metal de relleno que se deposite durante la soldadura
disolverá los charcos o gotas pequeños de metal carburizado, la
experiencia con metales base de acero indica que trazas de metal
con un contenido de aproximadamente 1% de carbono pueden
permanecer a lo largo de la línea de unión de la soldadura. La
absorción de carbono en el metal de soldadura adquiere iinportancia cuando la soldadura debe tener alta resistencia y tenacidad, sobre todo en aceros templados.
No hay pruebas de que el cobre de los electrodos recubiertos
de cobre se transfiera a la superficie de corte en el metal base.
El acero carburizado puede eliminarse de la superficie cortada por abrasión, pero resulta mucho más eficiente realizar el
corte y acanalado con arco de carbono y aire de la manera correcta en las condiciones prescritas, con lo que se evitará por completo la retención de metal indeseable.
Se han realizado estudios en acero inoxidablepara determinar
si el acanalado con arco de carbono y aire, realizado en la forma
prescrita, tiene un efecto adverso sobre la resistencia a la corrosión. Se obtuvieron las velocidades de corrosión típicas para el
acero inoxidable tipo 3ML, y los estudios no revelaron diferencias significativas entre las tasas de corrosión de soldaduras preparadas usando CAC-A y las preparadas por abrasión. Si hubiera
ocurrido absorción apreciable de carbono, las tasas de corrosión
de las soldaduras preparadas con CAC-A habrian sido significa-
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el corte con arco son ozono, dióxido de nitrógeno y monóxido
de carbono.Podria estar presente gas fósgeno como resultado de
la descomposición térmica o por luz ultravioleta de agentes
de limpieza o de suspensión a base de hidrocarburos clorados
empleados en algunos agentes aerosoles o pinturas contra salpicaduras. El desgrasado u otras operaciones en las que intervengan hidrocarburos clorados deberá hacerse en lugares donde los
vapores de estas operaciones no estén expuestos a las radiaciones del arco.
Ozono
LALUZUJ-TRAVIOLETA
emitida por el arco actúa sobre el oxígeno de la atmósfera circundante para producir ozono. La cantidad
de ozono producida dependera de la intensidad de la energía
ultravioleta, la humedad, el grado de oscurecimiento debido a
los humos y otros factores. La concentración de ozono por lo
general aumenta cuando se incrementa la comente y cuando se
acanala aluminio. La concentración puede controlarse mediante
ventilación natural, ventilación de escape local o equipo respiratorio protector del tipo descrito en ANSI 249.1.
Dióxido de nitrógeno
LAS PRUEBAS HAN demostrado que sólo hay concentraciones
elevadas de dióxido de nitrógeno cerca del arco. La ventilación
natural reduce rápidamente estas concentraciones a niveles se-
Not for Resale
496
CORTE Y ACANALADO CON ARCO
guros en la zona de respiración del cortador, siempre que éste
mantenga la cabeza fuera de las emisiones del corte.
Vapores metálicos
Los VAPORES METALICOS generados por el proceso CAC-A
pueden controlarse mediante ventilación natural, ventilación de
escape local o equipo respiratorio protector del tipo descrito en
ANSI 249.1. El método de ventilación requerido para mantener
dentro de concentraciones aceptables el nivel de sustancias
tóxicas en la zona de respiración del cortador depende directamente de varios factores, entre los cuales están el metal cortado,
el tamaño del área de trabajo y el grado de encierro u obstrucción
del movimiento normal del aire en el lugar donde se está cortando. Cada operación debe evaluarse individualmente para determinar qué se requiere.
La Conferencia Americana de Higienólogos Gubemamentales (ACGH) y la Administración de Seguridad y Salubridad
Ocupacional (OSHA) de Estados Unidos han establecido los
niveles aceptables de sustancias tóxicas asociadas al corte, designándolos como valores límite de umbral (TLV) y valores
máximos medios ponderados en el tiempo. El cumplimientocon
estas disposiciones puede probarse muestreando la atmósfera
bajo el casco del cortador o en la cercania inmediata de su zona
de respiración. El muestre0 debe realizarse de acuerdo con
ANSIIAWS F1.l, Método para muestrearparticulados aéreos
generados por la soldadura y procesos afines.
Prevención de incendios
EL CAC-A REQUIERE precauciones especiales de prevención de
incendios debido al proceso de remoción del metal. Todas las
sustancias inflamables situadas a menos de 11 m (35 ft) del área
de trabajo deberán retirarse. Se deberán colocar protecciones,
como mamparas metálicas, en la dirección en que sale despedido
el metal caliente expulsado por el chorro de aire comprimido, si
es que no hay espacio suficiente para su disipación.
Ruido
ELRUIDO DEL acanalado con CAC-A puede exceder los niveles
seguros. Si es necesario, el operador deberá contar con protección para los oidos.
Energía radiante
TODAPERSONA QUE esté en la vecindad inmediata del arco de
corte deberá tomar medidas adecuadas para proteger los ojos y
la piel de la radiación producida por el arco de corte. El sombreado de filtro recomendado para el CAC-A es el 12. Se
recomienda ropa de lana o cuero de color oscuro para reducir la
reflexión que pudiera causar quemaduras por luz ultravioleta en
el cuello y el rostro dentro del casco.
OTROS PROCESOS DE CORTE CON ARCO
CORTE CON ARCO DE METAL PROTEGIDO
Principios de funcionamiento
EL CORTE CON arco de metal protegido (shielded inetal arc
cutting, SMAC) es un proceso de corte con arco que utiliza un
electrodo cubierto. De preferencia debe usarse una fuente de
potencia de comente constante que opere con corriente continua
de polaridad directa (ccen). La función principal de la cubierta
del electrodo durante el corte es como aislante eléctrico para que
el electrodo pueda insertarse en el hueco del corte sin hacer
cortocircuito con los lados, y también funge como estabilizador
del arco, concentrando e intensificando su acción. La eficacia de
este procedimiento en el corte de grandes espesores es una
función de la manipulación del electrodo. Por lo regular se usan
electrodos tipo E6010, E6012 y E6020, pero pueden lograrse
cortes con prácticamente cualquier electrodo de soldadura con
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arco de metal protegido (SMAW). También hay en el mercado
electrodos con cubiertas hechas especialmente para corte.
Equipo
AUNQUEES PREFERIBLE una máquina de soldadura de cc constante para el SMAC, también puede usarse una fuente de potencia de comente constante de Ca. Para el corte con arco de metal
protegido en aire se recomienda usar portaelectrodos de trabajo
pesado con electrodos de 3/16 pulg de diámetro o mayores. Para
SMAC bajo el agua, son obligatorios portaelectrodos de construcción especial con aislamiento total. Debe usarse una fuente
de potencia de polaridad directa para proteger el portaelectrodos
y las piezas metálicas del equipo de buzo contra la corrosión
electrolitica.
Aplicaciones
EL SMAC SE ha usado para recortar rebabas y portillos en
fundiciones no ferrosas y para cortar chatarra no ferrosa para
reciclaje. La pieza de trabajo debe colocarse de modo que la
gravedad ayude a eliminar el metal derretido. En general, el
proceso no sirve para preparar de manera satisfactoria bordes
para soldadura sin un acabado considerable por astillado o
abrasión
Not for Resale
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ESTASECCIÓN FINAL del capitulo ofrece una explicación breve
de cinco procesos más. En general, éstos no se usan mucho
debido a consideraciones económicas. No obstante, el lector
debe saber que existen porque pueden usarse cuando no se
dispone de otros procesos. Si desea mayor información,consulte
la lista de lecturas complementarias.
CORTE
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CORTE CON ARCO DE OXIGENO
Principiosde funcionamiento
Y
ACANALADO
C O N A R C O 497
ENTRADA DE OXíGENO
ELCORTECON arco de oxigeno (arc-oxygencutting, AOC) es un
proceso de corte con oxígeno que emplea un arco entre la pieza
de trabajo y un electrodo tubular consumible a través del cual se
dirige un chorro de oxígeno hacia la pieza de trabajo. El acero
de aleación moderada se corta empleando el arco para elevar la
temperaturadel material hasta su punto de ignición en la preserr
cia de oxígeno. La reacción de combustión que tiene lugar se
sostiene a si misma, ya que libera suficiente calor para mantener
la temperatura de ignición en todos los lados del corte. El arco
eléctrico proporciona el precalentamientonecesario para iniciar
el corte. En la figura 15.11 se muestra una ilustración esquemática del proceso.
En el caso de metales resistentes a la oxidación, el mecanismo
de corte es más bien una acción de fusión. Aquí, la cubierta del
electrodo suministra un fundente que ayuda al metal derretido a
salir del área de corte.
o
CABLE DE
ALIMENTACIÓN
ELECTRODO
TUBULAR
COBERTURA
DE FUNDENTE
Efectos metalúrgicos
EL METODO DE corte con arco de oxigeno produce en la zona
afectada por el calor efectos metalúrgicos comparables a los de
la soldadura con arco de metal protegido. La entrada de energía
se acerca a la de la soldadura con arco de metal protegido, pero
en AOC la penetración del calor generalmenteno es tan profunda debido a la mayor velocidad de recorrido. Esto produce un
efecto de templado un poco más pronunciado. Los metales que
no requieren un tratamiento calorífico después de la soldadura
pueden cortarse con este proceso sin efectos perjudiciales. Los
aceros inoxidables austeníticos de grados que se vuelven sensibles a la corrección cuando se someten a soldadura con arco de
metal protegido quedarán sensibilizados a lo largo del corte si
se separan empleando este proceso.
Los cortes con arco de oxígeno en hierro colado y aceros de
carbono medio y baja aleación son propensos a la aparición
de grietas en la cara del corte. El grado y la frecuencia del agrietamiento dependen de la composición y de la endurecibilidad
del acero.
~
~~~
Figura 15.11-Esquema del electrodo de arco de
oxígeno en operación
Equipo
EL CORTE CON arco de oxigeno puede realizarse empleando
fuentes de potencia de ca o cc de comente constante con la
suficiente capacidad. Es preferible la comente continua de electrodo negativo (ccen) para cortes rápidos. El portaelectrodos
para corte con arco de oxígeno tiene un diseilo especial; no sólo
debe llevar corriente eléctrica al electrodo, sino además oxígeno
al corte. Esto se logra alimentando oxígeno al portaelectrodosy
pasándolo por el barreno del electrodo hasta el arco.
Para cortar en aire, se recomienda un portaelectrodos totalmente aislado. En el corte subacuático es indispensable un
portaelectrodos totalmente aislado equipado con un inhibidor de
retrodestello adecuado.
Se consiguen electrodos tubulares de acero con diámetros de
5 y 8 inm (3/16 y 5/16 pulg) y longitud de 46 cin (18 pulg), con
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diámetro interior de aproximadamente 1.6 mm (1/16 pulg). La
cubierta extruida es comparable a un electrodo de acero de
aleación moderada con clasificación AWS E60 13. Los electrodos subacuáticos son tubos de acero con una cubierta a prueba
de agua.
Técnicas de corte
EN EL METODO de corte, horadación y acanalado con arco de
oxígeno, la cobertura se mantiene en contacto con el metal base
en todo momento. La cobertura aísla el núcleo respecto al trabajo
y mantiene automaticamente la longitud de arco correcta.
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498 C O R T E Y A C A N A L A D O C O N A R C O
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El inicio de las operaciones de corte y acanalado es el mismo.
La punta del electrodo se pone en contacto con el trabajo en el
lugar deseado como si se fuera a encender un arco para soldadura, y el arco se mantiene durante un momento mientras se abre
la válvula del oxígeno. La acción de horadación se inicia de
inmediato y el electrodo penetra en la placa conforme se forma
el agujero. La cobertura aisla el núcleo del electrodo impidiéndole que haga corto con los costados del agujero.
Para cortar, el electrodo se arrastra a lo largo de la superficie
de la placa a la velocidad de recorrido dictada por el avance del
corte. La inclinación del electrodo y la velocidad de movimiento
se ajustan para obtener un corte de calidad y eficiencia óptimas.
El corte guiado por plantilla es común. El electrodo se presiona contra la plantilla, quedando aislado de ella por la cobertura. En el caso de cortes en línea recta, puede sujetarse a presión
cualquier regla a lo largo de la línea de corte. El corte se efectúa
sosteniendo el electrodo contra la guía y la placa al mismo
tiempo. Se han cortado aberturas circulares en tanques empleando la circunferencia de un tubo de tamaño adecuado como
plantilla guía.
Al cortar en aire (hasta 75 mm de acero de aleación moderada
o 13 mm de ciertas aleaciones no ferrosas), la técnica recomendada es arrastrar el electrodo a lo largo de la línea del corte
planeado al tiempo que se aplica una presión suave. En el corte
subacuático, independientementedel espesor del metal cortado,
es necesario mantener una presión positiva contra la pieza de
trabajo.
El acanalado se efectúa encendiendo el arco, abriendo el
chorro de oxígeno e inclinando la barra hasta que esté casi
paralela a la superficie de la placa y apuntando en dirección
opuesta al operador a lo largo de la línea del acanalado propuesto. El arco y el oxígeno funden la superficie de la placa y el metal
derretido sale expulsado por la fuerza del chorro de oxígeno.
Aplicaciones
LOS ELECTRODOS PARA corte con arco de oxigeno se desarrolla-
ron primordialmente para el corte subacuático y posteriormente
se aplicaron al corte en aire. En ambas aplicaciones, los electrodos de oxígeno pueden cortar metales ferrosos y no ferrosos en
cualquier posición.
El corte con arco de oxigeno ha sido utilizado con éxito en
fundiciones y depósitos de chatarra para cortar aceros de aleación moderada y baja, acero inoxidable, hierro colado y metales
no ferrosos en cualquier posición. La utilidad del proceso varía
con el espesor y la composición del material cortado.
Los bordes del metal cortado con soplete de arco de oxígeno
son un tanto irregulares y por lo regular requieren cierta preparación superficial para poder soldarlos.
arco de tungsteno y gas. Entre los metales cortados están el
aluminio, magnesio, cobre, bronce de silicio, níquel, cuproníquel y diversos tipos de aceros inoxidables. Este proceso de corte
puede emplearse a mano o mecanizarse. Se usa el mismo circuito para cortar y para soldar, pero se requiere una mayor corriente
para cortar una placa de un espesor dado que para soldarla.
También se requiere un mayor flujo de gas para fundir de lado
a lado la placa y separarla.
En la práctica, un electrodo de tungsteno toriado al 2% con
diámetro de 4 mm (5/32 pulg) sobresale aproximadamente 6.4
mm (1/4 pulg) del extremo de una copa de gas metálica o de cerámica con diámetro de 9.5 mm (3/8 pulg). Una mezcla de
aproximadamente 65 % de argón y 35% de hidrógeno se alimenta
al soplete con una tasa de flujo de 165 L/h (60 ft3/h).También
puede usarse nitrógeno, pero la calidad del corte no es tan buena
como la que se obtiene con la mezcla de argón e hidrógeno. Los
mejores resultados se obtienen empleando ccen, pero la corriente
alterna con alta frecuencia superpuesta ha producido cortes
satisfactoriosen material de hasta 6.4 mm (1/4 pulg) de espesor.
El arco puede encenderse ya sea con una chispa de alta
frecuencia o frotando el electrodo contra la pieza de trabajo. Se
acostumbra mantener una distancia de 1.6 a 3.2 mm (1/16 a 1/8
pulg) entre el electrodo y el trabajo, pero esto no es un factor
critico. Conforme el soplete se desplaza sobre la placa, una
pequeña porción de ésta se funde por el calor del arco, y el chorro
de gas expulsa el metal derretido para formar el corte. Al término
del corte, el soplete se levanta de la pieza de trabajo para interrumpir el arco.
Una cara del corte normalmente queda libre de escoria, la cual
se adhiere al lado de la pieza de trabajo que no está conectado
al cable. La calidad del corte en el lado libre de escoria suele ser
aceptable, pero el otro lado requiere una limpieza considerable.
Equipo
SE PUEDEN USAR sopletes estándar para soldadura por arco de
gas tungsteno. Como se muestra en la tabla 15.8, se emplean
comentes de corte de hasta 600 A. Los sopletes para soldadura
pueden servir para cortar a corrientes de hasta el 175% de sus
especificacionesnominales porque la operación de corte casi no
refleja calor. Por ejemplo, se puede usar un soplete de 300 A
para cortar con 500 A durante periodos cortos.
Para cortar se recomienda una fuente de potencia de cc de
comente constante, ya sea de rectificador o de motorgenerador,
con un voltaje de circuito abierto mínimo de 70 V. Los cortes
efectuados con potencia ca están limitados a placas de 6.4 mm
(1/4 pulg) de espesor. El principal problema que se presenta al
usar potencia ca es la pérdida de tungsteno del electrodo a las
comentes elevadas requeridas.
Principios de funcionamiento
CORTE CON ARCO DE METAL Y GAS
Principios de funcionamiento
EL CORTECON arco de tungsteno y gas puede servir para separar
metales no ferrosos y acero inoxidable con espesores de hasta
13 mm (1/2 pulg) empleando equipo estándar de soldadura por
EL CORTE CON arco de metal y gas (gas metal arc cutting,
GMAC) es un proceso de corte con arco que emplea un electrodo
consumible continuo y un gas protector. El GMAC se desarrolló
CORTE CON ARCO DE TUNGSTENO Y GAS
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CORTE
poco después de la introducción del proceso de soldadura por
arco de metal y gas, y ocurrió por primera vez accidentalmente
durante una operación de soldadura, cuando se observó que si
se utilizaba una velocidad de alimentacióndel electrodo excesiva, se podía penetrar la placa. Cuando se desplazó el soplete, se
realizó un corte.
Las principales desventajas del GMAC son el elevado consumo de electrodos de soldadura y las altas comentes de corte
(hasta 2000 amperes) requeridas.
Aplicaciones
EL GMAC SE ha utilizado para cortar figuras en acero inoxidable
y aluminio. Si se emplea equipo de soldadura normal y un
electrodo de acero al carbono de 2.4 mm (3/32pulg), es posible
cortar acero inoxidable de hasta 38 mm (1-1/2 pulg) de espesor
y aluminio de hasta 76 mm ( 3 pulg) de espesor.
CORTE CON ARCO DE CARBONO
EL CORTE CON arco de carbono es el proceso de corte más
antiguo y hoy día ya casi no se usa. El proceso empleaba un arco
entre un electrodo de carbono (grafito) y el metal base para
Y A C A N A L A D O C O N A R C O 499
fundir la superficie de la pieza de trabajo. Como el proceso
depende de la gravedad para la eliminación del metal derretido,
sólo puede usarse en posición vertical o arriba de la cabeza.
Una variación aprovechaba la fuerza del arco a amperajes
mayores para ayudar a expulsar el metal del área de corte. Los
cortes producidos requerian mucha limpieza para quitar la escoria. Antes de soldarse, los bordes cortados requerían abrasión
para eliminar el área fundida remanente en el metal, pues absorbía una gran cantidad de carbono del electrodo.
Tabla 15.8
Condiciones para el corte con arco de tungsteno y gas
Material
Espesor
Pulg
Velocidad
de
recorrido,
PPm
Acero inoxidable
Acero inoxidable
Acero inoxidable
Aluminio
Aluminio
Aluminio
118
1/4
1/2
118
114
112
20
20
15
30
20
20
Corriente
ccen
amperes
350
500
600
200
300
450
Tipo de gas
80% A + 20% H(2)
65% A t 35% H(2)
65% A t 35% H(2)
80% A t 20% H(2)
65% A + 35% H(2)
65% A + 35% H(2)
LISTA DE LECTURAS COMPLEMENTARIAS
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Corte y acanalado con arco de plasma
Alban, J. F. “Revival of a lost art: plasma arc gouging of
aluminum”, en Welding Journal 64(5):954-959; noviembre
de 1976.
Couch, R. W., Jr. y Dean, D. C., Jr. “High quality water arc
cutting”, en Welding Journal 50(4):233-237; abril de 197 1.
Frappier, M. B. “Plasma arc cutting supplies explained”, en
Welding Journal 67(2):48; febrero de 1988.
Hebble, C. M., Jr. “Cutting with low current broadens application of plasma process”, en Welding Journal 52(9):587-589;
septiembre de 1973.
Heflin, R. L. “Plasma arc gouging of aluminum”, en Welding
Journal 64(5): 16-19; mayo de 1985.
McGough, M. S . et al. “Underwater plasma arc cutting in Three
Mile Island’s reactor”, en Welding Journal 68(7):22-26;julio
de 1989.
Na, S. et al. “A microprocessor-basedshape and velocity control
system for plasma arc cutting”, en Welding Jorunal67(2):
27-33; febrero de 1988.
O’Brien, R.L. “Arc plasmas for joining, cutting, and sufacing”,
en Bulletin No. 13 1 . Nueva York, Welding Research Cuncil,
julio de 1968.
O’Brien, R. L. Wickhain, R. J. y Keane, W. P. “Advances in
plasma arc cutting”, en Weldii1gJournnl43(12):1015-1021;
diciembre de 1964.
Shamblin, J. E. y Armstead, B. H. “Plasma arc cutting”, en
Welding Journal 43( 10):470s-472s; octubre de 1964.
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Skinner, G. M. y Wickham, R. J. “High quality plasma arc
cutting and piercing”, en Welding Journal 46(8): 657-664;
agosto de 1967.
Spies, G. R., Ir. “Comparison of plasma and oxyfuel gas cutting”, en Welding Journal 44( 10):815-828; octubre de 1965.
Wodtke, C. H., Plunkett, W. A. y Firzzell, D.R.“Development
of underwaterplasma arc cutting”, en Welding Journal 55( 1):
15-24; enero de 1976.
Corte con arco de carbono y aire
American Welding Society. Recomniended practices for air
carbon arc gouging and cutting, (3.3-82. Miami, Florida:
American Welding Society, 1982.
Coughlin, W. J. y Fayer, G. IV. “Growth of the air carbon arc
gouging process”, en Welding Journal 60(6):26-3 1 ; junio de
1981.
Marshall, W. J. et al. “Optical radiation levels produced by air
carbon arc cutting processes”, en Welding Journal 59(3):
43-46; marzo de 1980.
Panter, D. “Air carbon arc gouging”, en Welding Journal 56 ( 5 ) :
32-37; mayo de 1977.
Corte con arco de metal protegido
Thielsch, H. y Quass, J. “Shielded-metal-arc cutting and grooving”, en Welding Journal 33(5):438-446; 1954.
U. S. Government Printing Office. Underwater cutting and
weldiiia nialiiral, NAVSHIPS 250-692-9. Washington, D.C.
Not for Resale
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500
CORTE Y ACANALADO CON ARCO
Corte con arco de metal y gas
Babcock, R. S . “Inert-gas metal arc-cutting”, en Welding Jourm l 34(4): 309-315; 1955.
Blackman, P. R., et al. “Electric arc cutting”, U. S. Patent
3,115,568,24 de diciembre de 1963.
Hull, W. G. “Use of gas-shielded arc processes for cutting non
ferrous metals”, en Welding and Metal Fabrication, mayo de
1954.
Corte con arco de tungsteno y gas
Conner, G. A. “Tungsten arc cutting of stainless steel”, en
Welding Journal 39(3): 215-222; marzo de 1960.
Wait, J. D. y Resh, S . H. “Tungsten arc cutting of stainless steel
shapes in steel warehousing operations”, en Welding Journal
38(6): 576-581; junio de 1959.
“Tungsten-arc welding torch cuts light-gage metal”, en Iron
Age 186 (152) 17 de noviembre de 1960.
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Corte con arco de oxígeno
Campbell, H. C. “The theory of oxyarc cutting”, en Welding
Journal 26( 10): 889-903; 1947.
“A New Combination Oxygen-Arc Cutting Process”, en Industry and Welding 20( i): 48; 1947.
Clauser, H. R. “New oxygen-arc process for cutting ferrous and
non-ferrous alloys”, en Materials and Methods 25(1): 78;
1947.
Hughey, Howard G. “Stainless steel cutting”, en Welding Journal 26(5): 393-400; 1947.
Kandel, Charles “Underwater cutting and welding”, en Welding
Journal 25(3): 209-212; 1946.
“Machine makes smooth cuts in honeycomb materials”, Iron
Age 141-3,17 de noviembre de 1960.
Sibley, C. R., “Electric arc cutting”, en U. S . Patent 2,906,853,
29 de septiembre de 1959.
Warren, W. G. “Electric arc-cutting of aluminum”, en Welding
and Metal Fabrication, marzo de 1953.
Not for Resale
PREPARADO POR UN
COMITE INTEGRADO POR:
J. C. Chennat, Presidente
Ford Motor Co.
I
C. E. Albnght
Ohio State University
CORTE CON
RAYO LASER
Y CON
CHORRO
DE AGUA
C. O. Brown
United Technologies Industrial
Lasers
I
R.Chellevold
Ingersoll-Rand Waterjet Cutting
Systeiiis
D.L. Havnlla
Rojîn-Sinar Losers
T. A. Johnson
Ferranti-Sciaky, Inc.
D.Kautz
Lawrence Liverniore National
Labs
L. W. Lamb
Flow Systems, Inc.
F. Mason
Aiiierican Machinist &
Automated Mfg.
L. R. Migliore
Aniada h e r Systeiiis and
Service, Inc.
G. White
Coherent General
~
MIEMBRO DEL COMITÉ DEL
Corte con rayo láser
Equipo
502 MANUALDE SOLDADURA:
G. N. Fischer
Fischer Engineering Company
509
Materiales
513
Variables del corte con láser
515
Inspección y control de calidad
521
Seguridad en el corte con láser
522
Corte con chorro de agua
523
Lista de lecturas complementarias
529
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CORTE CON RAYO LÁSER
INTRODUCCIÓN
EL CORTE CON rayo laser es un proceso de corte térmico que
separa material mediante fusión o vaporizaciónlocal con el calor
de un rayo láser. Este proceso se usa con o sin gas auxiliar que
ayude a retirar el material fundido y vaporizado.
La perforación con láser es una operación a pulsos que
implica mayores densidades de potencia y menores tiempos de
descanso que el corte con láser. Los agujeros se producen
mediante uno o más pulsos. La perforación con láser es una
alternativa con mayor efectividad de costo que la perforación
mecánica, el maquinado electroquiinico y el maquinado de
descarga eléctrica para taladrar agujeros relativamentesomeros.
Un láser es una fuente de calor con algunas características
únicas. En el capítulo 22 se da una descripción del equipo
empleado para producir rayos láser. Una cantidad relativamente modesta de energía de láser se puede enfocar en puntos de
tamaño muy pequeño, con lo que se obtiene una densidad
de potencia elevada. Para cortar y perforar, estas densidades de potencia están en el intervalo de lo4a lo6W/mm2(6.5 x
lo6a 6.5 x 10' W/pulg2).Semejantes concentracionesde energía
hacen que el material de la pieza de trabajo se funda y vaporice,
y la eliminación del material puede facilitarse con un chorro de
gas. Dependiendo del material, se puede aplicar un chorro de
un gas reactivo como el oxígeno en forma coaxial con el rayo,
incrementando la rapidez del proceso y la calidad del borde
cortado. Los mecanismos físicos que intervienen en la eliminación del material son bastante complejos, pues implican las
propiedades de los materiales y numerosas variables del proceso.
Entre las aplicaciones de procesamiento de materiales con
láser, el corte es el proceso más común, y ha exhibido un
excelente crecimiento en todo el mundo. La primera aplicación
de procesamiento de materiales con láser fue la perforación de
diamantes para troqueles de fabricación de alambre. Hoy día, el
corte con láser y los procesos relacionados de perforación,
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recorte y grabado dan cuenta de más de la mitad de las instalaciones de láseres industriales en el mundo.
Un láser de CO, de alta potencia puede cortar acero al
carbono de hasta 25 mm (1 pulg) de espesor. Sin embargo, los
cortes de buena calidad en acero normalmente se efectúan en
metal de menos de 9.5 mm (0.375 pulg) de espesor debido a que
el rayo láser tiene una profundidad de foco limitada. Los láseres
de CO, en el intervalo de 400 a 1500 W dominan el área de corte,
pero también se usan láseres de granate de itrio-aluminio contaminado con neodimio (Nd:YAG).
El corte con láser tiene las ventajas de alta velocidad, cortes
de ancho reducido, bordes de alta calidad, baja entrada de calor
y distorsión mínima de la pieza de trabajo. Es un proceso de fácil
automatización que puede cortar casi cualquier material. La
geometría del corte se puede modificar sin el retrabajado considerable que es inevitable con las herramientas mecánicas; no
hay desgaste de la herramienta, y generalmente no se requieren
operaciones de acabado. Dentro de su intervalo de espesores, es
una alternativa al uso de punzones o al estampado, y al corte con
gas oxicombustible y con arco de plasma. El corte con láser resulta especialmente ventajoso para los estudios con prototipos y
para series de producción cortas. En comparación con la mayor
parte de los procesos convencionales,el ruido, la vibración y los
humos producidos por el corte con láser son de niveles bastante
bajos.
Los resultados del corte con láser son altamente reproducibles, y los sistemas de láser han alcanzado tiempos de operación
eficaz del 95 % . El movimiento relativo entre el rayo y la pieza
de trabajo se puede programa fácilmente empleando estaciones de trabajo CNC que ya están disponibles. La alta precisión
y los bordes de buena calidad son muy comunes incluso en el
corte tridimensional con láser. Los láseres también tienen flexibilidad para compartir la potencia y el tiempo, lo que permite
maximizar la efectividad de costos de la operación del rayo de
tiempo completo.
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ORTECONRAYO
LASER Y CON
CHORRODEAGUA
C O R T E CON R A Y O
L A S E R Y CON CHORRO DE
AGUA
503
LOS DIAMETROS DE los agujeros producidos por perforacióncon
rayo láser por lo regular están entre 0.0025 a 1.5 mm (0.OOOl a
0.060 pulg). Las profundidades alcanzadas casi siempre son
menores que 25 mm (1 pulg) debido a las limitaciones del
enfocado del rayo. En la figura 16.1 se muestran ejemplos de
perforación con láser en los álabes de un motor a reacción y en
un componente de rotor.
El proceso produce agujeros limpios con capas de refundido
muy delgadas. Cuando se requieren agujeros grandes se emplea
una técnica de trepanación cortando con el rayo un círculo del
diámetro requerido.
La perforacióncon láser ofrece casi todas las mismas ventajas
del corte con láser. Resulta especialmente ventajosa cuando los
diámetros de los agujeros requeridos son menores que 0.5 mm
(0.020 pulg) y cuando las perforaciones deben hacerse en áreas
inaccesibles para las herramientas convencionales.Los ángulos
de entrada del rayo pueden ser muy cercanos a cero, una situación en la que las herramientas mecánicas son propensas a
fracturas. Los pulsos de alta intensidad producidos por láseres
de estado sólido con longitudes de onda corta, como los de
Nd:YAG, Nd:vidrio y rubí, son los más apropiados para perforar. Ei área de perforación industrial con láser está dominada por
los láseres de Nd:YAG. En la figura 16.2 se muestran esquemáticamente los elementos de un láser de Nd:YAG. Los láseres de
CO, generalmente se usan para perforar no metales, como
cerámica, compuestos, plásticos y hule.
Los dos aspectos que más han dificultado la popularización
del procesamiento de materiales con láser han sido el alto costo
del equipo y la intimidación que experimentan los trabajadores
frente a un proceso de “alta tecnología” que requiere una amplia
capacitación de los operadores y un buen conocimiento de la
interacción entre el láser y los materiales. En todo el mundo cada
vez más fabricantes de láseres y de sistemas están entrando en
este campo, y están apareciendo productos más confiables a
precios más bajos y con nuevas características. El mercado de
Figura 16.1-Factores que influyen en los procesos
de perforación Y corte con láser
los láseres industriales presenta actuaimente una tasa de crecimiento anual del 20%, y se espera que los precios de los sistemas
de corte con láser se reduzcan en un porcentaje pequeño cada
año durante varios años más.
Los nuevos paquetes de software y la programación de fácil
aprendizaje están haciendo más aceptable el corte con láser en
áreas sin trabajadores altamente calificados. Los sistemas láserrobot totalmente integrados y la facilidad de interconexión con
computadoras personales están ofreciendo un mejor control de
los sistemas de láser y de las variables de operación. Los láseres
de CO, de bajo peso y tamaño, los láseres de CO, pulsables de
varios kilowatts con mejor calidad del rayo, los láseres de YAG
de modo único y los láseres de YAG con salidas de hasta 1.5 kW
son algunas de las mejoras que están apareciendo. El mejoramiento en el diseño de los sistemas está haciendo que el proceso
se vuelva más preciso y repetible.
~~
REFRIGERADOR
SCARGA
OBSERVACIÓN
FILTRO DE
SEGUFilDAD
ESPEJO
DE 45”
LENTE DE
ENFOQUE
ESPEJO
T
TRASERO
BARRA DE LÁSER
Y LAMPARAS
I
OBTURADOR
\ i l
ESPEJO
DELANTERO
DE DESTELLO
Y
Figura 16.2-Representación esquemática de los elementos de un láser de Nd:YAG
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PERFORACIÓNCON LÁSER
504
CORTE CON R A Y O L Á S E R
Y CON CHORRO
D E AGUA
láser enfocado con una densidad de potencia mayor que lo4
W/mmz (6.5 x lo6 W/pulg*) y un chorro de gas auxiliar, que
juntos producen un área de material eliminado en la pieza de
EL CORTE CON rayo láser (íaser b e m cutting, LBC) y la perfo- trabajo. EI rayo láser actúa como una fuente de calor lineal que
ración con rayo láser (laser b e m drilling, LBD) son dos proce- produce un agujero calado una vez que las condiciones iniciasos completamente distintos de eliminaciónde material. Ambos les transitorias alcanzan un estado estable. El gas auxiliar
procesos han sido ampliamente investigadostanto experimental expulsa el material fundido del agujero por la raíz del corte. En
como teóricamente con el fin de comprender los mecanismos ciertos casos, puede usarse un gas activo para mejorar la eficiencia de corte mediante una reacción quimica exotérmica. En
que gobiernan el proceso de remoción de material.
Ambos procesos pueden utilizar láseres de pulsos o continuos la tabla 16.2 se listan los gases auxiliares utilizados más comúncomo fuente primaria de energía. Como puede verse en la tabla mente.
Las ventajas del corte con láser respecto a otros procesos
16.1, son muchos los factores que intervienen en el corte y la
incluyen:
(1) ancho del corte pequeño, (2) zona afectada por el
perforación con láser. Las disciplinas de la ingeniería que están
(3) altas velocidades de corte, (4) buena calidad
calor
angosta,
implicadas incluyen los láseres mismos, la óptica, la dinámica
de los cortes, (5) adaptabilidad a la automatización y (6) no hay
de fluidos y la ciencia de los materiales.
contacto mecánico entre el dispositivo de corte y la pieza de
trabajo.
PRINCIPIOS Y CARACTERkTICAS
DEL PROCESO
Modelo simplista
Corte. EI proceso de corte con rayo láser puede describirse de
manera muy sencilla. Requiere la acción simultánea de un rayo
Perforación. El proceso de perforación con láser sólo requiere un láser de pulsos con el rayo enfocado a densidades de
Tabla 16.1
Factores que influyen en los procesos de perforación y corte con láser
Estado sólido
-YAG
(pulsado y cw)
I. Tipo de láser
Gas
- Dióxido de carbono
(pulsadoy cw)
- Excimer
(pulsado)
II. ópticos
Rayo puro
-Potencia
-Divergencia
-Longitud de onda
- Estructuramodal
- Polarización
-Tamaño
óptica para enfocar
-Lente o reflejante
-Calidad
- Distanciafocal
-Material óptico
-Abertura
Rayo enfocado
-Distanciafocal
-Diametro del rayo
- Mûdû óptico
-Longitud de onda
-Densidad de potencia
-Profundidad de foco
111. Material
Superficie
-Condición
- Reflectividad
-Absorbencia
Volumen
- Espesor
- Densidad
-Calor de fusión
-Calor de vaporización
- Difusividad
IV. Chorros de gas auxiliar
Gas inerte
Gas exotérmico
- Presión
- Presión
-Tamaño del orificio
-Tamaiio del orificio
-Contorno del orificio
-Contorno del orificio
-Impulso
-Impulso
-Profundidad del corte
-Profundidad del corte
-Alejamiento
-Flujo másico
-Tipo
-Tipo
-Aditivo (agua)
-Aditivo (agua)
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505
Tabla 16.2
Gases auxiliares emdeados Dara el corte con ravo laser de diversos materiales
Gas auxiliar
Aire
Material
Aluminio
Plástico
Madera
Compuestos
Alúmina
Comentarios
Buen resultado hasta 1.5 mm (0.060 pulg)
Todos los gases reaccionan de manera similar; el aire es el menos
rostos0
Vidrio
Cuarzo
Oxigeno
Acero al carbono
Acero inoxidable
Cobre
Nitrógeno
Acero inoxidable
Bordes limpios, libres de óxido hasta 3 mm (1/8 pulg)
Aluminio
Aleaciones de níquel
Argón
Titanio
Buen acabado, alta velocidad; capa de Óxido en la superficie
Capa gruesa de Óxido en la superficie
Buena superficie hasta 3 mm (1/8 pulg)
Se requiere gas auxiliar inerte para producir cortes satisfactoriosen
diversos materiales
potencia de IO5 W/mm2 (6.5 x lo7 W/pulg2). Cuando el rayo
enfocado incide en una superficie, el material se funde y volatiliza, y luego es expulsado violentamente,formando un agujero.
Las profundidades que normalmente se alcanzan son de unas
seis veces el diámetro del agujero; por tanto, es posible que se
requieran múltiples pulsos para penetrar por completo el espesor
del material. A la fecha se han logrado perforar materiales con
espesor de hasta 25 mm (1 pulg) en ia modalidad de pulsos.
Las ventajas de la perforación con láser incluyen: (1)tiempos
de perforación cortos, (2) adaptabilidad a la automatización, (3)
capacidad de penetrar materiales de difícil perforación y (4)
ausencia de contacto mecánico.
Tipos de láseres
EL CORTE Y ia perforación con láser requieren un rayo láser
coherente enfocado con precisión. Para estas aplicaciones se
emplean predominantemente dos fuentes primarias de rayos
láser, el láser de YAG pulsado que opera a una longitud de onda
de 1.O6 micras y el láser de CO, que opera en forma pulsada o
continua a una longitud de onda de 10.6 micras. En la tabla 16.3
se describen los mecanismos de corte básicos y el láser que se
emplea en cada caso. En el caso del láser de YAG de pulsos, la
interacción con el material resulta en la evaporación y eliminación de este último a densidades de potencia muy altas. El láser
de CO, pulsado y continuo elimina la mayor parte de los materiales fundiéndolos, después de lo cual deben ser expulsados del
área de corte con la ayuda de un chorro de gas inerte. Si el gas
inerte se sustituye por un gas reactivo como el oxígeno, el
proceso se vuelve exotérmico, y la oxidación del material proporciona energía adicional.
En fechas más recientes, el láser de excimer que opera a una
longitud de onda de 248 nanómetros se ha utilizado también
como fuente de láser para perforar. Se cree que el proceso de
remoción de material con este láser es por fotoablación cuando
se le usa con polímeros cuyas energías de unión son inferiores a
la energía de los fotones del excimer.
En ambos procesos (corte o perforación, Fig. 16.1), es necesario que se alcanen densidades de potencia de lo4a lo6W/mmz
(6.5 x IO6 a 6.5 x 10’ W/pulg2).Esto se logra enfocando el rayo
ya sea con lentes o mediante óptica de reflexión, dependiendo
del tipo de láser y de la longitud de onda. En todos los casos, el
diámetro puntual del rayo se define de la misma manera y está
dado por la relación
d, = 2.44 K F/D
donde
d, = diámetro del punto enfocado en p mm (p pulg)
K = constante que depende de la modalidad de haz
óptico (véase la tabla 16.4)
F = distancia focal del lente o espejo en mm (pulg)
D = diámetro de abertura del rayo en el espejo
enfocador en mn (pulg)
h = longitud de onda óptica del láser en p mm (p pulg)
En la tabla 16.6 ;e dan los valores de K, que dependen de la
estructura moda! del haz óptico y de su divergencia, para tres d e
los rayos láser continuos más comunes.
En el caso de la perforación, se emplean lentes de distancia
focal corta para enfocar los haces ópticos con alta potencia pico
de los láseres pulsados a tamaños de punto del orden de 0.6 m m
(0.024pulg) para así obtener niveles de densidad de potencia por
arriba de los IO5W/mm2(6.5 x lo7W/pulg2).Enestas condiciones, el material se volatiliza y sale despedido de la pieza d e
trabajo, dejando un agujero parcialmente perforado. Se requieren múltiples pulsos para lograr la penetración completa.
En casi todas las aplicaciones de corte, el láser es del tipo
continuo y trabaja a niveles de potencia de entre 400 y 1500W,
un poco por debajo de las potencias pico de los láseres de pulsos
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(16.1)
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506
CORTE CON RAYOLASER Y CON CHORRO DE AGUA
Tabla 16.3
Mecanismos de corte básicos
A. Láser de estado sólido -YAG
Evaporación
- Eliminación de material por volatilización a > lo5W/mm2(> 6.5 x lo7W/puig2).
-Sólo de pulsos.
B. Láser de gas - COz
Fusión
-La mayor parte del material se elimina en estado líquido con ayuda de un gas inerte, a
intensidadesde rayo de 1O4 W/mm2(6.5 x lo6W/pulg?).
Exotérmico
- La mayor parte del material se elimina en estado liquido a intensidadesde rayo de lo4
W/mm2 (6.5 x 1O6 W/pulg2).
-EI oxígeno como gas auxiliar aporta energía adicional.
C. Láser de excimer
Fotoablación
- EI material se elimina por fotoablación cuando se emplea con polimeros cuyas energias de
enlace están por debajo del nivel energético de los fotones del excimer.
descritos para las aplicaciones de perforación. En consecuencia,
las densidadesde potencia requerida son menores y generalmente están entre los lo4y los lo5W/mm2 (6.5 x lo6 a 6.5 x lo7
W/pulg2). Esto requiere tamaños de punto del orden de 1 mm
(0.04 pulg) a la longitud de onda del láser de CO, para alcanzar
las densidades de potencia requeridas.
Interacciones del láser y el material
ubicación exacta se determina por experimentación,adecuándola a la aplicación.
Dado que casi todos los metales son altamente reflejantes a
las longitudes de onda de los láseres considerados, el acoplamiento del rayo y la pieza de trabajo es muy ineficiente y la
absorción es baja. Sin embargo, el coeficiente de absorción
varía con la temperatura del material, la cual cambia durante la
fase transitoria del proceso. Esta relación se muestra en la figura 16.4.
importante del LBC y
el LBD es la interacción del rayo láser con la superficie del
material. La figura 16.3 muestra la relación entre el haz Óptico,
el sistema de enfoque, el chorro de gas auxiliar y la pieza de
trabajo que se va a cortar. El lente o espejo óptico enfoca el rayo
láser original a un punto cuyo diámetro está dado por la ecuación
16.1. La ubicación (generalmentedirigida al interior del espesor
de la pieza de trabajo) del plano focal en relación con la superficie de la pieza de trabajo depende de varios factores, todos
regidos por las relaciones antes inencionadas. En la práctica, la
UNA CARACTERISTICA FUNDAMENTAL e
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GAS AUXILIAR
CAPA REFUNDIDA
Tabla 16.4
Efecto de la modalidad de rayo sobre la colimabilidad
Tipo de rayo laser
Frente de onda uniforme
Rayo gaussiano
Resonadorinestable?
a. M = 2**
b. M - 4
K
1.o
0.86
4.0
3.5
*Amplificaciones ?M?más utilizadas
** M, razón de amplificaciónde un rayo anular
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=
D.E. del rayo
D.l. del rayo
Figura 16.3-Vista esquemática de una operación de
corte con láser
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C O R T E CON R A Y O L Á S E R
a
n
i3
TEMPERATURA
2
1.0
I
T~APORIZACION
TFUSION
cc
z
$+ 83
2s
4
n
az
e$
E
J
wK o O
MILISEG UNDOS
TIEMPO DE INTERACCI~N
Figura 16.4-Tiempo transitorio de reflectividad y
temperatura de un metal representativo
Y C O N C H O R R O D E A G U A 507
fuente de calor lineal energética dentro del material y forma un
charco fundido. Cuando el charco recibe el impacto de un chorro
de gas a alta presión, el metal líquido sale despedido por la raíz
de la pieza de trabajo, produciéndose el corte.
Para que se inicie el proceso de corte de agujero calado, es
indispensable que la densidad de potencia sea suficiente para
vencer la barrera de reflexión. En adelante, la profundidad del
corte dependerá de las relaciones de fusión y vaporizaciónrepresentadas en la figura 16.5. A niveles de densidad de potencia por
debajo de 5 x lo3W/mm2 (3.25 x lo6W/pulg2), sólo se logra
una fusión superficial. Para obtener un agujero calado se
requieren densidades de potencia del orden de lo4a lo5W / m 2
(6.5 x lo6a 6.5 x lo7W/pulg2).Dentro del intervalo de agujero
calado, ocurre tanto la fusión como la vaporización. La vaporización total requerida para la perforación se logra al rebasar este
intervalo.
Chorro de gas auxiliar
LACOLUMNALIQUIDAformada por el laser al soldar se sostiene
contra la acción de la gravedad gracias a la tensión superficial y
a la acción capilar. Como se muestra en la figura 16.3, se utiliza
La absorción inicial débil en la superficie de la pieza de un chorro de gas auxiliar para eliminar el metal fundido antes de
trabajo comienza a elevar la temperatura de esta última directa- que se pueda volver a solidificar. Esta acción impide la formamente bajo el haz óptico, y esto hace que disminuya con bastante ción de una soldadura. El impulso del gas del chorro expulsa una
rapidez la reflectividad. La temperatura y la absorción aumentan buena parte del material fundido de la raiz del corte, quedando
hasta alcanzarse las temperaturas de fusión y de vaporización. una capa de refundido muy delgada sobre las paredes laterales
Esto pemite la formación de un agujero calado o trampa de del corte. En la figura 16.6 se muestra un sistema de aplicación
radiación. A partir de ese momento, el rayo láser actúa como para corte con rayo láser y gas auxiliar.
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508 C O R T E C O N R A Y O L A S E R Y C O N C H O R R O D E A G U A
TEORIA Y MECANISMOS FiSiCOS
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MLENT
I )
L-
ENTRADA
DE GAS
ENAÑOS RECENTES,la teoria y los mecanismos físicos del corte
con láser han sido estudiados,endetalle. Es conveniente que los
estudios continúen, a fin de poder evaluar los límites técnicos
del proceso y extenderlos a regiones que actualmente son inasequibles. EI objetivo de estos estudios no ha sido sólo aumentar
las profundidades de corte y perforación, sino también mejorar
la calidad de la superficie cortada. Esta sección es un repaso
breve de los mecanismos; en los artículos de la bibliografía se
pueden encontrar mayores detalles.
Los factores primarios que influyen en el proceso de corte
con láser (tabla 16.1) son el nivel de potencia, la modalidad, la
polarización y variables ópticas como la distancia focal, el
diámetro de la abertura, la profundidad del foco y la ubicación
del plano focal con respecto a la pieza de trabajo.
El balance de energía del proceso de corte con láser se muestra en la figura 16.7. Las fuentes de energía son el láser y el gas
reactivo. Las pérdidas primarias son la conducción de calor, la
reflexión del frente de erosión, el calor de vaporización, la
convección, la radiación y la energía contenida en el material
expulsado por la raíz del corte.
EI proceso más crítico de los que ocurren es la absorción de
la radiación incidente en el frente de erosión. Sin absorción del
rayo incidente, no habría corte. También es muy importante que
este proceso sea eficiente. La eficiencia de absorción depende
de varios factores, incluidos el ancho del corte, la pendiente
instantánea del frente de erosión, la polarización del haz óptico
original y la distribución de intensidad del haz óptico en las
direcciones longitudinal y radial.
El frente de erosión, que apenas esta bosquejado en la figura
16.7, es la interfaz entre el rayo incidente con su gas auxiliar y
la capa fundida del material. Este frente es la superficie de
equilibrio por la cual el material expulsado sale de la raíz del
I
-+-$-A
1
I
I
l
1
i
I
1
l
I
BOQUILLA
DE GAS
r
RAYO LASER CON CHORRO
DE GAS AUXILIAR
FLUJO DE GAS
AUXILIAR
Figura 16.6-Sistema de aplicación del rayo para el
corte con láser y gas auxiliar
VAPOR I ZAC ióN
Un factor que limita el corte de secciones gruesas con los
niveles de potencia disponibles es lo angosto del corte. Los cortes angostos son deseables desde el punto de vista de la aplicación; sin embargo, son un obstáculo para el sistema de gas
auxiliar debido a los diámetros de boquilla tan pequeños que se
requierenpara introducir el chorro de gas en el corte. La longitud
coherentede un chorro libre sobreexpandidonormalmente es del
orden de unos cuantos diámetros del orificio. Esto da lugar a una
sobreexpansióndel chorro de gas dentro de la cavidad del agujero calado y limita la longitud efectiva del chorro. A su vez, esto
limita la profundidad y la tersura superficial del corte. En consecuencia, los bordes en la parte baja de un corte con láser en
material grueso son generalmente más ásperos que los producidos por otros métodos de corte.
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MATERIAL
FUNDIDO
CALOR
CONDUCIDO
ENERGíA
LASER
REFLEJADA
Figura 16.7-Vista esquemática del corte con laser
mostrando el balance energético
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C O R T E CON R A Y O L Á S E R Y C O N C H O R R O D E A G U A
metal base debido al impulso del gas auxiliar. Su forma casi
siempre presenta un ángulo de retraso con respecto a la vertical,
dependiendo de la velocidad hacia adelante del rayo incidente
sobre la pieza de trabajo. El ángulo del haz Óptico incidente relativo a la capa fundida a lo largo del frente de erosión determina
la eficiencia de absorción. Este ángulo depende de la polarización del haz óptico, el cual puede estar polarizado linealmente,
en cuyo caso la calidad del corte dependerá de la dirección del
corte, o circularmente, en cuyo caso el corte será aceptable en
dos dimensiones,asegurando cortes de contornouniforme en un
plano.
509
El corte con un rayo polarizado circularmente es en general menos eficiente que con un rayo polarizado linealmente.
Como ejemplo, hasta el 80%de un rayo polarizado linealmente se absorbe con un ángulo incidente de 85 grados. En el caso
de un rayo polarizado circularmente con su ángulo optimo, la
absorbancia pico baja hasta cerca del 40%. Conforme el ángulo
de incidencia varíe por arriba o por debajo de los ángulos óptimos, la absorción irá disminuyendo. Así, la absorción de energía en el frente de erosión depende de la forma
del frente, de la intensidad espacial del rayo original, y de
su polarización.
EQUIPO
luz que lo atraviesa. Esto hace posible que incluso los láseres
de CO, de alta potencia tengan buenas cualidades ópticas. Los
rayos de muchos láseres con salidas de hasta 1500 watts se
aproximan bastante al modo gaussiano fundamental TE%.
Tales rayos se pueden enfocar hasta el límite fijado por la
difracción de la luz, y no hay problemas para obtener puntos
de 0.1 mm (0.004 pulg) de diámetro con lentes de enfoque
normales en láseres de CO,.
Otra propiedad de los rayos TEM, es su baja divergencia,
término que describe el ángulo con el que el rayo láser se va
abriendo conforme se propaga. Los valores típicos son del orden
de 1milirradián, lo que ofrece una gran flexibilidad en el diseño
de máquinas, ya que el láser puede situarse lejos del lente de
enfoque.
ELLÁSERDE~~ÓX~~O
de carbono (CO,) es la fuente estándar para
aplicaciones de corte de contorno. Esto se debe a que es el tipo
de láser más potente y confiable de uso generalizado.
El láser de CO, es un dispositivo de descarga de gas: opera
haciendo pasar una comente eléctrica por un gas. En los láseres
industriales, se obtiene una eficiencia elevada empleando una
mezcla de helio, nitrógeno y dióxido de carbono. La energía
eléctrica se acopla a los gases mediante el establecimientode una
descarga luminiscente en el nitrógeno. El nitrógeno transmite
esta energía a las moléculas de CO, por colisiones, haciendo que
un alto porcentaje de dichas moléculas alcancen un nivel energético superior. Cuando las moléculas caen a un nivel intermedio
se produce una emisión láser a 10.6 micras en la zona del infrarrojo. Las colisiones con el helio hacen que las moléculas de
CO, vuelvan al nivel energético basal, donde el proceso puede Láseres de flujo lento
recomenzar. Por lo regular, el gas se pasa por un intercambiador
LOS PRIMEROS LÁSERES de Co, industriales consistían en tubos
de calor donde se le enfría antes de reciclarlo.
de vidrio con espejos en ambos extremos. El gás del láser fluía
a través del tubo al tiempo que se aplicaba electricidad cerca de
ambos espejos. Estos dispositivos son muy sencillos y confiaCaracterísticastemporales
bles, pero están limitados a unos 50 watts por metro de longitud
LOS LÁSERES DE CO, pueden operar por onda continua (conti- de descarga, ya que no hay forma de enfriar el gas. Estos láseres
nuous wave, CW) o en diversos modos de pulsos. La frecuencia de flujo lento resultan imprácticos si se requieren más de 400
de pulsos puede ser de hasta 10 kHz. Los tipos más comunes de watts. Se utilizan todavía porque pueden producir salidas estapulsación se denominan obturado y realzado. En el modo obtu- bles de alta calidad, y porque el gran volumen de medio activo
rado, el láser opera a un nivel de potencia pico que está dentro permite realzar considerablementelos pulsos.
de su intervalo normal de onda continua. La salida se modula
para generar un ciclo de trabajo reducido. Los pulsos obturados
pueden tener cualquier longitud que sea compatible con la velo- Láseres de flujo transversal
cidad de repetición elegida. Los láseres capaces de producir pulsos realzados tienen potencias pico varias veces mayores que su EL LASER DE flujo transversal se desarrolló con la idea de
especificación de onda continua. Los pulsos realzados suelen producir una potencia elevada con un paquete pequeño. Esto se
durar unos 100 microsegundos independientemente de la velo- logra circulando el gas de láser por la región de descarga a alta
velocidad y enfriándolo después con un intercambiador de calor
cidad de repetición.
de modo que se pueda volver a utilizar. Los láseres de flujo transversal tienden a tener modalidades asimétricas debido a las
Característicasespaciales
características de ganancia de las comentes de descarga. A pesar
LA BAJA DENSIDAD y la elevada difusividad térmica de un de estas limitaciones, las máquinas de flujo transversal han
medio de láser gaseoso reducen su tendencia a distorsionar la
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LÁSERES DE CO,
510 C O R T E C O N
RAYOLÁSER Y CON CHORRO DE AGUA
EI diseño de láser más moderno en uso es el tipo de flujo axial
rápido. Se trata de una modificación del láser de flujo lento que
se vale de una bomba Rootes para circular el gas. Los láseres
axiales rápidos son pequeños, potentes y de construccióneconb
mica. Aunque se les ha incorporadoen muchos sistemas de láser,
la mayor parte de los modelos tiene problemas graves con la
inestabilidad del rayo emitido, lo cual produce cortes con superficies ásperas.
átomos de neodimio. Esto permite a los láseres de vidrio producir pulsos más intensos que los láseres de YAG, haciéndolosmás
apropiados para el taladrado profundo. La desventaja del vidrio
es que su baja conductividad térmica limita la velocidad de
repetición de los pulsos a 1pps aproximadamente, de modo que
no sirve para cortar contornos.
LÁSERES DE YAG
EL RUBI FUE el primer material en el que se observó emisión
láser. El láser de rubi es un dispositivo de estado sólido impulsado por lámpara de destello similar a los láseres de vidrio y
YAG, pero emite luz visible. Aunque en gran medida ha sido
sustituido por otros tipos, todavia resulta apropiado para taladrar, pues cuenta con características similares a los láseres de
vidrio-neodimio.
ELLÁSERDE YAG (cuyo nombre correcto es láser de granate de
itrio y aluminio contaminado con neodimio) es el láser de perforación estándar en la industria, aunque por sus características
también es adecuado para algunos cortes de contorno.
Principio de funcionamiento
EL LÁSER DE YAG contiene una barra cristalina rodeada por
lámparas de xenón o criptón. El cristal es un granate de itrio y
aluminio (YAG) que ha sido contaminado con neodimio. La luz
de las lámparas “empuja” los átomos de neodimio hasta un
estado excitado, desde el cual emiten luz con una longitud de
onda de 1.06 pm. El agua que fluye alrededor de la barra enfría
los átomos y los vuelve al estado basal.
Características temporales
LOS LÁSERES DE YAG industriales generalmente operan en
modo pulsado para cortar o taladrar. La velocidad de repetición
normalmente es de menos de 200 Hz. Mediante el control de la
potencia alimentada a las lámparas se puede ajustar la forma y
duración de los pulsos de láser. El medio de láser sólido tiene
una alta concentración de átomos emisores de luz, por lo que la
potencia pico puede ser muy alta. Los pulsos de alta energía y
corta duración eliminan el material cortado o taladrado.
Características espaciales
LASBARRAS DE láser generan calor en el centro y se enfrían
externamente. Siempre que se produce una potencia apreciable,
aparece un gradiente de temperatura a lo largo del diámetro de
la barra. Ese gradiente induce cambios en el índice de refracción
de la barra, lo que degrada el rendimiento óptico del láser. Los
láseres de YAG de alta potencia tienen salidas inultiinodales de
alta divergencia, lo que limita la capacidad del sistema para
enfocar el rayo a un punto pequeño y requiere que la cabeza del
láser esté cerca del área de trabajo.
OTROS TIPOS
Vidrio
LOS LÁSERES DE vidrio son muy similares a los de YAG. La barra
del láser se fabrica con vidrio contarninadocon neodimio, en vez
de granate. Cuando se usa vidrio en vez de YAG como matriz,
es posible incorporar en la barra una concentración más alta de
Rubí
Láseres de excimer
LOS LÁSERES DE excimer son láseres de gas de alta presión
pulsados que emiten a longitudes de onda dentro de la banda del
ultravioleta. El término excimer es una contracción de las palabras “dimero excitado”. Un dimero es básicamente una molécula
que existe sólo en el estado excitado, como el fluoruro de criptón
(KrF). Estas moléculas se forman cuando la mezcla de gases
apropiada (por lo regular un gas noble y un halógeno) se excita
en una descarga eléctrica pulsada. La emisión láser ocurre
cuando la molécula excitada cae al estado inferior.
SISTEMAS
PARA PODER CORTAR, el láser debe estar integrado a un mecanismo que aplique el rayo y pueda manipular la pieza de trabajo.
Hoy día, los cortadores de contorno por láser se controlan con
algún tipo de computadora. EI tipo de control más comun lee
datos numéricosy los convierte en órdenes de movimiento axial.
Estos dispositivos se denominan controles izunzéricos conzputarizados, o CNC. La cabeza de corte, que consiste en un lente
enfocador y un mecanismo de gas auxiliar, debe mantenerse a
cierta distancia de la pieza por cortar. Estos componentes están
encerrados en un paquete llamado sistenin de corte por láser a
fin de evitar peligros para el personal.
Estos sistemas son de diselio muy variado. Existen máquinas
estándar para trabajos como el corte de contornos en metal
laminado o la perforación de álabes de turbina, pero pueden
obtenerse unidades especiales para tareas como la ranuración de
materiales laminados en líneas de producción.
Para obtener cortes de calidad óptima, el sistema óptico debe
permanecer inmóvil, ya que cualquier vibración o falta de alineación del sisteina de aplicación del rayo produce cortes inexactos o de baja calidad. Sin embargo, una óptica fija requiere
que la pieza de trabajo se mueva, cosa que se hace más complicada cuando se manejan láminas grandes. EI área de piso minima
requerida para un sistema de rayo fijo es cuatro veces el tamaño
máximo de las Ihininas, lo cual representa un problema cuando
las piezas de trabajo son grandes. La aliineiitación automática
de láminas y el retiro de piezas cortadas resultan difíciles, lo
mismo que la producción de contornos exactos con cargas que
presentan amplias variaciones.
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C O R T E CON R A Y O
LASER
Y CON CHORRO DE AGUA
511
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En estas condiciones, el movimiento de la óptica simplifica variación en el espesor de las piezas es mayor que esto; por ello,
el sistema de láser. En un sistema de “rayo móvil”, las láminas es importante que el sistema cuente con algún mecanismo para
se mueven sólo cuando se cargan o descargan de la mesa de mantener el foco al cortar materiales disparejos.
corte. El sistema impulsor siempre maneja la misma carga, lo
Las máquinas que cortan láminas planas a menudo tienen
que permite optimizar la respuesta de los servomecanismos. cabezas que se apoyan sobre la superficie del trabajo mediante
Pese a ello, el movimiento del sistema óptico presenta varios cojinetes de bolas. Este método funciona bien pero puede afectar
el acabado del trabajo en algunos casos, y no es apropiado para
problemas:
material con contorno. Una estrategia más avanzada consiste en
(1) Divergencia del rayo - Los rayos láser no se propagan sin conectar un motor impulsor al mecanismo enfocador y controalteración por el espacio. Su diámetro y otras propiedadesvanan larlo con un sensor. Las sondas capacitivas funcionan bien en
con la distancia de la fuente. Dado que en los sistemas de rayo todas las orientaciones y no sobresalen de la cabeza de corte,
móvil el lente enfocador intercepta el rayo láser en diferentes pero sólo pueden usarse con piezas conductoras. Las sondas de
puntos, la ubicación del foco y el tamaño del punto vanan. El contacto, que consisten en una horquilla o copa alrededor de la
resultado neto es que las condiciones de corte varían en los boquilla de corte, sirven para cualquier material pero sólo funcionan en dirección vertical.
diferentes puntos de la mesa.
(2) Alineación - Con la Óptica fija sólo es necesario que el
rayo pase por el sistema de aplicación sin que sea recortado por
las diferentes aberturas. Para que un rayo móvil funcione correc- CONSUMIBLES
tamente, el rayo debe poder recorrer la pieza de trabajo a todo LOS COSTOS PRIMARIOS asociados a la operación de los sistemas
lo largo sin que cambie su alineación.
de láser son los de electricidad, óptica, lámparas de destellos
(3) Rigidez - Puede hacerse que una cabeza de corte fija (sólo estado sólido) y gases. Los gases se emplean con dos fines:
tenga rigidez empleando una estructura de soporte pesada, y no generar luz y ayudar al corte.
cuesta mucho hacerlo. En cambio, cuando la cabeza se mueve,
ias vibraciones y desviaciones son más difíciles de suprimir.
Esto produce aspereza de las superficies o desviaciones del Costo de operación de un sistema
camino programado, sobre todo cuando la máquina está cortan- de corte con láser de CO,
do esquinas agudas.
16.5se muestran los costos de consumibles típicos
(4) Limpieza del trayecto dei rayo - Todos los sistemas láser ENLATABLA
de alta potencia son sensibles a la suciedad en sus elementos para un sistema de láser de CO, que opera a 1500 watts. Los cosópticos. El rayo calienta las partículas de polvo que se depositan tos del gas se basan en valores medios de diferentes partes de
en los lentes y espejos, dañando los componentes. La conse- Estados Unidos. Dependiendo del material cortado, los costos
cuencia es que todos los sistemas de láser industriales deben de operación van desde 9.89 a 25.04 dólares por hora.
sellar el trayecto del rayo contra los contaminantes que existen
en los entomos de trabajo. Una vez más, no resulta difícil hacer
Costo de operación de un sistema
esto si el rayo es fijo, pero resulta complejo cuando los elementos se mueven. En muchos sistemas de rayo móvil la Óptica del de perforación con laser YAG
láser está en el mismo recinto que engranes, motores y otras
EL COSTO PRIMARIO en la mayor parte de los procesos YAG es
fuentes de contaminantes, lo cual acorta la vida del sistema
el recambio de lámparas de destello. Las lámparas duran entre
óptico.
1 y 10 millones de pulsos, dependiendo de la potencia empleada.
La filosofía dei rayo móvil llevada al extremo está repre- En la tabla 16.6 se muestra un análisis de costos para un láser
sentada por el robot de grúa corrediza de 6 ejes. Los problemas YAG que perfora a 20 pps.
de ingeniería que implica la fabricación de una grúa corrediza
son similares a los de un rayo móvil, pero más graves. Sin
embargo, la capacidad de las grúas para cortar contomos complejos hace que el esfuerzo merezca la pena.
Tabla 16.5
En la figura 16.8 se muestra un robot de viga voladiza con un
Costos típicos de corte con rayo láser para un sistema
sistema de aplicación de rayo móvil.
de CO, que trabaja a 1500 watts
Consumi bie
CABEZASENFOCADORAS
sistemas de rayo fijo en uso debido a limitaciones de producción. La mayor parte de los sistemas mueve el
lente para enfocar el rayo, y este movimiento va desde unas
cuantas centésimas de milímetro hasta varios metros. La relación entre la superficie de ia pieza de trabajo y el foco del lente
es una de las variables más importante en el corte con rayo láser,
así que resulta esencial controlaria para mantener la consistencia del proceso. La profundidad de foco de los sistemas de
CO, es del orden de 0.25 nim (.O10 pulg). En muchos casos, la
N O HAY MUCHOS
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Electricidad
Optica interna del láser’
Gas de láser
Lente colimador*
Gas auxiliar:
O2para acero al carbono 1O gauge
N2 para acero inoxidable de 0.060 pulg
Ar para titanio de 0.060 pulg
Costo por hora
2.10
2.06
1.O3
1.10
3.60
3.60
ia.75
Costo basado en la estimación de la vida Útil de estos componentes hecha
por el fabricante.
Not for Resale
512
CORTE CON RAYOLÁSER Y CON CHORRO DE AGUA
~
~~~~~~~~
~~~
~
~~
~
~~
Figura 16.8-Cortador de contorno por láser con robot y sistema de aplicación del rayo
Tabla 16.6
Costos de operación típicos para un sistema de
perforación con láser YAG
Costo por hora
Consumible
Electricidad
Óptica del láser*
Lámparas de destello*
Gas auxiliar
Total
.75
1.o0
2.00
4.00
7.75
_ _ _ _ _ _ _ ~
*Costo basado en la estimación de la vida Útil de estos componentes
hecha por el fabricante.
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~
~~
C O R T E CON R A Y O L Á S E R Y C O N C H O R R O D E A G U A
513
MATERIALES
ACERO AL CARBONO
EL ACERO AL carbono es uno de los metales mas faciles de
cortar con láser. Un examen del balance energético durante el
corte, empleando oxígeno como gas auxiliar, muestra que la
mayor parte del calor proviene de la reacción exotérmica del
hierro y el oxígeno, con el rayo láser haciendo las veces de
fuente de energía piloto o de precalentamiento. El metal
calentado por el láser arde en el chorro de oxígeno sin afectar
el material circundante. El borde del corte puede ser extremadamente terso, pudiéndose lograr acabados superiores a los
800 micromilímetros (32 ppulg) en láminas de 1.5 mm (0.06
pulg) de espesor.
ACERO DE ALEACIÓN
EL TÉRMINO acero de aleación abarca un intervalo muy
amplio de metales. Los aceros de baja aleación, como AIS1 4140
y 8260, se cortan igual que el acero al carbono. Los niveles de
impurezas generalmente inferiores que tienen los aceros de baja
aleación hacen que se obtengan cortes de mejor calidad que con
acero al carbono comercial rodado en frío (“cold-rolled”). Al
aumentar la proporción de elementos de aleación el comportami-tito del acero cambia. Los aceros de herramienta con adiciones apreciables de tungsteno se cortan con lentitud y se adhiere
algo de escoria. Las adiciones de cromo reducen la reactividad
del acero con el oxígeno y producen incrustaciones adherentes
en el borde cortado.
ACERO INOXIDABLE
LOS ACEROS INOXIDABLES son un subconjunto de los aceros de
aleación con dos clasificaciones primarias: austeníticos (serie
300) y ferríticos/martensíticos(serie 400). Los aceros inoxidables tienen una conductividad térmica relativamente baja, lo que
debería facilitar su corte empleando un proceso térmico. Sin
embargo, los elementos de aleación que confieren al acero
inoxidable sus propiedades de resistencia a la corrosión los hacen resistentes a la oxidación. Esto hace que tales materiales
reaccionen a la energía láser de manera muy diferente que los
aceros al carbono.
Los aceros inoxidables de la serie 400, que tienen cromo
como elemento de aleación primario, se cortan limpiamente con
ayuda del oxígeno pero presentan una capa tenaz de óxido de
cromo en el borde cortado.
Los materiales austeníticos, que tienen adiciones de níquel y
cromo, tienden a quedar con una escoria tenaz en la parte inferior
de los bordes del corte, además de la capa de óxido. Esta escoria
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EL CORTE CON láser es un proceso térmico: los materiales se
cortan porque el rayo láser los calienta hasta que se funden,
descomponen o vaporizan. Por tanto, resulta útil examinar las
propiedades térmicas de los materiales para determinar cómo
responderán a la radiación láser. Igual importancia tienen las
propiedades ópticas de las sustancias, porque la energía se
transfiere en forma de luz. En muchos casos se utilizan gases
reactivos o inertes como ayuda para el corte, de modo que el
comportamiento químico del material es importante.
En comparación con otras clases de materiales, los metales
tienen altas difusividades térmicas y reflectividades ópticas.
También se funden sin descomponerse y tienen puntos de ebullición muy elevados. Así pues, el corte de metales con láser
requiere densidades de potencia altas para transferir energía al
material a mayor velocidad que su pérdida por conducción,junto
con un metal auxiliar para quitar el metal líquido del corte.
Dentro de esta amplia caracterización, existen variaciones significativas entre los metales en cuanto a su idoneidad para el
corte con láser. Las condiciones típicas para el corte con láser
de diversos materiales se dan en la tabla 16.7.
Tabla 16.7
Variables de corte con laser típicas
Material
Acero al carbono
Acero inoxidable
Titanio Ti6A14V
Kevlar-epoxy
Vidrio-poliésterG10
Boro-aluminio
Carburo de silicio
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Espesor
PUkI
Velocidad de
recorrido pulglmin
Potencia
watts
.O60
,125
,250
,375
,060
.125
,250
,375
.O60
,125
,250
.O60
.O40
.O30
150
120
80
50
150
400
800
1200
1500
1500
1500
650
800
1500
400
1500
1O00
1500
150
40
40
30
150
250
250
600
300
25
Not for Resale
Gas auxiliar
02
o2
o2
o2
o2
o2
o2
o2
argón
aire
aire
aire
aire
argón
CORTE CON
RAYOLASER
Y CON CHORRO DE AGUA
y el óxido representan problemas graves en producción, ya que
se requieren operaciones adicionales para producir una pieza
terminada. La escoria puede eliminarse por abrasión. El óxido
debe quitarse antes de soldar.
El empleo de un gas auxiliar inerte ha resultado provechoso
para cortar acero inoxidable sin óxido ni adherencia de escoria.
Los bordes así producidos pueden soldarse in operaciones adicionales.
corte, cosa que generalmente es inaceptable. Por tanto, es necesario emplear argón como gas auxiliar para el corte con titanio.
Ei argón se ioniza fácilmente en las condiciones del corte con
láser, lo que puede originar la formación de un plasma sobre la
pieza de trabajo. Cuando esto suceda, se deberá modificar la salida del láser para obtener resultados consistentes.
ALUMINIO
UNO DE LOS atributos del láser es que puede cortar una gama
muy amplia de materiales sin importar su dureza ni su conductividad eléctrica. Resulta conveniente dividir los materiales en
las categorías de metales y no metales, y subdividir los no metales en las categorías orgánica e inorgánica.
ELCORTEDE aluminio era problemático en los albores del corte
con láser. Debido a la difusividad y reflectividad tan altas del
aluminio, se requerían grandes cantidades de energía láser para
fundirlo. Si el foco no era el correcto, el aluminio reflejaba el
rayo de vuelta hacia el láser, muchas veces destruyéndolo. Al
aparecer láseres con un kilowatt o más de potencia, junto con
métodos de enfoque precisos, los problemas de corte disminuyeron, pero la calidad de los cortes siguió siendo deficiente. El
aluminio cortado por láser presentaba mucha escoria en los
bordes inferiores del corte, y el costo de eliminación de esta
escoria casi siempre hacía que el corte con láser no fuera
competitivo en comparación con otros métodos. El reciente
desarrollo del corte con gases inertes ha hecho posible la
producción de cortes de alta calidad en aluminio con un láser
de CO,.
COBRE
EL COBRE, CON difusividad y reflectividad aun mayores que
las del aluminio, resulta muy difícil de cortar con láseres de baja
potencia. En cambio, sí se corta fácilmente con láseres de CO,
con capacidad de kilowatts, siempre que tengan modos TEM
aceptables y el sistema mantenga el rayo enfocado en el trabajo.
Los láseres de YAG, con su alta potencia de pulsos y su longitud
de onda más corta, cortan el cobre sin problemas.
ALEACIONES DE COBRE
LOS RESULTADOS DEL corte de aleaciones de cobre, como el
bronce, son similares a los que se obtienen en aluminio.
ALEACIONES A BASE DE NíQUEL
LA MAYOR PARTE de las aleaciones a base de níquel están
destinadas a algún tipo de servicio pesado, como los entornos
de alta temperatura o corrosivos. Aunque resulta fácil cortar
estos metales con láser, casi siempre es necesario constatar
que la pieza no presente defectos metalúrgicos como microgrietas y crecimiento de los granos, que podrían perjudicar su
rendimiento. Pruebas recientes de corte con láser y gas inerte
han producido mejores calidades que el corte auxiliado por
oxígeno.
TITANIO
EL TITANIO Y sus aleaciones reaccionan con el oxígeno y el
nitrógeno para formar compuestos quebradizos en el borde del
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NO METALES
Materiales inorgánicos
EN GENERAL, LOS matenales inorgánicos no metálicos tienen
presiones de vapor y conductividades térmicas bajas. Estas
características, combinadas con su absorción generalmente elevada de la luz con longitud de onda de 10.6 pm, deberían
convertirlos en buenos candidatos para el corte con láser.
Desafortunadamente, muchos compuestos comunes tienen
puntos de fusión muy altos y no resisten bien los choques
térmicos. Por ello, su procesamiento suele ser más difícil que
el de los metales.
Alúmina. La alúmina (Alzo3)a menudo se corta o graba con
láseres. El corte se realiza empleando pulsos de alta potencia
para vaporizar el material, ya que la redeposición de material
fundido es un problema. El elevado punto de fusión de la alúmina, aunado a la baja potencia media de los láseres que operan
en el modo de pulso realzado, resulta en velocidades de corte
bajas.
El proceso de grabación es el método estándar de preparación
de los sustratos de alúmina para microcircuitos híbridos. La
grabación se realiza haciendo líneas de agujeros que perforen
parcialmente el material. Estas perforaciones permiten romper
la cerámica a lo largo de las líneas punteadas. En sustratos tipicos
alúmina de 0.64 mm (0.025 pulg) de espesor, se taladran agujeros de 0.2 mm (0.008 pulg) de profundidad, separados O. 18 mm
(0.007 pulg). En semejantes condiciones un láser que pulse a
1000 Hz podrá grabar a razón de 175 mm/s (7 pulg/s).
Cuarzo. El cuarzo puede procesarse de forma parecida al
metal porque es muy resistente al choque térmico. Se utiliza
radiación de CO, continua, ya que el cuarzo es muy transparente
a la luz de 1.06 pm que emiten los láseres de YAG. A menudo
se hace necesario aliviar las tensiones causadas por los esfuerzos
térmicos recociendo las piezas después del corte.
Vidrio. EI corte de vidrio con láser está limitado por la deficiente resistencia al choque térmico de la mayor parte de las
composiciones. Esto hace que las piezas de vidrio complejas se
resquebrajendespués del corte. El vidrio también tiende a formar
material refundido en el borde del corte porque no tiene un punto
de fusión bien definido.
Not for Resale
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514
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C O R T E CON R A Y O L Á S E R Y C O N C H O R R O D E A G U A
Materiales orgánicos
LOSMATERIALES ORGÁNICOS casi siempre se descomponencon
la luz láser. La energía requerida para ello generalmente es
mucho más baja que la necesaria para fundir materiales inorgánicos, por lo que el corte muchas veces puede hacerse a alta
velocidad o con láseres de baja potencia. El gran volumen de
productos de descomposición origina ciertos problemas: los
gases dentro del corte tienen dificultad para escapar, limitando
la velocidad del proceso y degradando la calidad de los bordes.
Además, muchos materiales orgánicos generan compuestos tóxicos durante el corte con láser. Estas emisiones deben manejarse de modo que no representen un peligro para los operadores ni
para el ambiente.
515
aplicación específica. Desde el punto de vista del corte con láser,
las diferencias principales entre los materiales compuestos radica en la naturaleza orgánica o inorgánicade la matriz y las fibras.
Orgánicos. Si el material consta de fibras orgánicas contenidas en una matriz orgánica, el láser podrá cortarlo sin muchos
problemas. Las fibras de Kevlar (aramida) en una matriz epóxica, material compuesto de alto desempeño muy utilizado, se
corta fácilmente con láser hasta espesores de 6 m (1/4 pulg).
Las secciones más gruesas presentan carbonización excesiva en
los bordes del corte.
Materiales organicos-inorganicos. La presencia d e
componentes inorgánicos altera la respuesta de los materiales
Tela. Siendo la tela tan delgada, presenta pocos problemas compuestos al calentamiento con láser. Para cortar fibra de
para el corte con láser. El aspecto más difícil es la construcción vidrio con matriz epóxica, el láser debe fundir el vidrio. Esto
de sistemas capaces de moverse con la velocidad suficiente para requiere mucha más energía que la descomposición de la resina
aprovechar al máximo las posibilidades del corte con láser.
epóxica, y por ello controla la velocidad de procesamiento. El
grafito en matriz epóxica es extremadamente difícil de cortar,
Plásticos. UM amplia variedad de polímeros se corta con porque el grafito debe calentarse a 3600°C (6500°F)para que se
láser. EI rayo produce la fusión, vaporización y descomposición vaporice. Como el grafito tiene una conductividad térmica basdel material. Los tennoplásticos como el polipropileno y el tante buena, la resina epóxica cercana a la zona de corte queda
poliestireno se cortan por cizallamiento del material fundido, en expuesta a temperaturas muy elevadas que la descomponen a
tanto que los termofijos como los fenólicos o epóxicos se cortan una distancia considerable del borde del corte. Por esto, el corte
por descomposición. Los materiales que se descomponen en el de grafito-epoxycon láser está limitado a secciones relativamenrayo dejan un residuo carbonoso en el borde cortado, el cual te delgadas [1.6 mm (1/16 pulg) o menos].
muchas veces debe eliminarse mediante alguna operacióncomo
la abrasión con ráfagas de partículas antes de poder usar las Materiales inorgánicos. Algunos de los materiales de más
piezas. Se ha comprobado que los productos de descomposición alto desempeño disponibles en la actualidad son los compuestos
de polímeros cortados por láser son muy peligrosos, por lo que de matriz metálica. La adición de fibras refractarias a una matriz
deben tomarse precauciones para proteger al personal operativo. de superaleación produce resistencias tremendas a altas temperaturas, Combinadas con una elevada tenacidad. Desafortunadamente, las mismas características hacen muy difícil maquinar
Materiales compuestos
estos materiales. Los láseres han cortado con éxito varios tipos
LOS MATERIALES COMPUESTOS están constituidos por dos o mas de compuestos de matriz metálica, y seguramentese usarán cada
sustancias diferentes. Por lo regular, un componente es fibroso, vez más para este fin. Un efecto que debe controlarse es el
mientras que el otro froina una matriz que lo rodea. Mediante ia retroceso de la matriz fundida del borde del corte, dejando fibras
selección de las matrices y elementos de refuerzo apropiados, es expuestas. El empleo de pulsos de alta energía, como los que
posible obtener materiales con propiedades óptimas para una producen los láseres de YAG, minimizan el problema.
VARIABLES DEL CORTE CON LASER
UN GRAN W E R 0 de variables afecta los resultados del corte
con láser. Se pueden dividir en variables relacionadas con el
material y variables relacionadas con el láser.
Espesor
EL ESPESOR ES la variable mas importante que afecta la forma
como un material dado puede cortarse con láser. En general, la
velocidad de corte es inversamente proporcional al espesor.
VARIABLES RELACIONADAS
CON EL MATERIAL
Aca bad0 superficial
Y A HEMOS ANALIZADO las variables primarias que hacen a los
materiales comportarse de diferente manera. Sin embargo, cualqiiier material específico puede variar su comportamiento dependiendo de su condición.
EN EL CASO de materiales muy reflejantes, como el aluminio o
cobre puros, el acabado superficial puede afectar el acoplamiento inicial de la energía de láser. Las láminas con superficies muy
brillantes tal vez no se corten de manera consistente.
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C O R T E CON RAYOLASER Y CON CHORRO DE AGUA
El acero al carbono a menudo tiene orin o incrustaciones.
Estos óxidos interfieren el proceso de corte auxiliado por oxigeno y producen bordes de mala calidad. Uno de los factores que
hacen a las placas rodadas en caliente menos idóneas que las
rodadas en frio para el corte con láser es la superficie comparativamente más deficiente que suelen tener las primeras.
Las láminas de acero inoxidable y aluminio de acabado fino
para fines decorativos con frecuencia tienen cubiertas de papel
o plástico para proteger a la superficie de rayones durante la
fabricación. Aunque estas capas no tienen un efecto directo
apreciable sobre el proceso de corte, pueden causar problemas
cuando el gas auxiliar penetra entre ellas y el metal y las levanta.
Esta acción puede perjudicar algunos componentes mecánicos
como las cabezas enfocadoras.
La estabilidad del haz y la capacidad de enfoque tienen
especial importancia cuando se cortan contornos en láminas
delgadas [3.2 mm (O. 125 pulg) o menos] de acero al carbono. Se
requiere un rayo estable de bajo nivel para producir acabados
superficiales de 800 pmm (32 ppulg) o mejores. En vista de la
importancia de este mercado, se ha dedicado una atención considerable a la obtención de tales resultados. Cuando el espesor
del material excede la profundidad de foco del sistema láser, la
calidad de enfoque del haz tiene un efecto secundario sobre
la calidad de los bordes.
Ciclo de trabajo
LAMÁS ALTA velocidad (y a menudo la más alta calidad) se logra
usando un rayo que está encendido todo el tiempo. Pese a ello,
existen muchas situaciones que hacen necesario operar el rayo
VARIABLES RELACIONADAS CON EL LÁSER de pulsos.
Al cortar piezas complejas con un láser de COz, es posible
MUCKAS VARIABLES DE corte tienen que ver con el láser mismo.
que el sistema de movimiento no pueda mantener las velocidaLa idoneidad de un láser para el corte es una función de todas des lineales apropiadas para obtener cortes de buena calidad. La
estas variables.
reducción simultánea de la potencia de onda continua (CW) y la
velocidad de recomdo ayuda un poco, pero deja de ser eficaz
a velocidades inferiores a unos 500 W m i n (20 pulg/min)
Limitaciones de potencia
debido al calentamiento de la pieza de trabajo. La solución de
LA MAYOR PARTE de los láseres se caracteriza por su potencia este problema es mantener la potencia de CW y pulsar el rayo
de salida continua máxima. Aunque éste es un parámetro útil, no para reducir el porcentaje del tiempo que está encendido. Un
describe a la máquina por completo. Los láseres que trabajan programa típico seria encender el rayo el 25% del tiempo con
sólo en el modo continuo se pueden definir bastante bien con una velocidad de repetición de 500 Hz. La velocidad de repetiuna especificación de potencia. Otros pueden producir pulsos ción real depende de la capacidad del láser para generar pulsos
con potencias pico elevadas pero generan potencias medias bien definidos. No deberá haber emisión láser durante la parte
bajas. Los láseres de YAG, que normalmente trabajan en el inactiva del ciclo, pues eso calentaría el material y reduciria los
modo de pulsos, generan sus potencias medias especificadas beneficios de la operación por pulsos. Los pulsos mínimos
sólo en condiciones de pulsos especificas.
deberán tener duración y potencia uniformes.
Algunos materiales, como el acero grueso, requieren potenCiertos láseres pulsables electrónicamente tienen niveles de
cias continuas elevadas, mientras que otros, como la alúmina, “fuego lento” elevados. La comente de fuego lento se aplica para
deben cortarse con pulsos cortos de alta energia. Al aumentar la asegurar una respuesta uniforme a la corriente de pulso, y puede
potencia, también aumenta la velocidad de corte para un material producir una salida de onda continua significativa. El corte de
especifico.
materiales delgados con este tipo de rayo produce resultados
La capacidad de variar la potencia de un láser mediante insatisfactorios. En estos casos los obturadores mecánicos (uticontrol CNC es importante cuando se cortan figuras complejas, lizados con láseres no pulsables) resultan más útiles, ya que
ya que muchas veces el sistema de movimiento no puede man- producen pulsos muy uniformes y reducen la salida a cero entre
tener una velocidad constante para todos los contornos de una un pulso y otro. Las desventajas principales del pulsado mecápieza.
nico son lo limitado de la velocidad de repetición y lo lento de
la respuesta a órdenes de modificación del ciclo.
Otro tipo de pulso que se emplea para cortar se conoce como
Modalidad
pulsos realzados o superpukado. Esto requiere circuitos diseñaEL RAYO LÁSER ideal para cortar es el modo gaussiano funda- dos para generar un pulso de duración y potencia preestablecimental TE&, ya que es el que puede enfocarse en el punto más das. Por lo regular, el pulso se repite con frecuencias de 10 a 200
pequeño y el que tiene la mayor profundidad de foco (el menor Hz en el caso de láseres de YAG y de 100 a 5000 Hz para los de
cambio en la densidad de potencia con la distancia) de todos los CO,. Los láseres de YAG generalmente trabajan de este modo,
modos posibles. Los láseres de CO, de no más de 2000 watts de y muchos láseres de CO2pueden configurarse para que lo hagan.
potencia pueden producir rayos que se aproximan mucho al Los láseres de CO, de flujo lento pueden producir potencias de
varios múltiplos de su salida de onda continua cuando se operan
perfil gaussiano.
El método de evaluación del rayo es importante: los láseres en modo de pulsos realzados. Los láseres de flujo rápido, debido
que aparentan tener un buen haz según los resultados de la a lo reducido del volumen del medio, no pueden alcanzar el
prueba tradicional de quema de acrilico en realidad pueden mismo nivel de realce y pierden efectividad cuando la velocidad
resultar inestables en una escala de tiempo de milisegundos. de repetición es elevada.
Las operaciones como el grabado de cerámica y el corte de
Trabajos recientes han demostrado que estas variaciones momentáneas en la modalidad son comunes y pueden afectar Sig- materiales refractarios casi siempre se hace con pulsos realzados. Pulsos cortos y de alta intensidad vaporizan las sustancias
nificativamente la calidad del corte.
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516
C O R T E CON R A Y O L A S E R Y C O N C H O R R O
antes de que tengan tiempo de transmitir el calor por conducción.
Esto reduce el volumen de material derretido y minimiza el
refundido. La misma técnica produce buenos resultados en
materiales compuestos de matriz metálica.
Propagación del rayo
LA DISTANCIA FOCAL y el tamaño de punto que se obtienen
cuando un lente enfoca un rayo láser son funciones bien definidas de la distancia entre el lente y el láser. Debido a su alta
divergencia (el haz se abre rápidamente una vez que sale de la
cabeza del láser), los láseres de YAG nonnaimente se colocan
a menos de 1.2 m (4 ft) del lente enfocador y se mantienen a esa
distancia. El tamaño reducido de la cabeza de los láseres de YAG
permite colocarla en un eje móvil para que no haya variaciones
significativas en el foco durante el proceso.
Las cabezas de los láseres de CO, son grandes y lo mejor es
mantenerlas estacionarias; su baja divergenciapennite propagar
el rayo 10 m (30 ft) o más. Puede haber problemas cuando las
variables del proceso se ajustan correctamente para una cierta
distancia láser-lente y luego cambia dicha distancia, como sucede en los sistemas de rayo móvil. Si la distancia cambia mucho,
variará el foco y tal vez se perderá la calidad del proceso.
VARIABLES RELACIONADAS
CON EL PROCESO
UNA VEZ CONSTRUIDO un sistema láser, muchas de ias variables
mencionadas quedan fijas. No obstante, hay muchas variables más que deben controlarse para obtener cortes confiables.
Lente enfocador
ELLENTE ENFOCADOR controla el tamaño del punto y la profundidad focal. En el caso de un láser de CO, con diámetro del haz
original de 20 mm (0.8 pulg), una distancia focal de 125 Inm ( 5
pulg) produce un punto de 0.25 mm (0.01 pulg) de diámetro y
tiene una profundidad focal de 0.5 mm (0.020 pulg). Esto
funciona bien con metales de 0.25 a 10 mm (0.010 a 0.38 pulg)
de espesor, y por ello es la distancia focal más utilizada en esos
sistemas de láser.
En materiales delgados, una distancia focal de 64 min (2.5
pulg) produce mejores resultados porque el punto tiene la mitad
del tamaño que el producido con el lente de 125 min (5 pulg).
Lo pequeño del punto pennite aumentar la velocidad de recorrido y produce una superficie más tersa y cortes más angostos. Por
otro lado, la profundidad focal es de apenas la cuarta parte que
la del lente de 125 min y limita la utilidad del lente de 64 inm a
materiales con espesores de 3.2 min (1/8 pulg) o menos.
En metales gruesos o materiales orgánicos ocasionalmentese
usan lentes de 190 o 250 inin (7.5 o 10 pulg). La profuididad de
foco tan larga que ofrecen estos lentes produce cortes más rectos
que con los lentes más cortos.
Variables del gas auxiliar
CASI TODOS LOS procesos de corte con láser emplean gas aiixiliar. Las variables relacionadas con el gas tienen un efecto irnportante sobre los resultados del corte. El oxígeno reacciona con
AGUA
517
la mayor parte de los metales y con muchos no metales. El acero
al carbono suele cortarse con oxígeno para obtener la superficie
y velocidad de proceso óptimas. El plástico de acrílico puede
cortarse con oxígeno para alcanzar velocidades de corte muy
elevadas.
El aire se emplea para cortar aluminio y alúmina. Como es el
gas auxiliar más barato disponible, se utiliza mucho con no
metales, donde la composición del gas no es importante.
EI nitrógeno produce buenos resultados con el aluminio, el acero
inoxidable y las aleaciones a base de níquel. Es reactivo ante el
titanio, por lo que no debe usarse con ese metal. Para obtener
bordes limpios en titanio se debe utilizar argón, que es inerte.
Presión del gas auxiliar. El material se elimina del corte
gracias a la presión del gas, la cual varía entre casi cero para el
acrílico y 120 psi (830 kPa) para los cortes con gas inerte. En
general, al aumentar la presiónmejora la efectividad de la acción
de limpieza del gas.
Pese a lo anterior, en ciertas aplicaciones la presión del gas
auxiliar no puede exceder ciertos límites. Por ejemplo, en el
corte de acero al carbono asistido por oxígeno, un exceso de
presión provoca la combustión no controlada del material. Las
placas gruesas usualmente se cortan a presiones de 10 a 20 psi
(70 a 140 m a ) medidas en la cabeza de corte.
En materiales orgánicos gruesos, una presión de gas auxiliar
elevada genera en el área del corte productos de descomposición
incandescentes, los cuales radian energía y ensanchan el corte
en la parte media de la cara cortada.
Boquillas de gas auxiliar. La presión del gas en la cabeza
del láser se transmite a la pieza de trabajo a través de una boquilla colocada coaxialmente respecto al rayo láser. Para que haya
un flujo laminar, la boquilla deberá tener una razón de aspecto
(longitud/diáinetro) alta, pero los diseños de este tipo no son
compatibles con la óptica de enfoque del rayo, por lo que deben
hacerse concesiones.
Los diámetros de las boquillas de corte van desde 0.75 a 3.2
tnm (0.030 a 0.125 pulg). Los tamaños más pequeños se utilizan con materiales delgados. El corte de acero de 6.4 mm (1/4
pulg) con una boquilla de menos de 1.5 min (0.06 pulg) de diámetro produce resultados deficientes porque el perfil de presión
de una boquilla pequeña no se extiende la distancia suficiente
desde la línea central del rayo como para limpiar el fondo del
corte. Una boquilla demasiado grande para un material dado
gasta cantidades excesivas de gas auxiliar.
Los daños a las boquillas afectan considerablemente la calidad de los cortes. Una asimetría en la abertura altera el desempeño, variando la dirección del corte. No es posible obtener
buenos resultados al cortar metal con una boquilla mellada o
quemada.
Alejamiento de la boquilla. La distancia entre la boquilla
y el trabajo controla la presión en el corte. La relación no es lineal
porque casi todos los cortes con láser se hacen a velocidades de
flujo supersónicas, y las ondas de choque resultantes producen
patrones de presión complejos. De hecho, la presión en la pieza
de trabajo puede disminuir al acercar la boquilla. Las distancias
de alejamiento típicas son del orden del diámetro de la boquilla,
y a menudo es más importante controlar el alejamiento de la
boquilla que mantener el foco del rayo.
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DE
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518 C O R T E C O N
RAYOLÁSER Y CON CHORRO D E AGUA
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Velocidad de recorrido. Una de las razones por las que se
usa el corte con láser es que las velocidades de procesamiento
son altas. En el corte de contornos, la velocidad de procesamiento equivale a la velocidad de recorrido. Para un material, espesor
y potencia de láser dados, existe un intervalo de velocidades que
produce resultados satisfactorios. Por encima de la velocidad
máxima, el corte no atraviesa el trabajo o produce demasiada
escoria; por debajo de la velocidad mínima, el calor del proceso
de corte destruye el borde del trabajo.
En la mayor parte de los materiales, la velocidad del corte con
potencia de láser constante es más o menos inversamente proporcional al espesor. Hay un espesor máximo característico, por
encima del cual es imposible cortar a cualquier velocidad del
recomdo, y existen efectos dinámicos que reducen la eficiencia
del proceso a velocidades muy altas.
Con frecuencia es imposible mantener la velocidad lineal que
produce los mejores resultados. Por ejemplo, el acero rodado en
frío de 16 gage o 1.5 mm (0.060 pulg) debe cortarse a más de 64
mm/s (150 pulg/min) con 500 watts de potencia de CW de un
láser de CO,. Sin embargo, las piezas que suelen cortarse con
láser son demasiado complejas para que los sistemas de movimiento comunes puedan seguir los contornosa tales velocidades.
Por ejemplo, para cortar una esquina es necesario que un eje
desacelere hasta cero y el otro acelere hasta la velocidad de corte.
Si el movimiento se acelera a 0.1 g (3.2 ft/s2), la mesa deberá
recorrer 2 mm (0.080 pulg) antes de alcanzar los 64 mm/s (150
pulglmin). La reducción de la velocidad en la esquina puede
hacer que la pieza se queme.
Los sistemas de láser cuentan con varios mecanismos para
manejar esto. Uno de ellos consiste en variar la potencia de onda
continua (CW) en función de la velocidad. Esto resulta muy
efectivo cuando se emplea la relación correcta y el láser responde con rapidez a las órdenes de cambio de potencia. Otro método
consiste en conmutar a operación pulsada y cortar a baja velocidad. Aunque esto es más fácil de poner en práctica que el control
de potencia, el pulsado tiene la desventaja obvia de alargar el
tiempo de procesamiento.
El control del ciclo de trabajo en función de la velocidad
puede optimizar la velocidad y la calidad: a velocidad máxima,
el láser opera en CW; al reducirse la velocidad en las esquinas
o giros de radio pequeño, el láser se pulsa con una velocidad de
repetición elevada. El porcentaje del tiempo que el láser está
encendido se varía para adecuar10 a la velocidad instantánea. El
intervalo de velocidades de recorrido que puede manejar un
sistema de ciclo de trabajo variable es mucho más amplio que el
que puede manejarse variando la potencia de CW. Con un programa adecuado de ciclo de trabajo contra velocidad es posible
lograr la calidad óptima en cualquier geometría.
Características de los cortes
SEEMPLEANLASERES
para cortar debido a la elevada calidad de
los cortes producidos. Los atributos del corte con láser son lo
angosto del corte, la tersura del acabado superficial, la limpieza
de los bordes y la excelente precisión dimensional.
Ancho del corte. El ancho de los cortes producidos con
láseres de CO, varía entre 0.1 y 1.0 mm (0.004 y 0.040 pulg). El
objetivo usual es generar los cortes más angostos posibles, ya
que así se minimiza la cantidad de material eliminado. Esto tiene
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dos ventajas: la absorción de calor se reduce y la precisión
aumenta. Los lentes de distancia focal corta, que producen
puntos enfocados de diámetro pequeño, sirven para obtener
cortes angostos. Al aumentar el espesor del material, el corte
tiende a ensancharse. Los cortes angostos en materiales gruesos
dificultan la expulsión del material eliminado. El acero al carbono tiende a quemarse a los lados del corte, ensanchándoloaún
más.
Aspereza. Una medida de la calidad de un corte es el grado
de tersura de la superficie. La capacidad para producir piezas
terminadas puede depender en el mantenimiento de una tersura
aceptable. Es posible cortar láminas de acero al carbono de 20
gauge o 0.92 mm (0.036 pulg) con una aspereza media Ra de
menos de 800 pmm (32 ppulg). Este tipo de acabado es adecuado
para casi cualquier fin. Para obtener estos resultados, es preciso
optimizar la estabilidad del láser, la suavidad del sistema de
movimiento y la rigidez del sistema de aplicación del rayo. Al
aumentar el espesor del acero, también aumenta la aspereza del
borde cortado. El mejor acabado que puede lograrse en placas
de 9.5 mm (3/8 pulg) es del orden de 6.25 micras (250 ppulg) de
Ra. El corte con gas inerte, empleado en muchos metales para
obtener bordes listos para soldarse, utiliza presiones elevadas
para cortar. La turbulencia creada por esta presión aumenta la
aspereza superficial a cerca de 1.6 micras (63 ppulg) en material
de 1.6 mm (0.063 pulg) de espesor.
Otros materiales tienen características distintas. El plástico
de acrílico, que se vaporiza durante el corte, puede tener acabados de 200 pmm (8 ppulg) en secciones de 25 mm (1 pulg) si el
flujo de gas auxiliar es lo bastante bajo como para evitar la
turbulencia. Los plásticos como el policarbonato, que se descomponen en el rayo, quedan mucho más ásperos. Es difícil
producir acabados con menos de 6.25 micras (250 ppulg) de
aspereza en policarbonato.
Escoria. El corte de metales con láser y gas auxiliar se efectúa por la expulsión de material fundido del angosto canal creado
por un rayo láser enfocado. En determinadas circunstancias,
parte de este material se adhiere al borde inferior del corte, Esta
escoria siempre es indeseable y a menudo intolerable. En el caso
del acero al carbono, la escoria aparece cuando el foco es incorrecto, cuando la presión del gas es demasiado baja, o cuando la
velocidad de recorrido es demasiado alta. Los cortes en acero
inoxidable y aluminio casi siempre presentan adherencia de
escoria; a menudo se requieren presiones de gas auxiliar muy
elevadas para eliminarla, incluso en secciones delgadas. Pueden
usarse recubrimientos antisalpicaduras, como el grafito, para
reducir la adhesión de material refundido al borde inferior de una
lámina cortada con láser.
Precisión dimensional
LAPRECISI~NQUE
se logra al cortar piezas con láser depende de
lo siguiente:
(1) Precisión de la mesa.
(2) Capacidad del CNC para seguir los contornos programados.
(3) Estabilidad del rayo láser.
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C O R T E CON R A Y O
LASER
Y CON C H O R R O DE AGUA
519
soldadura en posición plana a lo largo de una placa inclinada y
medir la distancia entre la boquilla y la parte más angosta de la
franja de soldadura. Otro consiste en hacer una serie de cortes
Las máquinas que producen piezas con tolerancias reducidas en metal delgado al tiempo que se cambia el foco, y encontrar
deben limitar la velocidad de recorrido para minimizar los después el corte más angosto. Sea cual sea el método que se
errores de movimiento. Una vez que la mesa y su control logran utilice, es importantemantener la consistencia para que los datos
seguir con exactitud un trayecto programado, se deberá construir del proceso tengan continuidad.
un sistema de aplicación del rayo que inhiba las vibraciones y
las desviaciones durante el corte. Además, los cambios en la
posición del foco o el tamaño del punto enfocado alteran el Ajuste de la posición del foco. Para el corte de metales
ancho efectivo del corte, y por ende las dimensiones de la pieza. en general, el foco debe estar en la superficie del trabajo o
La pieza de trabajo misma es la última fuente de errores dimen- ligeramente por debajo de ella. Cuando se corta con gas inerte,
sionales. Si la pieza de trabajo se mueve debido a la expansión la escoria se minimiza si el foco se ubica a mayor profundidad.
térmica durante el corte, las piezas que se corten de ella no El foco puede ajustarse con un compás de calibre, calibradores
coincidirán con el contorno seguido por la máquina. Conforme de espesor u órdenes de CNC.
los láseres de corte se aproximen a precisiones de 0.0025 mm
(0.0001 pulg), los efectos térmicos se harán más evidentes. Mantenimiento del foco. Es importante mantener el foco
Actualmente, la única forma de controlarlos es distorsionar el en el mismo lugar durante todo el proceso de corte. Esto resulta
programa de la pieza en la dirección opuesta.
fácil en el caso de láminas planas, pero casi todos los matenales
tienen alguna deformación. El sistema de corte debe contar con
algún mecanismo de control del foco para manejar láminas
pandeadas.
Preparación para el corte con láser de CO,
El lente enfocador forma parte de la cabeza a presión y existe
COMO SE MENCIONÓ anteriormente, es preciso considerar vanos un límite para la presión que puede aguantar. Un lente estándar
factores antes de poder realizar cortes de calidad consistente.
de seleniuro de cinc de 28 mm (1.1 pulg) de diámetro y 2.5 mm
(O. 1 pulg) de espesor resiste 80 psi (550 Wa). Las presiones más
altas, como las que se usan en el corte de metales con gas inerte,
Alineación. El rayo emitido por el láser pasa por vanos
requieren lentes más gruesos.
elementos ópticos antes de incidir en el trabajo. La alineación
A presiones elevadas, el costo de operar el sistema aumenta
correcta del sistema de aplicación del rayo es indispensablepara
debido al mayor consumo de gas. Además, aumenta el peligro
un funcionamiento apropiado.
Es relativamente fácil alinear un sistema de rayo fijo. En tanto de fugas y de daños a los sellos.
el rayo no se recorte (por incidir en algún objeto opaco, como el
costado de un portaespejos) y pase por el centro del lente Gas auxiliar. La tabla 16.2 muestra las combinaciones de
enfocador y de la boquilla de gas, el sistema estará alineado. gases auxiliares más utilizadas y los materiales para los que
Además, los elementos estacionarios de los sistemas de aplica- sirven.
ción de rayo fijo tienden a mantenerse alineados porque no están
sometidos a sacudidas ni vibraciones.
Los sistemas de rayo móvil están alineados cuando no hay Concentricidad. El rayo láser enfocado debe pasar por el
cambio en la ubicación del rayo cuando los ejes se mueven centro de la boquilla de gas auxiliar para que el desempeño de
dentro de sus intervalos de desplazamiento. Esto normalmente corte sea uniforme en todas las direcciones. Todos los sistemas
se verifica para cada eje en ambos extremos de su recorrido, y de láser cuentan con algún mecanismo para ajustar la concentrilos espejos se ajustan hasta que el rayo permanece en su lugar. cidad, y hay varias marieras de comprobarla. Uno de los métodos
Los sistemas de rayo móvil tienden a desalinearse porque tienen más precisos consiste en horadar U M placa delgada [0.75 mm
(0.030pulg)] de acero al tiempo que se observa el material para
muchos espejos, trayectos de rayo largos y piezas móviles.
determinar
la dirección en que sale despedido el metal. A conLos sistemas tipo grúa corrediza se alinean igual que los de
rayo móvil. Los ejes rotacionales implican una dificultad adicie tinuación se ajusta el lente o la boquilla hasta lograr que el metal
na1 porque requieren que el rayo corra paralelo al eje con una expulsado forme una corona uniforme alrededor de la boquilla.
tolerancia de 0.2 milirradianes a fin de mantener la alineación Esto ocurrirá cuando el rayo y la boquilla estén concéntricoscon
un error de menos de 50 pmm (0.002 pdg), que es el orden de
de la boquilla cuando el eje gira.
exactitud requerido.
FOCOdel rayo. La calidad del corte con láser depende del
enfoque del rayo. La relación entre el punto focal y la superficie
del trabajo es una de las variables más importantes del proceso.
Determinación del foco. Dada la considerable variación
que hay entre lentes con la misma distancia focal nominal, es
necesario probar cada uno con el rayo encendido. Existen varias
pruebas para el punto focal. Unmétodo consiste en efectuar una
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LOCALIZACI~NDE PROBLEMAS
CONSIDERANDO
EL HECHO de que los láseres de dióxido de
carbono ya se están utilizando para procesar UM amplia gama
de materiales metálicos y no metálicos, a menudo puede ser difícil identificar las causas de los cortes de mala calidad. El dete-
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(4) Distorsión inducida en la pieza de trabajo por el proceso
de corte.
520 C O R T E C O N
RAYOLÁSER Y CON CHORRO DE AGUA
Velocidad de corte incorrecta
YAANALIZAMOSEN secciones anteriores el efecto de la velocidad de corte sobre la calidad para materiales individuales. Es
frecuente que la velocidad que produce la calidad óptima sea un
tanto más baja que la velocidad máxima, pero si se baja la velocidad por debajo de cierto valor también se reducirá la calidad.
Se obtienen resultados consistentes cuando la velocidad óptima
se determina empíricamente.
Variaciones relativamente pequeñas en la composición química de los metales ferrosos pueden producir cambios significativos en la velocidad de corte óptima cuando se corta con oxigeno como gas auxiliar.
En general, la velocidad de corte se relaciona directamente
con la potencia del láser y la densidad de potencia en la pieza
de trabajo. Si se hace necesario reducir la velocidad de corte
por debajo de un valor óptimo previamente determinado, se
debe sospechar de una falla relacionada con pérdida de potencia
o de densidad de potencia. La pérdida de potencia del láser
mismo usualmente puede detectarse por una baja en la lectura
de un medidor de potencia interno del láser. También podría
haber pérdida de potencia a lo largo del trayecto del rayo entre
el láser y el lente enfocador si cualquiera de los espejos se
ensucia. Si no han cambiado la potencia del láser ni el material
cortado, lo más probable es que la necesidad de reducir la
velocidad de corte se deba a una baja en la densidad de potencia
al ensancharse el punto enfocado en la superficie del trabajo.
El punto ensanchado casi siempre produce un corte más ancho
que antes.
Otras posibles causas de una baja en la densidad de potencia
serian un acoplador de salida del láser distorsionado y vapores
absorbentes orgánicos o inorgánicos en el trayecto del rayo.
Algunos de estos vapores son el freón, cloroetileno, disolventes
de pinturas y agentes plastificantes de polimeros. Por lo regular
basta un pequeño flujo positivo de aire o nitrógeno limpio y
seco en un extremo del trayecto del haz entre el láser y el lente
enfocador para impedir la entrada a tales vapores.
Gas auxiliar o presión
de gas auxiliar incorrectos
CUANDO SE CAMBIA el tipo de material cortado, puede ser
necesario cambiar también el tipo de gas empleado. Si se intenta
cortar materiales inflamables con oxígeno puro existe peligro
de incendio. Si se quiere cortar la generalidad de los metales
con aire o gas inerte parecerá que se corta sin la suficiente
potencia.
También puede observarse un deterioro de la calidad del corte
cuando la presión del gas auxiliar se aparta de su nivel óptimo.
Un ejemplo se presenta cuando un cilindro de gas se vacía. EI
efecto observado seria una mayor acumulación de escoria de
óxidos al cortar metales.
Altura de la boquilla incorrecta
ALCORTARMETALES,
la boquilla debe estar relativamente Cerca de la superficie [OS a 2 mm (0.02 a 0.08 pulg)] para asegurar
una eliminación óptima de la escoria fundida. Cuando se cortan
materiales en los que no es preciso expulsar productos de corte
fundidos, la separación es menos critica. En el caso de plásticos
que se ablandan con el calor, como los de acrilico, puede haber
un efecto de escarchado en el borde de corte producido por el
flujo de gas de la boquilla. Este efecto puede minimizarse
aumentando la distancia entre la boquilla y la pieza de trabajo y
utilizando un flujo de gas minimo.
Se puede usar una sonda de control de altura para mantener
una distancia constante entre la boquilla y la pieza de trabajo.
Existen sensores tanto de contacto como de no contacto para
detectar las ondulaciones de la pieza de trabajo. Los dispositivos
de no contacto, como los sensores capacitivos, son los más
apropiados para cortar metales.
Distancia focal del lente o ajuste
de foco del haz incorrectos
ESTASITUACIÓN SE presenta con mayor frecuencia después de
cambiar un lente.
Si el punto focal está bastante más arriba o abajo de la punta
de la boquilla, ésta interceptará parte del rayo y por tanto se
calentará mucho. La potencia que llegue a la pieza de trabajo
será menor y bajará el rendimiento de corte. Puede haber
reflexiones del barreno de la boquilla que causen marcas de
quemadura a los lados del corte; esto se nota sobre todo en
materiales sensibles a la temperatura, como el papel y los
plásticos.
Si el foco está dentro o justo arriba de la punta de ia boquilla,
el rayo podrá pasar sin problemas por el orificio, pero estará
divergiendo cuando llegue a la superficie de la pieza de trabajo;
esto producirá un corte más ancho que lo normal, y la velocidad
de corte bajará por la pérdida de densidad de potencia.
Lente defectuoso o sucio
SI EL LENTE adquiere defectos o se ensucia, la posición del
punto focal cambiará durante las operaciones de corte debido al
enfoque térmico. Si esto sucede, su efecto será como el que se
describió anteriormente para el caso en que el ajuste del foco del
rayo es incorrecto.
Cabe sefialar que también puede haber una reducción en la
distancia focal cuando el acoplador de salida del láser presenta
enfoque térmico.
Alineación incorrecta el rayo
en la cabeza de corte
SI, AL SALIR de la boquilla, el rayo Iaser no es concéntrico con
respecto al chorro de gas, la acción de corte puede ser asiinétrica.
Si el rayo está tail mal alineado que toca la boquilla, ésta puede
sobrecaieiitarse.
EI efecto del corte asiinétrico en inetnles es inducir una acción
de sobrequemado preferencialmente en un lado del corte, o
producir un corte con adherencia asiinétrica de escoria en ia
superficie inferior. Cuando hay sobrequemado preferencial, se
debe a que el linz está desplazado del centro de la boquilla hacia
el lado en que ocurre el quemado.
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Punta de la boquilla dañada
ESTO PUEDE OCURRIR cuando óxido fundido cae en la boquilla
durante la horadación de metales o cuando se intenta cortar metal
con demasiada rapidez.
El efecto es el mismo que cuando el rayo está mal alineado
dentro de la boquilla, porque el perfil del chorro de gas se volverá
asimétrico debido al daño.
Efecto de la polarización
LAPOLARIZACI~NDELrayo láser es importante sobre todo cuando se cortan metales ferrosos y otros metales reactivos con
521
oxígeno. La luz de láser se puede polarizar de varias formas:
linealmente, elípticamente, circularmente o al azar, dependiendo
del diseño del láser. Los mejores resultados en el corte de metales
asistido por oxígeno se obtienen empleando polarización circular. Las polarizaciones lineal y elíptica no cortan igualmente en
todas las direcciones de desplazamiento, y tienden a producir un
borde de corte inclinado en ciertas direcciones. La polarización
al azar sólo produce cortes aceptables si se mantiene consistentemente aleatoria. Puede hacerse que un láser que emite luz
polarizada linealmente corte bien mediante la inserción de dispositivos ópticos (llamados cambiadoresdefase opohrizadores
circulares) en el trayecto del haz con el fin de convertir la
polarización lineal en circular.
INSPECCIÓN
L O S CRITERIOS DE inspecciónpara los cortes con láser dependen
en gran medida del material cortado. Tres áreas en las que se
debe poner atención al inspeccionar materiales cortados por
láser son el aspecto físico, la precisión dimensional y las alteraciones térmicas.
La inspección visual es el primer y muchas veces el único
método de inspección en el corte con láser. La superficie cortada
se inspecciona visualmente para detectar escoria (metal resolidificado adherido al borde inferior del corte), que usualmente es
inaceptable. La aspereza superficial se examina cualitativamente para determinar si el corte es similar a cortes aceptables previos efectuados en el mismo metal. También debe tomarse nota
del color del borde metálico cortado.
Algunos metales, como el titanio, los aceros inoxidables y
las aleaciones a base de níquel por lo regular se cortan con gas
inerte para producir cortes libres de óxido de color plateado
brillante. Los cortes libres de óxido son ventajosos cuando el
componente cortado se va a soldar posteriormente, o cuando la
superficie cortada queda expuesta en el producto final. Se observa el ángulo de las estrías en el corte debido a su relación con
la velocidad de corte. Si ésta se acerca a la velocidad máxima,
las estrías verticales estarán desviadas en la raíz del corte. Las
velocidades de corte más bajas producen estrías perfectamente
verticales.
Los no metales, como plásticos, cerámica, madera y materiales compuestos, a menudo se cortan con láser. El aspecto de la
superficie cortada en estos materiales varía considerablemente.
Los cortes efectuados en las condiciones correctas producen
bordes pulidos a fuego en los termoplásticos. Los plásticos
termofijos se cortan de modo que se minimicen la carbonización
y las manchas. En las cerámicas lo que se procura detectar
visualmente por lo regular son grietas debidas a su baja ductilidad y tenacidad.
La precisión dimensional es otro factor de la calidad del corte.
Los componentespueden examinarse con dispositivos de medi-
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ción tradicionales, lográndose comúnmente precisiones de ? 25
pmm (0.001 pulg). Un factor que controla la precisión dimensional es el acabado superficial del corte.
La aspereza superficial en metales cortados con láser varía
a lo ancho de la cara del corte. Por lo regular, la superficie
superior queda más lisa que la inferior; por tanto, las mediciones de aspereza superficial siempre deben hacerse en el mismo
lugar.
La divergencia o falta de paralelismo es otro valor dimensional que se evalúa en los cortes con láser. El valor mínimo del
paralelismo depende del material cortado, y en el caso de láminas de metal se puede mantener entre 5 y 25 minutos angulares.
Las alteraciones térmicas del sustrato pueden tener efectos
drásticos sobre la vida útil de los componentes cortados con
láser. La inspección para determinar alteraciones térmicas gene
ralmente se efectúa destructivamente.
Los metales que se cortan con láser se inspeccionan para
determinar el tamaño de la zona afectada por el calor (heat-affected zone, HAZ), la cantidad de metal resolidificado en la
superficie del corte (refundido) y la longitud y número de las
microgrietas que penetran en el refundido, en la HAZ y en el
metal base.
La HAZ en metales cortados con láser vana con la composición y el espesor. El ancho de la HAZ suele estar entre 0.025 y
0.25 mm (0.001 y 0.010 pulg). La HAZ es uniforme a todo lo
ancho de la cara del corte. La escoria en la parte inferior del corte
puede hacer que la HAZ aumente en la raíz del corte.
El corte de metales con láser produce una fase líquida en el
metal, la cual se elimina con un chorro de gas coaxial. Una parte
de la fase fundida se adhiere al metal base y se resolidifica en
las paredes de la superficie cortada. Este metal resolidificado se
conoce como refundido.La profundidad del refundido suele ser
de unas cuantas milésimas de pulgada en el corte con láser.
Las microgrietas pueden deberse al aporte.de calor que implica el corte con láser. El proceso puede producir esfuerzos
térmicos elevados en el borde cortado que pueden redundar en
la nucleación de microgrietas. Estas pequeñas resquebrajaduras
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INSPECCIÓN Y CONTROL DE CALIDAD
CORTE CON RAYOLASER Y CON CHORRO DE AGUA
pueden afectar la vida útil del componente cortado si el material
tiene baja tenacidad. Algunos metales sufren microgrietas con
mayor facilidad que otros. Por ejemplo, las aleaciones de aluminio térmicamente tratables pierden ductilidad a temperaturas
elevadas, fenómeno conocido como cortedad caliente. Estos
metales son especialmente sensibles a la formación de microgrietas.
Las microgrietas se cuantifican mediante una sección transversal metalográfica para determinar ya sea la longitud máxima de las grietas, la longitud media de las grietas o el número
total de grietas. La ubicación de las microgrietas también es
pertinente. Si están en la capa de refundido pueden ser aceptables, pero las que se extienden a la HAZ o al metal original
probablementeno lo sean. La aceptabilidad del tamaño, número
y ubicación de las microgrietas depende de la tenacidad del
metal, el servicio para el que está destinado el componente
cortado y las especificaciones de la industria.
Las alteraciones térmicas de los no metales pueden ser benéficas o perjudiciales. Un corte con láser de un material fibroso
en un termoplástico sella el borde, en tanto que los cortes mecánicos dejan un borde raido. La deslaminación causada por el
corte con láser en otros materiales compuestos puede conducir
a una falla prematura.
CALIDAD
SEPUEDENPRODUCIR
cortes de alta calidad con láser si se siguen
los procedimientos correctos. La elevada densidad de energía
que se puede alcanzar con este proceso permite separar materia-
les con un minimo de aporte de calor y de alteración de la
superficie cortada.
Un factor clave para obtener buena calidad con un minimo
de aporte de calor al material es la modalidad del láser, la cual
rige la distribución de energia a lo ancho del rayo. La modalidad
óptima tiene una distribución gaussiana, que en el caso de los
modos de láser se denomina TE%. Un modo gaussianopermite
enfocar el rayo láser en un punto de diámetro mínimo para un
lente de distancia focal dada. El punto con diámetro mínimo
producirá el aporte de calor mínimo y las velocidades de alimentación máximas.
La distancia focal del lente también afecta la calidad. Por lo
regular, al aumentar el espesor del material, la distancia focal
también deberá aumentarse para un rayo de diámetro dado. El
lente con mayor distancia focal tendrá mayor profundidad de
campo y mantendrá la densidad de potencia adecuada para cortar el material y minimizar la divergencia de las paredes del
corte.
La posición focal en el material es importante para mantener
resultados consistentes. A menudo ésta es la única variable que
se controla en tiempo real mediante técnicas de autoenfocado.
Los dos métodos de autoenfocadomás comunes son el mecánico
y el de sensor capacitivo. El método mecánico se basa en un
mecanismo tensado por resorte que se apoya en el material
cortado para mantener el foco correcto, y se usa principalmente
al cortar láminas planas. El método de sensor capacitivo de
emplea en materiales conductores.
La combinación correcta de las variables anteriores produce
cortes de excelentecalidad en una amplia variedad de materiales.
SEGURIDAD EN EL CORTE CON LÁSER
LASAREAS QUE amentan atención en cuanto a la seguridad en el
corte con láser se pueden dividir en las siguientes categorías:
(1) Seguridad general.
(2) Fuentes de potencia de alto voltaje.
(3) Exposición a la luz directa o reflejada.
(4) Vapores de los materiales cortados.
Cada una de estas áreas se tratará por separado en las secciones que siguen. La sección sobre seguridad general se aplica a
las demás secciones ya que incluye definiciones y términos que
se emplean en toda esta guia.
Las pautas de seguridad para láser se deben inculcar en todas
las personas que operen láseres o que trabajen en sus cercanías
SEGURIDAD GENERAL
LANORMA QUE se emplea en Estados Unidos para designar una
instalación de láser es ANSI 2136.1 (última edición), uso seguro
de láseres. Esta especificación detalla los criterios ininimos que
debe satisfacer la construcción de instalaciones y define la ter-
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minologia común referente a la seguridad de láseres. Aunque las
instalaciones nuevas no deben tener problemas de ninguna clase
para cumplir con estos requisitos, no hay que olvidar que las
modificaciones que se hagan a las instalaciones existentes también deberán cumplirlos.
ANSI 2136.1 también define las clasificaciones de riesgo de
los láseres. Se definen cuatro clases, pero sólo los láseres de clase
IV (“alta potencia”) suelen emplearse para cortar. Sin embargo,
algunos sistemas de corte con láser utilizan un láser de helioneóii (He-Ne) de luz visible de “baja potencia” para la alineación
del rayo. Es preciso colocar avisos o señales apropiadas en las
áreas que están expuestas a rayos láser. Los lugares en los que
estos rayos están expuestos a la atmósfera deben estar encerrados
en alguna especie de recinto opaco a la luz. Debe recordarse que
un rayo de alta potencia coliinado o no enfocado es más peligroso
a distancias grandes que los rayos enfocados, que divergen con
mucha mayor rapidez.
Algunos láseres pueden producir bastante ruido, sobre todo si
se usan en áreas encerradas. Se recomienda consultar a un especialista en protecciónauditiva para determinar los métodos apre
piados de prevenirse contra el ruido excesivo.
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522
C O R T E CON R A Y O L Á S E R Y C O N C H O R R O D E A G U A
FUENTES DE POTENCIA DE ALTO VOLTAJE
PUESTO QUE LOS láseres manejan voltajes elevados, además de
grandes dispositivos de almacenamiento capacitivo, siempre
está presente la posibilidad de un choque eléctrico letal. Todas
las muertes relacionadas con láseres de que se ha informado han
tenido que ver con el alto voltaje presente en el sistema.
Todos los componentes eléctricos deben cumplir con las
normas NEMA y con ANSI/NFPA 70 (última edición). Todo el
personal que trabaje cerca de los componentesde alto voltaje de
un láser deberá estar capacitado en las técnicas de seguridad
apropiadas para los sistemas eléctricos. Se deben instalar dispositivos de aterrizaje e interbloqueo apropiados alrededor de
todos los componentes de alto voltaje. Deberá haber mecanismos para descargar los condensadoresantes de que una persona
pueda tener acceso a áreas que contienencomponentescon carga
eléctrica.
EXPOSICIÓN A LA LUZ DIRECTA
O REFLEJADA
LA EXPOSICIÓN AL rayo es el peligro más común asociado al
corte con láser. Los láseres capaces de cortar materiales de
ingeniería también pueden inflingir daños considerables en el
cuerpo humano. La exposición a rayos láser puede dañar los
ojos, incluyendoquemadurasde la córnea o la retina, o de ambas.
Los láseres también pueden causar daños graves a la piel y a los
tejidos en áreas desprotegidas del cuerpo.
523
Existen dos referencias principales en lo tocante a la protección ocular cerca de los láseres: ANSI 287.1 (última edición)
sobre protección para los ojos y la cara, y la Guia paru lu
selecciónde protección ocular contra láseres, del Laser Institute
of America. Ambas ofrecen recomendaciones para proteger
adecuadamente la vista. La preocupación principal al elegir
protección ocular para láseres es bloquear la luz de la longitud
de onda que se está usando para soldar o cortar. Cuando se
utilizan rayos de alta potencia, los láseres tienden a producir
plumas de plasma extremadamentebrillantes, por lo que hay que
usar gafas coloreadas para protegerse de estas fuentes de luz
intensa. Los exámenes oculares frecuentes también deben ser
parte del programa de protección de la vista para asegurarse de
que la protección sea adecuada.
VAPORES DE LOS MATERIALES CORTADOS
MUCHOSMATERIALES QUE se cortan con láser emiten vapores,
polvos o humos tóxicos. Se ha demostrado con estudios que el
corte con láser de polimetihnetacrilato, policloruro de vinilo y
Kevlar genera subproductos que contienen compuestos tóxicos
y carcinogénicos. Hay que tomar medidas para que el área de operación del láser cuente con la ventilación apropiada. Antes de
cortar cualquier material, se debe consultar las hojas de datos
de seguridad de materiales para determinar los peligros a la salud
que representan y las técnicas de prevención aplicables. También
deben estar disponibles extinguidores contra incendio en caso
de que el proceso de corte con láser llegue a iniciar un fuego.
CORTE CON CHORRO DE AGUA
INTRODUCCIÓN
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ELMAQUINADO
CON un chorro de agua, conocido también como
maquinado hidrodinánzico, corta una amplia variedad de materiales, tanto metales como no metales, empleando un chorro de
agua de alta velocidad. El chorro se forma haciendo pasar el agua
a alta presión [30,000 a 60,000 psi (207 a 414 MPa)] por un
orificio de O. 1 a 0.6 mm (0.004 a 0.024 pulg) de diámetro hecho
enun zafiro artificial. La velocidad del chorro va desde 520 hasta
914 m/s (1700 a 3000 ft/s). A estas velocidades y presiones, el
agua erosiona con rapidez muchos materiales, actuando como
una sierra. La comente de agua, con una velocidad de flujo de
0.4 a 19 L/min (0.1 a 5 galoneslmin) por lo regular se manipula
mediante un sistema de robot o de grúa corrediza, pero las piezas de trabajo pequeñas pueden hacerse pasar a mano por un
chorro de agua estacionario. El intervalo típico de distancias
entre la boquilla y el trabajo es de 0.25 a 25 mm (0.010 a 1.0
pulg), prefiriéndose las distancias inferiores a los 6.4 m m (1/4
PUW
Los metales y otros materiales duros se cortan añadiendo un
abrasivo pulverizado al chorro de agua. Con este método, llamado maquinado hidroabrasivo o maquinado con chorro abrasivo,
las partículas abrasivas (frecuentementegranate) son aceleradas
por el agua y realizan la mayor parte de la acción de corte. Se
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requieren tasas de flujo de agua más altas para acelerar las
partículas abrasivas.
Los materiales se cortan limpiamente, sin bordes raídos (a
menos que la velocidad transversal sea demasiado alta), sin
calor, y generalmente con mayor rapidez que con una sierra de
banda. Se produce un corte angosto [0.8 a 2.5 mm (0.030 a O. 100
pulg)] y terso. No hay problemas técnicos, de deslaminación o
de deformación cuando se aplica correctamente. Tampoco se
produce polvo.
HISTORIA
LOS ANTIGUOS EGIPCIOS usaban arena combinada con agua para
operaciones de mineria y limpieza. Los lijadores de arena de este
siglo emplean una corriente a presión [500 psi (3400 Wa)] para
limpiar y quitar pintura. En 1968, Franze patent0 la idea de un
sistema de corte de chorro de agua a muy alta presión. Su patente
para producir un flujo coherente que cortara implicaba la adición
de un polímero líquido de cadena larga a la comente de agua
para evitar que se disgregara al salir por el orificio de la cámara
a presión.
Antes de su aplicación como herramienta de corte en la
industria, el agua a alta presión se usó para cortar tanto en silvi-
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CORTE CON R A Y O L A S E R Y CON C H O R R O DE AGUA
cultura como en mineria. En la década de 1970, se desarrolló
tecnología de corte con chorro de agua de alta presión [30 O00
a 55 o00 psi (207 a 379 m a ) ] para cortar no metales. EI primer
sistema comercial de corte con chorro de agua se vendió en 1971,
para cortar piezas de muebles de bloques de papel laminado que
las sierras de banda, las sierras reciprocantes y los ennitadores
no podían manejar bien. En 1983 se modificó el proceso por la
adición de abrasivos como partículas de silica y granate al chorro
para cortar metales, compuestos y otros materiales.
ÁREA DE APLICACIÓN
Los SISTEMAS DE chorro de agua y de chorro de agua abrasivo
compiten con procesos como las sierras de banda, la cuchilla
reciprocante y el corte con flama, plasma y láser. Pueden procesar materiales que sufren daños por el calor de procesos térmicos
o que atascan las herramientas de corte mecánicas. En algunos
casos, pueden sustituir con efectividad de costos tres operaciones: desbastado, maquinado y eliminación de rebabas de piezas
contomeadas.
La gama tan amplia de materiales que se pueden cortar puede
apreciarse en la tabla 16.8. Muchas veces se piensa en el maquinado con chorro de agua y abrasivo como un sistema de procesamiento de material en láminas, pero no sólo sirve para esto.
Como ejemplos de cortes que ponen a prueba los límites del
proceso están el acero al carbono de 190 mm (7.5 pulg) de
espesor, aluminio 7075 T-6 de 75 mm (3 pulg) de espesor,
grafitolepoxy de 64 mm (2.5 pulg) de espesor con 470 capas, y
titanio de 250 mm (10 pulg) de espesor.
USOS Y VENTAJAS
LAAMPLIA GAMA de aplicaciones y la ausencia de calor son las
principales ventajas del corte con chorro de agua. La versatilidad
del proceso queda demostrada por el corte simultáneo de acero
al carbono, latón, cobre, aluminio y acero inoxidable que se
muestra en la figura 16.9. Los chorros abrasivos son especialmente ventajosospara cortar laminados de diferentes materiales,
incluidos emparedados de metales y no metales. Puesto que el
chorro abrasivo puede penetrar en casi cualquier material, no se
requiere perforado previo para iniciar el corte, y éste puede ser
omnidireccional. Se pueden anidar y cortar múltiples figuras,
dependiendo de los límites del sistema de control y del tamaño
de la pieza de trabajo. EI ahusamiento del corte generalmente no
representa un problema a menos que la velocidad de corte sea
demasiado alta, las piezas de trabajo sean demasiado gruesas o
se usen boquillas desgastadas. Se requiere muy poca o ninguna
eliminación de rebabas, y el proceso se adapta con facilidad al
control robótico.
No hay herramientas que se desgasten, aparte del orificio y
la boquilla, aunque puede haber algún desgaste del mecanismo
de robot. Se generan fuerzas laterales mínimas, lo que simplifica
la accesorización.
Las tolerancias dependen del equipo y del material y espesor
de la pieza de trabajo, pero pueden ser tan exactas como ? O. 1
mm (I0.004 pulg) en las dimensiones y $: 50 mm (5 0.002 pulg)
en la colocación. Con láser se obtienen tolerancias más estrechas.
Los acabados presentan amplias variaciones. Se ha informado de acabados con chorro de agua abrasiva en componentes
aeroespaciales en el intervalo de 63 a 250 ppulg de Ra.
En el corte con chorro de agua simple, el ancho del corte suele
ser de O. 13 mm (0.005 pulg) o más; En el corte con chorro de
agua abrasiva suele ser de 0.8 mm (0.032 pulg) o más. EI chorro
de agua tiende a abrirse al salir de la boquilla, por lo que el corte
es más ancho en la parte baja que en la alta. La divergencia del
corte puede reducirse agregando al agua polimeros de cadena
larga, como el óxido de polietileno, o reduciendo la velocidad
de corte.
Con excepción de los sistemas avanzados para aplicaciones
aeroespaciales, la mayor parte de los sistemas de chorro de agua
y abrasivo controlados por CNC son relativamente fáciles de
programar.
LIMITAC10NES
LASVELOCIDADES DE corte relativamente bajas son la principal
limitación del sistema de corte con chorro de agua. En la tabla
16.9 se presentan las velocidades de corte típicas. Otra limitación es que debe contarse con un dispositivo para recolectar el
líquido del chorro de corte. Los costos de capital iniciales son
elevados debido a las bombas y la cámara de presión requeridas
para impulsar y dirigir el chorro de agua.
El material cortado debe ser más blando que el abrasivo utilizado. Los metales ductiles muy delgados tienden a sufrir esfuerzos
Tabla 16.8
Velocidades de corte con chorro de aaua para diversos materiales
Material
Plástico ABS
Carth
Cartón corrugado
Tarjeta de circuitos
Cuero
Plexiglás
Hule
Alfombra con respaldo de hule
Madera
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Espesor
Velocidad de recorrido
PW
mm
pulglmin
mmlseg
0.080
0.055
0.250
0.1 03
0.063
0.118
0.050
0.375
0.125
2.0
1.4
6.4
2.6
1.6
3.0
1.3
9.5
3.2
80
240
120
1O0
3800
35
3600
6000
40
34
1o2
51
423
1600
15
1500
2500
17
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524
C O R T E CON R A Y O L Á S E R
Y C O N C H O R R O DE AGUA
525
de desecho y de las particulas suspendidas que resultan de la
operación de corte.
La vida sin fatiga de los bordes cortados con chorro de agua
en estructuras aeroespaciales críticas puede ser menor que la de
bordes cizallados crudos si las partículas de abrasivo utilizadas
son gruesas (grano 60). La reducción del tamaño de particula a
grano 150 incrementa la vida sin fatiga 50% o más, pero esto
implica también una reducción en la velocidad de corte.
FUNDAMENTOS
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EL AGUA DE entrada pasa primero por una bomba elevadora para
aumentar su presión a cerca de 190 psi (1300 Wa) y filtrarla.
Luego, una bomba intensificadora (una bomba de tipo reciprocante de doble acción de impulso Biidráulico) crea una presión
de agua de 30 O00 a 60 O00 psi (207 a 414 MPa) con una
velocidad de flujo de hasta 13.3 L/min (3.5 gal/miii). El agua es
forzada a pasar por un orificio de zafiro, formando el chorro. La
velocidad del chorro depende de la presión del agua.
Para el corte abrasivo, los abrasivos secos se pueden alimentar desde una tolva a una cámara de mezclado, donde el agua
acelera las partículas hasta velocidadessupersónicas. La suspensión a alta velocidad se enfoca y sale por la boquilla en un flujo
de 0.5 a 2.3 mm (0.020 a 0.090 pulg) de diámetro. Pueden obtenerse chorros de agua de hasta 80 pmm (0.003 pulg), adecuados
para cortar papel. Los chorros abrasivos en general no tienen
diámetros inenores que 0.23 r n m (0.009pulg).
Dependiendo de las propiedades del material por cortar, el
corte real es un resultado de la erosión, el cizallamiento o el
vencimiento bajo la acción de campos de esfuerzos localizados
que cambian rápidamente. El proceso no produce distorsiones
térmicas ni mecánicas, aunque en los metales hay un ligero
endurecimiento en la superficie del corte. Corriente abajo del
corte, el agua o el flujo de agua y abrasivo se recoge en un tanque
o colector.
VARIACIONES DEL PROCESO
LA PROFUNDIDAD DEL corte y sus caracteristicas superficiales
varían con las siguientes variables: (1) presión y diámetro del
Figura 16.9-Corte de diversos metales en pila con
chorro de agua; (2) tamaño, tipo y velocidad de flujo del material
chorro abrasivo
abrasivo; (3) velocidad transversal; (4) ángulo de corte, y (5)
número de pasadas.
Si se aumentan la presión y el diámetro del chorro, y se reduce
la velocidad transversal, será posible cortar con el chorro de agua
de flexión por el chorro abrasivo y presentan rebabas de salida. piezas de trabajo de mayor espesor y densidad. Al aumentar la
Los materiales cerámicos cortados con chorro de agua presentan velocidad de flujo del agua, el abrasivo, o ambos, y al aumentar
el tamafio del abrasivo, aumenta la velocidad de corte de un
una reducción en la resistencia que tienen recién homeados.
Las boquillas deben reemplazarse cada dos o cuatro horas (o chorro abrasivo. El empleo de partículas de abrasivomás pequea veces más seguido aún) en los sistemas de chorro de agua con ñas y velocidades de corte más bajas mejora la calidad del borde
abrasivo. Las particulas desgastan las boquillas de carburo hasta en los cortes.
En el corte con chorro abrasivo, un aumento en la presión del
que pierden su circularidad, y el chorro pierde su simetría,
haciendo que se deteriore la calidad del corte.
agua permite cortar placas de mayor espesor, pues las particulas
El suministro de agua Óptimo es agua deionizada filtrada para adquieren mayor velocidad. La presión óptima tiende a permaeliminar partículas de hasta 0.5 micras, con el fin de reducir el necer dentro del intervalo de 30 O00 a 45 O00 psi (207 a 310
mantenimiento, pero existen otras opciones de tratamiento del MPa), ya que las presiones más elevadas implican mayores
agua. Muchos sistemas operan con éxito empleando agua de la costos de mantenimiento del equipo con beneficios de poca
llave pasada por filtros de línea simples, si la dureza del agua no monta para el proceso. Las partículas de abrasivo finas, por
es muy alta. Es necesario disponer adecuadamente del agua debajo de la malla 150, son relativamente ineficaces; el tamaño
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526
CORTE CON R A Y O L A S E R Y CON CHORRO DE AGUA
Tabla 16.9
Velocidades de corte de diversos materiales con chorro de aaua abrasivo
Aluminio
Aluminio
Aluminio
Latón
latón
Bronce
Cobre
Cobre
Plomo
Acero al carbono
Hierro colado
Acero inoxidable
Acero inoxidable (304)
Acero inoxidable (304)
Placa blindada
Inconel
Inconel 718
Titanio
Titanio
Acero de herramienta
Cerámica (99.6% de aluminio)
Fibra de vidrio
Fibra de vidrio
Vidrio
Vidrio
Grafitolepoxy
Grafitolepoxy
Kevlar
Kevlar
Lexano
Compuesto con matriz metálica
Resinafenóiica
Plexiglás
Correa de hule
0.125
0.50
0.75
0.125
0.425
1.o
0.063
0.625
2.0
0.75
1.5
0.1
1.o
4.0
0.75
0.625
1.25
0.025
0.500
0.250
0.025
0.100
0.250
0.250
0.75
0.250
1.o
0.375
1.o
0.5
0.125
0.5
,175
0.300
más efectivo de aplicación general para el corte de metales es la
malla 60 u 80. En el caso de cerámicas muy duras, en ocasiones
se emplea carburo de boro como abrasivo.
Las velocidades de flujo de abrasivo altas resultan en costos
de corte elevados: una velocidad de flujo nominal de 1 kg/inin
a 0.24 dólares/kg resulta en un costo por hora de 14.40 dólares,
sin incluir los costos de limpieza y manejo posterior. Esto
representa una fracción considerable del costo por hora total.
Estas velocidades de flujo tan altas también ocasionan un rápido
desgaste de las boquillas mezcladoras.
Aunque muchas operaciones se completan con una sola pasada, el corte óptimo de metales gruesos puede requerir varias
pasadas a una velocidad transversal óptima. En cada pasada, la
distancia de separación será mayor, por lo que se requerirá una
velocidad transversal más lenta.
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Velocidad de recorrido
Espesor
Pub
mm
3.2
12.7
19.0
3.2
10.8
25.4
1.6
15.9
50.8
19.1
38.1
2.5
25.4
101.6
19.1
15.9
31.8
0.6
12.7
6.4
0.6
2.5
6.4
6.4
19.1
6.4
25.4
9.5
25.4
12.7
3.2
12.7
4.4
7.6
pulg/min
40
18
5
20
5
1
35
8
8
8
1
25
4
1
10
8
1
60
12
10
6
200
1O0
1O0
40
80
15
40
3
12
30
10
50
200
mm/seg
17
8
2
8.5
2
0.5
15
3
3
3
0.5
25
2
0.5
4
3
0.5
25
5
4
2.5
85
42
42
17
34
6
17
1.3
5
13
4
21
05
EQUIPO
LOS COMPONENTES CLAVES del equipo para un sistema de chorro
de agua o de chorro abrasivo son (1) la bomba o intensificador
especial de alta presión que se emplea para obtener el chorro de
agua, (2) la tubería y el tanque o unidad colectora para disponer
del agua, (3) la grUa corrediza, robot u otro sistema de aplicación para guiar el chorro de agua y (4) la unidad de boquilla,
que fonna el chorro. En el caso de los chorros de agua abrasivos,
hay un sistema de alimentación del abrasivo que incluye una
tolva, una válvula medidora y una unidad de mezclado, que
incorpora las partículas de abrasivo al chorro de agua (véase la
figura 16.10).
El equipo puede adquirirse desde componentes individuales
hasta ináquinas herramienta acabadas. Los sistemas más com-
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Material
C O R T E CON R A Y O L A S E R Y C O N C H O R R O D E A G U A
527
COMBINA CON,AGUA
A ALTA PRESION EN LA
CÁMARA DE MEZCLADO.
Figura 16.lû-Sistema típico de corte con chorro de agua y abrasivo
--`,,,```-`-`,,`,,`,`,,`---
plejos, como los robots de 5 ejes, por lo regular se construyen a
la medida. En ocasiones, se ha hecho la conversión de máquinas
de corte por flama para cortar con chorro de agua.
Consumibles
ELPIUNCIPAL
COMPONENTE de desgaste dei equipo es el orificio
de zafiro y, en sistemas de abrasivo, la boquilla de carburo para
el abrasivo. En los sistemas de chorro de agua pura, un zafiro
artificial puede durar hasta 200 horas. En los sistemas de abrasivo, las boquillas de carburo duran apenas de dos a cuatro horas.
Otros consumibles son el agua, el abrasivo y la electricidad. Las
partículas de abrasivo se gastan a razón de O. 1 a 1.4 kg (0.25 lb
a 3.0 lb) por minuto.
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Equipo accesorio
PUEDEUSARSE
EQUIPOauxiliar para cargar y descargar las piezas
de trabajo, como grúas, robots de grúa corrediza o robots de
pedestal. Este equipo para manejo del material no suele formar
parte del sistema, robótico o de otro tipo, que impulsa la cabeza
de corte por chorro de agua.
Para el corte de contornos en cinco ejes puede ser necesario
instalar un dispositivo recolector especial para detener el chorro
de agua y disipar su energía.
El agua dura puede requerir un sistema de tratamiento de
aguas.
Una operación indispensable es la limpieza periódica de la
mesa de agua para retirar las partículas de abrasivo y metal
generadas durante el corte.
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528 C O R T E C O N R A Y O L A S E R Y C O N C H O R R O D E A G U A
El ruido generado durante el corte suele ser del orden de 80 a
95 decibeles, pero puede alcanzar los 120 dB. Los recintos de
ACTUALMENTEEXISTEN
C ~ O deSaplicaciones fabriles instaseguridad provistos para proteger al operador de la operación
ladas en varias docenas de países, incluidos más de 100 robots de corte están diseñados para absorber el sonido, pero se recoequipados con chorro de agua. Entre las industrias que emplean mienda que el operador utilice protección adicional para los
la tecnología están la automotriz, aeroespacial y defensa, mate- oídos.
riales de construcción, tarjetas de circuitos, talleres de fabricaEl personal de mantenimiento debe estar capacitado para
ción, fundiciones, alimentos, vidrio, talleres de reparación, mi- manejar el equipo y las tuberías de agua de alta presión. La
nería, equipo para pozos de gas y de petróleo, empaque, papel, instalación de corte debe diseñarse de modo que proteja contra
hule, astilleros y centros de servicio de aceros. En la figura 16.11 una descarga de agua a alta presión en caso de ruptura de alguno
se muestra una hoja de sierra circular de acero cortada por de los tubos. Se utilizan sensores de presión para apagar el
maquinado hidroabrasivo.
sistema cuando se presenta una falla en las tuberías.
Las aplicaciones aeroespaciales incluyen el corte con chorro
abrasivo de estructuras compuestas avanzadas, de superaleaciones de titanio, níquel y cobalto, y de metal y fibra de vidrio en
pilas. El chorro de agua con abrasivo resulta especialmente útil
para cortar materiales compuestos en virtud de que no produce
deslaminación ni daños térmicos.
Las fábricas de automóviles y sus proveedores emplean chorros de agua y chorros abrasivos para recortar alfombras, tableros y parachoques de materiales compuestos, forros de puertas
y cristales.
Las fundiciones utilizan chorros abrasivos para eliminar arena quemada adherida al exterior de piezas coladas de hierro y
para retirar las capas de cerámica de las piezas coladas por
investidura. Otras aplicaciones comunes son la eliminación de
portillos y aletas.
APLICACIONES
ASPECTOS ECONÓMICOS
SEHAESTIMADO
que el costo total de operar un sistema de chorro
de agua con abrasivo cuyo costo de capital de inversión fue de
200,000 dólares asciende a 27 dólareshora. Esto incluye mantenimiento, electricidad, aditivo abrasivo y desgaste de boquillas. Los costos de mano de obra serían adicionales.
CONSIDERACIONES DE SEGURIDAD
COMO EL CHORRO de agua o el chorro abrasivo pueden cortar
con facilidad la came o el hueso, el operador debe protegerse.
Figura 16.1 I-Hoja d e sierra d e acero cortada por
maquinado hidroabrasivo.
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Y C O N C H O R R O D E A G U A 529
LISTA DE LECTURAS COMPLEMENTARIAS
ASM “Nontraditional machining”, en Conference Proceeding.
rence, Detroit, Mi, septiembre de 1986. Kent Washington:
Editado por Metal Park, Ohio, ASM, diciembre de 1985.
Flow Systems, 1986.
American Society of Mechanical Engineers. Proceedings of the Martin, J. M., Assistant Editor. “Using water as a cutting tool”,
F0urthU.S. Water Jet Conference, agosto de 1987, Berkeley,
Americaiz Machinist, abril de 1980.
Nueva York, editado por la American Society of Mechanical Schwartz, B. L. “Priciples and applications of water and abrasive
Engineers, 1987.
jet cutting”, Conferencia.
Behringer-Ploskonka, C. A., “Waterjet cutting-a technology Slattery, T. J. “Abrasive water jet carves out metalworking
afloat on a sea of potential”, en Manufacturing Engineering,
niche”, en Machine & Tool blue book, agosto de 1987.
noviembre de 1987.
Sprow, E. E., Special Projects Editor. “Cutting composites:three
Firestone, R. F. “Lasers and other nonabrasive machining metchoices for any budget”. Toolirzg and Production, diciembre
hods for ceramics”, Advanced Ceramics Conference,febrero
de 1987.
de 1987, Cincinnati, Oh. y Hubbard Woods, Il: Metals Scien- Steinhauser, J. “Abrasive waterjets: on the cutting edge of techce Co., 1987.
nology”, presentado en la Fabtech Conference, Chicago, Il,
Hashih, M., “Abrasivewaterjet cutting studies”. Kent Washingseptiembre de 1985. Kent Washington: Flow Systems, 1985.
ton: Flow Industries Inc., 1984.
Wightman, D. F. “Water jets on the cutting edge of machining”,
presentado en la conferencia FMS, Chicago, Il, SME Tech
Holland, C. L. “Implemetingabrasivewaterjet cutting”. Fabtech
Conference, Chicago, II, SME Tech ensayo #MF85-875,
ensayo MS86-171, marzo de 1986. Eímhurst, IL: IngersollChula Vista, Ca, Rohr Industries, Inc., septiembre de 1985.
Rand Water Jet Cutting Systems, 1986.
Jones, E. P. “Water jet and abrasive water jet and their applica. “Hydroabrasivenear-net shaping of titanium parts and
tion in the automotive industry”, presentado en la Tracking
forgings”, presentado en marzo de 1988 en la Westec ’88
Robotic Applications in Automotive Manufacturing ConfeConference,Los Angeles, Ca. SME Tech ensayo MR88- 14 1.
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PREPARADO POR UN
COMITE INTEGRADO POR:
I
P. Dent, Presidente
Grumman Aerospace
Corporation
SOLDADURA
DE PUNTOS,
DE COSTURA
Y DE
PROYECCION
J. C.Bohr
General Motors
R.G. Gasser
FerrantVSciaky, Incorporated
J. M.Gerken
Lincoln Electric Corporation
D.L. Hallum
Bethlehem Steel Corporation
J. W.Lee
Textron Lycoming
R.B. McCauley
McCauley Associates
D.H. Oris
Armco, Incorporated
G. W. Oyler
Welding Research Council
I
W. T.Shieh
General Electric Company
K.C.Wu
Pertron/Square D.
MIEMBRO DEL COMITÉ DEL
MANUAL DE SOLDADURA:
A. F.Manz
A. F. Manz Associates
Fundamentos de los procesos
~~~
532
~~
Equipo
540
Preparación de las superficies
542
Soldadura de resistencia de puntos
543
Soldadura de resistencia de costura
552
Soldadura de proyección
560
Metales soldados
570
Programas de soldadura
573
Calidad de la soldadura
573
Seguridad
578
Lista de lecturas complementarias
579
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SOLDADURA
DE PUNTOS,
DE COSTURA
Y DE PROYECCION
FUNDAMENTOS DE LOS PROCESOS
DEFINICIÓN Y DESCRIPCIÓN GENERAL
LA SOLDADURA DE puntos, de costura y de proyección son tres
procesos de soldadura de resistencia en los que el calor generado
por la resistencia que el trabajo opone al paso de la corriente
eléctrica genera calor que produce la uilión de los metales en las
superficies de empalme. Siempre se aplica una fuerza antes de,
durante y después de la aplicación de la corriente, a fin de
confinar el área de contacto de la soldadura en las superficies de
empalme y, en algunas aplicaciones, de forjar el metal soldado
durante el poscalentamiento. La figura 17.1 ilustra los tres
procesos.
En la soldadura de puntos, se produce una pepita de metal de
soldadura en el sitio del electrodo, pero es posible crear dos o
más pepitas simultáneamente empleando múltiples juegos de
electrodos. La soldadura de proyección es similar, excepto
que la ubicación de las pepitas la determina una proyección
o relieve en una de las superficies de empalme, o la intersección
SOLDADURAS
DE PROYECCIÓN
ELECTRODOS
O PUNTAS
DE SOLDAR
ELECTRODOS
O RUEDAS
DE SOLDAR
(A) SOLDADURA DE PUNTOS
ELECTRODOS
O TROQUELES
(B) SOLDADURA DE JUNTA
ANTES
DE SOLDAR
DESPUÉS
DE SOLDAR
(c) SOLDADURA DE PROYECCIÓN
Figura 17.1-Diagramas simplificados de los procesos básicos de soldadura de puntos,
de costura y de proyección
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SOLDADURA DE PUNTOS, D E COSTURA Y D E PROYECC16N
de componentes en el caso de alambres o barras (soldadura de
alambre cruzado). Pueden efectuarse dos o más soldaduras de proyección simultáneas con un juego de electrodos.
La soldadura de costura es una variación de la soldadura de
puntos en la que se produce una serie de pepitas traslapadas para
obtener una juntura continua, a prueba de fugas. En general, uno
o ambos electrodos son ruedas que giran conforme el trabajo
pasa entre ellas. Se puede producir una soldadura de costura con
equipo para soldadura de puntos, pero la operación será mucho
más lenta.
Se puede producir una serie de soldaduras de puntos individuales con una máquina de soldadura de costura y electrodos de
rueda si se ajustan demanera apropiada la velocidad de recorrido
y el tiempo entre soldaduras. El movimiento del trabajo puede
o no detenerse durante el ciclo de soldadura de puntos. Este procedimiento se conoce como soldadura de punto rodado.
PRINCIPIOS DE FUNCIONAMIENTO
--`,,,```-`-`,,`,,`,`,,`---
LAS OPERACIONES DE soldadura de puntos, de costura y de
proyección implican la aplicación coordinada de comente eléctrica y presión mecánica con las magnitudes y duraciones adecuadas. La comente de soldadura debe pasar entre los electrodos
atravesando el trabajo. Su continuidad se asegura mediante
fuerzas aplicadas a los electrodos, o por proyeccionesmoldeadas
para proveer la densidad de comente y presión necesarias. La
secuencia de operación debe, en primer lugar, generar suficiente
calor para llevar un volumen confinado del metal al estado
fundido. En seguida, se permite que este metal se enfríe bajo
presión hasta que tenga la fuerza suficiente para mantener unidas
las piezas. La densidad de comente y la presión deben ser suficientes para formar una pepita, pero no tan altas que el metal
fundido sea expulsado de la zona de soldadura. La duración de
la comente debe ser lo bastante corta como para evitar un
calentamiento excesivo de las caras de los electrodos, pues
semejante calentamiento podría pegar los electrodos al trabajo
y reducir considerablemente su vida útil.
El calor requerido para estos procesos de soldadura de resistencia se produce por la resistencia que oponen las piezas de
trabajo al paso de una corriente eléctrica por el material. Debido
a lo relativamente corto del trayecto de la comente eléctrica en
el material y a lo limitado del tiempo de soldadura, se requieren
comentes relativamente altas para generar el calor necesario
para la soldadura.
Generación de calor
EN UN CONDUCTOR eléctrico, la cantidad de calor generado
depende de tres factores: (I) el amperaje, (2) la resistencia del
conductor (incluyendo la resistencia del material a soldar) y (3)
la duración de la comente. Estos tres factores afectan el calor
generado en la forma expresada por la fórmula
Q = 12Rt
donde:
Q =
calor generado, joules
I = comente, amperes
R = resistencia del trabajo, ohms
t = duración de la corriente, segundos
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533
El calor generado es proporcional al cuadrado de la comente
de soldadura y directamente proporcional a la resistencia y al
tiempo. Una parte del calor generado sirve para efectuar la
soldadura y otra parte se cede al metal circundante.
La comente requerida para producir una soldadura dada es
aproximadamenteinversamenteproporcional a la raíz cuadrada
del tiempo. Así pues, si el tiempo es extremadamente corto, la
comente requerida será muy alta. Una combinación de comente
elevada y tiempo insuficiente puede dar pie a una distribución
indeseable de calor en la zona de soldadura, produciendo una
fusión excesiva de la superficie y un rápido deterioro de los
electrodos.
El circuito secundario de una máquina de soldadura de resistencia y el trabajo soldado constituyen una serie de resistencias.
L a resistencia total del trayecto de comente afecta la magnitud
de la comente. La comente será la misma en todo el circuito, independientemente de la resistencia instantánea en cualquier punto
del circuito, pero el calor generado en un punto dado del circuito
es directamente proporcional a la resistencia en ese punto.
Una característica importante de la soldadura de resistencia
es la rapidez con que puede producirse el calor para la soldadura.
En la figura 17.2 se ilustra la distribución de temperatura en el
trabajo y los electrodos, en el caso de la soldadura de puntos, de
costura y de proyección. De hecho, en una soldadura hay por lo
menos siete resistencias conectadas en serie que determinan la
distribución de temperatura. En el caso de una unión de dos
espesores, son las siguientes:
(1) 1 y 7, la resistencia eléctrica del material del electrodo.
(2) 2 y 6, la resistencia de contacto entre el electrodo y el
metal base. La magnitud de esta resistencia depende de la
condición superficial del metal base y del electrodo, del tamaño
y el contorno de la cara del electrodo, y de la fuerza del electrodo.
(La resistencia es aproximadamente inversamente proporcional a la fuerza de contacto.) Este es unpunto de considerable
generación de calor, pero la superficie del metal base no alcanza
su temperatura de fusión durante el paso de la comente debido
a la elevada conductividadtérmica de los electrodos (1 y 7) y al
hecho de que por lo regular están enfriados por agua.
(3) 3 y 5 , la resistencia total del metal base mismo, que es
directamente proporcional a su resistividad y espesor, e inversamente proporcional al área de sección transversal del trayecto
de comente.
(4) 4, la resistencia de las caras internas del metal base en el
punto donde se formará la soldadura. Este es el punto de mayor
resistencia y, por tanto, el punto donde se genera más calor.
Puesto que también se genera calor en los puntos 2 y 6, el calor
generado en las caras internas 4 no tiende a fugarse a los
electrodos.
En todos estos puntos se genera calor, no sólo en las caras
internas de los metales base. El flujo de calor desde las caras
internas de los metales base, o hacia ella, está regido por el
(17.1) gradiente de temperatura establecido por el calentamiento por
resistencia de los diversos componentes del circuito. Esto a su
vez promueve o retarda la creación del calor de soldadura
localizado que se requiere.
En cada uno de los siete lugares indicados en la figura 17.2
se genera calor en proporción a la resistencia de cada uno. Sin
embargo, el calor de soldadura sólo se requiere en las caras
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SOLDADURA D E PUNTOS, D E COSTURA Y DE PROYECCION
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534
RESISTENCIA MECÁNICA
TEMPERATURA
Figura 17.2-Gráficas de resistencia mecánica y temperatura en términos de la posición dentro del circuito
diagramado
internas de los metales base, y el calor generado en todos los
demás sitios se debe reducir al mínimo. Puesto que la resistencia
más alta está en 4,el calor aparece con mayor rapidez en ese
lugar. Los puntos que le siguen en resistencia son 2 y 6. La
temperatura también se eleva rápidamente en estos puntos, pero
no tanto como en 4.Después de transcurrido cerca del 20% del
tiempo de soldadura, el gradiente de calor probablemente se
ajuste al pefiil que se muestra en la figura 17.2.El calor generado
en 2 y 6 se disipa rápidamente hacia los electrodos adyacentes 1
y 7, enfriados por agua. El calor en 4 se disipa con mucha mayor
lentitud hacia el metal base. Por tanto, mientras la comente de
soldadura continúe, la velocidad de elevación de la temperatura en el plano 4 será mucho más rápida que en 2 y 6. La temperatura de soldadura se indica en el diagrama de la derecha de la
figura 17.2 con el número de puntos dentro del dibujo que
conducen a la curva correspondiente.
En una soldadura bien controlada, la temperatura de soldado
se alcanzará primero en numerosos contactos puntuales de las
caras internas, que se fundirán y en poco tiempo crecerán formando una pepita.
Los factores que afectan la cantidad de calor generado en la
unión por una corriente dada para una unidad de tiempo de
soldadura son (1) las resistencias eléctricas dentro del metal
soldado y los electrodos, (2) las resistencias de contacto entre las
piezas de trabajo y entre los electrodos y las piezas de trabajo y
(3) la pérdida de calor hacia los electrodos y las piezas de trabajo.
Efecto de la corriente de Soldadura.
continua no son afectadas significativamentepor la presencia de
metales magnéticos en el lazo secundario ni por la geometría del
circuito.
Además de las variaciones en la magnitud de la comente de
soldadura, la densidad de comente puede variar en las caras
internas de soldado. Esto puede deberse a la desviación de la
comente por soldaduras anterioresy puntos de contacto distintos
del punto de soldadura. Un aumento en el área de la cara de los
electrodos, o del tamaño de las proyecciones en el caso de la
soldadura de proyección, reducirá la densidad de corriente y el
calor de soldadura. Esto puede causar un decremento significativo de la resistencia mecánica de la soldadura.
Se requiere una densidad de corriente minima durante un
tiempo finito para producir fusión en la cara interna. Es preciso
generar suficiente calor para vencer las pérdidas hacia el metal
base adyacente y los electrodos.
EI tamaño de la pepita de soldadura y su resistencia mecánica
aumentan rápidamente al aumentar la densidad de corriente.Una
densidad de corriente excesiva causará la expulsión de metal
fundido (produciendo huecos internos), agrietamiento de la soldadura y menor resistencia mecánica. En la figura 17.3 se
muestran las variaciones típicas de la resistencia mecánica al
cizallamiento de soldaduras de puntos en términos de la magnitud de la corriente. En el caso de soldaduras de puntos y de
costura, un exceso de comente sobrecalentará el metal base,
producirá depresiones profundas en las piezas y provocará el
sobrecalentamientoy rápido deterioro de los electrodos.
En la fórmula Q =
ZzRt,la comente tiene un efecto más grande sobre la generación Efecto del tiempo de soldadura. La velocidad de genede calor que la resistencia o que el tiempo; por tanto, es una ración de calor debe ser tal que se produzcan soldaduras con la
variable importante que debe controlarse. Dos factores que resistencia mecánica adecuada sin un calentamiento excesivo ni
causan variaciones en la corriente de soldadura son las fluctua- deterioro rápido de los electrodos. El calor total generado es
ciones en el voltaje de línea y las variaciones en la impedancia proporcional al tiempo de soldadura. En esencia, el calor se pierdel circuito secundario en las máquinas de Ca. Las variaciones de por conducción hacia el metal base circundante y los electrode la impedancia se deben a cambios en la geometría del circuito dos; una cantidad muy pequeña se pierde por radiación. Estas
o a la introducción de masas variables de metales magnéticos en pérdidas aumentan al aumentar el tiempo de soldadura y la
el lazo secundario de la máquina. Las máquinas de comente temperatura del metal, pero básicamente no se pueden controlar.
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SOLDADURA DE PUNTOS, DE COSTURA Y DE PROYECC16N
t
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I
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CORRIENTE
I
I
I
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LA EXPULSIÓN
1
535
I
Figura 17.3-Efecto de la corriente de soldadura sobre
la resistencia mecánica al cizallamiento de la
soldadura de puntos
TIEMPO DE SOLDADURA
Durante una operación de soldadura de puntos, se requiere
un cierto tiempo mínimo para alcanzar la temperatura de fusión
con una densidad de comente adecuada. Si se sigue aplicando
corriente, la temperatura del plano 4 en la pepita de soldadura
excederá por mucho la temperatura de fusión, y es posible que
la presión interna expulse metal fundido de la unión. También
puede haber expulsión de gases generados o de vapor metálico,
junto con diminutas partículas de metal. Si las superficies del
trabajo tienen incrustaciones o pequeñas depresiones, también pueden salir despedidos gases y partículas de los planos
2 y 6.
Un tiempo de soldadura demasiado largo surtirá el mismo
efecto sobre el metal base y los electrodos que un amperaje
excesivo. Además, la zona térmicamente afectada de la soldadura se extenderá a mayor distancia en el metal base.
En la mayor parte de los casos, las pérdidas de calor en un
punto dado durante un intervalo de soldadura prolongado serán
iguales que el aporte de calor; las temperaturas se estabilizarán.
En la figura 17.4 se muestra un ejemplo de la relación entre el
tiempo de soldadura y la resistencia mecánica al cizallamiento
de la soldadura de puntos, suponiendo que todas las demás
condiciones se mantienen constantes.
Hasta cierto punto, el tiempo de soldadura y el amperaje pueden ser complementarios. El calor total puede variarse ajustando
ya sea el amperaje o el tiempo de soldadura. La transferencia de
calor es función del tiempo y el desarrollo de una pepita del
tamaño adecuado requiere un tiempo m’nimo,independiente del
amperaje.
Al soldar con puntos placas gruesas, lo m á s común es aplicar
la comente de soldadura en varios pulsos relativamente breves
sin dejar de ejercer fuerza con los electrodos. El objetivo de
pulsar la comente es hacer que se acumule gradualmente calor
en la zona entre las piezas de trabajo. El amperaje requerido para
soldar puede fundir rápidamente el metal si la duración de los
pulsos es demasiado larga, produciendo explosiones.
Figura 17.4-Resistencia mecánica a la tensión de corte
en términos del tiempo de soldadura
Efecto de la presión de soldadura. La resistencia R en la
fórmula del calor cambia con la presión de soldadura debido al
efecto de ésta sobre la resistencia de contacto en la zona entre
las piezas de trabajo. La presión de soldadura se produce por la
fuerza que los electrodos ejercen sobre la unión. Se considera
que esta fuerza es la fuerza dinámica neta de los electrodos
contra el trabajo, y es la presión resultante de esta fuerza la que
afecta la resistencia de contacto.
Las piezas que se van a soldar por puntos, costura o proyección se deben prensar fuertemente con abrazaderas en el sitio de
la soldadura para que pueda pasar la corriente. Si todos !?s demás factores son iguales, al aumentar la fuerza de los electrodos
o la presión de soldadura, el amperaje también aumentará hasta
algún valor límite. Por otro lado, el efecto sobre el calor total generado puede ser el opuesto. Al aumentar la presión, la resistencia de contacto y el calor generado en la interfaz disminuirán.
Para incrementar el calor hasta el nivel previo, es preciso aumentar el amperaje o el tiempo de soldadura para compensar la
reducción en la resistencia eléctrica.
Las superficies de los componentes mecánicos, a escala
microscópica, son una serie de picos y valles. Cuando se someten a presiones leves, el contacto metal-metal real ocurrirá sólo
en los picos que se toquen, lo cual representa un porcentaje
pequeño del área. La resistencia de contacto será alta. Al aumentar la presión, los puntos altos se aplastan y el área real de
contactometal-metal aumenta, reduciendo la resistencia de contacto. En la mayor parte de las aplicaciones, el material del
electrodo es más suave que las piezas de trabajo; por ende, la
aplicación de una fuerza de electrodo apropiada producirá un
mejor contacto en las zonas electrodo-trabajo que en la zona
entre las piezas de trabajo.
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S O L D A D U R A D E PUNTOS. DE COSTURA Y DE PROYECCIÓN
Influencia de los electrodos. Los electrodos desempeñan aluminio requieren la misma cantidad de joules por gramo
un papel vital en la generación de calor porque conducen la (btu/lb) para alcanzar la temperatura de fusión, a pesar de que
comente de soldadura al trabajo. En el caso de la soldadura de difieren mucho en sus características de soldadura por puntos.
puntos y de contacto, el área de contacto de los electrodos Por tanto, las conductividades eléctrica y térmica se convierten
controla en gran medida la densidad de la comente de soldadura en factores dominantes. Las conductividades del aluminio son
y el tamaño de la soldadura resultante. Los electrodos deben unas diez veces mayores que las del acero inoxidable, así que la
tener buena conductividad térmica, pero también deben tener la pérdida de calor hacia los electrodos y el metal circundante es
resistencia mecánica y dureza adecuadas para resistir la defor- mayor en el caso del aluminio. Por ello, la comente de soldadura
mación causada por la aplicación repetida de una fuerza de elec- para el aluminio debe ser bastante mayor que para el acero
trodo elevada. La deformación o “aplastamiento”de la cara de inoxidable.
los electrodos incrementa el área de contacto y reduce tanto la
densidad de comente como la presión de soldadura. La calidad Balance calorífico
de la soldadura se deteriorará al irse deformando las puntas; por
ello, es preciso rectificar o reemplazar los electrodos cada cierto EL EQUILIBRIO DE calor ocurre cuando las profundidades de
tiempo con el fin de mantener una generación de calor adecuada fusión (penetración) en ambas piezas de trabajo son aproximadamente iguales. La mayor parte de las aplicaciones de soldadupara obtener soldaduras con propiedades satisfactorias.
Cuando los electrodos no compensan con rapidez una reduc- ra de puntos y costura se limitan a soldar espesores iguales del
ción repentina en el espesor total del trabajo, habrá una dismi- mismo metal, con electrodos de la misma aleación, forma y
nución momentánea de la presión. Si esto sucede mientras está tamaño. En estos casos el balance calorífico es automático; sin
pasando comente de soldadura, la resistencia de contacto en las embargo, enmuchas aplicaciones el calor generado en las piezas
zonas 2,4 y 6, y la velocidad de generación de calor, aumentarán. no está equilibrado.
EI balance calorífico puede ser afectado por lo siguiente:
Una velocidad de calentamiento excesiva en las tres superficies
de contactotenderá a producir sobrecalentamientoy la expulsión
(1) Las conductividades eléctrica y térmica relativas de los
violenta de metal fundido. El metal fundido se retiene en cada
metales
que se van a unir.
zona interna gracias a un anillo de metal no fundido que rodea a
(2)
La
geometria relativa de las piezas en la unión.
la pepita de soldadura. Una reducción momentánea en la fuerza
(3) Las conductividadestérmica y eléctrica de los electrodos.
de los electrodos permite a la presión interna del metal romper
(4) La geometría de los electrodos.
este anillo circundante, y es posible que se produzcan huecos
internos o una depresión excesiva causada por el electrodo. Las
EI calentamiento será desequilibrado cuando la composipropiedades de la soldadura pueden caer por debajo de los niveles
aceptables, y el desgaste de electrodos será mayor que lo normal. ción, el espesor, o ambas cosas, de las piezas por soldar sean
significativamente distintos. En muchos casos el desequilibrio
Influencia de la condición de la superficie. La condi- puede minimizarse con el diseño de las piezas, el material y dición de las superficies de las piezas influye en la generación de seño de los electrodos o la ubicación de la proyección (en el caso
calor porque los óxidos, impurezas, aceites y otras sustancias de la soldadura de proyección). El balance calorífico también
ajenas en las superfices afectan la resistencia de contacto. Las puede mejorarse empleando el tiempo de soldadura más breve
soldaduras con propiedades más uniformes se obtienen cuando y la comente más baja que produzcan soldaduras aceptables.
las superficies están limpias.
La soldadura de piezas con una capa no uniforme de óxido, Disipación de calor
incrustaciones u otras sustancias ajenas en la superficie produce
LA SOLDADUFU hay pérdida de calor por conducción
variaciones en la resistencia de contacto y, por tanto, inconsis- DURANTE
hacia
el
metal
base adyacente y los electrodos, como se muestra
tencias en la generación de calor. Además, las incrustaciones
en
la
figura
17.5.
Esta disipación de calor continúa con diferentes
gruesas en las superficies del trabajo pueden penetrar en las caras
velocidades
durante
la aplicación de la comente y después, hasta
de los electrodos, haciendo que se deterioren rápidamente. El
que la soldadura se ha enfriado a temperatura ambiente. La
aceite y la grasa retienen suciedad que también contribuye al
disipación puede dividirse en dos fases: (1) durante la aplicación
deterioro de los electrodos.
de la corriente y ( 2 ) después de interrumpida la comente. El
grado de disipación en la primera fase depende de la composiInfluencia de la composición del metal. La resistividad
eléctrica de un metal influye directamente sobre el calentainien- ción y la masa de las piezas de trabajo, dei tiempo de soldadura
to resistivo durante la soldadura. En metales de alta conductivi- y de los mecanismos de enfriamiento externos. El diseño deterdad como la plata y el cobre, se desarrolla poco calor incluso con mina la composición y la masa de las piezas de trabajo. Ei
enfriamiento extemo depende de la instalación de soldadura y
densidades de comente elevadas. El escaso calor generado se
del ciclo de soldadura.
transmite rápidamente al trabajo circundante y a los electrodos.
El calor generado por un amperaje dado es inversamente
La composición de un metal determina su calor específico,
proporcional
a la conductividad eléctrica dei metal base. La
temperatura de fusión, calor latente de fusión y conductividad
conductividad
térmica y la temperatura del metal base determitérmica. Estas propiedades controlan la cantidad de calor requenan la velocidad con la que el calor se disipa de ia zona de
rida para fundir el metal y producir una soldadura. Pese a ello,
las cantidades de calor necesarias para llevar masas unitarias de soldadura.’ En la mayor parte de los casos, las conductividades
la mayor parte de los metales comerciales a sus temperaturas de
fusión son muy parecidas. Por ejemplo, el acero inoxidable y el
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1. EI flujo de calor en la soldadura se analiza en Welding Handbook, vol. 1,
$a. ed.
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536
SOLDADURA DE PUNTOS, DE COSTURA Y DE P R O Y E C C I O N
537
tanto, la soldadura normalmente se realiza con agua fluyendo
sobre las piezas de trabajo para disipar el calor lo más rápidamente posible.
No siempre es conveniente enfriar la zona de soldadura con
rapidez. En el caso de aceros de aleación endurecibles por templado, suele ser mejor retraer los electrodos tan pronto como sea
posible para minimizar la disipación de calor por ellos, retardando así el enfriamiento de la soldadura.
ELECTRODODE ALEACIÓN DE
COBRE ENFRIADO POR AGUA
CICLO DE SOLDADURA
EL CICLO PARA la soldadura de puntos, costura y proyección
consiste básicamente en cuatro fases:
ELECTRODO DE ALEACIÓN DE
COBRE ENFRIADO POR AGUA
Figura 17.5-Disipación de calor hacia el metal base
circundante y los electrodos durante la soldadura de
resistencia
térmica y eléctrica de un metal son similares. En los metales de
alta conductividad, como el cobre o la plata, se requiere un
amperaje elevado para producir una soldadura y compensar la
rápida disipación de calor hacia el metal base adyacente y los
electrodos. La soldadura de puntos, costura o proyección de tales
metales es muy dificil.
Si los electrodos permanecen en contacto con el trabajo
después de interrumpirse la corriente de soldadura, enfrían rápidamente la pepita de soldadura. La velocidad de disipación del
calor hacia el metal base circundante disminuye al aumentar el
tiempo de soldadura porque se habrá calentado un volumen más
grande del metal base. Esto reduce el gradiente de temperatura
entre el metal base y la pepita de soldadura. En el caso de láminas
gruesas de metal que generalmente requieren tiempos de soldadura largos, la velocidad de enfriamiento será más lenta que
cuando se sueldan láminas delgadas o se emplean tiempos de
soldadura cortos.
Si los electrodos se retiran de la soldadura con demasiada
rapidez después de apagar la comente, puede haber problemas.
En el caso de láminas delgadas, este procedimiento puede dar
lugar a deformaciones excesivas. Si las láminas son gruesas, se
requiere tiempo suficiente para enfriar y solidificar la pepita de
soldadura de gran tamaño mientras se mantiene la presión. Por
tanto, es mejor, en general, dejar los electrodos en contacto con
el trabajo hasta que la soldadura se enfríe a una temperatura en
la que tenga la resistencia mecánica suficiente para aguantar
cualquier carga a la que sea sometida cuando se libere la presión.
El tiempo de enfriamiento para una pepita de soldadura de
juntura es corto cuando los electrodos giran continuamente;por
(1) Tiempo de compresión-el intervalo de tiempo entre el
arranque del cronómetro y la primera aplicación de comente;
este lapso es para asegurar que los electrodos hagan contacto con
el trabajo y ejerzan la fuerza máxima antes de aplicar la comente
de soldadura.
(2) Tiempo de soldadura - el tiempo durante el cual se aplica
corriente de soldadura al trabajo cuando la soldadura es de un
solo impulso.
(3) Tiempo de retención-el tiempo durante el cual se mantiene la fuerza aplicada al trabajo después del término del último
impulso de comente; durante este tiempo, la pepita de soldadura se
solidifica y enfría hasta adquirir suficiente resistencia mecánica.
(4) Tiempo inactivo - el tiempo durante el cual los electrodos
se despegan del trabajo y éste se desplaza hasta la siguiente
posición de soldadura; este término generalmente se aplica
cuando el ciclo de soldadura es repetitivo.
En la figura 17.6 se muestra un ciclo de soldadura básico. Se
puede agregar una o más de las siguientes características a este
ciclo básico para mejorar las propiedades físicas y mecánicas de
la zona de soldadura:
(1) Fuerza de precompresión para asentar los electrodos
contra las piezas de trabajo.
(2) Precalentamiento para reducir el gradiente térmico en el
metal al inicio del tiempo de soldadura.
(3) Fuerza de forjado para consolidar la pepita de soldadura.
(4) Tiempos de enfriamiento y templado para producir soldaduras con la resistencia mecánica deseada en aceros de aleación endurecibles.
(5) Poscalentamiento para refinar el tamaño de grano de la
soldadura en aceros.
(6) Decaimiento de corriente para retardar el enfriamiento
en aluminio.
En algunas aplicaciones, la comente de soldadura se alimenta
intermitentemente durante un intervalo de soldadura; está encendida durante el tiempo de calentamiento y se interrumpe
durante el tiempo de enfriamiento. La figura 17.7 muestra la
secuencia de operacionesen un ciclo de soldadura más complejo
CORRIENTE DE SOLDADURA
SEUTILIZA TANTO CORRIENTE alterna (ac) como comente continua (cc) para producir soldaduras de puntos, costura y proyección. La máquina de soldar transfonna la potencia de la linea a
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538
SOLDADURA DE PUNTOS, DE COSTURA Y DE PROYECCIÓN
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/
/
/
-
I _
CICLO DE SOLDADURA
I
L
Figura 17.6-Ciclo de soldadura básico de un solo impulso para soldadura de puntos y de proyección
potencia de soldadura de bajo voltaje y alto amperaje. Algunas
aplicaciones emplean ca monofásica con la misma frecuencia
que la línea de alimentación, por lo regular 60 Hz. La comente
continua se emplea en aplicaciones que requieren un amperaje elevado porque la carga puede equilibrarse en una línea de potencia
trifásica. Su empleo también reduce las pérdidas de potencia en
el circuito secundario. La comente continua puede ser prácticamente constante durante un periodo medido o adoptar la forma
de un pulso de pico pronunciado. fista última normalmente se
produce a partir de energía eléctrica almacenada.
TIEMPO DE SOLDADURA
Programación de la corriente
Soldadura de un solo impulso
ENLAS MAQUINAS de energia continua, la velocidad de ascenso y caída de la comente se puede programar. El periodo de elevación de la comente suele recibir el nombre de tiempo de pendiente positiva, y el periodo de caída de la comente, tiempo de
pendiente negativa (véase figura 17.7). Estas funciones están
disponibles en máquinas equipadas con sistemas de control
electrónico.
La pendiente positiva generalmente sirve para evitar un sobrecalentamiento y expulsión de metal al principio del tiempo
de soldadura, cuando ia resistencia de la zona interna de contacto
del metal base es alta. La pendiente negativa sirve para controlar
la solidificaciónde la pepita de soldadura y evitar el agrietamiento en el caso de metales endurecibles por templado o sujetos a
rasgamiento en caliente.
Antes de la soldadura, el metal base puede precalentarse con
una comente baja. Después de la formación de la pepita de
soldadura, la comente puede reducirse a un nivel menor para el
poscalentamiento de la zona de soldadura. Esto puede ser parte
del intervalo de soldadura, como se muestra en la figura 17.7, o
una aplicación posterior de comente después de un periodo de
enfriamiento.
ELEMPLEO DE una aplicación continua de comente para producir una soldadura individual se denomina soldadura de un solo
impulso (véase figura 17.6). EI periodo puede incluir pendiente
positiva o negativa de comente.
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EL TEMPO DE aplicación de la comente, o tiempo de soldadura
cuando la potencia no es energía almacenada, se controla mediante mecanismoselectrónicos, mecánicos, manuales o neumáticos. Los tiempos normalmente van desde medio ciclo (1/120
s) para láminas muy delgadas hasta varios segundos para placas
gruesas. En las máquinas de energía almacenada del tipo de
condensador o magnéticas, el tiempo de soldadura lo determina
la constante eléctrica del sistema.
Soldadura de múltiples impulsos
LA SOLDADURA DE multiples impulsos consiste en dos o más
pulsos de comente separados por un tiempo de enfriado preestablecido (véase figura 17.7). Esta secuencia sirve para controlar
la velocidad de calentamiento en la zona interna de contacto
durante la soldadura de puntos de láminas de acero relativamente
gruesas.
FUERZA DE LOS ELECTRODOS
EL CIERRE DEL circuito eléctrico a través de los electrodos y
el trabajo se asegura mediante la aplicación de una fuerza con
los electrodos. Esta fuerza se produce con dispositivos hidráulicos, neumáticos, magnéticos o mecánicos. La presión ejercida
en la interfaz depende del área de las caras de los electrodos que
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S O L D A D U R A D E PUNTOS. D E C O S T U R A Y D E P R O Y E C C I 6 N
539
EL RETRASO DE FORJADO PUEDE
INICIARSE EN ALGUN OTRO PUNTO
DEL CICLO DE SOLDADURA
FUERZA DE FORJADO
y - - -
/
I
/
CORRIENTE DE SOLDADURA
PENDIENTE NEGATIVA
SOLDADURA
INTERVALO
-
PRESOLDADURA
INTERVALO DE
I
1
INTERVALO
SOLDADURA
-~
POSTSOLDADURA
CICLO DE SOLDADURA
-
Figura 17.7-Ciclo de soldadura ampliado que incluye: tiempo de precalentamiento, tiempo de pendiente positiva,
tiempo de pendiente negativa, tiempo de enfriamiento, tiempo de templado y fuerza de forjado
está en contacto con las piezas de trabajo. Las funciones de esta
fuerza o presión son (1) establecer un contacto íntimo entre las
diversas caras internas, (2) reducir la resistencia de contacto
inicial en las caras internas, (3) suprimir la expulsión de metal
fundido de la unión y (4)consolidar la pepita de soldadura.
Las fuerzas pueden aplicme durante el ciclo de soldadura
como sigue:
(1) Una fuerza de soldadura constante.
(2) Fuerzas de precompresión y soldadura - un nivel inicial
alto para reducir la resistencia de contacto inicial y poner las piezas
en contacto intimo,seguido de un nivel menor para soldar.
(3) Fuerzas de precompresión, soldadura y forjado - los dos
primeros niveles son como los descritos en (2), seguidospor una
fuerza de forjado cerca del final del tiempo de soldadura; el
forjado sirve para reducir la porosidad y el agrietado en caliente
de la pepita de soldadura.
(4) Fuerzas de soldadura y forjado.
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540
SOLDADURA D E PUNTOS, DE COSTURA Y DE PROYECCIÓN
EQUIPO
EL EQUIPO DE soldadura de puntos, de costura y de proyección
consiste en tres elementos básicos: un circuito eléctrico, el
equipo de control y un sistema mecánico.’
CIRCUITO ELÉCTRICO
EL CIRCUITO COMPRENDE un transformador de soldadura, un
contactor primario y un circuito secundario. El circuito secundario incluye los electrodos que conducen la corriente de soldadura al trabajo, y el trabajo mismo. En algunos casos, el circuito
también incluye alguna forma de almacenar energía eléctrica.
Para ia soldadura de resistencia se emplea tanto corriente alterna
como comente continua. La máquina soldadora convierte la potencia de línea de 60 Hz en potencia de bajo voltaje y alto
amperaje en su circuito secundario.
Corriente alterna
ALGUNAS MÁQUINASDE soldadura de resistencia producen corriente alterna (Ca) monofásica de la misma frecuencia que ia
potencia de línea, por lo regular 60 Hz. Estas máquinas contienen
un transformador monofásico que suministra ias elevadas corrientes de soldadura requeridas a bajo voltaje. Dependiendodel
espesor y del tipo del material que se va a soldar, las corrientes
pueden ir desde 1000hasta 100 000 amperes. En la figura 17.8
se muestra un circuito eléctrico típico diseñado para este tipo de
máquina.
2. Ei equipo de soldadura por resistencia se trata eii el capitulo 19.
Corriente continua
Las MAQUINAS DE soldadura pueden producir comente continua
de polaridad continua, pulsos de comente con polaridad alternante, o pulsos de corriente de pico pronunciado. Estos últimos
se producen por energía eléctrica almacenada.
Máquinas tipo rectificador. Estas máquinas son del tipo
de energía directa, en cuanto a que la potencia ca dei sistema de
distribución de la planta pasa por un transformadorde soldadura
donde se le rectifica para producir potencia cc. En los circuitos
secundarios se emplean mucho diodos de silicio en virtud de su
contìabijidad y eficiencia inherentes. Ei sistema puede ser monofásico, pero una de las ventajas de los sistemas de corriente continua es ia capacidad de utilizar un transformador trifásico para
alimentar el sistema rectificador del circuito secundario. Esto
hace posible el uso de potencia de línea trifásica balanceada.
Máquinas convertidoras de frecuencia. Este tipo de
máquinas tiene un transformador de soldadura especial con un
primario trifásico y un secundario monofásico. La comente
primaria se controla mediante tubos ignitrón o rectificadores
controlados por silicio (SCR). Los medios ciclos de potencia
trifásica, positivos o negativos, son conducidos al transformador
durante un periodo cuya duración depende dei diseño del transfonnador. La salida del transformador es un pulso de corriente
continua. Si se cambia la polaridad de los medios ciclos del
primario, se invertirá la polaridad de la corriente en el secundario. Una soldadura puede efectuarse con uno o más pulsos de cc.
CONDUCTOR FLEXIBLE
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TRANSFORMADOR
E SOLDADURA
-
CONTACTOR
-Po
ELECTRODO
POTENCIA
MONOFASICA
O
1
~~~~
~~~
~~
~
Figura 17.8-Circuito de soldadura de puntos monofásico típico
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SOLDADURA DE PUNTOS, DE COSTURA Y DE PROYECC16N
ELECTRODOS
LOS ELECTRODOS PARA soldadura de resistencia3 tienen
cuatro
funciones:
(1) Conducen la comente de soldadura al trabajo y, en el caso
de la soldadura de puntos y de juntura, fijan la densidad de
corriente en la zona de soldadura. En la soldadura de proyección,
la densidad de comente la determinan el tamaño, la forma y el
número de las proyecciones.
(2) Transmiten una fuerza a la pieza de trabajo.
(3) Disipan parte del calor de la zona de soldadura.
(4) Mantienen la alineación y posición relativas de las piezas
del trabajo en la soldadura de proyección.
inoxidable deben sacrificar la alta conductividad para obtener
una resistencia a la compresión que les permita soportar la fuerza
de electrodo tan alta requerida.
La resistencia a la deformación depende del límite proporcional y de la dureza de la aleación del electrodo. El límite proporcional se fija en gran medida mediante tratamiento con calor. La
temperatura de la cara del electrodo es el factor determinante,
porque es aquí donde ocurre el reblandecimiento.
EI tamaño y la forma de los electrodos por lo regular depende
del espesor de las láminas y del metal que se va a soldar.
EQUIPO DE CONTROL
LOS CONTROLES DE soldadura pueden tener una o más de las
siguientes funciones principales:
(I) Iniciar e interrumpir el suministro de comente al transformador de soldadura.
(2) Controlar la magnitud de la comente.
(3) Accionar y liberar los mecanismos de fuerza de los
electrodos en el momento apropiado.
Estos controles pueden dividirse en tres grupos con base
en sus funciones: contactores de soldadura, controles de cronometría y secuencia, y otros controles y reguladores de
corriente.
Un contactor de soldadura conecta y desconecta la potencia
primaria y el transformador de soldadura. Los contactores emplean rectificadores controlados por silicio (SCR), tubos ignitrón o tubos tiratrón para interrumpir la comente primaria.
El control de cronometria y secuencia establece la secuencia
de soldadura y la duración de cada una de las funciones de la
secuencia. Esto incluye la aplicación de fuerza de los electrodos
y de comente, así como los intervalos de tiempo después de cada
función.
La salida de comente de soldadura de una máquina se controla mediante derivaciones del transformador, un control de
calor electrónico, o ambas cosas. El control de calor electrónico
se usa en combinación con los tubos ignitrón o los SCR; controla
la corriente retrasando el disparo de los tubos ignitrón o los SCR
durante cada medio ciclo (1/120 s). La variación del tiempo de
retraso del disparo sirve para aumentar o reducir gradualmente
el amperaje primario (m).
Esto permite controlar la comente
de soldadura con pendiente positiva y negativa.
Las derivaciones del transfomiador sirven para modificar el
número de vueltas del devanado primario que se conectan a la
línea de potencia Ca. Esto altera la razón de vueltas del transformador, aumentando o reduciendo el voltaje de circuito abierto
del secundario. Una reducción de la razón de vueltas aumenta el
voltaje de circuito abierto del secundario, la comente primaria
y la corriente de soldadura.
Si no se requiriera aplicar presión, la selección del material
de los electrodos podría hacerse casi exclusivamente con base
en sus conductividades eléctrica y térmica. Puesto que los electrodos se someten a fuerzas que con frecuencia son de magnitud
considerable, deben ser capaces de aguantar los esfuerzos impuestos a temperaturas elevadas sin una deformación excesiva.
Es importante que los electrodos tengan la forma correcta porque
la comente debe limitarse a un área fija para poder lograr la
densidad de comente requerida,
Si sólo va a realizarse una soldadura de punto o de juntura a
la vez, únicamente se requiere un par de electrodos. En este
caso, la fuerza y la comente se aplican a cada soldadura
mediante electrodos moldeados. Es posible realizar varias soldaduras de proyección separadas por distancias cortas empleando un solo par de troqueles de soldadura (electrodos).
En el mercado hay electrodos de diversas aleaciones de cobre
con propiedades físicas y mecánicas satisfactorias. En términos
generales, cuanto más dura sea la aleación, menores serán sus
conductividades eléctrica y térmica. La elección de la aleación
apropiada para una aplicación dada se basa en un equilibrio entre
sus propiedades eléctricas y térmicas y sus cualidades mecánicas. Por ejemplo, los electrodos empleados para soldar aluminio SISTEMAS MECÁNICOS
deben tener conductividad elevada a expensas de una resistencia LA OPERACIÓN MECANICA de las máquinas de soldadura de
a la compresión alta, a fin de minimizar la adhesión de los puntos, de costura y de proyección es esencialmente la misma.
electrodos al trabajo. En cambio, los electrodos para soldar acero Los electrodos se acercan al trabajo y retroceden a intervalos y
con velocidades controlados. La fuerza de los electrodos se
aplica mediante mecanismos hidráulicos, neumáticos, magnéticos o mecánicos. La velocidad de aproximación de los electro3. Estos electrodos se estudian con detaile en el capitulo 19.
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Máquinas de energía almacenada. Las máquinas de
energía almacenada son de diseño electrostático. Obtienen potencia de un sistema monofásico, la almacenan y luego la descargan en un pulso de muy corta duración para efectuar la
soldadura. Estas máquinas toman potencia de la línea de alimentación durante un tiempo relativamente largo, entre una soldadura y la siguiente, acumulando potencia que se suministra a los
electrodos durante un tiempo de soldadura breve.
El equipo de soldadura de energía electrostática almacenada
consiste principalmente en un banco de condensadores, un
circuito para cargar estos condensadores hasta un voltaje previamente determinado y un sistema para descargar los condensadores a través de un transformador de soldadura adecuado. Generalmente se emplean condensadores de alto voltaje, y los más
comunes varían entre 1500 y 3000 volts.
541
542
SOLDADURA DE PUNTOS, DE COSTURA Y DE PROYECCION
dos debe ser alta pero controlada, de modo que las caras de los
electrodosno se deformen por los constantes golpes. El metal de
soldadura, calentado localmente, se expande y contrae rápidamente durante durante el ciclo de soldadura y los electrodos
deben seguir este movimiento para mantener la presión de
soldadura y el contacto eléctrico. La capacidad de la máquina
para seguir el movimiento varía dependiendo de la masa de las
partes móviles, o de su inercia, y de la fricción entre las partes
móviles y el armazón de la máquina.
Si la presión entre los electrodos y el trabajo decae con
rapidez durante el tiempo de soldadura, las superficies de contacto de los electrodos y las piezas de trabajo pueden sobrecalentarse y quemar las caras de los electrodos o hacerles pequeños
agujeros. Puede suceder que los electrodos se peguen al trabajo
y, en algunos casos, las superficies de las piezas que se están
soldando pueden vaporizarse debido a las energías tan altas.
La fuerza de electrodos que se aplica durante la fusión de la
pepita de soldadura puede ser insuficiente para consolidar el
metal de la soldadura y evitar la porosidad y el agrietamiento
internos. Existen máquinas con múltiples niveles de fuerza que
pueden aplicar una presión de forjado elevada durante la solidificación de la soldadura. La magnitud de esta presión debe
adecuarse a la composición y el espesor del metal y a la geometria de las piezas. La presión de forjado a menudo es de dos a
tres veces la presión de soldadura. Puesto que la soldadura se
enfría desde la periferia hacia el interior, la presión de forjado
debe aplicarse en el momento en que se se i n t e m p e la comente, o muy cerca de ese momento.
PREPARACIÓN DE LAS SUPERFICIES
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ENTODOS
LOS tipos de soldadura de resistencia, la condición de
las superficies de las piezas que se van a soldar controla en gran
medida la consistencia de la calidad de la soldadura. La resistencia de contacto de las superficies de empalme influye de
manera importante sobre la cantidad de calor que se genera; por
tanto, la resistencia eléctrica de estas superficies debe ser muy
uniforme para obtener resultados consistentes. Las superficies
deben estar libres de materiales de alta resistencia, como pintura, incrustaciones, óxidos y aceites y grasas pesados. Si es
necesario aplicar una pintura de preparación (primer) a las
superficies de empalme antes de soldarlas, como en ocasiones
sucede, La operación de soldadura deberá efectuarse inmediatamente después de haber aplicado el primer, o se deberá utilizar
primers conductores especiales. Para obtener resultados óptimos, el primer deberá estar lo más diluido posible para que la
fuerza de los electrodos lo desplace y se produzca un contacto
metal-metal.
Nunca debe aplicarse pintura a las superficies exteriores del
metal base antes de soldarlo, pues reducirá la vida de los electrodos y producirá superficies de aspecto deficiente. Las incrustaciones gruesas deben eliminarse empleando métodos mecánicos
o químicos. Los aceites ligeros en acero no son perjudiciales si
no han capturado polvo o tierra. Los compuestos de estirado con
rellenos minerales deben eliminarse antes de la soldadura.
Los métodos empleados en la preparación de superficies para
soldadura de resistencia difieren para los distintos metales y
aleaciones. A continuación describiremosbrevemente las condiciones superficiales y los métodos de limpieza.
ALUMINIO
LAAFLNIDAD QUIMICA del aluminio por el oxígeno hace que se
cubra con una película delgada de óxido siempre que está expuesto al aire. La delgada capa de óxido que se forma en una superficie de aluminio recién limpiada no eleva la resistencia lo
suficiente como para causar problemas para la soldadura de
resistencia. El periodo de retención permisible, o tiempo transcurrido entre la limpieza y la soldadura, puede variar entre 8 y
48 horas o más, dependiendo del proceso de limpieza empleado,
de lo limpio que esté el recinto, de la aleación de que se trate y
de la aplicación.
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Las superficies de aluminio pueden limpiarse para la soldadura de resistencia con una tela abrasiva de grano fino, lana de
acero fina, o un cepillo de alambre fino. El aluminio revestido
también puede limpiarse con métodos mecánicos, pero debe
tenerse cuidado de no dañar el revestimiento. Existen varios
limpiadores químicos comerciales para el aluminio. En la producción de grandes volúmenes suele preferirse la limpieza química por razones de economía, uniformidad y control.
MAGNES10
LA LIMPEZA DE las aleaciones de magnesio tiene especial importancia porque fácilmente forman aleaciones con el cobre a
temperaturas elevadas. La resistencia de contacto entre el electrodo y el trabajo debe mantenerse en el nivel más bajo posible.
Las aleaciones de magnesio vienen cubiertas con un aceite o un
baño de cromo para proteger el metal de la oxidación durante el
transporte y el almacenamiento.Para obtener soldaduras sólidas
y consistentes, es preciso quitar el recubrimiento protector para
facilitar la eliminación del óxido de magnesio residual.
COBRE
ES IMPORTANTELIMPIAR las aleaciones de cobre. Los cobres de
berilio y los bronces de aluminio son especialmente difíciles
de limpiar con métodos químicos, por lo que se prefieren métodos mecánicos. En algunos casos se aplica una capa instantánea de estaño para producir una resistencia superficial uniformemente más alta que la del cobre puro.
NíQUEL
ELNÍQUELY sus aleaciones exigen un grado elevado de limpieza
del material para obtener buenos resultados de la soldadura de
resistencia. La presencia de grasa, suciedad, aceite y pintura
aumenta la probabilidad de pérdida de la elasticidad por azufre
durante la soldadura, lo que resulta en soldaduras defectuosas.
Es necesario eliminar el óxido si tratamientos térmicos previos
produjeron cantidades sustanciales de óxidos. Se puede usar
maquinado, abrasión, lijado o baño químico, pero el cepillado
con alambre no es satisfactorio.
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SOLDADURA DE PUNTOS, D E COSTURA Y DE PROYECCION
TITANIO
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ANTES DE SOLDAR piezas de titanio, sus superficies deben estar
escrupulosamente limpias. Los materiales como aceite, grasa,
suciedad, óxidos y pintura pueden afectar adversamentetanto la
consistencia de las soldaduras como la composiciónquímica. EI
titanio y sus aleaciones reaccionan con muchos elementos y
compuestos a las temperaturas de soldadura. La contaminación
con oxígeno, hidrógeno, nitrógeno y carbono, que se introducen
intersticiaimente en la microestructura, pueden reducir significativamente la ductilidad y tenacidad de la soldadura. Las superficies libres de incrustaciones pueden soldarse después de la
eliminación de grasas o bien después de la eliminaciónde grasas
y de la aplicación de un baño de ácido. Las grasas pueden
eliminarse con acetona, metiletilcetona o una disolución diluida
de hidróxido de sodio. No es aconsejable el empleo de disolventes clorados. El titanio y sus aleaciones son susceptibles a la
corrosión por tensión.
Se puede usar baños químicos para eliminar incrustaciones
leves de óxido antes de la soldadura. Esto suele hacerse con
disoluciones de HF-HNO, que contienen de 2% a 5% de HF y
de 30% a 40% de HNO, por volumen, completando con agua.
ACEROS
L O S ACEROS AL carbono y de baja aleación simples tienen una
resistencia a la corrosión relativamente baja en la atmósfera
ordinaria; por tanto, estos metales suelen protegerse con una
película delgada de aceite durante el embarque, almacenamiento
y procesainiento. Esta película de aceite no tiene efectos perjudiciales sobre la soldadura, siempre que las superficies impregnadas no se contaminen con suciedad u otros materiales de baja
conductividad o dieléctricos.
Los aceros tienen diversos acabados superficiales. Algunos
de los más comunes son (1) rolado en caliente, sin bafio químico;
(2) rodado en caliente, con baño químico y aceitado, y (3) rolado
en frío con o sin recocido. EI acero rolado en caliente sin bafio
químico debe someterse a baño químico o limpieza mecánica
antes de soldarse. EI acero rolado en caliente con baño químico
puede soldarse así como viene, aunque tal vez deba limpiarse
con un trapo para retirar la suciedad suelta. EI acero rolado en
frío presenta la mejor superficie para soldar y, si se le protege
543
adecuadamente con aceite, no requiere más limpieza previa a la
soldadura que el paso de un trapo para quitar la suciedad suelta.
Los aceros de alta aleación e inoxidables no se corroen y por
lo regular no requieren una limpieza minuciosa antes de someterlos a soldadura de resistencia. Cuando se les expone a temperaturas elevadas, los aceros inoxidables adquieren una capa de
óxido cuyo espesor depende de la temperatura y el tiempo de exposición. Las incrustaciones son un óxido de cromo que se
elimina eficazmente con un baño químico. EI aceite y las grasas
deben eliminarse con disolvente o mediante desengrasado con
vapor antes de la soldadura.
ACEROS RECUBIERTOS
CON POCAS EXCEPCIONES, los recubrimientos y chapas que se
aplican al acero al carbono para protegerlo de la corrosión o
mejorar su aspecto se prestan de manera satisfactoria a la soldadura de resistencia. En general pueden obtenerse buenos resultados sin procedimientos de limpieza especiales.
La soldadura de acero aluminizado se efectúa con menos
expulsión y captación si las superficies se cepillan con alambre.
Los recubrimientos de fosfato elevan la resistencia eléctrica
de las superficies a tal grado que la comente de soldadura no
puede atravesar las láminas si no se aplican presiones de soldadura muy altas. Se puede soldar con presiones altas, pero es
posible que ligeras variaciones en el espesor del recubrimiento
impidan la soldadura.
CONTROL DE LA PREPARACIÓN
DE SUPERFICIES
SE PUEDE MANTENER el control de ia preparación de superficies
midiendo periódicamente la resistencia de contacto a temperatura ambiente de las piezas de trabajo inmediatamente después
de la limpieza. La fonna más fácil de hacer la medición es de
punta a punta entre dos electrodos de RW, a través de dos o más
espesores del metal. La resistencia por unidad de superficie varia
inversamente con la presión, la temperatura y el área de contacto.
Es preciso especificar las condiciones de prueba si se quiere que
las mediciones sean utiles para el control de la limpieza de las
superficies.
SOLDADURA DE RESISTENCIA DE PUNTOS
APLICACIONES
LA SOLDADURA DE resistencia de puntos (resisrmce syor itqelding, RSW) se usa para fabricar ensamblados con lámina inetáIica de unos 3.2 n i i n (O. 125 pulg) de espesor cuando el disefio
pennite el empleo de uniones de traslapo y no se requieren
junturas a prueba de fugas. En ocasiones se utiliza el proceso
para unir placas de acero de 6.35 mm (1/4 pulg) de espesor o
i n k gruesas; sin embargo, Ias cargas sobre tales uniones son
limitadas y el traslapo de la ~iiiiónafiade peso y costo al ensamblado en comparación con el costo de una unión de tope soldada
por arco.
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Se prefiere usar este proceso en vez de la sujeción mecánica,
por ejemplo con reinaches o tornillos, cuando no se requiere desensamblado para mantenimiento. Resulta mucho más rápida y
ecoiióinica porque no se requieren sujetadores individuales para
el ensamble.
La soldadura de puntos se utiliza mucho para unir componentes de lriiniiia de acero de bajo carbono para automóviles, gabinetes, muebles y productos similares. EI acero inoxidable, el
aluiiiiiiio y las aleaciones de cobre se in en comúnmente por
soldadura de puntos para aplicaciones comerciales.
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544
SOLDADURA DE PUNTOS, D E COSTURA Y DE PROYECCIÓN
Las figuras 17.9 (D) a (G) representan disposiciones de
soldadura de resistencia indirecta. El sistema de placa de respalLAS PRINCIPALES VENTAJAS de la soldadura de resistencia de do de la figura 17.9 (D) provee presión y un trayecto de comente
puntos son su rapidez y su adaptabilidad para la automatización cuando la placa de respaldo es de un material conductor. Si no
en la producción de alto volumen de ensamblados de lámina lo es, sólo provee presión de soldadura y la corriente seguirá un
metálica. La soldadura de puntos también resulta económica en camino desde el electrodo superior a través de la superficie de
muchas operaciones de talleres de trabajo a destajo, porque es empalme y a lo largo de la pieza de trabajo inferior hasta la
más rápida que la soldadura por arco o la soldadura fuerte y conexión de retomo situada más abajo sobre la unión. La figura
requiere menos capacitación.
(E) es similar a (D), excepto que el electrodo que no aplica
El proceso tiene algunas limitaciones:
presión no está colocado sobre la unión de traslapo. La comente
puede pasar por una placa de respaldo conductora entre los
(1) El desensamblado para mantenimiento o reparación es electrodos o a través del material base entre los electrodos. Las
muy difícil.
figuras 17.9 (F)y (G) son simlares a las uniones de (E) y (D)
(2) Las uniones de traslapo añaden peso y costo de materiales pero se emplean para la soldadura de puntos de materiales de
al producto, en comparación con las uniones de tope.
alta resistencia que requierenmayores voltajes. Los dos circuitos
(3) El equipo suele costar más que la generalidad de equipos secundariosestán en serie y se conectan a dos transformadores.
para soldadura por arco.
Los circuitos primarios pueden conectarse en serie o bien en
(4) Los requerimientos de potencia de corta duración y alta paralelo. Los dos circuitos secundarios proveen la suma de sus
corriente producen demandas de potencia de línea desfavora- respectivos voltajes a las soldaduras de puntos.
bles, sobre todo si se usan máquinas monofásicas.
(5) Las soldaduras de puntos tienen bajas resistencias mecánicas a la tensión y a la fatiga debido a la muesca alrededor de Soldadura en paralelo y en serie
la pepita entre las láminas.
(6) La resistencia mecánica total de la lámina no puede LA SOLDADURA DE resistencia en paralelo y en serie son variaprevalecer en una unión soldada por puntos, porque la fusión es ciones de circuito secundario empleadas en aplicaciones de
soldadura de múltiples puntos. En la figura 17.10 se muestran
intermitente y las cargas son excéntricas debido al traslapo.
de manera esquemática ejemplos de disposiciones de soldadura
en paralelo y en serie.
Los sistemas de soldadura en paralelo dividen la comente
VARIACIONES DEL PROCESO
secundaria y la conducen a través de las piezas de trabajo y
LASVARIACIONES DEL proceso de soldadura de resistencia de electrodos por trayectos eléctricos paralelos, formando soldadupuntos se distinguen por la aplicación de la corriente y presión ras de puntos simultáneamente. Las figuras 17.10 (A) y (B)
de soldadura y por la disposicion del circuito secundario.
representan disposiciones de soldadura en paralelo. En la figura
(A), la corriente de soldadura proviene de un solo transformador
con múltiples electrodos en paralelo en el circuito secundario.
Soldadura directa e indirecta
La figura (B) representa un sistema de soldadura en paralelo que
LASOLDADURA DIRECTA es una variación de circuito secundario opera con un primario trifásico. Este sistema especifico está
de la soldadura de resistencia en la que la corriente de soldadura limitado a tres estaciones de trabajo.
En la soldadura en serie (figuras 17.10 C y D), la comente
y la fuerza de los electrodos se aplican a las piezas de trabajo
del circuito secundario se hace pasar por las piezas de trabajo y
con electrodos que están directamente opuestos.
La soldadura indirecta es una variación en la que la corrien- los electrodos enun trayecto eléctrico en serie, formando simulte de soldadura no sólo atraviesa las piezas de trabajo en el sitio táneamente múltiples soldaduras de punto en las posiciones de
de la soldadura de punto, sino que también sigue otro camino. los electrodos. Las disposicionesde soldadura en serie requieren
En la figura 17.9 se muestran de manera esquemática disposi- valores de resistencia iguales en las superficies de empalme para
ciones típicas para la soldadura de puntos directa e indirecta. obtener un calentamiento uniforme en cada soldadura de punto.
Las figuras 17.9 (A), (B) y (C) ilustran la soldadura de resisten- Cuando se sueldan puntos con dos electrodos en sene, una parte
cia directa. En la figura 17.9 (A), la soldadura directa se efectúa de la comente viaja a través de la pieza de trabajo adyacente
empleando electrodos con geometrías similares. En la figura desde un electrodo al otro, sin pasar por las superficies de
17.9 (B), un electrodo de mayor tamaño contra una de las pie- empalme. Esta corriente derivada no contribuye a la soldadura
zas de trabajo provee un área de contacto más grande para las de punto, y debe tenerse en cuenta al desarrollar unprocedimienaplicaciones que requieren un mejor balance calorífico al soldar, to de soldadura de puntos en serie.
o cuando se desea que la lámina inferior no quede marcada por
los electrodos. La mayor área superficial disipa más rápidamente
el calor de la unión soldada. La figura 17.9 (C) es un esquema BALANCE CALORíFICO
de dos o más electrodos conectados en serie a un solo transfor- ELEQUILIBRIO CALORIFICO en una soldadura de puntos se alcanmador. Las disposiciones de electrodos de este tipo pueden za cuando las profundidades de fusión en las piezas de trabajo
realizar rápidamente soldaduras de puntos sucesivas con un son aproximadamenteiguales. Surgen problemas con el balance
conjunto de electrodos en contacto simultáneo con el trabajo. calorífico cuando se efectúan uniones de metales de diferentes
Esta disposición resulta económica en lo tocante a los costos de espesores, diferentes conductividades eléctricas, o combinacioequipo.
nes de ambas cosas. Se puede ajustar las configuraciones y
VENTAJAS Y LIMITACIONES
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SOLDADURA DE PUNTOS, D E COSTURA Y D E PROYECCIÓN
545
SOLDADURA DIRECTA
(FI
(GI
SOLDADURA INDIRECTA
Figura 17.9-Disposiciones típicas de circuito secundario para la soldadura de resistencia de puntos directa e
indirecta
composiciones de los electrodos para compensar hasta cierto
punto el calentamiento desigual, como se muestra en la figura
17.11. Este dibujo ilustra métodos generales para compensar un
calentamiento inadecuado en uniones de inetales base con diferentes conductividades eléctricas.
En la figura 17.11 (A), se usa un electrodo con cara de rneiior
área en el metal que tiene la conductividad más alta. La reducción del área de contacto aumentará la densidad de corriente en
el metal que conduce mejor, y se disipará de la unión menos calor
por conducción a través del metal base y del electrodo. Se generará más calor en la pieza de trabajo, y el área de fusión se
desplazará desde el metal que conduce menos hacia el metal que
conduce más. Una alternativa sería aplicar un electrodo con
mayor resistencia al metal de más alta coiiductividad, a fin de
limitar la pérdida de calor a través de ese electrodo [véase Ia
figura 17.11(B)]. La figura 17.11(C) presenta la coinbinaciónde
un electrodo con mayor resistencia y menor área de la cara,
aplicado al metal más conductor. También puede obteiierse un
mejor balance calorífico aumentando el espesor del metal mis
conductor, como se aprecia eii la figura 17.11 (D), lo que resulta
en un aumento de la resistencia efectiva de esa limiiia.
La soldadura de puntos de metales con características eléctricas similares pero diferentes espesores también produce un
calentamiento desigual de la unión. La pieza de trabajo más
gruesa presentará mayor resistencia (menor conductividad) que
la más delgada, por lo que la penetración será más profunda
en la lámina más gruesa. EI balance calorífico puede mejorarse reduciendo la densidad de corriente en la lámina más gruesa,
reduciendo la pérdida de calor de la lámina más delgada, o por
una combinación de ambas cosas. La aplicación de un electrodo
de mayor diámetro a la lámina más gruesa concentrará la densidad de corriente en el metal más delgado, desplazando la penetración de la pepita hacia la lámina delgada.
Para soldar eficazmente dos o más espesores distintos del
inisino metal se sugiere una razón sección-espesor máxima d e
las láminas exteriores. En el caso de aceros al carbono, la razón
sección-espesor máxima recomendada es 4 a 1. Para unión d e
tres diferentes espesores de acero al carbono empleando electrodos puntiagudos se recomienda una razón de espesor de lac
laminas exteriores de 2.5 a 1. En el caso de uniones con razones de espesor más altas, la alteración del diámetro de la cara d e
los electrodos y de la composición de estos últimos son métodos
importantes para equilibrar el calor producido en cada miembro
de la unión.
En múltiples capas de espesores disímiles, un tiempo d e
soldadura largo permite una distribución más uniforme del calor
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546
SOLDADURA D E PUNTOS, DE COSTURA Y DE PROYECCIÓN
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Los factores que deben considerarseal diseñar para soldadura
de puntos incluyen:
III
U
(1) Distancia del borde.
(2) Traslapo de la unión.
(3) Embonamiento.
(4) Espaciado de la soldadura.
(5) Accesibilidad de la unión.
(6) Marcado de la superficie.
(7) Resistencia mecánica de la soldadura.
- -
(BI
(AI
SOLDADURA EN PARALELO
Distancia del borde
LA DISTANCIA DEL borde es la distancia desde el centro de la
pepita de soldadura hasta el borde de la lámina. Debe haber
suficiente metal base para resistir la expulsión de metal fundido
de la unión. Las soldaduras de puntos situadas demasiado cerca
del borde de uno o ambos miembros hacen que el metal base del
borde del miembro se sobrecaliente y se vuelque hacia afuera
(véase la figura 17.12). El metal base del borde restringe menos
a la pepita fundida y puede haber expulsión de metal fundido
debida a la elevada presión interna dentro de la pepita. La
consistencia de la pepita puede ser deficiente, la marca dejada
por el electrodo puede ser profunda y la resistencia mecánica de
la soldadura puede ser baja. La distancia del borde mínima
requerida es función de la composición y la resistencia mecánica
del metal base, del espesor de la sección, del contorno de las
caras de los electrodos y del ciclo de soldadura.
Traslapo de la unión
SOLDADURA EN SERIE
Figura 17.1O-Disposiciones del secundario típicas
para la Soldadura directa de múltiples puntos
en el trayecto de resistencia asimétrico entre los electrodos. Se
puede obtener un balance calorífico correcto empleando soldadura de múltiples impulsos (pulsación), o un solo impulso de
comente continua durante un tiempo equivalente.
DISEÑODE LAS UNIONES
ENTODOS Los casos de soldadura de puntos las uniones tienen
el diseño de traslapo.
Uno o más de los miembros soldados pueden ser bridas de
piezas, o seccionesmoldeadas, como ángulos y canales. Conviene considerar el empleo de máquinas de soldadura de resistencia
estándar, pistolas de soldar portátiles y máquinas de aplicación
especial al diseñar la configuración de la unión de traslapo. El
diseño de la unión para la soldadura indirecta debe permitir
el acceso de los electrodos o troqueles de respaldo a ambos
lados de la unión.
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EL TRASLAPO MIMMO permisible en la unión es dos veces la
distancia mínima al borde. El traslapo debe incluir suficiente
metal base para evitar el sobrecalentamiento de los bordes y la
expulsión en ambos miembros de la unión, pero otros factores,
como el libramiento del electrodo, pueden requerir un traslapo
mayor. Si el traslapo es demasiado pequeño, la distancia al borde
será automáticamente insuficiente, como se aprecia en la figura
17.12.
Embonamiento
LASPIEZAS POR unir deberán embonar a lo largo de la unión con
muy poca o ninguna separación entre ellas. Cualquier fuerza que
se requiera para cerrar huecos en la unión reducirá la fuerza de
soldadura efectiva. Es posible que, conforme avanza la soldadura, la fuerza requerida para cerrar la unión varíe, con lo que también variará la fuerza de soldadura real. El resultado puede.ser
variaciones significativas en la resistencia mecánica de las soldaduras individuales
Espaciado de la soldadura
CUANDO SE HACEN muchas soldaduras de puntos en forma
sucesiva a lo largo de una unión, una fracción de la corriente
secundaria fluye en paralelo por las soldaduras adyacentes. Es
preciso considerar esta derivación de la comente al establecer
la distancia entre soldaduras de punto adyacentes y al ajustar los
parámetros de la máquina soldadora.
Not for Resale
S O L D A D U R A DE P U N T O S , DE C O S T U R A Y DE P R O Y E C C I Ó N 547
ALEACIÓN
DE ALTA
ELECTRODO
ALEACIÓN
DE ALTA
CONDUCTIVIDAD
DE BAJA
CONDUCTIVIDAD
DE BAJA
CONDUCTIVIDAD
(A) ELECTRODO CON CARA DE ÁREA MENOR CONTRA LA ALEACIÓN DE MAYOR CONDUCTIVIDAD
(B) ELECTRODO DE ALTA RESISTENCIA ELECTRICA CONTRA LA ALEACIÓN DE MAYOR CONDUCTIVIDAD
(C) IGUAL QUE B PERO USANDO UN ELECTRODO CON MAYOR ÁREA DE CARA CONTRA EL MATERIAL DE BAJA
CONDUCTIVIDAD
(D) AUMENTO DEL ESPESOR DE LA PIEZA DE TRABAJO CON MAYOR CONDUCTIVIDAD
Figura 17.1l-Técnicas representativas para mejorar el balance calorífico de las uniones al soldar por puntos
metales con diferentes conductividades eléctricas
La división de la corriente dependerá en primer ténnino de la
razón entre las resistencias de los dos trayectos, uno a través de
las soldaduras adyacentes y otro a través de la interfaz entre las
láminas. Si la longitud del trayecto a través de la soldadura
adyacente es grande en comparación con el espesor de la unión,
esa resistencia será alta en comparación con la resistencia de la
unión, y el efecto de derivación será insignificante. EI espaciado
mínimo entre soldaduras de punto está relacionado con la conductividad y el espesor del metal base, el diámetro de la pepita
de soldadura y la limpieza de las superficies de empalme. Por
ejemplo, en los metales con mayor conductividad o espesor se
deben espaciar más las soldaduras de punto. EI espaciado inínimo sugerido entre soldaduras adyacentes aumenta cuando se
unen tres o más láminas. EI espaciado de puntos para una soldadura que une tres láminas es en general 30% mayor que el
espaciado requerido para soldar dos secciones de la lámina
externa más gruesa. Se puede aumentar los niveles de corriente
para suministrar más comente a la soldadura y así compensar
los efectos de derivación; sin embargo, el mayor aporte de calor
puede causar expulsión si se aplica a la primera soldadura, que
no tiene derivación. Se puede usar un cronómetro de soldadura
o control de comente auxiliar para realizar la primera soldadura de punto con un aporte de calor más bajo.
Accesibilidad de la unión
ELDISEÑO DE la unión debe contemplar el tamaño y la forma de
los electrodos y portaelectrodos disponibles en el comercio, así
como el tipo de equipo de soldadura de puntos que se utilizará.
Los electrodos montados en la máquina soldadora (o los troqueles de respaldo en el caso de la soldadura indirecta) deben tener
acceso a ambos lados de la unión. En el capítulo 19 se da más
información sobre el diseño de los electrodos y portaelectrodos.
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548
SOLDADURA D E PUNTOS, DE COSTURA Y DE PROYECCIÓN
--`,,,```-`-`,,`,,`,`,,`---
y TRASLAPOY DISTANCIA AL BORDE
DEMASIADO PEQUENOS
Figura 17.12-Efecto de una distancia al borde y
traslapo insuficientes
Marcado de la superficie
LASMARCAS EN la superficie se deben a encogimientode la pieza
de trabajo causado por una combinación del calor de soldadura
y la penetración de los electrodos en la superficie de la pieza de
trabajo.
Cuando hay comente de soldadura, el trabajo se calienta
localmente por resistencia y trata de expandirse en todas direcciones. En virtud de la presión ejercida por los electrodos, la
expansión transversal respecto al plano de las láminas está
restringida. Al enfriarse la soldadura, la contracción tiene lugar
casi exclusivamenteen la dirección transversal y produce superficies cóncavas o marcas en las posiciones de los electrodos
(véase la figura 17.13). Este encogimiento no debe confundirse
con la penetraciónexcesiva de los electrodos en el trabajo debida
a procedimientos de soldadura incorrectos. El encogimientopor
contracción casi nunca es mayor que unas cuantas centésimas
de milímetro.
Cuando la pieza de trabajo, al expandirse, se vuelca en el
plano de las láminas alrededor de la cara de los electrodos,
aparece un cordoncillo circular alrededor de la concavidad de la
soldadura de punto (véase la figura 17.13). Este cordoncillo se
debe a la relativamente alta fuerza de los electrodos y es hasta
cierto punto inevitable cuando se usan electrodos moldeados.
Después de algunas operaciones de acabado, como la pintura,
las marcas pueden ser muy notorias. Es difícil eliminar las marcas por completo, pero se pueden reducir bastante modificando
el procedimiento de soldadura. Por ejemplo, la profundidad de
fusión dentro de la lámina puede minimizarse soldando en el
tiempo más corto que resulte practicable.
Son varias las técnicas que se emplean para reducir al mínimo
estas marcas. EI método común consiste en usar un electrodo
grande de cara plana contra el fado de vista de la unión. (EI lado
de vista es el lado que puede verse cuando el producto ensamblado está en uso.) Este electrodo debe fabricarse con una
aleación dura de cobre para minimizar el desgaste. Otra técnica
consiste en emplear sistemas de soldadura indirecta como los
que se muestran en las figuras 17.9 y 17.14.
También pueden quedar marcas superficiales cuando un electrodo o su portaelectrodo toca accidentalmente la pieza de trabajo en un punto cercano a donde se hará la soldadura. EI arco
resultante puede producir un hoyo pequeño en el trabajo que es
indeseable en algunas aplicaciones. Si ocurre una fusión localizada como resultado del contacto, pueden aparecer grietas en
algunos materiales.
La desalineación de los electrodos, el deslizamiento o la
desviación del componente de soporte de la máquina bajo una
carga también pueden producir marcas indeseables en la superficie. EI sobrecalentamientolocalizado y la desviación de electrodos podrían no tener efectos perjudiciales si se emplea el
diseño de unión, los electrodos y el equipo correctos.
Resistencia mecánica de la soldadura
LARESISTENCIA M E C h C A de una sola soldadura de punto sometida a fuerzas de corte la determina el área de sección transversal de la pepita en el plano de las superficies de empalme. Si
se desea información adicional sobre los procedimientos de
prueba de las soldaduras de punto puede consultarse AWS C1.1,
Prácticas reconzeizdadaspara la soldadura de resistencia.
Las uniones de traslapo que se prueban con la soldadura
sometida a fuerzas de corte experimentan una excentricidad de
carga que resulta en la rotación de la unión en el punto de soldadura al aumentar la carga de prueba. La resistencia a la rotación
de la unión aumenta al aumentar el espesor de las láminas. La
unión puede fallar por cizallamiento a través de la pepita o bien
por desgarre del metal base adyacente a la pepita de soldadura
(véase la figura 17.15). Normalmente, las soldaduras con resistencia mecánica baja fallan por cillazamiento de la pepita, y las
de resistencia mecánica alta por desgarramiento del metal base.
Se requiere un diámetro de pepita mínimo para que pueda haber
falla por desgarre del metal base. El diámetro de pepita mínimo
es único para el tipo de material base, condición superficial y, si
se aplica, tipo de recubrimiento.
I
Figura 17.13-Irregularidad de la superficie producida
por la soldadura de puntos
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SOLDADURA DE PUNTOS, DE COSTURA Y DE P R O Y E C C I Ó N
549
1
FUERZA DE
ELECTRODOS
TRANSFí
nani I R A
DE SOL,.3RMADOR
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I
1
I
I
FUERZA
DE SUJECIÓN
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I
I
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TRAYECTODE
LA CORRIENTE
-1
I
I
I
I
~~~
Figura 17.14-Aplicación de soldadura indirecta para minimizar ias marcas en uno de los lados
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Si el diámetro de la pepita se aumenta por encima de este
valor mínimo, puede obtenerse un aumento en la resistencia
mecánica de la soldadura. La figura 17.16 muestra el pequeño
aumento que se observa en los valores de resistencia del acero
de bajo carbono al aumentar el tamaño de la pepita.
Las soldaduras de puntos tienen resistencia mecánica relativamente baja cuando se someten a tensiones cargandolas en
sentido transversal al plano de las láminas. Esto se debe a la
muesca aguda entre las láminas en la periferia de la pepita de
soldadura; por tanto, las uniones soldadas por puntos no deben
cargarse en este sentido.
La resistencia mecánica de las uniones soldadas de multiples puntos depende del espesor del material, del espaciado de
los puntos y del patrón de soldadura. El espaciado entre soldaduras de punto adyacentes puede alterar ia resistencia mecánica
de la unión debido a la derivación de comente a través de las
soldaduras previas. Al disminuir el espaciado entre puntos adyacentes, puede disminuir la resistencia mecánica al cizallamiento de la unión.
La figura 17.17muestra el efecto de la distancia de derivación
(espaciado de los puntos) sobre la resistencia mecánica a la
tensión de cizallamiento de las Soldaduras de puntos. Los datos
se tomaron de soldaduras hechas en tiras de acero dulce de 6.3
inm (1/4 pulg) de espesor por 76 mm (3 pulg) de ancho. Todas
las soldaduras se hicieron con un circuito de derivación. La
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resistencia mecánica al cizallamiento media de 24 soldaduras
fue 8000 kg (17 570 lb).
Para obtener la resistencia mecánica deseada en la unión, el
numero de soldaduras necesarias debe satisfacer los requisitos
de espaciado inínimo a fin de minimizar los efectos de derivación de la corriente. Un patrón de soldadura escalonado con
múltiples hileras de soldaduras en lugar de un patrón rectangular redunda en una mayor resistencia mecánica, en virtud de la
distribución más eficiente de la carga entre los puntos de soldadura.
Como un resumen de la relación entre las variables de la
soldadura de resistencia de puntos y la resistencia mecánica de
la unión, la tabla 17.1 lista los valores sugeridos para dichas
variables al soldar acero de bajo carbono no recubierto, y muestra las resistencias mecánicas al cizallainiento mínimas y los
diámetros de pepita resultantes.
MANTENIMIENTO DE LOS ELECTRODOS
SI SE DESEA producir soldaduras consistentes es preciso dar
mantenimiento a los electrodos. Un aumento anormal en el tamaño de ias caras de los electrodos que hacen contacto con el
trabajo perjudica la resistencia mecánica y la calidad. Por ejemplo, Si se permite que la cara de un electrodo que originalmente
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550
SOLDADURA DE PUNTOS, DE COSTURA Y DE PROYECCIÓN
1
t
TRACCIÓN
I
TRACCIÓN
FALLA DE
LA INTERFAZ
I
ta para soldar. Es probable que los electrodos duren más sin que
sea necesario rectificarlos cuando se emplean con trabajo colocado (máquinas estacionarias) que con trabajo no colocado
(pistolas de soldar portátiles).
TRACCIÓN
TRACCIÓN
FALLA DEL
METAL BASE
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Figura 17.15-Tipos de fallas en función de la rotación
en pruebas de cizallamiento por tensión
tiene6.35mm(1/4pulg) dediárnetrocrezcahasta7,94mm(5/16
pulg) por la deformación, el área de contacto tendrá un incremento del 50%, con una disminución correspondiente en ia
densidad de comente y la presión. Dependiendo en cierta medida del programa de soldadura, el resultado puede ser uniones
débiles o defectuosas. Un signo de peligro es la producción de
puntos deformes, que pueden deberse a lo siguiente:
(1) Caras de los electrodos no circulares.
(2) Caras planas demasiado grandes en los electrodos.
(3) Caras de electrodos cóncavas o convexas.
(4) Mesalineación de los electrodos respecto al trabajo.
Es relativamente fácil mantener la alineación correcta de los
electrodos si se usan máquinas soldadoras estacionarias y accesorios de soporte adecuados; en cambio, en el caso de las
máquinas tipo pistola portátil, la desalineación es cosa común.
La gravedad de esta condición depende de la facilidad con que
el equipo puede manipularse y colocarse en la posición correc-
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SOLDAPEGADO
EL SOLDAPEGADOES una combinación de la soldadura de resistencia de puntos y ia unión adhesiva. Se coloca adhesivoen pasta
o película entre los miembros que se van a unir, y luego se
efectúan soldaduras de resistencia a través de la capa adhesiva.
Se deja que el adhesivo frague ya sea a temperatura ambiente o
calentando en una estufa, según las indicaciones del fabricante
del adhesivo. La misión principal de las soldaduras de puntos es
mantener unidas las piezas durante el curado o fraguado; su
número no es grande y por tanto no contribuyen apreciablemente
a la resistencia mecánica de la unión. En las industrias aeroespacial y de transporte es común encontrar estructuras unidas por
soldapegado,y esta técnica se emplea para adherir tableros a los
forros de aviones y para sujetar los forros metálicos de aviones
o camiones a canales, ángulos y otros tipos de refuerzos.
El adhesivo, sea de pasta o de película, se puede aplicar a una
de las superficies de unión, o a ambas. La fuerza de los electrodos
durante la soldadura expulsa el adhesivo en los lugares donde
quedan los puntos de soldadura, creando un trayecto de corriente
por las láminas. El adhesivo debe tener buenas características de
humectación y flujo para poder unir firmemente las superficies
de empalme. El curado prematuro del adhesivo durante la soldadura de puntos, o antes de ella, puede estorbar el movimiento
necesario del adhesivo y producir una resistencia elevada entre
las superficies de empalme. La resistencia puede impedir el paso
de la comente de soldadura, o producir un calentamiento excesivo y la subsecuente expulsión de metal. La aplicación de una
fuerza de precompresión con los electrodos antes del ciclo de
soldadura puede ayudar a desplazar el adhesivo en los puntos
de soldadura.
EI soldapegado mejora la vida sin fatiga y la durabilidad de
la unión en comparacióncon las que se obtienen con la soldadura
de puntos por sí sola. EI proceso también puede mejorar la distribución de tensiones, la rigidez de la unión y la resistencia
contra el pandeo en láminas delgadas. EI adhesivo de la unión
amortigua las vibraciones y el ruido, y ofrece cierta resistencia
a la corrosión. En algunos componentes de aeronaves se puede
lograr una mayor efectividad de costos con el soldapegado que
con la sujeción mecánica o con la unión adhesiva por sí sola.
En la mayor parte de las aplicaciones, ias desventajas del
soldapegado incluyen el costo adicional del adhesivo, la operación de curado adicional y los costos de tiempo y mano de obra
que implican limpiar los componentes, tratar las superficies y
aplicar el adhesivo. Además, las temperaturas de operación para
el componente están limitadas a la temperatura efectiva de
servicio del adhesivo.
La presencia de adhesivo en la unión dificulta la soldadura y
puede contribuir a variaciones significativas en su calidad. Independientemente de las condiciones de soldadura, no todo el
adhesivo será desplazado de entre las láminas, y por tanto la
resistencia de contacto será mayor que con láminas limpias.
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SOLDADURA DE PUNTOS, DE C O S T U R A Y DE PROYECCIÓN
551
8
m7
ACERO SAE 1008
I
I
1
I
.12
I
.16
I
I
I
I
.24
.20
I
I
I
.28
I
I
I
.32
.36
I
I
.40
I
I
.4 3
.44
DIÁMETRO DE LA PEPITA, PULGADAS
Figura 17.16-Efecto del tamafio de pepita y del espesor de las láminas sobre la resistencia mecánica a la tensión
de corte; la falla ocurre por desgarre del metal base
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SOLDADURA CLASE " B
-
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I
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/
RESISTENCIA DE CORTE MEDIA DE 24
SOLDADURAS, 8000 KG
-
TODAS LAS SOLDADURAS SE HICIERON
CON UN CIERCUITO DE DERIVACION
CURVA ESTIMADA PARA DISTANCIAS
DE DERIVACION MENORES QUE 2-1/2 PUlg
I
I-
-
TEMPERATURA DEL MATERIAL 25 "C
40
2
-
SOLDADURA CON CA DE ACERO DULCE
DE 114 pulg x 3 pulg
I
W
a
O
I
I
1
1
1
I
I
1
1
I
1
I
I
I
A
Figura 17.17-Efecto de la distancia de derivación (espaciado de los puntos) sobre la pérdida de resistencia
mecánica a la tensión de corte
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552
~~
SOLDADURA D E PUNTOS, DE COSTURA Y DE PROYECCION
~
~~
~
~
Tabla 17.1
Programas sugeridos para soldar por puntos láminas de acero de bajo carbono sin recubrimiento
Espesor Diám. cara,
Pulg
Pub
0.020
0.025
0.030
0.035
0.040
0.045
0.050
0.055
0.060
0.070
0.080
0,090
0.105
0.120
0.188
0.188
0.250
0.250
0.250
0.250
0.312
0.312
0.312
0.312
0.312
0.375
0.375
0.375
Electrodo
Forma
Ángulo de
biseIlgrados"
E,A, B
E,A, B
E, A, B
E, A, B
E,A, B
E,A, B
E,A, B
E,A, B
E, A, B
E,A, B
E, A, B
E,A, B
E, A, B
E, A, B
* Definiciones de formas: E
=
45
45
45
45
45
45
30
30
30
30
30
30
30
30
Fuerza,
Ib
400
450
500
600
700
750
800
900
1O00
1200
1400
1600
1800
21 O0
Tiempo de Corriente de Traslapo de
Espaciado de
soldadura soldadura contacto soldaduras mínimo
(60 Hz),
(aprox.),
mínimo, Pila de 2, Pila de 3,
ciclos
A
PU@
pulg
pulg
7
8
9
9
10
11
12
13
14
16
18
20
23
26
8,500
9,500
10,500
11,5CO
12,500
13,000
13,500
14,000
15,000
16,000
17,000
18,000
19,500
21,000
0.44
0.47
0.47
0.53
0.53
0.59
0.59
0.63
0.63
0.66
0.72
0.78
0.84
0.88
0.38
0.62
0.62
0.75
0.75
0.94
0.94
1.O6
1.O6
1.18
1.30
1.56
1.68
1.81
0.62
0.88
0.88
1.O6
1.O6
1.18
1.18
1.31
1.31
1.50
1.60
1.88
2.00
2.50
Resist.
de corte
minima,
Ib
320
450
575
750
925
1150
1350
1680
1850
2300
2700
3450
4150
5000
Diám.
pepita,
pulg
0.10
0.12
0.14
0.16
0.18
0.19
0.20
0.21
0.23
0.25
0.26
0.27
0.28
0.30
Cono truncado
A = Puntadenar¡z*A*
B = Radiode 3 pulg
** Se aplica sólo a los electrodos de cono truncado y se mide desde el plano de la cara del electrodo.
Notas:
1. Para espesores intermedios se pueden interpolar la fuerza y el tiempo de soldadura.
2. EI espaciado de soldaduras mínimo se mide de línea central a línea central.
3. Los datos de esta tabla fueron suministrados por el Comité AWS D8 y representan un promedio de las variables típicas empleadas en la industria
automotriz.
SOLDADURA DE RESISTENCIA DE COSTURA
APLICACIONES
LAS SOLDADURAS DE resistencia de costura (resistance seaiil
weld, RSEW), se realizan en piezas de trabajo que se traslapan
y constituyen soldaduras continuas formadas por pepitas que se
funden una con otra, por una pepita de soldadura continua o por
forjado de la unión cuando se calienta hasta la temperatura de
soldadura por su resistencia a la corriente de soldadura.
Las soldaduras de costura se usan por lo regular para producir
uniones continuas herméticas para gases o líquidos en ensainblados de lámina, como los tanques de gasolina para autoinóviles. EI proceso también sirve para soldar junturas longitudinales
en secciones tubulares estructurales que no requieren costuras a
prueba de fugas. En la mayor parte de las aplicaciones se usan
dos electrodos de rueda, o una rueda de traslación y un mandril
estacionario, para suministrar la corriente y la presión requeridas
para la soldadura de costura (véase la figura 17.18).Este tipo de
soldaduras también puede producirse con electrodos de soldadura de puntos, haciendo deliberadamente que las soldaduras de
punto se traslapen para obtener una soldadura de costura a
prueba de fugas. La soldadura de puntos traslapados requiere un
aumento en la potencia después del primer punto, para compensar el efecto de derivación y lograr una formación de pepitas
adecuada conforme avanza la soldadura.
VENTAJAS Y LIMITACIONES
LASOLDADURA DE resistencia de costura tiene ias mismas ventajas y liinitaciones que la soldadura de resistencia de puntos.
Una ventaja adicional es la capacidad de producir una soldadura
continua a prueba de fugas.
Las soldaduras de costura deben seguir un trayecto recto o
unifonneinente curvilíneo. Si la dirección de soldadura o el contorno de la uiiión a lo largo del trayecto cambian abruptamente,
la soldadura no será a prueba de fugas. Esto limita el diseño del
ensainblado.
Las propiedades de resistencia mecánica de las uniones de
traslapo soldadas por costura generalmente son inferiores a las
de las uniones de tope soldadas por fusión, debido a la excentricidad de las cargas sobre las uniones de traslapo y la muesca
inherente a lo largo de la pepita en la zona interna de las Iáininas.
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SOLDADURA DE PUNTOS, DE COSTURA Y DE PROYECCIÓN
553
/
ELECTRODO DE RUEDA SUPERIOR
\
RUEDA IMPULSORA
DE FRICCION
/
PIEZA DE 7
ELECTRODO DE RUEDA INFERIOR
’
MÁQUINA CIRCULAR
Fiaura 17.18-Posición de los electrodos de rueda en un soldador de resistencia de costura
aproximadamente de 1 a 1.5 veces el espesor de la lámina. Se
emplean electrodos de rueda anchos, de cara plana, que cubren
LASVARIACIONES DE la soldadura de resistencia de costura se por completo el traslapo. La soldadura de costura de masa
muestran en la figura 17.19.
requiere una fuerza de electrodos elevada, comente de soldadura continua y un control preciso de la fuerza, la comente, la velocidad de soldadura, el traslapo y el espesor de la unión para
Soldadura de costura de traslapo
poder obtener características de soldadura consistentes. EI trasLAS UNIONES DE TRASLAPO pueden soldarse por costura em- lapo se mantiene dentro de tolerancias estrechas, por lo regular
pleando dos electrodos de rueda [figura 17.19 (A)] o con una mediante sujeción rígida o soldadura provisional de las piezas.
rueda y un mandril. El traslapo minimo de la unión es el mismo
Tipicamente, el lado expuesto o de vista del componente
que para la soldadura de puntos, esto es, dos veces la distancia soldado se coloca contra un mandril que actúa como electrodo
mínima al borde (distancia entre el centro de la pepita de solda- y sostiene los miembros que se van a unir. Un electrodo de rueda
dura y el borde de la lámina).
se aplica al lado de la unión que no se ve. La superficie de vista
de la unión debe ser aplastada hasta quedar lo más plana posible de modo que tenga buen aspecto. Se requiere una colocación
Soldadura de costura de masa
correcta de la rueda con respecto a la unión para obtener una cara
LA SOLDADURA DE costura de masa es una vanación de la soldada tersa. Si la apariencia del producto terminado es imporsoldadura de resistencia que crea una unión de traslapo primor- tante, puede ser necesario pulir un poco el área de soldadura
dialmente por formación plástica y difusión, no por fusión y antes de pintarla o recubrirla.
La soldadura de costura de masa produce junturas continuas
solidificación. EI espesor de la unión después de la soldadura es
de buen aspecto y libres de intersticios. Esto Último es necesamenor que el espesor de las dos láminas ensambladas.
La soldadura de costura de masa [figura 17.19 (B)] requiere rio en aplicaciones que tienen exigencias estrictas en lo tocante
bastante menos traslapo que la unión de traslapo convencional. a ia contaminación o la limpieza, como las costuras de recipienCon los procedimientos de soldadura apropiados, el traslapo es tes para alimentos o los forros de los refrigeradores.
VARIACIONES DEL PROCESO
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554
SOLDADURA DE PUNTOS. DE COSTURA Y
DE PROYECCIÓN
VISTA LATERAL
VISTA FRONTAL
(A) SOLDADURA DE COSTURA DE TRASLAPO
U~MINAS
LIGERAMENTE
A
ELECTRODOS
DESPUÉS DE SOLDAR
ANTES DE SOLDAR
(B) SOLDADURA DE COSTURA DE MASA
LADO DE
ACABADO
ELECTRODO
ACHAFIANADO
--`,,,```-`-`,,`,,`,`,,`---
ANCHO Y PLANO
ANTES DE SOLDAR
DESPUESDESOLDAR
(c) SOLDADURA DE JUNTURA DE ACABADO METÁLICO
Figura 17.19-Variaciones de la soldadura de resistencia de costura
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SOLDADURA DE PUNTOS, DE COSTURA Y DE PROYECCION
Entre las desventajas del proceso de soldadura de costura de
masa están las siguientes:
(1) No linealidad en la unión, debido a la incapacidad del
proceso para aplanar por completo la costura.
(2) Distorsión: el flujo lateral inherente del metal al ser
soldado se restringe por la accesorización o las soldaduras
provisionales.
(3) Se requiere accesorización muy rígida para resistir la
distorsión de la soldadura.
Para obtener soldaduras aceptables, los materiales que se
van a unir con esta técnica deben tener intervalos de temperatura
plástica muy amplios. El acero de bajo carbono y el acero inoxidable se pueden soldar por costura de masa para ciertas aplicaciones.
555
obtener un buen acabado superficial en el lado de la unión que
se presiona contra la rueda plana si se emplean los procedimientos de soldadura apropiados.
Es preciso mantener dentro de tolerancias estrechas la colocación del borde de la lámina que hace contacto con el electrodo de
cara plana, relativa al bisel del otro electrodo (figura 17.20).En el
caso de lámina de acero de bajo carbono de 0.8 mm (0.031 pulg)
de espesor, por ejemplo, el borde debe estar a 0.4mm (0.016
pulg) del centro, o menos. La distancia de traslapo no es crítica.
Se requiere mayor amperaje y mayor fuerza de los electrodos
que para la soldadura de costura de masa, a causa de la mayor
distancia de traslapo. Los materiales con los que se puede usar
la soldadura de costura de masa (aquellos con intervalos de
temperatura plástica amplios) también se sueldan fácilmentecon
esta vanación.
LASSOLDADURAS DE costura de traslapo y de masa difieren en
la cantidad de forjado, es decir, en qué tanto se aplastan. La
soldadura de traslapo prácticamente no se aplasta, en tanto que
el espesor de una soldadura de costura de masa se aproxima
al de una sola lámina. En la soldadura de costura de acabado
metálico sólo se aplasta un lado de la unión (figura 17.19C) y es
un término medio entre las soldaduras de costura de traslapo y
de masa.
El grado de deformación, o aplaste, tiene que ver con la
geometría de la cara de uno de los electrodos de rueda y con la
posición de la unión relativa a esa cara. La cara de la rueda está
biselada a un lado del punto medio (figura 17.20), y esto vana
la magnitud de la deformación a lo ancho de la unión. Se puede
EL PROCESO DE soldadura de costura con electrodo de alambre
emplea un electrodo de alambre interpuesto entre cada electrodo
de rueda y la pieza de trabajo (véase la figura 17.21). Esta
variación del proceso se utiliza casi exclusivamente para soldar
por costura productos de estaño empleados en la fabricación de
latas. EI alambre de cobre viaja alrededor de los electrodos de
rueda a la velocidad de soldadura y provee una superficie que se
renueva continuamente, aunque no es consumido en la operación de soldadura. Asi se evita la acumulación de estaño que
habría en un electrodo de rueda de cobre. EI electrodo de alambre
de cobre puede tener una sección transversal circular o plana.
El proceso requiere sistemas de soldadura de diseño especial.
Las soldaduras de costura pueden hacerse con dos electrodos de
rueda o con un electrodo de rueda y otro de mandril.
EI intervalo de temperaturas de una soldadura de costura con
electrodo de alambre debe producir una buena adhesión en fase
sólida sin exceder el punto de fusión del material base. Si la
soldadura alcanza temperaturassuperiores al punto de fusión del
metal base, picos o salpicaduras de metal fundido serán expelidos de la unión. Estas salpicaduras pueden conducir a la COITOsión del componente soldado, por lo que no son deseables. La
soldadura de costura con electrodo de alambre no tolera grandes
variaciones en la temperatura.Las variaciones de la temperatura
de soldar que se deben a fluctuaciones de la potencia eléctrica o
de la presión de los electrodos, o a cambios en las distancias de
traslapo, normalmente son aceptables.
Soldadura de costura de unión a tope
I
ELECTRODO INFERIOR
I
Figura 17.20-Contorno de cara del electrodo y
posición de la unión para la soldadura de costura de
acabado metálico
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LA SOLDADURA DE costura de unión a tope se realiza con los
bordes de las láminas formando una unión de tope. Una tira de
metal delgada y angosta, alimentada entre las piezas de trabajo
y el electrodo de rueda, se suelda a uno o a ambos lados de la
unión. La tira de metal sirve como puente entre las dos piezas
de trabajo, distribuye la corriente de soldadura a ambos bordes
de las láminas, provee resistencia eléctrica adicional y contiene
la pepita de soldadura fundida cuando ésta se forma. La tira
funge coino metal de aporte y produce una unión de soldadura
colineal o ligeramente reforzada (véase la figura 17.22).
La configuración del electrodo que hace contacto con la tira
puede ser circular, triangular o plana. La tira de metal debe
guiarse con exactitud y centrarse sobre la unión para asegurar que
Not for Resale
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Soldadura de costura con electrodo de alambre
Soldadura de costura de acabado metálico
556
SOLDADURA DE PUNTOS. DE COSTURA Y DE PROYECCION
rA
SECCIÓN AA
L
A
Figura 17.21-Soldadura d e costura con electrodo d e alambre
Figura 17.21-Soldadura de costura d e unión a tope
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S O L D A D U R A D E P U N T O S , DE C O S T U R A Y DE P R O Y E C C I O N 557
la comente se distribuya de manera uniforme a ambos bordes de
las láminas. La tira puede soldarse por punto rodado a las láminas, empleando baja potencia, antes de aplicar la soldadura de
costura. Se requiere muy poco forjado de la unión durante la
soldadura; por ello, hay menos distorsión de la unión en comparación con la soldadura de juntura de traslapo. La velocidad de
recorrido para la soldadura de juntura de unión a tope en acero
de bajo carbono es comparable a la de la soldadura de costura de traslapo. El procedimiento debe asegurar que las tiras se
suelden a todo su ancho para evitar una reducción en la resistencia
a la corrosión.
60
I
I
I
30
10
CICLO DE SOLDADURA
l
40
I
2
AL IGUAL QUE con la soldadura de puntos, es posible realizar
LASOLDADURA POR costura de metales disímiles o de espesores
desiguales presenta los mismos problemas de balance calorífico
que la soldadura de puntos. Las técnicas para mejorar el balance
calorífico de la unión son similares: en las piezas de trabajo que
requieran una densidad de comente menor o un enfriamiento
más rápido, el área de contacto entre el trabajo y el electrodo
puede agrandarse aumentando el diámetro o la anchura del electrodo de rueda. Como alternativa, uno de los electrodos de rueda
o de mandril puede fabricarse con una aleación de mayor conductividad térmica, a fin de facilitar la eliminación del calor por
conducción desde la pieza de trabajo a través del electrodo.
I
50
Otros tipos de soldadura de costura
BALANCE CALORíFICO
v
ACERO 1010, 0.078 pulg
20
dos soldaduras de costura en serie empleando dos cabezas de
soldar, las cuales pueden estar montadas una al lado de la otra o
en tándem. Se puede soldar dos costuras con la misma corriente
de soldadura, y la demanda de potencia será apenas un poco
mayor que para una sola soldadura.
La disposición de ruedas en tándem puede reducir el tiempo
de soldadura en un SO%, ya que es posible soldar ambas mitades
de UM unión simultáneamente. Así, para una unión de 182 cm
(72 pulg) de largo, se pueden colocar dos cabezas de soldar con
una separación de 91 cm (36 pulg), con el trayecto de corriente
a través del trabajo desde un electrodo de rueda hasta el otro. En
el otro lado de la unión se emplea un tercer electrodo continuo.
La unión completa puede soldarse con sólo 91 cm (36 pulg) de
recorrido.
I
.
3
I
1
4
.
1
5
I
1
6
TIEMPO DE ENFRIADO, CICLOS
NOTA: CONDICIONES DE SOLDADURA: TIEMPO DE
CALENTAMIENTO,6 CICLOS: FUERZA DE ELECTRODOS,
1500 Lü; CORRIENTE DE SOLDADURA, 18 950 A; VELOCIDAD
DE SOLDADURA, 55 pulg/MIN. (FUENTE: RWMA BULLETIN 23)
Figura 17.23-Efectos del tiempo de enfriado sobre la
penetración y traslapo de las pepitas en la soldadura
de costura
mentar la razón entre el tiempo de calentamientoy el de enfriado
para poder mantener el traslapo de las pepitas de soldadura. El
tiempo de calentamiento controla el tamaño de la pepita. La figura 17.23 muestra el efecto del tiempo de enfriado sobre la
penetración de la pepita de soldadura (macrosección perpendicular a la línea central de la soldadura) y el traslapo de las
pepitas (macrosecciónparalela a la línea central de la soldadura).
Si la corriente excede el nivel necesario para obtener las
propiedades de la unión deseadas, las piezas de trabajo pueden
quedar demasiado marcadas o quemadas. Los tiempos de calentamiento cortos, o las velocidades de soldadura rápidas, requieren niveles de comente más elevados para la formación correcta
de la pepita de soldadura, pero pueden incrementar el desgaste de los electrodos.
Se utiliza comente alterna tanto a pulsos (intermitente) como
constante para la soldadura de resistencia dejuntura. Como ejemplo
del proceso de soldadura de costura de traslapo, la tabla 17.2indica
las condiciones de soldadura de resistencia de costura sugeridas
para soldar láminas de acero de bajo carbono sin recubrimiento.
quieren comentes más altas que las de puntos, debido a la deCorriente a pulsos
rivación de la corriente a través de las soldaduras hechas previamente.
PARALAMAYOR parte de las operacionesde soldadura de costura
La corriente para la soldadura de resistencia normalmente se suele preferirse la comente a pulsos por las siguientes razones:
suministra en pulsos cronometrados (tiempos de calentamien(1) Se puede controlar bien el calor.
to) separados por periodos de enfriado (tiempos de retención).
(2) Se permite que cada pepita de soldadura de la juntura se
Durante cada pulso de corriente se produce una pepita de soldadura. Para una velocidad de soldadura y ciclo de calentamiento- enfríe bajo presión.
(3) Se minimiza la distorsión de las piezas de trabajo.
enfriamiento dados, la comente determina la profundidad de
(4) Es fácil controlar la expulsión o el quemado.
penetración de la soldadura. EI programa de comente de solda(5) Es posible obtener soldaduras firmes con mejor apariendura y la velocidad de recorrido controlan el traslapo de las
pepitas. Al aumentar la velocidad de soldadura, hay que incre- cia superficial.
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TIPICAMENTE,
LAS SOLDADURAS de resistencia de costura re-
558
S O L D A D U R A DE PUNTOS, DE COSTURA Y DE PROYECCIÓN
~
~~~
Tabla 17.2
Programas sugeridos para soldar por costura lámina de acero de bajo carbono sin recubrimiento
Anchura y forma del
electrodo (pulg)
Traslapo de
contacto
mínimo
Fuerza
Espesor
0.01o
0.021
0.031
0.380
0.380
0.500
0.500
0.500
0.500
0.062
0.062
0.750
0.750
0.040
0.050
0.062
0.078
0.094
0.109
0.125
~
0.18
0.19
0.25
0.25
0.31
0.31
0.38
0.44
0.50
0.50
o
400
550
900
980
1050
1200
1500
1700
1950
2200
Tiempo activo
(ciclos)
(60 Hzs)
Tiempo
inactivo
(ciclos)
Velocidad de
soldadura
(pulglmin)
2
2
3
3
4
4
6
7
9
11
1
2
2
3
3
4
5
6
6
7
80
75
72
67
65
63
55
50
48
45
Soldaduras
Por
pulgada Corriente (A)
15.0
12.0
10.0
9.0
8.0
7.0
6.0
5.5
5.0
4.5
8000
1t O00
13000
15000
16500
17500
19000
20000
21O00
22000
(pulg)
0.38
0.44
0.50
0.50
0.56
0.62
0.69
0.75
0.81
0.88
~~
--`,,,```-`-`,,`,,`,`,,`---
Notas
1. Tipo de acero - SAE 1010
2. EI material debe estar libre de incrustaciones,Óxidos, pintura, grasa y aceite.
3. Condiciones de soldadura determinadas por el espesor de la pieza exterior, 'T".
4. Datos para pilas cuyo espesor total no exceda 4i". Razón máxima
entre espesores: 3 a 1.
Para producir una costura a prueba de fugas, las pepitas deben
traslaparse entre 15%y 20% del diámetro de la pepita, pero la resistencia mecánica máxima se alcanza cuando el traslapo está entre el 40% y el 50%.EI tamaño de la pepita dependerá del tiempo
de calentamiento para una velocidad y corriente de soldadura
dadas. La distancia de traslapo dependerá del tiempo de enfriado.
Para un determinado metal y espesor de lámina, el iiúinero de
soldaduras (pepitas) por unidad de longitud que se pueden
producir económicamente estará dentro de un intervalo. En
general, al disminuir el espesor de las láminas, el r i h e r o de
soldaduras por unidad de longitud deberá aumentar para obtener
una costura fuerte, a prueba de fugas. La razón entre las soldaduras por centímetro y las soldaduras por minuto establecerá la
velocidad de soldadura en centímetros por minuto. EI número
de soldaduras por minuto es el número de ciclos de ca por minuto
dividido entre la suma de los tiempos de calentamiento y enfriado (en ciclos) para una sola soldadura.
Para obtener el número mínimo de soldaduras por centímetro
que producirán la costura requerida a una velocidad de soldadura
dada, el tiempo de calentamiento y la comente de soldadura
deberán ajustarse para dar la geometría de pepita requerida. En
seguida deberá fijarse el tiempo de enfriado para obtener el traslapo de pepitas necesario. Como la reducción en el tiempo de
enfriado puede incrementar la acumulación de calor, posiblemente auinente la penetración de las pepitas.
Soldadura de punto rodado
LA SOLDADURA DE punto rodado consiste en hacer una serie
de soldaduras de punto en fila con una ináquiiia de soldadura de
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5. Material del electrodo.Clase 2
Conductividadminima - 75% la del cobre
Dureza minima - 75 Rockwell 'B"
6. Para ensambles grandes el traslapo de contacto mínimo
indicado deberá aumentarse 30%.
costura sin retraer el electrodo ni dejar de aplicar fuerza de electrodos entre soldaduras. La rotación de los electrodos de rueda
puede detenerse o no durante el ciclo de soldadura. EI radio del
electrodo de rueda, el contorno de su cara y el tiempo de
soldadura influyen sobre la forma de la pepita, la cual suele tener
forma ovalada.
EI espaciado de las soldaduras se obtiene ajustando el tiempo
de enfriado con los electrodos de rueda girando continuamente
a una velocidad fija. EI tiempo de retención en de hecho cero.
La soldadura de punto rodado también puede efectuarse interrumpiendo la rotación de los electrodos cuando se necesita un
periodo de retención para consolidar la pepita de soldadura mientras se enfria.
Si se emplean electrodos de movimiento continuo, como
suele hacerse, por lo regular el tiempo de soldadura es más corto
y el amperaje de la corriente más alto que en el caso de la
soldadura de puntos convencional. EI mayor ainperaje utilizado
puede requerir el empleo de una fuerza de electrodos más intensa; si no es así, se aplican las prácticas recoinendadas para la
soldadura de piintos
Corriente constante
ENELCASO del acero de bajo carbono, la corriente de soldadura
puede aplicarse en fonna constante a lo largo de la costura a
velocidades de recorrido altas, si es que la fomia de.oiida de la
corriente disponible prodiice pepitas con el tainaiio y espaciado
requeridos. En esta situación, la calidad de la soldadura estará
supeditada a los requerimientos de volumen de producción. Se
puede usar corriente constante para láminas de hasta 1 mm
Not for Resale
SOLDADURA DE
(0.040 pulg) de espesor. Por encima de este espesor, la condición
superficial tiene un efecto significativo sobre la soldadura, y la
vida de los electrodos es corta. Las soldaduras de corriente
constante en láminas de un cierto espesor pueden efectuarse a
velocidades dentro de un intervalo amplio. Por ejemplo, dos
láminas de acero de 1 mm de espesor pueden soldarse a velocidades que van desde 44 hasta 131 mm/s (105 a 310 puidmin).
EI amperaje requerido aumenta con la velocidad.
Un problema que puede surgir en las operaciones con corriente alterna constante es la formación de arcos entre el electrodo
de rueda y una región localizada del ensamble soldado en el
lado de salida del electrodo. Los arcos puede producir la fusión
superficial de la lámina y del electrodo. En los aceros, el rápido
enfriamiento del metal fundido que resulta de la formación de
arcos entre la pieza de trabajo y el electrodo puede originar la
formación de martensita, que es quebradiza. La microestructura
martensítica localizada puede ser un punto de inicio para la
formación de grietas.
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VELOCIDAD DE SOLDADURA
LA VELOCIDAD DE soldadura depende del metal soldado, el
espesor de las láminas y los requisitos de resistencia mecánica
y calidad de la soldadura. En general, las velocidades de soldadura permisibles son mucho menores en el caso de los aceros
inoxidables y metales no ferrosos debido a las restricciones
sobre la tasa de calentamiento para evitar la expulsión de metal.
En algunas aplicaciones es necesario detener el movimiento
de los electrodos y del trabajo cada vez que se hace una pepita
de Soldadura. Esto suele hacerse con secciones de más de 4.78
mm (O. 188 pulg) de espesor y con metales que requieren ciclos
de poscalentamiento o forjado para producir soldaduras con las
propiedades deseadas. El movimiento interrumpido reduce de
manera significativala velocidad de soldadura debido al tiempo
relativamente largo que se requiere para cada soldadura.
Si se emplea movimiento continuo, la comente de soldadura
debe aumentarse y el tiempo de calentamiento reducirce al aumentar la velocidad de soldadura, a fin de mantener la calidad
de la soldadura y la resistencia mecánica de la unión. Hay una
velocidad más allá de la cual la comente de soldadura requerida
puede causar un quemado indeseable de la superficie y adhesiones a los electrodos. Esto acelerará el desgaste de los electrodos.
ELECTRODOS
LOS ELECTRODOS PARA soldadura de costura normalmente son
ruedas con diámetros que van desde 50 hasta 600 mm (2 a 24
pulg). Los más comunes tienen diámetros de 175 a 300 mm (7
a 12 pulg) y anchuras de 10 a 19 mm (0.375 a 0.75 pulg).
La anchura de la sección transversal de la soldadura en la
interfaz de las dos piezas de trabajo deberá ser entre 1.5 y 3 veces
el espesor del miembro más delgado. La razón entre el ancho de
la soldadura y el espesor de las láminas normalmente disminuye
conforme aumenta el espesor. Cuando se emplean programas de
soldadura comerciales, el ancho de la soldadura siempre es un
poco menor que el de la cara del electrodo.
Si desea mayor información sobre los electrodos para soldadura de costura, consulte el capítulo 19, donde se revisa a fondo
el tema.
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P U N T O S , D E C O S T U R A Y D E P R O Y E C C I O N 559
ENFRIAMIENTO EXTERNO
LOS h4ÉTODOS DE enfriamiento que se emplean comúnmente en
la soldadura de costura son la inundación, la inmersión y el
aerosol. Esto generalmente es adicional al enfriamiento interno
de los componentes del circuito secundario de la máquina de
soldar. Si no se emplea enfriamiento externo, es posible que el
desgaste de los electrodos y la distorsión del trabajo sean excesivos. Para la soldadura de metales no ferrosos y acero inoxidable, el agua de la llave limpia es satisfactoria. En el caso de
aceros ordinarios suele emplearse una solución de bórax al 5 I
para minimizar la corrosión.
DISEÑO DE LAS UNIONES
LOS DIVERSOS REQUISITOS que deben satisfacerse al diseñar
uniones para soldadura de puntos se aplican a la soldadura de
juntura, aunque aquí el diseño de los electrodos junto con los
requisitos de montaje y hermeticidad implican ciertas limitaciones para los diseños.
Los electrodos de rueda son relativamente grandes y requieren acceso sin obstrucciones a la unión. Como los electrodos
giran durante la soldadura, no se pueden insertar en recovecos
pequeños ni esquinas internas. Las bridas externas deben cambiar de dirección con radios grandes para que se pueda producir
una soldadura de costura fuerte y a prueba de fugas. Los diseños
de uniones que incluyen esquinas de radio pequeño pueden
causar problemas para la soldadura de resistencia de costura, y
tal vez sea necesario disminuir las velocidades de soldadura para
mantener la calidad del resultado.
La figura 17.24 presenta algunos diseños comunes de uniones soldadas por juntura; son similares a los empleados para
aplicaciones de soldadura de puntos. La unión traslapada (figura 17.24A) es el diseño más común. Los bordes de la pieza de
trabajo deben traslaparse lo suficiente para evitar la expulsión
del metal de soldadura por los bordes de la pieza de trabajo. Sin
embargo, un traslapo excesivo puede atrapar suciedad o humedad dentro de la unión y causar problemas de fabricación o
servicio subsecuentes. Las soldaduras de costura de traslapo se
emplean para las costuras longitudinales de latas, cubetas,
tanques de agua, silenciadores y tubos de diámetros grandes y
paredes delgadas.
Las uniones de brida son una modalidad de las uniones
traslapadas. EI diseño de la figura 17.24 (B), en el que una de
las piezas es recta, se emplea comúnmente para soldar extremos
con brida a recipientes de diversos tipos. En la figura 17.24 (C)
ambas piezas tienen brida. Este diseño se usa para unir las dos
secciones de un tanque de gasolina para automóvil. Es frecuente que las piezas bridadas sean cóncavas para aumentar la resistencia mecánica; en este caso es necesario montar una de las
ruedas, o ambas, con cierto ángulo para librar el trabajo, como
se muestra en la figura 17.24 (D). El límite práctico es de 6"
porque los ángulos mayores aplican demasiada tensión a los
cojinetes.
Los diseños especializados pueden requerir un ajuste de la
forma y el contorno del electrodo de rueda. Las piezas de trabajo
que contienen contornos espaciados con regularidad pueden
soldarse con electrodos de rueda muescados o segmentados
(véase la figura 17.25).
Not for Resale
560
SOLDADURA DE PUNTOS, DE COSTURA Y DE PROYECCIÓN
ELECTRODO DE RUEDA
PIEZA DE TRABAJO
(A) UNIÓN TRASLAPADA
(B) UNIÓN BRIDADA
4
60
DE JUNTURA
Figura 17.25-Electrodo de rueda muescada para soldar
por costura una pieza de trabajo que tiene
obstrucciones en el camino de la rueda
(c) UNIÓN
BRIDADA
(D) ELECTRODO DE
RUEDA ANGULADO
SOLDADURA DE PROYECCIÓN
APLICACIONES
LA SOLDADURA DE proyección se emplea principaimeiite para
unir una pieza estampada, forjada o inaqoinada a otra pieza.
Durante las operaciones de fonnacióii se producen una o más
proyecciones en las piezas. Los sujetadores o dispositivos de
montaje, como pernos, tuercas, chavetas, abrazaderas y manijas,
pueden soldarse por proyección a una pieza de lámina metálica.
La soldadura de proyección es útil sobre todo para producir
vanas pepitas de soldadura simultáneamente entre dos piezas.
Las marcas en una de las piezas pueden minimizarse colocando
las proyecciones en la otra pieza.
El proceso se emplea generalniente para secciones con espesores entre 0.5 y 3.2 mm (0.02 y 0.125 pulg). Las secciones mis
delgadas requieren máquinas soldadoras especiales capaces de
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seguir el rápido colapso de las proyecciones. La soldadura de
proyección puede usarse con diversos aceros al carbonoy de aleación y algunas aleaciones de níquel.
VENTAJAS Y LIMITACIONES
ENGENERAL, LA sokhhira de proyección se puede usar en lugar
de Ia de puntos para unir piezas pequenas entre si y a piezas
mayores. La selección de u n método en vez del otro depende de
los factores económicos, las ventajas y las desventajas de los dos
procesos. Entre las principales ventajas de ia soldadura de proyección están las siguientes:
(1) Se pueden realizar varias soldaduras simultáneamenteen
un ciclo de soldadura de la máquina. Lo que limita el i i h e r o de
Not for Resale
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Figura 17.24-Ejemplos de uniones de soldadura de
resistencia de costura
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SOLDADURA DE PUNTOS, DE COSTURA Y DE PROYECCIÓN
soldaduras es la capacidad para aplicar una fuerza de electrodos
y una comente uniformes a cada proyección.
(2) Puede haber menos traslapo de las piezas y menos separación entre las soldaduras, porque la proyección concentra la
comente y no existe el problema de derivación por una soldadura adyacente.
(3) Se pueden manejar razones de espesor de por lo menos
6 a 1, gracias a la flexibilidad para fijar el tamaño y la ubicación
de las proyecciones. Las proyecciones normalmente se colocan
en la sección más gruesa.
(4) Las soldaduras de proyección se pueden ubicar con mayor precisión y consistencia que las de puntos, y generalmente
son más uniformes debido a la uniformidad de las proyecciones.
En consecuencia, las soldaduras de proyección pueden ser más
pequeñas que las de puntos.
(5) La soldadura de proyección generalmente produce un
mejor aspecto, en el lado donde no hay proyecciones,que el que
puede lograrse con la soldadura de puntos. La deformación y
elevación de la temperatura máximas ocurren en la pieza que
lleva la proyección, dejando la otra parte relativamente fría y
libre de distorsión, sobre todo en la superficie expuesta.
(6) Se emplean electrodos grandes de cara plana; en comecuencia, el desgaste de electrodos es mucho menor que con la
soldadura de puntos y se reducen los costos de mantenimiento.
En algunos casos, los accesorios o colocadores de las piezas se
combinan con los troqueles o electrodos de soldadura para unir
piezas pequeñas.
.(7) El aceite, el orín, las incrustaciones y los recubriinieiitos
presentan menos problemas que para la soldadura de puntos,
porque la punta de la proyección tiende a atravesar el material
ajeno desde el principio del ciclo de soldadura; pese a ello, la
calidad de la soldadura será mejor si las superficies están limpias.
Las limitaciones más importantes de la soldadura de proyección son las siguientes:
(1) La formación de proyeccionespuede requerir una operación adicional a menos que de por sí las piezas se moldeen por
presión para obtener la forma diseñada.
(2) Si se hacen soldaduras múltiples, es necesario controlar
con exactitud la altura de las proyeccionesy la alineación de los
troqueles de soldadura para uniformar la fuerza de los electrodos
y la corriente de soldadura.
(3) En el caso de láminas de metal, el proceso está limitado
a espesores en los que puedan formarse proyecciones con características aceptables (véase Diseños de proyecciones - metal en
láminas) y para los que exista equipo de soldadura apropiado.
(4) Las soldaduras múltiples deben efectuarse siinultátieainente, lo que requiere equipo de mayor capacidad que la soldadura de puntos. Esto también limita el tamaño práctico del
componente que contiene las proyecciones.
TIPOS DE UNIONES
ALIGUAL
QUE la soldadura de puntos y la de costura, la soldadura
de proyección puede servir para producir uniones traslapadas.
El número y forma de las proyecciones dependen de los requerimientos de resistencia mecánica de la unión.
Se pueden usar proyecciones circulares o anulares para soldar
partes que requieren sellos a prueba de gas o de agua, o para ob-
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561
tener una soldadura de mayor área que la obtenida con proyecciones de tipo botón.
DISENOS DE PROYECCIONES
LAFORMA DE producir proyecciones depende del material en el
que se formarán. En las piezas de lámina metálica las proyecciones generalmentese hacen por troquelado, a diferencia de las
proyecciones en piezas de metal sólido que se forman ya sea por
maquinado o por forjado. En el caso de las piezas estampadas,
las proyecciones generalmentese colocan en el borde dei estampado.
El propósito de una proyección es localizar el calor y la presión en un lugar específico de la unión. El diseño de la proyección determina la densidad de comente. En la figura 17.26 se
muestran diversos tipos de diseños de proyecciones.
Metal en laminas
UN DISEÑO DE proyección para metal en lámina debe cumplir
con los siguientes requisitos:
(1) Ser lo bastante rígido como para soportar la fuerza inicial
del electrodo antes de aplicarse la corriente de soldadura.
(2) Tener la masa suficiente para calentar un punto en la otra
superficie hasta la temperatura de soldadura. Si es demasiado
pequeña, la proyección se colapsará antes de que la otra superficie se haya calentado lo suficiente.
(3) Colapsarse sin expulsión de metal entre las láminas ni
separación de las láminas después de la soldadura.
(4) Ser fáciles de formar y no ser cizallados parcialmente de
la lámina durante la operación de formación. Tales proyecciones
pueden ser débiles y producir soldaduras que se desgarren fácilmente de la lámina al someterse a una carga.
(5) Causar poca distorsión de la pieza durante la formación
o la soldadura.
El diseño general de una proyección apropiada para lámina
de acero se muestra en la figura 17.27. Este diseño evita la tendencia de la operación de formado a cizallar la lámina o adelgazar de manera significativa la pared de la proyección. Los diseños de punzón y troquel que producen proyecciones con esta
forma se ilustran en la figura 17.28. Los tamaños de proyecciones recomendados para láminas de diversos espesores, y las
dimensiones de punzón y troquel que producen estas proyecciones, se dan en la tabla 17.3.
Las proyecciones pueden alargarse para aumentar el tamaño
de la pepita, y por ende la resistencia mecánica de la soldadura.
En este caso, el contacto entre la proyección y la secciónopuesta
es lineal. Las proyecciones alargadas se emplean principalmente
con las láminas de mayor espesor.
En láminas delgadas se puede usar una proyección anular de
diámetro pequeño en lugar de una proyección redonda. La
proyección anular tiene mayor rigidez para resistir el colapso
cuando se aplica la fuerza del electrodo.
Piezas maquinadas o forjadas
ENLAS PIEZAS forjadas es frecuente usar proyecciones anulares
para soportar cargas pesadas y para aplicaciones que requieren
Not for Resale
562
SOLDADURA DE PUNTOS, DE COSTURA
Y
DE PROYECCIÓN
I
I
Fiaura 17.26-Eiem~los de diseños de txovecciones
una unión hermética a la presión alrededor de un agujero entre
dos piezas. Esta preparación produce además una soldadura de
alta resistencia mecánica cuando un perno o relieve grande se
suelda a una lámina metálica delgada. La figura 17.29 muestra
dos aplicaciones de las proyecciones anulares. La cima del
cordoncillocircular debe estar redondeada, sobre todo en el caso
de secciones Desacias. con el finde mejorar el balance calorífico.
Debe haber u k zonade alivio en la bise de la proyección, como
se muestra en la figura 17.29 (C), para que el metal volcado lo
rellene cuando la proyección se colapie. Esto asegurará una
unión hermética sin hueco, como la de la figura 17.29 (D).
Existen varios diseños comerciales de sujetadores soldables
para aplicaciones de soldadura de proyección. En la figura 17.30
se muestran algunos ejemplos representativos. Los diseños de
las proyecciones y su número dependen de la aplicación.
BALANCE CALORíFICO
Los SIGUIENTES FACTORES
(1) Diseño y ubicación de las proyecciones.
(2) Espesor de las secciones.
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el balance calorifico:
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SOLDADURA DE PUNTOS, DE C O S T U R A Y DE P R O Y E C C I d N
4
PUNZÓN
1
RADIO ESFÉRICO-\
563
EL ESPESOR DE LA PARED
DE LA PROYECCIÓN DEBERÁ
SER POR LO MENOS EL 70%
DEL ESPESOR DE LA L Á M I N A J
\y
TROQUEL
k - A 4
15'
RADIO DE LA
PUNTA 'FI"
LA PROYECCIÓN DEBERA DESVANECERSE
EN LA SUPERFICIE DE LA LAMINA SIN ARRUGAS
MATERIAL: ACERO DE HERRAMIENTA ENDURECIDO A 50-52 R C
Figura 17.27-Diseño básico de una proyección hecha
en lámina de acero
Figura 17.28-Diseño básico de punzón y troquel para
formar en lámina de acero proyecciones del tipo
mostrado en ia figura 17.27
(3) Conductividadestérmica y eléctrica del metal soldado.
(4) Velocidad de calentamiento.
(5) Aleación del electrodo.
La distribución de calor en las dos secciones que se van a
soldar por proyección debe ser razonablemente uniforme para
poder obtener soldaduras fuertes, como en la soldadura de pun.
tos. En la soldadura de proyección, la mayor parte del calor se
genera en las proyecciones; en consecuencia, el equilibrio calorífico se logra conmayor facilidad en la soldadura de proyección
que en la de puntos. Sin embargo, el balance puede complicarse si se realizan simultáneamente múltiples soldaduras de proyección. Se requiere una división uniforme de la comente de
soldadura y de la fuerza de los electrodos para obtener un calentamiento uniforme de todas las proyecciones. Dado que los
trayectos de la comente a través de las proyecciones están en
paralelo, cualquier variación en la resistencia entre las proyecciones hará que la comente se distribuya en forma desigual.
Tabla 17.3
Dimensiones de punzón y troquel para proyecciones de domo esférico (véase la figura 17.28)
Punzón
Espesor
o
Proyeccion
Altura,
Diámetro,
H,2%
D, 5%
0.022-0034
0.036-0043
0.049-0054
0.061 -0067
0.077
0.092
0.107
0.123
0.135
O. 153
0.164
0.179
0.195
0.210
0.225
0.245
0.025
0.035
0.038
0.042
0.048
0.050
0.055
0.058
0.062
0.062
0.068
0.080
0.084
0.092
0.100
0.1 12
0.090
0.110
O. 140
0.150
0.180
0.210
0.240
0.270
0.300
0.330
0.350
0.390
0.410
0.440
0.470
0.530
Diámetro
A
Diámetro del
agujero, B,
0.005
Diámetro
de la
cámara
0.375
0.375
0.375
0.375
0.375
0.500
0.500
0.500
0.500
0.500
0.500
0.500
0.500
0.500
0.500
0.500
0.031
0.047
0.047
0.062
0.062
0.078
0.078
0.094
0.109
0.125
0.141
0.156
0.156
0.187
0.187
0.187
0.076
0.089
O. 104
0.120
0.144
0.172
0.196
0.221
0.250
0.270
0.297
0.328
0.338
0.358
0.368
0.406
0.090
0.110
0.130
0.150
0.180
0.21o
0.240
0.270
0.300
0.330
0.360
0.390
0.41O
0.440
0.470
0.530
Todas las medidas están en pulgadas.
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Troquel
Radio de la
punta, R,
0.002
Not for Resale
564
SOLDADURA DE PUNTOS, DE COSTURA Y DE PROYECCIÓN
f
proyección multiplicada por el número de proyecciones. Puede
ser necesario cierto ajuste para compensar las tolerancias normales de las proyecciones, el diseño de las piezas y la impedancia del circuito secundario.
Tiempo de soldadura
(BI
(A)
RELIEVE ROSCADO
r SOLDADURA
wA
y
ALIVIOPARA
LLENARSE
CONMETAL
VOLCADO
(Cl
v%/1
';la
(Dl
PERNO DE HOMBRO
~~
Figura 77.29-Aplicación de la soldadura de proyección
que emplean proyecciones anulares
Las proyecciones deben diseñarse de modo tal que aguanten
la fuerza de electrodo necesaria para lograr un buen contacto
eléctrico con la pieza opuesta, y que se colapsen al calentarse.
Si hay múltiples proyecciones, variaciones ligeras en su altura
pueden afectar el balance calorífico. Esto puede ocurrir como
resultado del desgaste de los punzones con que se fonnan las
proyecciones.
El balance calorífico en materiales de espesor disímil se mantiene colocando la proyección en la pieza más gruesa. El tamaño
de la proyección se basa en los requisitos de calentamiento de la
secciónmás delgada. De manera similar, para mantener el balance calorífico en materiales de conductividad distinta, la proyección se coloca en la pieza de mayor conductividad (menor resistividad). La aleación elegida para los electrodos determina la
conductividad del electrodo, que también puede afectar el balance calorifico.
CICLO DE SOLDADURA
Corriente de soldadura
LA CORRIENTE PARA cada proyección generalmente es menor
que la requerida para producir una soldadura de punto en el
mismo espesor del mismo material. La proyección se calentará
rápidamente y el exceso de comente la fundirá provocando una
expulsión; no obstante, la comente debe ser por io menos lo
bastante alta como para crear fusión antes de que la proyección
se haya colapsado por completo.
En el caso de múltiples proyecciones, la comente de soldadura total será aproximadamente igual a la comente para una
EL TIEMPO DE soldadura es aproximadamente igual para una o
varias proyecciones del mismo diseño. Aunque desde el punto
de vista de la producción puede ser deseable un tiempo de
soldadura corto, requerirá un amperaje más alto que puede
causar sobrecalentamiento y expulsión de metal. En general,
para la soldadura de proyección se usan tiempos de soldadura más largos y amperajes más bajos que para la soldadura de
puntos.
En algunos casos puede resultar ventajosa la soldadura de
múltiples impulsos para controlar la velocidad de calentamiento.
Esto resulta útil cuando se sueldan secciones gruesas y metales
de baja conductividad térmica.
Fuerza de electrodo
LAFUERZADE
electrodo que se use para la soldadura de proyección dependerá del metal soldado, del diseño de las proyecciones
y del número de proyecciones en la unión. La fuerza debe ser
suficiente para aplanar por completo las proyecciones cuando
alcancen la temperatura de soldadura, poniendo en contacto las
superficies de ias piezas de trabajo. Una fuerza excesiva colapsará prematuramenteias proyecciones y las pepitas de soldadura
adquirirán forma de anillo, con una fusión incompleta en el
centro.
La máquina de soldadura debe ser capaz de seguir mecánicamente el trabajo con los electrodos cuando se colapsan las
proyecciones. Un seguimiento lento permite la expulsión de
metal antes de que se junten las piezas de trabajo.
La secuencia de sucesos durante la formación de una soldadura de proyección se muestra de manera esquemática en la
figura 17.31. En la figura 17.31 (A) la proyección está en
contacto con la lámina opuesta. En ia figura 17.31 (B), la
comente ha comenzado a calentar la proyección hasta la temperatura de soldadura. La fuerza del electrodo hace que la proyección caliente se colapse con rapidez y en seguida tiene lugar la
fusión, como se muestra en la figura 17.31 (C). La soldadura
terminada aparece en la figura 17.31 (D).
ELECTRODOS Y TROQUELES
PARA SOLDADURA
LASAREAS DE las piezas que se van a unir con frecuencia son
planas, excepto por las proyecciones. En tales casos se emplean
electrodos grandes de cara plana. Cuando las superficies tienen
algún contorno, los electrodos deben ajustarse a él, de modo que
pueda aplicarse la fuerza sin distorsionar las piezas y pueda
introducirse la comente sin sobrecalentar las áreas de contacto.
Si sólo hay una proyección, el diámetro de la cara del electrodo debe ser por lo menos el doble del diámetro de la proyección. En el caso de múltiples proyecciones, la cara del electrodo
deberá extenderse cuando menos un diámetro de proyecciónmás
allá de la frontera del patrón de proyecciones.
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SOLDADURA DE PUNTOS. DE C O S T U R A Y DE P R O Y E C C I O N
565
(A) PERNOS SOLDABLES
CLAVIJAS SOLDABLES
(C) TUERCAS Y COJINCILLOS SOLDABLES
~~~~~~~
~~
~
~~~~
~
~
~
~
~
~
~
~
~
~
_
_
_
_
_
_
_
_
_
_
_
_
~
~
Figura 17.30-Sujetadores para soldadura de proyección típicos disponibles en el mercado
El mejor material para los electrodos es aquel que tiene la
(1) Colocar de manera precisa las piezas.
suficiente dureza (para minimizar el desgaste) pero no se agrieta
(2) Permitir la carga y descarga rápidas.
ni quema la superficie de la pieza. Si se observa quemado o
(3) No constituir un trayecto alternativo para la corriente de
agrietamiento, conviene usar una aleación más suave con mayor soldadura.
conductividad. Si hay múltiples proyecciones, el desgaste del
(4) Para la soldadura con ca, estar hechos de materiales no
electrodo puede alterar el equilibrio de la comente de soldadura magnéticos.
(5) Estar diseñados de manera que el operador pueda maniy la fuerza de electrodo sobre las proyecciones, ocasionando la
pularlos sin peligro.
producción de soldaduras de calidad inaceptable.
Los electrodos para v o l h e n e s de producción altos a menudo
tienen inserciones de material del Grupo B de la RWMA (ResisLos troqueles deben estar montados firmemente en la máquitance Welder Manufacturers Association) en los puntos de mayor desgaste. En algunos casos resulta más económico e igual- na de soldadura. Las piezas se embonan en un troquel y todas
mente satisfactorio emplear electrodos de una pieza de aleación las soldaduras se hacen con una sola operación de la máquina.
Una de las piezas puede colocarse relativa a la otra haciendo
Clase 3, Grupo A de la RWMA.
Los electrodos de soldadura y los troqueles de colocación agujeros en una y semiperforacionescorrespondientesen la otra.
para soldadura de proyección generalmente se combinan. Con Las proyeccionespor lo regular pueden troquelarse o forjarse en
los troqueles apropiados, es posible lograr una exactitud compa- la misma operación.
En algunos diseños pueden usarse clavijas o mangas con
rable con la de cualquier otro proceso de ensamble.Los troqueles
aislante en el electrodo o el troquel para colocar y alinear las
para soldadura deben satisfacer los siguientes requisitos:
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566 S O L D A D U R A D E P U N T O S , D E C O S T U R A Y D E P R O Y E C C I Ó N
PILOTO DE ACERO
TUERCA SO
POR PROYE
INA DE METAL
AISLANTE
Figura 17.32-Empleo de una clavija aislante para
colocar una tuerca soldable
por resorte que pasa por el costado de un electrodo y sostiene a
un perno para soldarlo. También puede usarse vacio para sostener piezas pequeñas en el electrodo o troquel superior si es que
el diseño de las piezas lo permite.
El éxito de las operaciones de soldadura de proyección en la
producción en lo que respecta a los electrodos depende en gran
medida de la selección correcta de los materiales, una instalación
apropiada y un mantenimiento escrupuloso. Si los troqueles se
diseñan y construyen como es debido, lo que sigue en importancia es la instalación. En primer lugar, las platinas de la máquina
soldadora deben ser paralelas entre si y perpendiculares al movimiento del ariete; además, deben estar tersas, limpias y libres
de abolladuras y hoyos. Si no es así, hay que desmontar las platinas y maquinarlas hasta que queden planas y tersas antes de
-
Figura 17.31-Secuencia de sucesos durante la
formación de una soldadura de proyección
LÁMINA
DE METAL,
piezas. En las figuras 17.32 y 17.33 se muestran algunos ejeiiiplos sencillos.
Si la pieza pequeña de un ensamble se puede colocar abajo y
la parte grande encima, es fácil sostener la pieza pequeiia en un
electrodo inferior retraído como el de la figura 17.34. Cuando se
desea colocar una pieza pequeña encima de una mayor, hay un
problema. Aveces la pieza pequeña puede colocarse y sostenerse
mediante un dispositivo removible y luego soldarse con un
electrodo superior plano. Las piezas que se aludan en el electrodo superior pueden sostenerse con sujetadores de resorte conectados al electrodo. La figura 17.35muestra un reteiiedor tensado
~
~
~
~~~~
Figura 17.33-Colocación de un perno soldable con una
manga aislante
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PERNO SOLDABLE
/ POR
PROYECCION
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SOLDADUR A DE PUNTOS, D E COSTURA Y D E PROYECCION
m
n
III
ELECTRODO
TUERCA
SOLDABLE
-
567
/AISLANTE
A
’
PERNO SOLDABLE
POR PROYECCION
u
ELECTRODO
TCI
Figura 17.35-Sujeción de un perno en el electrodo
superior con un retenedor de resorte
ELECTRODO
soldaduras de prueba. Si la corriente o la fuerza no es uniforme
en las proyecciones, la causa puede ser:
SOLDADURA
Ld
ELECTRODO
Figura 17.34-Empleo de un electrodo retraído para
colocar una tuerca soldable
instalar los troqueles. La verificación del paralelismo de las
platinas debe hacerse cuando estén sometidas a las fuerzas de
operación previstas. La mejor forma de hacerlo es colocando un
bloque de acero con caras paralelas tersas entre las platinas, aplicando la fuerza de electrodos prevista y detectando los posibles
huecos con calibradores de espesor.
EI siguiente paso es revisar las bases de los bloques de
troquel; deben estar limpias, tersas, planas y libres de rebabas y
abolladuras. Si no es así, deben rnaqiiinarse.
A continuación se instalan los troqueles en la máquina. La
mayor parte de las máquinas tienen ranuras en “T’situadas
ortogonalmente una respecto a la otra en las dos platinas, a fin
de permitir una alineación universal de los troqueles. Una vez
alineados correctamente los troqueles, deberán sujetarse finnemente a las platinas. Con el trabajo colocado en los troqueles, se
deberá ajustar la posición del ariete o la rodilla de la máquina
para que tenga la carrera correcta, incluyendo la tolerancia necesaria para el vuelco de las proyecciones.
Si las puntas de las proyecciones están en el mismo plano y
tienen altura unifonne, la configuración está lista para efectuar
(1) Derivación de la comente por los colocadores.
(2) Trayectos del circuito secundario de longitud desigual.
(3) Juego excesivo en la cabeza de soldadura.
(4) Demasiada desviación en la rodilla de la máquina.
Se recomienda evitar el empleo de calzas entre los componentes del troquel o entre los troqueles y las platinas. Si es preciso usar calzas, deberán ser únicamente láminas de cobre puro
limpias y recocidas, con el área suficiente para transportar la
comente secundaria.
Si las proyecciones se encuentran en superficies curvas o
anguladas, se debe contar con plantillas exactas para revisar los
troqueles. Cabe señalar que cuando se sueldan piezas curvas, o
dos o inás piezas se sueldan a otras, las tolerancias de fábrica de
los espesores de metal implicados pueden causar problemas.
Estas tolerancias deben tenerse en cuenta en el diseño de las
piezas y en la disposición de las proyecciones.
DISEÑO DE LAS UNIONES
LOSDISEÑOS DE uniones traslapadas para la soldadura de proyección son similares a los destinados a soldadura de puntos. En
general, el traslapo de ias uniones y las distancias al borde para
soldadura de proyección pueden ser menores que para la soldadura de puntos. La mayor parte de las aplicaciones emplea
múltiples proyecciones en las que la distancia mínima entre
proyecciones debe ser dos veces el diámetro de una proyección.
El diseño de las piezas en la parte de la unión puede estar
bastante limitado porque los electrodos normalmente hacen
contacto con varias proyecciones al inismo tiempo. Los electro-
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568 S O L D A D U R A D E P U N T O S . D E C O S T U R A Y D E P R O Y E C C I Ó N
dos deben estar firmemente montados en la máquina soldadora,
y los miembros de soporte deben ser tan fuertes que minimicen
la desviación cuando se aplica la fuerza de electrodo. Es común
emplear máquinas soldadoras tipo prensa para las aplicaciones
de soldadura de proyección.
El embonamiento es importante en el caso de la soldadura de
múltiples proyecciones. Cada proyección debe estar en contacto
con la superficie correspondientepara que pueda haber soldadura. La uniformidad de altura de las proyecciones es un factor
determinantedel embonamiento. Los troqueles de soldadura deben diseñarse con cuidado y fabricarse con exactitud para embonar con las piezas en las posiciones de soldadura; no debe ser
necesario que deformen las piezas para obtener un buen embonamiento.
Si hay que minimizar el marcado de una de las superficies,
las proyecciones deben colocarse en la otra pieza. Un electrodo
grande y plano en el lado de vista de la unión deberá evitar las
marcas de electrodo, aunque puede haber un leve encogimiento
en cada soldadura de proyección, que podria ser visible después
de algunas operaciones de acabado.
Si se emplean soldaduras de proyección para unir otros
sujetadores, como tuercas y pernos soldables, deben contener
suficientes proyeccionespara soportar la carga diseñada. El diseño ha de probarse mediante ensayos mecánicos apropiados, y el
control de calidad de producción deberá programarse para comprobar que la calidad de la soldadura no decaiga por debajo del
nivel diseñado.
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SOLDADURA DE ALAMBRE CRUZADO
Principios generales
LA SOLDADURA DE resistencia de alambres cruzados es, de
hecho, una forma de soldadura de proyección. En la práctica,
usualmente consiste en soldar varios alambres paralelos perpendicularmente a otro u otros alambres o varillas. Existen muchos
métodos específicos para realizar la operación de soldadura, dependiendo de los requisitos de producción, pero el producto
terminado es en esencia el mismo independientemente del método empleado. La figura 17.36 muestra una sección de una
soldadura de alambre cruzado típica.
Entre los productos de alambres cruzados están los entrepaños para estufas y refrigeradores, parrillas de todo tipo, armazo-
Figura 17.36-Sección de una soldadura de alambre
cruzado tipica
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nes de pantallas de lámparas, materiales para cría y transporte
de aves de corral, canastas de alambre, cercas, rejas y malla para
concreto reforzado.
Los entrepaños de alambre pueden soldarse en una máquina
de soldadura de proyección tipo prensa o en máquinas de indización automática especiales con alimentación de tolva y una
pistola para cada soldadura.
La malla para reforzar concreto se fabrica en máquinas continuas. Los alambres de suspensión se alimentan ya sea de rollos
de alambre en el costado de la máquina o de cartuchos de alambre cortado. La malla soldada se enrolla como las alambradas o
bien se corta en esteras que se apilan y amarran.
Igual que en la soldadura de puntos y de proyección, el alambre o la varilla deben estar limpios y libres de incrustaciones
u óxido, suciedad, pintura, grasa pesada y otros recubrirnientos
de alta resistencia. Se puede usar alambre.chapado o galvanizado, o varillas, pero en las soldaduras el recubrimiento se
destruirá.
Materiales de alambre
EL ALAMBRE DE acero de bajo carbono es el que se suelda con
mayor frecuencia. En la tabla 17.4 se listan los ajustes típicos
para una máquina de soldar alambre cruzado de este tipo. Le
siguen en importancia los alambres de acero inoxidable y de
cobre-níquel. Los alambres de aleación cobre-níquel requieren
aproximadamenteel mismo tiempo de soldadura y amperaje que
los de acero al carbono, y alrededor del doble de fuerza de electrodo. Los alambres de acero inoxidable requieren también el
mismo tiempo de soldadura, pero el 60% del amperaje y 2.5
veces la fuerza de electrodo.
Técnica de soldadura
NORMALMENTE,
LAS SOLDADURAS de alambre cruzado no se
desbastan después de soldadas; por tanto, es posible que la
principal consideración sea el aspecto, con la resistencia mecánica siguiéndole en importancia para muchas aplicaciones.
Al preparar la máquina soldadora, se debe tener en cuenta lo
siguiente:
(1) Resistencia mecánica del diseño.
(2) Aspecto.
(3) Electrodos para soldar.
(4) Fuerza de electrodo.
(5) Tiempo de soldadura.
(6) Comente de soldadura (calor).
La aplicación específica determinará qué es más importante,
la resistencia mecánica o el aspecto, al configurar una aplicación
de soldadura de alambre cruzado dada. Normalmente se da por
hecho que se desean soldaduras de alta resistencia mecánica y
apariencia aceptable.
La fuerza de electrodo, corriente de soldadura y tiempo de
soldadura requeridos dependen de qué tanto deben comprimirse
los alambres o varillas. Esta condición se denomina usentumiento, y es la razón entre la disminución de altura de la unión y el
diámetro del alambre más pequeño. En general, la resistencia
mecánica de la soldadura aumenta con el porcentaje de "asentamiento".
Not for Resale
SOLDADURA DE PUNTOS,
Los electrodos para soldar deben ser del material y la forma
correctos, pensándose también en el enfriamiento por agua. Los
electrodos de aleación RWMA Clase II suelen tener una duración aceptable, aunque en ocasiones se emplean caras de aleaciones más duras para aplicaciones especiales. Aunque es común
usar electrodos planos para la soldadura de alambre cruzado,
pueden obtenerse ciertas ventajas moldeándolos para que embonen con los alambres o varillas que se van a soldar. Los electrodos moldeados establecen un mejor contacto entre el electrodo
y el trabajo.
La fuerza de electrodo depende del diámetro del alambre, el
asentamiento especificado, el aspecto deseado y la resistencia
~~~~
~
DE
COSTURA Y DE PROYECCIÓN
569
mecánica del diseño. Esta fuerza afecta la apariencia de la
soldadura. Los valores dados en la tabla 17.4 producen soldaduras de buen aspecto. Si se usan fuerzas superiores sin reducir el
tiempo de soldadura y aumentar la comente de soldadura, se
obtendrá una resistencia mecánica inferior a la indicada en la
tabla.
El tiempo de soldadura requerido depende del diámetro del
alambre por soldar. Los mejores resultados se obtienen con los
valores especificados en la tabla.
La comente de soldadura depende del diámetro y del asentamiento especificado. Debe ser un poco menor que la que produzca expulsión de metal caliente.
~~
~
Tabla 17.4
Condiciones para la soldadura por alambre cruzado de alambre de acero de bajo carbono
Tiempo de
soldadura,
ciclos
1116
118
3/16
114
5/16
318
7116
1/2
1/16
118
3116
114
5116
318
7116
1/2
1/16
1I8
3116
114
5116
318
7116
112
% de asentamiento
Alambre estirado en frío
Fuerza del Corrientede
soldadura,
electrodo,
A
Ib
15% de asentamiento
5
1O0
10
125
17
360
23
580
30
825
40
1100
50
1400
60
1700
30% de asentamiento
5
150
10
260
17
600
850
23
30
1450
40
2060
50
2900
60
3400
50% de asentamiento
5
200
10
350
17
750
23
1240
30
2000
40
3000
50
4450
60
5300
-
Resistencia
mecánica de la
soldadura. Ib
Tiempo de
soldadura,
ciclos
600
1800
3300
4500
6200
7400
9300
10300
450
975
2000
3700
5100
6700
9600
12200
5
10
17
23
30
40
50
60
800
2650
5000
6700
9300
11300
13800
15800
500
1125
2400
4200
61O0
8350
11300
13600
10
17
23
30
40
50
60
1O00
3400
6000
8600
11400
14400
17400
21O00
550
1250
2500
4400
6500
8800
11900
14600
5
10
17
23
30
40
50
60
Reducción en la altura de la unión
Diámetro del alambre mas pequeño
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+
5
o.
Not for Resale
Alambre estirado en caliente
Fuerza del
Corriente de
Resistencia
electrodo,
soldadura,
mecanica de la
A
Ib
soldadura, Ib
15% de asentamiento
1O0
125
360
580
825
1100
1400
1700
30% de asentamiento
150
260
600
850
1450
2060
2900
3400
50% de asentamiento
200
350
750
1240
2000
3000
4450
5300
600
1850
3500
4900
6600
7700
1O000
11O00
350
750
1500
2800
4600
6200
8800
11500
800
2770
51O0
7100
9600
11800
14000
16500
400
850
1700
3000
5000
6800
9600
12400
1O00
3500
6300
9000
12000
14900
18000
22000
450
900
1800
3100
5300
7200
10200
13000
--`,,,```-`-`,,`,,`,`,,`---
Diámetro del
alambre,
pulg
570
SOLDADURA DE PUNTOS, DE COSTURA Y DE PROYECCIÓN
METALES SOLDADOS
PROPIEDADES QUE INFLUYEN
EN LA SOLDABILIDAD
LASSIGUIENTES PROPIEDADES de íos metaies tienen que ver con
se deformen rápidamente. Los metales que conservan su resistencia mecánica a altas temperaturas pueden requerir el empleo
de máquinas soldadorascapaces de aplicar una fuerza de forjado
a la soldadura.
su soldabilidad empleando técnicas de resistencia:
Resistencia a la oxidación
(1) Resistividad eléctrica.
(2) Conductividad térmica.
(3) Expansión térmica.
(4) Dureza y resistencia mecánica.
(5) Resistencia a la oxidación.
(6) Intervalo de temperatura plástica.
(7) Propiedades metalúrgicas.
Resistividad eléctrica
LARESISTIVIDAD DE la pieza de trabajo tal vez sea la propiedad
más importante desde el punto de vista de la soldadura de resistencia, ya que el calor generado por la corriente de soldadura es
directamente proporcional a la resistencia. Se requiere más comente para generar calor en unmetal de baja resistividad que en
uno de alta resistividad. Un metal como el cobre puro es difícil
de soldar por resistencia debido a su baja resistividad eléctrica.
Además, la derivación de comente por soldaduras adyacentes
es más significativa en los metales de baja resistividad. Por tanto,
los metales con resistividad eléctrica elevada se consideran más
soldables que los de baja resistividad. Además, las comentes
altas requieren transformadores grandes y líneas de potencia de
mayor diámetro, lo que incrementa los costos de equipo.
Conductividad térmica
LA CONDUCTIVIDAD TÉRMICA es importante porque una parte
del calor generado durante la soldadura de resistencia se pierde
por conducción hacia el metal base. Esta pérdida debe compensarse con un mayor aporte de potencia; por tanto, los metales con
alta conductividad térmica son menos soldables que los de baja
conductividad. Las propiedades de conductividad eléctrica y
térmica de los diversos metales van de la mano. El aluminio, por
ejemplo, es un buen conductor tanto de la electricidad como del
calor, en tanto que el acero inoxidable es un mal conductor de
ambos.
Expansión térmica
ELCOEFICIENTEDE expansion ténnica es una medida del cambio
que experimentan las dimensiones cuando varía la temperatura.
Si este coeficiente es grande, puede esperarse defonnacióii y
pandeo de los ensambles soldados.
Dureza y resistencia mecánica
LADUREZA Y la resistencia mecanka de los metales son importantes para la soldadura de resistencia. Los electrodos marcan
fácilmente los metales suaves; los metales duros y resistentes
requieren fuerzas de electrodo elevadas, que a su vez implican
electrodos de gran dureza y resistencia mecánica para evitar que
TODOSLOS METALES de uso común se oxidan en el aire, algunos
con mayor facilidad que otros. El óxido superficial normalmente
tiene una alta resistencia eléctrica, y las películas de óxido generalmente reducen la soldabilidad por resistencia de los metales.
En la soldadura de puntos y de juntura pueden causar flameado
de la superficie, adhesión de metal en el electrodo y una superficie d i aspecto deficiente. Si el espesor de la capa de óxido varía
de un lugar a otro, la resistencia mecánica de la unión puede ser
inconsistente.
Las aleaciones de aluminio forman óxidos superficiales con
gran rapidez; por ello, las soldaduras deben efectuarse poco después de limpiar el óxido a fin de evitar variaciones apreciables
en la resistencia de contacto de las superficies. En cambio, el
acero inoxidable casi nunca requiere la eliminación de óxidos
previa a la soldaduradespués de haber sido limpiadoen la fábrica
antes de empacarlo y embarcarlo. La necesidad de eliminar los
óxidos antes de soldar depende de la cantidad de óxido presente
y la forma en que puede afectar las propiedades de la soldadura.
Se pueden hacer mediciones de la resistencia superficial para
confirmar la limpieza. En cualquier caso, todas las incrustaciones de fábrica, los óxidos de tratamientos caloríficos previos y
los materiales ajenos como pinturas, compuestos de estirado o
grasas deberán eliminarse antes de soldar por resistencia.
Intervalo de temperatura plástica
SI EL METAL se funde y fluye en un intervalo de temperaturas
estrecho, se hace necesario controlar con mayor precisión las
variables de soldadura que en el caso de metales con un intervalo
de temperatura plástica amplio. Esta propiedad puede influir
considerablemente en los procedimientos y el equipo de soldadura. Las aleaciones de aluminio tienen intervalos plásticos
estrechos y requieren un control preciso de la comente de soldadura, fuerza de electrodos y seguimiento de los electrodos durante la soldadura; la soldadura de proyección no se realiza
comercialmentecon aluminio. El acero de bajo carbono tiene un
amplio intervalo plástico, y se suelda fáciimente por resistencia.
Propiedades metalúrgicas
E N L A SOLDADURA de resistencia un volumen pequefio de metal
se calienta hasta su temperatura de forjado o de fusión en un
tiempo corto. En seguida, el metal caliente se enfría rápidamente
gracias a los electrodos y al metal circundante. El metal trabajado en frío se recocerá en las áreas expuestas a este ciclo ténnico.
En contraste, el rápido enfriamiento causará endurecimiento en
algiiiios aceros. EI acero al carbono puede endurecer con tal
rapidez que Ias soldaduras se agrieten; se requiere un ciclo de
templado después del ciclo de soldadura para evitar este resqiie-
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SOLDADURA DE PUNTOS, DE COSTURA Y D E PROYECCIÓN
brajamiento. Para lograr las propiedades mecánicas óptimas en
la región de soldadura, las aleacionestratables por calor deberán
recibir un tratamiento témico adecuado después de soldadas.
ACERODEBAJOCARBONO
L O S ACEROS DE bajo carbono generalmente contienen menos del
0.25 % de carbono. En general, la soldabilidadpor resistencia de
estos aceros es buena. Su resistividad eléctrica no es ni alta ni
baja, y la endurecibilidad es reducida. Es posible obtener soldaduras de buena calidad en un intervalo amplio de valores de
comente, fuerza de electrodo y tiempo de soldadura.
ACEROS ENDURECIBLES
LOSACEROS DE carbono medio pueden contener entre 0.25% y
0.55% de carbono; los aceros de alto carbono pueden contener
entre 0.55% y 1.0% de carbono. Los aceros de baja aleación
contienen hasta 5.5% de elementos de aleación totales, que incluyen cobalto, níquel, molibdeno, cromo, vanadio, tungsteno,
aluminio y cobre.
Las adiciones de aleación producen ciertas propiedades deseables en los aceros. Los aceros pueden responder al tratamiento con calor, y pueden ser duros y quebradizos si no se aplica un
ciclo de templado después del calentamiento. En el caso de la
soldadura de juntura, eso implica detener el movimiento después
de que se forma cada pepita para poder aplicar el ciclo de
templado. Existen controles especialespara realizar esta función
en máquinas estándar.
En general, los aceros endurecibles son menos soldables que
los aceros de bajo carbono, en virtud de su endurecibilidad.
571
comunes contienen 18% de cromo, 8% de niquel y aproximadamente O. 10% de carbono. Los no estabilizadosson propensos a la
precipitación de carburo si se calientan durante un tiempo apreciable entre 800 y 1600°F;si el tiempo de soldadura es corto pueden
soldarse por resistencia sin producir esa Precipitación perjudicial.
Estas aleaciones requieren menos comente que los aceros de
bajo carbono, ya que su resistencia eléctrica es unas siete veces
mayor. Se necesitan fuerzas de electrodo relativamente altas
debido a su elevada resistencia mecánica a alta temperatura. Los
aceros inoxidables austeníticostienen coeficientes de expansión
térmica mayores que los aceros al carbono, y por ello los
ensambles soldados por costura podrían deformarse excesivamente. La distorsión puede reducirse empleando programas de
soldadura que minimicen el aporte total de calor.
ALEACIONES A BASE DE NíQUEL
ENGENERAL, LAS aleaciones a base de niquel se unen fácilmente
mediante soldadura de resistencia. Sin embargo, las aleaciones
a base de níquel coladas, endurecibles por precipitación, como
la aleación 7 13C, que tiene baja ductilidad, suelen ser difíciles
de soldar por resistencia sin que se agrieten. Se necesitan
fuerzas de electrodo altas debido a la gran resistencia mecánica de las aleaciones a base de níquel a temperaturas elevadas.
Estas aleaciones pierden elasticidad cuando se exponen a azufre,
plomo y otros metales de bajo punto de fusión a altas temperaturas. Los aceites, grasas, lubricantes, materiales para marcar y
otras sustancias ajenas que pudieran contener azufre o plomo
deberán eliminarse de las piezas antes de soldarlas, pues de lo
contrario puede haber formación de grietas en la soldadura. Sólo
será necesario aplicar un baño quimico antes de soldar si las
piezas presentan una capa apreciable de óxido, el cual puede
reconocerse por las manchas en la superficie.
ACEROS INOXIDABLES
EI níquel puro puede soldarse con bastante facilidad. Puede
haber cierta adherencia mecánica de los electrodos debido a la
Los ACEROS INOXIDABLES contienen cantidades relativamente elevada conductividad eléctrica del níquel. Para la soldadura de
grandes de cromo o cromo y aluminio como elementos de aleapuntos se recomienda un electrodo de domo restringido con
ción. Se dividen en tres grupos: martensíticos, ferríticos y ausángulo de cono de 170 grados.
teníticos. El que un acero inoxidable sea endurecible o no
EI Monel 400 es una aleación de aproximadamente dos
depende de las cantidades de carbono, cromo y níquel presentes.
tercios de níquel y un tercio de cobre. Tiene resistividad eléctrica
y resistencia mecánica superiores a las del acero de bajo carbono; por tanto, para esta aleación se requiere una corriente de
Tipos ferriticos y martensiticos
soldadura un poco más baja y una fuerza de electrodos más alta
ESTOSACEROS PUEDEN ser endurecibles (tipos martensíticos) o que para el acero de bajo carbono.
no endurecibles (tipos ferríticos). Ambos tipos responden mal a
El Monel K-500, que puede endurecerse por envejecimiento
la soldadura de resistencia. Si los tipos endurecibles se sueldan a 538°C ( iOOO"F>,tiene mayor resistividad eléctrica y resistencia
por resistencia, hay que tomar las precauciones que se explica- mecánica que el Monel 400, pero menor conductividad térmica.
ron al hablar de los aceros de alto carbono y baja aleación. Los Por tanto, se requieren corrientes de soldadura menores pero
tipos no endurecibles tienen baja ductilidad y una estructura de fuerzas de electrodo mayores para el Monel K-500 que para el
grano grueso característica en la región de la soldadura. En Monel 400. El Monel K-500 que ha sido endurecido se agrietará
general, estos aceros no son adecuados para aplicaciones en las si se le somete a esfuerzos de tensión apreciables a 595°C
que se requiere una soldadura dúctil. En los tipos martensíticos, (1100°F); las soldaduras de puntos, juntura y proyección debeun tratamiento con calor después de la soldadura mejora la rán realizarse en material recocido.
ductilidad de la unión, pero semejante tratamiento no resulta
Inconel 600 contiene aproximadamente 78 % de níquel 15%
benéfico para los tipos fem'ticos.
de cromo y 7% de hierro. También presenta mayor resistividad
eléctrica y resistencia mecánica, y menor conductividadtérmica,
que el Monel 400; por tanto, se requieren corrientes de soldadura
Tipo austenitico
más baja y fuerzas de electrodo más altas para esta aleación.
EXISTEN
VARIOS ACEROS inoxidables austeníticos,cada uno con Inconel 600 se puede soldar fácilmente por resistencia empleanpropiedades apropiadas para aplicaciones específicas. Los más do procedimientos similares a los aplicables al acero inoxidable.
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572
SOLDADURA DE PUNTOS. DE COSTURA Y DE PROYECCION
Inconel X-750, Inconel 718 e Inconel 722 son aleaciones comentes de soldadura altas y tiempos de soldadura cortos. Se
endurecibles por envejecimiento. Poseen resistencia mecánica recomienda usar máquinas con cabezas de baja inercia para la
elevada a altas temperaturas, y tienen alta resistividad eléctrica. soldadura de puntos y de costura, porque estas aleaciones se
Para estas aleaciones se requieren comentes de soldadura rela- ablandan rápidamente a la temperatura de soldar. La cabeza
tivamente bajas y fuerzas de electrodo altas. La soldadura de de aleación debe aceleraLserápidamente para poder mantener el
proyección puede realizarse fácilmente con máquinas capaces contacto entre los electrodos y el trabajo, y evitar la expulsión
de aplicar la fuerza suficiente. Estos Inconels deben soldarse de metal. La soldadura por proyección de aluminio y magnesio
no se efectúa comercialmente porque son plásticos dentro de indespués de un recocido en solución.
tervalos de temperatura estrechos.
ALEACIONES DE COBRE
LASALEACIONES DE cobre presentan una amplia
- gama
- de soldabilidad que vana de manera casi inversa con su resistencia
eléctrica. Cuando la resistencia es baja, son difíciles de soldar;
cuando es alta, se sueldan con relativa facilidad. Es necesario
emplear máquinas con la suficiente capacidad de corriente que
puedan aplicar fuerzas moderadas. Debido al intervalo plástico
relativamente estrecho de estas aleaciones, es recomendable
usar máquinas con cabezas de baja inercia para que el electrodo superior pueda seguir con rapidez el trabajo y mantener la
presión sobre la unión, evitando la expulsión de metal. Las máquinas deberán ser capaces de controlar con precisión la corriente y el tiempo de soldadura y la fuerza de electrodo, en virtud de
la sensibilidad de estas aleaciones a cambios en las condiciones de soldadura. Se recomiendan tiempos de soldadura más
cortos para evitar la expulsión de metal y la adhesión del electrodo aí trabajo. La fusión de los electrodos con el trabajo puede
reducirse empleando electrodos recubiertos con un metal refractario.
de ‘Obre y cinc (latones) se
más
Las
fáciles de soldar conforme aumenta el contenido de cinc, ya que
crece su resistividad eléctrica. Los latones rojos son difíciles de
soldar, pero los de alto contenido de cinc se pueden soldar dentro
de un intervalo amplio de condiciones de soldadura, si bien el
de energía
es
en
el del
acero al carbono.
de ‘Obre Y
(bronce fosfcrado), ‘Obre Y
Las
silicio (bronce de silicio) y cobre y aluminio (bronce de alumnio) son relativamente fáciles de soldar debido a su resistividad
eléctrica relativamentealta. Estas aleaciones, sobre todo el broilce fosforado, tienden a ser friables en caliente, lo que puede
redundar en agrietamiento de la soldadura.
ALEACIONES DE ALUMINIO Y MAGNES10
TODASLAS ALEACIONES comerciales de aluminio y inagiiesio
que se producen en forma de láminas y extnisiones pueden
soldarse por puntos y por juntura, siempre que los espesores de
las piezas no sean excesivos. Se requiere equipo de soldadura
apropiado, preparación correcta de las superficies y procedimientos de soldadura adecuados para producir resultados satisfactorios.
Las aleaciones de aluminio y de magnesio tienen conductividades térmica y eléctrica elevadas, de modo que se requieren
ALEACIONES DE TITANIO
ELT I T A N Y~ sus
~ aleaciones son fáciles de soldar por resistencia.
Este proceso se favorece por sus conductividades térmica y
eléctrica relativamente bajas. Aunque el titanio y sus aleaciones
son muy sensibles a la pérdida de elasticidad causada por la
reacción con aire a las temperaturas de soldadura, se pueden
soldar por resistencia sin necesidad de protegerlas con un gas
inerte. Durante la soldadura, el metal fundido queda rodeado
completamente por el metal base, lo que lo protege de la contaminación; además, el tiempo de soldadura es corto.
ACEROS RECUBIERTOS Y CHAPADOS
ACEROS CHAPADOS y recubiertos se pueden soldar por
puntos, costura o proyección, pero la calidad de la soldadura a
menudo depende de la composición y el espesor del recubrimiento. Los aceros suelen recubrirse para hacerlos más resistentes a la corrosión, más decorativos, o ambas
Los
,nientos de soldadura deben asegurar que se preserve hasta
donde sea razonable la función del recubriinientoy a la vez
producir soldaduras
fuertes. Los requisitos de
resistencia 1necálGca por 10 regular implican parámetros de ]a
máquina similares a los empleados con el acero al carbono desnudo. Los ajustes para compensar el recubrimiento dependerán
de
factores, incluidos su efecto sobre la resistencia de
contacto, el grado aceptable de Inarcado por los electrodos, la
tendenciadel recubriiniento a alearse con el metal base y la tendencia del electrodo a
al trabajo.
El espesor del recubrimiento es la variable más importante
que afecta la soldabilidad de estos aceros. Si el espesor del
recubrimiento presenta problemas para soldar, muchas veces
pueden obtenerse soldaduras de ineior calidad reduciendo el
grosor del recubrimiento. Se puede obtener una pepita de soldadura del tamafio deseado sin alterar demasiado las superficies
exteriores si se eleva ia corriente de soldadura y la fuerza de
electrodo, y se acorta el tiempo que se usaria para soldar el
mismo espesor de acero desnudo. Pese a ello, es difícil impedir
la aleación y la adhesión de metal en la periferia de la cara del
electrodo, sobre todo en el caso de recubrimientos con bajo
punto de fusión, como el plomo, el estaño y el cinc. Los tiempos
de soldadura cortos, el buen mantenimiento de las puntas y el
cuidado del enfriamiento del electrodo son las mejores medidas
preventivas.
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SOLDADURA DE PUNTOS, DE COSTURA
Y DE
PROYECCIÓN
573
PROGRAMAS DE SOLDADURA
ALPREPARARSEPARAsoldar un metal y diseño de unión dados,
hay que establecer un programa que produzca soldaduras con
las especificaciones de diseño previstas. La experiencia previa puede ser un punto de partida para la confguración inicial.
Si la aplicación es nueva, una consulta de la información publicada sobre la soldadura del material con el proceso designado
servirá de guía para la configuración inicial.
Pueden efectuarse y probarse soldaduras de muestra modificando una variable del proceso a la vez dentro de un intervalo,
a fin de establecer un valor aceptable para esa variable. Puede
ser necesario determinar los efectos de una variable en vanos
niveles de otra. Por ejemplo, el tiempo de soldadura o de calentamiento y la fuerza de electrodo se pueden evaluar en vanos
niveles de comente. El examen visual y los resultados de pruebas destructivas pueden servir para selecccionar un programa de
soldadura apropiado. Por último, es recomendable soldar y
someter a pruebas destructivas las primeras piezas de producción, o simulaciones de ellas. Luego se harán ajustes finales al
programa de soldadura para satisfacer los requisitos de diseño o
de especificación.
Es posible que el fabricante del equipo pueda proporcionar
programas iniciales para muchas aleaciones comerciales. Otros
pueden encontrarse en las siguientes publicaciones:
(1) AWS C1.l, Prácticas recomendadas para la soldadura de
resistencia.
(2) AWS C1.3, Prácticas recomendadas para soldar por resistencia aceros de bajo carbono recubiertos.
(3) AWS D8.5, Prácticas recomendadas para soldadura de
resistencia de puntos con pistola portátil automotriz.
(4) AWS D8.7, Prácticas recomendadas para soldadura de
resistencia de puntos de calidad automotriz.
(5) Resistance Welding Manual, 4a. ed., Resistance Welder
ManufacturersAssociation, 1989.
(6) Metals Handbook, vol. 6, 9a. ed., ASM International,
1983.
CALIDAD DE LA SOLDADURA
LACALIDADDE SOLDADURA requerida depende primordialmen- APARIENCIA DE LA SUPERFICIE
te de la aplicación. En aviones y vehículos espaciales, la calidad
LA SUPERFICIE de una soldadura de puntos, de
de soldadura debe cumplir con varias especificaciones muy NORMALMENTE,
estrictas. En otras aplicaciones, como los automóviles, las espe- juntura o de proyección debe presentar un aspecto relativamencificaciones son menos rígidas. En general, la calidad de las te terso. Debe ser redondeada u ovalada en el caso de una pieza
soldaduras de resistencia por puntos, costura y proyección se de trabajo moldeada, y libre de fusión superficial, depósito de
electrodo, hoyos, grietas, marcado excesivo por el electrodo o
detenninan con base en lo siguiente:
cualquier otra condición que revele un mantenimiento u operación incorrectos de los electrodos.
(1) Aspecto de la superficie.
En la tabla 17.5 se listan algunas de las condiciones superfi(2) Tamaño de la soldadura.
ciales indeseables más comunes, sus causas y sus efectos sobre
(3) Penetración.
la calidad de la soldadura.
(4) Resistencia mecánica y ductilidad.
(5) Discontinuidades internas.
(6) Separación de las láminas y expulsión de metal.
TAMAÑO DE LA SOLDADURA
--`,,,```-`-`,,`,,`,`,,`---
Desafortunadamente, el tamaño de pepita y la penetración, EL DIÁMETRO O anchura de la zona fundida debe satisfacer los
dos de los factores que más afectan la resistencia mecánica de requisitos de la especificación o criterio de diseño apropiado. En
las soldaduras, no se pueden determinar sin inspecciones des- la tabla 17.6 se da el diámetro de la zona de fusión requerido para
tructivas. Por añadidura, tanto el examen metalográfico destruc- piezas de trabajo de diversos espesores. De no haber tales requetivo como la prueba de corte por tensión de soldaduras de rimientos, habrá que seguir las prácticas aceptadas del taller o
muestra, de uso tan común, tienen limitaciones inherentes. El las siguientes reglas generales:
diseñador debe estar consciente de estas deficiencias al conside(1) Las soldaduras de punto, para reproducirse de manera
rar la soldadura de resistencia por puntos, costura o proyección
confiable en las condiciones de producción normales, deberán
para una aplicación.
Se ha tenido cierto éxito en la aplicación de controles de vigi- tener un diámetro de pepita mínimo de 3.5 a 4 veces el espesor
lancia o adaptativos, por ejemplo los basados en medir a expan- de la pieza exterior más delgada.
(2) Las pepitas individuales de una soldadura de juntura a
sión térmica de la pepita de soldadura en formación y del metal
base circundante durante el calentamiento y la fusión, con el fin prueba de fugas deberán traslaparse un 25% como mínimo. El
de asegurar la producción de soldaduras de resistencia que diámetro de la pepita deberá ser de por lo menos 3.5 a 4 veces
siempre sean aceptables. Tales éxitos tal vez compensen la im- el espesor de la pieza exterior más delgada.
(3) Las soldaduras de proyección deberán tener un diámetro
posibilidad de poder inspeccionar el tamaño de la pepita y la
penetración sin destruirla, as¡ como las limitaciones inherentes de pepita igual al diámetro de la proyección original, o incluso
mayor.
de los ensayos destructivos de soldaduras de muestra.
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574
SOLDADURA DE PUNTOS, DE COSTURA Y DE PROYECCION
~~~~
~
~
~~~
~
--`,,,```-`-`,,`,,`,`,,`---
Tabla 17.5
Condiciones s u p e r f i c i a l e s indeseables para soldaduras de puntos
Tipo
Causa
1. Marcas de electrodo Drofundas.
2. Fusión superficial (casi siempre acompañada
de marcas profundas del electrodo).
Efecto
Cara de electrodo mal DUlida: falta de control de la
fuena de electrodo~velddadexcesiva de
generación de calor debido a una resistenciade
contactoelevada (baja fuerza de eledrodo).
Metal con incrustaciones o sucio; baja fuerza de
electrodos; falta de alineación del trabajo;
excesiva corriente de soldadura; electrodos
mal pulidos; secuencia de presión y corriente
incorrecta.
Falta de alineación del trabajo; desgaste
excesivo del electrodo o pulido incorrecto del
mismo; embonamiento deficiente de las
piezas; presión del electrodo contra el radio
de la brida; deslizamiento; limpieza deficiente
de la superficie de los electrodos.
Material con incrustaciones o sucio; baja fuerza
de electrodo o corriente de soldadura
excesiva; mantenimiento incorrecto de la cara
de contacto del electrodo; electrodo de
material inapropiado; secuencia incorrecta de
fuerza de electrodo y corriente de soldadura.
Retiro de la fuerza de electrodos antes de que
las soldaduras se hayan solidificado;
generación excesiva de calor que produce
expulsión masiva de metal fundido; piezas
mal embonadasque requieren casi toda la
fuerza de electrodo para poner en contacto
las superficies de empalme.
3. Soldadura de forma irregular.
4. Depósito del electrodo sobre el trabajo (casi
siempre acompañadopor fusión superficial).
5. Grietas, cavidades profundas o agujeros
diminutos.
Pérdida de resistenciamecánica de la soldadura
por la reducción del espesor del metal en la
periferiadel área de soldadura; mal aspecto.
Soldaduras pequeñas debido a la elevada
expulsión de metal fundido; cavidad grande
en la zona de soldadura que se extiende
hasta la superficie; mayor costo de
eliminación de rebabas de la superficie
exterior del trabajo; corta vida de los
electrodos y pérdida de tiempo de producción
por tener que pulir los electrodos
frecuentemente.
Soldaduras con menor resistenciamecánica
debido a la alteración del área de contacto en
la zona interior y a la expulsión de metal
fundido.
Mal aspecto; menor resistenciaa la corrosión;
menor resistenciamecánicade la soldadura
si se expele metal fundido; más corta vida de
los electrodos.
Reducción de la resistenciaa la fatiga si la
soldadura está sometida a tensión o si la
grieta o la imperfección se extiende hasta la
periferiadel area de soldadura; aumento en la
corrosión por la acumulación de sustancias
corrosivas en la cavidad o grieta.
Tabla 17.6
Valores típicos de tamaño (diámetro) de pepita mínimo requerido para láminas de diversos espesores
Espesor nominal de la lámina
más delgada
Pub
0.001
0.002
0.003
0.004
0.005
0.006
0.007
0.008
0.01 o
0.012
0.01 6
0.018
0.020
0.022
0.025
0.028
0.032
(mm)
(0.03)
(0.05)
(0.08)
(0.10)
(0.1 2)
(0.16)
(0.1 8)
(0.20)
(0.25)
(0.30)
(0.40)
'
(0.45)
(0.50)
(0.56)
(0.65)
(0.70)
(0.80)
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Tamafio de pepita
PU@
0.01o
0.015
0.020
0.030
0.035
0.040
0.045
0.050
0.060
0.070
0.085
0.090
0.100
0.105
0.01 20
0.1 30
0.140
(mm)
(0.25)
(0.38)
(0.50)
(0.76)
(0.89)
(1.02)
(1.14)
(1.27)
(1.52)
(1.78)
(2.16)
(2.29)
(2.54)
(2.68)
(3.05)
(3.30)
(3.56)
Espesor nominal de la lámina
más delgada
PUkI
0.036
0.040
0.045
0.050
0.056
0.063
0.071
0.080
0.090
0.100
0.112
0.125
0.140
0.160
0.180
0.190
Not for Resale
(mm)
(0.90)
(1.OO)
(1.10)
(1.20)
(1.40)
(1.60)
(1.80)
(2.00)
(2.30)
(2.50)
(2.80)
(3.20)
(3.60)
(4.10)
(4.60)
(4.80)
Tamafio de pepita
Pub
0.1 60
0.160
0.170
0.1 80
0.190
0.200
0.21o
0.225
0.240
0.250
0.260
0.280
0.300
0.320
0.340
0.350
(mm)
(3.81)
(4.06)
(4.32)
(4.57)
(4.82)
(5.08)
(5.33)
(5.72)
(6.10)
(6.35)
(6.60)
(7.1 1)
(7.62)
(8.13)
(8.64)
(8.89)
SOLDADURA D E PUNTOS, D E COSTURA Y D E PROYECCION
575
pepitas, aunque el esfuerzo unitario medio disminuye. Esto U1timo se debe a la creciente tendencia a fallar por el borde conforme el tamaño de la pepita aumenta. En acero de bajo carbono,
el esfuerzo de corte medio calculado para fracturar buenas
soldaduras vm’a entre 69 y 414 MPa (i0 a 60 ksi). Los valores
bajos se aplican a soldaduras relativamente grandes, y los altos
a soldaduras relativamentepequeñas. En ambos casos, el esfuerzo de tensión real en la lámina en la periferia de la soldadura se
PENETRACIÓN
acerca o llega a la resistencia mecánica a la tensión dei metal
LAPENETRACIÓN
ES la profundidad hasta la que se extiende la base. Por esta razón, la resistencia de corte de ias soldaduras
pepita de soldadura en las piezas que se están soldando. En circulares tiende a variar linealmente con el diámetro de la
general, la penetración mínima aceptable es el 20% del espesor pepita.
de la pieza exterior más delgada. Si la penetración no alcanza el
Las soldaduras de punto o proyección individuales no resis20%, se dice que la soldadura es fría, ya que el calor generado ten mucho la torsión cuando el eje de rotación es perpendicular
en la zona de soldadura o zona interna de la unión fue insuficien- al plano de las piezas soldadas. La resistencia torsional tiende a
te. Normalmente, la penetración máxima aceptable es el 80% variar con el cubo del diámetro de la pepita. Casi no hay defordel espesor de la pieza exterior más delgada. Una penetración mación torsional en soldaduras de baja ductilidad antes de que
excesiva (digamos del 100%)producirá expulsión, depresión de fallen. Los desplazamientos angulares pueden variar entre 5 y
la superficie y deterioro rápido de los electrodos. La figura 17.37 i 80 grados dependiendo de la ductilidad del metal soldado. La
muestra ejemplos de penetraciónnormal, excesiva e insuficiente. torsión generalmente se usa para cizallar soldaduras en la interfaz a fin de medir el diámetro de la pepita, cuando el espesor dei
metal base lo permite.
RESISTENCIA MECÁNICA Y DUCTILIDAD
Los métodos estándar para medir la ductilidad, como los que
LASESTRUCTURAS UNIDAS por soldaduras de puntos, juntura o miden el porcentaje de alargamiento o reducción del área en una
proyecciónpor lo regular se diseñan de modo que las soldaduras prueba de tensión, no pueden adaptarse a las soldaduras de
soporten cargas de cizallamiento cuando las piezas se sometan puntos, de costura o de proyección. Las pruebas de dureza son
a cargas de tensión o compresión. En algunas aplicaciones, las io que más se acerca a las pruebas de ductilidad para estas
soldaduras se cargan en tensión o una combinación dg tensión y soldaduras. Cabe señalar que si bien la ductilidad de una aleacizallamiento, pero sólo si la dirección de la carga es normal al ción dada disminuyeal aumentar la dureza, diferentes aleaciones
piano de la unión. Las soldaduras de juntura también pueden con la misma dureza no tienen por fuerza la misma ductilidad.
someterse a una acción de pelado.
Otro método para indicar la ductilidad de una soldadura de
Los requisitos de resistencia mecánica de ias soldaduras de punto o de proyección consiste en detenninar la razón de su
puntos y de proyección normalmente se especifican en kilogra- resistencia tensión-corte d i r e ~ t aUna
. ~ soldadura con buena ducmos (libras) por soldadura. En el caso de las soldaduras de tilidad tiene una razón grande; una con poca ductilidad tiene una
juntura, la resistencia mecánica suele expresarse en kilogramos razón baja. Si se especifica esta razón, el valor mínimo para
por metro (o lb/pulg) de juntura. Estos requisitos son para un soldaduras de acero endurecible después del templado es por lo
espesor de lámina dado. La resistencia mecánica de las soldadu- regular de 0.25.
ras de puntos y de proyección aumenta con el diámetro de las
Existen vanos métodos para minimizar el efecto endurecedor
del enfriamiento rápido de las soldaduras. Algunos de ellos son:
(I) Usar tiempos de soldadura largos para aportar calor al
trabajo.
(2) Precalentar el área de soldadura con una corriente de
precalentainiento.
(3) Templar la soldadura y las zonas afectadas por el calor
con una corriente de templado durante cierto intervalo después
del tiempo de soldadura.
(4) Recocer o templar en estufa el ensamble soldado.
LASDISCONTINUIDADES INTERNAS de lac soldadurasde recktencia incluyen grietas, porosidad o metal esponjoso, cavidades
grandes y, en algunos metales recubieatos, inclusiones metálicas. En general, estas discontinuidades no menoscaban la resistencia estática o a la fatiga de una soldadura si están situadas eil
~
Figura 4 7.37-Penetración en soldaduras de puntos
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4. Este método se puede consultar eii Weldrig Hamfbook, vol. I , 8a. edición.
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Existe un límite superior para el tamaño de pepita de una
soldadura de punto, de costura o de proyección. Dado que este
límite por lo regular lo determinan la configuración de la pieza,
el costo y lo práctico que resulte efectuar la soldadura, cada
usuario deberá establecerlo con base en los requisitos dei diseño
y las prácticas vigentes en el taller.
SOLDADURA D E PUNTOS, DE COSTURA Y DE PROYECCIÓN
la porción central de la pepita. Esto es así porque los esfuerzos
son prácticamente cero en dicha porción. Por otro lado, no
deberá haber defectos en la periferia de una soldadura, donde se
concentran los esfuerzos de carga. Las tensiones tan altas en la
periferia de la soldadura se pueden atribuir al gran factor de
concentración’ de esfuerzos asociado a la geometría traslapada
de la unión. Puesto que una concentración de esfuerzos elevada
puede reducir considerablemente la resistencia a la fatiga o la
vida útil de un metal, la soldadura de puntos, de costura y de
proyección generalmente no se utilizan para aplicaciones en las
que la unión será sometida a esfuerzos de carga cíclicos intensos.
Las soldaduras de puntos, de juntura y de proyección en
espesores de metal de 1 mm (0.040 pulg) y mayores pueden
presentar algo de porosidad por encogimiento en el centro de la
pepita de soldadura, como se ilustra en la figura 17.38 (A). Esta
porosidad es menos pronunciada en unas soldadurasque en otras
debido a la diferencia en la acción de forjado de los electrodos
sobre el metal caliente. La porosidad o cavidades causadas por
una expulsión considerable de metal fundido, como en la figura
17.38 (B), son mucho más grandes que las cavidades por encogimiento. En la soldadura de producción de diversos metales
normalmente se espera un cierto número de cavidades de expulsión. Las expulsiones grandes son el resultado de condiciones
de soldadura inapropiadas.
Los defectos internos de las soldaduras de puntos, de juntura
y de proyeccióngeneralmente se deben a una fuerza de electrodo
deficiente, comente de soldadura elevada, mal embonarniento o
traslapo insuficiente. También pueden ser ocasionadas por velocidades de soldadura excesivas o por el retiro prematuro de la
fuerza de electrodo poco después de la interrupción de la corriente de soldadura. En estas condiciones, la pepita de soldadura no
se forja como es debido durante el enfriamiento.
Cuando se observan indicios de agrietamiento al examinar la
zona afectada por el calor a baja amplificación, conviene inspeccionar estas señales a mayor amplificaciónpara detenninar si se
trata de grietas verdaderas o de nucleación. Como puede verse
en la figura 17.39,un área nucleada contienematerial con estructura dendrítica. Al parecer, la nucleación se debe a una fusión
incipiente o rellenado de grietas de la zona ténnicamente afectada con metal fundido, basándose en la estructura dendrítica.
Aparentemente, la nucleación no afecta la utilidad de la unión
soldada, como lo indica la experiencia de servicio de diversos
5. En R. E. Peterson, Stress Conceniraiion Factors, Nueva York, John Wiley
and Sons, 1974, se puede encontrar un tratamiento detallado de los factores de
concentración de esfuerzos.
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Figura 17.38-Cavidades de encogimiento en
soldaduras de punto
componentes de motor a reacción, como toberas y cubiertas de
combustores,fabricados con aleaciones a base de níquel y soldados por resistencia.
SEPARACIÓN ûE LAMINAS
LASLÁMINAS SE separan en las superficies de empalme por la
expansión y contracción del metal soldado y el efecto de forja
de los electrodos sobre la pepita caliente. La magnitud de la
separación varía con el espesor de la lámina, aumentando al
aumentar el espesor.
La separación excesiva de las láminas tiene las mismas causas
que la depresión de las superficies, con la cual está relacionada.
Si las caras de los electrodos no están bien moldeadas, actúan
como punzones cuando se aplica una fuerza de electrodo elevada
y tienden a reducir el espesor de la unión, volcar el metal
radialmente y levantar las láminas alrededor de los electrodos.
Este problema se ilustra en la figura 17.40 (obsérvese que una
lámina tiene capas).
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576
SOLDADURA DE PUNTOS, DE COSTURA Y DE PROYECCION
Figura 17.39-Nucleación en una soldadura de juntura de Inconel 718 (area llena de material dendritico)
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577
578
SOLDADURA D E PUNTOS, DE COSTURA Y DE PROYECCION
Figura 17.40-Separación excesiva de las láminas (una lámina tiene capas)
SEGURIDAD
LA SOLDADURADE puntos, de juntura y de proyección puede
implicar situaciones peligrosas que pueden evitarse tomando las
precauciones apropiadas que se bosquejan en las siguientes
secciones.
PELIGROS MECÁNICOS
Guardas
LOS CONTROLES DE arranque del equipo de soldaduras, como los
interruptores y botones, deberán acomodarse o protegerse de
modo que el operador no los pueda accionar sin darse cuenta.
En algunas instalaciones de máquinas soldadorasde múltiples
pistolas, las manos del operador pueden tener que pasar bajo el
punto de operación. Estas máquinas deben proveerse de guardas
apropiadas en forma de compuertas con sensores de aproximación, cerrojos, bloques, barreras o controles de dos manos.
Botones de paro
TODASLAS MÁQUINAS soldadoras deben contar con uno o más
botones de paro, con un mínimo de uno en cada posición de
operador.
EQUIPO PERSONAL
PELIGROS ELÉCTRICOS
ELEQUIPO DE soldadura de resistencia debe diseñarse de niodo
que se evite el contacto accidental con partes del sistema que
presenten peligros eléctricos. Los componentes de alto voltaje
deben contar con aislamiento eléctrico adecuado y estar totalmente encerrados. Todas las puertas, paneles de acceso y tableros de control de las máquinas soldadoras deben mantenerse
cerrados o interbloqueados, a fin de evitar el acceso de personal
no autorizado. Los interbloqueos deben interrumpir efectivamente ia potencia y descargar todos los condensadores de alto
voltaje a una carga resistiva adecuada en el momento en que se
abre la puerta o panel. Además, deberá haber un interruptor manual u otro dispositivo apropiado para asegurar la descarga total
de los condensadores de alto voltaje.
Todo el equipo eléctrico debe aterrizarse debidamente, y el
secundario del transformadordebe conectarse a tierra o proveerse de una protección equivalente. En el equipo portátil, los
circuitos de control externos para iniciar la soldadura deberán
operar con bajos voltajes.
ANSI 249.1, Seguridad al soldar y cortar (última edición)
contiene información adicional sobre prácticas seguras para
soldar por resistencia.
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EL EQUIPO PROTECTOR requerido depende de la aplicación de
soldadura en cuestión. En general, se requiere el siguiente equipo para la soldadura de resistencia:
(1) Protección ocular, en forma de caretas o gafas con lentes
endurecidos; las caretas son el método de protección preferido.
(2) Protección para la piel, consistente en guantes y ropa no
inflamables con el mínimo de bolsillos y pufios en los que
puedan atorarse partículas calientes o fundidas.
(3) Calzado protector.
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S O L D A D U R A D E PUNTOS, D E C O S T U R A Y D E P R O Y E C C I O N
579
LISTA DE LECTURAS COMPLEMENTARIAS
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Adams, T. “Nondestructive evaluation of resistance spot wel- Hall, P. M., y Hain, W. R. “Nondestructive monitoring of spot
ding variables using ultrasound”, en Welding Journal 64 (6):
weld quality using a four-point probe”, en Welding Journal
27-28; junio de 1985.
66 (5):20-24; mayo de 1987.
Aidun, D. K. y Bennett, R. W. “Effect of resistance welding Han, Z., et al. “Resistance spot welding: a heat transfer
variables on the strenght of spot welded 6061-T6 aluminum
study”, en Welding Journal 68 (9): 363s-368s; septiembre
alloy”, en Welding Journal 64 (12): 15-25; diciembre de
de 1989.
Howe, P. y Kelley, S . C. “Coating-weight effect on the resistance
1985.
Anon “Flexible controller hellps ‘Turn the Corner’ in resistance
spot weldability of electrogalvanized sheet steels”, en Welwelding”, en Welding Journal 62 (1 1): 68-69; noviembre de
ding Journal 67(12): 271s-275s; diciembre de 1988.
1983.
. “A comparison of the resistance spot weldability of
Bowers, R. T., et al. “Electrode geometry in resistance spot
bare, hot-dipped, galvannealed, and electrogalvanized
welding”, en Welding Journal 69 (2): 455; febrero de 1990.
DQSK shett steels”. SAE Tehnical Paper Series No. 880280.
Warrendale, Pa, 1988.
Brown, B. M. “A comparison of ac and dc resistance welding of
automotives steels”, en Welding Journal 66 (1): 18-23; 1987. Kanne, R. “Solid-state resistance welding of cylinders and spheChang, H. S., y Cho, H. S. “R study on the shunt effect in
res,” en Welding Journal 65(5): 33-38; 1986.
resistance spot welding”, Welding Journal 69 (8): 308s-3 17s; Kim, E. W., y Eagar, T.W. “Measurement of transient temperaagosto de 1990.
ture response during resistance spot welding”, en Welding
Cho, H. S., y Cho, Y. J. “A study of thermal behavior in resisJournal 68(8): 303s-307s; agosto de 1989.
tance spot welds”, en Welding Journal 68 (6): 236s; junio de Kimichi, M. “Spot weld properties when welding with expulsion
1989.
- A comparative study”, en Welding Journal 63(2): 58s-63s;
Dickinson, D. W., et al. “Characterization of spot welding beha1984.
vior by dynamic electrical parameter monitoring”, en Wel- Lane, C. T. et al. “Cinematography of resistance spot welding
of galvanized sheet steel”, en Welding Journal 66(9): 260sding Journal 59 (6): 170s-176s; junio de 1987.
Gedeon, S. A. “Measurement of dynamic electrical and mecha264s; 1987.
nical properties of resistance spot welds”, en Welding Jour1?~11 Nied, H. A. “The finite element modeling of the resistance spot
66 (12): 378-382s; diciembre de 1987.
welding process”, en Welding Journal 63(4): 123s-132s;
Gedeon, S. A., Schrock, D., LaPointe, J., Eagar, T. W. “Metaabril de 1984.
llurgica l and process variables affecting the resistance spot Savage, W. F., et al. “Static contact resistance of series spot
weldability of galvanized sheet steels”, SAE Technical Paper
welds”, en Welding Journal 56( 1 1): 365-370s; noviembre
Series No. 8401 13. Warrendale, Pa, 1988.
de 1977.
Gould, J. E. “An examination of nugget development during
. “Dynamic contac resistance of spot welds”, en Welspot welding, using both experimental and analytical techniding Joirrnnl57(2): 43s-50s; febrero de 1978.
Sawhill, J. M. et al. “spot weldability of Mn-Mo-Cb, V-N and
ques”, en Welding Journal 66 (1): 1s-5s; enero de 1987.
Hain, R. “Resistivity testing of spot welds challenges ultrasoSAE 1008 steels”, en Welding Jounzal56(7);217-224s; julio
nics”, en Welding Journal67 (5): 46-50; 1988.
de 1977.
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PREPARADO POR UN
COMITE INTEGRADO POR:
P. Dent, Presidente
Grumman Aircrafr Systems
~
J. C. Bohr
SOLDADURA
POR
DESTELLO,
DE VUELCO
Y DE
PERCUSI~N
General Motors
R.G. Gasser
FerrantilSciaky, Incorporated
J. M. Gerken
Lincoln Electric Corporation
D.L. Hallum
Bethlehem Steel Corporation
J. W. Lee
Textron Lycoming
R.B.McCauley
McCauley Associates
D. H. Oris
Armco, Incorporated
G. W. Oyler
Welding Research Council
W. T. Shieh
General Electric Company
K. C. Wu
PertroySquare D.
MIEMBRO DEL COMITE DEL
MANUAL DE SOLDADURA:
A. F. Manz
A. F. Manz.Associates
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Soldadura por destello
582
Soldadura de vuelco
598
Soldadura de percusión
603
Seguridad
608
Lista de lecturas complementarias
609
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SOLDADURA
POR DESTELLO,
DE VUELCO
Y DE PERCUSION
I
LASSOLDADURASPOR destello, de vuelco y de percusión constituyen una familia de procesos de soldadura empleados para
unir piezas de sección transversal similar realizando la soldadura simultáneamente en toda el área de unión, sin añadir metal
de aporte. En algún momento antes, durante o después del ciclo de calentamiento se aplica una fuerza de vuelco para hacer
que las piezas entren en contacto íntimo. Lo que distingue estos
tres procesos de soldadura es el método de calentamiento y el
tiempo de aplicación de la fuerza. La soldadura de percusión
tambiénpuede usarse para unir la punta o el extremo de una pieza
pequeña a una superficie plana.
funda y vaporice con rapidez en los puntos de contacto, formándose en seguida arcos diminutos. Esta acción se conoce como
“destello”. Conforme las piezas se juntan a una velocidad apropiada, el destello continúa hasta que las superficies de empalme
quedan cubiertas de metal fundido y un tramo corto de cada una
alcanza la temperatura de forjado. A continuaciónse crea una soldadura por la aplicación de una fuerza de vuelco que hace que
las superficies de empalme fundidas hagan contacto total y se
forje la unión. El voltaje de destello se interrumpe al iniciarse el
vuelco. El metal solidificado que es expulsado de la interfaz se
denomina “material de destello”.
DEFINICIÓN Y DESCRIPCIÓN GENERAL
PRINCIPIOS DE FUNCIONAMIENTO
LASOLDADURA POR destello Vush welding, FW) o instantánea
es un proceso de soldadura de resistencia que produce una
soldadura en las superficies de empalme de una unión a tope
mediante una acción de destello y la aplicación de presión una
vez que el calentamiento prácticamente ha terminado. La acción
de destello, causada por las densidades de comente tan elevadas
en puntos de contacto pequeños entre las piezas de trabajo,
expulsa material de la unión al tiempo que las piezas se juntan
lentamente.La soldadurase completa mediante un vuelco rápido
de las piezas de trabajo.
Las dos piezas que se van a unir se sujetan en dados (electrodos) conectados al secundario de un transfonnador de soldadura
de resistencia. Se aplica voltaje al tiempo que una pieza se acerca
lentamente a la otra. Cuando se establece el contacto a través de
irregularidades de la superficie, ocurre calentamiento por resistencia en esos puntos. El elevado amperaje hace que el metal se
LOSPASOS BASICOS de una secuencia de soldadura por destello
son los siguientes:
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(1)
(2)
(3)
(4)
(5)
(6)
(7)
(8)
(9)
Colocar las piezas en la máquina.
Sujetar las piezas en los dados (electrodos).
Aplicar el voltaje de destello.
Iniciar el movimiento de las platinas para causar el destello.
Destellar a voltaje normal.
Terminar el destello.
Volcar la zona de soldadura.
Soltar el ensamble soldado.
Regresar las platinas y descargarlas.
En la figura 18.1 se ilustran estos pasos básicos. Es posible
añadir pasos adicionales como precalentamiento, destello de
doble voltaje, poscalentamiento y recorte del material de destello, según lo exija la aplicación.
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SOLDADURA POR DESTELLO
SOLDADURA POR DESTELLO. D E V U E L C O Y D E P E R C U S I O N
U
-
U
/\
U
583
hacia la otra para promover el inicio del destello. Luego, este
movimiento lineal se deberá convertir en una aceleración siguiendo una curva casi parabólica. Este patrón de movimiento
se conoce como destelloparabólico.
Para producir una unión fuerte con vuelco uniforme, la
distribución de temperatura en la unión deberá ser pareja, y
la temperatura media de la superficie de empalme deberá ser la
temperatura de fusión del metal. Una vez alcanzadas estas condiciones, ya no será necesario que continúe el destello.
La pendiente del gradiente de temperatura correspondiente a
una distribución de temperatura estable es función de la aceleración de la pieza durante el destello parabólico. En general,
cuanto mayor sea la tasa de aceleración de la pieza, mayor será
la pendiente del gradiente de temperatura,estable que se produzca. Así,la forma de la curva de distribución de temperatura en
una aplicación detenninada se puede controlar escogiendo el
patrón de destello apropiado. Puesto que la resistencia al vencimiento por compresión de un metal es sensible a la temperatura,
el comportamiento del metal durante la porción de vuelco del
ciclo de soldadura depende notablemente del patrón de destello.
Por tanto, la selección del patrón de destello es de suma importancia para la producción de soldaduras por destello firmes. La
distancia de destello mínima es la cantidad de destello requerida
para producir una distribución de temperatura estable. Desde un
punto de vista práctico, la distancia de destello deberá ser un poco
mayor que la magnitud mínima aceptable, a fin de garantizar que
siempre se alcance una distribución de temperatura estable.
El vuelco ocurre cuando se logra una distribución de temperatura estable gracias al destello y las dos piezas se juntan con
rapidez. Las partes móviles deberán acelerarse bruscamente para
que el metal fundido de las superficies de destello sea extruido
antes de que se pueda solidificar en la unión. El movimiento
deberá continuar con la fuerza suficiente para volcar el metal y
soldar las dos piezas.
En ocasiones se aplica una corriente de vuelco en el momento
de volcarse la unión para mantener la temperatura mediante
calentamiento de resistencia. Esto permite volcar la unión sin
tener que aplicar tanta fuerza. La comente de vuelco normalmente se ajusta por control electrónico del calor con base en la
experiencia o bien en pruebas de soldadura.
VENTAJAS Y LIMITACIONES
Figura 18.1-Pasos básicos de la soldadura de destello:
(A) colocar y sujetar las piezas; (B) aplicar voltaje de
destello e iniciar el movimiento de las platinas; (C)
destellar: íD) volcar e interrumpir la corriente
EI destello ocurre entre las superficies de empalme cuando
la pieza móvil se acerca a la estacionaria; se genera calor en la
unión y la temperatura de las piezas aumenta con el tiempo. La
acción de destello (pérdida de metal) se intensifica al aumentar
la temperatura de las piezas.
Las gráficas que relacionan el movimiento de las piezas con
el tiempo se conocen como patrones de destello. En la mayor
parte de los casos, el patrón de destello deberá indicar un periodo
inicial de movimiento a velocidad constante de una de las piezas
LASUNIONES A tope entre piezas de sección transversal similar
se pueden soldar por fricción y por vuelco, además de por
destello. La diferencia principal entre la soldadura por fricción
y la soldadura por vuelco o por destello es que el calor para la
soldadura de fricción se genera por frotamiento entre las superficies de empalme, no por resistencia eléctrica. La soldadura de
vuelco es similar a la de destello, excepto que no hay acción de
destello.
Entre las ventajas importantes de la soldadura por destello
están las siguientes:
(1) Es posible soldar piezas con sección transversal no circular: por ejemplo, ángulos, secciones en “ H y rectángulos. No
se requiere rotación de las piezas.
(2) Las piezas con sección transversal similar se pueden
soldar con sus ejes alineados o formando un ángulo, dentro de
ciertos limites.
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584
SOLDADURA POR DESTELLO, DE VUELCO Y DE PERCUSIÓN
(3) La pelicula de metal fundido en la superficies de empalme y su expulsión durante el vuelco sirve para eliminar impurezas de la cara interna.
(4) La preparación de las superficies de empalme no es
critica, excepto en el caso de piezas grandes que pudieran
requerir un bisel para iniciar el destello.
(5) Es posible soldar anillos con diversas secciones transversales.
(6) Las zonas térmicamente afectadas de las soldaduras de
destello son mucho más angostas que las de las soldaduras
de vuelco.
Entre las limitaciones del proceso están:
(1) La elevada demanda de potencia monofásica produce un
desequilibrio en las lineas de potencia primaria trifásica.
(2) Las partículas de metal fundido expulsadas durante el
destello representan un peligro de incendio, pueden herir al
operador y dañar ejes y cojinetes. El operador deberá protegerse
los ojos y la cara, y se deberá usar una barrera o escudo para
bloquear las chispas.
(3) Casi siempre es necesaria la eliminación del material de
destello y de vuelco, lo cual puede requerir equipo especial.
(4) En ocasiones resulta dificil alinear piezas de trabajo con
sección transversal pequeña.
(5) Las piezas por unir deben tener secciones transversales
casi idénticas.
APLICACIONES DE LA SOLDADURA
POR DESTELLO
Metales base
MUCHASALEACIONES FERROSAS y no ferrosas se pueden soldar
--`,,,```-`-`,,`,,`,`,,`---
por destello. Entre los metales típicos están los aceros al carbono
y de baja aleación, los aceros inoxidables y las aleaciones de
aluminio, de niquel y de cobre. Las aleaciones de titanio pueden
soldarse por destello, pero se necesita un escudo de gas inerte
para desplazar el aire de las inmediaciones de la unión y minimizar la pérdida de elasticidad.
Es posible soldar por destello metales disímiles si sus caracteristicas de vuelco son similares. La disparidad se puede contrarrestarhasta cierto punto con una diferencia en las extensiones
iniciales entre los dados de sujeción, ajustando la distancia de
destello y modificando las variables de soldadura. Como ejemplos representativos tenemos la soldadura de aluminio a cobre o
de una aleación de níquel a acero.
Productos representativos
EN LA INDUSTRIA automotriz se emplean centros de ruedas
producidos a partir de anillos soldados por destello que se
forman de placas planas de acero rodado en frio. En la industria
eléctrica se usan armazones de motores y generadores producidos soldando por destello placas y barras previamente enrolladas
para darles forma cilindrica. Las cajas cilíndricas para transformadores, las bridas circulares y los sellos para las cajas de
transformadores de potencia son otros ejemplos. En la industria
aeroespacial se emplean soldaduras de destello en la fabricación
de puntales para tren de aterrizaje, ensamblados de control, aspas
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de hélice huecas y anillos para los bastidores de motores a
reacción y cohetes.
En la industria del petróleo se usan tuberías para perforación
con piezas de unión soldadas por destello. Varios ferrocarriles
importantes están empleando la soldadura por destello para unit
rieles de acero con relativamente alto contenido de carbono. En
muchos casos, la soldadura se efectua en el campo empleando
máquinas soldadoras y equipo generador portátil montado en
carros de ferrocarril.
En ocasiones se utilizan juntas a inglete en la producción de
marcos rectangulares para ventanas, puertas y otros componentes
arquitectónicos. Estos productos suelen hacerse con aceros al carbono e inoxidables simples, aleaciones de aluminio, latones y
bronces. Por lo regular, las cargas de servicio son limitadas, pero
los requisitos de apariencia de las uniones terminadas son estrictos.
EQUIPO
Máquinas representativas
UNAMÁQUINA PARA soldar por destello tipica consta de seis
componentes principales:
(1) El lecho de la máquina con guías para las platinas.
(2) Las platinas que se montan sobre las guias.
(3) Dos unidades de sujeción, una de las cuales está conectada en forma rígida a cada platina para alinear y sostener las
piezas que se van a soldar.
(4) Un mecanismo para controlar el movimiento de la platina
móvil.
(5) Un transformadorde soldadura con derivacionesajustables.
( 6 ) Controles de secuencia para iniciar el movimiento de las
piezas y la corriente de destello.
Las máquinas para soldar por destello pueden ser manuales,
seiniautoináticas o totalmente automáticas en sus operaciones,
aunque la gran mayoría pertenece a las dos últimas categorías.
En la operación manual, el operador controla la velocidad de la
platina desde el momento en que se inicia el destello hasta que
se completa el vuelco. En la operación semiautomática, el operador por lo regular inicia el destello manualmente y luego
enciende un ciclo automático que completa la soldadura. En la
operación totalmente automática, las piezas se cargan en la máquina y el ciclo de soldadura se lleva a cabo automáticamente.
En muchas máquinas pequeñas de soldadura por destello, el
movimiento de las platinas se impulsa mecánicamente por medio de una leva conectada a un motor eléctrico a través de un
reductor de velocidad. Las máquinas grandes pueden ser de
operación hidráulica o neumática. EI equipo para soldadura por
destello se estudia en el capitulo 19.
El personal de Operación debe recibir instrucciones para
manejar la maquinaria en forma segura. Las manos nunca deben
acercarse a las partes en movimiento, y debe evitarse todo
contacto con las superficies cargadas eléctricamente.
Controles y equipo auxiliar
de las maquinas para soldar por
destello son del tipo integral, disefiadas para establecer la secuencia de Operaciones, regular la corriente de soldadura y
LOS CONTROLES ELECTRICOS
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S O L D A D U R A POR DESTELLO, D E V U E L C O Y D E P E R C U S 1 6 N
controlar con precisión la posición de las platinas durante el
destello y el vuelco. Los contactores de rectificador controlado
por silicio (SCR) se utilizan ampliamente en las máquinas que
extraen hasta 1 2 0 A de las líneas de potencia. En las máquinas
más grandes son comunes los contactores ignitrón.
Los ciclos de precalentamiento y poscalentamiento normalmente se regulan por medio de cronómetros electrónicos y
controles de calor de cambio de fase. Los cronómetros para estas
funciones pueden iniciarse manual o automáticamente en el
orden correcto durante el periodo de soldadura.
Dados
Los DADOS DE soldadura por destello, a diferencia de los electrodos para soldadura de puntos y de costura, no están en contacto directo con el área de soldadura; se les puede considerar como
abrazaderas para sostener las piezas y conducir la comente.
Como la densidad de comente en estos troqueles suele ser baja,
pueden usarse materiales relativamente duros de baja conductividad eléctrica. No obstante, en sistemas de producción de alto
volumen puede ser necesario enfriar con agua los troqueles para
evitar el sobrecalentamiento.
No existe un diseño estándar para estos dados, ya que deben
ajustarse al contorno de las piezas por soldar. El tamaño de los
dados depende en gran medida de la geometría de las piezas que
se van a unir y de la rigidez mecánica requerida para mantener
la alineación correcta de las piezas durante el vuelco. Por lo
regular, los dados se sujetan mecánicamente a las platinas de la
máquina soldadora.
EI área de contacto de los electrodos deberá ser lo más grande
que resulte práctico para evitar quemaduras locales en los dados.
Las superficies de contacto pueden incorporarse en inserciones
pequeñas unidas a troqueles de mayor tamaño para que su reemplazo no implique un costo elevado y sea más fácil desmontarlos
para su rectificación. Con frecuencia se emplea una inserción de
contacto hecha con material del Grupo B de la RWMA' unida
al dado por soldadura fuerte; con esto se obtiene una resistencia
óptima al desgaste.
Si las piezas están apoyadas en la parte posterior, de modo
que los dados no necesitan soportar la fuerza de vuelco, las
presiones de sujeción sólo necesitan ser lo bastante altas como
para establecer un buen contacto eléctrico. Si no es posible
apoyar atrás el trabajo, puede ser necesario usar inserciones de
abrazadera con dientes de sierra. En este caso, las inserciones
suelen fabricarse con acero de herramienta endurecido.
Los dados para soldadura por destello sufren desgaste pero
no se aplastan. Al desgastarse, es posible que el área de contacto
se reduzca y origine puntos calientes locales (quemaduras de
troquel). Los troqueles deben mantenerse limpios, pues el material de destello y la suciedad tenderán a incrustarse en ellos y dar
lugar a puntos calientes y quemaduras de troquel. Todos los
pernos, tuercas y demás dispositivos de sujeción de los dados
deberán estar bien apretados. En el capítulo 19 se proporciona
información adicional sobre los dados y otros materiales para
soldadura por destello.
1. Resistance Welder Manufacturers Association.
Accesorios y respaldos
LASFUNCIONES DE los accesorios para la soldadura por destello
son (1) colocar con rapidez y precisión dos o más piezas en cierta
posición relativa, (2) sostenerlas en la posición correcta mientras
se sueldan y (3) soltar con facilidad el ensamble ya soldado. Los
accesorios pueden sujetarse a la máquina o formar parte integral
de ella. Las piezas se cargan directamente en el accesorio y se
sueldan.
Los procesos de soldadura de resistencia son muy rápidos
comparados con otros métodos de unión. Si ha de alcanzarse el
volumen de producción máximo, los accesorios deberán cargarse y descargarse con facilidad. AI diseñar un accesorio, habrá
que considerar los siguientes factores:
(1) Es recomendable emplear abrazaderas de acción rápida,
palancas acodilladas y otros dispositivos similares. A veces se
usan pernos de expulsión para facilitar el retiro del ensamble
terminado.
(2) El accesorio debe diseñarse de modo que la comente de
soldadura no se desvíe a través de los dispositivos de colocación.
Esto puede implicar el aislamiento eléctrico de los pernos y las
tiras colocadoras.
(3) Normalmente son preferibles los materiales no magnéticos, pues cualquier material magnético situado en la garganta de
la máquina elevará la impedancia eléctrica y limitará la corriente
máxima que puede suministrar la máquina.
(4) El operador deberá poder cargar y descargar las piezas
sin peligro alguno. Para esto puede ser necesario el empleo de
dispositivos de eslabón giratorio o deslizadorespara poder sacar
el accesorio de la máquina. Al mismo tiempo, una guarda deberá
bloquear el acceso para que el operador no pueda meter las manos entre las platinas. Esta guarda también puede hacer las veces
de escudo para el destello.
(5) El accesorio debe contemplar el movimiento de las piezas al sujetarlas en los troqueles.
(6) Todos los cojinetes, pernos, deslizadores, etc., deberán
estar protegidos contra salpicaduras y el destello.
Los respaldos son necesarios si los dados de sujeción no
pueden evitar el deslizamiento de las piezas cuando se aplica la
fuerza de vuelco. Suele haber deslizamiento cuando la sección
de la pieza que está en el troquel es demasiado pequeña para
sujetarla de manera efectiva, o la pieza no puede soportar una
fuerza de sujeción elevada sin dañarse.
Los respaldos muchas veces son escuadras de acero que se
pueden sujetar a la platina en diversas posiciones. Las escuadras
pueden tener topes fijos o ajustables para las piezas.
PROCEDIMIENTOS DE SOLDADURA
ENTODA OPERACIONde soldadura intervienen numerosas variables que afectan la calidad de la soldadura resultante. Por esta
razón, conviene desarrollar un procedimiento de soldadura que
prescriba los valores de dichas variables para asegurar resultados
de calidad consistente. La soldadura por destello implica variables dimensionales, eléctricas, de fuerza y de tiempo. Las variables dimensionales se muestran en las figuras i8r2 (A) y (B)
y 18.3. En la figura 18.3 se muestran además los trayectos de la
platina móvil y de las superficies de empalme durante el destello
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585
Not for Resale
586
S O L D A D U R A P O R DESTELLO, D E V U E L C O Y D E P E R C U S I O N
ELECTRODO
T = ESPESOR DE LA LÁMINA
O DE LA PARED DELTUBO
A = ABERTURA INICIAL DEL DADO
B = MATERIALPERDIDO
C = ABERTURA FINAL DEL DADO
LF-!A
D = DESTELLADOTOTAL
H = VUELCOTOTAL
=
= MATERIAL PERDIDO
POR PIEZA
L = M= EXTENSIÓNINICIAL
POR PIEZA
ELECTRODO
O.D. = DIÁMETRO EXTERIOR
DEL TUBO
s=
LONGITUD M~NIMA
NECESARIADE CONTACTO
CON EL ELECTRODO
Figura 18.2A-Soldadura por destello de tubos y láminas planas (los datos recomendados se dan en la tabla 18.5)
ELECTRODO
O.D. = DIÁMETRO o DIMENSIÓN M~NIMADE LA SECCION TRANSVERSAL DE LA BARRA
A=
B=
C=
D=
ABERTURA INICIAL DEL DADO
MATERIALPERDIDO
ABERTURA FINAL DEL DADO
DESTELLADOTOTAL
H = VUELCOTOTAL
J = K = MATERIAL PERDIDO
POR PIEZA
s=
LONGITUD M~NIMANECESARIA
DE CONTACTOCON
EL ELECTRODO
L = M = EXTENSIÓN INICIAL
POR PIEZA
Figura 18.2B-Soldadura por destello de barras redondas, hexagonales, cuadradas y rectangulares (los datos
recomendados se dan en la tabla 18.6)
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ELECTRODO
SOLDADURA POR DESTELLO, D E VUELCO Y D E PERCUSIÓN
BORDE DELTROQUEL EN LA PLATINA MÓVILALCOMENZAR LA SOLDADURA
/-
587
PERDIDA DE PRECALENTAMIENTO
I
i
I
I
1
t
I
I
I
.
BORDE DELTROQUEL EN LA PLATINA MÓVIL
ALTERMINO DE LASOLDADüRA
--`,,,```-`-`,,`,,`,`,,`---
SORDE DEL DADO EN LA PLATINA ESTACIONARIA-
Figura 18.3-Variables y movimientos dimensionales de la soldadura por destello
y el vuelco. Las variables de comente, fuerza y tiempo se
muestran en la figura 18.4.En la mayor parte de las operaciones
no intervienen todas las variables mostradas. Un ciclo de destello simple emplea un cierto valor de voltaje seguido por vuelco.
Diseño de las uniones
ENLAFIGURA
18.5se muestran tres tipos de soldaduras comunes
efectuadas por destello. Las reglas de diseño básicas para la
soldadura por destello son las siguientes:
(1) El diseño deberá lograr un balance calorífico uniforme
en las piezas de modo que las resistencias a la compresión de los
extremos por soldar al término del tiempo de destello sean casi
iguales.
(2) El metal perdido durante el destello (pérdida por destello)
y el vuelco debe incluirse en la longitud inicial al diseñar la
pieza. En las juntas de inglete hay que considerar en el diseño el
ángulo entre los dos miembros.
(3) Las piezas deben diseñarse de tal manera que se puedan
sujetar debidamente y sostener con una alineación precisa durante el destello y el vuelco, con la unión perpendicular a la
dirección de la fuerza de vuelco.
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(4) Los extremos deberán diseñarse de modo que el material
de destello pueda escapar de la unión, y que el destello se inicie
en el centro o en el área central de las piezas.
En general, las dos piezas que se van a soldar deberán tener
la misma sección transversal en la unión. Puede ser necesario
maquinar, forjar o extruir relieves en las piezas para cumplir con
este requisito.
En la soldadura por destello de piezas extruidas o rodadas con
diferentes espesores dentro de la sección transversal, la distribución de temperatura durante el destello variará con el espesor de
la sección. En muchos casos es posible contrarrestar esta diferencia con un diseño apropiado de los dados de sujeción, siempre
que la razón entre los espesores no sea mayor que 4 a 1.
En la tabla 18.1 se dan las longitudes de unión máximas
recomendadas para lámina de acero de diversos espesores. La
tabla 18.2 presenta los diámetros máximos de tubos de acero con
paredes de diversos espesores. En algunos casos pueden excederse
los límites si se emplea equipo y procedimientos especiales.
Al soldar anillos por destello, la derivación de comente se
convierte en un problema si la razón entre la circunferencia y el
área de la sección transversal es menor que un cierto valor.
La pérdida de corriente por esta causa puede ser considerable.
Not for Resale
588
SOLDADURA POR DESTELLO, DE VUELCO Y DE PERCUSIÓN
CORRIENTE DE
PRECALENTAMIENTO
>ORRIENTE DE
'OSCALE NTAMIENTO
CORRIENTE DE
DESTELLO A V1
CORRIENTE DE
DESTELLO A V2
TIEMPO
TIEMPO DE CORRIENTE DE VUELCO
SUJECIÓN
TIEMPO A V2
TIEMPO A V1
TIEMPO DE
POSCALENTAMIENTO
TIEMPO DE DESTELLO AUTOMÁTICO
TIEMPO DE DESTELLO
L-TIEMPO
+TIEMPO
DE VUELCC
*
DE SOLDADURA
*
-
CICLO DE SOLDADURA
TIEMPO
I
Figura 18.4-Variables de corriente, fuerza y tiempo de la soldadura por destello
Tabla 18.1
Longitudes de unión máximas recomendadas para soldar por destello láminas de acero planas
Espesor de la lamina
Pub
mm
0.010
0.020
0.030
0.040
0.050
.25
.50
.75
1.o
1.3
Long. máx. de la unión
PUkl
mm
1.o0
25
5.00
125
10.00
250
15.00
375
20.00
500
Espesor de la lámina
Pub
mm
0.060
0.080
0.1O0
0.125
0.187
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1.5
2.0
2.5
3.2
4.8
Long. máx. de la unión
mm
25.00
635
35.00
890
45.00
1145
57.00
1450
88.00
2235
Pub
S O L D A D U R A POR D E S T E L L O , D E V U E L C O Y D E P E R C U C I O N 589
SECCIÓN TRANSVERSAL DESPUÉS
DE SOLDAR
TRANSFORMADOR
(A) SOLDADURA DE ALINEACIÓN AXIAL
SECCIÓN TRANSVERSAL DESPUÉS
DE SOLDAR
U
TRANSFORMADOR
SOLDADURA DE JUNTA DE INGLETE
SECCIÓN TRANSVERSAL DESPUÉS
DE SOLDAR
(C) SOLDADURA DE ANILLO
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PT
TRANSFORMADOR
590
S O L D A D U R A POR DESTELLO, D E V U E L C O Y DE P E R C U S I O N
La razón minimadependerá de la resistividad eléctrica del metal
que se va a soldar. Con los metales de alta resistividad, como el
acero inoxidable, la razón puede ser más pequeiía que si se sueldan metales de baja resistividad, como el aluminio.
Si se sueldan secciones gruesas, muchas veces conviene
biselar el extremo de una de las piezas para facilitar el inicio del
destello. Este biselado puede hacer innecesario el precalentamiento o el destello inicial a un voltaje superior al normal. En la
figura 18.6 se muestran las dimensiones sugeridas para biselar
placas, barras y tubos.
Balance calorífico
ENLAS UNIONES de alineación axial, si las dos piezas que se van
a soldar son de la misma aleación y tienen la misma sección
transversal, el calor generado en cada una de las piezas durante
5"A10Pq
(A) BARRAS DE 0.25 pulg
Y MAYORES
el ciclo de soldadura será el mismo, siempre que la disposición
física para la soldadura sea uniforme. Las pérdidas por destello
y por vuelco también serán iguales en ambas piezas. En general,
el balance calorifico entre dos piezas de la misma aleación será
adecuado si sus áreas de sección transversal respectivas no difieren más que lo prescrito por las tolerancias de fabricación
normales.
Al soldar por destello dos metales dishiles, la pérdida de
metal por destello puede ser diferente para cada uno. Este comportamiento puede atribuirse a diferencias en las conductividades eléctrica y térmica, o en los puntos de fusión, o en ambas
cosas. Para compensar esto, la extensión que sobresale del dado
de la pieza que se consume más rápidamente deberá ser mayor
que la de la otra pieza. En el caso del aluminio y el cobre, la extensión de la pieza de aluminio deberá ser el doble de la de la
pieza de cobre.
La soldadura por destello de secciones no alineadas (juntas
de inglete) puede producir uniones con propiedades no uniformes debido a un desequilibrio calorifico en la unión. Como las
superficies de empalme no son perpendiculares a los ejes longitudinales de las piezas respectivas, el volumen de metal disminuye a lo largo de la unión hasta un mínimo en el vértice. En
consecuencia,el destello y vuelco del vértice pueden ser bastante
diferentes de los que ocurren en el resto de la unión.
Las juntas de inglete entre barras redondas o rectangulares
deberán tener un ángulo incluido mínimo de 150 grados. Si el
ángulo es menor, el área de soldadura en el vértice será de mala
calidad por la falta de suficiente metal de respaldo. Es posible
fonnar juntas de inglete satisfactorias entre secciones rectangulares delgadas en el mismo plano con un ángulo incluido tan
pequeño como 90 grados, siempre que la anchura de la lámina
sea mayor que 20 veces su espesor. Si la carga de servicio
produce un esfuerzo de tensión en el vértice, la esquina exterior
deberá recortarse para eliminar el área de unión de mala calidad.
Preparación de las superficies
'=4
t
(B) TUBOS CON PAREDES DE 0.188 pulg Y MAYORES
LAPREPARACI~NDE
las superficies para la soldadura por destello tiene importancia secundaria y por lo regular es innecesaria.
Las superficies de sujeción normalmente no requieren una preparación especial a menos que presenten un exceso de incrustaciones, óxido, grasa o pintura. Las superficies de unión deberán
estar razonablemente limpias para que haya contacto eléctrico.
Una vez que se inicia el destello, la suciedad u otras sustancias
ajenas no interferirán sigi~ificativainerite la fonnación de la
soldadura.
Abertura inicial de los dados
'
t
=4
(C) PLACAS PLANAS DE 0.188 pulg Y MAYORES
NOTA: BISELAR SÓLO UNA PIEZA CUANDO D
ES DE 0.25 pulg O MAYOR Y T ES DE 0.1 88
pulg O MAYOR.
Figura 18.6-Preparación del extremo de una pieza para
facilitar el destello de secciones grandes
LAABERTURA INICIAL de los dados es la suma de las extensiones
iniciales de las dos piezas, como se indica en las figuras 18.2 (A)
y (B) y 18.3. La extensión inicial de cada pieza debe incluir la
pérdida de inetal durante el destello (pérdida por destello) y el
vuelco, además de un tramo de metal no alterado entre el metal
volcado y el dado de sujeción. Las extensiones iniciales de
ambas piezas se detenniiiaii a partir de los datos de soldadura
disponibles o de pruebas de soldadura. La abertura inicial de los
dados no debe ser excesiva, pues esto podría causar un vuelco
no uiiifonne y una desalineacióii de las piezas.
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Not for Resale
SOLDADURA POR DESTELLO. D E VUELCO Y DE PERCUSION
~~
~~
591
~
Tabla 18.2
Diámetros máximos recomendados para soldar por destello tubos de acero
Espesor de la pared
Pulg
mm
0.125
3.2
Diámetro. máx. del tubo
Pulg
mm
0.50
13.0
19.0
0.75
1.25
32.0
38.0
1.50
2.00
51.O
3.00
76.0
Espesor de la pared
Pub
mm
0.020
0.5
0.030
0.8
0.050
1.3
0.062
1.6
0.080
2.0
0.100
2.5
0.187
0.250
El argón o el helio son muy efectivos para soldar por destello
metales reactivos como el titanio. A temperaturaselevadas, estos
metales pierden elasticidad si están expuestos ai aire. Ei nitrógeno seco puede ser efectivo con aceros inoxidablesy resistentes
al calor.
EI valor de una atmósfera protectora depende de la efectividad del diseño del escudo de gas. EI material de destello puede
depositarse en el aparato generador del escudo de gas e interferir
su operación. EI diseño debe contemplar el movimiento de las
platinas.
Si se emplean cilindros de gas para crear el escudo, deben
protegerse contra daños causados por el tráfico en la planta. Los
anaqueles para almacenar los cilindros deben contar con dispcsitivos de sujeción. Si el escudo de gas se crea mediante un
sistema de tuberías, los tubos deben llevar rótulos informativos.
Alineación
ES IMPORTANTE QUE las piezas que se van a soldar estén bien
alineadas en la máquina para que el destello en las superficies
de empalme sea uniforme. Si las piezas están mal alineadas, sólo
habrá destello en las áreas contrapuestas y el calentamiento no
será uniforme durante el vuelco; las piezas tenderán a deslizarse
lateralmente, como se ilustra en la figura 18.7. Se debe poner
especial atención en la alineación de las piezas al diseñar la
máquina, las piezas por soldar y el herramental para soldarlas.
Esto es aun más importante cuando la razón entre la anchura y
el espesor de ias secciones es grande.
Pérdida de material
LA LONGITUD FINAL del ensamble soldado sera menor que la
suma de las longitudes de las piezas originales, debido a las pérdidas por destello y por vuelco. Es preciso cuantificar dichas
pérdidas para cada ensamble y luego sumarlas a la longitud de
las piezas para que el ensamble soldado cumpla con los requisitos de diseño. Los cambios en los procedimientos de soldadura
pueden requerir la modificación de las longitudes de Ias piezas
de trabajo.
Precalentamiento
--`,,,```-`-`,,`,,`,`,,`---
DURANTE
EL PRECALENTAMIENTO, ias piezas se ponen en contacto con una presión ligera y luego se energiza el transformador
de soldadura. El efecto de calentamiento por resistencia al flujo
de corriente de alta densidad eleva la temperatura del metal entre
los dados. La distribución de temperatura en la unión durante el
precalentainiento se aproxima a una fonna de onda senoidal con
el punto de temperatura máxima en la interfaz.
La operación de precaleiitamiento puede tener tres efectos
utiles:
Protección con gas
ENALGUNAS -LICACIO~%S, el desplazamiento del aire del area
de la unión por medio de un escudo de gas inerte o reductor
puede mejorar la calidad de la unión al reducir la contaminación
con oxígeno, nitrógeno o ambos. Sin embargo, la protección con
gas no puede compensar los procedimientos de soldadura incorrectos, asi que sólo debe usarse si la aplicación lo requiere.
--
-
DEFICIENTE
ANTES DE SOLDAR
DESPUESDESOLDAR
CORRECTO
Figura 18.7-Efecto de una mala alineación sobre la
aeometría de la unión
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4.7
6.4
Diámetro máx. del tubo
Pub
mm
4.00
102
6.00
152
9.00
230
(1) Eleva la temperatura de las piezas, lo que facilita el inicio
y mantenimiento del destello.
(2) Produce una distribución de temperatura con un gradiente menos empinado que persiste durante todas ias operaciones
de destello. Esto, a su vez, distribuye el vuelco en una longitud
más larga que cuando no se aplica precalentamiento.
(3) Puede ampliar la capacidad de una máquina y permitir la
unión de secciones transversales más grandes. No obstante, el
precalentamiento presenta una posible desventaja, Puesto que
el precalentainieiito con frecueiicia es una operación manual,
incluso cuando la máquina puede soldar automáticamente, la
reprodiicibilidad de la operación de precalentamiento depende
en gran medida de la habilidad del operador.
Soldadura
LAMAYOR PARTE de las maquinas soldadoras de destello comerciales operan autoiiiiticainente. EI programa de soldadura se
establece para ias operaciones específicas mediante una serie de
Not for Resale
SOLDADURA POR DESTELLO, DE VUELCO Y DE PERCUSIÓN
soldaduras de prueba cuya calidad se evalúa. A continuación, la
máquina se configura de modo que reproduzca el programa de
soldadura calificado para la aplicación en cuestión.
El operador puede cargar y descargar la máquina y observar
el ciclo de soldadura para constatar que opere de manera consistente. En algunas aplicaciones pueden incorporarse a la máquina
dispositivos de alimentación y expulsión automáticos.
Poscalentamiento
LOS ACEROS CON un contenido muy alto de carbono o aleación
pueden resquebrajarse si la soldadura se enfría con demasiada
rapidez. En algunos casos esta condición puede evitarse precalentando las piezas grandes, lo que reducirá la velocidad de
enfriamiento subsecuente. Si el precalentamiento no resulta
efectivo, el poscalentamiento de la unión en la máquina soldadora por medio de una comente de poscalentamientoo colocando el ensamble soldado en una estufa a la temperatura deseada
puede evitar la formación de grietas.
Puede incorporarse un ciclo de poscalentamiento en la
máquina soldadora empleando un cronómetro electrónico y
un control de calor de cambio de fase. El cronómetro puede
echarse a andar al término del vuelco o después de un retardo.
La temperatura deseada puede obtenerse ajustando el control
de calor. En todo caso, habrá transferencia de calor del ensamble soldado a los dados de sujeción durante el poscalentamiento. Esto debe tenerse en cuenta al diseñar el dado y
escoger los materiales, y es posible que se requiera enfriamiento por agua.
Eliminación del material de destello
MUCHASVECES ES necesario eliminar el material de destello de
la unión soldada. En algunos casos, esto se hace sólo para
mejorar la apariencia. Las uniones son un poco más fuertes si no
se quita el material de destello, pues el metal volcado hace crecer
la sección transversal. Pese a esto, el efecto de muesca en la línea
de soldadura puede causar una reducción en la resistencia a la
fatiga. Es recomendable eliminar la porción del material voltado que incluye la muesca, pero el resto puede dejarse en la
unión si el diseño de las piezas indica que el refuerzo resulta
benéfico.
En general, es más fácil eliminar el material de destello
inmediatamente después de soldar, mientras el metal está aún
caliente. Esto puede hacerse con varios métodos, incluidos maquinado, abrasión, ruedas de alta velocidad, recorte con troquel,
corte con gas oxicombustible, lijado a alta velocidad y dados
estranguladores. Con algunos aceros de aleación, puede dificultarse la eliminación del material de destello con herramientas de
corte, en virtud de su dureza. En estos casos suele emplearse
abrasión o corte con gas oxicombustible.
En el caso de metales blandos como el aluminio y el cobre,
el material de destello puede cizallarse casi por completo empleando dados estranguladores. Estos dados tienen caras ahusadas con filc que penetran casi por completo en el metal en el
momento del vuelco. La abertura final de los dados es muy
pequeña. El material de destello parcialmente cizallado puede
eliminarse después fácilmente con otros métodos. Al final, la
unión puede alisarse limando o por abrasión.
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VARIABLES DEL PROCESO
Voltaje de destello
ELVOLTAJE DE destello lo determina el ajuste de derivación del
transformador de soldadura. Debe seleccionarse el voltaje más
bajo posible que produzca una buena acción de destello. El
control de calor electrónico por cambio de fase no es una forma
efectiva de reducir el voltaje de destello, pues la forma de onda
del voltaje secundario así producido es incompatible con una
acción de destello correcta.
El voltaje de destello sólo debe modificarse cambiando el
ajuste de derivación del transformador. Un sistema para proveer
dos intervalos de voltaje emplea dos contactores primarios, cada
uno de los cuales está conectado a una derivación del transformador distinta. Uno de los contactores se energiza para obtener
un voltaje secundario alto (V, en las figuras 18.3y 18.4)durante
las primeras etapas del destello. Este voltaje elevado ayuda a
iniciar la acción de destello. El otro contactor se energiza
después de transcumdo cierto tiempo de la operación de destello para suministrar un voltaje secundario normal (V, en las
figuras 18.3 y 18.4).Al mismo tiempo, se desenergiza el primer
contactor. Con este sistema se obtiene una acción de destello
óptima.
T