Objetivo: Conocer los principios básicos del proceso de soldadura, Identificar los distintos tipos de procesos de soldadura y criterios necesarios para una correcta ejecución de cordones de soldadura. Introducción al proceso de soldadura Tipos de proceso de soldadura Conceptos básicos de ingeniería de soldadura Introducción a la soldadura por arco El cordón de soldadura Ejecución de cordones de soldadura Simbología de soldadura Objetivo: Que el Determine los parámetros fundamentales para ejecución de cordones de soldadura así como definir los preparativos iniciales para la implementación de un proceso de soldadura. Factores fundamentales para obtener una buena soldadura. Definir amperaje correcto para soldar Definir longitud de arco. Definir ángulo de inclinación de arco Definir la velocidad de avance Posiciones de soldeo. Preparación de las juntas para soldadura. Como ejecutar un cordón de soldadura. Movimientos oscilatorios comunes. Módulo 1 “Introducción al proceso de Soldadura” La soldadura es un proceso de unión de materiales, en el cual se funden las superficies de contacto de dos o más partes mediante la aplicación de calor o presión asegurando la continuidad de la materia entre ellas. Para obtener esta continuidad se recurre generalmente a intercalar un material fundido que rellene el espacio existente entre las piezas a unir. Se asocia con partes metálicas, pero el proceso también se usa para unir plásticos. El proceso de soldadura está conformado por 3 elementos principales: - Material Base: El material base son las piezas que se van a unir. Material de aportación: Es el material fundido que se agrega a la union para soldar el material base. Cordón de soldadura: Es el resultado del material que se funde entre las piezas. La soldadura es un proceso importante en la industria por diferentes motivos: - Las soldadura nos proporciona una unión permanente y las partes soldadas se vuelven una sola unidad. Es la forma más económica de unir componentes. Los métodos alternativos requieren las alteraciones más complejas de las formas (Machueleado, Remaches, tuercas, barrenado, etc.). El ensamble mecánico es más pesado que la soldadura. Entre sus desventajas encontramos: - La mayoría de las operaciones de soldadura se realizan manualmente, lo cual implica un alto costo de mano de obra. Al ser una unión permanente, no permite un desensamble adecuado. En casos donde es necesario realizar mantenimiento a una máquina, se busca evitar la soldadura como método de ensamble. La unión soldada puede tener defectos de calidad difíciles de detectar los cuales reducen la resistencia de la unión. Tipos de proceso de soldadura Alrededor de 50 tipos diferentes de procesos de soldadura han sido catalogados por la AWS ( American Welding Society ). Los procedimientos de soldadura más empleados industrialmente son aquellos donde la fuente de calor tiene su origen en un arco eléctrico. La soldadura por arco eléctrico se basa en someter a dos conductores que estan en contacto a una diferencia de potencial, por lo que termina estableciéndose una corriente eléctrica entre ambos. El proceso a utilizar va a depender principalmente de: - Tipo de material a soldar - Carga de trabajo requerido - Alimentación eléctrica - Espesor del material Mientras que ciertos tipos de soldadura producen cordones limpios que son visualmente atractivos y requieren poca o ninguna limpieza, otros tipos producen exactamente lo contrario. Para ayudar a simplificar el tema, hemos recopilado información importante sobre los cinco tipos de procesos de soldadura más utilizados. 1. Proceso TIG - Soldadura TIG La soldadura TIG tambien se conoce con el nombre de soldadura por arco de tungsteno con gas. Con este tipo de soldadura, el electrodo no es consumible y esta hecho de tungsteno. Es uno de los pocos tipos de soldadura que se puede hacer sin metal de relleno, utilizando solo los dos metales que se soldan juntos. Se necesita un tanque de gas para proporcionar el flujo constante de gas necesario para proteger la soldadura. Esto significa que generalmente se realiza mejor en interiores. La soldadura TIG es una forma precisa de soldadura que crea soldaduras visualmente atractivas y no requiere limpieza, ya que no hay salpicaduras. 2. Soldadura Microalambre (MIG) La soldadura MIG es una forma simple de soldadura. MIG significa “Gas inerte metálico” aunque a veces se le llama soldadura por arco metálico con gas. Es un proceso rápido que implica que el metal de relleno se alimente a través de la boquilla, mientras que se expulsa gas a su alrededor para protegerlo de elementos externos. El metal de relleno es un alambre consumible alimentado desde un carrete. Cuando se crea el arco eléctrico, el alambre se derrite creando la soldadura. El cable se alimenta continuamente a través de la boquilla, lo que le permite marcar su velocidad preferida. No es un proceso ideal para uso en exteriores. Aun así, es un proceso versátil y se puede utilizar para soldar muchos tipos diferentes de metal en diferentes espesores. 3. Soldadura por arco con núcleo fundente Este tipo de soldadura es similar a la soldadura MIG, al igual que en la soldadura MIG, un alambre que sirve como electrodo y el metal de relleno se alimenta a través de su boquilla. La diferencia es que este proceso no requiere suministro de gas externo. Es un proceso adecuado para metales más gruesos y pesados, ya que es un método de soldadura de alta temperatura. Es un proceso eficiente que no genera mucho desperdicio y al no tener necesidad de gas externo lo convierte en un proceso de bajo costo. Sin embargo, es un proceso que deja un poco de escoria y necesitará un poco de limpieza para hacer una soldadura terminada. 4. Electrodo revestido El proceso de soldadura por electrodo revestido se ha mantenido como una forma popular de soldadura porque es simple y fácil de aprender, además de su bajo costo de operación. Sin embargo es un proceso que no crea las soldaduras más perfectas, ya que salpica fácilmente. La limpieza suele ser necesaria. Un "electrodo" reemplazable también sirve como metal de relleno. Se crea un arco que se conecta desde el extremo de la barra a los metales básicos, fundiendo el electrodo en metal de relleno y creando la soldadura. El electrodo está cubierto con un fundente que crea una nube de gas cuando se calienta y protege el metal de la oxidación. A medida que se enfría, el gas se deposita en el metal y se convierte en escoria. Como no requiere gas, este proceso se puede usar al aire libre, incluso en climas adversos como la lluvia y el viento. También funciona bien en superficies oxidadas, pintadas y sucias, por lo que es ideal para reparaciones de equipos. Hay diferentes tipos de electrodos disponibles y fáciles de cambiar, lo que facilita la soldadura de metales de muchos tipos diferentes, aunque no es ideal para metales delgados. 5. Soldadura por puntos Es un proceso sencillo. Donde se cuenta con dos electrodos que tienen un área reducida y se obtienen suelas redondas que tienen un diámetro entre 2 mm y 12 mm. Una de sus desventajas es la relativamente corta vida útil de los electrodos. Con esto resumimos los 5 procesos de soldadura más comunes a encontrar en la industria, durante nuestro entrenamiento estaremos enfocándonos principalmente en procesos de soldadura por arco. Estudio del arco eléctrico Durante la siguiente sección estaremos revisando algunos puntos importantes que intervienen en la creación del arco eléctrico en procesos de soldadura, esto para entender mejor el origen del cordón de soldadura. El arco eléctrico que se establece típicamente en los procesos de soldadura supone una descarga eléctrica en todo caso, que se caracteriza por su elevada intensidad de corriente ( 10 - 2000 A ), bajo potencial o voltaje que se emplea ( 25 - 50 V ), y su gran brillo y aporte de calor. El calor provocado por el arco resulta ideal para la operación de soldadura alcanzando temperaturas de 3500 ºC. Cuando los electrodos se acercan o se separan hacen que varíe la resistencia y la intensidad del circuito eléctrico formado por los electrodos y el arco, por lo tanto la energía se transformará en calor, con lo que la soldadura no será uniforme. Para obtener soldaduras uniformes es imprescindible mantener constante la separación de los electrodos durante el proceso de soldadura. Para comprender mejor lo mencionado anteriormente vamos a profundizar un poco en la correcta aplicación de un proceso de soldadura por arco. - Cebado y mantenimiento del arco El proceso de soldadura comienza con el cebado del arco. para que se origine el arco eléctrico hay que seguir la siguiente secuencia: 1. Hacemos tocar la pieza con el electrodo: Al tocar el electrodo la pieza, se cierra el circuito y se produce un paso de corriente eléctrica. Como consecuencia se origina en el punto de contacto una elevación de la intensidad, y por ende, una elevación de la temperatura en la zona de contacto hasta la incandescencia. Produciéndose lo que se conoce como efecto termoiónico. 2. Se procede a separar el electrodo de la pieza Al separar el electrodo de la pieza nos va a permitir que los electrones emitidos por el efecto termoionico ionizan el aire circundante, haciendo al aire un conductor, estableciendo el arco eléctrico. - Estabilización del arco Una vez iniciado el arco, es necesario que este sea estable, para poder así controlar su dirección y que el proceso de fusión sea continuo y no se interrumpa. El uso de corriente continua va a contribuir a obtener un arco más estable, mientras que para el caso de corriente alterna el arco se va a estabilizar gracias al revestimiento del electrodo. Dentro de los factores que influyen en obtener un arco estable tendremos: - Potencial de ionización de los metales: Esta propiedad de los metales utilizados debe de ser bajo, para así lograr más fácilmente y con menor necesidad de energía la presencia de iones positivos en la pieza a soldar. - Poder termoiónico: Esta propiedad de los metales utilizados debe de ser alto, con objeto de conseguir una temperatura elevada que ayude a mantener el baño de fusión caliente. - Conductividad térmica: Esta propiedad debe ser baja, para facilitar la emisión catódica. - Soplado del arco El soplado del arco es un fenómeno que se origina por la presencia de campos magnéticos que se forman en la pieza y en el electrodo por el paso de corriente electrica. Para corregir los inconvenientes creados por el soplado, se actúa variando la inclinación del arco, o bien empleando una secuencia de soldadura correcta. El cordón de soldadura El cordón de soldadura corresponde al material que se funde entre las piezas a soldar, este podrá estar formado íntegramente por el material de aportación, por el material base o por ambos simultáneamente, dependiendo de cuál de ellos participe en la fusión durante el soldeo. En todo cordón de soldadura se pueden distinguir las siguientes partes que se representan en la siguiente figura: imagen cordon de soldadura Partes de un cordón de soldadura: 1. Zona de soldadura: Es la parte central del cordón, que está formada fundamentalmente por el metal de aportación 2. Zona de penetración Es la parte de las piezas que ha sido fundida por los electrodos. La mayor o menor profundidad de esta zona define la penetración de la soldadura. Una soldadura de poca penetración es generalmente defectuosa. 3. Zona de transición: Es la más próxima a la zona de penetración. Esta zona, aunque no ha sufrido la fusión si ha soportado altas temperaturas, que la han proporcionado un tratamiento térmico con posibles consecuencias desfavorables, provocando tensiones internas. Además de estos componentes, contaremos con 2 dimensiones fundamentales que nos servirán para determinar un cordón de soldadura, la garganta y la longitud. a) La garganta: La garganta representa la altura del máximo triángulo isósceles cuyos lados iguales están contenidos en las caras de las dos piezas a unir y está inscrita en la sección transversal de la soldadura. b) Longitud eficaz: Se le conoce como longitud eficaz a la longitud real de la soldadura menos los cráteres extremos. Se suele admitir que la longitud de cada cráter es igual a la garganta. Clasificación de los cordones de soldadura Existen cinco tipos de uniones para soldar dos piezas entre sí: - Butt Joint: En este tipo de unión las piezas están colocadas en el mismo plano y están unidas por sus ejes. - Corner Joint: Las piezas en un Corner Joint forman un ángulo recto y están unidas en la esquina del ángulo. - Lap Joint: La unión consiste de 2 piezas sobrepuestas. - Tee Joint: Una pieza es perpendicular a la otra, asimilando la forma de la letra “T” - Edge Joint: Las piezas son paralelas coincidiendo al menos uno de sus ejes en común. Factores fundamentales para obtener una buena soldadura Los siguientes factores son determinantes para obtener una buena junta en soldadura: - Amperaje Correcto La regulación de la máquina es de decisiva importancia para obtener buenas juntas de soldadura. El soldador debe encontrar el amperaje adecuado para su trabajo, regulando la máquina entre amperaje mínimo y máximo señalado por el fabricante para cada tipo de electrodo. Un amperaje insuficiente dificulta mantener el arco, produce abultamiento del material y mala penetración. Un amperaje excesivo tiene como consecuencia un cordón chato y con porosidades, produce recalentamiento del electrodo y mucha salpicadura. - Longitud adecuada del arco La longitud del arco, aunque no es posible determinarla en mm o fracciones de pulgada, se mide por los resultados de deposición del metal, o sea por la forma del cordón y también por el comportamiento del arco. Una longitud muy corta produce cordones con sopladuras e inclusiones de escoria, de poca penetración, gruesos e irregulares. El arco se interrumpe y el electrodo muestra tendencia a pegarse al metal base. Una longitud muy larga trae como consecuencia un apreciable aumento de salpicaduras; la penetración es insuficiente, el cordón presenta sobremontas y es de un ancho indeseable. Además en muchos casos el cordón resulta poroso. - Un apropiado ángulo de inclinación El ángulo de inclinación del electrodo con respecto a la pieza de trabajo influye sobre la forma y aspecto del cordón y también sobre su penetración; de ahí la necesidad de trabajar con un ángulo de inclinación correcto. Un ángulo demasiado cerrado trae como consecuencia una deposición excesiva de metal de aporte, mala conformación del cordón y penetración inadecuada Un ángulo demasiado abierto producirá ondulaciones pronunciadas en el cordón con formación de crestas. El cordón resulta irregular, porque por acción del soplado la escoria es expulsada y no recubre bien. - Una apropiada velocidad de avance Una lenta o excesiva velocidad de avance del electrodo produce defectos en la soldadura, razón para buscar un avance apropiado que produzca buenas juntas soldadas Una velocidad muy lenta produce abultamiento del metal de deposición, desbordándose sobre la plancha. Puede ser causa de incrustaciones de escoria en la junta soldada. Una velocidad excesiva produce un cordón delgado, de aspecto fibroso, con poca penetración, deficiente fusión del metal y muchas porosidades. - Juntas limpias, libres de óxido, aceite y grasa. Simbologia de soldadura Toda la información referente al tipo de unión, dimensiones de cordón, aspecto y forma final, procedimiento a emplear, etc. Se representa de forma simbólica siguiendo las recomendaciones de AWS (Sociedad Americana para la soldadura). En la siguiente imagen podemos visualizar la forma básica de representar gráficamente la soldadura por arco eléctrico. En general, toda representación simbólica consta de: - Símbolos elementales: Indican la forma de la soldadura a realizar - Símbolos suplementarios: Son los que caracterizan la superficie exterior de la soldadura. En caso de ausencia de este tipo de símbolo indicará que no es necesario realizar una caracterización de la superficie. - Cotas: Debe quedar indicado el espesor del cordón ( la garganta si se trata de soldadura en ángulo) y la longitud a todo lo largo, en caso de no ser continua. Las uniones a tope, salvo si se indica otra cosa, se suponen de penetración total. - Indicaciones complementarias: Se puede añadir información adicional que aclare ciertos aspectos que interese que se conozcan, por ejemplo, si se trata de una soldadura perimetral, que se trata de soldadura a ejecutar en obra, o que se debe ejecutar mediante procedimiento determinado. Introducción a la soldadura robótica ¿Qué es la soldadura robótica? La soldadura industrial es una tarea de riesgo por naturaleza, que expone a los operadores a herramientas que se calientan a más de mil grados, durante jornadas laborales extensas, en trabajos repetitivos que requieren de una alta precisión en todo momento. Todas estas características convierten a las actividades de soldadura industrial en un gran candidato para la automatización. La soldadura robotizada es una herramienta segura, eficiente y rentable, que le permite a las empresas de cualquier sector o tamaño automatizar los procesos de soldadura a nivel industrial consiguiendo acabados de primera, con mínima exposición a los operadores de planta, reduciendo costos de producción y el tiempo de ciclo. Ha pasado de ser una característica casi exclusiva de la industria automotriz a convertirse en una solución estándar cada vez más popular dentro de una amplia variedad de sectores industriales. General Motors fue en muchos aspectos los pioneros de la soldadura robótica, ya que comenzaron a utilizar esta tecnología en sus fábricas estadounidenses a principios de los años sesenta. Otras empresas de la industria automotriz siguieron su ejemplo, y desde entonces, el número de robots industriales ha aumentado enormemente, al igual que la cantidad de sectores donde se pueden emplear robots. La soldadura sigue siendo un segmento clave, con aproximadamente más del 80% de la industria automotriz está utilizando robots para su proceso de soldadura. ¿Que es un robot de soldadura? Un robot soldador es un robot industrial capaz de ejecutar actividades de soldadura de manera autónoma. Usualmente se tratan de equipos similares a un brazo humano, aunque con mayor cantidad de ejes de rotación. Estos robots son de alta precisión y suelen operar durante largas jornadas. Pueden hacer prácticamente el mismo trabajo que un operador humano, con requerimientos de espacio exigentes y a máximo control de calidad. ¿Cómo funciona un robot de soldadura industrial? Los robots están equipados con una herramienta de soldadura en su punta, que usualmente consta de una antorcha alimentada con electrodos capaces de crear arcos eléctricos que soldan las piezas de metal. Para garantizar el proceso, los robots cuentan con equipos de seguridad que incluyen controladores de temperatura que disparan mecanismos de gas o enfriamiento líquido y detectores de colisión, que paran de golpe las labores en caso de error. Una vez terminado el trabajo de soldadura, estos robots cuentan con equipos o accesorios de limpieza de antorchas que ayudan a generar acabados mas prolijos y profesionales. Soldadura robotica vs Soldadura manual La soldadura manual es un trabajo demandante que no puede ser ejecutado por un operador sin tener una pausa prudente entre cada obra. La soldadura robotizada no requiere de largos descansos, no posee distracciones o curvas de horario que comprometan la calidad del producto final. Mientras que los operadores dependen de una visión limitada y pericia para ir controlando la trayectoria de soldadura, los robots utilizan coordenadas y guías milimetradas para generar acabados precisos. Los robots poseen mecanismos de seguridad industrial que les ayudan a controlar los materiales, las antorchas y la proximidad con cuerpos extraños lo que los hace seguros. Resumiendo con la soldadura robótica obtenemos una reducción de los costos operativos, mayor rendimiento en nuestro proceso, mejor calidad de soldadura y reducción de retrabajos. Estas ventajas implican un alto costo de inversión inicial y falta de flexibilidad en proyectos de menor volumen. Con la soldadura manual obtenemos un menor tiempo de configuración, fácil reemplazabilidad y conciencia del entorno. Aunque con menor velocidad de trabajo, menor eficiencia, mayor costo y mayor riesgo de seguridad en la operación. Componentes de un sistema de soldadura robótica La soldadura robótica combina soldadura, robótica, tecnología de sensores, sistemas de control e inteligencia artificial. Los componentes incluyen el software con programación específica, el equipo de soldadura que entrega la energía de la fuente de potencia de soldadura a la pieza de trabajo y el robot que utiliza el equipo para realizar la soldadura. Los sensores de proceso del robot miden los parámetros del proceso de soldadura y sus sensores geométricos, los parámetros geométricos de las soldaduras. Adquiriendo y analizando la información de entrada de los sensores, el sistema de control adapta la salida del proceso de soldadura robotizada basándose en las especificaciones de procedimiento de soldadura definidas en el programa. Normalmente se utilizan robots industriales de seis ejes que comprenden un brazo inferior de tres ejes y una muñeca de tres ejes, que le permiten montar la herramienta de soldadura en la muñeca y lograr alcanzar todas las posiciones necesarias para la soldadura tridimensional. El sistema de soldadura debe de estar integrado con el robot, debe de ser compatible y preferentemente diseñado específicamente para la soldadura robótica porque así todos los procesos pueden ser controlados por el robot. ¿Cómo seleccionar un robot para un proceso de soldadura? Al automatizar los procesos de soldadura, hay algunos componentes diferentes a considerar en relación con sus necesidades específicas de soldadura. - Inteligencia y Comunicación Los controladores de robot para herramientas, movimiento y los controladores de sistema para el movimiento de piezas, la comunicación y la interfaz humano máquina (HMI) son aspectos cruciales de un sistema de soldadura robótica. - Características de la celda de trabajo La pieza que se está soldando determinará en gran medida que tipo de características de celda de trabajo que se necesita. Pueden ser mesas estacionarias, tornamesas, accesorios, posicionadores, etc. Según el tamaño, el peso, el volumen de producción y la accesibilidad de su pieza. Piezas de trabajo extremadamente grandes necesitan mucho posicionamiento y fijación, mientras que las piezas más pequeñas que el robot puede alcanzar fácilmente requerirán menos funciones de la celda de trabajo. - Características del robot de soldadura Dentro de los parámetros clave a tomar en cuenta en la selección del robot además de los descritos anteriormente son: - Grados de libertad Alcance / Área de trabajo repetibilidad velocidad y aceleración máxima Criterios de implementación de soldadura robótica En la soldadura robótica, lo principal es el software y la programación correcta. La mayor parte del gasto se debe al equipamiento, las pruebas y la formación de los operadores, por lo que la robotización de un proceso de soldadura siempre requiere una planificación precisa. Se debe analizar la producción actual de soldadura, con todas sus operaciones y costos. Las soldaduras deben de ser uniformes, por lo que se pueden medir de modo que sean tan pequeñas como sea posible. Las piezas uniformes permiten al robot ejecutar la soldadura en el mismo lugar de forma repetida. ¿Cómo ejecutar un cordón de soldadura? Para ejecutar un cordón de soldadura tendremos que seguir los siguientes pasos: 1. Encender el arco eléctrico Saber entender el arco y mantener su continuidad es una de las bases de la soldadura eléctrica. Se enciende el arco, cuando la corriente eléctrica es obligada a saltar el espacio existente entre la punta del electrodo y el metal base, manteniendo una longitud adecuada, que permita formar un buen cordón de soldadura. Un método para el encendido del arco es el siguiente: - Se mueve el electrodo sobre la plancha, inclinando ligeramente, como si se raspara un fósforo. Cuando la punta del electrodo toca la plancha, el arco se enciende. Cuando el arco se ha encendido, se retira un poco el electrodo, para formar un arco ligeramente largo y luego establecer el arco de longitud normal, aproximadamente igual al diámetro del núcleo del electrodo. Se debe evitar que el electrodo se pegue a la plancha. Si esto ocurriera, se da al electrodo un tirón rápido en sentido contrario al avance, a fin de despegarlo. 2. Ejecutando el cordón de soldadura El procedimiento para la ejecución de un cordón de soldadura es el siguiente: - Regular la corriente eléctrica de acuerdo al diámetro del electrodo seleccionado - Encender el arco eléctrico Mantener el electrodo perpendicular al metal base, con un ángulo de inclinación acorde con la posición de soldeo en dirección de avance - Mantener un arco de una longitud de 1,5 a 3 mm y mover el electrodo sobre la plancha a una velocidad uniforme para formar el cordón. A medida que el arco va formando el cordón, observar el cráter y notar como la fuerza del arco excava el metal base y deposita el metal de aportación. Depositar cordones de 4 a 6 cm de largo y apagar el arco Encender de nuevo el arco y depositar otro cordón, y así sucesivamente hasta completar la unión soldada. Posiciones de la soldadura Los trabajos de soldadura, o más apropiadamente la ejecución de los cordones, pueden realizarse en las posiciones siguientes: - Posición plana: Es decir, sobre un plano horizontal. La ejecución de cordones en esta posición es más fácil y económica. En lo posible, la pieza debe colocarse de tal forma, que permita la ejecución de los cordones en esta posición. - Posición vertical: Las planchas a soldar se encuentran en posición vertical y los cordones también se ejecutan siguiendo la dirección de un eje vertical. La soldadura puede hacerse de forma ascendente y también en sentido descendente - Posición horizontal: Las planchas están colocadas verticalmente y el cordón se ejecuta horizontalmente. - Posición sobrecabeza: Las planchas están colocadas horizontalmente y la soldadura se ejecuta por debajo. Es una posición inversa a la posición plana. - Soldadura de tuberías Es una combinación de las diferentes posiciones.
