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Soldadura de arco ( arc welding - AW). Soldadura por puntos, por costura y por proyección

Es un grupo de procesos de soldadura de metales que producen coalescencia de partes al calentarlas con un arco. Los procesos son usados con o sin la aplicación de presión, o con o sin aporte de metal.

La soldadura de arco es un proceso de soldadura sin presión (fusión) en el cual el calor es obtenido por un arco entre un metal base o metal de soldadura y un electrodo, o entre dos electrodos.

Ambiente histórico.

1881-1887. La soldadura de arco tiene su principio práctico poco tiempo después de la introducción de las luces de arco en 1881. Los primeros experimentos con soldadura de arco proporcionaron la teoría básica para el desarrollo de dos sistemas de soldadura de arco cinco o seis años después.

Desde cierto punto de vista, la soldadura por arco puede ser considerada una extensión del horno eléctrico. En los hornos eléctricos de Henry Moissan, un químico francés, y otros, el metal a ser fundido era colocado entre dos electrodos de carbón en el paso de una corriente eléctrica. Mientras esto era considerado en aquel tiempo como si fuera un proceso de resistencia interna para fundir metal mediante una corriente eléctrica, ahora se tiene el concepto de que estos hornos representaron los primeros ejemplos de fundición de metal con un arco eléctrico.

Los experimentos con soldadura por arco fueron llevados a cabo por primera vez por DeMeritens en 1881. En sus experimentos las diferentes partes de una placa de batería eran unidas por soldadura de plomo usando un arco de carbón como la fuente de calor. Guiados por estos primeros experimentos, N. Von Bernardos, un ruso, perfeccionó y patentó un proceso de soldadura por arco de carbón. Las patentes fueron conformadas para este proceso  en Petrogrado el 3 de diciembre de 1885, y publicadas el 17 de mayo de 1887.

A las luces de las prácticas de soldadura de los días actuales, el sistema de Bernardos de soldadura de arco parece difícil y peligroso. Se trataba de un proceso de soldadura de corriente directa operando con voltajes de 100 a 300 voltios con una corriente de soldadura de 600 a 1000 amperios. El equipamiento era operado con polaridad directa, que es aún el método preferido en la soldadura de arco de carbón, usando electrodos de carbón que variaban en tamaño de 6 a 38 mm (0,25 a 1,5 pulgadas) de diámetro. Era práctica común soldar con un arco de 50 a 100 mm ( 2 a 4 pulgadas) de largo. El equipo era aparatoso y difícil de manejar; el soporte del sólo era de 50 cm (20 pulgadas) de largo. Y muy pesado.

1889-1908. Poco tiempo después el sistema de Slavinoff de soldadura por arco, en el cual el electrodo de carbón del  sistema de Bernardo fue reemplazado por un electrodo desnudo de metal se comenzó a usar. Las patentes norteamericanas sobre el proceso de arco de metal fueron publicadas en Coffin en 1889. En 1908 Kjellberg aplicó un recubrimiento al electrodo desnudo e inició el desarrollo de la soldadura con electrodo recubierto. Se estima que más del 90% de la soldadura por arco en la actualidad es llevada a cano usando los principios de Kjellberg.

Como ha sido el caso con muchas invenciones, el mundo industrial fue lento en reconocer las posibilidades inherentes al proceso. Muchos años pasaron antes de que el equipamiento eléctrico, el alambre de soldar, y el proceso de control haya sido suficientemente bien desarrollado de manera que el proceso pudiera ser económicamente y seguramente aplicado para propósitos generales de manufactura. 

1916-1926. La soldadura era usada en una forma muy limitada para propósitos de manufactura antes de la Primera Guerra Mundial ( 1914-1918). La emergencia de la guerra dio como resultado en el uso de la soldadura para muchas aplicaciones previamente consideradas inviables. Durante éste período, la necesidad de barcos mejores y mas baratos permitió que persona familiarizadas con el diseño de barcos y aquellas familiares con los méritos de la soldadura lleven a cabo una buena sociedad para el trabajo de diseño, involucrando la construcción de barcos completamente soldados. Unos pocos barcos pequeños soldados por completo fueron producidos.  Si la guerra no hubiera terminado por el Armisticio (noviembre de 1908), los barcos completamente soldados hubieran sido producidos en cantidades en los años siguientes.

Durante la guerra el gobierno de Estados Unidos autorizó la formación de la Corporación de la Flota de Embarque de Emergencia de Estados Unidos (U. S. Shipping Board-Emergency Fleet Corporation) que en cambio (en el 13 de marzo de 1918) estableció un subcomité sobre soldadura. Al final de la guerra este comité había hecho tanto en ayudar a establecer los cimientos de la construcción de barcos mediante soldadura, que fue considerado una necesidad para continuar el trabajo, y para extender la aplicación a todas las otras industrias de producción. Como resultado, la membresía del subcomité sobre soldaduras fue reconocida en la primavera de 1919 bajo el nombre de “American Welding Society” (Sociedad Americana de Soldadura). La reorganización expandió el alcance de las actividades y ofreció membresía a todos los individuos e industrias interesados.

Desde 1919 a 1925, mucho trabajo de investigación fundamental fue llevado a cado por varios fabricantes, pero la aplicación general en edificios y puentes no ocurrió hasta finales de 1925 y comienzos de 1926. Este fue el comienzo de la implementación de la soldadura en gran escala, no sobre acero puro sino también sobre aleaciones de acero y aleaciones no ferrosas.

1926-1950. Un deseo de mejorar la calidad de las soldaduras producidas por soldadura de arco llevó al desarrollo de varios procesos de soldadura que combinaban gas y soldadura de arco. El primero de estos es el proceso de hidrógeno atómico sobre el cual patentes básicas fueron obtenidas en 1924 el por Dr. Irving Langmuir. Este proceso emplea un  par de electrodos de tungsteno para mantener un arco que es cubierto por una corriente de hidrógeno. El mismo puede ser usado para soldadura manual o automática.

Durante este período varios electrodos de soldadura de acero fueron manufacturados, los que han producido soldaduras mejoradas en términos de menor inclusión de escorias y mayor resistencia a la corrosión. Las soldaduras eran hechas con fuerzas tensoras en el rango de 480 Mpa ( 70.000 psi), y ductilidades del orden del 28% de elongación en 50 mm ( 2 pulgadas) y 60% de reducción de área. Similarmente, los electrodos fueron desarrollados para soldar varias aleaciones de acero tales como acero al manganeso del 12%, acero inoxidable de bajo carbón con 18% de cromo y 8% de níkel. Además, electrodos para soldar metales no ferrosos, o sea cobre y aluminio, fueron desarrollados, haciendo posible soldar prácticamente todos los metales comerciales y aleaciones en todas las posiciones.

Durante este período, el proceso de soldadura por arco sumergido (SAW) fue desarrollado para soldar acero al carbono.

La Segunda Guerra Mundial puso demandas adicionales sobre la industria de fabricación de metales.  La búsqueda de un método para soldar magnesio resultó en el proceso de soldadura de gas de arco de tungsteno (GTAW). El que se llamó originalmente soldadura Heliarc® debido a que el mismo usaba helio para cubrir el arco.

1951 hasta la actualidad. Este período vio la comercialización de un número de procesos de soldadura: por arco metálico en gas,  por haz  electrónico, por rayo láser, fricción, inercia, electroescoria,  electrogas, por explosión, arco de plasma, y alambre precalentado.

El equipamiento de soldadura automático de arco involucra medios mecánicos o electrónicos para controlar las condiciones de soldadura tales como la corriente de soldadura, longitud de arco, alambre de aporte o alimentación del electrodo. El movimiento y guía del electrodo, antorcha o cabezal de soldadura a lo largo de la línea de soldadura puede ser similarmente controlada.

Las ventajas de tal equipamiento son numerosas. Un operador menos experimentado puede manejar la máquina de soldar y producir resultados satisfactorios. Una menor cantidad de electrodo de soldadura es perdido en los extremos. Un arco más corto es uniformemente mantenido por la máquina automática que lo que se puede obtener por un operador manual. Una corriente más alta puede ser usada con un tamaño dado de alambre de soldadura para producir una mejor fusión. Mayor velocidad de soldadura puede ser obtenida. La soldadura es continua de comienzo a fin de la costura, eliminando por lo tanto cráteres intermedios inevitables con trabajo manual. La eliminación de cráteres contribuye a una soldadura más fuerte, más homogénea para retener líquidos bajo presión.  El alambre de soldadura en bobinas para máquinas automáticas, aunque más caro, proporciona una soldadura casi continua con equipamiento de soldadura de corriente continua o alterna.

Sodadura por resistencia (Resistance welding - RW)

Es un grupo de procesos de soldadura que producen coalescencia de dos superficies de empalme con el calor obtenido de la resistencia de las piezas de trabajo a la circulación de corriente de soldadura en un circuito del cual las piezas forman parte, y por la aplicación de presión.

La teoría de la soldadura por resistencia está basada en el principio de que una corriente de bajo voltaje y alto amperaje circula a través de un conductor pesado de cobre, encontrando poca resistencia hasta que llega al material a ser soldado. La circulación de corriente a través de la parte de mayor resistencia del material siendo soldado causa generación de calor intenso , luego se aplica presión lo que fuerza a soldarse  a las dos piezas.  La soldadura resultante entre estas dos piezas es tan fuerte como la más débil de las piezas que han sido unidas.

La soldadura de resistencia es llevada a cabo colocando la pieza de trabajo ( dos o mas hojas de metal) entre electrodos de cobre y pasando una corriente eléctrica a través de los mismos.  El calor generado en el punto de contacto entre la piezas reduce el metal a un estado plástico, y al usar la presión de contacto o engrampado, se induce la fusión.

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Ambiente histórico

El principio de la soldadura por resistencia fue descubierto por el físico inglés James Joule en 1856. En sus experimentos él introdujo un manojo de cable en carbón de piedra y soldó los cables calentándolos con una corriente eléctrica. Este se supone que fue la primera aplicación del calentamiento por resistencia interna para soldar metal.  Faltó hasta que Elihu Thompson perfeccione el proceso y lo desarrolle para aplicaciones prácticas.

En 1877 Thompson inventó una pequeña máquina de soldar de resistencia  de baja presión. La soldadura era llevada a cabo por esta máquina haciendo que la resistencia interna de la pieza de trabajo genere el calor requerido para alcanzar su estado plástico. Por varios años, poco fue hecho con este desarrollo, dado que parecía no tener valor comercial. Sin embargo, la soldadura por resistencia fue introducida a comienzos de los 1800s  como soldadura incandescente.

Tecnología moderna de soldadura por resistencia.

Fig. R-5. Soldadura por resistencia tipo costura. Soldaduras por punto solapadas proporcionan una costura a prueba de fugas.

Fig. R-6. Soldadura de resistencia por puntos

Figura R-7. Diagramas simplificados mostrando los procesos básicos de soldadura por puntos, de costura y de proyección.

Soldadura por puntos, por costura, por proyección (Spot, seam, and projection welding) son tres procesos de soldadura en los cuales la coalescencia de los metales es producida en las superficies de contacto por el calor generado por la resistencia del trabajo al pasar la corriente eléctrica. La fuerza es siempre aplicada antes, durante y después de la aplicación de la corriente para confinar el área de contacto de la soldadura a las superficies de contacto y, en algunas aplicaciones, para forjar el metal durante el calentamiento posterior. La figura R-7 ilustra los tres procesos.

En la soldadura por puntos, una pepita de metal de soldar es producida en el lado del electrodo, pero dos o más pepitas pueden ser hechas simultáneamente usando múltiples juegos de electrodos. La soldadura de proyección es similar excepto que la localización de la pepita está determinada por una proyección o repujado sobre una superficie de contacto, o por la intersección de partes en el caso de alambres o rodillos (soldadura de hilos cruzados). Dos o más soldaduras de proyección pueden ser hechas simultáneamente con un juego de electrodos.

La soldadura de costura es una variación de la soldadura por puntos, en la cual una serie de pepitas de solapado es producida para obtener una costura continua a prueba de pérdidas. Uno o ambos electrodos son generalmente ruedas que rotan a medida que el elemento de trabajo pasa a través de las mismas. Una soldadura de costura puede ser producida con equipamiento de soldadura de punto, pero la operación será mucho más lenta.

Una serie de puntos separados de soldadura pueden ser hechos con una soldadora de costura y electrodos de rueda ajustando adecuadamente la velocidad de desplazamiento y el tiempo entre soldaduras. El movimiento del trabajo puede o no ser parado durante el ciclo de soldadura por puntos. Este procedimiento es conocido como rollo de soldadura por puntos.

Principio de operación.

Las operaciones de soldadura por puntos, costura y proyección involucran una aplicación coordinada de presión mecánica y corriente eléctrica de las magnitudes y duraciones apropiadas. La corriente de soldado debe pasar desde los electrodos a través del trabajo. Su continuidad está asegurada por fuerzas aplicadas a los electrodos, o por proyecciones que son formadas para proporcionar la densidad de corriente necesaria y presión. La secuencia de operación debe primero desarrollar suficiente calor para elevar un volumen de metal confinado al estado de fundición. El metal es luego enfriado mientras está bajo presión hasta que tenga la fuerza adecuada para mantener las partes unidas. La densidad de corriente y la presión deben ser tales que se forme una pepita, pero no tan elevada como para que el metal fundido sea expelido de la zona de soldadura. La duración de la corriente de soldadura debe ser suficientemente corta como para prevenir calentamiento excesivo de las caras de los electrodos. Tal calentamiento puede pegar los electrodos al trabajo y reducir en gran medida su vida.

El calor requerido para estos procesos de soldadura de resistencia es producido por la resistencia de las piezas de trabajo a una corriente eléctrica pasando a través del material. Debido al corto recorrido de la corriente eléctrica en el trabajo, y al tiempo limitado de soldadura, corrientes de soldadura relativamente elevadas son requeridas para desarrollar el calor de soldadura necesario.

Generación de calor. En un conductor eléctrico, la cantidad de calor generada depende de tres factores: (1) el amperaje, (2) la resistencia del conductor ( incluyendo la resistencia de interfase ) y (3) la duración de la corriente. Estos tres factores afectan al calor generado y expresado en la formula:

Q=I2Rt

Donde:

Q = calor generado en Joules
I = corrientes en amperios
R = resistencia del trabajo en ohmios
t = duración de la corriente en segundos

El calor generado es proporcional al cuadrado de la corriente de soldadura y directamente proporcional a la resistencia en ese momento. Parte del calor generado es usado para hacer la soldadura, y parte es perdido en el metal que la rodea.

El circuito secundario de una máquina de soldadura por resistencia y el trabajo que está siendo soldado, constituye una serie de resistencias. La resistencia total del paso de corriente afecta a la magnitud de corriente. La corriente será la misma en todas las partes del circuito sin interesar la resistencia instantánea en cualquier ubicación en el circuito, pero el calor generado en cualquier punto en el circuito será directamente proporcional a la resistencia en ese punto.

Una importante característica de la soldadura por resistencia es la rapidez con la cual el calor de soldadura puede ser producido. La distribución de temperatura en el trabajo y los electrodos, en el caso de las soldadura por puntos, costura y proyección, está ilustrada en la figura R-8. Hay, en efecto, al menos siete resistencias conectadas en serie en una soldadura que contribuyen a la distribución de temperatura. Para una junta de doble espesor, 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 de la superficie del metal base y del electrodo, el tamaño del contorno de la cara del electrodo, y la fuerza del electrodo. (La resistencia es casi inversamente proporcional a la fuerza de contacto). Este es un punto de alta generación de calor, pero la superficie del metal base no alcanza su temperatura de fusión durante el pasaje de corriente, debido a la elevada conductividad térmica de los electrodos ( 1 y 7) y el hecho de que son usualmente 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 a la sección del área transversal del paso de la corriente
  4. 4, la resistencia de la interfase del metal base en la ubicación donde ser formará la soldadura. Este es el punto de mayor resistencia y, por lo tanto, el punto de mayor generación de calor. Dado que el calor es además generado en los puntos 2 y 6, el calor generado en la interfase 4 no se pierde fácilmente en los electrodos.

Figura R-8. Distribución de temperatura durante soldadura de resistencia por puntos .

El calor será generado en cada uno de las siete localizaciones en la figura R-8 en proporción a la resistencia de cada una. El calor de soldadura, sin embargo, es requerido sólo en la interfase del metal base, y el calor generado en todas las otras ubicaciones deberá ser minimizado. Dado que la mayor resistencia está localizada en el punto 4, el calor es mas rápidamente desarrollado en dicha localización. Los puntos siguientes de menor resistencia son el 2 y 6. La temperatura se eleva rápidamente en estos puntos, pero no tan rápido como en el punto 4. Luego de aproximadamente el 20% del tiempo de soldadura, el gradiente de calor se puede conformar al perfil mostrado en la figura R-8. El calor generado en 2 y 6 es rápidamente disipado en los electrodos adyacentes 1 y 7 enfriados por agua. El calor en 4 es disipado mucho más lentamente dentro del metal base. Por lo tanto, mientras la corriente de soldadura continua, el régimen de elevación de temperatura en el plano 4 será mucho más rápido que en 2 y 6. La temperatura de soldadura es indicada sobre la carta a la derecha de la figura R-8 por el número de puntos dentro del dibujo que forman la curva.

Los factores que afectan la cantidad de calor generado en la junta de soldadura por una corriente dada para una unidad de tiempo de soldado son (1) las resistencias eléctricas dentro del metal que está siendo soldado y los electrodos, (2) las resistencias de contacto entre la piezas de trabajo y entre los electrodos y las piezas de trabajo, y (3) el calor perdida en las piezas de trabajo y los electrodos.

Las variaciones en la composición, forma y espesor de los materiales requieren diferentes técnicas para mantener la productividad. Por ejemplo, si una de las piezas a ser soldada por resistencia de punto es considerablemente mas gruesa que la otra, la pieza mas delgada calentaría mucho mas rápido y se fundiría antes de que la pieza mas gruesa alcance su temperatura de soldadura. Una solución a este problema es adaptar una proyección (ver figura R-7) sobre la hoja mas gruesa en el lugar a ser soldado. Esta proyección concentra el calor en un área pequeña sobre la hoja más gruesa y la lleva a temperatura de fundición al mismo tiempo que la hoja mas fina.

Soldadura por resistencia refrigerada.

Es un proceso desarrollado para superar problemas de soldadura de resistencia del aluminio.

El aluminio es fácilmente soldable usando el proceso de soldadura de resistencia por puntos. Sin embargo, debido a la relativamente baja resistencia eléctrica del aluminio, los requerimientos de corriente para soldar son dos o tres veces los valores requeridos para soldar un espesor similar de acero al carbono. Las elevadas corrientes de soldadura requeridas por el aluminio resultan en un calentamiento de los electrodos de cobre, lo que trae aparejado una deformación en “forma de cabeza de hongo” de las puntas de contacto. Existe además el problema de arrastre de aluminio sobre los electrodos de cobre durante el ciclo de soldadura. Ambos fenómenos resultan en cambios en la densidad de corriente eléctrica, y por lo tanto en la calidad. Otro problema es la costra de óxido que se forma en el aluminio. A pesar de métodos cuidadosos de limpieza antes de la soldadura, la capa de óxido se forma sobre el aluminio muy rápidamente y puede causar grandes variaciones en el calor de soldadura debido a las variaciones en la resistencia de contacto de soldadura.

Uno de los métodos para minimizar estos problemas, es hacer circular un refrigerante de enfriamiento a través de los electrodos. Una temperatura de refrigerante de -12°C (10°F) se encontró que reduce los problemas de ablandamiento y arrastre, al punto de que los electrodos podrían ser usados para hacer hasta 2000 soldaduras de punto entre limpieza de electrodos (con una lima o papel de lija). Mientras que este servicio extiende la vida de los electrodos por un factor de diez, el método de enfriamiento por refrigerante ha sido parcialmente reemplazado por el desarrollo de (1) electrodos de aleación de cobre que no se deforman plásticamente a la temperatura encontrada, (2) pequeñas tapas de electrodos reemplazables que resultaron en el descarte de 14 g (1/2 oz) de cobre en lugar de los 170 g (6 oz) previos, cuando las puntas estaban quemadas.

Soldadura por resistencia con energía almacenada.

Es una forma de soldadura por resistencia en la cual la energía eléctrica necesaria para producir el calentamiento de Joule en las piezas de trabajo es obtenida desde un banco de capacitares o condensadores. Estas máquinas extraen potencia de la línea de alimentación durante de tiempos relativamente largos entre soldaduras, acumulando energía para entregar a los electrodos durante un corto período de tiempo de soldadura. El proceso se conoce también como soldadura por descarga de capacitares (Capacitor-Discharge Welding).

Otra alternativa en las soldaduras por resistencia, es la soldadura trifásica, que es la soldadura por resistencia que emplea primariamente corrientes alternas de tres fases para superar las demandas de cargas de alta potencia sobre las líneas de transporte de energía e instalaciones.

Las líneas de corriente en sistemas trifásicos requieren sólo 1/6 a ¼ de la corriente necesaria para un equipamiento de fase única de la misma capacidad de soldado.

Ventajas adicionales son:

  1. Un factor de potencia de la máquina típicamente sobre 85%
  2. Demandas de corrientes idénticas ( o sea, balanceadas) sobre cada línea de la fuente de potencia de tres fases
  3. La misma corriente secundaria sin interesar la carga inductiva introducida en la garganta de la máquina de soldar.
  4. Menores costos de instalación comparados con una de fase única

Desde el punto de vista de la soldadura, la ventajas incluyen: (1) menor tendencia a la expulsión de metal ; (2) vida mas larga de la punta de los electrodos; (3) menor sensibilidad al tamaño de la punta; (4) corriente del secundario auto-regulante; (5) distribución mas uniforme de la corriente durante la soldadura de proyección; (6) soldadura mas fácil del aluminio, bronce, magnesio y otros metales no ferrosos, con menor arrastre del electrodo.

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