LABORATORIO DE SOLDADURA

La soldadura es una arte, que se entiende técnicamente como un proceso de fabricación donde se busca la unión de dos materiales por fusión, su uso más amplificado ocurre con metales pero en los últimos tiempos se ha ampliado a la industria de los termoplásticos. Tuvo sus inicios en la edad de bronce, encontró su auge en la edad media con los avance en la soldadura de fragua (donde no se usaba material de aporte) la cual no trajo grandes variaciones hasta el siglo XIX donde llego el arco eléctrico.

En la actualidad la diversidad de este procedimiento va desde la variación del material de aporte, hasta la energía usada para generar fusión (gas, arco eléctrico, laser, ultrasonido, entre otros). Su importancia en la industria obliga a hacer de la soldadura, una rama de estudio esencial en la búsqueda de la formación integral de un ingeniero. La técnica y los fundamentos teóricos aprendidos son la razón de este informe.

MARCO TEÓRICO

La soldadura está definida como la unión de o más materiales entre si, en tal forma que queden como una sola pieza. (1) Cuya unión implica la fusión parcial, y coalescencia mutua de los materiales mediante el calor.

Algunas uniones se realizan por presión y calor, otras con solo presión sin aporte de calor externo. Se pueden usar o no material de aporte, cuando se realiza sin este se denominan soldaduras autógenas.

Los procesos de soldadura se pueden dividir en dos clasificaciones: soldadura por fusión, y soldadura de estado solido. La soldadura de estado solido se refiere a los procesos de unión en los que se interviene la combinación de presión y calor (por debajo de la temperatura de fusión), o solo presión. (2) Se caracteriza por no usar material de aporte e incluye procesos represtnativos de soldadura como:

Soldadura por difusión (SD) Soldadura por fricción (SF) Soldadura ultrasónica (SU)

1. SOLDADURA POR ARCO CON PROTECCION GASEOSA

El gas protector impide el contacto entre la atmosfera y el baño de fusión, por lo cual las uniones obtenidas son más resistentes, mas dúctiles, y menos sensibles a la corrosión, en comparación con otros procedimientos. (2)

Este procedimiento simplifico el uso de desoxidantes para el soldeo de metales no férreos, eliminando procesos posteriores de limpieza y acabado, y defectos como sopladuras e inclusiones de escoria. Además de mostrar menor deformación de las piezas en las inmediaciones del cordón de soldadura.

En la parte técnica, el soldador es el que le da la calidad a su trabajo, este procedimiento permite tener soldaduras más limpias, sanas y uniformes, debido a la escasez de humo que da la posibilidad al soldador de ver claramente lo que está haciendo.

El procedimiento se puede realizar de forma manual, automática o semiautomática. En el último el soldador controla la dirección y la velocidad.

1.1. TIG ( Tungsten Inert Gas):Variación del procedimiento de soldadura por arco con electrodo infusible y protección gaseosa. En este procedimiento el arco de soldadura aparece del electrodo de tungsteno que no se consume, el chorro de gas inerte rodea el electrodo y expulsa el aire de las inmediaciones de la zona de soldeo, evitando cualquier tipo de oxidación en el sistema.

El electrodo solo establece el arco, no se consume. Si la unión requiere de material de aporte se usa una varilla metálica que se introduce en el baño de fusión.

Se pueden usar equipos de corriente alterna o continua, con tal de que permita un buen control de la corriente en el campo de las pequeñas intensidades, esto con el fin de conseguir una buena estabilidad de arco

Figura 1. Soldadura TIG

1.2. MIG (Metal Inert Gas):Variante del procedimiento de soldadura por arco con electrodo metálico fusible y protección gaseosa.. El material de aporte se alimenta automáticamente, a través de una pistola de soldadura, siendo la velocidad de salida un parámetro ajustable.

El sistema usado en esta soldadura se muestra en la siguiente figura. El generador más adecuado sería de corriente continua, sea rectificador o convertidor. La corriente continua con polaridad invertida mejora la fusión del material de aporta, afecta positivamente la penetración, y da una excelente presentación.

El sistema de alimentación de alambre tira el hilo de una bobina hacia la pistola, su ajuste se realizaba en el caso de la practica por accionamiento de la pistola, la velocidad era constante y se ajustaba en la unidad de control. Este equipo es independiente con el fin de darle movilidad al equipo y facilitar la soldadura en lugares amplios.

El gas protector tiene una influencia importante sobre las propiedades del material depositado. Las aleaciones de aluminio, aceros al carbono, Níquel, monel y magnesio se realizan con argón, casos como el cobre se manejan con mezclas de helio y argón. El aire de la zona de soldadura se ve desplazado por el gas protector, debido esto se obtiene depósitos de gran resistencia. Para la práctica realizada se usó una mezcla de 75% Ar y 25% de dióxido de carbón, debido a que se usa para soldar acero al carbón.

Figura 2. Instalación para soldadura MIG (3)

Figura 3. Bobina de alambre, Generador.

En la práctica se realizó una aplicación semiautomática, puesto que la alimentación del alambre, la corriente de soldadura, y la circulación del gas, se ajustaban a través del proceso y los resultados obtenidos, pero la pistola se sostiene y se desplaza manualmente. Esto último implica que el soldador debe mantener una posición, longitud de arco, y velocidad de avance adecuado y constante.

Figura 4. Pistola para soldadura MIG semiautomática

Este proceso muestra ventajas por el hecho de no tener operaciones de limpieza, pues no tiene escoria. Un soldador que ya haya trabajado otras técnicas antes tiene una gran adaptación a este procedimiento. Muestra una gran velocidad de soldadura, que no afecta la productividad, sino disminuye los defectos por interrupciones, tiene una gran presentación, además de manejar espesores muy finos.

Figura 5. Ángulo para realizar cordones

El mejor supervisor de calidad en soldadura, es el propio soldador, y más en esta técnica que permite ver que se hizo, y que tipo de error se cometió. La posición en la que se tiene la pistola es importante, se debe mantener un arco entre 15 a 25° y una separación del metal base y la pistola de 10 a 20 mm. Lo importante de estos dos parámetros es que se mantenga constantes.

Figura 6. Influencia de diversos factores sobre la forma del cordón

A. Corriente, voltaje y velocidad normales.

B. Corriente muy baja.C. Corriente muy alta.D. Voltaje muy bajo.E. Voltaje muy alto.F. Velocidad de avance muy pequeña.G. Velocidad de avance excesiva.

Figura 7. Influencia de la longitud de arco

i. Arco de longitud excesivaii. Arco muy corto

iii. Arco de longitud correcta

Las anteriores imágenes mostraban los defectos posibles en una soldadura por no tener bien ajustados los parámetros mantenidos de manera automática por la maquina (voltaje, corriente), y de los parámetros mantenidos por el soldador (longitud de arco, velocidad de avance, etc.). En la práctica, los instructores realizaron muestra de cada cordón conforme cambiaban un parámetro hasta ajustarlo. Por lo cual al juzgar los cordones realizados por nosotros no deberían existir errores por los parámetros de la máquina.

Figura 8. Muestra de cordones realizados en la práctica.

La actividad de práctica se trató de realizar cordones rectos a lo largo de la plantilla, intentando que fueran lo más largos posibles (el largo de la plantilla). En la imagen A se puede observar el intento de un cordón, que en realidad parecen gotas de fundición regadas sin unión alguna. Lo anterior ocurrió por una velocidad de avance muy alta, lo cual no permite la formación del cordón, sino que deja residuos del metal de aporte regados sin forma definida.

El cordón C también tiene una velocidad de avance muy alta.

En el cordón D, se denotan varias cosas, la primeria es la inconstante longitud de arco. Si se analizare de derecha a izquierda tiene una longitud correcta por un avance muy pequeño (cuando tiene una velocidad de avance muy pequeña se ve “sobre montado”, al final es más constante la longitud de arco.

El cordón A, no mantiene el tejido de soldadura, no se denotan repeticiones de ningún tipo además de mantenerse muy alto, lo cual demuestra una mala penetración, o coalescencia parcial entre el material de aporte y el material base.

2. SOLDADURA POR ARCOS CON ELECTRODOS REVESTIDOS

Proceso para soldar por fusión, donde la unión es producida por un arco eléctrico obtenido entre un electrodo metálico recubierto. La protección del metal fundido se debe a la descomposición del revestimiento. (1)

Este procedimiento utiliza el calor procedente de un arco eléctrico producido al saltar la electricidad a través del aire, desde el extremo del electrodo al metal base. Cuando una corriente circula por un alambre presenta una resistencia al paso de la electricidad. Entre mayor resistencia exista, mayor será el calor producido. El aire ofrece una gran resistencia permitiendo que se alcancen temperaturas 3300 a 5500°C.

El arco eléctrico consiste en una descarga eléctrica relativamente grande ocurrida a través de una columna gaseosa térmicamente ionizada llamada plasma. El cual se convierte en un medio conductor a través del cual la corriente fluye (1)

El electrodo consiste en dos partes: el núcleo y el revestimiento. El núcleo funciona como medio de transporte de electricidad y fuente de material de aportación. El revestimiento está constituido por minerales y sustancias orgánicas. Este último facilita el encendido del arco, reemplaza ciertos elementos del metal, que se volatilizan parcialmente debido a la temperatura del arco. Además el revestimiento cumple la función de proteger el metal fundido de los gases dañinos del aire.

Para encender el arco se pueden usar dos técnicas, la primera es rastrillar suavemente el electrodo con el metal base, pero evitando que se pegue (si esto ocurriese, uno debe soltar la pinza). El rastrillado se debe hacer con un ángulo de 20° a 25° en relación a la vertical. Se retira un poco el electrodo para formar un arco largo por 1 a 2 segundos, luego se acerca hasta lograr un arco de altura de 1,5 mm a 3,5 mm.

Se realizaron cordones, los cuales se definen como depósito continuo de metal de soldadura, está constituido por el material de base y el de aportación.

ANÁLISIS TÉCNICA DE SOLDADURA

Es importante contar con la protección personal para poder realizar cualquier práctica u observación de soldadura. En la práctica cada cubículo contaba con cortina toja que protegía de la luz producida por el arco a los observadores. El soldador debe tener una máscara o careta protectora, tapabocas (si no existe extractor de olores, y en especial en lugares cerrados), guantes de carnaza que protejan hasta más arriba de la muñeca, overol de drill, protector de oídos, delantal o pechera de carnaza botas punta de acero. Si se tiene cabello largo, se debe recoger y cubrir con una capota de tela debajo de la máscara protectora.

Fuera de la vestimenta adecuada, el soldador debe fijar cuidadosamente la pieza a soldar, y verificar que se encuentre bien sujeta, el cable debe estar por delante y evitar que este enredado en alguna parte del cuerpo.

Figura 9. Posición de soldador a) incorrecta b) correcta (4)

Como se muestra en la anterior figura, la posición del soldador es indispensable para una buena calidad de la soldadura. Si un soldador está agotado, o su posición no está de acuerdo a los principios de ergonomía, la calidad de su trabajo ser verá afectada.

La técnica está en mantener una posición cómoda para sostenerla por el tiempo necesario, partiendo de una posición inicial donde el pie derecho y el pie izquierdo formen un ángulo recto, el pie derecho debe estar dirigido a la mesa donde se piensa soldar, se da un paso con el pie derecho hasta la base de la mesa (lo anterior para alguien diestro). El llevar el pie hasta la base de la mesa, da un tope, una dimensión de la espacio por parte de todo el cuerpo.

El brazo izquierdo debes estar apoyado en la mesa, puede ayudar a sostener el electrodo que lleva la mano derecha para mantener estabilidad en el parámetro de velocidad de avance, y distancia del arco. La mano derecha lleva el electrodo, como principiante, se debe coger como un spray (agarrándolo con una pinza formado entre el dedo pulgar y el meñique y anular juntos, lo que viene siendo la boquilla que se oprime en el srpay, viene siendo el agarre por la punta de los dedos índice y corazón) de tal manera que el electrodo esta perpendicular al plano de la palma de la mano. El brazo derecho hasta el codo debe estar levantado en la misma línea que une los hombros (puede estar un poco caído de la línea, como muestra la figura en su lado (b)), y el antebrazo debe bajar y flexionar hacia adentro del cuerpo un poco.

Por eso la primera posición mostrada está muy mal, debido a que el soldador no tiene ningún apoyo, está forzando su cuello a estar en una posición incómoda, debería subir la mesa a la altura de cintura. El brazo derecho no tiene ningún tipo de ángulo, está totalmente pegado al cuerpo, lo cual limita su movilidad, y su velocidad constante para realizar cordones rectos.

Figura 10. Diferentes movimientos del electrodo al depositar un cordón.

La figura de arriba muestra lo que se denominan movimientos en tejido. Estos se usan para formar cordones anchos, y presentan notable ventajas: facilita la subida de la escoria a la superficie del cordón, se facilita el escape de los gases y disminuye la probabilidad de obtener depósitos porosos. En la práctica se realizó la perfección de la técnica de la q se denota como “espiral”, en la cual se realiza une estilo de plana de la letra “e” minúscula en letra cursiva (pegada). La ventaja es que una uno puede avanzar (al subir por la curvatura hasta llegar a la cima), en la cima se da cuenta si falto algo, y se completa al bajar, o cerrar el trazo de la e.

OTROS TIPOS DE SOLDADURA

3. SOLDADURA CON TERMITA

También llamada aluminotermica (TW). Es una marca registrada cuyo procedimiento implica reacciones exotérmicas entre óxidos metálicos y agentes reductores metálicos, el calor de reacción producido se aprovecha para generar la unión.

Un ejemplo común para soldar aceros y hierro fundido es la reacción entre oxido de hierro, oxido de aluminio y aluminio. Generando una temperatura de 3200°C (en practica llega de 2200 a 2400°C).

El procedimiento consiste en alinear las piezas que se van a unir, con un hueco entre ellas, con un molde de arena o cerámica que recubre el sistema. Es oportuno secar o precalentar el molde para evitar cualquier humedad. Los productos sobrecalentados de la reacción se dejan fluir hacia la cavidad, fundiendo así las orillas de las piezas que se unen.

4. SOLDADURA CON GAS A PRESION

El método consiste en calentar la interfaz de los componentes a soldar mediante un soplete (acetileno en su mayoría). Al comenzar la fundición en la interfaz el soplete se retira, y se aplica una fuerza de recalcado, la cual se mantiene hasta la que interfaz se solidifique. (4)

Este procedimiento presenta problemas de rebaba, unión no uniforme, y procesos de acabo posteriores.

CONCLUSIONES

Para una óptima soldadura es importante ajustar adecuadamente las variables semiautomáticas para cada procedimiento, y mantener constantes (dentro del rango adecuado) las variables controladas por el soldador, tales como la posición, longitud de arco y velocidad de avance.

La soldadura mantiene su auge. Avanza facilitando el trabajo de un soldador, y a la vez aprovechando la sensibilidad y toma de decisiones que no tiene la máquina.

El soldador debe contar con las medidas de seguridad necesarias, respecto a la vestimenta y su zona de trabajo en general.

Por buenas prácticas de manufactura, la soldadura debe ser evaluada por técnicas de ensayos no destructivos tales como ultrasonido, líquidos penetrantes con una frecuencia programada.

BIBLIOGRAFIA

1. West-arco. Manual de soldadura. Bogota : s.n., 1989.

2. Groover, Mikell. Fundamentos de manufactura moderna. Mexico D.F. : Prentice-Hall, 1997.

3. Joseph, Giachino. Técnica y práctica de la soldadura. España : Editorial Reverte S. A., 2003.

4. The Fabricator (Arc Welding Article). [En línea] FMA Communications, Inc., 17 de Agosto de 2009. [Citado el: 16 de Junio de 2013.] http://www.thefabricator.com/article/arcwelding/movimientos-suaves-con-soldadura-por-arco-metalico-con-gas.

5. Kalpakjian, Serope. Manufactura, ingeniería y tecnología. Mexico : Pearson Education, 2002.