Principio de soldadura por arco eléctrico




Para lograr la coalescencia de los metales es necesario llegar al punto de fusión del mismo. El modo en que se llega a esa temperatura de fusión puede ser por diversos medios (fricción, llama, alta frecuencia, etc), sin embargo, nos enfocaremos en los procesos que logran esta temperatura por medio de un arco eléctrico.


Se define al arco eléctrico como la corriente eléctrica que fluye entre dos electrodos, separados una cierta distancia, a través de una columna de gas ionizado (plasma). La corriente eléctrica, es provista por una fuente de poder, cuyos terminales están unidos a dichos electrodos. En el caso de la soldadura, uno de los electrodos mencionados es el metal base.


Para comprender el principio de funcionamiento, debemos comprender algunos conceptos preliminares:


El circuito eléctrico: La corriente eléctrica es un flujo de electrones que circula por un conductor en un circuito cerrado, denominado circuito eléctrico.


Al circular por el metal, esos electrones generar fricción y levantan temperatura. Si la cantidad de corriente que se hace circular, excede la capacidad conductiva del metal base, se genera un aumento de la temperatura tal que se logra la fusión del metal, permitiendo que ambos metales base se entremezclen logrando una unión metalúrgica.


El nombre electrodo, deriva justamente de éste fenómeno, siendo éste el elemento encargado de generar el arco eléctrico, independientemente del proceso realizado. En otras palabras, podemos decir que en el caso del proceso MMA, el electrodo será la varilla revestida, en los MIG, MAG, FCAW y SMAW, el electrodo es la bobina de alambre, siendo todos estos, electrodos consumibles El electrodo consumible es un metal que además de generar el arco eléctrico, se funde para hacerse parte del cordón de la soldadura.


En el caso del proceso TIG, el electrodo será la varilla de tungsteno, siendo esta un electrodo no consumible, lo cual brinda la singular posibilidad de soldar sin agregar material de aporte a la unión.


El arco eléctrico involucrado, está compuesto por el voltaje, expresado en voltios (V), y el Amperaje cuya unidad es el amper (A). El producto de ambos valores da como resultado la potencia, expresada en watts. Estos principios están expresados en la llamada Ley de ohm, la cual nos dice que la intensidad de corriente expresada en amperios, es directamente proporcional al voltaje, e inversamente proporcional, a la resistencia.


Si hacemos una analogía del flujo de corriente con el flujo de agua en una tubería, sabemos que el agua circula a lo largo de un tubo, si existe una presión que lo impulse; en la misma forma, la corriente eléctrica fluye o circula a través de un circuito, si existe una «presión», que impulse el flujo de electrones dentro de un conductor.


Esta “presión”, que induce una corriente eléctrica, se llama diferencia de potencial. La cantidad de agua, que pasa por un tubo, se mide por una magnitud en una unidad de tiempo (metros cúbicos por segundo) y es lo que se denomina caudal. En igual forma se utiliza, para expresar la magnitud de corriente eléctrica, la cantidad de electricidad por segundo.


La unidad utilizada es el Columbio por Segundo, lo que se expresa en Amperios.


Siguiendo con la analogía, puede ocurrir que una persona tenga un flujo de agua en una manguera doméstica, en la cual tiene mucha cantidad de agua (mucho voltaje), pero poca presión y caudal ( bajo amperaje), lo cual da como resultado un chorro inofensivo, si lo comparamos con el generado por una hidrolavadora (poca cantidad de agua, pero excesivo caudal).


Podríamos decir entonces, que los equipos de soldadura por arco eléctrico, se asemejan al funcionamiento de la hidrolavadora, es decir, trabajaremos con amperajes elevados (15 -1000 A), y voltajes moderados (15 – 50V). Dando como resultado un arco eléctrico que tendrá la fuerza suficiente para fundir y penetrar los metales base.


Cuando veamos los distintos procesos de soldadura por arco eléctrico, veremos que la corriente es una variable que puede ajustarse en todos los procesos por parte del usuario. En cambio no ocurre lo mismo con el voltaje, el cual puede regularse en todos los procesos de soldadura, excepto en el caso de MMA (y en menor medida en proceso TIG), en el cual el voltaje estará determinado la distancia entre la punta del electrodo y el metal base. Es decir, dependerá principalmente de la habilidad con la que el operario suelda.


Los metales se clasifican en dos grupos principales: 1) ferrosos, los que se basan en el hierro, y 2) no ferrosos, todos los demás.


Aunque ciertos metales son importantes como metales puros (por ejemplo, oro, plata, cobre), la mayor parte de las aplicaciones de ingeniería requiere de las propiedades mejoradas que se obtienen con la aleación. Con ésta es posible mejorar la resistencia, dureza y otras propiedades, en comparación con las de los metales puros.


Una aleación es un metal compuesto de dos o más elementos, al menos uno de los cuales es metálico.


#acero


El acero es una aleación de hierro que tiene un contenido de carbono que varía entre 0.02% y 2.11%. Es frecuente que también incluya otros ingredientes de aleación: manganeso, cromo, níquel y molibdeno; pero es el contenido de carbono lo que convierte al hierro en acero. Existen cientos de composiciones de acero disponibles en el comercio. Aquí, para propósitos de organización se agrupan en las categorías siguientes: 1) aceros al carbón simples, 2) aceros bajos de aleación, 3) aceros inoxidables y 4) aceros para herramientas.


El porcentaje de carbono presente en la composición permite definir 3 tipos de acero:

a. Aceros de bajo carbono (%C < 0.25)

b. Aceros de medio carbono (0.25 < %C < 0.55)

c. Aceros de alto carbono (2 > %C > 0.55)


Conocer el porcentaje de carbono presente es fundamental debido a que este elemento, le otorga mayor resistencia mecánica al acero, pero al mismo tiempo, puede convertirse en una limitación a la hora de soldar. Esto permite clasificar a los aceros según su soldabilidad:


a. Aceros Soldables: su contenido en carbono no excede del 0,25%.

b. Medianamente soldables: su contenido en carbono varía entre 0,25% y 0,4%.

c. Poco soldables: contienen carbono en porcentaje que va de 0,4% a 0,6%.

d. No soldables: son aquellos que tienen porcentajes de carbono superiores al 6%.


Propiedades de la unión soldada.


Cuando diseñamos una unión soldada, lo primero que debemos definir es qué función cumple esa unión, a qué condiciones estará expuesta, y a qué esfuerzos estará sometida durante su uso.


Las cargas aplicadas pueden ser de dos tipos: Estáticas o dinámicas.


Una carga estática es una acción estacionaria de una fuerza o un momento que actúan sobre cierto objeto. Para que una fuerza o momento sean estacionarios o estáticos deben poseer magnitud, dirección y punto (o puntos) de aplicación que no varíen con el tiempo.


Existen tres tipos de esfuerzo estáticos a los que se sujetan los materiales: tensión, compresión y cortante. Los esfuerzos de tensión tienden a estirar al material, las de compresión a compactarlo, y las cortantes comprenden tensiones que tienden a ocasionar que porciones adyacentes del material se deslicen una respecto a la otra.


Cuando una carga se aplica en un período relativamente corto recibe el nombre de “carga dinámica”. Las cargas dinámicas se distinguen de las estáticas por el hecho de originar modificaciones tanto en la magnitud de las tensiones como en las deformaciones a que dan lugar, afectando también la forma y límite de rotura de los materiales.


Impacto (ocurren en un momento muy breve y con una magnitud elevada), o fatiga (ocurre en forma repetitiva y magnitudes más moderadas) puede ser de alto número de ciclos, o bajo número de ciclos.


En el caso de la soldadura, se da una situación que merece especial atención, y es la siguiente:


Las uniones soldadas se caracterizan por tener una excelente respuesta al esfuerzo de tensión (tracción), es decir a la aplicación de dos fuerzas que actúan en sentido opuesto, y tienden a estirarlo. Esa resistencia estará determinada por las propiedades del material de aporte y no por el procedimiento de soldadura.


En otras palabras, si la resistencia del material de aporte utilizado es la misma, no importa si el proceso de soldadura es MMA, MIG o TIG, todos tendrán las mismas propiedades frente a los mismos esfuerzos.


Esto lo veremos con más atención en el módulo de normalización de materiales de aporte.


Retomando la idea, si bien nuestra unión soldada tendrá un buen desempeño frente a la tracción, puede que esté sometida a otros tipos de esfuerzos, como por ejemplo: flexión, compresión o torsión, en las cuales la unión debe tener la capacidad de deformarse sin romperse, es decir debe tener buena tenacidad.


Si nuestra unión es demasiado dura, se comportará como lo hace un vidrio: tendrá buena dureza (resistencia a ser rayado o penetrado), pero será muy frágil, o sea, no tendrá la capacidad de deformase ante un esfuerzo, y se romperá fácilmente.


El efecto de la temperatura en los metales:


En la industria de la soldadura suele decirse que “la mejor soldadura es la que no se hace”.


Esta paradoja, surge del hecho de que con la aplicación de temperatura, el metal sufre cambios estructurales internos que cambian las propiedades del metal original.


Esto se identifica principalmente en la zona afectada térmicamente (ZAC), la cual se ubica en las zonas aledañas al cordón de soldadura y puede identificarse visualmente a través del cambio de color del metal.



Inicialmente, es sabido que el efecto de la temperatura está vinculado a la deformación volumétrica del metal: Cuando se calienta un metal, la unión entre los granos comienza a debilitarse, se reduce su fuerza de atracción y se genera la dilatación del mismo. Esto genera un aumento de su volumen, y si esa temperatura alcanza el punto de fusión de dicho material, este pasa del estado sólido al estado líquido.


En sentido contrario, si se reduce la temperatura ocurre la contracción del metal. Si partimos de un metal en estado líquido, y se disminuye la temperatura, el material pasa de líquido a sólido.




Este efecto nos sirve para observar que en soldadura siempre se van a evitar los choques térmicos, es decir los cambios bruscos de temperatura. Estos pueden ocurrir en ambos sentidos:


En el caso de la aplicación de calor, si se aplica mucho calor de golpe, el metal tenderá a cristalizarse (volverse frágil), porque esa energía aplicada genera un cambio repentino en la posición de los granos. Al quedar posicionados en una ubicación que no es su posición natural o de reposo, el metal queda debilitado y acumula tensiones en esa zona.


Por el contrario, si luego de soldar, se ejerce un enfriamiento repentino del material soldado, ocurre un efecto similar, debido a que los granos quedan paralizados en posiciones que son “incómodas” para el material.


La conclusión que podemos extraer de este análisis, es que para soldar debemos aportar, ni más ni menos, que el calor justo.


Sabemos que se debe alcanzar el punto de fusión, con lo cual inevitablemente se afectará térmicamente al metal.


Y en segundo lugar, tener en claro esto nos permitirá entender, los beneficios que se logran con nuestros equipos al incorporar funciones que justamente buscan mitigar estos efectos.


#Calor aportado en la unión


Una manera de calcular el calor que se debe aportar en una unión es la siguiente:


Q = Potencia de soldadura (watts) / Velocidad de avance (s)


Esta fórmula, pone en evidencia que más allá de configurar la potencia con la que se va a soldar, entra en juego, independientemente si el procesos es manual, semiautomático o automático, la variable del tiempo durante el que se aporta esa energía en un lugar determinado.


Es decir, si la velocidad de avance del soldador, es muy elevada, no alcanzará a acumularse el calor necesario para lograr la fusión, más allá de que la potencia sea elevada.


De manera contraria, si la potencia es adecuada, y la velocidad de avance es muy lenta, se corre el riesgo de acumular excesivo calor pudiendo dañar el metal base.


En conclusión, cuando se suelda, se deben combinar estas variables de acuerdo a las habilidades y modos de operar de cada soldador, pudiéndose obtener los mismos resultados a partir de configuraciones distintas.


Pero además, este conocimiento es fundamental cuando deben soldar piezas con diferentes condiciones de disipación el calor.


Los metales, como ya dijimos, son buenos conductores eléctricos, y térmicos en relación a otros materiales como la madera, la cerámica o los polímeros por ejemplo.


Sin embargo, si nos adentramos en el mundo de los metales, tenemos que entender que no todos los metales disipan el calor de la misma manera.


#acero al carbono


Tomaremos como referencia el comportamiento del acero al carbono, ya que debido a sus condiciones es uno de los metales de mayor utilización en procesos de soldadura.


Podemos decir, que este material tiene una conductividad térmica muy buena y un indicie de deformación térmica bajo.


#acero inoxidable austenítico


En relación a este, los aceros inoxidables austenítcos se comportan de manera opuesta, es decir, es un mal conductor térmico y tiene un índice de deformación térmica 50% mayor que el acero al carbono, con lo cual el acero inoxidable, tiene a concentrar, y no a disiparlo, y adicionalmente, se deforma si no se tienen las precauciones correspondientes.


#auminio


Por último, nos encontramos con el aluminio. Este material no ferroso, posee dos características que son fundamentales para comprender su comportamiento: Es un excelente conductor térmico, por eso es utilizado en la fabricación de disipadores de todo tipo, y si bien tiene un punto de fusión de 660°C, el óxido que se genera en su cara superficial funde a 2072 °C.


Entonces surge la pregunta, sobre ¿Cómo seleccionar la potencia adecuada para soldar los distintos materiales y sus diversos espesores?


Sabiendo el comportamiento de este grupo de materiales, por regla teórico-práctica se establecen los siguientes valores de amperaje por cada mm de metal base a soldar:


Para acero al carbono: 40 A x mm de metal base.

Para aluminio: 50 A x mm de metal base.

Para acero inoxidable: 30 A x mm de metal base.


A continuación se exhibe una tabla que víncula los valores de amperaje para diversos espesores y diámetros de electrodos.


TABLA DE AMPERAJES.


Las conclusiones que extraemos es que cada material tendrá sus particularidades, y paradójicamente el aluminio, que es el material más blando/dúctil de los 3 grupos, es el que mayor amperaje requiere, debido a que disipa el calor de tal manera que si utilizamos los 40 A que se utilizan en el acero al carbono, sería muy dificultoso lograr la temperatura necesaria para lograr la fusión.


En contraste, como el acero inoxidable tiende a concentrar el calor en el lugar, es necesario utilizar un amperaje más bajo para evitar dañar el material.


Esto puedo ocurrir por distintos motivos:

– Tipo de material.

- Diferencia de espesor entre los materiales a unir.

– Tipo de junta y condiciones de disipación de los metales base,

– Instancia del proceso de soldadura.

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