Soldadura.

Procesos de soldadura.Existe un gran número de procesos de

soldadura, entre los cuales se pueden nombrar los siguientes:

Soldadura por gas oxi-acetilénicoSoldadura por electrodo revestido

TIGMIG

Soldadura por plasmaSoldadura de arco sumergidoSoldadura por electroescoria

Soldadura por resistencia (puntos y costura)Soldadura por laser

Soldadura por haz de elctronesSoldadura por friccción

Brasage

Diferentes procesos de soldadura

Tipos de uniones soldadas

Terminología de la soldadura

• Ancho de la soldadura ( largura); penetración de la raíz; penetración de la unión; raíz de la soldadura; refuerzo de la soldadura

Zonas de la soldadura

• Zona fundida; zona térmicamente afectada; metal base; cubre junta

• Soldadura en varios pasos

Posiciones de la soldadura

•

Medidas de seguridad en soldadura

• Ropas de cuero son las más adecuadas• El choque eléctrico es un riesgo: hasta 15 mA hay hormigueo

fuerte; de 15 ma 50 mA espasmo muscular; 50 a 80 mA dificultad de respiración; 80 mA hasta 5 A paro cardíaco y quemaduras alto grado; sobre 5ª muesrte segura.

• Se debe proteger los ojos de la rradiación del arco, es muy irritante. Se deben usar lentes: con filtros entre 10 y 14.

• La soldadura puede producir incendios en el entorno.• Evitar la respiración de gases de soldadura y evacuarlos.• Evitar salpicaduras de metal caliente.

Soldadura por arco eléctrico

• El arco eléctrico es una descarga eléctrica, sustentada a través de un gas ionizado, conocido como plasma, que produce energía térmica suficiente para fundir el metal.

• El plasma está constituido por moléculas, átomos, iones y electrones; los dos últimos son responsables del paso de corriente por el arco.

• La caída de voltaje a través del arco se observa en la figura siguiente:

Caída anódica

Caída en la columna

Caída catódica

Soldadura por arco eléctrico

• Las temperaturas en el arco son muy altas como muestra el perfil siguiente:

Fuentes de energía para la soldadura

• Se usan máquinas de corriente continua (CC) y de corriente alterna (CA). Las soldaduras de calidad se producen por CC.

• Estas deben controlar adecuadamente el voltaje y el amperaje.

• Máquinas de corriente constante. Se usan principalmente con electrodos revestidos. La curva Voltaje – amperaje es tal que el amperaje cambia poco al variar el voltaje.

• El amperaje es seleccionado por el operador; el voltaje lo puede hacer variar el operador cambiando el largo del arco; pero esta variación de voltaje cambia poco el amperaje.

Máquinas de corriente constante.

• Las fuentes de corriente constante permiten que durante el proceso de soldadura la extensión del arco varíe sin que la corriente sufra grandes alteraciones; ni aún cortocircuitos del electrodo con el metal base producen grandes elevaciones de corriente.

• Este equipamiento se emplea en procesos de soldado manual como electrodo revestido (SMAW), TIG (GTAW) y plasma (PAW) en los cuales el soldador controla manualmente la extensión del arco.

Fuentes de voltaje constante

• Fuentes de poder de voltaje constante se usan con electrodos sólidos y con electrodos con fundente interior.

• El voltaje se fija a la fuente y el amperaje se determina por la velocidad de electrodo alimentado a la soldadura; la relación voltaje – amperaje se muestra en la Figura.

• Mayor longitud del arco reduce el amperaje y viceversa.

Fuentes de voltaje constante

• Estas fuentes permiten grandes variaciones de corriente cuando la extensión del arco varía o se produce un cortocircuito.

• Este comportamiento permite el control de la extensión del arco por variaciones de corriente de soldado, la que controla la velocidad de fusión del alambre de aporte, en los procesos de soldadura donde el alambre es alimentado con una velocidad constante , ej: MIG (GMAW) y soldadura con arco sumergido (SAW).

• La soldadura MIG convencional se realiza con una fuente estática de voltaje constante en conjunto con un alimentador de alambre de velocidad constante; las que permanecen aproximadamente constantes durante todo el proceso de soldadura.

• Cualquier perturbación de las condiciones de soldadura es absorbida por alteraciones en la corriente. Variaciones de la longitud del arco producen grandes cambios de corriente y poco de voltage. Si la corriente baja el alambre se funde más lento y se acerca al metal base aumentando la corriente y la tasa de fusión. Por tanto el arco se ajusta automáticamente, lo que ocurre en fracciones de segundo sin que el operador se de cuenta.

Otra clasificación de máquinas soldadoras

• Máquinas estáticas. Dos tipos: Transformadores para soldar, son de corriente alterna monofásica; Rectificadores para soldar, entregan una corriente continua.

• Máquinas rotativas. Dos tipos: grupo motor – generador con motor eléctrico y grupo generador movido por motor o bencinero. Las máquinas rotativas producen corriente alterna o continua, y ambos tipos pueden ser de voltaje constante o de intensidad constante.

Soldadura al arco con electrodo revestido (SMAW)

Se le conoce como arco manual. La soldadura se mantiene por el calor de un arco eléctrico, mantenido entre un electrodo revestido y la pieza soldada.

A medida que gotas de metal caen del electrodo, forman una pileta, la que es protegida de la oxidación por los gases y la escoria emitida por el revestimiento.

Se pueden usar máquinas de CC o CA, las de CC pueden ser usadas con mayor número de electrodos.

Placas delgadas son soldadas mejor con CC.

CC es mejor para soldar vertical y sobrecabeza.

CA es mejor para soldar espesores variables.

Soldadura con CC

• Polaridad directa: el electrodo se conecta al polo negativo de la fuente de poder y la pieza al polo positivo. El cordón soldado será ancho y poco profundo; hay alta tasa de deposición de metal.

• Polaridad invertida: el electrodo se conecta al polo positivo de la fuente de poder y la pieza soldada al negativo. El cordón de soldadura es profundo y angosto.

• Figura acerca de las polaridades:

+ -

Recubrimientos de los electrodos

• Los revestimientos pueden ser de diferentes tipos: • Cristalinos: rutilo ( forma natural del dióxido de titanio),

cuarzo y mica; • Amorfos o fibrosos: celulósico;• No cristalinos: vidriosos

• Funciones del revestimiento:– Proteger al metal líquido y caliente de la oxidación,– Estabilizar el arco para diferentes longitudes de éste,– Agregar elementos de aleación al cordón soldado,

que mejora las propiedades mecánicas del cordón,– Dirigir y concentrar el arco,– Proporcionar escoria para proteger el cordón líquido,– La adición de compuestos de titanio facilitan la

soldadura vertical y sobrecabeza,– Permite controlar la formación de poros,– Aisla el electrodo de cortocircuitos cuando se suelda

en ranuras profundas.

• Componentes del revestimiento:• Elementos de aleación: Mo, Cr, Ni, Mn;• Adhesivos (silicatos), mantienen el revestimiento durante

la extrusión y cocido de éste,• Formadores de gases: celulosa, carbonatos, los que

producen CO, CO2, H2O,• Estabilizadores de arco ( compuestos de Ti, Ca y K,• Formadores de escoria: sílice y magnetita;• Plastificantes que ayuden a la extrusión: carbonatos de

Ca y K.

Variedades de electrodos

•

E6011 (pinta azul): alta penetración, 60.000 psi, toda posición, celulósico – potásico.

E7018 (pinta naranja). En múltiples pasos en soldadura de bisel, la ríz es E6061 y los sucesivos pasos E7018

Soldadura MIG (Gas metal arc welding)

Soldadura MIG

• El arco eléctrico se establece entre un electrodo metálico consumible no recubierto y la pieza soldada.

• El electrodo se alimenta mediante una máquina a una velocidad constante.

• Toda el área de la soldadura se protege mediante una corriente de gas, usualmente argón o mezclas de argón con CO2.

• Casi todas las soldaduras MIG se efectúan con máquinas de corriente continua de electrodo positivo (DCEP).

• Es un proceso flexible, permite soldar aceros al carbono, aceros de baja aleación, aceros inoxidables, aleaciones de aluminio, cobre, magnesio y nickel.

• Se puede soldar en todas posiciones y se puede automatizar.

MIG Welding

Gas Metal Arc Welding (GMAW) is frequently referred to as MIG welding. MIG welding is a commonly used high deposit ion rate welding process. Wire is continuously fed from a spool. MIG welding is therefore referred to as a semiautomatic welding process.

MIG Welding Benefits

•All posit ion capabil i ty

•Higher deposit ion rates than SMAW

•Less operator ski l l required

•Long welds can be made without starts and stops

•Minimal post weld cleaning is required

MIG Welding Shielding GasThe shielding gas, forms the arc plasma, stabilizes the arc on the metal being welded, shields the arc and molten weld pool, and allows smooth transfer of metal from the weld wire to the molten weld pool.

The primary shielding gasses used are:Argon Argon - 1 to 5% Oxygen Argon - 3 to 25% CO2 Argon/Helium CO2 is also used in its pure form in some MIG welding processes. However, in some applications the presence of CO2 in the shielding gas may adversely affect the mechanical properties of the weld.

Common MIG Welding Concerns:Weld Discontinuities

Undercutting (socavaciones)Excessive melt-through Incomplete fusion Incomplete joint penetration Porosity Weld metal cracks Heat affected zone cracks

MIG Welding ProblemsHeavily oxidized weld deposit Irregular wire feed Burnback Porosity Unstable arc Difficult arc starting

Soldadura TIG (Gas tungsten arc welding)

•

La soldadura se efectúa con un arco establecido entre un electrodo no consumible de tungsteno y la pieza soldada.

Toda la zona de soldadura se protege con un gas inerte.

Se puede agregar material de aporte mediante una barra adicional.

TIG produce soldaduras muy limpias sin escorias, no necesitando limpieza.

Soldadura TIG

• Los gases protectores más utilizados son Argón y helio.

• Produce soldaduras muy limpias, sin escoria; casi no requiere limpieza.

• Tig puede soldar casi todos los metales: aceros al carbono, aceros inoxidables, cobre y aleaciones de cobre, aluminio y aleaciones de aluminio, magnesio y aleaciones de magnesio, niquel y aleaciones de niquel, titanio.

• Se usa mucho para soldar aluminio y acero inoxidable, donde la integridad de la soldadura es muy importante. Otro uso es el paso de soldadura de la raiz en cañerías, donde se requiere muy alta calidad.

• Se puede usar equipos de corriente continua o alterna. Es usual utilizar corriente continua de electrodo negativo (DCEN).

• Este proceso puede ser también automatizado

TIG Welding

Gas Tungsten Arc Welding (GTAW) is frequently referred to as TIG welding. TIG welding is a commonly used high quality welding process. TIG welding has become a popular choice of welding processes when high quali ty, precision welding is required.

In TIG welding an arc is formed between a nonconsumable tungsten electrode and the metal being welded. Gas is fed through the torch to shield the electrode and molten weld pool. I f f i l ler wire is used, i t is added to the weld pool separately.

TIG Welding Benefits

•Superior quali ty welds

•Welds can be made with or without f i l ler metal

•Precise control of welding variables (heat)

•Free of spatter

•Low distort ion

Soldadura de arco sumergido

•

Soldadura por arco sumergido

Soldadura por arco sumergido

• Submerged arc welding (SAW) is a high quality, very high deposition rate welding process. Submerged arc welding is a high deposition rate welding process commonly used to join plate.

• Submerged Arc Welding Benefits• Extremely high deposition rates possible • High quality welds • Easily automated • Low operator skill required

• Common Submerged Arc Welding Concerns• We can help optimize your welding process variables.

Evaluate your current welding parameters and techniques. Help eliminate common welding problems and discontinuities such as those listed below:

• Weld Discontinuities • Cracks • Porosity • Slag • Undercut (socavaciones)

• Submerged Arc Welding Problems • Solidification Cracking • Hydrogen Cracking • Incomplete fusion • Irregular wire feed • Porosity

Submerged-arc Welding

Process features

Similar to MIG welding, SAW involves formation of an arc between a continuously-fed bare wire electrode and the workpiece.

The process uses a flux to generate protective gases and slag, and to add alloying elements to the weld pool. A shielding gas is not required. Prior to welding, a thin layer of flux powder is placed on the workpiece surface. The arc moves along the joint line and as it does so, excess flux is recycled via a hopper. Remaining fused slag layers can be easily removed after welding.

As the arc is completely covered by the flux layer, heat loss is extremely low. This produces a thermal efficiency as high as 60% (compared with 25% for manual metal arc). There is no visible arc light, welding is spatter-free and there is no need for fume extraction.

Soldadura por plasma• Plasma Welding

• Process characteristics

• Plasma welding is very similar to TIG as the arc is formed between a pointed tungsten electrode( tungsten-2%thoria) and the workpiece. However, by positioning the electrode within the body of the torch, the plasma arc can be separated from the shielding gas envelope. Plasma is then forced through a fine-bore copper nozzle which constricts the arc.

• The normal combination of gases is argon for the plasma gas, with argon plus 2 to 5% hydrogen for the shielding gas

• Plasma and shielding gases

• The normal combination of gases is argon for the plasma gas, with argon plus 2 to 5% hydrogen for the shielding gas. Helium can be used for plasma gas but because it is hotter this reduces the current rating of the nozzle. Helium's lower mass can also make the keyhole mode more difficult.

• Applications

– Microplasma welding

• Microplasma was traditionally used for welding thin sheets (down to 0.1 mm thickness), and wire and mesh sections. The needle-like stiff arc minimises arc wander and distortion. Although the equivalent TIG arc is more diffuse, the newer transistorised (TIG) power sources can produce a very stable arc at low current levels.

– Medium current welding

• When used in the melt mode this is an alternative to conventional TIG. The advantages are deeper penetration (from higher plasma gas flow), and greater tolerance to surface contamination including coatings (the electrode is within the body of the torch). The major disadvantage lies in the bulkiness of the torch, making manual welding more difficult. In mechanised welding, greater attention must be paid to maintenance of the torch to ensure consistent performance.

– Keyhole welding

• This has several advantages which can be exploited: deep penetration and high welding speeds. Compared with the TIG arc, it can penetrate plate thicknesses up to l0mm, but when welding using a single pass technique, it is more usual to limit the thickness to 6mm. The normal methods is to use the keyhole mode with filler to ensure smooth weld bead profile (with no undercut). For thicknesses up to 15mm, a vee joint preparation is used with a 6mm root face. A two-pass technique is employed and here, the first pass is autogenous with the second pass being made in melt mode with filler wire addition.

Soldadura por resistencia

• What Is Resistance Welding? • Resistance welding is a process that

takes advantage of a workpiece's inherent resistance to the flow of electrical current. As current is passed through the parts to be welded, the parts resist the passage of the current, thus generating the welding heat. A force is simultaneously applied, and the parts are joined together.

• Unlike other forms of welding, resistance welding does not utilize additional materials such as fluxes and filler rods. The weld nugget is formed directly from the base materials.

Soldadura por resistencia ( puntos y costura)

•

Soldadura por resistencia (por puntos)

• Spot welding is a process typically used in high-volume, rapid welding applications, such as those found in the automotive, appliance and aerospace industries, to join sheet metal up to 1/8 of an inch (3mm) in thickness. The advantages of this process are that it is not labor-intensive and can easily be automated.

• In spot welding, the pieces to be joined are clamped between two electrodes under force, and an electrical current is sent through them. Resistance to the flow of current heats the material. Pressure is simultaneously applied to the joint, forming a solidified nugget that attaches the pieces.

Soldadura por resistencia ( por puntos)

• The Benefits of Spot Welding • The advantages of spot welding are

many and include the fact that it is: • An economical process • Adaptable to a wide variety of

materials including low carbon steel, coated steels, stainless steel, aluminum, nickel, titanium, and copper alloys

• Applicable to a variety of thicknesses

• A process with short cycle times • A robust process • Tolerant to fit-up variations

Soldadura por resistencia ( costura)

• Seam Welding • Seam welding is similar to spot welding except

that rotating wheel electrodes are used. The process is used when leak-tight welds or long strings of spot welds are required. Three forms of seam welding exist: standard seam, mash seam, and roll spot welding.

• Seam welding is a variation of spot welding that involves the making of a series of overlapping spot welds by means of one or two rotating wheel electrodes to form a continuous, leak-tight seam.

• In standard seam welding, a series of overlapping weld nuggets are formed by rotating the wheel electrodes along the workpieces and firing a continuous series of current pulses. This action forms a continuous, leak-tight joint.

• In mash seam welding, there is a small overlap of sheets, typically about one to two times the sheet thickness. Sheets are then mashed together, making a solid state joint. The resulting welded joint is generally 110-150% of the original sheet thickness. This final joint thickness can be reduced by postweld planishing.

• In roll spot welding, the current pulses as wheels traverse the workpieces to form a line of separate spot welds (not a leak-tight scam).

Soldadura por rayo de electrones (electron beam)

•

Aspectos metalúrgicos de la soldadura del acero

• Zona fundida y solidificada

• El paso del electrodo funde material de aporte y material de las piezas soldadas, formando una pileta que solidifica por la extracción de calor.

• La solidificación nace a partir de los granos parcialmente fundidos de las piezas soldadas. Los granos crecen preferentemente con forma alargada o columnar.

• El crecimiento se desarrolla con un mínimo de sobreenfriamiento.

• Las velocidades macroscópicas de solidificación mucho mayores que las encontradas en los lingotes, por ej: 100 mm/min en TIG y 1000 mm/min en soldadura don arco de electrones.

• Estas altas velocidades de solidificación están asociadas a altos gradientes térmicos en la pileta líquida (72°C/mm en TIG y 40°C/mm en arco sumergido.

• En general el avance de la interfase sólido – líquido es constante y no cambia mucho durante el proceso.

• Al interior de la pileta líquida hay gran agitación producida por efectos electromagnéticos.

Solidificación de la pileta de soldadura

•Como los granos de la soldadura crecen a partir de los granos del metal base, los granos de la soldadura tienen la misma oriantación cristalográfica de los granos del metal base.•Los granos crecen de forma columnar hacia el interior de la pileta, casi sin zona equiaxial.•Si la pileta tiene forma de lágrima, los granos columnares se juntan en una línea central; si la pileta tiene forma de elipse, los granos no se encuentran en una línea central.

Solidificación en soldadura de acero

• La formación de la línea central en la pileta forma de lágrima es dañina, porque allí se concentran impurezas al final de la solidificación; se pueden así formar films de material frágil, que no resistan la contracción del enfriamiento y produzcan grietas de solidificación.

• El centro del cordón soldado es lugar preferencial para formar fisuras.

• La pileta en forma de lágrima se forma si la velocidad de avance del arco es excesiva.

Formas de la ferrita

• La forma de la ferrita solidificada es importante para la resistencia al impacto o tenacidad de la ferrita. Se puede distinguir ferrita: acicular, Widmansttäten y masiva. La ferrita acicular es más tenaz porque no ofrece un camino fácil al avance de una fisura; los electrodos buscan que se produzca ferrita acicular y para estos se utilizan aceros ricos en Mn.

• Los electrodos de soldadura al arco de acero, que contienen 1,8% a 2% de Mn producen aproximadamente 70% de ferrita acicular; aquellos con 0,8% de Mn producen solo 10% de ferrita acicular

Formas de ferrita

•

Cordón de soldadura y zona térmicamente afectada en acero 4340 soldado

Cordón soldado

Martensita frágil

Cordón de soldadura y zona térmicamente afectada en acero

C. Perlita esferoidizada D. Acero base ferrítico - perlítico

Cordón de soldadura (A), zona térmicamente afectada

(B, C,)

A. Cordón soldadura

Martensita

Bainita

Perlita

B. Zona Term. Afectada

Diferentes zonas de una unión soldada

Microestructura de la zona soldada

Zona térmicamente afectada

Martensita

Bainita

Ferrita Widmansttaten

Globulización de la perlita y crecimiento del grano

Material base: acero ferrítico perlítico

Soldadura de aceros. zona afectada por el calor (ZAT o HAZ en inglés)

• Las zonas vecinas a la soldadura sufren calentamientos a altas temperaturas y enfriamientos bruscos. El mayor riesgo es que se forme martensita, microestructura dura y frágil.

• La martensita además es susceptible a absorber hidrógeno, lo que produce grietas ( en frío); estas grietas por hidrógeno pueden producirse horas después de efectuada la soldadura.

• La tendencia a formar martensita aumenta si el % de carbono aumenta, por esto la dificultad o riesgo de la soldadura crece si aumenta el % de carbono.

• El riesgo de formación de grietas aumenta si hay presencia de hidrógeno en la soldadura; éste puede aparecer por humedad del aire, por grasas presentes en la pieza soldada o por humedad de los electrodos. Es necesario limpiar bien la superficie de soldadura y secar los electrodos antes de soldar.

Soldabilidad de los aceros

• Un riesgo importante para la calidad de las soldaduras es la formaciòn de fases duras y fràgiles (martensita) en las zonas vecinas a la uniòn soldada; porque sufren tratamiento tèrmico de calentamienbto y enfriamiento brusco.

• Este riesgo crece cuando aumenta el % de Carbono y los elementos de aleaciòn.

• Las Normas ASTM 706 y 306 para refuerzos de concretos definen un concepto de “Carbono Equivalente” (CE) :

• CE= %C + %Mn/6 + %Cu/40 + %Ni/20 -%Mo/50 -%V/10

• Otra definiciòn usada en USA y Europa:

• CE= %C + (%Mn + %Si)/6 + (%Cu + %Ni)/15 + (%Cr + %Mo + %V)/5

Soldabilidad de aceros

• Una de las causas del agrietamiento en soldaduras de acero està relacionada al endurecimiento de la zona afectada térmicamente (ZAT), la que depende del CE. No ocurre agrietamiento si la ZAT es mantenida con dureza bajo 37,5 Rc.

• Los aceros de bajo carbono (%C < 0,15) pueden ser soldados por cualquier procedimiento.

• Los aceros de contenido medio de carbono 0,15<%C<0,30 pueden ser soldados en secciones de hasta 25 mm y en secciones más gruesas requieren precauciones como precalentamiento.

• Los anteriores, por causa de elementos de aleación presentes, pueden tener CE entre 0,20 y 0,55; aceros en la parte superior de este rango requieren precalentamiento en el rango de 80 a 100ºC.

• Con CE superior a 0,55 no es recomendable soldar y si es necesario hacerlo hay que tener procedimientos especiales, previamente aprobados.

• Aceros de aleación muy corrientes como AISI 4140 y 4340 tienen CE entre 0,55 y 1,20 no es recomendable soldarlos.

Procesos de soldadura de metales diferentes al acero al carbono

• Los siguientes procesos pueden ser utilizados para soldar metales diferentes al acero al carbono:

• Electrodo revestido: bronces, inconel, nickel, acero inoxidable austenìtico

• TIG: aluminio, bronces, cobre, cupronickel, nickel, Inconel, acero inoxidable austenìtico, titanio

• MIG: aluminio, bronces, cobre , cupronickel, inconel, nickel, magnesio, acero inoxidable austenítico, titanio

• Arco sumergido: acero inoxidable austenítico

Soldabilidad de diferentes metales

Soldabilidad de diferentes metales

Soldabilidad con diferentes procesos de soldadura

Soldabilidad con diferentes procesos de soldadura