Ejercicios Soldadura, Transcripciones de Calderas y Soldadura

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CAPITULO IV

PROCESOS DE UNIÓN Y ENSAMBLE POR

SOLDADURA

4.1. FUNDAMENTOS DE SOLDADURA

Diversos y complejos fenómenos están envueltos en la unión de metales, y para comprenderlos y analizarlos debe ser iniciada por los medios que permiten realizarla. Entre tanto, la competencia entre los procesos de unión disponibles, para una aplicación dada, pueden ser varios y estos a la vez pueden producir resultados tecnológicamente similares. Entre todos los procesos de fabricación existentes, éste se sitúa en una posición privilegiada, pues a través de la unión de materiales producidos en grandes números y cantidades, es posible obtener numerosas combinaciones, las cuales resultan desde pequeñas piezas (armazones oculares) hasta estructuras gigantescas (plataformas submarinas y naves espaciales). Este método también permite utilizar un material de mucho menor costo, aplicable sólo en lugares necesarios, además de que sirve también como revestimiento protector propicio par enfrentar la corrosión, calor, u otro tipo de desgaste. De esta forma, una opción por esta tecnología propicia, en general, produce enormes reducciones en consumo de energía, tiempo y material, quizá los más escasos bienes sobre la tierra. 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 conveniente de calor o presión. La integración de las partes que se unen mediante soldadura se denomina un ensamble soldado. Muchos procesos de soldadura se obtienen solamente por calor, sin aplicar presión; otros mediante una combinación de calor y presión; y unos más únicamente por presión sin aportar calor externo. En algunos casos se agrega un material de aporte o relleno para facilitar la fusión. La soldadura se asocia por lo regular con partes metálicas, pero el proceso también se usa para unir plásticos. Nuestro análisis de la soldadura en presente capítulo se enfocará en la unión de metales. La soldadura es un proceso relativamente nuevo. Su importancia comercial y tecnológica se deriva de lo siguiente:  La soldadura proporciona una unión permanente. Las partes soldadas se vuelven una sola unidad.  La unión soldada puede ser más fuerte que los materiales originales si se usa un metal de relleno que tenga propiedades de resistencia superiores a la de los materiales originales y se emplean las técnicas de soldadura adecuadas.  En general, la soldadura es la forma mas económica de unir componentes, en términos de uso de materiales y costos de fabricación, los métodos mecánicos alternativos de ensamble requieren alteraciones mas complejas de las formas (por ejemplo, taladrado de orificios) y adición de sujetadores (remaches o tuercas). El ensamble mecánico resultante por lo general es más pesado que la soldadura correspondiente.  La soldadura no se limita al ambiente de fábrica. Puede realizarse en el campo.

Aunque la soldadura tiene las ventajas indicadas, también tiene ciertas limitaciones y desventajas (o desventajas potenciales):

el propósito de producir una flama caliente para fundir la base metálica y el metal de aporte en caso de que se utilice.

FIGURA 4.1 Fundamentos de la soldadura con arco eléctrico: (1) Antes de la soldadura, (2) Durante la soldadura se funde la base metálica y se agrega el metal de aporte al conjunto fundido y (3) La soldadura terminada. Hay muchas variaciones del proceso de soldadura con arco eléctrico.

 Otros procesos de soldadura por fusión. Además de los tipos anteriores hay otros procesos de soldadura que producen la fusión de los metales unidos. Los ejemplos incluyen la soldadura con haz de electrones y la soldadura con rayo láser.

También se usan ciertos procesos de arco eléctrico, al igual que de oxígeno y gas combustible para cortar metales.

b) Soldadura de estado sólido La soldadura de estado sólido se refiere a los procesos de unión en los cuales la fusión proviene de la aplicación de presión solamente o una combinación de calor y presión. Si se usa calor, la temperatura del proceso está por debajo del punto de fusión de los metales que se van a soldar. No se utiliza un metal de aporte en los procesos de estado sólido. Algunos procesos representativos de soldadura de este tipo incluyen los siguientes:  Soldadura por difusión, SD (en inglés DFW). En la soldadura por difusión, se colocan juntas dos superficies bajo presión a una temperatura elevada y se produce la coalescencia de las partes por medio de fusión de estado sólido.  Soldadura por fricción, SF (en inglés FRW). En este proceso, la coalescencia se obtiene mediante el calor de la fricción entre dos superficies.  Soldadura ultrasónica, SU (en inglés USW). La soldadura ultrasónica se realiza aplicando una presión moderada entre las dos partes y un movimiento oscilatorio a frecuencias ultrasónicas en una dirección paralela a las superficies de contacto. La combinación de las fuerzas normales y vibratorias produce intensas tensiones que remueven las películas superficiales y obtienen la unión atómica de las superficies.

Las aplicaciones principales de soldadura están en 1) la construcción (por ejemplo. Edificios y puentes); 2) la producción de tuberías, recipientes a presión, calderas y tanques de almacenamiento; 3) la construcción naval; 4) la industria de la aeronáutica y el espacio; 5) los automóviles y los ferrocarriles. La soldadura se realiza en diferentes instalaciones y en diversas industrias. Debido a su versatilidad como técnica de ensamble para productos comerciales, muchas operaciones de soldadura se ejecutan en fábricas. Pero varios de los procesos de soldadura tradicionales, tales como la soldadura con arco eléctrico y la soldadura con oxígeno y gas combustible, emplean equipo que se mueve con facilidad, por lo que estas operaciones no se limitan a una fábrica; se realizan en lugares de construcción, en patios, en las instalaciones de un cliente y en los talleres de reparación de automóviles. La mayoría de las operaciones de soldadura requiere un trabajo intenso. Por ejemplo, normalmente la soldadura con arco eléctrico la realiza un trabajador calificado llamado, soldador, quien controla, manualmente la trayectoria o colocación de la soldadura para unir partes individuales en una unidad más grande. En las operaciones de Fábrica donde se realiza la soldadura con arco eléctrico en forma manual, con frecuencia el soldador trabaja con, un segundo trabajador, llamado ajustador. El trabajo del ajustador es ordenar los componentes individuales para el soldador antes de practicar la soldadura. Se usan sujetadores y posicionadores de soldadura para ayudar en esta función. Una instalación para soldadura es un dispositivo para asegurar y sostener los componentes en una posición fija para la soldadura. Como dicha instalación se fabrica sobre pedido para la geometría particular de la soldadura, debe tener una justificación económica con base en la cantidad de ensambles que se van a producir. Un posicionador de soldadura, es un dispositivo que sostiene las partes y también mueve el ensamble a la posición deseada para soldar. La diferencia entre este dispositivo y una instalación de soldadura es que sostiene las partes en una sola posición fija. Por lo general, la posición deseada es aquella en la que la trayectoria de soldadura es plana y horizontal.

La cuestión de la seguridad La soldadura es inherentemente peligrosa para las personas. Quienes ejecutan estas operaciones deben tomar medidas de seguridad. Las altas temperaturas de los metales fusionados en la soldadura son un peligro obvio. En la soldadura con gas, los combustibles (por ejemplo, el acetileno) corren el riesgo de incendiarse. Gran parte de los procesos usan mucha energía para producir la fusión de las superficies de las partes que se van, a unir En muchos procesos de soldadura, la corriente eléctrica es una fuente de energía térmica, por lo que lo que existe el riesgo de una descarga eléctrica para el trabajador. Ciertos procesos de soldadura tienen sus propios peligros particulares. Por ejemplo, en la soldadura con arco eléctrico, se emite radiación ultravioleta, la cual es peligrosa para los ojos. El soldador debe usar una careta especial que incluye una ventana oscura con un filtro. Esta ventana filtra la radiación peligrosa, pero es tan oscura que deja al soldador virtualmente ciego, excepto cuando se descarga el arco eléctrico. Las chispas, las salpicaduras de metal fundido, el humo y los vapores aumentan los riesgos asociados con las operaciones de soldadura. Deben usarse instalaciones ventiladas para extraer los vapores peligrosos que generan algunos de los flujos y metales fundidos que se usan en la soldadura. Si la operación se realiza en un área cerrada, se requieren trajes o capuchas con ventilación especial.

FIGURA 4.2. Cinco tipos básicos de uniones l: a) empalmada, b) de esquina, C) superpuesta, d) en T y e) de bordes

a) Unión empalmada. En este tipo de unión, las partes se encuentran en el mismo plano y se unen en sus bordes. b) Unión de esquina. Las partes en una unión de esquina forman un ángulo recto y se unen en la esquina del ángulo. c) Unión superpuesta. Esta unión consiste en dos partes que se sobreponen. d) Unión en T. En la unión en T, una parte es perpendicular a la otra en una forma parecida a la letra T. e) Unión de bordes. Las partes en una unión de bordes están paralelas con al menos uno de sus bordes en común y la unión se hace en el borde común.

4.2.1.2. TIPOS DE SOLDADURAS

Todas las uniones anteriores se hacen mediante soldadura. También es posible usar otros procesos para algunos de los tipos de uniones, pero la soldadura es el método de mayor aplicación. Es conveniente distinguir entre el tipo de unión y el modo en que se suelda el tipo de soldadura. Las diferencias entre los tipos de soldadura están en la geometría (el tipo de unión) y el proceso de soldadura.

FIGURA 43 Diversas formas de soldadura de filete: a) unión de esquina con filete interno único, b) unión de esquina con filete externo único, c) unión sobrepuesta con filete doble, y d) unión en T con filete doble. Las líneas con guiones muestran los bordes originales de las placas.

Se usa una soldadura de filete para rellenar los bordes de las placas creadas mediante uniones de esquina, sobrepuestas y en ‘T’, igual que en la figura 4.3. Se usa un metal de relleno para proporcionar una sección transversal de aproximadamente la forma de un triángulo. Es el tipo de soldadura más común en la soldadura con arco eléctrico y en la de oxígeno y gas combustible. Porque requiere una mínima preparación de los bordes; se usan los bordes cuadrados básicos de las partes. Las soldaduras de filete pueden ser sencillas o dobles (esto es, soldarse en uno o ambos lados) y continuas o intermitentes (esto es, soldadas a lo largo de toda la longitud de la unión, o con espacio sin soldar a lo largo de una orilla). Las soldaduras con surco o ranura generalmente requieren que se moldeen las orillas de las partes en un surco para facilitar la penetración de la soldadura. Las formas con surco incluyen un cuadrado, un bisel, la “V”, la U y la J, en lados sencillos o dobles, como se muestra en la figura 4.4.

FIGURA 4.4 Algunas soldaduras con surco típicas: a) soldadura con surco cuadrado un lado; b) soldadura con surco en bisel único; c) soldadura con surco en V único; d) soldadura con surco en U único; e) soldadura con surco en J único; f) soldadura con surco en W para secciones mas gruesas. Las líneas con guiones muestran los bordes originales de las partes.

Se usa material de relleno para saturar la unión, por lo general mediante soldadura con arco eléctrico o con oxígeno y gas combustible. Con frecuencia se preparan los bordes de las partes más allá de un cuadrado básico, aunque se requiera de un procesamiento adicional, para aumentar la firmeza de la unión soldada o donde se van a soldar partes más gruesas. Aunque se asocia más estrechamente con una unión empalmada, la soldadura con surco se usa en todos los tipos de uniones, excepto en la sobrepuesta. Las soldaduras con insertos y las soldaduras ranuradas, se usan para unir placas planas, como se muestra en la figura 4.5, usando una o más huecos o ranuras en la parte superior, que después de rellenar con metal para fundir las dos partes.

donde al menos una de las partes está en un flanco, como se aprecia en la parte (a). Una soldadura en superficie no se usa para unir partes, sino para depositar metal de relleno sobre la superficie de una parte base en una o más gotas de soldadura, las gotas de soldadura se incorporan en una serie de pasadas paralelas sobrepuestas, con lo que se cubren grandes áreas de la parte base. El propósito es aumentar el grosor de la placa o proporcionar un recubrimiento protector sobre la superficie.

4.2.2. LA FÍSICA DE LA SOLDADURA

Aunque hay varios mecanismos para fundir la soldadura, la fusión es por mucho el medio más común. Para conseguir la fusión, se aplica una fuente de energía calorífica de alta densidad a las superficies que se van a empalmar y las temperaturas resultantes son suficientes para producir la fusión localizada de los metales base. Si se agrega un metal de aporte, la densidad calorífica debe ser suficientemente alta para fundirlo también. La densidad calorífica se define como la energía transferida al trabajo por unidad de área de superficie, esto es, W/mm^2. El tiempo para fundir el metal es inversamente proporcional a la densidad de la potencia. A bajas densidades de potencia, se requiere una gran cantidad de tiempo para producir la fusión. Sí la densidad de energía es demasiado baja, el calor se conduce al trabajo tan rápidamente como se transmite a la superficie y nunca ocurre la fusión. Se ha encontrado que la mínima densidad de energía requerida para fundir la mayoría de los metales en la soldadura es de aproximadamente 10 W/mm^2. Conforme aumenta la densidad calorífica, se reduce el tiempo de fusión. Si la densidad de energía es demasiado alta, un poco arriba de 10^5 W/mm^2 , las temperaturas localizadas vaporizan el metal en la región afectada. Por tanto, hay un rango de valores prácticos para la densidad de energía, dentro del cual puede ejecutarse la soldadura. Las diferencias entre los procesos de soldadura en este rango son: 1) la velocidad a la que se ejecuta la soldadura ó 2) el tamaño de la región que puede soldarse. La tabla 4.1 proporciona una comparación de la densidad de energía para los grupos principales de procesos de soldadura por fusión (además de dos operaciones con densidad dc energía muy alta).

TABLA 4.1 Comparación de varios procesos de soldadura por fusión con

base en sus densidades de potencia.

Proceso de soldadura

Densidad de energía W/mm^2 Soldadura con oxigeno y gas combustible Soldadura con arco eléctrico Soldadura por resistencia Soldadura con rayo láser Soldadura con haz de electrones

La soldadura con oxigeno y gas combustible es capaz de desarrollar grandes cantidades de calor, pero la densidad de calor es relativamente baja debido a que se extiende sobre un área grande. El gas

oxiacetileno, el más caliente de los combustibles para soldadura con oxigeno y gas combustible, arde a una temperatura máxima de alrededor de 3500 0 C. En comparación, la soldadura con arco eléctrico produce alta energía sobre un área más pequeña, lo que genera temperaturas locales de 5500 a 6600 0 C. Por razones metalúrgicas, es conveniente fundir metales con el mínimo de energía y en general se prefieren las densidades caloríficas altas. La densidad de energía se calcula como la potencia que entra a la superficie dividida por el área superficial correspondiente:

A

PD ^ P 4.

Donde:

PD Densidad de energía, en W/mm^2 ;

P  Potencia que entra a la superficie, en W:

A  Área superficial por la que entra energía, en mm^2.

La cuestión es más complicada de lo que indica la ecuación (4.1). Una dificultad es que la fuente de energía (por ejemplo, el arco eléctrico) se mueve en muchos procesos de soldadura, lo que produce un calentamiento antes de la operación y un calentamiento después de ella. Otra complicación es que la densidad de energía no es uniforme por toda la superficie afectada; se distribuye como una función del área, como se demuestra mediante el ejemplo siguiente.

EJEMPLO 4.1 Densidad de energía en la soldadura Una fuente de calor es capaz de transferir 3000 [W] a la superficie de una parte metálica. El calor afecta la superficie en un área circular, con intensidades variables dentro de ésta. La distribución es la siguiente: 70% de la energía se transfiere dentro de un circulo con un diámetro = 5 [mm]. y el 90% se transfiere dentro de un círculo concéntrico con un diámetro = 12. [mm]. ¿Cuáles son las densidades de energía en: a) el circulo interno de 5 [mm] de diámetro y b) el anillo con un diámetro de 12.[mm] que se encuentra alrededor del círculo interno?

Solución: a) El círculo interno tiene un área de:

A ^ (^5 )  mm

La energía dentro de esta área P = 0,70*3000 =2100 [W]. Por tanto, la densidad de energía PD = 2100 /19.635 = 106.952 [W/mm^2 ]. b) El área del anillo fuera del círculo interno es:

A ^ (^12 ^5 ) mm

La energía en esta región P = 0.9 *3000 - 2100= 600 [W]. Por tanto, la densidad de energía PD = 600 /93.46 = 6.42 [W/mm^2 ]

No toda la energía que ingresa se usa para fundir el metal soldado. Hay dos mecanismos de transferencia de calor en el trabajo y ambos reducen la cantidad de calor disponible para el proce so de soldadura. El primer mecanismo es la transferencia de calor entre la fuente de calor y la superficie de trabajo. Este proceso tiene cierta eficiencia, de transferencia de calor f 1 definida como la razón del calor real que recibe lo pieza de trabajo por el calor total que genera la fuente. El segundo mecanismo implica la conducción del calor lejos del área de soldadura para disiparse a través del metal de trabajo, por lo que sólo una porción del calor transferido a la superficie está disponible para fusión. Esta eficiencia de fusión f 2 es la proporción del calor que recibe la superficie de trabajo que puede usarse para fusión. El efecto combinado de estas dos eficiencias reduce la energía calorífica disponible para soldadura del modo siguiente:

HW  f 1 f 2 H 4.

Donde: HW = calor neto disponible para soldadura, en J; f 1 = eficiencia de transferencia de calor: f 2 = eficiencia de fusión; H = calor total generado por el proceso de soldadura, en J.

Es conveniente separar los Conceptos para f 1 y f 2 , aun cuando actúen juntos durante el proceso de soldadura. La eficiencia de transferencia de calor f1 se determina en gran parte por el proceso de soldadura y la capacidad de convertir la fuente de energía (por ejemplo, energía eléctrica) en un calor utilizable en la superficie de trabajo. A este respecto, los procesos de soldadura con oxígeno y gas combustible son relativamente poco eficientes, en tanto que los procesos de soldadura con arco eléctrico son bastante eficientes. La eficiencia de fusión f 2 depende del proceso de soldadura, pero también influyen en ella las propiedades térmicas del metal, la configuración de la unión y el grosor de la pieza. Los metales con alta conductividad térmica, como el aluminio y el cobre. Representan un problema para la soldadura, debido a la rápida disipación del calor en el momento de hacer contacto, con el área de trabajo. El problema aumenta con las fuentes caloríficas para soldadura que poseen bajas densidades de energía (por ejemplo, la soldadura con oxígeno y gas combustible), debido a que al ingresar el calor se extiende sobre un área más grande, lo que facilita la conducción dentro de la pieza. En general, una fuente de calor para soldadura de alta intensidad combinada con un material de trabajo de baja conductividad produce una alta eficiencia de fusión. Ahora podemos escribir una ecuación de equilibrio entre el ingreso de energía y la energía necesaria para soldar:

H W  Um V 4.

Donde:

Hw = energía calorífica neta trasmitida para la operación, en J; Um = energía unitaria requerida para fundir el metal, en J/mm^3 ; y V = volumen de metal fundido, en mm^3.

La mayoría de las operaciones de soldadura son procesos de velocidad; esto es, la energía calorífica neta Hw se proporciona a cierta velocidad y la gota de soldadura se forma a cierta veloci dad de viaje. Por ejemplo, esto es característico de la mayoría de las operaciones de soldadura con arco eléctrico y muchas de las actividades de soldadura con oxigeno y gas combustible. Por tanto, es conveniente expresar la ecuación (4.4) en forma de una ecuación de equilibrio de velocidad:

HRW  Um WVR 4.

Donde: HRw = velocidad de energía calorífica proporcionada para la operación, en W; WVR = razón de volumen de metal soldado, en mm^3 /seg.

En la soldadura de una gota continua, la rapidez volumétrica del metal soldado es el producto de área de soldadura Aw y la velocidad de viaje v. Sustituyendo estos términos en la ecuación (4.5), la ecuación de equilibrio de la rapidez puede expresarse como:

HR W  f 1 f 2 HR  UmAW v 4.

Donde: f 1 y f 2 son las eficiencias de transferencia de calor y de fusión; HR = velocidad de ingreso de energía generada por la fuente de energía para soldadura, en W; Aw = área de la sección transversal de la soldadura, en mm^2 ; v = velocidad de viaje de la operación de soldadura, en mm/seg.

EJEMPLO 4.2 Velocidad de viaje en soldadura La fuente de energía en una instalación para soldadura particular es capaz de generar 2000 [w], que pueden transferirse a la superficie de trabajo con una eficiencia f 1 = 0.7. El metal que se va a soldar es de acero al bajo carbono, cuya temperatura de fusión, tomada de la tabla 4.2, es Tm = 1760 ºK. La eficiencia de fusión en la operación es f 2 = 0.5. Se realizará una soldadura de filete continua con un área de sección transversal Aw = 20 mm^2. Determine la velocidad de viaje a la cual puede realizarse la operación de soldadura. Solución : Primero encontremos la unidad de energía requerida para fundir el metal Um a partir de la ecuación (4.2).

Um= 3.33* 10 -6^ * 1760^2 =10.315 J/mm^3 Si reordenamos la ecuación (4.6) para solucionar la velocidad dc viaje, tenemos:

Figura 4.8 Sección transversal de una junta soldada por fusión común.

La segunda zona en la unión soldada es la interfase de soldadura, un estrecho límite que separa la zona de fusión de la zona afectada por el calor. La interfase consta de una banda completa y delgada de metal base fundido o parcialmente fundido durante el proceso de fusión (el fundido se localiza dentro de los granos), el cual se ha solidificado inmediatamente después , antes de mezclarse con el metal en la zona de fusión. Por tanto, su composición química es idéntica a la del metal base. La tercera zona en la soldadura por fusión común es la zona afectada por el calor (en inglés HAZ). En esta zona, el metal ha experimentado temperaturas menores a su punto de fusión aunque lo suficientemente altas para producir cambios micro estructurales en el metal sólido. La composición química en la zona afectada por el calor es igual a la del metal base, pero esta zona ha sido tratada con calor debido a las temperaturas de soldadura, por lo que se han alterado sus propiedades y estructura. La cantidad de daño metalúrgico en la HAZ depende de factores tales como la cantidad de calor que ha ingresado y la máxima temperatura alcanzada, la distancia de la zona de fusión, el intervalo de tiempo al que ha estado sujeto el metal a altas temperaturas, la velocidad de en friamiento y las propiedades térmicas del metal. El efecto sobre las propiedades mecánicas en la zona afectad a por el calor por lo general es negativo y en esta región con frecuencia ocurren fallas en la junta soldada. Conforme aumenta la distancia de la zona de fusión, se alcanza por fin la zona de metal base no afectada, en la cual no ha ocurrido un cambio metalúrgico. No obstante, es probable que el metal base que rodea la HAZ presente un estado de alta tensión residual, producido por la contracción en la zona de fusión.