PROCESOS METALÚRGICOS

METALURGIA DE LA SOLDADURA

La soldadura es uno de los métodos mas usados actualmente para la unión de materiales metálicos, a la vez es el más complejo desde el punto de vista metalúrgico. Prácticamente todos los tipos de fenómenos metalúrgicos ocurren durante la realización de una soldadura:

• Fusión.

• Solidificación.

• Reacciones gas-metal.

• Reacciones metal-escoria.

• Fenómenos de superficie.

• Reacciones en estado sólido.

Estas reacciones ocurren en forma muy rápida, en contraste con lo que sucede en otras áreas tales como fabricación de aceros, fundición y tratamiento térmico. La estructura de un cordón de soldadura, tal como será utilizado en servicio, es el resultado de una serie de transformaciones, que comienzan con las reacciones que ocurren cuando el metal está en estado líquido, y siguen con las transformaciones asociadas al pasaje de líquido a sólido.

Definición del proceso de soldadura:

la soldadura es el proceso de unir dos o mas objetos utilizando altos niveles de calor. Un material de relleno, llamado soldadura, es añadido para formar una sustancia liquida fundida en el área que se encuentran los objetos que se desea unir. Esta área es llamada junta, o junta soldada. Cuando se quita el calor, el metal se enfria rápidamente para formar una union soldada. La soldaura se utiliza en construcción, manufactura y otras aplicaciones industriales, para unir materiales como hierro o acero.

Tipos de juntas

Junta a tope

La junta a tope es el tipo más simple de junta soldada. Se utiliza para unir dos objetos que reposan sobre el mismo plano. La junta entre los dos objetos puede consistir en dos bordes cuadrados, en forma de "V" o de "U". El perfil depende de los materiales que serán soldados, y también puede depender de la aplicación que se le desea dar a esos materiales. Todas las juntas a tope pueden consistir en una soldadura simple o doble, siendo las soldaduras simples las que tienen una mejor relación costo-beneficio.

Soldadura de esquinas

La soldadura de esquinas se usa para unir dos objetos en un ángulo de 90 grados. Los objetos se colocan de manera tal de que sólo se toquen sobre un borde. Ésto deja un surco en forma de "V" que debe ser rellenado con material de soldadura. Utilizar esta soldadura en "V" permite una unión mucho más fuerte, y también permite al soldador unir los objetos en un solo paso. Si los objetos fueron acomodados de una manera distinta, la unión puede requerir de dos soldaduras separadas (en la parte superior e inferior) y podría no resultar tan fuerte.

Juntas de borde

Una junta de borde es similar a una junta a tope, pero se usa sobre los bordes de dos objetos de distribución vertical. Por ejemplo, esta junta se utiliza comúnmente para crear una chapa doble de acero. Las chapas se apilan una sobre la otra, y al menos un borde se suelda mediante este método. Para añadir fuerza a la unión, deben soldarse dos o más bordes.

Juntas solapadas

Las juntas solapadas se usan para superponer dos objetos que no reposan directamente uno sobre el otro. Como sólo una pequeña porción de los objetos se superpone, una junta de bordes no es suficiente. En su lugar, se sueldan las juntas donde el borde de uno de los objetos toca al otro. Por ejemplo, imagínate una escalera, con los peldaños representando una serie de objetos metálicos. Una junta solapada se colocaría en la intersección de cada objeto vertical con el escalón horizontal.

Soldadura en "T"

Las soldaduras en "T" se utilizan para unir dos objetos en el ángulo adecuado para formar una forma de "T". Un ejemplo simple sería una viga de metal suspendida de un cielorraso. La soldadura puede realizarse en uno de los dos lados de la viga, donde ésta se une con la cubierta del techo. Si el objeto metálico estuviera colocado por encima del techo en un formación de tipo cruz, el resultado de la soldadura sería lo que se conoce como una junta en forma de cruz.

Zona afectada por el calor

También llamada HAZ es el volumen de material en o cerca de la soldadura, cuyas propiedades han sido alteradas debido al calor de la soldadura. Debido a que el proceso de soldado por resistencia se basa en calentar dos piezas, es inevitable que haya una HAZ . El material que se encuentra dentro de la HAZ sufre un cambio que puede o no resultar beneficioso para la unión soldada. En general, el objetivo de un buen soldado por resistencia es minimizar la HAZ.

Línea de Fusión

Es la interfaz entre la región fundida y la región en estado sólido, normalmente es la zona más propicia a inicio de fisuras, ya que existen áreas con fusión parcial.

PRECALENTAMIENTO

Pre-calentamiento Esta operación consiste en el calentamiento de la junta previo a la soldadura. Su principal efecto es reducir la velocidad de enfriamiento de la unión soldada Tiene como Ventajas:

• Evitar el templado.

• Aumentar la difusión de hidrógeno en la junta.

Desventaja:

Aumenta la extensión de la ZAC. Veamos algunos ejemplos de tipos de juntas y como el calor se transmite a través de las mismas.

En la figura (A) vemos una junta sin bisel en la cual el calor se distribuye igual a ambos lados de la misma. En la figura (B) estamos soldado una raíz sin talón (filo de cuchillo) contra el fondo de la misma, por tanto utilizaremos menos energía y produciremos menos calor que en el caso (A). Al tener talón, caso (C), necesito más energía para fundir el mismo produciendo una transferencia de calor mayor. En los casos (D) y (E) observamos juntas con espesores distintos a cada lado de la misma. Esto hará que una mayor cantidad de calor fluya por la chapa más gruesa (en la práctica a la hora de realizar estas soldaduras se deberá tener en cuanta: precalentar de forma de compensar espesores con distinto calor aplicado a cada lado de la junta y considerar los espesores al momento de retener el punto caliente sobre cada una de las caras a fundir). (Ver Anexo 1 como método estimativo de precalentamiento.)

POSTCALENTAMIENTO

Esta operación consiste en mantener la junta soldada a una temperatura mayor que la ambiente, durante un cierto tiempo, para aumentar la difusión de hidrógeno. Buscamos enlentecer el enfriamiento de la unión. Vemos uno de los problemas más importantes en lo que hace a soldadura, fruto de la presencia de hidrógeno. Fisuración por hidrógeno La fisuración en frío, más correctamente denominada fisuración asistida por hidrógeno, se manifiesta por la aparición de fisuras inmediatamente, o transcurridos minutos y en algunos casos hasta horas después de completada la soldadura. Estas fisuras pueden presentarse en el cordón de soldadura o en la zona afectada por el calor del material base. Requiere para su aparición de la concurrencia de los siguientes factores: 1) Hidrógeno difusible en el metal de soldadura o en la zona afectada térmicamente del material base. 2) Una microestructura susceptible, típicamente martensita de dureza superior a los 350 Hv. (Las microestructuras de baja tenacidad como martensita y bainita, son especialmente frágiles cuando están saturadas de hidrógeno).

Soldabilidad

Es la mayor o menor facilidad con que un metal permite que se obtengan soldaduras sanas y homogéneas, que respondan a las necesidad para las que fueron concebidas incluyendo códigos de fabricación.
Desde el punto de vista metalúrgico durante la soldadura en estado líquido en una región muy pequeña el material a ser soldado alcanza el estado líquido y luego solidifica. El aporte térmico suministrado se utiliza para fundir el metal de aporte (si existe), fundir parcialmente el metal base y el resto se transfiere a través del metal de soldadura modificando la micro estructura (y propiedades mecánicas) inicialmente presentes.

Proceso de soldadura

Para evitar lesiones y/o fallas en la maquinaria e implementos de apoyo, causados durante la realización de la práctica, es necesario que los estudiantes al momento de realizarla tengan en cuenta:

EQUIPO DE PROTECCIÓN PERSONAL

• Pantalla de protección.

• Caretas y protección ocular.

• Guantes de cuero de manga larga.

• Mandil de cuero.

• Gafas de seguridad.

RECOMENDACIONES DE CONEXIÓN

• Si los terminales o enchufes están en mal estado, comunicarlo inmediatamente a su superior.

• Conectar el primario de la máquina a una red con enchufe fijo, en buen estado: fases, neutro y tierra (especial cuidado puesto que los errores en esta toma de tierra pueden ser graves).

• Revisar los aislamientos de los cables eléctricos al comenzar cada tarea desechando todos aquellos que no están en perfecto estado.

• Se evitara que los cables descansen sobre objetos calientes, charcos, bordes afilados o cualquier otro lugar que pudiera dañarlos.

• Se evitara que pasen vehículos por encima o que sean golpeados o que las chispas de soldadura caigan sobre los cables.

• Cuando los cables de soldar opongan resistencia al manejarlos, no se tirara de ellos.

• El cable de masa se conectara sobre la pieza a soldar, lo mas cerca que sea posible al sitio de la soldadura. • Antes de realizar cualquier modificación en la máquina de soldar se cortará la corriente, incluso durante su traslado en distancias cortas. • No dejar conectada la máquina de soldar en los momentos de suspender, aún momentáneamente las tareas.

RECOMENDACIONES EN EL USO DE IMPLEMENTOS DE PROTECCIÓN PERSONAL

• Se comprobará que las caretas no estén deterioradas puesto que si así fuera no cumplirían su función.

• Que el cristal de las caretas sea el adecuado para la tarea que se va a realizar, teniendo en cuenta la intensidad del color.

• Para picar la escoria o cepillar la soldadura se protegerán los ojos, con gafas de seguridad.

• Los ayudantes y aquellos que se encuentren a corta distancia de las soldaduras, también deberán usar gafas con cristales oscuros especiales ó las pantallas de protección.

• Cuando sea posible se utilizaran mamparas alrededor del puesto de soldadura

• Para colocar los electrodos se utilizaran siempre guantes, y se desconectará la máquina.

• La pinza deberá ser lo suficientemente aislada y cuando este bajo tensión deberá tomarse con guantes.

• Las pinzas no se depositan nunca sobre el trabajo ó materiales conductores, deberán dejarse sobre materiales aislantes.

ESPACIOS CERRADOS

• Esta prohibido que un operario trabaje solo en un recinto cerrado; se debe dejar afuera la máquina al cuidado de un ayudante, así mismo se dispondrá de extintores y arnés de seguridad.

• Esta prohibido trabajar en recintos que hayan contenido fluidos inflamables, si estos no se airean con antelación. Se medirán los ambientes explosivos con un explosímetro.

• Cuando se trabaje en un tanque, este deberá tener buena ventilación y se deberá usar un tapete de caucho, en el sitio del operario.

• En caso que se utilicen electrodos de tipo básico, es necesario la instalación de aspiradores de humos, y si no fuera posible se utilizarán equipos de protección respiratoria.

SOLDADURA SWAW

El proceso de soldadura por arco es uno de los más usados y abarca diversas técnicas. Una de esas técnicas es la soldadura por arco con electrodo metálico revestido (SMAW, por sus siglas en inglés), también conocida como soldadura por arco con electrodo recubierto, soldadura de varilla o soldadura manual de arco metálico.

Se trata de una técnica en la cual el calor de soldadura es generado por un arco eléctricoentre la pieza de trabajo (metal base) y un electrodo metálico consumible (metal de aporte) recubierto con materiales químicos en una composición adecuada (fundente). Podemos visualizar el proceso en la siguiente figura:

Soldadura Smaw

Todos los elementos que participan en la soldadura SMAW cumplen una función importante. Veamos por qué:

El arco: el comienzo de todo proceso de soldadura por arco es precisamente la formación del arco. Una vez que este se establece, el metal de aporte y el fundente que lo recubre empiezan a consumirse. La fuerza del arco proporciona la acción de excavar el metal base para lograr la penetración deseada. Este proceso continúa a medida que la soldadura se ensancha y el electrodo avanza a lo largo de la pieza de trabajo.

El metal de aporte: al derretirse, forma gotas que se depositan sobre la pieza de trabajo dando lugar al charco de soldadura, que llena el espacio de soldadura y une las piezas en lo que se denomina una junta de soldadura.

El fundente: se derrite junto con el metal de aporte formando un gas y una capa de escoria, que protegen el arco y el charco de soldadura. El fundente limpia la superficie metálica, suministra algunos elementos de aleación a la soldadura, protege el metal fundido contra la oxidación y estabiliza el arco. La escoria se retira después de la solidificación.

Equipo de soldadura SMAW

Conocido por su simplicidad y facilidad de uso, el equipo para efectuar soldaduras SMAW es el que se muestra en la figura de abajo.

Equipo Completo

Este equipo consta de:

Fuente de alimentación: dependiendo del tipo de electrodo y del tipo y la posición de la pieza de trabajo, la fuente puede ser de corriente continua o corriente alterna. Si es de corriente continua, y nuevamente en función del tipo de electrodo y la naturaleza de la soldadura que se desea obtener, la conexión del electrodo a la fuente se puede efectuar de dos maneras:

Conexión al terminal negativo: en este caso se habla de un electrodo negativo opolaridad directa (DCEN, por sus siglas en inglés). Se utiliza cuando se desean lograr altas tasas de deposición y una baja penetración.
Conexión al terminal positivo: en este caso de habla de un electrodo positivo opolaridad inversa (DCEP, por sus siglas en inglés). Se utiliza cuando se desea lograr una penetración profunda.

Portaelectrodo: se conecta al cable de soldadura y conduce la corriente de soldadura hasta el electrodo. El mango aislado se utiliza para guiar el electrodo sobre la junta de soldadura y alimentar electrodo en el charco a medida que se consume. Los portaelectrodos están disponibles en diversos tamaños y se clasifican según su capacidad para transportar la corriente.

Cable del electrodo y cable de masa: ambos son una parte importante del circuito de soldadura. Deben ser sumamente flexibles y tener un aislamiento resistente al calor. Las conexiones al portaelectrodo, la pinza de masa y los terminales de la fuente de alimentación deben estar soldadas o perfectamente efectuadas para garantizar una baja resistencia eléctrica. El área de la sección transversal de estos cables debe ser de tamaño suficiente para transportar la corriente de soldadura con un mínimo de caída de voltaje. Cuanto mayor sea la longitud del cable, mayor debe ser su diámetro, a fin de reducir la resistencia y la caída de voltaje.

Pinza de masa: se utiliza para conectar el cable de masa a la pieza de trabajo. Se puede conectar directamente a la pieza, a la mesa o al portapieza. Como parte del circuito de soldadura, la pinza de masa debe ser capaz de transportar la corriente de soldadura sin riesgo de sobrecalentamiento debido a la resistencia eléctrica.

Pasos para efectuar una soldadura SMAW

Una vez que hemos elegido el electrodo revestido a utilizar, que dependerá del tipo y espesor de la pieza de trabajo, así como de la posición de soldadura y las características de la soldadura que deseamos obtener, tenemos que limpiar perfectamente la pieza de trabajo mediante un cepillo de acero, eliminando las partículas de suciedad, grasa, pintura u óxido. Con la pieza limpia y las conexiones correctamente efectuadas, seguimos una serie de pasos, como los que se detallan a continuación.

Paso 1. Cebado del arco: el primer paso para realizar una soldadura SMAW, es la operación de establecer o encender el arco, conocida como “cebado”. El principio del cebado se basa en el choque de la punta del electrodo con el metal base o pieza de trabajo. Este choque se puede realizar de dos maneras, tal como muestra la figura:

Por golpe: es decir, golpeando el metal y levantando el electrodo.
Por raspado: deslizando el electrodo por el metal con una leve inclinación, como si se encendiera un fósforo.

Cebado del Arco

En ambos casos, el arco debe formarse y permanecer estable. Cuando se logra la estabilidad, ya está cebado y puede comenzarse con la soldadura.

Paso 2. Para trazar el cordón de soldadura, dirigimos el electrodo al punto de inicio de la soldadura, tratando de que la distancia entre el electrodo y la pieza sea constante y de aproximadamente el diámetro del electrodo. La elección entre cordones rectos u oscilantes dependerá de las exigencias del procedimiento y del tipo de cordón:

Si la separación en la raíz no es muy grande, las primeras pasadas se efectúan generalmente con cordones rectos.
Si la unión tiene excesiva separación de la raíz, las primeras pasadas deben depositarse dando, además del movimiento oscilante, un pequeño vaivén de avance y retroceso del electrodo, a fin de dar tiempo para que el charco de soldadura se solidifique, lo que evita la caída del material fundido.

Paso 3. La longitud del arco debe ser siempre lo más constante posible (entre 2 y 4 mm de longitud, dependiendo del espesor del electrodo) acercando uniformemente el electrodo, a medida que se va consumiendo, hacia la pieza y a lo largo de la junta en la dirección de soldadura.

Paso 4. Si queremos reforzar la soldadura, debemos depositar varios cordones paralelos, separados entre sí por 8-10 mm, luego retirar la escoria y depositar una nueva pasada entre los cordones.

Paso 5. El avance del electrodo siempre debe ser uniforme, ya que de esto depende el buen aspecto y la calidad de la soldadura, así como la distribución uniforme del calor. Para obtener una buena soldadura es necesario que el arco esté sucesivamente en contacto a lo largo de la línea de soldadura, ya que si se desplaza de modo irregular o demasiado rápido se obtendrán partes porosas con penetración escasa o nula. La penetración depende también de la intensidad de la corriente empleada: si esta es baja, la pieza no se calienta lo suficiente; si es demasiado elevada, se forma un cráterexcesivamente grande con riesgo de quemar o perforar la pieza.

Paso 6. Cuando terminamos de soldar o tenemos que reemplazar el electrodo consumido, nunca debemos interrumpir el arco de manera brusca, ya que se podrían producir defectos en la soldadura. Existen varias maneras de interrumpir correctamente el arco:

Acortar el arco de forma rápida y luego desplazar el electrodo lateralmente fuera del cráter. Esta técnica se emplea cuando se va a reemplazar el electrodo ya consumido para continuar la soldadura desde el cráter.
Detener el movimiento de avance del electrodo, permitir el llenado del cráter y luego retirar el electrodo.
Dar al electrodo una inclinación contraria a la que llevaba y retroceder unos 10-12 mm, sobre el mismo cordón, antes de interrumpir el arco; de esta forma se rellena el cráter.

Paso 7. Cuando reemplazamos el electrodo debemos observar siempre los siguientes pasos:

Interrupción del arco
Descascarillado o remoción de la escoria con un martillo apropiado
Limpieza con cepillo de acero para permitir la correcta deposición del próximo cordón de soldadura
Reemplazo del electrodo
Nueva operación de cebado del arco… y así sucesivamente

Paso 8. De hecho, durante la soldadura debemos tomar medidas de protección personal, tales como:

Usar indumentaria y calzado adecuados: guantes, botas, delantales y polainas.
Cuidar los ojos y la cara de la radiación del arco mediante el uso de gafas y caretas para soldar.
Prevenir descargas eléctricas: asegurarse de trabajar sobre superficies secas y de que tanto el equipo como la aislación funcionen correctamente y las conexiones estén perfectamente realizadas.