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I n s t i t u t o P o l i t é c n i c o N a c i o n a l Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Unidad Profesional Azcapotzalco Tesis: P r o c e s o d e s o l d a d u r a p o r e l m é t o d o d e r e s i s t e n c i a p a r a l a m a n u f a c t u r a d e c h a s i s e n l a i n d u s t r i a a u t o m o t r i z . Para obtener el titulo de: Ingeniero en Robótica Industrial PRESENTA: Luis Alberto Esquivel Hernández Asesores: Ing. José Luis González. Asesores: Ing. Dagoberto García Alvarado Luis Eaquivel Typewritten Text MÈXICO. D.F. 2009 DEDICATORIAS A mis PADRES: A quienes me dieron dos grandes regalos: la vida y la libertad de vivirla. A quienes me hicieron aprender que el amor, el trabajo y el conocimiento debe ser parte de mi existencia. Y decisión a quienes me mostraron que la consumación plena de mi existencia se logra con la fe puesta en lo que soy y puedo y hago Y quienes me han enseñado con sus hechos y convicciones que existir es cambiar. Cambiar es madurar y madurar res crecer a si mismo. A mis hermanos: Que aunque no les demuestro mi agradecimiento, siempre han confiado en mí, con sus pequeños y grandes detalles. Y que con una sola palabra me dan ánimo para seguir adelante. Al Instituto Politécnico Nacional: Pues gracias a sus planes y programas de estudios, México puede ser un país con gran calidad humana y tecnológica, pues de el emanan los mejores investigadores y catedráticos, siendo una institución con sus principios ideológicos adecuado a la sociedad actual. AGRADECIMIENTO AL ESIME Azcapotzalco donde realice mis estudios de Ingeniería donde me brindaron sus conocimientos todos sus profesores y donde en esos laboratorios done aprendí los principios fundamentales en los que se basa mi carrera. Y finalmente a los: Ing. José Luis Gonzáles y Ing. Dagoberto García Alvarado Quienes me apoyaron para realizar esta tesis y me apoyaron con sus comentarios y enseñanzas. C O N T E N I D O ÍNDICE..................................................................................................... I JUSTIF ICACIÓ N . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . VI Capítulo I . Generalidades de la soldadura por puntos y factores que intervienen en la formación de un punto de soldadura. 1.1 Introducción 1.2 Reseña histórica …………………………………………….... 1.3 Soldadura a gas……………………………………… 1.4 Tipos de soldaduras y de juntas……………………. 1.5 Simbología utilizada en la soldadura………………. 1.6 Material de aporte…………………………………... 1.7 Fundamentos de la soldadura por resistencia…….. 1.8 Soldadura a puntos de resistencia…………………. 1.9 Como se produce un punto de soldadura………….. 1.10 Tiempo de compresión…………………………….. 1.11 Tiempo de soldadura………………………………. 1.12 Tiempo mantenido de la presión………………….. 1.13 Tiempo de enfriamiento…………………………… Capítulo II . Como se hace un punto de soldadura y recomendaciones para obtenerla en forma adecuada. 2 4 9 10 12 16 21 23 23 28 30 31 32 34 35 39 42 42 43 43 45 46 ………………………………………….. 2.1 Las piezas a soldar………………………………….. 2.2 Aspectos y características…………………………... 2.3 Preparación de equipo para antes de soldar………. 2.4 Esfuerzo……………………………………………… 2.5 Agua………………………………………………….. 2.6 Corriente…………………………………………….. 2.7 Situación de los puntos……………………………… 2.8 Piezas………………………………………………… 2.9 Electrodos……………………………………………. I Capítulo III . Soldadura por protuberancia y soldadura Tope. 3.1 Soldadura por partes salientes……………………... 3.2 Fundamentos se soldadura de partes salientes……. 3.3 Formas de protuberancias………………………...... 3.4 Materiales que suelda……………………………...... 3.5 Preparación de un proceso de soldeo………………. 3.6 Detalles prácticos para este tipo de soldadura…...... 3.7 Soldadura Tope……………………………………... 3.8 Procedimiento para soldar a tope………………….. 3.9 A tope simple………………………………………… 3.10 Por centello directo………………………………... 3.11 Por centello con precalentamiento……………….. 3.12 Fijación de parámetros…………………………… 3.13 Como obtener buena soldadura………………….. Capítulo IV . Características de construcción especifica de las maquinas de soldar y células robóticas. 4.1 Definición…………………………………………..... 4.2 Generalidades……………………………………….. 4.3 Control básico……………………………………...... 4.4 Ciclo único simple…………………………………… 4.5 Funciones y secuencias……………………………… 4.6 Secuencia muestra…………………………………... 4.7 Otras funciones operativas………………………..... 4.8 Corriente de soldeo………………………………...... 4.9 Tiristores SCR……………………………………..... 4.10 Bastidor…………………………………………….. 4.11 Soldadura por puntos……………………………... 4.12 De las prensas……………………………………… 4.13 De soldar a tope……………………………………. 4.14 De las pinzas y pistolas……………………………. 4.15 Transformadores………………………………….. 4.16 Terminales secundarios……………………………. 4.17 Racores para entrada y salida del agua………….. 4.18 Entradas primarias………………………………... 4.19 Salidas auxiliares…………………………………... 4.20 Potencia de los trasformadores................................ 4.21 Formas de los transformadores…………………… 86 48 48 51 54 55 58 59 59 60 60 62 62 64 67 67 68 69 69 70 73 74 75 76 78 78 79 79 80 84 85 85 85 86 II 4.22 Circuitos de alta intensidad……………………...... 4.23 Empalmes y uniones en general............................... 4.24 Sistemas de enfriamiento y refrigeración………… 4.25 La refrigeración de los SCR………………………. 4.26 Cilindro neumático……………………………........ 4.27 Regulador de presión……………………………… 4.28 Filtro y deshumificador…………………………… 4.29 Lubricador………………………………………..... 4.30 Electroválvulas de tres o de cinco vías…………… 4.31 Electroválvulas proporcionales…………………… 4.32 Transductores de presión con señal eléctrica…..... 4.33 Regulador de caudal……………………………...... 4.34 Silenciadores……………………………………….. 4.35 Instalación………………………………………….. 4.36 Circuitos neumáticos………………………………. 4.37 Circuito con doble carrera……………………....... 4.38 Material…………………………………………….. 4.39 Dimensiones……………………………………....... 4.40 Formas…………………………………………........ 4.41 Ciclos de vida de un electrodo…………………….. 4.42 Instalaciones robotizadas………………………...... 4.43 El robot……………………………………………... 4.44 Pinzas al suelo……………………………………… 4.45 Pinzas de soldadura especiales para robots……… 4.46 Particularidades en su trabajo……………………. 4.47 Detalles constructivos……………………………… Capítulo V . Conceptos para la adquisición de equipo. 5.1 Compra………………………………………………. 5.1.1 Recopilación de datos para propósito de compra........ 5.1.2 Información sobre el trabajo…………………....... 5.1.3 Datos sobre la instalación………………………… 5.2 Estudio del equipo necesario…………….................. 5.2.1 Tamaño de la maquina…………………………… 5.3 Factores de marcha (FM)………………………....... 5.3.1 Red de alimentación eléctrica……………………. 5.3.2 Potencia nominal al 50% Pn…………………....... 5.3.3 Potencia de conexión Pc…………………………... 5.3.4 Fusible…………………………………………....... 5.4 Potencia del transformador de distribución………. 5.4.1 Parpadeo………………………………………........ 88 90 91 95 95 96 96 97 97 97 97 97 97 98 100 100 103 106 107 113 115 115 117 117117 118 121 121 121 121 122 122 124 124 125 126 127 129 129 III 5.5 Red y cables de alimentación………………………. 5.5.1 Sección de los conductores………………………... 5.6 Instalación neumática………………………………. 5.7 Características………………………………………. 5.8 Costos del proceso de soldadura…………………… 5.8.1 Costos directos…………………………………….. 5.8.2 Agua………………………………………………... 5.8.3 Aire………………………………………………… 5.8.4 Consumo de electrodos o útiles para soldar……... 5.8.5 Mano de obra empleada en la soldadura……....... 5.8.6 Costos indirectos…………………………………... 5.8.7 Amortización de la instalación eléctrica neumática de refrigeración y de la maquina…………. 5.8.8 Amortización del fixtur de fijación de las Piezas…………………………………………………….. 5.8.9 Contribución al gasto de los equipos de mantenimiento…………………………………………... 131 131 133 133 135 136 136 138 138 138 139 139 139 140 Conclusiones.................................................................... VII Bibliografía...................................................................... VIII Anexos............................................................................... IX IV Justificación El propósito de este trabajo es con el fin de poder ayudar de manera más práctica y objetiva a estudiantes que inicien su carrera profesional en el área de soldadura por resistencia. Encontrando en este material ayuda para conocer este tipo de soldadura y de facilitar una recopilación de tablas y de datos que conjuntamente con las recomendaciones practicas, permitan una elección apropiada de los elementos necesarios para la realización de un proceso de soldadura y puesta a punto del mismo. Ya que dentro del área automotriz donde se tiene una mayor aplicación de estos procesos, y que es necesario cumplir con un sistema de calidad, que reúnan todos los requerimientos, normas y especificaciones que requiere la ingeniería del producto. VI Soldadura por resistencia Capitulo I Generalidades de la soldadura por puntos y factores que intervienen en la formación de un punto de soldadura 1 Soldadura por resistencia 1.1 Introducción El termino soldadura lo podemos definir como la unión mecánicamente resistente de dos o mas piezas metálicas diferentes. La primera manifestación de ello, aunque tiene que ver con los sistemas modernos, se remonta a los comienzos de la fabricación de armas. Los trozos de hierro por unir eran calentados hasta alcanzar un estado plástico, para ser así fácilmente deformados por la acción de golpes sucesivos. Mediante un continuo golpeteo se hacia penetrar partes de una pieza dentro de la otra. Luego de repetitivas operaciones de calentamiento seguidos de un martilleo intenso, se lograba una unión satisfactoria. Este método, denominado “caldeo”, se continuo utilizado hasta no hace mucho tiempo, limitado su uso a piezas de acero forjable, de diseño sencillo y de tamaño reducido. Los diversos trozos o piezas metálicas que se deseen fijar permanentemente entre si, deben ser sometidas algún proceso que proporcionen uniones que resulten lo mas fuerte posibles. Es aquí cuando para tal fin, los sistemas de soldadura juegan un papel primordial. El calor necesario para unir dos piezas metálicas puede obtenerse a través de distintos medios. Podemos definir dos grandes grupos. Los sistemas de calentamiento por combustión con oxigeno de diversos gases (denominados soldadura por gas), y los calentamiento mediante energía eléctrica (por inducción, arco, punto, etc.). Como lo muestra la siguiente figura 0.1 Las uniones logradas a través de una soldadura de cualquier tipo, se ejecutan mediante el empleo de una fuente de calor (una llama, un sistema de inducción, un arco eléctrico, etc.). Para rellenar las uniones entre las piezas o partes a soldar, se utilizan varillas de relleno, denominadas material de aporte o electrodos, realizadas con diferentes aleaciones, en funciones de los metales a unir. En la soldadura las dos o mas piezas metálicas son calentadas junto con material de aporte a una temperatura correcta, entonces fluyen y se funden conjuntamente, cuando se enfrían, forman una unión permanente. La soldadura así obtenida, resulta tan fuerte que el material original de las piezas, siempre y cuando la misma este realizada correctamente. 2 Soldadura por resistencia Fig.0.1 Soldadura con hidrogeno atómico AHW Soldadura de arco metálico con electrodo desnudo BMAW Soldadura con arco de carbón CAW Con gas CAW-S Con arco protegido CAW-S Con arcos gemelos CAW-T Soldadura con arco con núcleo de Fundente FCAW Electro gras FCAW-EG Soldadura con hidrogeno atómico AHW Soldadura de arco metálico con electrodo desnudo BMAW Soldadura con arco de carbón CAW Con gas CAW-S Con arco protegido CAW-S Con arcos gemelos CAW-T Soldadura con arco con núcleo de Fundente FCAW Electro gras FCAW-EG Soldadura con arco metálicos y gas GMAW Electro gas GMAW-EG Arco pulsado GMAW-P Arco de corto circuito GMAW-S Soldadura de tungsteno y gas GTAW Arco pulsado GTAW-P Soldadura de arco con plasma PAW Soldadura de arco metálico protegido SMAW Soldadura de arco de espárragos SW Soldadura de arco sumergido SAW En serie SAW-S Soldadura en frío CW Soldadura por difusión DEW Soldadura por explosión EXW Soldadura por forjado FOW Soldadura por fricción FRW Soldadura por presión en Caliente HPW Soldadura con rodillos ROW Soldadura ultrasónica USW Soldadura fuerte de arco AB Soldadura fuerte de bloque BB Soldadura fuerte por difusión DFB Soldadura fuerte por inmersión DB Soldadura fuerte de flujo FLB Soldadura fuerte en horno FB Soldadura fuerte por inducción IB Soldadura fuerte infrarroja IRB Soldadura fuerte por resistencia RB Soldadura fuerte a soplete TB Soldadura fuerte con arco de carbones TCAB Soldadura De arco (AW) Soldadura De arco (AW) Procesos De soldadura Procesos De soldadura Soldadura de estado (ssw) Soldadura fuerte B Soldadura blanda por inmersión DS Soldadura blanda en horno FS Soldadura blanda por inducción IS Soldadura blanda por infrarrojo IRS Soldadura blanda por cautín soldador INS Soldadura blanca por resistencia RS Soldadura blanda con soplete TS Soldadura blanda por ondas WS Soldadura por haz de electrones EBW Soldadura de electro escoria ESW Soldadura de flujo FLOW Soldadura por inducción IW Soldadura por haz de rayos láser LBW Soldadura por termita TW Soldadura blanda (S) Otras Soldaduras Soldadura por arco con presiónFW Soldadura por resistencia con alta frecuencia HFRW Soldadura por percusión PEW Soldadura por resalto RPW Soldadura de costura por resistencia RSEW Soldadura de puntos por resistencia RSW Soldadura recalcada UW Soldadura Por Resistencia RW Soldadura con aire y acetileno AAW Soldadura oxiacetilénica OAW Soldadura ox hidrogeno OHW Soldadura a gas con presión PGW Soldadura Con gas Combustible Y Oxigeno OFW 3 Soldadura por resistencia 1.2 Reseña histórica Resulta dificultoso determinar con exactitud en que país y en que momento se han desarrollado ciertas técnicas de soldadura en particular, ya que la experimentación ha sido simultanea y continua en diversos lugares. Aunque los trabajos con metales han existido desde hace siglos, los métodos tal cual como los conocemos hoy, datan desde el principio de este siglo. En 1801, El ingles Sir H. Davy descubrió que se podía generar y mantener un arco eléctrico entre las terminales. En 1835, E. Davey, en Inglaterra, descubrió el gas acetileno, pero para dicha época su fabricación resultaba muy costosa. Recién 57 años después (1892), el canadiense T. L. Wilson descubrió un método económico de fabricación. El Frances H.E Chatelier, en 1895, descubrió la combustión del oxigeno con acetileno, y en 1900, los también franceses E. Fouch y F. Picard desarrollaron el primer soplete oxiacetileno. En el año 1881, el francés de Meritéis logro con éxito soldar diversas piezas metálicas empleando un arco eléctrico entre carbones, empleando como suministro de corriente acumuladores de plomo. Este fue el puntapié inicial de muchas experiencias para intentar reemplazar el caldeado en fragua por este nuevo sistema. La gran dificultad hallada para forjar materiales ferrosos con elevado contenido de carbón (aceros), motivos diversos trabajos de investigación de partes de los ingenieros rusos S. Olczewski y F Bernardos, los resultados exitosos recién en el año 1885. En dichos años se logro la unión en punto definido de dos piezas metálicas por fusión. Se utilizo corriente continua, produciendo un arco desde la punta de una varilla de carbón (conectada al polo positivo) hacia las piezas a unir (conectadas al polo negativo). Dicho arco producía suficiente calor como para provocar la fusión de ambos metales en el plano de unión, que al enfriarse quedaban mecánicamente unidos. El operario comenzaba el trabajo de soldadura apoyando el electrodo de carbón, el que estaba provisto de un mango aislante, sobre la parte por soldar hasta producir chisporroteo, y alejándose de la pieza hasta formar un arco eléctrico continuo. Para lograr dicho efecto, se debía aplicar una diferencia de potencial suficiente para poder mantener el aro eléctrico a una distancia relativamente pequeña. Una vez lograda la fusión de los metales en el punto inicial de contacto, se comenzaba el movimiento de traslación del electrodo hacia el extremo opuesto, siguiendo el contorno de los metales por unir, a una velocidad de traslación uniforme y manteniendo constante la longitud ente el electrodo y la pieza. Las experiencias que necesariamente se realizaron para determinar las condiciones óptimas de trabajo para lograr una unión metálica sin defectos, permitieron verificar desde aquel entonces que con el arco eléctrico se podía cortar metal o perforarlo en algún sitio deseado. Los trabajos de soldadura efectuados no eran tan eficientes, ya que resultaban difíciles de gobernar el arco eléctrico, debido a que este se generaba en forma irregular. Continuando con los ensayos en función de obtener mejores resultados, se obtuvo un éxito concluyendo al invertir la polaridad de los electrodos ( pieza conectada al positivo), debido a que en estas condiciones el arco no se genera desde cualquier punto del electrodo de carbón, sino solo desde la punta, es decir en el mismo plano de la unió. El comportamiento del arco, según la polaridad elegida, llevo en 1889 al físico alemán, el doctor H. Zerener, a ensaya un tipo de soldadura por generación de un arco eléctrico entre dos electrodos de carbón. Como bajo estas condiciones no se lograba buena estabilidad en ele arco producido, adiciono un electroimán, el cual actuaba sobre el mismo dirigiéndolo magnéticamente en el sentido deseado. Ello producía sobre el arco 4 Soldadura por resistencia eléctrico por arco soplado, encontrándose interesantes aplicaciones en procesos automáticos para chapas de poco espesor. El flujo del arco se regulaba con facilidad, variando el campo magnético produciendo (Fig. 0.2). El arco eléctrico resultante era de gran estabilidad. Los dos electrodos de carbón (1), y el electroimán (2), eran parte de un solo conjunto portátil. El metal utilizado como aporte surgía de una tercera varilla metálica (3), la cual se ubica por debajo del arco, más cerca de la pieza. Con el calor producido, se fundía el metal de base (5), conjuntamente co el aporte de la varilla, generando la unión. (4) Fig.0.2 Este sistema fue utilizado industrialmente por primera vez en el año 1899 por la firma Lloyd & Lloyd de Birmingham (Inglaterra), para soldar caños de hierro de 305mm de diámetro, los que luego de soldados eran capaces de soportar una prueba hidráulica de 56 atmósferas. Soldadura por arco soplado (método zerener) Soldadura por arco con electrodos metálicos Fig.03 5 Soldadura por resistencia Se trabajaban empleando 3 dinamos de 550 amperes cada uno y con un potencial de 150 volts, los cuales cargaban una batería de 1.800 acumuladores plante, destinados a proveer una fuerte corriente en un breve lapso de tiempo. En los estados unidos, en 1902, la primera fabrica que comenzó a utilizar industrialmente la soldadura por arco con electrodos de carbón fue de Baldwin locomotive Works. El excesivo consumo de electrodos de carbón y el deseo de simplificar los equipos de soldadura, hicieron que en el año 1891, el ingeniero ruso N. slavianoff sustituyera los electrodos de carbón por electrodos de metal (Fig.0.3). Este cambio produjo mejoras en las uniones de los metales al evitar la inclusión de partículas de carbón dentro de la masa de metales fundidos y luego retenidas en la misma al solidificarse. El método Slavianoff, con algunas mejoras técnicas implementadas en 1892 por el estadounidense C. L. COFFIN (quien logro desarrollar el método de soldadura por puntos), ha sido usado hasta la fecha y es la soldadura por arco conocida en la actualidad. A partir de las determinaciones de Slavianoff se continuaron empleado indistintamente electrodos de carbón y /o metálicos. Soldadura por arco con atmosfera de gas Fig. 0.4 En el año 1910 se abandono definitivamente el electrodo de carbón. Se comenzaron a utilizar de hierros sin recubrir, pero se obtuvieron resultados deficientes debido a la poca resistencia a la tracción y a su reducida ductibilidad. La nociva acción de la atmosfera (oxidación acelerada por el calentamiento) sobre los electrodos sin recubrir durante la formación del arco, llevo a los investigadores a tratar de solucionar dichos inconvenientes. Una de las primeras experiencias en busca de evitar dicho problemas, se debió a los ensayos realizados por Alexander, quien pensó en eliminar la acción perniciosa del oxigeno que rodeaba al arco, haciendo que este ultimo se produjera en una atmosfera de gas protector (Fig. 0.4)donde se observa el metal base a soldar (1), el porta electrodo con el electrodo ubicado (2), y el abastecimiento de gas (3), Alexander ensayo con diversos gases, logrando buenos resultados con el metanol, pero este requería de un complejo equipamiento, por lo que lo hacia poco viable, retomando y modificando la idea original de Alexander, en1907 O. Kjellber, revistió los electrodos con una sustancia sólida que poseía idéntico punto de fusión que el metal de aporte. Al producirse el arco eléctrico, ambas se fundirían simultáneamente, formando una cascarilla sobre el metal fundido brindando la adecuada 6 Soldadura por resistencia Fig.0.5 Protección contra el oxigeno del ambiente en la etapa de enfriamiento. En 1908, N. bernardos desarrollo un sistema de electro escoria que se volvió muy popular en su momento. Los electrodos fusionables, fueron mejorados nuevamente en 1914 por su creador, el sueco O. Kjellberg junto El ingles A. P. Strohmenger. Quedaron constituidos por una varilla de aleaciones metálicas (metal de aporte) y un recubrimiento especial a base de asbesto, tal como los que se utilizaron en la actualidad. (Fig. 0.5) Electrodo metálico con recubrimiento en plena acción Soldadura atómica con atmosfera H2 Fig.0.6 En 1930, los estadounidenses H. M. Hobart y P. K. Devers desarrollaron el sistema de soldadura con gas inerte, y basado en ello, el doctor Orving Langmuir, ideo la soldadura atómica de hidrogeno. En esta, el arco se produce entre dos electrodos insolubles de tungsteno, en una atmosfera de hidrogeno soplando sobre el arco. En la Fig. 0.6. Se 7 Soldadura por resistencia observa la fuente eléctrica (5), la provisión de hidrogeno a presión (4), los electrodos de tungsteno (3), el material de aporte (2), y el material a soldar (1). Por acción térmica, el hidrogeno molecular se descompone en hidrógeno atómico, el que vuelve a su estado primitivo una vez atravesando el arco, transfiriendo el calor de recombinación a las piezas por soldar. Este método se emplea en la actualidad para soldar chapas delgadas. Una variedad del sistema anterior, fue desarrollado en 1942 por el norteamericano R. Meredith y en 1948 por diversos ingenieros incluyen las soldaduras por arco en atmosfera de helio o argon, ambos gases inertes que alejan el oxigeno de la zona por soldar, en estos casos, el gas rodea al electrodo de tungsteno, mientras un electrodo o varilla provee el metal de aporte o de relleno Fig.0.7 Esquema de un proceso de soldadura bajo gas protector Fig.0.7 Este sistema se utiliza para soldar con éxito aleaciones de magnesio y algunas aleaciones livianas. Los progresos en la industria electrónica, permitiendo utilizar dichos adelantos para desarrollar así la soldadura por resistencia (a tope, continua y por puntos); la soldadura por inducción para materiales conductores del calor; la soldadura dieléctrica para los no conductores y, finalmente, la aluminio-térmica, que resulta una combinación de un sistema de calentamiento con el procedimiento Slavianoff. La variedad de aplicaciones industriales de los sistemas de soldadura llegaron a un grado tal que inclusive han sustituido en la mayoría de los casos al tradicional forjado y remachado. No solamente del remachado permitió reducir el peso de las construcciones metálicas, al simplificar sus estructuras. La soldadura asegura una reducción de costo apreciable con respecto a los métodos de construcción y reparación empleados antiguamente, se han resuelto problemas de estanqueidad y rigidez, eliminándose las vibraciones. La soldadura eléctrica usada en la actualidad, era desconocida a fines del siglo pasado. Muchas circunstancias influyeron en el extraordinario desarrollo adquirido por la misma. 8 Soldadura por resistencia 1.3 Soldadura a gas La soldadura a gas, o soldadura a llama, utiliza una llama de intenso calor producida por la combinación de un gas combustible con aire u oxigeno. Los gases combustibles de uso más común son el acetileno, el gas natural, el propano y el butano. Muy a menudo, los combustibles se queman con oxigeno, lo que permite obtener temperaturas de combustión mucho mayores. La soldadura oxiacetilénica. Fig. 0.8. Es el proceso más común de soldadura a gas. El oxigeno y el acetileno, combinados en una cámara de mezclado, arden en la boquilla del soplete produciendo la temperatura de llama más elevada (alrededor de 6000ºf la cual rebasa el punto de fusión de la mayoría de los metales). Por tanto, la operación de soldar puede realizarse con o sin metal de aporte. Las partes pueden fundirse y ponerse en contacto a medida que se va realizando la operación de fusión con el soplete; al retirar el soplete, las partes metálicas quedan unidas al enfriarse. Si se necesita metal de aporte para realizar una soldadura, se selecciona la varilla de soldadura atendiendo las especificaciones del trabajo, y se funden con el calor del soplete. La selección de las varillas de soldadura apropiada, de las boquillas para soplete, los ajustes del regulador para la alimentación del oxigeno y el acetileno y la posición para soldar, constituyen aspectos de las experiencias y el conocimiento aplicado al proceso. Las desventajas de la soldadura con gas combustible giran en torno al hecho de que ciertos metales reaccionan desfavorablemente, y hasta violentamente, en presencia del carbón, el hidrogeno o el oxigeno, todos ellos presentes en el proceso de soldadura con gas combustible. La soldadura a gas es también mas fría, mas lenta y mas deformante que la soldadura con arco. Sin embargo, para aplicar soldadura en lugares difíciles de alcanzar, o con metales que tienen puntos de fusión más bajos tales como el plomo o metales en lámina delgada, la soldadura a gas es con frecuencia más eficaz que los demás procesos. En combinación con una corriente de oxigeno o de aire, el soplete oxiacetilenito es también un medio excelente para el corte y ranurado tipo gubia. Fig.0.8 9 Soldadura por resistencia 1.4 Tipos de soldaduras y de juntas Uno de los aspectos del diseño de juntas es el correspondiente al tipo de soldadura que se utiliza en la junta. Existen cinco tipos básicos de soldadura: la de cordón, la ondeada, la de filete, la de tapón y la ranura. La selección del tipo de soldadura esta tan ligada a la eficiencia de la junta como diseño mismo de esta. Se elige un tipo de soldadura con preferencia sobre otro por razón de su relación específica con la eficiencia de la junta. Las soldaduras de cordón: se hacen en una sola pasada, con el metal de aporte sin movimiento hacia uno u otro lado. Esta soldadura se utiliza principalmente para reconstruir superficies desgastadas. Fig. 0.9 Las soldaduras de filete: son similares a las de ranura, pero se hacen con mayor rapidez que estas, y a menudo se la prefiere en condiciones similares por razones de economía. Fig.0.9 Las soldaduras de tapón y de agujero alargado sirven principalmente para hacer las veces de los remaches, se emplea para unir por fusión dos piezas de metal cuyos bordes, por alguna razón, no pueden fundirse. Fig.0.9. Las soldaduras de ranura (de holgura entre bordes de piezas) se hacen en la ranura que queda entre dos piezas de metal. Esta soldadura se emplea en muchas combinaciones, dependiendo de la accesibilidad de la economía del diseño y del tipo de proceso de soldadura que se aplique. Fig.0.9 Fig.0.9 Ahora que ya hemos explicado los procedimientos para depositar cordones y costuras, y apara realizar reconstrucciones y rellenos podemos aplicar estos conocimientos para realizar las uniones típicas. Fig. 0.10 en soldadura que son: a) la unión a tope, b) la unión en Y, c) la traslape, d) la unión en escuadra, y e) la unión de canto. Además de las uniones detalladas, existen cuatro posiciones diferentes para realizar esta son la plana, la vertical, la horizontal, y sobre la cabeza. Esta posición se evidencia en la. Fig.0.11. además se ilustran todas las variantes intermedias. A la soldadura que se deposita en la unió en T se le llama soldadura de filete. También frecuentemente, se le da este nombre a la unión. 10 Soldadurapor resistencia Fig.0.10 Ilustración acerca de 5 tipos de uniones para SMAW Ilustración acerca de las 4 posiciones básicas y sus variantes Fig.011 11 Soldadura por resistencia Fig.0.12 Diseño de uniones habituales en soldadura Fuera de las soldaduras efectuadas en la posición plana y horizontal, las que se deban ejecutar en otra posición (vertical y sobre la cabeza) resultaran bastante mas complicadas si no se experimenta y practica. Siempre que se pueda, trata de ubicar las piezas en posición plana. De no ser esto posible, se deberá soldar en la posición en que las piezas se encuentren. Para soldar verticalmente, se deberá experimentar con práctica intensiva para que la fuerza de gravedad no haga caer o derramar el metal fundido. Teniendo en cuenta esto y sabiendo como ya dijimos que la punta del electrodo empuja, se deberá poner este en un ángulo ligeramente negativo respecto a la horizontal. Si la soldadura a realzar es vertical ascendente, el electrodo se moverá hacia arriba, alejándolo y acercándolo de la pieza cada 10 o 15mm de recorrido. Esto se realiza para permitir que el metal fundido se solidifique. 1.5 Simbología utilizada en la soldadura En la soldadura, se utiliza ciertos signos en los planos de ingeniería para indicar al soldador ciertas reglas que deben seguir, aunque no tengan conocimiento de ingeniería. Estos signos gráficos se llaman símbolos de soldadura. Una vez que se entienda el lenguaje de estos símbolos, es muy fácil leerlos. Los símbolos de soldadura a se utilizan en la industria para representar detalles de diseño que ocuparían demasiado espacio en el dibujo si estuvieran con todas sus letra, por ejemplo, el ingeniero o el diseñador desea hacer llegar la siguiente información al taller de soldadura. 12 Soldadura por resistencia El punto en donde se debe hacer la soldadura Que la soldadura va ser de filete en ambos lados de la unión Un lado será una soladura de filete de 12mm; el otro lado una soldadura de 6mm. Ambas soldaduras se harán con un electrodo E6014. La soldadura de filete de 12mmse esmerilara con maquina de desaparezca. Para dar toda esta información el diseñador solo dispone el símbolo en el lugar correspondiente en el plano para transmitir la información de soldadura. Fig.013 Fig.0.12 Los símbolos de la soldadura son tan esenciales en el trabajo del soldador como correr Un cordón o llena una unión, la American Welding Society (AWS) ha establecido un grup de símbolos estándar utilizado en la industria para indicar e ilustra toda la información para soldar en los dibujos y planos de ingeniería, Fig.013 13 Soldadura por resistencia 1) la línea de referencia siempre será la misma en todos los símbolos. Sin embargo, si el símbolo e soldadura es debajo de la línea de referencia, la soldadura se hará en el lado de la unión hacia la cual apunta la flecha. Si el símbolo de la soldadura esta encima de la línea de referencia, la soldadura se hará en el lado de la unión opuesta a lado en que se apunta la flecha. 2) la flecha puede apuntar en diferentes direcciones y a veces puede ser quebrada 3) hay muchos símbolos de soldadura, cada uno corresponde a una soldadura en particular 4) se agregaran acotaciones dimensionales adicionales a la derecha del símbolo si la unión se va a soldar por puntos en caso de la soldadura de filete. La primera acotación en la Fig. indica la longitud de la soldadura; la segunda dimensional indica la distancia entre centros de la soldadura. 5) la cola quizá no tenga información especial y a veces, se puede omitir Hay un gran número de combinaciones que se puede utilizar, pero los símbolos básicos de soldadura y los símbolos completamente mostrados en la SIG. Figura.0.13 Fig.0.13 14 Soldadura por resistencia Las normas A.W.S también incluyen una serie de símbolos para información técnica que no siempre es necesaria, pero que en algunos casos si la es, estos símbolos suplementarios se entregan en la siguiente tabla. Denominación Símbolo Significado PERIFÉRICA Soldar completamente alrededor de la junta OBRA Soldar en montaje o terreno. PLANA Soldar a ras de la pieza, si recurrir a medios mecánicos. CONVEXA El cordón debe quedar reforzado. CÓNCAVA El cordón debe ser acanalado CINCELADO El acabado debe ser a cincel. ESMERILADO El acabado debe ser a esmeril. MAQUINADO El acabado debe ser a maquina. Para utilizar los símbolos anteriormente nombrados se dibuja un símbolo de soldadura que este compuesto de una línea de referencia, una flecha y una cola, en la que se entrega la información necesaria para realizar la unión. Las diversas categorías de soldadura, se caracterizan por un símbolo, que en general, es similar a la forma de soldadura a ejecutar. 15 Soldadura por resistencia El símbolo no sugiere el proceso de soldadura a ejecutar. Los símbolos elementales se muestran en la siguiente tabla. Nº Designación Símbolo 1 Soldadura de tope con bordes levantados (bordes completamente fundidos) * 2 Soldadura de tope a escuadra 3 Soldadura de tope en V 4 Soldadura de tope con bisel simple 5 Soldadura de tope en Y 1.6 Materiales de aporte En la soldadura, la relación entre la tensión o voltaje aplicado y la corriente circulante es la suma importante. Se tiene dos tensiones, una es la tensión en vacío (sin soldar), la que normalmente esta entre 70 a 80. La otra es la tensión bajo carga (soldando), la cual puede poseer valores entre 15 a 40 volts. Los valores de tensión y de corriente varían en función de la longitud del arco. A mayor distancia menor corriente y mayo tensión, y a menor distancia, mayor corriente con tensión mas reducida. Circuito básico para soldadura por arco Equipo de soldadura de CA o CC Mango porta electrodos Electrodo Arco Pieza Cable hacia la pieza Cable hacia el electrodo Fig.0.14 El arco se produce cuando la corriente eléctrica entre los dos electrodos circula a través de una columna de gas ionizado llamado plasma. La circulación de corriente se produce 16 Soldadura por resistencia cumpliendo el mismo principio que en los semiconductores, produciendo una corriente de electrones (cargas negativas) y una contracorriente de huecos (cargas positivas). El plasma es una mezcla de átomos de gases neutros y excitados. En la columna central del plasma los electrones iones y átomos se encuentra en un movimiento acelerado, chocando entre si en forma constante. La parte central de la columna de plasma es la más caliente ya que el movimiento es muy intenso. La parte externa es mas fría, y esta conformada por la combinación de moléculas de gas que fueron disociadas en la parte central de la columna. Los primeros equipos para soldadura por arco eran del tipo de corriente constante. Han sido utilizados durante muchos tiempos, y aun se utilizan para soldadura con metal y arco protegido (SMAW siglas en ingles shielded metal arc welding) y en soldadura de arco de tungsteno con gas GTAW porque en estos procesos es muy importante tener corriente estable. Para lograr buenos resultados, es necesario disponer de un equipo de soldadura que posea regulación de corriente, que sea capaz de controlar la potencia y que resulte de un manejo censillo y seguro. Podemos clasificar los equipos para soldadura por arco en tres tipos básicos: 1.- equipo de corriente alterna 2.- equipo de corriente continua 3.- Equipo de corriente alterna y continua combinada Es importante en el momento de decidor por un equipo de soldadura, tener en cuenta una serie de factores importantes para su elección. Uno de dichos factoreses la corriente de salida máxima, la que estará ligada al diámetro máximo de electrodo a utilizar. Con electrodos de poco diámetro, se requiere de menor amperaje que con electrodos de mayor diámetro. Una vez elegido el diámetro máximo de electrodo, se debe tener en cuenta el ciclo de trabajo para el cual fue diseñado el equipo. Por ejemplo, un equipo que posee un ciclo de trabajo del 30% nos indicado que si se opera a máxima corriente, en un lapso de 10minutos, el mismo trabajara en forma continua durante 3 min. Y deberá descansar los 7 min. Restantes. En la industria, el ciclo de trabajo más habitual es de 60% Pinza Porta electrodos Varilla Cobertura Escoria Metal fundido Costura Metal de base a soldar Arco eléctrico Gases de combustión Esquema de un electrodo revestido en plena aplicación Fig.0.15 Ignorar el ciclo de trabajo, pueden traer problemas de producción por excesivos tiempos muertos o bien terminar dañados el equipo por sobrecalentamiento excesivo. 17 Soldadura por resistencia Se deberá tener en cuenta que al trabajar con bajas tensiones y muy altas corrientes, todos los posibles falsos contactos que existan en el circuito, se traducirá en calentamiento y perdida de potencia. Para evitar dichos inconvenientes, se menciona posible defectos a evitar, a saber: 1. Defectos en la conexión del cable del electrodo al equipo 2. sección del cable de electrodo demasiado pequeña, ocasionando sobrecalentamiento del mismo 3. fallas en el conductor 4. defectos en la conexión del cable de equipo al porta electrodo. 5. porta electrodo defectuoso 6. falso contacto entre porta electrodo y electrodo 7. sobrecalentamiento del electrodo 8. longitud incorrecta del electrodo 9. falso contacto entre las partes o piezas a soldar 10. conexión defectuoso entre la pieza de tierra y la pieza a soldar 11. sección del cable de tierra demasiado pequeña 12. mala conexión del cable de tierra con el equipo. Una vez analizados hasta aquí los aspectos eléctricos, veremos ahora las características de los electrodos. Fig.016 La medida del electrodo a utilizar depende de os siguientes factores: 1. espesores del material a soldar 2. preparación de los bordes o filos de la unión a soldar. 3. la posición en que se encuentre la soldadura a efectuar. 4. la pericia que posea el soldador El amperaje a utilizar para realizar la soldadura dependerá de: 1. tamaño del electrodo seleccionado 2. el tipo de recubrimiento que el electrodo posea. 3. el tipo de equipo de soldadura utilizado Los electrodos están clasificados en base a las propiedades mecánicas del tipo de metal que conforma la soldadura Fig.0.16 del tipo de coberturas o revestimiento que posea, de la posición en que el mismo deba ser utilizado y del tipo de corriente que 18 Soldadura por resistencia se le aplicara al mismo. Las especificaciones requieren que el diámetro del núcleo del alambre no deberá variar más de 0.05mm de su diámetro y el recubrimiento deberá ser concéntrico con el diámetro del alambre central. Durante años el sistema de identificación fue utilizar puntos de colores cerca de la zona de amarre en el porta electrodo. En la actualidad, algunas especificaciones requieren de un número clasificatorio o código, el que se imprime sobre el revestimiento la cobertura, cerca del final del electrodo. Fig.0.18 Grupo de color Punto de color Color final Electrodo con identificaciones de color y código impreso A pesar de ello, el código de colores se encuentra aun en uso en electrodos de poco diámetro, en los que no permiten imprimir códigos por no tener el espacio suficiente, o en electrodos extrudados con alta velocidad de producción. Todos los electrodos para hierro, acero al carbón y acero aleado son clasificados con números de 4 o de 5 dígitos, antepuestos por la letra E. los primeros números indican la resistencia al estiramiento minima del metal depositado en miles de PSI. El tercer digito indica la posición en el cual el electrodo es capaz de realizar soldaduras satisfactorias: (1) cubre todas las posiciones posibles (2) para posiciones plana y horizontal únicamente El último digito indica el tipo de corriente que debe usarse y el tipo de cobertura. Todos estos datos se detallan en forma grupal en la tabla Por ejemplo, un electrodo identificado co E7018 nos esta indicando una resistencia al estiramiento de 70.000psi mínimo, capaz de poder utilizar en todas las posiciones de soldadura con CC o CA. Teniendo una cobertura compuesta de polvo y hierro y bajo hidrogeno. En el caso de números idénticos de cinco cifras, daremos el ejemplo: de E11018, en el cual los tres primeros números indican la resistencia al estiramiento minima, que en este caso es de 110000psi. Se puede tener una propuesta de una letra y un numero (por ejemplo A1; B2; C3; ETC.), la cual indica aproximadamente el contenido de la aleación del acero depositado mediante el proceso de soldadura. Este valor también se encuentra detallado en la tabla. La forma de clasificar los electrodos es la norma AWS A5.1. Esta norma utiliza medida inglesa. La norma CSA W48-1M1980 utiliza como medidas el sistema internacional si. Por lo tanto, la resistencia a la fracción en el sistema CSA se expresa en kilo pázcales o mega pázcales. En el caso del electrodo E7024, la resistencia a la tracción es de 70000psi equivalente a 480000Kpa o 480mpa. Con la especificación CSA, el E7024 se 19 Soldadura por resistencia Expresa como E48024. En ambos casos, la característica del electrodo deberá ser las mismas. La diferencia en las nomenclaturas responde a distintos tipos de unidades entre las normas AWS Y CSA. Se podrá comprobar en la práctica que la cobertura del electrodo para soldadura por arco posee una gran influencia sobre los resultados obtenidos. El tercer y cuarto digito 20 Soldadura por resistencia en una designación de electrodos de cuatro números (el cuarto y el quinto en una de cinco números) le informa al soldador experimentado sobre las características de uso. Las funciones de la cobertura de un electrodo son las siguientes, a saber: 1. proveer una mascara de gas de combustión que sirva de protección al metal fundido para que no reaccione con el oxigeno y el nitrógeno del aire 2. proveer un pasaje de iones para conducir corriente eléctrica desde la punta del electrodo a la pieza, ayudando al mantenimiento del arco. 3. proveer fundente para la limpieza de la superficie metálica a soldar eliminando a los óxidos en forma de escoria que serán removidas una vez terminada la soldadura. 4. controlar el perfil de la soldadura, en especial en las soldaduras de filete o esquineras. 5. controlar la rapidez con el aporte del electrodo se funde. 6. controlar las propiedades de penetración del arco eléctrico 7. proveer material de aporte el cual se adiciona al que se aporta del núcleo del electrodo 8. adicionar materiales de aleaciones en caso que se requiera una composición química determinada. Algunos de los componentes de la cobertura del electrodo que producen vapores o gases de protección bajo la acción del calor del arco eléctrico son materiales celulósicos, como algodón de celulosa o madera en polvo. Los gases producidos son dióxidos de carbón, monóxido de carbono hidrogeno y vapor de agua. Los componentes de la cobertura que tiene por finalidad evitar los óxidos en la soldadura son el manganeso, el aluminio y el silicio. Las coberturas son aprovechadas para incluir elementos en aleación con materiales de aporte o de relleno. De hecho, el polvo de hierro es muy utilizado en las coberturas de los electrodos para soldadura por arco. 1.7 Fundamentos de la soldadura por resistencia La soldadura por resistencia se realizamediante un grupo de procedimientos en lo cuales emplea la resistencia propia de los materiales al paso de una corriente eléctrica para generar el calor necesario. Difiere de los procesos de soldadura por fusión en que requiere, además de calor, la aplicación de presión mecánica para unir las partes por forjado. Es una soldadura del tipo autógena, o sea en la unión entre las piezas no interviene materiales ajenos a ellas. Cualquier que sea el proceso usado, la dosificación de la corriente aplicada y el tiempo empleado en la soldadura así como la presión utilizada, se necesita maquinas equipadas adecuadamente para obtener una fabricación de calidad. El equipo de soldadura por resistencia se clasifica atendiendo a su funcionamiento eléctrico, como del tipo de energía directa o como de energía almacenada. Aunque se consigue en el comercio maquinas de soldar tantos monofásicas como trifásicas, las maquinas monofásicas de energía directa es la de mas uso común, por ser mas sencilla y la menos costosa en cuanto a precio de adquisición, instalación y mantenimiento. 21 Soldadura por resistencia Las normas ISO, y otras como DIN, AFNOR, etc. Tiene clasificaciones muy complejas y exhaustivas con todas las variantes posibles en este tipo de maquinas para soldar; pero, para facilitar el manejo y compresión de estas técnicas vamos a clasificar en tres grupos principales según como se realiza. (Fig. 1.1) Fig.1.1 Soldadura por salientes Soldadura por puntos Soldadura tope 1. Por resistencia. 2. Por salientes. 3. Soldadura a Tope. También existe otros métodos de soldadura por resistencia que son: por percusión por puntos en rodamientos, por costura y soldadura por arco con presión. Que no tocares por este momento pero si es importante mencionarlos. 22 Soldadura por resistencia 1.8 Soldadura a puntos de resistencia El soldado por puntos es el proceso de soldadura por resistencia mas usado para la unión de piezas formadas con chapa y laminas de espesores pequeños o medianos. En su aplicación mas simple la soldadura por puntos consiste simplemente en prensar dos o mas piezas de metal laminado entre dos electrodos de soldar, de cobre o de una aleación de cobre, y pasar una corriente eléctrica de suficiente intensidad por las piezas, para dar lugar a su soldadura por unión. Fig.1.2 Fuerza Soldadura por puntos de resistencia Corriente Corriente Fuerza Fig. 1.2 1.9 Como se produce un punto de soldadura Una corriente eléctrica (que medimos en amperios) circula desde un electrodo al otro atravesando las laminas a ser soldadas y en su camino encuentra unas resistencias a su paso, las cuales disipan una energía que se convierte en calor. El calor producido es directamente proporcional al valor de la resistencia y aumentaron el cuadro de los valores de la intensidad, o sea, con doble de resistencia doble calor y con doble intensidad, cuatro veces más calor. Este cálculo es la aplicación de la ley de joul que se expresa con la siguiente formula: E = RI2T R = resistencia. I = corriente. T = tiempo. E = calor. 23 Soldadura por resistencia Observamos que al inicia el proceso de soldadura los amperios pasan a través de cinco diferentes resistencias generadoras de calor. Fig.1.3 Fig.1.3 Rp.- esta es la resistencia de contacto entre las piezas a soldar y donde nos convendría que se depositase toda la energía, el calor, durante el proceso. El esfuerzo aplicado a la soldadura reduce su valor. Tabla 1.1 RC1 RM1 Rp Rm2 Rc2 Electrodo superior Electrodo inferior Fuerza Fuerza Tabla 1.1. Variación de la resistencia Rp. al aumentar la presión aplicada. Rm1 y Rm2.- Estas son las resistencias propias del material a soldar y no podemos actuar sobre ellas. En frío, al inicio de la soldadura, estas resistencias tienen un valor 24 Soldadura por resistencia pequeño que se multiplica por aprox. 10 al aumentar la temperatura generando un calor inevitable y necesario que poco después de iniciar el proceso será el principal componente del calor aplicado a la soldadura. Rc1 y Rc2.- Estas son las resistencias de contacto del electrodo con la pieza. La energía, el calor, que se deposita en esas zonas debido a esas resistencias es la principal causa de problemas. Reducir esta resistencia es primordial para alargar la vida de los electrodos y reducir las huellas en la superficie de las piezas. El esfuerzo aplicado a la soldadura reduce su valor en mayor proporción que el de la Rp. Tabla.1.2. variación de la resistencia Rc al aumentar la presión aplicada Estas curvas son orientadas, pues, la variaciones en el material de las piezas de los electrodos o variaciones en los estados superficiales de ambos producen resultados diferentes. Inicio Soldadura Final hermanamiento superior de contacto Inicio formación lenteja Fin Soldadura Resistencia contacto electrodo 25 Soldadura por resistencia Inicio soldadura Resistencia contacto entre piezas Rp. Inicio formación lenteja Fin soldadura Final hermanamiento superior de contacto Inicio soldadura Final hermanamiento superficie de contacto Inicio formación lenteja Final soldadura Resistencia de los metales a soldar Rm1 +Rm2. aumenta por efecto de la temperatura sobre los aceros Inicio soldadura Final hermanamiento superior de contacto Inicio formación lenteja Final soldadura Resistencia total Tablas. 1.3 26 Soldadura por resistencia Las magnitudes de todas estas resistencias eléctricas varían en un proceso dinámico continuo tabla. 1.3 durante el tiempo que ocupa el proceso de soldeo y cada una de ellas lo hace por causas y en proporciones diferentes como por ejemplo la Rp, que desaparece al iniciarse la forma de la lenteja Fig. 1.4 produciendo el calor todavía necesario para la soldadura por la acción de las resistencias Rm1 y Rm2 ya convertidas en una sola, y el resto, inevitablemente, en las Rc1 y Rc2 cuyo valor ha disminuido significativamente al mejorar el contacto electrodo pieza. Fig.1.4 Hasta ahora lo explicado ha partido de la premisa de que el valor de las resistencias en juego es simétrico respecto al plano de soldadura, para obtener una buena soldadura es preciso que el centro del calor, donde se produce la fusión y la lenteja, coincida con la superficie de contacto entre las piezas a soldar, y esto no siempre es así como en los casos, por ejemplo, de la soldadura diferentes materias les y de conductividad diferente vemos en la necesidad de usar electrodos con caras diferentes auque las chapas sean iguales Fig.1.5 y Fig. 1.6 Rc1 Rm1 Rp Rc2 Rm Rc1 Rm1+Rm2 Rc2 Al iniciarse la soldadura Al formarse la lenteja Rm1 Rm1 Rc1 Rc1 Fe Fe Rm1>Rm2 Rc1 = Rc2 Rm1 Rm2 Rc1 Rc2 Rm1 + Rc1 =Rm2 + Rc2 Rm1 Rm1 Rc1 Rc1 Inox Fe Rm1>Rm2 Rc1 > Rc2 Rm1 Rm2 Rc1 Rc2 Rm1 + Rc1 =Rm2 + Rc2 Inox Fe Inox Fe Fig. 1.5 27 Soldadura por resistencia Rc1 (resistencia electrodo 1) Rc1 (resistencia contacto 1) Rm1 (resistencia materiales 1) Rp (resistencia contacto en pieza) Rm2 (resistencia electrodo 1) Rc2 (resistencia electrodo 1) Re2 (resistencia electrodo 1) Se forma la lenteja donde se juntan las chapas. Rt2 Se forma la lenteja en el interior de una de las chapas lejos de la unión.Las chapas no se unen. Rt1 Fig. 1.6 Este equilibrio térmico lo hemos de conseguir variando las resistencias que intervienen para mantener la simetría y el equilibrio necesario y para ello los electrodos y en algunos casos especiales con la conductibilidad de los cobres empleados en los electrodos. 1.10 Tiempo de compresión Para formar la lenteja el punto de soldadura, no es suficiente el paso de una corriente a través de las piezas y que se alcance en ellas el punto de fusión, pues se necesita también una aplicación de fuerza entre los electrodos, que suelden y se forje la lenteja. Este parámetro también es muy importante y nos lo indican las tablas de valores aconsejadas para cada tipo de soldadura. Como en el caso de la corriente, es la fuerza por mm2 de superficie activa del electrodo lo que realmente importante y tiene que estar entre 4 y 12 dan/mm2 en el caso del soldeo de aceros de baja aleación. Para evitar proyecciones y soldadura de mala calidad tenemos que estar seguros de que los electrodos, no solo ha llegado apretar las laminas si no que están aplicando la magnitud del esfuerzo correcto. 28 Soldadura por resistencia Rc1 Rp 16 50 Resistencia 50 75 50%daN Rv Rp 100% daN Fig.1.7 Al aumentar la presión al doble se observa que disminuimos en un 70% las resistencias de contactos y tan solo en un 33% la de contacto entre planchas. Obtendremos menos huella pero la energía en la zona de la soldadura es también el 33% inferior por lo que es aconsejable trabajar con una I un 22% mas alta y el calentamiento se distribuirá de formas mas apropiadas a la que nos conviene En principios, las soldaduras de mayor calidad se consiguen con presiones elevadas, con lo cual reducimos las resistencias Rc1 y Rc2, produciendo huellas menores y mayor duración de los electrodos. Al mismo tiempo disminuye, aunque se en menor proporción la Rp por lo que precisamos aplicar mas amperios. Deben elegirse siempre que las características de las maquinas lo permitan, los valores altos de corriente y presión con tiempos cortos. 29 Soldadura por resistencia 1.11 Tiempo de soldadura. Debe de tenerse claro que lo que suelda, lo que genera de calor, lo que se aconseja en las tablas para cada tipo de soldadura son los amperios y el tiempo y el como se aplica y no los Kva. Si el control de la maquina no mide la corriente de soldadura, es muy conveniente disponer de un amperímetro para la puesta a punto de los procesos. Los amperios que se recomienda en las diferentes tablas y publicaciones para cada tipo de soldadura siempre van acompañadas del diámetro de la cara activa del electrodo a emplear, y, se tiene que saber que lo realmente importante es la densidad eléctrica, es decir, los A/mm2 que circulan por la cara activa del electrodo para formar la lenteja. δ= A/ (Dca2 (π/4)) δ= densidad eléctrica. Dca = diámetro de la cara activa. A= intensidad de la soldadura. Como orientación rápida antes de acudir a las tablas y curvas de soldabilidades, estas densidades eléctricas pueden ser del orden de 220 A/mm2 a 320 A/mm2. El objetivo del paso de la corriente es fundir y alcanzar la temperatura de forja en las zona donde se debe crear la lenteja de soldadura por lo que si se aplica un exceso de corriente y o de tiempo se produce una fusión de material superrío a la necesaria, se produce proyecciones de chispas, vaciado de la soldadura, Fig.1.8 y destrucción de la cara activa del electrodo por haberse producido mayor aportación de calor de la necesaria. Fig.1.8 El campo magnético, creado por la circulación de la corriente a través de los electrodos, expulsa el metal fundido a cierta distancia. Todo el metal fundido salvo una columna en el centro del electrodo será expulsado; esto es el chispeo que debe siempre ser evitado Conviene tener el concepto de que una chispa es una porción de material fundido que es expulsada por las fuerzas repelentes que se crean en ella dentro del fuerte campo magnético creado por la corriente de soldadura y que su existencia es indicio de que ha habido fusión de material donde no debía haberla, sea por mal contacto electrodo-pieza o por exceso de corriente o tiempo en la soldadura. 30 Soldadura por resistencia 1.12 Tiempo mantenido de la presión Durante el proceso de soldadura, al iniciarse el paso de la corriente, se inicia un ligero aplastamiento por contacto de superficies, que el eléctrodo debe seguir sin que se pierda la presión en la soldadura, Fig.1.9, y a continuación al dilatarse el material por defecto del calor, aumenta el grueso del material el cual desplaza al electrodo y, al iniciarse la fusión, que formara la lenteja, vuelve a disminuir el grosor. El conjunto de esos movimientos es lo que se llama tiempo mantenido. D es pl az am ie nt o Di lat ac ió n Lenteja 10% perdida de espesor Zona de hermanamien to inicial de la superficies Zona de dilatación previa al inicio de la formación de la lenteja El material se funde y crece la lenteja La presión continua apretando en el material pastoso y crea el reborde del punto. D es pl az am ie nt o Di lat ac ió n Lenteja 10% perdida de espesor Zona de hermanamien to inicial de la superficies Zona de dilatación previa al inicio de la formación de la lenteja El material se funde y crece la lenteja La presión continua apretando en el material pastoso y crea el reborde del punto. Fig.1.9 En las maquinas con brazos, la elasticidad de estos es en general suficientes para seguir estos movimientos; pero en las maquinas de descenso rectilíneo debe tenerse en cuenta esta premisa y usar aquellas que se empleen cilindros u otros medios de presiona de calidad o tengan algún medio elástico en el circuito del esfuerzo, debido a la 31 Soldadura por resistencia importancia que estos ligeros desplazamientos tiene para la soldadura. En la soldadura de aluminio es de vital importancia esta observación 1.13 Tiempo de enfriamiento. El agua no es tan solo para enfriar el cobre del electrodo y evitar su aplastamiento, sino que también tiene como misión, importante e indispensable, el enfriamiento de la pieza a soldar en la zona de contacto con el electrodo para que solidifique la lenteja fundida bajo presión durante el tiempo de mantenimiento inmediato posterior al de soldadura. Mal Correcta Mal Fig. 1.10 El agua debe llegar al electrodo (Fig.1.10), siempre, por el conducto central del porta electrodo y tiene que circular un caudal de 4 a 8 litros por minuto. No basta que la maquina este conectada a la red de agua, tenemos que estar seguros de que circula el caudal suficiente por los electrodos que llegan a estos de forma correcta y que la superficie activa, diámetro de la punta del electrodo que contacta con la pieza, se corresponda con los amperios y esfuerzos que vamos a usar en el soldeo. Un circuito de agua defectuoso, aun cuado circule el caudal correcto en frío, produce bolsas de vapor en los puntos calientes, especialmente en los electrodos en el momento de soldar, no enfriándose justo cuando es mas necesario. En la maquinas de soldar la misión del agua no es solamente la de enfriar la maquina, sino que interviene de forma importante en la calidad de la soldadura obtenida y en la duración de los electrodos, La temperatura del agua en la entrada no debe de sobrepasar los 25ºc y normalmente la presión en la entrada con el agua circulando tiene que ser de 250 kilo pázcales salvo dato diferente del fabricante 32 Soldadura por resistenciaCapitulo II. Como se hace un punto de soladura y recomendaciones para obtenerla en forma adecuada 33 Soldadura por resistencia 2.1 Las piezas a soldar Para unir las piezas con unos puntos de buena calidad también deben exigírseles a estas ciertas condiciones en cuanto a formas, dimensiones y situaciones de los puntos en ellas y, de no poderlos conseguir totalmente se tendrá que estudiar la mejor forma de compensar esa falta de colaboración de las piezas. La distancia entre puntos y hasta los bordes de piezas debe cumplir una determinadas condiciones que en las tablas de valores aconsejados. Para el soldeo ya vienen indicados. A falta de ese dato prever que el centro de la lenteja este, como mínimo, a una distancia del borde mas próximo equivalente de 1.1 a 1.3 veces su diámetro o el de la cara activa del electrodo. Fig. 1.11. 1,1 a 1,3 Dca LB 1,1 a 1,3 Dca LB LB LB LB LB LP LPLP LP LDLD Fig. 1.11 LD es la fusión del espesor del material Tiene que venir debidamente conformadas en operaciones anteriores pues las maquinas de soldadura, salvo excepciones en algunas maquinas especial, no esta prevista para reconformar las piezas que sueldan. Antes de diseñar las piezas que luego deban ser soldadas debe tenerse en cuenta (Fig. 1.12) que determinadas formas no son aptas para ser soldadas o encarecen y complican extraordinariamente el proceso de soldadura. Generalmente dichas formas pueden ser fácilmente modificadas por otras de utilidad similar fácilmente soldables en el momento en que se diseñan. 34 Soldadura por resistencia El fuerte campo electromagnético que producen la corriente durante el soldeo puede mover la pieza si esta no esta previamente sujeta, con lo que se puede producir un desgaste de electrodo y un mal resultado en la soldadura o en la geometría de la pieza final. Las piezas tienen que presentarse limpias, sin pintura, arenillas, aceites no conductores, etc.… A evitar Aconsejado Fig. 1.12 2.2 Aspectos y características El resultado óptimo a conseguir es una lenteja entre las dos piezas a unir formada por un material fundido de ambas. Fig.1.13 El diámetro de la lenteja tiene que ser del orden del 90% al 110% del diámetro de la cara activa del electrodo. El espesor de la lenteja tiene que ser inferior a la suma del espesor del material soldado. Donde se ha aplicado el electrodo queda una huella circular formando por reborde liso, de material no poroso y si grietas que ha sido desplazado hacia los bordes por la presión de los electrodos. 35 Soldadura por resistencia Figura. 1.13 La zona central de la huella tiene que tener un color mas claro que la periferia pues el electrodo la enfría y por lo tanto se oxida menos que esa periferia que no esta en contacto con el electrodo. En chapas y laminas delgadas < 2.5mm un punto bien realizado y roto por tracción. Fig. 1.14., rompe dejando un botón y agujeros en las piezas Zona con cambio de estructura por haber alcanzado 500º a 800º Zona sólida Zona fundida Zona con cambio de estructura por haber alcanzado 500º a 800º Zona sólida Zona fundida Separación entre laminas Espesor de la lenteja Altura de resalte Ø huella Profundidad de la huella Separación entre laminas Espesor de la lenteja Altura de resalte Ø huella Profundidad de la huella Fuerza Fuerza Fig. 1.14 36 Soldadura por resistencia Los bordes cortantes e irregulares solo se producen cuando la fusión ha alcanzado el exterior y ha habido fundición irregular con salida de material fundido al exterior. El espesor más elevado que no dejan botón, la rotura debe ser homogénea y regula, sin cavidades ni defectos. Estamos ante un punto defectuoso si la huella tiene rebordes irregulares, cortantes, que indica que la fusión del material ha alcanzado al electrodo y la superficie exterior de la pieza. También unos bordes muy irregulares con puntas muy oxidadas indican que ha habido proyección de material fundido. Proyección de chispas y por tanto vaciado de materia y mala calidad. Fig.1.15 Una huella que parece correcta pero con su centro ennegrecido muestra que el electrodo no ha enfriado lo suficiente la superficie después de realizar la soldadura. En la zona Inter-planchas Fig. 1.16, junto a la lenteja y para espesores superiores a 1.5mm queda una pequeña separación debido a que el empuje que produce el material al dilatarse por el calor se pude actuar lateralmente. Fig. 1.15 Fig. 1.16. Este efecto es mas acusado cuanta menos conductividad térmica tenga los materiales, como es el caso del acero inoxidable o cuando son de baja resistencia mecánica como es el caso de aluminio. Es difícil de eliminar pero reduce empleando programas de soldadura que proporciona un calentamiento post soldadura para reducir grietas y oquedades simultaneo a la aplicación de un esfuerzo que alcanza a ser del orden del 250% del empleado para soldar. Para el ¿como se hace? El punto de soldadura nos remitimos a la secuencia Fig. 1.17 que debe de estudiarse con atención y ser comprendida por ser básica para el conocimiento de ese tipo de soldadura. Incorrecto Correcto Incorrecto Correcto Cuando se inicia el contacto de los electrodos y antes de aplicar toda la presión solo hace contacto el 10 a 30% de la sección. 1º 37 Soldadura por resistencia Fig. 1.17 Con toda la presión ya ha mejorado la zona de contacto. Al inicio del paso de corriente se centra el calor en las zonas de contacto. Ya se ha formado la lenteja y parte de la huella hay reducción de perdidas en las zonas de contacto y mayor aportación de calor en el material. A la superficie de la pieza se le tiene que robar calor a través del cobre del electrodo y formar una piel que contiene un crisol de metal fundido el cual no debe entrar en contacto con los electrodos. Cuando ha terminado la soldadura los electrodos deben permanecer en contacto un tiempo para disipar el calor de la chapa. Es el tiempo de mantenimiento. 2º 6º 4º 5º 3º La marca en la superficie es visible y debe ser mas clara en el centro que en la periferia. 7º 38 Soldadura por resistencia 2.3 Preparación de equipo para antes de soldar Básicamente tenemos que conocer las regulaciones de tiempos corrientes y presiones que nos piden la hoja de proceso de la pieza, y en el caso de no disponer de dichos datos acudir con las características de la pieza a las tablas de parámetros aconsejados y determinar aquellas que creamos mas adecuadas dentro de los que pueda suministrar la maquina a utilizar. No obstante la existencia de maquinas que no emplean aire comprimido como fuente de energía para generar los esfuerzos necesarios, nos referimos siempre a maquinas que usen el aire comprimido por ser así la inmensa mayoría de las actualmente en funcionamiento. Una premisa básica es que salvo para trabajos cortos o esporádicos los brazos, porta brazos, porta eléctrodos, electrodos etc. Tiene que ser los apropiados para el trabajo a realizar procurando un trabajo cómodo para el operario, una buena accesibilidad para la pieza y que abarquen la minima área posible. Fig. 1.18 Piezas pequeñas brazos Cortos. Pieza grandes brazos largos Piezas con separación de brazos regulables Fig. 1.18 Debe de evitarse la mala costumbre de utilizar siempre la maquina para cualquier tipo de trabajo con la conformidad del 1ª día de uso. En las maquinascon brazo, y de esta especialmente en las piezas, es muy necesario disponer de unos diagramas en los que en función de la longitud de los brazos y la presión de la red de aire se conozca la presión aplicada, y también las carreras de apertura entre los electrodos, distinguen entre la posible gran apertura el acceso a la zona de la pieza a soldar, la necesaria para el trabajo y la que debe reservarse para que con el desgaste de los electrodos nos lleguemos al fin de la carrera utilizable Fig. 1.19 Otro grafico del que se debe disponer es la deformación debida al esfuerzo que estas maquinas no es despreciable Fig. 1.20. Es importante tener en cuenta que durante el montaje y la preparación de la maquina, el contacto y sujeción de los componentes no debe responder tan solo a características mecánicas, pues por buen parte de ese circuito mecánico de esfuerzos y por esas uniones tiene que circular unas elevadas corrientes eléctricas que precisan limpieza y la máxima superficie en los contactos, evitando la interposición de cualquier producto que pueda perjudicar el paso de esa corriente. 39 Soldadura por resistencia Fig.1.19 Fig.1.20 40 Soldadura por resistencia Se comprueba el circuito de agua de refrigeración, con especial atención con los tubos que se enfrían de los electrodos. Fig.1.21., y se hace circular el agua comprobado que circulen correctamente. Fig. 1.21 10 m m ...... d d 10 m m ...... d d Se pone al control en la posición no soldar, se programa todos los tiempos del ciclo de soldadura previsto y se programa que las soldaduras sean de ciclo único, punto a punto. Todavía sin conectar el aire se comprueba que el programa corra bien, se conecta el aire y se regula la presión del manó reductor para disponer de la fuerza que deseamos en la soldadura. Para conocer la fuerza aplicada a la soldadura, las maquinas solo tiene la indicación de la presión de entrada de aire, la cual para cada maquina tiene una relación constante con la fuerza que puede aplicar, no obstante, como un manómetro puede averiarse y también las juntas o guías de un cilindro neumático es muy conveniente disponer de un medido de esfuerzo para comprobar si estamos aplicando el correcto, cuando nos encontramos con alguna soldadura con problemas. Todavía con el control en la posición no soldar se colocan las piezas en la misma forma y en posición que queremos utilizar durante la producción y se comprueba si al aplicar la presión se provoca movimientos que perjudique la maniobra o sea peligrosos para el operador o parel fixture de carga, y, repitiendo varias veces seguidas el ciclo, se comprueba si no cae la presión de la red de aire y el esfuerzo soldando se mantiene. Nos procuramos unos cuantos recortes de lámina o chapas del mismo espesor y acabado superficial que el de las piezas a soldar para realizar con ellas las pruebas de puesta punto de la soldadura. Ponemos el control en posición soldar y regulamos la corriente aproximadamente al 80% del valor que creemos será necesaria, y, ya podemos iniciar el ajuste del tiempo de acercamiento, pues la corriente de soldadura no debe empezar a circular antes de que cilindro toque la pieza, si no cuando esta ya recibe todo el esfuerzo, o sea se ha llenado ya el cilindro a su presión. Le damos un valor muy elevado al tiempo de acercamiento y el tiempo de soldadura lo reducimos a un tercio de su valor para que durante las pruebas del acercamiento no se pueda producir la lenteja de soldadura. Se van realizando ciclos reduciendo cada vez el tiempo de acercamiento hasta que se produce desprendimiento de chispas en los electrodos. Cuando esto ocurre se le añade 41 Soldadura por resistencia un tiempo prudencial a es valor 3 o 4 ciclos, y se comprueba varias veces que no chispea y a ese calor lo dejamos regulado. Ahora ya podemos soldar y para ello iremos aumentando gradualmente el tiempo hasta llegar cerca del teóricamente previsto según las tablas y a partir de ese valor empezaremos a aumentar la corriente hasta que combinando los dos mandos de regulación, tiempo y corriente, alrededor de los valores previstos obtengamos soldadura satisfactorias lo cual comprobaremos con pruebas destructivas El tiempo de mantenimiento debe garantizar que la soldadura se enfríe bajo presión a través del electrodo refrigerando y es suficiente cuando la huella de la soldadura es menos oscura en el centro que la periferia como calor orientado puede regularse en 5 periodos para espesores de .8mm., 10 periodos para las de 1.6mm... y unos 30 para las de 3.3mm. Y ya podemos probar con las piezas a soldar, lo cual puede exigir un ligero ajuste posterior. El ciclo automático, si es necesario, se emplearan después de una corta serie de soldeos realizando punto a punto satisfactoriamente y cuando el operador tenga la practica necesaria. Cuando se trata de utilizar ciclos mas complejos los pasos a realizar son los mismos pero tiene que preverse el tiempo necesario, horas e incluso días para afinar el uso de impulsos, pendiente, incrementos escalonados de corriente, recocidos forjas, etc.…etc. 2.4 Esfuerzo Cuando una soldadura marca mucho, generalmente no se le debe quitar presión a los electrodos, si no añadirle, pues la huella excesiva se ha producido porque la Rc es demasiado grande, se deposita allí mucha energía y el material se reblandece o funde en esa zona de contacto, la cual debería ser la zona mas fría de la soldadura. Recordemos que con la presión que se aplica entre electrodos estos no llega a ni a marcar el hierro en frío. En algunos casos ese exceso de marca o huella puede ser debido a unos valores excesivos de la corriente o del tiempo que han llevado la fusión de la lenteja interior hasta la superficie externa. Para la obtención de buena soldadura los daN/mm2 aplicados son tan importantes como la corriente de paso de esta. 2.5 Agua Es muy importante revisar periódicamente el correcto funcionamiento del circuito del agua, el cual tiene mucha importancia en la calidad d la soldadura y en el consumo de electrodos El tubo que llega hasta interior del electrodo tiene que acabar en pico de flauta y su extremo tiene que estar a una distancia del fondo del electrodo equivalente al diámetro interno del tubo. Fig.1.21 Una irregularidad en la salida del agua o el salir a borbotones mientras se suelda es signo inequívoco de una mala circulación. 42 Soldadura por resistencia 2.6 Corriente Cuando la maquina disponga de tomas de regulación en el transformador conviene usar la de menor tensión posible y emplear el regulador electrónico de intensidad cerca de su máximo. Cuando dentro del área que abarca los brazos queda situada por necesidad del trabajo una apreciable cantidad de hierro de las piezas o fixture, los amperios con que se efectuara esa soldadura será menores que los de soldadura en que utilizar esa soldadura será menores que los de soldadura en que no ocurra esa circunstancia, por lo que puedes tenerse que utilizar un programa distinto con otros parámetros, para soldadura iguales Es importante estudiar y saber aprovechar las posibilidades que ofrezca el control electrónico de la maquina para dosificar de forma apropiada la forma de paso de la corriente. 2.7 Situación de los puntos El punto de soldadura debe darse a una distancia del borde de la pieza, Fig. 1.22 Que evite el vaciado de la lenteja. Si no se puede respetar las distancias aconsejadas pruebe el soldeo con calentamiento previo (solo como orientación, con un 50% de tiempo y de la corriente prevista) para que adapte muy bien las superficies a soldar, y, después de un breve tiempo frío, del orden de tres periodos, soldar con tiempo
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