REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA MINISTERIO DEL PODER POPULAR PARA LA EDUCACIÓN UNIVERSITARIA, CIENCIA Y TECNOLOGÍA UNIVERSIDAD POLITÉCNICA TERRITORIAL “JOSÉ ANTONIO ANZOÁTEGUI” TALLER DE PROCESOS DE MANUFACTURA

TEMA I

Realizado por: Ing. Ricardo Vielma

METALURGIA DE LA SOLDADURA Propiedades de los metales de importancia para el soldador. Propiedades físicas Los metales pueden romperse, doblarse, torcerse, marcarse con indentaciones, rayarse, y dañarse en otras formas. Algunos metales no los parte ni la fuerza de un automóvil, en tanto que otros del mismo tamaño pueden ser doblados por un niño. Algunos metales pueden rayarse con la uña, mientras otros soportan horas de golpeo contra una roca sólida. Con propiedades tan variables, se vuelve un problema el expresar exactamente en unas cuantas palabras que tipo de servicio puede soportar sin fallar una pieza de metal. Resistencia Resistencia, o resistencia mecánica, es la capacidad de un metal para oponerse a su destrucción bajo la acción de cargas externas. El valor de la resistencia indica la fuerza que se requiere para vencer los ligamentos que mantienen unidas las moléculas que forman las estructuras de los cristales. Las fuerzas externas que se pueden presentar en los metales son las de compresión, tensión, torsión, corte o cizalleo y flexión.

Elasticidad Es la capacidad de un metal de volver a su forma original cuando se suprime la fuerza que lo estira, tuerce o aplaste.

Ductilidad Un material dúctil es aquel que puede deformarse permanentemente sin romperse o sin fallar.

Fragilidad La fragilidad es la propiedad contraria a la ductilidad. Los materiales frágiles son substancias que fallan sin deformación permanente apreciable. Una substancia frágil tiene también baja resistencia al choque o al impacto, o sea, a la aplicación rápida de fuerzas. Un ejemplo de metal frágil es la fundición blanca ordinaria de hierro.

Tenacidad Es la propiedad de un metal que le permite soportar esfuerzo considerable, aplicado lenta o súbitamente, en forma continuada o intermitente, y deformarse antes de fallar. La prueba que se usa con más frecuencia para determinar la tenacidad de los metales es la prueba de impacto. Dureza

La dureza es una propiedad con la que debe estar perfectamente famliarizado el soldador. El calor de la soldadura puede cambiar la dureza de los metales que se estén soldando, o el resultado final puede ser una diferencia en dureza entre el metal de soldadura depositado y el metal base. La dureza es la capacidad que tiene un metal para resistir la indentación o la penetración.

Propiedades químicas De las muchas propiedades químicas de un metal, la de importancia para el soldador es la capacidad de metal para resistir la corrosión. Corrosión Es la pérdida paulatina de los metales por combinación lenta y gradual con otros elementos y compuestos químicos. La resistencia a la corrosión es la capacidad de un metal para resistir tal ataque. El ataque químico puede ser producido por un gas o un líquido, ya sea en caliente o en frio. Un gas común, o una combinación d gases, como el aire, o un líquido común, como el agua, pueden hacer que los metales se destruyan por corrosión.

Propiedades eléctricas Las propiedades eléctricas de un metal, de interés para el soladdor, son la resistividad eléctrica del metal y, por consiguiente, su conductividad eléctrica.

Resistencia eléctrica La resistencia eléctrica es la “fricción” que encuentra una corriente eléctrica cuando pasa por un material. A medida que aumenta la resistencia ofrecida por un material, se requiere un voltaje más elevado para forzar una corriente dada (en amperes) a pasar por el metal. Por tanto, en la soldadura por puntos, el mal conductor requiere menos corriente que el buen conductor.

Propiedades térmicas Las propiedades térmicas de importancia para el soldador son la conductividad térmica, el coeficiente de dilatación térmica, la fusibilidad, y el calor de fusión. La conductividad térmica y el coeficiente de dilatación térmica son de gran importancia para el soldador, porque estas propiedades determinan la clase y cantidad de dispositivos de sujeción que se requieren para minimizar la deformación de la pieza de trabajo durante la soldadura. Conductividad térmica La conductividad térmica es una medida de la rapidez a la que fluye el calor por el interior de un material. Se expresa frecuentemente en Btu( unidades térmicas británicas).

Dilatación térmica Es el aumento en las dimensiones de un cuerpo debidas a un cambio de su temperatura.

Fusibilidad Es una medida de la facilidad de fusión.

Calor de fusión Es la cantidad de energía necesaria para cambiar un material de sólido a líquido.

Aspectos metalúrgicos de la soldadura Los aspectos metalúrgicos de lo que tiene lugar en la zona de soldadura durante el enfriamiento difieren algo de los que se observan durante el enfriamiento de una pieza fundida. En la soldadura, el metal fundido se solidifica en cuestión de segundos. La cantidad d metal rara vez excede de una pulgada cúbica. La fuente de calor y el pocillo de material fundido tienen una temperatura considerablemente más elevada que en los hornos de fusión. Como resultado del enfriamiento rápido del pocillo de soldadura, las reacciones químicas que se inician en el metal fundido y en la escoria no tienen tiempo para completarse. La figura 1, muestra algunas alteraciones que ocurren en la estructura de la zona afectada por el calor en un acero con bajo contenido de carbono. Adyacente a la soldadura se encuentra una zona de fusión incompleta (1) en la que el metal se calienta hasta una temperatura elevada y se forman granos gruesos. Al alejarse de la soldadura (2), la temperatura y la magnitud del sobrecalentamiento, y por tanto también el tamaño del grano. En el campo de normalización (3) el grano es fino, ya que el tiempo de calentamiento no es lo suficientemente largo para que se produzca entrecrecimiento entre los granos austeníticos, y el enfriamiento subsecuente expulsa los granos finos de perlita y ferrita. El campo de normalización va seguido por una zona de recristalización incompleta (4), en que los granos de perlita se descomponen en granos aún más finos. La zona recristalización (5) se caracteriza por la recuperación de los granos deformados. Las alteraciones estructurales que ocurren en el área afectada por el calor varían generalmente con el contenido de carbono y de elementos de aleación en un acero.

Figura 1

CLASIFICACIÓN DE LOS PROCESOS DE SOLDADURA

INTRODUCCIÓN A LA SOLDABILIDAD

SOLDABILIDAD DE LOS ACEROS AL CARBONO Y DE BAJA ALEACIÓN El acero El acero es básicamente una aleación de hierro, carbono y otros elementos; el carbono es uno de sus principales elementos químicos, que influye considerablemente sobre sus propiedades y características. La soldabilidad de los aceros depende en alto grado del porcentaje de carbono que contengan. A mayor cantidad de carbono presente en la aleación se dificulta la soldadura, y a menor carbono aumenta la soldabilidad del material.

Clasificación de los aceros  

Aceros al carbono Aceros aleados

Aceros al carbono Son denominados simplemente aceros al carbono, cuando no se especifican ni se garantizan otros elementos aleantes que pudieran contener. Estos aceros obtienen sus propiedades específicamente de su contenido de carbono. Se clasifican, según el porcentaje de carbono, en: a) Aceros de bajo carbono: Son todos los tipos de acero que contienen entre 0,05 y 0,30% de carbono. En nuestro medio son conocidos como aceros dulces o simplemente como fierro dulce o fierro. b) Aceros de mediano carbono: Son todos los tipos de acero que contienen entre el 0,30 - 0,45% de carbono. c) Aceros de alto carbono: Son todos los tipos de acero que poseen entre 0,45 y 0,90% de carbono. d) Aceros de herramientas: Son los aceros que poseen entre el 0,90 y el 1,50% de carbono; generalmente ya contienen otros elementos de aleación, que les proporcionan o mejoran sus propiedades. Aceros aleados Con este nombre genérico son conocidos todos los aceros que, además de contener un determinado porcentaje de carbono, silicio, manganeso, azufre, fósforo, fierro, tienen otros elementos que hacen que el acero adquiera propiedades y características que comúnmente no poseen los aceros ordinarios al carbono. Los aceros aleados se pueden clasificar en 2 grupos, según la suma total de los elementos de aleación que contengan, en la forma siguiente: a) Aceros de baja aleación: Son todos los aceros, cuya suma total de elementos de aleación no sobrepasan el 10%, siendo hierro el restante. Algunos de estos aceros son: acero naval, Cor-Ten, T-1, C1320, 3120, E2517, etc.

b) Aceros de alta aleación: Son todos los aceros, cuya suma total de elementos de aleación sobrepasa el 10%, llegando en algunos casos hasta porcentajes superiores al 40%; tal es el caso de los aceros inoxidables.

Soldabilidad de los aceros de bajo contenido de carbono Estos aceros pueden soldarse con cualquiera de los procesos conocidos, cuya elección está determinada principalmente por la clase de unión, posición de soldadura y costo. Todos los aceros de bajo carbono son soldables con arco eléctrico; pero si el contenido de carbono es demasiado bajo, no resulta conveniente aplicar soldadura de alta velocidad, especialmente en aquellos aceros que tienen menos de 0,13% de carbono y 0,30% d manganeso, en virtud a lo que tienden a desarrollar porosidad interna. Procedimientos de soldar Se emplean las técnicas normales de soldadura, observando las recomendaciones de buena fijación de la pieza, superficies limpias, etc. Un precalentamiento no es necesario, aunque en climas fríos la plancha debe ponerse a temperatura de 25 -30ºC; en cambio, las planchas gruesas de un espesor mayor de 25 mm o juntas muy rígidas si requieren precalentamiento. Es siempre recomendable no soldar planchas gruesas, cuando la temperatura esté por debajo de 0ºC, a no ser que las planchas sean calentadas a más o menos 75ºC.

Soldabilidad de los aceros de mediano y alto contenido de carbono Los aceros de mediano carbono son aquellos, que contienen de 0,30 a 0,45% de carbono. A medida que aumenta la proporción de carbono, aumenta también su capacidad de templabilidad. Son utilizados principalmente para la fabricación de ejes, engranajes, chavetas, piñones, etc. Los aceros de alto carbono tienen de 0,45 a 1,70% C. Es más difícil soldarlos que los de mediano contenido de carbono. Poseen mayor resistencia a la tracción y mayor dureza; son templables. Se emplean en la fabricación de resortes, brocas, mineras, sierras, etc. Los aceros de mayor contenido de carbono (>0,65%) son utilizados, por su alta resistencia y dureza, en la fabricación de herramientas, matrices, etc. En razón a su mayor contenido de carbono, su soldabilidad con electrodos comunes es pobre, necesitándose emplear electrodos especiales. Estos aceros, por el hecho de tener mayor contenido de carbono, se endurecen fácilmente al enfriarse. Al soldar estos aceros se puede observar, que un enfriamiento súbito de la plancha caliente puede dar origen a una zona muy dura y quebradiza en la región de la soldadura, muy especialmente en los aceros de alto carbono. Para evitar tal efecto es necesario uniformizar el calentamiento de la plancha y retardar la velocidad de enfriamiento mediante el precalentamiento y postcalentamiento de la misma. Precalentamiento Consiste en llevar la pieza a una temperatura determinada, antes de iniciar la soldadura propiamente dicha. Se consiguen principalmente dos efectos, que posibilitan la ejecución de una buena soldadura: 

Al estar caliente toda la plancha o pieza, se evita quelas zonas frías absorban violentamente el calor de la zona soldada, enfriándola rápidamente y, en consecuencia, produciendo zonas duras y quebradizas.



Al estar caliente toda la plancha en el momento de terminarse la soldadura, el enfriamiento de toda la pieza es uniforme en todo el conjunto y se produce en forma lenta, ya que no existe absorción de calor de la zona soldada por las zonas frías del resto de la pieza

Temperaturas de precalentamiento Cuando se sueldan planchas de grandes dimensiones o piezas de gran volumen, que requieren precalentamiento, no es necesario precalentar todo el material; es suficiente la aplicación local y progresiva de calor en un área que comprende aproximadamente 100 mm a ambos lados del cordón de soldadura.

Postcalentamiento Es un tratamiento, que consiste en aplicar calor a las piezas después de haber sido soldadas. Este tratamiento puede tener varios fines, como son: regeneración de grano, afinamiento de grano, alivio de tensiones, etc. Pero principalmente se aplica este tratamiento para lograr un alivio de tensiones. Como la temperatura del postcalentamiento está en función del espesor de la plancha, diseño de la junta, dimensión de la pieza y porcentaje de carbono, es conveniente tomar como temperatura referencial los 650ºC. Soldabilidad En los aceros de mayor contenido de carbono puede presentarse una tendencia a las fisuras o rajaduras en el metal base, muy especialmente tratándose de planchas gruesas. El precalentamiento de la pieza y el empleo de electrodos de bajo hidrógeno, especialmente fabricados, reducen esta tendencia al mínimo. El alto contenido de carbono contribuye también a la generación de poros y, en algunos casos, de asperezas en la superficies de la soldadura. Por todos los motivos indicados, en la soldadura de estos aceros deben observarse precauciones especiales, cuando aparecen poros o rajaduras o cuando se manifiesta una tendencia a zonas duras y quebradizas en las zonas ad-yacentes a la unión soldada. Al soldar estos aceros, la temperatura de precalentamiento se mantiene durante todo el proceso de soldadura y, al terminar el trabajo, se debe enfriar la pieza en forma lenta y uniforme hasta la temperatura de un ambiente cerrado, es decir sin corrientes de aire frío. El enfriamiento lento de piezas pequeñas se puede conseguir, recubriendo éstas con arena, cal, asbesto, etc. Cuando se presentan zonas duras, puede recocerse el acero a una temperatura de 590 a 650ºC o más.

Soldabilidad de los aceros de baja aleación Se da el nombre de aceros aleados a los aceros, cuyas propiedades y características son debidas a la presencia de otros elementos, además del carbono, denominados elementos aleantes, Aunque todos los aceros ordinarios al carbono contienen pequeñas cantidades de manganeso (hasta un 0,90% aproximadamente) y de silicio (hasta un0,30% aproximadamente), no se consideran como aceros aleados, ya que la función principal de estos elementos es actuar como desoxidantes, combinándose con el oxígeno y el azufre, reduciendo los efectos perjudiciales de estos elementos. Con la adición de elementos de aleación al acero se pretende conseguir diversas finalidades, destacando entre ellas, por su importancia, las siguientes:       

Un aumento de templabilidad. Mejorar la resistencia a temperatura ambiente. Mejorar las propiedades físicas a cualquier temperatura, alta y baja. Conseguir una tenacidad elevada con un mínimo de dureza o resistencia. Aumentar la resistencia al desgaste. Aumentar la resistencia a la corrosión. Mejorar las propiedades magnéticas.

Los aceros de baja aleación con contenidos de carbono hasta 0,22% no presentan dificultad alguna para la soldadura. Los aceros con el más bajo contenido de carbono de este grupo pueden ser soldados generalmente con los procedimientos estándar, con bastante facilidad, pero es regla el precalentamiento, con precauciones especiales en aceros con más de 0,23% de carbono.

SOLDADURA A GAS (oxicombustible) Descripción del Proceso El proceso de soldadura oxigas mostrado en la figura, consiste en una llama dirigida por un soplete, obtenida por medio de la combustión de los gases oxígeno-acetileno. El intenso calor de la llama funde la superficie del metal base para formar una poza fundida. Con este proceso se puede soldar con o sin material de aporte. El metal de aporte es agregado para cubrir biseles y orificios. A medida que la llama se mueve a lo largo de la unión, el metal base y el metal de aporte se solidifican para producir el cordón. Al soldar cualquier metal se debe escoger el metal de aporte adecuado, que normalmente posee elementos desoxidantes para producir soldaduras de buena calidad. En algunos casos se requiere el uso de fundente para soldar ciertos tipos de metales.

Ventajas y Aplicaciones del Proceso El proceso oxigas posee las siguientes ventajas: el equipo es portátil, económico y puede ser utilizado en toda posición. El proceso oxigas es normalmente usado para soldar metales de hasta 1/4" de espesor. Se puede utilizar también para soldar metales de mayor espesor, pero ello no es recomendable. Su mayor aplicación en la industria se encuentra en el campo de mantención, reparación, soldadura de cañerías de diámetro pequeño y manufacturas livianas. También puede ser usado como fuente de energía calórica, para calentar, doblar, forjar, endurecer, etc. Equipo para Soldadura y Corte Oxigas Es el conjunto de elementos que, agrupados, permiten el paso de gases (Oxigeno-Acetileno) hasta un soplete en cuyo interior se produce la mezcla. La misma, en contacto con una chispa, produce una combustión, base del sistema oxiacetilénico.

Procedimiento Básico de Soldadura Ajuste de llama En soldadura oxiacetilénica se utiliza una llama neutra (3.160° C), o sea, se suministra suficiente oxígeno para realizar la combustión de todo el acetileno presente. Aunque esta situación corresponde a una relación teórica oxígeno/acetileno de 2,5:1, en la práctica parte de la combustión se realiza con oxígeno del aire de modo que: • Se consume iguales cantidades de oxígeno y acetileno (relación 1:1)

• Se produce un efecto de auto-protección, que minimiza la oxidación del metal base La llama carburante con exceso de acetileno se reconoce por una zona intermedia reductora que aparece entre el dardo y el penacho: se utiliza sólo en casos especiales. La llama oxidante, con exceso de oxígeno se reconoce por su dardo y penacho más corto y su sonido más agudo.

Selección de la Boquilla En la selección de la boquilla influyen los siguientes factores: 1. Tipo de material a soldar 2. Espesor del material 3. Tipo de unión (Tope, filete, biselada, etc.) 4. Posición en que se soldará 5. Habilidad del operador

Varillas para Soldadura Oxigas Entre las varillas para este tipo de soldadura tenemos las de Bronce, Níquel-Plata, acero dulce, hierro fundido y aluminio, en los siguientes diámetros: 1,6 mm (1/16") - 2,4 mm (3/32") - 3,2 mm (1/8") 4,0 mm (5/32") - 4,8 mm (3/16") y 6,4 mm (1/4"). El tamaño de varilla adecuada debe ser determinado por:   

El tipo de unión de soldadura El espesor del material La cantidad de aporte requerido

Las varillas o alambres para soldadura a gas son varillas de acero que no tienen recubrimiento alguno. Las varillas de uso común son de las de la clase RG-65 y RG-45. El código indica lo siguiente:

Ejemplo RG-65 R = Varilla desnuda G = Para soldadura a gas 45 = multiplicado por 1000 psi = 45.000 psi, que es la resistencia mínima a la tracción del cordón depositado. Las varillas de la clase RG-65 se emplean para soldadura de aceros al carbono y aceros de bajo contenido de aleación. Se utilizan en láminas, planchas, tubos y ductos. Son de acero de bajo contenido de aleación. Las varillas de la clase RG-45 son de acero simple con bajo contenido de carbono. Estas varillas son para uso general, y pueden usarse para soldar hierro dulce. PRÁCTICAS SEGURAS NADIE DEBE INTENTAR operar cualquier equipo de gas oxicombustible si no está capacitado en su uso correcto o trabaja bajo supervisión competente. Es de primordial importancia seguir al pie de la letra las instrucciones de operación del fabricante y sus recomendaciones para un uso seguro. EI oxígeno por sí solo no arde ni explota, pero si sustenta la combustión. El oxígeno a alta presión puede reaccionar violentamente con aceites, grasas u otros materiales combustibles. Los cilindros, conexiones y todo el demás equipo que se use con oxígeno deben mantenerse siempre alejado de aceites, grasas y otros contaminantes. Los cilindros de oxigeno nunca deben almacenarse cerca de materiales muy combustibles. Nunca debe usarse oxígeno para operar herramientas neumáticas, arrancar motores de combustión interna, purgar tuberías, quitar el polvo a la ropa y demás usos potencialmente peligrosos. El acetileno es un gas combustible y arde con facilidad; por tanto, debe mantenerse alejado de todas las flamas abiertas. Las presiones de los cilindros y los múltiples de acetileno siempre deben reducirse mediante reguladores reductores de presión. Los cilindros siempre deben protegerse contra temperaturas elevada. Todos los cilindros de gas deben almacenarse en lugares bien ventilados, limpios y secos, libres de otros materiales combustibles. Los cilindros deben almacenarse y usarse con el extremo de la válvula hacia arriba. Todos los cilindros de gas combustible licuado deben usarse en posición parada. Si estos cilindros se colocan de costado, es posible extraer de ellos líquido, en vez de vapor; esto podría dañar el equipo y producir una flama grande e incontrolable. El carburo suelto nunca debe tirarse ni permanecer en los pisos porque absorberá humedad del aire y generará acetileno. El acetileno en contacto con cobre, mercurio o plata puede formar acetiluros, sobre todo si hay impurezas presentes. Estos compuestos son muy explosivos y pueden detonarse con un choque ligero o por aplicación de calor. No se debe usar en ningún sistema de acetileno aleaciones que contengan más del 67% de cobre, excepto en las puntas y las boquillas. Cuando se extrae gas de un cilindro de acetileno que descansa sobre su costado, se puede extraer acetona junto con el acetileno, como ya se explicó. Esto puede dañar el equipo o contaminar la flama, con el consecuente menoscabo de la calidad de la soldadura. Los cilindros de otros gases combustibles también están a presión y deben manejarse con cuidado. Todos ellos deben almacenarse en lugares limpios, secos y bien ventilados.

Los cilindros de oxígeno refrigerados tienen doble pared, como las botellas “termo”, con vacío entre la pared interior y la exterior. Se deben manejar con extremo cuidado a fin de evitar que se dañen los conductos internos y se pierda vacío. Estos cilindros siempre deben transportarse y usarse en la posición parada. Los cilindros pueden ser un peligro importante si se vuelcan, y hay que tomar medidas para minimizar esta posibilidad. Si la válvula del cilindro se rompe de resultas de una caída, el gas que escape podrá convertir el cilindro en un peligroso proyectil. Es práctica estándar asegurar los cilindros en un carrito de cilindros o fijarlos a un soporte rígido.