SOLDADURA
18
Foto: fabricatingandmetalworking.com
Soldadura Resistente Punto por Punto Jose Luis Ordóñez Jiménez Periodista Metal Actual
Para láminas de 0.3 a 3 milímetros de espesor.
Mediante la focalización controlada de calor, energía y presión, la soldadura por puntos produce fusiones rápidas y de gran calidad, con acabados superficiales que no necesitan de limpiezas posteriores, lo que permite a este proceso ser adoptado por diferentes industrias y generar líneas de producción eficientes.
La soldadura por resistencia es uno de los procesos de soldadura más conocidos en la industria metalmecánica, debido a que su aplicación permite la unión de metales mediante presión y focalización de una alta corriente eléctrica, sin la necesidad de utilizar materiales de aporte. El nombre de este proceso, se deriva de la cantidad de calor aportado a la pieza a soldar, que depende directamente de la resistencia que producen los materiales, al momento que una corriente eléctrica los atraviesa. Este proceso de soldeo, proporciona una producción altamente eficiente, debido a que los tiempos para la aplicación de la soldadura son más cortos, comparados con los procesos tradicionales de soldadura. Una de las características que distinguen la soldadura por resistencia de otros procesos de soldeo, es que las superficies a soldar no necesitan ser limpiadas después del procedimiento, por lo que su implementación es adecuada para líneas de producción automatizada en soldaduras con diferentes metales y aceros revestidos.
WWW.METALACTUAL.COM
19
SOLDADURA
Este proceso, permite que se genere menos calor en las zonas que rodean el punto de soldadura, por lo tanto, la expansión térmica focalizada no afecta a otros sectores del metal y permite que la soldadura se solidifique y enfríe de manera rápida.
Corriente +
Estos niveles de resistencias, que se pueden ver en la gráfica 1, se encuentran presentes en el proceso de la soldadura por punto, y están presentes en el volumen del electrodo superior (R1), el contacto entre el electrodo superior y la lámina superior (R2), volumen en la lámina
WWW.METALACTUAL.COM
Electrodo
-
Foto: milcomfg-com
Fuerza
Un proceso que permite una rápida unión entre placas de metal, de manera manual o automatizada.
superior (R3), contacto entre lámina superior e inferior (R4), el volumen de la lámina inferior (R5), contacto entre el electrodo inferior y la lámina inferior (R6), y el volumen del electrodo inferior (R7). A medida que la corriente eléctrica pasa por los diferentes niveles de resistencia, la intensidad de calor generado puede variar por características como el grosor de las placas de metal, la composición de los materiales, condición de la superficie, área de contacto y la presión que se Gráfica 1. Tipos de resistencia en el proceso de soldadura por punto.
Puntos de Gran Firmeza El principio de la soldadura por punto, se basa en la generación de una corriente eléctrica que pasa de electrodo a electrodo a través de los metales, los cuales presentan diversos niveles de resistencia al flujo de corriente eléctrica, lo que genera diferentes niveles de calor a medida que la corriente fluye a través de ellos.
Electrodo Punto de Soldadura Láminas metálicas
R1 R2 R3 R4 R5 R6
R7
La resistencia generada en el proceso, permite determinar el tiempo y presión requerida en el proceso de soldadura por punto.
Foto: Ruukki Resistance Welding Manual
En la técnica conocida como soldadura por punto o spot welding, la corriente eléctrica que fluye por los electrodos genera el calentamiento de las piezas, debido a la resistencia o dificultad del paso de la corriente que presentan los metales, para producir una fusión controlada sin utilizar materiales de aporte. Al mismo tiempo, los electrodos aplican fuerza de manera constante, antes, durante y después de la generación de la corriente eléctrica, para mantener unidas las áreas soldadas.
Fuerza
Foto: 3-bp-blogspot-com
Dentro de los procedimientos que se basan en el principio de la soldadura por resistencia, se encuentra la soldadura por proyección, por roldanas y por punto; este último, del cual hablaremos en este artículo, se desarrolló con el propósito de unir láminas metálicas y varillas delgadas, que no requieren de un ensamble hermético que impida el paso de aire u otros fluidos, en industrias como la aviación, automotriz, construcción de vagones y maquinaria, y en aplicaciones pequeñas como la soldadura de pilas alcalinas.
ejerza sobre la superficie del metal, al momento de aplicar la corriente eléctrica. Es necesario determinar las condiciones de los metales a unir, para emplear las cargas de energía adecuadas; por ejemplo, los espesores de las dos piezas de metal a soldar se suman en rangos de desde 0,5+0,5 mm hasta 7+7 mm, y de esta manera se determina los tiempos y presiones requeridas, para dicho procedimiento. Además de contar con el conocimiento de la relación de resistencia en el proceso de soldadura por punto, conviene tener en cuenta el manejo controlado de otros factores fundamentales como la corriente de energía, presión, tiempo y temperatura, con los que se crean fusiones estables de forma rápida y eficiente. Si estos factores no son utilizados apropiadamente se pueden generar errores como perforaciones y deformación en la superficie de los metales. • Corriente de energía: las máquinas para la soldadura por punto, están equipadas con un transformador de corriente que permite aumentar o disminuir el voltaje de la corriente eléctrica y transferirla a los electrodos, los cuales deben estar posicionados sobre el punto a unir.
SOLDADURA Gráfica 2. Secuencia básica de soldadura por punto (A) Tiempo de pre soldadura
(B) Tiempo de soldadura
(C) Tiempo de post soldadura
(D) Repetición
A. Intervalo de tiempo durante el cual comienzan a acercarse los electrodos y mantienen la presión sobre las piezas, antes de comenzar a circular la corriente de soldadura. B. Intervalo de tiempo en que circula la corriente de soldadura a través de las piezas. C. Tiempo durante el cual los electrodos continúan manteniendo la presión sobre las piezas después de que la corriente deja de circular. D. Intervalo de tiempo en que los electrodos dejan de ejercer presión, y la pieza es retirada para que una nueva sea colocada.
La corriente para generar la fusión de los metales, es aplicada por medio de un impulso que fluye dentro de los electrodos, (Ver gráfica 2), mientras estos ejercen presión a los metales. Dependiendo del espesor de cada pieza, se aplicarán presiones diferentes en los electrodos, para crear distintos niveles de calor y generar la fusión de los metales, lo cual se logra con el paso de un alto valor de corriente, a través de la zona de soldadura, en intervalos de tiempo que pueden ir de los 0,3 segundos a 1,5.
manuales pueden producir desde 1 a 4 kva, mientras que las de pedestal, generan de 20 a 500 kva, • Presión: la presión que se ejerce en este proceso, se hace por medios manuales, mecánicos, neumáticos, hidráulicos o la combinación de estos. Al incrementar la fuerza sobre las placas a soldar, se aumenta el contacto entre ellas, lo que reduce la resistencia de la corriente, y produce una reducción en el diámetro del punto de soldadura.
La medición de esta energía, para la maquinaria de soldadura por punto, está referida en kva –kilovoltioamperios–, que es la unidad de consumo de energía que mide el uso del dispositivo, e indica la eficiencia, consumo o aporte total de la fuente de energía. Las máquinas
Si la presión ejercida en la pieza a soldar está por encima del valor requerido, generará poco calor de soldadura, debido a que disminuye la resistencia de contacto, lo que dará como resultado una fusión inestable. Esta presión está directamente relacionada con los espesores a soldar, (Ver tabla 1).
Tabla 1. Parámetros de soldadura por punto en acero de bajo carbono Espesor de la pieza (mm)
Tiempo de aplicación de la corriente a la pieza (Seg)
Presión sobre los electrodos (Kg/cm2)
0,5 + 0,5
0,2 - 0,3
30 – 40
1 + 1
0,2 - 0,35
80 – 120
2 + 2
0,25 - 0,35
150 – 250
4 + 4
0,8 - 1,1
600 – 800
6 + 6
1,1 - 1,5
900 – 1 200
Fuente: www.soldadura.org.ar
20
Las máquinas de soldadura por punto, están equipados con brazos que sostienen los electrodos sobre la pieza de trabajo, para generar la fuerza requerida en el proceso de soldadura, el cual es controlado por un programa de movimiento con el que cuentan las máquinas automatizadas con pedestal o base. Esta presión puede ser ejercida por una persona de forma manual, lo que genera producciones con tiempos variables, sujetos a la capacidad física del operario. • Tiempo: para una máquina convencional de soldadura por punto, de 60Hz, el tiempo de soldadura es de 10 ciclos por cada milímetro de espesor de lámina. Los ciclos de soldadura se dividen en posicionamiento o acercamiento, fase de soldadura, mantenimiento, enfriamiento y según el espesor de las láminas a soldar, se determinará el tiempo en que la corriente eléctrica fluye por los electrodos, como se observa en la gráfica 3. En la fase de posicionamiento, se produce el acercamiento de los electrodos hasta aprisionar las chapas a soldar; posteriormente en segunda fase de soldadura, se da el paso de la corriente eléctrica a través de los electrodos y las chapas a soldar, produciéndose así el calentamiento las zonas en contacto con los electrodos.
WWW.METALACTUAL.COM
SOLDADURA
En la fase de mantenimiento o forja, se incrementa la presión de los electrodos sobre las chapas, para aprovechar el calentamiento producido en la zona de unión y conseguir el punto de soldadura deseado. Finalmente, en el enfriamiento se produce la reducción de la presión de los electrodos sobre las chapas ya soldadas, lo que permite el posicionamiento de la máquina de soldadura hacia un nuevo punto.
Q = I2 Rt, (Q = calor generado en joules; I = corriente, amperios; R = resistencia total de la pieza de trabajo en ohms; t = duración total de la entrada de calor (tiempo de soldadura) en segundos). El calor generado se utiliza para fundir el metal y se controla por medio del ajuste de la corriente de soldadura, el tiempo de soldadura y el espesor de los metales a fundir, de esta manera el balance de calor debe variar, para cada espesor.
Gráfica 3. Ciclo del Proceso de Soldadura por Punto Fuente: www.soldadura.org.ar
Tabla 2. Propiedades térmicas
• Temperatura: la cantidad de calor generado en un conductor de electricidad, depende de tres factores; la cantidad de la corriente eléctrica, la resistencia de la pieza de trabajo y el período de tiempo de la corriente que pasa a través la pieza de trabajo. La cantidad de 1 23/10/2013 p.m.de la ecuación, calor Aviso_Noviembre-curvas.pdf requerida, se calcula sobre 03:58:08 la base
Metal
Conductividad térmica (27oC)
Punto de fusión
Hierro
0.803
1300 o C
400 ohms
Aluminio
2.37
680 o C
17.6 ohms
Zinc
-
435 o C
22.3 ohms
Cobre
3.98
1115 o C
10.4 ohms
Resistencia eléctrica (Ohms / CMF) (20oC)
Los puntos de fusión, resistencia, y conductividad térmica, son las propiedades específicas utilizadas para producir el punto de fusión exacto para cada metal a fusionar.
La correcta distribución de la corriente, presión, tiempo y temperatura en el proceso, permite la generación de ciclos de soldadura óptimos, para producir fusiones con propiedades de resistencia adecuados.
21
22
SOLDADURA
Conductores de Energía Uno de los componentes más importantes en este proceso son los electrodos, que están diseñados para conducir las corrientes eléctricas, gracias a que su fabricación se basa en aleaciones de cobre con cadmio, cromo, berilio o wolframio, esto con el propósito que los electrodos tengan una baja resistencia a las corrientes que debe transmitir y garantizar que no se deformen por las presiones a las cuales son sometidos, por lo que su dureza está comprendida entre 130 y 160 HB. La geometría y el diámetro de los electrodos de soldadura, tienen un gran impacto en la soldadura, por lo que la proporción entre diámetro del electrodo y el espesor de la pieza, debe ser la correcta para determinar la densidad de la corriente eléctrica; por esta razón existen diversos tipos, tamaños y formas de electrodos –punta, domo, plana–, para que la fuerza aplicada por este, sea suficiente para mantiene el baño de fusión en el punto requerido, de manera que no genere deformaciones de la superficie.
Debido a las altas cargas de calor que soportan los electrodos, al interior de cada uno de ellos se encuentra un tubo de enfriamiento, por el cual circula agua con el propósito de refrigerar el electrodo en el proceso de soldeo, y enfriarlo rápidamente para desarrollar una soldadura continúa y estable. Cabe resaltar, que entre más cerca se encuentre la cara del electrodo del flujo de la corriente de agua, el proceso de enfriamiento será más eficiente.
Es importante tener en cuenta, que el sistema de refrigeración de electrodos en las máquinas de soldadura por punto, debe estar en óptimas condiciones, para disminuir el calor de la superficie de las piezas de trabajo que hacen contacto con los electrodos y preservar la vida útil de los electrodos, debido a que el aumento de la temperatura en este proceso, puede generar un mayor desgaste.
Tal como explica el ingeniero José Fernando Mulett, Director Comercial en Bogotá de Codinter, en Colombia se utiliza frecuentemente la refrigeración por recirculación de agua, pero actualmente existen máquinas con sistemas Intercooler incorporados, los cuales en su interior poseen un líquido refrigerante que permite un enfriamiento más rápido de los electrodos. De igual manera, si el proceso requiere que la temperatura deba bajarse considerablemente, se puede utilizar un sistema Chiller, los cuales son sistemas de refrigeración para procesos industriales que cuenta con agua térmicamente refrigerada.
Los avances tecnológicos han permitido el desarrollo de diversos modelos de máquinas de soldadura por punto, en las cuales el operario puede realizar el ajuste de la fuerza del electrodo sobre el metal, durante el proceso de soldadura, con el propósito de mejorar la conductividad, al controlar los problemas que se pueda presentar la resistencia del material.
Máquinas
Las máquinas de soldadura por punto ejecutan su función mediante un sistema mecánico compuesto por brazos de soporte móviles, con los cuales es presionada la pieza a apuntar; un sistema eléctrico-electrónico
Ejemplos de deformación de los electrodos Área de contacto apropiada
Puntos de soldadura aceptables. Configuración ideal.
Área de contacto 125% más grande
Área de contacto 300% más grande
Área de contacto 400% más pequeña
Sólo el 44% de la fuerza y la corriente requerida es aplicada.
Sólo el 25% de la fuerza y corriente requerida es aplicada.
Exceso en la fuerza y la corriente de un 400%.
Adherencia de la pieza con los electrodos.
No hay buena unión.
Expulsión severa debido a la alta densidad de corriente
Variación de la fuerza y densidad de corriente debido a la falta de mantenimiento del electrodo
WWW.METALACTUAL.COM
Crédito: blog-utp-edu-co
Gráfica 4. Descripción de las máquinas de soldadura por punto.
que involucra el control y transformación de corriente para generar los valores configurados y requeridos en el proceso; sistema de contador y temporización, (Ver gráfica 4). Las partes anteriormente enumeradas varían en dimensiones y especificaciones según la aplicación que requiera el usuario.
Fuente: Fronius Internacional. www.fronius.com
En el mercado existen diferentes tipos de máquinas para desarrollar soldadura por punto, algunas portables que se pueden movilizar al material o pieza a soldar; y otras fijas que son ubicadas en un lugar específico donde se deben transportar las piezas de metal que se requieren apuntar. Cualquiera que sea el tipo de máquina elegido, este proceso permite unir de forma adecuada materiales suaves, galvanizados o inoxidables, en diferentes espesores. (Ver gráfica 5).
Soldadura por punto mediante cinta de proceso perimetral.
WWW.METALACTUAL.COM
24
SOLDADURA
Recomendaciones
Gráfica 5.
Cortesía: Codinter
La soldadura por punto se considera un proceso que no requiere de gran conocimiento por parte de los operarios, quienes no necesitan realizar una preparación especial de los materiales antes de unirlos, pero si deben contar con una capacitación previa para el manejo de las máquinas.
Para el ingeniero de Soporte Técnico Nacional de Sager S.A, Pedro Laborde, representante de la marca Fronius en Colombia, el avance tecnológico en este campo ha proporcionado grandes ventajas al proceso de soldadura por resistencia (soldadura por punto), por lo que actualmente existe una maquina innovadora, la cual posee una cinta de proceso perimetral, alrededor
del electrodo, que proporciona ventajas en el proceso de soldadura, debido a que cada punto se puede reproducir al ciento por ciento, gracias a que la soldadura de cada punto se realiza con un electrodo con poco desgaste; no se producen salpicaduras superficiales y se pueden realizar todo tipo de uniones, incluso aluminio con aluminio o acero con aluminio.
Defectos de soldadura por puntos de resistencia Defecto
Penetración excesiva del electrodo
Aspecto
Causa
Intensidad de soldadura alta.
Intensidad de soldadura alta. Proyección de material fundido
Tiempo de soldadura alto. Presión de apriete de los electrodos baja. Diámetro insuficiente de los electrodos. Mal contacto entre las chapas.
Salpicaduras por expulsión del núcleo
Presión de apriete de los electrodos excesiva.
Intensidad de soldadura baja. Penetración escasa del electrodo
Tiempo de soldadura bajo. Presión de apriete de los electrodos baja.
Con información de www.mapfre.com. Soldaduras por Puntos de Resistencia y por Difusión en la Reparación de Carrocerías
Gracias a la alta velocidad con la que se desarrolla el proceso, los tiempos de soldadura son cortos y se puede adelantar con elevadas velocidades, lo que permite adaptar diferentes tipos de máquinas de soldadura, en instalaciones que desarrollen cadenas de producción en serie. Otra de las ventajas que presenta la soldadura por puntos, es que las uniones se hacen de manera exacta, segura y rápida en materiales, como chapas, perfiles, barras y piezas estampadas; no obstante para un efectivo proceso, se recomienda elegir adecuadamente los electrodos, en cuanto al diámetro y geometría de las puntas, para que estén acorde al espesor del metal a unir. De igual manera, el ajuste en la distancia entre electrodos se debe verificar, para que la presión aplicada sea la necesaria y los electrodos reciban la mayor cantidad de temperatura y no las chapas a soldar. De esta manera, la soldadura por puntos permite la unión de metales con resultados óptimos, y beneficios para un manejo apropiado en los tiempos de producción en industrias que generen constantemente, la unión de placas de metal con pocos milímetros de espesor. Fuentes • Jose Fernando Mulett. Ingeniero. Director Comercial en Bogotá. Codinter
[email protected] • Pedro Laborde. Ingeniero. Soporte Técnico Nacional. Sager S.A. soporte.equipos@sager. com.co • Jorge Ramírez. Ingeniero. Director Ventas en Cali. Codinter.
[email protected] • www.ruukki.com – gys.welding.com - spanish.miyachiunitek.com - blog.utp.edu.co - www.soldadura.org.ar
WWW.METALACTUAL.COM
TRATAMIENTOS
26
Foto: www.ainsmag.co.uk
Martempering y Austempering,
La Transformación Isotérmica del Acero Luisa Fernanda Castro Patiño Periodista Metal Actual
Equilibrio de las propiedades mecánicas.
Algunos industriales del sector metalmecánico desconocen el alcance y ventajas del martempering y el autempering, dos tratamientos térmicos que le proporcionan al acero características físicas especiales que se traducen en mayor calidad y rendimiento en las piezas.
El martempering y austempering son tratamientos isotérmicos que se le aplican a los aceros, con el fin de brindarles propiedades especiales como la tenacidad y resistencia al desgaste, con una reducción importante de las tensiones del temple convencional, una mínima distorsión, buena ductilidad y, prácticamente, sin ningún riesgo de agrietamiento. Su uso en la industria se remonta desde la década de los 30, cuando físicos y estudiosos metalúrgicos trataban de mejorar la calidad de los aceros y aleaciones para obtener piezas con mayores rendimientos en los procesos productivos y solucionar las limitaciones de los métodos tradicionales, especialmente las distorsiones térmicas producidas por una velocidad de enfriamiento drástica.
WWW.METALACTUAL.COM