La Soldadura

INDICE
1. Introducción.
1.1. Teoría de la soldadura.
1.2. Términos y definiciones.
2. Tipos de soldadura.
2.1. Soldadura por fusión.
6.2.1 Soldadura con arco eléctrico.
6.2.1 Soldadura con resistencia.
6.2.1 Soldadura con oxígeno y gas combustible.
6.2.1 Soldadura aluminotérmica.
6.2.1 Otros procesos de soldadura por fusión.
2.2. Soldadura de estado sólido.
6.2.1 Soldadura por difusión.
6.2.1 Soldadura por fricción.
6.2.1 Soldadura ultrasónica.
3. La unión por soldadura.
3.1. Unión empalmada.
3.2. Unión de esquina.
3.3. Unión superpuesta.
3.4. Unión en “T”.
3.5. Unión de bordes.
Tecnología de Fabricación.
Procesos de soldadura.
4. Forma de soldadura.
4.1. Soldadura de filete.
4.2. Soldadura con surco o ranura.
4.3. Soldadura con insertos y soldaduras ranuradas.
4.4. Soldadura con puntos.
4.5. Soldadura engargolada.
4.6. Soldadura de superficie.
5. Símbolos de soldadura.
6. Procesos de soldadura.
6.1. Soldadura por fusión.
6.1.1. Soldadura con arco eléctrico.
6.1.1.1. Soldadura en arco con electrodo recubierto.
6.1.1.2. Soldadura en arco con protección gaseosa.
6.1.2. Soldadura con resistencia.
6.1.3. Soldadura con oxígeno y gas combustible.
6.1.4. Soldadura aluminotérmica.
6.1.5. Otros tipos de soldadura.
6.2.
Soldadura de estado sólido.
6.2.1. Soldadura por difusión.
6.2.2. Soldadura por fricción.
6.2.3. Soldadura ultrasónica.
Autor: Luis Yagüe Muñoz
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Tecnología de Fabricación.
7.
8.
Procesos de soldadura.
Métodos para pruebas no destructivas.
7.2.
Inspección visual.
7.3.
Líquidos penetrantes.
7.4.
Pruebas magnéticas.
7.5.
Ultrasonidos.
7.6.
Radiografía.
7.7.
Pruebas electromagnéticas.
7.8.
Pruebas de fuga.
7.9.
Emisión acústica.
7.10.
Rayos infrarrojos.
Referencias.
Autor: Luis Yagüe Muñoz
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Tecnología de Fabricación.
Procesos de soldadura.
1. Introducción
La soldadura es un proceso de unión de materiales, en el cual se funden las
superficies de contacto de dos o más partes mediante la aplicación de calor o precisión.
La integración de las partes que se unen mediante soldadura se llama ensamble soldado.
Muchos procesos de soldadura se obtienen solamente por el calor sin aplicar presión.
Otros se obtienen mediante una combinación de calor y presión, y unos únicamente por
presión sin aportar calor externo.
En algunos casos se agrega un material de aporte o relleno para facilitar la
fusión. La soldadura se asocia con partes metálicas, pero el proceso también se usa
para unir plásticos.
La soldadura es un proceso importante en la industria por diferentes motivos:
- Proporciona una unión permanente y las partes soldadas se vuelven una sola unidad.
- La unión soldada puede ser más fuerte que los materiales originales si se usa un material
de relleno que tenga propiedades de resistencia superiores a la de los metales originales y
se aplican las técnicas correctas de soldar.
-La soldadura es la forma más económica de unir componentes. Los métodos alternativos
requieren las alteraciones más complejas de las formas (Ej. Taladrado de orificios y adición
de sujetadores: remaches y tuercas).
El ensamble mecánico es más pesado que la
soldadura.
- La soldadura no se limita al ambiente de fabrica, se puede realizar en el campo.
Además de las ventajas indicadas, tiene también desventajas:
- La mayoría de las operaciones de soldadura se hacen manualmente, lo cual implica alto
costo de mano de obra. Hay soldaduras especiales y la realizan personas muy calificadas
- La soldadura implica el uso de energía y es peligroso.
- Por ser una unión permanente, no permite un desensamble adecuado. En los casos
cuando es necesario mantenimiento en un producto no debe utilizarse la soldadura como
método de ensamble.
- La unión soldada puede tener defectos de calidad que son difíciles de detectar. Estos
defectos reducen la resistencia de la unión.
Autor: Luis Yagüe Muñoz
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Tecnología de Fabricación.
1.1.
Procesos de soldadura.
Teoría de la soldadura.
Antes de hacer una unión, es necesario que la soldadura ”moje” los metales básicos
o metales base que formaran la unión. Este es el factor mas importante al soldar. Al soldar
se forma una unión intermolecular entre la soldadura y el metal. Las moléculas de soldadura
penetran la estructura del metal base para formar una estructura sólida, totalmente metálica.
Capas Intermetalicas:
-Es una unión de soldadura se forma una capa de compuesto intermetálico entre el estaño y
el metal base.
- La velocidad de crecimiento de la capa intermetálica se incrementa al aumentar la
temperatura.
Si la soldadura se limpia mientras esta aun derretida, será imposible retirarla
completamente. Se ha vuelto una parte integral de la base. Si un metal graso se sumerge en
agua no se “mojara” no importa que tan delgado sea el aceite, se formarán bolitas de agua
que se pueden sacudir de la superficie. Si el metal se lava en agua caliente utilizando
detergente y se seca con cuidado, sumergiéndolo de Nuevo en agua, el líquido se extenderá
completamente sobre la superficie y formara una pequeña capa. Esta capa de agua no se
puede quitar a menos que se seque. El material esta entonces “mojado”. Cuando el agua
moje el metal entonces esta perfectamente limpio, de tal forma la soldadura mojara el metal
cuando las superficies de la soldadura y del metal están completamente limpias. El nivel de
limpieza que se requiere es mucho mayor que con el agua sobre el metal. Para tener una
Buena unión de soldadura, no debe de existir nada entre los dos metales. Casi todos los
metales se oxidan con la exposición al aire y hasta la capa mas delgada impedirá que la
soldadura moje el metal.
Autor: Luis Yagüe Muñoz
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Tecnología de Fabricación.
Procesos de soldadura.
Wetting:
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Es la acción que tiene
lugar
entre
la
soldadura líquida y la
superficie sólida de la
parte a ser soldada.
Dewetting:
Fenómeno
en
la
cual
la
soldadura fundida se retira de
una
superficie
previamente
mojada.
Causas posibles son superficies
intermetálicas
pasivadas
en
PCB’s con HASL, metal base
oxidado en las terminales de los
componentes y otras superficies
metálicas, etc.
9
9
Capa de Oxido
No Wetting:
9
Autor: Luis Yagüe Muñoz
Cualquier contaminante
como óxido en la
superficie
a
ser
soldada
será
una
barrera que impedirá
el mojado.
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Tecnología de Fabricación.
Procesos de soldadura.
El flux o desoxidante sobrepasa la mayor parte de este problema, como se vera
mas adelante.
Cuando se unen dos superficies limpias de metal y se sumergen en soldadura
fundida, la soldadura mojara el metal y subirá hasta llenar los espacios entre las superficies
contiguas. A esto se le conoce como la acción capilar. Si las superficies no están limpias,
no ocurrirá la operación de mojado y la soldadura no llenara la unión. Cuando las tablillas
con orificios cromados por una ola de soldadura, es esta fuerza la que llena los orificios y
produce un llenado en la superficie superior. La presión de la ola no es lo que produce, esto
si no la acción capilar de la soldadura.
Todos hemos visto insectos que caminan sobre la superficie de un estanque sin
mojarse las patas. Ellos se apoyan sobre una capa o fuerza invisible llamada tensión de la
superficie. Esta es la misma que hace que el agua se conserve en bolitas sobre el metal
aceitoso. La tensión de la superficie es la capa delgada que se ve sobre la superficie de la
soldadura derretida. Los contaminantes de la soldadura pueden incrementar la tensión de la
superficie y la mayoría pueden controlarse cuidadosamente. La temperatura de la soldadura
también afectara la tensión de la superficie, reduciéndola al incrementar su temperatura.
Este efecto es pequeño comparado al de la oxidación.
Autor: Luis Yagüe Muñoz
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Tecnología de Fabricación.
Procesos de soldadura.
1.2. Términos y definiciones.
Las definiciones de los términos aquí indicadas, son una selección de los más
utilizados, entre los más de 700 que figuran en el Manual de Terminología publicado por
AENOR como norma UNE 14.100.
El objetivo primordial de este glosario es el de ayudar en la comunicación de la
información de las actividades de soldeo y de la propia soldadura, tanto en su aspecto oral
como escrito. Su empleo es particularmente importante en la escritura de reglamentaciones
(códigos, normas, especificaciones, prácticas recomendadas, métodos, clasificaciones y
guías) y de cualesquiera otros documentos con ellos relacionados.
Para hacer más útil este glosario, los términos están ordenados por orden alfabético
a la manera de un diccionario convencional. Por otra parte, hay que tener en cuenta que
sólo aparecen términos genéricos y sus definiciones, con objeto de que, sin perder el rigor
exigido, tenga una adecuada manejabilidad; por lo tanto, no están incluidas las
numerosísimas variantes de los términos indicados, utilizadas comúnmente para describir
las diferentes formas de aplicar los procesos de soldeo, equipos y metales de aportación.
Alambre de soldeo: Material de aportación obtenido por trefilado y suministrado
generalmente enrollado, formando bobinas.
Angulo de bisel: Angulo formado entre el borde recto preparado de una pieza y un plano
perpendicular a la superficie de la misma.
Angulo de trabajo: Angulo que mide la inclinación del electrodo con respecto al plano
perpendicular que contiene al cordón de soldadura.
“Nota: Este ángulo se puede emplear para definir la posición de los sopletes, pistolas, haces
de alta energía, varillas de soldadura y pistolas de corte y proyección térmica”.
Anillo soporte: Soporte anular para el cordón de soldadura, utilizado generalmente en el
soldeo de tuberías.
Atmósfera protectora: Entorno de gas protector, que rodea parcial o totalmente a la pieza
a soldar, cortar o proyectar térmicamente, con características controladas de composición
química, punto de rocío, presión, etc. Entre otros ejemplos están: los gases inertes,
hidrocarburos, hidrógeno, vacío, etc.
Baño de metal fundido: Estado líquido previo de una soldadura, que posteriormente
solidificará para formar la unión.
Autor: Luis Yagüe Muñoz
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Tecnología de Fabricación.
Procesos de soldadura.
Bisel: Tipo de preparación de borde en forma angular.
Boquilla de la pistola: Parte extrema de la pistola de soldar o cortar, por donde salen los
gases.
Cualificación del procedimiento: Conjunto de acciones tendentes a comprobar que las
uniones soldadas, realizadas por un determinado procedimiento pueden cumplir unas
normas específicas.
Cualificación del soldador: Demostración de la habilidad de un soldador para realizar
soldaduras cumpliendo normas establecidas.
Ciclo térmico: Variaciones de la temperatura, entre límites determinados, a que se somete
un producto en función del tiempo.
Cordón de soldadura: Metal aportado en una pasada.
Corriente de soldeo: Corriente eléctrica que circula por el circuito de soldeo durante la
realización de una unión soldada. En el soldeo por resistencia no se incluye, en este
concepto, la corriente utilizada durante los intervalos de pre y postsoldadura. En el soldeo
automático por arco, se excluye la corriente utilizada durante el inicio, ascenso, descenso y
rellenado de cráter.
Corte oxiacetilénico: Proceso de corte para separar metales, mediante la reacción química
entre el oxígeno y el metal base a temperaturas elevadas. La temperatura necesaria se
mantiene mediante la llama resultante de la combustión del acetileno con el oxígeno.
Corte por arco-aire: Proceso de corte por arco, en el cual los metales son fundidos por el
calor del arco eléctrico, que se establece entre un electrodo de un grafito y el metal a cortar.
La parte fundida es expulsada por un chorro de aire.
Corte por plasma: Proceso de corte por arco que separa el metal, mediante la fusión de
una zona localizada por un arco restringido y expulsándose el material fundido por la
inyección a alta velocidad de un gas caliente e ionizado, que sale por el orificio de la tobera
de corte.
Cráter: En el soldeo por arco, la depresión al final del cordón de soldadura o del baño de
fusión.
Defecto: Discontinuidad o discontinuidades que por sí o por efecto acumulativo, pueden
hacer que una pieza o producto no alcance las especificaciones o valores mínimos de
aceptación.
Dilución: Cantidad de metal base y/o de metal depositado previamente que se incorporan al
baño de fusión, modificando, en su caso, la composición química del metal de aportación.
Se expresa habitualmente en porcentajes, que representan la cantidad relativa del metal
base o del metal depositado previamente que se incorpora al baño de fusión.
Autor: Luis Yagüe Muñoz
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Tecnología de Fabricación.
Procesos de soldadura.
Discontinuidad: Interrupción en la estructura de una soldadura, tal como: falta de
homogeneidad mecánica, metalúrgica o características físicas del material base o de la
propia soldadura. Una discontinuidad no tiene que ser necesariamente un defecto.
Electrodo revestido: Varilla metálica recubierta de una capa exterior (recubrimiento), con
componentes formadores de escoria en el metal aportado por soldadura. El recubrimiento
tiene diversas funciones, tales como: protección de la atmósfera exterior, desoxidación,
estabilización del arco, facilitar el soldeo en posiciones distintas a la horizontal y aportar
elementos metálicos al cordón de soldadura.
Electrodo tubular con relleno metálico: Electrodo metálico de aporte, de forma tubular,
relleno de elementos de aleación, con eventual adición de pequeñas cantidades de
fundentes y estabilizadores de arco. Puede precisar o no protección gaseosa.
Electrodo tubular relleno de fundente: Electrodo metálico de aporte, de forma tubular,
relleno de fundentes. Las funciones de este relleno son tales como: protección de la
atmósfera exterior, desoxidación del baño y estabilización del arco.
Especificación del procedimiento de soldeo: Documento que facilita con detalle las
variables requeridas para asegurar la repetitividad en una aplicación específica.
Fundente: Producto que se puede añadir durante el proceso de soldeo con la finalidad de
proteger, limpiar, alear o modificar las características de mojado de las superficies.
Galga de soldadura: Dispositivo diseñado para verificar la dimensión y forma de las
soldaduras.
Garganta teórica: Distancia mínima entre el origen de la raíz de la unión y la hipotenusa del
mayor triángulo que pueda inscribirse dentro de la sección transversal de la soldadura de
rincón.
Gas de protección: Gas utilizado para prevenir la contaminación de la soldadura por la
atmósfera.
Inserto consumible: Metal de aportación, colocado antes de soldar, que se funde
completamente en la raíz de la unión, convirtiéndose en parte de la misma.
Metal base: Material que va a ser sometido a cualquier operación de soldeo, corte, etc.
Metal de aportación: Material que se aporta en cualquier operación o proceso de soldeo.
Metal de soldadura: Zona de la unión fundida durante el soldeo.
Metal depositado: Metal de aportación que ha sido añadido durante la operación de soldeo.
Oxicorte: Nombre genérico para procesos de corte, utilizados para separar o eliminar
metales por medio dela reacción química del oxígeno con el metal base a temperaturas
elevadas. En el caso de metales resistentes a la oxidación, la reacción viene facilitada por el
empleo de un fundente o polvo metálico.
Autor: Luis Yagüe Muñoz
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Tecnología de Fabricación.
Procesos de soldadura.
Pasada: Cada una de las capas que se depositan para realizar una unión soldada con
electrodo, soplete, pistola, haz de alta energía, etc.
Pistola: Util empleado en el soldeo para transferir la energía y eventualmente los gases de
protección en los diferentes procedimientos de soldeo.
Post-calentamiento: Aplicación de calor después de la operación de soldeo, proyección
térmica o corte, con finalidad de eliminar tensiones o variar las estructuras metalográficas.
Precalentamiento: Aplicación de calor al metal base inmediatamente antes de la operación
de soldeo, proyección térmica o corte, para conseguir la temperatura óptima de trabajo.
Preparación de la unión: Operación que consiste en preparar los bordes y disponerlos
según el perfil que se va a dar a la unión.
Procedimiento cualificado: Aquel que está aceptado en base a cumplir unos determinados
requisitos.
Procedimiento de soldeo: Métodos y prácticas detallados involucrados en la realización de
un conjunto soldado. Véase "especificación del procedimiento de soldeo".
Raíz de la soldadura: Son los puntos, en una sección transversal, resultantes de la
intersección de la parte posterior de la soldadura con las superficies del metal base.
Raíz de la unión: Zona de la unión a soldar en la que las piezas a unir están más próximas.
En una sección transversal, la raíz de la junta puede ser un punto, una línea o un área.
Registro del procedimiento de soldeo: Documento que especifica las variables de soldeo
para producir una unión de ensayo aceptable, y de los resultados de los ensayos efectuados
sobre esa unión para cualificar el procedimiento de soldeo.
Secuencias de soldeo: Orden de ejecución de las uniones o de los cordones en un
conjunto soldado.
Soldabilidad: Capacidad de un material para ser soldado bajo las condiciones de
fabricación impuestas a una determinada estructura diseñada adecuadamente y para
funcionar satisfactoriamente en las condiciones de servicio previstas.
Soldador: Persona que realiza el soldeo. Término genérico utilizado tanto para los
soldadores manuales como para los operadores de soldeo.
Soldadura: Efecto de aplicar un proceso de soldeo. Coalescencia localizada de metales o
no metales, producida por calentamiento de los materiales a temperaturas adecuadas, con o
sin la aplicación de presión, o por la aplicación de presión únicamente, y con o sin el empleo
de material de aportación.
Soldadura autógena: Unión efectuada por fusión y sin aporte de material. También es un
término, normalmente mal utilizado, para referirse a las soldaduras fuertes, blandas y
soldaduras realizadas con soplete.
Autor: Luis Yagüe Muñoz
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Tecnología de Fabricación.
Procesos de soldadura.
Soldadura en ángulo: Soldadura para unir superficies que formen entre ellas un ángulo
recto, aproximadamente, cuya sección transversal es sensiblemente triangular, y que se
puede realizar en uniones a solape, en T, o en esquina.
Soldadura fuerte: Soldadura realizada por calentamiento a temperatura adecuada de las
partes a unir y utilizando un metal de aportación que funde a una temperatura por encima de
450oC (840oF) e inferior a la de fusión del material base. Las superficies de las piezas a unir
deben estar muy próximas entre sí, para que el metal de aportación difunda por capilaridad
entre ellas.
Soldadura por puntos: Unión entre dos superficies a tope o a solape, en la cual la fusión
proviene de las dos caras o de una de ellas.
Soldadura provisional: Soldadura efectuada para sujetar una o varias piezas, de forma
temporal, a un conjunto soldado para su manipulación o envío a obra.
Soldeo: Acción de realizar una soldadura. Proceso de unión que origina la coalescencia de
materiales calentándolos a temperatura adecuada, con o sin la aplicación de presión, o por
la aplicación de presión únicamente, y con o sin el empleo de material de aportación.
Soldeo automático: Proceso de unión en el que el operario se limita a fijar los parámetros
iniciales de soldeo y al seguimiento de la operación.
Soldeo blando: Grupo de procesos de unión, que origina la coalescencia de materiales
calentándolos a la temperatura adecuada de las partes a unir y utilizando un metal de
aportación, que funde a una temperatura inferior a 450oC (840oF) e inferior, también, a la de
fusión del material base. Las superficies de las piezas a unir deben estar muy próximas
entre sí, para que el metal de aportación difunda por capilaridad entre ellas.
Soldeo con CO2: Variante del proceso de soldeo por arco con gas, que emplea el CO2
como gas protector.
Soldeo por rayo láser: Proceso de soldeo que produce una coalescencia de los materiales
con el calor obtenido por la aplicación de una radiación láser, que incide sobre la unión.
Soldeo de espárragos: Término genérico para designar la unión de un perno, conector,
espárrago metálico o pieza similar, a otra pieza. El soldeo puede efectuarse mediante arco
eléctrico, fricción u otros procesos, con o sin la utilización de un gas de protección.
Soldeo en estado sólido: Grupo de procesos de soldeo que producen la coalescencia
mediante la aplicación de presión a una temperatura inferior a las de fusión de los materiales
base y de aportación.
Soldeo en frío: Proceso de soldeo en estado sólido en el que se emplea presión para
producir una unión a temperatura ambiente con una deformación de mayor o menor grado
en la soldadura. Véase "soldeo por forja" y "soldeo por difusión".
Autor: Luis Yagüe Muñoz
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Tecnología de Fabricación.
Procesos de soldadura.
Soldeo fuerte: Grupo de procesos de unión, que origina la coalescencia de materiales
calentándolos a la temperatura adecuada de las partes a unir y utilizando un metal de
aportación que funde a una temperatura por encima de 450oC (840oF) e inferior a la de
fusión del material base. Las superficies de las piezas a unir deben estar muy próximas
entre sí, para que el metal de aportación difunda por capilaridad entre ellas.
Soldeo hacia adelante: Técnica de soldeo, en la cual el electrodo o la pistola se dirige en el
mismo sentido que el de avance de la soldadura. Véase "ángulo de trabajo".
Soldeo hacia atrás: Técnica de soldeo, en la cual el electrodo o pistola se dirige en sentido
contrario al de avance de la soldadura. Véase "ángulo de trabajo".
Soldeo MIG: Término habitualmente utilizado para el soldeo semiautomático con gas inerte.
Soldeo oxiacetilénico: Proceso de soldeo oxigas que utiliza el acetileno como gas
combustible. Este proceso se utiliza sin presión y con o sin metal de aportación.
Soldeo oxi-gas: Grupo de procesos de soldeo en el que la coalescencia de las piezas se
produce por calentamiento de una llama oxigás. Los procesos se utilizan con o sin
aplicación de presión y con o sin metal de aportación.
Soldeo por arco: Grupo de procesos de soldeo que producen la coalescencia de las piezas
mediante el calentamiento con un arco eléctrico. Estos procesos se utilizan con o sin
aplicación de presión y con o sin metal de aportación.
Soldeo por arco con electrodo de volframio: Procesos de soldeo por arco eléctrico, en
los que el arco se establece entre un electrodo de volframio, no consumible, y el baño de
fusión. Este proceso se utiliza con protección de gas y sin aplicación de presión y con o sin
material de aportación. Véase "soldeo por arco con hilo caliente".
Soldeo por arco con electrodo revestido: Proceso de soldeo por arco eléctrico, en el que
el arco se establece entre el electrodo revestido y el baño de fusión. Este proceso se utiliza
con la protección producida por la descomposición del revestimiento del electrodo, sin
aplicación de presión y con la adición de metal de aportación desde el electrodo.
Soldeo por arco con gas: Procesos de soldeo por arco eléctrico, en los que el arco se
establece entre un metal de aporte continuo consumible y el baño de fusión. Estos procesos
se utilizan con la protección procedente de una fuente de gas externa y sin aplicación de
presión.
Soldeo por arco con alambre caliente: Variante del proceso de soldeo por fusión, en la
que el alambre/electrodo se calienta por resistencia, mediante el paso de una corriente,
mientras se aporta al baño de fusión.
Soldeo por arco con alambre tubular: Proceso de soldeo por arco eléctrico, en el que el
arco se establece entre un alambre/electrodo tubular continuo, consumible, y el baño de
fusión. Este proceso se utiliza con la protección gaseosa producida por la descomposición
Autor: Luis Yagüe Muñoz
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Tecnología de Fabricación.
Procesos de soldadura.
del fundente contenido en el interior del electrodo tubular, con o sin protección adicional de
una fuente externa de gas y sin la aplicación de presión. Véase "electrodo tubular con
relleno metálico" y "electrodo tubular con relleno de fundente".
Soldeo por arco con protección gaseosa: Nombre genérico para designar los procesos
de soldeo por electrogás, soldeo por arco con alambre tubular, soldeo por arco con gas,
soldeo por arco con electrodo de tungsteno y soldeo por arco plasma.
Soldeo por arco plasma: Proceso de soldeo por arco eléctrico que utiliza un arco
constreñido entre un electrodo no consumible y el baño de fusión (arco transferido), o entre
el electrodo y la boquilla constrictora (arco no transferido). La protección de gas ionizado,
suministrado por la pistola, puede complementarse con una fuente auxiliar de gas protector.
El proceso se utiliza sin aplicación de presión y con o sin metal de aportación. Véase "soldeo
por arco con hilo caliente".
Soldeo por arco pulsado: Variante del proceso de soldeo por arco, donde la intensidad de
corriente se programa por pulsos periódicos, de forma que pueden utilizarse grandes
impulsos de corta duración. Véase "TIG pulsado" y "MIG pulsado".
Soldeo por arco sumergido: Proceso de soldeo por arco que utiliza uno o más arcos
eléctricos entre uno o varios electrodos desnudos y el baño fundido. El arco y el baño
fundido se protegen con una capa de fundente granular depositado sobre las piezas. El
proceso se utiliza sin aplicación de presión y con adición de metal de aporte, procedente del
electrodo y a veces de otras fuentes, tales como: varillas, fundente o gránulos metálicos.
Véase "soldeo por arco con hilo caliente".
Soldeo por chisporroteo: Proceso de soldeo por resistencia, que produce una soldadura
en las caras enfrentadas de una unión a tope, mediante el paso de densidades de corrientes
elevadas en los pequeños puntos de contacto entre las piezas a unir y por la aplicación de
presión, una vez que se alcanza la temperatura adecuada. La soldadura se completa por
una rápido recalcado de las partes a unir.
Soldeo por difusión: Proceso de soldeo en estado sólido que produce la unión mediante la
aplicación de presión a temperatura elevada sin deformación aparente o desplazamiento
relativo de las piezas. Puede efectuarse intercalando un metal de aporte entre las
superficies a unir. Véase "soldeo en frío" y "soldeo por forja".
Soldeo por electroescoria: Proceso de soldeo por fusión, que produce coalescencia de los
metales con la fusión de una escoria, que a su vez funde el metal de aportación y las
superficies a unir. El baño de fusión, que avanza de abajo hacia arriba, está protegido por
esta escoria. El proceso se inicia por un arco que calienta la escoria. Cuando se extingue el
arco, la escoria semifundida permite el paso de la corriente de soldeo.
Autor: Luis Yagüe Muñoz
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Tecnología de Fabricación.
Procesos de soldadura.
Soldeo por electrogas: Proceso de soldeo por arco, que se establece entre un electrodo de
aportación continua y el baño fundido. La soldadura se realiza en vertical ascendente,
utilizando unos soportes para la retención del baño. El proceso se realiza con o sin gas de
protección y sin aplicación de presión.
Soldeo por explosión: Proceso de soldeo por presión en estado sólido, en el que la unión
se produce por el impacto a alta velocidad de las piezas a unir, como resultado de la
detonación de una carga de características adecuadas.
Soldeo por forja: Proceso de soldeo por presión en estado sólido que produce una unión
por calentamiento, a la temperatura adecuada, de las piezas a unir y por la aplicación de un
esfuerzo mecánico o impacto, suficiente como para producir una deformación plástica
permanente en las superficies de contacto.
Soldeo por fricción: Proceso de soldeo a tope por presión en estado sólido que produce
una unión por rozamiento entre las dos piezas a soldar, hasta que adquieren la temperatura
adecuada momento en el que cesa el movimiento y se aplica una presión que produce la
deformación plástica en las caras adyacentes.
Soldeo por haz de electrones: Proceso de soldeo por fusión, en el que la energía para
producir la coalescencia de los metales procede de un haz concentrado de electrones a alta
velocidad que incide sobre la unión. Este proceso se puede usar con o sin gas de protección
y sin aplicación de presión.
Soldeo por inducción: Proceso de soldeo que produce coalescencia de los materiales
mediante el calor generado por la resistencia que oponen las piezas al paso de una
corriente inducida de soldeo, de alta frecuencia, con o sin aplicación de presión. El efecto de
la corriente de alta frecuencia es concentrar el calor necesario para el soldeo en una zona
determinada.
Soldeo por recalcado: Proceso de soldeo por resistencia que produce la coalescencia
simultáneamente sobre todo el área de las superficies en contacto o progresivamente a lo
largo de la unión, mediante el calor que se produce por el paso de la corriente de soldeo a
través de las superficies de contacto. Se aplica presión durante todo el proceso.
Soldeo por resistencia: Grupo de procesos de soldeo que producen una fusión en la
intercara de las piezas a unir, mediante el calor que se produce por el paso de la corriente
de soldeo a través de las superficies de contacto y la aplicación de presión durante el
proceso.
Soldeo por termita: Proceso de soldeo que produce la coalescencia de los metales a unir
mediante un metal líquido sobrecalentado, procedente de la reacción química entre un óxido
metálico y aluminio (termita), y con o sin aplicación de presión. El metal de aportación se
obtiene del metal líquido.
Autor: Luis Yagüe Muñoz
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Tecnología de Fabricación.
Procesos de soldadura.
Soldeo por ultrasonidos: Proceso de soldeo por presión en estado sólido que produce una
unión por la aplicación localizada de energía mecánica vibratoria de alta frecuencia,
mientras las piezas se mantienen juntas por presión.
Soldeo
robotizado:
Operación
de
soldeo
realizada
mediante
un
manipulador
reprogramable polivalente, es decir un robot.
Soldeo TIG: Término no normalizado para el soldeo por arco con electrodo de volframio y
gas inerte.
Soplo magnético del arco: Desviación no deseable de la trayectoria del arco, provocada
por fuerzas electromagnéticas.
Técnica de soldeo: Detalles de un procedimiento de soldeo que son controlados por el
soldador o el operador de soldadura.
Temperatura de precalentamiento: Temperatura que debe alcanzar el metal base
inmediatamente antes de que se inicie cualquier proceso de soldeo. En procedimientos de
pasadas múltiples, es la temperatura que debe alcanzarse antes de depositar los siguientes
cordones.
Temperatura entre pasadas: En el caso de soldeo con pasadas múltiples, es la
temperatura a la que debe estar el área que se va a soldar antes de realizar la siguiente
pasada.
TIG pulsado: Término utilizado habitualmente para designar al proceso de soldeo por arco
pulsado con electrodo de volframio y gas inerte.
Transferencia globular: Soldeo por arco con gas. Transferencia del metal en la cual el
metal fundido, procedente de un electrodo consumible, se deposita sobre la pieza en forma
de gotas gruesas.
Transferencia por cortocircuito: Soldeo por arco con gas. Transferencia del metal en la
cual el metal fundido, procedente de un electrodo consumible, se deposita sobre la pieza por
cortocircuitos. Véase "transferencia globular" y "transferencia por pulverización".
Transferencia por pulverización: Soldeo por arco con gas. Transferencia del metal en la
cual el metal fundido, procedente de un electrodo consumible, es dirigido axialmente a
través del arco y sobre la pieza en forma de gotas finas.
Tratamiento de relajación: Tratamiento térmico destinado a disminuir las tensiones
internas y que comprende un calentamiento y mantenimiento a una temperatura suficiente,
seguido de un enfriamiento apropiado.
Tratamiento térmico: Operación, o sucesión de operaciones, mediante la cual un producto
en estado sólido se somete, parcialmente o en su totalidad, a uno o varios ciclos térmicos
para obtener un cambio de sus propiedades o de su estructura.
Autor: Luis Yagüe Muñoz
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Tecnología de Fabricación.
Procesos de soldadura.
Unión a tope: Conjunto soldado en el que las piezas están alineadas aproximadamente en
el mismo plano.
Unión de solape: Soldadura entre dos piezas que están superpuestas en planos paralelos.
Unión en T: Soldadura entre dos piezas, en la que el borde de una es aproximadamente
perpendicular a la superficie de la otra, en las proximidades de la unión.
Unión soldada en ángulo: Soldadura entre dos superficies que forman un ángulo, en una
unión a solape, en forma de T o en ángulo, y de sección transversal aproximadamente en
forma triangular.
Zona afectada térmicamente: Porción del metal base que no ha fundido, pero cuya
microestructura o propiedades mecánicas han sido alteradas por el calor generador durante
el proceso de soldeo o corte.
Autor: Luis Yagüe Muñoz
17
Tecnología de Fabricación.
Procesos de soldadura.
2. Tipos de Soldadura
Soldadura por Fusión
Soldadura de Estado Sólido
2.1.
Soldadura por Fusión
Este tipo de soldadura usa calor para fundir los metales base. En muchos casos
se añade un metal de aporte a la combinación fundida para facilitar el proceso y aportan
volumen y resistencia a la unión soldada.
La operación de soldadura por fusión en la cual no se añade un metal de aporte
se llama soldadura autógena.
La soldadura por fusión incluye los siguientes grupos:
-
Soldadura con Arco Eléctrico
El calentamiento de los metales se obtiene mediante el arco eléctrico.
-
Soldadura por Resistencia
La fusión se obtiene usando el calor de una resistencia eléctrica para el flujo
de una corriente que pasa entre superficies de contacto de las partes sostenidas
juntas bajo presión.
-
Soldadura con Oxígeno y Gas Combustible
Este tipo de soldadura usa gas de oxígeno combustible tal como una mezcla
de oxígeno y acetileno con el propósito de producir una flama caliente para fundir la
base metálica y el material de aporte (cuando se utiliza).
-
Soldadura aluminotérmica.
El calor necesario para este tipo de soldadura se obtiene de la reacción química de
una mezcla de óxido de hierro con partículas de aluminio muy finas. El metal líquido
resultante constituye el metal de aportación. Se emplea para soldar roturas y cortes en
piezas pesadas de hierro y acero, y es el método utilizado para soldar los raíles o rieles de
los trenes.
Autor: Luis Yagüe Muñoz
18
Tecnología de Fabricación.
2.2
Procesos de soldadura.
Soldadura de Estado Sólido
Este tipo de soldadura se refiere a los procesos de unión en los cuales la fusión
proviene de la aplicación de presión solamente, o una combinación de calor y presión.
Si se usa calor, la temperatura del proceso está por debajo del punto de fusión de los
metales que se van a soldar. No se utiliza un metal de aporte en los procesos de estado
sólido. Algunos procesos de este tipo de soldadura incluye:
-
Soldadura por Difusión
En este tipo de soldadura se colocan juntas dos superficies bajo presión a
una temperatura elevada y se produce coalescencia de las partes por difusión.
-
Soldadura por Fricción
La coalescencia de las partes se obtiene mediante el calor de la fricción entre
dos superficies.
-
Soldadura Ultrasónica
Se realiza aplicando una presión moderada entre las dos partes y un
movimiento oscilatorio a frecuencias ultrasónicas en una dirección paralela a la
superficie de contacto.
La combinación de las fuerzas normales y vibratorias
producen intensas tensiones que remueven las películas superficiales y se obtiene
una unión atómica de las superficies.
Autor: Luis Yagüe Muñoz
19
Tecnología de Fabricación.
3.
Procesos de soldadura.
La Unión por Soldadura
La soldadura produce una conexión sólida entre dos partes llamadas unión por
soldadura.
Hay cinco tipos básicos de uniones:
-
Unión Empalmada
En este tipo de unión las partes se encuentran en el mismo plano y se unen
(Partes de Trabajo)
sus bordes
-
Unión de Esquina
Las partes en este tipo de unión forman un ángulo recto y se unen en la
esquina del ángulo.
-
Unión Superpuesta
Esta unión consiste en dos partes que se sobreponen.
Autor: Luis Yagüe Muñoz
20
Tecnología de Fabricación.
-
Procesos de soldadura.
Unión en “T”
Una parte es perpendicular a la otra forma de la letra “T”
-
Unión de Bordes
La unión se hace en el borde común
Autor: Luis Yagüe Muñoz
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Tecnología de Fabricación.
4.
Procesos de soldadura.
Forma de Soldadura
Todas las uniones se hacen por medio de soldaduras. Los tipos de soldadura
dependen del tipo de la unión y del proceso de soldadura.
-
Soldadura de Filete
Para rellenar los bordes de las placas unidas por uniones de esquinas,
sobrepuestas, en “T”; se usa un metal de relleno para proporcionar una sección
transversal de un triángulo.
Se hace por medio de la soldadura con arco eléctrico. El oxígeno y gas
combustible, porque requiere una mínima preparación de los bordes.
Las líneas punteadas muestran los bordes originales de las partes.
-
Soldadura con Surco o Ranura
Requiere que se moldeen las orillas de las partes en un surco para facilitar la
penetración de la soldadura.
Autor: Luis Yagüe Muñoz
22
Tecnología de Fabricación.
Procesos de soldadura.
Algunas soldaduras con surco típicas: (a) soldadura con surco cuadrada, un lado; (b)
soldadura de bisel único; (c) soldadura con surco en V único; (d) soldadura con surco en U
único; (e) soldadura con surco en J único; (f) soldadura con surco en V doble para secciones
más gruesas. Las líneas con guiones muestran los bordes originales de las partes.
Aunque se asocia más con una unión empalmada la soldadura con surco se
usa en todos tipos de uniones menos en las sobrepuestas.
-
Soldaduras con Insertos y Soldaduras Ranuradas
Se usan para unir placas planas. Usan ranuras y huecos en la parte superior
que se rellena con material (metal) para fundir las dos partes.
Autor: Luis Yagüe Muñoz
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Tecnología de Fabricación.
-
Procesos de soldadura.
Soldaduras con Puntos
Es una pequeña sección fundida entre las superficies de dos placas. Se
requiere varias soldaduras para unir las partes. Se asocia con la soldadura por
resistencia.
-
Soldadura Engargolada
Es similar a una de puntos, pero consiste en una sección fundida más o
menos continua entre las dos placas.
-
Soldadura de Superficie
No se usa para unir partes sino para depositar metal de relleno sobre la
superficie de una parte. Las gotas de soldadura se incorporan en una serie de
pasadas paralelas sobrepuestas, con la que se cubre grandes áreas de la parte
base. El propósito es aumentar grosor de la placa o hacer un recubrimiento protector
sobre la superficie.
Autor: Luis Yagüe Muñoz
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Tecnología de Fabricación.
5.
Procesos de soldadura.
Símbolos de soldadura.
Denominación
Símbolo
Significado
PERIFERICA
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.
CONCAVA
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.
NOTA: Los símbolos de acabado, indican el método y no el grado de terminación.
El símbolo de soldadura
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 técnica necesaria para realizar la unión.
Autor: Luis Yagüe Muñoz
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Tecnología de Fabricación.
Procesos de soldadura.
-Distancia mínima de la superficie a la raíz del cordón.
-Diámetro en sold, por puntos y tapón (d).
-Ancho en sold, puntos en continua y canal (c)
-Lado y altura en sold, de filete (z a a).
Con el objeto de simplificar en la mayor medida posible los dibujos, se recomienda
que las instrucciones sobre la preparación de los bordes a soldar y/o los procedimientos de
soldadura, sean materia de especificaciones particulares anexas, en lugar de que se
presenten sobre los dibujos de los elementos soldados.
En caso de no disponer de estas instrucciones, las dimensiones relativas a la
preparación de bordes y/o los procedimientos de soldadura, deben colocarse cerca del
símbolo.
Simbolos elementales
Las diversas categorías de soldadura, se caracterizan por un símbolo, que en
general, es similar a la forma de soldadura a ejecutar.
El símbolo no sugiere el proceso de soldadura a ejecutar. Los símbolos elementales
se muestran en la siguiente tabla.
Autor: Luis Yagüe Muñoz
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Tecnología de Fabricación.
N°
Procesos de soldadura.
Designación
Símbolo
1 Soldadura de tope con bordes lavantados (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
N°
Designación
Simbolo
6 Soldadura de tope en Y con bisel simple.
7
Soldadura de tope en U
8
Soldadura de tope en J
9
Cordón de revés
Autor: Luis Yagüe Muñoz
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Tecnología de Fabricación.
10
Procesos de soldadura.
Soldadura de filete
Soldadura de tapón
11
Soldadura en canal
12
Soldadura por puntos
13
Soldadura continua por puntos
Combinación de los símbolos elementales
Si es necesario, pueden utilizarse combinaciones de los símbolos elementales.
Símbolos suplementarios
Los símbolos elementales pueden ser completados con un símbolo que caracterice
la forma de la superficie externa de la soldadura.
Los símbolos suplementarios recomendados, se indican en la tabla n°1.
La ausencia de un símbolo suplementario, significa que no se necesita precisar la
forma de la superficie de la soldadura.
NOTA: Aunque no se prohíbe asociar varios símbolos, es mejor representar la soldadura en
un dibujo por separado, cuando la simbología se hace demasiado dificultosa.
FORMA DE LA SUPERFICIE SIMBOLO
a) plana
b) convexa
c) cóncava
Autor: Luis Yagüe Muñoz
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Tecnología de Fabricación.
Procesos de soldadura.
Ejemplos de aplicación de los simbolos suplementarios
DESIGNACIÓN
ILUSTRACIÓN
SIMBOLO
Soldadura de tope en V plana
Soldadura de tope en doble V convexa
Soldadura de filete cóncava
Soldadura de tope en V plana con cordón de
revés plano
Autor: Luis Yagüe Muñoz
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Tecnología de Fabricación.
Procesos de soldadura.
6. Procesos de soldadura.
6.1
Soldadura por fusión
Autor: Luis Yagüe Muñoz
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Tecnología de Fabricación.
Procesos de soldadura.
6.1.1. Soldadura con arco eléctrico
Imagen de operario realizando soldadura por arco eléctrico.
6.1.1.1 Soldadura por arco con electrodo recubierto.
El arco y la transferencia de metal
Esquema de progresión cordón de soldadura.
Transferencia espectacular
Vista a través de la fotografía de alta velocidad, la transferencia de metal
en soldadura con electrodo revestido es espectacular. No se parece en nada a la
transferencia que se produce en soldadura de arco metálico con protección de gas. En ésta,
el electrodo se funde en una forma dispareja. Los materiales del revestimiento tienen un
efecto muy marcado en la tensión superficial del metal fundido. Unas veces las gotas son
Autor: Luis Yagüe Muñoz
31
Tecnología de Fabricación.
Procesos de soldadura.
grandes y otras veces, chicas. Cuando el revestimiento del electrodo está bien elaborado y
mezclado, las gotas son más uniformes. El núcleo metálico del electrodo revestido se funde
más que la mayoría de los revestimientos. Por lo tanto que todavía no está fundido. En
ocasiones, al terminar de soldar, se puede observar este hueco en el extremo del sobrante
del electrodo que está dirigido hacia el arco. (Véase en la figura 1F-1.) Al momento de
soldar, el arco se encuentra dentro de la cavidad.
Extremo típico de un sobrante de electrodo, con la cavidad producida por el arco.
Las fuerzas del arco
Al soldar, la presión que ejerce el gas aumenta en el interior de la cavidad
del electrodo. Los gases provenientes del metal caliente y del revestimiento ejercen un
efecto de chorro sobre el núcleo de metal fundido. Los gases empujan el metal fundido del
electrodo hacia fuera, en dirección de la pieza de trabajo. El hueco no es completamente
uniforme por lo que es posible que los gases se formen más rápidamente de un lado que del
otro. Por lo tanto, los efectos del chorro actúan sobre el metal en direcciones diferente. En
ocasiones, la acción es directa sobre el charco, pero otras veces el metal puede brincar
hacia los lados. (Véase la figura1F-2) Es este carácter aleatorio de la transferencia lo que
hace que el cordón sea ancho y que se produzcan salpicaduras. Sin embargo, si se
mantiene el electrodo cerca de la pieza y si mantiene el electrodo cerca de la pieza y si
Autor: Luis Yagüe Muñoz
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Tecnología de Fabricación.
Procesos de soldadura.
además se desliza sobre ella, el hueco de la punta sirve para dirigir las fuerzas del arco.
Éste llegará a penetrar mejor y la transferencia de metal será más uniforme.
Corte transversal de la zona del arco, que muestra el efecto que éste tiene en la
transferencia de metal y el fundente. Los gatos son irregulares porque las fuerzas sufren
fluctuaciones y hay variaciones en la tensión superficial.
Factores relacionados con el avance
Puesto que el revestimiento del electrodo aísla eléctricamente la varilla
metálica del núcleo, es posible arrastrar muchos electrodos sobre la pieza de trabajo. La
parte externa del revestimiento mantiene el núcleo metálico alejado del objeto, por lo que no
hay peligro de hacer corto circuito y apagar el arco.
Con algunos electrodos se obtienen mejores resultados cuando se
mantienen alejados del objeto a soldar, que cuando se aplica la técnica de arrastre. Hay que
tratar de que la distancia entre la punta del electrodo y el objeto sea siempre la misma. La
soldadura presenta un mejor aspecto cuando se avanza a una velocidad constante y se
mantiene en un arco de longitud uniforme. Cada vez que se hace una pausa en algún sitio,
el cordón se hace más ancho. Por el contrario, siempre que uno se brinca un espacio, el
cordón se adelgaza. Cuando el metal depositado solidifica, se notan con claridad los lugares
en que varió la velocidad de avance. La transferencia de metal da como resultado un cordón
bien formado cuando la velocidad de avance es constante. No se debe variar la velocidad
del electrodo al soldar.
Autor: Luis Yagüe Muñoz
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Tecnología de Fabricación.
Procesos de soldadura.
Factores eléctricos
La energía del arco y la transferencia de metal varían junto con la
dirección del flujo de la corriente. Cuando se utilice corriente directa, hay que asegurarse de
que la polaridad sea la correcta. Es necesario utilizar el tipo de corriente correcto, es decir,
no hay que usar corriente directa en lugar de corriente alterna, o viceversa. Los electrodos
están diseñados para trabajar con una determinada cantidad de corriente y polaridad. Si se
emplea la corriente equivocada, el arco puede resultar inestable e imposible de manejar. El
que las salpicaduras aumenten es un síntoma de que la polaridad no es correcta. Otros
síntomas son las variaciones en la forma que se espera que tenga el arco, una penetración
insuficiente, demasiada turbulencia del charco y una cantidad considerable de salpicadura.
Puede llegar a ser imposible encender el arco. Cuando se observe que algo raro sucede con
éste o con la transferencia de metal, hay que revisar las conexiones de la fuente de poder.
El control de la penetración
La transferencia de metal y la fuerza del arco se controlan con la longitud
de éste y con la corriente. Cuando hay poca corriente, el arco pierde fuerza y disminuye la
penetración. El cordón se adelgaza y el metal se empieza a acumular. También puede
suceder que el electrodo se pegue a la pieza de trabajo. Cuando hay demasiada corriente,
el arco tiene mucha fuerza; penetra demasiado en el objeto y produce demasiada
salpicadura. Un exceso de corriente produce rebajos a lo largo de la orilla de la soldadura y
puede llegar a perforar el objeto.
Cuando el arco es demasiado corto, excava en el objeto. Un arco corto
puede hacer que la transferencia de metal sea dispareja y que las ondulaciones del cordón
sean grandes. Hay una tendencia a que se formen agujeros de escoria y porosidad. Si el
arco es largo, las fuerzas de penetración disminuyen. Puede ser que el arco se aparte de su
trayectoria normal y que los bordes del cordón resulten irregulares y disparejos.
Autor: Luis Yagüe Muñoz
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Tecnología de Fabricación.
Procesos de soldadura.
Ángulo del electrodo
El ángulo que forma el electrodo con el charco también afecta la
transferencia de metal, puesto que este ángulo dirige la fuerza del arco. Al acercar el ángulo
hacia la vertical, aumenta la penetración. (Véase la figura 1F-3.) A medida que se disminuye
el ángulo, se reduce la penetración. Cuando el arco apunta hacia el charco, puede suceder
que el cordón se acumule y se solidifique en forma de grandes ondulaciones. Cuando se
inclina el electrodo hacia la izquierda o hacia l a derecha, que es lo que se conoce como
ángulo de trabajo, el cordón se desplaza del centro. Hay que manejar el electrodo como si
de su punta emergiera un chorro imaginario de aire. (Véase la figura 1F-4.) El aire puede
empujar el metal fundido, en cualquier punto que se dirija el electrodo. Una vez que se
aprenda a controlar la fuerza del arco (fuerza del chorro), se logra mover el metal fundido
hacia donde se desea.
Variaciones en la penetración debidas al ángulo del electrodo.
Autor: Luis Yagüe Muñoz
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Tecnología de Fabricación.
Procesos de soldadura.
Características y aplicaciones del procedimiento
Sencillo y barato
El factor principal que hace del proceso de soldadura con electrodo
revestido un método tan útil es su simplicidad y en consecuencia, su bajo costo. Otros
procesos, como el de soldadura de arco con electrodo de tungsteno y gas inerte, el de
soldadura de arco metálico y gas inerte y el de soldadura de arco con núcleo fundente, no
han podido desplazar del mercado a la soldadura con electrodo revestido. Todo lo que se
necesita un soldador para trabajar con este proceso es una fuente de poder, cables, un
portaelectrodo y electrodos. (Véase la figura 1G-1.)
El equipo típico
de la soldadura
con
electrodo
revestido.
Autor: Luis Yagüe Muñoz
36
Tecnología de Fabricación.
Procesos de soldadura.
Costo de la fuente de poder
Las fuentes de poder se consiguen fácilmente, vienen en distintos
tamaños y formas y su costo es relativamente bajo. Se conocen muy bien los factores que
intervienen en el diseño de las fuentes de poder que se utilizan en la soldadura con
electrodo revestido, y por esa razón es fácil fabricarlas y no se tienen que hacer grandes
inversiones en equipo. Normalmente las fuentes de poder son pequeñas, ligeras y portátiles.
Pueden ir desde lo que es un transformador sencillo, hasta un generador impulsado pro un
motor de gasolina. La mayoría de la gente ha visto alguna vez estas fuentes en el rincón de
una camioneta. Se pueden localizar en las estaciones de gasolina, en los ranchos y puede
que hasta en la cochera del vecino. En EE.UU. es posible comprar una fuente de poder
sencilla para soldadura con electrodo revestido, por menos de lo que cuesta un traje nuevo.
Los cables de la fuente, el portaelectrodos, el casco y los guantes, se pueden adquirir a un
costo menor que un televisor pequeño. Aun con su simplicidad y bajo costo, la soldadura
con electrodo revestido constituye un proceso muy útil.
Dónde se utilizan
El proceso de soldadura con electrodo revestido es el más conocido y
probablemente el más utilizado de los procesos de soldadura con arco, y es a la vez versátil
y flexible. El soldador puede trabajar lejos de la fuente de poder y además no hay necesidad
de utilizar gases comprimidos como protección.
El procedimiento es excelente para trabajos, reparación, fabricación y
construcción. Gran parte del trabajo de soldadura con arco que se realiza en forma rutinaria
se efectúa con el proceso de soldadura con electrodo revestido.
Con este proceso se puede soldar metal de casi cualquier espesor y se
pueden hacer uniones con la configuración que sea. Hay electrodos que se pueden usar con
los aceros al carbono y de baja aleación, aceros inoxidables, aceros de alta aleación,
resistentes a la corrosión, y aun aceros templados, hierro colado y maleable. A pesar de que
no se utilizan tanto, también hay electrodos para soldar cobre, níquel y otras aleaciones.
Autor: Luis Yagüe Muñoz
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Tecnología de Fabricación.
Procesos de soldadura.
También se efectúa algo de trabajo de soldadura de piezas gruesas de aluminio, pero en
cantidades muy pequeñas.
En muchos talleres pequeños se emplea el procedimiento de soldadura
con electrodo revestido. La técnica es flexible y el equipo que se requiere es de un costo
relativamente bajo. El soldador puede pasar fácilmente de un tipo de estructura a otro.
Limitaciones
El procedimiento de soldadura con electrodo revestido no se presta para
su utilización con equipos automáticos o semiautomáticos; su aplicación es esencialmente
manual. La longitud de los electrodos es relativamente corta: de 230 a 700 mm. Se
requieren únicamente unos cuantos minutos para depositar un electrodo.
Debido a que le electrodo se consume en muy poco tiempo, el soldador
tiene que interrumpir el trabajo a intervalos regulares para cambiarlo y debe limpiar el punto
de inicio antes de empezar a usar electrodo nuevo. Normalmente, el arco funciona menos
de la mitad del tiempo total. Sin embargo, aun con todo este tiempo muerto y de
preparación, un soldador eficiente puede ser muy productivo.
Electrodos
Hay que tener cuidado al seleccionar los electrodos, pues importante que
su composición sea adecuada de acuerdo con el metal que se desea soldar. Si el electrodo
y el metal depositado no son compatibles, es muy probable que la soldadura obtenida no
sea buena. No es posible esperar que una soldadura soporte la carga para la que se diseño
si no se realiza con el electrodo correcto. Un electrodo inadecuado da origen a porosidad,
poca resistencia a la corrosión, soldaduras débiles y otros defectos.
Autor: Luis Yagüe Muñoz
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Tecnología de Fabricación.
Procesos de soldadura.
Constantemente se desarrollan electrodos nuevos. Los que se utilizaron
durante la Primera Guerra Mundial eran totalmente diferentes de los que hay en la
actualidad. La calidad de los depósitos de soldadura de nuestros días se debe al
mejoramiento en la composición de los electrodos y sus recubrimientos.
Algunos electrodos se pueden usar ya sea con corriente alterna o con
corriente directa. Se han desarrollado ciertos revestimientos con el propósito de incrementar
la cantidad de metal de aporte que se deposita por unidad de tiempo. Otros revestimientos
contienen aditivos que aumentan la resistencia mejoran la calidad de la soldadura.
A pesar de que la mayoría de los revestimientos facilitan mucho el trabajo
con los electrodos, otros requieren mayor habilidad del soldador. Una persona que sabe
seleccionar y usar cualquier electrodo se puede llamar soldador.
Autor: Luis Yagüe Muñoz
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Tecnología de Fabricación.
Procesos de soldadura.
6.1.1.2. Soldadura en arco con protección gaseosa.
Soldadura TIG
En la operación de ensamblaje de las piezas de carrocería, es
imprescindible usar métodos y equipos de soldaduras que nos aseguren una buena calidad
en las uniones, que alteren lo menos posible las propiedades mecánicas de la chapa y que
no generen focos de corrosión. De ello dependerá tanto la calidad de terminación, como la
seguridad del vehículo reparado. Uno de los métodos que más nos garantiza estos
resultados, es el sistema de soldadura TIG, que nos proporciona una unión que presenta
excelentes características de resistencia mecánica.
El TIG es un procedimiento de soldadura por corriente continua,
semiautomático pues emplea un hilo continuo con electrodo consumible, que avanza al
pulsar el comando de la soldadura sobre el mango. Este método de soldadura por arco
eléctrico, emplea gas inerte comprimido para crear la atmósfera de protección sobre el baño
de fusión, aislándolo del aire atmosférico, evitando futuros focos de corrosión, a la vez que
nos entrega una unión menos quebradiza y porosa.
Equipo de soldadura TIG
Autor: Luis Yagüe Muñoz
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Tecnología de Fabricación.
Procesos de soldadura.
Historia de la soldadura TIG
En el año de 1900 se otorgó un a patente relacionada con electrodos
rodeado por un gas inerte. Los experimentos con este tipo de soldadura continuaron durante
las décadas de 1920 y 1930, sin embargo hasta 1940 se dio gran atención al proceso
GTAW. Hasta antes de comenzar la segunda guerra mundial se habían hecho pocos
experimentos por que los gases inertes eran muy costosos, pero durante la guerra, la
industria de la aviación necesita con urgencia un método más rápido y fácil para soldar
aluminio y magnesio para acelerar la producción.
Debido a los beneficios logrados en la producción, se justificó el costo
adicional del empleo del gas inerte en gran escala. Aunque la producción de este gas es
mucho más rápida y económica, todavía representa un gasto adicional pero justificable.
El objetivo fundamental en cualquier operación de soldadura es el de
conseguir una junta con la misma característica del metal base. Este resultado solo puede
obtenerse si el baño de fusión está completamente aislado de la atmósfera durante toda la
operación de soldeo. De no cumplirse esta condición, tanto el oxígeno como el nitrógeno del
aire serán absorbidos por el metal en estado de fusión la soldadura quedará porosa y frágil.
En la soldadura por arco con protección gaseosa, se utiliza como medio de protección un
chorro de gas que rodea el arco y el baño de fusión, impidiendo la contaminación de la
soldadura.
Inicialmente la soldadura con protección gaseosa se utiliza únicamente en
el soldeo de aceros inoxidables y otros metales de difícil soldadura. En la actualidad, las
distintas variantes del procedimiento se aplican a la unión de todo tipo de metales. Por
razones de calidad, velocidad de soldeo y facilidad operatoria, la soldadura por arco con
protección gaseosa sustituye a la soldadura oxiacetilénica y la soldadura con arco con
electrodos revestidos. El procedimiento puede aplicarse tanto manual como automatizante, y
en cualquier caso, su campo de aplicación alcanza desde los espesores más finos hasta los
más gruesos, tanto en metales ferrosos como no férreos.
Autor: Luis Yagüe Muñoz
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Tecnología de Fabricación.
Procesos de soldadura.
Unión realizada con soldadura TIG
Operario soldando con el procedimiento TIG
Autor: Luis Yagüe Muñoz
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Tecnología de Fabricación.
Procesos de soldadura.
Ventajas específicas de la soldadura por arco con protección gaseosa TIG.
Puesto que al gas protector impide el contacto entre la atmósfera y el
baño de fusión, los iones obtenidos son más resistentes, más dúctiles y menos sensibles a
la corrosión, que las que se obtienen por la mayor parte de los procedimientos.
La protección gaseosa simplifica notablemente el soldeo de metales no
ferrosos, por no requerir el empleo de desoxidantes. Además, con el empleo de estos
desoxidantes, siempre hay el peligro de deformación de soldaduras e inclusiones de escoria.
Otra ventaja de la soldadura por arco con protección gaseosa es la que
permite obtener soldaduras limpias, sanas y uniformes, debido a la escasez de humos y
proyecciones, por otra parte, dado que la rotación gaseosa que rodea al arco transparente,
el soldador puede ver claramente lo que está haciendo en todo momento, lo que repercute
favorablemente en la calidad de la soldadura.
La soldadura puede realizarse en todas las posiciones con un mínimo de
proyecciones, esto porque la superficie del cordón presenta una graneza, que puede
suprimirse o reducirse sensiblemente con operaciones de acabado, lo que incide
favorablemente en los costos de producción. Por ultimo, es menor la deformación que se
produce en las inmediaciones del cordón de soldadura.
La soldadura por arco con electrodo insufrible y protección gaseosa. Procedimiento TIG
(Tungsteno Inerte Gas).
Este procedimiento presenta sus ventajas y características, pero consiste
en producir soldadura bien penetradas y relativamente libres de contaminación atmosférica.
La mayor parte de los metales industriales pueden soldarse fácilmente
con este procedimiento. Esto incluye a metales como el aluminio, magnesio, acero
débilmente aliados, aceros al carbón, aceros inoxidables, cobre, níquel, monel, inconel,
titanio y otros.
Autor: Luis Yagüe Muñoz
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Tecnología de Fabricación.
Procesos de soldadura.
La soldadura TIG pueden aplicarse manual o automáticamente. En la
soldadura manual, el soldador controla la dirección y la velocidad de avance. En la
soldadura automático, la inclinación del cordón, el espesor de la aportación, la velocidad de
avance, la dirección, etc. están controlados por el equipo.
Metales de aportación para la soldadura con protección gaseosa.
Normalmente la soldadura TIG de espesores finos pueden realizarse sin
material de aportación, sin embargo al aumentar el espesor, es necesario aportar material
para rellenar la junta. En algunos casos cuando se requiere reforzar la junta se aporta
material en la soldadura de espesores finos.
El metal de aportación debe ser de la misma composición que el metal
base. Así para el soldeo de aceros al carbón, se utilizan varillas de acero al carbón; para el
soldeo de aluminio, varillas de aluminio; y así sucesivamente, en algunos casos puede
utilizarse satisfactoriamente como material de aportación una tira obtenida de las propias
chapas a soldar.
Como aportación para la soldadura TIG deben utilizarse varillas
fabricadas expresamente para este procedimiento. Las varillas de acero ordinarias, de cobre
que se utilizan en la soldadura oxiacetilénica, no deben aplicarse a la soldadura TIG porque
tienden a contaminar el electrodo de Tungsteno. Con vistas a conseguir soldaduras sanas y
para reducir las proyecciones, las varillas de aportación para el procedimiento TIG llevan
mayores cantidades de sustancias desoxidantes.
En general, el diámetro de la varilla debe ser aproximadamente igual al
espesor de las piezas a soldar.
Autor: Luis Yagüe Muñoz
44
Tecnología de Fabricación.
Procesos de soldadura.
6.1.2. Soldadura por resistencia.
La soldadura por resistencia es un grupo de procesos de soldadura por fusión
que utiliza una combinación de calor y presión para obtener una coalescencia. El calor
se genera mediante una resistencia eléctrica en la unión que se va a soldar.
Los componentes de este tipo de soldadura son: las partes de trabajo que se
van a soldar (generalmente láminas metálicas), dos electrodos opuestos, un medio para
aplicar presión necesaria para apretar las partes y un transformador de corriente alterna.
La operación produce una zona de fusión entre las dos partes llamada pepita
de soldadura.
En comparación con la soldadura con arco eléctrico, la soldadura por
resistencia no usa gases protectores fundentes o metales de aporte y los electrodos son
no consumibles.
La resistencia en el circuito de soldadura es la suma de:
resistencia de los
electrodos, la resistencia de las partes de trabajo, las resistencias de contacto entre los
electrodos y las partes de trabajo, y la resistencia de contacto entre las partes
empalmantes.
La situación ideal es que las superficies empalmantes sean la resistencia más
grande en la suma. La resistencia de los electrodos se minimiza usando metales con
resistividades muy bajas (ex. Cu). La resistencia de las partes es una función de las
resistividades de los metales base y los espesores de las partes. La resistencia de
contacto entre los electrodos y las partes se determina mediante las áreas de contacto
(tamaño y forma del electrodo) y la condición de las superficies (limpieza de las
superficies). La resistencia en las superficies empalmadas depende del acabado de la
superficie, limpieza, área de contacto, presión. No debe existir proteína, grasa, etc.
Autor: Luis Yagüe Muñoz
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Tecnología de Fabricación.
Procesos de soldadura.
Unión mediante soldadura de resistencia, proceso de soldado.
6.2.1. Proceso de Soldadura por resistencia
Soldadura de puntos por resistencia
La soldadura por puntos por resistencia es el proceso predominante en este
grupo. Se usa ampliamente en la producción masiva de automóviles y en otros
productos a partir de láminas metálicas.
La soldadura de puntos por resistencias es un proceso en el cual se obtiene
la fusión en una posición de las superficies mediante una unión superpuesta
mediante electrodos opuestos. El proceso se usa para unir partes de láminas
metálicas de 3 mm de espesor. El tamaño y la forma de puntos de soldadura se
diferencia por medio de la punta de electrodo, la forma del electrodo más común es
Autor: Luis Yagüe Muñoz
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Procesos de soldadura.
redonda. La pepita de soldadura tiene un diámetro de 5 / 10 mm. Los electrodos son
hechos de aleaciones basadas en cobre, o combinaciones cobre-tungsteno (que
tiene mayor resistencia al desgaste). Como en todos los procesos de manufactura,
las herramientas para la soldadura se desgastan gradualmente con el uso. Los
electrodos también se diseñan con canales internos para enfriamiento con agua. El
ciclo de una operación de soldadura de puntos se da en la siguiente figura.
(a)
Pasos en un ciclo de soldadura de punto, y (b) gráfica de la fuerza de presión y la corriente
durante l ciclo.
La secuencia es: (1) partes insertadas entre los electrodos abiertos, (2) los
electrodos se cierran y se aplica la fuerza, (3) tiempo de soldadura (se activa la corriente), (4) se
desactiva la corriente, pero se mantiene o se aumenta la fuerza (en ocasiones se aplica una
corriente reducida cerca del final de este paso para liberar la tensión en la región de la soldadura)
y (5) se abren los electrodos y se remueve el ensamble soldado.
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Procesos de soldadura.
Debido a su extenso uso industrial, hay disponibles diversas máquinas y
métodos para realizar las operaciones de soldadura de puntos. El equipo incluye
máquinas de soldadura de puntos con balancín y tipo prensa, así como pistolas
portátiles para soldadura.
La máquina de soldadura de puntos con balancín tiene un electrodo
inferior estacionario y un electrodo superior móvil que sube y baja.
El electrodo superior se monta en un balancín, cuyo movimientos es
controlado mediante un pedal operado por el trabajador (puede haber máquinas
automatizadas de balancín también).
La máquina de soldadura de puntos tipo prensa, son diseñadas para
trabajos grandes. El electrodo superior tiene un movimiento en línea recta
proporcionado por una prensa vertical. La acción de la prensa permite que se
apliquen fuerzas más grandes y los controles generalmente hacen posibles la
programación de los ciclos de soldadura complejas.
Las pistolas portátiles de soldadura son de diferente tamaño. Estos
aparatos consisten en dos electrodo opuestos dentro de un mecanismo de tenazas.
El aparato es ligero de tal forma que un trabajador o un robot lo puede sostener y
manipular.
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Procesos de soldadura.
- Soldadura Engargolado por Resistencia
Los electrodos son en forma de ruedas giratorias. El proceso produce uniones
herméticas y se usa para la producción de tanques de gasolina y otros recipientes
fabricados con lámina de metal.
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Procesos de soldadura.
Como la operación generalmente se realiza en forma continua y no separada,
la soldadura engargolada debe estar a lo largo de una línea recta o curva, las
esquinas u otras irregularidades son difíciles de manejar. La deformación de las
partes es el factor más significativo en la soldadura engargolada, por esta causa para
sostener el trabajo en la posición correcta y así reducir la distancia.
En la figura siguiente se presenta diferentes tipos de soldadura engargolada.
En la fig. a. la frecuencia de las descargas de corriente se establece para que se
produzcan puntos de soldadura sobrepuestos. Si se reduce la frecuencia, habrá espacios
entre los puntos de soldadura. fig. b. En otra variable si la corriente de produce un
engargolado de soldadura continuo fig. c.
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Procesos de soldadura.
El espacio entre las pepitas de soldadura depende del movimiento de las
ruedas de electrodos relacionado con la aplicación de la corriente. Las ruedas giran
en forma continua a una velocidad constante y la corriente se activa a intervalos de
tiempo que coinciden con el espacio deseado entre las pepitas de soldadura.
Las máquinas de soldadura engargolada son similares a las máquinas de
soldar por puntos de tipo de presión pero en lugar de electrodos en forma de varilla
se usan electrodos en forma de ruedas. Para el enfriamiento del trabajo y las ruedas
se dirige agua a la parte superior e inferior de las superficies de trabajo cerca de las
ruedas de electrodos.
-
Soldadura por Resistencia Instantánea
Se usa generalmente en uniones empalmadas, se ponen en contacto o se
acercan las dos superficies, se aplica una corriente eléctrica para calentar las
superficies hasta su punto de fusión, después de lo cual las superficies se oprimen
juntas para formas la soldadura.
La corriente se detiene durante el recalcado. El material que se desborda en
la unión se elimina por maquinado para obtener una superficie uniforme.
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Procesos de soldadura.
6.1.3. SOLDADURA CON OXÍGENO Y GAS COMBUSTIBLE
La fusión se realiza basándose en la combustión de diferentes gases
mezclados con el oxígeno. Las diferencias entre tipos de soldaduras que pertenecen
a este grupo se basan en tipos de gases utilizados.
El oxígeno y gas combustible se usa en sopletes de corte para cortar placas
metálicas. El proceso más importante de este grupo es la soldadura con oxiacetileno.
Soldadura con oxiacetileno
Es un proceso de soldadura por fusión realizada mediante una llama a partir
de la combustión del acetileno y el oxígeno. La llama se dirige mediante un soplete
de soldadura. En ocasiones se agrega un metal de aporte en forma de varillas. La
composición del metal de aporte debe ser similar a la de los metales base. Con
frecuencia se recubre el aporte con un fundente lo cual ayuda a limpiar las
superficies, evita la oxidación y produce una mejor unión soldada.
El acetileno es el combustible más común. La llama en la soldadura con
oxiacetileno se produce mediante la reacción química del acetileno y el oxígeno en
dos etapas.
I Etapa: C2H2 + O2 ----- 2CO + H2 + calor
Los dos productos son combustibles y conduce la reacción de la segunda etapa.
II Etapa: 2CO + H2 + 1.5º2 ------ 2CO2 + H2O + CALOR
Las dos etapas son visibles en la llama de oxiacetileno que emite el soplete.
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La reacción de la I etapa se aprecia en el cono interno de la flama (calor blanco
brillante), la reacción de la II etapa se observa en la cubierta externa. Casi no tiene
color, pero posee matices que va del azul al naranja.
La temperatura máxima se alcanza en la punta del cono interno. Durante la
soldadura la cubierta externa se extiende y protege la superficie que se unen de la
atmósfera.
-
Unos combustibles utilizados son el hidrógeno y el proceso se llama
soldadura con oxihidrógeno, el propano, el gas natural, etc. Una aplicación de
este tipo de soldadura es:
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Procesos de soldadura.
La soldadura por gas a presión
A = calentamiento de las dos partes
B = aplicación de presión para formas la soldadura
La coalescencia de las superficies en contacto se hace calentándolas con una
mezcla de combustible (por lo general oxiacetileno) y después aplicando presión
para unir las superficies.
En fig. a se calienta las superficies hasta que se realiza la fusión. Después se retira
el soplete, se oprimen las partes se sostiene a presiones altas mientras ocurre la
solidificación (no se usa material de relleno)
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Procesos de soldadura.
6.1.4. SOLDADURA ALUMINOTÉRMICA
Cordón de soldadura por el modo aluminotérmico.
La soldadura aluminotérmica es un procedimiento de soldadura utilizado en carriles
de vías férreas. Se basa en el proceso, fuertemente exotérmico, de reducción del óxido de
hierro por el aluminio, según la fórmula
Fe2O3 + 2Al = Al2O3 + 2Fe + calor
Desarrollada en 1902, esta soldadura se realiza mediante un molde refractario
colocado en los extremos de los carriles a unir, dentro del cual se vierte el acero fundido
producto de la reacción, la cual se inicia con un fósforo.
El óxido de hierro y el aluminio, finamente molidos, provienen de la porción de
soldadura, la cual se dispone dentro de un crisol situado encima de los carriles a soldar. Una
vez alcanzada la temperatura adecuada, del orden de los 2000 °C, se produce el destape
del crisol, mediante un fusible situado en la base, y el colado del metal fundido, que llena el
molde.
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Procesos de soldadura.
Una vez iniciada la reacción el proceso es muy rápido, y el material fundido fluye
dentro del molde, de manera estudiada, quedando el acero entre los extremos a soldar y
vertiendo la escoria de corindón en una cubeta.
Existen diversos tipos de soldadura, atendiendo a la composición del acero de los
carriles y a la geometría de estos, aunque generalmente se utilizan soldaduras que
requieren del calentamiento previo de los extremos a soldar y del molde donde se verterá el
metal fundido. El calentamiento se realiza mediante mezcla de oxígeno y propano, o mezcla
de oxígeno y gasolina.
Luego del vertido se espera un lapso especificado por el fabricante de la porción de
soldadura y se procede a romper el molde y cortar las rebabas, mediante trancha o
cortamazarota, para luego realizar el pulido de la superficie de rodadura del carril.
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Procesos de soldadura.
6.1.5. OTROS PROCESOS DE SOLDADURA POR FUSIÓN
Algunos procesos de soldadura por fusión no pueden clasificarse como soldadura
con arco eléctrico, por resistencia o con oxígeno y gas combustible. Todos estos procesos
usan una tecnología singular con la que se desarrolla el calor para la fusión, y por lo regular
las aplicaciones son únicas.
Soldadura con haz de electrones
La soldadura con haz de electrones, SHE (en inglés electron beam welding, EBW),
es un proceso de soldadura por fusión en el cual el calentamiento para el proceso se
proporciona mediante una corriente muy concentrada de electrones de alta intensidad que
chocan contra la superficie de trabajo. El equipo es similar al que se usa para el maquinado
con haz de electrones. La pistola de haz electrones opera a alto voltaje para acelerar los
electrones (por ejemplo, lo común es de l0 a 150 KV) y las corrientes del haz son bajas
(medidas en miliamperes). La energía en la EBW no es excepcional, pero sí su densidad de
energía. Una alta densidad de energía se obtiene concentrando el haz de electrones sobre
un área muy pequeña de la superficie de trabajo, de modo que la densidad de energía PD
se basa en:
Donde:
PD = densidad de energía, en W/ mm2;
f1 = eficiencia de transferencia de calor -los valores normales para la soldadura con
haz de electrones varían de 0.8 a 0.95
E = voltaje de aceleración, en V;
I = corriente del haz, en A;
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Procesos de soldadura.
A = el área de la superficie de trabajo en la que se concentra el haz de electrones, en
mm2.
Las áreas comunes para la soldadura con haz de electrones varían de 13 x 10-3 a 2000 x
10-3 mm2.
El proceso tiene sus orígenes en los años cincuenta en el campo de la energía
atómica. La primera vez que se llevó a cabo tuvo que realizarse en una cámara de vacío
para evitar que las moléculas de aire trastornaran el haz de electrones. Este requerimiento
es todavía un serio inconveniente en la producción, debido al tiempo requerido para vaciar la
cámara antes de la soldadura. El tiempo de bombeo, como se le denomina, puede requerir
hasta una hora, dependiendo del tamaño de la cámara y del nivel de vacío requerido.
Actualmente, la tecnología para EBW ha avanzado al punto que algunas operaciones se
ejecutan sin vacío. Se distinguen tres categorías: 1) soldadura al alto vacío, SAV (en inglés
high vacuum weIding, EBW-HV), en la cual la soldadura se realiza en el mismo vacío que se
usa para la generación del haz; 2) soldadura al medio vacío, SMV (en inglés médium
vacuum welding EBW-MV), en el cual la operación se ejecuta en una cámara separada, en
donde sólo se obtiene un vacío parcial; y 3) soldadura sin vacío, SSV (en inglés non vacuum
welding, EBW-NV), en la cual la soldadura se realiza a una presión atmosférica normal o
casi normal. El tiempo de bombeo durante la carga y descarga de la parte de trabajo puede
reducirse en la soldadura con haz de electrones al medio vacío y minimizarse en la
soldadura con haz de electrones sin vacío, pero todavía se paga un precio por esta ventaja.
En las dos últimas operaciones, el equipo debe incluir uno o más divisores de vacío (orificios
muy pequeños que impiden el flujo del aire, pero permiten el paso de un haz de electrones)
para separar el generador del haz, el cual requiere un alto vacío, de la cámara de trabajo.
Asimismo, en la soldadura con haz de electrones sin vacío, el trabajo primero debe ubicarse
cerca del orificio de la pistola de haz de electrones, aproximadamente a 13 mm o menos.
Por último, en los procesos con un vacío menor no se puede obtener alta calidad en la
soldadura, como tampoco la relación entre profundidad y anchura que se obtiene en la
EBW-HV.
Cualquier metal que pueda soldarse por EBW también puede recibir soldadura con
haz de electrones, al igual que ciertos metales refractarios difíciles de soldar que no son
convenientes para la soldadura con arco eléctrico (AW). Los tamaños del trabajo de láminas
metálicas varían de placa delgadas a gruesas. La soldadura con haz de electrones (EBW)
Autor: Luis Yagüe Muñoz
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Procesos de soldadura.
se aplica principalmente en las industrias de automóviles, la aeronáutica, la aeroespacial y la
nuclear. En la industria automotriz, el ensamble mediante EBW incluye colectores de
aluminio, convertidores de torque de acero, convertidores catalíticos y componentes de la
transmisión. En estas y otras aplicaciones son notables las siguientes ventajas de la
soldadura con haz de electrones: soldaduras de alta calidad con perfiles profundos o
estrechos o ambos, zonas afectadas por el calor bien delimitadas y baja distorsión térmica
Las velocidades de soldadura son altas en comparación con otras operaciones de soldadura
continua. No se usa metal de relleno ni se necesitan fundentes ni gases protectores. Las
desventajas de la EBW incluyen el equipo costoso, la necesidad de preparación y alineación
precisas de la unión, y las limitaciones asociadas con la ejecución del proceso en el vacío,
según hemos analizado. Además, existen cuestiones de seguridad, debido a que la EBW
genera rayos X de los que deben protegerse las personas.
Soldadura con rayo láser
La soldadura con rayo láser, SRL (en inglés laser beam welding, LBW) véase figura
4.35, es un proceso por fusión, en el cual se obtiene la coalescencia mediante la energía de
un haz luminoso coherente altamente concentrado y enfocado a la unión que se va a soldar.
Figura 4.35 Soldadura con rayo láser
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Procesos de soldadura.
El término láser corresponde a las siglas en inglés de “amplificación luminosa
mediante emisiones estimuladas de radiaciones” (ligth amplification by stimulated emisión of
radiation). Esta misma tecnología se usa para el maquinado con rayo láser. La soldadura
con rayo láser normalmente se ejecuta con gases protectores (por ejemplo, helio, argón,
nitrógeno y dióxido de carbono) para evitar la oxidación. Por lo regular no se agrega metal
de aporte.
La soldadura con láser produce acabados de alta calidad, profunda penetración y
una estrecha zona afectada por el calor. Estas características son similares a las que se
obtienen en la soldadura con haz de electrones y con frecuencia los dos procesos son
comparables. Las ventajas de la LBW sobre la EBW incluyen que no se requiere una
cámara de vacío, no se emiten rayos X y los rayos láser pueden enfocarse y dirigirse
mediante lentes ópticos y espejos. Por otra parte, la LBW no posee la capacidad para
realizar soldaduras profundas, como tampoco la alta relación entre profundidad y anchura
que posee la EBW. La profundidad máxima en la soldadura con láser es aproximadamente
de 19 mm., mientras que la EBW puede usarse para profundidades de 50 mm o más; y la
relación entre profundidad y anchura en la LBW normalmente está limitada alrededor de 5:1.
Debido a la energía altamente concentrada en un área pequeña del rayo láser, con
frecuencia el proceso se usa para unir partes pequeñas.
Soldadura con electro escoria
La soldadura con electro escoria, SEE (en inglés electroslag welding, ESW), usa el
mismo equipo básico de algunos procesos de soldadura con arco eléctrico y utiliza un arco
para iniciar la operación de soldadura. Sin embargo, no es un proceso de soldadura con
arco eléctrico (AW) porque durante la soldadura no se usa el arco eléctrico. La soldadura
,con electro escoria (ESW) es un proceso de soladura por fusión en el cual se obtiene la
coalescencia mediante escoria fundida caliente y altamente conductiva, que actúa sobre las
partes base y el metal de aporte. Como se aprecia en la figura 4.36, la configuración general
de la soldadura con electroescoria es similar a la de la soldadura con electrogaseosa.
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Procesos de soldadura.
FIGURA 4.36 Soldadura con electro escoria (ESW): (a) vista frontal con zapatas de
moldeo removidas para mayor claridad y (b) vista lateral que muestra una esquema de la
zapata de moldeo. La preparación es similar a la de soldadura electro gaseosa (figura
4.41), excepto que se usa el calentamiento por resistencia de escoria fundida para
derretir los metales base y de aporte.
Se lleva a cabo en orientación vertical (la que se muestra aquí es la soldadura
empalmada), usando zapatas de moldeo enfriadas por agua para contener la escoria
fundida y el metal soldado. Al principio del proceso, se coloca en la cavidad un fundente
conductivo granulado. La punta de electrodo consumible se coloca cerca de la parte inferior
de la cavidad y se genera un arco eléctrico por un momento para iniciar la fusión del
fundente. Una vez creado el pozo de escoria, se extingue el arco eléctrico y la corriente
pasa del electrodo al metal base a través de la escoria conductiva, de modo que su
resistencia eléctrica genera el calor necesario para mantener el proceso de soldadura. Dado
que la densidad de la escoria es menor que la del metal fundido, ésta permanece en la parte
superior para proteger el pozo de soldadura.
La solidificación ocurre desde la parte inferior, en tanto que el electrodo y los bordes
de las partes base proporcionan metal fundido adicional. El proceso continúa gradualmente
hasta que llega a la parte superior de la unión.
La desventaja de este proceso es que la alta cantidad de energía aplicada contribuye
a que el proceso de enfriamiento se haga muy lento, lo que resulta en una poderosa
alteración de la granulometría en la zona afectada de calor (HAZ).
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Procesos de soldadura.
Soldadura con termita
El término termita es el nombre de una marca comercial para la termita, una mezcla
de polvo de aluminio y óxido de hierro que produce una reacción exotérmica cuando se
enciende. Es una sustancia usada en bombas incendiarias y para soldadura. Como un
proceso de soldadura, el uso de termita data aproximadamente de 1900. La soldadura con
termita, ST (en inglés termit welding, TW), es un proceso dc fusión en el cual el calor para la
coalescencia se produce mediante el metal fundido súper calentado de la reacción química
de la termita. El metal de aporte se obtiene, a partir del metal líquido y, aunque el proceso se
usa para unir, es más común en el colado que en la soldadura.
Cuando los polvos de aluminio y óxido de hierro finamente mezclados se encienden
a una temperatura aproximada a los 130 ºC, en una proporción de 1:3, producen la siguiente
reacción química:
8 Al + 3 Fe3 04 —> 9 Fe + 4 Al 2 O3 + calor 4.12
La temperatura aproximada de la reacción es de 2500 ºC, durante la cual se produce
un hierro fundido súper calentado más óxido de aluminio, que flota en la parte superior como
escoria y protege al hierro de la atmósfera. En la soldadura con termita el hierro súper
calentado (o acero, si la mezcla de polvo se formula con tal propósito) se coloca en un crisol
encima de la unión que se va a soltar, como se aprecia en el diagrama del proceso de TW
de la figura 4.37.
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Procesos de soldadura.
FIGURA 4.37 Soldadura de termita: (1) termita encendida; (2) metal súper calentado que
se drena del crisol fluye dentro de un molde crisol fluye dentro de un molde y (3) el metal
se solidifica para producir una unión soldada.
Después de que termina la reacción (alrededor de 30 segundos, sin tomar en
consideración la cantidad de termita que se use), el crisol se drena y el metal líquido fluye
dentro de un molde construido especial mente para rodear la unión soldada. Debido a que la
entrada del metal es tan caliente, funde los bordes de las partes bases, produciendo
coalescencia tras la solidificación. Después he enfriarse se rompe el molde y se retiran las
compuertas y tubos mediante soplete de oxiacetileno u otro método.
La soldadura con termita tiene aplicaciones en la unión de rieles de ferrocarril (como
se aprecia en el ejemplo), y en la reparación de grietas en colados y forjas de acero grandes
tales como moldes de lingotes, ejes diámetro grande, armazones para maquinaria y timones
de embarcaciones. La superficie de la soldadura en estas aplicaciones con frecuencia es lo
bastante lisa para que no se requiera un acabado posterior.
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Tecnología de Fabricación.
Procesos de soldadura.
6.2. SOLDADURA DE ESTADO SÓLIDO.
Autor: Luis Yagüe Muñoz
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Tecnología de Fabricación.
6.2.1.
Procesos de soldadura.
Soldadura por difusión.
Método utilizado para unir materiales. Se efectúa en tres pasos. Primero,
aplicando presión que deforma ambas superficies obligándolos a unirse, fragmentando
las impurezas y produciendo una gran área de contacto átomo-átomo. Mientras las
superficies se mantienen en compresión y a temperatura elevada, los átomos difunden a
lo largo de los bordes de grano hacia las vacancias restantes, reduciéndose el tamaño
de las vacancias en la interfase (este paso es rápido). Finalmente, el crecimiento de los
granos aleja los huecos remanentes de las fronteras de grano. El tercer paso implica la
eliminación completa de los huecos para lo que deberá ocurrir la difusión volumétrica
que es relativamente lenta. Este proceso se utiliza para unir metales reactivos como el
titanio, para unir metales y materiales distintos, y para unir cerámicos.
Ejemplo de pieza soldada por difusión.
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Procesos de soldadura.
6.2.1 Soldadura por fricción.
El método de soldadura de fricción, Friction Stir Welding, durante sus pocos más de
diez años de vida, ha demostrado ser una técnica muy adecuada para unir piezas de
aluminio empleadas en sectores muy importantes como el aeronáutico, naval, ferroviario,
automoción, etc. atendiendo así a la creciente necesidad de las industria s de emplear
materiales ligeros, con la finalidad de ahorrar peso y energía.
Este innovador proceso, capaz de soldar aleaciones hasta ahora difícilmente
soldables, ofrece muchas ventajas mecánicas frente a los procesos de unión tradicionales.
El proceso se encuentra aún en fase de desarrollo, y sus avances en cuanto a calidad,
herramientas, materiales soldables, etc. son constantes.
El presente documento recoge un análisis de viabilidad técnica del proceso de
soldadura de fricción, Friction Stir Welding, en la industria de construcción de vehículos
ferroviarios y de autocares. Para ello, se realiza la validación experimental de la soldadura
por fricción en perfiles extrusionados para estructuras de trenes, y en piezas de la carrocería
de autocares.
7.2.2.
Descripción del proceso de soldadura de fricción, Friction Stir Welding
La soldadura de fricción mediante batido, o Friction Stir Welding, es un proceso de
unión completa en fase sólida, empleado para unir chapas de metal –principalmente de
aluminio – sin alcanzar su punto de fusión.
El procedimiento fue inventado (1991) y patentado por el centro de soldadura The
Welding Institute (Cambridge, Reino Unido). El método Friction Stir Welding está basado en
el principio de obtener temperaturas suficientemente altas, para forjar dos componentes de
aluminio (u otro material con punto de fusión relativamente bajo), utilizando una herramienta
giratoria que se desplaza a lo largo de una unión. El calor generado por la fricción entre la
herramienta y las piezas a unir, provoca el ablandamiento del material base sin que llegue a
Autor: Luis Yagüe Muñoz
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Tecnología de Fabricación.
Procesos de soldadura.
alcanzar el punto de fusión, y permite el desplazamiento de la herramienta a lo largo de la
línea de soldadura. El material, en estado plástico, se transfiere de la parte delantera a la
parte
posterior de la herramienta y se forja por el contacto íntimo del hombro (shoulder) de la
herramienta y el perfil del tetón (pin) de la misma. Al enfriarse, deja una unión sólida entre
las dos piezas.
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Tecnología de Fabricación.
Procesos de soldadura.
Mediante esta técnica de unión se pueden realizar, diferentes geometrías de
uniones:
a) a tope
b) a tope y en solape combinados
c) en solape
d) en solape múltiple
e) 3 piezas T a tope
f) 2 piezas T a tope
g) a tope en borde
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Tecnología de Fabricación.
Procesos de soldadura.
Ventajas e inconvenientes de la tecnología
La soldadura de fricción, es un método de unión sin aporte de material y en estado
sólido, es decir, el material no alcanza el punto de fusión. Se puede considerar, por lo tanto,
una especie de forjado continuo. La s soldaduras generadas mediante esta técnica poseen
unas buenas propiedades mecánicas y pocos defectos, incluso en materiales anteriormente
considerados insoldables mediante otros métodos de soldadura. Las soldaduras sufren poca
distorsión, bajo encogimiento, y bajas tensiones residuales, y no necesitan un posterior
tratamiento de rectificado ni enderezado. Las uniones, por tanto, son uniformes, planas y
estéticas.
Se trata de un proceso de bajo coste cuya eficiencia energética es alta. Las
herramientas de soldadura tienen una vida larga (una herramienta puede ser empleada para
más de 1000m de longitud en aluminio 6XXX). Además, es un proceso fácilmente
automatizable y controlable, que no requiere una preparación especial ni gran habilidad del
soldador.
A diferencia de otros procesos tradicionales, se puede emplear en todas las
posiciones (horizontal, vertical, elevado, etc.) ya que la fuerza de la gravedad no influye en
el proceso.
El proceso, además, es seguro y respetuoso con el medio ambiente. No genera
humos gases tóxicos, radiación ni chispas El proceso, de todos modos, también posee
algunas debilidades o desventajas. Las fuerzas generadas durante el proceso son altas, por
lo que surge la necesidad de un apoyo continuo bajo las piezas, que actúe de soporte fijo.
Las velocidades de soldadura FSW, comparando con la soldadura láser, son más
bajas Sin embargo, en comparación con las soldaduras tradicionales (MIG o TIG) o las
técnicas de remachado, la velocidad es superior.
Una característica especial del proceso es que, al final de la soldadura se deja un
agujero, debido a la marca dejada por el pin saliente. Sin embargo, este fenómeno se puede
evitar empleando un pin retráctil, que vaya eliminando el agujero mientras va saliendo
lentamente de la pieza.
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Tecnología de Fabricación.
Procesos de soldadura.
El proceso no es costoso, pero sin embargo, está patentado, por lo que se debe
pagar una licencia al centro The Welding Institute para su uso.
Herramienta de Friction Stir Welding
La herramienta de FSW consta básicamente de dos partes: el pin y el hombro. El
tetón o ‘pin’, entra completamente en el material y discurre a lo largo de él. Suele estar
perfilado, similar a una rosca o hélice, facilitando el transporte del material alrededor de él, y
causando una mejor calidad de la soldadura. El pin está contenido en el ‘hombro’ (shoulder),
cuya función es:
a) Controlar que, debido a que la longitud del pin es un poco menor que el espesor
del material (en unión a tope) la herramienta se asegure su colocación perfecta. El hombro
actúa como un tope que se mantiene en contacto con la superficie de la pieza. En las
uniones en solape, la herramienta atraviesa la chapa superior para introducirse ligeramente
en la inferior, pero él hombro actúa de la misma manera como tope. De todos modos, una
pequeña parte del hombro también se suele introduc ir en el material, originando los grandes
esfuerzos característicos del proceso.
Autor: Luis Yagüe Muñoz
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Tecnología de Fabricación.
Procesos de soldadura.
b) Proporcionar calor friccional cuando está en rotación, a la vez que hacer fuerza
contra la superficie. Esta fuerza axial es relativamente alta y ajustada dependiendo del calor
que se quiera llegar a conseguir
c) Evitar que, durante el proceso de soldadura, el material plastificado, salga a la
superficie. Tanto el diámetro del hombro, como el diámetro y la longitud del pin, son valores
que dependen del espesor de la unión. Cuanto mayor sea el área del hombro en contacto
con la pieza, mayor será el calor friccional. Sin embargo, el incremento del diámetro del
hombro tiene sus limitaciones, ya que tiende a producir ‘flash’ (montante de material
solidificado alrededor del diámetro exterior del hombro), un efecto parecido al que se da en
la soldadura de fricción rotatoria. Para unir materiales más difíciles de soldar o con mayor
espesor, el flujo del material plastificado alrededor del pin es de vital importancia. Si se
necesitan pines de grandes diámetros, se desplazará gran volumen de material, pudiéndose
crear grandes vacíos.
La herramienta suele estar ligeramente inclinada en el eje Z hacia el lado contrario a
la dirección de soldadura, normalmente 2º o 3º, facilitando así la presión del hombro de la
herramienta. Sin embargo, actualmente, y debido a la continua mejora de los diseños del
hombro, se ha conseguido realizar soldaduras con inclinación 0º con buena calidad.
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Tecnología de Fabricación.
Procesos de soldadura.
Parámetros del proceso de soldadura
Los parámetros de gobiernan el proceso de soldadura de fricción son:
Espesor de las chapas
Profundidad de penetración del hombro
Ángulo de inclinación de la herramienta respecto a la
normal de la superficie
Velocidad de soldadura
Velocidad de rotación de la herramienta
Profundidad de penetración del pin
Diseño del pin y el hombro de la herramienta
Fig.5: Esquema de
parámetros de
proceso
APLICACIONES POTENCIALES DEL PROCESO
La soldadura de fricción FSW es un proceso reciente que, pese a sus pocos años de
vida se ha abierto a un gran número de industrias de manera espectacular. Actualmente,
mediante esta técnica, se suelda básicamente aluminio, aunque también existen otras
Autor: Luis Yagüe Muñoz
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Tecnología de Fabricación.
Procesos de soldadura.
aplicaciones industriales en cobre, magnesio, y experiencias en laboratorio soldando titanio
o acero, con resultados satisfactorios.
Las aplicaciones actuales de soldadura de fricción son, entre otras:
Industria del ferrocarril: perfiles extrusionados que se sueldan por FSW para trenes de alta
velocidad, vagones de metro, tranvía, trenes cisterna y de mercancías, containeres, etc.
Marina y Construcción Naval: perfiles extrusionados para barcos de alta velocidad, paneles
para cubiertas, costados, mamparos, suelos, superestructuras para barcos de crucero,
plataformas para aterrizaje de helicópteros, plataformas elevadoras, unidades de edificación
en plataformas de petróleo, plantas de refrigeración, mástiles y botavaras, etc.
Construcción: puentes de aluminio, paneles fachada, marcos de ventanas, tuberías de
aluminio, reactores de aluminio para generadoras e industria química, intercambiadores de
calor y aire acondicionado, etc.
Transporte terrestre: llantas de aluminio, brazos de suspensión, planchas a la medida
(tailored blanks), cuerpos de camión, elevadores de cola para camiones, grúas móviles,
vehículos blindados, caravanas, ascensores articulados y pasarelas puente, contenedores,
etc.
Aeronáutico / aerospacial: alas y fuselajes (unión de piel a piel, larguerillo a piel, largueros
a piel, costillas a piel), depósitos de combustible para vehículos espaciales, tanques de
combustibles de aviones, suelos de carga, reparación de soldaduras MIG con defectos etc.
Otros: industria eléctrica, mobiliario, equipamientos de cocina, tanques y cilindros de gas,
etc.
Autor: Luis Yagüe Muñoz
73
Tecnología de Fabricación.
Procesos de soldadura.
Industria de vehículos ferroviarios
Actualmente, en la industria de construcción de vehículos ferroviarios, la continua
búsqueda de disminución del peso de los materiales estructurales, persiguiendo aumentar la
velocidad y reducir el consumo energético, ha provocado un incremento del uso de perfiles
(extrusionados) soldados de aluminio.
En esta industria, como en cualquier otro proceso productivo, la soldadura es un
proceso crítico. Las zonas de unión son zonas de concentración de tensiones y fatiga, y
afectan a la calidad final del producto, pudiendo disminuir la vida en servicio del mismo.
Los perfiles extrusionados de aluminio para vehículos ferroviarios, se sueldan
principalmente mediante técnicas de soldadura MIG. Sin embargo, este método produce una
disminución de resistencia en la unión frente al material base de 40%, que hace que sea
necesario reforzar los perfiles en las uniones con cambios de diseño geométrico,
incrementando así el peso de los conjuntos. Asimismo, para anular la distorsión generada
por el proceso, es necesario dar un pre-deformado a los perfiles antes de soldar, para paliar
la deformación durante el proceso y además, tras el proceso de soldadura, suele ser preciso
realizar trabajos de enderezado y estirado. En resumen, la soldadura MIG de aluminio es un
trabajo difícil, lento y costoso.
De todos modos, la sustitución de tecnologías de unión ya conocidas, por
tecnologías nuevas aún en fase de investigación, es complicada y lenta, ya que los nuevos
procesos de unión han de demostrar una gran fiabilidad y calidad frente a los más
tradicionales, y mejorar en aspectos de velocidad y automatización o robotización. Las
exigencias en aspectos de fiabilidad y calidad en la industria, y las implicaciones que tienen
en la seguridad de los viajeros son grandes, y ralentizan la implantación de nuevos
procesos.
Autor: Luis Yagüe Muñoz
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Tecnología de Fabricación.
Procesos de soldadura.
Industria de la construcción de autocares
En la industria de fabricación de autocares, la necesidad de ahorro de peso y energía
ha conllevado, como en otras industrias de construcción de medios de transporte, a una
creciente incorporación de materiales ligeros, como el aluminio.
Los autocares de próxima generación mantienen su chasis de acero, y emplean,
cada vez más a menudo, chapas de aluminio para la carrocería. Estas chapas suelen estar
rigidizadas mediante nervios, cuyo material también es el aluminio. Sin embargo, la dificultad
de unión de las chapas de aluminio entre ellas, y las de los rigidizadores a las chapas,
complica su aplicación de manera efectiva.
Hasta ahora, en la fabricación de autocares, y debido a las grandes distorsiones que
introducen las técnicas de soldadura tradicionales como el MIG, se suele procurar evitarlas
mediante el uso de otras técnicas, como el pegado con adhesivos, o a través del empleo de
piezas laminadas de grandes dimensiones, minimizando así el número de soldaduras.
La soldadura de fricción FSW puede ser una buena solución al problema de la
soldadura en este sector. Sin embargo, a diferencia de otros sectores, su implantación aún
es nula. De todos modos, su potencial es grande, debido a la alta integridad y gran de
repetibilidad de las uniones en finas chapas de aluminio. Mediante esta técnica, se
reducirían las deformaciones de pieza, y problemas derivados del empleo de adhesivo
(tóxicos), así como de espacio en planta.
Autor: Luis Yagüe Muñoz
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Tecnología de Fabricación.
Procesos de soldadura.
DESCRIPCIÓN DE LOS ENSAYOS REALIZADOS
Maquinas empleadas
La soldadura de fricción es un proceso que se puede llevar a cabo en fresadoras.
Básicamente, para poder soldar adecuadamente, las cualidades que debe tener una
fresadora son, un alto valor de par torsor a bajas revoluciones, gran rigidez en los tres ejes
(las fuerzas que sufre la herramienta son altas, sobre todo en el eje axial), y un utillaje
adecuado (para que las piezas a unir soporten las fuerzas de la herramienta sin moverse).
Las máquinas específicas de soldadura de fricción, además, disponen de un sistema
de control de posición basado en el control de fuerza, para responder a las grandes
fuerzasaxiales originadas por el proceso. Los sistemas de control de posic ión de la
herramienta mediante reglas o encoders no consideran las deformaciones de la máquina
debido a las elevadas fuerzas del proceso, falseando la medida de posición real de la
herramienta. Sin embargo, al existir una relación entre la posición de la punta de la
herramienta, con respecto a la fuerza, los equipos específicos de soldadura de fricción
disponen de la posibilidad de controlar la posición mediante el control de fuerza (en Z). A la
misma posición de la herramienta respecto de la pieza, la fuerza siempre es la misma. Esta
medida indirecta de la posición, obtenid a a través de la fuerza en Z es más fiable que la
obtenida por reglas o encoders, ya que supera los efectos derivados de la deformación de la
máquina.
Los ensayos de soldadura llevados a cabo por Fatronik, se han realizado en una
fresadora y en una máquina específica de soldadura de fricción.
Autor: Luis Yagüe Muñoz
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Tecnología de Fabricación.
Procesos de soldadura.
Fresadora HVM 6000 de Anayak
En los ensayos para la obtención de requerimientos de máquina FSW de material
ferroviario, así como en los ensayos de soldadura a escala de piezas de autocar, se ha
empleado la fresadora HVM 6000 de Anayak. La velocidad de avance de trabajo es 5m/min,
la velocidad rotatoria máxima es de 4.000rpm, y su potencia de 36kW.
Autor: Luis Yagüe Muñoz
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Tecnología de Fabricación.
Procesos de soldadura.
Máquina SuperStir de ESAB
Para los ensayos de soldadura en material ferroviario en uniones de gran longitud, y
de perfiles extrusionados, se ha empleado la máquin de situada en las instalaciones de The
Welding Institute (Cambridge, Reino Unido), fabricada por ESAB. Esta máquina, con dos
cabezales distintos (uno para soldar espesores hasta 5mm, y otro a partir de 5mm), dispone
de la posibilidad de controlar la posición mediante un control de posición tradicional, o
mediante un control de fuerza.
Autor: Luis Yagüe Muñoz
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Tecnología de Fabricación.
Procesos de soldadura.
6.2.3. Soldadura ultrasónica.
Con el desarrollo de la electrónica, la que se hace presente cada vez en más
productos, el número de pequeñas piezas a ser soldadas se ha incrementado notablemente
y por lo tanto también la necesidad de mejores métodos de soldadura. Una de las nuevas
opciones, disponible ya en el mercado de aplicaciones para la industria, es la soldadura
ultrasónica, la cual resulta atractiva para unir piezas pequeñas, películas metálicas muy
delgadas, cable plano flexible, metales tanto similares como diferentes e incluso plásticos.
La soldadura ultrasónica no utiliza productos consumibles, se realiza rápidamente, consume
poca energía, no producen gases ni olores nocivos al ambiente y puede ser controlada
electrónicamente para asegurar un control de calidad en la línea de producción.
Concepto
Cuando se unen materiales por medio de soldadura ultrasónica, a las partes a ser
unidas se les aplican simultáneamente una fuerza estática, la cual mantiene en posición
las piezas y facilita la unión, y una fuerza dinámica (vibración ultrasónica), la cual genera
la fricción que produce el calor necesario para “soldar” los materiales a unir. Este
procedimiento es usado en las industrias tanto para unir plásticos como para unir
metales.
Fig. 1. Diferencias en los procesos de soldadura ultrasónica.
(a) para plásticos, (b) para metales.
Autor: Luis Yagüe Muñoz
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Tecnología de Fabricación.
Procesos de soldadura.
ULTRASÓNICA DE PLÁSTICOS
La soldadura ultrasónica de plásticos ha sido usada por muchos años. Cuando se
sueldan termoplásticos las vibraciones son introducidas verticalmente. El incremento
térmico en el área de unión es producida por la absorción de las vibraciones mecánicas
de alta frecuencia (20 a 70kHz), la reflexión de las vibraciones en el área de contacto y la
fricción entre las superficies de las partes. En el área de contracción, se produce calor por
la fricción de tal manera que el material se plastifica localmente, forjando una conexión
entre ambas partes en un corto período de tiempo. El prerrequisito es que ambas piezas
de trabajo tengan un punto de fusión cercano. La calidad de la unión es muy uniforme
porque la transferencia de energía y el calor interno liberado permanecen constantes y se
limitan al área de unión. Para obtener un óptimo resultado las áreas a unir son
preparadas para hacerlas adecuadas a la unión ultrasónica. La soldadura ultra- sónica
puede ser utilizada para unir firmemente o embeber partes de metal con o en plástico.
Fig. 2. Máquina para soldar plásticos ultrasónicamente,
marca STAPLA, modelo K1.
Autor: Luis Yagüe Muñoz
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Tecnología de Fabricación.
Procesos de soldadura.
DE METALES
Mientras que en la unión ultrasónica de plásticos las vibraciones de alta frecuencia
son usadas para incrementar la temperatura y así lograr la plastificación del material; la
unión ultrasónica de metales es un proceso completamente diferente: las vibraciones
mecánicas son introducidas horizontalmente, las partes a ser soldadas no son calentadas
hasta el punto de fusión, sino que son conectadas gracias a la aplicación de presión y
vibraciones mecánicas de alta frecuencia. Durante la soldadura ultrasónica de metales,
un proceso complejo es iniciado el cual involucra fuerzas estáticas, fuerzas cortantes de
oscilación y un moderado incremento de temperatura en el área a soldar. La magnitud de
estos factores depende del grosor de las piezas a unir, de su estructura superficial y de
sus propiedades mecánicas. Las piezas de trabajo son localizadas entre una pieza fija,
esto es, el yunque, y el dispositivo generador de las vibraciones ultrasónicas denominado
“Sonotrode” o “horn”, el cual oscila horizontalmente a alta frecuencia (usualmente 20, 35
o 40 kHz) durante el proceso de soldado. La frecuencia de oscilación más comúnmente
usada (frecuencia de trabajo) es 20 kHz. Esta frecuencia está sobre el rango audible del
oído humano y permite el mejor uso posible de la energía. Para procesos de soldadura
en los que se requiere sólo una pequeña cantidad de energía, puede ser usada una
frecuencia de trabajo de 35 ó 40 kHz. El sonotrode y el yunque tienen superficies ásperas
o tienen generalmente superficies fresadas con estrías cruzadas para apretar las piezas
que se ensamblarán y prevenir deslizamientos indeseables.
Fig. 3. Esquema de un sistema típico de soldadura ultrasónica
para metales. 1.- Sonotrode: transductor
piezoeléctrico, fuente de la vibración ultrasónica, 2 y 3.Partes a ser unidas, 4.- Yunque: plancha de acero, 5.- área
a ser soldada
Autor: Luis Yagüe Muñoz
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Tecnología de Fabricación.
Procesos de soldadura.
Se aplica presión estática perpendicularmente a la interfaz a soldar. Luego se
sobrepone la fuerza cortante oscilante de alta frecuencia (ultrasonido). Las fuerzas dentro de
los objetos deben mantenerse por debajo del límite de elasticidad para que las piezas no se
deformen. Si las fuerzas sobrepasan un valor de umbral dado, ocurrirá una deformación
local en los materiales a unir. Las piezas se compactan ligeramente en la superficie
debido a la fuerza de sujeción antes de conectar la energía ultrasónica; el intervalo durante
el cual sucede esto se llama tiempo de exprimido. Después de apagar la energía ultrasónica
y aflojar la fuerza de sujeción, se aplica una breve ráfaga de la primera para
evitar que el ensamble soldado se pegue a la herramienta o al yunque.
Las vibraciones de alta frecuencia inducen fuerzas cortantes que disminuyen la
contaminación superficial de los materiales a unir y producen un enlace puro entre los
metales en la interfase. La oscilación posterior hace que el área de la soldadura crezca. Al
mismo tiempo lleva a cabo una difusión atómica en el área de contacto y el metal se
recristaliza en una estructura de grano fino similar al que caracteriza a los metales
trabajados en frío.
Fig. 4. La vibración mecánica ultrasónica mueve una de
las piezas a soldar contra la otra fija, todo esto bajo una
fuerza de presión estática.
Autor: Luis Yagüe Muñoz
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Tecnología de Fabricación.
Procesos de soldadura.
La soldadura ultrasónica del metal es local y limitada a las fuerzas de corte y al
desplazamiento de las capas intermedias. Sin embargo, una fusión no ocurre si la fuerza de
presión, la amplitud y el tiempo de la soldadura son ajustados correctamente. Los análisis
microscópicos usando microscopios ópticos y electrónicos hacen evidente la recristalización,
la difusión y otros fenómenos metalúrgicos. Sin embargo, no proporcionan ninguna
evidencia de fusión (interfaz fundida).
El uso de sensores térmicos altamente sensibles en las capas intermedias muestran
un aumento inicial de la temperatura con una posterior disminución constante de la misma.
La temperatura máxima obtenida depende de los ajustes que se hagan a los controles del
equipo de soldadura. Un aumento en la energía ultrasónica conduce a un aumento de la
máxima temperatura posible. Un aumento en la fuerza estática conduce a un aumento de la
temperatura inicial, pero al mismo tiempo limita la posible temperatura máxima. Por lo tanto,
el perfil de temperatura puede ser manejado, dentro de ciertos límites, haciendo los ajustes
apropiados en la máquina.
La temperatura en la capa intermedia es, por supuesto, también una función de las
características del material. La regla básica es que la temperatura obtenida es mayor en los
materiales con una conductividad térmica baja, tal como el hierro, y menor para los metales
con una conductividad térmica más alta, tal como el cobre y el aluminio. Las medidas de
temperatura efectuadas en diversos materiales, con puntos de fusión que varían
ampliamente, han mostrado que la temperatura máxima en la interfase de la soldadura no
excede de un 35 a 50% de la temperatura que derrite al metal individual, cuando se han
seleccionado los parámetros de la soldadora apropiadamente.
Autor: Luis Yagüe Muñoz
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Tecnología de Fabricación.
Procesos de soldadura.
Fig. 6. Unidad marca STAPLA modelo UTA3000 para soldar
terminales.
La soldadura ultrasónica de metales no produce una adhesión superficial en los
metales. Se ha probado que las uniones son sólidas, homogéneas y duraderas. Si, por
ejemplo, una hoja de aluminio fina se suelda ultrasónicamente a una hoja de cobre fina,
puede ser observada fácilmente que después de cierto tiempo de soldado, las partículas de
cobre aparecen en la cara opuesta a la unión de la hoja de aluminio, al tiempo que las
partículas de aluminio aparecen en la cara opuesta a la unión de la hoja de cobre. Esto
muestra que los materiales se han penetrado uno a otro, siendo este proceso conocido
como difusión. Este proceso ocurre dentro de fracciones de segundo.
Autor: Luis Yagüe Muñoz
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Tecnología de Fabricación.
Procesos de soldadura.
Fig. 7. Proceso de soldadura ultrasónica de metales
Autor: Luis Yagüe Muñoz
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Tecnología de Fabricación.
Procesos de soldadura.
VENTAJAS Y LIMITACIONES
Ventajas
· La soldadura ultrasónica de metales une muchas combinaciones de metales
disímiles, como cobre con aluminio.
· Los tiempos usuales de ciclo son menores de 1 segundo.
· La calidad de soldadura es alta y uniforme. Las ligas son normalmente más fuertes
que las juntas hechas con soldadura o por resistencia.
· No hay efectos adversos al ambiente.
· Necesidad moderada de habilidad y entrenamiento del operador para producir
uniones de alta calidad uniforme.
· La soldadura ultrasónica de metales no utiliza consumibles potencialmente
peligrosos, como soldadura o fundente.
· No hay acumulación de calentamiento ni fusión, de modo que no se provoca
fragilización ni zonas afectadas por el calor.
· La conductividad eléctrica es normalmente superior que la obtenida con conexiones
trenzadas o soldadas.
· Cantidades moderadas de oxidación o contaminación
superficial no afectan la cantidad de la conexión.
Limitaciones
· La soldadura ultrasónica de metales se restringe a soldadura de solapa; no puede
hacer soldaduras de cordón.
· Sólo se pueden soldar piezas con espesores menores a 3mm.
· Sólo puede unir superficies planas o con curvatura mínima, excepto para unir
alambres.
· No es adecuada para unir partes estañadas.
· El costo de capital es usualmente mayor que para el de
soldadura ordinaria.
Autor: Luis Yagüe Muñoz
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Tecnología de Fabricación.
Procesos de soldadura.
APLICACIONES DE LA SOLDADURA ULTRASÓNICA
Las aplicaciones de la soldadura ultrasónica crecen y la oferta en el mercado de
máquinas adecuadas al uso industrial aumenta cada año.
A manera de ejemplo presentamos a continuación una serie aplicaciones ya
consolidadas a nivel industrial de la soldadura ultrasónica de metales
Industria: Aparatos domésticos.
Disco de aluminio unido a elemento de calentamiento
de aluminio.
Industria: Automotriz.
Cable de cobre 20 AWG unido a una terminal de latón
recubierta de níquel.
Industria: Automotriz.
Cable de cobre unido a terminal de cobre.
Industria: Automotriz. Cable de cobre 20 AWG unido
a un cable de cinta plana.
Autor: Luis Yagüe Muñoz
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Tecnología de Fabricación.
Procesos de soldadura.
Industria: Eléctrica-comunicaciones.
Cable de cobre 12 AWG unido a una placa de latón
recubierta de níquel.
Industria: Comunicaciones.
Alambres de cobre 18 AWG unidos a terminales de
placas de latón recubiertas de oro.
Industria: Electrónica-cableado.
Alambre de cobre 10 AWG unidos a terminales de
latón.
Industria: Electrónica-cableado.
Alambre de cobre 14 AWG unido a terminal de cobre.
Autor: Luis Yagüe Muñoz
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Tecnología de Fabricación.
Procesos de soldadura.
Industria: Acero/fundición.
Alambre de cobre unido a un anillo de cobre.
Industria: Eléctrica.
Cable trenzado de cobre unido a brazo de contacto de
latón.
Industria: Solar.
Intercambiador de calor.
Aletas de cobre unidas a tubos de cobre.
Industria: Electrónica-capacitores.
Hojas múltiples de aluminio unidas a remache de
aluminio.
Autor: Luis Yagüe Muñoz
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Tecnología de Fabricación.
Procesos de soldadura.
Industria: Eléctica.
Cable de cobre 6 AWG unido a barra de latón
recubierta de níquel.
Industria: Refrigeración.
Corte y soldado de tubos de cobre.
COMENTARIOS FINALES
Como los sistemas de soldadura ultrasónica tienen bajas demandas de energía, no
utilizan productos consumibles, no necesitan agua de enfriamiento y ocupan poco espacio,
pueden ofrecer soluciones rentables y ecológicamente inocuas para aquellas aplicaciones
que están dentro de sus rangos de aplicabilidad.
Que la soldadura ultrasónica de metales sea apropiada para una aplicación
específica depende de los materiales, la tasa de producción, el tiempo de proceso, el
tamaño de las piezas, las demandas energéticas y el costo del equipo, el cual deberá
descender durante los próximos años.
Dado que ésta es una tecnología emergente, en el futuro veremos aparecer nuevas
aplicaciones, mayores rangos de aplicación tanto en materiales como en tamaño, máquinas
más portátiles, mayor facilidad de operación, más fabricantes y proveedores de equipos y
costos más bajos.
Autor: Luis Yagüe Muñoz
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Tecnología de Fabricación.
Procesos de soldadura.
7. Métodos para pruebas no destructivas.
Como su nombre lo indica, las PND
son pruebas o ensayos de carácter NO
destructivo, que se realizan a los materiales, ya sean éstos metales, plásticos (polímeros),
cerámicos o compuestos. Este tipo de pruebas, generalmente se emplea para determinar
cierta característica física o química del material en cuestión.
Las PND son sumamente importantes en él continúo desarrollo industrial. Gracias a
ellas es posible, por ejemplo, determinar la presencia defectos en los materiales o en las
soldaduras de equipos tales como recipientes a presión, en los cuales una falla catastrófica
puede representar grandes perdidas en dinero, vida humana y daño al medio ambiente.
Las principales PND se muestran en la siguiente Tabla, en la cual, se han agregado
las abreviaciones en Inglés, ya que estás en México son comúnmente utilizadas.
Tipo de Prueba
Abreviación
Español
Inspección Visual
IV
VI
Líquidos Penetrantes
LP
PT
PM
MT
Ultrasonido
UT
UT
Pruebas Radiográficas
RX
RT
PE
ET
Pruebas de Fuga
PF
LT
Emisión Acústica
EA
AE
Pruebas Infrarrojas
PI
IT
Pruebas Magnéticas,
Magnéticas
principalmente
Pruebas
Electromagnéticas,
Corrientes Eddy
Autor: Luis Yagüe Muñoz
Partículas
principalmente
en Abreviación
Inglés
en
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Tecnología de Fabricación.
7.1.
Procesos de soldadura.
Inspección visual
La inspección visual (IV), es sin duda una de las Pruebas No Destructivas (PND) más
ampliamente utilizada, ya que gracias a esta, uno puede obtener información rápidamente,
de la condición superficial de los materiales que se estén inspeccionando, con el simple uso
del ojo humano.
Durante la IV, en muchas ocasiones, el ojo humano recibe ayuda de algún dispositivo
óptico, ya sea para mejorar la percepción de las imágenes recibidas por el ojo humano
(anteojos, lupas, etc.) o bien para proporcionar contacto visual en áreas de difícil acceso, tal
es el caso de la IV del interior de tuberías de diámetro pequeño, en cuyo caso se pueden
utilizar boroscopios, ya sean estos rígidos o flexibles, pequeñas videocámaras, etc.
Es importante marcar que, el personal que realiza IV debe tener conocimiento sobre
los materiales que esté inspeccionando, así como también, del tipo de irregularidades o
discontinuidades a detectar en los mismos. Con esto, podemos concluir que el personal que
realiza IV debe tener cierto nivel de experiencia en la ejecución de la IV en cierta aplicación
(Por ejemplo, la IV de uniones soldadas).
7.2. Líquidos penetrantes
El método o prueba de líquidos penetrantes (LP), se basa en el principio físico
conocido como "Capilaridad" y consiste en la aplicación de un líquido, con buenas
características de penetración en pequeñas aberturas, sobre la superficie limpia del material
a inspeccionar. Una vez que ha transcurrido un tiempo suficiente, como para que el líquido
penetrante recién aplicado, penetre considerablemente en cualquier abertura superficial, se
realiza una remoción o limpieza del exceso de líquido penetrante, mediante el uso de algún
material absorbente (papel, trapo, etc.) y, a continuación se aplica un líquido absorbente,
comúnmente llamado revelador, de color diferente al líquido penetrante, el cual absorberá el
líquido que haya penetrado en las aberturas superficiales.
Autor: Luis Yagüe Muñoz
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Tecnología de Fabricación.
Procesos de soldadura.
Por consiguiente, las áreas en las que se observe la presencia de líquido penetrante
después de la aplicación del líquido absorbente, son áreas que contienen discontinuidades
superficiales (grietas, perforaciones, etc.)
En la siguiente Figura, se puede visualizar el procedimiento general de ejecución del método
de LP.
En general, existen dos principales técnicas del proceso de aplicación de los LP: la
diferencia entre
ambas es que, en una se emplean líquidos penetrantes que son visibles a simple
vista ó con ayuda de luz artificial blanca y, en la segunda, se emplean líquidos penetrantes
que solo son visibles al ojo humano cuando se les observa en la oscuridad y utilizando luz
negra o ultravioleta, lo cual les da un aspecto fluorescente.
Autor: Luis Yagüe Muñoz
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Tecnología de Fabricación.
Procesos de soldadura.
Estas dos principales técnicas son comúnmente conocidas como: Líquidos
Penetrantes Visibles y Líquidos Penetrantes Fluorescentes. Cada una de estas, pueden a su
vez, ser divididas en tres subtécnicas: aquellas en las que se utiliza líquidos removibles con
agua, aquellas en las que se utiliza líquidos removibles con solvente y aquellas en las que
se utilizan líquidos posemulsificables.
Cada una de las técnicas existentes en el método de LP, tiene sus ventajas,
desventajas y sensibilidad asociada. En general, la elección de la técnica a utilizar
dependerá del material en cuestión, el tipo de discontinuidades a detectar y el costo. En la
siguiente tabla se muestran las técnicas de aplicación de los LP.
Técnica
Sub-Técnica
Lavables con agua
Líquidos Visibles
Lavables son solvente
Posemulsificables
Lavables con agua
Líquidos Fluorescentes
Lavables son solvente
Posemulsificables
7.3. Pruebas magnéticas
Este método de Prueba No Destructiva, se basa en el principio físico conocido como
Magnetismo, el cual exhiben principalmente los materiales ferrosos como el acero y,
consiste en la capacidad o poder de atracción entre metales. Es decir, cuando un metal es
magnético, atrae en sus extremos o polos a otros metales igualmente magnéticos o con
capacidad para magnetizarse.
De acuerdo con lo anterior, si un material magnético presenta discontinuidades en su
superficie, éstas actuarán como polos, y por tal, atraerán cualquier material magnético o
ferromagnético que esté cercano a las mismas. De esta forma, un metal magnético puede
ser magnetizado local o globalmente y se le pueden esparcir sobre su superficie, pequeños
Autor: Luis Yagüe Muñoz
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Tecnología de Fabricación.
Procesos de soldadura.
trozos o diminutas Partículas Magnéticas y así observar cualquier acumulación de las
mismas, lo cual es evidencia de la presencia de discontinuidades sub-superficiales y/o
superficiales en el metal. Este mecanismo puede observarse en la siguiente figura:
Este método de PND está limitado a la detección de discontinuidades superficiales y
en algunas ocasiones sub-superficiales. Así mismo, su aplicación también se encuentra
limitada por su carácter magnético, es decir, solo puede ser aplicada en materiales
ferromagnéticos. Aún así, este método es ampliamente utilizado en el ámbito industrial y
algunas de sus principales aplicaciones las encontramos en:
ƒ
El control de calidad o inspección de componentes maquinados.
ƒ
La detección discontinuidades en la producción de soldaduras.
ƒ
En los programas de inspección y mantenimiento de componentes críticos en plantas
químicas
y
petroquímicas
(Recipientes
a
presión,
tuberías,
tanques
de
almacenamiento, etc.)
ƒ
La detección de discontinuidades de componentes sujetos a cargas cíclicas
(Discontinuidades por Fatiga).
En general, existen dos principales medios o mecanismos mediante los cuales se
puede aplicar las partículas magnéticas, estos son: vía húmeda y vía seca. Cuando las
partículas se aplican en vía húmeda, éstas normalmente se encuentran suspendidas en un
medio líquido tal como el aceite o el agua. En la aplicación de las partículas magnéticas vía
seca, éstas se encuentran suspendidas en aire.
Autor: Luis Yagüe Muñoz
95
Tecnología de Fabricación.
Procesos de soldadura.
Así mismo, existen dos principales tipos de partículas magnéticas: aquellas que son
visibles con luz blanca natural o artificial y aquellas cuya observación debe ser bajo luz
negra o ultravioleta, conocidas comúnmente como partículas magnéticas fluorescentes.
Cada medio de aplicación (húmedo o seco) y cada tipo de partículas magnéticas
(visibles o fluorescentes) tiene sus ventajas y desventajas. El medio y el tipo de partícula a
utilizar lo determinan distintos factores entre ellos podemos enunciar: el tamaño de las
piezas a inspeccionar, el área a inspeccionar, el medio ambiente bajo el cual se realizará la
prueba, el tipo de discontinuidades a detectar y el costo. El personal que realiza este tipo de
pruebas, generalmente realiza un análisis de los factores anteriores para determinar cual es
el medio y tipo optimo de partícula magnética a utilizar para cierta aplicación específica. Otro
factor importante a considerar, es la forma o mecanismo mediante el cual se magnetizarán
las piezas o el área a inspeccionar, lo cual puede conseguirse de distintas formas, ya sea
mediante el uso de un yugo electromagnético, puntas de contacto, imanes permanentes,
etc.
7.4. Ultrasonido
El método de Ultrasonido se basa en la generación, propagación y detección de
ondas elásticas (sonido) a través de los materiales. En la figura de abajo, se muestra un
sensor o transductor acústicamente acoplado en la superficie de un material. Este sensor,
contiene un elemento piezo-eléctrico, cuya función es convertir pulsos eléctricos en
pequeños movimientos o vibraciones, las cuales
a su vez generan sonido, con una
frecuencia en el rango de los megahertz (inaudible al oído humano). El sonido o las
vibraciones, en forma de ondas elásticas, se propaga a través del material hasta que pierde
por completo su intensidad ó hasta que topa con una interfase, es decir algún otro material
tal como el aire o el agua y, como consecuencia, las ondas pueden sufrir reflexión,
refracción, distorsión, etc. Lo cual puede traducirse en un cambio de intensidad, dirección y
ángulo de propagación de las ondas originales.
Autor: Luis Yagüe Muñoz
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Tecnología de Fabricación.
Procesos de soldadura.
De esta manera, es posible aplicar el método de ultrasonido para determinar ciertas
características de los materiales tales como:
•
•
•
•
•
•
Velocidad de propagación de ondas.
Tamaño de grano en metales.
Presencia de discontinuidades (grietas, poros, laminaciones, etc.)
Adhesión entre materiales.
Inspección de soldaduras.
Medición de espesores de pared.
Como puede observarse, con el método de ultrasonido es posible obtener una
evaluación de la condición interna del material en cuestión. Sin embargo, el método de
ultrasonido es más complejo en practica y en teoría, lo cual demanda personal calificado
para su aplicación e interpretación de indicaciones o resultados de prueba
Autor: Luis Yagüe Muñoz
97
Tecnología de Fabricación.
Procesos de soldadura.
7.5. Radiografía
La radiografía como método de prueba no destructivo, se basa en la capacidad de
penetración que caracteriza principalmente a los Rayos X y a los Rayos Gama. Con este
tipo de radiación es posible irradiar un material y, si internamente, este material presenta
cambios internos considerables como para dejar pasar, o bien, retener dicha radiación,
entonces es posible determinar la presencia de dichas irregularidades internas, simplemente
midiendo o caracterizando la radiación incidente contra la radiación retenida o liberada por el
material.
Comúnmente, una forma de determinar la radiación que pasa a través de un
material, consiste en colocar una película radiográfica, cuya función es cambiar de tonalidad
en el área que recibe radiación. Este mecanismo se puede observar más fácilmente en la
figura de abajo. En la parte de arriba se encuentra una fuente radiactiva, la cual emite
radiación a un material metálico, el cual a su vez presenta internamente una serie de poros,
los cuales por contener aire o algún otro tipo de gas, dejan pasar más cantidad de radiación
que en cualquier otra parte del material. El resultado queda plasmado en la película
radiográfica situada en la parte inferior del material metálico.
Autor: Luis Yagüe Muñoz
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Tecnología de Fabricación.
Procesos de soldadura.
Como puede observarse el método de radiografía es sumamente importante, ya que
nos permite obtener una visión de la condición interna de los materiales. De aquí que sea
ampliamente utilizada en aplicaciones tales como:
•
Medicina.
•
Evaluación de Soldaduras.
•
Control de calidad en la producción de diferentes productos.
•
Otros
Sin embargo, este método también tiene sus limitaciones. El equipo necesario para
realizar una prueba radiográfica puede representar una seria limitación si se considera su
costo de adquisición y mantenimiento. Más aún, dado que en este método de prueba se
manejan materiales radiactivos, es necesario contar con un permiso autorizado para su uso,
así como también, con detectores de radiación para asegurar la integridad y salud del
personal que realiza las pruebas radiográficas
7.6. Pruebas electromagnéticas
Las pruebas electromagnéticas se basan en la medición o caracterización de uno o
más campos magnéticos generados eléctricamente e inducidos en el material de prueba.
Distintas condiciones, tales como discontinuidades o diferencias en conductividad eléctrica
pueden ser las causantes de la distorsión o modificación del campo magnético inducido (ver
figura abajo).
La técnica más utilizada en el método electromagnético es la de Corrientes de Eddy.
Esta técnica puede ser empleada para identificar una amplia variedad de condiciones
físicas, estructurales y metalúrgicas en materiales metálicos
ferromagnéticos y en
materiales no metálicos que sean eléctricamente conductores. De esta forma, la técnica se
emplea principalmente en la detección de discontinuidades superficiales. Sus principales
aplicaciones se encuentran en la medición o determinación de propiedades tales como la
conductividad eléctrica, la permeabilidad magnética, el tamaño de grano, dureza,
dimensiones físicas, etc., también sirve para detectar, traslapes, grietas, porosidades e
inclusiones.
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Procesos de soldadura.
Este tipo de pruebas ofrecen la ventaja de que los resultados de prueba se obtienen
casi en forma instantánea, además dado que lo único que se requiere es inducir un campo
magnético, no hay necesidad de tener contacto directo con el material de prueba, con esto
se minimiza la posibilidad de causar algún daño al material de prueba. Sin embargo, la
técnica está limitada a la detección de discontinuidades superficiales y a materiales
conductores.
7.7. Pruebas de fuga
Las pruebas de detección de fugas son un tipo de prueba no destructiva que se
utiliza en sistemas o componentes presurizados o que trabajan en vacío, para la detección,
localización de fugas y la medición del fluido que escapa por éstas. Las fugas son orificios
que pueden presentarse en forma de grietas, fisuras, hendiduras, etc., donde puede
recluirse o escaparse algún fluido.
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Procesos de soldadura.
La detección de fugas es de gran importancia, ya que una fuga puede afectar la
seguridad o desempeño de distintos componentes y reducen enormemente su confiabilidad.
Generalmente, las pruebas de detección de fugas se realizan:
Para prevenir fugas de materiales que puedan interferir con la operación de algún
sistema.
Para prevenir fuego, explosiones y contaminación ambiental, o daño al ser humano.
Para detectar componentes no confiables o aquellos en donde el volumen de fuga
exceda los estándares de aceptación.
El propósito de estas pruebas es asegurar la confiabilidad y servicio de componentes
y prevenir fallas prematuras en sistemas que contienen fluidos trabajando a presión o en
vació. Los componente o sistemas a los cuales generalmente se les realiza pruebas de
detección fugas son:
Recipientes y componentes herméticos
Para prevenir la entrada de contaminación o preservar internamente los fluidos
contenidos. Por ejemplo: dispositivos electrónicos, circuitos integrados, motores y
contactos sellados.
Sistemas herméticos
Para prevenir la pérdida de los fluidos contenidos. Por ejemplo: sistemas hidráulicos y de
refrigeración; en la industria petroquímica: válvulas, tuberías y recipientes.
Recipientes y componentes al vacío
Para asegurar si existe un deterioro rápido del sistema de vacío con el tiempo. Por
ejemplo: tubos de rayos catódicos, artículos empacados en vacío y juntas de expansión.
Sistemas generadores de vacío
Para asegurar que las fugas se han minimizado y mejorar su desempeño.
Las pruebas de fuga comúnmente utilizadas se basan en uno o más de los siguientes
principios:
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Ultrasonido
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TIPOS DE PRUEBAS DE FUGAS
Este ensayo comúnmente se aplica en la detección de fugas de gas en líneas
de alta presión. Dependiendo de la naturaleza de la fuga, el gas al escapar,
produce una señal ultrasónica que puede detectarse con una sensibilidad
aproximada de 10-3 cm3/s.
Por Burbujeo
Este ensayo se basa en el principio de generación o liberación de aire o gas
de un contenedor, cuando este se encuentra sumergido en un líquido. Se
emplean frecuentemente en instrumentos presurizados, tuberías de proceso y
recipientes. Es una prueba más bien cualitativo que cuantitativo, ya que es
difícil determinar el volumen de la fuga.
Por Tintas
Penetrantes
Consiste en rociar tintas penetrantes en las zonas de alta presión donde se
desea detectar fugas. Si existe alguna fuga, la presión diferencial del sistema
hará filtrar la tinta hacia el lado de baja presión del espécimen ensayado.
Por Medición de
Presión
Este tipo de prueba se utiliza para determinar si existen flujos de fuga
aceptables, determinar si existen condiciones peligrosas y para detectar
componentes y equipo defectuoso. Se puede obtener una indicación de fuga
relativamente exacta al conocer el volumen y presión del sistema y los
cambios de presión respecto al tiempo que provoca la fuga.
Algunas ventajas de este método son que se puede medir el flujo total de la
fuga independientemente del tamaño del sistema y que no es necesario
utilizar fluidos trazadores.
Por Detección de
Halógenos (Diodo
de Halógeno)
Este tipo de prueba es más sensitivo que los anteriores. Fugas tan pequeñas
como 10-5 cm3/s pueden detectarse con facilidad. Las dos limitantes de este
ensayo son que se necesitan gases de trazado especiales y el uso de
calentadores de alta temperatura, lo cual resulta inconveniente en ambientes
peligrosos.
Por Espectrómetro
de Helio
Se considera la técnica de detección de fugas, tanto industrial como de
laboratorio, más versátil. Tiene las mismas limitantes que el ensayo por
detección de halógenos porque se requiere de helio como gas de trazado y, el
tubo del espectrómetro se mantiene a alta temperatura mediante filamentos
calefactores. Sin embargo, el helio es completamente inerte y menos caro que
los gases halógenos. La sensibilidad es del orden de 10-11 cm3/s.
Con Radioisótopos
trazadores
En esta técnica se utilizan radioisótopos de vida corta como fluidos trazadores
para probar cavidades selladas herméticamente y circuitos cerrados de
tubería. La pérdida de flujo o la detección del gas trazador en sitios no
esperados son la evidencia de fuga. Esta técnica tiene la misma sensibilidad
que el ensayo por Espectrómetro de Helio, aunque es más caro y es
necesario establecer medidas de seguridad adecuadas debido a la radiación.
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La selección del método a utilizar generalmente se basa en el tipo de fuga a detectar,
el tipo de servicio del componente en cuestión y el costo de la prueba. En cualquier caso es
necesario, al igual que en otros métodos de pruebas no destructivas, que el personal que las
realice este calificado en la aplicación de las mismas
7.8. Emisión acústica
Hoy en día, uno de los métodos de pruebas no destructivas más recientes y, que ha
venido teniendo gran aplicación a nivel mundial en la inspección de una amplia variedad de
materiales y componentes estructurales, es sin duda el método de Emisión Acústica (EA).
Este método detecta cambios internos en los materiales o dicho de otra manera,
detecta micro-movimientos que ocurren en los materiales cuando por ejemplo: existe un
cambio micro-estructural, tal como lo son las transformaciones de fase en los metales, el
crecimiento de grietas, la fractura de los frágiles productos de corrosión, cedencia,
deformación plástica, etc. La detección de estos mecanismos mediante EA, se basa en el
hecho de que cuando ocurren, parte de la energía que liberan es transmitida hacia el
exterior del material en forma de ondas elásticas (sonido), es decir, emiten sonido (emisión
acústica). La detección de estas ondas elásticas se realiza mediante el uso de sensores
piezo-eléctricos, los cuales son instalados en la superficie del material. Los sensores, al
igual que en el método de ultrasonido, convierten las ondas elásticas en pulsos eléctricos y
los envía hacia un sistema de adquisición de datos, en el cual se realiza el análisis de los
mismos (ver figura abajo).
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7.9. Rayos infrarrojos
La principal técnica empleada en las pruebas infrarrojas es la Termografía Infrarroja
(TI). Esta técnica se basa en la detección de áreas calientes o frías mediante el análisis de
la parte infrarroja del espectro electromagnético. La radiación infrarroja se transmite en
forma de calor mediante ondas electromagnéticas a través del espacio. De esta forma,
mediante el uso de instrumentos capaces de detectar la radiación infrarroja, es posible
detectar discontinuidades superficiales y sub-superficiales en los materiales.
Generalmente, en la técnica de TI se emplea una o más cámaras que proporcionan
una imagen infrarroja (termograma), en cual las áreas calientes se diferencian de las áreas
frías por diferencias en tonalidades. Como ejemplo, podemos observar la termografía de
abajo, en la cual los tonos amarillos y rojizos representan las áreas calientes y los tonos
azules y violetas representan las áreas frías.
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De esta forma uno puede obtener un termograma típico de una pieza o componente
sin discontinuidades. Posteriormente, si hubiese alguna discontinuidad, ésta interrumpirá el
flujo o gradiente térmico normal, lo cual será evidente en el termograma.
La técnica de TI ofrece grandes ventajas: no se requiere contacto físico, la prueba se
efectúa con rapidez incluso en grandes áreas, los resultados de la prueba se obtienen en
forma de una imagen o fotografía, lo cual agiliza la evaluación de los mismos.
En general, existen dos principales técnicas de TI: La termografía pasiva y la
termografía activa.
Termografía
Pasiva
Termografía
Activa
Técnicas de Termografía Infrarroja
Consiste en simplemente obtener un termograma del componente en cuestión, sin la aplicación
de energía. El componente por si mismo proporciona la energía para generar la imagen
infrarroja. Ejemplos de la aplicación de ésta técnica los encontramos por ejemplo en la
evaluación de un motor funcionando, maquinaria industrial, conductores eléctricos, etc.
En esta técnica, para obtener un termograma, es necesario inducir cierta energía al material o
componente en cuestión. Muchos componentes, dadas sus condiciones de operación y servicio,
son evaluados en forma estática o a temperatura ambiente, lo cual da lugar a que el termograma
que se obtenga, presente un patrón o gradiente térmico uniforme, es en este tipo de situaciones
en que la termografía activa tiene uso. Así, esta técnica puede ser empleada en la detección de
laminaciones o inclusiones, las cuales representan variaciones en conducción de calor y por lo
tanto son evidentes en el termograma.
Hoy en día la termografía infrarroja se utiliza exitosamente en numerosas
aplicaciones, entre las cuales podemos nombrar: discontinuidades sub-superficiales y
superficiales como la corrosión, resistencia eléctrica, inclusiones, perdida de material,
grietas, esfuerzos residuales, deficiencias en espesores de recubrimiento, etc. El principal
inconveniente puede ser el costo del equipo. Sin embargo, los resultados se obtienen
rápidamente y la evaluación es relativamente sencilla, por lo que no se requiere mucho
entrenamiento en el uso y aplicación de la técnica
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La inspección de tanques atmosféricos de almacenamiento, recipientes a presión
tuberías, puentes, reactores, transformadores, etc., son solo algunos ejemplos de las
numerosas aplicaciones que tiene el método de EA a escala mundial.
Es importante mencionar que el método de EA, solamente indica áreas con actividad
acústica asociada con la presencia de discontinuidades y no proporciona información acerca
del tipo, dimensiones y orientación de la discontinuidad que genera dicha actividad acústica.
Por tal, este método en muchas ocasiones se utiliza complementariamente con otros
métodos de inspección. Primero, con el método de EA se detectan aquellas áreas con
actividad acústica significativa y, posteriormente se aplica algún otro método no destructivo
como el ultrasonido o las partículas magnéticas y se obtiene el detalle de la discontinuidad
que generó dicha actividad acústica. Actualmente, muchas investigaciones se están
llevando a cabo con el objetivo de poder determinar no solamente áreas con actividad
acústica sino también el tipo de discontinuidad que la está generando. Estas investigaciones
incluyen estudios más avanzados acerca de la forma de onda de las señales, su
procesamiento mediante algoritmos de redes neurológicas, modos de propagación de
ondas, simulación mediante elementos finitos, etc.
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Procesos de soldadura.
8. REFERENCIAS
1. Thomas W M et al 'Friction stir butt welding'. International Patent Application No
PCT/GB92 Patent Application No.9125978.8, 6 December 1991
2. E. Dave Nicholas ,Stephan W. Kallee: “Friction Stir Welding- A Decade On” IIW
Asian Pacific International Congress, Noviembre 2000
3. Lars Göran Eriksson, Rolf Larsson: “Friction Stir Welding- New technology changing
the rules of the game in Al construction” ESAB Magazine
4. John Davenport, Stephan W Kallee, J Graham Wylde (TWI Ltd, UK) “Creating a stir
in the rail industry” Railway Gazette International, Noviembre 2001
5. Janjua Aqeel and Ray Ford (Railway Safety). 'Railway Safety Research Programme',
FSW Meeting, Abril 2002
6. Stephan Kallee (TWI) 'Research needs for joints in aluminium rail cars', FSW
Meeting, Abril 2002
7. Dr Phil Threadgill (TWI)' Friction stir welding benefits and industrial applications',
2000
8. Dr Scott Lockyer (TWI) 'Fatigue and fracture properties of friction stir welds', FSW
Meeting, Abril 2002
9. “Ultrasonic metal Welding: Principles and application of high-grade bonding technology”,
Libro electrónico editado por STAPLA Ultrasonics Corporation.
10. Tony Difinizio. “Soldadura: Uniones ultrasónicas” Manufactura, año 7, número 67, enero
2001, México, D.F.
11. Homepage de STAPLA Ultrasonics Corporation
http://staplaultrasonics.com/company.htm
12. Homepage de SONITEK. Sonic & Thermal Technologies, Inc.
http://www.sonitek.com/home.htm
13. Homepage de Branson Ultrasonic Corporation, Applied Technologies Group
http://www.branson-plasticsjoin.com/bpj/ index.html
Luis Yagüe Muñoz
Autor: Luis Yagüe Muñoz
3/1/2007
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