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Fundamentos de los procesos de soldadura por arco

Edwar Torres

Unin de los materiales

Edwar Andrs Torres Lpez

Fundamentos de los procesos

de soldadura por arco

elctrico


Edwar Torres

C.L. Jenney and A. OBrien. Welding Handbook, 9 Ed., V. 1, 2001.

K. Ibrahim. Welding science and technology, New age inter., 2007.

P.J. Modenesi et al. Soldagem: Fundamentos e Tecnologia, UFMG, 2005.

Referencias


Edwar Torres

Arco elctrico o arco voltaico

Descarga generada entre dos elementos sometidosa una diferencia de potencial, en medio de una

atmosfera.

La descarga es generada por electrones que viajandel polo negativo al positivo.

En soldadura la corriente oscila entre 10 y 100 A;1000 A son empleados en soldadura por arco

sumergido; 1 A puede llegar a ser utilizado en

PAW.

Corrientes inferiores a 1A no tiene aplicacin ensoldadura, pues generan descarga luminiscente y

poco calor.

Soldadura por fusin con arco elctrico.

1. Fundamentos de los procesos


Edwar Torres

Caractersticas del arco elctrico

Energa concentrada.

Fusin localizada de los metales base y aporte.

Fcil control de los parmetros.

Bajo costo de los equipos.

Cantidad de calor debe ser suficiente para fundir la regin de inters antes deser disipado por conveccin.

nodo o terminal positivo del arco.

Ctodo o terminal negativo del arco.

Temperatura alcanzada.

- T = 6.000 C: Electrodos revestidos (SMAW).

- T = 30.000 C: Gases inertes puros (PAW).


Edwar Torres

Fsica del arco elctrico

En electricidad se denomina arco elctrico o tambin arco voltaico a la descargaelctrica que se forma entre dos electrodos sometidos a una diferencia de

potencial y colocados en el seno de una atmsfera gaseosa enrarecida,

normalmente a baja presin (Wikipedia).

Para generar el arco se necesitan dos elementos conductores y un medio detransmisin (el gas).

Los gases son aislantes (aire); es necesario hacerlos conductores.

El gas debe ser cargado elctricamente para generar el arco.

nodo (+) Ctodo (-)

Gas

Generacin de luz y calor intenso


Edwar Torres

Para el gas tornarse conductor algunas molculas deben ser separadas eniones y electrones (ionizacin).

Energa

Electrones

Un gas con partculas neutras y una porcin de partculas cargadas es conocidocomo plasma.

En el plasma el movimiento de las partculas cargadas inducen corriente ycampo magntico (Video 1 y video 2).

El grado de ionizacin del plasma depende de densidad de partculas cargadas.

Clasificacin ms simple del plasma: Caliente o fro (Video 3).

- Plasma caliente (trmico): Alto grado de ionizacin; por ejemplo el ncleo en las

estrellas. La temperatura de las partculas cargadas es igual. Millones de grados K.

- Plasma fro (no trmico): Parcialmente ionizado, rayo y aurora boreal. La

temperatura de los iones es ambiente, mientras la de electrones es miles de grados.


Edwar Torres

http://en.wikipedia.org/wiki/Glow_discharge

Otra caracterstica importante del plasma

es el tipo de descarga.

Se define mediante la curva V-I, para un

gas a baja presin.

Conocida como descarga elctrica o

luminiscente (Glow discharge).

Descarga oscura: Voltaje muy alto con muy baja corriente.

Descarga luminiscente: Voltaje alto con corriente baja.

Arco voltaico: Voltaje bajo con corriente alta.


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Descarga oscura: Invisible al ojo, 10-10 - 10-5 A.

Descarga luminiscente: visible y fra (temperaturaambiente), 10-5 - 1 A.

Arco voltaico: Visible; puede ser trmico o no.

No trmico: Temperatura de electrones muy superior alos iones (0,1 < < 10 A).

Trmico: Temperatura de electrones y iones es igual.Procesos con transferencia de calor como soldadura y

corte por plasma, deposito por aspersin ( > 10 A).

La soldadura por arco es considerada como unplasma fro con descarga trmica.

Nen

Plasma fro, descarga luminiscente.

Corriente baja.

Voltaje alto.

Baja temperatura.

Arco elctrico

Plasma fro, descarga trmica

Corriente alta.

Voltaje bajo.

Alta temperatura.

A.J. Shirvan, "Modelling of electric

arc welding: Arc-electrode coupling."

(2013)

?


Edwar Torres

?La descarga es definida por la curva VI utilizando un gas a baja presin.

En soldadura por arco elctrico la presin es atmosfrica, la cual es al menos diez

(10) veces mayor que la considerada para una descarga elctrica.

Como veremos continuacin, en soldadura por arco el plasma es de baja

ionizacin, por lo tanto se tratara de un plasma fro.

En soldadura, la velocidad de los electrones es alta, mientras que la de los

iones es baja; por lo tanto entra en la categora de plasma no trmico.

Es posible que en soldadura el arco

elctrico corresponda a un plasma fro

(baja ionizacin) donde, la diferencia

de velocidad entre las partculas

cargadas sea pequea, por lo que

pueda ser considerado de tipo trmico

F.J. Gordillo; Plasmas fros,Investigacin & ciencia (2008).


Edwar Torres

In addition, arcs are frequently classified as high- or low-pressure arcs if the gaspressure is roughly above or below 1 atm., respectively. A high-pressure arc is

characterized by a small, intensely brilliant core surrounded by a cooler region of

flaming gases, sometimes called the aureole. If the arc occurs between highly

refractory electrodes such as carbon or tungsten, both the anode and the cathode

are incandescent.

At low pressures, the appearance of the column depends upon the shape of the

discharge tube. A constricted tube gives rise to a highly luminous column even at

low pressures.

The most important difference between low and high-pressure arcs is in the

temperature of the column. The high-pressure column is at a very high temperature

(5000 K or higher). The ions, electrons, and neutral atoms of the high-pressure

positive column are in local thermal equilibrium, and therefore such plasmas are

often called thermal plasmas.

The neutral gas temperature of the low-pressure arc is never more than a few

hundred kelvins, whereas the electron temperature may be of the order of 40,00050,000 K (1 eV = 11,600 K). Shohet, J.L. "Plasma science and engineering." Encyclopedia

of Science and Technology (1987).


Edwar Torres

Videos recomendados

Video 1: https://www.youtube.com/watch?v=1UzyO-n_-HE

Video 2: https://www.youtube.com/watch?v=vZe8_sHZ1N4

Video 3: https://www.youtube.com/watch?v=1r1vzFAPyG0

http://www.conectate.gob.ar/sitios/conectate/busqueda/buscar?rec_id=102702

https://www.youtube.com/watch?v=WoVQky1a53k


Edwar Torres

Ionizacin del gas

Electrones son emitidos desde el ctodo por emisin termoinica.

La diferencia de potencial entre nodo y ctodo acelera los electrones.

Los electrones acelerados interactan con los tomos o molculas del gas.

Las reacciones que ocurren en el arco elctrico son:

- Disociacin: Ruptura de las molculas (G2 = 2G).

- Ionizacin: Expulsin de los electrones (G = G+ + G-).

Los electrones tornan conductor al gas, ahora denominado plasma.

Los iones son elementos pesados (en comparacin con los electrones) cuyogrado de movilidad puede ser definido por el campo elctrico generado por la

diferencia de potencial entre nodo y ctodo.

Densidad de partculas cargadas gobierna la conductividad elctrica del plasma.


Edwar Torres

Debido a su peso y el grado de momento que se imprima a los iones, estos

pueden ser utilizados para erosionar superficies en procesos denominados como

Manufactura Avanzada.

Igualmente, esta caracterstica ha permitido el surgimiento de la micro y nano

fabricacin.

Video 4


Edwar Torres

La formacin del plasma es ms eficiente con algunos gases.

Esto depende de la energa necesaria para ionizar el gas (Energa deionizacin).

http://college.cengage.com/chemistry/intro/zumdahl/intro_chemistry/5e/students/protected/periodictables/pt/pt/pt_ie2.html

https://www.youtube.com/watch?v=3q50c6Jm9yM

https://www.youtube.com/watch?v=mpus81qzcNw

https://www.youtube.com/watch?v=Zc3Fu1AVCjc

xidos metlicos pueden ser

incorporados a la atmosfera

protectora


Edwar Torres

El impulso para la disociacin y ionizacin del gas proviene del voltaje.

La separacin de los electrones requiere energa, pero al momento de ladivisin se produce calor y luz.

Entre mayor PI ms difcil ionizar el gas, pero mayor energa se deprende.

El calor en el plasma proviene de la energa liberada en la ionizacin y delmovimiento e interaccin de las partculas cargadas.

Entre ms cantidad de partculas y mayor movimiento, mayor es la temperatura.

Elemento PI (eV) ED (eV)

He 24,6 -

Ne 20,8 -

Ar 17,7 -

H2 15,4 4,5

N2 14,0 9,8

CO2 13,7 4,3

O2 13,2 5,1

PI: Potencial de ionizacin.

ED: Energa de disociacin.


Edwar Torres

El arco elctrico en soldadura

El arco elctrico corresponde a la ltima regin de la curva V-I para un gas.

La soldadura por arco ser considera como un plasma fro con descarga trmica.

La formacin del plasma genera calor.

Existen varias fuentes de calor en el arco elctrico: Ionizacin del gas, cantidady movimiento de las partculas cargadas. Sin embargo en el arco elctrico la

principal fuente de calor es la resistencia al flujo de corriente.

El tipo de gas define las caractersticas del arco, modo de transferencia,penetracin y forma del cordn, la limpieza del metal.

Efecto Joule

Ionizacin


Edwar Torres

Para un gas con bajo PI:

- Ms fcil la ionizacin.

- El arco es ms estable.

- El calor generado por la ionizacin es menor.

- La cantidad de cargas formadas es mayor.

- La resistencia al flujo de corriente es menor.

- En general el arco es ms fro.

Para un gas con alto PI.

- Ms difcil la ionizacin.

- El arco es menos estable.

- El calor generado por la ionizacin es mayor.

- La cantidad de cargas formadas es menor.

- La resistencia al flujo de corriente es mayor.

- En general el arco es ms caliente.

1

H1312

2

He2372


Edwar Torres

El proceso de calentamiento en la soldadura

El arco voltaico responde por la generacin de la mayor proporcin de calor.

Adems, existen otros dos mecanismos para aportar calor, adicional, en elproceso de soldadura.

Ctodo Electrodo

nodoMetal

base

Electrones

IonesF

Columna

Longitud

delarc

o

http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Arco_el%C3%A9ctrico.jpg

- Los electrones impulsados por la

diferencia de potencial poseen energa

cintica, que al momento de chocar con

el metal base (o el electrodo de

soldadura) transfieren toda esta

energa, convirtindose en calor.

- Durante la re-asociacin de los iones se

produce calor; si la recombinacin

ocurre en el charco de soldadura este

sede calor, al metal fundido.

Nota: El elemento golpeado por los iones

(ctodo), es erosionado superficialmente,

lo que permite su utilizacin en la limpieza

de xidos, lo cual facilita la soldadura de

aleaciones de aluminio, acero inoxidable y

magnesio.


Edwar Torres

En resumen, el calentamiento durante el proceso de soldadura se presenta por:

1. El principal es el calor por la resistencia elctrica al flujo de corriente en el

arco (plasma); esto es conocido como efecto Joule.

2. El impacto de los electrones en el nodo.

3. Ionizacin del gas.

4. Recombinacin de iones en el charco de soldadura.

Efecto Joule

Impacto de los electrones

Ionizacin del gas

Recombinacin de iones

Calor Nota:

Variacin en la longitud del arco (voltaje)

afecta la temperatura del plasma.

El gas de proteccin afecta la

temperatura en el ctodo y el nodo.


Edwar Torres

Gas de proteccin

Gases monoatmicos, biatmicos y triatmicos.

Los principales gases en soldadura son: Ar, He, O2 y CO2.

Ar y He.

- Inertes (monoatmicos).

- Soldadura de no ferrosos, aceros al carbono de baja aleacin e inoxidables.

- Se diferencian en densidad, conductividad trmica y potencial de ionizacin.

- Relacin de peso Ar/aire = 1,4 y He/aire = 0,14: es ms efectivo el Ar en la proteccin;

He requiere 2 o 3 veces el flujo de Ar para garantizar la misma proteccin.

- Conductividad trmica del He > Ar: Distribucin ms amplia de la temperatura con He.

Argn Ar-He Helio

Argn:

PI bajo; voltaje ms bajo; fcil para abrir el arco;

se usa puro o como gas principal en mezcla.

Ms energa en el centro del arco; cordn ms

estrecho.

Helio:

PI alto; voltaje ms alto; problemas para abertura

del arco; se usa generalmente como mezcla;

salpicadura y acabado spero.

Energa mejor distribuida en el arco; cordones

elpticos y anchos.

CO2

Ar-O2 Ar-CO2 CO2


Edwar Torres

Gas de proteccin

O2 y CO2 (bi y triatmicos).

- Gases activos: Reaccionan durante la soldadura.

- CO2 puede usarse puro mientras el O2 siempre es mezclado.

- Se diferencian en densidad, conductividad trmica y potencial de ionizacin.

- Usado para soldadura de aceros al carbono y aceros de baja aleacin.

Mezclas.

- Ar o He puros producen buenos resultados en no ferrosos.

- Ar puro produce inestabilidad en el arco en aceros.

- Adiciones de 1 a 5 % O2, 3 a 25 % CO2 estabiliza el arco al soldar aceros.

- La adicin depende de: Condicin superficial del MB, geometra de la junta, posicin

de soldadura, composicin del alambre.

- Adicin 1 a 9 % de CO2 al Ar mejora la fluidez del charco y apariencia cordn.

- 5 % de CO2 al Ar es muy usada para aceros al carbono en modo pulsado.

- 25 % de CO2 al Ar es muy usada para aceros al carbono de baja aleacin.


Edwar Torres

Propiedades de los gases a tener en cuenta

Potencial de ionizacin.

- Energa, expresada en electronvoltios (eV), que se requiere para cargar

elctricamente un gas.

- En general, se puede decir que a mayor potencial de ionizacin menor es la

estabilidad del arco y mayor ser el desprendimiento de calor.

- A menor potencial de ionizacin, mayor ser el aporte de los electrones, ms fcil el

inicio y la estabilizacin del arco.

Conductividad trmica.

- Influencia la formacin del cordn, la forma del charco y la velocidad de depsito.

- El helio o el hidrgeno aumentan la velocidad de soldadura y la penetracin.

Disociacin y recombinacin.

- Dixido de carbono, nitrgeno, hidrgeno y oxigeno, son gases diatmicos; que al

ser calentados, a la temperatura del arco, se disocian y liberan los electrones.

- Los iones al entrar en contacto con del metal base se combinan cediendo calor a la

superficie.

- Este proceso no ocurre con los gases nobles como el argn y el helio, los cuales son

monoatmicos.


Edwar Torres

Propiedades de los gases a tener en cuenta

Potencial de oxidacin / reactividad.

- Es la naturaleza oxidante de los gases de proteccin.

- Argn y helio son gases inertes.

- El CO2 y O2 son altamente reactivos (oxidantes), ocasionando perdida de Mn y Si.

- El H2 es un gas reductor, evita la oxidacin, aunque puede producir agrietamiento,

mejora la penetracin.

Densidad.

- Es el peso del gas por unidad de volumen.

- Los gases ms pesados que el aire, como Ar y CO2, requieren caudales ms bajos

comparados con aquellos gases ms livianos.

He

25Ar-75He

75Ar-25He

75Ar-24He-1H275Ar-23He-2H2

75Ar-20He-5H2


Edwar Torres

Cunta potencia se necesita para fundir un metal?

Cmo se emiten los electrones desde un materiales?

Qu es corriente y que es voltaje?

Qu es la corriente directa y la corriente alterna?

Qu es el aporte trmico?

Qu es la densidad de energa?

Cul es la masa de un electrn y la de un ion de hidrgeno?

Qu es la densidad de energa de un proceso de soldadura?

Determine la densidad de energa para diferentes procesos de soldadura.

Qu es la distorsin trmica?

Qu son fuentes de voltaje constante y corriente constante?

TAREA 2


Edwar Torres

Energa de la soldadura

La fuente de energa transfiere calor a lajunta durante la soldadura.

Transferencia de calor localizada atravs del rea de contacto (Ao).

El calor tiende a disiparse por el metalbase (MB).

La fuente debe ofrecer calor a una tasaelevada y en una superficie pequea

para garantizar la fusin localizada.

Arco

Fuente

de calor

rea de contacto

Calor disipado en la pieza


Edwar Torres

Conceptos fundamentales

1. Potencia especfica (Pesp) de una fuente de energa.

2. Longitud de arco (La).

3. Emisin de electrones.

4. Tipo de corriente y polaridad.

5. Energa durante la soldadura.

6. Densidad de energa.

7. Ciclo trmico.

8. Esfuerzos residuales y distorsiones.

9. Fuentes de potencia.


Edwar Torres

=

.

2

Potencia especfica (Pesp) de una fuente de energa

Donde:

E: Cantidad de energa generada por la fuente [W].

: Rendimiento o eficiencia trmica de la fuente [%].

t: Tiempo de operacin [s].

Ao: rea de transferencia o de contacto [m].

=

2Para fuentes

elctricas

=

Donde:

V: Voltaje [V].

I: Corriente [A].

Por ejemplo:

Proceso TIG, con 120 A, 10 V,

eficiencia del proceso de 50 % y

rea de transferencia (dimetro

del arco) de 3 mm.

=0,512010

0,0032

4

= 8,5107 2

Pesp: Potencia necesaria de la fuente para fundir un metal.


Edwar Torres

Para el ejemplo anterior Pesp de 8,5 x 107 W.m-2 indica que la fuente

debe generar esa potencia para poder garantizar que haya fusin

W.m-2

104

106

108

1010

1012

1014 Soldadura imposible

Soldadura imposible

Arco

Plasma

Lser

Haz de

electrones

Vaporizacin

Conduccin

sin fusin

Conduccin

con fusin

Vaporizacin,

conduccin y

fusin

Para procesos convencionales la potencia es menor, pues Ao es grande.

Procesos avanzados de soldadura (laser o haz de electrones) Ao es muy pequeo.


Edwar Torres

La eficiencia para diferentes procesos.

Kou, S. (2003). Welding Metallurgy

Eficie

ncia

de la f

uente

[%

]

LBW PAW GTAW SMAW GMAW SAW EBW

=

% =

%

Los procesos

con electrodo

consumible son

ms eficientes


Edwar Torres

En forma general, las variaciones

ms significativas en Pesp para

los diferentes procesos se

obtienen mediante reduccin del

rea de transferencia.

Es ms difcil aumentar la

potencia generada (E/t) de la

fuente.

Do

[cm

]

Potencia especfica [W.m-2]

10-2

10-1

100

101

102

107 108 109 1010 1010

1. Dimensiones del metal de base.

2. Conductividad trmica del MB.

3. Uso de precalentamiento.

Factores que afectan Pesp


Edwar Torres

Equipo para soldadura por haz de

electrones

Equipos convencionales de

soldadura por arco

Videos recomendados

Video 5: https://www.youtube.com/watch?v=QEWEMCwSMuw

Video 6: https://www.youtube.com/watch?v=vJJhq9_KLCs

Video 7: https://www.youtube.com/watch?v=BTgawzkP4gM

Video 8: https://www.youtube.com/watch?v=NONurFigP5I


Edwar Torres

Un secador con 1,5 kW de potencia, prximo a una chapa de acero 304 conespesor de 1,6 mm, con rea de transferencia corresponde a una circunferencia

de dimetro 50 mm, y no es suficiente para formar el charco de soldadura.

Sin embargo, esta misma potencia, en el proceso TIG, en una rea concentradade 6 mm puede fcilmente producir la fusin del metal base.

Densidad de energa -en realidad corresponde a densidad de potencia-corresponde a la potencia transferida a la junta soldada por unidad de rea

(W.mm-2).

Densidad de energa

Proceso de soldaduraDensidad de energa

(W.mm-2)

Oxiacetilnica 10

Por arco elctrico 50

Por resistencia elctrica 1000

Por laser 9000

Por haz de electrones 10000

LBW

EBW


Edwar Torres

Un secador con 1,5 kW de potencia, prximo a una chapa de acero 304 conespesor de 1,6 mm, con rea de transferencia corresponde a una circunferencia

de dimetro 50 mm, y no es suficiente para formar el charco de soldadura.

Sin embargo, esta misma potencia, en el proceso TIG, en una rea concentradade 6 mm puede fcilmente producir la fusin del metal base.

Comprende los procesos

convencionales de

soldadura

Densidad de energa de la fuente

Aport

e t

rm

ico a

la p

ieza

Incremento en la penetracin.

Aumento velocidad de soldadura.

Mayor calidad de la soldadura.

Equipos costosos.

Incremento en dao

de la pieza

Soldadura

con gas

combustible

Soldadura

con arco

elctrico

Soldadura

con haz de

electrones


Edwar Torres

La emisin de electrones es fundamental para el inicio y sostenimiento del arco.

Est definida por dos parmetros: Funcin trabajo y potencial de ionizacin.

a) Funcin trabajo: Energa para liberar un electrn de la superficie.

b) Potencial de ionizacin: Energa necesaria para remover un electrn del

tomo.

Existen varios mecanismos de emisin:

a) Emisin termoinica: Aumento de la temperatura eleva la cintica de los

electrones consiguiendo escapara de la superficie. Est definida por la Ley de

Richardson-Dushman.

b) Emisin por campo: El salto de electrones es promovido por campo

electromagntico (Superior a 107 V/cm).

c) Emisin secundario: Inducida por la interaccin de partculas con los tomos

del sustrato, cediendo energa a los electrones, permitiendo su

desprendimiento. Las partculas pueden ser fotones, iones o electrones. El

ejemplo ms conocido es el efecto fotoelctrico.

Emisin de electrones


Edwar Torres

Ley de Richardson-Dushman

= 2

2Funcin

trabajo

Metal

Emisin termoinica

Emisin

por

campo

Emisin

termoinica asistida

por campoDonde:

A: Cte. Richardson (1,2 x 106 A.m-2.K-2).

T: Temperatura [K].

w (): Funcin trabajo del material [eV]

k: Cte. de Boltzmann (8,62 x 10-5 eV.K-1).

Elemento w (eV) Elemento w (eV) Elemento w (eV)

Aluminio 3,8 - 4,3 Magnesio 3,1 - 3,7 W - 2% Th 2,4 - 2,9

Cobre 3,1 - 3,7 Nquel 2,9 - 3,5 SrO 1,2 - 2,6

Hierro 3,5 - 4,0 Tungsteno 4,1 - 4,4 BaO 1,0 - 1,7

Video 9: https://www.youtube.com/watch?v=QhG7u9PXG88

Video 10: https://www.youtube.com/watch?v=gH3QtgqJqjw


Edwar Torres

Existen dos mtodos: Inicio por toque e inicio por campo.

a) Inicio por toque.

El ms comn en todos los procesos de soldadura.

Electrodo entra en contacto con el metal base.

Se genera corto circuito, aumento elevado de la corriente ycalentamiento de la punta del electrodo.

Produccin de electrodos por emisin termoinica.

Formacin momentnea del arco elctrico.

b) Inicio por campo.

Empleado en procesos automticos o donde el electrodo contamine elmetal fundido como GTAW y PAW.

Es aplicado campo elctrico de 107 V/cm entre electrodo y metal base.

Se genera emisin de electrones por campo.

Se produce el arco elctrico.

Inicio del arco


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Es necesario cumplir dos condiciones.

El calor disipado debe ser igual al generado, para mantener la temperatura.

Nmero electrones producidos debe ser igual a perdidos (MB y alrededor).

a) En CD es fcil; ms complejo en AC por ser necesaria la re-ignicin.

b) Dos mecanismos para facilitar la estabilidad:

i. Elementos de bajo PI: Elementos como potasio, calcio y sodio son

adicionados al fundente o recubrimiento. Al ser fcilmente ionizados,

liberan electrones que mantienen el arco encendido a pesar de bajar

la temperatura en el mismo.

ii. Fuente de bajo factor de potencia: El factor de potencia indica la

potencia efectiva utilizada por la fuente, siendo preferible el uso de

equipos con factores altos. Esto indica que la sinusoidal del voltaje y la

corriente estn ms cercanos a la fase. Sin embargo, equipos de bajo

factor (0,3), por tener voltaje y corriente desfasados, permiten

mantener el voltaje alto cuando la corriente se acerca a cero.

Estabilizacin del arco


Edwar Torres

Voltaje y corriente

Voltaje es la diferencia de energa potencial elctrica entre dos puntos cargadoselctricamente (+ -). Es la energa necesaria para hacer circular las cargas

dentro de un conductor. A mayor acumulacin de cargas, mayor la diferencia de

potencial.

Corriente define la cantidad de electrones que pasan a travs de un conductor;esta corresponde a Culombios por segundo.

La fuerza electromotriz (f.e.m.) es la queproduce el movimiento de las cargas.


Edwar Torres

A mayor distancia entre las cargas o resistencia elctrica del conductor, mayorvoltaje (energa potencia elctrica) para hacerlas circular. Cuando no hay

separacin, las cargas fluyen fcilmente, entonces la energa potencia elctrica

(V) disminuye; V es igual a cero (0) en el caso de conductores ideales, pues no

habra resistencia al flujo de la carga.

La forma como fluyan los electrones define el tipo de corriente.

Dos tipos de corriente: Alterna y directa.


Edwar Torres

Se produce variacin del voltaje con la corriente.

Tres regiones en curva caracterstica del arco: Cada, constante y aumento.

a) Cada del voltaje:

Al inicio del arco la corriente es pequea.

Aumento en la corriente eleva la temperatura.

Mayor generacin de cargas libres por ionizacin y emisin termoinica.

Aumento de la conductividad y reduccin del voltaje.

Aumento en el dimetro del arco (Ao).

b) Voltaje constante:

El aumento en Ao incrementa la perdida de calor del arco.

No hay aumento de la temperatura por aumento en la corriente(estabilizacin del calor perdido y el generado).

c) Aumento de voltaje:

El aumento en corriente abulta el arco con perdida de temperatura ycargas.

Aumento en la resistencia elctrica y del voltaje.

Caractersticas del arco


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Vo

lta

je d

el a

rco

(V

)

Corriente del arco (V)

Cada

Constante

Aumento

NPTEL: Welding Engineering, 2015(http://www.nptel.ac.in/courses/112107090/)


Edwar Torres

La LaArco

f

w

Donde:

La: Longitud de arco.

f: Velocidad de alimentacin del MA.

w: Tasa de fusin del metal de aporte.

Te

nsi

n [V

]

Corriente [A]

Curva Corriente-Tensin

Geometra, materia y temperatura

del ctodo y el nodo.

El voltaje (V) es directamente

proporcional a La. Por qu?

Longitud de arco


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La

(a) (b) (c)

(-) (+)Arco

Tensi

n[V

]

Distancia

Cada catdica

(Vc)

Cada andica

(Va)

Cada en la columna

(Vb= E.La)

Donde:

V: Diferencia de potencial entre el nodo

y el ctodo.

Va: Cada andica.

Vc: Cada catdica.

E: Campo elctrico en la columna.

La: Longitud de arco.

= + + .


Edwar Torres

Formacin de plasma para favorecer la conduccin elctrica.

Ionizar el gas en la columna del arco.

Los iones y electrones fluyen a travs del arco.

Electrodo

Metal base

Electrones

El elemento golpeado por los electrones se calienta ms.

El elemento golpeado por los iones es decapado.

Polaridad en el proceso de soldadura


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Flujo

Flujo electrones

Flujo

Flujo electrones

DC Electrodo negativo (DCEN)

Polaridad directa (DCPD)

DC+

DC Electrodo positivo (DCEP)

Polaridad inversa (DCPI)

DC-

Ms utilizado en SMAW.

Mayor calentamiento del MB.

Juntas soldadas con alta penetracin.

Cordn de soldadura estrecho y profundo.

Soldadura chapas gruesas.

Mayor calentamiento del electrodo.

Juntas soldadas con menor penetracin.

Cordn de soldadura ancho y raso.

Fusin significativa del electrodo.

Soldadura de chapas delgadas.

DC+ DC- AC

En los procesos con

revestimiento o fundente, la

penetracin es definida por

las caractersticas del mismo.


Edwar Torres

Eficiencia de transferencia () entre 0,8 y 1,0.

Tasa de enfriamiento de la junta soldada.

Alteraciones microestructurales.

Propiedades mecnicas de las juntas.

Tasa de deposito, dilucin, etc...

Donde:

En : Energa de la soldadura [kJ.mm-1].

V: Tensin [V].

I: Corriente elctrica [A].

v: Velocidad de soldadura [mm.min-1].

Es: Energa depositada en la junta soldada, por unidad

de longitud.

Energa depositada durante la soldadura (Aporte trmico)

=.

= .

= .60. .

100.


Edwar Torres

Aporte trmico por espesor

Resis

ten

cia

a l

a t

racci

n [

ks

i] 1500 C 1500 C1132 C

45 % UAT 60 % UAT

Videos recomendados

Video 11: https://www.youtube.com/watch?v=h2JuJDodZx0

Video 12: https://www.youtube.com/watch?v=qTbOhIxg-SM

Video 13: https://www.youtube.com/watch?v=VHf64pdwg_U


Edwar Torres

1

2

3

4

5

1

Ciclos trmicos de varios puntos

Curva de temperaturas mximas

Ciclo trmico

Ciclo trmico: Representa lavariacin de la temperatura en el

tiempo para un dado punto de la

junta.

Distribucin trmica: Variacin dela Tmax de los ciclos en funcin de

la distancia al centro del cordn

de soldadura.

Distribucin trmica y ciclos trmicos de soldadura.

- Es funcin de las propiedades fsicas del material,

temperatura del MB, geometra de la junta, energa de

soldadura y la forma de la fuente de calor.

- Determina a extensin de la ZTA.

Temperatura de pico (Tp): Temperatura mxima enun punto.

Tiempo de permanencia (tc): Tiempo arriba de unatemperatura crtica (Tc) para que ocurran

alteraciones microestruturales.

2345

Direccin de soldadura


Edwar Torres

Velocidad de enfriamiento (): Derivada enuna determinada temperatura de la curva

de enfriamiento.

Tiempo de enfriamiento (t): Tiemponecesario para una soldadura pasar de T1aT2. En la soldadura de aceros es de 800

a 500 C (t8/5).


Edwar Torres

Soldadura solidificada

Transicin slido-lquido

Zona de crecimiento de grano

Zona de recristalizacin

Zona parcialmente transf.

Zona revenida

Zona no afectada

Zona afectada trmicamente (ZAT)

Tem

pera

tura

pic

o(T

P)

Temperatura pico Ciclo trmico

t [s]

Te

mp

.[

C]

Te

mp

.[

C]

http://www.lgtechniek.be/Subcattegorie.aspx?subID=23


Edwar Torres

Soldadura solidificada

Transicin slido-lquido

Zona de crecimiento de grano

Zona de recristalizacin

Zona parcialmente transformada

Zona revenida

Zona no afectada

ZAT

Tem

pera

tura

pic

o(T

P)

Temperatura pico Diagrama Fe-C (Fe-Fe3C)

100 % Fe

Te

mp

.[

C]

Te

mp

.[

C]

C

Lquido

Lquido +

+

+ Fe3C

+ Fe3C

Ar1

Ar3

ASM Hand Book Volume 06 - Welding, Brazing, and Soldering


Edwar Torres

Tipo de MB: Conductividad trmica.

Geometra de la junta: Disipacin del calor.

Espesor de la junta: Juntas ms gruesas facilitan la disipacin del calor.

Energa de soldadura y T inicial.

Esfuerzos residuales.

Es, Ti = velocidad enfriamiento Distribucin trmica ms ancha

Distribucin trmica del calor


Edwar Torres

Esfuerzos residuales y distorsiones

Generacin de esfuerzos internos que

generan la distorsin de la pieza.

La principal causa es el calentamiento no

uniforme y la dilatacin y contraccin

generados por este.

Tambin puede ser generado por

transformaciones de fase como la

transformacin martenstica.

Las soluciones existentes son empricas.

Video 14

Video 15


Edwar Torres

Vo = Voltaje de circuito abierto (OCV)

Vw = Voltaje de trabajo

Iw = Corriente de trabajo

Is = Corriente de cortocircuito

Vo = Voltaje de circuito abierto

Vw = Voltaje de trabajo

Iw = Corriente de trabajo

Fuentes de corriente constante (CI).

Cambios grandes en voltaje corresponde a

pequeos cambios de corriente.

Corregir errores de posicin del soldador.

Utilizado en SMAW, GTAW

Fuentes de voltaje constante (CV).

Definir el voltaje en la fuente.

Mantener la longitud del arco.

Utilizado en GMAW.

Velocidad de alimentacin del material de aporte.

Fuentes de potencia

Diferentes tipos y modos de operacin.

Clasificados de acuerdo con las curvas caractersticas corriente-voltaje.


Edwar Torres

Corriente (A) Corriente (A)

Corriente (A)Corriente (A)

Ten

si

n (

V)

Ten

si

n (

V)

Ten

si

n (

V)

Ten

si

n (

V)

Vo

Vo

VoVo

Is

IsIs

= Fuente

1

2

Punto de

operacin

m: Cambio del voltaje generado

por la fuente

1: Punto inestable.

2: Punto estable y de operacin.

Curva V-I

del arco


Edwar Torres

Fuentes de corriente constante (CI).

- Voltaje de circuito abierto (OCV, Vo) alto: 55 a 85 V.

- La longitud del arco varia poco para grandes

variaciones de la corriente.

- Fcil correccin de la longitud del arco.

- Procesos de soldadura manual.

- Menor velocidad de fusin.

- Velocidad de alimentacin baja o nula.

- SMAW. GTAW, PAW.

Te

ns

in

(V

)

Ten

si

n (

V)

Corriente (A) Corriente (A) ll

Fuentes de tensin

constante (CV).

- Tensin constante en toda

la operacin.

- Gran variacin de

corriente como respuesta

a cambios de longitud de

arco.

- Muy difcil hacer

correccin manual de la

longitud del arco.

- Alimentacin automtica

del alambre.

- La velocidad de

alimentacin aumenta

para arcos largos y

disminuye para arcos

cortos.


Edwar Torres

Parmetros de soldadura

Nivel de corriente.

Tipo de corriente: Corriente continua conelectrodo positivo (DCEP), corriente continua

con electrodo negativo (DCEN) y corriente

alterna (CA).

Tensin de operacin (o de soldadura).

Longitud del arco.

Velocidad de soldadura.

Velocidad de alimentacin de metal de adicin.

Dimetro del electrodo.

Longitud energizada del electrodo (s, stickout).

Distancia del punto de toma de corriente a lapieza (h).

ngulo de la antorcha, o electrodo, en relacina la pieza.

Tipo de gas de proteccin (o revestimiento).

Tubo de

contacto

h

s

LaArco

= +


Edwar Torres

Videos recomendados

Video 14: https://www.youtube.com/watch?v=icf2FQAIfm0

Video 15: https://www.youtube.com/watch?v=-LCPp4LxmoY

El transformador

https://www.youtube.com/watch?v=Ud8JMEi-YfU

https://www.youtube.com/watch?v=g1zrxEzfGDM

https://www.youtube.com/watch?v=ORbd1e_I_7o

Induccin de Faraday

https://www.youtube.com/watch?v=ZyG7q3SaDD0

La unin P-N: Funcionamiento de un diodo (rectificador)

https://www.youtube.com/watch?v=hsJGw_c-Nn4


Edwar Torres

Notas adicionales:

Variacin en la longitud del arco (voltaje) afecta la temperatura del plasma.

Elementos de bajo PI como potacin (K), calcio (Ca) y sodio (NA) son adicionados

en el fundente disminuyen el voltaje y la temperatura en el plasma, pero

estabilizando el arco.

El gas de proteccin afecta la temperatura en el ctodo y el nodo.

Aumento en la longitud de arco requiere de ms cargas libres en el plasma, para

mantener el flujo de corriente.

Gran parte del calor generado en los procesos con arco con electrodo consumible

es depositado en el metal base, lo que implica mayor eficiencia del proceso.

Eficiencia con electrodo consumible (70-80 %); electrodo no consumible (40-60 %)


Edwar Torres

Cmo se identifica un electrodo de SMAW?

Cules son los recubrimientos y sus caractersticas?

Cul es la diferencia entre un electrodo E6010 y E6011?

Cmo se define el nivel de hidrgeno en un electrodo?

TAREA 3

Download - Parte 2 - Fundamentos de los procesos de soldadura.pdf

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