Parte 2 - Fundamentos de los procesos de soldadura.pdf

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Fundamentos de los procesos de soldadura por arcoEdwar TorresUnin de los materialesEdwar Andrs Torres LpezFundamentos de los procesos de soldadura por arco elctricoFundamentos de los procesos de soldadura por arcoEdwar 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.ReferenciasFundamentos de los procesos de soldadura por arcoEdwar TorresArco elctrico o arco voltaico Descarga generada entre dos elementos sometidosa una diferencia de potencial, en medio de unaatmosfera. 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 arcosumergido; 1 A puede llegar a ser utilizado enPAW. Corrientes inferiores a 1A no tiene aplicacin ensoldadura, pues generan descarga luminiscente ypoco calor.Soldadura por fusin con arco elctrico.1. Fundamentos de los procesosFundamentos de los procesos de soldadura por arcoEdwar TorresCaractersticas 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).Fundamentos de los procesos de soldadura por arcoEdwar TorresFsica 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 depotencial 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 (-)GasGeneracin de luz y calor intensoFundamentos de los procesos de soldadura por arcoEdwar Torres Para el gas tornarse conductor algunas molculas deben ser separadas eniones y electrones (ionizacin).EnergaElectrones 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 lasestrellas. La temperatura de las partculas cargadas es igual. Millones de grados K.- Plasma fro (no trmico): Parcialmente ionizado, rayo y aurora boreal. Latemperatura de los iones es ambiente, mientras la de electrones es miles de grados.Fundamentos de los procesos de soldadura por arcoEdwar Torreshttp://en.wikipedia.org/wiki/Glow_dischargeOtra caracterstica importante del plasmaes el tipo de descarga.Se define mediante la curva V-I, para ungas a baja presin.Conocida como descarga elctrica oluminiscente (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.Fundamentos de los procesos de soldadura por arcoEdwar Torres 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 ycorte por plasma, deposito por aspersin ( > 10 A). La soldadura por arco es considerada como unplasma fro con descarga trmica.NenPlasma fro, descarga luminiscente.Corriente baja.Voltaje alto.Baja temperatura.Arco elctricoPlasma fro, descarga trmicaCorriente alta.Voltaje bajo.Alta temperatura.A.J. Shirvan, "Modelling of electricarc welding: Arc-electrode coupling."(2013)?Fundamentos de los procesos de soldadura por arcoEdwar 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 bajaionizacin, por lo tanto se tratara de un plasma fro.En soldadura, la velocidad de los electrones es alta, mientras que la de losiones 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 trmicoF.J. Gordillo; Plasmas fros,Investigacin & ciencia (2008).Fundamentos de los procesos de soldadura por arcoEdwar TorresIn 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 ischaracterized by a small, intensely brilliant core surrounded by a cooler region offlaming gases, sometimes called the aureole. If the arc occurs between highlyrefractory electrodes such as carbon or tungsten, both the anode and the cathodeare incandescent.At low pressures, the appearance of the column depends upon the shape of thedischarge tube. A constricted tube gives rise to a highly luminous column even atlow pressures.The most important difference between low and high-pressure arcs is in thetemperature 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-pressurepositive column are in local thermal equilibrium, and therefore such plasmas areoften called thermal plasmas.The neutral gas temperature of the low-pressure arc is never more than a fewhundred 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." Encyclopediaof Science and Technology (1987).Fundamentos de los procesos de soldadura por arcoEdwar TorresVideos recomendadosVideo 1: https://www.youtube.com/watch?v=1UzyO-n_-HEVideo 2: https://www.youtube.com/watch?v=vZe8_sHZ1N4Video 3: https://www.youtube.com/watch?v=1r1vzFAPyG0http://www.conectate.gob.ar/sitios/conectate/busqueda/buscar?rec_id=102702https://www.youtube.com/watch?v=WoVQky1a53kFundamentos de los procesos de soldadura por arcoEdwar TorresIonizacin 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 ladiferencia de potencial entre nodo y ctodo. Densidad de partculas cargadas gobierna la conductividad elctrica del plasma.Fundamentos de los procesos de soldadura por arcoEdwar TorresDebido a su peso y el grado de momento que se imprima a los iones, estospueden ser utilizados para erosionar superficies en procesos denominados comoManufactura Avanzada.Igualmente, esta caracterstica ha permitido el surgimiento de la micro y nanofabricacin.Video 4Fundamentos de los procesos de soldadura por arcoEdwar 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.htmlhttps://www.youtube.com/watch?v=3q50c6Jm9yMhttps://www.youtube.com/watch?v=mpus81qzcNwhttps://www.youtube.com/watch?v=Zc3Fu1AVCjcxidos metlicos pueden ser incorporados a la atmosfera protectoraFundamentos de los procesos de soldadura por arcoEdwar 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 4,5N2 14,0 9,8CO2 13,7 4,3O2 13,2 5,1PI: Potencial de ionizacin.ED: Energa de disociacin.Fundamentos de los procesos de soldadura por arcoEdwar TorresEl 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 laprincipal 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 JouleIonizacinFundamentos de los procesos de soldadura por arcoEdwar 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.1H13122He2372Fundamentos de los procesos de soldadura por arcoEdwar TorresEl 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 ElectrodonodoMetal baseElectronesIonesFColumnaLongituddelarcohttp://commons.wikimedia.org/wiki/File:Arco_el%C3%A9ctrico.jpg- Los electrones impulsados por ladiferencia de potencial poseen energacintica, que al momento de chocar conel metal base (o el electrodo desoldadura) transfieren toda estaenerga, convirtindose en calor.- Durante la re-asociacin de los iones seproduce calor; si la recombinacinocurre en el charco de soldadura estesede calor, al metal fundido.Nota: El elemento golpeado por los iones(ctodo), es erosionado superficialmente,lo que permite su utilizacin en la limpiezade xidos, lo cual facilita la soldadura dealeaciones de aluminio, acero inoxidable ymagnesio.Fundamentos de los procesos de soldadura por arcoEdwar TorresEn 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 elarco (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 JouleImpacto de los electronesIonizacin del gasRecombinacin de ionesCalor Nota:Variacin en la longitud del arco (voltaje)afecta la temperatura del plasma.El gas de proteccin afecta latemperatura en el ctodo y el nodo.Fundamentos de los procesos de soldadura por arcoEdwar TorresGas 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 HelioArgn: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 msestrecho.Helio:PI alto; voltaje ms alto; problemas para aberturadel arco; se usa generalmente como mezcla;salpicadura y acabado spero.Energa mejor distribuida en el arco; cordoneselpticos y anchos.CO2Ar-O2 Ar-CO2 CO2Fundamentos de los procesos de soldadura por arcoEdwar TorresGas 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, posicinde 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.Fundamentos de los procesos de soldadura por arcoEdwar TorresPropiedades de los gases a tener en cuenta Potencial de ionizacin.- Energa, expresada en electronvoltios (eV), que se requiere para cargarelctricamente un gas.- En general, se puede decir que a mayor potencial de ionizacin menor es laestabilidad del arco y mayor ser el desprendimiento de calor.- A menor potencial de ionizacin, mayor ser el aporte de los electrones, ms fcil elinicio 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 alser 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 lasuperficie.- Este proceso no ocurre con los gases nobles como el argn y el helio, los cuales sonmonoatmicos.Fundamentos de los procesos de soldadura por arcoEdwar TorresPropiedades 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 bajoscomparados con aquellos gases ms livianos.He25Ar-75He75Ar-25He75Ar-24He-1H275Ar-23He-2H275Ar-20He-5H2Fundamentos de los procesos de soldadura por arcoEdwar TorresCunta 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 2Fundamentos de los procesos de soldadura por arcoEdwar TorresEnerga 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 pequeapara garantizar la fusin localizada.Arco Fuente de calorrea de contactoCalor disipado en la piezaFundamentos de los procesos de soldadura por arcoEdwar TorresConceptos fundamentales1. 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.Fundamentos de los procesos de soldadura por arcoEdwar Torres =. 2Potencia especfica (Pesp) de una fuente de energaDonde: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 % yrea de transferencia (dimetrodel arco) de 3 mm. =0,512010 0,00324= 8,5107 2Pesp: Potencia necesaria de la fuente para fundir un metal.Fundamentos de los procesos de soldadura por arcoEdwar TorresPara 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 fusinW.m-2104106108101010121014 Soldadura imposibleSoldadura imposibleArcoPlasmaLserHaz de electronesVaporizacinConduccin sin fusinConduccin con fusinVaporizacin, conduccin y fusinPara procesos convencionales la potencia es menor, pues Ao es grande.Procesos avanzados de soldadura (laser o haz de electrones) Ao es muy pequeo.Fundamentos de los procesos de soldadura por arcoEdwar TorresLa eficiencia para diferentes procesos.Kou, S. (2003). Welding MetallurgyEficiencia de la fuente [%]LBW PAW GTAW SMAW GMAW SAW EBW =% =%Los procesos con electrodo consumible son ms eficientesFundamentos de los procesos de soldadura por arcoEdwar TorresEn forma general, las variacionesms significativas en Pesp paralos diferentes procesos seobtienen mediante reduccin delrea de transferencia.Es ms difcil aumentar lapotencia generada (E/t) de lafuente.Do[cm]Potencia especfica [W.m-2]10-210-1100101102107 108 109 1010 10101. Dimensiones del metal de base.2. Conductividad trmica del MB.3. Uso de precalentamiento.Factores que afectan PespFundamentos de los procesos de soldadura por arcoEdwar TorresEquipo para soldadura por haz de electronesEquipos convencionales de soldadura por arcoVideos recomendadosVideo 5: https://www.youtube.com/watch?v=QEWEMCwSMuwVideo 6: https://www.youtube.com/watch?v=vJJhq9_KLCsVideo 7: https://www.youtube.com/watch?v=BTgawzkP4gMVideo 8: https://www.youtube.com/watch?v=NONurFigP5IFundamentos de los procesos de soldadura por arcoEdwar 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 circunferenciade 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 energaProceso de soldaduraDensidad de energa (W.mm-2)Oxiacetilnica 10Por arco elctrico 50Por resistencia elctrica 1000Por laser 9000Por haz de electrones 10000LBWEBWFundamentos de los procesos de soldadura por arcoEdwar 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 circunferenciade 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 soldaduraDensidad de energa de la fuenteAporte trmico a la piezaIncremento en la penetracin.Aumento velocidad de soldadura.Mayor calidad de la soldadura.Equipos costosos.Incremento en dao de la piezaSoldadura con gas combustibleSoldadura con arco elctricoSoldadura con haz de electronesFundamentos de los procesos de soldadura por arcoEdwar 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 deltomo. Existen varios mecanismos de emisin:a) Emisin termoinica: Aumento de la temperatura eleva la cintica de loselectrones consiguiendo escapara de la superficie. Est definida por la Ley deRichardson-Dushman.b) Emisin por campo: El salto de electrones es promovido por campoelectromagntico (Superior a 107 V/cm).c) Emisin secundario: Inducida por la interaccin de partculas con los tomosdel sustrato, cediendo energa a los electrones, permitiendo sudesprendimiento. Las partculas pueden ser fotones, iones o electrones. Elejemplo ms conocido es el efecto fotoelctrico.Emisin de electronesFundamentos de los procesos de soldadura por arcoEdwar TorresLey de Richardson-Dushman = 2 2Funcin trabajoMetalEmisin termoinicaEmisin por campoEmisin 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 - 2,9Cobre 3,1 - 3,7 Nquel 2,9 - 3,5 SrO 1,2 - 2,6Hierro 3,5 - 4,0 Tungsteno 4,1 - 4,4 BaO 1,0 - 1,7Video 9: https://www.youtube.com/watch?v=QhG7u9PXG88Video 10: https://www.youtube.com/watch?v=gH3QtgqJqjwFundamentos de los procesos de soldadura por arcoEdwar TorresExisten 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 arcoFundamentos de los procesos de soldadura por arcoEdwar TorresEs 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 sonadicionados al fundente o recubrimiento. Al ser fcilmente ionizados,liberan electrones que mantienen el arco encendido a pesar de bajarla temperatura en el mismo.ii. Fuente de bajo factor de potencia: El factor de potencia indica lapotencia efectiva utilizada por la fuente, siendo preferible el uso deequipos con factores altos. Esto indica que la sinusoidal del voltaje y lacorriente estn ms cercanos a la fase. Sin embargo, equipos de bajofactor (0,3), por tener voltaje y corriente desfasados, permitenmantener el voltaje alto cuando la corriente se acerca a cero.Estabilizacin del arcoFundamentos de los procesos de soldadura por arcoEdwar TorresVoltaje y corriente Voltaje es la diferencia de energa potencial elctrica entre dos puntos cargadoselctricamente (+ -). Es la energa necesaria para hacer circular las cargasdentro de un conductor. A mayor acumulacin de cargas, mayor la diferencia depotencial. 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.Fundamentos de los procesos de soldadura por arcoEdwar Torres A mayor distancia entre las cargas o resistencia elctrica del conductor, mayorvoltaje (energa potencia elctrica) para hacerlas circular. Cuando no hayseparacin, las cargas fluyen fcilmente, entonces la energa potencia elctrica(V) disminuye; V es igual a cero (0) en el caso de conductores ideales, pues nohabra resistencia al flujo de la carga. La forma como fluyan los electrones define el tipo de corriente. Dos tipos de corriente: Alterna y directa.Fundamentos de los procesos de soldadura por arcoEdwar 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 arcoFundamentos de los procesos de soldadura por arcoEdwar TorresVoltaje del arco (V)Corriente del arco (V)CadaConstanteAumentoNPTEL: Welding Engineering, 2015(http://www.nptel.ac.in/courses/112107090/)Fundamentos de los procesos de soldadura por arcoEdwar TorresLa LaArcofwDonde:La: Longitud de arco.f: Velocidad de alimentacin del MA.w: Tasa de fusin del metal de aporte.Tensin [V]Corriente [A]Curva Corriente-TensinGeometra, materia y temperaturadel ctodo y el nodo.El voltaje (V) es directamenteproporcional a La. Por qu?Longitud de arcoFundamentos de los procesos de soldadura por arcoEdwar TorresLa(a) (b) (c)(-) (+)ArcoTensin[V]DistanciaCada catdica(Vc)Cada andica(Va)Cada en la columna(Vb= E.La)Donde:V: Diferencia de potencial entre el nodoy el ctodo.Va: Cada andica.Vc: Cada catdica.E: Campo elctrico en la columna.La: Longitud de arco. = + + . Fundamentos de los procesos de soldadura por arcoEdwar 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.ElectrodoMetal baseElectrones El elemento golpeado por los electrones se calienta ms. El elemento golpeado por los iones es decapado.Polaridad en el proceso de soldaduraFundamentos de los procesos de soldadura por arcoEdwar TorresFlujoFlujo electronesFlujoFlujo electronesDC 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- ACEn los procesos conrevestimiento o fundente, lapenetracin es definida porlas caractersticas del mismo.Fundamentos de los procesos de soldadura por arcoEdwar 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. Fundamentos de los procesos de soldadura por arcoEdwar TorresAporte trmico por espesor Resistencia a la traccin [ksi] 1500 C 1500 C1132 C45 % UAT 60 % UATVideos recomendadosVideo 11: https://www.youtube.com/watch?v=h2JuJDodZx0Video 12: https://www.youtube.com/watch?v=qTbOhIxg-SMVideo 13: https://www.youtube.com/watch?v=VHf64pdwg_UFundamentos de los procesos de soldadura por arcoEdwar Torres123451Ciclos trmicos de varios puntosCurva de temperaturas mximasCiclo trmico Ciclo trmico: Representa lavariacin de la temperatura en eltiempo para un dado punto de lajunta. Distribucin trmica: Variacin dela Tmax de los ciclos en funcin dela distancia al centro del cordnde soldadura. Distribucin trmica y ciclos trmicos de soldadura.- Es funcin de las propiedades fsicas del material,temperatura del MB, geometra de la junta, energa desoldadura 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 ocurranalteraciones microestruturales.2345Direccin de soldaduraFundamentos de los procesos de soldadura por arcoEdwar Torres Velocidad de enfriamiento (): Derivada enuna determinada temperatura de la curvade enfriamiento. Tiempo de enfriamiento (t): Tiemponecesario para una soldadura pasar de T1aT2. En la soldadura de aceros es de 800a 500 C (t8/5).Fundamentos de los procesos de soldadura por arcoEdwar TorresSoldadura solidificadaTransicin slido-lquidoZona de crecimiento de granoZona de recristalizacinZona parcialmente transf.Zona revenidaZona no afectadaZona afectada trmicamente (ZAT)Temperaturapico(TP)Temperatura pico Ciclo trmicot [s]Temp.[C]Temp.[C]http://www.lgtechniek.be/Subcattegorie.aspx?subID=23Fundamentos de los procesos de soldadura por arcoEdwar TorresSoldadura solidificadaTransicin slido-lquidoZona de crecimiento de granoZona de recristalizacinZona parcialmente transformadaZona revenidaZona no afectadaZATTemperaturapico(TP)Temperatura pico Diagrama Fe-C (Fe-Fe3C)100 % FeTemp.[C]Temp.[C] CLquidoLquido + + + Fe3C + Fe3CAr1Ar3ASM Hand Book Volume 06 - Welding, Brazing, and SolderingFundamentos de los procesos de soldadura por arcoEdwar 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 anchaDistribucin trmica del calorFundamentos de los procesos de soldadura por arcoEdwar TorresEsfuerzos residuales y distorsiones Generacin de esfuerzos internos quegeneran la distorsin de la pieza. La principal causa es el calentamiento nouniforme y la dilatacin y contraccingenerados por este. Tambin puede ser generado portransformaciones de fase como latransformacin martenstica. Las soluciones existentes son empricas.Video 14Video 15Fundamentos de los procesos de soldadura por arcoEdwar TorresVo = Voltaje de circuito abierto (OCV)Vw = Voltaje de trabajoIw = Corriente de trabajoIs = Corriente de cortocircuitoVo = Voltaje de circuito abiertoVw = Voltaje de trabajoIw = Corriente de trabajoFuentes de corriente constante (CI).Cambios grandes en voltaje corresponde a pequeos cambios de corriente.Corregir errores de posicin del soldador.Utilizado en SMAW, GTAWFuentes 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.Fundamentos de los procesos de soldadura por arcoEdwar TorresCorriente (A) Corriente (A)Corriente (A)Corriente (A)Tensin (V)Tensin (V)Tensin (V)Tensin (V)VoVoVoVoIsIsIs = Fuente12Punto de operacinm: Cambio del voltaje generadopor la fuente1: Punto inestable.2: Punto estable y de operacin.Curva V-I del arcoFundamentos de los procesos de soldadura por arcoEdwar Torres Fuentes de corriente constante (CI).- Voltaje de circuito abierto (OCV, Vo) alto: 55 a 85 V.- La longitud del arco varia poco para grandesvariaciones 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.Tensin (V)Tensin (V)Corriente (A) Corriente (A) ll Fuentes de tensinconstante (CV).- Tensin constante en todala operacin.- Gran variacin decorriente como respuestaa cambios de longitud dearco.- Muy difcil hacercorreccin manual de lalongitud del arco.- Alimentacin automticadel alambre.- La velocidad dealimentacin aumentapara arcos largos ydisminuye para arcoscortos.Fundamentos de los procesos de soldadura por arcoEdwar TorresParmetros de soldadura Nivel de corriente. Tipo de corriente: Corriente continua conelectrodo positivo (DCEP), corriente continuacon electrodo negativo (DCEN) y corrientealterna (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 contactohsLaArco = + Fundamentos de los procesos de soldadura por arcoEdwar TorresVideos recomendadosVideo 14: https://www.youtube.com/watch?v=icf2FQAIfm0Video 15: https://www.youtube.com/watch?v=-LCPp4LxmoYEl transformadorhttps://www.youtube.com/watch?v=Ud8JMEi-YfUhttps://www.youtube.com/watch?v=g1zrxEzfGDMhttps://www.youtube.com/watch?v=ORbd1e_I_7oInduccin de Faradayhttps://www.youtube.com/watch?v=ZyG7q3SaDD0La unin P-N: Funcionamiento de un diodo (rectificador)https://www.youtube.com/watch?v=hsJGw_c-Nn4Fundamentos de los procesos de soldadura por arcoEdwar TorresNotas 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 adicionadosen el fundente disminuyen el voltaje y la temperatura en el plasma, peroestabilizando 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, paramantener el flujo de corriente.Gran parte del calor generado en los procesos con arco con electrodo consumiblees depositado en el metal base, lo que implica mayor eficiencia del proceso.Eficiencia con electrodo consumible (70-80 %); electrodo no consumible (40-60 %)Fundamentos de los procesos de soldadura por arcoEdwar TorresCmo 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