soldaduras cuproalumino térmicas para puestas a tierra

7/26/2019 Soldaduras Cuproalumino Trmicas Para Puestas a Tierra

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Las soldaduras cuproalumino trmicas para puestas a

tierra y sus ensayos elctricos de calentamiento | Ing.

Juan Carlos Arcioni e Ing. Jorge Francisco Gimnez

Por Ing. Juan Carlos Arcioni, IRAM, CGN, CEE; Ing. Jorge Francisco

Gimnez, CITEDEF

Se analiza el ensayo de calentamiento elctrico de una soldadura cuproaluminotrmica -SCAT- de un

cable de cobre a muy alta temperatura (1.000 aproximadamente) propuesta por los autores en el

estudio actual de la norma IRAM 2315, en reemplazo de otro ensayo de fusin del cable con una SCAT

(realizada a mitad del cable) anteriormente propuesto en el IRAM. En el Anexo A se dan las

definiciones normalizadas e ilustradas de las SCAT como una posible introduccin a esta nota tcnica.

1. Los ensayos elctricos de las SCAT en la norma IRAM 2315 [1]

Eran tres los ensayos propuestos hasta mayo de 2013:

Ensayo de calentamiento/enfriamiento (8.2.1 del esquema 2 de IRAM 2315)

Ensayo de calentamiento y fusin del conductor de cobre con una unin soldada modelo SS (8.2.2)

Ensayo de calentamiento a muy alta temperatura (terica de unos 1.000 C) del conductor de cobre de

una unin soldada SS

Figura 1. Temperatura (C) del cable de cobre con una soldadura SS en un ensayo de calentamiento y de fusin en funcin del calor (energa

electrotrmica) Q (kJ/kg de masa) desarrollado por la corriente alterna Ie que lo recorre durante el tiempo de ensayo te (ver figura 2)

2. Eliminacin del ensayo 8.2.2 de fusin del conductor [2] [3]

2.1 Este ensayo era el que est en el recuadro
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Figura 2. Esquema del calor (energa electrotrmica) necesario para calentar un conductor de cobre desde i= 20 C hasta f= 1.083 C, y fundirlo a 1.083

C

Datos

Qm (20C/1.083C) = c m f - i

c = 0,394 (kJ/kg) Qm = 419 kJ/kg

m = 1 kg

Lf = 209 kJ/kg siendo f = 1.083 C = const.

Qtotal = Qm + Lf/ = 628 kJ/kg

t= tiempo de fusin (%)

2.2 Razones de los autores para proponer la eliminacin del ensayo 8.2.2

Al estudiar el tema, los autores encontraron las razones siguientes:

A) El ensayo de fusin no est en ninguna norma que trate del tema. El que s est es el de ~1.000 C, en la

ANSI/UL 467:2004-09-03 (EE. UU.).

B) En la adjunta figura 1 presentamos la temperatura (terica) (C) en funcin de la energa electrotrmica Q

(kJ/kg) (kilojoule/kilo de masa). Esta energa est desarrollada, en el tiempo de ensayo, por la corriente alterna

de valor eficaz I (A), y comprende lo siguiente:
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Figura 3. Funciones Ie = F [S (mm2

Cu); te (s)] de corrientes Ie (A) de ensayo de cables de cobre de S (mm2

) durante te (s) a muy alta temperatura (1.000 C

aprox. terico) segn la tabla 14.1 de ANSI/UL 467:2004 (EE.UU.) [3]

el calor de masa para el calentamiento Qmdel cable de Cu (cobre) de 1 x 4 mm2- (1 metro) (IRAM 2004)

con su soldadura SS ubicada al medio, por ejemplo. Este calor Qmcalienta al conductor + SS hasta

llegar a f= 1.100 C de fusin del conductor de cobre (ver la figura 1).

el calor latente de fusin Lfa la temperatura de 1083 C (terica) que permanece constante durante el

lapso de fusin del metal cobre (Cu)

En la figura 1, con = f (Q), y el la figura 2, con Q = F (t), se puede apreciar que las funciones f y F son

matemticamente discontinuas porque el calor Lf introduce la discontinuidad por el cambio de estado fsico:

slido (Cu) a lquido (Cu) a la temperatura constante f.

Este hecho fsico (fenmeno fsico) complica el ensayo y el mantenimiento de sus condiciones de seguridad

personal y tcnica.

C) En la ANSI/UL 467-2004, en su apartado 14.1 - short-time test currents [en la columna tercera (S mm2

Cu), cuarta (tiempo, s) y quinta (corriente de ensayo, A) se especifica una funcin tabulada:

Ie = F [S (mm2Cu); t (s)]

representada en nuestra figura 3, que responde a un ensayo de calentamiento adiabtico que debe ser

resistido (o soportado) por la unin soldada SS en nuestro caso (ver 14.1 de la ANSI/UL 467-2004: The fitting

shall not crack, break or melt).

3. Propuesta de los autores para el ensayo 8.2.3 de IRAM 2315

8.2.3 Ensayos de calentamiento a muy alta temperatura (terica de 1.000 C) del conductor de cobre de una

unin soldada SS.

8.2.3.1 Se debe ensayar una muestra de tres (o de cinco) especmenes de uniones soldadas SS (ver el

8.2.3.3).

A cada espcimen de unin soldada del tipo (o modelo) SS realizada sobre un conductor de cobre de 4 mm2

(siete alambres) se le aplica la corriente Iedurante el tiempo Tede corta duracin, segn la tabla XYZ.8.2.3.2 Cada unin soldada, ensayada segn el 8.2.3.1 no se debe rajar, quebrar, romper o fundir como

consecuencia del calentamiento con la corriente Ie de corta duracin te.

8.2.3.3 Por convenio previo entre fabricante y usuario se podrn elegir otras secciones de cables de cobre

segn la tabla XYZ.
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Tabla XYZ - Ensayos de corrientes Iede corta duracin teresistida por uniones soldadas en

conductores de cobre

4. Complemento explicativo de la propuesta de 3

4.1 Tabla XYZ incorporando las densidades de corriente Jeen el tiempo te

4.2 Tabla UVW

Anlisis termodinmico de la tabla 14,1 (pg. 16) de la norma ANSI/UL 467 (2004/09/03), reproducida en


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las tres primeras columnas que siguen.

4.3 Clculos para la tabla UVW segn el Anexo A, IRAM 2281-3, ao 2012:

4.3.1 Clculo de la temperatura final f


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a) Sea K = 281, 283, 285, calcular fsi i= 30 C

b) Fusin de cobre: f= 1.083 C, siendo i= 30 C

5. Agradecimientos

Los autores de este artculo agradecen al ingeniero Jorge Clapes por su colaboracin tecnolgica en el IRAM,

y a Alejandro Menndez de Jess, Romina Simone y Alejandra Bocchio por la confeccin editorial.

Bibliografa

[1] IRAM -Instituto Argentino de Normalizacin y Certificacin- Buenos Aires

Norma IRAM 2315 Materiales para puesta a tierra. Soldadura cuproaluminotrmica

Primera edicin 1998

Segunda edicin 1999


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Tercera edicin en estudio (2012 y 2013)

[2] Arcioni, Juan Carlos, Propuesta del ensayo de calentamiento de un cable de cobre con una soldadura SS

(IRAM 2315) a muy alta temperatura (1.000 C aprox.) - Anexo 2 al acta 2-2013 (18/4/2013) y Anexo 2 a acta

3-2013 (23/5/2013) del subcomit Materiales para Puesta a Tierra del IRAM (coordinador Ing. Salvador David

Carmona)

[3] American National Standards Institute (ANSI)/Underwriters Laboratories (UL)USA: ANSI/UL

467:2004/09/13: Standard for grounding and bonding equipment

Anexo A

Figura A1. Proceso de una soldadura cuproaluminotrmica

A1a. Reaccin exotrmica de una soldadura

A1b. Colada del material fundido sobre las piezas a soldar

A1c. Fin de la colada y formacin de la soldadura

A1d. Soldadura finalizada

Norma IRAM 2315 (esquema 2 )en estudio en el IRAM durante 2012 y 2013. Materiales para puesta a tierra.

Soldadura cuproaluminotrmica.

Definiciones (versin de los autores del captulo 3 de IRAM 2315Esquema 2/2012-2013)

3.1 Soldadura cuproaluminotrmica

Proceso de soldadura por termofusin, donde el calor necesario se obtiene por el efecto reductor del aluminio

sobre el xido de cobre, que genera una reaccin exotrmica de alta temperatura. El material de aporte es el

cobre fundido y recalentado, resultante de dicha reaccin termoqumica.

Nota: este proceso de soldadura se ilustra en la figura 1.

3.2 Molde para soldaduras (ver 3.2 en figura A2)

Conjunto de piezas mecanizadas de grafito u otro material, provistas por el fabricante, necesarias para la

realizacin de cada tipo o modelo de soldadura.

3.3 Tipo o modelo de soldadura

Son las designadas en el anexo C de esta norma de acuerdo con el criterio de utilizacin ms comn de la

soldadura.


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3.4 Carga o cartucho de soldadura (ver 3.4 en figura A2)

Cantidad de material de aporte (fraccionada y envasada por el fabricante) necesaria para cada tipo de

soldadura. Se identifica convencionalmente por un nmero entero.

3.5 Elemento de ignicin (ver 3.5 en la figura A2)

Elemento provisto por el fabricante (por ejemplo, polvo, mecha, dispositivo de chispa, etc.) contenido en un

envase individual que se utiliza para provocar la ignicin y la consecuente reaccin termoqumica de la carga

de la soldadura.

3.6 Manijas

Herramientas intercambiables de acero que permiten sujetar, manipular, abrir y cerrar los moldes de dos

partes, a causa de su alta temperatura de trabajo.

3.7 Armaduras

Herramientas intercambiables de acero que permiten sujetar, manipular, abrir y cerrar los moldes de

particiones mltiples (dos o ms partes) cuando tienen altas temperaturas de trabajo.

2.8 Disco metlico (ver 3.8 en la figura A2)

Pieza metlica circular cncava que mantiene la carga de soldadura dentro del crisol o embudo de molde y

que permite (por su fusin a una temperatura predeterminada) la colada del cobre fundido y recalentado sobre

las piezas que deben ser soldadas.

Nota: en la figura A2 se da un ejemplo de una vista en corte de un molde con los elementos de soldadura

definidos en 3.2, 3.4, 3.5 y 3.8.

Figura A2. Vista en corte de un molde de soldadura con las piezas a soldar (inidicando entre parntesis

los apartados del captulo 3, definiciones del esquema 2 de la norma IRAM 2315)

Anexo B
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Extracto del anexo C del esquema 2 de IRAM 2315:2012. Designacin de las uniones soldadas de uso ms

comn para cables

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