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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
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Fundamentos de los procesos de soldadura por arco
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
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Fundamentos de los procesos de soldadura por arco
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
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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).
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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
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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.
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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)
?
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?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).
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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).
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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
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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.
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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
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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
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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.
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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
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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
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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.
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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.
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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
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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.
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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.
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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
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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
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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
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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.
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=
.
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.
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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.
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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
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Fundamentos de los procesos de soldadura por arco
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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
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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
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Fundamentos de los procesos de soldadura por arco
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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
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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
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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
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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
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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
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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.
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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.
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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/)
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Fundamentos de los procesos de soldadura por arco
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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Fundamentos de los procesos de soldadura por 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.
= + + .
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Fundamentos de los procesos de soldadura por 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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Fundamentos de los procesos de soldadura por arco
Edwar Torres
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.
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Fundamentos de los procesos de soldadura por arco
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.
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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
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Fundamentos de los procesos de soldadura por arco
Edwar Torres
1
2
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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
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Fundamentos de los procesos de soldadura por arco
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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).
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Fundamentos de los procesos de soldadura por arco
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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
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Fundamentos de los procesos de soldadura por arco
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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
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Fundamentos de los procesos de soldadura por arco
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
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Fundamentos de los procesos de soldadura por arco
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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
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Fundamentos de los procesos de soldadura por arco
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.
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Fundamentos de los procesos de soldadura por arco
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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
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Fundamentos de los procesos de soldadura por arco
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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.
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Fundamentos de los procesos de soldadura por arco
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
= +
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Fundamentos de los procesos de soldadura por arco
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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
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Fundamentos de los procesos de soldadura por arco
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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 %)
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Fundamentos de los procesos de soldadura por arco
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