ESW: Introducción, Configuración y Aplicaciones
Después de leer este artículo, aprenderá acerca de: - 1. Introducción a la soldadura de electroescoria (ESW) 2. Materiales requeridos para la soldadura de electroslag (ESW) 3. Circuito eléctrico y una configuración 4. Tasas de deposición 5. Diseño de la junta de soldadura 6. Estructura de soldadura y Propiedades 7. Aplicaciones.
Introducción a la soldadura de electroslag:
La soldadura por electro-escoria es un proceso de soldadura por fusión para unir piezas gruesas en una sola pasada. Este proceso NO es un proceso de soldadura por arco, aunque la mayor parte de la configuración es similar a los procesos de soldadura por arco habituales y se requiere la formación de arco para iniciar el proceso y también puede ocurrir posteriormente cuando se altera la estabilidad del proceso.
El calor se genera debido al flujo de corriente a través de la escoria fundida que proporciona la resistencia necesaria para reemplazar la resistencia del arco. El proceso tiene características que se asemejan a los procesos de fundición, pero en este caso los dos lados de la pared del molde se funden para unir el metal fundido adicional. Un rasgo característico del proceso es su desplazamiento vertical hacia arriba en la mayoría de los casos. Puede emplear uno o más electrodos dependiendo del grosor del trabajo.
La invención del proceso en 1951 se acredita al Paton Welding Institute, Kiev (URSS) y ciertos desarrollos posteriores al Welding Research Institute, Bratislava (Checoslovaquia). Actualmente, el proceso se utiliza en todo el mundo para soldar componentes de paredes gruesas como recipientes a presión, carcasas de turbinas, marcos de máquinas, etc.
Este proceso elimina los problemas asociados con las soldaduras de ejecución múltiple y conduce a soldaduras económicas a alta velocidad de soldadura y sin distorsión angular. No hay límite superior de espesor que pueda soldarse mediante este proceso, aunque 50 mm suele ser el límite inferior para un funcionamiento económico.
Aunque este proceso puede soldar hierro fundido, aluminio, magnesio, cobre, titanio, etc., pero los fabricantes de acero son los principales usuarios. Los aceros soldados por soldadura de electroslag pueden incluir aceros al carbono y de baja aleación, aceros de alta aleación, aceros resistentes al desgaste y a la corrosión.
Materiales requeridos para la soldadura de electroslag:
Aparte del material de trabajo, otros consumibles requeridos son el cable del electrodo y el flujo. Los consumibles de soldadura pueden utilizarse eficazmente para controlar la composición del metal de soldadura y, por lo tanto, sus propiedades mecánicas y metalúrgicas.
1. Electrodos:
En general, se emplean dos tipos de electrodos, a saber, sólidos y con núcleo metálico. Aunque los electrodos sólidos son más populares, los electrodos con núcleo de metal permiten el ajuste de la composición de metal de relleno para soldar aceros de aleación a través de adiciones de aleación (por ejemplo, ferro-manganeso, ferrosilicio, etc.) en el núcleo y ayudan a reponer el flujo en el baño fundido. .
En la soldadura de electroslag de aceros al carbono y aceros HSLA, el alambre del electrodo generalmente contiene menos carbono que el metal base. Esto evita el agrietamiento en el metal de soldadura de aceros que contienen carbono hasta 0-35%. Sin embargo, los alambres de los electrodos utilizados para soldar. Los aceros de alta calidad generalmente coinciden con la composición del metal base. Las soldaduras de electrosch en aceros aleados generalmente se tratan térmicamente para lograr las propiedades deseadas en metal de soldadura y HAZ, y la composición del alambre del electrodo correspondiente asegura una respuesta similar a tales tratamientos de diferentes partes de la soldadura.
Las soldaduras de electroslag debido a la preparación del borde cuadrado generalmente tienen una alta dilución que oscila entre el 25 y el 50%. Con el cable del electrodo correspondiente no tiene muchas consecuencias, ya que el metal del electrodo y el metal base fundido se mezclan a fondo para proporcionar una composición química casi uniforme en todo momento.
El alambre de electrodo para F.SW generalmente varía entre 1.6 y 4.0 mm de diámetro; sin embargo, los alambres con diámetro de 2.4 y 3.2 mm son más populares. Estos cables se suministran en forma de carrete, los carretes varían en tamaño y pesan hasta un máximo de 350 kg; Pero el embalaje más popular pesa unos 25 kg.
2. Flujo:
El flujo es quizás el material consumible más importante de ESW. En su estado fundido, transforma la energía eléctrica en energía térmica que ayuda a fundir el cable del electrodo y el metal base para formar una unión soldada. También se requiere proteger el metal de soldadura fundido de la atmósfera y garantizar un funcionamiento estable.
El flujo en su estado fundido se requiere para conducir la electricidad, pero al mismo tiempo debe ofrecer suficiente resistencia a su flujo para generar el calor adecuado para la soldadura. Si la resistencia es menor que la requerida, se produce una formación de arco. La escoria también debe tener una viscosidad óptima, es decir, no debe ser demasiado gruesa para impedir una buena circulación y causar la inclusión de escoria ni demasiado delgada para causar una fuga excesiva.
El punto de fusión del flujo debe estar muy por debajo del metal base y su punto de ebullición debe estar muy por encima de la temperatura de operación para evitar pérdidas indebidas que podrían tener efectos perjudiciales en las características de operación. La temperatura de funcionamiento de los aceros para soldadura es de aproximadamente 1650 ° C. El flujo fundido debe ser bastante inerte al metal base y debe ser estable en un amplio rango de condiciones de soldadura.
Los principales constituyentes de los flujos de ESW son óxidos complejos de silicio, manganeso, titanio, calcio, magnesio y aluminio con adiciones de fluoruro de calcio.
Si se descuidan las pérdidas por fugas, la cantidad de flujo utilizada es de aproximadamente 5 a 10 kg por cada 100 kg de metal depositado. Con el aumento del espesor de la placa o la longitud de soldadura, el consumo de flujo se reduce a 1, 5 kg por cada 100 kg de metal depositado. Otra aproximación es de unos 350 g de flujo por metro vertical de la altura de la junta.
Hay dos tipos de flujos normalmente utilizados para ESW. Uno se llama flujo inicial y el otro flujo continuo. El flujo de inicio está diseñado para estabilizar rápidamente el proceso ESW; Tiene bajo punto de fusión y alta viscosidad. Se derrite rápidamente y moja la superficie del sumidero para facilitar el arranque.
Es altamente conductora y genera altas temperaturas rápidamente. Una pequeña cantidad de este flujo se utiliza para iniciar el proceso. Puede ayudar a iniciar el proceso sin el sumidero. El flujo en funcionamiento o operativo está diseñado para proporcionar un equilibrio adecuado entre los parámetros operativos para lograr la conductividad eléctrica, la temperatura y la viscosidad correctas del baño a fin de obtener el análisis químico deseado. Un flujo en funcionamiento puede operar en una amplia gama de condiciones.
Los electrodos sólidos para ESW de carbono y aceros HSLA se dividen en tres clases, a saber, manganeso medio (aproximadamente 1% Mn), manganeso alto (aproximadamente 2% Mn) y clases especiales. Los flujos de ESW se clasifican según las propiedades mecánicas de un depósito de soldadura hecho con un electrodo particular y un metal base específico.
La composición del flujo se deja a criterio del fabricante, pero se especifican dos niveles de resistencia a la tracción para el metal de soldadura: 415-550 MPa y 485-655 MPa; También se debe cumplir un requisito mínimo de tenacidad. Un flujo típico para soldar acero estructural bajo en carbono tendría un análisis nominal para los componentes principales, como se muestra en la tabla 11.1.
La adición de CaF 2 reduce la viscosidad y mejora la conductividad eléctrica de la escoria fundida.
Circuito eléctrico y una configuración para ESW:
El circuito eléctrico para el proceso ESW se muestra en la Fig. 11.5 (a) y el esquema correspondiente para la configuración se muestra en la figura 11.5 (b).
Tasas de deposición de soldadura de electroslag:
Las tasas de deposición del proceso de soldadura de electroslag están entre las más altas para cualquier proceso usado para hacer el mismo trabajo. La figura 11.11 muestra las tasas de deposición afectadas por la corriente de soldadura para cables de electrodo de 2, 4 mm y 3, 2 mm de diámetro.
El número de electrodos utilizados también es un factor importante que afecta la tasa de deposición en ESW y es aproximadamente de 16 a 20 kg / h por electrodo. Para trabajos con gran espesor utilizando tres electrodos, se pueden depositar 45 - 60 kg / hr de metal de soldadura. Utilizando un espacio de unión de 30 mm, la velocidad de soldadura se muestra en la Fig. 11.12. Las placas pesadas con una variación de espesor de 75 a 300 mm se sueldan a velocidades que varían de 60 a 120 cm / h.
Diseño de juntas de soldadura para soldadura de electroslag:
Los principales tipos de uniones que pueden soldarse mediante el proceso ESW incluyen tope, filete, esquina, transición, unión en T y la soldadura transversal como se muestra en la Fig. 11.13; sin embargo, se necesitan zapatas de retención especialmente diseñadas para juntas distintas de topes, esquinas y juntas en T. En la Fig. 11.14 se muestran algunas de las costuras soldadas por soldadura eléctrica típicas.
Preparación y ajuste de los bordes:
La preparación de los bordes para la soldadura de electroslag es mucho más simple que para la soldadura por arco y la mayoría de los casos solo requieren el corte de placas con bordes cuadrados. Para espesores de hasta 200 mm, esto puede hacerse con máquinas de corte por llama de oxi-acetileno. Debido a que la soldadura por electro-escoria produce una penetración profunda, la suavidad de los bordes cortados es de poca importancia; de hecho ranuras arrancadas de 2-3 mm de profundidad se pueden acomodar fácilmente sin ningún efecto adverso. Sin embargo, en secciones más gruesas, tales ranuras, llamadas vieiras, a menudo crecen en profundidad y, por lo tanto, requieren el mecanizado de los bordes cortados por la llama.
Para el montaje de piezas para ESW, generalmente se utilizan abrazaderas en U de los tipos mostrados en la figura 11.15. Estos son soldados por puntos en el lado posterior de la junta. Las abrazaderas en forma de U se emplean para proporcionar un movimiento sin obstrucciones de los bloques de retención de cobre o para el paso del carro inactivo. A veces, las abrazaderas en U pueden reemplazarse por correas que se eliminan con un golpe de martillo o una antorcha de corte de gas cuando se acerca el cabezal de soldadura.
Para ajustar las piezas para ESW, es imperativo mantener el espacio diseñado. Sin embargo, normalmente se acepta que existe una diferencia entre la brecha de diseño y la brecha de ajuste. El espacio de diseño a menudo se considera una cantidad supuesta utilizada para calcular las dimensiones de una soldadura terminada y es menor que el espacio de ajuste por la cantidad de contracción del metal depositado. El espacio de ajuste es la distancia entre las caras de fusión ensambladas para la soldadura.
Normalmente varía a lo largo de la longitud de la misma articulación. Generalmente aumenta de 2 a 5 mm por cada metro de longitud de la articulación al moverse hacia arriba a lo largo de la costura. Con el espacio de ajuste ajustado, el espacio real después de la soldadura y la contracción resulta uniforme a lo largo de toda la junta y es igual al espacio de diseño. Los valores sugeridos del diseño y las brechas de ajuste se dan en la Tabla 11.3 y la Fig. 11.16 muestra un ajuste típico para ESW.
Algunos conjuntos de variables sugeridas para ESW se resumen en la Tabla 11.4:
Estructura de la soldadura y propiedades de la soldadura de electroslag:
La soldadura por electro-escoria se usa principalmente para soldar aceros, aunque los aceros Q & T (Quenched and Tempered) generalmente no se unen por este proceso. La temperatura alcanzada en el área de soldadura inmediata es de aproximadamente 1925 ° C. Esta alta temperatura con un ciclo térmico prolongado da como resultado una estructura de metal de soldadura que consiste en grandes granos de austenita anteriores con patrones de solidificación en columna que tienen granos gruesos que producen porciones quebradizas en el producto terminado.
Por lo general, es deseable normalizar el metal de soldadura calentando a aproximadamente 40 ° C por encima de la temperatura de transformación más baja del material de trabajo, seguido de un enfriamiento lento. Esto mejora enormemente las propiedades del carbono y los aceros de baja aleación, en particular su resistencia a la iniciación y propagación de fracturas frágiles.
Los patrones de tensión residual producidos en la condición soldada son bastante favorables, como se muestra en la figura 11.17. Normalmente no se produce distorsión angular en las uniones E5W debido a la simetría de la mayoría de dichas soldaduras (juntas de ranura cuadrada en una sola pasada). La resistencia a la tracción de las soldaduras de acero varía de 380 MPa a 420 MPa.
Aplicaciones de soldadura de electroslag (ESW):
Los principales campos de aplicación del proceso ESW incluyen la soldadura de estructuras, maquinaria, barcos, recipientes a presión y piezas de fundición.
La soldadura de soldaduras a tope de tipo de transición para unir diferentes espesores es una aplicación ESW estructural común. Otro uso amplio en esta área es la soldadura de refuerzos en columnas de caja y bridas anchas; En todos estos casos, la soldadura de refuerzo sería una junta en T.
La unión de vigas de bridas grandes y anchas es otra aplicación impresionante de ESW y otro uso común de ESW es el empalme de las bridas, es decir, la soldadura a tope de placas del mismo espesor.
En la fabricación de maquinaria, la fabricación de prensas grandes y máquinas herramientas que requieren placas grandes y pesadas se realiza con la ayuda de ESW. Las aplicaciones especiales incluyen su uso en hornos, piezas de engranajes, bastidores de motores, marcos de prensa, anillos de turbina, cuerpos de trituradoras y llantas para rodillos de carretera.
Los bloques de cerdas de gran tamaño, como se muestra en la figura 11.18, se utilizan en prensas para trabajar metales de alta resistencia, especialmente titanio, ya que mejora la precisión dimensional de los prensados. Un bloque de cerdas es un prisma tetraédrico de 1800 mm de alto y pesa aproximadamente 140 toneladas.
Se fabrica soldando tres piezas forjadas de acero de aleación (0.25 C - Cr - 3 Ni - Mo - V). La forma, el tamaño y el peso de un bloque de cerdas no permiten el forjado después de la soldadura para asegurar las propiedades mecánicas deseadas en las uniones soldadas. Por lo tanto, se logra mediante un elaborado ciclo de tratamiento térmico como se muestra en la Fig. 11.19.
La soldadura por electro-escoria es popular en la fabricación de recipientes a presión de pared gruesa para las industrias química, petrolera, marina y generadora de energía, pero el tratamiento posterior a la soldadura es esencial en esta aplicación para restaurar la ductilidad de la muesca que a menudo se pierde debido a los ciclos de enfriamiento de ESW en el HAZ.
ESW también se utiliza para hacer conexiones de tubería de derivación a recipientes de paredes gruesas y también para soldar orejetas de elevación a los recipientes.
La característica atractiva de ESW es que la distorsión puede predecirse y explicarse. Esto lo ha hecho especialmente popular para la construcción de barcos, donde las uniones verticales en los cascos de grandes petroleros se han soldado con éxito.
Para reducir costos y mejorar la calidad, muchos de los componentes grandes y difíciles de moldear se producen en unidades más pequeñas y de mayor calidad y luego se sueldan con soldadura eléctrica. Las características metalúrgicas de una soldadura de fundición y electroescuela son similares, ambas responden al tratamiento térmico posterior a la soldadura de una manera similar, lo que da como resultado estructuras y propiedades uniformes.
