Soldadura en ambientes inusuales
Después de leer este artículo, aprenderá sobre los métodos de soldadura en ambientes inusuales: 1. Soldadura en viento 2. Soldadura a bajas temperaturas ambientales 3. Soldadura en vacío 4. Soldadura en espacio.
Soldadura en viento:
La soldadura en condiciones ventosas da como resultado un alargamiento del arco que conduce a un deterioro en el blindaje de la piscina de soldadura de los efectos perjudiciales de los gases atmosféricos. Por lo tanto, el voltaje del arco debe mantenerse dentro de un rango para garantizar una soldadura sin defectos a una velocidad del viento dada.
La protección del gas protector por la quema del revestimiento en la soldadura por arco metálico protegido y el gas protector en la soldadura por arco metálico por gas se ve gravemente afectada por la velocidad del viento; sin embargo, se encuentra que los alambres con núcleo de fundente autoprotectores brindan una protección considerablemente mejor.
Suponiendo que el alargamiento del arco como un criterio cuantitativo de la eficiencia del blindaje, los resultados para una marca de alambres de soldadura de arco con autocierre con núcleo de flujo (FCAW) informados por Shlepakov, et al. Los experimentos de laboratorio simulados se muestran en la Fig. 22.1.
Es evidente que se pueden obtener soldaduras sin defectos para una longitud de arco muy corta para un rango de voltaje de arco de 21 a 22, 5 voltios para una velocidad del viento de hasta 15 m por segundo. Sin embargo, la calidad del cordón de soldadura se vio seriamente afectada por un arco más largo, particularmente a una velocidad del viento más alta. Los mismos autores también han reportado datos similares para otros tipos de cables FCAW con autoprotección.
Soldadura a bajas temperaturas ambientales:
La soldadura durante el invierno en regiones montañosas del norte o más específicamente en regiones árticas y antárticas implica trabajar a temperaturas muy bajas, hasta -40 ° C o incluso más bajas. La productividad de las máquinas y estructuras en la región ártica en invierno es aproximadamente 1.5 veces más baja que la nominal y, por lo tanto, la vida útil real se reduce de 2 a 3.5 veces, lo que resulta en una pérdida cercana a los países involucrados.
Se informa que la falla de los componentes y ensamblajes de automóviles, tractores y bulldozer en tiempos de invierno es de 4 a 6 veces más alta que en verano. El trabajo mensual promedio de una excavadora en invierno es de 2, 7 a 7 veces más bajo que en verano. En el período invernal, se producen más de 75% de fallas en el total de los componentes básicos soldados y ensamblajes registrados de las máquinas de excavación. La fractura frágil y la fractura por fatiga son las causas atribuibles a las fallas de las uniones soldadas en dragas y otros equipos de movimiento de tierras.
Con el descenso de la temperatura en invierno en la región ártica, se reportan mayores fallas en tuberías, puentes, vigas de carga, tanques, tanques de almacenamiento de petróleo y recipientes a presión. Entre las principales causas de las fracturas frágiles a baja temperatura de las uniones soldadas se encuentran la mala selección de materiales de base y consumibles de soldadura, así como la tecnología de soldadura adoptada. Esto conduce a la formación de regiones con mayor susceptibilidad a la fragilidad y al inicio de grietas frías.
La formación de grietas frías en las juntas de soldadura hechas a bajas temperaturas ambientales se atribuye al enfriamiento rápido y la cristalización del conjunto de soldadura que resulta en el atrapamiento de hidrógeno, oxígeno o nitrógeno, y materiales no metálicos en el metal de soldadura. Debido al rápido enfriamiento a baja temperatura; la fusión del metal también puede ser inadecuada, lo que lleva a una penetración incompleta y falta de fusión. Además, la calidad de los electrodos y los alambres de relleno se ve afectada negativamente si la humedad se acumula en ellos.
Para contrarrestar los efectos nocivos de la baja temperatura para lograr soldaduras de calidad, se deben cumplir las siguientes reglas:
1. El metal principal utilizado debe estar libre de rasguños, hendiduras o cortes en la superficie para evitar el efecto de muesca
2. La limpieza de los bordes de trabajo es esencial para eliminar contaminantes y humedad o nieve. Si es necesario, los bordes pueden precalentarse antes de ensamblar y luego enfriar la unión de soldadura lentamente.
3. Solo se deben usar electrodos de alta calidad, completamente secos, con técnicas y variables de soldadura adecuadas. Es posible que se requiera un ajuste de corriente más alto para compensar la baja temperatura ambiente.
4. Las soldaduras deben recortarse cuidadosamente una vez completadas para evitar la formación de rasguños y hendiduras en el metal de soldadura y en el HAZ.
5. Se debe evitar el desarrollo de cráteres para evitar la formación de grietas de cráteres que pueden provocar fracturas frágiles.
6. Use accesorios en lugar de tachuelas rígidas para evitar el desarrollo de esfuerzos excesivos en la unión soldada; una buena práctica es aumentar la entrada de calor en un 4 a 5% por cada disminución de 10 ° C en la temperatura ambiente, por ejemplo, aproximadamente 20 °.
Debido al aumento del efecto del disipador de calor, la ductilidad de la soldadura se reduce con el aumento del espesor de trabajo. Para contrarrestar el efecto del espesor en la ductilidad, la entrada de calor puede incrementarse, pero esto generalmente conduce a una resistencia reducida del metal de soldadura. La velocidad de enfriamiento es un parámetro crítico en las soldaduras a tope y de corrimiento múltiple, por lo que se evitan dichas soldaduras para facilitar las soldaduras importantes hechas a bajas temperaturas ambientales.
Un método alternativo es hacer soldaduras de sección transversal más gruesa. Por ejemplo, el grosor de la pieza de trabajo de 16 a 24 mm, de 25 a 40 mm y de 41 a 50 mm debe soldarse con una sección de unión de soldadura mínima o 35 mm 2, 50 mm 2 y 60 mm 2 respectivamente. Además, las velocidades de enfriamiento de dichas soldaduras no deben superar los 30 ° C por segundo.
Las barras de refuerzo de los aceros estructurales se pueden soldar con éxito en moldes a bajas temperaturas. Las propiedades alcanzadas en tales casos son generalmente similares a las alcanzadas a temperaturas normales de taller.
El tipo de recubrimiento afecta considerablemente el resultado de la soldadura de arco de metal blindado a bajas temperaturas. Los mejores resultados se pueden obtener mediante el uso de electrodos con recubrimiento básico, ya que el metal de soldadura obtenido tiene propiedades mecánicas y de impacto elevadas debido al bajo contenido de hidrógeno del metal de soldadura que tiene poca susceptibilidad al envejecimiento y fractura frágil, así como a un aumento en el contenido de carbono y azufre. . De este modo, las soldaduras de buena calidad pueden obtenerse mediante electrodos con recubrimiento básico en aceros de baja y alta aleación.
Para obtener soldaduras de buena calidad en la soldadura de tuberías a bajas temperaturas, el tope debe pegarse según las condiciones que se indican en la tabla 22.1:
Las soldaduras a tope en tuberías hechas de acero martensítico de cualquier espesor de pared deben realizarse a una temperatura ambiente del aire de aproximadamente 0 ° C; cuando la temperatura ambiente sea inferior a 0 ° C, dichas soldaduras a tope deben realizarse en locales o recintos con calefacción. La soldadura de tuberías hechas de aceros de acabado y semiacabado, así como su elevación, transporte y montaje, debe realizarse a temperaturas del aire ambiente que no sean inferiores a 20 ° C.
La susceptibilidad de una unión soldada a una fractura frágil aumenta considerablemente cuando incluso aparecen las grietas frías más leves o daños por fatiga bajo cargas alternas, esto se hace más pronunciado a medida que la temperatura disminuye. Para mejorar el rendimiento de las uniones soldadas bajo cargas de impacto y a temperaturas negativas, se recomienda el revenido a alta temperatura para el aumento de la resistencia de la muesca por tratamiento térmico en la estructura metálica HAZ.
Otro método para mejorar las propiedades de impacto y fatiga de las soldaduras hechas a bajas temperaturas ambientales es el tratamiento con arco de argón de la soldadura. En este tratamiento, el arco de argón se utiliza para lograr una transición suave del contorno de la soldadura al metal base, así como para mejorar el metal de la soldadura mediante cambios metalúrgicos como la desulfuración, la desgasificación, el refinado de inclusiones no metálicas y la variación de sus formas.
Este tratamiento conduce no solo a la disminución de la concentración de tensión en la ZAZ sino que también mejora la estructura de la capa superficial del metal, lo que aumenta las características mecánicas de la unión soldada.
Los efectos del revenido a alta temperatura y el tratamiento con arco de argón en la mejora de la resistencia al impacto del acero con bajo contenido de carbono y el acero nitrurado en comparación con el mismo acero sin ningún tratamiento son los que se muestran en la Fig. 22.2.
Soldadura al vacío:
En la soldadura por fusión, el apantallamiento efectivo de la piscina de soldadura contra los efectos nocivos de los gases atmosféricos (oxígeno y nitrógeno) es esencial para lograr soldaduras de calidad. El metal de soldadura también puede recoger hidrógeno de la humedad, óxido, recubrimiento de electrodos, flujo, etc.
Aunque diferentes gases reaccionan de manera diferente con el metal de la piscina de soldadura, pero inevitablemente degradan las propiedades físico-mecánicas del metal de soldadura. Cuando se atrapan en grandes cantidades, los gases disueltos pueden conducir a la formación de ampollas, orificios y porosidad y reducir la densidad del metal, con la consiguiente reducción de la plasticidad y la resistencia. Los gases presentes incluso como compuestos químicos, como los óxidos, nitruros e hidruros, también pueden afectar notablemente la resistencia y tenacidad del metal, lo que puede llevar a una falla frágil.
Este es particularmente el caso de los metales activos. Además de perjudicar las propiedades mecánicas, la oxidación reduce la resistencia de los metales a la corrosión. Las inclusiones de óxido también pueden producir porosidad del gas porque absorben y retienen gases mientras el metal está en estado fundido.
Para proteger el grupo de soldadura, se emplean diferentes medios de protección, cada uno con sus ventajas y limitaciones. La mayoría de los metales de ingeniería están protegidos adecuadamente por argón y helio, pero estos gases son inadecuados como medios de protección para la soldadura de metales como el circonio y el tantalio. El hidrógeno también es fácilmente absorbido por el circonio, el tantalio y el niobio para formar hidruros que aparecen como vetas a lo largo de los límites de los granos.
Incluso una cantidad mínima de hidrógeno en zirconio, tantalio o niobio puede producir porosidad y reducir su plasticidad y fuerza. Por lo tanto, para hacer soldaduras de suficiente plasticidad en metales reactivos y refractarios, el medio de protección debe contener cantidades mínimas de oxígeno, nitrógeno, hidrógeno y humedad.
La efectividad del vacío como medio de protección se determina por la cantidad de impurezas presentes por unidad de volumen de la cámara de vacío. La Tabla 22.2 muestra que incluso un vacío relativamente pobre tiene un bajo contenido de impurezas por unidad de volumen. En comparación con los contenidos de oxígeno y nitrógeno de 0 005% y 0 01%, respectivamente, de argón de grado A altamente purificado y costoso, un vacío aproximado de 01 mm de Hg tiene los contenidos de oxígeno y nitrógeno de 0 003% y 0 01% respectivamente.
Las propiedades mecánicas superiores de las soldaduras hechas en vacío se confirman por el hecho de que la dureza del metal en las soldaduras de circonio hechas por el proceso de arco de argón fue casi el doble que la de las soldaduras por vacío. Además, la reducción del contenido de gas del metal de soldadura mediante el blindaje al vacío mejora su plasticidad como se encuentra en el caso de soldaduras hechas en molibdeno.
El blindaje al vacío afecta la actividad del metal de soldadura al desgasificarlo, aumentando su densidad, eliminando óxidos, impurezas y contaminantes tanto de la superficie como del grueso del metal. A medida que se reduce la contaminación del metal de soldadura, los límites del grano se vuelven más limpios, lo que resulta en una mayor resistencia a la corrosión del metal de soldadura. Las soldaduras hechas por el proceso de arco de argón se corroen a un ritmo más rápido que las soldaduras al vacío.
El blindaje al vacío también elimina la posibilidad de la formación de bolsas de gas en el metal de soldadura ya que no hay gases disponibles para ser absorbidos por él; De este modo, la soldadura al vacío de muchos metales reactivos y refractarios produce soldaduras sin porosidad.
La protección al vacío reduce el contenido de gas del metal de soldadura debido a la disociación de óxidos, nitruros e hidruros. El hidrógeno, incluso si está presente en estado combinado, puede eliminarse fácilmente del metal de soldadura.
El oxígeno y el nitrógeno se pueden eliminar del metal de soldadura solo cuando la presión parcial de estos gases en la cámara de soldadura está por debajo de la presión de disociación de los óxidos y nitruros a la temperatura del baño de soldadura. Como el oxígeno tiene una presión parcial extremadamente baja, es muy difícil eliminarlo por completo de la gran mayoría de los metales, excepto el cobre, el níquel y el cobalto.
Sin embargo, los nitruros de aluminio, niobio, cromo, magnesio, silicio y tantalio tienen una presión de disociación de nitruros relativamente alta, excepto en el caso del circonio y el tantalio porque sus nitruros tienen una baja presión de disociación. El blindaje al vacío es, por lo tanto, un medio de blindaje activo porque permite que el metal de soldadura elimine los contaminantes de la superficie, los gases absorbidos de las películas líquidas. Generalmente, el metal tiene un alto brillo dentro de una zona ancha adyacente a los bordes que se sueldan.
El blindaje al vacío no solo es simple y fácil de mantener, sino que también ofrece ventajas económicas. Por ejemplo, el blindaje contra vacío es casi la mitad de costoso que el blindaje de argón y, a veces, puede costar tanto como el blindaje de CO 2 . También elimina la necesidad de cilindros de gas y el costo de su transporte y manipulación.
La protección contra vacío no solo proporciona una protección ideal para soldar metales, sino que también es eficaz para asegurar uniones soldadas de alta calidad en materiales no metálicos. Para algunos materiales, el blindaje al vacío es el único medio de blindaje para lograr las soldaduras de calidad requeridas.
Soldadura en el espacio:
Con el desarrollo de estaciones orbitales de gran tamaño que albergan a muchos miembros de la tripulación, radiotelescopios de gran tamaño, antenas, pantallas reflectantes y de absorción, sistemas de ingeniería de radiación solar, la necesidad de reparación y recuperación durante el vuelo aumenta con la extensión del tiempo de operación, mientras que los problemas de despliegue El montaje y la erección se hacen cada vez más urgentes con el aumento de la masa y el tamaño de las estructuras.
Además, la necesidad de prestar atención urgente a los satélites enfermos para que la red de comunicaciones mundial funcione sin problemas es cada vez más imperativo desarrollar métodos adecuados de unión de materiales. Los procesos de soldadura parecen indispensables para su uso en el espacio, donde las condiciones para la soldadura difieren radicalmente de las de la tierra.
En comparación con el medio ambiente terrestre, el espacio se caracteriza por tres factores principales, a saber, gravedad cero, alto espacio vacío y alto contraste debido a los límites de luz-sombra.
a. Gravedad cero:
Esto provoca la ausencia o supresión de la fuerza de flotación y la convección. Sin embargo, la característica especial de zero-G es que el cosmonauta tiene que trabajar sin soporte, causando considerables inconvenientes en las operaciones manuales.
segundo. Alto espacio de vacío:
La presión atmosférica en la región de baja altitud donde las grandes estaciones orbitales ahora están volando y se espera que vuele en un futuro próximo es de 10 -2 a 10 -4 Pa. Esta región de presión puede ser dominada muy bien por la industria terrestre que utiliza un haz de electrones y soldadura por difusión. Sin embargo, la característica especial del espacio vacío es la tasa de evacuación extremadamente alta o casi infinita.
do. Alto contraste debido a los límites de luz-sombra:
Debido al cambio repentino de la zona de luz a sombra, la diferencia de temperatura puede estar entre 150 y 500 ° C. También debido a la naturaleza reducida de la transferencia de calor y masa en el espacio, la zona con las altas diferencias de temperatura puede estar cerca una de la otra en la pieza de trabajo.
Debido a estas características especiales de la soldadura en el espacio, es esencial seleccionar un proceso de aplicación industrial que tenga versatilidad, simplicidad, confiabilidad, seguridad, bajo consumo de energía, masa mínima y volumen de equipo. Teniendo en cuenta todos estos requisitos, se encuentra que el EBW es el método más eficiente para soldar en el espacio.
El factor básico del espacio que afecta más activamente a los procesos de soldadura asociados con la presencia de fase líquida es la gravedad cero. Bajo cero-G, la acción pronunciada de las fuerzas superficiales es la agitación del metal fundido bajo la influencia del haz de electrones y los efectos de disipación causados por la viscosidad y la difusividad térmica. La mayoría de los materiales metálicos fundidos tienen baja viscosidad cinética, difusividad térmica moderada y alta tensión superficial.
La posibilidad de quemar material laminado bajo cero-G en soldaduras no soportadas con baja concentración de energía térmica es difícil. Sin embargo, el diámetro del baño de soldadura puede ser diez veces (o incluso más) tan grande como el grosor del material, con las consiguientes dificultades en el manejo de una gran cantidad de material fundido contenido en él.
Las ventajas de la alta tensión superficial con cero-G en el espacio es que, en caso de que se produzca un quemado o se corte un orificio en una lámina, el metal fundido se adhiere al borde inferior del trabajo o incluso puede cerrar el orificio o el "talón" el corte. Si no fuera así, sería muy peligroso debido a estos bits de metal voladores en el espacio.
El espacio y el carácter especial del trabajo requieren la garantía de la mayor confiabilidad posible del equipo, la seguridad absoluta de las personas que trabajan con él y la eliminación del riesgo de daños a las naves espaciales. Además, la herramienta desarrollada debe caracterizarse por su compacidad, bajo consumo de energía, peso ligero y caso de operación.
Una herramienta de soldadura manual versátil, desarrollada para satisfacer todos estos requisitos en la medida de lo posible, se basa en el uso de EBW y se denomina VHT, es decir, herramienta manual versátil. Sin embargo, el EB W está asociado con un alto voltaje de aceleración y puede generar rayos X. El contacto de la envoltura exterior del traje con metal fundido o haz de electrones también puede tener graves consecuencias.
Un VHT desarrollado por ingenieros rusos que cumplan la mayoría de los requisitos mencionados anteriormente tiene las siguientes especificaciones.
Las muestras soldadas utilizando el VHT anterior en el espacio cumplen con todos los requisitos industriales activos. A diferencia de otros procesos de soldadura por arco, el EBW manual permite mantener el tamaño del baño de soldadura y la profundidad de penetración bajo control, no solo al manejar la herramienta, sino también al cambiar el enfoque del haz; Esto minimiza cualquier riesgo de quemadura. El defecto más frecuente en la soldadura espacial con VHT es la falta de penetración, que generalmente se atribuye a la reacción humana al temor del operador de causar un defecto irreparable de quemadura.
A pesar de la falta de penetración, la soldadura realizada en el espacio se estima altamente.
Aunque EBW se ha utilizado con éxito para la soldadura en el espacio desde aproximadamente 1990, pero los desarrollos recientes en el proceso de soldadura por fricción (FSF) han proyectado algunas de sus variantes para su uso en la soldadura y reparación de soldaduras en el espacio. Algunos de estos desarrollos incluyen, FSW de alta velocidad (HS-FSW), soldadura por agitación ultrasónica (USW) y soldadura por agitación térmica (TSW).
a. FSW de alta velocidad :
Se basa en el concepto de que las altas velocidades de huso de hasta cien mil rpm en FSW reducen las fuerzas necesarias para producir soldaduras de sonido a un nivel que permite dispositivos manuales manuales. El trabajo ya está en marcha para soldar una aleación de cobre de 1.5 mm de espesor a una velocidad de rotación de hasta 30, 000 rpm y una velocidad de soldadura de hasta 5 m / min.
Se está llevando a cabo una investigación paralela para el desarrollo de la operación robótica de un aparato manual manual de estado sólido para el uso de HS-FSW.
segundo. Soldadura ultrasónica por agitación (USW):
Esta energía ultrasónica calienta los materiales al estado plástico. A diferencia del FSW estándar, no hay hombros y pasadores giratorios para producir calor por fricción. Se espera que este concepto sea más práctico que el HS-FSW como un proceso de soldadura y reparación en órbita debido a que se eliminará el problema de estabilidad de alta velocidad de rotación.
do. Soldadura térmica por agitación (TSW):
Este es otro proceso de soldadura para la soldadura de miembros más gruesos. TSW es diferente de FSW en que los elementos del proceso de calentamiento, agitación y forja que se encuentran en FSW se controlan de forma independiente. Hay poco calentamiento por fricción y no hay pernos / hombros giratorios de alta velocidad. Al igual que USW, TSW también evita los problemas de estabilidad asociados con las piezas giratorias de alta velocidad. Además de su uso en la soldadura y reparación en el espacio, TSW se puede usar para la construcción naval para su uso en la soldadura de aleaciones de titanio para la construcción naval, así como para la fabricación de yates personales de alto rendimiento de titanio.
Aparte de la soldadura; El corte, la soldadura fuerte y la pulverización de metales también se han llevado a cabo en el espacio. La soldadura fuerte es el proceso más difícil de llevar a cabo en el espacio. Esto se atribuye al hecho de que en el espacio el brillo de la radiación solar es extremadamente alto, es casi imposible ver el cambio de color en el metal con la temperatura y, por lo tanto, el soldador-cosmonauta tiene que determinar el grado de calentamiento del trabajo en el momento intervalo.
La pulverización de metales no es nada difícil de realizar en el espacio y los componentes pulverizados en el espacio cumplen los requisitos de los estándares más exigentes.
