Soldadura en el montaje de tuberías. FMEC0108

Bibliografía

Capítulo 1

Tecnología de la soldadura

1. Introducción

El descubrimiento de los metales se remonta a finales del Paleolítico, sobre el 4.000 a. C. De esta forma, finaliza la Edad de Piedra y empieza la Edad de los Metales, que coincide con el descubrimiento del fuego, cuando se empiezan a tratar los metales, siendo el más común el cobre, con el que se realizan simples utensilios de trabajo para las labores del campo, comenzando así a establecerse las primeras poblaciones. Es en Europa donde comienza la aleación de metales, fusionando el cobre con el estaño, iniciándose así la Edad del Bronce, aproximadamente sobre el año 2.000 a. C. La sobreexplotación de las materias primas provocó que escasearan los elementos necesarios para fabricar el bronce, lo que dio pie a la Edad de Hierro, siendo un elemento más común y accesible, pero complejo de trabajar por las elevadas temperaturas a las que funde. Aquí empieza a desarrollarse toda una tecnología que perdura hasta la actualidad.

El desarrollo de la química en la industria ha proporcionado las herramientas necesarias para comprender las propiedades mecánicas de los materiales y sus microestructuras. Aquí radica el estudio de la soldabilidad de los materiales metálicos empleados en la actualidad. Todo esto ha provocado que se establecieran normas aplicadas a los materiales y sus procedimientos de unión para estandarizar las operaciones de soldeo.

Los avances en materiales compuestos derivados del petróleo han revolucionado la industria actual y, en especial, las tuberías. Algunos de estos materiales plásticos son soldables y otros es preciso unirlos mediante adhesivos. Estos procedimientos de unión se detallarán a lo largo de este capítulo.

2. Soldabilidad de los aceros al carbono, aceros inoxidables austeníticos, cobres, latones y plásticos

Los metales están formados por enlaces químicos de diferentes átomos. En este apartado, se va a estudiar cómo el contenido de ciertos elementos químicos les da diferentes propiedades mecánicas a los metales y facilita o no su soldabilidad.

Los tres tipos de aceros más comunes son:

Aceros de bajo contenido en carbono: contienen menos del 0,3% de carbono. Generalmente, son tenaces, dúctiles y fáciles del soldar.

Aceros al medio carbono: contienen entre el 0,30 y el 0,45% de carbono. Son resistentes, duros y no tan fáciles de soldar como los aceros de bajo carbono.

Aceros al alto carbono: contienen más del 0,5 % de carbono. Son extremadamente resistentes, duros y siempre requieren de tratamiento térmico para soldar efectivamente.

2.1. Soldabilidad de aceros de bajo contenido en carbono

Este tipo de materiales son fáciles de soldar, lo que se debe a que tienen una proporción baja en carbono. Pueden soldarse con cualquiera de los procesos de soldadura que estudiarán más adelante.

La elección del tipo de método de soldadura que se va usar está determinada principalmente por la clase de unión, la posición de soldadura y el costo.

El método más usado para los aceros de bajo carbono es la soldadura con arco eléctrico, pero si el contenido de carbono es inferior al 0,13% de carbono y al 0,30% de manganeso, no resulta conveniente aplicar soldadura de alta velocidad, por que tienden a desarrollar defectos de porosidad interna.

Nota

Para una buena unión soldada es importante la limpieza de las superficies, la fijación de la pieza, etcétera.

Las condiciones climáticas son un factor importante en la soldabilidad de los materiales. En regiones donde la climatología es más adversa, se hace necesario un calentamiento previo de las chapas, siendo su finalidad que estas tomen una temperatura de 25 a 30 °C, óptima para el soldeo. En ocasiones en que se trabaja con espesores superiores a 25 mm o las juntas sean muy rígidas, también se requiere precalentamiento.

2.2. Soldabilidad de aceros de medio y alto contenido en carbono

A medida que aumenta la proporción de carbono, aumenta también su templabilidad y la dificultad para la soldadura.

Ejemplo

Los aceros de medio contenido en carbono son utilizados principalmente para la fabricación de ejes, engranajes, chavetas, piñones, etcétera.

Los aceros de alto contenido en carbono son aquellos que contienen una proporción del 0,45 al 1,70%. Es mas difícil soldarlos que los de medio contenido. Poseen mayor resistencia a la tracción y mayor dureza y son templables.

Ejemplo

Se emplean en la fabricación de resortes, brocas, sierras, etcétera.

Estos aceros, al contener tan alto porcentaje de carbono dificultan su soldabilidad, por lo que es necesario emplear electrodos especiales de bajo hidrógeno y se recomienda precalentar la pieza previamente. Aun con eso, pueden presentar tendencias a defectos de fisuras o rajaduras en el metal base, sobre todo en planchas gruesas.

Sabía que...

Los aceros con un contenido superior al 65% en carbono son utilizados en la fabricación de herramientas, matrices y todo tipo de piezas que requieran una gran resistencia, dureza y templabilidad.

El alto contenido de carbono provoca también la generación de poros y proyecciones superficiales en la soldadura. Todos estos defectos deben ser observados y corregidos, para no producir zonas quebradizas en las proximidades de la unión soldada. Una forma de paliar estos efectos es mantener una temperatura de precalentamiento durante el proceso y después del mismo, para que el enfriamiento se produzca de forma lenta y uniforme a lo largo de toda la pieza, evitando así cambios bruscos de temperatura.

Nota

El enfriamiento de piezas pequeñas se puede conseguir recubriendo estas con arena, cal o asbesto.

Un tratamiento que puede llevarse a cabo después de la soldadura es el recocido, a una temperatura de entre 590 y 650 °C o más. Con esto, mejoran sus propiedades mecánicas.

Estos aceros son los de uso más común, pero existen otros tipos de aceros que tienen una consideración especial por sus características químicas, que los dotan de una mayor resistencia a la corrosión y propiedades mecánicas diferentes. Estos son los aceros inoxidables, que se estudian a continuación.

2.3. Soldabilidad de aceros inoxidables austeníticos

Estos aceros contienen cromo y níquel como principal aleación. Son de estructura predominantemente austenítica. También contienen ferrita en menos cantidad. De estos elementos depende el equilibrio de la aleación, en especial de la relación entre cromo y níquel. También pueden tener otros elementos aleantes, como culombio, titanio, molibdeno y tungsteno.

Los aceros inoxidables poseen una excelente resistencia a la corrosión, peculiaridad causada por la aleación con el cromo. La cantidad de este elemento es la que determina un tipo de acero y sus características mecánicas.

Definición

Austenita

Forma distinta de ordenamiento de los átomos de carbono y hierro.

La estructura austenítica a temperatura ambiente de estos aceros está garantizada por la cantidad de níquel que contengan, pudiendo variar la proporción entre un 6 y un 30%, en función de la que se hablará de un tipo u otro de acero inoxidable.

Sus características son las siguientes:

Un aumento de la resistencia a temperatura ambiente.

La resistencia a la corrosión es mayor.

La estabilidad mecánica de los materiales mejora, sobre todo la tenacidad.

Aspectos a tener en cuenta en la soldadura de los aceros inoxidables austeníticos

En la soldadura de los aceros inoxidables austeníticos hay que tomar las siguientes consideraciones:

Limpieza de juntas

Es fundamental limpiar las uniones antes de proceder al soldeo, ya que con ello se evitan inclusiones de materiales carbonosos u otras partículas extrañas que puedan ocasionar defectos en la soldadura.

La humedad puede ser otro factor de riesgo de defectos, pues hay que procurar que la junta esté lo más seca posible.

Consejo

Se debe procurar no utilizar herramientas metálicas para las labores de limpieza y, si es así, tener mucha precaución de que no queden partículas en la junta.

Alineación y proceso de punteo

Este material tiene tendencia a la deformación con el calor, por lo que la secuencia de punteo debe realizarse adecuadamente para evitar la desalineación de las uniones.

En piezas cuyo espesor sea inferior a 6 mm, el proceso de punteado es conveniente hacerlo cada 40 mm. Para las piezas cuyo espesor sea superior a 6 mm, el punteado se realizará dejando una distancia de al menos 100 mm.

Raíz de la soldadura

En los aceros inoxidables, la abertura de raíz debe ser mayor que en los aceros al carbono. Con esto se consigue que la expansión térmica del acero inoxidable sea menor.

Nota

Cuanto más finas sean las piezas, menor debe ser la abertura de raíz.

Disipadores de calor

Son herramientas y piezas de cobre que absorben el calor y evitan que se generen más deformaciones en el área de soldadura.

Electrodo de acero inoxidable

Los electrodos de este tipo deben ser almacenados de forma que el revestimiento no absorba humedad, ya que un electrodo con el recubrimiento húmedo puede ocasionar porosidades y fisuras en la unión soldada.

Nota

El electrodo debe de ser de un diámetro lo más delgado posible y evitar movimiento de oscilaciones excesivas. Así se reduce la aportación de calor, con el fin de evitar deformaciones indeseadas.

Arco de la soldadura

Es preciso mantener el arco de soldeo lo más corto posible con la intención de mejorar el aporte de material y reducir las pérdidas de elementos aleantes.

Tipos de aceros inoxidables según su uso

Hay que saber diferenciar los tipos de aceros según su uso, para la gran variedad de aplicaciones que tienen estos materiales. La decisión de usar un material u otro depende de muchos factores, como son el tipo de industria al que va dirigido, la resistencia al desgaste, los esfuerzos a los que va a ser sometido, etcétera. Para facilitar esta labor, en el siguiente esquema, se indican los tipos de acero y sus aplicaciones.

Los tipos de acero inoxidable tienen una norma AISI (American Iron and Steel Institute), que se recoge en la siguiente tabla. La primera columna hace referencia a la Norma AISI (la norma AISI 405, norma AISI 431, etcétera), la segunda columna a su homólogo en el sistema europeo. En el resto de las columnas, se detallan los porcentajes químicos de los materiales que intervienen en la composición del tipo de acero.

Ejemplo

El acero inoxidable austenítico AISI 316 está equiparado a la normativa europea como acero S 31600, tiene un contenido del 0,08% en carbono, un 2% de manganeso, 1 por ciento de silicio, 17% de cromo, 12% de niquel, 0,045 de fosforo, el 0,03 de azufre y el 2% de mobdileno.

2.4. Soldabilidad del cobre

El cobre es un material de un color muy característico, posee resistencia y ductilidad, además de muy buenas propiedades eléctricas y caloríficas y excelentes condiciones para resistir la corrosión.

Nota

Tiene una característica muy particular y es que no admite tratamiento térmico, pero aumenta su resistencia si se somete a algún trabajo de deformación en frío.

En el siguiente esquema se detallan los dos tipos de cobre más usados en la industria. Según el tipo de cobre que se use, tendrá unas características u otras.

Dependiendo del tipo de cobre que se vaya a utilizar, así serán los procesos de soldadura. En el caso del cobre sin desoxidar, no es recomendable utilizar la soldadura oxiacetilénica. En estos tipos de cobre, cuando la resistencia a la tracción sea baja (13 kg/mm² o menos), pueden soldarse por arco con electrodo revestido, grandes intensidades de corriente y elevadas velocidades de avance.

Sin embargo, para fabricaciones soldadas de cobre, el más empleado es el cobre desoxidado. Este tipo admite dos procedimientos normales de soldeo, soldadura oxiacetilénica, soldadura por arco clásico y soldeo por arco con protección gaseosa.

Existen dos tipos de soldadura para los tubos de cobre: una es la soldadura blanda, para uniones de hasta 450 °C, y la otra es la soldadura fuerte, para uniones superiores a 450 °C. Estas soldaduras se realizan con soplete o lamparilla.

Ventajas/inconvenientes del uso del cobre en climatización

Como este manual va enfocado a la climatización, los elementos de cobre más utilizados son las tuberías, que son muy apropiadas en instalaciones de agua y gas.

Las principales ventajas del tubo de cobre son:

Son fáciles de preparar y colocar.

Las uniones se preparan con rapidez, utilizando manguitos soldados por capilaridad.

Se pueden usar piezas prefabricadas.

Estas tuberías provocan pequeñas pérdidas de carga, debido a su superficie lisa.

Gran resistencia a la corrosión.

El punto de fusión de este tipo de cobre son los 1082 °C.

El tubo presenta gran duración en el tiempo, ya que su inalterabilidad está garantizada.

El único inconveniente que puede presentar el tubo de cobre es su dilatación.

Nota

Cuando está expuesto a humedad, crea una patina verdosa de carbono básico que la protege de posteriores alteraciones.

2.5. Soldabilidad de los latones

El latón es una aleación de cobre y cinc. Este metal puede ser soldado por arco eléctrico, pero presenta algunas dificultades originadas por la tendencia que posee el cinc a evaporarse cuando se calienta la pieza. Con los gases que se desprenden, se dificulta la visión y la operación de soldeo.

Consejo

La ventilación en la zona de la soldadura es primordial para evitar las concentraciones peligrosas de humos ricos en óxido de cinc.

En el proceso de soldeo del latón se utilizan electrodos de bronce fósforo, de revestimiento muy grueso.

Sabía que...

El latón también se puede soldar por capilaridad. En tuberías, algunos accesorios son de latón y se unen a las tuberías de cobre con estaño como metal de aportación.

Si se quiere conseguir una soldadura homogénea, es necesario realizarla en forma de pequeñas aportaciones de material.

2.6. Soldabilidad de los plásticos

Los plásticos, a diferencia de los metales, no funden a determinadas temperaturas, sino que se reblandecen hasta alcanzar cierto grado de reblandecimiento. Debido a esto, cuando se realiza el proceso de soldadura, hay que aplicar una cierta presión en el material de aporte contra el material base, que será previamente calentado hasta el estado pastoso. Los márgenes de temperatura son más estrechos que en la soldadura de metales.

Hay que distinguir dos tipos de plásticos:

Termoestables

Son aquellos que, una vez modelados y adquirida su dureza normal, no se reblandecen por la aplicación posterior de calor. Por ello, no son soldables. Estos son los fenólicos, ureas, poliéster, siliconas, melamina, epóxidos y uretano.

Termoplásticos

Sí se ablandan al calentarlos, recuperando posteriormente su dureza inicial. Por lo tanto, son soldables y este proceso puede repetirse numerosas veces. Existen multitud de productos termoplásticos, tales como poliamidas, acrílicos, polifluoruros, hidrocarburos, vinílicos, etcétera.

Los más empleados y más usualmente soldables son el polietileno