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Soldadura con arco de carbón (Carbon Arc Welding – CAW)

La soldadura con arco de carbón utiliza lo que se considera un electrodo no consumible, hecho de carbón o grafito, para establecer un arco entre el mismo y la pieza de trabajo u otro electrodo de carbón. Sin embargo, este electrodo se erosiona fácilmente y genera gas monóxido de carbono (CO) que reemplaza parcialmente el aire alrededor del arco, proveyendo a la soldadura fundida con algo de protección.

El proceso con arco de carbón, que usa uno o dos electrodos gemelos, se asemeja a la soldadura por arco de gas tungsteno, donde el arco es usado sólo como fuente de calor. La disposición de electrodo único usualmente opera con corriente continua, electrodo negativo (polarización directa), usando la mayoría de las fuentes de alimentación. La disposición de electrodos gemelos usualmente opera con corriente alterna y generalmente con pequeñas fuentes de alimentación de corriente alterna. En la figura se ven las configuraciones típicas para ambos procedimientos:

A pesar de que el proceso de soldadura con arco de carbón ha sido casi completamente reemplazado por nuevos procesos en la industria de la soldadura, el mismo es aún usado en ciertas aplicaciones. La contaminación del carbón es un problema potencial y debe ser cuidadosamente evitado al producir la ignición del arco con un arranque por rayado, o por contacto accidental mientras se usa arcos muy cortos. Debido a la pobre protección y la probabilidad de contaminación del carbón, el proceso fue usado mas frecuentemente para soldar cobre y sus aleaciones, así como hierro fundido. El proceso produce soldaduras adecuadas en hojas delgadas de acero, pero deberá ser usado con precaución en cualquier aplicación crítica debido a que proporciona sólo una protección limitada de la atmósfera.

Los electrodos de con arco de carbón pueden ser tanto de carbón como de grafito, a pesar de que el carbón horneado es el mas usado comúnmente debido a que dura mas tiempo y es mas fácil de conseguir. Los tamaños de los electrodos van de los 3,2 a 22 mm. La antorcha típica es enfriada por aire para los electrodos mas pequeños, y enfriada por agua para los mas grandes. Los rangos de corriente en amperios recomendados para ambos tipos de electrodos son mostrados en la tabla 1, a continuación:

Tabla 1. Rangos de corriente recomendados para electrodos de carbón y grafito

En la operación con electrodo único, el electrodo de carbón es preparado colocado en un largo punto roscado que está a una mitad del diámetro del electrodo (ver figura). El arco es establecido por “inicio por rayado”, o sea poniendo el electrodo en contacto con la pieza de trabajo e inmediatamente retirándolo a la longitud correcta para soldar. La longitud de arco generalmente aceptada es mantenida entre 6,4 a 9,5 mm. Si se mantiene la longitud muy corta, se puede producir cementación del metal base, creando soldaduras potencialmente frágiles. Esto es particularmente verdadero cuando se suelda sin metal de aporte.

Cuando la junta requiere metal de aporte, la misma técnica que es la con gas de arco de tungsteno deberá ser empleada. La varilla de aporte deberá ser alimentada en el baño de fusión con una mano mientras se manipula el arco con la otra.

Si se rompe el arco por alguna razón, el reinicio no deberá ocurrir directamente en el metal caliente donde la soldadura se detuvo, debido a que un punto duro podría producirse. Mas bien, un reinicio debería ocurrir en el frente o en algún lado de la soldadura, seguido por un rápido retorno al punto donde se detuvo. Se deberá tener cuidado de incorporar el área de reinicio en la soldadura como de lijar el golpe de arco luego de que la soldadura se haya completado. Las áreas de golpe de arco pueden ser muy duras, y pueden causar roturas si no son fundidas dentro de la soldadura o lijadas.

En la operación con electrodos gemelos, la pieza de trabajo no es parte del circuito eléctrico. El calor para la soldadura es producido creando un arco entre los dos electrodos. El soporte del electrodo tiene dos brazos ajustables que mantienen los electrodos de carbón a la longitud apropiada para mantener el arco. El operario mantiene una distancia constante entre los electrodos de carbón ajustándolos a medida que se consumen. Un soldador experimentado puede hacer estos ajustes mientras esté aún soldando.

Máquinas de corriente alterna de pequeño tamaño son normalmente usadas en el proceso de electrodos gemelos debido a que los electrodos se consumirán a igual régimen. La corriente continua puede ser usada en tanto el electrodo de lado positivo sea de un tamaño mayor que el electrodo negativo. El electrodo mas grande compensa el consumo mas rápido del lado positivo de la corriente directa.

Los electrodos vienen dimensionados de 6,4 a 9,5 mm y son recubiertos de cobre para un mejor flujo de corriente. El calor debe ser mantenido de manera que el cobre no se funda mas de 13 mm hacia atrás de la punta del electrodo. Sólo suficiente calor para hacer que el metal de aporte fluya fácilmente deberá ser usado. Un calor elevado produce un consumo excesivo de electrodo y puede causar carburación del metal de soldadura.

Aplicaciones

El proceso de arco de carbón de electrodo único es usado primariamente sobre acero, a pesar de que puede ser usado en la mayoría de los materiales ferrosos y no ferrosos. Con los aceros, el mismo es principalmente aplicado para hacer soldaduras exteriores de esquinas sobre materiales de poco espesor, donde no se usa material de aporte. Se requiere un buen soporte, y un agente fundente es con frecuencia usado para obtener mejores soldaduras. Las soldaduras resultantes son mas parejas y, frecuentemente, mas económicas que soldaduras similares realizadas con procesos de soldadura de arco de metal.

Otra aplicación es la soldadura de acero galvanizado usando un metal de aporte de bronce silicio. En esta instancia, es importante mantener un arco corto y dirigir el calor al metal de aporte para minimizar los daños al recubrimiento galvánico.

El hierro fundido puede ser soldado usando un proceso de arco de carbono, pero es usado con mas frecuencia en la soldadura al bronce. La fundición debe ser precalentada a aproximadamente 650ºC y luego lentamente enfriada para reducir la posibilidad de roturas y para producir soldaduras maquinables.

El proceso es además usado sobre cobre, debido a las altas capacidades de calentamiento de los electrodos mas grandes. En corriente continua, siempre se debe usar el negativo cuando se suelda con carbón o al cobre. La pieza de trabajo deberá ser precalentada a una temperatura entre 150 y 650ºC, o al menos localmente precalentada en el área de soldadura. Manteniendo un arco largo permitirá que el carbón se combine con oxígeno para formar el monóxido de carbono que en cierta manera protege a la soldadura.

La soldadura con arcos gemelos es usada primariamente como herramienta de mantenimiento en pequeños talleres, granjas u hogares. La misma es mas comúnmente aplicada en soldaduras comunes o al bronce, a pesar de que puede ser usada para soldar, precalentar  o pos calentar partes pequeñas.

Ambiente histórico

La soldadura de arco de carbón es usada en la actualidad en una cantidad muy limitada, pero mucho se aprendió acerca de la protección de soldaduras durante los inicios del desarrollo de la soldadura de arco (hacia 1925), cuando este proceso era muy popular.

Los soldadores que usan el arco de carbón para soldar por fusión hierro y acero aprendieron a controlar la naturaleza de la atmósfera de la soldadura recurriendo a métodos simples. Como ejemplo, el efecto de oxidación del aire aspirado en el arco era reducido insertando una cinta de material combustible dentro del arco a lo largo del electrodo para que se combine con al menos algo del oxígeno en el área del arco. SI la cinta consistía en papel con bobinado ajustado, el mismo se quemaba para formar vapor de agua y dióxido de carbono, ambos mas protectores del acero fundido que el oxígeno. La cinta era alimentada sobre la parte superior del arco, la parte mas delgada contenía la mayor cantidad de aire. Al remover una gran porción del oxígeno no combinado del arco, el material combustible a veces permitía que la soldadura se lleve a cabo sin fundente. Cuando se necesitaba mayor protección efectiva, la cinta de material combustible era impregnada con ingredientes formadores de escorias. A medida que la cinta se quemaba, estos ingredientes se fundían y llevaban a cabo su función justo en el punto donde era mas necesario. La naturaleza de la escoria y el fundente de soldadura variaban con el metal que estaba siendo soldado. Para los aceros, minerales tales como la arcilla y el asbesto eran usados para formar la escoria, y espato flúor era el favorito como fundente. Desde este simple comienzo, protegiendo el arco con gases y protegiendo el metal fundido con escoria y fundente se desarrolló en una tecnología compleja y refinada.

 

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