Dispositivo Simulador del Proceso de Soldadura Manual con Electrodo Revestido

Resumen

El objetivo del presente trabajo es difundir el diseño de un dispositivo que permita alimentar automáticamente el electrodo revestido, teniendo en cuenta el procedimiento realizado por el operador en distintos regímenes de trabajo. El dispositivo debe permitir la realización de la soldadura en las posiciones sobre cabeza, vertical ascendente, vertical descendente, horizontal y plana; constituyendo una herramienta necesaria para facilitar el diseño y la puesta a punto de electrodos revestidos, el control de su calidad, la calificación de soldadores, la detección de defectos de soldadura y la selección de electrodos dentro de un grupo de homólogos de una misma clasificación de electrodos.

Introducción

Uno de los problemas en la valoración de la operatividad eléctrica de los electrodos revestidos proviene del hecho de que la corriente de soldadura dependa de la longitud de arco, entre otros factores. Cuando se establece un arco con un electrodo revestido determinado, es necesario alimentarlo a medida que el electrodo se consume, tratando de minimizar las variaciones de la longitud de arco. Si bien lograr esto es dificultoso por parte del operario en la soldadura manual, esta premisa resulta también difícil de lograr automáticamente, ya que las variaciones de la longitud de arco son muestreadas indirectamente a partir del voltaje o la corriente de soldadura y controladas con lazos y dispositivos que poseen una cierta inercia [1].

Para eliminar la influencia del operador en los sistemas de estudio de estabilidad en electrodos revestidos, se han diseñado dispositivos de alimentación automática [1, 2]. En el esquema de la Figura 1 se representa un sistema [2], formado, en parte, por una fuente de potencia inversora de 350 A (9), con 65 V de voltaje a circuito abierto, y una tarjeta (3), que controla la velocidad del motor que alimenta el electrodo regulando la longitud del arco.

Figura 1: Representación esquemática de la estación experimental empleada por Rissone [2].

El voltaje de alimentación del motor de corriente directa por pasos (1) regula la velocidad de alimentación del electrodo (4); mientras la velocidad de soldadura ha sido predefinida y mantenida constante (10), el carro de soldadura (11) pasa transportando la placa a soldar (2) por debajo del electrodo (4).

Los componentes fundamentales del sistema de adquisición de datos son: el sensor de efecto Hall de 300 A (5), un circuito de acondicionamiento de señal compuesto por un convertidor A/D (6), una microcomputadora (7) y una impresora (8). Este sistema de adquisición de datos permite lecturas de corriente y voltaje a frecuencias programables de 10 Hz a 100 kHz con conversión a 12 bits por canal.

El arco se proyecta por medio de lentes en una pantalla con una escala de medición que permite la observación, en tiempo real, de las variaciones en su longitud. La curva de calibración indica el voltaje de arco que fue ajustado en la tarjeta de control y mantenido prácticamente constante durante el tiempo de consumo del electrodo [2].

Los valores de voltaje y corriente instantánea se procesan por el software ANALYSER, que determina los parámetros usados para evaluar el comportamiento del arco. Este sistema tiene el inconveniente de que ante las relativamente rápidas variaciones de la tasa de fusión del electrodo alrededor del punto de operación, variará la longitud de arco y será necesario variar el ritmo de alimentación del electrodo, modificando su respuesta operativa intrínseca. En todo caso, las variaciones producidas con el empleo de este dispositivo serán mucho menores que las producidas por un operador bien adiestrado, aunque no iguales a las que produciría el electrodo sin la influencia de un alimentador externo.

En su tesis doctoral Wen Hou Chu [1], basado en la demostración de que las técnicas para el control automático de SMAW eran aún ineficientes para sustituir totalmente la mano del hombre en las aplicaciones de este proceso, fundamenta la necesidad de una investigación sobre la aplicación de la lógica borrosa o difusa (Fuzzy Logic) en un controlador PID (Proporcional, Derivativo e Integral) con ganancia programada para la automatización de este proceso mediante un alimentador de alambre con motores de corriente alterna.

El alimentador automático utiliza dos servomotores A y B, de corriente alterna (Figura 2), el servomotor B proporciona el movimiento en la dirección de la soldadura, mientras que el A permite la alimentación del electrodo hacia la pieza de trabajo..

Figura 2: Estructura del sistema automático para el control del proceso SMAW propuesto por Wen Hou Chu en su tesis doctoral [1]

La velocidad de alimentación del alambre es monitoreada mediante un encoder cuya salida es digitalizada mediante una tarjeta de adquisición de datos A/D PCL – 818H acoplada con una computadora 586. La misma tarjeta digitaliza la señal proveniente del sensor de corriente (Efecto Hall). Una tarjeta D/A PCL-726, acoplada a la misma computadora controla la velocidad de alimentación del electrodo. En la computadora se establece el control automático para mantener los parámetros de soldadura en los rangos requeridos.

En este caso, el parámetro de control es la corriente de soldadura, a diferencia del sistema anterior (Figura 1). Como todo lazo de control, ante la ocurrencia de cambios en la corriente, el sistema requiere un tiempo para estabilizar su respuesta; por lo que, inducidas por el sistema de alimentación, ocurrirán modificaciones del desempeño eléctrico específico del electrodo.

Aunque las variaciones en la longitud de arco pueden ser, según Lancaster [3], compensadas por la característica de la fuente de soldadura, el comportamiento eléctrico típico del electrodo está en función de la respuesta dinámica de la fuente de suministro y del dispositivo de alimentación forzada, cuando este debe ejercer acciones de adelanto o retraso de la velocidad de alimentación del electrodo, a partir de la detección de un cambio en la longitud del arco

En algunos estudios publicados [1, 2, 5, 6], se mencionan dispositivos de alimentación automática basados en motores, sin especificar las características de la respuesta dinámica del sistema para alimentar el electrodo ante las variaciones de longitud de arco producidas por la fusión del consumible y la dinámica de la fuente de soldadura. En algunos casos no se describen las estrategias de control empleadas [6]. Paton [7] compara la influencia de los sistemas de alimentación continua y pulsada del alambre, en las variables esenciales del proceso GMAW, demostrando que la alimentación pulsada estabiliza y por tanto influye en la frecuencia de los cortocircuitos. Otros autores publican los pormenores de los sistemas de control expuestos en sus sistemas de alimentación automática, sin determinar la magnitud y la forma en que se afecta la característica específica del electrodo [1].

Se ha reportado el empleo de dispositivos de alimentación por gravedad para la soldadura con electrodos de carbón [9] y para la soldadura con electrodos revestidos en aplicaciones de la industria naval [10,11], así como para el estudio de propiedades de los consumibles en la soldadura subacuática mojada [12-15]. El empleo del dispositivo de autoalimentación garantiza que la velocidad de alimentación del electrodo coincida con la velocidad de fusión del mismo.

Cuando se pretende estudiar el comportamiento de un electrodo revestido en cuanto a la estabilidad del arco, es necesario que el electrodo imponga sus propiedades al proceso. Un principio tecnológico ideal en la soldadura es que la velocidad de alimentación del electrodo sea igual a la velocidad de fusión del mismo, lo que mantendría la longitud de arco independientemente de un sistema de alimentación externo, mientras se desplaza la fuente de calor a lo largo de la unión soldada. Esta condición puede satisfacerse, para la posición de soldadura plana, mediante el empleo de un dispositivo de autoalimentación del electrodo, obteniéndose excelentes cordones de soldadura SMAW con corriente directa y corriente alterna [16].

En la práctica se requiere valorar la operatividad eléctrica de los electrodos revestidos, además, en las posiciones: horizontal, vertical ascendente y descendente y sobre cabeza; lo cual es algo difícil de lograr mediante dispositivos de alimentación por gravedad.

Los dispositivos automáticos referidos anteriormente, empleados en la valoración de la operatividad eléctrica de los electrodos revestidos, sólo pueden depositar cordones en posición plana.

Para el estudio de defectos, producidos por el operador, en la soldadura con electrodo revestido se requiere obtener un patrón de comparación de las señales de voltaje y corriente del arco eléctrico, producidas por el operador durante la ejecución del proceso de soldadura, con las señales obtenidas mediante el uso de un dispositivo automático que simule lo más verídicamente posible la actuación del ser humano.

Desarrollo

En la soldadura manual con electrodo revestido, el operador generalmente inclina el electrodo respecto a la placa a soldar en cualquiera de las posiciones de soldadura, lo cual le permite establecer un contacto visual más adecuado con la poza de soldadura. La acción de alimentación del electrodo que desarrolla, ocurre en sentido lineal respecto al electrodo. Los dispositivos esquematizados en las Figuras 1 y 2, no pueden garantizan una acción de alimentación lineal respecto al electrodo, como se hace en la práctica.

Para simular adecuadamente la acción del operador, el nuevo diseño debe proporcionar al dispositivo, la capacidad de alimentar el electrodo en diferentes ángulos respecto a la placa a soldar, a diferentes velocidades y en sentido longitudinal al electrodo, tal y como pudiera hacerlo un operador real durante la ejecución del proceso.

Dispositivo de alimentación del electrodo (brazo de alimentación)

Para ejecutar el proceso de soldadura SMAW, se requiere alimentar el electrodo hacia la pieza de soldadura a determinada velocidad en función de las variables esenciales del proceso. La tasa de fusión del electrodo está definida por el fabricante para cada diámetro de electrodo y régimen de corriente. La velocidad de fusión del electrodo debe tratar de mantenerse igual a la velocidad de alimentación del mismo para mantener constante la longitud de arco.

La velocidad de fusión del electrodo se define a partir de la Ecuación 2.1.

Tomando como base un electrodo de diámetro 4 mm, la velocidad de fusión bajo un régimen de 160 A es de 0,0046 m/s.

Dados los diferentes regímenes de trabajo y dimensiones de electrodos de diversos tipos existentes, el motor escogido debe ser capaz de operar en un rango de velocidad angular variable. Se decide utilizar un motor reductor de corriente continua a 12V que proporciona hasta 152 revoluciones por minuto con un torque de 16,7 kg·cm.

En la Figura 3, la longitud del tornillo (10) debe ser mayor que la del electrodo (8), para que el desplazamiento de la tuerca (9), a la cual esta acoplado el material de aporte (8), sea mayor que la longitud que se funde del electrodo. En este caso, el tornillo será montado en cojinetes de deslizamiento (Figura 5) construidos de bronce para disminuir la fricción, el desgaste y el torque ejercido sobre el motor. El material utilizado para la construcción de la estructura (11) que soporta el motor (M) y la TM, es acero de bajo contenido de carbono. El material del tornillo es de acero 45X y el de la tuerca es de bronce, siendo esta selección la más común dentro de los materiales usados en este tipo de TM.

Figura 4: Cojinetes de deslizamiento: A. Vista Frontal. B: Vista Lateral.

En la Figura 5 se muestran dos vistas de uno de los cuatro cojinetes de deslizamiento iguales, que se diseñan para montar los tornillos de las TM de la mesa y el brazo.

En la alimentación del electrodo hacia la pieza de soldadura el mecanismo demanda un mínimo valor de torque, debido a que el electrodo está sometido solamente a la acción de la presión del arco, manteniéndose separado de la placa de soldadura, esta separación se conoce como la longitud del arco soldadura.

En la Figura 6.B se muestra el dispositivo encargado de fijar el electrodo a la tuerca de la TM, compuesto por dos placas de baquelita que mantendrán el resto del conjunto aislado eléctricamente. Tanto el electrodo como el conductor eléctrico se agarran mediante tornillos acoplados en el casquillo de bronce, para facilitar la conducción de la corriente y mantener un bajo nivel de corrosión.

Figura 5: Dispositivo de fijación del electrodo a la tuerca de la TM: A. Vista Lateral. B. Vista Frontal.

Dispositivo de alimentación de la placa a soldar

Para realizar un cordón de soldadura, se hace necesario que la plancha a soldar sea transportada a la velocidad de soldadura, garantizando un depósito de alta calidad.

La velocidad promedio de soldadura se determina por la Ecuación 2.

De lo que se demuestra que la velocidad de alimentación del electrodo es el doble que la velocidad de alimentación de la placa a soldar en estas condiciones. Habiéndose calculado anteriormente la velocidad de alimentación (138 rpm), se calcula la velocidad del motor de alimentación de la plancha a soldar que será de 69 rpm.

La mesa (Figura 7) consta principalmente de un soporte deslizante o porta probeta de aluminio, acoplado a la tuerca de bronce de una TM de tipo tornillo y tuerca, al igual que la del dispositivo de alimentación (Figura 3). El tornillo es del mismo material, y su longitud se diseña acorde a la longitud del cordón de soldadura a efectuar. En este caso se escogió un valor promedio de 0,015 m, garantizando así que el tablero se desplace lo suficiente como para que el electrodo se consuma por completo. El tornillo esta montado en cojinetes deslizantes (Figura 4).El motor debe operar a menos rpm que el empleado en el brazo, debido a que la velocidad de soldadura es menor que la de alimentación del electrodo, pero a mayor torque, pues la masa del soporte junto con la probeta desarrolla mayor resistencia a la transmisión.

La mesa (Figura 7) está compuesta por una estructura (4) de acero, por cuyas ranuras corren los apoyos del soporte (5), transportados por la potencia del motor. El tornillo de transmisión (6) sostenido, en sus extremos, en cojinetes de deslizamiento, trasmiten, desde el motor, movimiento al soporte (5). El soporte fija y transporta la plancha a soldar mediante tornillos (13).

Figura 6: Transportador de la placa a soldar.

El dispositivo como un todo

El brazo de alimentación y el transportador de la placa se sostienen en una estructura trapezoidal acomodable, constituida de angulares de zinc galvanizado, que permite variar la posición del conjunto ya sea para soldar en posición plana (Figura 7).

Figura 7: Posición plana de soldadura

Como se muestra en la Figura 7, por la mesa (4) se desplaza el soporte (5) que será el encargado de fijar la placa a soldar mediante tornillos (13). El desplazamiento se realiza mediante una transmisión de tipo tornillo y tuerca (6) acoplado a un motor (M 1) eléctrico, y al soporte (5) que se desplaza sobre la mesa (4) a la velocidad de soldadura. Al dispositivo de alimentación del electrodo, se le puede dar la inclinación deseada con respecto a la placa a soldar.

El electrodo (8) está sujeto a una pieza (9) que se desplaza por una transmisión tornillo-tuerca (10) y es guiada por una ranura en una lámina de acero (11) que soporta el tornillo (10) acoplado a otro motor (M 2), garantizando la alimentación del electrodo a la velocidad necesaria. Todo este mecanismo se une a una plancha (7) de acero mediante un eje (12) que le permite darle la inclinación deseada al electrodo (8) con respecto a la placa a soldar; mientras la plancha (7) se fija con dos barras (B) de acero a las caras (1 y 3), conformando así el dispositivo automático de soldadura por arco eléctrico con electrodo revestido.

La velocidad de los motores de corriente alterna se regula mediante sendos circuitos electrónicos de regulación de velocidad, controlados automáticamente y de forma manual.

Posiciones de soldadura

Las diferentes posiciones de soldaduras se obtienen al cambiar la cara de apoyo según aparece en las Figuras 7, 8, 9 y 10. La posición horizontal no ha sido representada gráficamente, pero se logra apoyando el dispositivo en las caras frontales de las Figuras 7, 8, 9 y 10 indistintamente.

Figura 8: Posición de soldadura vertical descendente.

Figura 9: Posición de soldadura vertical ascendente.

Figura 10: Posición de soldadura Sobrecabeza.

Referencias Bibliográficas

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Autor:

Dr. Alejandro García Rodríguez1,

Ing. Alain Orozco Claro1

1Universidad Central "Marta Abreu" de las Villas, Centro de Investigaciones de Soldadura (CIS) /Ministerio de Educación Superior (MES), Santa Clara, Villa Clara, Cuba