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
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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