Procesos de Mecanizado

Material de Partida y Movimientos en Máquinas Herramienta

El material de partida para obtener una pieza por mecanizado puede provenir de barras, piezas moldeadas, deformadas o ensambladas. Estos materiales se mecanizan posteriormente para lograr el ajuste o la precisión requerida en la pieza final.

Los movimientos fundamentales en una máquina herramienta son:

• Corte: Movimiento rápido, realizado por la herramienta o la pieza.
• Avance: Movimiento lento, ejecutado por la herramienta o la pieza.
• Penetración: Movimiento perpendicular al corte, realizado por la herramienta o la pieza.

Ejemplos de combinaciones:

• Torno: La pieza gira (corte), la herramienta avanza y penetra.
• Fresadora: La herramienta gira (corte), la pieza o herramienta avanza y penetra.
• Taladradora: La herramienta gira (corte) y avanza, pero no se realiza un movimiento de penetración.

Clasificación de los Procesos de Mecanizado

Los procesos de mecanizado se clasifican en:

• Por corte: Incluyen operaciones como torneado, fresado, taladrado, perfilado, escariado y cepillado.
• Por abrasivos: Usan partículas abrasivas y abarcan procesos como rectificado, lapeado y bruñido.
• No convencionales: Utilizan energías no mecánicas como la química, electricidad, láser, agua, plasma y electroerosión.

Mecanizado No Convencional

Estos procesos se utilizan cuando los métodos mecánicos no son técnica o económicamente viables, como en materiales de alta dureza o fragilidad, geometrías complejas, o cuando se requiere un alto nivel de precisión y acabado.

Electroerosión (EDM)

La electroerosión elimina material mediante descargas eléctricas controladas entre un electrodo y la pieza, ambos conductores. Las descargas generan un calor intenso que funde y vaporiza pequeñas porciones del material.

El vidrio no puede mecanizarse mediante EDM porque no es conductor eléctrico.

Los fluidos dieléctricos utilizados en EDM incluyen queroseno, agua destilada y desionizada.

La herramienta utilizada en EDM no debe tener baja conductividad térmica.

Un equipo de EDM consta de:

• Bancada o armazón.
• Cabezal fijado a la columna.
• Mesa de trabajo con la cuba de dieléctrico.
• Unidad de filtrado, enfriamiento y circulación del dieléctrico.
• Generador de impulsos.

Aplicaciones industriales del EDM:

• Moldes para inyección y fundición.
• Matrices de forja y extrusión.
• Agujeros profundos para refrigeración.
• Componentes complejos de estampación.

Corte por Chorro de Agua (WJM y AWJM)

Las variables importantes en los sistemas de corte por agua (WJM) y agua con abrasivo (AWJM) son la presión del agua, la velocidad de avance y el diámetro de la boquilla.

Limitaciones del AWJM:

• Desgaste del tubo colector.
• Elevado tiempo de corte en materiales duros.
• Disminución de precisión en grandes espesores debido al ahusamiento.

Sistema de corte por agua con abrasivo:

• Módulo de presión: Genera alta presión en el agua.
• Cabezal de corte: Mezcla el agua con el abrasivo y dirige el chorro al material.

Mecanizado por Láser (LBM)

Tipos de láser:

• Láser de gas: Utiliza CO₂ como medio activo.
• Láser de sólido: Usa Nd:YAG o fibra óptica.

En los procesos LBM, el material se elimina mediante fusión y vaporización provocadas por el calor del haz láser.

Limitaciones del LBM:

• Alto coste.
• Dificultad en cortes profundos.
• Problemas con materiales reflectantes.

Corte por Plasma (PAC)

Tipos de corte por plasma:

• Arco seco.
• Arco protegido por agua.
• Arco sumergido (mejora la calidad y el rendimiento).

Ventajas del PAC:

• Alta velocidad.
• Cortes precisos.
• Automatización.

Limitaciones del PAC:

• Genera Zona Afectada Térmicamente (ZAT).
• Ruidos.
• Humos.
• Costes elevados de consumibles.

Mecanizado Electroquímico (ECM)

El proceso ECM utiliza energía eléctrica para disolver el material mediante una reacción electroquímica.

Parámetros principales del ECM:

• Intensidad de corriente.
• Tipo de electrolito (NaCl o NaNO₂).
• Voltaje aplicado.

Aplicaciones del ECM:

• Álabes de turbinas.
• Cavidades en matrices de forja.
• Eliminación de rebabas.
• Componentes de motores.
• Fabricación de componentes médicos.

Unión por Sujeción Mecánica

Soldadura Blanda y Fuerte

La diferencia principal radica en la temperatura de fusión del metal de aporte:

• Soldadura fuerte: Se realiza a temperaturas superiores a 450°C. Ejemplos: Aluminio-Silicio (600°C) y Cobre-Fósforo (850°C).
• Soldadura blanda: Se realiza a temperaturas inferiores a 450°C. Ejemplos: Estaño-Plomo (188°C) y Estaño-Zinc (199°C).

Métodos de Calentamiento en Soldadura Fuerte

Los métodos de calentamiento incluyen:

• Soplete.
• Horno.
• Inducción.
• Resistencia.
• Inmersión.

El objetivo del fundente es evitar la oxidación de las superficies durante la soldadura y promover la adherencia del metal de aporte.

Diagrama Estaño-Plomo

El punto eutéctico es la combinación de composición (61,9% Sn y 38,1% Pb) y temperatura (183°C) en la que la aleación pasa directamente del estado líquido al sólido sin formar fases intermedias.

Aplicaciones de la Soldadura Fuerte

• Unión de materiales disimilares, como metal duro con soportes de acero.
• Componentes con diseños de superficies amplias.
• Ensambles con alta estanqueidad.

Adhesivos

Cualidades de los adhesivos:

• Resistencia a esfuerzos cortantes y desprendimientos.
• Tenacidad.
• Resistencia a agentes químicos y fluidos.
• Alta adherencia a diversas superficies.
• Resistencia a la degradación ambiental.

Ventajas de la unión con adhesivos:

• Unión de materiales disimilares.
• Distribución uniforme de tensiones.
• Ausencia de daño térmico en los materiales.

Dificultades de la unión con adhesivos:

• Preparación cuidadosa de las superficies.
• Baja confiabilidad en aplicaciones críticas.
• Tiempo prolongado de curado.

La tensión en una unión con adhesivos sometida a esfuerzos de cizalladura se distribuye de forma uniforme a lo largo de la superficie adherida, pero disminuye en los extremos debido a concentraciones de tensión.

Sujeción Mecánica

Tipos de sujeción mecánica:

• Tornillos y pernos.
• Remaches.
• Grapas.
• Sujetadores elásticos.

Corrosión Galvánica

La corrosión galvánica ocurre cuando dos metales con diferentes potenciales eléctricos están en contacto en presencia de un electrolito. El metal menos noble (anódico) se corroe.

Prevención de la corrosión galvánica:

• Usar materiales con potenciales similares.
• Aislar los metales con recubrimientos o juntas plásticas.
• Utilizar ánodos de sacrificio.

Los ánodos de sacrificio son metales como zinc, magnesio o aluminio que se colocan en contacto con estructuras metálicas para protegerlas de la corrosión. Estos ánodos se oxidan preferentemente, preservando el metal principal.

Métodos de Unión de Termoplásticos

• Fuentes externas de calor: aire caliente, radiación infrarroja, láser.
• Fuentes internas de calor: soldadura ultrasónica, por fricción u orbital.
• Adhesivos: epoxi, cianoacrilatos.
• Unión mecánica: insertos integrados.

Metalurgia, Diseño y Proceso de Soldadura

Zonas en una Unión Soldada

En una unión soldada por fusión se pueden identificar tres zonas principales:

• Metal Base (MB): Es el material original sin alterar por el calor de la soldadura.
• Zona Afectada por el Calor (ZAC o ZAT): Es la región donde el calor ha modificado las propiedades del material sin llegar a la fusión.
• Metal de Soldadura (MS): Es la parte del cordón formada por el material de aporte y el metal base fundido.

Los granos en estas zonas tienen diferentes características:

• Metal de soldadura: Presenta granos columnares dendríticos que crecen hacia la última zona solidificada.
• ZAC: Se observan granos gruesos, finos y parcialmente recristalizados según la temperatura alcanzada.
• Metal Base: Mantiene la estructura original del material.

Defectos en Uniones Soldadas

• Porosidad: Causada por gases atrapados durante la fusión debido a contaminantes o alta velocidad de soldadura. Solución: Limpiar adecuadamente las superficies y controlar la velocidad de soldadura.
• Inclusiones de escoria: Provocadas por residuos de fundentes u óxidos. Solución: Incrementar el gas de protección y limpiar la zona soldada.
• Fusión y penetración incompletas: Generadas por insuficiente calor o velocidad excesiva. Solución: Aumentar la temperatura del metal base y optimizar la velocidad de desplazamiento.
• Grietas: Producidas por esfuerzos térmicos y gradientes de temperatura. Solución: Precalentar el metal base y usar materiales con buena ductilidad.

Diagrama Térmico del Enfriamiento de un Cordón de Soldadura

El diagrama muestra que en dirección longitudinal, el calor se propaga a lo largo del cordón, mientras que en dirección transversal se observa una distribución radial desde el punto de soldadura.

Tipos de Grietas en Soldaduras

• Grietas en caliente: Causadas por solidificación desigual y gradientes de temperatura.
• Grietas en frío: Generadas por tensiones residuales y fragilizaciones como la provocada por el hidrógeno.

Ensayos en Uniones Soldadas

Ensayos destructivos:

• Tracción.
• Flexión.
• Tenacidad a la fractura (Charpy).

Ensayos no destructivos:

• Inspección visual.
• Líquidos penetrantes.
• Ultrasonidos.

Técnicas de Inspección

• Líquidos penetrantes: Consiste en aplicar un líquido sobre la superficie a examinar, el cual penetra por capilaridad en las discontinuidades. Posteriormente, se elimina el exceso de líquido y se aplica un revelador que hace visible las imperfecciones.
• Ultrasonidos: Se emiten ondas ultrasónicas de alta frecuencia a través del material. Las discontinuidades causan reflexiones o alteraciones en la intensidad de las ondas, que se detectan con un receptor.
• Ultrasonidos (Phased Array): Se emplean sistemas Phased Array, que utilizan un abanico de haces ultrasónicos para inspeccionar la soldadura desde diferentes ángulos y posiciones, permitiendo un análisis completo y preciso.

Tipos de Uniones Soldadas

• A tope: Piezas alineadas en el mismo plano.
• A solape: Una pieza superpuesta sobre la otra.
• En ángulo: Piezas formando un ángulo, generalmente de 90°.

Simbología Normalizada en Uniones Soldadas

La simbología normalizada incluye representaciones en sistemas A y B, usando líneas continuas y discontinuas para indicar detalles del cordón de soldadura.

Soldabilidad de Metales

Metal	Soldabilidad
Aceros al carbono	Excelente
Aceros inoxidables	Buena
Aleaciones de aluminio	Necesitan fuentes de calor
Aleaciones de magnesio	Soldables con protección

Relación entre Tipo de Aleación y Tipo de Soldadura

Tipo de Aleación	Tipo de Soldadura
Aluminio-Cobre	TIG
Magnesio	MIG
Aceros inoxidables	Arco sumergido

Un elemento mecánico obtenido por la unión soldada de al menos tres componentes mecanizados podría incluir una base rectangular, un soporte cilíndrico y un refuerzo triangular unidos por soldadura a tope y en ángulo.

Soldadura por Contacto

Definición

La soldadura por contacto es un proceso de unión de piezas metálicas sin que se produzca la fusión del material. Esta unión se logra mediante presión, calor o movimientos relativos en la superficie de contacto. Ejemplos comunes incluyen la soldadura por fricción, por puntos y a tope por presión.

Soldadura Ultrasónica

La soldadura ultrasónica somete a los materiales a una fuerza estática y a esfuerzos cortantes oscilantes con frecuencias de 10-75 kHz. Esto genera deformación plástica en la interfaz, logrando una unión sin fusión del material en metales y con fusión en termoplásticos.

Ventajas:

• Une materiales diferentes (Cu y Al).
• Operaciones rápidas (menos de 1 segundo).
• Alta calidad y resistencia de las uniones.
• Sin efectos ambientales adversos ni uso de consumibles.
• No genera ZAT ni fragilizaciones.

Inconvenientes:

• Restricciones para metales con espesores >3 mm.
• Elevado coste de equipos.

Posibilidades: Se utiliza en industrias electrónica, automotriz y de termoplásticos.

Soldadura por Fricción

La soldadura por fricción genera calor mediante el movimiento relativo entre las superficies a unir bajo presión axial. Este calor ablanda las piezas, permitiendo la unión por deformación plástica.

Equipo necesario: Máquinas con movimiento rotacional, lineal o inercial.

Capacidad: Une materiales disimilares (Al, Cu, acero). Espesores de 1 a 50 mm. Aplicaciones en aeronáutica y fabricación de turbinas.

Soldadura por Resistencia Eléctrica

Es un proceso que genera calor mediante la resistencia eléctrica de las piezas a unir al paso de corriente.

Tipos:

• Soldadura por puntos (RSW).
• Soldadura por costura (RSEW).
• Soldadura por proyecciones (RPW).
• Soldadura a tope por presión.

Aplicaciones de la soldadura por puntos:

• Ensamblado de carrocerías.
• Uniones de chapas metálicas en electrodomésticos.
• Estructuras ligeras.

Campos de aplicación: Industria automotriz, fabricación de electrodomésticos y componentes metálicos.

Soldadura por Costura (RSEW)

En la soldadura por costura, los electrodos se sustituyen por rodillos giratorios que producen una soldadura continua.

Aplicaciones:

• Fabricación de latas y recipientes herméticos.
• Radiadores e intercambiadores de calor.

Soldadura por Proyecciones (RPW)

La soldadura por proyecciones consiste en unir piezas con protuberancias que concentran el calor en puntos específicos. Los electrodos son planos y refrigerados.

Aplicaciones:

• Uniones de tornillos, pernos y casquillos.
• Fabricación de mallas electrosoldadas.

Soldadura a Tope por Presión

La soldadura a tope por presión une piezas enfrentadas aplicando corriente eléctrica y fuerza axial. Este método es utilizado para unir barras, tubos y extremos de pletinas en mobiliario metálico.

Soldadura por Difusión

La soldadura por difusión se basa en la migración de átomos entre superficies bajo calor (0,5 Tf) y presión controlada. Este proceso elimina vacíos en la interfaz, logrando una unión fuerte.

Aplicaciones:

• Industria aeronáutica y aeroespacial.
• Uniones de materiales refractarios y recubrimientos.

Soldadura por Fusión

Justificación del Ensamblaje de Elementos Simples

• Es más económico fabricar componentes individuales y ensamblarlos posteriormente.
• Permite la estandarización y normalización de componentes básicos.
• Facilita el mantenimiento y la reparación de las piezas.
• Mejora el almacenaje, la logística y el transporte de los componentes.

Campos de los Procesos de Unión

• Soldadura: Incluye fusión, soldadura en estado sólido y oxicombustibles.
• Adhesión: Basada en procesos químicos.
• Sujeción mecánica: Atornillado, remachado, clinchado, entre otros.

Comparación entre Soldadura por Arco y Adhesión

• Resistencia: La soldadura por arco ofrece mayor resistencia mecánica.
• Diseño: La soldadura por arco permite mayor flexibilidad para piezas grandes.
• Coste: La adhesión suele ser más económica en materiales ligeros.
• Mantenimiento: La soldadura por arco es menos accesible para reparaciones.
• Inspección visual: La adhesión permite una verificación más fácil del acabado.
• Tolerancias: La adhesión tolera mejor las imperfecciones superficiales.

Cambios Metalúrgicos en una Soldadura por Fusión

• Cambios en la estructura del material.
• Oxidación y formación de nuevas aleaciones.
• Variación de la dureza y del temple en la zona afectada térmicamente (ZAT).

Gases Combustibles en Soldadura

• Acetileno (C₂H₂): Mayor poder calorífico.
• Hidrógeno (H₂).
• Propano y butano.

Diferencia entre Llama Carburante y Oxidante

• Llama carburante: Exceso de acetileno. Produce un recubrimiento protector pero puede afectar las propiedades del acero.
• Llama oxidante: Exceso de oxígeno. Puede provocar oxidación y fragilizar el acero.

Presión de Suministro de Oxígeno y Acetileno

• Oxígeno: 20 MPa en botella, presión de salida ajustada según aplicación.
• Acetileno: 1.8 MPa en botella, presión de salida menor a 150 kPa.

Finalidad del Recubrimiento del Electrodo

Proteger la zona de soldadura de la oxidación, estabilizar el arco y mejorar la calidad del cordón soldado.

Soldadura con Arco Sumergido (SAW)

• Alta calidad y automatización del proceso.
• Eliminación de radiación y salpicaduras.
• Aplicaciones: Construcción naval, recipientes a presión y estructuras de acero.

Soldadura por Arco Metal Gas (GMAW/MIG)

El área se protege con una atmósfera inerte (Argón, Helio) que evita la oxidación del metal durante el proceso.

Diferencia entre Soldadura MIG y MAG

• MIG: Usa gases inertes como Argón o Helio.
• MAG: Usa gases activos como CO₂.

Ventajas de la Soldadura con Arco y Núcleo Fundente (FCAW)

• Mayor estabilidad del arco.
• Sin necesidad de protección adicional con gas.
• Alta productividad y versatilidad.

Soldadura EGW y ESW

• EGW: Uniones verticales de placas gruesas en estructuras.
• ESW: Uso de escoria fundida para aislar el proceso.

Denominación de un Electrodo según UNE EN 499 (5 primeros campos)

• Identificación del producto.
• Resistencia y alargamiento del metal depositado.
• Comportamiento al impacto.
• Composición química.
• Revestimiento y posición de la soldadura.

Soldadura GTAW o TIG

Depende de la precisión del ajuste entre las piezas. Si el ajuste es preciso, no se necesita metal de aportación.

Aplicaciones:

• Soldadura de aluminio, magnesio y titanio.
• Uniones de alta calidad en piezas delgadas.

Precaución: Evitar la contaminación del electrodo.

Soldadura por Arco de Plasma (PAW)

Alta concentración de energía, permitiendo soldaduras profundas, angostas y de alta calidad.

Soldadura con Termita (TW) o Aluminotérmica

• Proceso exotérmico que utiliza óxido de hierro y aluminio para generar temperaturas elevadas.
• Aplicaciones: Unión de rieles, reparación de grandes piezas y estructuras.

Soldadura con Haz de Electrones (EBW)

• Aplicaciones: Industria aeronáutica, nuclear y electrónica.
• Ventajas: Alta precisión, mínima ZAT, soldaduras profundas.
• Inconvenientes: Requiere vacío, alto coste del equipo, limitaciones en el tamaño de las piezas.