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“SOLDADURA CADWELD”
TRABAJO PARA ACREDITAR LA EXPERIENCIA RECEPCIONAL
DEL PROGRAMA EDUCATIVO DE INGENIERÍA MECÁNICA ELÉCTRICA
MODALIDAD: MONOGRAFÍA
ALUMNO: EDWIN ANTONIO PONCE QUINTANA
ASESOR:
ING: FRANCISCO JAVIER MERINO MUÑOZ
COASESOR:
ING: MARTÍN AUGUSTO PÉREZ PANES
CD. MENDOZA., VER. FECHA: Agosto de 2012
UNIVERSIDAD VERACRUZANA
FACULTAD DE INGENIERIA MECANICA ELECTRICA CD. MENDOZA, VER.
I
DEDICATORIA
A mi Madre:
Este logro también es tuyo,
esto es la culminación de años
de esfuerzo: el TUYO y el MIO.
TE AMO.
II
AGRADECIMIENTOS
A Dios Todo Poderoso:
Te agradezco Señor por permitirme llegar hasta aquí, por darme las fuerzas para no
flaquear en el camino y no perder el rumbo. Gracias Señor por las bendiciones con las
que me has colmado. Amén.
A mi Viejita Hermosa:
Gracias por todo. Por la paciencia, el cariño, la enseñanza. Gracias por el consejo más
importante que me han dado: las palabras correctas justo cuando las necesité. TE AMO
TANTO VIEJITA. TE EXTRAÑO TANTO. QUE DIOS TE GUARDE EN SU GLORIA.
A mi Madre:
Gracias por todo. Desde cuidarme en la cuna, las noche de vigilia durante
enfermedades, los momentos malos y buenos, hasta ahora que se cumple mi sueño,
pero más que el mio, el tuyo. Tu sueño de verme hecho una persona de bien, una
persona productiva para la sociedad, un hombre hecho y derecho. GRACIAS POR SER
MADRE Y PADRE, por darme educación, por no dejar que me desviara del sendero
correcto, gracias por ser parte de esto, ser parte de mi vida. TE AMO.
A mi Hermanita Ana Mildred:
TE AMO FLACA. Gracias por compartir conmigo esa infancia loca que tanto
disfrutamos. Gracias por crecer conmigo, estando siempre conmigo. Gracias por
soportarme estos dos años viviendo juntos. Gracias por las risas, por los juegos, por los
llantos… ¡TE AMO HERMANITA!
III
A mi Sobrinita Hermosa:
Princesa hermosa te quiero mucho. Y eso que aún no te conozco. Gracias princesa por
que por ti es que estamos completos, todos felices esperándote. ¡TE AMO BEBÉ!
A mi Familia:
Gracias por ser mi soporte, por ser la columna de mi vida, por ser lo que son, los amo a
todos. Gracias por dejarme ser parte de todos y cada uno de ustedes. ¡LOS AMO
FAMILIA!
A mis Amigos y Amigas:
Gracias por estar conmigo en lo buenos y malos momentos, por ser mi respaldo, por
ser parte de mis alegrías. ¡GRACIAS!
A mis Compañeros de Carrera:
Gracias, por que más que compañeros tengo el gusto de llamarlos HERMANOS.
Gracias a todos por ser parte de este viaje que empezó hace cuatro años y que
llegamos a creer no terminaría. Gracias a Dios, llegamos a su fin. Les agradezco y les
digo: ¡ÉXITO!
Al Ingeniero Francisco Javier Merino Muñoz:
Gracias por el apoyo para la realización de éste trabajo monográfico, por las pláticas y
los consejos apropiados, ¡GRACIAS!
IV
Al Ingeniero Martín Augusto Pérez Panes:
Gracias por el apoyo para la realización de éste trabajo monográfico, por dedicarme un
poco de su tiempo para que esto tuviera sentido y coherencia, ¡GRACIAS!
Y por último, pero no menos importante:
A la Universidad Veracruzana, Facultad De Ingeniería Mecánica Eléctrica, Campus
Ciudad Mendoza:
¡GRACIAS! Es para mí un honor y un placer haber cursado mi formación profesional
aquí. ¡GRACIAS POR TODO!
Sinceramente:
Edwin Antonio Ponce Quintana
V
ÍNDICE
DEDICATORIA ............................................................................................................................................. I
AGRADECIMIENTOS ................................................................................................................................ II
INTRODUCCIÓN ........................................................................................................................................ 1
1.1 ANTECEDENTES GENERALES ............................................................................................. 1
1.2 PLANTEAMIENTO DEL TRABAJO A REALIZAR ................................................................ 3
1.3 OBJETIVOS ................................................................................................................................ 4
1.4 SUMARIO .................................................................................................................................... 5
SOLDADURA. ............................................................................................................................................. 7
1.1 LA SOLDADURA EN EL PASADO Y EN LA ACTUALIDAD. ................................................... 7
1.2 NATURALEZA DEL TRABAJO ..................................................................................................... 9
1.2.1 SOLDADURA DE ARCO ....................................................................................................... 10
1.2.2 SOLDADURA A GAS ............................................................................................................. 14
1.2.3 SOLDADURA POR RESISTENCIA ..................................................................................... 15
2.1 FUNDAMENTOS DE SOLDADURA ........................................................................................... 16
2.2 PERSPECTIVA DE LA TECNOLOGÍA DE LA SOLDADURA ................................................ 17
2.2.1 TIPOS DE PROCESOS DE SOLDADURA ........................................................................ 17
2.2.1.1 SOLDADURA POR FUSIÓN ............................................................................................. 18
2.2.1.2 SOLDADURA DE ESTADO SÓLIDO .............................................................................. 19
2.3 LA SOLDADURA COMO UNA OPERACIÓN COMERCIAL................................................... 19
2.3.1 EL ASPECTO DE SEGURIDAD .......................................................................................... 20
2.3.2 AUTOMATIZACIÓN DE LA SOLDADURA ......................................................................... 21
2.4 UNION SOLDADA ......................................................................................................................... 23
2.4.1TIPOS DE UNIONES .............................................................................................................. 23
2.4.2 TIPOS DE SOLDADURAS .................................................................................................... 24
2.5 CARACTERÍSTICAS DE UNA JUNTA SOLDADA POR FUSIÓN ......................................... 27
SOLDADURA POR EL MÉTODO CADWELD..................................................................................... 30
1.1 ALUMINOTERMIA .................................................................................................................... 30
1.1.1 TERMITA ........................................................................................................................... 30
1.1.1.1 HISTORIA ...................................................................................................................... 31
VI
1.1.1.2 TIPOS ............................................................................................................................. 31
1.1.1.3 IGNICIÓN ........................................................................................................................ 33
1.1.1.4 SEGURIDAD ................................................................................................................. 34
1.1.1.5 USOS MILITARES ....................................................................................................... 36
1.1.1.6 USO CIVIL ...................................................................................................................... 37
1.1.2 SOLDADURA ALUMINOTÉRMICA ............................................................................... 38
1.1.2.1 ECUACIÓN GENERAL .................................................................................................... 38
1.1.2.2 APLICACIONES .................................................................................................................. 40
1.1.2.2.1 FORMAS ........................................................................................................................... 40
1.1.2.3 APLICACIÓN DE LA SOLDADURA ALUMINOTÉRMICA A RIELES......................... 41
1.1.2.4 FOTOGRAMA DE LA SOLDADURA ALUMINOTÉRMICA [13] ..................................... 43
1.1.2.5 REQUISITOS QUE SE DEBEN CUMPLIR EN LAS SOLDADURAS TERMINADAS ........................... 49
2.1 SOLDADURA CADWELD ............................................................................................................ 51
2.1.1 INTRODUCCIÓN .................................................................................................................... 51
2.1.1.1 ¿QUE SIGNIFICA EXOTÉRMICO? ................................................................................. 51
2.1.1.2 ¿QUE ES UNA REACCIÓN EXOTÉRMICA? ................................................................. 52
2.1.2 CONEXIONES EXOTÉRMICAS .......................................................................................... 52
2.1.2.1 IMPLEMENTOS DE LA SOLDADURA CADWELD [16] .................................................. 53
2.1.2.2 PROCESO DE UNA SOLDADURA CADWELD............................................................. 56
2.1.2.3 PREPARACIÓN DE LOS MATERIALES Y EQUIPOS PARA UNA SOLDADURA
EXOTÉRMICA................................................................................................................................... 60
2.1.2.3.1 PREPARACION DE CONDUCTORES O CABLES ................................................... 60
2.1.2.3.2 PREPARACION DEL MOLDE DE GRÁFITO .............................................................. 61
2.1.2.3.3 PREPARACIÓN DE LAS BARRAS COPPERWELD ................................................. 61
2.1.2.3.4 PREPARACION DE LAS SUPERFICIES DE ACERO .............................................. 62
2.1.2.4 FOTOGRAMA DEL MÉTODO CADWELD DE SOLDADURA [18] ............................... 63
2.1.2.5 INSPECCIÓN ....................................................................................................................... 66
2.1.2.5.1 TAMAÑO: ......................................................................................................................... 66
2.1.2.5.2 COLOR: ............................................................................................................................. 66
2.1.2.5.3 ACABADO SUPERFICIAL: ............................................................................................ 66
2.1.2.5.4 POROSIDAD: ................................................................................................................... 67
2.1.2.6 VENTAJAS DE LA SOLDADURA EXOTÉRMICA ......................................................... 68
VII
2.1.2.6.1 VENTAJAS ECONÓMICAS ........................................................................................... 68
2.1.2.6.2 VENTAJAS TÉCNICAS .................................................................................................. 69
2.1.2.6.3 DESVENTAJAS DE LA CONEXIÓN EXOTÉRMICA ................................................. 70
2.1.2.7 INSTRUCCIONES GENERALES DE SEGURIDAD ...................................................... 71
2.1.2.7.1. INSTRUCCIONES ESPECÍFICAS DE SEGURIDAD ............................................... 71
APLICACIONES DE LA SOLDADURA CADWELD ............................................................................ 77
1.1 APLICACIONES ............................................................................................................................. 77
1.2 COMPARACION ENTRE SISTEMAS DE CONEXIÓN ........................................................... 78
2.1 APLICACIONES CONCRETAS DE SOLDADURA CADWELD ............................................. 82
2.1.2 DEMONIMACIÓN COMERCIAL, DESCRIPCION DE TIPO ESPECÍFICO DE MOLDE
Y CARGA UTILIZADA POR UNIÓN [22] ........................................................................................ 82
2.1.3 COMBINACIÓN DE MOLDES ............................................................................................ 100
2.1.3.1 CONEXIÓN HORIZONTAL POR LOS EXTREMOS ................................................... 100
2.1.3.2 CONEXIONES EN TEE. .................................................................................................. 101
2.1.3.3 CONEXIONES EN EQUIS O CRUZADAS.................................................................... 102
2.1.3.4. CONEXIÓN A TOPE EN EQUIS SOBRE BARRA COPPERWELD. ....................... 103
2.1.3.5 CONEXIÓN A TOPE EN TEE SOBRE BARRA COPPERWELD. ............................. 105
2.1.4 PRINCIPALES PROBLEMAS, POSIBLES CAUSAS Y CORRECTIVOS EN LA
SOLDADURA CADWELD [24] ........................................................................................................ 106
PRUEBAS Y ENSAYOS APLICADOS A LA SOLDADURA CADWELD ....................................... 109
1.1 IEEE STD 837-1989 “IEEE STANDARD FOR QUALIFYING PERMANENT
CONNECTIONS USED IN SUBSTATION GROUNDING” (ESTÁNDAR IEEE PARA LA
CALIFICACIÓN DE CONECTORES PERMANENTES USADOS EN EL SISTEMA DE
TIERRA DE SUBESTACIONES) ..................................................................................................... 109
1.1.1 RESUMEN DEL PROGRAMA DE PRUEBAS ........................................................... 109
1.1.2 INTRODUCCIÓN AL PROGRAMA DE PRUEBAS ................................................... 110
1.1.3 ALCANCE ........................................................................................................................ 112
1.1.3.1 PRUEBAS DEL OHT – IEEE Std. 837-1989 .......................................................... 112
1.1.3.1.1 PRUEBA DE TRACCIÓN MECÁNICA .................................................................... 114
1.1.3.1.2 FUERZA ELECTROMECÁNICA .............................................................................. 114
1.1.3.1.3 SERIES DE PRUEBAS SECUENCIALES .............................................................. 115
1.1.3.1.3.1. CICLO CORRIENTE-TEMPERATURA................................................................. 115
1.1.3.1.3.2. PRUEBA DE CONGELAMIENTO-DESHIELO .................................................... 116
VIII
1.1.3.1.3.3. PRUEBA DE CORROSION DE ÁCIDOS “BAJO GRADO” ................................ 116
1.1.3.1.3.4. PRUEBA DE CORROSIÓN ALCALINA “SOBRE GRADO” ............................... 117
1.1.3.1.3.5. PRUEBA DE CORRIENTE DE FALLA .................................................................. 117
1.1.3.2 PRUEBA COMPARATIVA DE CONECTORES DE TIERRA DEL SEI .................... 118
1.1.4 RESULTADOS ................................................................................................................ 121
1.1.4.1 PRUEBAS DE LA OHT – NORMA IEEE STD. 837-1989 .................................... 121
1.1.4.1.1. PRUEBA DE TRACCIÓN MECÁNICA ...................................................................... 122
1.1.4.1.2. FUERZA ELECTROMECÁNICA ................................................................................ 122
1.1.4.1.3. SERIE DE PRUEBAS SECUENCIALES ÁCIDAS ................................................... 123
1.1.4.1.4. SERIE DE PRUEBAS SECUENCIALES ALCALINAS ........................................... 124
1.1.4.2. PRUEBA COMPARATIVA DE CONECTORES DE TIERRA DEL SEI ................... 125
1.1.5 CONCLUSIONES DEL PROGRAMA DE PRUEBAS ............................................... 128
1.1 GENERALES........................................................................................................................... 129
1.2 ESPECÍFICAS......................................................................................................................... 130
1.3 FINALES .................................................................................................................................. 132
GLOSARIO .............................................................................................................................................. 133
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS .................................................................................................... 138
SOLDADURA CADWELD Página 1
INTRODUCCIÓN
1.1 ANTECEDENTES GENERALES
HEFESTUS: DIOS DE LA FORJA Y LA METALURGIA
En la mitología griega, Hefestus (en griego Ἥφαιστος Hêphaistos) es el dios
del fuego y la forja, así como de los herreros, los artesanos, los escultores,
los metales y la metalurgia. Era adorado en todos los centros industriales y
manufactureros de Grecia, especialmente en Atenas. Su equivalente aproximado en
la mitología romana era Vulcano.
En el arte, se le representa cojo, sudoroso, con la barba desaliñada y el pecho
descubierto, inclinado sobre su yunque, a menudo trabajando en su fragua. La
apariencia física de Hefestus indica arsenicosis, es decir, envenenamiento crónico
por arsénico que provoca cojera y cáncer de piel. El arsénico se añadía
al bronce para endurecerlo y la mayoría de los herreros de la Edad de Bronce
habrían padecido esta enfermedad.
Del culto a Hefestus es atribuido el desarrollo de la metalúrgico del mundo antiguo,
qué mejor incentivo que el apoyo y la bendición de una deidad para conseguir un
enfoque cuasi obstinado hacia el desarrollo de la práctica de la metalurgia,
Hefestus en la Forja. Anónimo.
INTRODUCCIÓN
SOLDADURA CADWELD Página 2
consiguiéndose así el avance paulatino, desde la edad de piedra ala edad de los
metales y sus etapas: edad del cobre, edad del bronce y la posterior edad del hierro.
Dentro del desarrollo de la metalurgia encontramos las diferentes ramificaciones de
esta. En la actualidad es posible conocer las propiedades físicas y químicas de los
metales, lo que permite el uso de cada uno de ellos en las aplicaciones con los
requerimientos específicos de cada uno de ellos.
Tenemos pues, conductores eléctricos de cobre y aluminio, acero en sus diferentes
combinaciones, teniéndose así diferentes cualidades que van desde la máxima
dureza hasta una determinada plasticidad; soldaduras de estaño-níquel, e infinidad
de aplicaciones de las cuales requieren de determinados tipos metales y
subsecuentes aleaciones.
INTRODUCCIÓN
SOLDADURA CADWELD Página 3
1.2 PLANTEAMIENTO DEL TRABAJO A REALIZAR
Para el ingeniero en la actualidad, es menester estar a la vanguardia de las nuevas
tecnologías que se desarrollan. Esto significa estar actualizado con los nuevos
procesos y métodos aplicables en su campo de trabajo.
Con esto se pretende que el ingeniero tenga la capacidad de aplicarlas para el
mejoramiento de su ambiente de trabajo, y por ende la optimización de los recursos y
tiempos, reflejándose esto, en la disminución de los egresos generados a la
empresa.
La misión de este trabajo monográfico es la de recabar información, ordenarla de
manera clara, concisa y lógica, y así informar sobre las nuevas tecnologías y su
campo de aplicación.
Con esto se pretende formar ingenieros mecánicos electricistas con una visión más
amplia del campo laboral, de las capacidades, variantes y oportunidades que
representas las aplicaciones de dichos avances tecnológicos.
INTRODUCCIÓN
SOLDADURA CADWELD Página 4
1.3 OBJETIVOS
OBJETIVO GENERAL:
Presentar información organizada y concisa de las nuevas tecnologías en el campo
de la soldadura que se están aplicando actualmente.
OBJETIVO ESPECIFICO:
Informar y difundir a cerca del método CADWELD de soldadura exotérmica, sus
ventajas, método de aplicación y uso en la industria, así como su función: la unión de
conductores para el sistema de tierras.
INTRODUCCIÓN
SOLDADURA CADWELD Página 5
1.4 SUMARIO
Capitulo Primero: SOLDADURA.
Se abordan los inicios de la soldadura, desde sus más básicos orígenes los grandes
avances conseguidos en la revolución industrial, cuando se gestó el gran desarrollo
de la edad industrial y se dio un gran el Big Bang tecnológico.
Descripción de los procesos de soldadura más utilizados en la actualidad y
presentación una breve reseña de las condiciones actuales del rubro de la soldadura.
Capítulo Segundo: SOLDADURA POR EL MÉTODO CADWELD
Descripción del principio de funcionamiento del Thermit Welding (TW) y sus
principales aplicaciones, aunado con la variante de principal aplicación desde su
desarrollo a principio del siglo XX: la soldadura aluminotérmica.
Enunciado del principio de funcionamiento del método CADWELD de soldadura, las
reacciones químicas que imperan este tipo de soldadura así como de sus partes
constituyentes, método de aplicación, medidas de seguridad, ventajas y desventajas.
Capítulo Tercero: APLICACIONES DE LA SOLDADURA CADWELD
Enunciado de las aplicaciones concretas del método CADWELD de soldadura,
materiales apropiados de aplicación así como la comparación contra otros métodos
de unión de conductores para sistemas de tierra.
Ejemplificación de la soldadura CADWELD, aplicaciones y variantes de la misma,
permutaciones de moldes y cargas aluminotérmicas, principales problemas, posibles
causas y correctivos en el método CADWELD de soldadura.
INTRODUCCIÓN
SOLDADURA CADWELD Página 6
Capítulo Cuarto: PRUEBAS Y ENSAYOS APLICADOS A LA SOLDADURA
CADWELD
Normativa aplicable a la selección de conectores para los sistemas de tierras,
pruebas y ensayos comparativos aplicables a la soldadura CADWELD, así como
pruebas de contraste contra otras conexiones de conductores para sistemas de
tierras. Estándares de la IEEE.
SOLDADURA CADWELD Página 7
Capítulo Primero
SOLDADURA. Primera Parte
1.1 LA SOLDADURA EN EL PASADO Y EN LA ACTUALIDAD.
Aunque la soldadura se considera un proceso relativamente nuevo tal y como se
practica en la actualidad, sus orígenes se remontan a épocas antiguas. Dice la
tradición que alrededor del 1000 a.C., un herrero griego de nombre Glaukos, que
vivía en la cuidad de Khios, inventó la forma de soldar el hierro. Con el procedimiento
de este herrero, se calentaban las piezas de hierro en un horno o forja hasta que se
ablandaba el metal. Después, valiéndose del martilleo, seles fusionaba hasta
convertirlas en una unidad. Anteriormente a ese tiempo, los metales se unían por
remachado o por soldadura, mediante un procedimiento que no involucraba fusión, y
en el que a menudo se involucraba el oro como soldadura. [1]
Como una extensión natural del forjado térmico, la usaron para fabricar armas,
herramientas, y otros implementos. Los arqueólogos han recuperado artículos de
bronce soldados por forjado de las pirámides de Egipto.
Figura 1) La operación de soldadura debe haberse visto de forma similar a esta ilustración
durante el siglo XVII.
Capítulo Primero: SOLDADURA
SOLDADURA CADWELD Página 8
De estos comienzos, hasta la edad Media, el comercio de la soldadura por forjado
llevó el arte de la soldadura por martilleo en un alto nivel de madurez. En India y
Europa se han encontrado objetos de hierro y otros metales soldados que datan de
esos tiempos (Fig. 1).
No fue sino hasta el siglo XIX cuando se establecieron las bases tecnológicas de la
soldadura moderna. Durante este periodo se hicieron dos descubrimientos
importantes, ambos atribuidos al científico inglés Sir Humphrey Davy:
1. El arco eléctrico
2. Gas acetileno.
Alrededor de 1801, Davy observó que podía generarse un arco eléctrico entre dos
electrodos de carbón. Sin embargo, no fue sino hasta mediados del siglo XIX cuando
hubo la corriente eléctrica suficiente pera sostener la soldadura con arco, cuando se
inventó el generador eléctrico. Fue el ruso Nikolai Benardos, que preparaba un
laboratorio en Francia, quien obtuvo una serie de patentes para el proceso de
soldadura con arco de carbono (una en Inglaterra en 1885 y otra en Estados Unidos,
en 1887). A finales de ese siglo, la soldadura por arco de carbono se había
convertido en un proceso comercial muy popular para unir metales.
Los inventos de Benardos parecen haberse limitado a la soldadura con arco de
carbono. En 1892, el estadounidense Charles Coffin obtuvo una patente en Estados
Unidos por el invento de un proceso de soldadura con arco eléctrico, utilizando un
electrodo de metal. La característica singular fue que el electrodo agregó un relleno
de metal a la unión soldada (el proceso de soldadura por arco de carbono no agrega
un material de relleno). Después se concibió la idea de recubrir el electrodo de metal
(para proteger el proceso de soldadura de la atmósfera) y desde alrededor de 1900
se hicieron mejoras al proceso de soldadura con arco eléctrico metálico en Inglaterra
y Suecia.
Entre 1885 y 1900, E. Thompson desarrolló varias formas de soldadura por
resistencia. Éstas incluyen la soldadura de puntos y de costura, dos métodos de unió
que se usan ampliamente en la actualidad e el procesamiento de láminas de metal.
Capítulo Primero: SOLDADURA
SOLDADURA CADWELD Página 9
Aunque Davy descubrió el gas acetileno a principios del siglo XIX, la soldadura con
oxígeno y gas combustible requirió el invento posterior de sopletes para combinar el
oxígeno y el acetileno, alrededor de 1900. Durante la década de 1890, se mezclaron
el hidrógeno y el gas natural con el oxígeno para soldadura, pero la llama obtenida
con el oxiacetileno obtuvo temperaturas significativamente más altas. [2]
La soldadura moderna de los metales, así como la soldadura antigua por forjado,
logra la unión de los metales por fusión. Sin embargo, con el desarrollo de la
tecnología de la soldadura e el mejoramiento de los métodos de prueba, se observó
que podía lograrse una fusión completa y permanente entre dos o más metales y que
el área soldada tenía mayor resistencia que las piezas que se habían unido.
Utilizando las técnicas y los materiales correctos, casi cualesquiera dos piezas de
material pueden fundirse para formar cualquier material. El solapado de las piezas
por unir no es necesario, y el espesor de la soldadura no necesita ser mayor que el
espesor de cualquiera de los dos miembros soldados. Todos los metales son
soldables siempre que se aplique el procedimiento y la técnica adecuados. En
ocasiones fracasa el intento de soldar metales por que se ha pasado por alto uno de
estos dos factores, ya sea el procedimiento correcto o la técnica adecuada. Pero, si
el ingeniero y el soldador comprenden la estructura, la composición y las
propiedades de un metal, estarán en posibilidad de diseñar y hacer mejores
soldaduras. Esto pone en relieve la relación que existe entre la metalurgia de un
metal y su soldabilidad o habilidad para dejarse soldar, ambos se examinarán mas
adelante.
1.2 NATURALEZA DEL TRABAJO
En general, el trabajo del soldador o del operador de la máquina de soldar es el de
unir (soldar) dos piezas de metal aplicando calor intenso, presión interna o ambas
cosas, para fundir el borde del metal de manera tal que se unan por fusión de forma
permanente. Durante este proceso, el trabajador puede utilizar diversos tipos de
dispositivos para obtener el calor necesario, con o sin ayuda de presión, o bien la
presión necesaria, con o sin ayuda de calor, para fundir los bordes del metal de
forma controlada. Estos procedimientos de soldadura se utilizan en la manufactura y
Capítulo Primero: SOLDADURA
SOLDADURA CADWELD Página 10
reparación de muchos productos diferentes, que van desde lo grifos para agua,
refrigeradores, automóviles y los trenes, hasta equipo electrónico, los aviones, los
barcos y los proyectiles especiales.
En los procesos de soldadura más comunes, hay varias fuentes de calor y diversos
métodos de controlarlo y enfocarlo. Se han desarrollado, de hecho, más de 40
procedimientos diferentes de soldadura basados en calor. Sin embargo, estos
distintos procesos pueden agruparse en tres categorías: el proceso de soldadura de
arco, que obtiene el calor de un arco eléctrico y lo mantiene entre dos electrodos o
entre un electrodo y la pieza de trabajo; el proceso de la soldadura a gas, que
obtiene el calor en forma de una llama, mediante la mezcla de oxígeno y la mezcla
de algún otro gas combustible, que generalmente es el acetileno; y el proceso de
soldadura por resistencia, que obtiene el calor de la resistencia que ofrece la pieza al
paso de una corriente eléctrica. Dos de los procedimientos usados para soldar
metales, los métodos de arco y gas, pueden aplicarse también para cortar y ranurar
metales.
Desde la década de 1940 a 1950 ha mejorado tan rápidamente la tecnología de la
soldadura, que los antiguos conceptos y definiciones relativas a este campo ya no
son completamente exactas. Pero, puede afirmarse con certeza que la mayoría de
las soldaduras en la actualidad se lleva a cabo por uno de los procesos anteriores.
En forma creciente, la soldadura se concibe como la unión de metales y plásticos por
cualquier método en el que no se usen dispositivos de sujeción. [2]
En base a las distintas ramificaciones y variantes que se han desarrollado en la
actualidad, se desarrolló una clasificación general de los métodos de soldadura que
se empelan en la actualidad (Fig. 2).
1.2.1 SOLDADURA DE ARCO
La soldadura de arco o soldadura eléctrica, es el proceso con más amplia aceptación
como el mejor, el más económico, el más natural y el más práctico para unir metales.
En el proceso de soldadura manual por arco, que es de uso más común, el soldador
obtiene un electrodo adecuado, sujeta el cable de tierra a la pieza de trabajo, y ajusta
Capítulo Primero: SOLDADURA
SOLDADURA CADWELD Página 11
la corriente eléctrica para “hacer saltar el arco”, es decir, para crear una corriente
intensa que salte entre el electrodo y el metal.
Figura 2) Diagrama maestro de los procesos de soldadura y otros procesos Aliados. (Welding
Handbook, American Welding Society, 6a.ed., 1969, sección 2).
Capítulo Primero: SOLDADURA
SOLDADURA CADWELD Página 12
En seguida se mueve el electrodo a lo largo de las líneas de unión del metal que ha
de soldar, dando suficiente tiempo para que el calor del arco funda el metal. El metal
fundido, procedente del electrodo o del metal de aporte, se deposita en la junta, y,
junto con el metal fundido de los bordes, se solidifica para formar una junta sólida.
El soldador selecciona el electrodo (metal de aporte) que ha de usar para producir el
arco de acuerdo con las especificaciones de trabajo (Fig. 3).
Existen varios procedimientos de soldadura por arco. La soldadura por arco de
carbón es la primera técnica moderna de soldadura.
En este proceso se establece un arco entre un electrodo de carbón puro y la pieza de
trabajo conectada a tierra, o entre dos electrodos de carbón que casi se unen cerca
de la superficie por soldar. Los electrodos de carbón no se consumen en el proceso.
Si se necesita metal de aporte para realizar la soldadura, deben usarse electrodos
metálicos para soldar. En la actualidad, el proceso de arco de carbón se usa
primordialmente para cortar o ranurar metales.
Al proceso del arco de carbón le siguió rápidamente el desarrollo de la soldadura por
arco metálico, en la cual se utiliza una varilla de metal consumible como electrodo. Al
Figura 3) Proceso de soldadura por arco. (Metal Handbook, vol. 6, American Society of
Metals, 1971).
Capítulo Primero: SOLDADURA
SOLDADURA CADWELD Página 13
principio los electrodos eran varillas metálicas desnudas, y esto causaba problemas
significativos para la estabilización del arco. El desarrollo de recubrimientos de los
electrodos, conocidos comúnmente como fundente, resolvió en gran parte los
problemas de estabilización del arco, y condujo a lo que se conoce como soldadura
por arco metálico protegido, que es el proceso eléctrico de utilización más amplia. Al
calentarse, el fundente se evapora, formando una barrera protectora en torno al arco
y la soldadura. El gas protector impide que el oxigeno y el nitrógeno del aire formen
con el metal soldado óxidos o nitruros debilitadores. El desarrollo del proceso manual
de arco metálico pronto se aplicó a las máquinas soldadoras semiautomáticas y
automáticas. Al proceso del arco de carbón le siguió rápidamente el desarrollo de la
soldadura por arco metálico, en la cual se utiliza una varilla de metal consumible
como electrodo.
Al principio los electrodos eran varillas metálicas desnudas, y esto causaba
problemas significativos para la estabilización del arco. El desarrollo de
recubrimientos de los electrodos, conocidos comúnmente como fundente, resolvió
en gran parte los problemas de estabilización del arco, y condujo a lo que se conoce
como soldadura por arco metálico protegido, que es el proceso eléctrico de
utilización más amplia. Al calentarse, el fundente se evapora, formando una barrera
protectora en torno al arco y la soldadura. El gas protector impide que el oxigeno y el
nitrógeno del aire formen con el metal soldado óxidos o nitruros debilitadores. El
desarrollo del proceso manual de arco metálico pronto se aplicó a las máquinas
soldadoras semiautomáticas y automáticas.
El desarrollo posterior de los conceptos que respaldaban a la soldadura de arco
metálico protegido condujo a la soldadura de arco con atmósfera protectora de gas.
Existen dos de estos procedimientos. En ambos, los gases protectores se obtienen
de una fuente separada (un cilindro), y el arco se establece entre electrodos
metálicos desnudos y la pieza de trabajo aterrizada o conectada a tierra. Los gases
salen de un collarín protector enfrente del electrodo y en torno al mismo, para formar
la atmósfera protectora. En la soldadura de arco de tungsteno con gas, los electrodos
son de tungsteno no consumible. La atmósfera protectora se forma por medio de
Capítulo Primero: SOLDADURA
SOLDADURA CADWELD Página 14
gases de aporte externo, y el metal de aporte necesario se suministra por medio de
varillas de soldadura. En la soldadura de arco metálico con gas, el electrodo es un
metal de aporte continuo, protegido por gases de aportación externa.
Existen varios procesos de soldadura de arco, tales como la soldadura de arco
sumergido, la soldadura con hidrógeno atómico y la soldadura de arco con plasma,
pero los procesos mencionados en el párrafo anterior con los más comunes.
1.2.2 SOLDADURA A GAS
La soldadura a gas, o soldadura a la llama, utiliza una llama de intenso calor
producida por la combinación de un gas combustible con aire u oxígeno. Los gases
combustibles de uso más común son el acetileno, el gas natural, el propano y el
butano. Muy a menudo, los combustibles se queman con oxígeno, lo que permite
obtener temperaturas de combustión muchos mayores.
La soldadura oxiacetilénica (Fig. 4) es el proceso más común de soldadura a gas. EI
oxígeno y el acetileno, combinados en una cámara de mezclado, arden en la boquilla
del soplete produciendo la temperatura de llama mas elevada (alrededor de 6000°F,
la cual rebasa el punto de fusión de la mayoría de los metales).
Figura 4) Equipo completo para soldadura oxiacetilénica (Oxyacetylene Welding and Oxygen
Cutting Instruction Curse, Airco Welding Products, 1966, p. 28).
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SOLDADURA CADWELD Página 15
Por tanto, la operación de soldar puede realizarse con o sin metal de aporte. Las
partes pueden fundirse y ponerse en contacto a medida que se va realizando la
operación de fusión con el soplete; al retirar el soplete, las partes metálicas quedan
unidas al enfriarse. Si se necesita metal de aporte para realizar una soldadura, se
seleccionan las varillas de soldadura atendiendo las especificaciones del trabajo, y
se funden con el calor del soplete. La selección de las varillas de soldadura
apropiadas, de las boquillas para el soplete, los ajustes del regulador para la
alimentación del oxígeno y el acetileno y la posición para soldar, constituyen
aspectos de la experiencia y el conocimiento aplicados al proceso. Las desventajas
de la soldadura con gas combustible giran en torno al hecho de que ciertos metales
reaccionan des favorable mente, y hasta violentamente, en presencia del carbono, el
hidrogeno o el oxígeno, todos ellos presentes en el proceso de soldadura con gas
combustible. La soldadura a gas es también mas fría, mas lenta y mas deformante
que la soldadura con arco. Sin embargo, para aplicar soldadura en lugares difíciles
de alcanzar, o con metales que tienen puntos de fusión más bajos, tales como el
plomo o metales en lámina delgada, la soldadura a gas es con frecuencia más eficaz
que los demás procesos. En combinación con una corriente de oxígeno o de aire, el
soplete oxiacetilénico es también un medio excelente para el corte y ranurado tipo
gubia.
1.2.3 SOLDADURA POR RESISTENCIA
La soldadura por resistencia es un proceso que se efectúa a máquina, y que se
utiliza primordialmente en la producción masiva de partes que requieren operaciones
de soldadura relativamente sencillas. La soldadura se logra por el calor generado
por la resistencia ofrecida por las dos piezas al paso de la electricidad por un lugar
indicado, y la fusión producida por la presión de los electrodos en contacto. El
operador de la máquina de soldadura por resistencia hace los ajustes necesarios a la
máquina para regular la corriente y la presión, para luego alimentar y alinear la pieza
de trabajo. Después de determinada operación de soldar, el operador quita la pieza
de trabajo dela máquina. Algunos tipos de soldadura por resistencia son la soldadura
por puntos, la de resalto o salientes, la de relámpago y la soldadura recalcada. [3]
Capítulo Primero: SOLDADURA
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Segunda Parte
2.1 FUNDAMENTOS DE SOLDADURA El término unión generalmente se usa para la soldadura fuerte, la dura, la suave y el
pegado adhesivo, que forman entre las piezas una unión que no puede separarse
con facilidad. El término ensamble se refiere usualmente a los métodos mecánicos
para juntar dos piezas. Algunos de ellos permiten el desensamble sencillo, otro no.
La soldadura es el proceso de unión de materiales por el cual se funden las
superficies de contacto de dos o más piezas mediante la aplicación conveniente de
calor y/o presión. Muchos procesos de soldadura se obtienen solamente por calor,
sin aplicación de presión, otros mediante una combinación de calor y presión; y toras
más, únicamente por presión, sin suministrar calor interno. En algunos procesos, se
agrega un material de relleno para facilitar su fusión. El ensamblaje de partes que se
unen mediante la soldadura se denomina ensamblaje soldado.
A pesar de ser un proceso relativamente nuevo, su importancia comercial y
tecnológica se deriva de lo siguiente:
La soldadura proporciona una unión permanente. Las piezas soldadas se
convierten en una sola entidad.
La unión soldada puede ser más fuerte que los materiales originales, si se usa
un metal de que tenga propiedades de resistencia mayores a las de los
materiales originales y si se emplean técnicas de soldadura adecuadas.
Por lo general, la soldadura es la forma más económica de unir componentes,
en términos de uso de materiales y costos de fabricación. Los métodos
mecánicos de ensamble requieren de alteraciones más complejas de las
formas (por ejemplo, el taladrado de orificios) y la adición de sujetadores (por
ejemplo, remaches o tuercas).
Usualmente el ensamble mecánico resultante es más pesado que la soldadura
correspondiente.
La soldadura no se limita a ambiente de fábrica, puede realizarse en “el
campo”.
Capítulo Primero: SOLDADURA
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Aunque la soldadura tiene las ventajas indicadas, también tiene ciertas limitaciones y
desventajas (o desventajas potenciales):
La mayoría de las operaciones de soldadura se realizan de forma manual, y
son caras en términos de mano de obra. Muchas operaciones de soldadura se
consideran “rutinas especializadas” y la mano de obra para realizar estas
operaciones puede ser cara.
La mayoría de los procesos de soldadura son inherentemente peligrosos
debido a que implican el uso de mucha energía.
Como la soldadura logra una unión permanente entre los componentes, no
permite un desensamble adecuado, si se requiere un desensamble ocasional
del producto (para reparación o mantenimiento), no debe usarse soldadura
como método de ensamble.
La unión soldada puede tener ciertos defectos de calidad que son difíciles de
detectar y que pueden reducir la resistencia de la unión.
2.2 PERSPECTIVA DE LA TECNOLOGÍA DE LA SOLDADURA La soldadura implica la fusión o unión localizada de dos piezas metálicas (o
plásticas) en sus superficies de empalme. Éstas son las superficies de las piezas que
están en contacto o muy cercanas para ser unidas. Por lo general, la soldadura se
realiza sobre piezas hechas del mismo metal, pero es posible usar algunas
operaciones pera unir metales diferentes.
2.2.1 TIPOS DE PROCESOS DE SOLDADURA
La American Welding Society (Asociación Estadounidense de Soldadura; AWS por
sus siglas en inglés) ha catalogado más de 50 tipos diferentes de operaciones de
soldadura que utilizan diversos tipos o combinaciones de energía para proporcionar
la energía requerida. Los procesos de soldadura pueden dividirse en dos grupos
principales:
1. Soldadura por fusión.
2. Soldadura de estado sólido.
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2.2.1.1 SOLDADURA POR FUSIÓN
Los procesos de soldadura por fusión usan calor para fundir los metales base; en
muchas de las operaciones se agrega un metal de relleno a la combinación para
facilitar el proceso y proporcionar volumen y resistencia a la unión soldada.
Una soldadura por fusión en la cual no se agrega un metal de relleno se denomina
soldadura autógena. La categoría por fusión incluye los procesos de soldadura de
uso más amplio, los cuales pueden organizarse en los siguientes grupos generales
(las iniciales entre paréntesis son designaciones en inglés, de la American Welding
Society):
Soldadura con arco (AW). Hace referencia a un grupo de soldadura en los
cuales el calentamiento de los metales se obtiene mediante un arco eléctrico.
Algunas de las operaciones con arco también aplican presión durante el
proceso, y la mayoría utilizan metal de relleno.
Soldadura por resistencia (RW). Se obtiene la fusión cuando el calor de una
resistencia eléctrica para el flujo de una corriente que pasa entre la superficies
de empalme de dos piezas sostenidas juntas bajo presión.
Soldadura con oxígeno y gas combustible (OFW). Estos procesos de unión
usan un gas de oxígeno combustible, tal como una mezcla de oxígeno y
acetileno, para producir una flama de calor tal que sea capaz de fundir la base
metálica y el metal de relleno, en caso que se utilice alguno.
Otros procesos de soldadura por fusión. Además de los tipos anteriores, hay
otros procesos de soldadura que producen fusión de los metales unidos; como
ejemplo pueden mencionarse la soldadura por haz de electrones y la
soldadura con rayo láser.
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SOLDADURA CADWELD Página 19
2.2.1.2 SOLDADURA DE ESTADO SÓLIDO
La soldadura en estado sólido se refiere a los procesos de soldadura en los cuales la
fusión sólo proviene de la aplicación de presión o de una combinación de calor y
presión. Si se usa calor, la temperatura del proceso está por debajo del punto de
fusión de los metales que se van a soldar. En los procesos de estado sólido, no se
utiliza un metal de relleno. Algunos proceros representativos de soldadura de este
tipo son los siguientes:
Soldadura por difusión (DFW). Se colocan dos superficies bajo presión a una
temperatura elevada y las piezas se sueldan por medio de fusión en estado
sólido.
Soldadura por Fricción (FRW). En este proceso, la coalescencia se obtiene
mediante el calor de la fricción entre dos superficies.
Soldadura ultrasónica (USW). Se realiza aplicando una presión moderada
entre las piezas y un movimiento oscilatorio a frecuencias ultrasónicas en una
dirección para lela a las superficies de contacto. La combinación de las
fuerzas normales y las vibraciones producen intensas tensiones que
remueven las películas superficiales y obtienen la unión atómica de
superficies.
2.3 LA SOLDADURA COMO UNA OPERACIÓN COMERCIAL Las principales aplicaciones de la soldadura son:
1. La construcción; por ejemplo edificios y puentes.
2. La producción de tuberías, recipientes a presión, calderas y tanques de
almacenamiento.
3. La construcción naval.
4. Las industrias aeronáutica y espacial.
5. La industria automovilística y ferroviaria. [4]
La soldadura se realiza en diferentes instalaciones y en diversas industrias. Debido a
su versatilidad como técnica de ensamble para productos comerciales, muchas
operaciones de soldadura se ejecutan en fábricas. Sin embargo, varios de los
Capítulo Primero: SOLDADURA
SOLDADURA CADWELD Página 20
procesos de soldadura tradicionales, tales como la soldadura con arco eléctrico y la
soldadura con oxígeno y gas combustible, emplean equipo que se mueve con
facilidad, por lo que estas operaciones no se limitan a la fábrica. Pueden utilizarse en
lugares de construcción, en patios, en las instalaciones de un cliente o en los talleres
de reparación de automóviles.
La mayoría de las operaciones de soldadura requiere un trabajo intenso. Por
ejemplo, la soldadura con arco eléctrico la realiza un trabajador calificado, el
soldador, quien controla manualmente la trayectoria o colocación de la soldadura
para unir dos piezas individuales en una sola unidad, una sola pieza más grande. En
las operaciones de fábrica donde se realiza la soldadura con arco en forma manual,
con frecuencia el soldador trabaja con un segundo trabajador, llamado ajustador. El
trabajo del ajustador es ordenar los componentes individuales, para el soldador antes
de practicar la soldadura. Se usan sujetadores y posicionadores de soldadura para
ayudar a esta función. Un sujetador de soldadura es un dispositivo para asegurar y
sostener los componentes en una posición fija para la soldadura. Esta instalación se
fabrica sobre pedido para la forma particular de la soldadura y, por lo tanto, debe
tener una justificación económica con base a la cantidad de ensambles que se van a
producir. Un posicionador de soldadura es un dispositivo q sostiene a las piezas y
también mueve el ensamble a la posición deseada para soldar. La diferencia entre
este dispositivo y un sujetador de soldadura es que sostiene las piezas en una sola
posición fija. Por lo general, la posición es aquélla en que la trayectoria de soldadura
es plana y horizontal.
2.3.1 EL ASPECTO DE SEGURIDAD
La soldadura en inherentemente peligrosa para los trabajadores. Quienes ejecutan
estas operaciones deben tomar estrictas medidas de seguridad. Las altas
temperaturas de los metales fundidos en las operaciones d soldadura son un peligro
obvio. En la soldadura con gas, los combustibles (por ejemplo, el acetileno) corren
riesgo de incendiarse.
La mayoría de los procesos usan mucha energía para producir la fusión de las
superficies de las piezas que se van a unir. En muchos procesos de soldadura, la
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corriente eléctrica es la fuente de al energía térmica, por lo que existe el riesgo de
descarga eléctrica para el trabajador.
Ciertos de procesos de soldadura tienen sus propios peligros particulares, por
ejemplo, en la soldadura con arco eléctrico, se emite radiación ultravioleta, la cual es
peligrosa para los ojos. El soldador debe usar una careta especial que incluye una
ventana oscura con un filtro; esta ventana filtra la radiación peligrosa, pero es tan
oscura que deja al soldador virtualmente ciego, excepto cuando se descarga el arco
eléctrico. Las chispas y las salpicaduras de metal fundido, el humo y los vapores
aumentan los riesgos relacionados con las operaciones de soldadura. Deben usarse
instalaciones ventiladas para extraer los vapores peligrosos que generan algunos
fluidos que se usan en la soldadura. Si la operación se realiza en un área cerrada, se
requieren trajes o capuchas con ventilación especial.
2.3.2 AUTOMATIZACIÓN DE LA SOLDADURA
Debido a los riesgos de la soldadura manual y los esfuerzos por aumentar la
productividad y aumentar la calidad de los productos, se han creado diversas formas
de mecanización y automatización. Las categorías incluyen la soldadura con
máquina y la soldadura robótica.
La soldadura con máquina puede definirse como la soldadura mecanizada con
equipo que realiza la operación bajo la revisión continua de un operador.
Normalmente se realiza mediante una cabeza para soldadura que se mueve por
medio mecánicos en relación con el trabajo estacionario, o moviendo el trabajo en
relación con la cabeza de soldadura estacionaria. El trabajador humano debe
observar continuamente e interactuar con el equipo para controlar la operación. Si el
equipo es capaz de realizar la operación sin el ajuste de los controles por parte de un
operador humano, se denomina soldadura automática. Un trabajador casi siempre
esta presente para vigilar el proceso y detectar variaciones en las condiciones
normales. Lo que distingue a la soldadura automática de la soldadura con máquina
es un controlador de ciclo de soldadura para regular el arco eléctrico y la posición de
la pieza de trabajo son atención humana continua. La soldadura automática requiere
un sujetador o posicionador de soldadura para posicionar el trabajo en relación con la
Capítulo Primero: SOLDADURA
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cabeza de soldadura. También se requiere un mayor grado de consistencia y
precisión en las piezas componentes usadas en el proceso. Por estas razones, la
soldadura automática sólo se justifica para grandes producciones.
En la soldadura robótica, se usa un robot industrial o un manipulador programable
que controla en forma automática el movimiento de la pieza a soldar con respecto al
trabajo. El alcance versátil del brazo del robot permite el uso de sujetadores
relativamente simples, y la capacidad del robot para reprogramarse con nuevas
configuraciones de piezas permite que esta forma de automatización se justifique
para volúmenes de producción relativamente bajas. Una típica celda robótica de
soldadura con arco consta de dos instalaciones para soldadura y un ajustador
humanos para cargar y descargar piezas mientras el robot efectúa la soldadura.
Además de la soldadura con arco, también se usan robots industriales en plantas de
ensamble final de automóviles para realizar soldadura por resistencia sobre
carrocerías (Fig. 5).
Figura 5) Parte de la línea de ensamble automotriz en la cual los robots efectúan
operaciones de soldadura (cortesía de Ford Motor Company).
Capítulo Primero: SOLDADURA
SOLDADURA CADWELD Página 23
2.4 UNION SOLDADA La soldadura produce una unión sólida entre dos piezas denominada unión soldada.
Ésta es el empalme de los bordes o de las superficies de las dos piezas que se han
unido mediante soldadura.
A continuación se cubren dos clasificaciones relativas a las uniones soldadas:
1. Tipos de uniones
2. Tipos de soldaduras que se usan para unir las piezas que forman la unión.
2.4.1TIPOS DE UNIONES
Existen 5 tipos básicos de uniones para pegar dos piezas de una junta. Los 5 tipos
de unión no están limitados a la soldadura, también se aplican otras técnicas de
unión y sujeción. De acuerdo con el esquema (Fig. 6), los 5 tipos de unión pueden
definirse como sigue:
a) Unión empalmada. En este tipo de unión, las piezas se encuentran en el
mismo plano y se unen en sus bordes.
b) Unión de esquina. Las piezas en una unión de esquina forman un ángulo recto
y se unen en la esquina del ángulo.
c) Unión superpuesta. Esta unión consiste en dos piezas que se sobreponen.
d) Unión en te. En la unión en te, una pieza es perpendicular a la otra en una
forma parecida a la letra T.
e) Unión de bordes. Las piezas en la unión de bordes están paralelas en al
menos uno de sus bordes en común y la unión se hace con el(los) borde(s)
común(es).
Figura 6) Cinco tipos básicos de uniones: a) empalmada; b) de esquina; c) superpuesta, d)
en te y e) en bordes.
Capítulo Primero: SOLDADURA
SOLDADURA CADWELD Página 24
2.4.2 TIPOS DE SOLDADURAS
Cada una de las uniones anteriores puede hacerse mediante soldadura. Es
adecuado distinguir entre el tipo de unión y el modo en que se suelda, es decir, el
tipo de soldadura. Las diferencias entre el tipo de soldadura que están en la forma (el
tipo de unión) y el proceso de soldadura.
Se usa soldadura de filete para rellenar los bordes de las placas creadas mediante
las uniones de esquina, sobrepuestas y en T, como aparece en el esquema (Fig. 7).
Se usa metal de relleno para proporcionar una sección transversal con una forma
aproximada a la del triangulo recto. Es el tipo de soldadura más común en la
soldadura de arco y en la de oxígeno y gas combustible por que requiere una mínima
preparación de los bordes, pues se usan los bordes cuadrados básicos de las partes.
Las soldaduras de filete pueden ser sencillas o dobles (es decir, pueden soldarse de
uno o de ambos lados) y continuas o intermitentes (esto es, soldadas a lo largo de
toda la longitud de la unión o con espacio sin soldar a lo largo de la pieza.
Figura 7) Diversas formas de soldadura de filete: a) unión de esquina con filete interno
único; b) unión de esquina con filete externo único; c) unión sobrepuesta con filete
doble y d) unión en te con filete doble. Las líneas punteadas muestran los bordes
originales de las piezas.
Figura 8) Algunas soldaduras con surco típicas: a) soldadura con un surco cuadrado, un
lado; b) soldadura con surco de bisel único; c) soldadura con surco en V único, d)
soldadura con surco de U único; e) soldadura con un surco en J único; f)
soldadura con surco en doble V para secciones más gruesas. Las líneas
punteadas muestran los bordes originales de las piezas.
Capítulo Primero: SOLDADURA
SOLDADURA CADWELD Página 25
Las soldaduras con surco por lo general requieren que se moldeen las esquinas de
las piezas en un surco para facilitar la penetración de la soldadura. Las formas con
surco incluyen un cuadrado, un bisel, la V, la U y la J, en lados sencillos o dobles,
como se muestra en el esquema (Fig. 8). Se usa metal de relleno para saturar la
unión, por lo general, mediante soldadura por arco eléctrico o con oxígeno y gas
combustible. Con frecuencia se preparan lo bordes de las piezas más allá de un
cuadrado básico, aunque se requiera de un procesamiento adicional, para aumentar
la resistencia de la unión soldada o donde se van a soldar piezas gruesas. Aunque
se asocia más estrechamente con la unión empalmada, la soldadura con surco se
usa en todos los tipos de uniones, excepto la sobrepuesta.
Las soldaduras con insertos y soldaduras ranuradas se usan para unir placas
planas, como se muestra en la ilustración (Fig. 9), usando uno o mas huecos o
ranuras en la pieza superior, que después se rellenan con metal para fundir las dos
piezas.
Figura 9) a) Soldadura con inserto y b) Soldadura ranurada.
Figura 10) a) Soldadura de puntos y b) Soldadura de costura
Capítulo Primero: SOLDADURA
SOLDADURA CADWELD Página 26
En la Fig. 10 se muestran la soldadura de puntos y la soldadura de costura, usadas
para uniones sobrepuestas. Una soldadura de puntos es una pequeña sección
fundida entre las superficies de dos láminas o placas.
Normalmente, se requieren varias soldaduras de puntos para unir las piezas.
Se asocia más estrechamente con la soldadura por resistencia. Una soldadura de
costura es similar a una de puntos, excepto que consiste en una sección fundida más
o menos continua entre las dos láminas o placas.
En el esquema (Fig. 11) se muestran soldaduras en bordes y soldaduras en
superficies. Una soldadura en bordes se hace en los bordes de dos (o más) piezas,
por lo general, láminas metálicas o placas delgadas en donde al menos una de las
piezas está en un reborde, como en la ilustración (Fig. 11a).
Una soldadura de superficie no se usa para unir piezas, sino para depositar material
de relleno sobre la superficie de una pieza base, en una o más gotas de soldadura.
Las gotas de soldadura pueden colocarse en una serie líneas de soldadura
sobrepuestas, con lo que cubren grandes áreas de la pieza base.
El propósito es aumentar el espesor de la placa o proporcionara un recubrimiento
protector sobre la superficie.
Figura 11) a) Soldadura en reborde y b) Soldadura en superficie
Capítulo Primero: SOLDADURA
SOLDADURA CADWELD Página 27
2.5 CARACTERÍSTICAS DE UNA JUNTA SOLDADA POR FUSIÓN
La mayoría de las uniones soldadas que se consideraron con anterioridad son
soldadas por fusión. Como se ilustra en la sección transversal del esquema (Fig. 12),
una junta soldada por fusión típica, a la cual se ha agregado un metal de relleno,
consiste en varias zonas:
1. Zona de fusión
2. Interfaz de soldadura
3. Zona afectada por el calor
4. Zona de metal base no afectada.
La zona de fusión consiste en una mezcla de metal de aporte y metal base que se ha
fundido por completo. Esta zona se caracteriza por un alto grado de homogeneidad
de los metales componentes que se han fundido durante la soldadura. La mezcla de
esto componentes está motivada en gran medida por la convección en la
combinación de soldadura fundida. La solidificación de la zona de fusión se asemeja
a un proceso de fundición.
En la soldadura, el molde se forma por medio de los bordes o superficies no fundidos
de los componentes que se están soldando. La diferencia significativa entre la
solidificación en fundición y soldadura es que en esta última ocurre un crecimiento
del grano epitaxial, durante la fundición se forman granos metálicos a través de la
fusión, mediante la nucleación de partículas sólidas en la pared de fusión, seguida
por el crecimiento del grano. En contraste, en el proceso de soldadura se evita la
etapa de nucleación del grano a través del mecanismo de crecimiento de grano
Figura 12) Sección transversal de una junta soldada por fusión típica: a) Zonas principales de
la unión y b) estructuras de grano tipicas.
Capítulo Primero: SOLDADURA
SOLDADURA CADWELD Página 28
epitaxial, en el cual los átomos de la combinación fundida se solidifican sobre los
sitios reticulares preexistentes del metal base sólido adyacente. En consecuencia, la
estructura del grano en el área de fusión cerca de la zona afectada por el calor tiende
a imitar la orientación cristalográfica de la zona afectada por el calor circundante.
Más allá, dentro de la zona de fusión se desarrolla una orientación preferencial, en la
cual los granos están aproximadamente perpendiculares a los límites de la interface
de la soldadura. La estructura resultante en la zona de fusión solidificada tiende a
presentar granos gruesos en la columna, tal y como se muestra en el esquema (Fig.
12b). La estructura del grano dependen de varios factores que incluyen el proceso de
soldadura, los metales que se sueldan (por ejemplo, metales idénticos contra
metales diferentes), si se utiliza un metal de relleno y la velocidad a la que se obtiene
la soldadura. [5] [6] [7]
La segunda zona de la unión soldada es la interface de soldadura, una estrecha
frontera que separa la zona de fusión de la zona afectada por el calor. La interfaz
consiste en una banda delgada de metal base fundido o parcialmente fundido
durante el proceso de fusión (se localiza dentro de los granos) el cual se ha
solidificado inmediatamente después, antes de mezclarse con el metal de la zona de
fusión. Por lo tanto, su composición química es idéntica a la del metal base.
La tercera zona en la soldadura por fusión típica es la zona afectada por el calor
(HAZ, por sus siglas en inglés). En esta zona, el metal he experimentado
temperaturas menores al punto de fusión, aunque lo suficientemente alta para
provocar cambios microestructurales en el metal sólido. La composición química de
la zona afectada por el calos es igual a la composición del metal base, pero esta
zona ha sido tratada con calor debido a las temperaturas de soldadura, por lo que se
han alterado sus propiedades y estructura. La cantidad de daño metalúrgico en el
HAZ depende de factores como la cantidad de calor que ha ingresado y la
temperatura pico alcanzada, la distancia de la zona de fusión, el intervalo de tiempo
en el que ha estado el metal sujeto a altas temperaturas, la velocidad de enfriamiento
y las propiedades térmicas del metal. Por lo general el efecto sobre las propiedades
metálicas en la zona afectada por el calor es negativo, y con frecuencia, en esta
Capítulo Primero: SOLDADURA
SOLDADURA CADWELD Página 29
región ocurren fallas en la junta soldada.
Conforme aumenta la distancia de la zona de fusión, finalmente se alcanza la zona
de metal base no afectada, e la cual no ha ocurrido cambio metalúrgico. Sin
embargo, es probable que el metal base que rodea el HAZ esté en un estado de alto
esfuerzo residual, ocasionado por la contracción de la zona de fusión. [8]
SOLDADURA CADWELD Página 30
Capítulo Segundo
SOLDADURA POR EL MÉTODO CADWELD. Primera Parte
1.1 ALUMINOTERMIA
1.1.1 TERMITA
Termita es un tipo de composición pirotécnica de aluminio y un óxido metálico, el
cual produce una reacción aluminotérmica conocida como reacción termita. El
aluminio es oxidado por el óxido de otro metal, comúnmente por óxido de
hierro (herrumbre). Los productos de la reacción química son:
Óxido de aluminio + hierro elemental libre y una gran cantidad de calor.
Los reactivos normalmente se pulverizan y mezclan con un aglomerante para
mantener el material sólido y prevenir su separación.
La reacción es usada para la soldadura aluminotérmica frecuentemente utilizada
para unir rieles ferroviarios. Se pueden usar algunos otros óxidos metálicos, tales
como óxido de cromo, para generar metal elemental. La termita cúprica se produce
usando óxido de cobre y es usada para crear uniones eléctricas en un proceso
llamado CadWeld. Algunas mezclas parecidas a la termita son usadas como
iniciadores pirotécnicos como en los fuegos artificiales. [9]
Figura 13) Una mezcla de termita usando óxido de hierro (III)
Capítulo Segundo: SOLDADURA POR EL MÉTODO CADWELD
SOLDADURA CADWELD Página 31
1.1.1.1 HISTORIA
La termita fue descubierta en 1893 y patentada en 1895 por un químico alemán, el
doctor Hans Goldschmidt. Consecuentemente, la reacción es llamada "reacción de
Goldschmidt" o "proceso Goldschmidt". El doctor Goldschmidt estaba inicialmente
interesado en producir metales muy puros evitando el uso de carbón en el proceso
de fundición, pero pronto se percató de su utilidad en la soldadura.
La primera aplicación comercial fue soldar tramos de vías ferroviarias en Essen, en
1899. DegussŜŜ, una corporación descendiente de la firma Goldschmidt, permanece
hoy en día como uno de los mayores productores de soldadura aluminotérmica. [10]
1.1.1.2 TIPOS
La magnetita (Fe3O4), producida por oxidación del hierro en una atmósfera rica en
oxígeno y a altas temperaturas, es el más común y usado de los agentes oxidantes
porque es barata y fácil de producir. La hematita (herrumbre) o Fe2O3 también puede
ser usada en su lugar. Ocasionalmente se usan otros óxidos como el dióxido de
manganeso (MnO2) en la termita manganésica, Cr2O3 en la termita crómica o bien el
óxido de cobre en la termita cúprica, pero solo para propósitos altamente
especializados. En todos los ejemplos se usa el aluminio como metal reactivo.
Los fluoropolímeros pueden ser usados en formulaciones especiales, siendo
el teflón con magnesio o aluminio un compuesto común. El magnesio/teflón/vitón es
de este tipo.
Figura 14) Una mezcla de termita usando óxido de hierro (III)
Capítulo Segundo: SOLDADURA POR EL MÉTODO CADWELD
SOLDADURA CADWELD Página 32
En principio, cualquier metal reactivo podría ser usado en lugar del aluminio. Esto
rara vez se da, sin embargo, a causa de las propiedades del aluminio que son
idóneas para esta reacción. Es con diferencia el más barato de los metales altamente
reactivos, y forma una capa de pasivación que lo hace más seguro de manejar que
muchos otros metales reactivos. Los puntos de fusión y ebullición del aluminio
también lo hacen ideal para las reacciones térmicas: su relativamente bajo punto de
fusión (660 °C, 1221°F) significa que es fácil fundir el metal, así que la reacción
puede ocurrir principalmente en fase líquida, avanzando así rápidamente. Al mismo
tiempo, su alto punto de ebullición (2519 °C, 4566 °F) permite la reacción a muy altas
temperaturas dado que algunos procesos tienden a limitar la temperatura máxima
hasta justo por debajo del punto de ebullición. Tal alto punto de ebullición es común
entre los metales de transición (por ejemplo, en el hierro y el cobre son de 2887 °C y
2582 °C respectivamente), pero es inusual entre metales altamente reactivos (como
el magnesio y sodio, que hierven a 1090 °C y 883 °C respectivamente).
Aunque los reactivos son estables a temperatura ambiente, arden con extrema
intensidad en una fuerte reacción exotérmica cuando son calentados a temperaturas
de ignición. Los productos emergen como líquidos debido a las altas temperaturas
alcanzadas (por encima de 2500 °C (4500 °F) con óxido de hierro (III)), aunque la
temperatura alcanzada depende de cuán rápido se escapa el calor en el entorno. La
termita contiene su propia fuente de oxígeno y no requiere de fuente alguna de aire.
Consecuentemente, no puede ser sofocada y puede arder bajo cualquier ambiente,
si se le proporciona el calor necesario inicial. Arde muy bien estando húmeda y no
puede ser extinguida con agua. El agua en pequeñas cantidades bullirá antes de
alcanzar la reacción. Si la termita es encendida bajo el agua el hierro fundido
producido generará una reacción de sustitución simple liberando hidrógeno. Este gas
puede arder a su vez al combinarse con el oxígeno del aire.
Capítulo Segundo: SOLDADURA POR EL MÉTODO CADWELD
SOLDADURA CADWELD Página 33
1.1.1.3 IGNICIÓN
Las reacciones convencionales de la termita requieren muy altas temperaturas de
iniciación. Esto no puede lograrse con pólvora negra, nitrocelulosa, ni con ningún
iniciador pirotécnico ni con otras sustancias que arden. Incluso cuando la termita está
caliente al rojo vivo no encenderá; más bien deberá estar al rojo blanco para iniciarse
la reacción. Es posible comenzar la ignición usando un soplete de propano si se hace
correctamente. El soplete puede precalentar la pila entera de termita, la cual puede
hacer explosión en lugar de quemarse lentamente cuando finalmente alcanza la
temperatura de ignición.
Frecuentemente se usan tiras de magnesio como iniciadores. Puesto que los metales
arden sin liberar gases de enfriamiento, tienen potencial para arder a temperaturas
extremas. Los metales reactivos como el magnesio pueden alcanzar temperaturas
suficientemente altas para iniciar la reacción de la termita. Sin embargo, éste método
es muy poco fiable: el magnesio en sí mismo es difícil de encender, y en condiciones
húmedas y de aire la tira puede sofocarse. Además, las tiras no contienen su propia
fuente de oxígeno, así que la combustión no ocurre a menos que estén expuestas al
aire. Un peligro significativo en el manejo del magnesio es el hecho de que el metal
es un excelente conductor del calor; calentar un extremo del listón de magnesio
puede ocasionar que se transmita el calor al otro extremo causando una ignición
prematura de la termita. A pesar de estos riesgos, la ignición con magnesio
permanece como uno de los más populares métodos de ignición entre los usuarios
no profesionales de la termita, principalmente porque es fácil de obtener.
La reacción entre el permanganato de potasio y la glicerina es usada como una
alternativa al método del magnesio. Cuando estas dos sustancias se mezclan,
comienza una reacción espontánea incrementando la temperatura de la mezcla
lentamente hasta que se producen flamas. El calor liberado por la oxidación de la
glicerina es suficiente para iniciar la reacción de la termita. Sin embargo este método
es poco práctico ya que el retraso entre mezcla e ignición puede variar demasiado
debido a factores como el tamaño de las partículas y la temperatura ambiente. Otra
forma de iniciar la reacción, usada por los aficionados, es el uso de luces de
bengala incandescentes para iniciar la reacción.
Capítulo Segundo: SOLDADURA POR EL MÉTODO CADWELD
SOLDADURA CADWELD Página 34
Estas alcanzan las temperaturas necesarias y proporcionan el tiempo suficiente
antes del punto de ignición. No obstante, éste es un método peligroso, ya que las
chispas de hierro, como el magnesio, arden a miles de grados de temperatura y
pueden desatar la reacción incluso antes de que la bengala misma haga contacto
con la mezcla. Esto es especialmente peligroso en el caso que la termita esté
finamente pulverizada.
De manera similar, la termita finamente pulverizada puede ser encendida por un
encendedor de fricción (encendedor convencional, o para soldadura oxiacetilénica),
puesto que las chispas son metal ardiente (en este caso los metales altamente
reactivos lantano y cerio pertenecientes a las tierras raras). Por tanto es inseguro
usar un encendedor de fricción cerca de la termita.
Si a la termita se le coloca en un recipiente metálico encima de bloques de hielo,
puede producirse una explosión.
Una mezcla estequiométrica de polvo fino de óxido de hierro y aluminio puede
encenderse usando fósforos rojos (cerillas), sumergiendo parcialmente la cabeza de
uno en la mezcla y encendiéndola con otro usando pinzas y guantes para evitar
quemaduras súbitas.
1.1.1.4 SEGURIDAD
El uso de la termita es peligroso debido a las temperaturas extremadamente altas
que produce y al hecho de que es casi imposible sofocar la reacción una vez
iniciada. Deben tomarse todas las precauciones apropiadas antes de encender la
termita. La reacción libera radiación ultravioleta, peligrosa para la vista, por lo que
debe evitarse el mirar la reacción directamente o debe usarse una protección
especial como una máscara de soldador. La termita no debe usarse cerca de
materiales inflamables, ya que se pueden liberar pequeñas cantidades de hierro
fundido durante la reacción, que pueden viajar distancias considerables y derretir
contenedores de metal, incendiando sus contenidos. Adicionalmente, los metales
inflamables con un punto de fusión relativamente bajo tales como el zinc, cuyo punto
de ebullición de 907 °C (1665 °F) está unos 1370 °C (2500 °F) por debajo de la
temperatura a la cual la termita funde, deben mantenerse alejados de ella debido a
Capítulo Segundo: SOLDADURA POR EL MÉTODO CADWELD
SOLDADURA CADWELD Página 35
que el contacto con tales metales podría hacer hervir el metal supercalentado de
manera violenta en el aire, en donde podrían arder en llamas al estar en presencia
de oxígeno.
Debe evitarse estrictamente precalentar la termita antes de su ignición. El
precalentamiento puede ocurrir accidentalmente al dejar caer una pila nueva de
termita sobre una recientemente encendida. Al encenderla, la termita precalentada
puede arder casi instantáneamente, liberando mucha más energía de la normal,
pudiendo causar quemaduras y daños a la vista incluso a lo que podría ser
normalmente una distancia de seguridad razonable. La termita debe de ser usada
con cuidado al soldar tuberías o similares con cavidades que alberguen aire, ya que
la expansión térmica de los gases puede causar que estallen. Generalmente la
ignición de la termita debe hacerse de forma que dé tiempo a los individuos cercanos
al área a moverse hasta una distancia segura antes de que comience a arder. Al
igual que con cualquier otro compuesto pirotécnico, la termita que no está siendo
usada en una tarea particular debe mantenerse alejada del sitio de ignición. Cuando
es manipulada de manera correcta por personal propiamente entrenado, la termita
suele ser razonablemente segura.
La reacción termita puede ocurrir espontáneamente de manera accidental en lugares
industriales en donde se practican cortes o abrasión de metales ferrosos. El uso de
aluminio en esta situación produce una mezcla de óxidos que pueden provocar una
reacción violentamente explosiva.
Mezclar agua con la termita o arrojar agua a la misma cuando está encendida es
peligroso porque puede provocarse una explosión freatomagmática, rociando
fragmentos incandescentes en todas direcciones.
Los ingredientes principales de la termita también fueron utilizados por sus
cualidades individuales, sobre todo por su reflectividad y aislamiento térmico, en la
pintura protectora para el Hindenburg, posiblemente contribuyendo a su terrible
destrucción. Esa es la teoría que defendió el científico ex-miembro de
la NASA Addison Bain, que fue después comprobada a pequeña escala por los
Cazadores de Mitos (Myth Busters) con resultados poco concluyentes (no se
Capítulo Segundo: SOLDADURA POR EL MÉTODO CADWELD
SOLDADURA CADWELD Página 36
demostró que se debiera a la reacción termita pero se conjeturó que pudo deberse a
una mezcla entre eso y el relleno de hidrógeno del Hindenburg).
1.1.1.5 USOS MILITARES
Las granadas de termita son usadas como dispositivos incendiarios para destruir
rápidamente equipo enemigo. También son usadas por fuerzas aliadas para destruir
sus propios equipos cuando están en peligro inminente de ser capturados. Debido a
la dificultad de encender la termita de hierro estándar, unida al hecho de que arde
prácticamente sin llama y a su pequeño radio de acción, es raramente usada en sí
misma como un compuesto incendiario. Se emplea más comúnmente con otros
ingredientes para elevar sus efectos incendiarios. El Thermate-TH3 es una mezcla
de termita y aditivos pirotécnicos, los cuales se han demostrado superiores a la
termita estándar para propósitos incendiarios. Su composición en peso es
generalmente 68,7% de termita, 29% nitrato de bario, 2% de azufre y 0,3%
de aglomerante. La adición de nitrato de bario incrementa los efectos térmicos,
creando llamas ardientes y reduciendo significativamente la temperatura de ignición.
Aunque el propósito primario del Thermate-TH3 es como elemento incendiario,
puede soldar y unir superficies metálicas.
Un uso militar clásico de la termita es desmantelar piezas de artillería y ha sido
usada para este propósito desde la Segunda Guerra Mundial. La termita puede
inutilizar permanentemente piezas de artillería sin el uso de cargas explosivas y por
tanto se puede usar con cierto sigilo. Hay diversas maneras de hacerlo. El método
más destructivo es soldar el arma arrojando una o más granadas de termita en la
recámara, cerrándola rápidamente. Ello hace imposible que el arma sea recargada.
Un método alternativo es insertar una granada por la boca del arma, inutilizando el
cañón. Otro método más es usar la termita para soldar el mecanismo de elevación
del arma, haciendo imposible que apunte correctamente.
La termita fue usada por nazis y aliados durante la Segunda Guerra Mundial. Las
bombas incendiarias usualmente consistían en docenas de bombas puestas en
racimo, llenas con proporciones pequeñas de termita encendidas por magnesio. Las
bombas destruyeron ciudades enteras debido al fuego violento que resultaba de su
Capítulo Segundo: SOLDADURA POR EL MÉTODO CADWELD
SOLDADURA CADWELD Página 37
uso. Las ciudades con construcciones de madera eran especialmente susceptibles.
Aquellas bombas incendiarias eran usadas primordialmente durante los bombardeos
nocturnos. Las bombas estratégicas eran difíciles de usar por la noche, lo que creó la
necesidad de destruir objetivos sin la necesidad de tener precisión.
1.1.1.6 USO CIVIL
La reacción de la Termita puede tener diversos usos. Fue usada originalmente para
reparar y soldar in situ ruedas de ferrocarril (Fig. 15), en donde la reparación puede
tener lugar sin quitar la pieza de su ubicación original. Puede ser usada para el corte
rápido o soldadura de raíles sin requerir de equipo pesado.
A la reacción de la termita, cuando se usa para la purificación de menas, se le
conoce como proceso termita o reacción aluminotérmica. Una adaptación de la
reacción, usada para la obtención de uranio puro, fue desarrollada como parte
del Proyecto Manhattan en el Laboratorio Ames bajo la dirección de Frank Spedding.
Algunas veces es nombrado como el Proceso Ames.
Cuando la termita es fabricada usando óxido de hierro (III), para mayor eficiencia
debe tener en masa 25,3% de aluminio y 74,7% de óxido de hierro. (Esta mezcla es
vendida bajo el nombre comercial de Thermit como fuente de calor para soldar). La
fórmula completa para la reacción usando óxido de hierro (III) es la siguiente:
Figura 15) Termita reaccionando para soldar un riel ferroviario. Después de esto el hierro
líquido fluye dentro del molde alrededor del perfil de la vía.
Capítulo Segundo: SOLDADURA POR EL MÉTODO CADWELD
SOLDADURA CADWELD Página 38
ΔH = -851,5 kJ/mol
Cuando la termita es fabricada con magnetita, para una máxima eficiencia debe
contener en masa 23% de aluminio y 76,3% de óxido de hierro. La fórmula de la
reacción usando magnetita es:
ΔH = -3347,6 kJ/mol
De manera interesante, una versión modificada de este proceso (verificándose bajo
una atmósfera inerte) puede ser usada para producir varias aleaciones;
generalmente la mezcla es encendida eléctricamente en ese caso. Esto ha sido
usado para preparar aleaciones de níquel-aluminio entre otras.
La termita cúprica, bajo el nombre comercial de CadWeld, es usada para unir
alambres de cobre para formar conexiones eléctricas. [11]
1.1.2 SOLDADURA ALUMINOTÉRMICA
Como se describió con anterioridad, el proceso surgió a fines del siglo diecinueve en
Alemania, cuando Hans Goldschmidt descubrió que la reacción exotérmica entre el
polvo de aluminio y un oxido metálico en polvo, puede iniciarse con una fuente de
calor.
1.1.2.1 ECUACIÓN GENERAL
La ecuación general de la soldadura aluminotérmica es expresada por:
OXIDO METALICO + ALUMINIO ------- OXIDO DE ALUMINIO + METAL + CALOR
El agente reductor (Aluminio), al formar su oxido debe tener una energía de
formación mas baja que la de los óxidos a reducir.
La escoria (Al2O3), debe tener menos densidad que la del metal líquido, como en el
caso del acero.
Capítulo Segundo: SOLDADURA POR EL MÉTODO CADWELD
SOLDADURA CADWELD Página 39
Las reacciones Típicas son:
3Fe3 O4 + 8Al ---------- 9Fe + 4Al2 O3 + CALOR H = 3350 KJOULE
3Fe O + 2Al ---------- 3Fe + Al2 O3 + CALOR H = 880 KJOULE
Fe2 O3 + 2Al ---------- 2Fe + Al2 O3 + CALOR H = 850 KJOULE
3Cu O + 2Al ---------- 3Cu + Al2 O3 + CALOR H = 1210 KJOULE
3Cu2 O + 2Al ---------- 6Cu + Al2 O3 + CALOR H = 1060 KJOULE
También pueden utilizarse las siguientes reacciones:
3Mg O + 2Al --------- 3Mg + Al2 O3 + CALOR
3Si O2 + 4Al --------- 3Si + 2Al2 O3 + CALOR
3Ca O + 2Al --------- 3Ca + Al2 O3 + CALOR
Pero se han encontrado limitaciones en cuanto al Magnesio y el Calcio en la práctica.
El silicio en cambio se emplea en mezclas de termita para Tratamientos Térmicos,
pero casi nunca para soldar.
La primera reacción de las expuestas, que es de hecho la más común responde a la
siguiente proporción, para preparar la mezcla aluminio Oxido.
La temperatura teórica de esta reacción es de 3100 ºC. La adición de constituyentes
No Reactivos, así como la perdida de calor por conducción y radiación, reduciendo
así la temperatura a unos 2480 ºC.
Esta temperatura es cercana a la máxima tolerable, ya que el aluminio se vaporiza a
los 2500 ºC. Por otro lado, la temperatura máxima no debe ser mucho mas baja, ya
que la escoria de Aluminio (Al2 O3) solidifica a los 2040ºC.
La reacción funciona mucho más eficazmente cuanto mayor es el volumen de
mezcla. Vale aclarar que es posible agregar elementos de aleación al compuesto de
termita en forma de ferroaleaciones compatibles con la química de la pieza a soldar.
Se utilizan por ejemplo aleaciones para aumentar la fluidez y disminuir la temperatura
de solidificación de la escoria.
Capítulo Segundo: SOLDADURA POR EL MÉTODO CADWELD
SOLDADURA CADWELD Página 40
Se requieren de elementos como:
Un polvo de Encendido o varilla de ignición, para elevar la mezcla a unos
1200ºC, la cua es la temperatura de ignición.
Las caras a soldar deben estar bien limpias y con una separación acorde a la
sección a soldar.
Un molde ya sea hecho en campo o prefabricado y que ajuste bien a las
partes a soldar.
Además de cómo método de soldeo se utiliza como, proceso de colado en donde se
requieran portillos o salientes como para:
Compensar contracciones
Eliminar defectos
Lograr fluidez en el acero
Evitar turbulencias cuando el acero fluye el interior de la unión
1.1.2.2 APLICACIONES
Soldadura de Rieles: Genera tramos continuos. Y se pueden soldar rieles de
aleaciones como al Cr, Cr-Mo, Cr-V, Cr-Mn y al Si, así como también los de acero al
Mn.
1.1.2.2.1 FORMAS
Con Precalentamiento:
Se alinea el molde a las uniones, estas se precalientan entre 600 y 1000ºC con un
soplete dirigido al centro del molde. Luego el crisol forrado con material refractario
que contiene la carga de termita se coloca sobre las partes del molde. Se puede
colar por arriba o por un lateral. El crisol tiene un sello en la parte inferior que
segundos antes de acabar la reacción se funde. La escoria flota en el crisol y no llega
de esta manera al molde.
Capítulo Segundo: SOLDADURA POR EL MÉTODO CADWELD
SOLDADURA CADWELD Página 41
Sin precalentamiento:
Este método elimina la necesidad de un soplete. Los extremos se calientan por
medio de una porción del metal fundido del total que se produce. Los moldes son
fabricados con resinas fenólicas y se los denomina moldes de cancha. Con este
método a diferencia del anterior, el acero fluye directamente a la cavidad, es decir el
molde, sin la necesidad de tener contacto con la atmósfera. Existe también una
cámara debajo de las partes a soldar confeccionada como parte del molde, en la cual
se deposita la primer porción de metal utilizada para el precalentamiento y no para
los fines de unión, la misma se calcula teniendo en cuenta que para cuando se llene
las caras de las partes a soldar deberán haber tomado la temperatura y el calor
necesario. La cantidad de termita que demanda se estima como el doble de la
termita utilizada con precalentamiento con soplete. Además la Zona Afectada por el
Calor también es menor.
Soldadura de reparación:
Se reparan sectores dañados, utilizando moldes que no son prefabricados, sino que
se elaboran en campo.
1.1.2.3 APLICACIÓN DE LA SOLDADURA ALUMINOTÉRMICA A
RIELES.
Preparación de la unión:
· Se practican marcas como guía dimensional, del tamaño real de la pieza.
· Se corta la sección averiada con un soplete. La anchura del lecho depende de la
sección
· La piezas se colocan entre 2 y 6mm mas separadas, debido a la contracción
posterior.
Aplicación del molde:
· Si la soldadura es grande se utiliza un patrón en cera (método de la cera perdida),
de la cavidad a soldar
Capítulo Segundo: SOLDADURA POR EL MÉTODO CADWELD
SOLDADURA CADWELD Página 42
· Luego se recubre este patrón con arena, una vez colocado en la zona a soldar
· se coloca el portillo de calentamiento en el centro o hacia la cara de mayor
superficie
· Se retiran los patrones de madera (bajadas de coladas, portillos de calentamiento,
etc.)
Precalentamiento:
· La cera se derrite con la ayuda de un soplete y se deja escurrir, luego se aumenta
el poder de la llama, secando bien todo el molde. A su vez se precalientan las partes
a soldar hasta obtener un rojo cereza (800 – 1000ºC). Luego se cierra el portillo de
calentamiento por donde ha escurrido la cera, con un tapón de arena.
Crisol:
· Es un recipiente formado por un material refractario y un tapón de magnesita, que
funde a la temperatura necesaria para que se cuele el metal. Dicho tapón es
recambiable. También posee un dedal que se tapona insertándole un clavo de
abertura y sobre este clavo colocando un disco de metal como fusible de abertura,
este disco se recubre con arena refractaria. Cuando se requieren retazos de metal
para producir mas carga, la mezcla de termita a utilizar se determina de la siguiente
manera:
Tratamientos Térmicos: También se suelen utilizar mezclas especiales de termita
confinadas dentro de un molde que ajusta exacto a las dimensiones de la pieza, de
manera que cuando se enciende la mezcla desprende calor necesario para
proporcionar a la pieza el tamaño requerido. [12] .
Capítulo Segundo: SOLDADURA POR EL MÉTODO CADWELD
SOLDADURA CADWELD Página 43
1.1.2.4 FOTOGRAMA DE LA SOLDADURA ALUMINOTÉRMICA [13]
Figura 16) Preparación de los rieles, alineamiento y limpieza del área de aplicación de la
soldadura.
Figura 17) Verificación de la distancia de separación mínima normalizada.
Figura 18) Colocación del molde posterior de cera (respecto a la cámara).
Capítulo Segundo: SOLDADURA POR EL MÉTODO CADWELD
SOLDADURA CADWELD Página 44
Figura 19) Sujeción del molde posterior de cera (respecto a la cámara).
Figura 20) Emsamblaje y sujeción mecánica de ambas mitades del molde.
Figura 21) Se aprecian los posibles puntos de derrame de la soldadura.
Capítulo Segundo: SOLDADURA POR EL MÉTODO CADWELD
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Figura 22) Sellado del molde con cera.
Figura 23) Precalentamientodel molde para el derretimiento de la cera.
Figura 24) Retirado del soplete y preparación para la recepción de la carga
aluminotérmica.
Capítulo Segundo: SOLDADURA POR EL MÉTODO CADWELD
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Figura 25) Colocación de la carga y encendido mediante varilla reaccionante.
Figura 26) Reacción exotérmica, gereración de metal y óxido de aluminio, colado del metal
soldante.
Figura 27) Remoción del contenedor de la carga. Se observa la cantidad de calor
generada (Al rededor de 2600 °C) al observar el color rojo vivo del metal.
Capítulo Segundo: SOLDADURA POR EL MÉTODO CADWELD
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Figura 28) Remoción de los sujetadores mecánicos del mode.
Figura 29) Acoplamiento de una prensa para la liberación del molde.
Figura 30) Obtención de la soldadura en bruto.
Capítulo Segundo: SOLDADURA POR EL MÉTODO CADWELD
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Figura 31) Remoción de escoria y sobrantes de soldadura.
Figura 32) Producto final: Soldadura aluminotérmica.
Capítulo Segundo: SOLDADURA POR EL MÉTODO CADWELD
SOLDADURA CADWELD Página 49
1.1.2.5 REQUISITOS QUE SE DEBEN CUMPLIR EN LAS
SOLDADURAS TERMINADAS
1) Las soldaduras no deben presentar ninguna clase de defectos externos ni de
acabado y sólo se permiten tolerancias en algunos de los conceptos reglamentados
en esta Norma; no obstante, éstas se toman en cuenta al calificar la soldadura para
fines de control y garantía.
1.1) Respecto a las verificaciones geométricas de alineamientos, en las uniones
soldadas se tienen las siguientes tolerancias determinadas con regla metálica de un
(1) metro de longitud.
a) En la banda de rodamiento se permite una contraflecha de cero punto ocho
(0.8) milímetros como máximo respecto a extremo libre de la regla, la cual
deberá apoyarse en la mitad de la longitud sobre la superficie superior del
hongo. No se permite ninguna deformación con flecha al centro de la regla.
b) En la cara activa del hongo se acepta una flecha o contraflecha máxima de
uno punto cero (1.0) milímetros, en proyección horizontal, medida en el
extremo de la regla que estará colocada longitudinalmente en la cara activa
del hongo con sus extremos equidistantes del plano medio de la soldadura.
1.2) Para la identificación y evaluación de los defectos, se limpiarán mediante
cepillado y examinarán las soldaduras estando prohibido hacerles cualquier clase de
reparación por reacondicionamiento, por lo cual en caso de efectuarles estos últimos
serán rechazadas, independientemente de que el Organismo cancele la autorización
al soldador y aplique la sanción administrativa que proceda.
1.3) En las soldaduras limpias, su acabado será de tal manera satisfactoria que a
simple vista no se les puedan apreciar irregularidades no tolerables como:
a) Separación en la unión del material fundido de aportación y el material base o
bien, entre los extremos de los rieles a tope por acumulación de impurezas y
material oxidado; tampoco presentarán por oxidar fisuras, deformaciones por
excesivo precalentamiento, oquedades ni superficies ásperas o desiguales.
Capítulo Segundo: SOLDADURA POR EL MÉTODO CADWELD
SOLDADURA CADWELD Página 50
b) Escasez de material de aportación, acoplamiento irregular, depósitos de
material fundido, cavidades por fallas de presión a tope ni huellas de las
herramientas de desbaste.
c) Deformaciones o irregularidades en el resalto de la soldadura, rebabas,
incrustaciones ni exceso de esmerilado.
2) Prevenciones al presentarse soldaduras defectuosas.
2.1) Cuando se trate de soldaduras en vía activa y se rechace alguna por
defectuosa, ésta debe ser sustituida colocando un injerto de las mismas
características geométricas y metalúrgicas que las del riel original, con longitud
mínima de cuatro (4) metros cortando la soldadura defectuosa de tal forma que
elimine un mínimo de diez (10) centímetros a uno y otro lado de ésta. Para la
colocación del injerto, se efectuarán, pero no al mismo tiempo, dos (2) soldaduras de
acuerdo con los procedimientos y tolerancias que se estipulan
2.2) En el caso de soldaduras defectuosas hechas en taller o en riel fuera de vía, la
sustitución de soldaduras rechazadas podrá hacerse eliminando diez (10)
centímetros de cada riel a uno y otro lado de la junta cuando se trate de soldadura
aluminotérmica o bien de dos a tres (2 a 3) centímetros en el caso de soldadura por
electrorresistencia, y repitiendo el procedimiento respectivo (retopando los rieles). [14]
Capítulo Segundo: SOLDADURA POR EL MÉTODO CADWELD
SOLDADURA CADWELD Página 51
Segunda Parte
2.1 SOLDADURA CADWELD
2.1.1 INTRODUCCIÓN
La Soldadura CadWeld surgió, como otros tipos de soldaduras, de una necesidad:
mejorar la calidad de las uniones de los sistemas de tierra.
Uno de los principales problemas de los sistemas de puesta a tierra, ha sido siempre
el incremento de la resistencia de contacto por causa de empalmes defectuosos que
se dan entre conductores, conductores y barras copperweld, o entre conductores y
superficies.
El incremento de la resistencia por estas uniones se acrecienta en sólo pocos meses
(5 ó 6), en un 60% o más debido a las sulfataciones que se produce por el paso de
corriente a través de estos empalmes.
Para estos problemas de conexiones se han investigado distintas soluciones, siendo
la más óptima las soldaduras exotérmicas con un sin número de ventajas que
veremos mas adelante.
El primer uso conocido de la exotérmica data de finales de 1800 en Alemania, en
donde se utilizo una base de óxido de hierro mezclado con aluminio como su agente
reductor, que se utilizaba para fabricar troqueles o repararlos. Posteriormente en los
Estados Unidos fue empleado para la reparación de moldes de forja. La primera
aplicación no ferrosa conocida, fue desarrollada en 1938 por el Dr. Charles Cadwell,
del Case Institute of Technology y luego patentada por esta compañía. A este
proceso se le llamó CADWELD en honor al Dr. Cadwell, de allí que coloquialmente
se llame a la soldadura exotérmica soldadura CADWELD.
2.1.1.1 ¿QUE SIGNIFICA EXOTÉRMICO?
Exotérmico es un término químico que describe una reacción química que desprende
calor a medida que se lleva a cabo la reacción.
Capítulo Segundo: SOLDADURA POR EL MÉTODO CADWELD
SOLDADURA CADWELD Página 52
2.1.1.2 ¿QUE ES UNA REACCIÓN EXOTÉRMICA?
Es una reacción química en la cual la energía es liberada. El prefijo exo significa
salida y térmico significa calor o energía. Por lo tanto, se denomina reacción
exotérmica a cualquier reacción química en la cual se desprende calor. Se da
principalmente en las reacciones de oxidación.
Las reacciones exotérmicas, en relación a los metales, son la reducción de un metal
u óxido metálico por otro metal más reactivo, por lo general el aluminio. Los
materiales que componen los productos de soldaduras e ignición son mezclas de
diversas granulómemas.
Después de la ignición se produce una reacción exotérmica que resulta en metales
fundidos con temperaturas que alcanzan sobre los 2200 °C y en consecuencia la
liberación de humo localizado.
La temperatura de ignición es superior a 450 °C, para el polvo de ignición y de 900
°C para el polvo de soldadura. Iniciada la ignición el proceso culmina en unos 30
segundos. Tiempo suficiente para completar la reacción química y para que el
material fundido se solidifique.
Un ejemplo cotidiano de una reacción exotérica es la combustión de la gasolina en el
interior de los cilindros del motor de nuestros automóviles.
La reacción contraria a la exotérmica se le denomina endotérmica.
2.1.2 CONEXIONES EXOTÉRMICAS
Las conexiones eléctricas por soldado exotérmico es un proceso en el que se hace
un empalme eléctrico al verter una aleación súper calentada de cobre fundido en el
interior de un recinto en el cual se encuentran alojados los conductores a ser unidos.
Esta aleación de cobre fundido, contenida y controlada dentro de un molde de grafito
especialmente diseñado para este fin, hace que los conductores se fundan. Una vez
enfriados, los conductores se encuentran empalmados mediante una soldadura de
fusión.
Capítulo Segundo: SOLDADURA POR EL MÉTODO CADWELD
SOLDADURA CADWELD Página 53
El metal fundido se crea por una reacción química entre el aluminio y el óxido de
cobre. El proceso usa partículas de aluminio finamente divididas a medida que el
agente reductor con el óxido de cobre produce la siguiente reacción química:
3Cu20 + 2A1--->6Cu + A1203 + CALOR (2537°C)
Esta reacción genera una excesiva cantidad de calor, por naturaleza los metales
fundidos generalmente alcanzan temperaturas de aproximadamente 2500 °C. [15]
2.1.2.1 IMPLEMENTOS DE LA SOLDADURA CADWELD [16]
El equipo para la Soldadura CadWeld es ligero y portátil, no necesita de ninguna fuente exterior de energía y es, por tanto, idóneo para su utilización sobre el terreno, y no requiere esfuerzos considerables para conseguir conexiones eléctricas óptimas y de gran calidad mecánica, en un tiempo muy breve.
El equipo esencial para llevar a cabo este tipo de soldadura se describe a continuación:
MOLDES: Los moldes se mecanizan a partir de un bloque de material
refractario (grafito). Su duración media, en condiciones normales de utilización
es de 70-100 soldaduras. Una tapa metálica protege de las proyecciones en el
momento de la ignición.
POLVO DE SOLDADURA: El polvo de soldadura se compone de una mezcla
exotérmica de óxido de cobre y aluminio. El metal obtenido tiene como mínimo
una tensión de ruptura de 26,8 kg/mm². Este valor se basa en muestras de
12,7 mm de diámetro, sin fallas.
Capítulo Segundo: SOLDADURA POR EL MÉTODO CADWELD
SOLDADURA CADWELD Página 54
TENAZAS SOPORTE TSC: Están diseñadas para manejar los moldes con
total seguridad, permitiendo su apertura y cierre cuando el molde está
caliente. Se utilizan dos tipos de tenazas, dependiendo del tamaño del molde.
TENAZA MS: Está diseñada para manejar los moldes fabricados a partir de
una sola pieza de grafito, especialmente los empleados para soldar cable-
tubo.
PISTOLA DE IGNICION: Se utiliza para el encendido del polvo de ignición.
Admite piedras normales de encendedor como repuesto.
Capítulo Segundo: SOLDADURA POR EL MÉTODO CADWELD
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CEPILLO METALICO: Utilizado para la limpieza correcta de los cables a
soldar.
BROCHA: Para la limpieza del interior del molde después de cada soldadura.
RASCADOR DE MOLDES: Su forma está especialmente diseñada para la
limpieza de la tolva de carga del molde.
Capítulo Segundo: SOLDADURA POR EL MÉTODO CADWELD
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2.1.2.2 PROCESO DE UNA SOLDADURA CADWELD
El proceso de conexiones exotérmicas se caracteriza por su simplicidad y eficacia,
siendo recomendado para la soldadura de cobre, cobre-acero y acero-acero.
No requiere fuente externa de energía, ya que utiliza altas temperaturas resultantes
de la reacción química de los materiales utilizados.
Es ideal para utilizar en le campo porque además de ser un equipo liviano y portátil
garantiza una conexión perfecta, rápida, permanente eximiendo manutención y mano
de obra especializada.
La reacción se lleva a cabo en el crisol o cámara de reacción en donde estarán
almacenados los materiales que reaccionan, separada del conducto o tobera por
medio de un disco de metal que se derrite y permite que el metal de soldadura
fundido corra hacia abajo, pasando a través del conducto o tobera hacia la cavidad
de soldado o cámara de soldadura, donde se encuentran alojados los conductores o
materiales a soldar.
El metal de soldadura derretido funde los extremos de los conductores o materiales a
soldar y se solidifica rápidamente, creando la conexión soldada.
A continuación se presenta la secuencia o pasos a seguir para lograr un buen
empalme entre conductores eléctricos:
Paso 1 Si el cable dispone de aislamiento, eliminarlo en una longitud de 15 cm.
Utilizando la herramienta apropiada, cepillar las partes metálicas a soldar para
eliminar todo resto de óxido o suciedad.
Capítulo Segundo: SOLDADURA POR EL MÉTODO CADWELD
SOLDADURA CADWELD Página 57
Paso 2 Antes de realizar la primera soldadura, es imprescindible precalentar el molde
con una llama durante unos minutos. De esta forma, se eliminará cualquier humedad
existente en el molde y se evitaran las soldaduras porosas.
Paso 3 Abrir el molde separando los mangos del alicate. Para la colocación de los
cables.
Paso 4 Cerrar el alicate del molde y bloquearlo en dicha posición para evitar fugas de
metal fundido durante el proceso de soldadura. Colocar el disco metálico adecuado
con la parte cónica hacia abajo en el fondo de la tolva de forma que pueda obturar el
orificio de colada.
Capítulo Segundo: SOLDADURA POR EL MÉTODO CADWELD
SOLDADURA CADWELD Página 58
Paso 5 Abrir el cartucho recomendado para el tipo de conexión a realizar y vaciar el
contenido de polvo para soldadura en el crisol o cámara de reacción del molde.
Paso 6 Cerrar la tapa del molde. Accionar el fósforo e introducirlo a la cámara de
reacción del molde. Esperar unos momentos mientras se desarrolla la reacción
provocada por la reducción del óxido de cobre por el aluminio.
Capítulo Segundo: SOLDADURA POR EL MÉTODO CADWELD
SOLDADURA CADWELD Página 59
Paso 7 Esperar unos minutos antes de proceder a abrir el molde. Abrir
completamente para poder extraer la soldadura. Durante esta operación tenga un
especial cuidado en no dañar el molde de grafito.
Paso 8 Elimine la escoria de la tolva, del orificio de colada y la tapa del molde con el
rascador de moldes. Limpiar los restos de suciedad de la cámara de soldadura con
una brocha. Si el molde se mantiene todavía caliente, puede hacer una nueva
soldadura sin precalentarlo.
Capítulo Segundo: SOLDADURA POR EL MÉTODO CADWELD
SOLDADURA CADWELD Página 60
2.1.2.3 PREPARACIÓN DE LOS MATERIALES Y EQUIPOS PARA
UNA SOLDADURA EXOTÉRMICA
2.1.2.3.1 PREPARACION DE CONDUCTORES O CABLES
A pesar de que todos los elementos que integran una conexión eléctrica son
importantes, los conductores o cables revisten un especial cuidado, para conseguir
una perfecta soldadura el cable o conductor deberá estar perfectamente limpio, seco
y conformado.
Conformado se refiere a su forma geométrica circular, que no este deformado.
Un cable húmedo, recubierto de barro, polvo o con vestigios de suciedad provocará
una soldadura porosa y proyecciones de metal fundido fuera del molde. Para eliminar
la humedad que pudiera estar presente en los conductores se deberá secar mediante
una llama que pueda ser regulada emanada de un equipo adecuado para este fin.
Para eliminar los restos de barro o polvo cepillar los conductores siguiendo la línea
de sus hilos teniendo cuidado de no desentorcharlos.
Muchas veces nos encontramos cables tratados con aceite o grasa en su proceso de
instalación o por cualquier otra razón, en este caso se deberán limpiar con un
desengrasante preferentemente un disolvente que seque rápidamente y sin dejar
residuos. En casos extremos calentar el cable con una llama hasta eliminar
totalmente la grasa o aceite.
Cuando se emplea cables reciclados o hayan estado expuestos a la intemperie
generalmente presentan oxidación o rasgos de la misma. En estos casos los cables
se deben pulir con un cepillo metálico hasta eliminar cualquier vestigio de oxido.
Una de las causas del deterioro de los moldes de gafito lo generan los cables mal
cortados o con deformaciones en su geometría, debido a que impedirán el cierre
correcto del molde, provocando fugas de metal fundido y el esfuerzo para el cierre se
concentra solo en zonas del molde que tienden a perder su configuración.
Capítulo Segundo: SOLDADURA POR EL MÉTODO CADWELD
SOLDADURA CADWELD Página 61
2.1.2.3.2 PREPARACION DEL MOLDE DE GRÁFITO
La humedad en el molde provocará una soldadura porosa; por tanto deberá estar
completamente seco en el momento de realizar cualquier soldadura.
Antes de realizar la primera soldadura, se calentará el molde hasta que su
temperatura no pueda soportarse al tacto, Para eliminar a humedad que pudiera
estar presente en el molde se deberá secar mediante una llama que pueda ser
regulada emanada de un equipo adecuado para este fin o quemando un cartucho, en
este ultimo, se deberá realizar con cuidado de no dañar la tenaza o alicate que se
emplea ara su cierre.
Se debe tener precaución en la ejecución del proceso para no encender materiales
inflamables que puedan estar cercanos al área. De igual forma, los moldes húmedos
pueden producir una reacción explosiva debido a la rápida vaporización de la
humedad.
El excesivo calor en los moldes también los expone a daños por fuego.
Para las soldaduras sucesivas, el calor desarrollado entre cada aplicación mantendrá
el molde a la temperatura correcta, si el intervalo entre ellas fuese prolongado y
provocase el descenso la temperatura, deberá reiniciarse el proceso precalentando
el molde. Esto sobre todo en zonas de alta humedad.
2.1.2.3.3 PREPARACIÓN DE LAS BARRAS COPPERWELD
El extremo de la barra copperweld sobre el cual se realice la soldadura, deberá estar
perfectamente limpio, seco y exento de deformaciones al igual que lo indicado para
los cables.
Una barra recubierta de barro, polvo o con vestigios de suciedad en la zona por
donde se realizará la conexión, provocará una soldadura porosa y proyecciones de
metal fundido fuera del molde. Para eliminar los restos de barro o polvo se deberá
cepillar la zona de conexión de la barra hasta que quede pulida y libre de cualquier
vestigio de impurezas.
Capítulo Segundo: SOLDADURA POR EL MÉTODO CADWELD
SOLDADURA CADWELD Página 62
Para evitar el deterioro de los moldes de grafito por barras copperweld con
deformaciones en su geometría debido a que son golpeadas generalmente por el
extremo por donde se realizara la conexión, es recomendable practicar un corte en la
sección afectada siempre que sea posible o la deformación sea muy pronunciada.
Cabe recordar que estas deformaciones impedirán el cierre correcto del molde,
provocando fugas de metal fundido y el esfuerzo para el cierre se concentre en
zonas del molde que tienden a perder su configuración.
2.1.2.3.4 PREPARACION DE LAS SUPERFICIES DE ACERO
La superficie deberá estar libre de óxido, seca y plana.
En caso de que la superficie esté oxidada, con residuos de pintura, grasa o suciedad,
para limpiarse se puede recurrir a distintos métodos para remover estas impurezas,
tales como: el esmeril eléctrico, cepillado manual, frotación por pliegos de lija, entre
otros.
Para eliminar a humedad que pudiera estar presente en la superficie metálica se
deberá secar mediante una llama que pueda ser regulada emanada de un equipo
adecuado para este fin. Las superficies galvanizadas se limpiarán sin necesidad de
eliminar la capa de zinc. [17]
Capítulo Segundo: SOLDADURA POR EL MÉTODO CADWELD
SOLDADURA CADWELD Página 63
2.1.2.4 FOTOGRAMA DEL MÉTODO CADWELD DE SOLDADURA [18]
Figura 33) Cepillado del conductor.
Figura 34) Calentamiento del conductor y del molde.
Figura 35) Sujeción del conductor en el molde, prensado mediante las pinzas para molde
Capítulo Segundo: SOLDADURA POR EL MÉTODO CADWELD
SOLDADURA CADWELD Página 64
Figura 36) Instalación del disco de protección de escape de la soldadura.
Figura 37) Vaciado de carga aluminotérmica (90 gr).
Figura 38) Ignición de la soldadura.
Capítulo Segundo: SOLDADURA POR EL MÉTODO CADWELD
SOLDADURA CADWELD Página 65
Figura 39) Material Fundido, conductores unidos, Método CadWeld de soldadura.
Figura 40) Corte sagital del empalme soldado.
Figura 41) Análisis del corte de sección transversal de la unión soldada.
Capítulo Segundo: SOLDADURA POR EL MÉTODO CADWELD
SOLDADURA CADWELD Página 66
2.1.2.5 INSPECCIÓN
La conexión exotérmica terminada debe tener una apariencia sólida con relación al
tamaño, acabado superficial, coloración y porosidad. Se explicará a continuación
cada uno de estos ítems con más detalles.
Para inspeccionar conexiones exotérmicas realizadas sobre barras de puesta a tierra
y/o superficies de acero, se aplican leves golpes de martillo sobre ellas (se
recomienda de uno a tres golpes de martillo). Los golpes deben darse directamente
sobre la mayor masa de la conexión, de tal modo que no causen daño en el cable. El
criterio del inspector es importante, especialmente cuando verifique conexiones
menores, observándose el número e intensidad de los golpes.
2.1.2.5.1 TAMAÑO:
La conexión exotérmica deberá tener suficiente relleno para cubrir completamente
los conductores. Una falla en la cobertura puede indicar utilización de un cartucho
menor al requerido como una pérdida excesiva.
Los filetes de pérdida a lo largo de conductores conformados por siete hilos pueden
controlarse con pasta de sellado, sin embargo, pérdidas excesivas en las uniones del
molde y en las aberturas de los conductores son frecuentemente, el resultado de
utilizaciones prolongadas del molde.
2.1.2.5.2 COLOR:
Para obtener un mejor color de la conexión exotérmica, una vez terminada la misma,
proceda refregándola con un cepillo de cerdas leves. El color normal debe ir de oro a
bronce.
2.1.2.5.3 ACABADO SUPERFICIAL:
La superficie de la conexión debe estar razonablemente lisa y libre de depósitos
mayores de escoria que pueden tener 12,4 mm o más de diámetro y 1,5 mm o más
de profundidad bajo la superficie. El depósito mayor de escoria no debe confundirse
Capítulo Segundo: SOLDADURA POR EL MÉTODO CADWELD
SOLDADURA CADWELD Página 67
con la escoria normal que se presenta en el tope de todas las conexiones
exotérmicas.
2.1.2.5.4 POROSIDAD:
La conexión debe estar libre de porosidades mayores debido a la escoria. Pueden
tolerarse pequeños orificios. Una masa esponjosa o de grandes orificios y profundos
no deben tolerarse. Éstos indican generalmente:
Molde o conductor húmedo.
Aislante en los hilos del conductor.
Alquitrán o grasa de cables resistentes a los agentes atmosféricos
(intemperie) en los hilos.
Moldes y conductores secos así como la utilización de solventes pueden eliminar la
mayoría de las porosidades. Las conexiones para superficies galvanizadas algunas
veces exhiben porosidades debido al zinc que se evapora de la superficie
galvanizada. Esta condición podrá minimizarse o eliminarse retirando la parte del
zinc de la superficie galvanizada. Sin embargo, es normal la existencia de ligeros
poros en conexiones a superficies galvanizadas, especialmente en soldaduras
hechas con moldes fríos. [19]
Capítulo Segundo: SOLDADURA POR EL MÉTODO CADWELD
SOLDADURA CADWELD Página 68
2.1.2.6 VENTAJAS DE LA SOLDADURA EXOTÉRMICA
Cuando se realizan conexiones eléctricas mediante soldadura exotérmica y son
efectuadas debidamente, presentarán propiedades eléctricas muy similares a las
conexiones soldadas. Debido a que este proceso es una soldadura molecular cuyo
material utilizado tiene el mismo punto de fusión del cobre y cuando la soldadura esta
terminada su sección transversal es dos veces mayor que la de los conductores que
están siendo empalmados, esto nos ofrece grandes ventajas tanto económicas así
como técnicas.
2.1.2.6.1 VENTAJAS ECONÓMICAS
1. Bajos costos en los materiales requeridos para una conexión exotérmica en
comparación con otros medios de conexión.
2. La reacción es realizada dentro de un molde de grafito, que generalmente
permite la realización de más de 50 conexiones.
3. Las conexiones exotérmicas proporcionan mayor seguridad por lo tanto
menos supervisión.
4. No requieren de mantenimiento asociado al bajo costo del material utilizado.
5. El material utilizado para la realización de la conexión tiene una durabilidad
igual o mayor a los otros materiales conectados.
6. Las conexiones son permanentes debido a que son soldadas alcanzando que
no se deterioren con el tiempo.
7. Se requiere un entrenamiento mínimo para hacer una conexión, lo que evita
mano de obra especializada.
8. Las herramientas y materiales para efectuar la conexión es ligera y portátil.
9. La calidad de las conexiones se puede revisar por simple inspección visual,
sin requerir de ningún instrumento.
Capítulo Segundo: SOLDADURA POR EL MÉTODO CADWELD
SOLDADURA CADWELD Página 69
2.1.2.6.2 VENTAJAS TÉCNICAS
1. Las conexiones exotérmicas poseen ampacidad mayor o igual a los
conductores que la integran.
2. La capacidad de corriente de la conexión es equivalente a la del cable o
conductor.
3. Las conexiones no son dañadas cuando se producen altas irrupciones o picos
de corriente.
4. (Pruebas realizadas demostraron que corrientes elevadas como las de
cortocircuito fundieron el conductor y no la conexión exotérmica)
5. Las conexiones no se deshacen ni sufren corrosión en la parte de la
soldadura, independientemente del ambiente en que se destinan.
6. La conexión no se puede aflojar o desajustar debido a que es una unión
molecular permanente.
7. Como la conexión exotérmica se transforma en una parte integrante del
conductor, esto evita que se presentan problemas por insuficiencia de
superficie de contacto o puntos de concentración de presiones.
8. Las conexiones son permanentes debido a que son soldadas alcanzando que
no se deterioren con el tiempo.
9. Las conexiones exotérmicas no son afectadas por la corrosión de la misma
forma que el cobre.
10. No se requiere de una fuente de energía externa o generación de calor para
forjar la conexión.
11. Las soldaduras exotérmicas se pueden utilizar para empalmar materiales de
cobre, aleaciones de cobre, acero revestido con cobre, acero de diferentes
aleaciones incluyendo el inoxidable entre otros.
12. Como la reacción se consume en pocos segundos, la cantidad de calor
aplicada a los conductores o superficie es inferior a aquella aplicada con otros
métodos de soldadura. (Este aspecto es importante, en conexiones de
conductores aislados o tubos de pared fina).
Capítulo Segundo: SOLDADURA POR EL MÉTODO CADWELD
SOLDADURA CADWELD Página 70
2.1.2.6.3 DESVENTAJAS DE LA CONEXIÓN EXOTÉRMICA
En la mayoría de los casos, el costo asociado de las conexiones exotérmicas es
mayor que otros medios similares de conexión debido a lo largo del proceso, a los
diversos requerimientos moldes y a la potencial paralización ocasionada por lo
impredecible del clima o por las condiciones de humedad imperantes en el área de
trabajo.
Otras desventajas se relacionan a las herramientas requeridas para completar un
soldado exotérmico. No obstante, todos los métodos para efectuar conexiones
eléctricas requieren de herramientas específicas y sus correspondientes accesorios,
así como el cumplimiento de condiciones propias para poder realzar una conexión
adecuada. Es la confiabilidad de la conexión lo que se debe medir en una relación de
costo beneficio.
Entre las desventajas que presenta este método se encuentran:
1. Las condiciones climáticas inciden directamente en la realización del proceso
y pueden posponer el trabajo en sitio durante días.
2. El calor excesivo generado durante la reacción requiere de supervisión debido
a los riesgos inherentes de seguridad para el personal.
3. Se requiere de aditamento de seguridad para los operarios, tales como: lentes
de seguridad guantes u otros accesorios de protección.
4. Los materiales deben almacenarse en lugares secos, ya que están sujetos a
daños por humedad o por calor.
5. Se requieren horas hombres adicionales para la preparación previa a una
conexión, esto se debe a la necesidad de limpieza, precalentamiento de
moldes, etc.
6. Debido al recocido del conductor, las conexiones exotérmicas no se pueden
usar en aplicaciones bajo tracción.
7. El calor intenso generado durante el proceso puede dañar el aislamiento del
conductor cuando este esta presente.
8. Una instalación típica con soldadura exotérmica tarda más tiempo con
respecto a otros métodos.
Capítulo Segundo: SOLDADURA POR EL MÉTODO CADWELD
SOLDADURA CADWELD Página 71
2.1.2.7 INSTRUCCIONES GENERALES DE SEGURIDAD
Para realizar una soldadura exotérmica perfecta y con seguridad, es menester que
se cumplan las siguientes instrucciones:
1. Utilizar los implementos de seguridad adecuados: ropa apropiada, lentes de
seguridad y guantes cuando realice soldadura exotérmica.
2. Solamente usar materiales y equipos certificados para efectuar conexiones
exotérmicas.
3. Sólo efectuar las conexiones con el molde diseñado para esa determinada
aplicación, para lo cual utilizar los especificados impresos en la placa del
molde.
4. No utilizar moldes rotos o desgastados que podrían tener fugas de metal de
soldadura fundido.
5. Cerciorarse que el material que está siendo soldado tiene las acometidas
adecuadamente en el molde y que el molde cerrará herméticamente alrededor
de ellos.
2.1.2.7.1. INSTRUCCIONES ESPECÍFICAS DE SEGURIDAD
1. No efectuar modificaciones o alteraciones en los moldes o sus accesorios sin la
debida autorización de del fabricante.
2. Evitar respirar las concentraciones de humo, pueden ser nocivas para la salud.
3. Evitar el contacto con los materiales calientes, tales como moldes o conexiones
recién hechas.
4. Tomar precauciones de incendio en el área de la soldadura.
5. Proveer ventilación adecuada en los locales donde el flujo de aire es insuficiente
para evitar que los operadores respiren el humo.
6. Verificar que se esté utilizando el molde correcto y que el conjunto esté bien
montado.
7. Notificar a los empleados que trabajan en las proximidades que están en área de
soldadura.
Capítulo Segundo: SOLDADURA POR EL MÉTODO CADWELD
SOLDADURA CADWELD Página 72
8. Retirar o proteger los materiales contra peligro de incendio en las áreas próximas
a soldaduras.
9. Evitar humedad y contaminación en el molde y en los materiales que se soldaran.
10. El contacto de metal fundido con humedad o contaminantes puede provocar
salpicaduras de material candente fuera de molde.
16. Los materiales de soldadura e ignición son mezclas exotérmicas y reaccionan
produciendo materiales fundidos calientes con temperaturas superiores a 2200° C y
la liberación correspondiente del humo localizado.
17. En caso de incendio, utilizar agua o CO2 para el control de los contenedores que
se estén quemando. El agua en grandes cantidades ayudará al control de un
incendio donde los materiales exotérmicos se viesen involucrados. El agua debe ser
aplicada a distancia.
18. Capacitar adecuadamente al operador en el uso de los materiales.
19. El no acatamiento de los procedimientos indicados pueden producir soldaduras
inadecuadas, daños al material que se esté soldando o puede crear situaciones de
riesgo para el operario.
20. Cumpliendo las recomendaciones y procedimientos de soldadura se evitarán
riesgos o incendios causados por salpicaduras de material fundido.
Pueden existir aplicaciones o condiciones que requieran consideraciones especiales.
Las siguientes son ejemplos, y no se pretende que sea un listado completo de éstas
aplicaciones/condiciones.
PREPARACION DEL CONDUCTOR
1. El cable debe estar limpio y seco.
2. Los conductores que estén impregnados de aceite o grasa deben limpiarse.
Pueden limpiarse quemándolos con una antorcha o soplete.
3. Después de quemado el aceite o la grasa, debe removerse el residuo mediante un
cepillo de alambre.
4. Emplear una llama o soplete para secar los conductores que puedan estar
húmedos o mojados.
Capítulo Segundo: SOLDADURA POR EL MÉTODO CADWELD
SOLDADURA CADWELD Página 73
5. En caso de que los conductores estén deformes, enderezarlos antes de colocarlos
y cerrar el molde. Conductores deformes, doblados o sin redondez mantendrán al
molde abierto, ocasionando fugas.
6. El cable corroído debe limpiarse. Para limpiar el cable use un cepillo metálico.
7. Es importante que los extremos de los cables estén limpios. Esto puede lograrse el
mejor haciendo un nuevo corte en la punta del cable.
8. Quite el aislamiento del cable con la herramienta adecuada.
9. Para conductores flexibles utilice mangas. Se recomiendan estas mangas de
envoltura para cables menores a 300 MCM.
PREPARACIÓN DE LAS SUPERFICIES DE ACERO
1. La superficie deberá estar libre de óxido.
2. Debe estar perfectamente seca y plana.
3. Cualquier capa de óxido, pintura, grasa o suciedad deberá limpiarse mediante un
disco de esmeril de grano fino preferentemente.
4. La humedad se eliminará con un soplete de llama.
5. Las superficies galvanizadas se limpiarán sin necesidad de eliminar la capa de
zinc. No obstante, es muy posible que se tenga que reponer el recubrimiento de zinc
en la superficie expuesta del acero, mediante la aplicación de productos de
galvanizado frío
6. Bajo algunas condiciones de temperatura y humedad la superficie a ser soldada
condensará causando porosidad en las soldaduras. Esto puede eliminarse
calentando previamente la superficie con un soplete o llama.
PREPARACIÓN DEL MOLDE DE GRAFITO
La humedad en el molde provocará una soldadura porosa; por tanto deberá estar
completamente seco en el momento de realizar cualquier soldadura. Antes de
realizar la primera soldadura, se calentará el molde hasta que su temperatura no
pueda soportarse al tacto, con una lámpara de soldar o quemando un cartucho o
parte del mismo, en este caso, deberá realizarse con cuidado de no dañar la tenaza.
Capítulo Segundo: SOLDADURA POR EL MÉTODO CADWELD
SOLDADURA CADWELD Página 74
Para las soldaduras sucesivas, el calor desarrollado entre cada soldadura,
mantendrá el molde a la temperatura correcta. Si el intervalo entre ellas provocase el
descenso de esa temperatura, deberá reiniciarse el proceso.
PREPARACIÓN DE LAS BARRAS DE PUESTA A TIERRA
El extremo o tope de la barra tipo copperweld sobre la que se realice la soldadura,
deberá estar perfectamente limpio, seco y exento de deformaciones al igual que lo
indicado para los cables.
CONEXIONES A TUBERÍAS O TANQUES
Cuando suelde tuberías considerar lo siguiente:
Efectos que la soldadura puede tener sobre miembros estructurales y tuberías que
tengan paredes delgadas. Evaluar previamente antes de una operación las tuberías
presurizadas o que porten materiales inflamables o explosivos, a objeto de evitar los
riesgos en el caso de una fusión a través del metal de la soldadura fundido caliente
que entra en contacto con cualquier material inflamable o explosivo.
MOLDES PARA SOLDADURA EXOTÉRMICAS
La reacción exotérmica de cobre, se lleva a cabo en un molde especialmente
diseñado y fabricado en grafito de alta calidad, en la figura se pueden observar las
partes que conforman este molde.
El molde esta compuesto por las siguientes partes:
Placa de características e identificación fabricante
Tapa del molde abisagrada
Crisol o cámara de reacción para almacenar los materiales que reaccionan.
Conducto o tobera de colada que conecta el crisol o cámara de reacción con
la cavidad de soldado.
Cavidad de soldado o cámara de soldadura donde se alojaran los conductores
o materiales a soldar.
Orificios para la colocación de los alicates de manipulación del molde.
Guías de acople del molde
Capítulo Segundo: SOLDADURA POR EL MÉTODO CADWELD
SOLDADURA CADWELD Página 75
El molde esta planteado para permite un libre flujo del metal fundido a todas las
secciones del crisol. De igual forma el crisol esta diseñado para permitir una
remoción sencilla del molde de la unión terminada para incrementar su vida útil. Esta
vida útil del molde tiene un promedio de unas 50 operaciones dependiendo de los
cuidados y el mantenimiento que reciba.
En un molde el máximo esfuerzo mecánico se localiza en los orificios por donde se
colocan los cables, debido a que, en cada unión, se utilizan conductores que se
consideran redondos, se golpean las esquinas con las puntas del conductor, etc.
En muchas ocasiones, el operador utiliza conductores o cables reciclados de cobre
con alto grado de oxidación o impurezas para sus sistemas de puesta a tierra.
Debido a la oxidación tan avanzada, en la mayoría de los casos no es posible llevar a
cabo una buena limpieza. Por lo que el uso de los moldes normales bajo estas
circunstancias nos daría resultados no muy satisfactorios. Para estos casos, se
recomienda el uso de moldes para servicio pesado o rudo, los cuales utilizan un
cartucho de soldadura metálica con mayor contenido que el empleado en el molde
normal para una misma aplicación.
El calor de la reacción con estos moldes no se incrementa pero si se prolonga por un
período mayor, permitiendo que se quemen todos los vestigios de oxidación que no
fueron removidos. La unión que se obtiene es por supuesto de mayor tamaño que la
de un molde normal.
Se puede tener la impresión que la corriente de falla teórica calculada para el
sistema de puesta a tierra pueda ser un poco más elevada de la calculada y por ende
se opte por emplear moldes para servicio pesado en lugar de los normales de forma
Capítulo Segundo: SOLDADURA POR EL MÉTODO CADWELD
SOLDADURA CADWELD Página 76
que se consiga una masa mayor de metal en la conexión. Esto no es necesario, las
pruebas en laboratorios han demostrado que se funde el conductor y no la conexión
realizada con moldes normales, por lo tanto esta aplicación solo incrementaría el
costo de la misma.
Tampoco debe especularse que el uso de un molde normal como un molde para
servicio pesado es posible simplemente manipulando cartuchos de soldadura
exotérmica más grandes.
Para incrementar la vida útil de los moldes, se pueden instalar desde la fábrica,
platos de refuerzo en los orificios destinados al ingreso de los conductores o cables.
Estos pueden ser suministrados en todos los moldes para cables de 70 mm2 y
mayores. [20]
SOLDADURA CADWELD Página 77
Capítulo Tercero
APLICACIONES DE LA SOLDADURA CADWELD Primera Parte
1.1 APLICACIONES
La soldadura exotérmica o CadWeld tiene gran variedad de usos y aplicaciones tanto
en el área eléctrica así como en otras actividades.
En el área eléctrica su principal aplicación esta en la interconexión de conductores y
se circunscribe a las conexiones entre:
Cable a cable
Cable a barra copperweld para puesta a tierra
Cable a barras rectangulares de cobre o aluminio
Cable a superficies metálicas
Cable a rieles ferroviarios
Cable a cabillas utilizadas en la construcción
Barra a barra rectangular de cobre o aluminio
Barra copperweld a barra copperweld
Barra rectangular a superficie metálica
Otra aplicación en la industria ferrocarrilera eléctrica, es la soldadura de los
conductores del circuito eléctrico de retorno a los rieles:
Conexiones mediante soldadura exotérmica para empalmar el "tercer riel" en
las líneas de tránsito ferrocarrilero pesado.
Las conexiones mediante soldadura exotérmica también se utilizan para
conexiones subterráneas aisladas de alto voltaje.
Las Conexiones mediante soldadura exotérmica también se emplean en aplicaciones
industriales para soldar barras de cobre o de aluminio.
Capítulo Tercero: APLICACIONES DE LA SOLDADURA CADWELD
SOLDADURA CADWELD Página 78
En otras áreas su aplicaron ha sido:
Desde sus inicios en 1938 se empleo para soldar uniones señalizadoras de
aleación de cobre a los rieles en líneas ferroviarias.
Para mediados de 1940, fue utilizado para soldar alambres protectores
catódicos a las tuberías.
En tuberías de transporte de gas y petróleo a alta presión para mayores
detalles ver la norma ASME B31.4 y B31.8
Para reparaciones de matriceria y troqueles
Para rellenos de piezas metálicas
Otras
MATERIALES APLICABLES
Conexiones de soldadura exotérmicas no exonerarán ni extenderán en resistencia
sobre la vida de la instalación.
Según lo recomendado por las regulaciones del IEC y del IEEE, todos los sistemas
de conexiones de puesta a tierra deberán concebirse con soldadura exotérmica. Las
conexiones deberán incluir sin limitarse a ello, empalmes de cable a cable, o en
formas de T, X, etc.; cables a electrodos de puesta a tierra, cables a superficies de
acero y hierro; barras a superficies de acero.
Aparte del cobre, la soldadura exotérmica también es aplicable a los siguientes
materiales:
Acero
Acero inoxidable
Rieles de acero
Acero Revestido de Cobre
Hierro Fundido
1.2 COMPARACION ENTRE SISTEMAS DE CONEXIÓN
Cuando comparamos los sistemas existentes para realizar conexiones eléctricas
debemos realizar el análisis desde un punto de vista técnico, es importante destacar
Capítulo Tercero: APLICACIONES DE LA SOLDADURA CADWELD
SOLDADURA CADWELD Página 79
que el sistema de soldadura exotérmica surge como necesidad de mejorar los
distintos tipos de conexiones existentes, como ya hemos tratado la soldadura
exotérmica produce una unión o conexión, de rendimiento superior a la de los
conectores mecánicos a presión y contacto, conexiones de superficie a superficie, o
a las conexiones mediante abrazaderas. Debido a su unión molecular, la conexión
mediante soldadura exotérmica no se aflojará, desajustara o se corroerá, aportando
así que no se incremente la resistencia del empalme, durante toda la vida útil de la
misma, aún bajo las peores condiciones de operación.
Gracias a las múltiples ventajas que presentan los empalmes mediante soldadura
exotérmica, la tendencia de hoy en día es hacia el remplazo de los métodos
alternativos que proveen menor calidad y por lo general mayor precio.
Entre los métodos alternativos existentes para realizar conexiones eléctricas a la
soldadura exotérmica se encuentran:
1. Método por abrazaderas
2. Conectores atornillados
3. Conectores sujetos con pernos
4. Conectores sujetos por engarce
5. Conectores a compresión
Estos métodos nos permiten efectuar conexiones a superficies metálicas planas o
circulares, entre conductores o entre conductores y barras, de acuerdo a la
necesidad.
Figura 42) Conectores puramente mecánicos.
Capítulo Tercero: APLICACIONES DE LA SOLDADURA CADWELD
SOLDADURA CADWELD Página 80
En todos los métodos anteriormente enunciados el operador debe infringir un
determinado torque o apriete a los tornillos o pernos para realizar el ajuste pertinente,
no obstante, de la precisión de este ajuste depende la calidad de la conexión, si el
operador no realiza el trabajo con la herramienta adecuada la conexión dará
problemas a futuro.
El tamaño de un conductor para un sistema de puesta a tierra se basa en la
magnitud y duración máxima de la corriente de falla disponible y por supuesto del
método de conexión que se utilice.
En la normativa Lineamientos para la seguridad en la toma a tierra de corriente
alterna en subestaciones de la IEEE Std 80-1988, se utiliza una fórmula de fusión
como base para la selección del tamaño mínimo del conector, para evitar su fusión
(derretimiento) cuando se hagan presentes las fallas. Esta fórmula se puede
simplificar hasta expresarla como sigue:
En donde:
A = Tamaño del conductor en mils circulares
K = Constante
I = Corriente de falla RMS en amperes
S = Tiempo de falla en segundos.
Tomando como base una temperatura ambiente estándar de 40°C.
Capítulo Tercero: APLICACIONES DE LA SOLDADURA CADWELD
SOLDADURA CADWELD Página 81
De la normativa Std 80-1986 de la IEEE, hemos tomado las temperaturas listadas
para cada material que aparecen en la tabla anterior, las mismas se especifican para
ser utilizadas en las distintas alternativas de conexiones:
Para comprender lo antes expuesto observemos el siguiente ejemplo:
Supongamos que requerimos un conductor que pueda soportar 25 K A durante 2
segundos de falla, para este ejemplo en la tabla a continuaron colocaremos los
resultados calculados y el calibre comercial. Es importante destacar que el calibre
comercial es el tamaño del cable que al final instalaremos. [21]
Capítulo Tercero: APLICACIONES DE LA SOLDADURA CADWELD
SOLDADURA CADWELD Página 82
Segunda Parte
2.1 APLICACIONES CONCRETAS DE SOLDADURA
CADWELD
2.1.2 DEMONIMACIÓN COMERCIAL, DESCRIPCION DE TIPO
ESPECÍFICO DE MOLDE Y CARGA UTILIZADA POR UNIÓN [22]
C107/B/73
Molde para soldadura de cable de 107.2mm2 (4/0AWG) terminal entrando al molde
por abajo y formando 45º con tubo vertical.
Compuesto de soldadura
Unidad de 65 g
C107/C107/11
Molde para soldadura lineal de cable de 107.2mm2 (4/0 AWG) a cable de 107mm2
Compuesto de soldadura
Unidad de 90 g
Capítulo Tercero: APLICACIONES DE LA SOLDADURA CADWELD
SOLDADURA CADWELD Página 83
C107/C107/12
Molde para soldadura en T horizontal de cable pasante de 107.2mm2 (4/0 AWG) a
cable terminal de 107mm2
Compuesto de soldadura
Unidad de 150 gr
C107/C107/14
Molde para soldadura en X coplanar de cable de 107.2mm2 (4/0 AWG) con cable de
107.2mm2 (4/0AWG) en horizontal
Compuesto de soldadura
Unidad de 150 g
Capítulo Tercero: APLICACIONES DE LA SOLDADURA CADWELD
SOLDADURA CADWELD Página 84
C107/C107/15
Molde para soldadura en paralelo horizontal de cables de 107mm2 (4/0 AWG)
Compuesto de soldadura
Unidad de 150 g
C107/C50/17
Molde para soldadura en paralelo de cable de 50mm2 sobre cable de 107mm2
Compuesto de soldadura
Unidad de 150 g
Capítulo Tercero: APLICACIONES DE LA SOLDADURA CADWELD
SOLDADURA CADWELD Página 85
C107/M/41
Molde para soldadura de cable terminal de 107.2mm2 (4/0AWG) a superficie metálica
horizontal.
Compuesto de soldadura
Unidad de 90 g
C107/M/42
Molde para soldadura a superficie vertical de cable terminal de 107.2mm2 (4/0 AWG)
Compuesto de soldadura
Unidad de 65 g
Capítulo Tercero: APLICACIONES DE LA SOLDADURA CADWELD
SOLDADURA CADWELD Página 86
C107/M/46
Molde para soldadura de cable de 107.2mm2 (4/0AWG) terminal desde bajo y en 45º
a pieza metálica vertical
Compuesto de soldadura
Unidad de 65 g
C107/T16/62
Molde para soldadura en T vertical de cable de 107mm2 (4/0 AWG) terminal sobre
pica de 15.9mm de diámetro
Compuesto de soldadura
Unidad de 150 g
Capítulo Tercero: APLICACIONES DE LA SOLDADURA CADWELD
SOLDADURA CADWELD Página 87
C107/T16/63
Molde para soldadura en cruz vertical de cable de 107mm2 (4/0) sobre pica de
15.9mm de diámetro (3/4)
Compuesto de soldadura
Unidad de 115 g
C107/T16/64
Molde para soldadura en T vertical de cable pasante de 107.2mm2 (4/0 AWG) sobre
pica de 15.9mm
Compuesto de soldadura
Unidad de 150 g
Capítulo Tercero: APLICACIONES DE LA SOLDADURA CADWELD
SOLDADURA CADWELD Página 88
C107/V20/51
Molde para soldadura de cable terminal de 107mm2 (4/0AWG) en paralelo sobre
varilla de 20mm de diámetro.
Compuesto de soldadura
Unidad de 90 g
C120/C120/13
Molde para soldadura en T vertical de cable pasante de 120mm2 sobre cable terminal
de 120mm2 de sección.
Compuesto de soldadura
Unidad 150 g
Capítulo Tercero: APLICACIONES DE LA SOLDADURA CADWELD
SOLDADURA CADWELD Página 89
C120/M/47
Molda para soldadura de cable pasante de 120mm2 a superficie metálica horizontal.
Compuesto de soldadura
Unidad de 150 g
C120/P253/31
Molde para soldadura de cable terminal de 120mm2 a pletina terminal de 25,4x3mm
Compuesto de soldadura
Unidad de 115 g
Capítulo Tercero: APLICACIONES DE LA SOLDADURA CADWELD
SOLDADURA CADWELD Página 90
C120/P256/33
Molde para soldadura de cable pasante de 120mm2 a pletina terminal de 25x6mm en
T horizontal
Compuesto de soldadura
Unidad de 200 g
C120/V10/57
Molde para soldadura de cable de 120mm2 sobre varilla de construcción de 10mm de
diámetro en paralelo.
Compuesto de soldadura
Unidad de 150 g
Capítulo Tercero: APLICACIONES DE LA SOLDADURA CADWELD
SOLDADURA CADWELD Página 91
C120/V20/54
Molde para soldadura en T de cable de 120mm2 terminal a varilla de 20mm
horizontal.
Compuesto de soldadura
Unidad de 250 g
C120/V20/55
Molde para soldadura en T de cable de 120mm2 terminal a varilla de 20mm vertical
Compuesto de soldadura
Unidad de 250 g
Capítulo Tercero: APLICACIONES DE LA SOLDADURA CADWELD
SOLDADURA CADWELD Página 92
C120/V20/56
Molde para soldadura en cruz horizontal de cable de 120mm2 sobre varilla de 20mm
de diámetro.
Compuesto de soldadura
Unidad de 115 g
C150/R3
Molde para soldadura de cable terminal de 150mm2 sobre patín de rail
Compuesto de soldadura
Unidad de 115 g
Capítulo Tercero: APLICACIONES DE LA SOLDADURA CADWELD
SOLDADURA CADWELD Página 93
C150/V10/53
Molde para soldadura en cruz de cable de150mm2 vertical sobre varilla de
construcción de 10mm en horizontal
Compuesto de soldadura
Unidad de 250 g
C35/M/45
Molde para soldadura de cable de 35mm2 pasante, en paralelo a superficie metálica
vertical y que entra en molde en horizontal
Compuesto de soldadura
Unidad de 45 g
Capítulo Tercero: APLICACIONES DE LA SOLDADURA CADWELD
SOLDADURA CADWELD Página 94
C35/M/49
Molde para soldadura de cable de 35mm2 pasante, en paralelo a superficie metálica
vertical y que entra en molde en vertical
Compuesto de soldadura
Unidad de 45 g
C35/P253/34
Molde para soldadura en T vertical de pletina de 25x3 pasante a cable terminal de
35mm2
Compuesto de soldadura
Unidad de 115
Capítulo Tercero: APLICACIONES DE LA SOLDADURA CADWELD
SOLDADURA CADWELD Página 95
C35/P304/32
Molde para soldadura de cable de 35mm2 a pletina de 30x4mm pasante en T
horizontal
Compuesto de soldadura
Unidad de 90 g
C35/T16/61
Molde para soldadura lineal de cable de 35mm2 a pica de 15.9mm de diámetro en
vertical
Compuesto de soldadura
Unidad de 90 g
Capítulo Tercero: APLICACIONES DE LA SOLDADURA CADWELD
SOLDADURA CADWELD Página 96
C35/V12/54
Molde para soldadura en T horizontal de varilla de corrugado pasante de 12mm a
cable final de 35mm2
Compuesto de soldadura
Unidad de 90 g
C35/V12/55
Molde oblicuo para soldadura en T de cable terminal de 35 a varilla de corrugado de
12mm de diámetro en vertical
Compuesto de soldadura
Unidad de 90g
Capítulo Tercero: APLICACIONES DE LA SOLDADURA CADWELD
SOLDADURA CADWELD Página 97
C50/B/74
Molde para soldadura en paralelo vertical de cable terminal de 50mm2 sobre tubo
horizontal
Compuesto de soldadura
Unidad de 65 g
C50/P304/34
Molde para soldadura de pletina de 30x4mm pasante sobre cable de 50mm2 en T
vertical
Compuesto de soldadura
Unidad de 150 g
Capítulo Tercero: APLICACIONES DE LA SOLDADURA CADWELD
SOLDADURA CADWELD Página 98
C50/R1
Moldes para soldadura de cable de 50mm2 unido por ambos extremos a cabeza de
carril
Compuesto de soldadura
Unidad de 45 g
C50/R2
Molde para soldadura de cable de 50mm2 terminal a cabeza de a carril.
Compuesto de soldadura
Unidad de 45 g
Capítulo Tercero: APLICACIONES DE LA SOLDADURA CADWELD
SOLDADURA CADWELD Página 99
C50/T14/65
Molde para soldadura en vertical de cable terminal de 50mm2 paralelo a pica de
14.3mm vertical.
Compuesto de soldadura
Dos Unidades de 90 g
P253/P253/21
Molde para soldadura lineal en horizontal de pletinas de 25x3mm
Compuesto de soldadura
Unidad de 90 g
Capítulo Tercero: APLICACIONES DE LA SOLDADURA CADWELD
SOLDADURA CADWELD Página 100
2.1.3 COMBINACIÓN DE MOLDES
Cuando nos encontramos en obra o en el campo de aplicación, muchas veces no
contamos con los moldes requeridos a la mano. No obstante, esto no significa que no
podamos realizar una determinada aplicación con la combinación de otros moldes
que si tengamos a disposición en ese momento.
A continuación se presentan algunas recomendaciones o pautas para realizar
empalmes con soldadura exotérmica empleando combinaciones de otros moldes.
2.1.3.1 CONEXIÓN HORIZONTAL POR LOS EXTREMOS
Supóngase que se requiere empalmar cables 2/0 AWG, para realizar una conexión
cable a cable por sus extremos en forma horizontal. Se emplea un molde con dichas
características y un solo cartucho de soldadura.
De no tener este molde al momento de la instalación puede recurrir a las siguientes
alternativas:
Si dispone de un molde para soldadura horizontal de un cable pasante a un cable
paralelo en derivación, con este molde solo tiene que dejar que el cable del lado
pasante que va paralelo al que deriva sobresalga unos 30 mm y el que deriva
colocarlo tal como esta concebido, esta aplicación requiere un cartucho de polvo
exotérmico. Esto puede verse en la figura de abajo.
También es posible realzar la misma aplicación si se dispone de un molde para
soldadura horizontal de dos cables paralelos pasantes. En este caso, solo tiene que
Capítulo Tercero: APLICACIONES DE LA SOLDADURA CADWELD
SOLDADURA CADWELD Página 101
dejar a cada cable que sobresalga un poco del molde tanto el de la parte superior
como inferior unos 30 mm a cada lado del molde. Tal como se aprecia en la figura de
abajo.
2.1.3.2 CONEXIONES EN TEE.
Supongamos que se requiere empalmar dos cables 2/0 AWG en una conexión cable
a cable en forma de TEE tipo horizontal. Para este tipo de conexión se emplea
normalmente el molde con las especificaciones requeridas y un cartucho de polvo
para soldadura exotérmica adecuado para esta aplicación.
Si por alguna circunstancia no se dispone de este molde al momento de realzar la
instalación, se puede recurrir a las siguientes alternativas:
En caso de disponer de un molde para soldadura horizontal de un cable pasante a un
cable paralelo en derivación, solo tiene que doblar el cable del lado de derivación en
ángulo de 90 grados y luego colocarlo tal como esta concebido. Esto puede verse en
la figura de abajo.
Capítulo Tercero: APLICACIONES DE LA SOLDADURA CADWELD
SOLDADURA CADWELD Página 102
También es posible realzar la misma aplicación si se dispone de un molde para
soldadura horizontal de dos cables paralelos pasantes, solo tiene que doblar el cable
de derivación en ángulo de 90 grados y luego colocarlo dejando que sobresalga un
poco del molde alrededor de unos 30 mm. Tal como se aprecia en la figura de abajo.
2.1.3.3 CONEXIONES EN EQUIS O CRUZADAS.
Supongamos que se requiere empalmar cables 2/0 AWG en un empalme cable a
cable en forma de EQUIS tipo horizontal, para ello se emplea el molde de las
especificaciones indicadas y un solo cartucho destinado a esta aplicación.
No obstante, de no tener este molde al momento de la instalación puede recurrir a
las siguientes alternativas:
Utilice un molde para conexión en TEE, para obtener un empalme en EQUIS solo
tiene que realizar dos veces la operación de hacer una soldadura con el molde de
TEE sobre el mismo conductor pasante, una orientada hacia cada lado del cable
pasante, para ello requerirá de dos cartuchos iguales y un mismo molde. Tal como se
observa en la figura de abajo.
Capítulo Tercero: APLICACIONES DE LA SOLDADURA CADWELD
SOLDADURA CADWELD Página 103
También es posible realzarla con un molde para soldadura horizontal de dos cables
paralelos pasantes, solo doble cada cable de derivación en ángulo de 90 grados y
colóquelo en cada entrada al molde.
2.1.3.4. CONEXIÓN A TOPE EN EQUIS SOBRE BARRA
COPPERWELD.
Supongamos que se requiere conectar cables 2/0 AWG a una barra copperweld o
jabalina de diámetro 5/8” en forma de EQUIS tipo horizontal, para esta aplicación se
cuenta con el molde apropiado y su correspondiente cartucho.
No obstante, de no tener este molde al momento de la instalación puede recurrir a
las siguientes alternativas:
Para esta aplicación se requerirá utilizar dos tipos de moldes, un molde para
conexión de cable pasante a tope de barras copperweld con su cartucho adecuado,
de igual forma, se emplea el molde para empalme de cable a cable en TEE
horizontal.
Realizar el empalme de cable pasante a barra copperweld o jabalina y luego para
obtener una conexión en EQUIS, efectuar dos veces la operación de hacer una
Capítulo Tercero: APLICACIONES DE LA SOLDADURA CADWELD
SOLDADURA CADWELD Página 104
soldadura con el molde para TEE horizontal sobre el mismo conductor pasante,
preferiblemente a cada lado de la soldadura ya realizada sobre la barra copperweld,
teniendo presente que van orientadas hacia cada lado del cable pasante, para ello se
requiere de dos cartuchos iguales y un mismo molde en el caso de las TEE.
Toda la operación en definitiva precisa de dos moldes y tres cartuchos de polvo de
soldadura exotérmica adecuada para cada molde. El resultado se puede apreciar en
la figura a continuación.
Otra manera de realizar la conexión es a través del mismo molde para conexión de
cable pasante a tope de barras copperweld con su cartucho adecuado, en
combinación con el molde para soldadura horizontal de dos cables paralelos
pasantes.
Comenzar por realizar el empalme de cable pasante a barra copperweld o jabalina y
luego sobre el cable pasante ya conectado a la barra copperweld o jabalina. Realizar
la soldadura para obtener una conexión en EQUIS, para la cual solo se debe doblar
cada cable de derivación en ángulo de 90 grados y colocarlo en cada entrada al
molde, para ello es requerido un cartucho y un mismo molde para el caso de la
EQUIS. El resultado se puede apreciar en la figura a continuación.
Capítulo Tercero: APLICACIONES DE LA SOLDADURA CADWELD
SOLDADURA CADWELD Página 105
Otra manera de realizar la conexión es a través del mismo molde para conexión de
cable pasante a tope de barras copperweld con su cartucho adecuado, en
combinación con el para cable pasante y dos cables a tope en equis y su cartucho
destinado a esta aplicación.
Se inicia por realizar el empalme de cable pasante a barra copperweld o jabalina y
luego sobre el cable pasante ya conectado a la barra copperweld o jabalina se
procede a realizar la soldadura para obtener una conexión en EQUIS. El resultado se
puede apreciar en la figura a continuación.
2.1.3.5 CONEXIÓN A TOPE EN TEE SOBRE BARRA COPPERWELD.
Supóngase que se requiere conectar cables 2/0 AWG a una barra copperweld o
jabalina de diámetro 5/8” en forma de TEE, para esta aplicación se cuenta con el
molde especifico y su correspondiente cartucho.
No obstante, de no tener este molde al momento de la instalación puede recurrir a
las siguientes alternativas:
Capítulo Tercero: APLICACIONES DE LA SOLDADURA CADWELD
SOLDADURA CADWELD Página 106
Para esta aplicación se requerirá utilizar dos tipos de moldes, un molde para
conexión de cable en derivación a tope de barras copperweld con su cartucho
adecuado, de igual forma, será empleado el molde para empalme de cable a cable
en TEE horizontal y su correspondiente cartucho.
Comenzar por realizar el empalme de cable en derivación a barra copperweld o
jabalina y luego, para obtener una conexión en TEE, efectuar la operación de hacer
una soldadura con el molde para TEE horizontal sobre el mismo conductor en
derivación. Toda la operación en definitiva precisa de dos moldes y tres cartuchos de
polvo de soldadura exotérmica adecuada para cada molde. El resultado se puede
apreciar en la figura a continuación. [23]
2.1.4 PRINCIPALES PROBLEMAS, POSIBLES CAUSAS Y
CORRECTIVOS EN LA SOLDADURA CADWELD [24]
Como cualquier otro proceso de manufactura, el método CadWeld no se encuentra
exento de posibles fallas propias del equipo o por errores humanos durante su
aplicación, almacenamiento, transporte y su mantenimiento. A continuación se
presenta un listado con los errores mas frecuentes en este tipo de soldadura.
Capítulo Tercero: APLICACIONES DE LA SOLDADURA CADWELD
SOLDADURA CADWELD Página 107
Capítulo Tercero: APLICACIONES DE LA SOLDADURA CADWELD
SOLDADURA CADWELD Página 108
SOLDADURA CADWELD Página 109
Capítulo Cuarto
PRUEBAS Y ENSAYOS APLICADOS A LA SOLDADURA
CADWELD Primera Parte
1.1 IEEE STD 837-1989 “IEEE STANDARD FOR QUALIFYING
PERMANENT CONNECTIONS USED IN SUBSTATION
GROUNDING” (ESTÁNDAR IEEE PARA LA CALIFICACIÓN
DE CONECTORES PERMANENTES USADOS EN EL SISTEMA
DE TIERRA DE SUBESTACIONES)
La norma IEEE 837-1989 es la que rige en todo aspecto las conexiones a tierra.
En ella se describen las características y propiedades que debe cumplir los
conductores y conectores utilizados en los sistemas de tierra.
Basados en estos principios, la compañía ERICO, Inc., y otras compañías
manufactureras de conectores para sistemas de tierra, desarrollaron a finales de la
década de 1980 una serie de pruebas para determinar cual de sus productos
destinados a la conexión de sistemas de tierra cumplía con todos los
requerimientos de la norma IEEE Std. 837-1989. El documento íntegro se describe
a continuación.
1.1.1 RESUMEN DEL PROGRAMA DE PRUEBAS
El sistema de tierras es necesario para asegurar la seguridad del personal, tanto el
personal operativo como el público en general, así como también proveer
protección al equipo. Esencial para el sistema de tierras son los muchos
conectores usados para interconectar los conductores de tierra y demás
estructuras dentro del sistema de tierra. Las conexiones de tierra deben ser
permanentes; deben ser capaces de durar el mismo tiempo de vida que la
instalación sin corroerse o aumentar su resistencia.
Capítulo Cuarto: PRUEBAS Y ENSAYOS APLICADOS A LA SOLDADURA CADWELD
SOLDADURA CADWELD Página 110
Dos programas de pruebas independientes fueron patrocinados, en diferentes
laboratorios; para evaluar el desempeño de conectores comúnmente usador para
el sistema de tierras de las subestaciones.
Uno de los programas realizados fue una prueba completa de los requerimientos
de la norma IEEE Std. 837-1989 “IEEE Standard For Qualifying Permanent
Connections Used In Substation Grounding” (Estándar IEEE para la calificación de
conectores permanentes usados en el sistema de tierra de subestaciones). [25]
El secundo programa fue la prueba del ciclo de la corriente térmica, modificada de
la prueba de ciclo de corriente-temperatura de la norma IEEE 837-1989 para
antigüedad del conductor, duración extendida y un mayor nivel de corriente. Este
reporte presenta los resultados de estas pruebas comisionadas.
LOS RESULTADOS DEMUESTRAN DEFINITIVAMENTE QUE EL DESEMPEÑO
DE LOS CONECTORES PARA SISTEMAS DE TIERRAS, MECÁNICOS Y DE
COMPRESIÓN, NO SON EQUIVALENTES A LAS CONEXIONES DE
SOLDADURA EXOTÉRMICAS.
LOS RESULTADOS TAMBIÉN MUESTRAN QUE SOLO LAS CONEXIONES DE
SOLDADURA EXOTÉRMICAS CUMPLIERON LOS REQUERIMIENTOS DE LA
NORMA IEEE STD 837-1989.
1.1.2 INTRODUCCIÓN AL PROGRAMA DE PRUEBAS
Históricamente, muchos estudios se han hecho para determinar las corrientes de
fusión de varios materiales usados para los conductores de tierra y a los
conectores usados para interconectar a dichos conductores. Fue determinado que
los conductores usados en los sistemas de tierra, originalmente diseñados para
aplicaciones de potencia, no podrían conducir tanta corriente como el conductor
bajo condiciones de falla.
Los criterios de los sistemas de tierra en subestaciones fueron publicados por
primera vez en los Estados Unidos en la gaceta de la AIEE No. 80, Marzo 1961,
Capítulo Cuarto: PRUEBAS Y ENSAYOS APLICADOS A LA SOLDADURA CADWELD
SOLDADURA CADWELD Página 111
“Guide for Safety in Alternating-Current Substation Grounding” (Guía para la
seguridad en sistema de tierras para subestaciones de corriente alterna), después
cambiaron en la norma de la IEEE No. 80. La versión actual (1986) de la guía,
IEEE Standard No. 80, “IEEE Guide for Safety in AC Substation Grounding” [26],
afinó los requerimientos de las conexiones reconociendo que las conexiones
exotérmicas tienen la misma corriente de falla y capacidad térmica que el
conductor de tierra de cobre.
Las conexiones exotérmicas no fueron previamente consideradas sino hasta que
algunos usurarios reconocieron su capacidad, mientras que otros las clasificaban
como conexiones por fundición. Los conductores de tierra fueron degradados a
250 °C ó 300 °C cuando los conectores mecánicos eran usados.
Mientras la revisión de 1986 la normativa ANSI/IEEE Std 80 era preparada,
muchos manufactureros de conectores en la fuerza de tarea de revisión solicitaron
que un nuevo estándar fuera preparado para probar y calificar a los conductores
mecánicos de grandes corrientes de falla, posibles en las subestaciones.
Esto resulto en la publicación de la norma IEEE Std. 837-1984, “IEEE Standard for
Qualifying Permanent Connections Used in Substation Grounding” (Estándar IEEE
para la calificación de conexiones permanentes usadas en los sistemas de tierras
de las subestaciones), la cual fue posterior mente revisada en 1989. La revisión de
1986 de la norma ANSI/IEEE Std. 80 reconoció este estándar y permitió a
cualquier conector que pasara los requerimientos de la norma IEEE Std. 837 ser
usado sin la degradación de temperatura de los conductores de tierra. La revisión
de 1999 de la norma IEEE Std. 80 recomienda que sólo las conexiones que hayan
cumplido con los requerimientos de la norma IEEE Std. 837 sean usadas en los
sistemas de tierra de las subestaciones.
Éste reporte presenta los resultados de dos programas conducidos
independientemente patrocinados por ERICO, Inc. Los programas fueron
orientados a evaluar la habilidad de los conectores de tierra comúnmente usados
para compararlos con los requerimientos de las conexiones permanentes para los
sistemas de tierra en subestaciones.
Capítulo Cuarto: PRUEBAS Y ENSAYOS APLICADOS A LA SOLDADURA CADWELD
SOLDADURA CADWELD Página 112
1.1.3 ALCANCE
En orden de proveer resultados confiables e imparciales, al Comité de Estándares
y Comunidad de Servicios Eléctricos, ERICO, Inc. comisionó los laboratorios de
dos diferentes servicios de potencia de Norte América para llevar a cabo las
pruebas bajo contratos especificados. En 1996, Ontario Hydro Technologies
(OHT), Ontario Hydro Power, de Toronto, Canadá fue comisionado para realizar
un programa de pruebas de acuerdo a la norma IEEE Std. 837. El programa fue
realizado y los dor reportes de pruebas finales competaron la norma “Substation
Grounding Connectors IEEE STD 837-1989 Test Series” (Serie de Pruebas de los
conectores de tierras de subestaciones IEEE 837-1989) [27].
También en 1996, la Southern Electric International´s (SEI) Georgia Power
Research Center fue comisionado para realizar un análisis de ciclo de Corriente-
Temperatura modificado para ser más riguroso que el análisis de la norma IEEE
Std. 827-1989. El programa fue realizado y el reporte final completó la norma
“Comparative Grounding Connector Test” [28].
Éste reporte presenta los resultados de éstos programas pruebas comisionados.
El alcance y resultados de pruebas son presentados por separado.
1.1.3.1 PRUEBAS DEL OHT – IEEE Std. 837-1989
Las conexiones por soldadura exotérmica de la compañía solicitante, junto con los
conectores mecánicos y de compresión de tres manufactureros quienes solicitaron
que los requerimientos de la norma IEEE 837 fueran probados.
Dos tipos de conectores fueron probados; cable a cable y cable a varilla de tierra.
El cable usado fue 4/0 AWG, 19 hebras, mediano, envejecimiento natural, cobre
endurecido.
Las varillas de tierra fueron varillas de acero recubiertas de cobre de 17.3 mm (3/4
in) de diámetro. OHT adquirió todos los materiales en el mercado abierto e instaló
todos los conectores y conexiones exotérmicas siguiendo las recomendaciones
de los manufactureros. Las pruebas fueron realizadas de acuerdo a los
requerimientos prescritos en la norma IEEE 837-1989. Ésta norma requiere que un
Capítulo Cuarto: PRUEBAS Y ENSAYOS APLICADOS A LA SOLDADURA CADWELD
SOLDADURA CADWELD Página 113
mínimo de cuatro especímenes de conectores idénticos sean probados en cada
una de las cuatro categorías de calificación. Cuatro muestras de conectores de
cada fabricante fueron usadas en cada segmento de prueba del programa. Las
cuatro categorías son:
Prueba de tracción mecánica.
Fuerza electromecánica.
Serie de pruebas secuenciales de ácido.
Serie de pruebas secuenciales de alcalinos.
La falla de un espécimen en cada una de las cuatro series de prueba constituye la
falla del conector para cumplir los requerimientos del estándar. Los conectores
incluidos en el programa de pruebas son listados en la tabla siguiente:
CONECTORES PROBADOS POR OHT
FABRICANTE ID MUESTRA NUMERO DE PARTE
ERICO, Inc. Conexión
Exotérmica CADWELD
“CW” C-C XAC2Q2Q
“CW” C-V GTC182Q
Burndy Electrical
Conector de Compresión
“B” C-C YGL29C29
“B” C-V YGLR29C34
AMP, Inc.
Conector Apernado
“A” C-C 812281-1
“A” C-V 81229-1
Thomas & Betts
Conector de Compresión
“T” C-C GG40250- 40250
“T” C-V GG500-40250
C-C es conexión de cable a cable
C-V es conexión de cable a varilla de tierra
Capítulo Cuarto: PRUEBAS Y ENSAYOS APLICADOS A LA SOLDADURA CADWELD
SOLDADURA CADWELD Página 114
Un criterio inicial de desempeño es que la resistencia inicial de cualquier conector
instalado, medidos entre valores estandarizados, no debe exceder el 110% de una
longitud equitativa de un conductor de control antes de que cualquier test sea
iniciado. La única excepción en la prueba de tracción mecánica, donde la
resistencia no es medida. La resistencia de una conexión es calculada como la
medida de resistencia entre ecualizadores menos la resistencia medida del
conductor de control. Todas las medidas de resistencia son hechas con el Micro-
Ohm metro “Valhalla” modelo 4300B.
1.1.3.1.1 PRUEBA DE TRACCIÓN MECÁNICA
En la prueba de tracción mecánica, una muestra de al menos 25.4 cm es colocada
en la máquina de prueba de tensión y una carga es aplicada, cuidando de no
exceder la elongación de 2.1 cm/min/metro de muestra. No está permitido el
movimiento visible del conector pre-marcado a la mínima carga de tensión.
La carga mínima para la conexión Cable-Cable es 2225 N y 4450 N para la
conexión Cable-Varilla de tierra.
La máquina de tensión usada para esta prueba fue una Máquina universal SATEC
modelo 120WHVL
1.1.3.1.2 FUERZA ELECTROMECÁNICA
La prueba de fuerza electromecánica consiste en un circuito cerrado, construido
de los conectores de un fabricante individual, conductor(es) específicado(s),
ecualizadores, e incluye un segmento del conductor control usado como una
referencia para resistencia. Los ecualizadores son integrados al circuito y son
localizados a la mitad de cada conector para proveer puntos de medida de
resistencia. La distancia entre los ecualizadores es igual al largo del conductor de
control. El circuito cerrado es sometido a una corriente asimétrica que es calculada
pera tener un valor pico de el primer medio ciclo igual a 2.7 veces la mitad del 80%
de los RMS de la corriente simétrica de fusión del conductor. El 80 % del valor del
Capítulo Cuarto: PRUEBAS Y ENSAYOS APLICADOS A LA SOLDADURA CADWELD
SOLDADURA CADWELD Página 115
RMS está limitado a un valor máximo de 100 kA. Una corriente asimétrica con un
valor pico de 72.9 kA fue usado. La duración del aumento de potencia es de 0.2
segundos y el aumento de potencia es aplicada 3 veces permitiendo que el
conductor control se enfríe a 100°C antes de que un subsecuente aumento de
potencia sea aplicado.
La fuente de potencia (60 Hz) fueron tres transformadores monofásicos
conectados apropiadamente para alcanzar el nivel de prueba requerido.
Los reactores de limitación de corriente fueron usados para controlar la corriente
de prueba y proveer un gran radio de X/R. El criterio de aprobación requiere que
no haya movimiento visible de del conductor pre-marcado y que el incremento
máximo de resistencia sea 50% de el valor de la resistencia inicial.
1.1.3.1.3 SERIES DE PRUEBAS SECUENCIALES
La secuencia de la prueba es como sigue: ciclo de corriente-temperatura,
congelamiento-deshielo, segmento de corrosión (ácida o alcalina) y prueba de
corriente de falla.
Cada circuito cerrado usado para las pruebas de serie secuenciales consiste en
un circuito cerrado construido por los conectores de un fabricante individual, un
conductor específicado, ecualizadores, e incluye un segmento de conductor
control usado como referencia para temperatura y resistencia. Los ecualizadores
son integrados al circuito y son localizados a la mitad de cada conector para
proveer puntos de medida de resistencia. La distancia entre los ecualizadores es
igual al largo del conductor de control. Cada conector está conectado con un cople
térmico. Circuitos cerrados separados son usados para cada serie alcalina y ácida.
1.1.3.1.3.1. CICLO CORRIENTE-TEMPERATURA
Los circuitos cerrados son sujetos a corriente alternante de un nivel suficiente para
incrementar a un nivel predeterminado la temperatura del conductor control. Una
temperatura de 350°C fue usada para ambas conexiones: conexión Cable-Cable y
Capítulo Cuarto: PRUEBAS Y ENSAYOS APLICADOS A LA SOLDADURA CADWELD
SOLDADURA CADWELD Página 116
conexión Cable-Varilla de tierra. La prueba consiste en 25 ciclos, de una hora a
350°C. Se le permite al circuito cerrado enfriarse al ambiente entre ciclos. La
corriente nominal para las conexiones Cable-Cable fue 1010 A y para las
conexiones Cable-Varilla de tierra fue 540 A. La resistencia y la temperatura son
medidas al principio del primer ciclo y después cada quinto ciclo. El criterio de
aprobación requiere de unincremento máximo de resistencia de un 150% del valor
inicial de la resistencia del conector y la temperatura y la temperatura del conector
no debe exceder la temperatura del conductor control.
1.1.3.1.3.2. PRUEBA DE CONGELAMIENTO-DESHIELO
Los circuitos cerrados de la prueba ciclo de Corriente-Temperatura son ahora
sometidas a la prueba de Congelamiento-Deshielo. La prueba consiste en
sumergir los circuitos cerrados en al menos 2.54 cm de agua y someterlos a 10
ciclos de Congelamiento-Deshielo. Un ciclo se constituye de 2 horas a -10°C o
menor y dos horas a 20°C o más. El criterio de aprobación requiere un valor
máximo incrementado el 150% del valor de la resistencia inicial del conector.
Las pruebas de Congelamiento-Deshielo fueron realizadas en un gran salón
Walking de experimentación ambiental, teniéndose un rango de temperatura
controlado de -50 ° C hasta 50 ° C. Los especímenes fueron perfectamente
secados antes de la medición de resistencia final.
1.1.3.1.3.3. PRUEBA DE CORROSION DE ÁCIDOS “BAJO GRADO”
Ésta porción de las pruebas secuenciales es para los conectores cuyos diseños
están diseñados para aplicación de enterrado directo. La mitad de los circuitos
cerrados de prueba fueron sujetos a este segmento de las series secuenciales,
mientras que la otra mitad fueron sujetos a la prueba de corrosión de alcalinos
“sobre grado”, descritos en la siguiente sección.
Capítulo Cuarto: PRUEBAS Y ENSAYOS APLICADOS A LA SOLDADURA CADWELD
SOLDADURA CADWELD Página 117
Una solución del 10% de ácido nítrico es usada para esta prueba de corrosión.
Cada conector y el 80% del conductor entre los ecualizadores son sumergidos en
el ácido por una duración de tiempo que resultaría en un decremento del 20% en
el área de sección transversal del conductor control cuando los conductores de
cobre son usados. Cuando los conductores recubiertos de cobre son usados, la
duración es definida como el tiempo que requiere aumentar la resistencia del
conductor control en un 25%. El criterio de aprobación requiere un máximo de
incremento en la resistencia de un 150% de la resistencia inicial del conector. Los
especímenes son lavados y perfectamente secados antes de realizar la medición
de resistencia final.
1.1.3.1.3.4. PRUEBA DE CORROSIÓN ALCALINA “SOBRE
GRADO”
Ésta porción de las pruebas secuenciales para conectores de aplicación “sobre
grado”. El circuito cerrado de prueba es sometido a una niebla de sal por un
periodo mínimo de 500 horas. La prueba es realizada cumpliendo con la norma
ANSI/ASTM B117-85. [29]
Una cámara industrial de filtración y bombeo de niebla de sal Mfg Co., es usa para
la prueba del conductor.
El criterio de aprobación requiere un incremento máximo en la resistencia de un
150% del valor inicial de resistencia del conector. Los especímenes fueron lavados
y perfectamente secados antes de que la medición final de resistencia fuera
realizada.
1.1.3.1.3.5. PRUEBA DE CORRIENTE DE FALLA
La prueba de corriente de falla es realizada en todos los circuitos cerrados como el
segmento final de las pruebas secuenciales. El objetivo ésta prueba final es
determinar si las conexiones que han sido condicionadas por los previos
segmentos de las pruebas. La corriente simétrica de falla es 90% de la corriente
Capítulo Cuarto: PRUEBAS Y ENSAYOS APLICADOS A LA SOLDADURA CADWELD
SOLDADURA CADWELD Página 118
de fusión del resto del área de sección transversal del conductor control. Tres
aumentos de potencia son aplicados con una duración de 10 min cada una. Se
permite que el conductor control se enfríe a 100°C entre cada aumento de
potencia.
El criterio de aplicación requiere de un incremento máximo de un 150% de la
resistencia inicial del conector.
1.1.3.2 PRUEBA COMPARATIVA DE CONECTORES DE TIERRA
DEL SEI
Southern Electric International (SEI) del Georgia Power Reserch fue comisionado
para realizar la prueba cíclica de Corriente-Temperatura para evaluar el
desempeño relativo de conectores de tierra permanentes instalados en el cable
enterrado, bajo condiciones de falla sostenida.
Las conexiones deben de ser fabricadas para una existencia conjunta con el
sistema de tierras (cable enterrado), esta situación no está referida en la norma
IEEE Std. 837-1989, para esto, esa condición fue simulada en este programa de
pruebas. Las conexiones exotérmicas fabricadas por la compañía solicitante y las
conexiones mecánica y de compresión de las tres mismas compañías que fueron
probadas por la OHT en las pruebas de la norma IEEE Std. 837-1989, fueron
Probadas para las conexiones Cable-Cable. SEI adquirió todos los materiales en
el mercado abierto e instalo todos los conectores y las uniones exotérmicas,
siguiendo las recomendaciones del fabricante. La lista de fabricantes y numero de
partes están incluidos en la tabla inferior.
Capítulo Cuarto: PRUEBAS Y ENSAYOS APLICADOS A LA SOLDADURA CADWELD
SOLDADURA CADWELD Página 119
CONECTORES PROBADOS POR SEI
FABRICANTE ID MUESTRA NUMERO DE PARTE
ERICO, Inc. Conexión
Exotérmica CADWELD CW1, CW2 TAC2V2V
Burndy Electrical
Conector de Compresión
BC1, BC2 YGL29C29
Burndy Electrical
Conector Tap de
Compresión
BL1, BL2 YGHC29C29
AMP, Inc.
Conector Apernado
A1, A2 81228-1
Thomas & Betts
Conector de Compresión
TB1, TB2 GG40250-40250
Capítulo Cuarto: PRUEBAS Y ENSAYOS APLICADOS A LA SOLDADURA CADWELD
SOLDADURA CADWELD Página 120
El conductor, 250 kcmil (127 mm2), 37 hebras, cobre blando, fue envejecido
artificialmente calentándola en un horno a 260°C por un periodo de 24 horas, para
simular a los conductores oxidados encontrados en las mallas de los sistemas de
tierra. Las series de circuitos cerrados de prueba consisten en conductor
envejecido, dos conectores de cada tipo probado, ecualizadores, y un segmento
de conductor control (1.22m), usada como referencia para temperatura y
resistencia. Los ecualizadores son integrados al circuito y son localizados a la
mitad de cada conector para proveer puntos de medida de resistencia. La
distancia entre los ecualizadores es igual al largo del conductor de control.
La prueba fue efectuada a corrientes (60 Hz) mayores que las especificadas en la
norma IEEE Std. 837-1989. Las pruebas de Corriente-Temperatura consiste de
100 ciclos a una temperatura de 550°C del conductor control (51% de la fusión del
conductor). La temperatura especificada en la norma IEEE Std. 837-1989, para
conductor de cobre es de 350°c o el 32% de la temperatura de fusión del
conductor. Tras la falla de un conector o conductor, es remplazado con un
conductor desnudo entre los ecualizadores, así que se omita la sección fallada del
circuito cerrado y permitiendo de esta manera que la prueba continúe.
Cada conector y el conductor control fueron instrumentados con dos coples
térmicos instalados en los conectores, que fueron censados al final de cada ciclo.
La resistencia fue medida y registrada al principio de la prueba y cada décimo
ciclo.
La resistencia del conector es calculada como la resistencia medida entre
ecualizadores menos la medida de la resistencia del conductor control. Los valores
de la resistencia es adecuada a 20°C. El criterio de aceptación fueron los mismos
que los establecidos en el segmento de la prueba cíclica de Corriente-
Temperatura de la norma IEEE Std. 837-1989. La temperatura del conector no
debe exceder la del conductor control. La resistencia del conductor no debe
exceder el 150% de su valor inicial. Todos los ciclos fueron video grabados.
Capítulo Cuarto: PRUEBAS Y ENSAYOS APLICADOS A LA SOLDADURA CADWELD
SOLDADURA CADWELD Página 121
1.1.4 RESULTADOS
Los resultados de cada programa son presentados separadamente, como a
continuación se describen:
1.1.4.1 PRUEBAS DE LA OHT – NORMA IEEE STD. 837-1989
Los resultados de la OHT son resumidos en la tabla siguiente. Los resultados
muestran que solo las conexiones exotérmicas CADWELD cumplieron con los
requerimientos de prueba de la norma IEEE Std. 837-1989. Hubo un cambio en el
método para calcular el cambio en la resistencia del conductor cuando el conector
es una varilla de acero recubierta de cobre. La resistencia normalmente
determinada es discutida en la sección 1.1.3.1.
El problema observado fue que el grosor del cobre varió en las varillas de tierra y
el grosor del conductor control es diferente del que se encuentra en las varillas
usadas en los circuitos cerrados.
Fue difícil restar la resistencia del conductor control de la resistencia del conector
espécimen. Fue determinado que si de un 8% a un 10% de cambio en la
resistencia es observado, dentro de la resistencia total del conector espécimen
(conector y conductor), esto correspondía a un 150% de aumento en la resistencia
del conector mismo. Esto por que la resistencia de sólo el conector es solo un
pequeño porcentaje de la resistencia total de los especímenes de conectores.
Para esto, los investigadores cambiaron la definición de los criterios de la variación
de resistencia permisible, cuando las varillas de tierra recubiertas de cobre fueron
usadas. Los nuevos criterios permitieron un máximo en la variación de resistencia
de todos los conectores de 10 puntos porcentuales más que aquellos del
conductor control. Por ejemplo, un cambio de 4% en el conductor significa que la
resistencia global de los especímenes de conductores será del 14%. Éste criterio
fue aplicado a todos los conductores de cobre desnudos para sistemas de tierra.
Capítulo Cuarto: PRUEBAS Y ENSAYOS APLICADOS A LA SOLDADURA CADWELD
SOLDADURA CADWELD Página 122
1.1.4.1.1. PRUEBA DE TRACCIÓN MECÁNICA
Las únicas fallas en este segmento de pruebas fueron ocurrieron en las
conexiones de Cable-Varilla de tierra. Las fallas ocurrieron con la muestra “A” con
el espécimen de la conexión C-V y los cuatro especímenes de la muestra “T”,
separándose la varilla de tierra de los conectores bajo un nivel de carga de 4450N.
El conector “A” C-V falló justo bajo el nivel mínimo, a 4317 N y los cuatro
especímenes de conectores “T” C-V fallaron a 966, 1633, 1455, y 1108 N, por
debajo del nivel prestablecido de 4450 N.
1.1.4.1.2. FUERZA ELECTROMECÁNICA
Las fallas resultaron en ambos tipos de conexiones, Cable-Cable y Cable-Varilla
de tierra. Las fallas en las conexiones Cable-Cable ocurrieron en tres de los cuatro
conectores de la muestra “A” C-C presentando movimiento de hasta 0.64 cm.
RESULTADOS RESUMIDOS DE LAS PRUEBAS DE LA OHT
ID MUESTRA TRACCIÓN
MECÁNICA
FUERZA
ELECTRO-
MECÁNICA
PRUEBAS
SECUENCIALES
ÁCIDO ÁLCALINO
“A” C-C 4 Pasaron 3 Fallaron 4 Fallaron 4 Fallaron
“A” C-V 1 Falló 4 Pasaron 4 Pasaron 3 Fallaron
“B” C-C 4 Pasaron 4 Pasaron 4 Pasaron 4 Fallaron
“B” C-V 4 Pasaron 3 Fallaron 2 Fallaron 3 Fallaron
“T” C-C 4 Pasaron 4 Pasaron 4 Fallaron 4 Fallaron
“T” C-V 4 Fallaron 3 Fallaron 1 Falló 4 Fallaron
“CW” C-C 4 Pasaron 4 Pasaron 4 Pasaron 4 Pasaron
“CW” C-V 4 Pasaron 4 Pasaron 4 Pasaron 4 Pasaron
Capítulo Cuarto: PRUEBAS Y ENSAYOS APLICADOS A LA SOLDADURA CADWELD
SOLDADURA CADWELD Página 123
Las fallas en las conexiones Cable-Varilla de tierra ocurrieron en tres de los cuatro
conectores de la muestra “B” C-V y en tres de los cuatro conectores de la muestra
“T” C-V cada uno presentando desplazamientos de 0.16 cm y 7.62 cm
respectivamente. El conductor se salió completamente en uno de los conectores
de la muestra “T” C-V en el tercer aumento de voltaje.
1.1.4.1.3. SERIE DE PRUEBAS SECUENCIALES ÁCIDAS
El único fabricante en tener ambos tipos de conectores, Cable-Cable y Cable-
Varilla de tierra, que pasaron ésta serie de pruebas fue las conexiones por
soldadura exotérmica CADWELD. Los conectores “A” C-V y “B” C-C también
pasaron éstas serie de pruebas. Las fallas de las otras conexiones ocurrieron en
varios puntos a través del desarrollo de la serie de pruebas. La falla de determino
al contrastar los conectores con el criterio del aumento del 150% en la resistencia
de dicho elemento.
Todos los especímenes de conector de la muestra “A” C-C fallaron en esta
secuencia de pruebas como el resultado de una lata resistencia. Todos fallaron
después de las series de Congelación-Deshielo (1417%, 351%,1481%, y 408%).
Todos los conectores de la muestra “A” C-V pasaron esta secuencia de pruebas.
Todos los especímenes de la muestra “B” C-C pasaron esta prueba secuencial.
Dos de los cuatro especímenes de la muestra “B” C-V fallaron en esta serie de
pruebas, como resultado de una alta resistencia. Todos los especímenes
excedieron el limite de resistencia después de las serie de pruebas de
Congelamiento-Deshielo (473%, 2590%, 841%, y 1139%). Uno de los
especímenes de conector de la muestra “T” C-V excedió la resistencia limite en la
prueba de Corriente de Falla.
Todos los especímenes de conectores de la muestra “CW” C-C y C-V pasaron
esta serie de pruebas. Las muestras “CW” tuvieron los menores valores de
resistencia inicial de todos los conectores. El mayor incremento en la resistencia,
una vez removido del baño de ácido, fue del 49% en uno de los especímenes de
Capítulo Cuarto: PRUEBAS Y ENSAYOS APLICADOS A LA SOLDADURA CADWELD
SOLDADURA CADWELD Página 124
la muestra “CW” C-C. La resistencia cayó al 21% en ésta conexión después de la
prueba de Corriente de Falla.
1.1.4.1.4. SERIE DE PRUEBAS SECUENCIALES ALCALINAS
Los únicos conectores que pasaron ésta prueba fueron las conexiones por
soldadura exotérmica CADWELD. Ambos tipos de conectores, de todos los
fabricantes restantes fallaron durante ésta secuencia de pruebas. Los 6
conectores que fallaron en esta prueba los hicieron por una de las siguientes
razones: falla de apertura de circuito, o se rebasó la tolerancia del 150% en la
resistencia permitida.
Todos los conectores especímenes de la muestra “A” C-C fallaron en estas series.
Un espécimen se perdió (Falla de Apertura) durante al ciclo de Corriente-
Temperatura. Dos especímenes fallaron como resultado del incremento de la
resistencia (467 y 346%), siguiendo la serie de ciclo de Corriente-Temperatura.
Arcos eléctricos fueron observados durante la prueba de falla de todos los
conectores y uno de los conductores presentó Falla de Apertura durante el tercer
ciclo de falla. La muestra que presentó esta falla durante las series de ciclo de falla
tuvo un incremento del 475% después del segmento de Congelamiento-Deshielo
de la prueba. Tres de las cuatro conectores especímenes de la muestra “A” C-V
fallaron en la prueba de corriente de falla, como resultado de una alta resistencia.
Todos los conectores especímenes de la muestra “B” C-C fallaron esta serie de
pruebas como resultado de una alta resistencia. Un espécimen falló después de la
serie de Congelamiento-Deshielo (181%). Otro espécimen falló siguiendo la serie
de pruebas de niebla de sal (154%), y los otros dos especímenes fallaron
siguiendo la prueba de corriente de falla (185% y 383%). Tres de los cuatro
conectores especímenes de la muestra “B2 C-V fallaron en la prueba de corriente
de falla a causa de una gran resistencia. Arcos eléctricos fueron observados en
uno de los especímenes de la muestra “B” C-V durante el primer ciclo de la prueba
de corriente de falla.
Todos los especímenes de las muestras “T” C-C y “T” C-V en esta secuencia de
prueba. Todos los especímenes de la muestra “T” C-C excedieron la resistencia
Capítulo Cuarto: PRUEBAS Y ENSAYOS APLICADOS A LA SOLDADURA CADWELD
SOLDADURA CADWELD Página 125
límite al desarrollarse la series de pruebas de Congelamiento-Deshielo (1570%,
1668%, 526%, y 1394%). Un conector espécimen de la muestra “T” C-C se fundió
durante el primer ciclo de la prueba de corriente de falla.
Tres de los conectores especímenes de la muestra “T” C-V excedieron el límite de
resistencia siguiendo la prueba de corriente de falla.
Todas las conexiones de la muestra “CW” C-C y C-V tuvieron los menores valores
de resistencia inicial de todos los conectores. El mayor incremento en la
resistencia, debido a la terminación de las pruebas de corriente de falla, fue del
7% en uno de los especímenes de la muestra “CW” C-C.
1.1.4.2. PRUEBA COMPARATIVA DE CONECTORES DE TIERRA
DEL SEI
Con la realización del primer ciclo Corriente-térmico, la temperatura de todos los
conectores, excepto las conexiones exotérmicas, excedieron la temperatura del
conductor control. Para el final del 33° ciclo, solo las dos conexiones exotérmicas
(CW1 y CW2) no presentaron falla por fusión. Hasta ese punto, ambas conexiones
exotérmicas refirieron temperaturas por debajo del conductor control. El tiempo de
falla por cada uno de los conectores probados se muestra en la gráfica siguiente
(Fig. 43).
Figura 43) Resultados del SEI (Ciclos antes de falla por fundición)
Capítulo Cuarto: PRUEBAS Y ENSAYOS APLICADOS A LA SOLDADURA CADWELD
SOLDADURA CADWELD Página 126
El modo de falla para los conectores “A” y “BL” el desarrollo de alto contacto
resistivo entre el conector y el conductor, como es notado por el color rojo cereza y
los arcos eléctricos observados dentro de los conductores antes de la falla.
La falla de los conectores “BC” y “TB” debido a la distribución desigual de corriente
en cada una de las hebras del conductor, resultando en la fusión de seas hebras.
Esto resulta en la sobrecarga de corriente en las hebras restantes, y
subsecuentemente, la fundición del conector adyacente al conductor.
El escenario típico es la fundición las hebras externas debido a que una mayor
densidad de corriente existe en ellas, en comparación con las hebras internas.
Esto resulta de la gran resistencia que existe entre las hebras debido a las capas
de oxido y debido al hecho de que la corriente debe pasar por las hebras externas,
las cuales son las únicas en contacto con el conector mecánico o de compresión.
Esto no ocurre con las conexiones de soldadura exotérmica, por que el proceso de
soldadura funde las terminaciones de cada hebra juntas, resultando en una
mejorada distribución de corriente entre las hebras.
Con el progreso de la prueba, los conductores en los circuitos cerrados
comenzaron a deteriorarse. Una pesada capa de óxido se desarrollo e inició a
corroer el conductor. El efecto es evidente por el constante incremento de la
resistencia en el conductor control. La gráfica (Fig. 44) presenta la resistencia de
cada conductor y del conductor control, a la falla.
El conductor en la sección que contenía la conexión por soldadura exotérmica
CW2 falló a la mitad de la distancia entre el ecualizador y la conexión, y fue
atribuida a la falla del conductor y no causada por el conector.
La figura (Fig. 45) muestra la temperatura promedio en cada ciclo, hasta la falla,
de cada conductor espécimen y del conductor control.
Es evidente el hecho de que la temperatura de todos los conectores, exceptuando
las conexiones “CW” excedió la temperatura del conductor control, tan pronto
como el final del primer ciclo.
Capítulo Cuarto: PRUEBAS Y ENSAYOS APLICADOS A LA SOLDADURA CADWELD
SOLDADURA CADWELD Página 127
Figura 44) Resistencia Conector/Conductor Control
Figura 45) Temperatura Conector/Conductor
SOLDADURA CADWELD Página 128
1.1.5 CONCLUSIONES DEL PROGRAMA DE PRUEBAS Los resultados muestran, definitivamente que el desempeño de los conectores de
conductores de tierra mecánicos y de compresión no es equivalente la las
conexiones por soldadura exotérmica.
SOLDADURA CADWELD Página 129
CONCLUSIONES
1.1 GENERALES
Como quedó demostrado por el presente trabajo monográfico, el método
CADWELD de soldadura es una tecnología relativamente reciente, el cual fue
creado basado en una necesidad: el brindar una conexión permanente a los
conductores en el sistema de tierra.
El desarrollo del método CADWELD de soldadura contó con una lenta aceptación
del medio, pero a medida en que sus capacidades fueron probadas y ratificadas,
contó con una hegemonía cada vez mayor, al grado de ser la única unión para
conductores de sistemas de tierra en cumplir con las especificaciones de la IEEE,
convirtiéndose así en los conectores por excelencia de los sistemas de tierra.
La practicidad y relativa sencillez de aplicación hacen de este método una versátil
técnica de trabajo, con lo que se puede eficientizar el tiempo de trabajo y
minimizar las maniobras y necesidades específicas que han de requerir los otros
sistemas de conexión para conductores en los sistemas de tierra.
CONCLUSIONES
SOLDADURA CADWELD Página 130
1.2 ESPECÍFICAS
El método CADWELD de soldadura representa, en sí, un ahorro; desde horas
hombre de trabajo, maquinaria requerida para su aplicación e insumos, hasta en
posibles mantenimientos correctivos a futuro.
Puesto que por ser una unión perfecta, no está propensa a sufrir de las típicas
fallas que presentan los otros tipos de conectores de conductores para sistemas
de tierra. Como quedo demostrado, las conexiones por soldadura exotérmica
garantizan la completa funcionalidad de la malla de tierra, es decir, la vida útil de la
conexión soldada será igual a la vida del conductor y por ende, a la de la malla del
sistema de tierras; aunque según las pruebas comparativas desarrolladas según la
norma IEEE Std. 837-1989, hay indicios de que la conexión podría inclusive sobre
pasar la vida útil del conductor usado.
Esta conclusión se obtuvo en base a la experiencia obtenida mediante las pruebas
mencionadas anteriormente; en una prueba de cortocircuito, el elemento del
circuito de prueba que falló fue en conductor mismo, alcanzando su temperatura
de fundición antes de siquiera alcanzar la temperatura de falla por fusión de la
soldadura exotérmica.
Ahora bien, el tema de la aplicación. Si bien es cierto que se necesita personal
capacitado para aplicar la soldadura exotérmica, no se requiere de una
especialización mayor, es decir, un trabajador con un curso en aplicación, y
seguridad en el manejo de la soldadura exotérmica puede llevar a cabo este tipo
de uniones sin ningún problema. Cabe mencionar que como todo tipo de
soldadura, la práctica constante conlleva al perfeccionamiento en la aplicación del
método de soldadura exotérmica. Las partes componentes y los insumos
necesarios para realizar la unión exotérmica son especificadas por los tipos de
uniones a realizar, lo que conlleva a una sistematización del proceso, pero
presentando también la posibilidad de tener cierta flexibilidad en él.
¿Cómo explicar la flexibilidad en el proceso? Pues bien, como se mencionó en el
capítulo tercero, este método presenta la oportunidad de hacer permutaciones en
CONCLUSIONES
SOLDADURA CADWELD Página 131
la estructura misma de la unión. Ejemplificarlo resulta sencillo: si se requiriera un
tipo de unión específico, puede ser sustituido por la combinación apropiada de
conexiones exotérmicas, pues en última instancia, la sustitución resulta
equivalente en los aspectos importantes, como la capacidad de distribución de la
corriente de falla. Lo anterior queda expresado gráficamente en el capítulo tercero.
Como se mencionó anteriormente, este tipo de unión garantiza estar libre de
fallas, es decir, no presenta las fallas típicas que presentaría, por ejemplo, un
conector meramente mecánico, como serian puntos de presión excesivos y am
mismo tiempo y en contraste, partes en las que no están en contacto el conductor
y el conector, creando así diferencias de potencial, resultando a su vez en campos
electromagnéticos y estos en fuerzas que se repelen, pudiendo provocar la
separación del conductor y el conector.
Tal escenario se manifestó durante las pruebas encargadas por la compañía
ERICO, Inc., cuando un espécimen en la prueba de fuerza electromecánica, el
cual resulto en la separación total del conector mecánico y el conductor.
Continuando con la cuestión de la normativa aplicable, la IEEE diseñó las normas
específicas para la calificación de los conectores utilizados para los conductores
de los sistemas de tierra, y como se discutió en el capítulo cuarto, se probaron
diferentes fabricantes de conectores resultando excelsamente superior en (por no
decir único en terminar satisfactoriamente) la serie de pruebas, por lo que las
conexiones de soldadura exotérmica consiguieron el respaldo total de la IEEE,
quedando estipulado que solo éstas deberán ser aplicadas a los sistemas de
tierra.
Ahora bien, no todo es perfección con este tipo de soldadura, pues el método
presenta algunas cuestiones que pueden ser nocivas para la soldadura, pero aun
así, la consideración final es que son más los beneficios que aporta contrastados
con los posibles inconvenientes.
CONCLUSIONES
SOLDADURA CADWELD Página 132
1.3 FINALES
El método de soldadura CADWELD o exotérmica, representa una nueva
tecnología, y por ende, su conocimiento y dominio supone una ventaja para el
ingeniero mecánico electricista.
Presenta la capacidad de no necesitar mantenimiento alguno, actuar como parte
del conductor mismo y así mimetizar las capacidades de conducción de corriente
de éste, reforzar los puntos de unión entre conductores y con esto, brindar una
mayor rigidez, como un todo, a la malla de conductores.
Conocer el proceso, sus partes e insumos, medidas de seguridad, métodos de
aplicación y demás avatares afines al tema proporcionan una vasto conocimiento,
una sustancial ventaja en el campo laboral, y si se desarrolla de manera
especializada, podría incluso representar una oportunidad laboral, al desarrollar
por ejemplo, una empresa especializada en la construcción del sistema de tierras
físicas.
SOLDADURA CADWELD Página 133
GLOSARIO
ACETILENO Es el alquino más sencillo. Es un gas, altamente inflamable, un poco
más ligero que el aire e incoloro. Produce una llama de hasta 3.000 º c, una de las
temperaturas de combustión más altas conocidas, superada solamente por la del
hidrógeno atómico (3400 º c - 4000 º c), el cianógeno (4525 º c) y la
del dicianoacetileno (4987 º c). La manera de obtenerlo químicamente es la
siguiente: CaC2 + 2H2O → Ca (OH)2 + C2H2. La descomposición del acetileno es
una reacción exotérmica. Asimismo su síntesis suele necesitar elevadas
temperaturas en alguna de sus etapas o el aporte de energía química de alguna
otra manera. El acetileno es un gas explosivo si su contenido en aire está
comprendido entre 2 y 82 %. También explota si se comprime solo, sin disolver en
otra sustancia, por lo que para almacenar se disuelve en acetona, un disolvente
liquido que lo estabiliza.
AMPACIDAD Capacidad de conducir corriente.
ANSI American National Standards Institute (Instituto Nacional americano de
Estándares)
ASME American Society of Mechanical Engineers (Sociedad Americana de
Ingenieros Mecánicos)
APERNAR Sujeción mecánica mediante el uso de pernos.
AWG American Wire Gauge (Calibración americana de Cables), sistema de
medición estandarizada para calibre de conductores. Ejemplo:
4/0 AWG = 107.2mm2
BENTONITA Es una arcilla color pardo, de formación natural, que es levemente
ácida, con un pH de 10,5. Puede absorber casi cinco veces su peso de agua y de
este modo, expandirse hasta treinta veces su volumen seco. Su nombre químico
es montmorillonita sódica. En terreno, puede absorber humedad del suelo
circundante y ésta es la principal razón para usarla, ya que esta propiedad ayuda
a estabilizar la impedancia del electrodo a lo largo del año. Tiene baja resistividad
GLOSARIO
SOLDADURA CADWELD Página 134
- aproximadamente 5 ohm - metro y no es corrosiva. Bajo condiciones
extremadamente secas, la mezcla puede resquebrajarse ofreciendo así poco
contacto con el electrodo. La Bentonita es de carácter tixotrópica y por lo tanto se
encuentra en forma de gel en estado inerte. La Bentonita se usa más a menudo
como material de relleno al enterrar barras profundas. Se compacta fácilmente y
se adhiere fuertemente.
COALESCENCIA La coalescencia es la posibilidad de dos o más materiales de
unirse en un único cuerpo.
CONEXIÓN Unión efectiva y permanente de los elementos metálicos para formar
una trayectoria eléctrica, la cual debe garantizar la continuidad y la capacidad para
conducir en forma segura cualquier corriente transitoria impuesta.
CALOR DE COMBUSTIÓN Cantidad de energía térmica liberada cuando se
quema una cantidad específica de una sustancia.
CALOR DE FUSIÓN Cantidad de calor necesaria para convertir una cantidad
específica de un sólido en líquido en su punto de fusión.
CRECIMIENTO EPITAXIAL Al aumentar la temperatura de restauración se hacen
perceptibles en la microestructura nuevos cristales diminutos. Estos tienen
la misma composición y presentan la misma estructura cristalina que los
granos originales sin deformar, y su forma no es alargada, sino que son
aproximadamente de dimensiones uniformes.
DESENTORCHAR Desenhebrar un cable, hacer que pierda su condición como un
todo, reducirlo a cada una de sus hebras.
ESTEQUIMÉTRICA Condición de sustancia, constituida por agente reactor y
reactante, que se encuentra en una mezcla equilibrada de acuerdo a sus
propiedades moleculares, en cantidades optimas para la reacción.
FLUOROPOLÍMEROS Mezclas entre moléculas de polímeros y flúor cuyas
características principales son baja reactividad y alta polaridad del enlace
polímero-flúor. Tienden a romperse muy lentamente en el ambiente, por lo que se
GLOSARIO
SOLDADURA CADWELD Página 135
considera un contaminante persistente.
FREATOMAGMÁTICA Tipo de explosión que se genera debido la acumulación de
vapor de agua supercalentado por una sustancia incandescente, en este caso, la
termita al rojo blanco.
HAZ Heat Afected Zone (Zona Afectada por el Calor).
I.E.E.E. Institute of Electrical and Electronics Engineers (Instituto de Ingenieros
Eléctricos y Electronicos).
ISO International Standards Organization (Organización Internacional de
Estándares).
MALEABILIDAD Propiedad de un material sólido de adquirir una deformación
metálica mediante una compresión sin fracturarse.
MENA Material metalífero, tal y como se extrae de la mina.
PASIVACIÓN Formación de una película relativamente inerte, sobre la superficie
de un metal, lo que lo enmascara contra la acción de agentes externos. Aunque la
reacción entre el metal y el agente externo sea termodinámicamente factible a
nivel macroscópico, la capa o película pasivante no permite que éstos puedan
interactuar, de tal manera que la reacción química o electroquímica se ve reducida
o completamente impedida.
REACCIÓN EXOTÉRMICA Se denomina a cualquier reacción química que
desprende calor, es decir con una variación negativa de entalpía. El prefijo exo
significa “hacia fuera”. Por lo tanto entendemos que las reacciones exotérmicas
son aquellas que liberan energía en forma de calor. El esquema general de una
reacción exotérmica puede ser escrito de la manera siguiente, donde A, B, C y D
representan sustancias genéricas. Se da principalmente en las reacciones de
oxidación. Cuando ésta es intensa puede dar lugar al fuego.
REACCIONES DE ÓXIDO REDUCCIÓN Son aquellas en las cuales unos
reactantes ganan electrones, y otros los pierden. En ellas debe existir un cambio
GLOSARIO
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en el estado de oxidación de algunos elementos o todos lo elementos de los
compuestos reaccionantes.
REACTANTE Sustancias iniciales que están presentes en una reacción química.
REACTIVO Sustancia de partida de una reacción química.
RESINA FENÓLICA Resina termoestable, resistente al calor y al agua, formada
por la condensación del fenol y el formaldehído, de gran resistencia al
envejecimiento, empleada en la fabricación de productos moldurados adhesivos y
revestimientos superficiales.
SOLDABILIDAD Capacidad de un metal para aceptar que se le una por
soldadura bajo condiciones específicas.
SOLDADURA DE ARCO Soldadura hecha por medio de un arco eléctrico.
SOLDADURA DE ARCODE TUNGSTENO CON GAS Soldadura de arco en la
que el arco y el metal fundido están protegidos mediante gases aportados por una
fuente externa, y el metal de aporte necesario se suministra por medio de varillas
de soldadura. Los electrodos son de tungsteno no consumible.
SOLDADURA DE ARCO METALICO CON GAS Proceso de soldadura en el que
el electrodo es un metal de aporte continuo protegido por gases allegados
exteriormente.
SOLDADURA DE ARCO METALICO PROTEGIDO Soldadura de arco en la que
tanto al arco como el metal están protegidos por los productos de descomposición
del recubrimiento de un electrodo metálico consumible.
SOLDADURA DE ESTADO SOLIDO Cualquier método de soldadura en el que se
utiliza presión, o calor y presión para realizar la soldadura sin fusión.
SOLDADURA DE FILETE Soldadura de sección transversal aproximadamente triangular que uno dos superficies situadas esencialmente en ángulo recto entre sí en una junta de traslape, en T o en una esquina. SOLDADURA EXOTÉRMICA Conexión permanente entre conductores de cobre, electrodos de puesta a tierra y/o metales de acero al carbón, unión a nivel molecular producto de una reacción exotérmica.
GLOSARIO
SOLDADURA CADWELD Página 137
SOLDADURA OXIACETILENICO Soldadura efectuada con una llama
oxiacetilénica.
SOLDADURA POR ARCO METALICO Soldadura de arco con electrodos de
metal. Comúnmente se refiere a la soldadura de arco protegido utilizando
electrodos recubiertos.
TERMITA Tipo de composición pirotécnica de aluminio y un óxido metálico, el
cual produce una reacción aluminotérmica conocida como reacción termita. El
aluminio es oxidado por el óxido de otro metal, comúnmente por óxido de
hierro (herrumbre). Los productos de la reacción química son: óxido de aluminio +
hierro elemental libre y una gran cantidad de calor. Los reactivos normalmente se
pulverizan y mezclan con un aglomerante para mantener el material sólido y
prevenir su separación.
ZAC Zona afectada por el calor.
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REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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[2] Groover, M. P., Fundamentos de Manufactura Moderna, 3ª ed., Ed. McGraw-
Hill, 2007.
[3] Horwitz, H., Soldadura. Aplicaciones y Práctica, 1ª Ed, Ed. Alfaomega, 1997
[4] Metals Handbook, 9ª ed., vol. 6, Welding, Brazing and Soldering. ASM
International, Materials Park, Ohio, 1993.
[5] Messler, R. W., Jr., Principles of Welding: Processes, Physics, Chemistry and
Metallurgy, John Wiley & Sons, Inc., Nueva York, 1999.
[6] Metals Handbook, 9ª ed., vol. 6, Welding, Brazing and Soldering. ASM
International, Materials Park, Ohio, 1993.
[7] Welding Handbook, 8a. ed., vol. 1, Welding Technology, American Welding
Society, Miami, Florida, 1987.
[8] Groover, M. P., Fundamentos de Manufactura Moderna, 3ª ed., Ed. McGraw-
Hill, 2007.
[9] L.L. Wang, Z. A. Munir and Y. M. Maximov (1993). Reacciones de la Termita: su
utilización en la síntesis y proceso de materiales. Journal of Materials
Science 28 (14): pp. 3693-3708
[10] M. Beckert. Hans Goldschmidt y la aluminotermia. Schweissen und
Schneiden 54: pp. 522-526, 2002.
[11] L.L. Wang, Z. A. Munir and Y. M. Maximov. Reacciones de la Termita: su
utilización en la síntesis y proceso de materiales. Journal of Materials Science 28
pp. 3693-3708,1993.
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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[12] Soldadura de rieles por aluminotermia. Condicionantes y criterios.
http://soldadura.org.ar/index.php?option=com_content&view=article&id=40:alumin
otermia-soldadura-de-rieles&catid=21:procesos-de-soldadura&Itemid=69
(Consultado en Diciembre 18, 2011)
[13] Video: Soldadura Aluminotérmica, JL REPRESENTACIONES,
www.jlrepresentaciones.com.ar (Consultado en Enero 10, 2012). (ANEXO A).
[14] NORMA Oficial Mexicana NOM-055-SCT2-2000, Para vía continua, unión de
rieles mediante soldadura. (ANEXO B)
[15] Manual de puesta a tierra, GEDISA General Distribuidora, Edición N°. 1
Año 2007, 70 pg. (ANEXO C).
[16]Registro fotográfico de la soldadura exotérmica. Enegytel.
http://energytel.info/portal_telecom/articulos-tecnicos/37-sistemas-de-
proteccion/69-registro-fotografico-del-proceso-de-soldadura-exotermicas
(Consultado en Diciembre 20, 2011)
[17] Manual de puesta a tierra, GEDISA General Distribuidora, Edición N°. 1
Año 2007, 70 pg. (ANEXO C).
[18] Registro fotográfico de la soldadura exotérmica. Enegytel.
http://energytel.info/portal_telecom/articulos-tecnicos/37-sistemas-de-
proteccion/69-registro-fotografico-del-proceso-de-soldadura-exotermicas
(Consultado en Diciembre 20, 2011)
[19] Manual de puesta a tierra, GEDISA General Distribuidora, Edición N°. 1
Año 2007, 70 pg. (ANEXO C).
[20] Manual de puesta a tierra, GEDISA General Distribuidora, Edición N°. 1
Año 2007, 70 pg. (ANEXO C).
[21] Manual de puesta a tierra, GEDISA General Distribuidora, Edición N°. 1
Año 2007, 70 pg. (ANEXO C).
[22]Catálogo de soldadura exotérmica e implementos propios de esta. ATW3.
http://www.at3w.com/site/producto.php?id=4&id_sub=Molde+m%C3%BAltiple&titul
o=molde+m%C3%BAltiple (Consultado en Diciembre 28, 2011). (ANEXO D)
[23] Manual de puesta a tierra, GEDISA General Distribuidora, Edición N°. 1
Año 2007, 70 pg. (ANEXO C).
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
SOLDADURA CADWELD Página 140
[24] Manual de puesta a tierra, GEDISA General Distribuidora, Edición N°. 1
Año 2007, 70 pg. (ANEXO C).
[25] IEEE Std 837-1989, “IEEE Standard for Qualifying Permanent Connections
Used in Substation Grounding”, The Institute of Electrical and Electronics
Engineers, Inc., 345 East 47th Street, New York, NY 10017, USA, 1989.
(ANEXO E).
[26] ANSI/IEEE Std 80-1986, “IEEE Guide for Safety in AC Substation Grounding”,
The Institute of Electrical and Electronics Engineers, Inc., 345 East 47th Street,
New York, NY 10017, USA, 1986. (ANEXO F)
[27] Maurice C.G., “Substation Grounding Connectors IEEE Std 837-1989 Test
Series”, Report No. C-95- EST-193-P, Ontario Hydro Technologies, Electrical
Systems Technology, 1996.
[28] McKoon, T.L., “Comparative Grounding Connector Test”, Project No. C94901,
Southern Electric International, 1996.
[29] ASTM B117-85, “Method of Salt Spray (Fog) Testing, American Society of
Testing Materials, 1916 Race St, Philadelphia, PA 19103, USA, 1985.
[30] PERMANENT CONNECTIONS FOR SUBSTATION EARTHING, Curtis R.
Stidham and W. Keith Switzer, ERICO, Inc., United States of America. (ANEXO G)