UNIVERSIDAD DE ORIENTE

NÚCLEO DE ANZOÁTEGUI

ESCUELA DE INGENIERÍA Y CIENCIAS APLICADAS

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA

LABORATORIO DE INGENIERÍA MECÁNICA IV

MAQUINA DE SOLDADURA ELECTROLÌTICA

Barcelona, Marzo del 2011

Realizado por:

Paraqueimo, Luis 18.442.629

Buriel, Rafael 18.569.595

Aguilera, Daniel 18.847.486

Rodríguez, Geyker 18.414.839

Rodríguez, Daniel 19.537.388

Revisado por:

Prof: Luis Martínez

RESUMEN

En la siguiente practica de laboratorio se evaluó el funcionamiento de un dispositivo para

soldadura mediante el proceso de electrolisis, tomando en cuenta los diferentes parámetros

involucrados en el funcionamiento para este tipo de maquinas y regulándolos para de esta

forma obtener las características de funcionamiento y buscar cual es el punto optimo en el

cual se puede obtener una soldadura de calidad mediante este arreglo. Para lograrlo se

busco la concentración más adecuada del cloruro de sodio, agregándosele periódicamente a

un volumen de agua de 12 L para mejorar la conducción de la corriente eléctrica, hasta

llegar a una intensidad necesaria para que se formara el cordón de soldadura. Finalmente se

comparó estos con la maquina transformadora comercial según la calidad del cordón.

ÍNDICE

Resumen………………………………………………………………………… II

Introducción……………………………………………………………………… IV

Objetivos…………………………………………………………………………. 5

Marco teórico……………………………………………………………………. 6

Materiales, sustancias y equipos................................................................ 15

Procedimiento experimental........................................................................ 16

Datos experimentales………………………………………………………….. 17

Resultados……………………………………………………………………….

Análisis de resultados…………………………………………………………..

Conclusiones y recomendaciones…………………………………………….

Bibliografía……………………………………………………………………….

Apéndice………………………………………………………………………….

Apéndice A: Muestra de cálculos………………………………………….

Apéndice B: Asignación…………………………………………………….

INTRODUCCIÓN

La soldadura es un proceso de fabricación en donde se realiza la unión de dos materiales,

(generalmente metales o termoplásticos), usualmente logrado a través de la coalescencia

(fusión), en la cual las piezas son soldadas derritiendo ambas y agregando un material de

relleno derretido (metal o plástico), el cual tiene un punto de fusión menor al de la pieza a

soldar, para conseguir un baño de material fundido (el baño de soldadura) que, al enfriarse,

se convierte en una unión fuerte. A veces la presión es usada conjuntamente con el calor, o

por sí misma, para producir la soldadura. Esto está en contraste con la soldadura blanda (en

inglés soldering) y la soldadura fuerte (en inglés brazing), que implican el derretimiento de

un material de bajo punto de fusión entre piezas de trabajo para formar un enlace entre

ellos, sin fundir las piezas de trabajo.

La Electrólisis fue descubierta accidentalmente en 1800 por William Nicholson mientras

estudiaba el funcionamiento de las baterías. Entre los años 1833 y 1836 el físico y químico

inglés Michael Faraday desarrolló las leyes de la electrólisis que llevan su nombre y acuñó

los términos.

La Electrólisis es un proceso para separar un compuesto en los elementos que lo

conforman, usando para ello la electricidad. La palabra Electrólisis viene de las raíces

electro, electricidad y lisis, separación.

El proceso consiste en lo siguiente:

Se funde o se disuelve el electrólito en un determinado disolvente, con el fin de que

dicha sustancia se separe en iones (ionización).

Se aplica una corriente eléctrica continua mediante un par de electrodos conectados

a una fuente de alimentación eléctrica y sumergida en la disolución. El electrodo conectado

al polo negativo se conoce como cátodo, y el conectado al positivo como ánodo.

Cada electrodo mantiene atraídos a los iones de carga opuesta. Así, los iones

negativos, o aniones, son atraídos al ánodo, mientras que los iones positivos, o cationes, se

desplazan hacia el cátodo.

En los electrodos se produce una transferencia de electrones entre estos y los iones,

produciéndose nuevas sustancias. Los iones negativos o aniones ceden electrones al ánodo

(+) y los iones positivos o cationes toman electrones del cátodo (-).

OBJETIVOS

Objetivo General:

Evaluar la soldadura producida por una máquina de soldadura electrolítica la

concentración de NaCl y comparar con la máquina transformadora comercial según

la calidad del cordón de soldadura.

Objetivo Específico:

Determinar el punto óptimo de la soldadura electrolítica en una placa de acero

mediante el aumento de la concentración de sal en la solución electrolítica.

Obtener la curva de intensidad utilizada por la máquina de soldadura electrolítica

para la concentración obtenida.

Comparar las características físicas y mecánicas entre los cordones obtenidos con

una maquina transformadora comercial.

MARCO TEÓRICO

La historia del fenómeno de la electrólisis

Hacia 1800 A. Volta descubrió que al introducir laminas de distintos metales en

determinadas disoluciones, aparecían sobre ellas cargas eléctricas de signos opuestos, lo

que permitía pensar que la electricidad y las reacciones químicas tenían algo en común. La

comprobación experimental de esa idea fue llevada a cabo en el primer cuarto del siglo

XIX, cuando h. Davy demostró que al pasar corriente eléctrica a través de ciertas

disoluciones se producían cambios químicos. De este modo realizo la descomposición de

gran cantidad de compuestos y obtuvo numerosas sustancias,, hasta entonces desconocidas

(elementos como el sodio. Potasio, francio y calcio. M Faraday, discípulo de davy, siguió

investigando estas reacciones de descomposición provocadas por la corriente eléctrica, y

dio nombre a cada uno de los elementos que intervienen en dicho proceso. Fue él quien

denominó electrolisis a esas reacciones, electrolito a la disolución acuosa de un compuesto

químico que conduce la corriente eléctrica y electrodos a las dos barras metálicas que se

introducen en la disolución. Enuncio las leyes de la electrolisis que llevan su nombre y que

relacionan la masa del metal depositado con la cantidad de electricidad que atraviesa la

disolución. Faraday propuso un modelo teórico que suponía la existencia la existencia de

“átomos de electricidad”, unos positivos y otros negativos. El electrolito estaría formado

por partículas que transportan uno o varios átomos de electricidad, a las que faraday llamo

iones. A las que transportaban cargas positivas las llamo cationes y a las de carga negativa

aniones. Cuando aniones y cationes llegan a los electrodos, dejan en ellos sus átomos de

electricidad, y se transforman en nuevas sustancias distintas a las de partida.La palabra

electrólisis procede de dos radicales, electro que hace referencia a electricidad y lisis que

quiere decir ruptura. El proceso electrolítico consiste en lo siguiente:

Se funde o se disuelve el electrolito en un determinado disolvente, con el fin de que

dicha sustancia se separe en iones (ionización).

Se aplica una corriente eléctrica continua mediante un par de electrodos conectados

a una fuente de alimentación eléctrica y sumergida en la disolución. El electrodo

conectado al polo negativo se conoce como cátodo, y el conectado al positivo como

ánodo.

Cada electrodo atrae a los iones de carga opuesta. Así, los iones positivos, o

cationes, son atraídos al cátodo, mientras que los iones negativos, o aniones, se

desplazan hacia el ánodo.

La energía necesaria para separar a los iones e incrementar su concentración en los

electrodos es aportada por la fuente de alimentación eléctrica.

En los electrodos se produce una transferencia de electrones entre estos y los iones,

produciéndose nuevas sustancias. Los iones negativos o aniones ceden electrones al

ánodo (+) y los iones positivos o cationes toman electrones del cátodo (-).

Son importantes estos 2 puntos:

1- Uno nunca debe juntar los electrodos, ya que la corriente eléctrica no va a hacer su

proceso y la batería se va a sobrecalentar y se quemara.

2- Uno debe ocupar siempre energía eléctrica continua (energía de baterías) NO energía

alterna (energía de enchufe). 1

Electrolisis

Los electrolitos son sustancias que confieren a una solución la capacidad de

conducir la corriente eléctrica. Las sustancias buenas conductoras de la electricidad se

llaman electrolitos fuertes y las que conducen la electricidad en mínima cantidad son

electrolitos débiles.

Se dice que la electrolisis son las transformaciones químicas que producen la

corriente eléctrica a su paso por las soluciones de electrolitos.

La electrólisis del cloruro de sodio fundido sirve como fuente comercial de sodio

metálico y cloro gaseoso. Procedimientos similares se usan para preparar otros metales muy

activos (tales como potasio y calcio). Cuando se electrolizan ciertas soluciones acuosas, el

agua esta involucrada en las reacciones de los electrodos en vez de los iones derivados del

soluto; por lo tanto, los iones transportadores de corriente no se descargan necesariamente

en los electrodos.

En la electrólisis del sulfato de sodio acuoso, los iones sodio se desplazan hacia el cátodo y

los iones sulfato se mueve hacia el ánodo (figura "1"). Ambos iones se descargan

difícilmente; cuando esta electrólisis se lleva a cabo entre los electrodos inertes, se

desprende hidrogeno gaseoso en el cátodo y la solución que rodea el electrodo se hace

alcalina.

cátodo ánodo

Figura "1" Electrólisis del sulfato de sodio acuoso

2 e- + 2 H2O H2(G) + 2 OH- 2 H2O O2(G) + 4 H+ + 4 e-

La reducción ocurre en el cátodo pero en vez de la reducción del ion sodio.

e+ + Na+ Na

el cambio neto que ocurre es la reducción del agua.

2 e- + 2 H2O H2(G) + 2 OH-

El agua es un electrolito demasiado débil. El agua pura se ioniza aproximadamente 2 x 10-7

% a 25 °C.

2 H2O H3O+ + OH-

o, mas brevemente,

H2O H+ + OH-

No se conoce el mecanismo exacto de la reacción en el cátodo de la electrólisis del Na2SO4

acuoso. Puede ser que los iones de hidrógeno del agua se descargan y que la reacción

procede como sigue:

H2O H+ + OH-

2 e- + 2 H+ H2(G)

La multiplicación de la primera ecuación por 2 seguidas por la adición de las dos

ecuaciones da el cambio sigue:

2 e- + 2 H2O H2(G) + 2 OH-

En general, el agua se reduce en el cátodo (produciendo hidrógeno gaseoso e iones

hidróxido) a pesar de que el catión del soluto es difícil de reducir.

La oxidación ocurre en el ánodo y en la electrólisis del Na2SO4 acuoso, los aniones (SO4=)

que emigran hacia el ánodo son difíciles de oxidar:

2 SO4= S2O8

= + 2 e-

Por consiguiente, la oxidación del agua se efectúa preferencialmente. La forma de esta

reacción puede ser:

H2O H+ + OH-

4 OH- O2(G) + 2 H2O + 4 e-

Multiplicando la primera ecuación por 4 y sumando la ecuaciones, obtenemos el cambio

neto:

2 H2O O2(G) + 4 H+ + 4 e-

En el ánodo se observa el desplazamiento del oxígeno gaseoso y la solución que rodea al

polo se vuelve ácida. En general, el agua se oxida en el ánodo (produciendo oxigeno

gaseoso e iones de hidrogeno) mientras que el anión del soluto es difícil de oxidar.

La reacción completa para la electrólisis del Na2SO4 acuoso se puede obtener sumando las

reacciones del ánodo y del cátodo:

2 [ 2 e- + 2 H2O H2(G) + 2 OH- ]

2 H2O O2(G) + 4 H+ + 4 e-

6 H2O 2 H2(G) + O2(G) + 4 H+ + 4 OH-

Si se mezcla la solución, los iones hidrogeno e hidróxido producidos se neutralizan entre si

y el cambio neta.

2 H2O -electrólisis- 2 H2(G) + O2(G)

Es meramente la electrólisis del agua. En el transcurso de la electrólisis, el ion hidrogeno se

aleja del ánodo, de donde se produce, hacia el cátodo. En forma similar, los iones hidróxido

se mueven hacia el ánodo. Estos iones se neutralizan entre si en la solución entre los dos

electrodos.

La electrólisis de una solución acuosa de NaCl entre electrodos inertes sirve como un

ejemplo de un proceso en el cual se descarga el anión del electrolito, pero el catión no:

Ánodo 2 Cl- Cl2(G) + 2 e-

Cátodo 2 e- + 2 H2O H2(G) + 2 OH-

2 H2O + 2 Cl- H2(G) + Cl2(G) + 2 OH-

Puesto que el ion sodio permanece sin modificación en la solución, la reacción se puede

indicar.

2 H2O + 2 Na+ + 2 Cl- -----electrólisis- H2(G) + Cl2(G) + 2 Na+ + 2 OH-

Este proceso es una fuente comercial del hidrogeno gaseoso, cloro gaseoso y, por

evaporación de la solución restante de la electrólisis, hidróxido de sodio.

En la electrólisis de una solución de CuSO4 entre electrodos, la corriente es transportada

por los iones Cu ²+ y SO4=. La corriente que transporta los cationes se descarga, pero los

aniones no: 2"

Ánodo 2 H2O O2 (G) + 4 H+ + 4 e-

Cátod

o2 [ 2 e- + Cu ²+ Cu(S) ]

2 Cu+ + 2 H2O O2(G) + 2 Cu(S) + 4 H+

En que cosiste la Conducción Electrolítica

La conducción electrolítica, en la cual la carga es transportada por los iones, no

ocurrirá a menos que los iones del electrolito se puedan mover libremente. Por

consiguiente, la conducción electrolítica es exhibida principalmente por sales fundidas

y por soluciones acuosas de electrólitos. Por consiguiente, una corriente que pase a

través de un conductor electrolítico requiere que el cambio químico acompañe el

movimiento de los iones. La conducción electrolítica se basa entonces sobre la

movilidad de los iones y cualquier cosa que inhiba el movimiento de estos origina una

resistencia a la corriente.

Los factores que influyen en la conductividad eléctrica de las soluciones de

electrolitos incluyen atracciones inter-iónicas, solvatación de iones y viscosidad del

disolvente. Estos factores se fundamentan sobre atracciones soluto-soluto y soluto-

disolvente e interacciones disolvente-disolvente, respectivamente. El promedio de

energía cinética de los iones soluto aumenta a medida que se eleva la temperatura y,

por consiguiente, la resistencia de los conductores electrolíticos disminuye por lo

general a medida que se aumenta la temperatura.

En todo momento, la solución es eléctricamente neutra. La carga total positiva de

todos los cationes iguala la carga total negativa de todos los aniones.

Los Coloides

Los coloides son mezclas intermedias entre las soluciones y las mezclas

propiamente dichas; sus partículas son de tamaño mayor que el de las soluciones ( 10 a

10.000 Aº se llaman micelas).

Los componentes de un coloide se denominan fase dispersa y medio

dispersante. Según la afinidad de los coloides por la fase dispersante se clasifican en

liófilos si tienen afinidad y liófobos si no hay afinidad entre la sustancia y el medio.

Clase De Coloides Según El Estado Físico

NOMBRE EJEMPLOSFASE

DISPERSA

MEDIO

DISPERSANT

E

Aerosol sólido Polvo en el aire Sólido Gas

GelesGelatinas, tinta, clara de

huevoSólido Liquido

Aerosol liquido Niebla Liquido Gas

Emulsión leche, mayonesa Liquido Liquido

Emulsión sólida Pinturas, queso Liquido Sólido

Espuma Nubes, esquemas Gas Liquido

Espuma sólida Piedra pómez Gas Sólido

Propiedades De Los Coloides

Las propiedades de los coloides son:

Movimiento browniano: Se observa en un coloide al ultramicroscopio, y se

caracteriza por un movimiento de partículas rápido, caótico y continuo; esto se debe

al choque de las partículas dispersas con las del medio.

Efecto de Tyndall: Es una propiedad óptica de los coloides y consiste en la

difracción de los rayos de luz que pasan a través de un coloide. Esto no ocurre en

otras sustancias.

Adsorción: Los coloides son excelentes adsorbentes debido al tamaño pequeño de

las partículas y a la superficie grande. Ejemplo: el carbón activado tiene gran

adsorción, por tanto, se usa en los extractores de olores; esta propiedad se usa

también en cromatografía.

Carga eléctrica: Las partículas presentan cargas eléctricas positivas o negativas.

Si se trasladan al mismo tiempo hacia el polo positivo se denomina anaforesis; si

ocurre el movimiento hacia el polo negativo, cataforesis. 3

Soldadura

Se le llama soldadura a la unión de dos materiales (generalmente metales o

termoplásticos), usualmente logrado a través de un proceso de fusión en el cual las piezas

son soldadas derritiendo ambas y agregando metal o plástico derretido para conseguir una

"pileta" (punto de soldadura) que, al enfriarse, forma una unión fuerte.

La energía necesaria para formar la unión entre dos piezas de metal generalmente

proviene de un arco eléctrico, pero la soldadura puede ser lograda mediante rayos láser,

rayos de electrones, procesos de fricción o ultrasonido.

La energía para soldaduras de fusión o termoplásticos generalmente proviene del

contacto directo con una herramienta o un gas caliente.

Normalmente se suelda en ambientes industriales pero también se puede hacerlo al aire

libre, debajo del agua o en el espacio. Es un proceso que debe realizarse siguiendo normas

de seguridad por los riesgos de quemadura, intoxicación con gases tóxicos y otros riesgos

derivados de la luz ultravioleta.

La abertura de electrodos es la distancia que entre los electrodos en una soldadura

recalcada o a tope se mide con las piezas en contacto, pero antes de comenzar o

inmediatamente después de completar el ciclo de soldadura. Soldadura por puntos de

fabricación casera.

A veces es difícil soldar chapas pequeñas, o materiales extraños con la soldadura

al arco, también puede ser difícil soldar con plata o estaño, por eso ocasionalmente

disponer de una soldadura por puntos puede resultar conveniente. 4

MATERIALES, SUSTANCIAS Y EQUIPOS

Materiales:

Recipiente plástico. Capacidad máxima: 20 litros

Varillas metalicas (40 cm aprox.)

Electrodos para soldadura E-6013. Diámetro: 2,5 mm.

Láminas de acero. Espesor 3 mm.

Tabla de madera con agujeros cada 2 cm.

Cables de diferentes calibres para realizar la conexión.

Sustancias:

Agua.

Sal común (1 kg de NaCl en sobres de 20gramos c/u).

Equipos:

Máquina de soldar Millar Thunderbolt XL. Amperaje máximo: 225 A.

Juego de pinzas para soldadura.

Multímetro.

Pinza amperimétrica.

Termómetro de mercurio.

Caretas para soldar.

PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

Preparación del banco de prueba del experimento:

1. Ordenar todos los materiales a usar.

2. Llenar el recipiente plástico con doce (12) litros de agua.

3. Colocar dos (2) barras metálicas (electrodos) dentro del recipiente plástico

sostenidas en la tabla con agujeros.

4. Conectar el cátodo mediante un cable al polo positivo de la fuente de energía.

5. Conectar el ánodo al polo negativo de la fuente de energía, mediante una pinza a

una placa para soldar.

Variación de la concentración de sal en el agua.

1. Colocar los electrodos a doce (12) centímetros de distancia.

2. Agregar veinte (25) gramos sal común (NaCl) en el agua.

3. Agitar la sal presente en el agua para lograr disolverla.

4. Realizar cordón de soldadura (de ser posible).

5. Tomar los datos de intensidad de corto circuito, corriente de soldadura, voltaje de

soldadura y temperatura.

6. Repetir el procedimiento 2, 3, 4 y 5, hasta obtener el mejor cordón de soldadura.

7. Determinar la cantidad de sal (NaCl) añadida al obtener el mejor cordón de

soldadura.

DATOS EXPERIMENTALES

Tabla #1. Intensidades de corrientes y voltaje obtenidas con cada porcentaje de NaCl.

Vol. en vacío (Vo)=115V; E-6013; Diám=2,5mm(3,32”); E lámina=3mm NaCl V=12L

N°NaCl (gr)

T(°C) Icc (Amp)SOLDADURA

Is (Amp)

Vs (V) Observaciones

1 0 28 0,3 - - No hay soldadura2 25 28 7,7 - - No hay soldadura3 50 28 12,3 - - No hay soldadura4 75 28 18,3 - - No hay soldadura5 100 28 24,7 - - No hay soldadura6 125 28 30,5 - - No hay soldadura7 150 28 36,1 - - No hay soldadura8 175 28 44,7 - - Leve arco, no hay soldadura

9 200 29 50,7 - -Se establece arco pero no hay soldadura

10 225 30 57,1 - -Cordón de soldadura sin aporte térmico

11 250 32 67,4 - -Cordón de soldadura con muy poco aporte térmico

12 275 34 72,6 72,7 23Hubo un cordón pero poco aporte térmico

13 300 38 86,8 80,3 26 Cordón de soldadura óptimo

14 325 46 109,4 103,3 24Hubo cordón, con exceso de calor, fusión incipiente del otro lado de la platina

15 350 50 124,5 111,4 27 Exceso de intensidad16 375 54 144,2 120,4 28 Exceso de intensidad

Tabla #2. Valores de Voltaje e intensidad de corriente para cordones de soldadura

realizados con la concentración óptima de NaCl

T (°C) Vs (V) Is (Amp)Maq.

Electrolítica Doblez dirigido

1

44 25,5 83,5

Maq. Electrolítica

Doblez dirigido 2

44 27 84,7

Maq. Electrolítica

Doble plano 144 22 91,1

Maq. Electrolítica

Doble plano 246 23,7 93,9

Tabla #3. Soldaduras a tope con la máquina transformadora.

Is (Amp) Vs (V)MT1 68,9 22MT2 70,5 23

Tabla #4. Soldaduras doble plano con la máquina transformadora

Is (Amp) Vs (V)

MT174,2 21,075,6 20,0

MT273,3 20,072,1 19,7

Tabla #5. Valores de Voltaje, Intensidad de corriente para cordones realizados con

máquina electrolítica con la concentración óptima de NaCl

N° de prueba

T(°C) Icc Vs Is

1 30 76,7 24 69,22 32 86,6 26 75,93 34 88,6 24 78,14 36 91,2 23 81,55 38 95,2 24 85,56 39 97,4 26 87,17 40 99,7 23 89,98 44 104,3 24 91,99 44 107,8 24 94,810 46 - - -

RESULTADOS

ANALISIS DE RESULTADOS

CONCLUSIONES

BIBLIOGRAFIA

1"http://es.wikipedia.org/wiki/Electr%C3%B3lisis.

2" http://www.fisicanet.com.ar/monografias/monograficos2/es14_electroquimica.php

3 WHITTEN, Kennet. Química General. Editorial McGraw-Hill. México 1999

4 http://es.wikipedia.org/wiki/Soldadura

APENDICE