Pernos pequeños, gran impacto

Figura 1 La soldadura de pernos puede hacerse con una herramienta manual que es traída hacia el material. Foto courtesía de Nelson Stud Welding.

En las plantas de energía alimentadas con carbón, mucho depende de las cosas pequeñas. Pernos cilíndricos lisos con un diámetro de 3/8 de pulgada y ¾ de pulgada de largo se colocan en hornos que operan a 1,600 grados F (871ºC) o más. Los pernos transfieren calor desde el lado caliente (el horno) hacia el tubo de la caldera. Un recubrimiento refractario, el cual protege a los tubos contra la erosión, se aplica sobre los pernos. Conforme el perno se desgasta, se desgasta el recubrimiento refractario. En algún punto los pernos se hacen tan pequeños que el horno tiene que apagarse, los pernos tienen que volverse a soldar, y el recubrimiento refractario tiene que aplicarse de nuevo.

Por décadas, las plantas han usado pernos de acero inoxidable 430, un material que tiene que ser reemplazado alrededor de cada 12 meses. Éste puede ser un intento caro, especialmente si no está planeado. Todo el horno debe apagarse de forma que los trabajadores puedan tener acceso a los componentes, quitar los pernos (usualmente en este punto desgastados por completo hasta el tubo), y soldar nuevos. Sin embargo, cada vez más, se ha encontrado que otro material resistente a la co­rrosión—una mezcla de aluminio y hierro—aumenta la vida de servicio; algunas pruebas iniciales muestran que de tres a cuatro veces, dependiendo de la aplicación. Además, el perno opera más frío, permitiendo así que todo opere de manera más eficiente.

Este desarrollo ejemplifica una de las ventajas de la soldadura de pernos, un proceso que puede tener un efecto significativo en el costo del ciclo de vida de un producto.

Aspectos generales básicos de la soldadura de pernos

Los procesos de alambre se basan en la mano estable del soldador y, en ambien­tes automatizados, en la sujeción óptima para asegurar el mejor acceso a la junta y una soldadura de calidad. Sin embargo, la soldadura de pernos es diferente. El producto final puede verse un poco como una soldadura de proyección de resistencia; un perno es análogo a un sujetador colocado en su sitio por un soldador de resistencia tipo prensa o un sistema automatizado. Pero la soldadura de pernos no necesita acceso por los dos lados, lo cual es especialmente valioso en situaciones automatizadas. En configuraciones manuales, los trabajadores aportan una herramienta manual al trabajo. Como la soldadura de alambre, la soldadura de pernos se basa en un arco eléctrico para fundir metal entre el perno y el metal base (vea las Figura 1 y Figura 2). Pero a diferencia de la soldadura de alambre, el proceso de pernos usa una sola elevación de energía, medida en microsegundos, para hacer la soldadura (vea la Figura 3). Y dado que la mayor parte del proceso de soldadura ocurre automáticamente con pulsar un disparador, éste no necesita ser llevado a cabo por un operador altamente especializado y experimentado.

Lo que ocurre exactamente entre el perno y el metal base depende del proceso de soldadura de pernos. En la soldadura tradicional de pernos por arco eléctrico, el perno se suelda a la placa base usando un anillo de cerámica para contener el metal fundido en su sitio hasta que se forme la unión. (Una va­riante del proceso, la soldadura de pernos por arco con gas, usa un gas de protección en lugar de un anillo.) Esto produce una soldadura densa tan fuerte como el sujetador y la placa base. La mejor unión se forma cuando la placa base es suficientemente pesada para soportar toda la fuerza del sujetador soldado, aunque el proceso puede usarse también para aplicaciones de calibres más ligeros. Las corrientes de soldadura son de 200 a 2,400 amperes, y los ciclos de soldadura son de 0.1 a 1.5 segundos, dependiendo del diámetro del sujetador y del material que se esté uniendo. Usa una fuente de poder especializada que en algunos aspectos es similar a las fuentes de poder de CD usadas para soldadura por arco (lápiz) metálico protegido.

Sin embargo, la soldadura de pernos por descarga de capacitores (CD, por sus siglas en inglés), usa un sistema de almacenamiento electrostático como fuente de poder—en esencia, un banco de baterías. Los pernos se diseñan con una pequeña proyección, o punta, con alta resistencia eléctrica. El incremento súbito de electricidad vaporiza la punta, lo cual crea metal fundido tanto en el material base como en el perno. Entonces el resorte en la pistola empuja al perno hacia el metal fundido, el cual se solidifica rápidamente. Todo esto ocurre en un tiempo de 6 a 10 milisegundos. El proceso limita la gene­ración de calor y tiene un nivel de penetración bajo, de forma que los pernos puedan soldarse a un material sumamente delgado y recubierto. Además, no usa ni anillo ni fundente. Sin embargo, la calidad de la soldadura sí depende de la consistencia geométrica de la punta del perno. Si la dimensión de la punta varía, varía la calidad de la soldadura. Si la punta es demasiado pequeña, la energía la licua dema­siado rápido; si es demasiado grande, la punta puede no licuarse totalmente para una fusión completa.

Sin embargo, la soldadura de pernos por descarga de capacitores por arco estirado controla el tiempo del flujo de corriente independientemente de la geometría del perno. Usa el mismo principio de almacenar energía en capacitores, pero en este proceso el perno no requiere una punta. En su lugar, la soldadura se crea alejando el perno de la pieza de trabajo y estirando un arco entre el perno y la placa. Inmediatamente después, un resorte sumerge al perno en el material fundido para crear la soldadura. A diferencia de la soldadura de perno por CD convencional, su variante por arco estirado es un proceso controlado. El operador ajusta los valores en la fuente de poder de la soldadura para controlar la acción de estirado del perno así como la energía puesta en la soldadura.

Aun cuando la soldadura de pernos por CD por arco estirado puede controlarse, no es un proceso de lazo cerrado. Si ocurre alguna variación imprevista en el tamaño del perno, el sistema no puede compensar sobre la marcha. Sólo la tecnología más reciente en soldadura de pernos—soldadura de pernos por arco estirado con inversor—puede detectar cambios y compensarlos en un milisegundo, para asegurar que el proceso use la corriente y el tiempo correctos para el perno que realmente se esté soldando. Dichos inversores sueldan hasta con 1,500 amperes durante 1 segundo y menos, dando esa elevación de energía requerida para fundir el perno a la placa base. (Una variante de arco estirado llamada soldadura de pernos de ciclo corto se optimiza para alimentación automatizada de pernos y ambientes de alta productividad.)

La soldadura de pernos por CD, aunque más antigua, sigue teniendo su sitio en el mercado. El proceso no deja marcas y es particularmente adecuado para trabajo de calibre delgado que requiere acabados estéticamente importantes. Sin embargo, la mayoría de las demás aplicaciones ha cambiado a un proceso de soldadura de pernos con inversor.

Diferentes mercados y aplicaciones

Las aplicaciones para la soldadura de pernos cubren toda la gama industrial. El sector automotriz, por ejemplo, ha adoptado la soldadura de pernos como una manera de pegar sujetadores a chapa metálica en la carrocería para soportar arneses de cables y para proporcionar tierra para los sistemas eléctricos. Reemplazando la soldadura de proyecciones de pequeñas abrazaderas estampadas con soldadura de pernos, los manufactureros han reducido los costos de herramientas y sujeción. El proceso además usa sujetadores más pequeños, lo cual reduce el peso.

En el otro extremo del espectro de aplicaciones, las plantas de energía requieren pernos que soporten calor, oxidación, corrosión, y erosión extremos. Y en estos ambientes, un comportamiento inadecuado del material puede conducir a algunas fallas significativas.

Por ejemplo, en 2003 una de las plantas más grandes en el país alimentadas con carbón, de propiedad federal, tuvo una falla prematura de componentes recientemente reemplazados, y parte de la investigación concluyó que el acero inoxidable 430 usado en los pernos no era un material tan robusto para estos ambientes extremos. Los ge­rentes empezaron a buscar alternativas, incluyendo acero inoxidable 310, aleaciones INCONEL®, y varios materiales exóticos más. Algunos funcionaron bastante bien, pero eran demasiado caros.

Al final, los gerentes de la planta eligieron una composición de pernos especializada de aluminio-hierro. El aluminio conoce el secreto de su desempeño. Cuando el perno llega a su temperatura de servicio dentro del horno, entre 1,600 y 1,800 grados F (871 y 982ºC), el contenido de aluminio estimula la formación de óxido de aluminio (el mismo material duro usado en algunas herramientas de corte y rectificado) en la superficie del perno. Este recubrimiento ayuda a evitar la corrosión, la erosión y la oxidación. Y lo más importante, ha extendido enormemente la vida de servicio de los tubos de la caldera.

Este material de aluminio-hierro para pernos podría funcionar en otras aplicaciones de alta temperatura, incluyendo hornos de arco eléctrico en fábricas de acero. Como en la ge­neración de energía, estos hornos tienen recintos recubiertos con un material refractario, y actualmente la industria de la fabricación de acero tiene los mismos problemas de durabi­lidad de los pernos que el mercado de la generación de energía.

En estas y en otras aplicaciones, un simple cambio puede crear un impacto significativo. Cuando se trata de costos de mantenimiento y operaciones, un perno de soldadura de ¾ de pulgada puede ahorrar literalmente millones—un hecho que dice mucho acerca de un proceso de unión pasado por alto con frecuencia.