ES2219148A1 - Metodo y disposicion para un procedimiento de soldadura exento de martensita. - Google Patents

Abstract

Método y disposición para un procedimiento de soldadura exento de martensita en particular para soldar una pieza de conexión, de material eléctricamente conductor, por ejemplo de metal, a una superficie metálica por medio de un nuevo tipo de soldadura de temperatura controlada, por lo que, para ciertos tipos de material, por ejemplo acero, se obtiene una soldadura exenta de martensita, es decir, una soldadura sin cambios estructurales perjudiciales (formación de martensita). Se obtiene una soldadura que está completamente exenta de martensita por debajo de la junta soldada en, por ejemplo, una vía de ferrocarril y/o tubería. La invención se refiere también a una disposición para realizar el citado método.

Description

Método y disposición para un procedimiento de soldadura exento de martensita.

La presente invención se refiere a un nuevo método para la soldadura fuerte (en lo que sigue simplemente soldadura), por ejemplo, de una pieza de conexión de material eléctricamente conductor, por ejemplo de metal, a una superficie de metal por medio de un nuevo tipo de soldadura de temperatura controlada, mediante el cual, para ciertos tipos de material, por ejemplo acero, se obtiene una soldadura exenta de martensita, es decir, se produce una soldadura sin ningún cambio estructural perjudicial (formación de martensita). Se obtiene una soldadura que, por debajo de la junta soldada, está completamente exenta de formación de martensita, en, por ejemplo, una vía de ferrocarril (carriles) y/o tubería. La presente solicitud también describe una disposición para realizar el método.

Los desarrollos en el tráfico por ferrocarril implican cada vez mayores velocidades y más pesadas cargas sobre ejes. Esto plantea, a su vez, exigencias crecientes sobre la resistencia de la vía de ferrocarril y su posibilidad para resistir el desgaste y, por lo tanto, los carriles son fabricados a partir de acero aleado más alto con el fin de cumplir con los requisitos más rigurosos. El material a partir del cual se fabrican los carriles es sensible a influencias térmicas que pueden causar cambios estructurales conocidos, como formación de martensita (efecto de endurecimiento).

La formación de martensita puede conducir a la formación de grietas en el material del carril y, debido a las más elevadas cargas, el carril puede romperse, con catastróficas consecuencias para el tráfico por ferrocarril. En consecuencia, es muy importante soldar cables de señales y otros alambres y cableado firmemente al carril utilizando un método que no origine formación de martensita en el carril.

Hasta ahora ha sido solamente posible reducir al mínimo la formación de martensita o los cambios estructurales mediante un método de soldadura de espiga o barra, que se describe en la patente sueca 9003708-6 (469 319). Hasta ahora no ha sido posible, mediante ningún método de soldadura de espiga, eliminar completamente la formación de martensita en conexiones de contacto eléctrico que están destinadas a unir dos o más objetos por medio de una conexión eléctrica.

El problema mas serio en métodos corrientes empleados en vías de ferrocarril es la gran cantidad de calor que se produce por debajo de la junta de soldadura, que es originado por el arco eléctrico que es generado en el proceso de soldadura y que produce un cambio estructural perjudicial o formación de martensita.

Otro problema ha sido el electrodo per se utilizado en el procedimiento, el cual es descargado desde una espiga de soldadura. La espiga de soldadura contiene tanto material fúndente como metal de soldadura y, al comienzo del procedimiento, se enciende un arco eléctrico y el fúndente fluye desde la espiga de soldadura a la junta de soldadura y limpia esta última. A continuación, el material de soldadura fluye desde la espiga de soldadura hasta la junta de soldadura. Finalmente, la espiga de soldadura es presionada hacia abajo dentro de la masa fundida de soldadura y penetra en la junta de soldadura. Con el fin de producir una conexión entre la superficie del metal en el carril/tubería y el terminal o zapata para cable, en el presente momento un terminal para cable está provisto de una abertura de manera que el material fúndente y el material de soldadura pueden pasar desde la espiga o barra de soldadura a través del terminal para cable y después suelda firmemente el terminal para cable a la superficie metálica plana o curva. Al comienzo del proceso de soldadura, el arco eléctrico actúa directamente sobre el carril y produce una temperatura local muy elevada que es entonces transmitida indirectamente a través de la masa fundida de soldadura y genera elevadas temperaturas directamente en el carril, las cuales tienen un efecto perjudicial sobre este último. Existe también el peligro de una aleación del material de electrodo en la soldadura cuando se utilizan sistemas de soldadura de espiga o barra convencionales, lo que tiene efectos adversos tanto sobre la soldadura como sobre la pieza de trabajo. La etapa final en la soldadura de espiga empleada simultáneamente implica presionar la espiga de soldadura hacia abajo sobre la junta soldada y después la rotura de la espiga, lo que tiene un efecto negativo sobre la propia junta soldada.

Otro problema práctico de los procesos de soldadura convencionales es la mala puesta a tierra de las piezas de trabajo, lo que causa una gran cantidad de soldaduras sin éxito. Con la soldadura de espiga convencional el carril constituye el polo o terminal opuesto al electrodo. Esto requiere procedimientos operativos especiales y equipo separado. Por esta razón, se desea poder efectuar cambios con respecto al procedimiento de soldadura.

Además, una desventaja de los procedimientos de soldadura actuales es el terminal para cable, que se sujeta por medio de espigas de soldadura que contienen material fúndente, así como material de soldadura. Las zapatas de cable que se utilizan actualmente tienen une extremo plano con un orificio que hace posible que el material de soldadura fluya a través del mismo desde el lado superior del terminal para cable y entonces asegura este último a la superficie del metal. Puesto que el procedimiento de soldadura tiene lugar rápidamente, se requiere una gran cantidad de calor, la cual es transmitida desde el arco eléctrico por la soldadura, a través del terminal para cable hasta la pieza de trabajo/carril. El problema ha consistido en que tiene que producirse una soldadura satisfactoriamente segura sin causar al mismo tiempo ningún cambio estructural por debajo de la junta soldada. Hasta ahora, ha sido solamente posible reducir al mínimo la formación de martensita mediante el procedimiento descrito en la patente sueca 9003708-6.

La presente invención se refiere a un nuevo procedimiento de soldadura en el que, al evitar el uso de combinaciones anteriormente conocidas de varios métodos, ha sido posible idear un nuevo procedimiento de soldadura exenta de martensita, que produce un resultado final deseado, pero que no ha sido capaz de ser conseguido por medio de ningún procedimiento de soldadura hasta ahora conocido.

En el momento presente, en Francia, Italia, Suiza, España y Alemania se prohibe el uso de soldadura de espiga en vías de ferrocarril en razón de la formación de martensita.

Ciertos otros países en los que es actualmente permitida la soldadura de espiga en vías de ferrocarril están a punto de cambiar sus requisitos y, en consecuencia, el uso de métodos de soldadura de espiga existentes ya no será permitido en el futuro.

La presente invención se refiere a un nuevo método de soldadura de temperatura controlada, junto con una disposición para realizar dicho método, en los que se solventa el problema de formación de martensita que afecta a otros métodos.

Un objeto de la presente invención es generar un arco eléctrico a través de un electrodo de carbón de manera que se produzca una soldadura sin que el arco eléctrico se ponga en contacto directo con el carril.

Otro objeto es que el propio electrodo de carbón constituye una resistencia eléctrica en el procedimiento de soldadura y en el que la longitud, diámetro y forma del electrodo de carbón influyen sobre la resistencia eléctrica en el procedimiento y, en consecuencia, influyen también sobre la intensidad y voltaje de la corriente en el procedimiento de soldadura.

Una ventaja del nuevo procedimiento de soldadura es que es liberado polvo de carbón desde el electrodo de carbón durante el procedimiento de soldadura y es depositado sobre la superficie superior de la pieza de conexión eléctricamente conductora, por ejemplo un terminal para cable, e impide la formación de una cavidad en el terminal para cable durante el proceso de soldadura. Además. el arco eléctrico es establecido entre dos polos de carbón, lo que tiene un efecto de estabilización sobre el arco eléctrico y contrarresta la tendencia de la corriente a variar a lo largo del tiempo. Además, las propiedades térmicamente aislantes del carbón tienen una función de distribución de temperatura. El polvo de carbón procedente del electrodo de carbón actúa también, consecuentemente, como un material amortiguador, impidiendo con ello que se origine una temperatura demasiado elevada en, por ejemplo, el carril durante el procedimiento de soldadura.

El arco eléctrico también produce una resistencia eléctrica en el procedimiento de soldadura, y en el cual la longitud del arco eléctrico, es decir, la distancia entre el electrodo y el polo opuesto, puede ser variada dentro de ciertos límites. Con una gran altura de elevación disminuye el voltaje y se extingue el arco, mientras que con una pequeña altura de elevación aumenta la intensidad de corriente y una pequeña altura de elevación está también asociada con un riesgo mayor de cortocircuito. El electrodo de carbón proporciona un control óptimo sobre la longitud del arco durante el proceso de soldadura, ya que el material de carbón es más resistente que un electrodo de metal en fusión y, en consecuencia, el electrodo de carbón sufre un cambio de longitud despreciable.

Todavía otro objeto del presente procedimiento de soldadura es evitar que el arco eléctrico se ponga en contacto directo con la pieza de trabajo, cuyo objeto se consigue si la conexión de contacto eléctricamente conductora consiste en una placa maciza de material eléctricamente conductor compacto, por ejemplo cobre. El presente procedimiento de soldadura no implica material fúndente o material de soldadura de ninguna espiga de soldadura que forme un electrodo. No tiene que fluir todo el material de soldadura a través del terminal para cable hacia la pieza de trabajo subyacente. En el presente procedimiento de soldadura, debido a la construcción del terminal para cable, el material fúndente y el material de soldadura se sitúan por debajo de la propia conexión de contacto eléctrico, por ejemplo el terminal para cable. La totalidad de la placa de material compacto, eléctricamente conductor, por ejemplo cobre, forma un amortiguador que impide que se origine una temperatura demasiado elevada que influya, por ejemplo, sobre el carril y conduzca a la formación de martensita. En el presente procedimiento, el electrodo no es finalmente forzado hacia abajo al interior de la soldadura y no existe el riesgo de afectar adversamente la junta de soldadura.

Otro objeto de la presente invención es controlar la intensidad de corriente durante el procedimiento. La elevación del electrodo incrementa la longitud del arco. Esto conduce, a su vez, a una gran caída de tensión o voltaje sobre el arco y a una intensidad de corriente reducida en el circuito eléctrico. La longitud del arco no puede ser incrementada de manera completamente arbitraria, ya que después de una cierta longitud, el arco se extingue debido al hecho de que la resistencia se hace demasiado grande. Un menor espacio intermedio entre el electrodo y la pieza de trabajo, la denominada altura de elevación, impide fiablemente que el arco se extinga durante el procedimiento de soldadura. Es muy ventajoso disponer de una baja intensidad de corriente durante el proceso, ya que ello impide la formación de martensita.

El método convencional hasta ahora es utilizar una anillo de guarda o protección de material cerámico, que tiene todavía una función en ciertas situaciones. En la presente invención se prefiere utilizar un anillo de protección de metal, pero también se prefiere un anillo de protección que consista en una combinación de ambos materiales, ya que un efecto de combinación aumenta la protección conferida a la pistola de soldadura.

Desde el punto de vista del consumo de energía, juega un papel importante el material y el diseño del anillo de protección. Los anillos de protección que consisten en un material compacto eléctricamente conductor, por ejemplo metal, están diseñados de manera que tengan una buena capacidad de retención de calor en el procedimiento de soldadura y que sean resistentes, mientras mantengan su forma y su función durante todo el procedimiento de soldadura. El calor que es absorbido por el anillo de protección es conducido al terminal para cable. El resultado total es que se consumen relativamente menos energía y/o potencia en el procedimiento para conseguir una soldadura exenta de martensita.

El anillo de protección, junto con el manguito de agarre, impiden también que el operario se ponga en contacto con el propio arco o con los gases calientes que se forman. Esto reduce la necesidad de equipo de protección para el operario. Esto también elimina el riesgo de que el operario sufra daños en los ojos, y otros que tengan que mirar al arco durante el procedimiento de soldadura.

Una ventaja más de este nuevo procedimiento de soldadura es que el carril no precisa ser puesto a tierra durante la soldadura. En el procedimiento de soldadura el electrodo sirve como un polo del arco y el otro polo está formado por la pieza de conexión eléctricamente conductora, por ejemplo un terminal para cable. En este caso, la pieza de conexión eléctricamente conductora forma el polo negativo, usualmente denominada la conexión en la terminología de puesta a tierra. En el presente procedimiento de soldadura, el electrodo puede formar el polo positivo o el polo negativo, o, alternativamente, el polo positivo/negativo. Es una ventaja no utilizar el carril como un polo, ya que se pueden formar arcos secundarios entre el terminal para cable y el carril, lo que puede tener un efecto negativo sobre el carril en la forma de formación de martensita. Además, al excluir el carril del circuito eléctrico cerrado se elimina la causa de posibles señales de interferencia en el carril y el aparato conectado al mismo. El uso del terminal para cable como un polo elimina también una pieza de trabajo y, en ciertas situaciones, equipo de puesta a tierra asociado con la soldadura. El terminal para cable puede ser conectado al circuito eléctrico a través del anillo de protección en la pistola de soldadura o a través del cable conectado al terminal para cable.

El rasgo de caracterización de la presente invención se describe en la siguiente reivindicación de patente.

La presente invención se describirá ahora con más detalle haciendo referencia a los dibujos que se acompañan, que ilustran una realización preferida de la invención, en los cuales la figura 1 muestra esquemáticamente una configuración general del procedimiento de soldadura y en los que la figura 2 es una vista lateral de la pistola de soldadura y la figura 3 muestra la pistola de soldadura vista desde el frente, y las figuras 4A, 4B y 4C son secciones transversales de la pistola de soldadura. La figura 5 muestra una operación de soldadura sobre un carril, la figura 6 muestra una operación de soldadura sobre un tramo de tubería, la figura 7 ilustra una junta soldada entre las llantas de rueda exterior e interior de un coche de ferrocarril, y, finalmente, la figura 8 muestra una pieza de conexión eléctricamente conductora en la forma de un terminal para cable visto desde el costado y la figura 9 es también una vista lateral de un terminal para cable, mientras que la figura l0A muestra un terminal para cable visto desde arriba y la figura 10B es una sección A-A de la figura l0A y la figura 11 muestra una grapa o pinza de material de soldadura. La figura 12 es un diagrama de voltaje/corriente del procedimiento de soldadura. Las tablas de las figuras 13, 14 y 15 muestran los resultados de mediciones de dureza del material de carril en cierto número de operaciones de soldadura realizadas de acuerdo con el presente procedimiento. La figura 16 muestra fotografías de conexiones soldadas a una escala ampliada. La figura 17 es una lámina de flujo de control y regulación del procedimiento de soldadura. La figura 18 es una sección transversal de la parte delantera de la pistola de soldadura.

La figura 1 ilustra esquemáticamente los componentes necesarios y el proceso del procedimiento de soldadura per se, siendo la fuente de potencia que es normalmente utilizada una batería 1, desde la cual es y conducida la corriente a una unidad electrónica 2. La unidad electrónica 2 procesa o trata datos recibidos de la pistola de soldadura 5 a través de su cable de suministro de potencia y el cable de señales, así como datos procedentes de la fuente de potencia externa. La unidad electrónica 2 trata toda la información y regula el suministro de corriente y voltaje a la pistola de soldadura 5, por ejemplo regulando el nivel de voltaje y/o una o más resistencias, y regulando su resistencia adicional se pueden controlar el tiempo y consumo de corriente durante el procedimiento de soldadura y de este modo se puede conseguir una soldadura satisfactoria, con mínimo consumo de energía, también combinado con un control de la temperatura en el material/pieza de trabajo de base.

Cuando el disyuntor de circuito 3 cierra el circuito eléctrico que comprende un imán de elevación en la pistola de soldadura 5, el electrodo de carbón que está situado en el portador de electrodo 7 cortocircuita inicialmente el circuito con el terminal para cable 10, de manera que cuando seguidamente el electroimán eleva el electrodo de carbón 6 del terminal para cable 10 para encender un arco eléctrico 8 que está protegido por uno o más anillos de protección 9, actúa sobre la superficie compacta plana de una terminal para cable 10, formando el terminal para cable un polo y formando el electrodo de carbón 6 el otro polo. El calor es transmitido a través del terminal para cable 10 y activa el material fúndente entre el terminal para cable 10 y un material de soldadura 12 y prepara y limpia la superficie para una soldadura entre el material de soldadura 12 y el terminal para cable 10, y cuando se calienta el material de soldadura 12 activa el material fúndente 13 sobre la pieza de trabajo 14 y se forma una junta soldada por el material de soldadura 12 sobre la pieza de trabajo 14. En consecuencia, el terminal para cable 10 se suelda firmemente a la pieza de trabajo 14 sin que el arco eléctrico 18 se ponga en contacto directo con dicha pieza de trabajo 14. Además, no se producen chispas o arcos no deseados entre el carril 14 y el terminal para cable 10, ya que la conexión eléctrica se forma a través del cable del terminal para cable 10 o a través del anillo de protección 9, y no por la pieza de trabajo 14 per se. En el nuevo procedimiento de soldadura la totalidad de la placa de material compacto, eléctricamente conductor, por ejemplo cobre, forma un amortiguador que impide que las temperaturas elevadas afecten, por ejemplo, al carril y conduzcan a la formación de martensita. Durante el procedimiento de soldadura es emitido polvo de carbón desde el electrodo de carbón 6 y es depositado en la forma de una capa delgada sobre la pieza de conexión subyacente, eléctricamente conductora, por ejemplo un terminal para cable 10, e impide que se forme una cavidad en el terminal para cable durante el procedimiento de soldadura.

Además, es mantenido el arco eléctrico entre dos polos de carbón, lo que tiene un efecto de estabilización sobre el arco y contrarresta la tendencia a fallar la corriente a lo largo del tiempo. Puesto que el carbón tiene una propiedad térmicamente aislante, realiza una función de distribución de temperatura. El polvo de carbón procedente del electrodo de carbón 6 actúa además como un material de amortiguación, de manera que la temperatura no es demasiado elevada cuando, por ejemplo, es sometido el carril al procedimiento de soldadura.

Desde el punto de vista de la energía, el anillo de protección 9 que consiste en un material eléctricamente conductor, por ejemplo metal, tiene un papel importante durante el procedimiento de soldadura. El anillo de protección 9 está formado de manera que presenta una buena función de térmicamente aislante. Cuando el anillo de protección 9 consiste en un material cerámico que tiene un borde inferior dentado, los gases calientes que se forman durante el procedimiento de soldadura se descargan rápidamente. Cuando el anillo de protección consiste en metal, los gases abandonan el anillo de protección en la dirección axial y, por lo tanto, se transmite más calor al anillo de protección 9. El anillo de protección 9 mantiene su forma y funciona y es estable durante todo el procedimiento de soldadura. El calor que es absorbido por el anillo de protección es conducido al terminal para cable 10. El resultado es que se consume menos energía eléctrica y/o potencia durante el procedimiento de soldadura y tiene lugar una soldadura exenta de martensita.

La figura 2 es una vista lateral de la pistola de soldadura 5, en la parte delantera de la cual se puede apreciar el electrodo de carbón 6. Antes del comienzo del procedimiento de soldadura, la pistola 5, juntamente con el electrodo de carbón 6, es presionada hacia abajo contra el terminal para cable 10, con lo que el electrodo de carbón 6 es presionado a haces contra el borde inferior del anillo de protección 9. El anillo de protección 9 es asegurado en un portador de anillo 15. Cuando el disyuntor de circuito o botón de puesta en marcha 3 es presionado, el circuito se cierra, a continuación de lo cual el imán de elevación levanta el electrodo 6 una cierta altura sobre la pieza de conexión 10 eléctricamente conductora y salta un arco 8. El anillo de protección 9 y el manguito de agarre 18 protegen al operario del procedimiento. La figura muestra también un tornillo 16 para expulsar el anillo de protección y un tornillo 17 para expulsar el electrodo. Durante el procedimiento de soldadura, el anillo de protección 9 puede actuar como un terminal en una operación de puesta a tierra.

La figura 3 muestra una sección de la pistola de soldadura 5 vista desde el frente, en la que puede ser visto el disyuntor de circuito 3 y en el centro de la boca de la pistola se sitúa el electrodo de carbón 6 en el portador de electrodo 7, junto con el portador de anillo 15 y el manguito de agarre 18.

La figura 4A es una sección transversal de la pistola de soldadura 5 y muestra el electrodo de carbón 6 en el portador de electrodo 7 y el anillo de protección 9 de metal en el portador de anillo 15, junto con el manguito de agarre 18 y el tornillo 16 para la expulsión del anillo de protección y el tornillo 17 para expulsar el electrodo, junto con el disyuntor de circuito 3. Un componente muy importante en el procedimiento de soldadura es el electrodo de carbón, que forma una resistencia eléctrica y en el que la longitud, diámetro y forma del electrodo de carbón influyen sobre la resistencia eléctrica en el proceso y, por lo tanto, también sobre el disyuntor de circuito y el voltaje durante el procedimiento de soldadura.

La figura 1B muestra la misma pistola de soldadura que en la figura 4A, excepto en que el anillo de protección 9 consiste en material cerámico.

La figura 4C muestra la misma pistola de soldadura que en la figura 4A, pero en este caso el anillo de protección 9 consiste en metal, aunque existe también un anillo de protección adicional 9B de material cerámico, el cual está situado dentro del anillo metálico. Los dos anillos de protección producen un efecto combinado.

La figura 5 muestra una pistola de soldadura 5 que se utiliza en un carril 14. Una pieza eléctricamente conductora 10 en la forma de una pinza o grapa de cable es soldada firmemente a la cabeza del carril. La soldadura puede ser realizada también en la parte de alma o pie del carril.

La figura 6 muestra una pistola de soldadura 5 que es utilizada en una pieza de trabajo 14 en la forma de un tramo de tubería. Una pieza de conexión 10 eléctricamente conductora, en la forma de un terminal para cable, es soldada firmemente a la tubería. Se aplican requisitos rigurosos, sobre todo a tuberías de centrales de energía nuclear, donde tiene que ser realizada la soldadura sin causar cambios estructurales en el material de la tubería, que podrían conducir a la formación de grietas. En el caso de que las tuberías se llenan con gas o petróleo, y también cuando se llenan con material que sea sensible a la temperatura, por ejemplo en la industria química, es importante poder trabajar a temperaturas bajas cuando se suelda.

Cuando ponen a tierra tubos térmicamente aislantes utilizando el anillo de protección 9, se consigue un ahorro significativo en mano de obra y coste, ya que el aislamiento tiene que realizarse concretamente para puesta a tierra.

La figura 7 muestra un rueda de coche de ferrocarril. Una rueda interior 20 está asegurada al eje de rueda 21 y entre la rueda interior y un anillo de rueda exterior 19, la denominada llanta de rodadura, está dispuesto un amortiguador 23 de por ejemplo material de caucho, La figura muestra cómo une una pieza de conexión 22, de material de conexión eléctricamente conductor, une la rueda interior 20 al anillo de rueda exterior 19 de manera que pueda pasar una corriente desde el coche de ferrocarril a la vía de ferrocarril. En razón del riesgo de formación de martensita y la formación de grietas asociada, no se ha intentado hasta ahora utilizar soldadura de espiga en relación con esto. El presente procedimiento de soldadura elimina, sin embargo, la formación de martensita y hace posible realizar la soldadura también en este campo.

La figura 8 es una vista lateral de un terminal para cable 10, una pieza de conexión de material eléctricamente conductor, en la que se puede ver una conexión de terminal 24 al circuito eléctrico. La conexión de terminal se asegura a una conexión eléctrica 25 que conduce al terminal para cable 10, el otro lado de la cual consiste en una placa maciza 26 de material compacto. Alrededor de la placa continua 26 del material compacto está dispuesta una pinza o grapa de soldadura 27, que es presionada contra la placa 26 del terminal para cable 10 per se, y entre el terminal para cable 10 y la grapa de soldadura 27 existe un material fúndente 28 que es activado durante el procedimiento de soldadura.

La figura 9 es también una vista lateral de un terminal 10 para cable en el que la soldadura per se es realizada sobre una placa compacta continua plana 26 del terminal para cable 10 por medio de la pistola de soldar 5, y en la que se puede apreciar la grapa de soldadura 12 que es presionada contra el terminal para cable 10, siendo el material fúndente 11 calentado entre la cara inferior del terminal para cable 10 y la grapa de soldadura 12. Otro material fúndente se dispone entre la pieza de trabajo 14 y la grapa 27 y es activado cuando la grapa de soldadura 27 es calentada y comienza a limpiar la pieza de trabajo 14 antes de la soldadura de la pieza de conexión 10 eléctricamente conductora.

La grapa de soldadura 12 es de espesor uniforme antes de su aplicación a la pieza de trabajo a la que se asegura. Una vez que el material de soldadura ha sido fundido por el calor aplicado a través de la placa compacta 26 del terminal para cable 10, la tensión superficial en el material fundido que moja la placa de contacto 26 y la pieza de trabajo 14 conduce a un cambio de espesor, en el sentido de que la distancia entre la placa compacta 26 y la pieza de trabajo, es decir, de la región ocupada por el material de soldadura, se hace mínima, asegurando así una firme unión y buen contacto eléctrico y conductividad térmica entre la placa compacta 26 y la pieza de trabajo. El material fúndente 11 y 13 cumple las siguientes funciones y tiene las siguientes propiedades: 1) limpia las superficies; 2) elimina cualesquiera óxidos presentes; 3) impide la nueva oxidación; 4) es desplazado por el material de soldadura fundido; 5) actúa como un conductor eléctrico cuando se pone a tierra el terminal para cable 10 a través del carril; 6) facilita la disipación de calor debido al hecho de que tiene una buena conductividad térmica; y 7) moja las superficies que se han de unir.

Otro requisito es que el material fúndente 28 y 29 ha de ser activado dentro de un intervalo de temperaturas concreto. El material fúndente, el material de soldadura y el procedimiento de soldadura deben ser hechos concordar entre sí. El material fúndente está ya activado al comienzo del procedimiento de soldadura y continuará siendo efectivo hasta que se haya realizado la soldadura.

Una soldadura que es realizada por encima de aproximadamente 500°C es denominada soldadura dura o fuerte, en contraposición a la soldadura blanda, que tiene lugar a temperaturas más bajas. El material de soldadura que se utiliza en el procedimiento de soldadura está destinado a la soldadura fuerte o dura. El material fúndente que está destinado a la soldadura dura no es apropiado para el presente procedimiento, ya que el proceso tiene lugar demasiado rápidamente, en aproximadamente 2 segundos. En el presente procedimiento de soldadura se utiliza un material fúndente 11 que es apropiado para soldadura blanda y, por lo tanto, es activado al una temperatura menor, pero no se desintegra antes de completarse la soldadura debido al corto tiempo de operación.

Con el fin de alcanzar una temperatura necesaria de soldadura, pero utilizando tan poca energía como sea posible, se requiere una gran aportación de potencia en un corto período de tiempo. La vía de ferrocarril, las tuberías de pared delgada y perfiles metálicos similares son disipadores de calor efectivos. Una gran entrada o aportación de potencia crea un frente de calor que se desplaza a través del terminal para cable, entrando en el carril, donde la temperatura resulta apropiada para la soldadura fuerte, pero no conduce a la formación de martensita.

El terminal para cable 10 es un amortiguador contra sobrecalentamiento local y produce una distribución de temperaturas relativamente uniforme sobre la totalidad de la superficie fundida. Un calentamiento indirecto tiene lugar por medio de un electrodo de carbón 6. Un arco eléctrico 8 se forma entre el electrodo de carbón 6 y el terminal para cable 10. Esto está en contraposición con la soldadura de espiga convencional, en la que el arco actúa directamente sobre el carril y/o el material de soldadura fundido sobre el carril.

La figura 10 es una vista desde arriba de un terminal para cable 10 con la placa compacta 26, en la que se puede apreciar una grapa o pinza de soldadura 27 que es presionada contra el terminal para cable 10 y en la que se pueden ver dos orificios 30 y 31 que fijan en posición cuando la grapa de soldadura 27 es presionada contra el terminal para cable 10. En las figuras se puede ver también que la grapa de soldadura 27 se forma de manera que es mayor que el terminal para cable 10 per se y sobresale más allá de la cara de este último. Esto crea un conjunto más seguro y más completo del terminal para cable 10 y la pieza de trabajo 14, e impide también la penetración de agua por medio de fuerzas de capilaridad entre el terminal para cable 10 y la pieza de trabajo subyacente 14, e impide la corrosión. La penetración de agua puede tener un efecto negativo sobre la resistencia mecánica de la junta soldada. Además, el agua puede perjudicar la conexión mecánica y las propiedades eléctricas de la conexión. Puesto que la grapa de soldadura 27 es mayor que el terminal para cable 10, se forma una superficie de junta mayor, lo que conduce a una menor resistencia de transición eléctrica.

Con sistemas de señal de ferrocarril y sistemas de protección de cátodo que operan a bajos voltajes y corrientes, es particularmente importante tener una resistencia de transición global baja en las juntas soldadas de manera que se impida la interferencia en el sistema.

Con grandes corrientes y voltajes en una resistencia de transición elevada se genera calor en la junta soldada, lo que puede dañar y/o fundir esta última. Por esta razón es importante tener una resistencia de transición baja en la junta soldada, ya que la conexión tiene también que soportar elevadas corrientes de retorno en el sistema operativo del ferrocarril. Por una razón similar, es también importante que la resistencia de transición sea baja en puestas a tierra protectoras.

La figura 10B es una sección tomada a lo largo de A-A de la figura l0A y muestra la grapa de soldadura 27 y un orificio 31 en el que sobresale hacia arriba el material eléctricamente conductor subyacente, desde la placa compacta continua 26, y forma una unión entre la grapa de soldadura 27 y la pieza de conexión 10.

La figura 11 muestra sólo una grapa de soldadura separada 27, que fue formada después de ser presionada sobre el terminal para cable 10, y se pueden apreciar también dos orificios 30 y 31 en el lado superior de la grapa de soldadura 27 y la superficie achaflanada especial 32 en el otro extremo de la grapa de soldadura 27.

La figura 12 es un diagrama de voltaje/corriente del procedimiento de soldadura. En comparación con la soldadura de espiga existente, no existe gran impulso de corriente similar cuando ocurre un cortocircuito. Tanto la curva de voltaje como la de corriente son relativamente más constantes a lo largo del tiempo. El diagrama muestra que la presente invención proporciona un control óptimo del procedimiento de soldadura. En consecuencia, se pueden también regular y controlar las temperaturas durante el procedimiento de soldadura, lo que es un requisito previo para obtener una soldadura exenta de martensita.

Las figuras 13, 14 y 15 son informes de laboratorio que muestran los resultados de mediciones de dureza de material de carril con cierto número de operaciones de soldadura realizadas de acuerdo con la presente invención.

La figura 16 es una fotografía de una junta soldada, con una ampliación de 200x. La fotografía muestra una soldadura exenta de martensita.

La figura 17 muestra un diagrama de flujo de regulación y control del procedimiento de soldadura.

La figura 18 es una sección de la parte delantera de la pistola de soldadura 5 con un manguito de agarre 18 en la posición retraída, y está mostrado un expulsor de electrodo 40 con un tornillo 16 para un expulsor de anillo de protección y un tornillo 17 para el expulsor de electrodo. También se muestran el electrodo de carbón 6 expulsado y el anillo de protección 9 expulsado.

El concepto básico de la presente invención es combinar varias funciones y métodos de tal manera que cooperen en un nuevo procedimiento de soldadura. El resultado de la cooperación es un procedimiento de soldadura completamente nuevo que está exento de cambios estructurales o de formación de martensita. Se utiliza un electrodo de carbón en el procedimiento de soldadura cuyos longitud y diámetro influyen en la resistencia del circuito eléctrico y en el que el polvo de carbón que es liberado del electrodo de carbón se acumula como una capa delgada sobre el terminal para cable situado debajo y actúa como un amortiguador de temperatura y distribuidor de calor. Además, es mantenido el arco eléctrico entre dos polos de carbón, lo que tiene un efecto estabilizador sobre el arco y contrarresta la tendencia a que se produzcan corrientes variables a lo largo del tiempo.

Un terminal para cable tiene al menos un extremo liso de material compacto, eléctricamente conductor, sobre el que actúa el arco eléctrico desde el electrodo de carbón. El lado inferior del terminal para cable tiene una grapa de material de soldadura que se asegura durante la fabricación. La soldadura produce una junta soldada de gran área, que da lugar a una resistencia de transición eléctrica global baja. El material fúndente está presente entre el terminal para cable y la grapa de soldadura, y existe también un material fúndente entre la grapa de soldadura y la pieza de trabajo, estando el material fúndente, el material de soldadura y el procedimiento de soldadura apropiadamente adaptados entre sí. El material de soldadura es apropiado para soldadura blanda y, en consecuencia, es activo en un bajo intervalo de temperaturas, con lo que se proporciona una soldadura exenta de martensita.

La ventaja de un anillo de protección en el procedimiento de soldadura, que consiste, por ejemplo, en metal u otro material similar, es que el proceso global requiere menor energía, y también se facilita el proceso de puesta a tierra, en comparación con procedimientos anteriores. La puesta a tierra a través del anillo de protección elimina la necesidad de contactos especiales de puesta a tierra, por ejemplo terminales de puesta a tierra o contactos magnéticos de puesta a tierra, así como la necesidad de preparación especial del portador de puesta a tierra. Puesto que en cada situación de puesta a tierra se utiliza un anillo de protección, se garantiza siempre que estén limpias las superficies de contacto.

La disposición de acuerdo con la presente invención reduce la longitud del circuito de puesta a tierra y elimina la resistencia de transición adicional o extra, así como fuentes de chispas y arcos secundarios entre el terminal para cable y la pieza de trabajo. La forma del anillo de protección, junto con el manguito de agarre, protege al operario de arcos eléctricos y gases calientes durante el procedimiento de soldadura.

El uso de anillos de protección metálicos influye sobre el procedimiento de soldadura en virtud del hecho de que utiliza más de la energía liberada en la forma de calor y la canaliza hacia el terminal para cable.

Con el fin de conseguir una soldadura satisfactoria que tenga en cuenta la temperatura, no tiene que ser suministrada, por lo tanto, tanta energía eléctrica al procedimiento de soldadura.

Con métodos anteriormente conocidos, se consideró constante la resistencia intrínseca total en el circuito. Un menor suministro de energía ha de significar en la práctica un tiempo de proceso más corto. Sin embargo, el tiempo resulta entonces demasiado corto para conseguir una soldadura satisfactoria.

En el presente procedimiento de soldadura, se comienza con una resistencia intrínseca constante en el circuito, de manera que cuando está completamente formado el arco eléctrico, la resistencia total se incrementa entonces con una o más resistencias adicionales en el circuito. La potencia que se desarrolla es inferior y, por consiguiente, aumenta el tiempo.

Regulando la resistencia adicional y/o regulando el voltaje, se puede controlar la duración del procedimiento de soldadura y de este modo se puede conseguir una soldadura satisfactoria exenta de martensita con un gasto mínimo de energía y, además se puede controlar también la temperatura en el material de base/pieza de trabajo.

Con métodos previamente conocidos, han sido aceptados amplios márgenes en relación con la potencia eléctrica desarrollada en el proceso, así como con la energía total emitida y también la duración global del procedimiento. La corriente fue limitada ya sea incorporando una resistencia eléctrica fija en el circuito o, alternativamente, interrumpiendo el proceso cuando había sido consumida la cantidad necesaria de energía emitida. No se tuvieron en cuenta variaciones del voltaje de batería dependientes del estado de la carga de la batería, características de descarga u otros factores, ni variaciones de corriente durante una y la misma operación de soldadura, dependientes de la variación de longitud del electrodo o fluctuaciones del arco, o cambios de corriente entre diferentes casos de soldadura dependientes de variaciones en la altura de elevación. Estas variaciones, junto con disposiciones inadecuadas simples para la estimación de la cantidad de energía emitida, han dado lugar a un tiempo variable y a salida de potencia variable para procesos de soldadura por lo demás comparables, así como a dificultades en el control de la temperatura en los materiales pertinentes.

En el nuevo procedimiento de soldadura anteriormente descrito, mostrado en la figura 17, la temperatura de soldadura y la formación de martensita dependiente de esta última, pueden ser controladas calculando la potencia eléctricamente desarrollada y regulando esta última en tiempo real, ya sea mediante un procedimiento analógico o mediante un procedimiento digital con elevada resolución. La potencia desarrollada es calculada midiendo instantáneamente la corriente y el voltaje, y la potencia real se calcula como el producto matemático de estas cantidades. El resultado calculado es tratado e introducido en una unidad de tratamiento cuya señal de salida influye sobre una unidad de regulación de voltaje. De este modo se regula el voltaje, y por tanto la corriente, y la potencia eléctrica desarrollada se ajusta a un valor apropiado. La unidad de tratamiento, que puede existir ya sea como una unidad separada o puede ser incorporada a la unidad electrónica 2, trata o procesa los datos en la forma de valores de corriente y voltaje, datos procedentes de transmisores y ajustes operacionales, unidades conectadas exteriormente, así como tiempo transcurrido medido, y maneja estos datos que guardan relación con estructuras físicas, matemáticas y lógicas de tal manera que tiene lugar a lo largo del tiempo una regulación apropiada de la potencia desarrollada.

Asimismo, puesto que la regulación es independiente de la resistencia del circuito de potencia, no hay necesidad de tener una resistencia instalada fija y, por tanto, se produce un ahorro de energía, ya que esta resistencia produce calor residual. Además, puede ser extraída una cantidad mayor de energía de las baterías, ya que al final del ciclo de descarga las baterías pueden activar todavía el proceso a pesar del nivel de voltaje descendente, puesto que no hay resistencia fija. Además, es facilitada la formación del arco en el punto de iniciación del proceso por dos razones: por una parte a causa de la altura de elevación del electrodo y, por tanto, de la longitud del arco y, por consiguiente, la siguiente energía de puesta en marcha puede ser reducida al mínimo sin riesgo alguno de que se produzcan corrientes excesivas, que en los métodos anteriores originaban problemas de temperatura y problemas de tecnología de regulación, y, por otra parte, se permiten valores de corriente y voltaje muchos más elevados de lo que era hasta ahora posible en el punto de puesta en marcha del proceso sin estar limitado a una resistencia fija, y, en consecuencia, se puede asegurar una iniciación fiable del proceso.

En el nuevo procedimiento de soldadura anteriormente descrito, la unidad de tratamiento antes mencionada maneja también señales procedentes de transmisores externos, por ejemplo sensores de temperatura, así como ajustes operacionales cuyos valores afectan a los datos de salida de la unidad de tratamiento. Además, son tratadas señales procedentes de unidades externas, tales como cargadores de batería, generadores y motores; estas señales son también tratadas en la unidad de tratamiento cuando son producidas señales de control apropiadas en la forma de datos de salida, de manera que se regula también esta unidad.

En los dibujos se han ilustrado sólo algunas realizaciones de la invención, pero se ha de entender que se pueden concebir muchas otras modificaciones dentro del alcance de las siguientes reivindicaciones.

Claims (9)

1. Un método para soldar una pieza de conexión, de un material eléctricamente conductor, a una pieza de trabajo de material eléctricamente conductor por medio de un procedimiento de soldadura de temperatura controlada, sin producir cambios estructurales y la formación de martensita, caracterizado porque la temperatura de soldadura y la formación de martensita dependiente de la última se controlan calculando y regulando en tiempo real la potencia eléctrica desarrollada utilizando un procedimiento analógico y/o un procedimiento digital con un alto grado de resolución y la potencia desarrollado es también calculada mediante la medición instantánea de la corriente y el voltaje, siendo calculada la potencia real como el producto matemático de la corriente y el voltaje, y en el que el cálculo se realiza y el resultado es introduce en una unidad de tratamiento cuya señal de salida influye sobre una unidad de regulación de voltaje, y regulando el voltaje y, con ello, la corriente, se ajusta la potencia eléctrica desarrollada hasta un valor apropiado, manejando la unidad de tratamiento datos en la forma de valores de corriente y voltaje, datos procedentes de sensores y ajuste operacionales, así como el tiempo transcurrido medido, y maneja estos datos con respecto a estructuras físicas, matemáticas y lógicas de manera que puede tener lugar la regulación apropiada de la potencia desarrollada a lo largo del tiempo, siendo también manejadas señales procedentes de unidades externas, tales como cargadores de batería, generadores y motores, siendo también tratadas estas señales en la unidad de tratamiento, donde son producidas señales de control apropiadas en la forma de datos de salida con el fin de regular también esta unidad.

2. Disposición para realizar el método según la reivindicación 1 por medio de un proceso de temperatura controlada para soldar una pieza de conexión, de un material eléctricamente conductor, a una pieza de trabajo de material eléctricamente conductor, sin producir cambios estructurales y la formación de martensita, caracterizada porque una fuente de potencia (1) transporta corriente a una unidad electrónica (2), en la que son tratados datos procedentes de diferentes unidades y los datos de salida son regulados en la disposición y, cuando el disyuntor (3) de circuito cierra el circuito eléctrico, el electrodo de carbón (6) cortocircuita el circuito con una pieza de conexión (10) de material eléctricamente conductor, preferiblemente un terminal para cable, a continuación de lo cual un electroimán de la pistola de soldadura (5) eleva el electrodo de carbón (6) de la pieza de conexión (10) y se enciende un arco eléctrico (8) que actúa sobre una superficie compacta continua plana (26) de la pieza de conexión (10), siendo liberado polvo de carbón del electrodo de carbón (6) durante el proceso de soldadura, que se acumula en la forma de una delgada capa sobre la superficie compacta continua plana (26) de la pieza de conexión (10) subyacente y el arco eléctrico (8) es mantenido entre dos polos de carbón, lo que estabiliza el citado arco (8) y distribuye la temperatura, impidiendo la parte compacta (26) de la pieza de conexión (10) el contacto directo entre el arco eléctrico (8) y la pieza de trabajo (14) y formando una capa térmica intermedia de distribución de temperatura, efectuándose la puesta a tierra del circuito por medio de un anillo de protección (9) de ajuste hermético, absorbiendo el anillo de protección (8), de material eléctricamente conductor, alrededor del electrodo de carbón (6), el calor generado durante el proceso de soldadura y canalizándose este último hacia la pieza de conexión (10), siendo el calor generado transmitido por la pieza de conexión (10) y activando el material fúndente (11) situado entre el material de soldadura (12) y la pieza de conexión (10), y activando a su vez, cuando el material de soldadura (12) es calentado, un material fúndente (13) situado sobre una pieza de trabajo (14), preferiblemente un carril de ferrocarril o un material de tubería, con lo que tiene lugar una soldadura del material de soldadura (12) a la pieza de trabajo (14), y la pieza de conexión (10) de material eléctricamente conductor es firmemente soldada a la pieza de trabajo (14), en la cual el material fúndente apropiado para la soldadura blanda, el material de soldadura apropiado para soldadura fuerte o dura y el procedimiento de soldadura están adatados entre sí y en la cual el material fúndente es activado al comienzo del procedimiento de soldadura y continúa siendo efectivo hasta que ha sido realizada la soldadura.

3. Disposición según la reivindicación 2, caracterizada porque un material fúndente (28) está incorporado entre la pieza de conexión (10) y la grapa o pinza (27) de soldadura cuando estas últimas son presionadas conjuntamente.

4. Disposición según la reivindicación 2, caracterizada porque la grapa de soldadura (27) tiene un espesor uniforme con una parte achaflanada (32) y dos orificios (30, 31), y porque la grapa de soldadura (27) es mayor que la pieza de conexión (10) de manera que proporcionan una mayor superficie de unión y una menor resistencia eléctrica de transición.

5. Disposición según la reivindicación 2, caracterizada porque el anillo de protección (9) consiste en material cerámico.

6. Disposición según la reivindicación 2, caracterizada porque el anillo de protección (9) consiste en una combinación de un anillo cerámico y un anillo de material eléctricamente conductor.

7. Disposición según la reivindicación 2, caracterizada porque el anillo de protección (9), junto con un anillo de agarre (18), protegen al operario contra el arco (8) y los gases calientes.

8. Disposición según la reivindicación 2, caracterizada porque una conexión eléctrica (25) a la pieza de conexión (10) incluye una conexión de polos (24) unida de manera que se pone a tierra el circuito.

9. Disposición según la reivindicación 2, caracterizada porque un anillo de agarre (18) expulsa con un movimiento longitudinal los electrodos de carbón (6) gastados y el anillo o anillos de protección (9, 9B).