ES2824429T3 - Soldadura entre los extremos de un cable de acero, método y aparato para implementar dicha soldadura - Google Patents

Abstract

Una soldadura entre dos extremos de cables de acero, comprendiendo dichos cables de acero una pluralidad de filamentos de acero al carbono perlítico embutido, teniendo cada uno de dichos filamentos un área de sección transversal de menos de 0,2 mm2 caracterizado por que una sección transversal metalográfica de la zona afectada por el calor de dicha soldadura comprende estructuras metalográficas de perlita y bainita en una cantidad en la que la fracción de área ocupada por perlita y bainita es más del 50 % del área total de la zona afectada por el calor.

Description

DESCRIPCIÓN

Soldadura entre los extremos de un cable de acero, método y aparato para implementar dicha soldadura Campo técnico

La invención se refiere al campo de la soldadura de cables de acero utilizados para reforzar aparatos elastoméricos como neumáticos, mangueras, cintas transportadoras, correas dentadas y similares.

Antecedentes de la técnica

Al producir o procesar cables de acero en un punto, el cable llega a su fin. Por tanto, existe la necesidad de conectar los extremos de los cables de acero entre sí para continuar con el procesamiento. La conexión debe ser fácil de realizar y tener propiedades cercanas o iguales a las del cable de acero para que la conexión pase desapercibida en el proceso. La práctica actual es conectar los extremos del cable de acero mediante soldadura. Los extremos de un cable de acero se cortan al ras y se montan en las abrazaderas móviles de un aparato de soldadura. Mientras los extremos del cable de acero se presionan entre sí, se aplica corriente eléctrica alterna a través de las abrazaderas y los extremos del cable se calientan hasta el punto en que el acero se ablanda y se derrite. Los extremos se empujan entre sí a una distancia determinada y, tan pronto como se alcanza esta distancia, se corta la corriente. La soldadura se enfría rápidamente en el aire ambiente. Este procedimiento se conoce como 'soldadura por recalcado' o 'soldadura a tope por resistencia'.

Los cables de acero están hechos de filamentos finos (más delgados de 0,50 mm) de acero al carbono liso que se estiran en frío para obtener una alta resistencia a la tracción (superior a 3000 N/mm2). Dos o más filamentos se trenzan juntos en un cable de acero. La estructura metalográfica de los filamentos es una estructura de alta resistencia, de acero perlítico embutido. En la soldadura, el aumento de resistencia debido a la conformación en frío se pierde por completo. Debido a la alta velocidad de enfriamiento después de hacer la soldadura, la estructura metalográfica se vuelve martensítica, que es más frágil que la estructura perlítica embutida. En el procedimiento de soldadura actual no es posible evitar la formación de la estructura martensítica ya que el enfriamiento de la soldadura es demasiado rápido y, en cualquier caso, mucho más rápido que en comparación con la soldadura de alambres más gruesos. Para aliviar la fragilidad del acero martensítico en la soldadura, posteriormente, se realiza una operación de recocido, también llamado proceso térmico de liberación de tensión, colocando la soldadura entre dos abrazaderas de recocido. Conduciendo una pequeña corriente alterna a través de la soldadura, la soldadura se vuelve recocida. Una estructura martensítica recocida tiene más ductilidad. El documento GB1251928 describe dicho procedimiento.

A medida que se agrega material adicional a la zona de soldadura, el tamaño transversal de la soldadura es mayor que el del cable de acero y la rebaba debe pulirse o martillarse para que el diámetro del cable de acero no aumente apreciablemente en la soldadura. En general, se permite un aumento de diámetro de no más del 3 %.

El procedimiento es difícil de repetir de manera consistente porque:

• Se utiliza una fuente de corriente de CA en la que una tensión de línea alta de 380 a 400 VCA se convierte a una tensión baja, alta corriente por medio de un transformador. Las fluctuaciones en la tensión de línea influyen directamente en la potencia emitida en la soldadura. Estas fluctuaciones pueden ser significativas a lo largo del tiempo dependiendo de la calidad de la red eléctrica en la planta de cableado.

• Los cables de acero tienen una superficie irregular con la que es difícil establecer un contacto eléctrico constante y repetible. El problema es particularmente severo cuando se sueldan construcciones de tipo cable abierto o construcciones con pocos filamentos tales como 2x1 en los que los filamentos de acero pueden desplazarse uno sobre otro y son difíciles de alinear cara a cara en las abrazaderas. Por lo tanto, la resistencia eléctrica puede diferir mucho de un evento de sujeción a otro, incluso en el mismo cable de acero. Al soldar alambres individuales, este problema no es un problema ya que la superficie lisa del alambre proporciona un contacto consistente y repetible y las caras de los extremos del alambre se pueden alinear fácilmente.

El procedimiento da como resultado una soldadura que tiene propiedades menos que deseables: la ductilidad inferior de la soldadura recocida, la resistencia reducida de la soldadura y la presencia de una rebaba de soldadura hacen que dicha soldadura sea un punto débil. Por tanto, las soldaduras se someten a una prueba de tracción, una verificación de diámetro y, a veces, una verificación de ductilidad. Si la soldadura falla, hay que rehacerla, lo que supone una pérdida de tiempo.

En la técnica existente se hace referencia principalmente a la soldadura de alambres individuales o filamentos de un calibre relativamente grueso (más de 0,5 mm) tales como alambres para malla soldada.

El documento US 3818173 describe un método para soldar alambres de plomo patentado (es decir, el alambre no ha sido embutido en frío), de acero con alto contenido de carbono (más de 0,45 % en peso de C) de extremo a extremo en donde primero se realiza una soldadura martensítica recocida. En una siguiente etapa, separada, la soldadura se somete a una 'etapa de homogeneización' por encima de una temperatura crítica (1065 °C, es decir, por encima de la temperatura de austenización) durante varios minutos y posteriormente se 'enfría a una velocidad de enfriamiento controlada'. Se sugiere 'dirigir una ráfaga de fluido refrigerante sobre las juntas para enfriar el acero rápidamente a una temperatura subcrítica en la que el carbono del acero se transforma directamente en perlita en un tiempo mínimo'. Durante esta etapa, la temperatura se mide con un pirómetro cuya lectura de temperatura se usa para controlar la corriente a través de la soldadura. El procedimiento comprende varias etapas, por lo tanto, es largo (toma varios minutos) y no es práctico ya que un pirómetro debe apuntarse en el alambre mismo. También se refiere a alambres individuales y no a cables de acero.

El documento CN 102328148 describe un método para soldar mallas (es decir, soldadura transversal) de alambres de acero en alambres de acero de carbono bajo o medio en donde, después de la formación de la soldadura, una primera etapa de enfriamiento natural va seguida por una etapa de calentamiento separada. Después de una segunda etapa de enfriamiento natural, se aplica un tratamiento de templado final. El método solo es aplicable para la soldadura transversal de alambres individuales en una malla. En esa configuración, la resistencia de contacto entre las abrazaderas y el alambre es muy repetible.

El documento CN101596643A describe un método para soldar a tope alambres de acero inoxidable. El método describe cómo se puede controlar la temperatura por medio de un tren de pulsos de corriente continua. Solo se controla la magnitud de la corriente y la longitud del pulso.

El documento DE2658332 describe un método para soldar instantáneamente filamentos o hebras mediante el cual las abrazaderas de soldadura están provistas de rebajes para recibir el glóbulo de soldadura. En la soldadura rápida, se dibuja un arco eléctrico entre el filamento o los extremos de hebra para calentar esos extremos. La soldadura rápida no se usa en cables de acero ya que los extremos son demasiado irregulares para garantizar una formación de arco repetible.

El documento WO 2008/116469 describe un método de soldadura y el aparato de soldadura adjunto para soldar tiras de acero inoxidable de acero dúplex en donde el enfriamiento de la sección de interfaz soldada se controla mediante un ordenador programado para aplicar corriente durante al menos una parte del ciclo de enfriamiento.

El documento US 6169263 describe una soldadora a tope eléctrica que tiene una platina móvil para sujetar una pieza a soldar en una junta. La soldadora a tope eléctrica tiene un sensor para medir la caída de tensión a través de la junta y un controlador de fuerza para ejercer una fuerza en la junta por medio de una servoválvula. La salida de un procesador cambia la fuerza ejercida sobre la junta a través del controlador de fuerza en respuesta a la entrada al controlador de la caída de tensión a través de la junta.

Se ha identificado la siguiente técnica que se enfoca particularmente en la soldadura de cables de acero:

El documento WO 03/100164 describe en la figura 5, páginas 9 y 10, el procedimiento conocido de soldadura y recocido de una hebra en un cable de acero de múltiples hebras, que comprende además la etapa de acortar la longitud de tendido de la hebra antes de soldar. Solo hay una hebra soldada en un punto específico del cable de hebras múltiples.

El documento WO 2007/020148 describe una conexión de extremos de cable de acero que es particularmente adecuada para conectar cables de acero de tipo cable abierto. La conexión comprende una sección articulada como, por ejemplo, una soldadura y una sección de fijación, lejos de la sección articulada para inmovilizar los filamentos entre sí.

Si bien los dos últimos procedimientos dan como resultado soldaduras aceptables para su propósito específico, no son de aplicación universal o necesitan materiales y trabajo adicionales.

Por tanto, los inventores buscaron mejorar los tipos de soldaduras existentes, procedimientos de soldadura y aparatos de soldadura de la manera que se explicará a continuación.

Divulgación de la invención

El objeto principal de la invención es proporcionar excelentes soldaduras que sean repetibles de manera consistente independientemente del tipo de cable de acero soldado. Más en particular, la soldadura y el procedimiento de soldadura proporcionados son adecuados para cables de acero con diámetros de filamentos por debajo de 0,50 mm y que comprenden dos o más filamentos. El método y el aparato descritos dan como resultado una soldadura que no se rompe en los procesos posteriores durante la producción del cable de acero o en el procesamiento posterior de los aparatos de refuerzo de caucho. Asimismo, el método y el aparato resuelven el problema de la resistencia eléctrica irregular entre abrazaderas, especialmente cuando se sueldan cables abiertos o cables con pocos filamentos.

Según un primer aspecto de la invención, se reivindica una soldadura entre dos extremos de cables de acero. Los cables de acero comprenden una pluralidad de filamentos de acero, es decir, 2 o más filamentos. Generalmente, el número de filamentos de acero está entre 2 y menos de 50, pero en su mayoría menos de 27. Los cables de acero cuyos extremos están soldados son preferiblemente del mismo tipo, aunque la invención también es aplicable a la soldadura de diferentes tipos de cables de acero entre sí. Los filamentos de acero se retuercen juntos de las formas conocidas en la técnica de la fabricación de cables de acero.

Los cables de acero pueden ser del tipo 'nxd' simple en donde 'n' filamentos de diámetro 'd' están trenzados entre sí. Por ejemplo, el cable solo puede comprender dos filamentos (n=2). Este simple cable también se puede fabricar en una versión 'abierta' en donde los filamentos se preforman para que el caucho pueda entrar entre los filamentos durante el procesamiento posterior. O pueden ser del tipo 'U+T' en donde una hebra retorcida de filamentos en T y un haz no retorcido de filamentos en 'U' están trenzados uno alrededor del otro. Estos tipos son particularmente difíciles de soldar, ya que su holgura (en el caso de un cable abierto) o su superficie irregular (para el tipo 'U+T') dificulta la realización de un contacto eléctrico repetible.

O los cables de acero pueden ser del tipo en capas, como 'n+m', en donde una hebra central de 'n' filamentos trenzados con una primera longitud de colocación se cubre por retorcido por una capa de filamentos 'm' alrededor de esa hebra central con una segunda longitud, diferente, de colocación. El procedimiento puede ir seguido de la adición de una capa aún más de filamentos T: el tipo 'n+m+l'. O los cables de acero pueden ser del tipo 'cable compacto' en donde un haz de filamentos de igual diámetro se retuercen juntos con la misma disposición. Estos cables están generalmente adaptados para permitir la entrada de caucho que hace que su superficie sea irregular o abierta, dificultando así el contacto eléctrico entre el cable y las abrazaderas de soldadura de forma fiable.

También se pueden considerar cables de acero de múltiples hebras de tipo NxM, por ejemplo, 7x7, en donde 7 hebras que comprenden cada una 7 filamentos trenzados entre sí están a su vez trenzadas entre sí. Estos tipos son difíciles de soldar porque la superficie exterior disponible para el contacto eléctrico con el cable de acero es pequeña en comparación con la masa entre las abrazaderas de soldadura que debe soldarse. Por lo tanto, las densidades de corriente locales pueden llegar a ser muy altas, lo que da lugar a un calentamiento irregular en toda la soldadura.

De ninguna manera la lista anterior de tipos de cables de acero es limitativa, ya que el experto en la materia puede añadir o especificar fácilmente otros cables de acero que caen dentro del alcance de la invención pero que no se enumeran aquí.

Los filamentos de acero están hechos de acero al carbono, más preferentemente acero plano, de alto carbono. Una composición típica de cable de acero tiene un contenido mínimo de carbono de 0,65 %, un contenido de manganeso que oscila entre el 0,40 % y el 0,70 %, un contenido de silicio que oscila entre el 0,15 % y el 0,30 %, un contenido máximo de azufre del 0,03 %, un contenido máximo de fósforo del 0,30 %, siendo todos los porcentajes, porcentajes en peso. Solo quedan rastros de cobre, níquel y/o cromo. Una composición típica de cables de neumáticos de acero para cables de acero de alta resistencia tiene un contenido mínimo de carbono de alrededor de 0,80 % en peso, por ejemplo, 0,78 - 0,82 % en peso.

Los filamentos de acero se embuten, es decir, se han sometido a un proceso de deformación en frío en donde el diámetro del alambre se reduce gradualmente tirando de ellos a través de orificios o troqueles sucesivamente más pequeños. La reducción porcentual resultante en el área para los filamentos de cable de acero es al menos del 86 % y generalmente alrededor del 95 % al 97 %, mientras que actualmente es posible una reducción total del área del 98,2 %. Los filamentos de acero estirado tienen una mayor resistencia a la tracción en comparación con el alambre de acero patentado del que se embuten. La resistencia a la tracción de un alambre embutido aumenta con la cantidad de reducción de área y/o el contenido de carbono del acero. Normalmente, la resistencia a la tracción de los filamentos utilizados para el cable de acero tiene una resistencia a la tracción superior a 3000 N/mm2 para filamentos de menos de 0,30 mm, mientras que para alambres de 0,12 mm una resistencia a la tracción de 4000 N/mm2 actualmente es alcanzable.

El alambre de acero patentado antes del embutido tiene una fina estructura perlítica. Después del embutido, la estructura sigue siendo perlítica pero los granos se alargan. Un metalúrgico experto puede reconocer fácilmente este tipo de estructuras metalográficas.

Normalmente, los alambres están revestidos con un revestimiento que promueve la adhesión entre los filamentos y el caucho en donde se usa el cable de acero. Normalmente se utiliza un revestimiento de latón o zinc para este fin. El más utilizado es el latón con una composición de 63,5 % de cobre en peso, siendo el resto zinc.

Los filamentos de cable de acero tienen que ser relativamente delgados para que se puedan doblar fácilmente durante su uso en un neumático. Por tanto, el área de sección transversal de los filamentos individuales es inferior a 0,2 mm2 que corresponde, para un alambre con sección transversal redonda, a un diámetro de 0,5 mm. Generalmente, el área de sección transversal es menor, por ejemplo, por debajo de 0,1 mm2 (por ejemplo, 0,30 mm) o menos de 0,05 mm2 (por ejemplo, 0,25 mm de diámetro). Las secciones transversales más bajas de los filamentos en donde todavía están disponibles cables de acero son de 0,005 mm2.

El diámetro o área de sección transversal de los filamentos de acero y el número de filamentos en el cable de acero son particularmente importantes porque influyen en gran medida en el comportamiento de enfriamiento de la soldadura cuando se enfría o calienta, como se explicará en la descripción del método de soldadura.

La soldadura según la invención se caracteriza por una estructura metalográfica favorable. Cuando se realiza una sección transversal metalográfica de la soldadura según la invención, aproximadamente el 50 % del área de la zona afectada por el calor de la soldadura tiene una estructura metalográfica de perlita y/o bainita. En una realización preferida, la estructura metalográfica de perlita y/o bainita se extiende por el 60 %, posiblemente el 70 % de la zona afectada por el calor. En una realización preferida adicional, al menos el 50 % del área de la zona afectada por el calor muestra una estructura metalográfica perlítica.

En una sección transversal, la 'zona afectada por el calor' se puede identificar fácilmente ya que es la zona de la soldadura entre la estructura embutida, anisotrópica, de los filamentos de acero no afectados.

La estructura metalográfica de 'perlita' del acero al carbono en la soldadura se puede determinar fácilmente en una sección transversal metalográfica, pulida y grabada. Al contrario que la perlita embutida en el filamento de acero, la perlita en la zona afectada por el calor muestra límites de grano y es isotrópica. Tiene aspecto de perla, de ahí el nombre, debido a las capas alternas de ferrita y cementita. Se forma, en las condiciones adecuadas de enfriamiento a partir de la fase austenítica, entre 550 °C y 700 °C. Es fuerte pero resistente y corresponde a la estructura del alambre patentado del que se embute el filamento de acero.

La estructura metalográfica de 'bainita' es igualmente conocida por los metalúrgicos del acero. Se forma a temperaturas algo más bajas (400 °C a 550 °C) que la perlita y se caracteriza por la presencia de fajos de placas de ferrita, separados por austenita retenida, martensita o cementita.

La resistencia a la tracción de las fases de perlita y/o bainita es superior a 1000 N/mm2 para aceros con al menos 0,55 % en peso de carbono. Estas fases muestran una mejor ductilidad que la fase de martensita templada.

Otra característica de la soldadura es que en la transición de la soldadura a los filamentos no afectados en los extremos del cable de acero, se puede observar martensita sin templar. No obstante, mediante la selección adecuada de las condiciones de refrigeración, esta martensita no templada se puede hacer más delgada de 600 pm, o incluso más delgada de 400 pm o incluso por debajo de 100 pm. idealmente, la martensita sin templar es apenas perceptible. La soldadura definida anteriormente se obtiene mediante el método que se describe a continuación.

Según este segundo aspecto de la invención, se presenta un método para realizar una soldadura entre los extremos de los cables de acero. Los cables de acero comprenden una pluralidad (dos o más) de filamentos de acero al carbono perlítico embutido con un área de sección transversal de menos de 0,2 mm2 El método comienza proporcionando dos extremos de cable de acero que se cortan al ras. Con 'corte al ras' se entiende que ninguno de los filamentos de ninguno de los extremos sobresale más que los otros filamentos: los filamentos terminan sustancialmente en el mismo plano.

Los extremos del cable de acero están montados en las abrazaderas de soldadura móviles axialmente de un aparato de soldadura, más preferentemente un aparato de soldadura según el tercer aspecto de la invención.

Las abrazaderas de soldadura empujan los extremos del cable de acero uno contra el otro con una fuerza de soldadura controlada. Ya que los extremos del cable de acero hacen entonces un contacto eléctrico, se puede alimentar una corriente eléctrica a través del punto de contacto. La corriente eléctrica es una corriente eléctrica continua, es decir, no cambia la polaridad. La corriente continua es de tal nivel, el nivel de corriente de soldadura, que el acero de los filamentos se funde (los aceros al carbono de interés para esta solicitud se funden por encima de los 1400 °C). A medida que el acero se ablanda, se forma un glóbulo de acero fundido que fusiona los extremos del filamento de acero en un solo esferoide mientras las abrazaderas de montaje se mueven una hacia la otra.

Al alcanzar un recorrido de abrazadera prescrito, la corriente continua se reduce ininterrumpidamente desde el nivel de corriente de soldadura a una corriente continua controlada posterior a la soldadura durante un intervalo de tiempo posterior a la soldadura prescrito. Después de ese período prescrito, la corriente posterior a la soldadura se apaga y se deja enfriar la soldadura obtenida.

La característica del método es ahora que la corriente posterior a la soldadura se controla de manera que la potencia eléctrica disipada entre las abrazaderas se dirige hacia un nivel constante durante el período posterior a la soldadura. La potencia eléctrica disipada es el producto de la tensión sobre las abrazaderas multiplicado por la corriente a través de las abrazaderas. Es importante tener en cuenta que esta potencia es independiente de la resistencia eléctrica entre las abrazaderas. El nivel constante se alcanza después de un cierto tiempo de transición. Después de ese tiempo se mantiene el nivel constante.

La resistencia eléctrica entre las abrazaderas es la suma de la resistencia de contacto Rl entre la abrazadera izquierda y el cable de acero, la resistencia de la propia soldadura R^w y la resistencia R^r entre el cable de acero y la abrazadera derecha. La resistencia de la soldadura R^w dependerá de cómo coincidan exactamente los filamentos en la soldadura. Esto puede variar de una soldadura a otra debido a la orientación irregular de los extremos del filamento enfrentados entre sí antes de soldar. Las resistencias de la abrazadera de soldadura Rl y Rr también varían de un evento de abrazadera a otro, dependiendo de cómo se colocan exactamente los filamentos individuales en las abrazaderas a medida que los filamentos se reorganizan en las abrazaderas.

Cuando ahora la corriente posterior a la soldadura 'l^pw' se suministra en un modo de corriente constante, la potencia disipada se convierte en:

P = l^pw2 • (R^l + R^w+ R^r )

Esta potencia depende de las resistencias de contacto de la abrazadera y la resistencia de la soldadura que puede variar de un evento de abrazadera a otro, incluso en el mismo cable. Esto introduce variabilidad en la potencia inyectada después de la soldadura.

Al detectar ahora la tensión 'U' sobre la abrazadera, la corriente posterior a la soldadura se dirige de manera que el producto de la tensión y la corriente permanezca constante:

P = U • I^pw

La variabilidad de las resistencias de contacto de la abrazadera y la resistencia de la soldadura ha desaparecido y ahora cada soldadura se realiza exactamente con la misma potencia posterior a la soldadura.

La potencia posterior a la soldadura está configurada para mantener la soldadura a una temperatura entre 300 °C y 700 °C, preferentemente entre 400 a 650 °C o más preferentemente entre 500 °C a 600 °C durante un tiempo suficiente para inducir las transformaciones metalográficas en el glóbulo de soldadura. La potencia necesaria para mantener la soldadura a una cierta temperatura disminuye al disminuir el diámetro y disminuir el número de filamentos, ya que estos determinan la masa del glóbulo de soldadura. Dependiendo del tipo de construcción (más específicamente el número de filamentos) y el diámetro de los filamentos en el cable de acero esta potencia puede variar entre 5 vatios (para pocos y/o filamentos finos) a 100 vatios (para muchos y/o filamentos más gruesos).

Los cambios absolutos mínimos en la resistencia de contacto y/o la resistencia de la soldadura conducen a altas diferencias relativas en la potencia disipada cuando se trabaja con corrientes constantes posteriores a la soldadura. El método inventivo elimina completamente esta variabilidad. Por lo tanto, el nivel de control de potencia se vuelve muy importante cuando se sueldan cables de acero con filamentos finos. La mayor parte del calor se pierde por conducción de calor a las abrazaderas de soldadura, mientras que la pérdida de calor al aire ambiente o por radiación no influye en esta potencia necesaria a un nivel apreciable.

La potencia necesaria se puede seleccionar de la siguiente manera:

• Cuando la potencia posterior a la soldadura es demasiado baja, la soldadura se enfriará a una temperatura demasiado baja (por debajo de 300 °C) y el glóbulo de acero fundido se condensará en una estructura martensítica.

• Cuando la potencia posterior a la soldadura es demasiado alta, la soldadura permanece por encima de 700 °C y después de que se desconecta la potencia posterior a la soldadura, nuevamente se forma una estructura martensítica que da como resultado una soldadura quebradiza.

La corriente posterior a la soldadura se dirige hacia el nivel de potencia constante durante un intervalo de tiempo posterior a la soldadura de entre 5 y 50 segundos, dependiendo nuevamente del tipo de construcción. Cuando el intervalo de tiempo posterior a la soldadura es inferior a 5 segundos, la soldadura es martensítica porque la transformación a perlita y/o bainita no se ha completado. Cuando el intervalo de tiempo posterior a la soldadura es superior a 50 segundos, los granos de martensita sin templar tienden a formarse también dentro de la soldadura. Normalmente, los tiempos posteriores a la soldadura serán de entre 5 y 30 segundos.

Un aspecto importante del método es que la conmutación o transición de la corriente continua desde un nivel de corriente de soldadura al nivel de corriente posterior a la soldadura se realiza sin interrupción. La más mínima interrupción daría lugar a la formación de una fase martensítica que luego debe ser recocida. Esto es importante porque la masa en el glóbulo de soldadura es tan pequeña que todo el calor se pierde en las abrazaderas en milisegundos.

Después de soldar, las rebabas de soldadura se eliminan, si es necesario, martillando o frotando con papel de esmeril como es habitual en el campo.

En otra realización preferida del método, se puede configurar el tiempo de transición desde el nivel de corriente de soldadura a la corriente posterior a la soldadura controlada. En la metalografía del acero, no solo los niveles de temperatura son importantes, sino también la velocidad de enfriamiento. Como la masa del glóbulo de soldadura es muy pequeña (del orden de miligramos), el enfriamiento del glóbulo tiene lugar con velocidades de enfriamiento superiores a 1000 K/s.

La velocidad de enfriamiento aumenta al disminuir el diámetro del filamento. Por lo tanto, al soldar alambres finos de acero como en un cable de acero según la invención, es importante enfriar la soldadura de manera controlada regulando la potencia de calentamiento alimentada a la soldadura en el tiempo posterior a la soldadura, ya que el enfriamiento gana sobre el calentamiento. Allí, el tiempo de transición controlado se vuelve importante. Para soldar alambres gruesos, la situación es al revés: para obtener un enfriamiento lo suficientemente rápido después de la soldadura, la corriente se apaga por completo e incluso se aplica un enfriamiento forzado ya que el drenaje de calor a través de las abrazaderas no es suficiente para enfriar la soldadura lo suficientemente rápido.

Para no ir demasiado rápido al nivel de potencia controlado correspondiente a una temperatura posterior a la soldadura, el tiempo de transición o constante de tiempo al pasar del nivel de corriente de soldadura al nivel de corriente posterior a la soldadura es preferiblemente controlable entre 10 y 1000 ms. No se necesitan tiempos inferiores a 10 ms, ya que el tiempo de enfriamiento es más lento que eso. Más de 1000 ms hacen que la soldadura requiera mucho tiempo. Este tiempo de transición influye en el ancho de la fase martensítica sin templar en la soldadura: un cambio demasiado rápido da como resultado una martensita sin templar en el límite entre la abrazadera de soldadura y la propia soldadura. Como la abrazadera de soldadura actúa como un disipador de calor, el enfriamiento es más rápido allí.

Posiblemente, se puede considerar una etapa de recocido adicional si la región martensítica no templada todavía estuviera presente. La etapa de recocido se realiza preferiblemente sin tener que quitar la soldadura de las abrazaderas de soldadura.

De acuerdo con un tercer aspecto de la invención, se reivindica un aparato de soldadura a tope por resistencia. Este comprende abrazaderas de soldadura que son relativamente móviles entre sí a lo largo de un eje común, una fuente de corriente controlable para alimentar corriente a las abrazaderas y un controlador programable.

La diferencia de los soldadores actualmente conocidos para cables de acero es que la fuente de corriente controlable es una fuente de corriente continua. 'Corriente continua' es, a los efectos de esta solicitud, una corriente que no invierte la dirección dos veces en un período inferior a 15 ms. Alternativamente, la corriente continua no tiene componentes de frecuencia mayores entre 45 y 65 Hz. Asimismo, esta salida de corriente continua se puede controlar a tiempo mediante el controlador programable. De esta manera, los niveles de corriente en diferentes intervalos de tiempo y/o tiempos de aceleración o deceleración, es decir, tiempos de transición, se puede ajustar a voluntad para un mejor control de la soldadura como se describe en el aspecto del método de la invención.

El aparato de soldadura tiene además un sensor de tensión que detecta la tensión entre las abrazaderas y en donde la tensión detectada es una entrada al controlador programable. El sensor de tensión permite controlar el producto de la tensión y la corriente detectadas, es decir, la potencia alimentada a la soldadura. Este producto, en intervalos de tiempo programables, va dirigido a un nivel establecido. La dirección se realiza ajustando la corriente, mientras detecta la tensión.

Otra característica ventajosa del aparato de soldadura es que el modo de detección se puede cambiar en muy poco tiempo entre:

• Un modo de salida de corriente controlada en donde el controlador dirige la corriente emitida de acuerdo con un perfil de tiempo-corriente preprogramado o;

• Un modo de tensión controlada en donde el controlador dirige la tensión detectada según un perfil de tensióntiempo preprogramado o;

• Un modo de potencia de salida controlada en donde el controlador dirige la potencia emitida de acuerdo con un perfil preprogramado de potencia frente a tiempo y en donde la potencia es la tensión detectada multiplicada por la corriente emitida.

El aparato de soldadura se puede cambiar de un modo de funcionamiento a cualquier otro de los modos de funcionamiento en 10 ms. Por ejemplo durante la soldadura, la corriente de soldadura seguirá una traza preprogramada, pero una vez que las abrazaderas de soldadura han alcanzado su recorrido prescrito, el aparato cambiará a un modo de potencia de salida controlada entre las abrazaderas.

Como otra característica ventajosa del aparato de soldadura, el tiempo de transición como, por ejemplo, la constante de tiempo en el caso de una curva exponencial o el tiempo de aceleración o deceleración en el caso de una curva lineal para cambiar de una corriente, tensión o nivel de potencia a otra corriente, tensión o nivel de potencia se pueden controlar entre 10 ms y 1000 ms.

Breve descripción de las figuras en los dibujos

La figura 1 describe un procedimiento de soldadura de la técnica anterior.

La figura 2a y la figura 2b representan las dependencias temporales de la corriente (2a) y la potencia (2b) según una primera realización del método: en modo de corriente controlada.

La figura 3a y la figura 3b representan las dependencias temporales de la potencia (3a) y la corriente (3b) según una segunda realización del método en donde se controla el nivel de potencia posterior a la soldadura.

La figura 4 ilustra el problema de la 'resistencia de la abrazadera'.

La figura 5a y la figura 5b muestran una vista macroscópica y microscópica de la soldadura con las diferentes características metalográficas.

La figura 6 es una representación esquemática del aparato de soldadura según el tercer aspecto de la invención. Modo(s) de realización de la invención

La figura 1 describe el ciclo de soldadura según el procedimiento conocido. En ese procedimiento, los extremos del cable de acero se cortan al ras y se montan entre las abrazaderas de soldadura móviles. Las abrazaderas de soldadura presionan ligeramente los extremos del cable de acero entre sí. Al suministrar una corriente alterna, el área de contacto comienza a derretirse y se forma un glóbulo de acero fundido. Los extremos del cable de acero se presionan entre sí y si las abrazaderas alcanzan una posición cerrada, la corriente se corta automáticamente después de un tiempo de soldadura Atw. El glóbulo se condensa en una estructura martensítica sin templar. Como esta estructura es fuerte pero muy frágil, debe templarse. Por lo tanto, la soldadura nueva se retira de las abrazaderas de soldadura y se coloca entre dos abrazaderas de recocido. La corriente alterna de las abrazaderas de recocido está limitada de modo que el glóbulo no se caliente demasiado. Al realizar soldaduras con el procedimiento anterior en un cable de acero abierto Betru® 5X0,22 de Bekaert, solo 7 de cada 10 soldaduras pasan la prueba de tracción del 40 % de la carga mínima de rotura del cable (630 N).

La figura 6 muestra una visión general esquemática del aparato 600 de soldadura a tope por resistencia según el tercer aspecto de la invención. Este comprende abrazaderas de soldadura 610, 610' montadas en un riel común 614 que también incluye un codificador de posición como un sensor de proximidad inductivo o un sensor de distancia láser o sensor de posición similar para detectar la distancia entre las abrazaderas 610, 610' a lo largo del riel 614. Las abrazaderas de soldadura 610, 610' se empujan una hacia la otra mediante un sistema accionado por resorte 606, 606' o medios similares como, por ejemplo, un pistón neumático, por peso o por fuerza magnética.

El aparato de soldadura 600 comprende además una fuente de corriente CC controlable 620 que puede suministrar hasta 300 A. El aparato comprende además un controlador lógico programable (PLC) 618 para dirigir el proceso de soldadura. El PLC 618 permite el diseño libre de perfiles de suministro de corriente particulares 'l(t)' a las abrazaderas mediante la dirección de la fuente de corriente controlable 620. Por ejemplo, permite pasar de un nivel de corriente a otro nivel de corriente dentro de limitaciones de tiempo adaptables.

El PLC se alimenta con dos entradas: existe la entrada del recorrido de abrazadera 616 que indica al PLC cuándo las abrazaderas de soldadura se han acercado suficientemente entre sí durante la soldadura, lo que indica el final de la etapa de soldadura. Al mismo tiempo, a través del medidor de tensión 624, la tensión 'U(t)' detectada a través de las abrazaderas 610, 610' se sigue a lo largo del tiempo y se alimenta a la unidad PLC 618 a través de la entrada 626. Como el PLC conoce la corriente de salida l(t) y la tensión de entrada U(t), la multiplicación de ambos da como resultado la potencia 'P' emitida entre las abrazaderas (P = U^I). La potencia P se puede dirigir a un valor especificado en intervalos de tiempo prescritos según se programe en el PLC. La potencia se dirige a través de la variación de la corriente a través de la fuente de corriente controlable 620.

Por lo tanto, el aparato de soldadura permite cambiar de un modo de salida de corriente controlada a un modo de salida de potencia controlada. Es importante que el cambio de régimen de control sea rápido y el tiempo de conmutación sea de 10 ms. Esto se puede obtener seleccionando una fuente de corriente adecuada y un ciclo de reloj del PLC. También es posible un modo de detección de tensión controlada en donde la tensión detectada sobre la soldadura se controla a un cierto nivel dirigiendo la corriente sobre la soldadura.

En una versión mejorada adicional del aparato de soldadura, el tiempo de transición necesario para pasar de un nivel de corriente a otro nivel de corriente dentro del modo de salida de corriente controlada puede controlarse entre 10 y 1000 milisegundos (ms). De forma alternativa, dentro del modo de salida de potencia controlada, el tiempo de transición necesario para cambiar de un nivel de potencia a otro se puede controlar entre 10 y 1000 ms. Menos utilizado es el modo de detección de tensión controlada, pero también allí se pueden alcanzar los mismos tiempos de transición. El cambio de un nivel de corriente a otro nivel de corriente o de un nivel de potencia a otro nivel de potencia se puede programar a lo largo de una curva lineal con el tiempo. Es más preferido si el cambio sigue una curva de crecimiento o disminución exponencial, ya que está en línea con las curvas de disminución natural del aparato.

El valor de la potencia posterior a la soldadura P^pw (en vatios) depende del tipo de construcción del cable de acero y depende principalmente del número de filamentos y diámetros. Debe establecerse en una serie de pruebas preliminares, pero una vez conocido, el PLC puede programarse al valor óptimo para cada construcción de cable de acero.

En la figura 2a se presenta un perfil práctico de corriente 100 para soldar según la invención. El perfil comprende una curva de crecimiento exponencial al nivel de corriente de soldadura V para un intervalo de tiempo de soldadura At^w , seguido inmediatamente por una caída a un nivel de corriente posterior a la soldadura 'I^pw'. El nivel de corriente posterior a la soldadura l^pw se mantiene durante un intervalo de tiempo preprogramado At^pw. El cambio del nivel de corriente de soldadura al nivel de corriente posterior a la soldadura es activado por el sensor de posición 616 del aparato de soldadura. Si las abrazaderas están lo suficientemente cerca unas de otras, esto es una indicación de que se ha formado el glóbulo de acero fundido. Contrariamente a la práctica establecida, la fase posterior a la soldadura ocurre inmediatamente después de la fase de soldadura y no se permite que la soldadura se enfríe. Solo después de la fase posterior a la soldadura, la soldadura se enfría a temperatura ambiente. Luego, también se eliminan las rebabas de soldadura martillando o frotando con papel de esmeril (si es necesario).

En el régimen posterior a la soldadura, la corriente a través de la soldadura se nivela a un nivel de corriente continua posterior a la soldadura l^pw. El cambio se completa en un tiempo de transición de 3^ t, en donde 't' es la constante de caída exponencial de la corriente, es decir, el tiempo necesario para decaer a 1/e al 37 % de la diferencia entre la corriente de soldadura y la corriente posterior a la soldadura. El tiempo de transición 3^ t se puede ajustar entre 10 y 1000 ms.

Durante los experimentos con esta configuración, los inventores encontraron que algunas de las soldaduras parecían brillar en rojo oscuro mientras que otras soldaduras no brillaron, aunque el perfil de corriente suministrado permanecía inalterado y la construcción era exactamente la misma. Las soldaduras que brillaron en rojo oscuro más tarde parecieron ser más frágiles que las soldaduras que no brillaron. Los inventores atribuyen esto a, sin estar obligado por esta teoría en absoluto, la resistencia de soldadura variable y la resistencia de contacto variable entre las abrazaderas de soldadura y el cable de acero.

De hecho, tal y como se ilustra en la figura 4, el área de contacto de una abrazadera 410 con los filamentos 402, 402', 402" de un cable de acero depende de la posición de los diferentes filamentos. A medida que los filamentos se retuercen entre sí, los puntos de contacto eléctrico interno 406 (las elipses llenas) entre los filamentos de acero y los puntos de contacto de los filamentos de acero a las abrazaderas 404 (las elipses vacías) ocurren erráticamente de un evento de contacto a otro. De ahí las resistencias de abrazadera R^l y R^r difieren de evento de sujeción a evento de sujeción. Además de eso, también hay una variación sobre cómo los filamentos del cable de acero contactan entre sí durante la soldadura, conduciendo a una variación en la resistencia de la soldadura ya que este contacto ocurre de manera no repetible.

Como resultado, la potencia suministrada entre las abrazaderas también variará como se muestra en la figura 2b. Allí la potencia suministrada P=I²^R se muestra para una resistencia total R=R^l +R^w+R^r . Una disminución de la resistencia al 90 % de R (buen contacto eléctrico) conduce a la curva inferior 108 mientras que un aumento de la resistencia al 110 % de R (mal contacto eléctrico) conduce a un aumento de la potencia suministrada (112) durante el ciclo completo de soldadura.

Para agravar aún más las cosas: es una regla general en física que un buen contacto eléctrico es también un buen contacto conductor de calor y viceversa. El aumento de potencia que se suministra a la soldadura y se convierte en calor cuando existe una alta resistencia eléctrica tampoco puede escapar de la soldadura. Como consecuencia, la soldadura se calienta incluso más de lo esperado.

Si bien esto no es un gran problema durante el intervalo de tiempo de soldadura At^w , ya que el propósito es llevar el acero por encima de su temperatura de fusión y preferiblemente algo más alta, tiene una profunda influencia en la metalografía de la soldadura en el régimen posterior a la soldadura. Por lo tanto, la resistencia de contacto demasiado alta puede elevar la temperatura de la soldadura en el régimen posterior a la soldadura muy por encima del intervalo de temperatura deseable de entre 300 y 700 °C. Por el contrario, una resistencia de contacto demasiado baja puede provocar temperaturas demasiado bajas. Ambas situaciones conducirán a la formación de fases martensíticas sin templar o incluso fases mixtas descontroladas, que no deberían ocurrir en una buena soldadura.

Para superar esta situación desfavorable, el aparato de soldadura según la invención se adaptó para cambiar a un modo de potencia constante una vez que se ha establecido la soldadura. Esto se ilustra en la figura 3a, donde se muestra la potencia eléctrica disipada entre las abrazaderas y la corriente eléctrica que la acompaña en la figura 3b. Durante la soldadura, es decir, durante el intervalo de tiempo At^w el PLC está programado en modo de corriente constante. Por tanto, la potencia disipada durante la soldadura variará con la resistencia total entre las abrazaderas, como se ilustra en las líneas 302 y 304 de la figura 3a. La línea 302 corresponde a un aumento a 1,1 xR de resistencia mientras que la curva 304 corresponde a una disminución a 0.9xR en resistencia. La curva 300 es la traza de potencia obtenida con la resistencia R. Para poner las cosas en perspectiva: R es de aproximadamente 25 mQ para un cable abierto Betru® de 5x0,22. La figura 3b ilustra que en el régimen posterior a la soldadura, la corriente puede caer a diferentes niveles para obtener la misma salida de potencia. Aquí la curva 314 corresponde a la resistencia de bajo nivel (0,9xR), mientras que la curva 312 corresponde a la resistencia de alto nivel (1,1xR). Como durante la fase de soldadura, la corriente está controlada, las tres curvas confluyen allí.

Como la potencia suministrada entre las abrazaderas de soldadura es idéntica de una soldadura a otra (es decir, de un evento de sujeción a otro) durante la fase posterior a la soldadura, la temperatura se controla mejor. Como resultado, la metalurgia está mejor bajo control y se forman fases favorecidas perlíticas y/o bainíticas en la soldadura durante la fase posterior a la soldadura. Esto quedó claro también durante las pruebas en las que se hicieron 10 soldaduras de un cable Betru® de 5x0,22 y los 10 pasaron sin problemas la prueba de soldadura.

Esto se ilustra además en las figuras 5a y 5b en donde se muestra la metalurgia de una soldadura favorecida. La soldadura se obtuvo en un cable Betru® 5x0,22, con una corriente de soldadura de 110 A que se mantuvo durante unos 122 ms (recorrido de abrazadera determinado). La potencia posterior a la soldadura se estableció en 13 W. El tiempo de caída de la corriente posterior a la soldadura (3^ t) o el tiempo de transición se estableció en 130 ms, es decir, después de 130 ms la potencia era estable. El intervalo de tiempo posterior a la soldadura se estableció en 8000 ms.

La figura 5a muestra la soldadura en su totalidad. Las zonas martensíticas sin templar 504, 504' todavía están presentes pero tienen menos de 300 pm de ancho. En la zona media 502 está presente una fase mixta de perlita y bainita que ocupa el 53 % de la zona total afectada por el calor. La fase mixta de perlita y bainita se ejemplifica en la figura 5b.

Claims (12)

REIVINDICACIONES

1. Una soldadura entre dos extremos de cables de acero, comprendiendo dichos cables de acero una pluralidad de filamentos de acero al carbono perlítico embutido, teniendo cada uno de dichos filamentos un área de sección transversal de menos de 0,2 mm2 caracterizado por que una sección transversal metalográfica de la zona afectada por el calor de dicha soldadura comprende estructuras metalográficas de perlita y bainita en una cantidad en la que la fracción de área ocupada por perlita y bainita es más del 50 % del área total de la zona afectada por el calor.

2. La soldadura de la reivindicación 1, en donde dicha sección transversal metalográfica de la zona afectada por el calor de dicha soldadura comprende además estructuras metalográficas de martensita no templada en la transición de dicha soldadura a dichos filamentos.

3. La soldadura de acuerdo con la reivindicación 2, en donde dicha estructura metalográfica de martensita no templada en la transición de dicha soldadura a dichos filamentos es más delgada que 600 pm.

4. Método para realizar una soldadura entre los extremos del cable de acero (602, 602'), comprendiendo dichos cables de acero una pluralidad de filamentos de acero embutido, al carbono perlítico, teniendo cada uno de dichos filamentos un área de sección transversal de menos de 0,2 mm2 que comprende las siguientes etapas:

- Proporcionar dos extremos de cable de acero que se cortan al ras;

- Montar dichos extremos de cable de acero alineados axialmente en las abrazaderas de soldadura (610, 610') móviles axialmente de un aparato de soldadura (600);

- Presionar controladamente dichos extremos de cable de acero uno contra otro mientras se alimenta una corriente continua a un nivel de corriente de soldadura a dichas abrazaderas (610, 610') formando así un glóbulo de acero fundido;

- Al alcanzar un recorrido de abrazadera prescrito, bajar dicha corriente continua a una corriente continua controlada posterior a la soldadura que se controla durante un intervalo de tiempo posterior a la soldadura prescrito; - Enfriar la soldadura obtenida después de la conmutación de dicha corriente continua posterior a la soldadura; caracterizado por que

dicha corriente posterior a la soldadura se controla de manera que la potencia eléctrica disipada entre las abrazaderas se dirija hacia un nivel de potencia constante durante dicho intervalo de tiempo posterior a la soldadura.

5. El método de acuerdo con la reivindicación 4, en donde la transición de dicha corriente continua desde dicho nivel de corriente de soldadura a dicha corriente controlada posterior a la soldadura es sin interrupción.

6. El método de acuerdo con la reivindicación 5, en donde dicha transición de la corriente continua desde el nivel de corriente de soldadura a dicha corriente controlada posterior a la soldadura se controla dentro de un tiempo de transición de entre 10 y 1000 milisegundos.

7. El método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 4 a 6, en donde dicha corriente posterior a la soldadura es tal que la potencia disipada está entre 5 y 100 vatios durante un período de entre 5 y 50 segundos.

8. El método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 4 a 7, seguido además por la etapa separada de recocido de dicha soldadura con una potencia de recocido controlada ajustada a un nivel de potencia prescrito durante un período de tiempo prescrito.

9. El método de la reivindicación 8, en donde dicha soldadura no se retira de dichas abrazaderas de soldadura movibles axialmente antes y durante dicha etapa de recocido.

10. Aparato de soldadura a tope por resistencia (600) que comprende

- abrazaderas de soldadura (610, 610') relativamente móviles entre sí a lo largo de un eje común,

- un controlador programable (618),

- una fuente de corriente continua controlable (620) para alimentar corriente a dichas abrazaderas (610, 610'), cuya corriente en función del tiempo es controlada por dicho controlador programable (618) y

- un sensor de tensión (624) para detectar la tensión entre dichas abrazaderas de soldadura (610, 610') en donde dicha tensión detectada es una entrada a dicho controlador programable (618),

caracterizado por que

durante los intervalos de tiempo programables, el producto de la corriente emitida y la tensión detectada, es decir, la salida de potencia se controla a un nivel establecido por dicho controlador programable (618).

11. El aparato de soldadura a tope por resistencia (600) de acuerdo con 10, en donde dicho controlador programable (618) puede conmutarse en 10 milisegundos entre un modo de salida de corriente controlada y un modo de salida de potencia controlada o entre un modo de detección de tensión controlada y un modo de salida de potencia controlada en intervalos de tiempo especificados.

12. El aparato de soldadura a tope por resistencia (600) de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 10 a 11, en donde el tiempo de transición para cambiar de una corriente cualquiera, tensión o nivel de potencia a cualquier otra corriente, tensión o nivel de potencia se puede controlar entre 10 y 1000 milisegundos.