En Construcción.

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Proceso de Fabricación de Estructuras de Aleaciones Específicas

El proceso de fabricación es un conjunto de etapas que transforman la materia prima (lingotes, planchas, barras) en los componentes y elementos estructurales finales que conformarán la estructura metálica. Este proceso no solo da forma a los elementos, sino que también puede *influir significativamente en las propiedades mecánicas y en el comportamiento* de la aleación. La elección del proceso de fabricación adecuado depende de varios factores:

• Tipo de aleación.
• Forma y tamaño del elemento estructural.
• Propiedades mecánicas deseadas.
• Precisión dimensional requerida.
• Costo.
• Cantidad de piezas a fabricar.

En Colombia, la industria metalmecánica utiliza una variedad de procesos de fabricación para construir estructuras metálicas, desde métodos tradicionales hasta tecnologías avanzadas.

Procesos Primarios de Obtención de la Forma

Estos procesos dan una forma inicial al material, a partir de lingotes o de metal fundido.

Fundición

Consiste en verter metal fundido en un molde con la forma deseada y dejarlo solidificar. Es adecuada para piezas grandes y complejas, pero la precisión dimensional y el acabado superficial suelen ser limitados. Además, las piezas fundidas pueden tener porosidad interna y sus propiedades mecánicas pueden ser inferiores a las de piezas obtenidas por otros métodos.

• Fundición en Arena: Se utiliza un molde de arena para crear la forma de la pieza. Es un método económico y versátil, pero la precisión dimensional y el acabado superficial son limitados.
• Fundición en Molde Permanente: Se utiliza un molde metálico reutilizable. Ofrece mayor precisión dimensional y mejor acabado superficial que la fundición en arena. Es adecuada para grandes series de producción.
• Fundición a Presión (Die Casting): Se inyecta metal fundido a alta presión en un molde metálico. Permite obtener piezas muy precisas, con paredes delgadas y buen acabado superficial. Se utiliza principalmente para aleaciones de aluminio, zinc y magnesio.
• Fundición a la cera perdida (fundición de precisión): Ideal para formas intrincadas, este proceso utiliza un modelo de cera que se recubre con material cerámico. Una vez endurecido, se derrite la cera, dejando una cavidad precisa que se llena con el metal fundido.

Laminación

Consiste en pasar el metal (caliente o frío) entre rodillos para reducir su espesor y darle forma. Es el proceso principal para obtener *productos planos* (chapas, láminas) y *perfiles estructurales* (vigas I, H, L, canales, barras).

• Laminación en Caliente: Se realiza a alta temperatura (por encima de la temperatura de recristalización del metal). Requiere menos fuerza que la laminación en frío, pero el acabado superficial y la precisión dimensional son menores. Se utiliza para la mayoría de los perfiles estructurales de acero.
• Laminación en Frío: Se realiza a temperatura ambiente. Produce un mejor acabado superficial, mayor precisión dimensional y un aumento de la resistencia y dureza del material (debido al endurecimiento por deformación). Se utiliza para chapas delgadas, barras calibradas y algunos perfiles especiales.

Forja

Consiste en dar forma al metal mediante golpes o presión, utilizando martillos, prensas o matrices. Se puede realizar en caliente o en frío. La forja mejora las propiedades mecánicas del material (refina el tamaño de grano y elimina defectos internos).

• Forja Libre: Se realiza con herramientas simples y permite obtener piezas de formas variadas, pero la precisión dimensional es limitada.
• Forja con Estampa (Forja en Matriz Cerrada): Se utiliza una matriz con la forma de la pieza. Permite obtener piezas más precisas y con mejores propiedades mecánicas que la forja libre. Es adecuada para grandes series de producción.
• Forja Isotérmica: Se realiza a una temperatura constante y controlada, utilizando matrices calientes. Es adecuada para materiales difíciles de forjar, como superaleaciones y aleaciones de titanio.

Extrusión

Consiste en forzar el metal (caliente o frío) a pasar a través de una matriz con la forma deseada. Se utiliza para obtener perfiles de sección constante, como tubos, barras y perfiles especiales de aluminio.

• Extrusión Directa: El metal es empujado a través de la matriz en la misma dirección del movimiento del pistón.
• Extrusión Indirecta: El metal fluye en dirección opuesta al movimiento del pistón. Requiere menos fuerza que la extrusión directa, pero es menos utilizada.
• Extrusión en caliente: Se utiliza para la producción de perfiles estructurales de aluminio y otras aleaciones no ferrosas. Permite obtener perfiles complejos con buena precisión dimensional.
• Extrusión en frío: Se utiliza para producir piezas pequeñas y precisas de acero, aluminio y otros metales. Mejora las propiedades mecánicas del material.

Trefilado

Consiste en estirar una barra o alambre a través de una matriz (hilera) para reducir su sección transversal y aumentar su longitud. Se realiza en frío y se utiliza para obtener alambres, barras calibradas y tubos de pequeño diámetro. El trefilado aumenta la resistencia y dureza del material.

Procesos Secundarios de Conformado

Estos procesos modifican la forma de piezas obtenidas por procesos primarios, sin eliminar material.

Doblado

Consiste en curvar chapas, láminas, barras o perfiles. Se puede realizar en frío o en caliente, utilizando prensas plegadoras, dobladoras de rodillos u otras máquinas.

Embutido

Consiste en transformar una chapa plana en una pieza hueca, utilizando una prensa y una matriz. Se utiliza para fabricar piezas como copas, casquillos y paneles de carrocería.

Estampado

Es un término general que abarca varios procesos de conformado en frío de chapas, utilizando prensas y matrices. Incluye el embutido, el troquelado (corte), el punzonado, el doblado y otros.

Procesos de Corte y Separación de Material

Estos procesos se utilizan para cortar o separar material de la pieza.

Cizallado

Consiste en cortar chapas o láminas utilizando una cizalla, que tiene dos cuchillas que se deslizan una sobre otra.

Troquelado y Punzonado

Son procesos de corte que utilizan un punzón y una matriz para cortar formas específicas en chapas o láminas. El troquelado produce piezas (recortes) y el punzonado produce agujeros.

Aserrado

Consiste en cortar material utilizando una sierra (de cinta, circular, alternativa). Se utiliza para cortar barras, perfiles y tubos.

Oxicorte

Consiste en cortar acero utilizando una llama de oxiacetileno o de oxipropano y un chorro de oxígeno puro. El calor de la llama funde el acero y el chorro de oxígeno lo oxida y lo expulsa, produciendo el corte. Es un método rápido y económico para cortar chapas gruesas de acero al carbono, pero no es adecuado para aceros inoxidables ni para aleaciones de aluminio.

Corte por Plasma

Consiste en cortar metal utilizando un chorro de plasma (gas ionizado a alta temperatura). Es un método más rápido y preciso que el oxicorte, y se puede utilizar para cortar una amplia variedad de metales, incluyendo aceros inoxidables y aleaciones de aluminio.

Corte por Láser

Consiste en cortar metal utilizando un rayo láser de alta potencia. Es un método muy preciso y permite cortar formas complejas con bordes limpios y sin rebabas. Se utiliza para cortar chapas delgadas y materiales de alta reflectividad, como el aluminio.

Corte por Chorro de Agua (Waterjet)

Consiste en cortar material utilizando un chorro de agua a alta presión, que puede contener partículas abrasivas (como arena o granate). Es un método versátil que se puede utilizar para cortar una amplia variedad de materiales, incluyendo metales, plásticos, vidrio, piedra y cerámica. No produce calor, por lo que no altera las propiedades del material.

Procesos de Unión

Estos procesos se utilizan para unir permanentemente dos o más piezas.

Soldadura

Es el proceso de unión más utilizado en la construcción de estructuras metálicas. Consiste en fundir los bordes de las piezas a unir, con o sin aporte de material adicional (electrodo o varilla), y dejar que se solidifiquen, formando una unión continua. Existen numerosos tipos de soldadura, cada uno con sus propias ventajas y limitaciones.

• Soldadura por Arco Eléctrico:
  • SMAW (Shielded Metal Arc Welding) o Soldadura con Electrodo Revestido: Es el método más común. Se utiliza un electrodo revestido que se funde y forma el cordón de soldadura. Es versátil y económico, pero requiere habilidad del soldador.
  • GMAW (Gas Metal Arc Welding) o Soldadura MIG/MAG: Se utiliza un alambre continuo como electrodo y un gas de protección (inerte o activo) para evitar la contaminación del cordón de soldadura. Es más rápida y productiva que la SMAW, y produce soldaduras de mejor calidad.
  • GTAW (Gas Tungsten Arc Welding) o Soldadura TIG: Se utiliza un electrodo de tungsteno no consumible y un gas de protección inerte (argón o helio). Produce soldaduras de alta calidad, con excelente control del aporte térmico. Se utiliza para materiales delgados, aceros inoxidables, aleaciones de aluminio y titanio.
  • FCAW (Flux Cored Arc Welding) o Soldadura con Alambre Tubular: Se utiliza un alambre tubular relleno de fundente. Puede utilizarse con o sin gas de protección. Es adecuada para soldar en exteriores y en posiciones difíciles.
  • SAW (Submerged Arc Welding) o Soldadura por Arco Sumergido: El arco eléctrico y el cordón de soldadura están cubiertos por un fundente granular. Es un proceso de alta productividad, utilizado para soldar chapas gruesas en posición plana.
• Soldadura por Resistencia: Se utiliza para unir chapas delgadas mediante la aplicación de presión y corriente eléctrica. Incluye la soldadura por puntos, la soldadura por costura y la soldadura a tope.
• Soldadura por Fricción: Las piezas se unen mediante la fricción generada por el rozamiento entre ellas, sin necesidad de fundir el material.
• Soldadura por Explosión: Se utiliza la energía de una explosión controlada para unir dos metales. Es adecuada para unir metales diferentes que no son soldables por otros métodos.
• Soldadura por Ultrasonido: Se utilizan vibraciones ultrasónicas para unir materiales, usualmente láminas delgadas o alambres. Es común en la industria electrónica y para unir plásticos.

Remachado

Consiste en unir piezas mediante remaches (pasadores metálicos con cabeza). Los remaches se insertan en agujeros previamente taladrados y se deforman plásticamente para formar una unión permanente. El remachado es menos utilizado que la soldadura en la construcción de estructuras metálicas modernas, pero todavía se emplea en algunas aplicaciones, como la construcción de aviones.

Atornillado

Consiste en unir piezas mediante tornillos y tuercas. Es una unión desmontable, lo que facilita el mantenimiento y la reparación de la estructura. Se utiliza en estructuras donde se requiere flexibilidad o donde la soldadura no es posible o conveniente.

• Tornillos de Alta Resistencia: Se utilizan en uniones estructurales donde se requiere una alta capacidad de carga. Se aprietan con un par de apriete controlado para garantizar la tensión adecuada en el tornillo.

Adhesivos Estructurales

Aunque menos comunes que los métodos anteriores, los adhesivos estructurales (como los epóxicos) se están utilizando cada vez más para unir componentes metálicos, especialmente en aplicaciones donde se busca reducir el peso o evitar la corrosión galvánica. Ofrecen una distribución uniforme de la tensión y pueden unir materiales diferentes.

Procesos de Acabado

Estos procesos se realizan después de la unión de las piezas para mejorar la apariencia, la resistencia a la corrosión y otras propiedades de la estructura.

Limpieza

Elimina óxido, cascarilla, grasa, pintura vieja y otros contaminantes de la superficie del metal. Se puede realizar mediante chorro de arena (granallado), chorro de agua a alta presión, cepillado, limpieza química o decapado.

Granallado (Chorro de Arena)

Consiste en proyectar partículas abrasivas (arena, granalla de acero, óxido de aluminio) a alta velocidad sobre la superficie del metal. No solo limpia la superficie, sino que también crea una rugosidad que mejora la adherencia de los recubrimientos.

Decapado

Consiste en eliminar óxidos y cascarilla de la superficie del metal mediante inmersión en una solución ácida. Se utiliza principalmente para aceros al carbono.

Recubrimientos Protectores

Se aplican para proteger el metal de la corrosión y mejorar su apariencia.

• Pintura: Es el método más común de protección contra la corrosión. Se utilizan diferentes tipos de pinturas, como epóxicas, de poliuretano, alquídicas, ricas en zinc, etc., según el ambiente y los requisitos de durabilidad.
• Galvanizado: Consiste en recubrir el acero con una capa de zinc. El zinc actúa como ánodo de sacrificio, protegiendo al acero de la corrosión incluso si el recubrimiento se daña. Puede ser galvanizado en caliente (más duradero) o electrogalvanizado.
• Metalizado: Consiste en proyectar metal fundido (zinc, aluminio u otras aleaciones) sobre la superficie del acero.
• Anodizado: Proceso electrolítico que forma una capa de óxido protectora en la superficie del aluminio. Aumenta la resistencia a la corrosión y al desgaste, y permite colorear el aluminio.

Tratamientos Térmicos Posteriores a la Fabricación

En algunos casos, se realizan tratamientos térmicos después de la fabricación para aliviar tensiones residuales (causadas por la soldadura o el conformado en frío), mejorar las propiedades mecánicas o modificar la microestructura del material.

• Relevado de Tensiones: Se calienta la pieza a una temperatura inferior a la de recristalización y se mantiene a esa temperatura durante un tiempo para reducir las tensiones residuales. Es importante en piezas soldadas para evitar la distorsión y el agrietamiento.
• Normalizado: Se puede realizar después de la soldadura para refinar el tamaño de grano y mejorar la homogeneidad de la microestructura en la zona afectada por el calor.

Control de Calidad

Es fundamental en todas las etapas del proceso de fabricación para garantizar que la estructura cumpla con los requisitos de diseño y las normas técnicas. Incluye:

• Inspección Visual: Se verifica la apariencia de las piezas, las dimensiones, la ausencia de defectos visibles (grietas, porosidad, deformaciones).
• Ensayos No Destructivos (END): Se utilizan para detectar defectos internos o superficiales sin dañar la pieza. Incluyen:
  • Radiografía Industrial: Se utilizan rayos X o rayos gamma para obtener una imagen del interior de la pieza. Permite detectar grietas, porosidad, inclusiones y otros defectos internos.
  • Ultrasonido: Se utilizan ondas ultrasónicas para detectar defectos internos y medir espesores.
  • Partículas Magnéticas: Se aplica un campo magnético a la pieza y se espolvorean partículas magnéticas. Las partículas se acumulan en las zonas donde hay discontinuidades (grietas, fisuras), revelando su presencia. Se utiliza principalmente para materiales ferromagnéticos.
  • Líquidos Penetrantes: Se aplica un líquido penetrante a la superficie de la pieza. El líquido penetra en las discontinuidades abiertas a la superficie. Después de un tiempo de penetración, se elimina el exceso de líquido y se aplica un revelador, que absorbe el líquido penetrante y hace visibles las discontinuidades.
  • Inspección por corrientes de Eddy Se utilizan campos electromagnéticos para detectar variaciones y posibles defectos en materiales conductores.
• Ensayos Mecánicos: Se realizan sobre probetas extraídas de las piezas o de materiales representativos para determinar las propiedades mecánicas (resistencia a la tracción, límite elástico, dureza, tenacidad, etc.).
• Control Dimensional: Se verifica que las dimensiones de las piezas y de la estructura ensamblada cumplan con las tolerancias especificadas en los planos.
• Control de la Soldadura: Se inspeccionan las soldaduras visualmente y mediante ensayos no destructivos para detectar defectos como grietas, porosidad, falta de fusión, socavaciones, etc. Se verifica que los soldadores estén calificados y que se utilicen los procedimientos de soldadura adecuados.

Ejemplos de Procesos de Fabricación en Colombia

• Fabricación de Vigas y Columnas de Acero: Se utilizan perfiles laminados en caliente (perfiles I, H, L, canales) o perfiles conformados en frío. Los perfiles se cortan a la longitud requerida mediante aserrado, cizallado o corte por plasma. Se pueden realizar agujeros mediante taladrado o punzonado. Las piezas se unen mediante soldadura o atornillado.
• Fabricación de Tanques de Almacenamiento: Se utilizan chapas de acero al carbono o de acero inoxidable. Las chapas se cortan a la forma requerida mediante cizallado, oxicorte o corte por plasma. Se curvan mediante rolado. Las piezas se unen mediante soldadura. Se realizan tratamientos de limpieza y pintura para proteger el tanque de la corrosión.
• Fabricación de Estructuras para Cubiertas: Se utilizan perfiles de acero liviano (conformados en frío) o perfiles de aluminio extruido. Los perfiles se cortan a la longitud requerida y se unen mediante soldadura, atornillado o remachado.
• Fabricación de Componentes para Maquinaria Agrícola: Se utilizan una variedad de procesos, incluyendo fundición, forja, mecanizado, soldadura y tratamientos térmicos, dependiendo del componente específico y de sus requisitos de resistencia y durabilidad.
• Fabricación de torres para lineas de transmisión: Las torres de celosía se fabrican con perfiles angulares unidos mediante soldadura o con tornillería, y una vez fabricados los diferentes componentes de la torre, se galvanizan para protegerlos de la corrosión.

Preguntas Frecuentes sobre el Proceso de Fabricación de Estructuras Metálicas

¿Cuál es el proceso de fabricación más común para estructuras de acero en Colombia?

El proceso más común involucra:

1. Obtención de perfiles: Se utilizan perfiles laminados en caliente (vigas I, H, L, canales) o perfiles conformados en frío, que se adquieren a fabricantes o distribuidores.
2. Corte: Los perfiles se cortan a la longitud requerida mediante aserrado, cizallado o corte por plasma/oxicorte.
3. Perforado: Se realizan agujeros para conexiones atornilladas mediante taladrado o punzonado.
4. Ensamblaje: Las piezas se ensamblan y se unen temporalmente mediante punzonado o sujeción con tornillos.
5. Soldadura: Las piezas se unen permanentemente mediante soldadura, generalmente utilizando el proceso SMAW (electrodo revestido) o GMAW (MIG/MAG).
6. Limpieza y Acabado: Se limpia la estructura mediante granallado o cepillado, y se aplica un recubrimiento protector (pintura o galvanizado).

¿Qué es la soldadura y por qué es tan importante en la fabricación de estructuras metálicas?

La soldadura es un proceso de unión permanente que funde los bordes de las piezas a unir, creando una unión continua al solidificarse. Es fundamental porque:

• Permite construir estructuras complejas y resistentes a partir de piezas más simples.
• Proporciona una unión hermética y continua, lo que es importante para la resistencia y la durabilidad de la estructura.
• Es un proceso relativamente rápido y económico (en comparación con otros métodos de unión).

¿Qué tipo de soldadura se utiliza más en Colombia para estructuras de acero?

Los tipos de soldadura más utilizados son:

• SMAW (Shielded Metal Arc Welding) o Soldadura con Electrodo Revestido: Es el más versátil y económico, adecuado para una amplia variedad de aplicaciones y posiciones de soldadura. Requiere habilidad del soldador.
• GMAW (Gas Metal Arc Welding) o Soldadura MIG/MAG: Es más rápido y productivo que el SMAW, y produce soldaduras de mejor calidad. Se utiliza cada vez más en la fabricación de estructuras metálicas.

Otros tipos de soldadura, como GTAW (TIG), FCAW (alambre tubular) y SAW (arco sumergido), se utilizan en aplicaciones más específicas.

¿Qué es el galvanizado y por qué se utiliza en estructuras de acero?

El galvanizado es un recubrimiento de zinc que se aplica al acero para protegerlo de la corrosión. El zinc actúa como ánodo de sacrificio, es decir, se corroe preferentemente antes que el acero, protegiéndolo incluso si el recubrimiento se raya o se daña. El galvanizado en caliente (inmersión del acero en zinc fundido) es el método más común y proporciona una protección duradera.

¿Qué son los perfiles conformados en frío y en qué se diferencian de los perfiles laminados en caliente?

• Perfiles Laminados en Caliente: Se fabrican pasando el acero a alta temperatura entre rodillos. Son los perfiles estructurales más comunes (vigas I, H, L, canales). Tienen una sección transversal más gruesa y una mayor capacidad de carga.
• Perfiles Conformados en Frío: Se fabrican doblando chapas de acero delgadas a temperatura ambiente. Son más ligeros que los perfiles laminados en caliente y se utilizan en estructuras secundarias, cubiertas, cerramientos y sistemas de entrepisos livianos.

¿Qué es el corte por plasma y cuándo se utiliza?

El corte por plasma es un proceso que utiliza un chorro de gas ionizado (plasma) a alta temperatura para cortar metal. Es más rápido y preciso que el oxicorte, y se puede utilizar para cortar una amplia variedad de metales, incluyendo acero al carbono, acero inoxidable y aluminio. Se utiliza para cortar chapas, perfiles y tubos, especialmente cuando se requieren cortes precisos o formas complejas.

¿Qué son los ensayos no destructivos (END) y por qué son importantes?

Los ensayos no destructivos son métodos de inspección que permiten detectar defectos internos o superficiales en una pieza sin dañarla. Son importantes porque:

• Permiten asegurar la calidad de los materiales y de las uniones soldadas.
• Ayudan a prevenir fallos prematuros de la estructura.
• Son obligatorios en muchas aplicaciones según las normas técnicas.

Los END más comunes en la fabricación de estructuras metálicas son: radiografía industrial, ultrasonido, partículas magnéticas y líquidos penetrantes.

Tabla Resumen de Procesos de Fabricación y sus Aplicaciones

Comparación de Métodos de Corte de Metales

Comparación de Métodos de Soldadura por Arco

Procesos de Fabricación para Diferentes Tipos de Perfiles Estructurales

Equipos y Maquinaria Comunes en la Fabricación de Estructuras Metálicas en Colombia