Soldadura en Estado Solido

REPUBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA MINISTERIO DEL PODER POPULAR PARA LA DEFENSA UNIVERSIDA NACIONAL EXPERIMENTAL POLITÉCNICA DE LA FUERZA ARMADA NACIONAL NÚCLEO SUCRE

PROCESOS COMUNES DE SOLDADURA

Presentado por:  Bou Carlos  Mago Francis  Núñez Jesús

Profesor:  Ing. Manuel García

Cumana, 06 de Junio del 2012

INTRODUCCIÓN La unión difiere de los procesos previamente discutidos en que toma las piezas producidas por medio de otros procesos unitarios y las articula en una pieza más compleja; por lo tanto, también se podría considerar como un método de ensamble. El producto puede reemplazar a una pieza que habría sido fabricada a través de otras técnicas (por ejemplo, el bastidor fundido de una máquina herramienta es reemplazado por uno soldado) o ser de una clase que se produce sólo mediante procesos de unión (por ejemplo. una carrocería integral o un radiador automotrices, o un cuadro de bicicleta). Aunque la mayoría de los métodos de unión se practican en metales también se pueden unir cerámicos y polímeros por medio de técnicas similares. Algunas uniones son puramente mecánicas; dentro de esta categoría, los dispositivos que establecen uniones semipermanentes (como tornillos y pernos) son adecuadamente considerados como medios de ensamble. Nuestro análisis se enfoca en los procesos unitarios; de ahí que nos concentremos en los métodos para establecer uniones permanentes. Tenemos mucho en que basamos. Los métodos de unión mecánica se derivan de los procesos de trabajo de metal, las técnicas de estado sólido se basan en la adhesión y en la deformación, las soldaduras de fusión están relacionadas con los procesos de fundición, y los procesos líquidos/sólidos recurren a las tecnologías de solidificación, adhesión y de polímeros. Sin embargo, existen diferencias sustanciales en la forma en que se llevan a cabo estos procesos, y tales diferencias serán el centro de nuestra atención. Donde sean aplicables, los procesos se identificarán por los nombres y abreviaciones dadas por la American Welding Society. Los procesos de unión a menudo exigen una habilidad considerable. Los humos dañinos, los altos voltajes eléctricos y las altas temperaturas requieren protección del operador. Por estas razones, y también para mayor productividad, los esfuerzos tienen como objetivo minimizar la participación del operador, y se indicarán las oportunidades para la mecanización (control de la maquinaria por lazo abierto) y automatización real (control de lazo cerrado, sin o con inteligencia artificial).

SOLDADURAS HETEROGENEAS O DE ALEACION Se efectúa entre materiales de distinta naturaleza, con o sin metal de aportación: o entre metales iguales, pero con distinto metal de aportación. Puede ser blanda o fuerte.

SOLDADURA FUERTE En general, los metales de aporte de punto de fusión más alto proporcionan mayor resistencia, pero la temperatura elevada de soldado puede afectar la resistencia del metal base. Al soldar acero con cobre, la separación es cero o incluso negativo; con otros materiales, la soldadura procede con una separación que es comúnmente pequeña y positiva. Con aleaciones de aluminio o magnesio, el punto de fusión del metal de aporte es cercano al del metal base, de ahí que no se utilice el calentamiento por inducción. Pequeñas adiciones de Mg a las aleaciones de aluminio son benéficas, ya que el Mg actúa como un reductor (captura el oxígeno) y modifica la película de óxido. A menudo el material de aporte se aplica como un revestimiento de 5 a 10% del espesor a uno o ambos lados de una lámina (una aleación de Al-Si para aluminio, Cu para acero y acero inoxidable). El carbono superficial evitaría la humectación de los hierros fundidos y se debe eliminar mediante un tratamiento electrolítico o por un baño de las piezas en sal fundida. Las temperaturas mayores aceleran la oxidación; por lo tanto, los fundentes tienen que ser más agresivos. Éstos se componen de boratos, fluoruros, cloruros y materiales similares en varias proporciones. Hechos a la medida para aplicaciones específicas, aseguran uniones perfectamente humectadas. En la soldadura al vacío, la presión en el horno se reduce para evitar la oxidación y, en algunos casos, no se necesita fundente. Hornos especialmente construidos permiten el desengrasado por vaporización previo a la iniciación del proceso de soldadura al vacío. La soldadura por inmersión deriva el calor de la inmersión del ensamble en sal fundida. La rapidez de calentamiento es alta y la sal puede realizar la función fundente. La soldadura fuerte amplia difiere de la soldadura fuerte normal en que una separación mucho más ancha se rellena con el metal de aporte (principalmente latón) con la ayuda de un soplete, y así la acción capilar no tiene ninguna función. Además del ensamble, también se usa para reparaciones de fundiciones de acero e hierro. La soldadura fuerte por difusión

difiere de la soldadura por difusión en que una capa líquida se forma mientras ocurre la difusión. El enfriamiento controlado de los ensambles soldados con soldadura fuerte es necesario para asegurar la rápida solidificación, pero sin causar la distorsión del ensamble o el agrietamiento de la unión.

SOLDADURA BLANDA Las uniones realizadas con soldadura blanda son de menor resistencia que las hechas con soldadura fuerte, pero las piezas se pueden unir sin exponerlas a calor excesivo. La temperatura menor hace una buena humectación más crítica que en la soldadura fuerte. Por lo tanto, la preparación superficial por medios mecánicos y químicos y el uso de fundentes son esenciales. El metal de aporte (soldadura) se elige en referencia a los diagramas relevantes de fase. La solubilidad sólida es un signo de buena humectación, aunque la presencia de películas superficiales modifica en gran medida el comportamiento. Una superficie que aparenta estar recubierta uniformemente por la soldadura aún se puede deshumectar al recalentar. Así, la soldabilidad es una propiedad tecnológica que sólo se puede determinar experimentalmente. Los metales preciosos y el cobre se sueldan fácilmente; el hierro y el níquel requieren fundentes más agresivos; los óxidos tenaces de aluminio y cromo dificultan la soldadura de las aleaciones de aluminio y de los aceros al alto cromo. El hierro fundido, el titanio, el magnesio y los cerámicos (incluyendo el grafito) requieren prechapado.

SOLDADURAS HOMOGENEAS O AUTOGENAS Los materiales que se sueldan y el metal de aportación, si lo hay, son de la misma naturaleza. Puede ser oxiacetilénica, eléctrica (por arco voltaico o por resistencia), etc. Si no hay metal de aportación, las soldaduras homogéneas se denominan autógenas.

Por soldadura autógena se entiende aquélla que se realiza sin metal de aportación, de manera que se unen cuerpos de igual naturaleza por medio de la fusión de los mismos; así, al enfriarse, forman un todo único.

SOLDADURA EN ESTADO SOLIDO (SOLDADURA POR PRESION) Aunque en teoría no se requiere presión para unir superficies perfectamente acopladas y limpias, en la práctica es necesaria una presión normal para asegurar la adaptación de las superficies en contacto y para romper las películas superficiales. El calor no es una parte esencial del proceso básico de unión, pero el ablandamiento de los materiales promueve el contacto íntimo y la difusión de átomos ayuda a lograrla. Sin embargo, la difusión es inaceptable cuando dos metales disímiles forman compuestos intermetálicos que vuelven frágil a la unión. En principio, se pueden unir dos materiales cualesquiera y, en efecto, la unión de estado sólido a menudo se aplica cuando otras técnicas fallan. No obstante, las mejores uniones se obtienen entre metales cuando existe registro atómico (es decir, los átomos de dos componentes están similarmente espaciados y cristalizan en la misma estructura de red). Esto significa que los metales se unen mejor con ellos mismos y con otros, con los que forman soluciones sólidas. Dentro de este tipo de soldaduras están:

Soldadura en frío (CW) El término soldadura enfrío (CW) se usa ampliamente para describir el procesamiento a temperatura ambiente. 1. La soldadura de traslapo se basa en una expansión de 50 a 90% de las superficies cuando se introducen penetradores en la lámina que se va a unir (Fig. 18-4a). Los hombros en los penetradores limitan la distorsión y promueven la soldadura. 2. La soldadura a tope de alambres establece la unión recalcando los extremos del alambre para causar expansión de la superficie (Fig. 18-4b). La soldadura se refuerza aún más cuando se da un giro. 3. La unión con rodillos o soldadura con rodillos (ROW) (Fig. 18-4c) es altamente efectiva porque las grandes reducciones (de 50 a 80% en una sola pasada) resultan en gran

extensión y rompimiento de las películas superficiales. La unión se puede evitar localmente depositando un agente de separación (aislamiento), como grafito o un cerámico, en un patrón predeterminado. Luego, la inflación por aire o fluido presurizado produce piezas como las placas del evaporador del refrigerador (Fig. 18-4d). 4. En la soldadura por explosión (EXW), la unión se establece a través de la deformación intensa de la interfase. Una esterilla explosiva se coloca encima de la lámina o placa de revestimiento (la placa móvil), mantenida a una distancia crítica de la superficie del material base (Fig. 18-5a). Cuando el explosivo es detonado desde un extremo, la presión desarrollada acelera la placa móvil en un ángulo respecto a la superficie. Bajo la intensa presión, se forma un chorro fluido que expulsa los contaminantes superficiales; el flujo turbulento resulta en la formación de remolinos agudos o vórtices en la interfase (Fig. 185b). En muchos casos no hay fusión, pero la combinación de la adhesión y del entrelazado mecánico asegura una unión fuerte. La técnica se utiliza para revestir placas grandes para la industria química y también para la expansión in situ de tubos para formar los cabezales de calderas y condensadores tubulares. 5. En la soldadura ultrasónica (USW) se induce un movimiento relativo de la interfase mediante vibración tangencial (Fig. l8-5e). No hay deformación extensa, y el proceso es adecuado para la soldadura de traslapo de hojas y de instrumentos delicados y componentes electrónicos. Cuando la punta de soldadura es reemplazada por un rodillo, se pueden producir soldaduras de costura.

Soldadura por difusión. La soldadura por difusión (DFW) no es nueva; por siglos los joyeros han rellenado oro colocando hojas de recubrimiento sobre un núcleo de plata o de cobre y comprimiendo el laminado con una pesa (Fig. 18-6a). Al mantenerlo en un horno por un tiempo prolongado, se obtiene una unión permanente. La presión requerida también se puede generar en una prensa o restringiendo el ensamble con un aditamento hecho de un material de menor dilatación (frecuentemente, molibdeno). También se usa el término soldadura en caliente por presión (HPW). En la década de los 70, la técnica se extendió a la construcción de fuselajes. La deformación simultánea ayuda en gran medida al desarrollo de una unión sólida, por lo

tanto, la soldadura por difusión combinada con el formado super plástico (Fig. 18-6d) ha demostrado ser muy exitosa. Usando dos, tres o cuatro láminas, se imprimen patrones con un aislamiento de nitruro de boro. El ensamble se coloca en una caja evacuada (retorta) mantenida en una prensa, y se forman superficies integrales mientras son sopladas las cavidades, Como el titanio disuelve sus óxidos Y las aleaciones como Ti6AI-4V tienen el pequeño tamaño de grano necesario para el formado superplástico aun sin procesamiento especial, las aleaciones de titanio son naturales para la técnica. Es factible la consolidación de piezas a gran escala. Por ejemplo, en las aeronaves de alto rendimiento como los aeroplanos caza supersónicos, el fuselaje se construye de un revestimiento delgado reforzado con nervaduras de complejidad considerable. Convencionalmente, las piezas de lámina metálica, las extrusiones y las placas con cavidades fresadas se unen con miles de remaches. La unión por difusión con formado superplástico reduce el número de piezas, la mano de obra, el tiempo de entrega y el costo. Al aplicar las técnicas a las aleaciones de aluminio, la deformación es vital para romper el óxido estable y frágil. La soldadura por difusión también se aplica a la manufactura de compuestos de matriz metálica (por ejemplo, titanio o aluminio reforzado con fibra de boro). Cuando la unión no ocurra debido a la falta de solubilidad o resulte en la formación de un compuesto intermetálico frágil, se pueden usar capas intercaladas que sean mutuamente solubles, en forma de hojas o láminas delgadas. Por ejemplo, las superaleaciones se unen después de electrochapar con una aleación de Ni-Co.

Soldadura en caliente. En términos generales, el concepto soldadura en caliente describe la soldadura por deformación en el rango de temperatura de trabajo en caliente. 1. La soldadura forjada (FOW ) se refiere al proceso de soldadura industrial más antiguo. El enlace se crea por medio de la deformación local sustancial de la unión. Las piezas de trabajo calientes y preformadas, usualmente de hierro o acero, se forjan juntas para expulsar los óxidos, la escoria y los contaminantes y para asegurar el enlace interatómico (Fig. 18-7a). La técnica se empleaba no sólo para unir (por ejemplo, forjado

de eslabones de cadena), sino también para la soldadura de tubos y para formar, capa por capa, espadas medievales e incluso objetos muy grandes, como anclas. Es posible la soldadura forjada en que los extremos de las piezas de trabajo se prensan juntos axialmente (soldadura a tope), pero la calidad de la junta tiende a ser pobre. 2. En las variantes más recientes del proceso, el calor es proporcionado a través del calentamiento por inducción para minimizar la oxidación (Hg. 18-7b). Mucho menos deformación es suficiente, por lo tanto, es practicable la soldadura a tope de las piezas de trabajo. 3. El calor también se puede generar pasando una corriente a través de las caras comprimidas (Fig. 18-7c). Actualmente, la soldadura eléctrica a tope se ha reemplazado en gran medida por la soldadura a tope por chispas. 4. La unión en caliente por rodillos (soldadura laminada, ROW, la versión a alta temperatura de la Fig. 18-4c) se utiliza ampliamente para crear materiales compuestos de bajo costo o alto rendimiento. Así, el Alelad combina la resistencia a la corrosión de un revestimiento de aluminio puro con la alta resistencia de un núcleo de aluminio endurecido por precipitación. Se emplea acero inoxidable para revestir acero dulce para protección contra la corrosión, y las aleaciones de diferente coeficiente de dilatación térmica se unen para crear cintas bimetálicas para termostatos. El laminado, que consiste de una placa base y de láminas de cubierta, es encerrado y evacuado si se debe evitar la oxidación.

Soldadura por fricción (FRW) El trabajo de fricción generado cuando dos cuerpos se deslizan uno sobre otro se transforma en calor; cuando la rapidez del deslizamiento es alta y el calor es contenido en una zona angosta, ocurre la soldadura. En la FRW de accionamiento continuo (Hg. 18-8a), una pieza se sujeta firmemente mientras la otra (usualmente de simetría axial) es girada bajo la aplicación simultánea de presión axial. La temperatura se incrementa, las zonas soldadas parcialmente formadas se cortan, las películas superficiales se rompen; repentinamente, la rotación se detiene y una fuerza adicional de recalcado es aplicada cuando toda la superficie se suelda. Algo del material suavizado es expulsado corno rebaba, pero no está completamente claro si en realidad ocurre la fusión. La zona calentada es muy delgada; así que los· metales disímiles

se unen fácilmente. En la FRW de accionamiento por inercia, la rotación es impartida por un volante de inercia, cuya energía se calcula de manera que la soldadura sea completada cuando la rotación se detiene.

SOLDADURA POR FUSIÓN En la gran mayoría de las aplicaciones, el enlace interatómico se establece por fusión. Cuando los materiales de la pieza de trabajo (metal base) y el metal de aporte (si es que se usa) tienen composiciones y puntos de fusión similares pero no necesariamente idénticos, al proceso se le denomina soldadura por fusión o simplemente soldadura. La soldadura está muy relacionada con los procesos de fundición. Se suministra calor para fundir el metal base y el de aporte. La fusión es contenida físicamente en la zona de fusión donde, por medio de su contacto con el metal base circundante de alta conductividad térmica, se enfría rápidamente (típicamente, a decenas de cientos de grados por segundo). De esta manera, la rapidez de enfriamiento está entre la que predomina en la fundición en molde permanente y en la atomización; el control adecuado requiere una familiaridad completa con la metalurgia de no equilibrio.

SOLDADURA POR RESISTENCIA La soldadura por resistencia representa, de alguna forma, una transición de la soldadura en estado sólido a soldadura por fusión. Las dos piezas por unirse se prensan en conjunto y se pasa una corriente alterna por la zona de contacto. Si se aplica la presión correcta, esta zona presentará la mayor resistencia en el circuito eléctrico, y allí se concentrarán las pérdidas de potencia. La energía se convierte en calor. La corriente se deja activa hasta que ocurre la fusión en la interfase entre las dos piezas, y la presión se mantiene hasta que la soldadura solidifica. De acuerdo con la ley de Joule, el calor generado (en joules) es;

donde 1 es la corriente (A), R la resistencia (n) y t la duración de la aplicación de la corriente en segundos. El voltaje puede ser bajo, típicamente de 0.5 a 10 V, pero las corrientes pueden ser muy altas (como ejemplos, véase la Fig. 18-15).

Como el calor se debe concentrar en la zona de soldadura, la resistencia fuera de ella debe ser baja, especialmente en los puntos donde la corriente es suministrada a las piezas de trabajo por medio de electrodos. Los materiales de alta conductividad térmica y alto calor específico (como el aluminio o el cobre) exigen corrientes muy elevadas para evitar la disipación del calor. La limpieza de la superficie es importante, pero no tan vital como en las uniones de estado sólido, pues los contaminantes son expulsados de la fusión. No obstante, las escamas,' las películas gruesas de aceite y la pintura deben ser eliminados, aunque una preparación de la superficie relativamente sencilla es adecuada y también es factible soldar el acero recubierto de zinc. El control de la calidad es sumamente importante. Las soldaduras se prueban destructivamente para establecer los parámetros óptimos del proceso; después, la inspección incluye técnicas de medición de la temperatura de la superficie (a partir de la cual se extrapolan las temperaturas de la zona de soldadura), ultrasónicas y de emisión acústica. Son posibles el control de circuito cerrado y el adaptivo.

Soldadura de puntos por resistencia (RSW). Debido a la amplia difusión de la aplicación de piezas de lámina metálica, la soldadura de puntos por resistencia ha adquirido una posición prominente, desde la sujeción de asas de artículos de cocina hasta el ensamble de carrocerías completas de automóviles (hay varios miles de soldaduras de punto por cada automóvil). Dos electrodos, normalmente enfriados por agua, presionan juntas dos láminas (Fig. 18-15a). Los electrodos están hechos de materiales de alta conductividad y elevada resistencia en caliente, como el cobre, con algunas adiciones de Cd, Cr o Be, o aleaciones de cobre-tungsteno o molibdeno. Entonces, la corriente se aplica durante un número predeterminado de ciclos (en la industria automotriz, l O a 30 ciclos para una corriente de 60 Hz), después de lo cual la interfaz se calienta y en una fracción de segundo se forma una zona fundida (pepita de soldadura). La presión se libera sólo después que l a corriente ha sido desconectada y que la pepita ha solidificado. La superficie de la lámina presenta una ligera depresión y decoloración. Los electrodos pueden incorporarse en una máquina fija o en una pistola portátil de soldador. Se emplean electrodos múltiples (algunas veces cientos) para la soldadura de ensambles grandes, con grupos de electrodos puestos en contacto en una secuencia programada. Una serie de soldaduras puede realizarse con precisión y en una

rápida sucesión mediante robots soldadores. La calidad de la soldadura se asegura con mediciones durante el proceso basadas, por ejemplo, en el cambio de la resistencia, mientras se forma la pepita, o en la emisión acústica que ocurre durante la expulsión de metal.

Soldadura por proyección (RPW) La extensión de la zona soldada se controla mejor y se realizan varias soldaduras simultáneamente con sólo un electrodo cuando pequeños se estampan o acuñan hoyuelos o proyecciones en una de las láminas. Cuando se aplica la corriente, las proyecciones se suavizan y se empujan de regreso a su lugar con la presión del electrodo, a medida que se forma la pepita de soldadura (Fig. 18- 1 5b). Las proyecciones forjadas o maquinadas en cuerpos sólidos permiten soldarlos a una lámina o a otro cuerpo sólido. Una forma de la soldadura por proyección se practica cuando se sueldan por resistencia mallas formadas con alambres cruzados.

Soldadura de costura por resistencia (RSEW) Una serie de soldaduras de punto se hace mucho más rápido a lo largo de una línea si los electrodos tienen forma de rodillos (Fig. 18-15c). La corriente se enciende y se apaga en una sucesión planeada, proporcionando espaciamiento uniforme de los puntos. Cuando una corriente alterua permanece activa, se realiza la soldadura de un punto cada vez que la corriente alcanza su valor pico, y las soldaduras se espacian suficientemente cerca para producir una unión hermética a gas y líquido. La soldadura de costura por resistencia es uno de los métodos para producir el cuerpo de una lata, y se usa para la manufactura secciones de vigas y de cajas. En la soldadura de costura aplastada (Fig. 18-1 5d), el traslape sólo es 1 0 2 veces el espesor de la lámina, y los rodillos soldadores aplican suficiente presión para reducir la costura cerca de 10% sobre los espesores de la lámina base. Éste es uno de los procesos que se emplean para fabricar blancos a la medida.

Soldadura por resistencia de alta frecuencia (HFRW) Una aplicación importante de la soldadura por resistencia es en la manufactura de tubos, tuberías, miembros estructurales y rines de ruedas. Los tubos se forman con rodillo, Y entonces la costura longitudinal se realiza mediante soldadura por resistencia de alta frecuencia (HFRW), en la

que la corriente eléctrica se aplica por medio de electrodos deslizantes o rodantes (Fig. 1816a). En la soldadura por inducción de alta frecuencia (HF1W, por sus siglas en inglés), el tubo es rodeado por una bobina de inducción y la frecuencia de operación se elíge para obtener la penetración óptima; las frecuencias mayores penetran a una profundidad menor. En ambas, HFRW y FF1W, existe una zona fundida y localizada formada que luego se expulsa inmediatamente a través de compresión. Usualmente se recorta el exceso de metal.

Soldadura por chispas y recalcado La soldadura por recalcado, en general, significa la unión de dos cuerpos al prensarlos juntos con una fuerza suficiente para causar deformación. En el sentido más particular, el término se aplica a la soldadura por resistencia en la que, igual que en la soldadura de puntos, la presión es aplicada antes de activar la corriente. En la actualidad está mucho más difundida la soldadura a tope por chispas o soldadura por chispas (FW), en que la corriente se aplica durante la aproximación de las dos partes; de esta manera, ocurre un calentamiento extremadamente rápido cuando hacen contacto primero las irregularidades superficiales. El metal fundido se expulsa violentamente y se quema en el aire, produciendo algún arqueo; de ahí el nombre de chispas. Se puede quemar una longitud sustancialpara asegurar una buena soldadura, pero todo el metal líquido es expulsado y la soldadurase forma recalcando las superficies calientes sólidas de metal (Fig. 1 8- 1 6b) (soldadura por recalcado, UW). Así, la resistencia de la unión no es afectada por la presencia de residuos de metal de soldadura fundido. Por lo tanto, el proceso se considera como una transición entre los procesos de fase líquida y los de fase sólida. Se producirá una buena soldadura sólo si la rapidez de aproximación, la corriente y el voltaje, el viaje total y la presión de recalcado son controlados cuidadosamente. Actualmente, el control manual es reemplazado por el control adaptivo automático. El desplazamiento de metal crea una rebaba que debe eliminarse. Las caras extremas que se van a unir a menudo se achaflanan, de manera que la fusión se mueva desde el centro hacia fuera para expulsar los contaminantes en la rebaba. El precalentamiento es posible al activar la corriente después que las caras fueron prensadas juntas, pero luego éstas se separan ligeramente para inducir chispas. Para el calentamiento uniforme, ambas partes deben tener áreas iguales de sección transversal, aunque su composición puede ser diferente, por ejemplo, en la unión de un vástago de acero al bajo

carbono con una broca de una herramienta de HSS. Las barras y secciones dobladas en forma de anillos, los tubos y las estructuras de lámina con frecuencia se sueldan extremo con extremo; este método se usa ampliamente para unir las puntas de alambre y rollos de lámina para permitir la operación continua de las líneas de procesamiento

SOLDADURA CON ARCO ELÉCT RICO La soldadura con arco eléctrico difiere de la soldadura por resistencia eléctrica en que un arco sostenido genera el calor para fundir el material de la pieza de trabajo (y si se utiliza, la varilla de aporte). Los eventos se muestran mejor en el ejemplo de la soldadura con arco de tungsteno y gas (GTAW). Cuando el electrodo de tungsteno se conecta a la terminal negativa de una fuente de poder (en modo de polaridad directa o de corriente directa de electrodo negativo,DCEN), se convierte en el cátodo; la pieza de trabajo, conectada a la terminal positivase transforma en el ánodo (Fig. 1 8- 1 7a). Un gas inerte protege a ambos electrodos. El cátodo se calienta con la corriente de soldado hasta que se alcanza lafunción de trabajo (la energía necesaria para desalojar los electrones) del tungsteno. La emisión inducida térmicamente (termoiónica) crea una carga espacial (una nube de electrones) en la que los electrones fluyen a la pieza de trabajo (ánodo), donde se genera la mayoría del calor (el flujo de electrones es responsable de 85% de la transferencia calorífica). En el espacio entre la punta del electrodo y la pieza de trabajo, la alta temperatura ioniza un poco del gas: los electrones son desalojados y se forma un plasma conductor de la electricidad (una mezcla neutra de electrones e iones positivos). La energía de los electrones incidentes calienta la pieza de trabajo. La zona de la soldadura a menudo es profunda y angosta (Fig. 1 8- 1 7b). Cuando la polaridad se invierte, con el electrodo conectado a la terminal positiva (modo de polaridad invertida de o corriente directa de electrodo positivo, DCEP), la pieza de trabaj o se convierte en el cátodo. La zona de la soldadura es más amplia y menos profunda (Fig. 1 8- 1 7c); por lo tanto, este modo de operación es más adecuado para material de calibre delgado, que se quemaría completamente en el modo DCEN. La polaridad inversa tiene un efecto adicional: las películas de óxido en las superficies de piezas de trabajo de Al y Mg son desalojadas; de esta manera, la superficie se puede

limpiar, ya sea invirtiendo la polaridad brevemente en el modo DCEN o usando una corriente CA (Fig. 1 8- 1 7d).

Soldadura con electrodo no consumible En estos procesos, el electrodo no se funde y el metal de la soldadura es suministrado por el flujo del metal base (soldadura autógena) o, para lámina gruesa (> 3 mm de espesor), por medio de una varilla separada de material de aporte.

Soldadura de tungsteno con arco eléctrico y gas (GTAW) Como se indicó, el arco se mantiene entre la pieza de trabajo y el electrodo de tungsteno protegido por un gas inerte (de ahí el antiguo nombre de soldadura de tungsteno con gas inerte o soldadura TIG, Fig. I S - I Sa). La atmósfera protectora es provista por el argón, el cual tiene un potencial de ionización menor y por ello precisa menos voltaje (alrededor de 1 0 V), pero proporciona un arco eléctrico menos caliente y una penetración menos profunda que el helio. La polaridad es DCEN excepto para Al y Mg, donde la CA es útil para quitar el óxido. Para producir el arco eléctrico, la emisión de electrones y la ionización del gas se inician retirando el electrodo de la superficie de trabajo de manera controlada, o con la ayuda de un arco iniciador. Una corriente de alta frecuencia, superpuesta a la corriente alterna o directa de soldado, ayuda a comenzar el arco y también lo estabiliza. Las operaciones tanto manuales como automáticas son posibles. El proceso exige una habilidad considerable, pero produce soldaduras de muy alta calidad en casi cualquier material, en cualquier posición de soldado y también en calibres delgados (menores de 6 mm). La zona de la soldadura es visible y no hay chisporroteo de soldadura o formación de escoria, aunque las partículas del electrodo pueden entrar a la soÍdadura si el electrodo se sobrecalienta o toca el baño de soldadura. Soldadura con arco de plasma (PAW) Si el arco y, dentro de él, el plasma es restringido por un orificio, la intensidad calorífica se eleva (pig. I S- 1 8b). Primero, el arco se produce entre el electrodo y la boquilla aplicando un voltaje de alta frecuencia. Luego se acerca el soplete a la pieza de trabajo (método de operación de arco de plasma transferido). A densidades bajas de corriente, en el modo fusión interna, la zona de la soldadura es similar en forma a la soldadura con arco; a altas densidades de corriente, el modo de

agujero de cerradura (Pig. lS-1 8b) prevalece y el metal resolidifica atrás del haz de plasma móvil. En la técnica de arco no transferido, la boquilla de constricción es conectada a la terminal positiva; el arco se produce entre el electrodo y la boquilla y calienta la pieza de trabajo por radiación. Esta técnica también se utiliza para el rocío de plasma (recubrimiento de superficies. La PAW es particularmente útil para la soldadura de láminas delgadas. El tamaño pequeño de la zona requiere control cuidadoso de la trayectoria. Se practican las formas manual y mecánica, y el metal de aporte se puede usar si se necesita un suministro extra de material. La soldadura con arco de carbono (CAW) Fue la precursora de los procesos actuales de electrodo no consumible. El arco es producido entre la pieza de trabajo y un electrodo de carbono o entre dos electrodos de carbono.

Soldadura con electrodo consumible En este grupo de procesos el electrodo consumible es un metal que se funde para hacerse parte del cordón de soldadura. A menudo su composición es diferente de la de los metales base y se pueden encontrar recomendaciones en los trabajos de referencia citados al final de este capítulo. La zona de la soldadura está protegida por un gas o un fundente. Soldadura con arco metálico y gas (GMAW) El electrodo metálico consumible alimentado por medio de la pistola para soldar, está protegido por un gas inerte, de ahí el viejo acrónimo soldadura MIG (metal-gas inerte) (Fig. 18-18c). Es adecuada para la mayoría de los metales. Igual que con la GTAW, no se forma escoria y se pueden acumular varias capas con poca o ninguna limpieza intermedia. El argón es un gas adecuado para todos los materiales; algunas veces se prefiere helio --debido a su mayor potencial de ionización y, por lo tanto, mayor rapidez de generación de calor- para la soldadura de aluminio y cobre; el Ar con entre 2 y 30% de CO2 o CO2 puro generalmente se emplea para aceros al carbono; también se están introduciendo los gases especiales, adaptados para tareas específicas. Normalmente, el electrodo se conecta a la terminal positiva (DCEP o polaridad invertida). La densidad de corriente es el determinante principal del modo de transferencia de metal. Para una baja corriente de soldado, ocurre una transferencia por cortocircuito: el electrodo toca la pieza de trabajo, la corriente aumenta, la punta del alambre se funde y se transfiere una gotita. El gas protector es elegido para minimizar la salpicadura (C02 para el

acero, Ar-He para metales no ferrosos). A mayores intensidades de corriente (y con CO2 casi siempre) prevalece la transferencia globular: las partículas más grandes que el electrodo caen por gravedad. La gota se debe separar antes que llegue al charco de soldadura y sólo es posible la soldadura horizontal. Por encima de una densidad crítica de corriente, el metal es transferido en un rocío fino (transferencia por rocío) mediante las fuerzas del arco, de ahí que se puedan utilizar todas las posiciones de soldadura. Se obtienen soldaduras más consistentes con el uso de corriente pulsante de soldadura: una corriente baja de fondo mantiene el arco, y la transferencia de metal ocurre cuando los impulsos de la corriente exceden el nivel requerido para la transferencia por rocío. El gas de protección es Ar o una mezcla de él. En una variante, se alimenta alambre en un soplete de plasma (soldadura MIG de plasma). El electrodo de alambre se suministra en longitudes grandes enrolladas que permiten soldaduras continuas en cualquier posición de soldado. En la soldadura semiautomática, el soldador guía la pistola y ajusta los parámetros del proceso; en la soldadura automática, todas las funciones son asumidas por la máquina de soldar o robot. La soldadura en el sitio puede ser difícil porque las corrientes de aire soplan el gas protector lejos de la zona de soldadura.

Soldadura con arco metálico protegido (SMAW) De nuevo, el arco se produce entre el alambre o varilla de aporte y las piezas que se van a unir (Fig. 1 8- 1 9a), pero ahora la protección es suministrada por un recubrimiento aplicado al exterior del alambre de aporte (electrodo recubierto). El recubrimiento cumple varias funciones: su combustión y descomposición con el calor del arco crea una atmósfera protectora; la fusión del recubrimiento proporciona una cubierta de escoria fundida sobre la soldadura; el contenido de Na o K del recubrimiento se ioniza fácilmente para estabilizar el arco. También se pueden introducir elementos aleantes desde el recubrimiento. La elección del electrodo (que también determina la polaridad) es crítica para el éxito. Durante la soldadura, el electrodo se funde a una rapidez de aproximadamente 250 mm/min, mientras que el recubrimiento se funde para formar una escoria que se debe eliminar si se requiere más de una pasada para acumular el espesor completo de la soldadura. Corno el recubrimiento es frágil, se usan varillas rectas típicamente de 450 mm de longitud, haciendo a este proceso adecuado sólo para la operación manual, con una rapidez relativamente lenta, pero aún a bajo costo. El

proceso es versátil y adecuado para la aplicación en campo, aunque precisa de una habilidad considerable�. Es posible el soldado en todas las posiciones, incluyendo el realizado por arriba de la cabeza si el metal y la escoria solidifican suficientemente rápido.

Soldadura de arco con núcleo fundente (FCAW) Básicamente, se obtiene el mismo resultado pero una penetración más profunda con el fundente dentro de un tubo. El alambre para soldar ahora se puede enrollar y es factible la soldadura automática continua. Algunas veces se proporciona una protección adicional con un gas, entonces el proceso se parece a la soldadura con arco metálico y gas.

Soldadura de arco sumergido (SAW) Ahora el electrodo consumible es alambre de aporte sin recubrimiento y la zona de la soldadura está protegida por un fundente granular, suministrado independientemente desde un alimentador (Fig. 1 8- 1 9b) en una capa gruesa que cubre el arco. El fundente protege el arco, permite alta corriente y gran profundidad de penetración, asegura alta eficiencia, actúa corno desoxidante y depurador y puede contener elementos aleantes de polvo de metal La SAW es primordialmente un proceso automático de soldadura con elevada rapidez de deposición. Los electrodos en tandem sirven para depositar grandes cantidades de material de aporte. La posición de la soldadura debe ser horizontal; de esta manera es adecuada para tuberías de acero, cilindros y también para soldaduras circulares si se gira la pieza de trabajo. La soldadura de arco sumergido doble (con una soldadura desde el interior y otra desde el exterior) se emplea para fabricar tuberías soldadas en espiral. También se puede usar con robots soldadores, con la pieza de trabajo manipulada en posiciones apropiadas.

Soldadura con electroescoria (ESW) El proceso se utiliza ampliamente para soldar uniones verticales en placas y estructuras gruesas (25 mm o más), como plataformas de perforación de petróleo, puentes, barcos y marcos de prensas y molinos de laminación. El alambre del electrodo es alimentado a un baño de escoria fundida (Fig. 1 8 - 1 9c); inicialmente, se produce un arco pero luego se apaga debido a la escoria, y el calor de la fusión es suministrado por el calentamiento por resistencia en la escoria. Zapatas (represas) de cobre enfriados con agua cierran el espacio entre las piezas que se van a soldar para

evitar que la fusión y la escoria escurran. La cabeza de soldadura se debe elevar a medida que aumenta el depósito de soldadura. En una variante del proceso, un tubo guía de acero consumible se funde en el baño de soldadura; así que no es preciso mover la cabeza soldadora. Si la pieza es girada, también se pueden realizar soldaduras circunferenciales.

Soldadura con electrogás (EGW) Es una consecuencia de la soldadura con electroescoria, pero está relacionada con la hecha con arco metálico y gas. El alambre del electrodo es sólido o está cubierto con fundente; y la protección es proporcionada por un gas (típicamente 80% Ar, 20% CO2). El baño fundido es nuevamente retenido con represas de cobre

Soldadura de pieza de trabajo consumible En algunos casos especiales de soldadura autógena, la pieza de trabajo se convierte en el electrodo.

Soldadura de arco con espárrago o soldadura de espárrago (Sw) El arco se mantiene entre una proyecci6n (sección transversal reducida) en un espárrago (únicamente, una varilla roscada o lisa) y la superficie de la pieza de trabajo (usualmente, una placa, Fig. 1 8-20a). Cuando la proyección y la superficie de la placa se funden, se aplica presión para unir el espárrago a esta última. Normalmente, la polaridad es DCEN para acero y DCEP para aluminio. Un casquillo cerámico desechable de protección concentra el calor del arco, protege de la oxidación y confina la fusión. Se puede utilizar un fundente embebido en el espárrago. El diámetro del espárrago se elige de manera que la unión falle en el espárrago y no en la lámina. Millones de espárragos, a menudo roscados, se emplean en la construcción de edificios, de barcos; en la industria automotriz, en la construcción de tableros eléctricos y para la colocación de manijas y patas en los aparatos electrodomésticos.

Soldadura de espárrago con descarga de capacitor Al colocar espárragos pequeños (de 2 a 6 mm de diámetro), la energía almacenada en un condensador se usa para calentar (Fig. 1 8-20b). La descarga ocurre justo antes o durante la aproximación a la superficie. El calor intenso y localizado permite la unión de secciones transversales ampliamente

diferentes y también de materiales disímiles. El control del tiempo y del movimiento son críticos. Los espárragos se pueden soldar a láminas delgadas, incluso a las recubiertas con pintura o PTFE en el otro lado, permitiendo la sujeción de tableros de instrumentos, placas indicadoras y la decoración automotriz. El término soldadura por percusión (PEW) describe la soldadura con descarga del capacitar aplicada para unir alambres a terminales y otras superficies planas. Como las dos terminales deben estar separadas antes del impacto, no es posible soldar anillos. FUENTES QUIMICAS DE CALOR El calor necesario para la fusión puede ser provisto por una fuente química de calor.

Soldadura con gas La soldadura con oxígeno y gas combustible (OFW) es la forma más difundida de soldadura con gas. El calor es producido por medio de la combustión de acetileno (C2H2) con oxígeno (soldadura con oxígeno y acetileno, OAW). Ambos se almacenan a alta presión en tanques de gas y se unen en el soplete. Después de la ignición, en la flama se genera una temperatura de aproximadamente 3 700 K (3 400°C). Se pueden distinguir tres zonas (Fig. l 8-2l a). La combustión primaria se origina en la zona interna y genera dos tercios del calor mediante la reacción

Estos productos de la reacción predominan en la segunda zona, y así proporcionan una atmósfera reductora favorable para la soldadura de acero. La combustión completa sucede en la envolvente exterior a través de las reacciones

La flama protege suficientemente a los aceros al bajo carbono, al plomo y al zinc, pero se necesita un fundente para la mayoría de los otros materiales. La temperatura relativamente baja de la flama, la habilidad para cambiar la flama de oxidante a neutra e incluso a reductora, y la flexibilidad del control manual adecuan al proceso a todos los metales menos los refractarios y los reactivos, como el titanio y el zirconio. El proceso tiene la ventaja de la portabilidad y es utilizable en todas las posiciones de soldado.

El soldador (suponiendo que es diestro) sostiene el soplete en un ángulo determinado respecto a la superficie, y puede mover la varilla de metal de aporte (con su recubrimiento de fundente) fuera del charco de soldadura en la soldadura hacia la izquierda o hacia adelante (Fig. 1 8-21b), precalentando de esta manera el área de la unión y obteniendo una unión relativamente amplia. Cuando el material de aporte se mueve arriba del cordón de soldadura (soldadura hacia la derecha o hacia atrás, Fig. 1 8-21 c), el charco se mantiene caliente por un tiempo mayor y resulta una soldadura más angosta, a menudo de mejor calidad. Otros gases, incluyendo el propano, el gas natural y el hidrógeno, también se utilizan como fuente de calor, particularmente para el aluminio y los metales de b ajo punto de fusión.

Soldadura termita (TW) Cuando un óxido metálico de baja energía libre de formación está en contacto íntimo con un metal de mayor energía libre de formación de óxido, el óxido metálico se reduce en una reacción exotérmica, genéricamente llamada termita. El polvo Thermit (una marca registrada de Th. Goldschmidt AG, Essen, Alemania) es una mezcla de un metal y un óxido, por ejemplo, aluminio y óxido de hierro.

La reacción, iniciada con un polvo de ignición especial, libera hierro

Se agregan bolitas de aleación de hierro para reducir la temperatura de reacción hasta alrededor de 2 500°C. El proceso se aplica para unir secciones pesadas (área mínima de 60 cm2), como rieles o varillas de refuerzo en el campo. Se construye un molde de arena o semipermanente-- completo, con bebedero, compuerta y mazarota-- alrededor del área de la unión, el polvo de termita se enciende en un crisol colocado arriba del molde, y el hierro resultante se sangra a través de un agujero en el fondo del crisol, directamente hacia el molde. Después de la solidificación, el molde es destruido y el acero en exceso aún caliente es cortado con cincel. Las barras colectoras eléctricas grandes se sueldan de manera similar, con aluminio y Cu20.

SOLDADURA CON HAZ DE ALTA ENERGÍA El calor de la fusión se proporciona al convertir la energía de los electrones o haces de luz incidentes en calor; ya se ha estudiado la aplicación de estos procesos al corte. El mismo procedimiento se emplea para unir, a menos que las densidades de energía sean raramente de más de 10 kW/mm2, ya que la vaporización y el quemado (agujerado) arruinan la soldadura. Soldadura por haz de electrones (EBW) El cañón de electrones (Fig. 1 7-4) ahora funde el metal base; el metal fundido delante del agujero de vapor fluye alrededor para llenar la separación, de esta manera se pueden soldar separaciones angostas sin un metal de aporte (aunque se pueden usar varillas de metal de aporte). La zona afectada por el calor es muy estrecha. La mayoría de la soldadura se realiza al alto vacío (EBW-HV) o medio vacío (EBW-MV), pero la operación sin vacío (EBW-NV) también produce soldaduras de alta calidad en muchos materiales. Los procesos son extremadamente adaptables y sobresalen para soldar tanto calibres delgados como secciones gruesas, piezas con espesor disímil, materiales endurecidos o de alta temperatura y materiales distintos. La EBW es propicia para el control automático.

Soldadura por rayo láser (LBW) La energía de un láser se puede emplear para calentar la superficie del material (modo de conducción limitada) o para penetrar la profundidad completa de la unión (modo de penetración profunda o soldadura en forma de agujero de cerradura). Como el calentamiento es una función de la emisividad de la superficie, el láser Nd:YAG de onda más corta son más adecuados para materiales altamente reflectantes, aunque no se pueden utilizar en vidrio o en polímeros El láser tiene la ventaja de no precisar vacío. Normalmente, la pieza de trabajo necesita la protección de un gas, excepto para la soldadura de puntos, en la que el tiempo de exposición es muy corto. El oxígeno soplado en la superficie reduce la reflexión de la luz e incrementa la rapidez de remoción para el acero; el gas inerte (N2 para aluminio, Ar o ArHe para el titanio) aumenta la transferencia de calor para los metales no ferrosos. El láser tiene una aplicación creciente, particularmente para metales de calibre delgado. Se logran velocidades de soldado de cerca de 7 mm en lámina metálica de 1 .5 mm de espesor. El proceso es adecuado para la automatización, y ya sea la pieza de trabajo, el láser o el haz,

se pueden mover a lo largo de trayectorias prescritas. En relación con la soldadura por resistencia, la posibilidad de acceso desde un solo lado es una ventaja, por ejemplo, en el soldado de tubos hidroformados. Éste es uno de los métodos principales para producir blancos a la medida.

CONCLUSIONES La unión expande el alcance de todos los procesos de manufactura; fundiciones, forjas, extrusiones, placas, lámina de metal y piezas maquinadas se pueden unir para producir formas más complejas o estructuras más grandes. Los largueros soldados para construcción, los bastidores de máquinas, las carrocerías de automóviles, los tubos y las tuberías de todos tamaños, los recipientes y las latas, todos estos productos se encuentran a nuestro alrededor. La soldadura a menudo es la reparación más económica y práctica para maquinaria averiada. Los bastidores para bicicletas, soldados con soldadura fuerte, los cambiadores de calor, los radiadores soldados y las juntas de plomería abundan. La unión adhesiva se usa cada vez más en las industrias aérea, automotriz, de artículos electrodomésticos y otras. Las uniones, dada su definición misma, proporcionan una transición entre dos materiales no necesariamente similares. El control de calidad es aún más importante que en otros procesos porque la oxidación, las películas superficiales, las inclusiones de escoria, la porosidad, las separaciones, cortes socavados, las grietas por calor, el agrietado en frío (fragilización) y los esfuerzos residuales podrían causar fallas retrasadas peligrosas. No obstante, se pueden obtener juntas de buena calidad, algunas veces de igual resistencia al del material base (pieza de trabajo), a través de varios medios: 1. La soldadura en estado sólido se basa completamente en la adhesión; aunque es extremadamente sensible a los contaminantes superficiales, permite la unión de un rango amplio de materiales similares y disímbolos. 2. La fusión altamente localizada en la soldadura por resistencia representa una transición de los procesos de fase sólida a líquida; aun es sensible a los contaminantes, pero la zona afectada por el calor es pequeña. 3. La fusión profunda o a través del espesor en los procesos de soldadura por fusión amplía la zona afectada por el calor en el metal base en todos los procesos, excepto en el de haz de alta energía (EB y láser). La preparación superficial, la geometría de la soldadura, las atmósferas protectoras y/o escoria o fundentes y la rapidez de calentamiento y enfriamiento se deben controlar simultáneamente. El calentamiento y el enfriamiento localizados hacen a

las estructuras soldadas susceptibles a la distorsión y al agrietamiento bajo la influencia de esfuerzos internos. 4. Con la soldadura fuerte y en la soldadura blanda se unen piezas de trabajo sólidas -sin la fusión del metal base- con un metal de menor punto de fusión. La unión de nuevo se basa en la adhesión, haciendo a la limpieza superficial y al ajuste los factores críticos. 5. Los polímeros se pueden formular para ajustarse a la tarea particular en la unión adhesiva. El control de la preparación superficial y la aplicación del adhesivo son cruciales para el éxito. 6. Los procesos de unión son aditivos: construyen un cuerpo a partir de unidades menores. Este principio también se puede aplicar para fabricar piezas por medio de la fabricación de formas libres. Estos procesos han hecho posibles los prototipos rápidos; progresos adicionales han reducido el tiempo necesario para la construcción de moldes y matrices. Con los más recientes adelantos, las técnicas pueden conducir a la producción de lotes pequeños de artículos de uso final. 7. Los procesos de unión ofrecen un campo amplio para la mecanización, la automatización y la aplicación de la robótica. El modelado matemático ha conseguido grandes avances y se aplica la inteligencia artificial. 8. Muchas técnicas de unión presentan riesgos considerables. La luz emitida por los arcos de alta temperatura y por los rayos láser exige protección ocular o confinamiento total ; el calor, el metal fundido y las chispas que vuelan de una zona de soldadura requieren protección facial, protección ocular, guantes y otra ropa protectora; los humos irritantes o tóxicos que emanan de solventes, monómeros y de las operaciones de soldadura común, fuerte y blanda, y de la unión adhesiva necesitan sistemas de escape, además de otras medidas de seguridad e higiene.