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Métodos de Soldadura
Por
José Miguel Iriarte Muñoz |
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Este
trabajo sintetiza las características fundamentales de diversos tipos de
soldaduras, en un marco que describe globalmente a este tipo de unión. Se
distinguen los procesos por fusión, de estado sólido, soldadura blanda y
fuerte. Se hace un análisis de la metalurgia involucrada, planteando
conceptos como calidad y soldabilidad de los materiales, repasando también
los ensayos mecánicos típicos que establecen las normas. Se señalan
brevemente criterios de diseño y selección de procesos para una soldadura.
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1. Introducción: Los diversos métodos de unión Muchos productos requieren el ensamblado de componentes fabricados por separado, ya que se simplifica la manufactura, resulta más económico y permite un simple mantenimiento. Los procesos de unión son diversos, citando rápidamente soldaduras, latonados, soldaduras suaves con estaño y fijaciones mecánicas. La clasificación en los procesos de unión suele tener tres categorías generales a) Soldadura · de fusión: consiste en fundir y unir materiales mediante calor suministrado por una fuente eléctrica o química donde puede o no haber material de relleno. Abarca la soldadura con y sin electrodo consumible y los procesos con haz de alta energía. La zona soldada sufre importantes cambios metalúrgicos que afectan las propiedades y funcionamiento del componente. · en estado sólido: aquí no se funde material. Se encuentran las uniones por difusión y soldadura en frío, ultrasónica, por fricción, por resistencia y por explosión · fuerte y blanda b) Unión adhesiva: presenta grandes ventajas en cuanto a resistencia, aislamiento, amortiguamiento de vibraciones y resistencia a la corrosión entre distintos metales unidos. c) Sujeción mecánica: incluye el uso de sujetadores, tornillos, tuercas y remaches. El proceso de unión debe elegirse según criterios como la aplicación, el diseño de la unión, tipo de materiales que intervienen y las formas y tamaños a unir. Otras cuestiones no menores son la habilidad del operario, costo de los equipos, cantidad de componentes, repetibilidad, etc.
2. Procesos de soldadura por fusión Estos procesos requieren la transformación parcial del material de la unión a fase líquida mediante el aporte de calor eléctrico o químico. Puede haber aporte o no de material, tratándose de metales que se agregan a la zona de soldadura durante la operación. Cuando se emplea este material de relleno se denominan soldaduras autógenas.
2.1 Soldadura con Oxígeno y Combustible gaseoso Se produce una llama a partir de la combustión de un gas, siendo ésta flama la fuente de calor par fundir. Uno de los gases combustibles más empleados es el acetileno. Es de amplio uso en la fabricación de láminas metálicas estructurales, carrocería de automóviles, y reparaciones diversas. Los metales compatibles de aporte se usan en varillas o alambres que pueden venir desnudos o cubiertos por un fundente (que retarda la oxidación de la superficie generando una protección gaseosa). Se puede usar en la mayor parte de los metales ferrosos y no ferrosos, para casi cualquier espesor o pieza, pero la producción relativamente baja de calor pone los límites a ésta técnica. Una gran ventaja es el bajo costo del equipo y su versatilidad, pero es difícil automatizar estas soldaduras, por lo que resulta en procesos lentos. El electrodo consumible es un rollo de alambre redondo desnudo de 1.5 a 10 mm de diámetro. Las corrientes suelen ser de 300 a 2000 A, con conexiones monofásicas o trifásicas y tensiones de hasta 440 V. El operador debe usar guantes, pero en general no son necesarias las caretas sino gafas de seguridad. El precio de los equipos más simples va desde los US$2,000 a los US$10,000. Se pueden soldar circularmente tubos, es un proceso automatizable y sirve para diversos aceros al carbono y aleados, y aceros inoxidables, en láminas o placas. Se puede llegar a velocidades de 5m/min y permite grandes aportes de material en tiempos menores (casos especiales alcanzaron 50 kg/h). Se consigue una soldadura de alta calidad, con buena tenacidad, ductilidad y uniformidad. Aplicaciones típicas son la soldadura de placas gruesas para barcos y para recipientes de presión.
2.2.3 MIG, soldadura de metal en gas inerte El área de soldadura se protege con una atmósfera inerte de argón, helio, dióxido de carbono o varias otras mezclas de gases. El alambre desnudo consumible se alimenta al arco en forma automática a través de una boquilla. En el metal del electrodo suele haber desoxidantes para evitar la oxidación del metal fundido; es un método que permite depositar varias capas de soldadura directamente. Los modos de aplicar el material son por aspersión, transferencia globular o cortocircuito. Se general temperaturas relativamente bajas y por eso solo es útil para láminas y secciones delgadas (menores a 6 mm), especialmente usado en metales ferrosos. Resulta un método fácil de usar, económico y de alta productividad, fácil de automatizar. Costos: de 1000 a 3000 dólares. 2.2.4 FCAW, soldadura con arco y núcleo de fundente Posee un electrodo de forma tubular y está relleno con fundente, lo que produce un arco más estable y provoca un mejor contorno del cordón con mejores propiedades mecánicas. Estos electrodos son más finos, flexibles y pueden enrollarse. El electrodo de diámetro pequeño facilita la soldadura de materiales delgados y partes en distintas posiciones. Variando el fundente se puede trabajar con una muy amplia gama de metales. Aunque los consumos típicos son de 20kW, es un proceso económico y versátil, muy usado en aceros, aceros inoxidables y aleaciones de níquel. Los équipos, entre 1,000 y 3,000 dólares.
2.2.5 EGW, soldadura con electrogas Se usa para soldar los bordes de secciones en sentido vertical y en un paso, con las piezas colocadas borde a borde (unión a tope). Requiere de equipos especiales para la aplicación del electrodo, trabaja a unos 750 A con potencias de hasta 20kW. Usa como protección un gas inerte que depende del material a soldar, y puede aplicarse en un núcleo fundente y/o directamente con una fuente externa. Los espesores trabajados con EGW van de 12 a 75 mm en aceros, titanio y aleaciones de aluminio. Aplicaciones características son las construcción de puentes, recipientes de presión, tubos de pared gruesa y diámetro grande, tanque de almacenamiento y barcos. El costo de las máquinas ronda los 20,000 dólares.
2.2.6 ESW, soldadura por electroescoria Es similar a la soldadura con electrogas salvo que por electroescoria el arco se inicia entre la punta del electrodo y el fondo de la pieza a soldar. Se agrega fundente, el cual se funde por el calor del arco. Después de que la escoria fundida llega a la punta del electrodo, se extingue el arco y en adelante el calor se produce por resistencia eléctrica. Permite soldar placas de espesores entre 50 y más de 900 mm, siendo la soldadura de un paso. Se requieren corrientes de 600 A. La velocidad de avance del electrodo es de 12 a 36 mm/min. Este método puede utilizarse para recipientes de reactores nucleares y maquinaria pesada. El precio típico de la maquinaria es de unos 20,000 dólares.
2.3 Procesos de soldadura con arco: electrodo no consumible 2.3.1 TIG, soldadura con arco de tungsteno y gas La soldadura TIG (Tungsten Inert Gas), utiliza un electrodo permanente de tungsteno, aleado a veces con torio o zirconio en porcentajes muy bajos. Dada la elevada temperatura de fusión del tungsteno (3410 ºC), junto a la protección del gas, la punta del electrodo dura tiempos prolongados. Los gases más utilizados para la protección del arco en esta soldadura son el argón y el helio, o mezclas de ambos. La gran ventaja de este método de soldadura es, básicamente, la obtención de cordones más resistentes, más dúctiles y menos sensibles a la corrosión que en el resto de procedimientos, ya que el gas protector impide el contacto entre el oxigeno de la atmósfera y el baño de fusión. Además, dicho gas simplifica notablemente el soldeo de metales ferrosos y no ferrosos, por no requerir el empleo de desoxidantes, con las deformaciones o inclusiones de escoria que pueden implicar. Otra ventaja es que permite obtener soldaduras limpias y uniformes debido a la escasez de humos y proyecciones; la movilidad del gas que rodea al arco transparente permite al soldador ver claramente lo que está haciendo en todo momento, lo que repercute favorablemente en la calidad de la soldadura. El cordón obtenido es por tanto de un buen acabado superficial, que puede mejorarse con sencillas operaciones de acabado, lo que incide favorablemente en los costes de producción. La deformación que se produce en las inmediaciones del cordón de soldadura es menor. La mayor complicación está en la necesidad de proporcionar un flujo continuo de gas, con la subsiguiente instalación de tuberías, bombonas, etc., y el encarecimiento que supone. Además, este método de soldadura requiere una mano de obra muy especializada, lo que también aumenta los costes. Por tanto, no es uno de los métodos más utilizados sino que se reserva para uniones con necesidades especiales de acabado superficial y precisión. La soldadura TIG se trabaja con corrientes continua y alterna. En corriente continua y polaridad directa, las intensidades de corriente son del orden de 50 a 500 amperios. Con esta polarización se consigue mayor penetración y un aumento en la duración del electrodo. Con polarización inversa, el baño de fusión es mayor pero hay menor penetración; las intensidades oscilan entre 5 y 60 A. La corriente alterna combina las ventajas de las dos anteriores, pero en contra da un arco poco estable y difícil de controlar. Es un proceso muy usado con aluminio, magnesio, titanio y los metales refractarios. Es especialmente adecuado para los metales delgados. Se usa para aplicaciones críticas, con amplios rangos de espesores y formas de pieza.
2.3.2 AHW, soldadura con hidrógeno atómico Se usa una atmósfera protectora de hidrógeno (que también enfría los electrodos), y el arco se genera entre dos electrodos de tungsteno o de grafito (la pieza no es parte del circuito).
2.3.3 PAW, soldadura con arco de plasma En la PAW se produce un arco concentrado de plasma (gas caliente ionizado) que se dirige hacia el área de la soldadura. El arco es estable y sus temperaturas llegan a los 33,000ºC. El arco de plasma es concentrado, porque se hace pasar por un orificio relativamente pequeño. Las corrientes de operación suelen ser menores a los 100 A. La protección del arco y la zona de soldadura se obtiene mediante un anillo protector externo que usa gases como el argón. El arco puede ir del electrodo a la pieza (arco transferido) o desde el electrodo a la boquilla en la punta del soplete (arco no transferido). Es un método con una gran concentración de energía, logrando soldaduras profundas y más angostas. Se consiguen mayores velocidades de soldadura (120 a 1000 mm/min). Se pueden soldar diversos metales, generalmente de espesores menores a 6 mm. Permite hacer cortes de hasta 20mm en aluminio y titanio. Es muy usado en soldaduras a tope. La seguridad implica cuidarse contra reflejos, salpicaduras y el ruido del arco de plasma.
2.4 Otros métodos 2.4.1 TW, Soldadura con termita o aluminotérmica La soldadura aluminotérmica es un procedimiento de soldadura muy utilizado en rieles de vías férreas, perfiles estructurales de aceros gruesos y tubos. Se basa en el proceso, fuertemente exotérmico, de reducción del óxido de hierro por el aluminio. Su técnica consiste en alinear las piezas que se van a unir, con un hueco entre ellas (que se suele llenar con cera) en torno al cual se forma un molde con arena o cerámico. Si las partes son gruesas se puede precalentar el molde. Los productos sobrecalentados de la reacción se dejan fluir al hueco y funden las orillas de las piezas que se unen.
2.4.2 EBW, soldadura con haz de electrones La soldadura por rayos de electrones es un proceso de soldadura en el cual la energía requerida para derretir el material es suministrada por un rayo de electrones. Para evitar la dispersión del rayo de electrones la pieza de trabajo es generalmente ubicada en una cámara de vacío, aunque se ha intentado también realizar soldadura por rayo de electrones bajo presión atmosférica. Casi todos los metales pueden soldarse con haz de electrones, con espesores muy diversos. Sirve también como método para agujerear. En general no se requiere gas ni fundente protector, ni metal de aporte. Existen cañones de electrones de hasta 100 kW. La gran ventaja de la EBW es la pequeña zona afectada por el calor, y los menores tamaños con mejores terminación de soldaduras conseguidos. Se pueden llegar a velocidades de hasta 12 m/min Puede soldar a tope o traslape con espesores de hasta 150 mm, siendo soldaduras de muy alta pureza. Su uso se extiende en la aeronáutica, electrónica, la industria nuclear y automotriz (p.e. engranajes y ejes). Son equipos caros, entre 75,000 a 1M de dólares. La producción de rayos X requiere cuidados adicionales.
2.4.3 LBW, soldadura con rayo láser La soldadura por rayo láser es utiliza la energía aportada por un haz láser para fundir y recristalizar el material o los materiales a unir. En la soldadura láser no existe aportación de ningún material externo. Mediante espejos se focaliza toda la energía del láser en una zona muy reducida del material. Cuando se llega a la temperatura de fusión, se produce la ionización de la mezcla entre el material vaporizado y el gas protector (formación de plasma). La capacidad de absorción energética del plasma es mayor incluso que la del material fundido, por lo que prácticamente toda la energía del láser se transmite directamente y sin pérdidas al material a soldar. La alta presión y alta temperatura causadas por la absorción de energía del plasma, continúa mientras se produce el movimiento del cabezal arrastrando la "gota" de plasma rodeada con material fundido a lo largo de todo el cordón de soldadura. Se consigue un cordón homogéneo y dirigido a una pequeña área de la pieza a soldar, con lo que se reduce el calor aplicado a la soldadura reduciendo así las posibilidades de alterar propiedades químicas o físicas de los materiales soldados. Las potencias llegan a los 100kW (haces pulsados generalmente). Es muy eficaz para piezas delgadas, y se usa mucho con aluminio, titanio, metales ferrosos, cobre, superaleaciones y los metales refractarios. Alcanza grandes velocidades de soldado. Puede soldar en regiones inaccesibles por vías comunes, no requiere vacío, no genera R-X, y consigue excelente calidad de soldadura. Una contra importante, el precio: de 40,000 al 1M de dólares. Se cuida celosamente la piel y los ojos al usar estos láseres.
2.5 Seguridad en la soldadura Antes de empezar cualquier operación de soldadura, se debe hacer una inspección completa del equipo soldador y de la zona donde se va a usar. Todos los objetos susceptibles de arder deben ser retirados del área de trabajo, y debe haber un extintor apropiado de PQS o de CO2 a mano. Los interruptores de las máquinas necesarias para el soldeo deben poderse desconectar rápida y fácilmente. La alimentación estará desconectada siempre que no se esté soldando, y contará con una toma de tierra. Los portaelectrodos no deben usarse si tienen los cables sueltos y las tenazas o los aislantes dañados. La operación de soldadura deberá llevarse a cabo en un lugar bien ventilado pero sin corrientes de aire que perjudiquen la estabilidad del arco. El techo del lugar donde se suelde tendrá que ser alto o disponer de un sistema de ventilación adecuado. Las naves o talleres grandes pueden tener corrientes no detectadas que deben bloquearse. La radiación de un arco eléctrico es enormemente perjudicial para la retina y puede producir cataratas, pérdida parcial de visión, o incluso ceguera. Los ojos y la cara del soldador deben estar protegidos con un casco de soldar homologado, equipado con un visor filtrante de grado apropiado. La ropa apropiada para trabajar con soldadura por arco debe ser holgada y cómoda, resistente a la temperatura y al fuego, incluso usarse delantales de plomo. Debe estar en buenas condiciones, sin agujeros ni remiendos y limpia de grasas y aceites. Las camisas deben tener mangas largas, y los pantalones deben ser de bota larga, acompañados con zapatos o botas aislantes que cubran. Las paredes internas del taller de soldadura deben pintarse con materiales que absorban la radiación UV generada. Deben evitarse por encima de todo las descargas eléctricas, que pueden ser mortales. Para ello, el equipo deberá estar convenientemente aislado (cables, tenazas, portaelectrodos deben ir recubiertos de aislante), así como seco y libre de grasas y aceite. Los cables de soldadura deben permanecer alejados de los cables eléctricos, y el soldador separado del suelo; bien mediante un tapete de caucho, madera seca o mediante cualquier otro aislante eléctrico. Los electrodos nunca deben ser cambiados con las manos descubiertas o mojadas o con guantes mojados. La protección de los oídos no debe descuidarse.
3. Procesos de soldadura en estado sólido Puede realizarse la unión de piezas sin fusión, o sea sin que esté presente la fase líquida. Existen diversos mecanismos que logran esta operación que consiste en crear enlaces entre las dos partes a unir.
3.1 Soldadura en frío Consiste en aplicar presión a las piezas a través de rodillos. Consiste en deformaciones plásticas, por lo que se requiere que alguna de las partes sea dúctil. Antes de soldar se tratan las superficies. Esta tecnología fue usada para fabricar monedas, realizar recubrimientos de aluminio puro sobre aleaciones de aluminio y de acero inoxidable sobre acero de bajo carbono para soportar mejor la corrosión. 3.2 Soldadura ultrasónica Las superficies a unir se someten a una fuerza estática normal y a esfuerzos cortantes oscilantes que se aplican con un transductor. La frecuencia va entre 10 y 75 kHz generalmente, y provoca temperaturas de hasta la mitad de la temperatura de fusión en metales, aunque si funde en termoplásticos. Los esfuerzos cortantes causan deformación plástica, rompiendo así óxidos y contaminantes, logrando buenos contactos y por tal mejores ligas. Se usa mucho para unir plásticos, membranas, y la destreza solicitada es moderada.
3.3 Soldadura por fricción La soldadura por fricción es un método de soldadura que aprovecha el calor generado por la fricción mecánica entre dos piezas en movimiento. Es utilizada para unir dos piezas aun cuando una de ellas por lo menos sea de igual o distinta naturaleza, por ejemplo: acero duro y acero suave, aluminio y aleaciones, acero y cobre, etc. El principio de funcionamiento consiste en que la pieza de revolución gira en un movimiento de rotación fijo o variable alrededor de su eje longitudinal y se asienta sobre la otra pieza. Cuando la cantidad de calor producida por rozamiento es suficiente para llevar las piezas a la temperatura de soldadura, se detiene bruscamente el movimiento, y se ejerce un empuje el cual produce la soldadura por interpenetración granular. Se pueden unir muchos materiales siempre que uno tenga simetría de revolución, piezas sólidas (100mm de diámetro) y tubulares (250mm de diámetro).
3.4 Soldadura por resistencia El calor se genera por efecto Joule en la resistencia de un contacto entre las partes a soldar. No requiere electrodos consumibles, gases de protección o fundentes, aunque los procesos se configuran según la propiedades térmicas de los materiales, con corrientes que pueden llegar hasta los 100,000 A, con voltajes de 0.5 a 10 V. Consiste en equipos no portátiles (costos de unos 35,000 dólares) y son simples de manejar. La soldadura de puntos por resistencia encuentra amplio uso en la industria automotriz y de utensilios de acero inoxidable. En la soldadura de costuras por resistencia, se emplean rodillos conductores en lugar de electrodos comunes. Una variante es la soldadura por resistencia con alta frecuencia. Otras variantes de la soldadura por resistencia son la sodladura por proyecciones, de pernos y por percusión.
3.5 EXW, soldadura por explosión Consiste en aplicar presión y detonar una capa de explosivos ubicada sobre uno de los componentes (llamado aleta) que se van a unir. El impacto fija mecánicamente las dos superficies y se consigue una resistencia de adhesión muy alta. Es un método muy usado para revestir placa (de hasta 12 m2) o losa con metal disímil, que posteriormente pueden laminarse. También sirve para unir tubos a los orificios en una caldera.
3.6 Soldadura por difusión Es un proceso donde la resistencia de adhesión se consigue gracias a la difusión de átomos a través de la interfase y por la deformación plástica de las superficies de unión. Requiere temperaturas altas, de aproximadamente 0.5 veces la temperatura absoluta de fusión (a veces usando autoclaves). Se puede usar un material de aporte en la interfase para mejorar las propiedades y existen diversos modos de aplicar presión entre las partes. Es muy usada para unir metales disímiles, materiales compuestos y metales reactivos como titanio, berilio, zirconio, etc. Se emplea para fabricar piezas complicadas en la industria aeroespacial, nuclear y electrónica, y tiene posibilidades de automatización. Resulta en un proceso muy complicado y demanda capacitación y mucha destreza del operario. Trabajar haciendo conformado superpráctico es un complemento de la soldadura por difusión. El uso de moldes y deformación aplicando aire comprimido a componentes fijados por difusión es una técnica para fabricar ciertas estructuras, que resultan delgadas con grandes relación de rigidez entre peso. Esto evita el uso de sujetadores mecánicos, mejora la precisión dimensional y reduce esfuerzos residuales
4. Soldadura fuerte y soldadura blanda Éstos métodos permiten generar menores temperaturas que las necesarias para las soldaduras vistas antes. Resultan útiles para unir componentes delicados (ej. electrónicos), piezas intrincadas o materiales con características muy diferentes. Las temperaturas y resistencia de la soldadura blanda son menores que para la soldadura fuerte.
4.1 Soldadura fuerte En éste tipo de soldadura se eleva la temperatura lo suficiente para fundir solamente al material de aporte, pero no la pieza. Este metal fundido llena algún espacio de interés por acción capilar, por lo que se deben limpiar muy bien las superficies. El metal de aporte funde por arriba de los 450ºC y se suministran en alambres, anillos, bandas. Se utiliza aluminio-silicio, magnesio-aluminio, Cobre-fósforo, aleaciones de plata y cobre y oro. Hay varios modos de realizar una soldadura fuerte, por ej. se usan sopletes, hornos, técnicas de inducción, baños de material de aporte, fuentes infrarrojas, incluso difusión. Entre las ventajas de la soldadura fuerte es el poder unir metales disímiles con buena resistencia de unión. Productos frecuente son los insertos de carburo en acero, donde la soldadura con plata es muy común. Es un proceso que puede automatizarse para producción en masa.
4.2 Soldadura blanda Al igual que la soldadura fuerte, en la soldadura blanda la unión se llena por acción capilar entre los componentes que ajustan cercanamente. Posee gran capacidad de humectación y baja tensión superficial. Las fuentes de calor pueden ser puntas calientes, sopletes u hornos. La soldadura blanda con cobre-oro y estaño-plomo data desde hace miles de años. Además de los métodos de la soldadura fuerte, también puede realizarse soldadura blanda usando ultrasonido y otras técnicas de amplio uso en circuitería electrónica. Una aleación de Pb-Sn puede fundir a 190ºC, y resulta por tal muy empleada. También se encuentra estaño-zinc, plomo-plata, cadmio-plata y zinc-aluminio. Para sustituir al plomo se pensó en aleaciones con plata, indio, bismuto y estaño. Una limitación evidente es la temperatura de operación de las cosas unidas con soldadura blanda. Tampoco sirven para componentes estructurales sometidos a cargas.
5. Metalurgia de la soldadura El calentamiento de las partes por soldar a una temperatura bastante alta implica modificaciones metalúrgicas y físicas en los materiales. Propiedades como la resistencia, la ductilidad y tenacidad pueden verse muy afectadas. Son importantes la rapidez de aplicación del calor y las características térmicas de los materiales. La microestructura y el tamaño de grano de la zona soldada dependen del calor aportado, el grado de trabajo en frío anterior y la velocidad de enfriamiento luego de la soldadura. Influyen en gran medida la aleación de los componentes y del material de aportes. Tres zonas pueden identificarse en una soldadura por fusión. Metal base, zona afectada por el calor y metal de soldadura (que puede ser metal base resolidificado). El proceso de solidificación generalmente se inicia con la formación de granos columnares (de formas dendríticas). Son granos largos y aparecen paralelos al flujo de calor, o sea en la dirección del plano de los dos componentes soldados, o perpendiculares si se trata de una soldadura superficial. Los bajos ritmos de enfriamiento ocasionan granos grandes que resultan mecánicamente indeseados. Procesos térmicos posteriores a la soldadura suelen ser una solución práctica. Materiales como el aluminio y el cobre suelen requerir un precalentamiento de las partes por la alta conductividad térmica del material que en éste caso acelera demasiado el enfriamiento. La zona afectada por el calor está dentro del metal base mismo. Su microestructura claramente cambia por acción de las altas temperaturas de la soldadura, donde las influencias principales vienen dadas por la máxima temperatura alcanzada y el ritmo de enfriamiento. El calor aplicado en la soldadura recristaliza los granos alargados del metal base trabajado en frío, porque cambia su orientación preferencial. Los granos alejados del metal de soldadura recristalizan como granos finos equiaxiales. Los granos cercanos al metal de soldadura crecen, por haberse sometidos a mayores tiempos en altas temperaturas. Esa zona, donde hubo crecimiento, es menos resistente. La soldabilidad de un material, o facilidad de soldado, se define como la capacidad de ser soldado en una estructura específica que tenga propiedades específicas y que cumpla en forma adecuada las solicitudes mecánicas de servicio. Por ejemplo, se dice que la soldabilidad es excelente para los aceros al bajo carbono y mala para los aceros al alto carbono en la mayoría de los fines. Influyen sobre la soldabilidad las propiedades mecánicas y físicas como resistencia, tenacidad, ductilidad, dureza, módulo de elasticidad, calor específico, punto de fusión, dilatación térmica, características del a tensión superficial del metal fundido, y resistencia a la corrosión. A continuación se señalan ciertos materiales y sus características más sobresalientes en cuanto a soldabilidad:
La calidad de una unión soldada se determina con pruebas. Existen varios exámenes y procedimientos normalizados por organizaciones como ASTM (Soc. Americana de Prueba de Materiales), AWS (Soc. Americana de Soldaduras), ASME, ASCE, etc. Entre las técnicas destructivas, las más comunes son: Tensión y cortante: las probetas se preparan especialmente para simular las uniones soldadas y los procedimientos reales. Son sometidos a tensión y se determina la resistencia del metal de soldadura al corte y el donde surge la fractura. · Tensión: pueden ser en dirección longitudinal o transversal en probetas obtenidas de soldaduras reales. Se obtienen curvas esfuerzo-deformación, obteniéndose le tensión de fluencia, UTS y ductilidad –alargamiento y reducción de área- de esa unión. · Flexión: existen varias pruebas de éste tipo para determinar la ductilidad y resistencia de las uniones soldadas. Por ej. se estudian probetas en flexión transversal en tres puntos y también en flexión por doblado en contorno. · Tenacidad a la fractura: suelen realizarse por impacto. Se preparan muestras para ensayo de Charpa de muesca en V. Otra prueba de tenacidad es la de caída de peso. · Corrosión y termofluencia: Por la diferencia de composiciones y microestructura de la zona de soldadura, puede haber una corrosión preferencial. El comportamiento del material en altas temperaturas es importante en muchas aplicaciones: Nuclear, turbomáquinas, calderería en general, etc. Es deseo de ellas estudiar el creep o termofluencia. · Prueba de los puntos de soldadura: la soldadura por punto también presenta ensayos típicos análogos a los anteriores para estudiar los botones de unión (tensión, corte, torcimiento, desprendimiento, etc.).
6. Diseño de la soldadura y selección del proceso La calidad de la soldadura depende fuertemente de la geometría del cordón de soldadura y la presencia de grietas, inclusiones, capas de óxidos y esfuerzos residuales. Por esta razón es fundamental controlar estos aspectos para conseguir soldaduras confiables de propiedades mecánicas óptimas.
Una unión soldada puede desarrollar discontinuidades (porosidad, inclusión de escoria, fusión incompleta, etc.) no deseadas por razones de diseño del proceso o falta de capacitación del operador. La porosidad se debe a gases desprendidos durante la fusión, reacciones químicas o contaminantes. Hasta cierto grado son aceptables, y sus formas típicas son burbujas esféricas o alargadas. Su reducción viene acompañada de una correcta selección de electrodos y material de aporte; también combinando precalentamientos y ritmo de aporte de calor, buena limpieza de las superficies y reducción de las velocidades de soldadura para dejar que escapen los gases. Se llama inclusiones de escoria a compuestos como fundentes, óxidos y materiales que recubren a los electrodos, los cuales quedan atrapados en la soldadura. Si no son efectivos los gases protectores, también contribuye a esa contaminación el ambiente. Son importantes las condiciones en que se suelda. Técnicas adecuadas consiguen dejar la escoria en la superficie para que no quede aprisionada. Para evitar las inclusiones de escoria se recurre a limpiar a superficie de un cordón con cepillo de alambres antes de depositar la siguiente capa, aplicar en cantidades suficientes el gas de protección y a veces, a rediseñar la unión para permitir el espacio necesario para manipular correctamente las gotas de metal fundido. Algunos cordones de soldadura resultan de mala calidad por la fusión incompleta. Soluciones a éste problema consisten en elevar la temperatura del metal base, limpiar el área a soldar, adicionar más gas de protección, cambiar diseño de cordón o tipo de electrodo. Cuando el problema reside en una penetración incompleta, o sea insuficiente profundidad de la unión soldada, se deberá aumentar el suministro de calor y reducir la velocidad de avance, considerar un cambio de diseño y asegurar que ajusten bien las superficies a unir.
El perfil que alcanza la soldadura es importante por razones de la resistencia y apariencia, como así también por ser el indicador de una fusión incompleta y presencia de inclusiones de escoria. Pueden registrarse faltas de llenado, socavamientos por el alejamiento del material fundido que deja surcos que puede concentrar esfuerzos alterando la resistencia a la fatiga con fallas prematuras, y también puede haber traslape o discontinuidad en la superficie. Un daño superficial aledaño puede aparecer por salpicaduras, sobre todo al trabajar en soldadura con arco ya que el electrodo puede tocar zonas fuera del cordón.
Otro aspecto conflictivo de las soldaduras son las grietas que se producen en ellas. Se pueden presentar en varios lugares y orientaciones. Pueden ser en cráter, transversales, longitudinales, bajo el cordón y junto al cordón.
Se deben a factores tales como gradientes de temperatura que causan esfuerzos térmicos, variaciones en la composición que producen distintas velocidades de concentración, fragilización en los límites de grano por las segregaciones (ej. azufre) durante el movimiento de la frontera sólido-líquido. Además la incorporación de hidrógeno ocasiona fragilización y muchas grietas provienen por la falta de libertad del metal soldado para comprimirse al enfriarse (incluso hacen aparecer hojeamientos o separaciones encapas en partes no soldadas). Según cuando se desarrollen, las grietas se clasifican en grietas frías y grietas de calor. Las consignas para evitar la aparición de grietas son el cambio de diseño de la unión para minimizar los esfuerzos de contracción en el enfriamiento, y/o cambiar los parámetros y procedimientos del proceso de soldadura. Esto incluye precalentar los componentes y evitar enfriamientos rápidos. Los esfuerzos residuales son culpables de agrietamiento por corrosión bajo esfuerzos, distorsión (aumentada si luego se maquina), pandeo y torcimiento de las partes, menor duración a la fatiga. Un problema al soldar placas es que durante el enfriamiento de la zona soldada, existe un calentamiento del resto del material. Esto provoca contracciones y dilataciones simultáneamente. Estos efectos opuestos confieren una aparente flexión de componentes esbeltos soldados longitudinalmente. En el caso de piezas complicadas, un análisis 3D de distribución de esfuerzos puede ser muy complicado de analizar. El precalentado reduce la distorsión por bajar la velocidad de enfriamiento y la magnitud de los esfuerzos térmicos (porque reduce el módulo de elasticidad). Esta técnica también reduce la contracción el posible agrietamiento de la unión. El calentamiento debe ser controlado en tiempo y forma de aplicación, usándose hornos, la resistividad eléctrica del material o por inducción. Secciones delgadas pueden calentarse por radiación o chorros de aire caliente. Tratamientos posteriores como el recocido, normalizado, templado y revenido aportan estrategias para piezas soldadas. Otra manera de reducir esfuerzos es laminando (a veces martillando) la superficie del cordón de soldadura. Estos procesos inducen esfuerzos residuales de compresión, que reducen o eliminan los esfuerzos residuales de tensión. La soldadura multicapa debe celosamente cuidar de no dañar la primera ni última capa. El deformado plástico en pequeñas cantidades del material estructural es otra vía para reducir esfuerzos residuales.
Las consideraciones en éste campo del diseño de una soldadura se concentran en las formas y tamaños a soldar, los requerimientos de servicio (como serán aplicadas las cargas y los esfuerzos generados), ubicación, accesibilidad y facilidad de soldar, efectos de distorsión, apariencia final, costos en la preparación de bordes y maquinados posteriores. Las etapas posteriores del proceso deben tenerse en cuenta, para que los cordones molesten lo menos posible.
Sintetizando, en la selección de una unión soldada y del proceso de soldadura intervienen las siguientes consideraciones:
Los lineamientos generales de diseño se pueden resumir diciendo que el producto debe tener la mínima cantidad posible de soldaduras por cuestiones de costos sobre todo si no es automatizable el proceso. Los sitios a soldar deben evitar demasiados esfuerzos en la estructura soldada y no descuidar la buena apariencia. Los componentes deben fijar bien antes de soldarlos y la preparación de los bordes es crítica en la calidad final. Hay diseños que evitan tener que prepararlos. El tamaño del cordón de soldadura debe ser mínimo para ahorrar material de soldadura. Y nunca deben olvidarse los procesos posteriores de manufactura que recibirá la pieza. En cuanto a los símbolos normalizados de toda soldadura, lo planos y dibujos suelen llevarlos para describir el tipo y características de la soldadura. Esto incluye el diseño de la ranura, tamaño y longitud de la soldadura, proceso, secuencia de operaciones y otra información adicional. 7. Aplicaciones en el área nuclear y aeroespacial
7.1 Soldadura de recubrimientos con arco de plasma en la manufactura pesada de componentes nucleares En la industria de los componentes nucleares de gran porte, la eficiencia y calidad de las soldaduras de coberturas (cladding) son de amplia importancia. En un reactor BWR por ejemplo, representa este tipo de aportes el 60% del peso total de metal soldado. Entre las principales solicitudes en estas soldaduras está la terminación superficial, ya que su uniformidad favorece el control de los componentes. A continuación se describen dos métodos de soldadura para los fines recién descriptos que emplean arco de plasma y alambres de aporte de 1.6 mm de diámetro. Éstos procedimientos satisfacen los requerimientos en la soldadura de aceros microaleados templados y recocidos usados en la industria nuclear. El interior de los recipientes de presión de las plantas nucleares se recubren con material anticorrosivo. El proceso de cladding más difundido es aquel basado en la técnica de arco sumergido, empleando por ejemplo cintas y alambres de material de aporte. A pesar del éxito del arco sumergido, existen razones que hicieron a las fábricas buscar el uso del arco de plasma para los procesos de cladding. Las más importantes son:
El estudio de la soldadura con arco de plasma para recubrimientos se fundamentó en lo siguiente:
Se detallarán dos precesos para recubrimientos con arco de plasma: el plasma con alambre caliente (desarrollado por Union Carbide – EEUU) y el arco de plasma con gas metálico (desarrollado por AGA en Suecia).
Proceso de plasma con alambre caliente Dos alambres de aporte, de 1.6 mm de diámetro, son continuamente alimentados en la pileta líquida de la soldadura. Los dos cables se conectan a una fuente de tensión AC de amplitud constante. La fusión del material de aporte se genera por el calentamiento resistivo por la circulación de corriente a través de los extremos. El circuito se cierra por la pileta de metal líquido. Es importante que no se genere un arco eléctrico entre los alambres o entre ellos y la pileta, asi no se generan salpicones y se controla el aporte de calor a la pileta. El hecho de que la fuente alterna sea de amplitud constante y baja tensión permite evitar esos arcos indeseados. También es importante cuidar la distancia a la pieza principal. Oscilaciones transversales permiten cordones más anchos y uniformes, como así también la penetración alcanzada. Los anchos típicos son de 30-40 mm. Se puede controlar la residencia en cada zona para asegurar la fusión suficiente de capas anteriores del recubrimiento. Estas unidades constan de dos tipos de gases en tres flujos separados. El gas del plasma, 75% He – 25% Ar, fluye alrededor del electrodo y a través de la tobera de la torcha, confinando el arco y confiere el aspecto de paralelo. El otro gas es el de protección, 85% Ar – 15% H2. Se aplica en dos flujos: uno concéntrico a la torcha de plasma y otro desplegando una capa mayor de unos 200 mm x 120 mm encerrando al conjunto anterior. El helio permite una distribución pareja y ancha del arco, mejorando las características del cladding. Las razones son el bajo peso específico y alta conductividad térmica del He. El hidrógeno produce una atmósfera reductora que mejora la pureza de la soldadura.
Proceso de arco de plasma con gas metálico (GMPA) Se diferencia del proceso anterior en el modo que se alimenta el alambre y en el control de las oscilaciones. Una fuente de electricidad es conectada al electrodo y a la pieza, proveyendo al arco de plasma. El alambre, también a dos puntas, se alimenta hacia dentro del plasma por debajo de la tobera de la torcha. Una segunda fuente de electricidad se conecta a la torcha y a piezas en contacto con los alambres. Provee una corriente que luego deriva desde las puntas hacia el arco de plasma y de allí al electrodo. Los alambres se funden continuamente y el metal cae a la pileta liquida en un flujo de gotas. La torcha y el alimentador de alambre se montan en una unidad oscilante. Es movida por un motor y puede desplazarse en un ancho de 70 mm para asegurar la fusión suficiente. Existen dos principales ventajas del GMPA respecto al método de alambres calientes. En primer lugar, el proceso tolera variaciones en la distancia de la pieza a la torcha. En segundo lugar, el modo de adicionar material de aporte hace que la pileta líquida sea angosta en la dirección que se suelda. Esto último hace al proceso ideal muy apropiado para recubrimientos tanto de superficies internas como externas de cilindros con diámetros pequeños.
Aspectos especiales del proceso de recubrimientos con arco de plasma De lo descrito hasta ahora salta a la vista los grandes beneficios de ésta técnica: el control de la penetración de la soldadura en la pieza principal y en forma separada el ritmo de aporte de material. Esta independencia es muy apreciada por la flexibilidad que brinda. Por ejemplo, en un recubrimiento de dos capas bien puede regularse el tamaño de grano final de la zona afectada por calor y el espesor apropiado del cladding. Pero, como en todas partes, existen limitaciones como ser el mínimo de corriente que asegura la estabilidad del arco encendido, la tensión superficial del metal fundido limitando el espesor de las gotas aplicadas; limitaciones si es el deseo lograr una soldadura con terminaciones superficiales muy buenas combinando parámetros correctos de soldadura, y se capaz de evitar la pérdida de continuidad en la soldadura. Existe una gran capacidad para altas producciones con el recubrimiento de arco de plasma. Algunos proveedores señalan regímenes de 30 kg/h de aporte usando cabezas simples de soldadura. Para aplicaciones nucleares sin embargo se emplea en gran medida el método de arco sumergido que usa cintas de aporte de unos 60 mm, y sigue siendo más económico. El proceso con plasma utilizado para recubrimientos cilíndricos, en tubos con diámetros menores a 100 mm fue exitoso en acero inoxidable 304. Para evitar sobrecalentamiento del material base se refrigeran internamente esos tubos con agua. La pequeña pileta líquida que genera el GMPA permite soldar hasta los extremos de la pieza si el equipo tiene un sistema preciso de guiado. Así, las soldaduras en bordes pueden hacerse automáticamente. Los cilindros y toberas de diámetro menor a 1 m necesitan aparatos especiales a los típicos usados en la GMPA y soldadura de arco de plasma con alambres calientes. En esos casos particulares, son métodos muy apropiados. Sin embargo, lo general es usar para el recubrimiento interno de esas pequeñas toberas técnicas de arco manuales o TIG automáticas, con consumos de tiempo mayores. Cuestión de materiales La necesidad de soldar con materiales especiales es cubierta en buena medida con las técnicas de plasma. Siempre es más sencillo hallar aleaciones apropiadas en la forma de alambres que de cintas. No deben tenerse en cuenta las complicaciones del uso de flux compatibles. Si uno desea cambiar la combinación de gases, esto no representa problemas mayores. Una importante variedad de aleaciones con aplicación nuclear han sido soldadas a grandes escalas productivas, destacándose el acero inoxidable 309 y 304, aceros austeníticos del tipo 25% Cr 22%Ni 2% Mo e Inconel 600. De modo experimental y producciones de baja escala vieron exitosos resultados en otros materiales como acero inoxidable 316, cobre-bronce, aluminio-bronce y otras aleaciones de superficies duras. Gracias a la atmósfera parte reductora y parte inerte que rodea la pileta de soldadura en proceso de transferencia de material y enfriamiento del manto, el metal soldado resulta muy limpio. La composición química tampoco se ve alterada por el despreciable quemado de cromo y manganeso. La ausencia de flux mejora la pureza final del recubrimiento. Esto último es muy importante en los recubrimientos con Inconel 600. Para evitar fisuras por el recalentamiento entre pasadas de nuevas capas, es necesario mantener la relación niobio/silicio por arriba de cierto valor que la presencia de flux altera por sus altos contenidos de Si, y complica el uso de arco sumergido. Este es el motivo por el cual el Inconel está tan asociado a la soldadura de arco de plasma para recubrimientos en las placas de tubos de los generadores de vapor nucleares. En éstas piezas lo recubrimientos son bastante gruesos y deben soldarse en tres o más capas. Si esas multicapas fuesen hechas con soldadura por arco sumergido empleando cintas de aporte puede correrse el riesgo de tener continuidad directa de los bordes de granos entre esas capas. El resultado: bordes de grano que conectan directamente el material base con la superficie, atravesando el cladding. El recubrimiento con plasma muestra otro tipo de estructura granular, con una zona de pequeños granos irregulares justo por encima de la línea de fusión. Posiblemente se deba éste efecto al movimiento oscilatorio del cabezal de aporte. Para dar detalles de la operación, se señala la necesidad de tener superficies muy limpias como así también cuidar que los alambres estén libres de polvo, grasa y óxidos. Esto evita tener porosidades indeseadas o inclusiones de óxidos. Esta necesidad es cubierta en casi todo taller de soldadura. La maquinaria asociada si resulta más complicada que las convencionales, y por tal motivo los operadores debes estar altamente capacitados en estos dispositivos. La confiabilidad de éstos sistemas y sus resultados –siguiendo las sugerencias anteriores -son del mismo grado que otros métodos de soldadura consagrados.
7.2 Soldadura láser y por fricción en la industria aeroespacial Aviones y naves espaciales cada vez cuentan con menos remaches y sus industrias migran a gran velocidad hacia el uso de otras técnicas de unión basadas en soldaduras. Las razones, es la reducción de pesos, y por tal de costos, en vehículos cada vez más veloces y de mayor capacidad de carga. La naturaleza de las soldaduras en la industria aeroespacial se caracterizan por la baja producción, altos costos por unidad, altas demandas de confiabilidad y severas condiciones de operación. Esto conlleva a considerar los mecanismos más caros de soldadura existentes: FSW, arco de plasma, haz de electrones y haz láser; todo a la hora de conseguir calidad en los componentes más críticos. El avión A380 resulta de 10 a 15 ton más liviano que un B747, transporta más pasajeros y podría ahorrar por esa razón en toda su vida útil uno US$ 5 millones en combustible. La soldadura láser fue una de las estrategias para lograr esta meta. En cada lanzamiento del Space Shuttle se ahorran US$ 75 millones por el uso de tanques externos de una aleación aluminio-litio, que solo puede ser fabricada con soldadura de arco de plasma tipo VPPA desarrollada para esta aleación. Incluso procesos hasta hace pocos años novedosos, como el arco de plasma de polaridad alterna (VPPA), se ven superados por la incorporación cada vez mayor de la soldadura láser y la soldadura por fricción FSW. Un tercer proceso en auge entorno al titanio de nuevos aviones militares es la soldadura por haz de electrones. Se habla de un resurgimiento de la soldadura en estas industrias que acostumbradas al manejo de aleaciones de aluminio, que evitaron por muchos años emplear soldaduras en componentes críticos. Airbus ya emplea en sus A380 y A318 soldadura por láser para unir paneles de aluminio que forman parte inferior de los fuselajes. Reduce los tiempos de soldadura a la mitad que al usar otras técnicas posibles, logrando unir hasta longitudes de 8m en un minuto, reduciendo peso y costos. Además resultan uniones más resistentes a la corrosión que si allí hubiese remaches. En cuanto al avance de los métodos por fricción FSW, basta decir que un avión jet para 6 personas llamado Eclipse 500 lo emplea como principal método de unión. FSW representa el próximo paso en la soldadura de los tanques de aluminio-litio del Space Shuttle y ciertos componentes del A380 donde ya se usa láser. Las razones, son nuevas herramientas que producen fricción con alfileres retráctiles y pueden replantear el uso de aleaciones especiales de aluminio descartadas por su no soldabilidad.
8. Conclusiones Las fuentes de calor en una soldadura por fusión puede generarse por medios químicos, eléctricos o con haces de alta energía. Estas soldaduras usan gases de protección para proteger contra la oxidación. Otras técnicas de soldadura se basan en la generación de presión y/o calor (con fuentes externas o pro fricción). Aquí la limpieza de las superficies es muy importante. La selección del método de soldadura, entre los tantos existentes, depende del material, forma y dimensiones de las piezas, resistencia y apariencia requeridas. Muchos procesos hoy en día pueden automatizarse. La seguridad es un aspecto sumamente importante en la soldadura. Esta actividad demanda protecciones importantes y procedimientos normalizados, ya que implica tareas generalmente dañinas para la salud de los operarios. Entender la metalurgia de la soldadura y el diseño de los cordones, o geometría particular que se busque, es alentada por el incremento en la calidad y economía de los productos finales. La elección de materiales en aplicaciones mecánicas depende fuertemente de la soldabilidad de los mismos. Las soldaduras pueden estudiar a través de ensayos mecánicos muy diversos. Se analizaron casos de soldaduras en la industria nuclear (un caso de recubrimientos con arco de plasma) y en la industria aeroespacial que nuevamente vuelve a emplear en forma masiva las soldaduras.
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