PROCESOS Y EQUIPO DE SOLDADURA

La soldadura es el proceso de unión de materiales en el cual se funden las superficies de contacto de dos (o más) partes mediante la aplicación conveniente de calor o presión. La integración de las partes que se unen mediante soldadura se denomina como ensamble soldado. Hay procesos de soldadura que se obtienen sólo por calor sin aplicar presión, otros con ambos y otros únicamente con presión. Generalmente se asocia con partes metálicas, pero el proceso también se usa para unir plásticos. IMPORTANCIA COMERCIAL Y TECNOLOGICA DE LA SOLDADURA: 1) Proporciona una unión permanente. Las partes soldadas se vuelven una sola

unidad. 2) La unión soldada puede ser más fuerte que los materiales originales, si se usa

un metal de relleno que tenga propiedades de resistencia superiores a la de los materiales originales y se emplean las técnicas de soldadura adecuadas.

3) En general, la soldadura es la forma más económica de unir componentes, en términos de uso de materiales y costos de fabricación.

4) La soldadura no se limita al ambiente de fábrica: puede realizarse en el campo. LIMITACIONES Y DESVENTAJAS DE LA SOLDADURA: 1) La mayoría de las operaciones de soldadura se realizan en forma manual y son

elevadas en términos de costo de mano de obra. Muchas operaciones de soldadura se consideran cuestiones especializadas.

2) Casi todos los procesos de soldadura implican el uso de mucha energía y por consiguiente son peligrosos.

3) Dado que la soldadura obtiene una unión permanente entre los componentes, no permite un desensamble adecuado. Si se requiere un desensamble ocasional de producto (para reparación o mantenimiento) no debe usarse la soldadura como método de ensamble.

4) La unión soldada puede padecer ciertos defectos de calidad difíciles de detectar los cuales pueden reducir la resistencia de la unión.

TIPOS DE PROCESOS DE SOLDADURA: La Sociedad Norteamericana de Soldadura ha catalogado más de 50 tipos de operaciones distintas, que utilizan diversos tipos o combinaciones de energía para proporcionar la energía requerida. Podemos dividir los procesos de soldadura en dos grupos principales:

1) Soldadura por fusión 2) Soldadura de estado sólido. 1- SOLDADURA POR FUSION Estos procesos usan calor para fundir los metales base. En muchas operaciones de soldadura por fusión, se añade un metal de aporte a la combinación fundida para facilitar el proceso y aportar volumen y resistencia a la unión soldada. Cuando no se añade un metal de aporte a la soldadura se le llama autógena. La categoría por fusión comprende los procesos de soldadura de uso más amplio e incluye los siguientes grupos generales: a) Soldadura con arco eléctrico (SAE; AW en inglés):

Es en el cual el calentamiento de los metales se obtiene mediante un arco eléctrico. Algunas de las operaciones de soldadura con arco eléctrico también aplican presión durante el proceso, y la mayoría utiliza un metal de aporte.

b) Soldadura por resistencia, SR (RW en inglés): La soldadura por resistencia obtiene la fusión usando el calor de una resistencia eléctrica para el flujo de una corriente que pasa entre las superficies de contacto de dos partes sostenidas juntas bajo presión.

c) Soldadura con oxígeno y gas combustible, SOGC (OFW en inglés): Estos procesos de unión usan un gas de oxígeno combustible, tal como una mezcla de oxígeno y acetileno, con el propósito de producir una flama caliente para fundir la base metálica y el metal de aporte, en caso de que se utilice.

d) Otros procesos de soldadura por fusión: Además de los tipos anteriores, hay otros procesos de soldadura que producen la fusión de los metales unidos. Los ejemplos incluyen la soldadura con haz de electrones y la soldadura con rayo láser.

SOLDADURA CON ARCO ELECTRICO Este es un proceso de soldadura por fusión en el cual la unificación de los metales se obtiene mediante el calor de un arco eléctrico entre el electrodo y el trabajo. Un arco eléctrico es una descarga de corriente eléctrica a través de una separación en un circuito. Se sostiene por una columna de gas térmicamente ionizada a través de la cual fluye la corriente. En este proceso, el arco eléctrico se inicia al acercar el electrodo a la pieza de trabajo, después del contacto el electrodo se separa rápidamente de la pieza a una distancia corta. Se producen temperaturas de 10000°F (5500°C) o mayores, que son lo suficientemente grandes calientes para fundir cualquier metal.

Un aspecto problemático de la soldadura manual con arco eléctrico es que la calidad de la unión fundida depende de la habilidad y ética de trabajo del soldador. La productividad también es un aspecto de la soldadura con arco eléctrico. Con frecuencia se mide la productividad como tiempo de arco eléctrico, que es la proporción de las horas trabajadas en las que se obtiene una soldadura con arco eléctrico. TECNOLOGIA GENERAL DE LA SOLDADURA CON ARCO ELECTRICO: ELECTRODOS Los electrodos que se usan en estos procesos se clasifican como consumibles y no consumibles. Los electrodos consumibles involucran el metal de aporte en la soldadura con arco eléctrico; están disponibles en dos formas principales: varillas y alambres. Las varillas para soldadura normalmente tienen una longitud de 9 a 18 pulg (225 a 450 mm) y un diámetro de 3/8 de pulg (9.5 mm) o menos. Estas varillas deben cambiarse periódicamente. Los electrodos no consumibles están hechos de tungsteno (algunas veces de carbono), los cuales resisten la fusión mediante el arco eléctrico. A pesar de su nombre, un electrodo no consumible se desgasta gradualmente durante el proceso de soldadura (la vaporización es el mecanismo principal) y ocurre en forma similar al desgaste gradual de una herramienta de corte en una operación de maquinado. Protección del arco: Aquí, las altas temperatura provocan que los metales que se unen reaccionen intensamente al oxígeno, nitrógeno e hidrógeno del aire. Las propiedades mecánicas de la unión soldada pueden degradarse seriamente por estas reacciones. Para proteger la operación de soldadura de este resultado no deseado se debe cubrir la punta del electrodo, el arco eléctrico y el pozo de soldadura fundida con un manto de gas o fundente o ambos, lo que inhibe la exposición del metal soldado al aire. Un fundente es una sustancia usada para evitar la formación de óxidos y otros contaminantes no deseados o para disolverlos y facilitar su remoción. Durante la soldadura el fundente se derrite y convierte en una escoria líquida, que cubre la operación y protege el metal fundido. Por lo general, el fundente está formulado para cumplir con varias funciones adicionales que incluyen: 1) Proporcionar una atmósfera protectora para la soldadura 2) Estabilizar el arco eléctrico 3) Reducir las salpicaduras.

PROCESOS DE SOLDADURA CON ARCO ELECTRICO QUE USAN ELECTRODOS CONSUMIBLES: Soldadura metálica con arco protegido: El metal de aporte usado en la varilla debe ser compatible con el metal que se va a soldar y, por lo tanto, la composición debe ser muy parecida a la del metal base. El recubrimiento consiste en celulosa pulverizada (polvos de algodón y madera) mezclados con óxidos, carbonatos y otros ingredientes integrados mediante un aglutinante de silicato. En ocasiones se incluyen en el recubrimiento polvos metálicos para aumentar la cantidad de metal de aporte y agregar elementos de aleación. El calor del proceso de soldadura funde el recubrimiento y proporciona una atmósfera protectora y escoria para la operación de soldadura. También ayuda a estabilizar el arco eléctrico y regula la velocidad a la que se funde el electrodo. Las corrientes que se usan regularmente en la soldadura metálica con arco protegido varían entre 30 y 300 A con voltajes de 15 a 45 v. La selección de los parámetros adecuados depende de los metales que se van a soldar, del tipo y longitud del electrodo, así como de la profundidad de penetración de la soldadura requerida. Soldadura metálica con arco eléctrico y gas: Esta es un proceso en el cual el electrodo es un alambre metálico desnudo consumible y la protección se proporciona inundando el arco eléctrico con un gas. El alambre desnudo se alimenta en forma continua y automática desde una bobina a través de la pistola de soldadura. Soldadura electrogaseosa: Esta es un proceso de soldadura con arco eléctrico que usa un electrodo consumible continuo, ya sea de alambre con núcleo de fundente o alambre desnudo con gases protectores que se proporcionan en forma externa y zapatas de moldeado para contener el metal fundido. Las principales aplicaciones de la soldadura electrogaseosa son los aceros (de carbono y mediano, aleaciones bajas y ciertos aceros inoxidables), en la construcción de tanques de almacenamiento grande y en la construcción de embarcaciones. Soldadura con núcleo de fundente: Este proceso fue desarrollado a principios de los años 50 como una adaptación de la soldadura metálica con arco protegido, con el propósito de superar las limitaciones impuestas por el uso de electrodos en varillas. La soldadura con núcleo fundente es un proceso en el cual el electrodo es un tubo consumible continuo que contiene fundente y otros ingredientes en su núcleo. Entre estos

ingredientes se encuentran los desoxidantes y los elementos de aleaciones. El alambre tubular con núcleo de fundente es flexible, y por tanto, se proporciona en forma de rollos que se alimenta continuamente a través de la pistola para soldadura con arco eléctrico. Soldadura con arco sumergido: Esta soldadura es un proceso que usa un electrodo de alambre desnudo consumible continuo, el arco eléctrico se protege mediante una cobertura de fundente granular. El alambre del electrodo se alimenta automáticamente desde un rollo hacia dentro del arco eléctrico. Esta soldadura se usa ampliamente en la fabricación de acero para formas estructurales, engargolados longitudinales y en forma de circunferencia para tubos de diámetro grande, tanques, etc. PROCESOS DE SOLDADURA CON ARCO ELECTRICO QUE USAN ELECTRODOS NO CONSUMIBLES Soldadura de tungsteno con arco eléctrico y gas: Usa un electrodo de tungsteno no consumible y un gas inerte para proteger el arco eléctrico. Esta soldadura es aplicable a casi todos los metales en un amplio rango de espesores para la materia prima. También se usa para unir diferentes combinaciones de metales distintos. Sus aplicaciones más comunes incluyen el aluminio y el acero inoxidable. Soldadura por arco de plasma: Es una forma especial de la soldadura de tungsteno con arco eléctrico y gas en el cual se dirige un arco de plasma controlado al área de soldadura. Las temperaturas en la soldadura de plasma de arco eléctrico son de 50000°F (28000°C) o mayores, y lo suficientemente altas para fundir cualquier metal conocido. Se utiliza para subensamblajes de autos, gabinetes metálicos, etc. Otros procesos de soldaduras con arco eléctrico y relacionados: Dentro de estos procesos podemos encontrar la soldadura con electrodo de carbono en donde se utiliza un electrodo de carbono no consumible. También podemos encontrar la soldadura d espárragos que es un proceso especializado para unir pernos o componentes similares a partes básicas. Las aplicaciones incluyen sujetadores roscados para fijar manijas en utensilios de cocina, aletas de radiación de calor en maquinaria y situaciones de ensamble similares. SOLDADURA POR RESISTENCIA Es un grupo de procesos de soldadura por fusión que se utiliza una combinación de calor y presión para obtener una coalescencia, el calor se genera mediante una resistencia eléctrica dirigida hacia el flujo de corriente en la unión que se va a

soldar. Los componentes incluyen las partes de trabajo que se van a soldar, dos electrodos opuestos, un medio para aplicar presión destinado a apretar las partes entre los electrodos y un transformador de corriente alterna desde el cual se aplica una corriente controlada. La operación produce una zona de fusión entre las dos partes, denominada una pepita de soldadura en la soldadura de puntos. Los electrodos que conducen la corriente eléctrica para el proceso son no consumibles. Soldadura de puntos por resistencia: Es el proceso predominante en este grupo. Se usa ampliamente en la producción masiva de automóviles, aparatos domésticos, muebles metálicos y otros productos hechos a partir de láminas metálicas. En esta soldadura se obtiene la fusión en una posición de las superficies empalmantes de una unión superpuesta, mediante electrodos opuestos. El proceso se usa para unir partes de láminas metálicas con un grosor de 0.125 pulg. (3 mm) o menos, usando una serie de soldaduras de puntos en situaciones en donde no se requiere un ensamble hermético. Los materiales usados en los electrodos consisten en dos grupos principales: 1) Aleaciones basadas en cobre 2) Compuestos de metales refractarios, tales como combinaciones de cobre y

tungsteno. El segundo tiene mejor resistencia al desgaste. Dentro del equipo para realizar este tipo de soldadura se encuentran las máquinas de soldadura de puntos con balancín y tipo prensa, así como pistolas portátiles para soldadura. Soldadura engargolada por resistencia: En esta, los electrodos con forma de varilla de la soldadura de puntos se sustituyen con ruedas giratorias y se hace una serie de soldaduras de puntos sobrepuestas a lo largo de la unión. El proceso produce uniones herméticas y sus aplicaciones industriales incluyen la producción de tanque de gasolina, silenciadores de automóviles y otros recipientes fabricados con láminas de metal. Dado que la operación generalmente se realiza en forma continua, y no separada, las formas engargoladas deben estar a lo largo de una línea recta o uniformemente curva. Las esquinas agudas e irregularidades similares son difíciles de manejar. Asimismo, la deformación de las partes es el factor más significativo en la soldadura engargolada por resistencia, por esta causa se requieren soportes bien diseñados para sostener el trabajo en la posición correcta y así reducir la distorsión. Las máquinas de soldadura engargolada son similares a los soldadores por puntos

de tipo de presión, excepto que se usan ruedas de electrodos, en lugar de los electrodos normales con forma de varilla. Con frecuencia es necesario el enfriamiento del trabajo y las ruedas en la soldadura engargolada por resistencia de la parte de trabajo, cerca de las ruedas de electrodos. Soldadura por proyección: Es un proceso de soldadura por resistencia en el cual ocurre la coalescencia en uno o más puntos de contacto relativamente pequeños en las partes. Estos puntos de contacto se determinan mediante el diseño de las partes que se van a unir y pueden consistir en proyecciones, grabados o intersecciones localizadas de las partes. Otras operaciones de soldadura por resistencia: Aquí se incluyen la soldadura instantánea que se usa normalmente para uniones empalmadas, en donde se ponen en contacto o se acercan las dos superficies que se van a unir y se aplica una corriente eléctrica para calentar las superficies hasta su punto de fusión, después de lo cual las superficies se oprimen juntas para formar la soldadura. Las aplicaciones de la soldadura instantánea incluyen la soldadura empalmada de tiras de acero en operaciones con laminadoras, la unión de extremos en el estirado de alambres y la soldadura de partes tubulares. Los extremos que se van a unir deben tener las mismas secciones transversales. Para estos tipos de alta producción, la soldadura instantánea es rápida y económica pero el equipo es costoso. Soldadura a tope con recalcado: Es similar a la anterior excepto que en la primera las superficies empalmantes se aprietan una contra la otra durante el calentamiento y se recalcan. En esta soldadura los pasos de calentamiento y presión se separan durante el ciclo. Soldadura por percusión: También es similar a la instantánea excepto que la duración del ciclo de soldadura es extremadamente breve, por lo general sólo transcurren de 1 a 10 milésimas de segundo. Soldadura por resistencia de alta frecuencia: Es un proceso mediante el cual se usa una corriente alterna de alta frecuencia para el calentamiento, seguido de la aplicación rápida de una fuerza de recalcado para producir coalescencia. SOLDADURA CON OXIGENO Y GAS COMBUSTIBLE: Este es el término que se usa para describir el grupo de operaciones de fusión durante las cuales se queman diferentes combustibles mezclados con oxígeno

para ejecutar la soldadura. Los procesos de soldadura con oxígeno y gas combustible emplean varios tipos de gases, los cuales representan la principal diferencia entre los procesos de este grupo.

SOLDADURA CON OXIACETILENO: Es un proceso de soldadura por fusión realizada mediante una flama de alta temperatura a partir de la combustión del acetileno y el oxígeno. La flama se dirige mediante un soplete de soldadura. En ocasiones se agrega un metal de aporte y se llega a aplicar presión entre las superficies de las partes que hacen contacto. Cuando se usa metal de aporte, normalmente está en forma de varillas de 36 pulg. (90 cm) de longitud con diámetros que van desde 1/16 de pulg. (1.6 mm) hasta 3/8 de pulg. (9.5 mm). La composición del aporte debe ser similar a la de los metales base. Con frecuencia se recubre el aporte con un fundente, lo cual ayuda a limpiar las superficies, evita la oxidación y se produce una mejor unión soldada. Gases alternativos para la soldadura con oxígeno y gas combustible: Para este tipo de soldaduras el oxiacetileno es el combustible más común, aunque hay otros gases que también se utiliza en ciertas aplicaciones. El que compite más estrechamente con el oxiacetileno por la temperatura a la que arde y el valor de calentamiento es el metilacetileno-propadieno. Otros combustibles utilizados incluyen el propano y el gas natural. Soldadura por gas a presión: Se distingue más por el tipo de aplicación que por el gas combustible. Aquí se obtiene la coalescencia sobre todas las superficies de contacto de las dos partes, calentándolas con una mezcla de combustible apropiada y después aplicando presión para unir las superficies. 2- SOLDADURA DE ESTADO SÓLIDO La soldadura de estado sólido se refiere a los procesos de unión en los cuales la fusión proviene de la aplicación de presión solamente o una combinación de calor y presión. Si se usa calor, la temperatura del proceso está por debajo del punto de fusión de los metales que se van a soldar. No se utiliza un metal de aporte en los procesos de estado sólido. En la mayoría de los procesos de soldadura de estado sólido se crea una unión metalúrgica con muy poca o ninguna fusión de los metales base. Para unir metalúrgicamente dos metales similares o diferentes, debe establecerse un contacto íntimo entre los dos metales para que sus fuerzas atómicas cohesivas se atraigan una a la otra. En el contacto físico normal entre dos superficies, la presencia de películas, gases, aceites y similares prohíbe tal proximidad. Para que tenga éxito la unión atómica, deben removerse estas películas y demás

sustancias. En la soldadura por fusión las películas se disuelven o se queman mediante altas temperaturas para establecer una unión atómica mediante la fusión y solidificación de los metales en estos procesos. Pero en la soldadura de estado sólido, deben removerse las películas y otros contaminantes mediante otros métodos para permitir que ocurra la unión metalúrgica. Algunos de estos procesos son aplicables para unir metales distintos, sin tomar en cuenta las expansiones térmicas relativas, las conductividades y otros problemas que surgen normalmente durante la fundición y solidificación de distintos metales. Algunos procesos representativos de soldadura de estado sólido son los siguientes: a) Soldadura por difusión, SD (DFW en inglés):

Es un proceso de estado sólido resultado de la aplicación de calor y presión, por lo general en una atmósfera controlada, el tiempo suficiente para que ocurran la difusión y la coalescencia. En ésta, se colocan juntas dos superficies bajo presión a una temperatura elevada y se produce la coalescencia de las partes por medio de fusión de estado sólido.

b) Soldadura por fricción, SF (FRW en inglés): En este proceso, la coalescencia se obtiene mediante el calor de la fricción entre dos superficies. Este es un proceso comercial muy difundido y es conveniente para todos los métodos de producción automatizada.

c) Soldado por forja: Aquí los componentes que se van a unir se calientan a

altas temperaturas de trabajo y después se forjan juntos por medio de un martillo u otro medio.

d) Soldado en frío: Se realiza aplicando alta presión entre superficies en

contacto limpias a temperatura ambiente. Al menos uno de los metales que se van a soldar, y de preferencia ambos, deben ser muy dúctiles y libres de endurecimiento por trabajo.

e) Soldadura con rodillos: Es una variación de la soldadura por forja o de la

soldadura en frío, dependiendo de si se obtiene o no el calentamiento externo de las partes de trabajo antes del proceso. Es un proceso de estado sólido en el cual se aplica una presión suficiente para producir coalescencia mediante rodillos ya sea con o sin aplicación externa de calor.

f) Soldadura en caliente con presión: Es otra variable de la soldadura por

forja, en el cual ocurre la coalescencia por la aplicación de calor y presión suficientes para producir una deformación considerable de los metales base. La deformación rompe la película de óxido de la superficie y deja limpio el metal para establecer una buena unión. Las aplicaciones principales están en la industria aeronáutica y el espacio.

g) Soldadura explosiva: En esta se produce una rápida coalescencia de dos superficies metálicas mediante la energía de un explosivo detonado. Por lo general, se usa para unir dos metales distintos, en particular para revestir un metal sobre una base metálica en grandes áreas.

h) Soldadura ultrasónica: Se integran dos componentes bajo fuerzas de

sujeción modestas y se aplican intensas presiones oscilatorias de frecuencia ultrasónica a la interfase para producir la coalescencia.

Bibliografía. 1. Grover, Mikell P. Fundamentos de manufactura moderna. Prentice Hall

Hispanoamericana, México, 1997. 2. Internet. www.capris.co.cr