Soldadura

   

Soldadura es un proceso de fabricación que une materiales, generalmente rieles o termoplásticos, provocando la coalescencia. Esto se hace a menudo derritiendo las piezas de trabajo y agregando un material de relleno para formar un charco de material fundido (el charco de soldadura ) que se enfría para convertirse en una unión fuerte, pero a veces se usa presión junto con calor , o por sí mismo, para producir la soldadura. Esto contrasta con la soldadura blanda y fuerte, que consisten en fundir un material con un punto de fusión más bajo entre las piezas de trabajo para formar una unión entre ellas, sin fundir las piezas de trabajo.

Soldadura por arco

Se pueden usar muchas fuentes de energía diferentes para soldar, incluido un gas fuego , un arco eléctrico, un láser, un electrón haz, fricción y ultrasonido. Si bien a menudo es un proceso industrial, la soldadura se puede realizar en muchos entornos diferentes, incluso al aire libre, bajo el agua y en el espacio. Sin embargo, independientemente de la ubicación, la soldadura sigue siendo peligrosa y se deben tomar precauciones para evitar quemaduras, descargas eléctricas, vapores venenosos y sobreexposición a la luz ultravioleta.

Hasta finales del siglo XIX, el único proceso de soldadura era la soldadura por forja, que los herreros habían utilizado durante siglos para unir metales calentándolos y golpeándolos. La soldadura por arco y la soldadura con oxicorte estuvieron entre los primeros procesos que se desarrollaron a finales de siglo, y poco después siguió la soldadura por resistencia. La tecnología de soldadura avanzó rápidamente a principios del siglo XX como Primera Guerra Mundial y Segunda Guerra Mundial impulsó la demanda de métodos de unión fiables y económicos. Después de las guerras, se desarrollaron varias técnicas modernas de soldadura, incluidos métodos manuales como soldadura por arco de metal blindado , ahora uno de los métodos de soldadura más populares, así como procesos semiautomáticos y automáticos como la soldadura por arco metálico con gas , soldadura por arco sumergido y soldadura por arco con núcleo fundente. Los desarrollos continuaron con la invención de la soldadura por rayo láser y soldadura por haz de electrones en la segunda mitad del siglo. Hoy en día, la ciencia sigue avanzando. La soldadura robótica se está volviendo más común en entornos industriales, y los investigadores continúan desarrollando nuevos métodos de soldadura y obtienen una mayor comprensión de la calidad y las propiedades de la soldadura.

Historia

El pilar de hierro en Delhi.

La historia de la unión de metales se remonta a varios milenios, con los primeros ejemplos de soldadura de la Edad de Bronce y el Edad de Hierro en Europa y el Oriente Medio . La soldadura se utilizó en la construcción del pilar de hierro en Delhi , India , erigido sobre 310 y con un peso de 5,4 toneladas métricas. los Edades medias trajo avances en la soldadura de forja, en la que los herreros golpeaban el metal calentado repetidamente hasta que se producía la unión. En 1540, Vannoccio Biringuccio publicó De la pirotechnia , que incluye descripciones de la operación de forjado. Renacimiento los artesanos eran expertos en el proceso y la industria siguió creciendo durante los siglos siguientes. La soldadura, sin embargo, se transformó durante el siglo XIX: en 1800, Sir Humphry Davy descubrió el arco eléctrico y los avances en la soldadura por arco continuaron con la invención de los electrodos de metal por parte de un ruso, Nikolai Slavyanov, y un estadounidense, C.L. Ataúd a finales de 1800, incluso cuando la soldadura por arco de carbono, que utilizaba un electrodo de carbono, ganó popularidad. Alrededor de 1900, A. P. Strohmenger lanzó un electrodo de metal revestido en Bretaña , que dio un arco más estable, y en 1919, corriente alterna la soldadura fue inventada por C.J. Holslag, pero no se volvió popular hasta una década después.

La soldadura por resistencia también se desarrolló durante las últimas décadas del siglo XIX, y las primeras patentes fueron para Elihu Thompson en 1885, quien produjo nuevos avances durante los siguientes 15 años. La soldadura con termita se inventó en 1893 y, en esa época, otro proceso, la soldadura con oxígeno y combustible, se estableció con fuerza. El acetileno fue descubierto en 1836 por Edmund Davy, pero su uso no fue práctico en la soldadura hasta alrededor de 1900, cuando se desarrolló un soplete adecuado. Al principio, la soldadura con oxicombustible era uno de los métodos de soldadura más populares debido a su portabilidad y costo relativamente bajo. Sin embargo, a medida que avanzaba el siglo XX, perdió el favor de las aplicaciones industriales. Se reemplazó en gran medida con la soldadura por arco, ya que continuaron desarrollándose cubiertas metálicas (conocidas como fundentes) para el electrodo que estabilizan el arco y protegen el material base de las impurezas.

Primera Guerra Mundial provocó un gran aumento en el uso de procesos de soldadura, con las diversas potencias militares intentando determinar cuál de los varios nuevos procesos de soldadura sería el mejor. Los británicos utilizaron principalmente la soldadura por arco, incluso en la construcción de un barco, el Fulagar , con casco enteramente soldado. Los estadounidenses dudaron más, pero comenzaron a reconocer los beneficios de la soldadura por arco cuando el proceso les permitió reparar sus barcos rápidamente después de un tiempo. Alemán ataque en el puerto de Nueva York al comienzo de la guerra. La soldadura por arco también se aplicó por primera vez a los aviones durante la guerra, ya que algunos fuselajes de aviones alemanes se construyeron utilizando el proceso.

Durante la década de 1920, se lograron importantes avances en la tecnología de soldadura, incluida la introducción de la soldadura automática en 1920, en la que el alambre del electrodo se alimentaba continuamente. El gas de protección se convirtió en un tema que recibió mucha atención, ya que los científicos intentaron proteger las soldaduras de los efectos del oxígeno y el nitrógeno en la atmósfera. La porosidad y la fragilidad fueron los principales problemas, y las soluciones que se desarrollaron incluyeron el uso de hidrógeno , argón , y helio como atmósferas de soldadura. Durante la década siguiente, nuevos avances permitieron la soldadura de metales reactivos como aluminio y magnesio . Esto, junto con los desarrollos en soldadura automática, corriente alterna y fundentes, alimentó una gran expansión de la soldadura por arco durante la década de 1930 y luego durante Segunda Guerra Mundial .

Durante la mitad del siglo, se inventaron muchos nuevos métodos de soldadura. 1930 vio el lanzamiento de la soldadura de espárragos, que pronto se hizo popular en la construcción y construcción naval. La soldadura por arco sumergido se inventó el mismo año y sigue siendo popular en la actualidad. Soldadura por arco de tungsteno con gas , después de décadas de desarrollo, finalmente se perfeccionó en 1941, y la soldadura por arco metálico con gas siguió en 1948, permitiendo una soldadura rápida de materiales no ferrosos pero requiriendo costosos gases de protección. Soldadura por arco de metal blindado fue desarrollado durante la década de 1950, utilizando un electrodo consumible y un dióxido de carbono atmósfera como gas de protección, y rápidamente se convirtió en el proceso de soldadura por arco metálico más popular. En 1957, debutó el proceso de soldadura por arco con núcleo fundente, en el que el electrodo de alambre autoprotegido podía usarse con equipos automáticos, lo que resultó en velocidades de soldadura mucho mayores, y ese mismo año se inventó la soldadura por arco de plasma. La soldadura por electroescoria se introdujo en 1958 y fue seguida por su prima, la soldadura por electrogas, en 1961.

Otros desarrollos recientes en soldadura incluyen el avance de 1958 de soldadura por haz de electrones , haciendo posible una soldadura profunda y estrecha a través de la fuente de calor concentrada. Tras la invención del láser en 1960, la soldadura por rayo láser debutó varias décadas más tarde y ha demostrado ser especialmente útil en la soldadura automatizada de alta velocidad. Ambos procesos, sin embargo, continúan siendo bastante costosos debido al alto costo del equipo necesario, y esto ha limitado sus aplicaciones.

Procesos de soldadura

Soldadura por arco

Estos procesos utilizan una fuente de alimentación de soldadura para crear y mantener un arco eléctrico entre un electrodo y el material base para fundir metales en el punto de soldadura. Pueden utilizar directo (DC) o alterno (CA) de corriente y electrodos consumibles o no consumibles. La región de soldadura a veces está protegida por algún tipo de gas inerte o semiinerte, conocido como gas de protección, y algunas veces también se usa material de relleno.

Fuentes de alimentación

Para suministrar la energía eléctrica necesaria para los procesos de soldadura por arco, se pueden utilizar varias fuentes de alimentación diferentes. La clasificación más común es fuentes de alimentación de corriente constante y fuentes de alimentación de tensión constante. En la soldadura por arco, el voltaje está directamente relacionado con la longitud del arco y la corriente está relacionada con la cantidad de entrada de calor. Las fuentes de alimentación de corriente constante se utilizan con mayor frecuencia para los procesos de soldadura manual, como la soldadura por arco de tungsteno con gas y la soldadura por arco de metal blindado, porque mantienen una corriente relativamente constante incluso cuando varía el voltaje. Esto es importante porque en la soldadura manual, puede ser difícil mantener el electrodo perfectamente estable y, como resultado, la longitud del arco y, por lo tanto, el voltaje tienden a fluctuar. Las fuentes de alimentación de voltaje constante mantienen el voltaje constante y varían la corriente y, como resultado, se usan con mayor frecuencia para procesos de soldadura automatizados, como soldadura por arco metálico con gas, soldadura por arco con núcleo fundente y soldadura por arco sumergido. En estos procesos, la longitud del arco se mantiene constante, ya que cualquier fluctuación en la distancia entre el alambre y el material base se rectifica rápidamente por un gran cambio en la corriente. Por ejemplo, si el cable y el material base se acercan demasiado, la corriente aumentará rápidamente, lo que a su vez hace que aumente el calor y la punta del cable se derrita, devolviéndolo a su distancia de separación original.

El tipo de corriente utilizada en la soldadura por arco también juega un papel importante en la soldadura. Los procesos de electrodos consumibles, como la soldadura por arco de metal blindado y la soldadura por arco de metal con gas, generalmente usan corriente continua, pero el electrodo puede cargarse positiva o negativamente. En la soldadura, el ánodo cargado positivamente tendrá una mayor concentración de calor y, como resultado, cambiar la polaridad del electrodo tiene un impacto en las propiedades de la soldadura. Si el electrodo tiene carga positiva, se derretirá más rápidamente, aumentando la penetración y la velocidad de soldadura. Alternativamente, un electrodo con carga negativa da como resultado soldaduras menos profundas. Los procesos de electrodos no consumibles, como la soldadura por arco de tungsteno con gas, pueden usar cualquier tipo de corriente continua, así como corriente alterna. Sin embargo, con corriente continua, debido a que el electrodo solo crea el arco y no proporciona material de relleno, un electrodo con carga positiva produce soldaduras poco profundas, mientras que un electrodo con carga negativa produce soldaduras más profundas. La corriente alterna se mueve rápidamente entre estos dos, dando como resultado soldaduras de penetración media. Una desventaja de la CA, el hecho de que el arco debe volver a encenderse después de cada cruce por cero, se ha solucionado con la invención de unidades de potencia especiales que producen un patrón de onda cuadrada en lugar de la onda sinusoidal normal, lo que hace posible los cruces por cero rápidos y minimiza los efectos del problema.

Métodos

Soldadura por arco de metal blindado

Uno de los tipos más comunes de soldadura por arco es soldadura por arco de metal blindado (SMAW), que también se conoce como soldadura manual por arco metálico (MMA) o soldadura por electrodo revestido. La corriente eléctrica se usa para generar un arco entre el material base y la varilla del electrodo consumible, que está hecha de acero y está cubierta con un fundente que protege el área de soldadura de la oxidación y la contaminación al producir CO ₂ gas durante el proceso de soldadura. El núcleo del electrodo en sí mismo actúa como material de relleno, lo que hace innecesario un relleno separado. El proceso es muy versátil, requiere poca capacitación del operador y equipo económico. Sin embargo, los tiempos de soldadura son bastante lentos, ya que los electrodos consumibles deben reemplazarse con frecuencia y porque la escoria, el residuo del fundente, debe eliminarse después de la soldadura. Además, el proceso generalmente se limita a la soldadura de materiales ferrosos, aunque los electrodos especiales han hecho posible la soldadura de hierro fundido, níquel , aluminio , cobre , y otros metales. La versatilidad del método lo hace popular en una serie de aplicaciones, incluidos trabajos de reparación y construcción.

La soldadura por arco metálico con gas (GMAW), también conocida como soldadura de metal con gas inerte (MIG), es un proceso de soldadura semiautomático o automático que utiliza una alimentación continua de alambre como electrodo y una mezcla de gas inerte o semiinerte para proteger la soldadura de la contaminación. Dado que el electrodo es continuo, las velocidades de soldadura son mayores para GMAW que para SMAW. Sin embargo, debido al equipo adicional, el proceso es menos portátil y versátil, pero sigue siendo útil para aplicaciones industriales. El proceso se puede aplicar a una amplia variedad de metales, tanto ferrosos como no ferrosos. Un proceso relacionado, la soldadura por arco con núcleo fundente (FCAW), utiliza un equipo similar pero utiliza un alambre que consta de un electrodo de acero que rodea un material de relleno en polvo. Este alambre tubular es más caro que el alambre sólido estándar y puede generar humos y/o escoria, pero permite una mayor velocidad de soldadura y una mayor penetración del metal.

Soldadura por arco de tungsteno con gas

Soldadura por arco de tungsteno con gas (GTAW), o soldadura de gas inerte de tungsteno (TIG), es un proceso de soldadura manual que utiliza un electrodo no consumible hecho de tungsteno , una mezcla de gas inerte o semiinerte y un material de relleno separado. Especialmente útil para soldar materiales delgados, este método se caracteriza por un arco estable y soldaduras de alta calidad, pero requiere una gran habilidad del operador y solo se puede lograr a velocidades relativamente bajas. Se puede usar en casi todos los metales soldables, aunque se aplica con mayor frecuencia al acero inoxidable y los metales livianos. A menudo se usa cuando las soldaduras de calidad son extremadamente importantes, como en bicicleta , aeronaves y aplicaciones navales. Un proceso relacionado, la soldadura por arco de plasma, también usa un electrodo de tungsteno pero usa gas de plasma para hacer el arco. El arco está más concentrado que el arco GTAW, lo que hace que el control transversal sea más crítico y, por lo tanto, generalmente restringe la técnica a un proceso mecanizado. Debido a su corriente estable, el método se puede utilizar en una gama más amplia de espesores de material que el proceso GTAW y, además, es mucho más rápido. Se puede aplicar a todos los mismos materiales que GTAW excepto magnesio , y la soldadura automatizada de acero inoxidable es una aplicación importante del proceso. Una variación del proceso es el corte por plasma, un proceso eficiente de corte de acero.

La soldadura por arco sumergido (SAW) es un método de soldadura de alta productividad en el que el arco se golpea debajo de una capa de fundente que lo cubre. Esto aumenta la calidad del arco, ya que el fundente bloquea los contaminantes en la atmósfera. La escoria que se forma en la soldadura generalmente se desprende sola y, combinada con el uso de una alimentación de alambre continua, la tasa de deposición de la soldadura es alta. Las condiciones de trabajo son mucho mejores que las de otros procesos de soldadura por arco, ya que el fundente oculta el arco y no se produce humo. El proceso se usa comúnmente en la industria, especialmente para productos grandes. Otros procesos de soldadura por arco incluyen la soldadura por hidrógeno atómico, la soldadura por arco de carbono, la soldadura por electroescoria, la soldadura por electrogas y la soldadura por arco de espárragos.

Soldadura con gas de una armadura de acero

Soldadura de gas

El proceso de soldadura con gas más común es la soldadura con oxicorte, también conocida como soldadura con oxiacetileno. Es uno de los procesos de soldadura más antiguos y versátiles, pero en los últimos años se ha vuelto menos popular en aplicaciones industriales. Todavía se usa ampliamente para soldar tuberías y tubos, así como para trabajos de reparación. El equipo es relativamente económico y simple, generalmente empleando la combustión de acetileno en oxígeno para producir una temperatura de llama de soldadura de aproximadamente 3100°C. La llama, al ser menos concentrada que un arco eléctrico, provoca un enfriamiento más lento de la soldadura, lo que puede provocar mayores tensiones residuales y distorsión de la soldadura, aunque facilita la soldadura de aceros de alta aleación. Un proceso similar, generalmente llamado corte con oxicorte, se usa para cortar metales. Otros métodos de soldadura con gas, como la soldadura con aire y acetileno, la soldadura con hidrógeno y oxígeno y la soldadura con gas a presión, son bastante similares y, por lo general, solo difieren en el tipo de gases utilizados. A veces se utiliza un soplete de agua para soldar con precisión artículos como joyas. La soldadura con gas también se usa en la soldadura de plástico, aunque la sustancia calentada es aire y las temperaturas son mucho más bajas.

Soldadura por resistencia

La soldadura por resistencia implica la generación de calor al pasar corriente a través de la resistencia provocada por el contacto entre dos o más superficies metálicas. Se forman pequeños charcos de metal fundido en el área de soldadura a medida que pasa una corriente alta (1000–100 000 A) a través del metal. En general, los métodos de soldadura por resistencia son eficientes y causan poca contaminación, pero sus aplicaciones son algo limitadas y el costo del equipo puede ser alto.

Soldadura por puntos

La soldadura por puntos es un método popular de soldadura por resistencia que se utiliza para unir láminas de metal superpuestas de hasta 3 mm de espesor. Se utilizan dos electrodos simultáneamente para sujetar las láminas de metal juntas y para pasar corriente a través de las láminas. Las ventajas del método incluyen el uso eficiente de la energía, la deformación limitada de la pieza de trabajo, las altas tasas de producción, la fácil automatización y la ausencia de materiales de relleno. La fuerza de la soldadura es significativamente menor que con otros métodos de soldadura, lo que hace que el proceso sea adecuado solo para ciertas aplicaciones. Se usa ampliamente en la industria automotriz: los automóviles comunes pueden tener varios miles de soldaduras por puntos. Se puede usar un proceso especializado, llamado soldadura por tiro, para soldar acero inoxidable por puntos.

Al igual que la soldadura por puntos, la soldadura por costura se basa en dos electrodos para aplicar presión y corriente para unir láminas de metal. Sin embargo, en lugar de electrodos puntiagudos, los electrodos en forma de rueda ruedan y, a menudo, alimentan la pieza de trabajo, lo que permite realizar soldaduras largas y continuas. En el pasado, este proceso se utilizó en la fabricación de latas de bebidas, pero ahora sus usos son más limitados. Otros métodos de soldadura por resistencia incluyen la soldadura por chispa, la soldadura por proyección y la soldadura por recalque.

Soldadura por haz de energía

Métodos de soldadura por rayos de energía, en concreto soldadura por rayos láser y soldadura por haz de electrones , son procesos relativamente nuevos que se han vuelto bastante populares en aplicaciones de alta producción. Los dos procesos son bastante similares, y difieren más notablemente en su fuente de poder. La soldadura por rayo láser emplea un rayo láser altamente enfocado, mientras que la soldadura por rayo de electrones se realiza en el vacío y usa un rayo de electrones. Ambos tienen una densidad de energía muy alta, lo que hace posible una penetración profunda de la soldadura y minimiza el tamaño del área de soldadura. Ambos procesos son extremadamente rápidos y fáciles de automatizar, lo que los hace altamente productivos. Las desventajas principales son sus costos de equipo muy altos (aunque estos están disminuyendo) y la susceptibilidad al agrietamiento térmico. Los desarrollos en esta área incluyen la soldadura híbrida con láser, que utiliza principios tanto de la soldadura por rayo láser como de la soldadura por arco para obtener propiedades de soldadura aún mejores.

Soldadura de estado sólido

Al igual que el primer proceso de soldadura, la soldadura por forja, algunos métodos de soldadura modernos no implican la fusión de los materiales que se unen. Una de las más populares, la soldadura ultrasónica, se utiliza para conectar láminas o alambres delgados hechos de metal o termoplástico haciéndolos vibrar a alta frecuencia y bajo alta presión. El equipo y los métodos involucrados son similares a los de la soldadura por resistencia, pero en lugar de corriente eléctrica, la vibración proporciona entrada de energía. La soldadura de metales con este proceso no implica la fusión de los materiales; en cambio, la soldadura se forma introduciendo vibraciones mecánicas horizontalmente bajo presión. Al soldar plásticos, los materiales deben tener temperaturas de fusión similares y las vibraciones se introducen verticalmente. La soldadura ultrasónica se usa comúnmente para hacer conexiones eléctricas de aluminio o cobre, y también es un proceso de soldadura de polímeros muy común.

Otro proceso común, la soldadura por explosión, implica la unión de materiales empujándolos bajo una presión extremadamente alta. La energía del impacto plastifica los materiales, formando una soldadura, aunque solo se genera una cantidad limitada de calor. El proceso se usa comúnmente para soldar materiales diferentes, como la soldadura de aluminio con acero en cascos de barcos o placas compuestas. Otros procesos de soldadura de estado sólido incluyen la soldadura por coextrusión, la soldadura en frío, la soldadura por difusión, la soldadura por fricción (incluida la soldadura por agitación por fricción), la soldadura de alta frecuencia, la soldadura por presión en caliente, la soldadura por inducción y la soldadura por rodillos.

Geometría

Tipos de juntas de soldadura comunes: (1) Junta de tope cuadrado, (2) Junta de preparación en V simple, (3) Junta de solape, (4) Junta en T.

Las soldaduras se pueden preparar geométricamente de muchas maneras diferentes. Los cinco tipos básicos de juntas soldadas son la junta a tope, la junta traslapada, la junta de esquina, la junta de borde y la junta en T. También existen otras variaciones; por ejemplo, las juntas de preparación en V doble se caracterizan por dos piezas de material que se estrechan cada una hasta un único punto central a la mitad de su altura. Las juntas de preparación en U simple y en U doble también son bastante comunes: en lugar de tener bordes rectos como las juntas de preparación en V simple y V doble, son curvas y tienen la forma de una U. Las juntas traslapadas también suelen tener más de dos piezas de espesor: según el proceso utilizado y el espesor del material, muchas piezas se pueden soldar juntas en una geometría de unión traslapada.

A menudo, determinados procesos de soldadura utilizan exclusivamente o casi exclusivamente diseños de juntas particulares. Por ejemplo, la soldadura por puntos de resistencia, la soldadura por haz de láser y la soldadura por haz de electrones se realizan con mayor frecuencia en juntas traslapadas. Sin embargo, algunos métodos de soldadura, como la soldadura por arco de metal blindado, son extremadamente versátiles y pueden soldar prácticamente cualquier tipo de unión. Además, se pueden usar algunos procesos para hacer soldaduras de varias pasadas, en las que se permite que una soldadura se enfríe y luego se realiza otra soldadura encima. Esto permite la soldadura de secciones gruesas dispuestas en una junta de preparación en V simple, por ejemplo.

La sección transversal de una junta soldada a tope, donde el gris más oscuro representa la zona de soldadura o fusión, el gris medio la zona afectada por el calor y el gris más claro el material base.

Después de soldar, se pueden identificar varias regiones distintas en el área de soldadura. La soldadura en sí se denomina zona de fusión; más específicamente, es donde se colocó el metal de aporte durante el proceso de soldadura. Las propiedades de la zona de fusión dependen principalmente del metal de aporte utilizado y de su compatibilidad con los materiales base. Está rodeado por la zona afectada por el calor, el área que tuvo su microestructura y propiedades alteradas por la soldadura. Estas propiedades dependen del comportamiento del material base cuando se somete al calor. El metal en esta área suele ser más débil que el material base y la zona de fusión, y también es donde se encuentran las tensiones residuales.

Calidad

Muy a menudo, la principal métrica utilizada para juzgar la calidad de una soldadura es su resistencia y la resistencia del material que la rodea. Muchos factores distintos influyen en esto, incluido el método de soldadura, la cantidad y concentración de entrada de calor, el material base, el material de relleno, el material fundente, el diseño de la junta y las interacciones entre todos estos factores. Para probar la calidad de una soldadura, se utilizan comúnmente métodos de prueba destructivos o no destructivos para verificar que las soldaduras estén libres de defectos, tengan niveles aceptables de tensiones residuales y distorsión, y tengan propiedades aceptables de zona afectada por el calor (HAZ). Existen códigos y especificaciones de soldadura para guiar a los soldadores en la técnica de soldadura adecuada y en cómo juzgar la calidad de las soldaduras.

Zona afectada por el calor

La ZAT de la soldadura de una tubería, siendo el área azul el metal más afectado por el calor.

Los efectos de la soldadura en el material que rodea la soldadura pueden ser perjudiciales; según los materiales utilizados y la entrada de calor del proceso de soldadura utilizado, la ZAT puede variar en tamaño y resistencia. La difusividad térmica del material base juega un papel importante: si la difusividad es alta, la tasa de enfriamiento del material es alta y la HAZ es relativamente pequeña. Por el contrario, una baja difusividad conduce a un enfriamiento más lento y una ZAT más grande. La cantidad de calor inyectado por el proceso de soldadura también juega un papel importante, ya que procesos como la soldadura con oxiacetileno tienen una entrada de calor no concentrada y aumentan el tamaño de la ZAT. Los procesos como la soldadura por rayo láser generan una cantidad limitada y altamente concentrada de calor, lo que da como resultado una pequeña ZAT. La soldadura por arco cae entre estos dos extremos, y los procesos individuales varían un poco en la entrada de calor. Para calcular la entrada de calor para los procedimientos de soldadura por arco, se puede utilizar la siguiente fórmula:

dónde q = entrada de calor (kJ/mm), EN = voltaje ( EN ), yo = corriente (A), y S = velocidad de soldadura (mm/min). La eficiencia depende del proceso de soldadura utilizado, siendo la soldadura por arco de metal blindado un valor de 0,75, la soldadura por arco de metal con gas y la soldadura por arco sumergido de 0,9 y la soldadura por arco de tungsteno con gas de 0,8.

Distorsión y agrietamiento

Los métodos de soldadura que involucran la fusión del metal en el sitio de la unión son necesariamente propensos a la contracción a medida que se enfría el metal calentado. La contracción, a su vez, puede introducir tensiones residuales y distorsión tanto longitudinal como rotacional. La distorsión puede suponer un problema importante, ya que el producto final no tiene la forma deseada. Para aliviar la distorsión rotacional, las piezas de trabajo se pueden desplazar, de modo que la soldadura resulte en una pieza con la forma correcta. Otros métodos para limitar la distorsión, como sujetar las piezas de trabajo en su lugar, provocan la acumulación de tensión residual en la zona afectada por el calor del material base. Estas tensiones pueden reducir la resistencia del material base y pueden provocar fallas catastróficas por agrietamiento en frío, como en el caso de varios de los barcos Liberty. El agrietamiento en frío se limita a los aceros y está asociado con la formación de martensita a medida que se enfría la soldadura. El agrietamiento ocurre en la zona afectada por el calor del material base. Para reducir la cantidad de distorsión y tensiones residuales, se debe limitar la cantidad de entrada de calor y la secuencia de soldadura utilizada no debe ser de un extremo directamente al otro, sino en segmentos. El otro tipo de fisuración, fisuración en caliente o fisuración por solidificación, puede ocurrir en todos los metales y ocurre en la zona de fusión de una soldadura. Para disminuir la probabilidad de este tipo de agrietamiento, se debe evitar el exceso de restricción del material y se debe utilizar un material de relleno adecuado.

soldabilidad

La calidad de una soldadura también depende de la combinación de materiales utilizados para el material base y el material de relleno. No todos los metales son adecuados para soldar y no todos los metales de aporte funcionan bien con materiales base aceptables.

Aceros

La soldabilidad de aceros es inversamente proporcional a una propiedad conocida como templabilidad del acero, que mide la facilidad para formar martensita durante el tratamiento térmico. La templabilidad del acero depende de su composición química, con mayores cantidades de carbono y otros elementos de aleación resultando en una mayor templabilidad y por lo tanto una menor soldabilidad. Para poder juzgar las aleaciones compuestas de muchos materiales distintos, se utiliza una medida conocida como contenido de carbono equivalente para comparar las soldabilidades relativas de diferentes aleaciones comparando sus propiedades con un acero al carbono simple. El efecto sobre la soldabilidad de elementos como cromo y vanadio , aunque no tan grande como carbón , es más significativo que el de cobre y níquel , por ejemplo. A medida que aumenta el contenido de carbono equivalente, disminuye la soldabilidad de la aleación. La desventaja de usar aceros al carbono simple y de baja aleación es su menor resistencia: existe un equilibrio entre la resistencia del material y la soldabilidad. Los aceros de baja aleación y alta resistencia se desarrollaron especialmente para aplicaciones de soldadura durante la década de 1970, y estos materiales generalmente fáciles de soldar tienen buena resistencia, lo que los hace ideales para muchas aplicaciones de soldadura.

Los aceros inoxidables, debido a su alto contenido de cromo, tienden a comportarse de manera diferente con respecto a la soldabilidad que otros aceros. Los grados austeníticos de los aceros inoxidables tienden a ser los más soldables, pero son especialmente susceptibles a la distorsión debido a su alto coeficiente de expansión térmica. Algunas aleaciones de este tipo son propensas al agrietamiento y también a una menor resistencia a la corrosión. El agrietamiento en caliente es posible si no se controla la cantidad de ferrita en la soldadura; para aliviar el problema, se usa un electrodo que deposita un metal de soldadura que contiene una pequeña cantidad de ferrita. Otros tipos de aceros inoxidables, como los aceros inoxidables ferríticos y martensíticos, no se sueldan tan fácilmente y, a menudo, deben precalentarse y soldarse con electrodos especiales.

Aluminio

La soldabilidad de aluminio aleaciones varía significativamente, dependiendo de la composición química de la aleación utilizada. Las aleaciones de aluminio son susceptibles al agrietamiento en caliente y, para combatir el problema, los soldadores aumentan la velocidad de soldadura para reducir la entrada de calor. El precalentamiento reduce el gradiente de temperatura a lo largo de la zona de soldadura y, por lo tanto, ayuda a reducir el agrietamiento en caliente, pero puede reducir las propiedades mecánicas del material base y no debe usarse cuando el material base está restringido. El diseño de la junta también se puede cambiar y se puede seleccionar una aleación de relleno más compatible para disminuir la probabilidad de agrietamiento en caliente. Las aleaciones de aluminio también deben limpiarse antes de soldar, con el objetivo de eliminar todos los óxidos, aceites y partículas sueltas de la superficie a soldar. Esto es especialmente importante debido a la susceptibilidad de una soldadura de aluminio a la porosidad debido a hidrógeno y escoria debido a oxígeno .

Condiciones inusuales

soldadura submarina

Si bien muchas aplicaciones de soldadura se realizan en entornos controlados, como fábricas y talleres de reparación, algunos procesos de soldadura se usan comúnmente en una amplia variedad de condiciones, como al aire libre, bajo el agua y al vacío (como el espacio). En aplicaciones al aire libre, como la construcción y la reparación de exteriores, la soldadura por arco de metal blindado es el proceso más común. Los procesos que emplean gases inertes para proteger la soldadura no pueden usarse fácilmente en tales situaciones, porque los movimientos atmosféricos impredecibles pueden resultar en una soldadura defectuosa. La soldadura por arco de metal protegido también se usa a menudo en la soldadura submarina en la construcción y reparación de barcos, plataformas en alta mar y tuberías, pero también son comunes otras, como la soldadura por arco con núcleo fundente y la soldadura por arco de tungsteno con gas. La soldadura en el espacio también es posible: se intentó por primera vez en 1969 por ruso cosmonautas, cuando realizaron experimentos para probar la soldadura por arco de metal protegido, la soldadura por arco de plasma y la soldadura por haz de electrones en un entorno despresurizado. Se realizaron más pruebas de estos métodos en las décadas siguientes, y hoy en día los investigadores continúan desarrollando métodos para utilizar otros procesos de soldadura en el espacio, como la soldadura por rayo láser, la soldadura por resistencia y la soldadura por fricción. Los avances en estas áreas podrían resultar indispensables para proyectos como la construcción del Estación Espacial Internacional , que probablemente dependerá en gran medida de la soldadura para unir en el espacio las piezas que se fabricaron en Tierra .

Problemas de seguridad

La soldadura, sin las debidas precauciones, puede ser una práctica peligrosa e insalubre. Sin embargo, con el uso de nueva tecnología y la protección adecuada, los riesgos de lesiones y muerte asociados con la soldadura pueden reducirse en gran medida. Debido a que muchos procedimientos de soldadura comunes involucran un arco eléctrico abierto o una llama, el riesgo de quemaduras es significativo. Para prevenirlos, los soldadores usan equipo de protección personal en forma de guantes de cuero grueso y chaquetas protectoras de manga larga para evitar la exposición al calor extremo y las llamas. Además, el brillo del área de soldadura conduce a una condición llamada ojo de arco en el que la luz ultravioleta provoca la inflamación del córnea y puede quemar el retinas de los ojos Se usan gafas y cascos para soldar con placas faciales oscuras para evitar esta exposición y, en los últimos años, se han producido nuevos modelos de cascos que cuentan con una placa frontal que se oscurece automáticamente al exponerse a grandes cantidades de luz ultravioleta. Para proteger a los transeúntes, las cortinas de soldadura transparentes suelen rodear el área de soldadura. Estas cortinas, hechas de una película de plástico de cloruro de polivinilo, protegen a los trabajadores cercanos de la exposición a la luz ultravioleta del arco eléctrico, pero no deben usarse para reemplazar el filtro de vidrio que se usa en los cascos.

Los soldadores también suelen estar expuestos a gases peligrosos y partículas. Procesos como la soldadura por arco con núcleo fundente y la soldadura por arco de metal protegido producen humo que contiene partículas de varios tipos de óxidos, que en algunos casos pueden provocar afecciones médicas como fiebre por humos metálicos. El tamaño de las partículas en cuestión tiende a influir en la toxicidad de los humos, presentando las partículas más pequeñas un mayor peligro. Además, muchos procesos producen humos y varios gases, más comúnmente dióxido de carbono y ozono , que puede resultar peligroso si la ventilación es inadecuada. Además, debido a que el uso de gases comprimidos y llamas en muchos procesos de soldadura presenta un riesgo de explosión e incendio, algunas precauciones comunes incluyen limitar la cantidad de oxígeno en el aire y mantener los materiales combustibles alejados del lugar de trabajo.

Costos y tendencias

Como proceso industrial, el costo de la soldadura juega un papel crucial en las decisiones de fabricación. Muchas variables diferentes afectan el costo total, incluido el costo del equipo, el costo de la mano de obra, el costo del material y el costo de la energía. Dependiendo del proceso, el costo del equipo puede variar, desde económico para métodos como la soldadura por arco de metal blindado y la soldadura con oxicorte, hasta extremadamente costoso para métodos como la soldadura por rayo láser y la soldadura por rayo de electrones. Debido a su alto costo, solo se utilizan en operaciones de alta producción. Del mismo modo, debido a que la automatización y los robots aumentan los costos de los equipos, solo se implementan cuando es necesaria una alta producción. El costo de mano de obra depende de la tasa de deposición (la tasa de soldadura), el salario por hora y el tiempo total de operación, incluido el tiempo de soldadura y el manejo de la pieza. El costo de los materiales incluye el costo del material base y de relleno, y el costo de los gases de protección. Finalmente, el costo de la energía depende del tiempo de arco y de la demanda de potencia de soldadura.

Para los métodos de soldadura manual, los costos de mano de obra generalmente constituyen la gran mayoría del costo total. Como resultado, muchas medidas de ahorro de costos se enfocan en minimizar el tiempo de operación. Para hacer esto, se pueden seleccionar procedimientos de soldadura con altas tasas de deposición y se pueden ajustar los parámetros de soldadura para aumentar la velocidad de soldadura. La mecanización y la automatización a menudo se implementan para reducir los costos de mano de obra, pero esto con frecuencia aumenta el costo del equipo y genera tiempo de preparación adicional. Los costos de materiales tienden a aumentar cuando se necesitan propiedades especiales, y los costos de energía normalmente no ascienden a más de un porcentaje del costo total de soldadura.

En los últimos años, con el fin de minimizar los costes laborales en la fabricación de alta producción, la soldadura industrial se ha ido automatizando cada vez más, sobre todo con el uso de robots en la soldadura por puntos de resistencia (especialmente en la industria del automóvil) y en la soldadura por arco. En la soldadura robótica, los dispositivos mecanizados sujetan el material y realizan la soldadura y, al principio, la soldadura por puntos era su aplicación más común. Pero la soldadura por arco robótica ha ido aumentando en popularidad a medida que avanza la tecnología. Otras áreas clave de investigación y desarrollo incluyen la soldadura de materiales disímiles (como acero y aluminio, por ejemplo) y nuevos procesos de soldadura, como agitación por fricción, pulso magnético, costura térmica conductiva y soldadura híbrida con láser. Además, se desea avanzar en la fabricación de métodos más especializados, como la soldadura por rayo láser, prácticos para más aplicaciones, como en las industrias aeroespacial y automotriz. Los investigadores también esperan comprender mejor las propiedades a menudo impredecibles de las soldaduras, especialmente la microestructura, las tensiones residuales y la tendencia de una soldadura a agrietarse o deformarse.