Capítulo 1: introducción a la soldadura




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SOLDADURA


CAPÍTULO 1: INTRODUCCIÓN A LA SOLDADURA

1.1.- DEFINICIÓN:
La soldadura es un proceso de fabricación que consiste en la unión de dos piezas de material mediante las fuerzas atractivas fundamentales que mantienen a los átomos en su posición.

1.2.- PROBLEMA FUNDAMENTAL DE LA SOLDADURA:
Las superficies metálicas no son planas ni limpias, está compuesta de valles y crestas con una altura promedio de 200 mil capas atómicas. Los átomos superficiales son capaces de atraer otros átomos debido a que no están rodeados completamente. Esto hace que atraigan moléculas del aire, principalmente agua que luego reaccionan con los átomos del metal para formar óxidos. La capa de óxido es de naturaleza cristalina, al igual que el metal pero sus moléculas superficiales ejercen una atracción débil sobre las moléculas de oxígeno y nitrógeno.
Para lograr la soldadura de dos piezas metálicas, es necesario remover cualquier capa no metálica de las superficies que entraran en contacto. Esto se puede hacer de dos maneras: combinando las capas no metálicas con alguna sustancia que haga que la mezcla sea de menor densidad que el metal fundido y por lo tanto haga que la capa no metálica flote y se aleje de la zona de la soldadura; la otra manera es la destrucción de estas capas no metálicas mediante deformación. Esto hace que se formen dos tipos de procesos de soldadura: los procesos de soldadura por fusión tales como: arco eléctrico, soldadura a gas, por plasma, etc. y los procesos de soldadura de estado sólido los cuales emplean deformaciones: soldadura en frio, ultrasonido y otros procesos son la combinación de calor y deformación: por forja, por resistencia eléctrica, por fricción, etc.

SOLDADURA

Unión de dos piezas de material mediante las fuerzas atractivas fundamentales que mantienen a los átomos en su posición.
TIPOS DE PROCESOS DE SOLDADURA



Soldaduras de estado sólido (por deformación)

  • En frío

  • Ultrasonido




Soldaduras de estado sólido (por fusión y deformación)

  • Forja

  • Resistencia Eléctrica

  • Fricción

Soldaduras por fusión

  • Gas

  • Arco Eléctrico

  • Plasma

  • Láser




CAPÍTULO 2: PROCESOS DE SOLDADURA

2.1 SOLDADURA DEL ESTADO SÓLIDO:
2.1.1.- Soldadura en frío:
Al tratar de unir dos superficies, el área de contacto inicial es muy pequeña debido a la orientación al azar de cada grano de las dos superficies. Adicionalmente, cuando se trata de dos superficies metálicas, estas están separadas por capas de óxido. El contacto se logra inicialmente en los puntos más altos.
Al aplicar presión, por un lado el metal se deforma plásticamente y los óxidos, que son frágiles, se fragmentan permitiendo el contacto metal-metal y por otro lado, el área de contacto de los granos aumentará a medida que la presión ejercida sobre la superficie aumente. Si la presión es suficientemente grande, se deformarán las asperezas a través de toda la superficie, hasta que las piezas entren en contacto íntimo total. Cuando esto ocurre se produce la soldadura teniendo esta zona una mayor resistencia que el metal original a consecuencia de la alta deformación ocurrida en la misma. Se espera que el esfuerzo aplicado supere el esfuerzo de fluencia del material. Se recomiendan presiones mayores del 10% del f.
Las matrices usadas en este proceso deben ser diseñadas de manera que la presión aplicada en el proceso ocasione que el metal deformado, el cual contiene las capas de óxido, se desplace hacia afuera alejándose de la soldadura. Por lo tanto la presión aplicada debe superar el límite de fluencia del material. Se dice que para lograr uniones satisfactorias es necesario aplicar deformaciones verdaderas mayores que uno (1) cuando se sueldan aluminio, cobre o hierro. También es importante la realización de una limpieza adecuada de las superficies antes del inicio del proceso (desengrasado y limpieza con cepillo).
Para mayor eficiencia de la soldadura en frío, es recomendable que al menos uno de los metales a soldar o ambos sean muy dúctiles y libres de endurecimiento por deformación. Se sabe que para lograr soldaduras satisfactorias, es necesario que el valor de deformación en la dirección x (Fig. 1), x (deformación de compresión) sea considerable (~ 1). Esta deformación
SOLDADURA EN FRIO



  • Se produce cuando al aplicar presión, por un lado, el metal se deforma plásticamente y los óxidos, que son frágiles, se fragmentan permitiendo el contacto metal-metal y, por otro lado, el área de contacto de los granos aumentará a medida que la presión ejercida sobre la superficie aumente.




  • Si la presión es suficientemente grande, se deformarán las asperezas a través de toda la superficie, hasta que las piezas entren en contacto íntimo total.




  • La zona soldada tiene una mayor resistencia debido a las altas deformaciones sufridas.




  • Se espera que el esfuerzo aplicado supere el esfuerzo de fluencia del material. Se recomiendan presiones mayores al 10% de f.




  • Las matrices deben ser diseñadas de manera que la presión aplicada en el proceso ocasione que el metal deformado, el cual contiene las capas de óxido, se desplace hacia afuera, alejándose de la soldadura.




  • Se dice que para lograr uniones satisfactorias es necesario aplicar deformaciones verdaderas mayores que uno (1) cuando se sueldan aluminio, cobre o hierro.



  • Es importante la realización de una limpieza adecuada de las superficies antes del inicio del proceso (desengrasado y limpieza con cepillo).




  • Para mayor eficiencia, es recomendable que al menos uno de los metales a soldar o ambos sean muy dúctiles y libres de endurecimiento por deformación.




  • Para lograr soldaduras satisfactorias, es necesario que el valor de deformación en la dirección x (x) (deformación de compresión) sea considerable (~ 1). Esta deformación produce la fractura de la capa de oxido e incrementa la resistencia de la zona soldada.




  • Por simetría se tiene que y= z= - x/2 (deformación por alargamiento). Las deformaciones en el plano yz producen la separación de la capa de óxido fracturada y permiten un mayor contacto metal-metal entre las piezas a soldar.




  • Este proceso es muy utilizado para la unión de aluminio, metales no ferrosos, cobre, níquel, zinc, plata, etc.




  • La presión de soldadura puede aplicarse por medios manuales o mecánicos, puede ser del tipo compresión lenta o de impacto dentro de un rango de 20.000 lb/pulg2 para el Al y 160.000 lb/pulg2 para el cobre.


produce la fractura de la capa de oxido e incrementa la resistencia de la zona soldada. Por simetría se tiene que y= z= - x/2 (deformación por alargamiento). Las deformaciones en el plano yz producen la separación de la capa de óxido fracturada y permiten un mayor contacto metal-metal entre las piezas a soldar.
Este proceso es muy utilizado para la unión de aluminio, metales no ferrosos, cobre, níquel, zinc, plata, etc. La presión de soldadura puede aplicarse por medios manuales o mecánicos, puede ser del tipo compresión lenta o de impacto dentro de un rango de 20.000 lb/pulg2 para el Al y 160.000 lb/pulg2 para el cobre. Ver Fig. 1

2.1.2.- Soldadura por forja:
En el proceso de soldadura por forja, la soldadura se hace mediante la aplicación de presión a una temperatura elevada, después de que las superficies a unir han sido preparadas adecuadamente.
Con el aumento de temperatura se disminuye el límite de fluencia del material, lo que se traduce en un aumento del área de contacto metal-metal para una presión dada. La fusión del metal en la intercara no es necesaria para que se produzca la soldadura, en el caso de que esto ocurra, estará limitado a zonas muy pequeñas.
Adicionalmente, se prepara la superficie de manera de eliminar la mayor cantidad posible de óxido. Para ello puede ocurrir alguno o algunos de estos mecanismos:


  • El calor aplicado puede fundir al óxido de la capa superficial. En este caso el punto de fusión del óxido debe ser menor que el punto de fusión del metal, como es el caso de los aceros, cuyo óxido funde a 1.421 oC. Esto no puede hacerse con el aluminio dado el alto punto de fusión de su óxido.




  • Se puede disminuir el punto de fusión del óxido adicionando algún compuesto que forme con el óxido una mezcla de bajo punto de fusión (SiO2 con el OFe resulta en una mezcla con T=1.200oC de punto de fusión).




  • Se puede disolver el óxido en una sal de bajo punto de fusión.

S0LDADURA POR FORJA


  • La soldadura se hace mediante la aplicación de presión a una temperatura elevada, después de que las superficies a unir han sido preparadas adecuadamente.




  • Con el aumento de temperatura se disminuye el límite de fluencia del material, lo que se traduce en un aumento del área de contacto metal-metal para una presión dada.




  • Se debe preparar la superficie de manera de eliminar la mayor cantidad posible de óxido.




  • Puede ocurrir alguno o algunos de estos mecanismos:




  1. El calor aplicado puede fundir al óxido de la capa superficial. En este caso el punto de fusión del óxido debe ser menor que el punto de fusión del metal, como es el caso de los aceros, cuyo óxido funde a 1.421 oC. Esto no puede hacerse con el aluminio dado el alto punto de fusión de su óxido.




  1. Se puede disminuir el punto de fusión del óxido adicionando algún compuesto que forme con el óxido una mezcla de bajo punto de fusión (SiO2 con el OFe resulta en una mezcla con T=1.200oC de punto de fusión).




  1. Se puede disolver el óxido en una sal de bajo punto de fusión.


  • Es importante aplicar la presión en forma radial y comenzando en la parte interna y hacia afuera de manera de que las partículas de óxidos fundidos y remanentes puedan ser despedidos.




  • Debe existir una deformación plástica considerable para que la soldadura sea eficiente.




  • En este proceso se observa una zona afectada por el calor bien extensa y la tasa de enfriamiento es de moderada a lenta.


En cualquier caso, es importante aplicar la presión en forma radial y comenzando en la parte interna y hacia afuera de manera de que las partículas de óxidos fundidos y remanentes puedan ser despedidos. Es importante que exista una deformación plástica considerable para que la soldadura sea eficiente.
En este proceso se observa una zona afectada por el calor bien extensa y la tasa de enfriamiento es de moderada a lenta. Cuando se sueldan materiales trabajados en frío, aparecerá una zona de recristalización en la zona afectada por el calor. Ver Fig. 2

2.1.3.- Soldadura por resistencia eléctrica:
La soldadura por resistencia eléctrica es un proceso en el cual el calor es generado por el paso de una corriente eléctrica a través de la interfase a ser unida.
La generación de calor ocurre por lo siguiente: cuando se ponen en contacto dos superficies metálicas, bajo una cierta presión P, el área de contacto real es prácticamente óxido-óxido y solamente una pequeña fracción de este contacto tiene carácter metálico. Dado que los óxidos no son conductores de la


SOLDADURA POR RESISTENCIA ELECTRICA


  • La soldadura por resistencia eléctrica es un proceso en el cual el calor es generado por el paso de una corriente eléctrica a través de la interfase a ser unida.




  • La interfase posee una resistencia llamada “resistencia de contacto”, mucho mayor que la del metal o metales a soldar (por la presencia de los óxidos), ocasionando una generación de calor máxima justamente en la intercara.




  • Dada la relación del calor generado en un conductor en función de su resistencia, la intensidad de corriente que por él pasa y el tiempo: q = I2 x R x t, en la intercara se espera una generación de calor de 106 veces mayor comparado con el calor de la zona alejada de la soldadura.




  • Otro efecto importante es la variación de la resistividad del metal con la temperatura, la cual aumenta con la misma. A su vez, la resistencia del material también aumentará con la temperatura: R = L/A.

PROCESOS QUE UTILIZAN EL PRINCIPIO DE RESISTENCIA ELECTRICA

Soldadura por puntos


  • Se usa para unir partes metálicas de menos de 3 mm de espesor. El botón tiene un tamaño aproximado de 5 a 10 mm.




  • Los materiales usados para los electrodos deben ser dúctiles para incrementar la zona de contacto metal-metal y deben poseer una conductividad eléctrica alta. Se pueden dividir en dos grupos: 1) aleaciones basadas en cobre y 2) compuestos metálicos refractarios (Cu y W). Para disminuir el desgaste de los electrodos, se hace necesario su refrigeración con agua mediante canales internos.




  • Los electrodos deben diseñarse de manera que el flujo de corriente en las piezas a unir sean iguales:


A1/A2 = (k2 x l1)/ (k1 x l2)


  • Las tasas de enfriamiento son muy elevadas (103 oC/seg). Estos hace que sólo es posible soldar materiales con una templabilidad prácticamente nula o muy baja: Aceros de muy bajo % C, aceros inoxidables austeníticos y aluminio.


Soldadura por resistencia eléctrica a tope



  • 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.




  • Se usa en la soldadura de tiras de acero en operaciones con laminadoras, la unión de alambres y la soldadura de partes tubulares.




  • Esta soldadura es rápida e instantánea pero el equipo es costoso.

Soldadura continua



  • Los electrodos se sustituyen con ruedas giratorias y se hace una serie de soldaduras superpuestas a lo largo de la unión.




  • Presenta ciertas limitaciones: el proceso sólo se puede realizar en superficies a lo largo de una línea recta o ligeramente curvada, las esquinas agudas e irregularidades son difíciles de manejar, la deformación inicial forma parte del proceso por lo que se requieren de soportes bien diseñados para sostener el trabajo en la posición correcta.




  • El espaciamiento entre los botones o pepitas de soldadura depende de la velocidad del movimiento de las ruedas de electrodos y la aplicación de la corriente en el proceso (intervalo). En algunos casos, la corriente permanece en un nivel constante por lo que se produce una unión o soldadura continua.




  • Se utiliza en la soldadura de tanques de gasolina, silenciadores de automóviles y otros tipos de recipientes.


electricidad, solamente pasará corriente a través de esos contactos metálicos, en caso de que se imprimiera un voltaje a través de la interfase. Dada las razones antes expuestas, la interfase posee una resistencia llamada “resistencia de contacto”, mucho mayor que la del metal o metales a soldar, ocasionando una generación de calor máxima justamente en la intercara.
En la soldadura de metales, una presión P del orden del 10% del límite de fluencia, el área de contacto metal-metal es del orden de 10-3 veces el área de las piezas a ser soldadas, por lo tanto la densidad de corriente a través de estos puentes es de 103 veces la densidad de corriente de la zona alejada de la intercara. Ver Fig. 3.
Dada la relación del calor generado en un conductor en función de su resistencia, la intensidad de corriente que por él pasa y el tiempo:
q = I2 x R x t (1)

En la intercara se espera una generación de calor de 106 veces mayor comparado con el calor de la zona alejada de la soldadura.
Adicionalmente, otro efecto importante es la variación de la resistividad del metal con la temperatura, la cual aumenta con la misma. Para el acero ésta aumenta su valor 10 veces a 1000oC. La resistividad está relacionada con la resistencia eléctrica (R) del metal, su longitud (L) y su área (A):
R = L/A (2)
A medida que la temperatura aumenta, aumenta la resistencia de la intercara y por lo tanto el calor generado. Sumando todos estos factores, el efecto se traduce en que el metal se funda solamente en la intercara y se produzca el “botón” de soldadura en esa zona.
Existen varios procesos que utilizan el principio de resistencia eléctrica:


  • Soldadura por puntos

  • Soldadura por resistencia eléctrica a tope

  • Soldadura contínua


Soldadura por puntos: Es un proceso en el cual se obtiene la fusión de 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 3 mm o menos, usando una serie de puntos de soldadura donde no se requiere uniones herméticas. El botón de soldadura tiene un tamaño aproximado de 5 a 10 mm.
Los materiales usados para los electrodos deben ser dúctiles para incrementar la zona de contacto metal-metal bajo las presiones del proceso, y deben poseer una conductividad eléctrica alta. Se pueden dividir en dos grupos: 1) aleaciones basadas en cobre y 2) compuestos metálicos refractarios, tales como combinaciones de cobre y tungsteno. Estos últimos son más resistentes al desgaste. Para disminuir el desgaste de los electrodos, se hace necesario su refrigeración con agua mediante canales internos.
Los electrodos deben diseñarse de manera que el flujo de corriente en las piezas a unir sea igual. Esto se logra si las conductancias de ambas piezas son iguales, lo cual se consigue variando las áreas de los electrodos en función del espesor de las láminas a unir (l) y de la conductividad de las mismas (k):
A1/A2 = (k2 x l1)/ (k1 x l2) (3)
El tiempo total del proceso es alrededor de un (1) segundo, lo que significa que las tasas de calentamiento y de enfriamiento son muy elevadas (103 oC/seg). Estos hace que sólo es posible soldar materiales con una templabilidad prácticamente nula o muy baja: Aceros de muy bajo % C, aceros inoxidables austeníticos y aluminio. Ver Fig. 4.
Para este proceso se utiliza una máquina especial llamada soldadora de puntos con balancín y tipo prensa (para espesores más grandes ya que puede aplicar más presión). Ver Fig. 5.
Soldadura por resistencia eléctrica a tope: 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. Adicionalmente al calentamiento por resistencia, se generan ciertos arcos (llamados centelleos) dependiendo del alcance del contacto entre las superfices en contacto. Se usa en la soldadura de tiras de acero en operaciones con laminadoras, la unión de alambres y la soldadura de partes tubulares. Esta soldadura es rápida e instantánea pero el equipo es costoso. Ver Fig. 6.
Soldadura contínua: Los electrodos se sustituyen con ruedas giratorias y se hace una serie de soldaduras superpuestas a lo largo de la unión. Presenta ciertas limitaciones: el proceso sólo se puede realizar en superficies a lo largo de una línea recta o ligeramente curvada, las esquinas agudas e irregularidades son difíciles de manejar, la deformación inicial forma parte del proceso por lo que se requieren de soportes bien diseñados para sostener el trabajo en la posición correcta. Ver Fig. 7 y 8.
El espaciamiento entre los botones o pepitas de soldadura depende de la velocidad del movimiento de las ruedas de electrodos y la aplicación de la corriente en el proceso. Normalmente, la rueda gira a una velocidad constante y la corriente se activa a intervalos de tiempo que coinciden con el espaciamiento deseado en los botones. En algunos casos, la corriente permanece en un nivel constante por lo que se produce una unión o soldadura contínua.
Se utiliza en la soldadura de tanques de gasolina, silenciadores de automóviles y otros tipos de recipientes.


Metalurgia de la soldadura por Resistencia eléctrica: Las transformaciones de fase que ocurren en el caso de soldar un acero no aleado de bajo contenido de carbono son las siguientes (Ver Fig. 9):
1.- Zona de fusión: El metal llega al estado líquido, su constitución es homogénea y las transformaciones de fase que ocurren se pueden predecir en función al ensayo Jominy correspondiente al metal base a soldar. Si la curva Jominy muestra alguna tendencia a formar martensita, esta se formará con toda seguridad dada la alta velocidad de enfriamiento. En este caso la soldabilidad de la unión es nula dada la alta fragilidad de dicha fase. En caso de que la curva Jominy no muestre tendencia a formar martensita, se formará una estructura perlítica con granos finos orientados en forma perpendicular a la superficie de fusión. Los óxidos presentes en la intercara se fundirán y se solidifican en forma globular y dispersa en todo el botón de soldadura.
2.- Línea de fusión: Las transformaciones son iguales a las que ocurren en los puntos cercanos a la zona afectada por el calor.
3.- Zona afectada por el calor: Se pueden identificar dos subzonas: la zona más cercana al botón donde se logró alcanzar una austenización homogénea y completa y la zona un poco más alejada donde la austenización fue parcial y no homogénea. En la primera subzona la microestructura final es perlita con grano circular parecido al metal base. En la otra subzona la austenita, que es de composición eutectoide y a la cual no se le dio tiempo para que se homogenizara, se transforma como si fuera una acero 1080 de composición eutectoide. Este acero es templable y a las tasas de enfriamiento normales de este proceso se forma martensita. Esta se formará en pequeñas cantidades en los bordes de la zona afectada por el calor. En el caso de que el metal base este trabajado en frío, habrá una zona de recristalización, una banda angosta en la frontera con el metal base.

Metalurgia de la soldadura por Resistencia eléctrica

1.- Zona de fusión:
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