Historical Description

The term 'welding' can be defined as the mechanically strong joining of two or more different metal pieces. The earliest manifestation of this, although not closely related to modern systems, dates back to the beginnings of weapon manufacturing. Iron pieces to be joined were heated until reaching a plastic state, making them easily deformable by successive blows. Through continuous hammering, one piece was made to penetrate the other. After repetitive heating operations followed by intense hammering, a satisfactory union was achieved. This method, called 'forge welding,' was used until not long ago, limited to forgeable steel pieces of simple design and small size.

Various metal pieces that need to be permanently fixed together must undergo a process that provides the strongest possible unions. This is where welding systems play a crucial role.

The heat required to join two metal pieces can be obtained through different means. We can define two major groups: heating systems using the combustion of various gases with oxygen (known as gas welding), and those using electrical energy (induction, arc, spot, etc.).

The unions achieved through any type of welding are executed by employing a heat source (a flame, an induction system, an electric arc, etc.).

To fill the joints between the pieces or parts to be welded, filler rods are used, called filler material or electrodes, made of different alloys according to the metals to be joined. In welding, the two or more metal pieces are heated along with the filler material to a correct temperature, then they flow and melt together. Upon cooling, they form a permanent joint. The resulting weld is as strong as or stronger than the original material of the pieces, provided it's done correctly.

Historical Review

Determining with precision the exact country and time when certain welding techniques were developed proves challenging as experimentation occurred simultaneously and continuously across different locations. While metalwork has existed for centuries, the methods as we know them today date back to the beginning of this century.

In 1801, the Englishman Sir H. Davy discovered the ability to generate and maintain an electric arc between two terminals.

In 1835, E. Davey in England discovered acetylene gas, but its manufacturing was costly at that time. It wasn't until 57 years later (1892) that the Canadian T. L. Wilson discovered an economical production method. In 1895, the Frenchman H. E. Chatelier discovered the combustion of oxygen with acetylene, and in 1900, the Frenchmen E. Fouch and F. Picard developed the first oxyacetylene torch.

In 1881, the Frenchman De Meritens successfully welded various metal pieces using an electric arc between carbons, using lead accumulators as a power supply. This was the starting point for many experiments to try replacing forge welding with this new system. The significant difficulty in forging ferrous materials with high carbon content (steels) prompted various research efforts by Russian engineers S. Olczewski and F. Bernardos, which succeeded only in 1885. In that year, a fusion union at a defined point of two metal pieces was achieved. Direct current was used, producing an arc from the tip of a carbon rod (connected to the positive pole) to the pieces to be joined (connected to the negative pole). This arc produced sufficient heat to cause the fusion of both metals at the junction, mechanically bonding as they cooled.

The operator started the welding process by placing the carbon electrode, equipped with an insulated handle, on the part to be welded until sparks were produced, then withdrawing it to form a continuous electric arc. To achieve this effect, a sufficient potential difference had to be applied to maintain the electric arc at a relatively small distance. Once the metals fused at the initial contact point, the electrode began translating towards the opposite end, following the contours of the metals to be joined, at a uniform translation speed, while maintaining a constant arc length—equivalent to keeping the distance between the electrode and the piece constant.

Experiments conducted to determine the optimal working conditions for achieving a defect-free metal union confirmed that metal could be cut or perforated at desired locations using the electric arc.

The welding work performed was inefficient as it was challenging to control the electric arc, given its irregular generation. Continuing trials to obtain better results led to conclusive success by reversing the polarity of the electrodes (piece connected to the positive). This change made the arc generate not from any point on the carbon electrode but only from the tip, specifically in the same plane as the junction. The behavior of the arc, depending on the chosen polarity, led the German physicist, Dr. H. Zerener, in 1889, to experiment with a type of welding by generating an electric arc between two carbon electrodes. As good arc stability was not achieved under these conditions, he added an electromagnet, which acted on it, directing it magnetically in the desired direction. This created a blowing effect on the electric arc. For this reason, this type of welding was termed 'blown arc welding,' finding interesting applications in automatic processes for thin plates. The arc flow was easily regulated by varying the excitation current Ie of the electromagnet, thereby changing the produced magnetic field (Fig. 1.1). The resulting electric arc was highly stable. The two carbon electrodes (1) and the electromagnet (2) were part of a single portable unit.

The metal used as filler came from a third metal rod (3), positioned below the arc, closer to the piece. With the heat produced, the base metal (5) melted together with the filler rod, generating the union (4).

This system was industrially used for the first time in 1899 by the Lloyd & Lloyd company of Birmingham (England) to weld 305 mm diameter iron pipes, which, once welded, could withstand a hydraulic test of 56 atmospheres.

They worked using three dynamos of 550 Amperes each and with a potential of 150 Volts, which charged a battery of 1,800 Plantè accumulators, intended to provide strong current in a short period.

In the United States, in 1902, the first factory to industrially employ arc welding with carbon electrodes was The Baldwin Locomotive Works.

The excessive consumption of carbon electrodes and the desire to simplify welding equipment led the Russian engineer N. Slavianoff to replace carbon electrodes with metal electrodes in 1891 (fig. 1.2). This change improved metal unions (at a metallographic level) by avoiding the inclusion of carbon particles (contributed by the previously used electrodes) in the mass of molten metal, which were then retained upon solidification.

The Slavianoff method, with some technical improvements implemented in 1892 by the American C. L. Coffin (who managed to develop the spot welding method), has been used to date and is the arc welding known today. Following Slavianoff's determinations, carbon and/or metallic electrodes continued to be used indiscriminately.

In 1910, the carbon electrode was definitively abandoned. Uncoated iron electrodes began to be used, but deficient results were obtained due to their low tensile strength and reduced ductility.

The harmful action of the atmosphere (oxidation accelerated by heating) on the uncoated electrodes during arc formation led researchers to attempt to solve these issues. One of the initial experiments to avoid this problem was due to trials conducted by Alexander, who thought of eliminating the harmful action of the oxygen surrounding the arc by causing it to occur in a protective gas atmosphere (fig. 1.3 on page 5). This image shows the base metal to be welded (1), the electrode holder with the located electrode (2), and the gas supply (3). Alexander experimented with various gases, achieving good results with methanol, but it required complex equipment, making it less feasible. Returning to and modifying Alexander's original idea, in 1907, O. Kjellberg coated the electrodes with agglomerated refractory material, surrounding the electrode with a solid substance having the same melting point as the filler metal.

Upon the occurrence of the electric arc, both would simultaneously melt, forming a slag over the molten metal, providing adequate protection against ambient oxygen during the cooling stage. In 1908, N. Bernardos developed an electroslag system that became very popular at that time.

The fusible electrodes were further improved in 1914 by their creator, the Swede O. Kjellberg, together with the Englishman A. P. Strohmenger. They consisted of a rod of a metallic alloy (filler metal) and a special asbestos-based coating, much like those used today (fig. 1.4).

In 1930, Americans H. M. Hobart and P. K. Devers developed the inert gas welding system, and based on this, Dr. Irving Langmuir devised atomic hydrogen welding. In this process, the arc occurs between two insoluble tungsten electrodes in a hydrogen atmosphere blown over the arc. Figure 1.5 shows the power source (5), the provision of pressurized hydrogen (4), the tungsten electrodes (3), the filler material (2), and the material to be welded (1). Through thermal action, molecular hydrogen decomposes into atomic hydrogen, which reverts to its original state once it passes through the arc, transferring the heat of recombination to the parts being welded. This method is currently used to weld thin sheets.

A variation of the previous system was developed in 1942 by the American R. Meredith (the creator of the TIG torch) and in 1948 by various engineers (the development of the MIG system), which includes arc welding in a helium or argon atmosphere, both inert gases that remove oxygen from the welding area. In these cases, the gas surrounds the tungsten electrode, while an electrode or rod (if necessary) provides the filler or reinforcement metal (fig. 1.6).

This system is used successfully to weld magnesium alloys and some lightweight alloys.

Advances in the electronics industry allowed these advancements to be used to develop resistance welding (butt, continuous, and spot welding); induction welding for heat-conducting materials; dielectric welding for non-conductive materials, and finally, alumino-thermic welding, which is a combination of a heating system with the Slavianoff procedure.

The variety of industrial applications of welding systems reached a level where they have replaced traditional forging and riveting in most cases. Not only did it mean a simpler and faster operation, but eliminating riveting helped reduce the weight of metal constructions by simplifying their structures. Welding ensures a significant cost reduction compared to previously used construction and repair methods. Problems with sealing and rigidity have been solved, eliminating vibrations (difficult to resolve in riveted joints).

Electric welding used today was unknown at the end of the last century. Many circumstances influenced the extraordinary development it acquired. The arms race potentiated the development in scientific and technical research centers, studies that materialized in innovations used by different countries during the Second World War.

La soldadura se define como la unión mecánicamente resistente de dos o más piezas metálicas diferentes. Aunque sus orígenes se relacionan con la fabricación de armas, poco tienen en común con los sistemas modernos. En aquel entonces, se calentaban trozos de hierro hasta volverlos plásticos, facilitando su deformación mediante golpes sucesivos. Se lograba la unión al penetrar una parte de una pieza dentro de la otra mediante golpeteos continuos. Este método, llamado 'caldeado', se utilizó hasta hace poco, restringiéndose a piezas de acero forjable, de diseño simple y tamaño reducido.

Para lograr uniones permanentes entre varios trozos o piezas metálicas, es necesario someterlos a un proceso que garantice una unión sólida. Aquí es donde entran en juego los diferentes sistemas de soldadura.

El calor necesario para unir dos piezas metálicas puede obtenerse de diversas formas, principalmente a través de sistemas de calentamiento por combustión con oxígeno (soldadura por gas) o por medio de energía eléctrica (inducción, arco, punto, etc.).

En todos los tipos de soldadura, se utiliza una fuente de calor (llama, sistema de inducción, arco eléctrico, etc.) para ejecutar la unión entre las piezas o partes.

Se emplean varillas de relleno, conocidas como material de aporte o electrodos, hechas con diversas aleaciones, según los metales a unir. Durante la soldadura, se calientan las piezas junto con el material de aporte hasta alcanzar la temperatura adecuada, permitiendo que se fundan y se unan. Al enfriarse, forman una unión permanente. Si la soldadura se realiza correctamente, la unión resultante es igual o más fuerte que el material original de las piezas.

La determinación precisa del origen y desarrollo de ciertas técnicas de soldadura específicas en un país y momento concretos resulta desafiante debido a la experimentación simultánea y continua en diversos lugares. Aunque el trabajo con metales existe desde hace siglos, los métodos tal como los conocemos hoy datan desde principios de este siglo.

En 1801, Sir H. Davy, un inglés, descubrió la capacidad de generar y mantener un arco eléctrico entre dos terminales. En 1835, E. Davey, en Inglaterra, descubrió el gas acetileno, pero su fabricación era costosa. Fue solo 57 años después, en 1892, cuando el canadiense T. L. Wilson encontró un método económico para producirlo. En 1895, el francés H. E. Chatelier descubrió la combustión del oxígeno con el acetileno, y en 1900, los también franceses E. Fouch y F. Picard desarrollaron el primer soplete de oxiacetileno.

En 1881, el francés De Meritens logró soldar con éxito diversas piezas metálicas usando un arco eléctrico entre carbones y acumuladores de plomo como fuente de corriente. Este fue el punto de partida para experimentos que intentaban reemplazar el caldeado en fragua por este nuevo sistema. La dificultad para forjar materiales ferrosos con alto contenido de carbono llevó a investigaciones exitosas de ingenieros rusos, S. Olczewski y F. Bernardos, en 1885. En ese año, lograron la fusión de dos piezas metálicas en un punto definido utilizando corriente continua, generando un arco desde la punta de una varilla de carbón conectada al polo positivo hacia las piezas conectadas al polo negativo. Este arco producía suficiente calor para fundir ambos metales en el plano de unión, creando una unión mecánica al enfriarse.

El operario iniciaba la soldadura al acercar el electrodo de carbón a la parte a soldar hasta generar chispas, y luego lo alejaba para formar un arco eléctrico continuo. Mantener una diferencia de potencial adecuada era clave para sostener el arco eléctrico a una distancia precisa. Después de fundir los metales en el punto de contacto inicial, el operario movía el electrodo hacia el extremo opuesto, siguiendo el contorno de los metales a unir a una velocidad uniforme, manteniendo constante la longitud del arco, lo que equivalía a mantener fija la distancia entre el electrodo y la pieza.

Las pruebas para determinar las condiciones óptimas para una unión metálica sin defectos confirmaron que el arco eléctrico podía cortar o perforar metal en puntos deseados.

Inicialmente, los intentos de soldadura no fueron eficientes debido a la dificultad para controlar el arco eléctrico, que se generaba de forma irregular. Experimentando para mejorar los resultados, se logró un éxito al invertir la polaridad de los electrodos, lo que hizo que el arco solo se generara desde la punta del electrodo de carbón, en el mismo plano de la unión. En 1889, el físico alemán H. Zerener intentó una soldadura mediante un arco eléctrico entre dos electrodos de carbón. Agregó un electroimán para dirigir el arco magnéticamente y generar un efecto de soplado, denominando este método como soldadura por arco soplado. Este método encontró aplicaciones interesantes en procesos automáticos para chapas delgadas. La regulación del arco se lograba variando la corriente del electroimán, controlando así el campo magnético (fig. 1.1). El arco eléctrico resultante era altamente estable, y los dos electrodos de carbón (1) y el electroimán (2) formaban un conjunto portátil.

Fig. 1.1 Blown Arc Welding (Zerener Method) - Soldadura por arco soplado (Método Zerener)

El metal de aporte provenía de una tercera varilla metálica (3), colocada debajo del arco, más cerca de la pieza. El calor fundía el metal base (5) junto con el aporte de la varilla, creando la unión (4).

En 1899, la firma Lloyd & Lloyd de Birmingham (Inglaterra) utilizó este sistema industrialmente por primera vez para soldar tubos de hierro de 305 mm de diámetro, capaces de soportar una prueba hidráulica de 56 atmósferas.

En los Estados Unidos, en 1902, The Baldwin Locomotive Works se convirtió en la primera fábrica en utilizar industrialmente la soldadura por arco con electrodo de carbón.

El alto consumo de electrodos de carbón y el deseo de simplificar los equipos de soldadura llevaron al ingeniero ruso N. Slavianoff, en 1891, a reemplazar los electrodos de carbón por electrodos de metal (fig. 1.2). Este cambio mejoró las uniones metálicas al evitar la inclusión de partículas de carbón en la masa de metal fundido, como ocurría con los electrodos de carbón anteriormente utilizados.

Fig. 1.2- Arc Welding with Metal Electrodes - Soldadura por arco con electrodos metálicos

El método Slavianoff, con mejoras técnicas implementadas en 1892 por el estadounidense C. L. Coffin (quien desarrolló el método de soldadura por puntos), ha sido utilizado hasta la fecha y es el arco conocido en la actualidad. A partir de las determinaciones de Slavianoff, se continuó utilizando tanto electrodos de carbón como metálicos.

Fig. 1.3 - Arc Welding with Gas Atmosphere (Alexander Method) - Soldadura por arco con atmósfera de gas (Método Alexander).

En 1910, se dejó de utilizar el electrodo de carbón de forma definitiva. Se comenzaron a emplear electrodos de hierro sin recubrimiento, pero los resultados fueron deficientes debido a su baja resistencia a la tracción y su escasa ductilidad.

La atmósfera perjudicial (oxidación acelerada por el calor) sobre los electrodos sin recubrimiento durante la formación del arco llevó a los investigadores a buscar soluciones. Uno de los primeros intentos para evitar este problema fue realizado por Alexander, quien propuso eliminar la acción dañina del oxígeno que rodeaba al arco, haciendo que este se produjera en una atmósfera de gas protector . La figura muestra el metal base a soldar (1), el portaelectrodo con el electrodo ubicado (2) y el suministro de gas (3). Alexander experimentó con varios gases y obtuvo buenos resultados con el metanol, pero su uso requería un equipamiento complejo, haciéndolo poco práctico. Retomando y modificando la idea de Alexander, en 1907, O. Kjellberg recubrió los electrodos con material refractario aglomerado, rodeándolos con una sustancia sólida que tenía el mismo punto de fusión que el metal de aporte.

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Fig. 1.4 Metal Electrode with Coating in Action. - Electrodo metálico con recubrimiento en plena acción

Cuando se generaba el arco eléctrico, ambos materiales se fundían simultáneamente, creando una capa sobre el metal fundido para brindar la protección adecuada.

Fig. 1.5 - Atomic Welding with H2 Atmosphere (Langmuir Method) - Soldadura atómica con atmósfera de H2 (Método Langmuir)

En 1930, los estadounidenses H. M. Hobart y P. K. Devers desarrollaron el sistema de soldadura con gas inerte, del cual el doctor Orving Langmuir ideó la soldadura atómica de hidrógeno. En este método, el arco se genera entre dos electrodos de tungsteno insolubles, en una atmósfera de hidrógeno soplando sobre el arco. La figura 1.5 muestra la fuente eléctrica (5), el suministro de hidrógeno a presión (4), los electrodos de tungsteno (3), el material de aporte (2) y el material a soldar (1). Por la acción térmica, el hidrógeno molecular se descompone en hidrógeno atómico, que vuelve a su estado original al atravesar el arco, transfiriendo el calor de recombinación a las piezas a soldar. Este método se utiliza actualmente para soldar chapas delgadas.

Fig. 1.6 Scheme of a Welding System under a Protective Gas - Esquema de un sistema de soldadura bajo gas protector.

Una variante de este sistema fue desarrollada en 1942 por el norteamericano R. Meredith (inventor del soplete para TIG) y en 1948 por varios ingenieros (desarrollando el sistema MIG), involucrando soldaduras por arco en atmósferas de helio o argón, gases inertes que alejan el oxígeno de la zona de soldadura. En estos casos, el gas rodea al electrodo de tungsteno, mientras un electrodo o varilla (si es necesario) proporciona el metal de aporte o relleno (fig. 1.6). Este sistema se utiliza con éxito para soldar aleaciones de magnesio y algunas aleaciones ligeras.

Los avances en la industria electrónica permitieron utilizar estos adelantos para desarrollar la soldadura por resistencia (a tope, continua y por puntos); la soldadura por inducción para materiales conductores de calor; la soldadura dieléctrica para los no conductores; y finalmente, la alumino-térmica, que es una combinación del procedimiento Slavianoff con un sistema de calentamiento.

La variedad de aplicaciones industriales de los sistemas de soldadura ha llegado a un punto en el que, en la mayoría de los casos, han reemplazado al tradicional forjado y remachado. Esto no solo representa una operación más simple y rápida, sino que también ha permitido reducir el peso de las estructuras metálicas al simplificar su construcción. La soldadura ha garantizado una reducción de costos significativa en comparación con los métodos de construcción y reparación utilizados en el pasado. Además, se han solucionado problemas de estanqueidad y rigidez, eliminando las vibraciones que eran difíciles de resolver en las uniones remachadas.

La soldadura eléctrica, que se usa actualmente, era desconocida a finales del siglo pasado. Varios factores contribuyeron al extraordinario desarrollo que ha experimentado. La carrera armamentista impulsó la investigación científica y técnica en los centros de investigación, estudios que se materializaron en innovaciones utilizadas por diferentes países durante la Segunda Guerra Mundial.

Figure : MIG welder