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Introducción a los métodos de soldadura

La soldadura es un proceso crítico para nuestro estado presente y de avance técnico de la civilización, poco entendida todavía y muchas veces dada por hecho. A no ser que una persona esté expuesta al negocio de la construcción, maquinaria o del automóvil, la persona promedio nunca se da cuenta cuánto depende del proceso de soldadura, que es una parte fundamental del proceso de construcción de mucho de lo que dependemos diariamente, incluyendo vehículos, edificios, artefactos domésticos, puentes y muchas  cosas mas.  De hecho, una vez que uno comienza a examinar los objetos alrededor nuestro, es difícil imaginar nuestro mundo sin el proceso de soldadura.

Hablando arquitectónicamente, todos podríamos estar viviendo en una habitación única de madera y ladrillos de adobe si no fuera por la soldadura. Ciertamente todas las estructuras comerciales y residenciales están hechas con un considerable “esqueleto” de acero estructural soldado, y aún muchas casas para familia única de estructura de madera están construidas usando algunos componentes soldados, aún hasta partes tales como cajas de salida de electricidad en las paredes. Cualquiera que haya observado el progreso de construcción de una mejora de una autopista importante como un túnel o un puente ha observado los soldadores con casco, héroes desconocidos del proceso de construcción,  rociando una lluvia de chispas desde lo alto sobre un andamio mientras unen metales para mantener partes críticas.

Por ejemplo, en el mundo del automóvil, hay un campo donde la construcción y las reparaciones hechas por soldadores son absolutamente esenciales, de hecho, esenciales para virtualmente todas las formas de transporte, desde bicicletas hasta autos, camiones, trenes, aviones y vehículos espaciales. Aun si pudiéramos volver atrás antes que los “carruajes sin caballos” fueran inventados en el siglo XIX, necesitaríamos aún alguna forma de soldadura para retornar al transporte arrastrado por caballos, en los estribos soldados para ensillar y los componentes del vehículo.

La soldadura es un proceso técnico con el cual nuestra sociedad actual no puede vivir. La soldadura tiene sus antiguos orígenes en los fuegos o forjas de los herreros, que podían forjar dos piezas juntas de metal  al calor blanco con golpes de martillo y paciencia. Luego fue un hecho histórico que nos haya llegado la electricidad y los gases envasados para las técnicas de soldadura que se desarrollaron con posterioridad.

En un momento, la definición simple de soldadura fue “unir metales a través del calentamiento hasta un estado de fusión y fusionarlos entre sí”. A medida que el progreso técnico en la soldadura avanzó, la definición debió cambiar.

Existe en la actualidad dos formas básicas de soldadura: por fusión y no fusión. La primera es la mas común, y la misma involucra la fundición de dos metales base de soldadura que se unen. No todas las soldaduras en la actualidad involucran fusión. La soldadura sin fusión es representada mas comúnmente por la soldadura con estaño o bronce, dos procesos de unión de metales donde el metal base es calentado, pero no fundido, y un segundo metal de “aporte” es fundido entre los mismos, formando una unión fuerte cuando la pieza se enfría.

Solo con la presión y la fricción se pueden unir dos metales entre sí, como el caso en que un maquinista rebaja una pieza de metal en un torno. Con frecuencia las virutas de metal pueden llegar a soldarse a la pieza de corte, lo que es un simple ejemplo de un proceso que puede ser usado en el trabajo de producción en la unión de metales. Otros tipos de soldadura “fría” pueden involucrar en la actualidad el sonido y la luz, como en la soldadura sónica y la soldadura por laser.

Hoy el término “soldadura” ha sido incluso aplicado a los procesos de unión de materiales no metálicos, tales como la soldadura plástica que a veces implica una fusión de materiales como resultado de la acción química. De chicos, todos nosotros jugábamos con modelos plásticos que construíamos usando “pegamentos” con los cuales reaccionarían y luego “pegarían entre sí” las dos piezas que estábamos uniendo.

Para la definición actual de soldadura que comprenda todos estos casos, la misma se debería leer como “la unión de metales y plásticos sin el uso de aparatos de fijación”.

El principio mas básico del proceso de soldadura es unir dos piezas de metal entre sí ( o al menos dos bordes de la misma pieza, en el caso de reparar una rotura). Esto es generalmente llevado a cabo mediante el calentamiento de los metales a ser unidos hasta que se vuelvan líquidos o fundidos y los dos bordes se fusionen entre sí. Con mayor frecuencia, la unión completa de dos bordes de metales es llevada a cabo fundiendo un nuevo metal sobre la unión al mismo tiempo. El nuevo metal agregado para formar una junta soldada fundida es llamado metal  de aporte, mientras que las piezas originales que se unen son llamadas metal base. En conjunto los mismos forman un cordón de soldadura ( weld bead) de aporte y metal base que es usualmente mas grueso que el metal base. Dependiendo de la experiencia del soldador y del tipo de soldadura, dos piezas de metal pueden ser unidas de tal manera que una pequeña cantidad de aporte o lijado del cordón de soldadura, y la unión es virtualmente indetectable, un aspecto importante al hacer reparaciones de la carrocería del automóvil.

Lleva una tremenda cantidad de calor localizado para soldar metales entre sí, y el control del calor es un elemento fundamental en la propiedad de la soldadura. Cada material tiene su punto de fusión específico, y para hacer una soldadura usted necesita calentar el material, pero no mas allá de ese punto.

El calor requerido para derretir el metal lo suficiente como para llegar al punto de fusión puede ser alcanzado de varias maneras, pero las mas comunes para situaciones en el hogar/taller serán generadas tanto por una llama como por algún uso de corriente eléctrica. La fuente tradicional en la soldadura ha sido la antorcha de oxiacetileno, mientras que la electricidad es ahora usada en la mayoría de los otros métodos, tales como la soldadura por arco, soldadura MIG y soldadura TIG.

Una cosa en común a todas las formas de soldadura es que el material de aporte debe ser compatible con el material base, y todos los esfuerzos deben ser hechos para llevar a cabo una soldadura “limpia”, libre de contaminantes externos que pudieran debilitar la junta. Si usted está soldando aluminio, la varilla de aporte debe ser aluminio, una varilla de aporte inoxidable debe ser usada para soldar aceros inoxidables y varillas de acero son usadas sobre acero. En soldadura con gas, la limpieza de la soldadura es controlada por el correcto ajuste de la llama de la antorcha y la limpieza de los dos extremos del metal base. En soldadura eléctrica, una “nube” de gas inerte es formada justo encima del área de soldadura que mantiene alejado al oxígeno o las impurezas que pueden contaminar la soldadura. El gas de protección es generado de varias maneras, dependiendo del tipo de equipamiento.

Procesos de soldadura por fusión

La soldadura por fusión es un proceso de unión que usa la fusión del metal base para llevar a cabo la soldadura. Los tres tipos principales de soldadura por fusión son los siguientes:

  1. por gas

Soldadura por oxiacetileno (Oxyacetylene welding,  su sigla en Inglés : OAW)

  1. por arco:

Soldadura de metal por arco protegido (Shielded metal arc welding (SMAW))
Soldadura de arco con gas-tugsteno (Gas–tungsten arc welding (GTAW))
Soldadura de arco de plasma (Plasma arc welding (PAW))
Soldadura de arco protegido por gas (Gas–metal arc welding (GMAW))
Soldadura de arco con núcleo de fundente (Flux-cored arc welding (FCAW))
Soldadura de arco sumergido (Submerged arc welding (SAW))
Soldadura de electroescoria (Electroslag welding (ESW))

  1. Soldadura por haz de alta energía

Soldadura por haz de electrones (Electron beam welding (EBW))
Soldadura por haz laser (Laser beam welding (LBW))

Las fuentes de calor para los procesos de soldadura de gas, arco, y haz de alta energía son una llama de gas, un arco eléctrico y un haz de alta energía respectivamente. La densidad de potencia se incrementa a partir de la llama de gas hasta un arco eléctrico y un haz de alta energía.

La porción del material de trabajo expuesto a una llama de gas se calienta tan lentamente que, antes de que ocurra la fusión, una gran cantidad de calor es ya conducida fuera del bloque de la pieza de trabajo. Un calentamiento excesivo puede producir daños a la pieza de trabajo, incluyendo la debilitación y la distorsión. Por el contrario, el mismo material expuesto a un rayo laser o de electrones fuertemente enfocado puede fundir o aún vaporizar una parte para formar una perforación profunda instantáneamente, y antes de que mucho calor haya sido conducido fuera del bloque de la pieza de trabajo, la soldadura ya estará completada.

La superficie de la soldadura es llamada la cara, las dos junturas entre caras y la superficie de la pieza de trabajo son llamadas las intersecciones de soldadura ( “toes” en Inglés), y la porción de la soldadura mas allá de la superficie de la pieza de trabajo es llamado refuerzo o sobremonta.

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Figura - Soldadura de oxiacetileno: (a) proceso total; (b) ampliación del área de soldadura

Sodadura con acetileno.

La soldadura con gas es un proceso de soldadura que funde y une metales calentándolos mediante una llama causada por la reacción entre un gas combustible y oxígeno. La soldadura con oxiacetileno es el proceso de soldadura por gas mas usado comúnmente debido a su elevada temperatura de llama. Un fundente decapante puede ser usado para desoxidar y limpiar el metal de soldadura. El fundente funde, solidifica y forma una capa de escoria sobre el metal soldado.

Fundente : Es un material usado para obstruir o prevenir la formación de óxidos y otras substancias no deseadas en el metal fundido o sobre superficies de metal sólido, y para disolver o de otra manera facilitar la remoción de tales sustancias.

Oxígeno. El oxígeno no es inflamable pero el mismo mantiene la combustión de materiales inflamables.  El mismo puede iniciar la combustión y acelerarla vigorosamente. Por lo tanto, los cilindros de oxígeno  y los contenedores de oxígeno no deberán ser almacenados en las proximidades de combustibles o con cilindros de gas combustible. El oxígeno nunca debe ser usado como sustituto del gas comprimido, por ejemplo, para alimentar herramientas de gas comprimido, dado que las mismas casi siempre están lubricadas con aceite.

Es muy peligroso usar aceite o grasa con oxígeno en los cilindros o reguladores debido a que el contacto con el oxígeno de estos compuestos hace que se produzca su ignición en forma espontánea.  Es una práctica peligrosa usar o almacenar cilindros de oxígeno donde el aceite y el oxígeno estén juntos. Además, es peligroso intentar usar cilindros que han contenido productos derivados del petróleo para el oxígeno, debido a que contendrán una cierta cantidad de depósito aceitoso residual. Sólo dispositivos que han sido fabricados expresamente para el oxígeno deberán ser usados, y las especificaciones del fabricante deberán ser seguidas. Los gases combustibles normalmente usados en la soldadura y corte por oxicombustible son el acetileno, gas natural, MPS, propano y propileno.

El hidrógeno es usado en unas pocas aplicaciones. El gasoleno es a veces usado como combustible para corte por oxígeno. Los gases deben ser siempre designados por su nombre correcto.

Acetileno. Los cilindros de acetileno deben ser manejados cuidadosamente. Estos no deben nunca se usados a presiones sobre los 100 kPa (15 psi). Si es calentado, el gas en el cilindro podría volverse inestable; si es golpeado, una explosión podría ocurrir.

Como medida de seguridad, los cilindros son equipados con tapones fusibles de seguridad que se funden a 99 C (210°F). Por lo tanto, si los cilindros de acetileno quedan en un incendio, los tapones fusibles deberían dejar escapar la presión interna en lugar de dejar que la presión se eleve y cause una explosión.  El acetileno y el MPS nunca deben ser usados en contacto con la plata, mercurio o aleaciones que contengan 70% o mas de cobre. Estos gases reaccionan con estos metales para formar compuestos inestables que pueden detonar bajo choques o calor.  Las válvulas sobre los cilindros de gas combustible nunca deben ser abiertas para limpiar la salida de la válvula, especialmente no cerca de posibles fuentes de ignición de llama o en espacios confinados.

Cuando los gases combustibles son usados para una atmósfera de horno de soldadura de latón o bronce, los mismo deben ser quemados o venteados hacia una ubicación segura. Antes de llenar un horno o retorta con gas combustible, el equipo debe primero ser purgado con un gas no inflamable, como es el caso del nitrógeno o argón, para prevenir la formación de una mezcla explosiva de aire-combustible.  Especial atención debe ser tomada al usar hidrógeno.  Las llamas de hidrógeno pueden ser difíciles de ver y partes de cuerpo, ropa o combustibles pueden ponerse en contacto con las llamas del hidrógeno sin el conocimiento del operario.

Gases de protección. El argón, helio, nitrógeno y dióxido de carbono (CO2) son usados para protección con algún proceso de soldadura. Todos, excepto el CO2, son usados en atmósferas de soldadura con bronce. Son inodoros e incoloros y son peligrosos debido a que pueden desplazar el aire necesarios para la respiración.

Los espacios cerrados llenos de estos gases deben ser bien ventilados antes de que el personal ingrese a los mismos. Si hay algún interrogante, es espacio debe ser verificado primero para ver la concentración  adecuada de oxígeno con un analizador de oxígeno. Si un analizador no está disponible, un respirador con suministro de aire deberá ser colocado por cualquiera que entre al espacio. Los contenedores de estos gases no deberán ser almacenados en espacios confinados.

Ventajas y desventajas

La principal ventaja del proceso de soldadura por oxiacetileno es que el equipo es simple,  portátil y económico. Por lo tanto, este es conveniente para aplicaciones de mantenimiento y reparación. Sin embargo, debido a su limitada densidad de potencia, la velocidad de soldadura es muy baja y el ingreso de calor total por unidad de longitud de soldadura es mas bien elevado, resultando en grandes zonas afectadas por el calor y una severa distorsión. El proceso de soldadura por oxiacetileno no es recomendado para soldar metales reactivos tales como el titanio y zirconio debido a su poder de protección limitado.

Figura – Soldadura por arco de metal protegido: (a) proceso total; (b) área de soldadura ampliada

Soldadura por arco de metal cubierto

La soldadura por arco de metal cubierto es un proceso que funde y une metales calentándolos con un arco establecido entre un electrodo tipo varilla cubierto  y los metales, como se muestra en la figura al costado. Es llamado comúnmente soldadura con varilla electrodo. El soporte del electrodo está conectado a través de un cable de soldadura a un terminal de la fuente de alimentación y la pieza de trabajo está conectada mediante un segundo cable al otro terminal de la fuente de alimentación.

El núcleo del electrodo recubierto, el alambre electrodo, conduce la corriente eléctrica al arco y proporcional el metal de aporte para la unión. Para formar el contacto eléctrico, la parte superior de 1,5 cm del alambre de núcleo del electrodo está desnudo y mantenido al soporte del electrodo. El soporte de electrodo es esencialmente una mordaza tipo tenaza con una cobertura como aislación eléctrica  para que el soldador la manipule con seguridad.

El calor del arco produce que tanto el alambre de núcleo  como el fundente que recubre la punta del electrodo se fundan como pequeñas gotas. El metal fundido se acumula en el baño de fusión de la soldadura (weld pool ) cubeta de soldadura y se solidifica en el metal soldado. El fundente derretido mas liviano, por otra parte, flota sobre la superficie de la cubeta y se solidifica en una capa de escoria en la parte superior del metal fundido.

Ventajas y desventajas.

El equipamiento de soldadura es relativamente simple, portátil y económico al ser comparado con otros procesos de soldadura por arco. Por esta razón, el proceso SMAW es con frecuencia usado para mantenimiento, reparación y construcción en campo. Si embargo, el gas de cobertura en el SMAW no es lo suficientemente limpio para metales reactivos tales como el aluminio y el titanio. El régimen de depósito está limitado por el hecho de que la cubierta del electrodo tiende a sobrecalentarse y desprenderse cuando corrientes de soldadura excesivamente altas son usadas. La limitada longitud de electrodo (aproximadamente 35 mm ) requiere reiterados cambios del mismo, y esto reduce aún mas el régimen de producción total.

Figura – Soldadura por arco de gas-tungsteno: (a) proceso total; (b) área de soldadura ampliada.

Soldadura por arco de gas-tungsteno.

La soldadura de arco por gas-tungsteno es un proceso que funde y une metales calentándolos con un arco establecido entre un electrodo de tungsteno no consumible y los metales, como se ve en la figura lateral. La antorcha que donde está insertado el electrodo de tungsteno está conectada a un cilindro de gas de protección, así como a un terminal de la fuente de alimentación, como se ve en la figura (a) lateral. El electrodo de tungsteno está usualmente en contacto con un tubo de cobre refrigerado por agua, llamado el tubo de contacto, como se muestra en la figura (b), que está conectado al cable de soldadura (cable1) desde el terminal.

Esto permite que tanto la corriente de soldadura desde la fuente de alimentación ingrese al electrodo como así también que el mismo sea refrigerado para evitar el sobrecalentamiento. La pieza de trabajo está conectada al otro terminal de la fuente de alimentación a través de un cable diferente ( cable 2). El gas de protección va a través del cuerpo de la antorcha y es direccionado por una boquilla hacia el baño de fusión de la soldadura para protegerla del aire. La protección del aire es mucho mejor en el proceso GTAW que en el SMAW debido a que un gas inerte tal como el argón o helio es usualmente usado como gas de protección y debido a que dicho gas es direccionado hacia el baño de fusión de la soldadura. Por esta razón, el proceso GTAW es además llamado soldadura  de tungsteno-gas inerte  o TIG ( de “tungsten–inert gas”) . Sin embargo, en ocasiones especiales, un gas no inerte puede ser agregado en una pequeña cantidad al gas de protección.

Por lo tanto, GTAW parece el nombre mas apropiado para este proceso de soldadura. Cuando una varilla de aporte es necesaria, por ejemplo, para unir materiales mas gruesos, la misma puede ser provista manualmente o en forma automática dentro del arco.

Ventajas y desventajas

La soldadura por arco con gas-tungsteno es adecuada para la unión de secciones de partes delgadas debido a sus limitadas entradas de calor. El régimen de alimentación del metal de aporte es en cierto modo independiente de la corriente de soldadura, permitiendo así una variación en la cantidad relativa de la fusión del metal base y la fusión del metal de aporte. Por lo tanto, el control de la dilución y entrada de energía a la soldadura puede ser alcanzada sin cambiar el tamaño de la soldadura. La misma puede además ser usada para soldar juntas planas de hojas delgadas por fusión solamente, o sea, sin la adición de metal de aporte o soldadura autógena. Dado que el proceso GTAW es muy limpio, el mismo puede ser usado para soldar metales reactivos, tales como titanio y zirconio, aluminio y magnesio.

Sin embargo el proceso GTAW es lento. Corrientes excesivas de soldadura pueden causar la fusión del electrodo de tungsteno y resultar en inclusiones de tungsteno frágiles en el metal de soldadura. Pero, usando metales de aporte precalentados, el régimen de deposición puede ser mejorado. En el  proceso de alambre caliente GTAW, el alambre es alimentado dentro y en contacto con el baño de fusión de la soldadura de manera que el calentamiento de la resistencia pueda ser obtenido pasando una corriente eléctrica a través del alambre.

Figura – Soldadura por arco de plasma: (a) proceso total; (b) área de soldadura ampliada y mostrada con perforación

Soldadura por arco de plasma

La soldadura por arco de plasma (PAW) es un proceso que funde y une metales calentándolos con un arco constreñido (estrangulado) establecido entre un electrodo de tungsteno y los metales, como se puede observar en la figura lateral. Es similar al proceso GTAW, pero un gas de orificio así como un gas de protección es usado. Como se ve en la figura lateral, el arco en PAW está constreñido o colimado debido a la acción convergente del orificio de la boquilla de gas, y el gas se expande sólo ligeramente con incremento de longitud de arco. Un electrodo negativo de corriente continua es usado normalmente, pero una máquina PAW de polaridad variable especial ha sido desarrollada para soldaduras de aluminio, donde la presencia de  películas de óxido de aluminio evita que se produzca una perforación.

Inicio del arco

El electrodo de tungsteno sobresale fuera de la boquilla de gas de protección en el proceso GTAW ( figura b), mientras que el mismo se encuentra ubicado en el interior en la boquilla de gas en PAW (figura b). Consecuentemente, el inicio del arco no puede ser alcanzado golpeando la punta del electrodo contra la pieza de trabajo cono en el proceso GTAW. La consola de control (figura a) permite que un arco piloto sea iniciado, con la ayuda de un generador de alta frecuencia entre la punta del electrodo y la boquilla de gas refrigerada por agua. El arco es luego gradualmente transferido desde el espacio entre la punta del electrodo y el orificio de la boquilla de gas hacia el espacio entre la punta del electrodo y la pieza de trabajo.

Figura – Soldadura por arco de gas-metal: (a) proceso total ; (b) área de soldadura ampliada

Soldadura por arco de gas-metal.

La soldadura por arco de  gas-metal o de arco protegido por gas (GMAW) es un proceso que funde y une metales mediante el calentamiento de los mismos con un arco establecido entre un electrodo de alambre de aporte alimentado continuamente, como se muestra en la figura lateral. La protección del arco y el baño de fusión de la soldadura fundida es con frecuencia obtenida usando gases inertes tales como el argón y helio, y esto es porque el proceso GMAW es además llamado proceso de soldadura por metal-gas inerte o MIG ( metal-inert gas). Dado que gases no inertes, particularmente el CO2 , son además usados,  GMAW parece un nombre mas apropiado. Este es el proceso de soldadura por arco mas ampliamente usado para aleaciones de aluminio.

El concepto básico del proceso GMAW fue introducido en los años 1920, pero no fue hasta 1948 en que se volvió disponible comercialmente. En un comienzo el mismo era considerado fundamentalmente como un proceso de electrodo de metal desnudo de pequeño diámetro y elevada corriente usando un gas inerte para protección del gas. Su aplicación primaria era para soldar aluminio.

Como resultado, el término MIG ( Metal Inert Gas) fue usado para describir el proceso y es aún una referencia corriente. El término MIG fue luego reemplazado por GMAW.

Subsiguientes desarrollos del proceso incluían la operación a bajas densidades de corrientes y corrientes continuas pulsantes, la aplicación de rangos mas amplios de materiales y el uso de gases reactivos (particularmente CO2) y mezclas de gases.

El desarrollo mas reciente ha llevado a la aceptación formal del término soldadura por arco de metal gas (GMAW) para el proceso, debido a que son usados gases inertes y reactivos.

Una variación del proceso GMAW usa un electrodo tubular en el cual polvos metálicos forman la mayor parte de los materiales del núcleo ( electrodo de núcleo de metal ). Tales electrodos requieren un recubrimiento de gas para proteger el baño de soldadura de la contaminación atmosférica.

Gases de protección

El argón, helio y sus mezclas son usados para metales no ferrosos así como aceros inoxidables y aleaciones de aceros. La energía del arco es menos dispersa uniformemente en un arco de argón que en el arco de helio debido a la menor conductividad térmica del argón. Consecuentemente, el arco de plasma de argón tiene un núcleo de muy alta energía y el manto externo de menor energía térmica. Esto ayuda a producir una transferencia estable y axial de gotitas de metal a través de un arco de plasma de argón.

Ventajas y desventajas.

De la misma manera que el proceso GTAW, el GMAW puede ser muy limpio cuando se usa un gas de protección inerte. La principal ventaja del proceso GMAW sobre el GTAW es la mayor cantidad de deposición, que permite que piezas mas gruesas sean soldadas a mayores velocidades de soldadura. Los procesos de antorcha dual y alambre doble incrementan aún mas el régimen de deposición del GMAW.  La habilidad de mantener un arco muy corto y a la vez estable en el proceso GTAW no es requerida, las pistolas GMAW pueden ser muy abultadas y difíciles para alcanzar áreas pequeñas o esquinas.

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