Tema VIII

Procesos de soldadura


 

La soldadura es un proceso para la unión de dos metales por medio de calor y/o presión y se define como la liga metalúrgica entre los átomos del metal a unir y el de aporte.

Existen diversos procesos de soldadura los que difieren en el modo en que se aplica el calor o la energía para la unión. A continuación se presenta una manera general de agruparlos:

  1. Soldadura blanda
  2. Soldadura fuerte
  3. Soldadura por forja
  4. Soldadura con gas
  5. Soldadura con resistencia
  6. Soldadura por inducción
  7. Soldadura por arco
  8. Soldadura por vaciado
  9. Soldadura por fricción
  10. Soldadura por explosión

Para lograr la soldadura algunos procesos requieren sólo de fuerza para la unión, otros requieren de un metal de aporte y energía térmica que derrita a dicho metal. Cada uno de los diferentes procesos de soldadura tienen sus características de ingeniería particulares y sus costos específicos.

Existen diferentes tipos de uniones de los materiales, estas uniones se conocen como juntas y van desde las elementales hasta las más complejas, a continuación se observan algunas de las juntas de soldadura más comunes. Su aplicación dependerá fundamentalmente del tipo de material a utilizar, la apariencia de la unión y del uso que se dará a la unión.

 

soldadura blanda    

Es la unión de dos piezas de metal por medio de otro metal llamado de aporte, éste se aplica entre ellas en estado líquido. La temperatura de fusión de estos metales no es superior a los 430ºC. En este proceso se produce una aleación entre los metales y con ello se logra una adherencia que genera la unión. En los metales de aporte por lo regular se utilizan aleaciones de plomo y estaño los que funden entre los 180 y 370ºC.

Este tipo de soldadura es utilizado para la unión de piezas que no estarán sometidas a grandes cargas o fuerzas. Una de sus principales aplicaciones es la unión de elementos a circuitos eléctricos. Por lo regular el metal de aporte se funde por medio de un cautín y fluye por capilaridad.

 

soldadura fuerte    

En esta soldadura se aplica también metal de aporte en estado líquido, pero este metal, por lo regular no ferroso, tiene su punto de fusión superior a los 430 ºC y menor que la temperatura de fusión del metal base. Por lo regular se requiere de fundentes especiales para remover los óxidos de las superficies a unir y aumentar la fluidez al metal de aporte. Algunos de los metales de aporte son aleaciones de cobre, aluminio o plata. A continuación se presentan algunos de los más utilizados para las soldaduras denominadas como fuertes:

  1. Cobre. Su punto de fusión es de 1083ºC.
  2. Bronces y latones con punto de fusión entre los 870 y 1100ºC.
  3. Aleaciones de plata con temperaturas de fusión entre 630 y 845ºC.
  4. Aleaciones de aluminio con temperatura de fusión entre 570 y 640ºC

La soldadura dura se puede clasificar por la forma en la que se aplica el metal de aporte. A continuación se describen algunos de estos métodos:

Inmersión. El metal de aporte previamente fundido se introduce entre las dos piezas que se van a unir, cuando este se solidifica las piezas quedan unidas.

Horno. El metal de aporte en estado sólido, se pone entre las piezas a unir, estas son calentadas en un horno de gas o eléctrico, para que con la temperatura se derrita al metal de aporte y se genere la unión al enfriarse.

Soplete. El calor se aplica con un soplete de manera local en las partes del metal a unir, el metal de aporte en forma de alambre se derrite en la junta. Los sopletes pueden funcionar con los siguientes comburentes: aire inyectado a presión (soplete de plomero), aire de la atmósfera (mechero Bunsen), oxígeno o aire almacenado a presión en un tanque. Los combustibles pueden ser: alcohol, gasolina blanca, metano, propano-butano, hidrógeno o acetileno.

Electricidad. La temperatura de las partes a unir y del metal de aporte se puede lograr por medio de resistencia a la corriente, por inducción o por arco, en los tres métodos el calentamiento se da por el paso de la corriente entre las piezas metálicas a unir.

soldadura por forja    

Es el proceso de soldadura más antiguo. El proceso consiste en el calentamiento de las piezas a unir en una fragua hasta su estado plástico y posteriormente por medio de presión o golpeteo se logra la unión de las piezas. En este procedimiento no se utiliza metal de aporte y la limitación del proceso es que sólo se puede aplicar en piezas pequeñas y en forma de lámina. La unión se hace del centro de las piezas hacia afuera y debe evitarse a como de lugar la oxidación, para esto se utilizan aceites gruesos con un fúndente, por lo regular se utiliza bórax combinado con sal de amónio.

La clasificación de los procesos de soldadura mencionados hasta ahora, es la más sencilla y general, a continuación se hace una descripción de los procesos de soldadura más utilizados en los procesos industriales.  

soldadura con gas   

Este proceso incluye a todas las soldaduras que emplean un gas combustible para generar la energía que es necesaria para fundir el material de aporte. Los combustibles más utilizados son el metano, acetileno y el hidrógeno, los que al combinarse con el oxígeno como comburente generan las soldaduras autógena y oxhídrica.

La soldadura oxhídrica es producto de la combinación del oxígeno y el hidrógeno en un soplete. El hidrógeno se obtiene de la electrólisis del agua y la temperatura que se genera en este proceso es entre 1500 y 2000°C.

La soldadura autógena se logra al combinar al acetileno y al oxígeno en un soplete. Se conoce como autógena porque con la combinación del combustible y el comburente se tiene autonomía para ser manejada en diferentes medios. El acetileno se produce al dejar caer terrones de carburo de calcio en agua, en donde el precipitado es cal apagada y los gases acetileno. Uno de los mayores problemas del acetileno es que no se puede almacenar a presión por lo que este gas se puede obtener por medio de generadores de acetileno o bien en cilindros los que para soportar un poco la presión 1.7 MPa, se les agrega acetona.

Cilindros y reguladores para soldadura oxiacetilénica

En los sopletes de la soldadura autógena se pueden obtener tres tipos de flama las que son reductora, neutral y oxidante. De las tres la neutral es la de mayor aplicación. Esta flama, está balanceada en la cantidad de acetileno y oxígeno que utiliza. La temperatura en su cono luminoso es de 3500°C, en el cono envolvente alcanza 2100°C y en la punta extrema llga a 1275°C.

En la flama reductora o carburizante hay exceso de acetileno lo que genera que entre el cono luminoso y el envolvente exista un cono color blanco cuya longitud esta definida por el exceso de acetileno. Esta flama se utiliza para la soldadura de monel, níquel, ciertas aleaciones de acero y muchos de los materiales no ferrosos.

La flama oxidante tiene la misma apariencia que la neutral excepto que el cono luminoso es más corto y el cono envolvente tiene más color, Esta flama se utiliza para la soldadura por fusión del latón y bronce. Una de las derivaciones de este tipo de flama es la que se utiliza en los sopletes de corte en los que la oxidación súbita genera el corte de los metales. En los sopletes de corte se tiene una serie de flamas pequeñas alrededor de un orificio central, por el que sale un flujo considerable de oxígeno puro que es el que corta el metal.

En algunas ocasiones en la soldadura autógena se utiliza aire como comburente, lo que genera que la temperatura de esta flama sea menor en un 20% que la que usa oxígeno, por lo que su uso es limitado a la unión sólo de algunos metales como el plomo. En este tipo de soldadura el soplete es conocido como mechero Bunsen.

En los procesos de soldadura con gas se pueden incluir aquellos en los que se calientan las piezas a unir y posteriormente, sin metal de aporte, se presionan con la suficiente fuerza para que se genere la unión.

 

soldadura por resistencia    

El principio del funcionamiento de este proceso consiste en hacer pasar una corriente eléctrica de gran intensidad a través de los metales que se van a unir, como en la unión de los mismos la resistencia es mayor que en sus cuerpos se generará el aumento de temperatura, aprovechando esta energía y con un poco de presión se logra la unión. La corriente eléctrica pasa por un transformador en el que se reduce el voltaje de 120 o 240 a 4 o 12 V, y se eleva el amperaje considerablemente para aumentar la temperatura. La soldadura por resistencia es aplicable a casi todos los metales, excepto el estaño, zinc y plomo.

En los procesos de soldadura por resistencia se incluyen los de:

  1. soldadura por puntos
  2. soldadura por resaltes
  3. soldadura por costura
  4. soldadura a tope

En la soldadura por puntos la corriente eléctrica pasa por dos electrodos con punta, debido a la resistencia del material a unir se logra el calentamiento y con la aplica de presión sobre las piezas  se genera un punto de soldadura. La máquinas soldadoras de puntos pueden ser fijas o móviles o bién estar acopladas a un robot o brazo mecánico.

Diagrama de una máquina soldadora por puntos

La soldadura por resaltes es un proceso similar al de puntos, sólo que en esta se producen varios puntos a la vez en cada ocasión que se genera el proceso. Los puntos están determinados por la posición de un conjunto de puntas que hacen contacto al mismo tiempo. Este tipo de soldadura se puede observar en la fabricación de malla lac.

Soldadura con resaltes

La soldadura por costura consiste en el enlace continuo de dos piezas de lámina traslapadas. La unión se produce por el calentamiento obtenido por la resistencia al paso de la corriente y la presión constante que se ejerce por dos electrodos circulares. Este proceso de soldadura es continuo.

Tipos de soldadura

La soldadura a tope consiste en la unión de dos piezas con la misma sección, éstas se presionan cuando está pasando por ellas la corriente eléctrica, con lo que se genera calor en la superficie de contacto. Con la temperatura generada y la presión entre las dos piezas se logra la unión.

 

soldadura por inducción    

Esta soldadura se produce al aprovechar el calor generado por la resistencia que se tiene al flujo de la corriente eléctrica inducida en la piezas a unir. Por lo regular esta soldadura se logra también con presión. Consiste en la conexión de una bobina a los metales a unir, y debido a que en la unión de los metales se da más resistencia al paso de la corriente inducida en esa parte es en la que se genera el calor, lo que con presión genera la unión de las dos piezas. La soldadura por inducción de alta frecuencia utiliza corrientes con el rango de 200,000 a 500,000 Hz de frecuencia, los sistemas de soldadura por inducción normales sólo utilizan frecuencias entre los 400 y 450 Hz.

 

soldadura por arco eléctrico    

Es el proceso en el que su energía se obtiene por medio del calor producido por un arco eléctrico que se forma entre la pieza y un electrodo. Por lo regular el electrodo también sirve de metal de aporte, el que con el arco eléctrico se funde, para que así pueda ser depositado entre las piezas a unir. La temperatura que se genera en este proceso es superior a los 5,500°C. La corriente que se utiliza en el proceso puede ser directa o alterna, utilizándose en la mayoría de las veces la directa, debido a la energía es más constante con lo que se puede generar un arco estable. Las máquinas para corriente directa se construyen con capacidades hasta de 1,000 A, con corrientes de 40 a 95 V. Mientras se efectúa la soldadura el voltaje del arco es de 18 a 40 A.

Para la generación del arco existen los siguientes electrodos:

  1. Electrodo de carbón. En la actualidad son poco utilizados, el electrodo se utiliza sólo como conductor para generar calor, el metal de aporte se agrega por separado.
  2. Electrodo metálico. El propio electrodo sirve de metal de aporte al derretirse sobre los materiales a unir. Se pueden utilizar para estos electrodos máquinas para soldar de corriente directa o alterna, las segundas constan de transformadores estáticos, lo que genera bajos mantenimiento e inversión inicial. Existen máquinas de 150, 200, 300, 500, 750 y 1000 A.
  3. Electrodos recubiertos. Los electrodos metálicos con un recubrimiento que mejora las características de la soldadura son los más utilizados en la actualidad, las funciones de los recubriimientos son las siguientes:

Las composiciones de los recubrimientos de los electrodos pueden ser orgánicas o inorgánicas y estas substancias se pueden subdividir en las que forman escoria y las que son fundentes. Algunos de los principales compuestos son:

Tipos de electrodos

Los electrodos para este tipo de soldadura están sujetos a norma de calidad, resultados y tipos de uso. La nomenclatura es la siguiente:

E-XX-Y-Z

La E indica que se trata de un electrodo con recubrimiento.

Los dos primeros dígitos XX se utilizan para indicar la resistencia de la soldadura a la tensión, por ejemplo cuando señalan 60 se refiere a que la resistencia a la tensión es de 60,000 lb/in2.

El tercer dígito Y se refiere a la posición en la que se puede utilizar la soldadura, por ejemplo 1 es para sobre cabeza, 2 horizontal, y 3 vertical.

Por medio del cuarto dígito Z, se especifican características especiales de la soldadura como: si es para corriente directa, alterna o ambas; si es de alta o baja penetración. En algunas ocasiones los electrodos tienen letras al final, esto depende de la empresa que los fabricó.

Para mayor información vea la siguiente tabla:

Elemento Significado
E Electrodo para arco eléctrico
XX Resistencia a la tensión en lb/in2
Y

Posición de aplicación:

1   Cualquier posición

2   Verticall

3   Horizontal

Z

Características de la corriente

0    CC invertida

1    CC y CA sólo investida

2    CC (directa) y CA

3    CC y CA (directa) 

Letras

Depende de la marca de los electrodos establece las aleaciones y las características de penetración

Ejemplo: un electrodo E7013 implica que produce soldadura con 70,000 lb/in2 de resistencia a la tensión, que se puede utilizar para soldar en cualquier posición (incluso sobre la cabeza) y que se recomienda la utilización de corriente continua o corriente alterna, ambas de manera directa.  

Intensidad de corriente

El amperaje que se debe aplicar para generar la soldadura es muy importante, de ello depende que no se pegue el electrodo, que la soldadura fluya entre las dos piezas o que no se perforen las piezas que se van a unir.

En la siguiente tabla se muestran las cantidades de corriente en amperes que se deben utilizar de acuerdo al grueso de los electrodos.

Intensidad de corriente aproximada para diferentes diámetros de electrodos

Diámetro del electrodo (in) Amperes para soldadura plana Amperes para soldadura vertical y sobre la cabeza
1/16 25-70 ---
3/32 60-100 ---
1/8 80-150 75-130
5/32 125-225 115-160
3/16 140-240 125-180
1/4 200-350 170-220
5/16 250-500 ---
3/8 325-650 ---

Una recomendación práctica que se utiliza en los talleres para hacer la determinación de la corriente, sin tener que recurrir a la tabla es la siguiente:

Convierta el diámetro del electrodo de fracciones a decimales, elimine el punto y esa será la corriente aproximada que debe utilizar con ese electrodo. Por ejemplo, si tiene un electrodo de 1/8 su conversión a decimales será 0.125, al quitarle el punto se obtiene 125, lo que indica que se deben utilizar mas o menos 125 amperes para que el electrodo funcione bien.

(recomendación del profesor Frutos)

Soldadura por arco con hidrógeno atómico    

En un sistema generador de un arco eléctrico en el que se agrega hidrógeno se liberará calor con mayor intensidad que en un arco común, la temperatura que se alcanza en este tipo de arco es superior a los 6,000 °C.

soldadura por arco con gas protector    

En este proceso la unión se logra por el calor generado por un arco eléctrico que se genera entre un electrodo y las piezas, pero el electrodo se encuentra protegido por una copa por la que se inyecta un gas inerte como argón, helio o CO2. Con lo anterior se genera un arco protegido contra la oxidación y además perfectamente controlado. Existen dos tipos de soldadura por arco protegido la TIG y la MIG.

La soldadura TIG (tungtein inert gas) es aquella en la que el electrodo de la máquina es de tungsteno, por lo que el metal de aporte se debe añadir por separado.  
La soldadura MIG (metal inert gas) es la que el electrodo es de un metal que se utiliza como metal de aporte, por lo que este sistema es considerado como un proceso de soldadura continua.

Para mayor información sobre soldadura TIG y MIG hacer click aquí 

soldadura por vaciado    

Con algunos materiales la unión no se puede hacer por los procedimientos antes descritos debido a que no fácilmente aceptan los metales de aporte como sus aleaciones. Para lograr la soldadura de estos metales en algunas ocasiones es necesario fundir del mismo metal que se va a unir y vaciarlo entre las partes a unir, con ello cuando solidifica las piezas quedan unidas. A este procedimiento se le conoce como fundición por vaciado.

soldadura por fricción    

En este proceso la unión se logra por el calor que se genera al girar una de las piezas a unir en contra de la otra que se encuentra fija, una vez alcanzada la temperatura adecuada se ejerce presión en las dos piezas y con ello quedan unidas.

Ilustración de un proceso que emplea calor generado por fricción para producir una soldadura

 

soldadura por explosión    

Esta soldadura también se llama de recubrimiento consiste en la unión de dos piezas metálicas, por la fuerza que genera el impacto y presión de una explosión sobre las proximidades a las piezas a unir. En algunas ocasiones, con el fin de proteger a las piezas a unir, se coloca goma entre una de las superficies a unir y el yunque que genera la presión.

Proceso de unión explosiva mostrando la reacción a alta velocidad que emana del punto de colisión debido a la presión ascendente

Bibliografía:

Procesos de Manufactura, versión Si

B. H. Amstead. P Ostwald y M. Begeman.

Compañía Editorial Continental

Procesos básicos de manufactura

H. C. Kazanas, genn E. Backer, Thomas Gregor

Mc Graw Hill

Principios básicos de la soldadura eléctrica
        Boletín W-53-2SP
        Harnischfeger Corporation

 

 

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