Fundamentos de Soldadura

¿Qué es la Soldadura?

La soldadura es un proceso de unión de materiales en el cual se funden las superficies de contacto de dos o más piezas mediante la aplicación adecuada de calor y/o presión. En algunos procesos de soldadura se agrega un material de relleno para facilitar la fusión. El ensamblaje de partes que se unen mediante soldadura se denomina ensamblaje soldado.

La soldadura se asocia por lo regular con piezas metálicas, pero el proceso también se usa para unir plásticos.

Ventajas y Desventajas

• Ventajas:
  • Proporciona una unión permanente. Las piezas soldadas se convierten en una sola entidad.
  • La unión soldada puede ser más fuerte que los materiales originales.
  • Por lo general, la soldadura es la forma más económica de unir componentes, en términos del uso de materiales y costos de fabricación.
  • La soldadura no se limita al ambiente de fábrica. Puede realizarse «en el campo».
• Desventajas:
  • La mayoría de las operaciones de soldadura se realizan en forma manual y son costosas en términos de mano de obra.
  • La mayoría de los procesos de soldadura son peligrosos debido a que implican el uso de mucha energía.
  • Como la soldadura logra una unión permanente entre los componentes, no permite un fácil desensamblaje.
  • La unión soldada puede tener ciertos defectos de calidad que son difíciles de detectar y que pueden reducir la resistencia de la unión.

Superficies de Empalme

Son las superficies de la pieza que están en contacto o muy cercanas para ser unidas.

Tipos de Procesos de Soldadura

Soldadura por Fusión

Los procesos de soldadura por fusión usan calor para fundir los metales base; en muchas de las operaciones se agrega un metal de relleno a la combinación fundida para facilitar el proceso y proporcionar volumen y resistencia a la unión soldada.

• Soldadura autógena: Es una operación de soldadura por fusión en la cual no se agrega un metal de relleno.
• Soldadura con Arco (AW): Grupo de procesos de soldadura en los cuales el calentamiento de los metales se obtiene mediante un arco eléctrico. Algunas de las operaciones de soldadura con arco también aplican presión durante el proceso, y la mayoría utiliza un metal de relleno.
• Soldadura por Resistencia (RW): Se obtiene la fusión usando el calor de una resistencia eléctrica para el flujo de una corriente que pasa entre las superficies de empalme de dos piezas sostenidas juntas bajo presión.
• Soldadura con Oxígeno y Gas Combustible (OFW): Estos procesos de unión usan un gas de oxígeno combustible, tal como una mezcla de oxígeno y acetileno, para producir una flama caliente para fundir la base metálica y el metal de relleno, en caso de que se utilice alguno.
• Otros procesos de fusión: Incluyen la soldadura con haz de electrones y la soldadura con rayo láser.

Soldadura de Estado Sólido

Se refiere a los procesos de unión en los cuales la unión proviene sólo de la aplicación de presión o de una combinación de calor y presión. Si se usa calor, la temperatura del proceso está por debajo del punto de fusión de los metales que se van a soldar. En este tipo de proceso, no se utilizan materiales de relleno.

• Soldadura por Difusión (DFW): Se colocan juntas dos superficies bajo presión a una temperatura elevada y las piezas se unen por medio de difusión de estado sólido.
• Soldadura por Fricción (FRW): En este proceso, la coalescencia se obtiene mediante el calor de la fricción entre dos superficies.
• Soldadura Ultrasónica (USW): Se realiza aplicando una presión moderada entre las dos piezas y un movimiento oscilatorio a frecuencias ultrasónicas en una dirección paralela a las superficies de contacto. La combinación de las fuerzas normales y vibratorias produce intensas tensiones que remueven las películas superficiales y obtienen la unión atómica de las superficies.

Automatización de la Soldadura

Debido a los riesgos de la soldadura manual y a los esfuerzos por aumentar la productividad y mejorar la calidad de los productos, se han creado diversas formas de mecanización y automatización.

Soldadura Mecanizada

Puede definirse como una soldadura mecanizada con equipo que realiza la operación bajo la supervisión continua de un operador. Normalmente se realiza mediante un cabezal de soldadura que se mueve por medios mecánicos en relación con el trabajo estacionario, o moviendo el trabajo en relación con el cabezal de soldadura estacionario.

Soldadura Automática

Se considera automática si el equipo es capaz de realizar la operación sin el ajuste de los controles por parte de un operador humano.

Soldadura Robótica

Se usa un robot industrial o un manipulador programable que controla en forma automática el movimiento del cabezal para soldar con respecto al trabajo. Una típica celda robótica de soldadura con arco consta de dos instalaciones para soldadura y un operador humano para cargar y descargar piezas mientras el robot efectúa la soldadura.

La Unión Soldada

Tipos de Uniones

• Unión empalmada: Las piezas se encuentran en el mismo plano y se unen en sus bordes.
• Unión de esquina: Las piezas forman un ángulo recto y se unen en la esquina del ángulo.
• Unión superpuesta: Consiste en dos piezas que se sobreponen.
• Unión en T: Una pieza es perpendicular a la otra, similar a la letra T.
• Unión de bordes: Las piezas están paralelas con al menos uno de sus bordes en común, y la unión se hace en el/los borde(s) común(es).

Tipos de Soldaduras

• Soldaduras de filete: Se usa la soldadura de filete para rellenar los bordes de las placas creadas mediante uniones de esquina, sobrepuestas y en T. Se usa un metal de relleno para proporcionar una sección transversal con una forma aproximada a la de un triángulo recto. Es el tipo más común en soldadura de arco y de oxígeno y gas combustible.
• Soldaduras con surco: Por lo general requieren que se moldeen las aristas de las piezas en un surco para facilitar la penetración de la soldadura. Las formas con surco incluyen un cuadrado, un bisel, la V, la U y la J, en lados sencillos o dobles. Se usa metal de relleno para saturar la unión, por lo general, mediante soldadura con arco eléctrico o con oxígeno y gas combustible.
• Soldaduras con insertos y soldaduras con ranuras: Se usan para unir placas planas, usando uno o más huecos o ranuras en la pieza superior, que después se rellenan con metal para fundir las dos piezas.
• Soldadura de puntos: Es una pequeña sección fundida entre las superficies de dos láminas o placas.
• Soldadura de costura: Es similar a una de puntos, excepto que consiste en una sección fundida más o menos continua entre las dos láminas o placas.
• Soldadura de rebordes: Se hace en los bordes de dos (o más) piezas, por lo general, láminas metálicas o placas delgadas, en donde al menos una de las piezas está en un reborde.
• Soldadura en superficie (Recargue): No se usa para unir piezas, sino para depositar metal de relleno sobre la superficie de una pieza base en uno o más cordones de soldadura. Los cordones de soldadura pueden colocarse en una serie de líneas paralelas sobrepuestas, cubriendo grandes áreas de la pieza base. El propósito es aumentar el espesor de la placa o proporcionar un recubrimiento protector sobre la superficie.

Física de la Soldadura

Densidad de Potencia

Se aplica una fuente de energía calorífica de alta densidad a las superficies de empalme, y las temperaturas resultantes son suficientes para producir la fusión localizada de los metales base. Si se agrega un metal de relleno, la densidad calorífica debe ser suficientemente alta para fundirlo también.

PD = P / A

• PD: Densidad de potencia (W/mm²)
• P: Potencia que entra a la superficie (W)
• A: Área superficial por la que entra energía (mm²)

Balance de Calor en la Soldadura por Fusión

La cantidad de calor requerida para fundir un cierto volumen de metal es la suma de:

1. El calor para elevar la temperatura del metal sólido desde la temperatura ambiente hasta su punto de fusión (depende del calor específico volumétrico y del punto de fusión).
2. El calor latente de fusión para transformar el metal de sólido a líquido en dicho punto (depende del calor de fusión del metal).

Una aproximación para la energía unitaria de fusión es:

Um = K * Tm2

• U_m: Cantidad de calor requerida para fundir una unidad de volumen de metal (J/mm³)
• T_m: Temperatura de fusión del metal en escala absoluta (K)
• K: Constante ≈ 3.33 x 10⁻⁶

No toda la energía generada en la fuente de calor se usa para fundir el metal soldado. Existen dos factores de eficiencia en la transferencia de calor:

• El factor de transferencia de calor (f₁): La proporción del calor generado por la fuente que es efectivamente transferido a la pieza de trabajo.
• El factor de fusión (f₂): La proporción del calor transferido a la pieza que se utiliza efectivamente para fundir el metal, considerando las pérdidas por conducción hacia el resto de la pieza.

El efecto combinado de estos dos factores reduce la energía calorífica neta (H_w) disponible para la soldadura:

Hw = f1 * f2 * H

• H_w: Calor neto disponible para la soldadura (J)
• f₁: Factor de transferencia de calor (adimensional)
• f₂: Factor de fusión (adimensional)
• H: Calor total generado por el proceso de soldadura (J)

Se puede escribir una ecuación de equilibrio entre la energía neta entregada y la energía necesaria para fundir el volumen (V) de metal:

Hw = Um * V

• V: Volumen del metal fundido (mm³)
• H_w: Energía calorífica neta entregada a la operación (J)
• U_m: Energía unitaria requerida para fundir el metal (J/mm³)

Dado que muchas operaciones de soldadura son procesos continuos, es útil considerar un balance de potencia o velocidad. La velocidad de entrada de energía calorífica neta (R_Hw) se relaciona con la velocidad volumétrica de metal soldado (R_wv):

RHw = Um * Rwv

• R_Hw: Velocidad de la energía calorífica neta proporcionada para la operación de soldadura (J/s o W)
• R_wv: Velocidad volumétrica de metal soldado (mm³/s)
• U_m: Energía unitaria requerida para fundir el metal (J/mm³)

En la soldadura de un cordón continuo, la velocidad volumétrica del metal soldado (R_wv) es el producto del área de la sección transversal del cordón (A_w) y la velocidad de avance (v). Sustituyendo, se obtiene el balance de velocidad (o potencia):

RHw = f1 * f2 * Rh = Um * Aw * v

• R_h: Tasa de entrada de energía generada por la fuente de energía para la soldadura (W)
• f₁, f₂: Factores de eficiencia (adimensionales)
• U_m: Energía unitaria requerida para fundir el metal (J/mm³)
• A_w: Área de la sección transversal de la soldadura (mm²)
• v: Velocidad de avance (mm/s)

Características de una Junta Soldada por Fusión

Una junta soldada por fusión típica, a la cual se ha agregado un material de relleno, consiste en varias zonas:

• Zona de fusión: Consiste en una mezcla de metal de aporte y de metal base que se ha fundido por completo. Esta zona se caracteriza por un alto grado de homogeneidad entre los metales componentes que se han fundido durante la soldadura.
• Interfaz de soldadura: Una estrecha frontera que separa la zona de fusión de la zona afectada por el calor, consistente en una banda delgada de metal base que se fundió o fundió parcialmente durante el proceso.
• Zona afectada por el calor (HAZ): En esta zona, el metal ha experimentado temperaturas menores a su punto de fusión, aunque lo suficientemente altas para producir cambios microestructurales en el metal sólido. La composición química en la HAZ es igual a la del metal base,
• Zona de metal base no afectada: El metal base que no sufrió alteraciones térmicas ni microestructurales debido al calor de la soldadura.

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