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Soldadura

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Soldadura Es un proceso de fabricación que une materiales, generalmente metales o termoplásticos, al provocar la fusión. A menudo se hace fundiendo las piezas de trabajo y agregando un material de relleno para formar un conjunto de material fundido (el charco de soldadura) que se enfría para convertirse en una articulación fuerte. A veces, la soldadura se produce mediante el uso de presión, con o sin calor. Por el contrario, la soldadura y la soldadura fuerte implican la fusión de un material de punto de fusión más bajo entre las piezas de trabajo para formar una unión entre ellas, sin derretir las piezas de trabajo.

Se puede usar una variedad de fuentes de energía para la soldadura, incluida una llama de gas, un arco eléctrico, un láser, un haz de electrones, fricción y ultrasonido. Aunque a menudo es un proceso industrial, la soldadura se puede realizar en muchos entornos diferentes, incluidos al aire libre, bajo el agua y en el espacio. Independientemente de la ubicación, sin embargo, la soldadura sigue siendo peligrosa, y se deben tomar precauciones para evitar quemaduras, descargas eléctricas, humos venenosos y sobreexposición a la luz ultravioleta.

Hasta finales del siglo XIX, el único proceso de soldadura era la soldadura por forja, que los herreros habían utilizado durante siglos para unir metales calentándolos y golpeándolos. La soldadura por arco y la soldadura con oxicorte se encontraban entre los primeros procesos que se desarrollaron a fines de siglo, y la soldadura por resistencia siguió poco después. La tecnología de soldadura avanzó rápidamente a principios del siglo XX cuando la Primera Guerra Mundial y la Segunda Guerra Mundial impulsaron la demanda de métodos de unión confiables y económicos. Después de las guerras, se desarrollaron varias técnicas modernas de soldadura, incluidos métodos manuales como la soldadura por arco metálico protegido, ahora uno de los métodos de soldadura más populares, así como procesos semiautomáticos y automáticos como la soldadura por arco metálico con gas, la soldadura por arco sumergido y soldadura por arco con núcleo fundente. Los desarrollos continuaron con la invención de la soldadura por rayo láser y la soldadura por rayo de electrones en la segunda mitad del siglo. Hoy, la ciencia continúa avanzando. La soldadura por robot se está volviendo más común en entornos industriales, y los investigadores continúan desarrollando nuevos métodos de soldadura y obtienen una mayor comprensión de la calidad y las propiedades de la soldadura.

En el futuro, la soldadura jugará un papel esencial en el desarrollo del hombre de nuevas exploraciones y construcciones. Parece probable que el uso de soldadura no será reemplazado, simplemente debido a la eficiencia y durabilidad del proceso.

Historia

El pilar de hierro en Delhi.

La historia de la unión de metales se remonta a varios milenios, y los primeros ejemplos de soldadura datan de la Edad del Bronce y la Edad del Hierro en Europa y Oriente Medio. Se utilizó soldadura en la construcción del Pilar de Hierro en Delhi, India, erigido alrededor de 310 y con un peso de 5.4 toneladas métricas.1 La Edad Media trajo avances en la soldadura de forja, en la que los herreros golpearon el metal calentado repetidamente hasta que se produjo la unión. En 1540, Vannoccio Biringuccio publicó De la pirotecnia, que incluye descripciones de la operación de forjado. Los artesanos del Renacimiento fueron expertos en el proceso, y la industria continuó creciendo durante los siguientes siglos.2 La soldadura, sin embargo, se transformó durante el siglo XIX. En 1800, Sir Humphry Davy descubrió el arco eléctrico, y los avances en la soldadura por arco continuaron con los inventos de electrodos metálicos por parte de un ruso, Nikolai Slavyanov, y un ataúd estadounidense CL a finales de 1800, incluso como soldadura por arco de carbono, que utilizaba electrodo de carbono, ganó popularidad. Alrededor de 1900, A. P. Strohmenger lanzó un electrodo de metal recubierto en Gran Bretaña, que dio un arco más estable, y en 1919, C. J. Holslag inventó la soldadura de corriente alterna, pero no se hizo popular durante otra década.3

La soldadura por resistencia también se desarrolló durante las últimas décadas del siglo XIX, con las primeras patentes en manos de Elihu Thompson en 1885, que produjo más avances en los próximos 15 años. La soldadura de termita se inventó en 1893, y alrededor de ese tiempo, otro proceso, la soldadura de oxicorte, se estableció bien. El acetileno fue descubierto en 1836 por Edmund Davy, pero su uso no fue práctico en la soldadura hasta aproximadamente 1900, cuando se desarrolló un soplete adecuado.4 Al principio, la soldadura por oxicorte era uno de los métodos de soldadura más populares debido a su portabilidad y costo relativamente bajo. A medida que avanzaba el siglo XX, sin embargo, cayó en desgracia para las aplicaciones industriales. Fue reemplazado en gran medida con soldadura por arco, ya que se continuaron desarrollando recubrimientos metálicos (conocidos como fundente) para el electrodo que estabiliza el arco y protege el material base de las impurezas.5

La Primera Guerra Mundial provocó un gran aumento en el uso de los procesos de soldadura, con las diversas potencias militares tratando de determinar cuál de los varios nuevos procesos de soldadura sería el mejor. Los británicos utilizaron principalmente la soldadura por arco, incluso construyendo un barco, el Fulagar, con un casco totalmente soldado. Los estadounidenses dudaron más, pero comenzaron a reconocer los beneficios de la soldadura por arco cuando el proceso les permitió reparar sus barcos rápidamente después de los ataques alemanes en el puerto de Nueva York al comienzo de la guerra. La soldadura por arco también se aplicó por primera vez a los aviones durante la guerra, ya que algunos fuselajes de aviones alemanes se construyeron utilizando el proceso.6

Durante la década de 1920, se realizaron avances importantes en la tecnología de soldadura, incluida la introducción de la soldadura automática en 1920, en la que el alambre de electrodo se alimentaba continuamente. El gas protector se convirtió en un tema que recibió mucha atención, ya que los científicos intentaron proteger las soldaduras de los efectos del oxígeno y el nitrógeno en la atmósfera. La porosidad y la fragilidad fueron los problemas principales, y las soluciones que se desarrollaron incluyeron el uso de hidrógeno, argón y helio como atmósferas de soldadura.7 Durante la siguiente década, nuevos avances permitieron la soldadura de metales reactivos como el aluminio y el magnesio. Esto, junto con los desarrollos en soldadura automática, corriente alterna y flujos, alimentaron una importante expansión de la soldadura por arco durante la década de 1930 y luego durante la Segunda Guerra Mundial.8

A mediados de siglo, se inventaron muchos métodos nuevos de soldadura. 1930 vio el lanzamiento de la soldadura de pernos, que pronto se hizo popular en la construcción y construcción naval. La soldadura por arco sumergido se inventó el mismo año, y sigue siendo popular hoy en día. La soldadura por arco de gas de tungsteno, después de décadas de desarrollo, finalmente se perfeccionó en 1941, y la soldadura por arco de metal con gas siguió en 1948, lo que permitió la soldadura rápida de materiales no ferrosos pero requirió costosos gases de protección. La soldadura por arco metálico protegido se desarrolló durante la década de 1950, utilizando un electrodo consumible y una atmósfera de dióxido de carbono como gas protector, y rápidamente se convirtió en el proceso de soldadura por arco metálico más popular. En 1957, se estrenó el proceso de soldadura por arco con núcleo de fundente, en el que el electrodo de alambre autoprotegido podía usarse con equipos automáticos, lo que resultó en velocidades de soldadura muy aumentadas, y ese mismo año, se inventó la soldadura por arco de plasma. La soldadura por electroescoria se introdujo en 1958, y fue seguida por su prima, la soldadura por electrogas, en 1961.9

Otros desarrollos recientes en soldadura incluyen el avance de 1958 de la soldadura por haz de electrones, que hace posible la soldadura profunda y estrecha a través de la fuente de calor concentrado. Después de la invención del láser en 1960, la soldadura por rayo láser se estrenó varias décadas después y ha demostrado ser especialmente útil en la soldadura automatizada de alta velocidad. Sin embargo, ambos procesos siguen siendo bastante caros debido al alto costo del equipo necesario, y esto ha limitado sus aplicaciones.10

Procesos de soldadura

Soldadura por arco

Estos procesos utilizan una fuente de alimentación de soldadura para crear y mantener un arco eléctrico entre un electrodo y el material base para fundir metales en el punto de soldadura. Pueden usar corriente directa (CC) o corriente alterna (CA) y electrodos consumibles o no consumibles. La región de soldadura a veces está protegida por algún tipo de gas inerte o semi inerte, conocido como gas de protección, y a veces también se usa material de relleno.

Fuentes de alimentación

Para suministrar la energía eléctrica necesaria para los procesos de soldadura por arco, se pueden utilizar diferentes fuentes de alimentación. La clasificación más común son las fuentes de alimentación de corriente constante y las fuentes de alimentación de voltaje constante. En la soldadura por arco, el voltaje está directamente relacionado con la longitud del arco, y la corriente está relacionada con la cantidad de entrada de calor. Las fuentes de alimentación de corriente constante se utilizan con mayor frecuencia para los procesos de soldadura manual, como la soldadura por arco de tungsteno con gas y la soldadura por arco metálico protegido, porque mantienen una corriente relativamente constante incluso cuando el voltaje varía. Esto es importante porque en la soldadura manual, puede ser difícil mantener el electrodo perfectamente estable y, como resultado, la longitud del arco y, por lo tanto, el voltaje tienden a fluctuar. Las fuentes de alimentación de voltaje constante mantienen el voltaje constante y varían la corriente, y como resultado, se usan con mayor frecuencia para procesos de soldadura automatizados, como soldadura por arco de metal con gas, soldadura por arco con núcleo fundente y soldadura por arco sumergido. En estos procesos, la longitud del arco se mantiene constante, ya que cualquier fluctuación en la distancia entre el cable y el material base se rectifica rápidamente por un gran cambio en la corriente. Por ejemplo, si el cable y el material base se acercan demasiado, la corriente aumentará rápidamente, lo que a su vez hará que el calor aumente y la punta del cable se derrita, volviendo a su distancia de separación original.11

El tipo de corriente utilizada en la soldadura por arco también juega un papel importante en la soldadura. Los procesos de electrodos consumibles como la soldadura por arco metálico protegido y la soldadura por arco metálico con gas generalmente usan corriente continua, pero el electrodo puede cargarse de forma positiva o negativa. En la soldadura, el ánodo cargado positivamente tendrá una mayor concentración de calor y, como resultado, cambiar la polaridad del electrodo tiene un impacto en las propiedades de la soldadura. Si el electrodo está cargado positivamente, se derretirá más rápidamente, aumentando la penetración de la soldadura y la velocidad de soldadura. Alternativamente, un electrodo cargado negativamente resulta en soldaduras más superficiales.12 Los procesos de electrodos no consumibles, como la soldadura por arco de tungsteno con gas, pueden usar cualquier tipo de corriente continua, así como corriente alterna. Sin embargo, con corriente continua, debido a que el electrodo solo crea el arco y no proporciona material de relleno, un electrodo cargado positivamente provoca soldaduras poco profundas, mientras que un electrodo cargado negativamente hace soldaduras más profundas.13 La corriente alterna se mueve rápidamente entre estos dos, lo que resulta en soldaduras de mediana penetración. Una desventaja de AC, el hecho de que el arco debe volver a encenderse después de cada cruce por cero, se ha abordado con la invención de unidades de potencia especiales que producen un patrón de onda cuadrada en lugar de la onda sinusoidal normal, lo que hace posible los cruces por cero rápidos y minimiza Los efectos del problema.14

Procesos

Soldadura por arco metálico blindado

Uno de los tipos más comunes de soldadura por arco es la soldadura por arco metálico blindado (SMAW), que también se conoce como soldadura manual por arco metálico (MMA) o soldadura por varilla. La corriente eléctrica se usa para golpear un arco entre el material base y una varilla de electrodo consumible, que está hecha de acero y está cubierta con un fundente que protege el área de soldadura de la oxidación y la contaminación al producir CO2 gas durante el proceso de soldadura. El núcleo del electrodo en sí mismo actúa como material de relleno, haciendo innecesario un relleno por separado.

El proceso es muy versátil, se puede realizar con un equipo relativamente económico y, debido a su versatilidad, es muy adecuado para trabajos de taller y de campo.15 Un operador puede llegar a ser razonablemente competente con una cantidad modesta de entrenamiento y puede lograr el dominio con experiencia. Los tiempos de soldadura son bastante lentos, ya que los electrodos consumibles se deben reemplazar con frecuencia y debido a que la escoria, el residuo del fundente, se debe desprender después de la soldadura.16 Además, el proceso generalmente se limita a soldar materiales ferrosos, aunque los electrodos especiales han hecho posible la soldadura de hierro fundido, níquel, aluminio, cobre y otros metales. Los operadores sin experiencia pueden tener dificultades para realizar buenas soldaduras fuera de posición con este proceso.

La soldadura por arco metálico con gas (GMAW), también conocida como soldadura por metal con gas inerte (MIG), es un proceso semiautomático o automático que utiliza una alimentación continua de alambre como electrodo y una mezcla de gas inerte o semi inerte para proteger la soldadura de contaminación. Al igual que con SMAW, se puede lograr un dominio razonable del operador con una capacitación moderada. Como el electrodo es continuo, las velocidades de soldadura son mayores para GMAW que para SMAW. Además, el tamaño de arco más pequeño en comparación con el proceso de soldadura de arco metálico protegido hace que sea más fácil hacer soldaduras fuera de posición (por ejemplo, juntas aéreas, como se soldarían debajo de una estructura).

El equipo requerido para realizar el proceso GMAW es más complejo y costoso que el requerido para SMAW, y requiere un procedimiento de configuración más complejo. Por lo tanto, GMAW es menos portátil y versátil, y debido al uso de un gas de protección separado, no es particularmente adecuado para el trabajo al aire libre. Sin embargo, debido a la mayor tasa promedio a la que se pueden completar las soldaduras, GMAW es muy adecuado para la soldadura de producción. El proceso puede aplicarse a una amplia variedad de metales, tanto ferrosos como no ferrosos.17

Un proceso relacionado, la soldadura por arco con núcleo fundente (FCAW), utiliza un equipo similar, pero utiliza un cable que consiste en un electrodo de acero que rodea un material de relleno de polvo. Este alambre con núcleo es más costoso que el alambre sólido estándar y puede generar humos y / o escoria, pero permite una velocidad de soldadura aún mayor y una mayor penetración del metal.18

Soldadura por arco de tungsteno con gas

La soldadura por arco de tungsteno con gas (GTAW), o soldadura con gas inerte de tungsteno (TIG) (también denominada erróneamente soldadura heliarca), es un proceso de soldadura manual que utiliza un electrodo de tungsteno no consumible, una mezcla de gas inerte o semi inerte, y un Material de relleno separado. Especialmente útil para soldar materiales delgados, este método se caracteriza por un arco estable y soldaduras de alta calidad, pero requiere una habilidad significativa del operador y solo se puede lograr a velocidades relativamente bajas.

GTAW se puede usar en casi todos los metales soldables, aunque a menudo se aplica al acero inoxidable y metales ligeros. A menudo se usa cuando las soldaduras de calidad son extremadamente importantes, como en bicicletas, aviones y aplicaciones navales.19 Un proceso relacionado, la soldadura por arco de plasma, también usa un electrodo de tungsteno, pero usa gas de plasma para hacer el arco. El arco está más concentrado que el arco GTAW, lo que hace que el control transversal sea más crítico y, por lo tanto, generalmente restringe la técnica a un proceso mecanizado. Debido a su corriente estable, el método se puede utilizar en una gama más amplia de espesores de material que el proceso GTAW y, además, es mucho más rápido. Se puede aplicar a todos los mismos materiales que GTAW, excepto al magnesio, y la soldadura automática de acero inoxidable es una aplicación importante del proceso. Una variación del proceso es el corte por plasma, un proceso eficiente de corte de acero.20

La soldadura por arco sumergido (SAW) es un método de soldadura de alta productividad en el que el arco se golpea debajo de una capa de fundente. Esto aumenta la calidad del arco, ya que los contaminantes en la atmósfera están bloqueados por el flujo. La escoria que se forma en la soldadura generalmente se desprende sola y, combinada con el uso de una alimentación continua de alambre, la tasa de deposición de la soldadura es alta. Las condiciones de trabajo mejoran mucho en comparación con otros procesos de soldadura por arco, ya que el flujo oculta el arco y casi no produce humo. El proceso se usa comúnmente en la industria, especialmente para productos grandes y en la fabricación de recipientes a presión soldados.21 Otros procesos de soldadura de arco incluyen soldadura de hidrógeno atómica, soldadura de arco de carbono, soldadura de electroescoria, soldadura de electrogas y soldadura de arco de perno.

Soldadura con gas de una armadura de acero utilizando el proceso de oxiacetileno

Soldadura de gas

El proceso de soldadura por gas más común es la soldadura por oxicorte, también conocida como soldadura por oxiacetileno. Es uno de los procesos de soldadura más antiguos y versátiles, pero en los últimos años se ha vuelto menos popular en aplicaciones industriales. Todavía se usa ampliamente para soldar tuberías y tubos, así como para trabajos de reparación. El equipo es relativamente económico y simple, generalmente emplea la combustión de acetileno en oxígeno para producir una temperatura de llama de soldadura de aproximadamente 3100 ° C. La llama, ya que está menos concentrada que un arco eléctrico, causa un enfriamiento más lento de la soldadura, lo que puede conducir a mayores tensiones residuales y distorsión de la soldadura, aunque facilita la soldadura de aceros de alta aleación. Un proceso similar, generalmente llamado corte con oxicorte, se utiliza para cortar metales.22 Otros métodos de soldadura por gas, como la soldadura por aire con acetileno, la soldadura por oxígeno con hidrógeno y la soldadura por gas a presión son bastante similares, generalmente solo difieren en el tipo de gases utilizados. A veces se usa una antorcha de agua para soldar con precisión artículos como joyas. La soldadura por gas también se usa en la soldadura de plástico, aunque la sustancia calentada es aire y las temperaturas son mucho más bajas.

Soldadura por resistencia

La soldadura por resistencia implica la generación de calor al pasar la corriente a través de la resistencia causada por el contacto entre dos o más superficies metálicas. Se forman pequeñas piscinas de metal fundido en el área de soldadura a medida que pasa una corriente alta (1000-100,000 A) a través del metal. En general, los métodos de soldadura por resistencia son eficientes y causan poca contaminación, pero sus aplicaciones son algo limitadas y el costo del equipo puede ser alto.

Soldadura por puntos

La soldadura por puntos es un método popular de soldadura por resistencia que se utiliza para unir láminas de metal superpuestas de hasta 3 mm de espesor. Se usan simultáneamente dos electrodos para sujetar las láminas de metal y pasar corriente a través de las láminas. Las ventajas del método incluyen el uso eficiente de la energía, la deformación limitada de la pieza de trabajo, las altas tasas de producción, la automatización sencilla y la ausencia de materiales de relleno necesarios. La resistencia de la soldadura es significativamente menor que con otros métodos de soldadura, lo que hace que el proceso sea adecuado solo para ciertas aplicaciones. Se usa ampliamente en la industria automotriz: los automóviles comunes pueden tener varios miles de soldaduras por puntos fabricadas por robots industriales. Se puede utilizar un proceso especializado, llamado soldadura por disparo, para soldar por puntos acero inoxidable.

Al igual que la soldadura por puntos, la soldadura por costura se basa en dos electrodos para aplicar presión y corriente para unir láminas de metal. Sin embargo, en lugar de electrodos puntiagudos, los electrodos en forma de rueda se desplazan y a menudo alimentan la pieza de trabajo, lo que hace posible realizar soldaduras largas y continuas. En el pasado, este proceso se usaba en la fabricación de latas de bebidas, pero ahora sus usos son más limitados. Otros métodos de soldadura por resistencia incluyen soldadura flash, soldadura por proyección y soldadura por volcado.23

Soldadura por haz de energía

Los métodos de soldadura por haz de energía, a saber, la soldadura por haz láser y la soldadura por haz de electrones, son procesos relativamente nuevos que se han vuelto bastante populares en aplicaciones de alta producción. Los dos procesos son bastante similares, diferenciándose notablemente en su fuente de poder. La soldadura por rayo láser emplea un rayo láser altamente enfocado, mientras que la soldadura por rayo de electrones se realiza al vacío y utiliza un rayo de electrones. Ambos tienen una densidad de energía muy alta, lo que hace posible la penetración profunda de la soldadura y minimiza el tamaño del área de soldadura. Ambos procesos son extremadamente rápidos y se automatizan fácilmente, lo que los hace altamente productivos. Las principales desventajas son sus costos de equipo muy altos (aunque estos están disminuyendo) y la susceptibilidad a la fisuración térmica. Los desarrollos en esta área incluyen la soldadura láser híbrida, que utiliza principios de soldadura por haz láser y soldadura por arco para obtener mejores propiedades de soldadura.24

Soldadura de estado sólido

Al igual que el primer proceso de soldadura, la soldadura por forja, algunos métodos modernos de soldadura no implican la fusión de los materiales que se unen. Uno de los más populares, la soldadura ultrasónica, se utiliza para conectar láminas delgadas o alambres hechos de metal o termoplástico al hacerlos vibrar a alta frecuencia y bajo alta presión. El equipo y los métodos involucrados son similares a los de la soldadura por resistencia, pero en lugar de la corriente eléctrica, la vibración proporciona energía. Soldar metales con este proceso no implica fundir los materiales; en cambio, la soldadura se forma al introducir vibraciones mecánicas horizontalmente bajo presión. Al soldar plásticos, los materiales deben tener temperaturas de fusión similares, y las vibraciones se introducen verticalmente. La soldadura ultrasónica se usa comúnmente para hacer conexiones eléctricas de aluminio o cobre, y también es un proceso de soldadura de polímeros muy común.

Otro proceso común, la soldadura por explosión, implica la unión de materiales al unirlos bajo una presión extremadamente alta. La energía del impacto plastifica los materiales, formando una soldadura, aunque solo se genera una cantidad limitada de calor. El proceso se usa comúnmente para soldar materiales diferentes, como la soldadura de aluminio con acero en cascos de barcos o placas compuestas. Otros procesos de soldadura de estado sólido incluyen soldadura por coextrusión, soldadura en frío, soldadura por difusión, soldadura por fricción (incluida la soldadura por fricción agitada), soldadura de alta frecuencia, soldadura por presión en caliente, soldadura por inducción y soldadura por rodillo.25

Geometría

Tipos comunes de juntas de soldadura: (1) junta cuadrada a tope, (2) junta de preparación de V simple, (3) junta de solape, (4) junta en T

Las soldaduras se pueden preparar geométricamente de muchas maneras diferentes. Los cinco tipos básicos de juntas de soldadura son la junta a tope, la junta de regazo, la junta de esquina, la junta de borde y la junta en T. También existen otras variaciones, por ejemplo, las juntas de preparación de doble V se caracterizan por las dos piezas de material, cada una de las cuales se estrecha a un solo punto central a la mitad de su altura. Las juntas de preparación en U simple y doble en U también son bastante comunes: en lugar de tener bordes rectos como las juntas de preparación en V simple y en V doble, son curvas y forman la forma de una U. Las juntas de solape también suelen ser más de dos piezas gruesas: dependiendo del proceso utilizado y el grosor del material, muchas piezas se pueden soldar juntas en una geometría de junta de solape.26

A menudo, ciertos diseños de juntas se usan exclusiva o casi exclusivamente por ciertos procesos de soldadura. Por ejemplo, la soldadura por puntos de resistencia, la soldadura por haz láser y la soldadura por haz de electrones se realizan con mayor frecuencia en las juntas de solape. Sin embargo, algunos métodos de soldadura, como la soldadura por arco metálico protegido, son extremadamente versátiles y pueden soldar prácticamente cualquier tipo de junta. Además, algunos procesos se pueden usar para hacer soldaduras multipaso, en las que se permite que una soldadura se enfríe, y luego se realiza otra soldadura encima. Esto permite la soldadura de secciones gruesas dispuestas en una junta de preparación de una sola V, por ejemplo.27

La sección transversal de una junta a tope soldada, con el gris más oscuro representando la zona de soldadura o fusión, el gris medio la zona afectada por el calor y el gris más claro el material base

Después de soldar, se pueden identificar varias regiones distintas en el área de soldadura. La soldadura en sí se llama zona de fusión, más específicamente, es donde se colocó el metal de relleno durante el proceso de soldadura. Las propiedades de la zona de fusión dependen principalmente del metal de aporte utilizado y su compatibilidad con los materiales base. Está rodeado por la zona afectada por el calor, el área que tenía su microestructura y propiedades alteradas por la soldadura. Estas propiedades dependen del comportamiento del material base cuando se somete a calor. El metal en esta área es a menudo más débil que el material base y la zona de fusión, y también es donde se encuentran tensiones residuales.28

Calidad

Muy a menudo, la métrica principal utilizada para juzgar la calidad de una soldadura es su resistencia y la resistencia del material a su alrededor. Muchos factores distintos influyen en esto, incluido el método de soldadura, la cantidad y concentración de entrada de calor, el material base, el material de relleno, el material fundente, el diseño de la unión y las interacciones entre todos estos factores. Para probar la calidad de una soldadura, se utilizan comúnmente métodos de prueba destructivos o no destructivos para verificar que las soldaduras no tengan defectos, tengan niveles aceptables de tensiones residuales y distorsión, y tengan propiedades aceptables de zona afectada por el calor (HAZ). Existen códigos y especificaciones de soldadura para guiar a los soldadores en la técnica de soldadura adecuada y en cómo juzgar la calidad de las soldaduras.

Zona afectada por el calor

El HAZ de una soldadura de tubería, siendo el área azul el metal más afectado por el calor.

Los efectos de la soldadura en el material que rodea la soldadura pueden ser perjudiciales: dependiendo de los materiales utilizados y la entrada de calor del proceso de soldadura utilizado, la HAZ puede ser de diferentes tamaños y resistencia. La difusividad térmica del material base juega un papel importante: si la difusividad es alta, la velocidad de enfriamiento del material es alta y la HAZ es relativamente pequeña. Por el contrario, una baja difusividad conduce a un enfriamiento más lento y a una HAZ más grande. La cantidad de calor inyectado por el proceso de soldadura también juega un papel importante, ya que los procesos como la soldadura de oxiacetileno tienen una entrada de calor no concentrada y aumentan el tamaño de la HAZ. Los procesos como la soldadura por haz láser proporcionan una cantidad limitada de calor altamente concentrada, lo que resulta en una pequeña HAZ. La soldadura por arco se encuentra entre estos dos extremos, y los procesos individuales varían algo en la entrada de calor.2930 Para calcular la entrada de calor para los procedimientos de soldadura por arco, se puede usar la siguiente fórmula:

dónde Q = entrada de calor (kJ / mm), V = voltaje (V), yo = corriente (A), y S = velocidad de soldadura (mm / min). La eficiencia depende del proceso de soldadura utilizado, con soldadura de arco metálico protegido con un valor de 0,75, soldadura de arco metálico por gas y soldadura por arco sumergido, 0,9, y soldadura por arco de tungsteno con gas, 0,8.31

Distorsión y grietas

Los métodos de soldadura que implican la fusión del metal en el sitio de la junta necesariamente son propensos a la contracción a medida que el metal calentado se enfría. La contracción, a su vez, puede introducir tensiones residuales y distorsión tanto longitudinal como rotacional. La distorsión puede plantear un problema importante, ya que el producto final no tiene la forma deseada. Para aliviar la distorsión rotacional, las piezas de trabajo se pueden compensar, de modo que la soldadura dé como resultado una pieza con la forma correcta.32 Otros métodos para limitar la distorsión, como sujetar las piezas de trabajo en su lugar, causan la acumulación de tensión residual en la zona afectada por el calor del material base. Estas tensiones pueden reducir la resistencia del material base y pueden conducir a fallas catastróficas a través de grietas en frío, como en el caso de varios de los barcos de Liberty. El agrietamiento en frío se limita a los aceros y está asociado con la formación de martensita a medida que la soldadura se enfría. El agrietamiento ocurre en la zona afectada por el calor del material base. Para reducir la cantidad de distorsión y tensiones residuales, la cantidad de entrada de calor debe ser limitada, y la secuencia de soldadura utilizada no debe ser de un extremo directamente al otro, sino más bien en segmentos. El otro tipo de agrietamiento, agrietamiento en caliente o agrietamiento por solidificación, puede ocurrir en todos los metales y ocurre en la zona de fusión de una soldadura. Para disminuir la probabilidad de este tipo de grietas, se debe evitar el exceso de restricción de material y se debe utilizar un material de relleno adecuado.33

Soldabilidad

La calidad de una soldadura también depende de la combinación de materiales utilizados para el material base y el material de relleno. No todos los metales son adecuados para soldar, y no todos los metales de relleno funcionan bien con materiales base aceptables.

Aceros

La soldabilidad de los aceros es inversamente proporcional a una propiedad conocida como la templabilidad del acero, que mide la facilidad de formación de martensita durante el tratamiento térmico. La templabilidad del acero depende de su composición química, con mayores cantidades de carbono y otros elementos de aleación que dan como resultado una mayor templabilidad y, por lo tanto, una menor soldabilidad. Para poder juzgar las aleaciones compuestas de muchos materiales distintos, se utiliza una medida conocida como contenido de carbono equivalente para comparar las soldabilidades relativas de diferentes aleaciones comparando sus propiedades con un acero al carbono simple. El efecto sobre la soldabilidad de elementos como el cromo y el vanadio, aunque no es tan grande como el carbono, es más significativo que el del cobre y el níquel, por ejemplo. A medida que aumenta el contenido de carbono equivalente, disminuye la soldabilidad de la aleación.34 La desventaja de usar aceros simples al carbono y de baja aleación es su menor resistencia: existe una compensación entre la resistencia del material y la soldabilidad. Los aceros de baja aleación y alta resistencia se desarrollaron especialmente para aplicaciones de soldadura durante la década de 1970, y estos materiales generalmente fáciles de soldar tienen buena resistencia, lo que los hace ideales para muchas aplicaciones de soldadura.35

Los aceros inoxidables, debido a su alto contenido de cromo, tienden a comportarse de manera diferente con respecto a la soldabilidad que otros aceros. Los grados austeníticos de los aceros inoxidables tienden a ser los más soldables, pero son especialmente susceptibles a la distorsión debido a su alto coeficiente de expansión térmica. Algunas aleaciones de este tipo también son propensas a agrietarse y a reducir la resistencia a la corrosión. El agrietamiento en caliente es posible si no se controla la cantidad de ferrita en la soldadura; para aliviar el problema, se usa un electrodo que deposita un metal de soldadura que contiene una pequeña cantidad de ferrita. Otros tipos de aceros inoxidables, como los aceros inoxidables ferríticos y martensíticos, no se sueldan tan fácilmente, y a menudo deben precalentarse y soldarse con electrodos especiales.36

Aluminio

La soldabilidad de las aleaciones de aluminio varía significativamente, dependiendo de la composición química de la aleación utilizada. Las aleaciones de aluminio son susceptibles al agrietamiento en caliente, y para combatir el problema, los soldadores aumentan la velocidad de soldadura para reducir la entrada de calor. El precalentamiento reduce el gradiente de temperatura en la zona de soldadura y, por lo tanto, ayuda a reducir el agrietamiento en caliente, pero puede reducir las propiedades mecánicas del material base y no debe usarse cuando el material base está restringido. El diseño de la junta también se puede cambiar, y se puede seleccionar una aleación de relleno más compatible para disminuir la probabilidad de grietas en caliente. Las aleaciones de aluminio también deben limpiarse antes de la soldadura, con el objetivo de eliminar todos los óxidos, aceites y partículas sueltas de la superficie a soldar. Esto es especialmente importante debido a la susceptibilidad de una soldadura de aluminio a la porosidad debido al hidrógeno y la escoria debido al oxígeno.37

Condiciones inusuales

Soldadura bajo el agua

Si bien muchas aplicaciones de soldadura se realizan en entornos controlados, como fábricas y talleres de reparación, algunos procesos de soldadura se usan comúnmente en una amplia variedad de condiciones, como al aire libre, bajo el agua y aspiradoras (como el espacio)

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