Tipos de Soldadura y Ejemplos

Aunque el mundo hoy en día sé esté encaminando hacia un mundo totalmente digital, no debemos aislar a las grandes obras de ingeniería basadas en la mecánica, y en la eléctrica, que dieron paso a un punto crucial en la revolución industrial. Hoy hablaremos de un tema muy interesante, y muy rebuscado en temas de procesos de manufactura, los tipos de soldaduras, y aplicaciones.

Podríamos definir a las soldaduras como el conjunto de uniones íntimas entre dos piezas de un mismo material o de materiales diferentes. Se llaman heterogéneas cuando el material de unión es netamente distinto de los metales que se unen y homogéneas o autógenas si se efectúan con materiales de unión o de aporte de la misma naturaleza de los de base, o bien sin material de aportación.

Las soldaduras heterogéneas se obtienen sin fusión de los bordes de los metales que se unen y pueden ser: blandas, con aleaciones de estaño-plomo o aleaciones de bajo punto de fusión; fuertes, o soldaduras con latón o plata; con soplete, con latones especiales y aleaciones diversas, y en horno, con aleaciones de níquel- fósforo, circonio-berilio o cobre.

Las soldaduras autógenas se obtienen por fusión de los bordes de las piezas que se unen, con aportación de material o sin ella, y pueden ser soldaduras por presión en la forja y eléctricas de resistencia, o bien soldaduras por fusión aluminotermia, con el soplete oxiacetilénico, con arco eléctrico, con hidrógeno atómico o con bombardeo electrónico. Todas ellas cumplen la misma función: la unión entre dos piezas.

Según el autor Groover, la soldadura la podemos definir como:

La soldadura suele ser un proceso de unión de materiales en el cual se funden las superficies de contacto de dos o más piezas mediante la aplicación conveniente de calor y/o presión.

Es importante que que se entienda que muchos procesos de soldadura se obtienen solamente por calor, sin aplicar presión, pero también hay otros que son mediante una combinación de calor y presión, y otros únicamente por presión, sin suministrar calor externo. Hay ocasiones donde en los procesos de soldadura se agrega un material de relleno para facilitar la fusión.

Como bien dijimos, la soldadura es la unión de metales y otros materiales similares, si bien algunos ingenieros suelen clasificar la soldadura en cinco factores principales, basándose en:

  • El punto de fusión
  • Conductividad térmica
  • Expansión térmica
  • Estado de superficie
  • Cambio de la microestructura

Forma general de clasificar las soldaduras

Además de la anterior clasificación, las soldaduras las podemos clasificar en tres tipos:

  1. Soldadura de Plástico
  2. Soldadura por Fusión
  3. Soldadura en Frío

Soldadura en Plástico :

Cuando nos referimos al plástico, nos referimos a un proceso de soldadura a presión, pues las piezas metálicas se calientan hasta obtener el estado plástico, que después serán forzadas a presión extrema. Este tipo de soldadura es también conocida cómo proceso de soldadura líquido-solido. Normalmente lo veremos aplicado en soldaduras de forja, y soldaduras de resistencia.

Soldadura por Fusión :

La soldadura por fusión es un proceso donde el material en la junta se calienta a un estado fundido, y éste se deja solidificar. Éstas soldaduras también se conocen como proceso de soldadura de estado líquido. Y normalmente lo vemos aplicado en soldadura de gas, soldadura de arco, soldadura de termita, etc..

Soldadura en Frío:

En este proceso de soldadura, las juntas se producen sin necesidad de calor, pero aplicando presión, esto da como resultado la fusión molecular entre las superficies de las partes a unir. Es también conocida como un proceso de soldadura de estado sólido. Como ejemplo, las soldaduras de chapas metálicas no ferrosas, elementos de aluminio y sus aleaciones. Y es típico verlo en soldadura ultrasónica, soldadura por fricción, o soldaduras explosivas.

Clasificación de los procesos de soldadura

Aunque los procesos de soldadura se pueden clasificar de muchas formas, aquí tenemos las que hemos considerado como principales. 😎

Clasificación por el estado de los materiales de base y de adición

Clasificación por tipo de Proceso de Soldadura

 

Soldaduras blandas y fuertes

Las soldaduras blandas son aquellas que se obtienen a través de aleaciones que son fundidas a temperaturas inferiores a 400°C a base de estaño (SG) y plomo (PG), en porcentajes variados. Las más comunes tienen los siguientes porcentajes: 45 % Sb-55 % Pb; 40 % Sb-60 % Pb, y 70 % Sb-30 % Pb.

Para eliminar el óxido de las superficies que se han de unir se utilizan diversos desoxidantes, el más conocido de los cuales es el cloruro de zinc hidratado.

Para fundir la aleación se emplea una cuña de cobre o un hilo conformado de modo conveniente, calentados eléctricamente. Con este procedimiento se efectúan soldaduras poco resistentes a las tensiones mecánicas y aptas para asegurar el contacto entre dos piezas (empalmes eléctricos).

Las soldaduras fuertes se efectúan a temperaturas superiores a 400 °C y con aleaciones diversas de Zinc (Zn), Cobre (Cu), Plata (Ag), etc., como: 20 % Zn -80 % Cu; 40 % Zn - 60 % Cu y 50 % Ag - 33 % Cu - 17 % Zn. Los desoxidantes utilizados son el bórax y el ácido bórico.

Nota: Las soldaduras autógenas se obtienen por fusión de los bordes de los metales que se unen, éstas se pueden realizar con arco eléctrico, con soplete de oxiacetileno o empleando la fusión aluminotérmica con bombardeo electrónico.

Soldadura con Soplete

Es un procedimiento que emplea materiales con una temperatura de fusión inferior a 850 °C. Los bordes de las piezas que se han de unir se calientan con la llama oxiacetilénica a una temperatura apenas suficiente para producir la fusión del material aportado, pero siempre inferior a la de fusión del material que constituye las piezas por unir. Por tanto, las deformaciones de las piezas provocadas por la tensión producida durante la fase de enfriamiento son mínimas, lo mismo que las alteraciones estructurales del metal.

Como materiales de aportación se emplean latones especiales, llamados impropiamente "bronces"; por ejemplo, el "bronce Ténax", aleación a base de zinc, cobre, hierro y silicio, o bien el "argentán o plata nueva". El desoxidante suele ser una mezcla de polvo de bórax y ácido bórico.

Con este procedimiento se efectúan uniones de casi todos los metales, como fundición, acero, cobre, bronce, latón y níquel.

Soldadura al horno

Es un procedimiento utilizado cuando se pretende evitar distorsiones en las piezas que se unen. Las soldaduras citadas anteriormente, aunque se realizan a bajas temperaturas, necesitan calentamientos parciales de las piezas que se unen, con la consiguiente formación de tensiones debidas a la falta de uniformidad durante el enfriamiento. Sin embargo, con una soldadura efectuada en horno, las piezas que se unen se calientan uniformemente y lo mismo ocurre durante su enfriamiento, sin que se produzcan tensiones o deformaciones.

Las piezas que se sueldan por este procedimiento están ligadas a las dimensiones del horno disponible y no pueden ser muy grandes. Esta técnica se emplea especialmente para la producción de componentes de los reactores nucleares (en la cual algunos elementos deben conservar, después de su unión, ciertas formas, con tolerancias de dimensiones muy estrictas). En la actualidad se desarrolla su aplicación en el campo de los motores y para los intercambiadores de calor.

La soldadura se realiza en hornos con atmósfera controlada, reductora o desoxidante, como los hornos de atmósfera de hidrógeno muy puro o de vacío. Las uniones se efectúan casi exclusivamente con aceros inoxidables, aceros con elevado contenido de níquel y compuestos de circonio (estos últimos son típicos en el campo nuclear). Los materiales de aportación son aleaciones de níquel-fósforo, circonio-berilio y cobre, con elementos de aleación denominados cementos, en forma de polvos, pastas, hilos o láminas. La temperatura de fusión de estas aleaciones está comprendida entre 900 y 1000°C, según su composición. En general, las uniones obtenidas de esta manera poseen excepcionales características mecánicas.

Soldadura a la forja

La soldadura a la forja o de forja es un proceso de soldadura de estado sólido en el que se crea una unión de metal debida a la difusión intermolecular. Como bien sabemos, la forja es una técnica para dar forma a cualquier metal mediante la aplicación de alta presión y temperatura. Esta técnica es conocida desde la antigüedad, pues se utilizaba para la soldadura del hierro común, y también para unir ciertas piezas de acero.

El proceso es algo sencillo las piezas que se van a soldar, previamente se calientan en la forja hasta convertirlas en blandas y pastosas, en torno a los 1300 y 1400 °C , después se unen y golpean con un martillo o mazo. La unión así obtenida es muy resistente y se emplea, por ejemplo, para los eslabones de las cadenas.

Cabe señalar también, que este proceso de soldadura fue reemplazado por otros procesos de soldadura más adecuados y simples, como la soldadura por arco y soldadura por gas.

Soldadura eléctrica por resistencia

Es el tipo más corriente de soldadura por presión. El calor necesario para llevar a cabo la fusión es producido por efecto Joule de la resistencia óhmica al paso de una corriente eléctrica a través de la superficie de contacto de las piezas que se soldan. Dicha cantidad Q de calor desarrollado es:

\displaystyle Q=tRI

Dónde:

= Resistencia eléctrica del material para soldar

= Intensidad de la corriente eléctrica que circula por la zona que se solda durante un tiempo "t".

t = tiempo

A igualdad del calor desarrollado (Q), es preciso disponer de valores elevados de la intensidad (I). con el fin de abreviar el tiempo de calentamiento (t) y evitar que el calor se propague por la pieza deformándola; la tensión eléctrica se mantiene con valores muy reducidos. La corriente se pone en contacto con las piezas por soldar generalmente a través de unos electrodos de cobre de tipo especial, llamado mallory, bastante duro y resistente al desgaste, enfriándolos por circulación interior de agua. Con este tipo de unión es necesario aplicar a las piezas una presión que, combinada con el calentamiento, produce la soldadura.

Las soldaduras eléctricas por resistencia pueden efectuarse a tope, para la unión de redondos y de ejes, por puntos, o en continuo, para la unión de planchas.

Soldadura por fusión aluminotérmica (con termita)

Se realiza por medio del encendido (en un crisol) de termita, que es una mezcla de sequióxidos de hierro y aluminio pulverizados (por ello se le llama también soldadura con termita). Estos dos materiales reaccionan desprendiendo gran cantidad de calor y producen un metal fundido sobrecalentado (aproximadamente a 3000°C) y una escoria fundida de óxido de aluminio:

\displaystyle 2Al+F{{e}_{2}}{{O}_{3}}\to 2Fe+A{{l}_{2}}{{O}_{3}}+188\frac{kcal}{kg}

Cada kilogramo de termita original de:

0,5 kg de Fe y 0,5 kg de \displaystyle A{{l}_{2}}{{O}_{3}}

La fusión es muy rápida entre 15 y 20 segundos, y el hierro fundido es colado en una horma precalentada y dispuesta alrededor de la zona que se solda. El metal, sobrecalentado, penetra a través de las partes encaradas de las piezas por soldar y las une. Una de sus aplicaciones más típicas es la soldadura de carriles.

Soldadura Oxiacetilénica

En este caso, el calor necesario para la fusión de los bordes de las piezas por soldar lo produce la combustión de un gas (generalmente acetileno), en oxígeno. El acetileno se produce haciendo reaccionar el agua con carburo cálcico, según el proceso químico, veamos:

\displaystyle Ca{{C}_{2}}+2{{H}_{2}}O={{C}_{2}}{{H}_{2}}+Ca{{\left( OH \right)}_{2}}

Para llevar a cabo este proceso se utiliza el Gasógeno, un aparato que permite obtener combustible gaseoso a partir de combustibles sólidos en los que se sumerge el carbono cálcico sólido en agua, aproximadamente cerca de 1kg de carburo cálcico llega a producir unos 300 litros de acetileno. Los gasógenos presentan diversos tamaños según la potencia requerida y, en general, se instalan cerca de los puestos de soldadura.

Del acetileno producido por los gasógenos hay que eliminar sus impurezas (gases sulfhídricos, amoniaco, vapor de agua y alquitranes), que producen defectos en la soldadura como la fragilidad de la unión.

Para instalaciones pequeñas o de fácil transporte, se utiliza el acetileno disuelto en acetona, se estima que 1 litro de acetona disuelve cerca de 24 litros de acetileno.

Este tipo de soldadura utiliza reductores para disminuir la presión del acetileno y del oxígeno a los valores requeridos y soplete, para la mezcla de los dos gases y la dirección sobre la zona de la soldadura de la llama producida por la combustión. Se emplean materiales de aportación, en forma de alambres o barritas, de la misma naturaleza que los metales de base.

Aquí algunos ejemplos de tipo de llama y aplicaciones comunes.

Tipos de Llama:

Llama Neutra Suave: 

Es cuando hay partes iguales de oxígeno y acetileno (Baja presión).

Aplicación Común: Para soldar planchas delgadas de acero.

Llama Neutra Dura:

Es cuando hay partes iguales de oxígeno y acetileno (Alta presión)

Aplicación Común: Para soldar planchas gruesas de acero.

Tipo Oxidante:

Es cuando hay mayor proporción de oxígeno.

Aplicación Común: Para enderezar piezas, tratamiento térmico, calentamiento de piezas, soldadura de latón.

Tipo Carburante:

Es cuando hay mayor de proporción de acetileno.

Aplicación Común: Para soldadura de fierro fundido.

La máxima temperatura que se alcanza con el dardo oxiacetilénico es algo superior a 3000°C. La combustión se efectúa en dos fases: durante la primera el acetileno disociado se combina con el oxígeno:

\displaystyle {{C}_{2}}{{H}_{2}}+{{O}_{2}}\to 2CO+{{H}_{2}}

en la segunda fase, el monóxido de carbono y el hidrógeno, combinándose con el oxigeno del aire y con el oxígeno puro, forman anhídrido carbónico y agua:

\displaystyle 2CO+{{O}_{2}}\to 2C{{O}_{2}}

\displaystyle {{H}_{2}}+O\to {{H}_{2}}O

por tanto, una vez finalizada la combustión, los productos resultantes de la misma son anhídrido carbónico y vapor de agua.

¡Atención!
Es importante la dosificación exacta de los gases, pues una eventual deficiencia de oxígeno provocaría la formación de CO, venenoso y, por tanto, peligroso para el operario. El acetileno es un gas endotérmico que se disocia produciendo un calor muy intenso en el primer tramo de la llama, donde deben situarse las piezas a soldar.

La llama oxiacetilénica, acoplada con un chorro de oxígeno a presión, se utiliza para el corte de chapas, planchas y vigas. Este procedimiento se basa en la combustión del metal con el oxígeno y tiene lugar cuando el metal se calienta y es alcanzado por el chorro de oxígeno.

La soldadura oxiacetilénica es el método de soldadura más difundido, ya que se aplica con inmejorables resultados a todos los metales.

Soldadura por Arco

Existen varios casos de soldadura por arco, en este caso, el calor proviene de un arco voltaico que se establece entre un electrodo, constituido por el material de aportación, y la pieza por soldar, pues ésta y el electrodo son parte de un circuito eléctrico alimentado por un generador de corriente que puede ser continua o alterna (soldadura eléctrica). El arco eléctrico tiene una temperatura aproximada de 3400°C en el cátodo y de 2200 °C en el ánodo.

La cantidad de calor producida depende del diámetro del electrodo y de la intensidad de la corriente eléctrica suministrada por la máquina soldadora. Durante la soldadura, el electrodo se consume y deposita sobre la junta por soldar. Generalmente se utilizan electrodos revestidos de un fundente terroso que, al fundirse más lentamente que el núcleo metálico, lo protege de la acción oxidante del aire.

Otro tipo de soldadura con arco eléctrico es la soldadura en gas inerte, muy empleada para metales especialmente reactivos en atmósfera normal y para soldaduras delicadas en piezas de pequeñas dimensiones. Como gases de protección se utilizan gases inertes monoatómicos (helio o argón). El gas tiene la función de crear una zona neutra (no oxidante) en torno del arco y al baño del metal fundido.

Nota: Las soldaduras por arco eléctrico, generalmente son el método más empleado para unir piezas de metal por fusión.

⚠️ Precaución

El arco eléctrico es muy brillante y suele emitir rayos visibles e invisibles, alguno de los cuales causan quemaduras, ligeras lesiones en la piel y dolores temporalmente en los ojos, si es que no se les protege debidamente.

Soldadura por Fusión con Bombardeo Electrónico

Es un proceso de soldadura de fusión, también conocido como soldadura con "bombardeo electrónico", la soldadura por haz de electrones consta de un haz de electrones, acelerados y concentrados, emitidos en el vacío sobre la pieza por soldar, libera su energía cinética en forma de calor, produciendo una fusión instantánea o localizada.

El aparato soldador está constituido por un generador eléctrico que alimenta dos electrodos. Un filamento situado en el cátodo emite electrones que, con adecuados campos magnéticos, se concentran sobre la juntura a soldar. Puesto que la emisión de electrones sólo es posible en el vacío, estos trabajos tienen que Realizarse en recipientes estancos al vacío e implican técnicas muy costosas.

Las soldaduras así obtenidas tienen características excepcionales: reducido espesor de la zona fundida, gran penetración y ninguna alteración técnica del metal de base. Sus aplicaciones más corrientes consisten en la soldadura de los álabes de las turbinas, de los vástagos de las válvulas de los motores de explosión, y de los componentes para la industria nuclear.

Conclusión

Trabajar con los metales suele ser emocionante y fortalecedor. A medida que las chispas brotan y se dispersan, el calor sube. Los soldadores pueden transformar algunos de los materiales más fueres del mundo en diversas formas o productos que visualizan. Esta habilidad sin duda requiere de mucho esfuerzo, trabajo, paciencia y práctica para dominarla.

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