FUNDAMENTOS DE SOLDADURA

En esta parte del libro, se consideran los procesos que se utilizan para unir dos o más piezas en una entidad ensamblada. Éstos se identifican en el tronco inferior de la figura 1.4. Por lo general, el término unión generalmente se usa para la soldadura fuerte, la dura, la suave y el pegado adhesivo, que forman entre las piezas una unión que no puede separarse con facilidad. El término ensamble se refiere usualmente a los métodos mecánicos para juntar dos piezas. Algunos de ellos permiten un desensamble sencillo, mientras que otros no. Se inicia la cobertura de los procesos de unión y ensamble con la soldadura que se analiza en este capítulo y el siguiente. 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 conveniente de calor y/o presión. Muchos procesos de soldadura se obtienen solamente por calor, sin aplicar presión; otros mediante una combinación de calor y presión; y otros más, únicamente por presión, sin suministrar calor externo. 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. El análisis de la soldadura en este texto se enfocará en la unión de metales. La soldadura es un proceso relativamente nuevo (nota histórica 30.1). Su importancia comercial y tecnológica se deriva de lo siguiente:

• La soldadura proporciona una unión permanente. Las piezas soldadas se convierten en una sola entidad. 
• La unión soldada puede ser más fuerte que los materiales originales, si se usa un metal de relleno que tenga propiedades de resistencia superiores a las de los materiales originales y si se emplean las técnicas de soldadura adecuadas. 
• Por lo general, la soldadura es la forma más económica de unir componentes, en términos del uso de materiales y costos de fabricación. Los métodos mecánicos alternativos de ensamble requieren alteraciones más complejas de las formas (por ejemplo, el taladrado de orificios) y la adición de sujetadores (por ejemplo, remaches o tuercas). Usualmente, el ensamble mecánico resultante es más pesado que la soldadura correspondiente. 
• La soldadura no se limita al ambiente de fábrica. Puede realizarse “en el campo”. 

Aunque la soldadura tiene las ventajas indicadas, también tiene ciertas limitaciones y desventajas (o desventajas potenciales): 

• La mayoría de las operaciones de soldadura se realizan en forma manual y son caras en términos de costo de mano de obra. Muchas operaciones de soldadura se consideran “rutinas especializadas” y la mano de obra para realizar estas operaciones puede ser escasa. 
• La mayoría de los procesos de soldadura son inherentemente peligrosos debido a que implican el uso de mucha energía. 
• Como la soldadura logra una unión permanente entre los componentes, no permite un desensamble adecuado. Si se requiere un desensamble ocasional de producto (para reparación o mantenimiento), no debe usarse la soldadura como método de ensamble. 
• La unión soldada puede tener ciertos defectos de calidad que son difíciles de detectar y que pueden reducir la resistencia de la unión.

PERSPECTIVA DE LA TECNOLOGÍA DE LA SOLDADURA 

La soldadura implica la fusión o unión localizada de dos piezas metálicas en sus superficies de empalme. Éstas son las superficies de la pieza que están en contacto o muy cercanas para ser unidas. Por lo general, la soldadura se realiza sobre piezas hechas del mismo metal, pero es posible usar algunas operaciones para unir metales diferentes.

Tipos de procesos de soldadura 

La American Welding Society ha catalogado más de 50 tipos diferentes de operaciones de soldadura que utilizan diversos tipos o combinaciones de energía para proporcionar la energía requerida. Los procesos de soldadura pueden dividirse en dos grupos principales: 1) soldadura por fusión y 2) soldadura de estado sólido. 

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. Una operación de soldadura por fusión en la cual no se agrega un metal de relleno se denomina soldadura autógena. La categoría por fusión incluye los procesos de soldadura de uso más amplio, los cuales pueden organizarse en los siguientes grupos generales (las iniciales entre paréntesis son designaciones en inglés, de la American Welding Society): 

• Soldadura con arco (AW). Se refiere a un grupo de procesos de soldadura en los cuales el calentamiento de los metales se obtiene mediante un arco eléctrico, como se muestra en la figura 30.1. 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 soldadura por fusión. Además de los tipos anteriores, hay otros procesos de soldadura que producen la fusión de los metales unidos; como ejemplo pueden mencionarse la soldadura con haz de electrones y la soldadura con rayo láser. 

También se usan ciertos procesos de arco y de oxígeno y gas combustible para cortar metales. 

Soldadura de estado sólido La soldadura de estado sólido se refiere a los procesos de unión en los cuales la fusión 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 los procesos de estado sólido no se utiliza un metal de relleno. Algunos procesos representativos de soldadura en este grupo son los siguientes: 

• Soldadura por difusión (DFW). Se colocan juntas dos superficies bajo presión a una temperatura elevada y las piezas se sueldan por medio de fusión 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. 

La soldadura como una operación comercial 

Las principales aplicaciones de la soldadura son: 1) la construcción, por ejemplo, edificios y puentes; 2) la producción de tuberías, recipientes a presión, calderas y tanques de almacenamiento; 3) la construcción naval; 4) las industrias aeronáutica y espacial; y 5) los automóviles y los ferrocarriles [4]. La soldadura se realiza en diferentes instalaciones y en diversas industrias. Debido a su versatilidad como técnica de ensamble para productos comerciales, muchas operaciones de soldadura se ejecutan en fábricas. Sin embargo, varios de los procesos de soldadura tradicionales, tales como la soldadura con arco eléctrico y la soldadura con oxígeno y gas combustible, emplean equipo que se mueve con facilidad, por lo que estas operaciones no se limitan a la fábrica. Pueden realizarse en lugares de construcción, en patios, en las instalaciones de un cliente y en los talleres de reparación de automóviles. 

La mayoría de las operaciones de soldadura requiere un trabajo intenso. Por ejemplo, la soldadura con arco eléctrico la realiza un trabajador calificado, llamado soldador, quien controla manualmente la trayectoria o colocación de la soldadura para unir piezas individuales en una unidad más grande. En las operaciones de fábrica donde se realiza la soldadura con arco en forma manual, con frecuencia el soldador trabaja con un segundo trabajador, llamado ajustador. El trabajo del ajustador es ordenar los componentes individuales para el soldador antes de practicar la soldadura. Se usan sujetadores y posicionadores de soldadura para ayudar en esta función. Un sujetador de soldadura es un dispositivo para asegurar y sostener los componentes en una posición fija para la soldadura. Esta instalación se fabrica sobre pedido para la forma particular de la soldadura y, por lo tanto, debe tener una justificación económica con base en la cantidad de ensambles que se van a producir. Un posicionador de soldadura es un dispositivo que sostiene las piezas y también mueve el ensamble a la posición deseada para soldar. La diferencia entre este dispositivo y un sujetador de soldadura es que sostiene las piezas en una sola posición fija. Por lo general, la posición deseada es aquélla en la que la trayectoria de soldadura es plana y horizontal. 

El aspecto de seguridad La soldadura es inherentemente peligrosa para los trabajadores. Quienes ejecutan estas operaciones deben tomar estrictas medidas de seguridad. Las altas temperaturas de los metales fundidos en la soldadura son un peligro obvio. En la soldadura con gas, los combustibles (por ejemplo, el acetileno) corren el riesgo de incendiarse. La mayoría de los procesos usan mucha energía para producir la fusión de las superficies de las piezas que se van a unir. En muchos procesos de soldadura, la corriente eléctrica es la fuente de energía térmica, por lo que existe el riesgo de una descarga eléctrica para el trabajador. Ciertos procesos de soldadura tienen sus propios peligros particulares. Por ejemplo, en la soldadura con arco eléctrico, se emite radiación ultravioleta, la cual es peligrosa para los ojos. El soldador debe usar una careta especial que incluye una ventana oscura con un filtro. Esta ventana filtra la radiación peligrosa, pero es tan oscura que deja al soldador virtualmente ciego, excepto cuando se descarga el arco eléctrico. Las chispas y las salpicaduras de metal fundido, el humo y los vapores aumentan los riesgos asociados con las operaciones de soldadura. Deben usarse instalaciones ventiladas para extraer los vapores peligrosos que generan algunos de los fluidos y metales fundidos que se usan en la soldadura. Si la operación se realiza en un área cerrada, se requiere de trajes o capuchas con ventilación especial. 

Automatización en la soldadura Debido a los riesgos de la soldadura manual y a los esfuerzos de aumentar la productividad y mejorar la calidad de los productos, se han creado diversas formas de mecanización y automatización. Las categorías incluyen la soldadura con máquina, la soldadura automática y la soldadura robótica. 

La soldadura con máquina puede definirse como una soldadura mecanizada con equipo que realiza la operación bajo la supervisión continua de un operador. Normalmente se realiza mediante una cabeza para soldadura que se mueve por medios mecánicos en relación con el trabajo estacionario, o moviendo el trabajo en relación con la cabeza de soldadura estacionaria. El trabajador humano debe observar continuamente e interactuar con el equipo para controlar la operación. 

Si el equipo es capaz de realizar la operación sin el ajuste de los controles por parte de un operador humano, se denomina soldadura automática. Un trabajador casi siempre está presente para vigilar el proceso y detectar variaciones de las condiciones normales. Lo que distingue la soldadura automática de la soldadura con máquina es un controlador del ciclo de soldadura para regular el movimiento del arco eléctrico y la posición de la pieza de trabajo sin atención humana continua. La soldadura automática requiere un sujetador o un posicionador de soldadura para colocar el trabajo en relación con la cabeza de soldadura. También se requiere un mayor grado de consistencia y precisión en las piezas componentes usadas en el proceso. Por estas razones, la soldadura automática sólo se justifica para grandes producciones. 

En la soldadura robótica se usa un robot industrial o un manipulador programable que controla en forma automática el movimiento de la cabeza para soldar con respecto al trabajo. El alcance versátil del brazo del robot permite el uso de sujetadores relativamente simples, y la capacidad del robot para reprogramarse con nuevas configuraciones de las piezas permite que esta forma de automatización se justifique para cantidades de producción relativamente bajas. Una típica celda robótica de soldadura con arco consta de dos instalaciones para soldadura y un ajustador humano para cargar y descargar piezas mientras el robot efectúa la soldadura. Además de la soldadura con arco, también se usan robots industriales en las plantas de ensamble final de automóviles para realizar soldadura por resistencia sobre carrocerías (figura 39.11).

UNIÓN SOLDADA 

La soldadura produce una conexión sólida entre dos piezas, denominada unión soldada. Ésta es el empalme de los bordes o las superficies de las piezas que se han unido mediante soldadura. En esta sección, se cubren dos clasificaciones relativas a las uniones soldadas: 1) tipos de uniones y 2) tipos de soldaduras que se usan para unir las piezas que forman la unión.

Tipos de uniones 

Existen cinco tipos básicos de uniones para pegar dos piezas de una junta. Los cinco tipos de unión no están limitados a la soldadura; también se aplican a otras técnicas de unión y sujeción. De acuerdo con la figura 30.2, los cinco tipos de unión pueden definirse como sigue: 

a) Unión empalmada. En este tipo de unión, las piezas se encuentran en el mismo plano y se unen en sus bordes. 

b) Unión de esquina. Las piezas en una unión de esquina forman un ángulo recto y se unen en la esquina del ángulo. 

c) Unión superpuesta. Esta unión consiste en dos piezas que se sobreponen. 

d) Unión en te. En la unión en te, una pieza es perpendicular a la otra en una forma parecida a la letra T. 

e) Unión de bordes. Las piezas en una unión de bordes 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 

Cada una de las uniones anteriores puede hacerse mediante soldadura. Es adecuado distinguir entre el tipo de unión y el modo en que se suelda, es decir, el tipo de soldadura. Las diferencias entre los tipos de soldadura están en la forma (el tipo de unión) y el proceso de soldadura. 

Se usa soldadura de filete para rellenar los bordes de las placas creadas mediante uniones de esquina, sobrepuestas y en te, como en la figura 30.3. Se usa un metal de relleno para proporcionar una sección transversal con una forma aproximada a la de un triángulo recto. Es el tipo de soldadura más común en la soldadura con arco y en la de oxígeno y gas combustible porque requiere una mínima preparación de los bordes, pues se usan los bordes cuadrados básicos de las partes. Las soldaduras de filete pueden ser sencillas o dobles (es decir, pueden soldarse en uno o ambos lados) y continuas o intermitentes (esto es, soldadas a lo largo de toda la longitud de la unión o con espacio sin soldar a lo largo de la pieza).

Las soldaduras con surco por lo general requieren que se moldeen las orillas 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, como se muestra en la figura 30.4. Se usa metal de relleno para saturar la unión, por lo general, mediante soldadura con arco eléctrico o con oxígeno y gas combustible. Con frecuencia se preparan los bordes de las piezas más allá de un cuadrado básico, aunque se requiera de un procesamiento adicional, para aumentar la resistencia de la unión soldada o donde se van a soldar piezas más gruesas. Aunque se asocia más estrechamente con una unión empalmada, la soldadura con surco se usa en todos los tipos de uniones, excepto en la sobrepuesta. 

Las soldaduras con insertos y las soldaduras ranuradas se usan para unir placas planas, como se muestra en la figura 30.5, usando uno o más huecos o ranuras en la pieza superior, que después se rellenan con metal para fundir las dos piezas. 

En la figura 30.6 se muestran la soldadura de puntos y la soldadura de costura, usadas para uniones sobrepuestas. Una soldadura de puntos es una pequeña sección fundida entre las superficies de dos láminas o placas. Normalmente se requieren varias soldaduras de puntos para unir las piezas. Se asocia más estrechamente con la soldadura por resistencia. Una 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.

En la figura 30.7 se muestran soldaduras en rebordes y soldaduras en superficies. Una soldadura en 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, como en la figura 30.7a). Una soldadura en superficie no se usa para unir piezas, sino para depositar metal de relleno sobre la superficie de una pieza base en una o más gotas de soldadura. Las gotas de soldadura pueden colocarse en una serie de líneas paralelas sobrepuestas, con lo que se cubren 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

Aunque existen varios mecanismos para lograr la coalescencia de la soldadura, la fusión es por mucho el medio más común. En esta sección se consideran las relaciones físicas que permiten la fusión de la soldadura. Primero se examina el aspecto de la densidad de potencia y su importancia y, después, se definen las ecuaciones de calor y potencia que describen un proceso de soldadura.

Densidad de potencia 

Para lograr la fusión, 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. La densidad calorífica se define como la potencia transferida al trabajo por unidad de área superficial, W/mm2 (Btu/s-in2 ). El tiempo para fundir el metal es inversamente proporcional a la densidad de potencia. A bajas densidades de potencia, se requiere una gran cantidad de tiempo para producir la fusión. Si la densidad de potencia es demasiado baja, el calor se conduce al trabajo tan rápidamente como se transmite a la superficie y nunca ocurre la fusión. Se ha encontrado que la mínima densidad de potencia requerida para fundir la mayoría de los metales en la soldadura es de aproximadamente 10 W/mm2 (6 Btu/s-in2 ). Conforme aumenta la densidad calorífica, se reduce el tiempo de fusión. Si la densidad de potencia es demasiado alta, un poco arriba de 105 W/mm2 (60 000 But/s-in2 ), las temperaturas localizadas vaporizan el metal en la región afectada. Por lo tanto, existe un rango de valores prácticos para la densidad de potencia, dentro del cual puede ejecutarse la soldadura. Las diferencias entre los procesos de soldadura en este rango son: 1) la velocidad a la que se realiza la soldadura y/o 2) el tamaño de la región que puede soldarse. En la tabla 30.1 se proporciona una comparación de la densidad de potencia para los grupos principales de procesos de soldadura por fusión. La soldadura con oxígeno y gas combustible es capaz de generar grandes cantidades de calor, pero la densidad de calor es relativamente baja debido a que se extiende sobre un área grande. El gas oxiacetileno, el más caliente de los combustibles para la OFW, arde a una temperatura máxima de alrededor de 3500 °C (6300 °F). En comparación, la soldadura con arco produce una alta energía sobre un área más pequeña, lo que da por resultado temperaturas locales de 5500° a 6600 °C (10 000 a 12 000 °F). Por razones metalúrgicas, es conveniente fundir metales con el mínimo de energía y en general se prefieren las densidades de potencia altas.

La densidad de potencia puede calcularse como la potencia que entra a la superficie dividida entre el área superficial correspondiente:

donde PD densidad de potencia, W/mm2 (Btu/s-in2 ); P potencia que entra a la superficie, W (Btu/s); y A área superficial por la que entra energía, mm2 (in2 ). Este asunto resulta más complicado de lo que indica la ecuación (30.1). Una complicación es que la fuente de potencia (por ejemplo, el arco) se mueve en muchos procesos de soldadura, lo que da por resultado un calentamiento previo a la operación y un calentamiento posterior a ésta. Otra dificultad es que la densidad de potencia no es uniforme por toda la superficie afectada; se distribuye como una función del área, según lo demuestra el siguiente ejemplo.

EJEMPLO 30.1 Densidad de potencia en la soldadura

Una fuente de calor transfiere 3000 W a la superficie de una pieza metálica. El calor afecta la superficie en un área circular, con intensidades variables dentro del círculo. La distribución es la siguiente: 70% de la potencia se transfiere dentro de un círculo de 5 mm de diámetro y 90% se transfiere dentro de un círculo concéntrico de 12 mm de diámetro. ¿Cuáles son las densidades de potencia en: a) el círculo interno de 5 mm de diámetro y b) el anillo con un diámetro de 12 mm que se encuentra alrededor del círculo interno?

Observación: La densidad de potencia parece lo suficientemente alta para fundir en el círculo interno, pero es probable que no sea suficiente en el anillo exterior de este círculo interno.

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 a su punto de fusión, el cual depende del calor específico volumétrico del metal, 2) el punto de fusión del metal y 3) el calor para transformar el metal de la fase sólida a la líquida en el punto de fusión, que depende de la temperatura de fusión del metal. Para una aproximación razonable, esta cantidad de calor puede estimarse mediante la siguiente ecuación [5]:

donde Um la unidad de energía para fundir (es decir, la cantidad de calor requerida para fundir una unidad de volumen de metal, empezando a temperatura ambiente), J/mm3 (Btu/ in3 ); Tm punto de fusión del metal en una escala de temperatura absoluta, K (°R); y K constante cuyo valor es 3.33 10-6 cuando se usa la escala Kelvin (y K 1.467 10x-5 para la escala de temperatura Rankine). Las temperaturas de fusión absoluta para los metales seleccionados se presentan en la tabla 30.2.

No toda la energía generada en la fuente de calor se usa para fundir el metal soldado. Existen dos mecanismos de transferencia de calor en el trabajo, ambos reducen la cantidad de calor disponible para el proceso de soldadura. El primer mecanismo es la transferencia de calor entre la fuente de calor y la superficie de trabajo. Este proceso tiene cierto factor de transferencia de calor f1 , definido como la razón del calor real que recibe la pieza de trabajo dividida entre el calor total que genera la fuente. El segundo mecanismo implica la conducción del calor lejos del área de soldadura para disiparse a través del metal de trabajo, por lo que sólo una porción del calor transferido a la superficie está disponible para fusión. Este factor de fusión f 2 es la proporción del calor que recibe la superficie de trabajo que puede usarse para fusión. El efecto combinado de estos dos factores reduce la energía calorífica disponible para la soldadura como sigue:

El valor de los factores f1 y f 2 se encuentra en un rango que va de cero a uno. Resulta adecuado separar los conceptos para f 1 y f2 , aun cuando actúen juntos durante el proceso de soldadura. El factor de transferencia de calor f 1 está determinado en gran parte por el proceso de soldadura y la capacidad de convertir la fuente de potencia (por ejemplo, energía eléctrica) en un calor utilizable en la superficie de trabajo. A este respecto, los procesos de soldadura con arco son relativamente eficientes, mientras que los procesos de soldadura con oxígeno y gas combustible son relativamente ineficientes. 

El factor de fusión f2 depende del proceso de soldadura, pero también está influido por las propiedades térmicas del metal, la configuración de la unión y el espesor de la pieza. Los metales con alta conductividad térmica, como el aluminio y el cobre, representan un problema para la soldadura, debido a la rápida disipación del calor en el momento de hacer contacto con el área de contacto. El problema aumenta con las fuentes caloríficas para soldadura que poseen bajas densidades de energía (por ejemplo, la soldadura con oxígeno y gas combustible), debido a que la entrada de calor se extiende sobre un área más grande, lo que facilita la conducción en el trabajo. En general, una alta densidad de potencia combinada con un material de trabajo de baja conductividad produce un alto factor de fusión. 

Ahora puede escribirse una ecuación de equilibrio entre la entrada de energía y la energía necesaria para soldar:

EJEMPLO 30.2 Velocidad de viaje en soldadura

La fuente de potencia en una instalación para soldadura particular es capaz de generar 3500 W que pueden transferirse a la superficie de trabajo con un factor de transferencia de calor 0.7. El metal que se va a soldar es de acero al bajo carbono, cuya temperatura de fusión según la tabla 30.2 es de 1760 K. El factor de fusión en la operación es de 0.5. Se realizará una soldadura de filete continua con un área de sección transversal de 20 mm2 . Determine la velocidad de viaje a la cual puede realizarse la operación de soldadura. 

Solución: Primero se encontrará la energía unitaria requerida para fundir el metal Um a partir de la ecuación (30.2).

CARACTERÍSTICAS DE UNA JUNTA SOLDADA POR FUSIÓN 

La mayoría de las uniones soldadas que se consideraron con anterioridad son soldadas por fusión. Como se ilustra en la sección transversal de la figura 30.8a), una junta soldada por fusión típica, a la cual se ha agregado un metal de relleno, consiste en varias zonas: 1) zona de fusión, 2) interfaz de la soldadura, 3) zona afectada por el calor y 4) zona de metal base no afectada.

La 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. La mezcla de estos componentes está motivada en gran medida por la convección en la combinación de soldadura fundida. La solidificación en la zona de fusión se asemeja a un proceso de fundición. En la soldadura, el molde se forma por medio de los bordes o superficies no fundidos de los componentes que se están soldando. La diferencia significativa entre la solidificación en fundición y la soldadura es que en esta última ocurre un crecimiento de grano epitaxial. El lector debe recordar que durante la fundición se forman granos metálicos a partir de la fusión, mediante la nucleación de partículas sólidas en la pared de fusión, seguida por el crecimiento del grano. En contraste, en el proceso de soldadura se evita la etapa de nucleación a través del mecanismo de crecimiento de grano epitaxial, en el cual los átomos de la combinación fundida se solidifican sobre los sitios reticulares preexistentes del metal base sólido adyacente. En consecuencia, la estructura del grano en el área de fusión cerca de la zona afectada por calor tiende a imitar la orientación cristalográfica de la zona afectada por calor circundante. Más allá, dentro de la zona de fusión se desarrolla una orientación preferencial, en la cual los granos están aproximadamente perpendiculares a los límites de la interface de soldadura. La estructura resultante en la zona de fusión solidificada tiende a presentar granos gruesos en columna, como se muestra en la figura 30.8b). La estructura del grano depende de varios factores que incluyen el proceso de soldadura, los metales que se sueldan (por ejemplo, metales idénticos contra metales diferentes), si se utiliza un metal de relleno y la velocidad de alimentación a la que se obtiene la soldadura. Un análisis detallado de la metalurgia de soldadura está más allá del enfoque de este texto, pero los lectores interesados pueden consultar varias de las referencias [3], [4], [5]. 

La segunda zona en la unión soldada es la interfaz de soldadura, una estrecha frontera que separa la zona de fusión de la zona afectada por el calor. La interfaz consiste en una banda delgada de metal base fundido o parcialmente fundido durante el proceso de fusión (se localiza dentro de los granos), el cual se ha solidificado inmediatamente después, antes de mezclarse con el metal en la zona de fusión. Por lo tanto, su composición química es idéntica a la del metal base. 

La tercera zona en la soldadura por fusión típica es la zona afectada por el calor (HAZ, por sus siglas en inglés). 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 zona afectada por el calor es igual a la del metal base, pero esta zona ha sido tratada con calor debido a las temperaturas de soldadura, por lo que se han alterado sus propiedades y estructura. La cantidad de daño metalúrgico en la HAZ depende de factores como la cantidad de calor que ha ingresado y la temperatura pico alcanzada, la distancia de la zona de fusión, el intervalo de tiempo en el que ha estado sujeto el metal a altas temperaturas, la velocidad de enfriamiento y las propiedades térmicas del metal. Por lo general, el efecto sobre las propiedades mecánicas en la zona afectada por el calor es negativo y, con frecuencia, en esta región ocurren fallas en la junta soldada. 

Conforme aumenta la distancia de la zona de fusión, finalmente se alcanza la zona de metal base no afectada, en la cual no ha ocurrido un cambio metalúrgico. Sin embargo, es probable que el metal base que rodea la HAZ esté en un estado de alto esfuerzo residual, ocasionado por la contracción en la zona de fusión.

REFERENCIAS 

[1] Cary. H. B. y Helzer, S. C., Modern Welding Technology, 6a. ed., Pearson/Prentice-Hall, Upper Saddle River, N.J., 2005. 

[2] Datsko. J., Material Properties and Manufacturing Processes, John Wiley & Sons, Inc., Nueva York, 1966, capítulo 4. 

[3] Messler. R. W., Jr., Principles of Welding: Processes, Physics, Chemistry, and Metallurgy, John Wiley & Sons, Inc., Nueva York, 1999. 

[4] Metals Handbook, 9a. ed., vol. 6, Welding, Brazing, and Soldering. ASM International, Materials Park, Ohio, 1993. 

[5] Welding Handbook, 8a. ed., vol. 1, Welding Technology, American Welding Society, Miami, Florida, 1987. 

[6] Wick, C. y Veilleux. R. F., Tool and Manufacturing Engineers Handbook, 4a. ed., vol. IV, Quality Control and Assembly, Society of Manufacturing Engineers, Dearborn, Mich., 1987.