SOLDADURA BRAZING EN ALUMINIOS

El proceso de soldadura descrito anteriormente es aplicado a piezas cuyo material es Aluminio, donde el principal factor a tener en cuenta es la temperatura de fusión del metal de aporte, como se dijo en la sección anterior. Temperaturas de fusión por debajo de 450°C será considerados soldering, po r encima de dicha temperatura de fusión, el proceso será un brazing y para el caso particular de los aluminios ambas situaciones son factibles, aunque las acciones concernientes a la realización de la soldadura y las herramientas sean las mismas para los dos casos. 

Otro factor a tener en cuenta en la soldadura brazing/soldering de los aluminios, es la oxidación de la superficie de este material, que pese a ser una película muy delgada, impide la correcta unión de las partes al prevenir el contacto entre el material de aporte y el metal base. Durante el proceso de soldadura, deberá entonces, ser removido cualquier película de óxido presente en el metal base. Generalmente, el proceso brazing y soldering de la gran mayoría de las aleaciones de aluminio se restringe a la disponibilidad de las aleaciones de aporte las cuales, están basadas en dos metales primordiales, el Aluminio y el Silicio. 

Las aleaciones del tipo 2XXX y 7XXX son entonces, no soldables por el proceso brazing, ya que sus temperaturas de transformación de líquido a solido son muy bajas para estos metales de aporte. 

Las aleaciones de alto contenido de Magnesio (mayores al 1-2 %) son difíciles de soldar por el proceso brazing, debido a que la creación de la capa de óxido se incrementa substancialmente, y no es fácilmente removible por la acción de los fundentes. Este tipo de aleaciones, que se refieren a la serie 5XXX, deberán ser soldadas por el proceso brazing con técnica de vacío. 

Aleaciones como la serie 3XXX es la más acostumbrada a soldar por medio del proceso brazing, debido a que dicha aleación se utiliza en muchas aplicaciones de tipo industrial. 

En la tabla 1 se observa las temperaturas de fusión de las aleaciones de aluminio más utilizadas en la industria, y las temperaturas de aplicación de los procesos brazing que le corresponden a cada una.

• Preparación para el proceso Brazing Son tres los aspectos principales a tener en cuenta la soldadura brazing de aleaciones de aluminio a saber: 
• Preparación de la Junta: Para obtener juntas de calidad, tolerancias precisas y ensambles poco afectados por la expansión del aluminio, deben tenerse en cuenta algunos parámetros básicos de la soldadura brazing de los aluminios: El coeficiente de expansión del aluminio es aproximadamente tres veces mayor que el de los metales comúnmente utilizados en metalmecánica; en ensambles complejos algunas distorsiones deben ser comunes si el enfriamiento de las juntas es demasiado rápido. 
• Limpieza de la Junta: La acostumbrada película de óxido en la superficie de los aluminios generalmente no es un factor de detrimento en un proceso brazing, sin embargo, si son requeridas juntas de alta calidad, dos aspectos deben ser tenidos en cuenta: La remoción de toda la grasa, aceites, sucios de la junta y la prevención de una recontaminación de la misma después de la limpieza, que conlleva a una adecuada manipulación de la junta evitando inclusive tocarla con las manos. 
• Remoción de óxidos: Si la película de óxido es muy pequeña puede ser removida por medios mecánicos, aunque siempre se debe tener en cuenta el uso de químicos como algunos ácidos y cáusticos cuando la cantidad a remover sea considerable.


12 R. Mundt, Hoogovens, Koblenz, Introduction to Brazing of Aluminium Alloys, TALAT Lecture 4601, 1994, European Aluminium Ass

• Proceso Torch Brazing13 Dependiendo de la fuente de calor, existen algunos métodos de brazing aplicados a los aluminios: por soplete (torch brazing), por inmersión (flux-dip brazing), por calentamiento (furnace brazing), y en atmosferas controladas (vacuum and controlled atmosphere brazing). 

De todos los métodos anteriormente expuestos, el torch brazing es el más utilizado en la industria Colombiana, específicamente en trabajos de reparación, lotes de producción pequeños, y como alternativa a la soldadura de fusión. Se utiliza el mismo tipo de soplete y gases que se utilizan en la soldadura por fusión, pero para el aluminio se hacen algunos cambios en la boquilla del soplete y en el tipo de lentes a utilizar para las gafas de soldar. Todos los gases comerciales pueden ser utilizados como combustibles para el soplete, aunque los más utilizados son la pareja de oxígeno y acetileno. 

 

El método torch brazing se realiza al aire libre, sin la necesidad de un gas protector, normalmente requiere el uso de un fundente. La unión resultante debe ser limpiada posterior a la realización del proceso, para remover el exceso de fundente y las cascarillas que se producen por la llama directa sobre el metal base. 

 

Dentro de las ventajas de este método se incluyen: Un gran número de uniones pueden realizarse por este método tanto manual como por medios automatizados; el equipo es portátil facilitando la aplicación en campo; el capital de inversión inicial es muy bajo y los gases utilizados pueden emplearse para otros procesos; la llama es localizada permitiendo varias uniones en una misma pieza como en los sistemas de aire acondicionado. Por otra parte, dentro de sus desventajas se encuentran: el proceso en si es una agente oxidante del metal base; se requiere limpieza de las uniones posterior a la ejecución del proceso; el uso de fundentes tiende a que las juntas presenten porosidades más que si se utilizaran gases de protección, debido a la posibilidad de una mala aplicación de los mismos; la unión de piezas de gran masa no son viables debido a la gran cantidad de calor que se debe suministrar; la temperatura máxima del proceso es de 982°C.

 

• Metales de Aporte para el proceso Brazing El estándar comercial para los metales de aporte están basados en los elementos Aluminio y Silicio, como se mencionó anteriormente, siendo el porcentaje de Silicio alrededor del 7-14%. El incremento de Silicio disminuye la temperatura de liquidus; la adición de Cobre y Zinc baja las temperaturas de liquidus y solidus simultáneamente, pero hace que las juntas sean susceptibles a la corrosión. Algunos elementos son añadidos como el Zinc, Magnesio o Bismuto para proveer características apropiadas para el proceso. Las cantidades de cada elemento dependerán del tipo de método a emplear en el proceso brazing. 

El fósforo en este tipo de soldaduras, actúa como un agente fundente, y éstas son de menor costo que las de alto contenido de plata, por lo que en ocasiones, no se requiere aplicar fundente. En las soldaduras de plata, la aleación varía desde un 5% hasta un 60% de plata, y su punto de fusión depende de esta aleación. Por ejemplo, una soldadura con 5% de plata funde a 675 °C, y con 15% de plata funde a 640 °C. Las soldaduras de cobre y fósforo, tienen puntos de fusión mayores (700 °C) y alta resistencia a la tensión (2,800 kg/cm²). Existen soldaduras de cobre fosforado con contenido de 5% de plata, lo que le da mayor resistencia (más de 2,900 kg/cm²). 

 

La clasificación según la AWS de los metales de aporte para este proceso se ven en la tabla 2, en la cual, se pueden identificar los elementos que los componen.

 14 R. Mundt, Hoogovens, Koblenz, Introduction to Brazing of Aluminium Alloys, TALAT Lecture 4601, 1994, European Aluminium Association

• Fundentes Los fundentes para el proceso brazing de Aluminios contienen principalmente cloruros y fluoruros alcalinos, ocasionalmente fluoruros de aluminio o criolitos. Algunas veces cloruros o metales más pesados son añadidos individualmente o en combinaciones. Los fundentes son usualmente altamente higroscópicos. 

El propósito de las diferentes mezclas es proveerle al fundente las siguientes características: temperaturas de fusión menores que las del metal base, desplazar la capa de óxido de la superficie, protección para la superficie de metal expuesto al contacto del aire, bajar la tensión superficial del metal de aporte, fluidez al metal de aporte, que se fácilmente removible, y económico. 

Los fundentes como ya se ha citado, son compuestos químicos que disuelven los óxidos formados durante el calentamiento. Cuando estos compuestos químicos alcanzan un punto donde se saturan, son incapaces de disolver más óxidos, sus residuos toman una apariencia ennegrecida y acristalada, quedando el fundente exhausto. Las superficies de trabajo quedaran oxidadas y la limpieza posterior de la zona será mucho más difícil. En los casos que se den estas situaciones es necesario utilizar un fundente con mayor rango de trabajo y estabilidad o aplicar mayor cantidad de flux. También se puede mejorar utilizando un período razonablemente corto de calentamiento. 

Los fundentes se diseñan solamente para eliminar las películas de óxidos producidas durante la soldadura, cualquier otro contaminante como grasa, polvo, debe ser eliminado con anterioridad. Debido a que la composición de los fundentes pueden atacar el aluminio después del proceso brazing, sus residuos deben ser removidos cuidadosamente.

• Equipo para Torch Brazing El equipo básico para la aplicación manual de brazing por soplete (torch brazing), se compone de los proveedores de gas, los reguladores de gas, las mangueras o tubos que llevan el gas hasta el soplete, el soplete como tal y otros elementos. Se muestra un esquema del equipo de soldadura para proceso brazing manual, en la figura 9.

• Proveedores de Gas17 Los gases combustibles comúnmente utilizados en el brazing manual por soplete, son almacenados en cilindros individuales. Los cilindros son diseñados para gases específicos. El cilindro de Acetileno comúnmente es de color rojo y contiene acetona, mientras que el cilindro de oxigeno es de color verde. 
• Reguladores18 Los reguladores como su nombre indica, regulan la presión del gas contenido en los cilindros, para asegurar una presión de salida adecuada para el proceso. Los reguladores normalmente presentan dos medidores: uno muestra la medición de la presión en el cilindro, mientras que el otro medidor muestra la presión entregada al soplete.

16 Manual de soldadura Indura, página 95. 

17 Brazing Handbook, páginas 133-155, American Welding Society, 4Th Edition, 1991. 

18 Brazing Handbook, páginas 133-155, American Welding Society, 4Th Edition, 1991.

• Mangueras19 Las mangueras deben ser flexibles y soportar valores de presión relativamente altas. Deben permitir al soldador movilidad y mantener a los cilindros lejos del punto de aplicación de calor. Las mangueras deben ser de colores iguales a los de los cilindros para no mezclar los gases y tener un método de identificación. 
• El Soplete20 Cuando se van a unir piezas por el método de brazing se debe aplicar una cantidad de calor, que en este caso, lo proporciona una flama lo suficiente intensa, que al aplicarla a la pieza a soldar, la soldadura se derrita al contacto.

El artefacto que proporciona este calor es el soplete, el cual puede ser de diferentes combustibles: propano, gas L.P. oxiacetilénico, etc.

La llama de un soplete tiene dos coloraciones, que corresponden a diversos grados de calor: La llama amarilla es luminosa pero no muy calorífica. Al abrir poco a poco el regulador, pasa más mezcla gas-aire si hay suficiente presión, desaparece la flama amarilla para convertirse en azul, que es más calorífica; y a medida que el regulador se abra más, se intensifica el calor. Ya sea que el combustible sea acetileno, propano o gas natural (L.P.), hay tres tipos básicos de flamas que se producen, cuando se mezclan con el oxígeno en el soplete: 

Flama Neutral - Es la que tiene en medio un pequeño cono azul. Esta flama típicamente es la más caliente, y se utiliza cuando se requiere aplicar calor en un solo punto específico.

19 Brazing Handbook, páginas 133-155, American Welding Society, 4Th Edition, 1991. 

20 Tomado de las fichas técnicas de Emerson Climate. 

21 Manual de Soldadura Universal. COSUDE Agencia Suiza para el Desarrollo y la Cooperación. Programa de Capacitación Laboral.

Flama Oxidante - Esta se produce cuando hay presente más oxígeno del necesario, para la combustión completa del gas. Se caracteriza porque el cono azul es el más corto, cuando se usa acetileno con oxígeno. Otra característica es el sonido áspero que hace el soplete, debido al exceso de oxígeno. Este tipo de flama no se recomienda para soldar; el exceso de oxígeno, contribuye a la oxidación de los metales. 

Flama Reductora -También llamada carburante, es la contraria a la flama oxidante. Esta flama tiene una proporción tal de gas-oxígeno que, hay presente un exceso de gas combustible. Se caracteriza por tener el cono azul más grande que el de la flama oxidante, con un cono suave y blanco alrededor del azul. Es la flama predominantemente recomendada para soldar. La flama reductora ofrece varias ventajas. Primera, realmente ayuda a eliminar el óxido de la superficie de los metales. Segunda, calienta de manera más uniforme ya que, "envuelve" al tubo. Esto se logra aplicando la flama de tal manera, que la punta del cono blanco apenas toque el tubo. Tercera, se reduce el riesgo de sobrecalentar más en un solo punto como con las otras flamas.

Hay diferencias de temperaturas entre los diferentes tipos de flamas, al igual que en los diferentes gases combustibles, como se muestra en la tabla 3.

22 Tomado del Blog de Orfebrería: http://metalsmithorfebreria.blogspot.com/2010/04/flame-to-meltmetal-smelting-or-micro.html 

Ejecución del Proceso Torch Brazing 

Antes de todo, se debe tener la certeza del uso que va a tener la pieza a soldar, para saber el tipo de metal de aporte y de fundente que se va a emplear. Como ya se indicó anteriormente, existen soldaduras blandas y soldaduras fuertes. Las soldaduras blandas tienen puntos de fusión menores de 450 °C, y las soldaduras fuertes tienen puntos de fusión mayores de 450 °C. Las primeras se usan en instalaciones hidráulicas y las otras en el sistema de refrigeración. 

La teoría básica y técnica de soldado, son las mismas para todos los tamaños de pieza. Se debe tener siempre en cuenta: las cantidades requeridas de tiempo, calor y metal de aporte, para completar una unión designada. Una buena unión es el producto de un técnico bien capacitado, que conoce y respeta los materiales y métodos que utiliza. 

Limpieza: La limpieza se hace fácil y rápida. Para que la soldadura fluya adecuadamente, es crucial que se remueva el óxido y la suciedad. Si esto no se hace, el óxido y la suciedad de la superficie pueden interferir con la resistencia de la unión y causar una falla. La limpieza mecánica es una operación simple. Las zonas donde se aplicara el metal de aporte deberán limpiarse utilizando lija de esmeril, lana de acero o fibra de nylon, en una distancia ligeramente mayor que la profundidad de la conexión. También deberá limpiarse la conexión por dentro cuando son tuberías, utilizando lija o cepillo de alambre del tamaño apropiado. Deben tenerse las mismas precauciones que con el tubo. El cobre y el aluminio son metales blandos; si remueve demasiado material, quedará floja la conexión, interfiriendo con la acción capilar al soldar. El traslape o abertura en la raiz que debe existir entre las piezas, es aproximadamente de 4 milésimas de pulgada (0.004 in). La soldadura puede llenar este espacio por acción capilar. Este espacio es crítico para que la soldadura fluya y forme una unión fuerte. Se pueden utilizar limpiadores químicos, siempre y cuando se enjuaguen completamente la unión, de acuerdo con las recomendaciones del fabricante del limpiador. Esto neutralizará cualquier condición ácida que pueda existir. Las superficies una vez limpias, no deberán tocarse con las manos o guantes grasosos. Los aceites de la piel o lubricantes y la grasa, pueden impedir que la soldadura fluya y moje la junta.

23 Tomado de las fichas técnicas de Emerson Climate.

Rangos de Temperatura: Hasta este punto, los pasos para el proceso de soldadura son los mismos para soldaduras blandas y fuertes; la selección de uno u otro tipo, dependerá de las condiciones de operación. En la práctica real, la soldadura blanda se aplica a temperaturas entre 175 °C y 290 °C, mientras que la soldadura fuerte se hace a temperaturas de entre 590 °C y 850 °C. 

Aplicación del Fundente: Para soldaduras blandas, se explicó anteriormente, que es indispensable el uso de fundente. En las soldaduras fuertes, algunas no requieren el uso de fundente para soldar cobre a cobre; en uniones de cobre a bronce y cobre a latón, sí se requiere fundente, al igual que en soldaduras con aleaciones de plata y aluminio. Los fundentes para soldaduras blandas son diferentes en su composición, a los de soldaduras fuertes, y no deben de intercambiarse. La función del fundente se explicó en el párrafo correspondiente. Se debe aplicar una capa delgada y uniforme, con un cepillo o brocha, nunca con los dedos. La aplicación del fundente deberá ser a lo largo de toda la superficie de la junta a realizar. 

Ensamble: Después de haber limpiado ambas superficies, y aplicado el fundente en forma adecuada, se deben ensamblar realizando el debido traslape entre las piezas. Retire el exceso de fundente con un trapo o estopa de algodón. Si se van a efectuar varias soldaduras en una misma instalación, se recomienda preparar todas las de un mismo día de trabajo. Se debe tener cuidado para asegurarse que las conexiones estén adecuadamente soportados, con un espacio capilar razonable y uniforme de la unión. Esta uniformidad del espacio capilar asegurará una buena penetración de la soldadura. Un espacio excesivo en la unión, puede provocar que la soldadura se agriete bajo una fuerte tensión o vibración. 

Calentamiento: En este paso deben observarse las precauciones necesarias, debido a que se usan flama abierta y alta temperatura, aunado a la flamabilidad de los gases. Los sopletes para soldaduras blandas, comúnmente operan a base de una mezcla de aire con algún combustible, tal como gasolina, acetileno o algún gas LP. Los sopletes para soldaduras fuertes utilizan una mezcla de oxígeno y algún combustible, debido a las altas temperaturas requeridas; el combustible puede ser cualquier gas L.P o acetileno. Recientemente, se han hecho innovaciones en las boquillas para aire/combustible, y ahora se pueden utilizar éstas en una más amplia variedad de tamaños, tanto para soldaduras blandas como para fuertes. La operación de calentamiento empieza con un "precalentamiento", el cual se hace con la flama perpendicular a la junta, cerca de la entrada de la conexión. Este precalentamiento, conducirá el calor inicial hacia el interior de la conexión, para una distribución pareja. El precalentamiento depende del tamaño de la unión; la experiencia le indicará el tiempo apropiado. La flama deberá moverse ahora hacia los lados de la unión, en una distancia igual a la profundidad del traslape. Toque la unión con el metal de aporte; si no se funde, retírela y continúe el proceso de calentamiento. Tenga cuidado de no sobrecalentar, ni de dirigir la flama al interior de la conexión. Esto puede quemar el fundente y destruir su efectividad. Cuando se ha alcanzado la temperatura de fusión, se puede aplicar calor a la base de la conexión, para ayudar en la acción capilar. 

Aplicación del Metal de Aporte: Cuando se ha alcanzado la temperatura adecuada, y las piezas están en posición horizontal, se debe empezar a aplicar el metal de aporte de manera uniforme. Para tuberías se recomienda empezar en un punto como en el 4 de un reloj. Se continuara en el 8, y luego en el 12. Se regresara al 6, luego al 10, y finalmente al 2. La soldadura fundida será "jalada" hacia el interior de la conexión por la acción capilar, sin importar si ésta es alimentada hacia arriba, hacia abajo o en forma horizontal. En diámetros de tubería grandes, es recomendable golpear levemente con un martillo en la conexión, mientras se está soldando, para romper la tensión superficial y que la soldadura se distribuya uniformemente en la unión. Se debe recordar que el metal de aporte se debe fundir con el calor del metal. No se debe fundir con la flama del soplete. Es muy importante que la flama esté en movimiento continuo, y no debe permitirse que permanezca demasiado en un punto como para que queme el tubo o la pieza a soldar. Cuando se haya completado el proceso de soldadura, deberá quedar visible un hilo continuo alrededor de la unión. Si el metal de aporte falla en fluir o tiende a «hacerse bolas», indica que hay oxidación sobre las superficies metálicas, o el calor es insuficiente en las partes a unir. Si el metal de aporte se rehúsa a entrar en la unión y tiende a fluir sobre el exterior de cualquiera de las partes, esto indica que esa parte está sobrecalentada o que a la otra parte le hace falta calor. 

Enfriamiento y Limpieza: Después que se ha terminado la unión, es mejor dejar enfriar en forma natural. Un enfriamiento brusco, puede causar un esfuerzo innecesario en la unión, y eventualmente, una falla. Si la soldadura es blanda, el exceso de fundente debe limpiarse con un trapo de algodón húmedo. Si la soldadura es fuerte, los residuos de fundente se deben remover lavando con agua caliente y cepillando, con cepillo de alambre de acero inoxidable. 

Si las partes a unir están adecuadamente preparadas, apropiadamente calentadas y si se usa el metal de aporte correcto, la unión final debe ser sana y firme.