FUNDAMENTOS DE LA TECNOLOGÍA DE SOLDADURA 

La soldadura es un proceso de manufactura en donde se realiza la unión de dos materiales, esto es logrado a través de la fusión, en la cual las piezas se unirán al ser derretidas o agregando un material de relleno derretido, este tiene un punto de fusión menor al de la pieza a soldar, para conseguir un baño de material fundido (el baño de soldadura) que, al enfriarse, se convierte en una unión fuerte. 

La soldadura en un proceso de producción muy eficiente y altamente aplicable que cuenta con características benéficas como: 

• La soldadura proporciona una unión permanente. Las partes soldadas se vuelven una sola unidad. 
• La unión soldada puede ser mas fuerte que los materiales originales siempre y cuando se use un metal de relleno que tenga propiedades de resistencia superiores a la de los materiales originales y se empleen las técnicas de soldadura adecuadas. 
• En general, la soldadura es la forma mas económica de unir componentes, en términos de uso de materiales y costos de fabricación, los métodos mecánicos alternativos de ensamble requieren alteraciones mas complejas de las formas (por ejemplo, taladrado de orificios) y adición de sujetadores (remaches o tuercas). El ensamble mecánico resultante por lo general es más pesado que la soldadura correspondiente. 
• La soldadura no se limita al ambiente de fábrica. Puede realizarse en campo, y en algunos casos puede ser aplicada por personal sin mucha experiencia.

Como todo proceso de manufactura siempre tendrá algunos inconvenientes como

los que a continuación se mencionan:

• La mayoría de las operaciones de soldadura se realizan en forma manual y son elevadas en términos de costo de mano de obra.
• Muchas operaciones de soldadura se consideran cuestiones especializadas y no son muchas las personas que las realizan.
• Casi todos los procesos de soldadura implican el uso de mucha energía, y 
• por consiguiente son peligrosos.
• Dado que la soldadura obtiene una unión permanente, no es posible el
• desensamble.
• La unión soldada puede padecer ciertos defectos de calidad que son
• difíciles de detectar. Los defectos pueden reducir la resistencia de la unión.

CONCEPTOS DE LA TECNOLOGÍA DE LA SOLDADURA

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

La American Welding Society (Sociedad Norteamericana de Soldadura) ha Catalogado más de 50 tipos de operaciones distintas que utilizan diversos tipos o combinaciones de energía para proporcionar la energía requerida. Estos los  podemos dividir en dos grupos principales:

a) SOLDADURA POR FUSIÓN y 

b) SOLDADURA DE ESTADO SÓLIDO

SOLDADURA POR FUSIÓN

Los procesos de soldadura por fusión usan calor para fundir los metales base. En muchas operaciones de soldadura por fusión, se añade un metal de aporte a la combinación fundida para facilitar el proceso de unión y aportar volumen y resistencia a la parte soldada. Una operación de soldadura por fusión en la cual no se añade un metal de aporte se denomina soldadura autógena.

Las categorías de soldadura por fusión de uso más amplio son:

• Soldadura con arco eléctrico, SAE (en inglés AW). La soldadura con arco eléctrico hace referencia a un grupo de procesos de soldadura en los cuales el calentamiento de los metales se obtiene mediante un arco eléctrico. Algunas de las operaciones de soldadura con arco eléctrico también aplican presión durante el proceso, y la mayoría utiliza un metal de aporte.
• Soldadura por resistencia, SR (en inglés RW). La soldadura por resistencia obtiene la fusión usando el calor de una resistencia eléctrica para el flujo de una corriente que pasa entre las superficies de contacto de dos partes sostenidas juntas bajo presión.
• Soldadura con oxígeno y gas combustible. SOGC (en inglés OFW). Estos procesos de unión usan un gas de oxígeno combustible, tal como una mezcla de oxígeno y acetileno, con el propósito de producir una flama caliente para fundir la base metálica y el metal de aporte en caso de que se utilice.
• Otros procesos de soldadura por fusión. Además de los tipos anteriores hay otros procesos de soldadura que producen la fusión de los metales unidos. Los ejemplos incluyen la soldadura con haz de electrones y la soldaduracon rayo láser.

SOLDADURA DE ESTADO SÓLIDO

Los procesos de soldadura de estado sólido usan presión o 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. Generalmente no se utiliza un metal de aporte en estos procesos.

Los procesos más representativos son:

• Soldadura por difusión, SD (en inglés DFW). En la soldadura por difusión, se colocan juntas dos superficies bajo presión a una temperatura elevada y se produce la coalescencia de las partes por medio de fusión de estado sólido.
• Soldadura por fricción, SF (en inglés FRW). En este proceso, la coalescencia se obtiene mediante el calor de la fricción entre dos superficies.
• Soldadura ultrasónica, SU (en inglés USW). La soldadura ultrasónica serealiza aplicando una presión moderada entre las dos partes y unmovimiento 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.

Todos los procesos anteriores pueden ser aplicados en cualquier lugar además de un complejo industrial ya que la mayoría de los equipos que se utilizan para su aplicación son portátiles y fáciles de instalar.

LA UNIÓN POR SOLDADURA

La soldadura produce una unión sólida entre dos partes. Ya sea con un metal de aporte (electrodo) o sin el. A continuación se enumeran y describen los tipos de uniones y los diferentes tipos de soldaduras que se usan para unir las partes.

TIPOS DE UNIONES 

Hay cinco tipos básicos de uniones para integrar dos partes de una junta, a continuación se describe cada una de ellas y en la figura 1 se observan sus características. 

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

b) Unión de esquina. Las partes 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 partes que se sobreponen. 

d) Unión de bordes. Las partes en una unión de bordes están paralelas con al menos uno de sus bordes en común y la unión se hace en el borde común. 

e) Unión en T. En la unión en T, una parte es perpendicular a la otra en una forma parecida a la letra T

 

TIPOS DE SOLDADURAS 

Es conveniente distinguir entre el tipo de unión y el tipo de soldadura que se aplica a la unión. Las diferencias entre los tipos de soldadura están en la geometría y el proceso de soldadura. 

La figura 2 muestra los cuatro tipos más representativos de soldadura: a) unión de esquina con filete interno único, b) unión de esquina con filete externo único, c) unión sobrepuesta con filete doble, y d) unión en T con filete doble. Las líneas con guiones muestran los bordes originales de las placas.

Se usa una soldadura de filete para rellenar los bordes de las placas creadas mediante uniones de esquina, sobrepuestas y en ‘T’. El metal de relleno (filete) forma la figura de un triangulo en su sección trasversal y es comúnmente aplicado a la soldadura con arco eléctrico y en la de oxígeno y gas combustible porque no requiere la preparación de los bordes; se usan los bordes cuadrados básicos de las partes. Las soldaduras de filete pueden ser sencillas o dobles (esto es, 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 una orilla)

Las soldaduras con bisel o ranura generalmente requieren que se moldeen las orillas de las partes con un bisel para facilitar la penetración de la soldadura. Las formas de bisel incluyen un cuadrado en un lado, bisel en “V”, en U y en J, en lados sencillos o dobles y se usa material de relleno para saturar la unión generalmente por arco eléctrico y gas combustible. Es necesario preparar los bordes más allá del cuadrado básico esto para permitir la fácil inserción del material de aporte. Esto lo podemos ver mas detalladamente en la figura 3 que muestra la descripción de los siguientes seis ejemplos: a) soldadura con bisel cuadrado en un lado; b) soldadura con bisel único; c) soldadura con bisel en V único; d) soldadura con bisel en U único; e) soldadura con bisel en J único; f) soldadura con surco en X para secciones mas gruesas.

CARACTERÍSTICAS DE UNA JUNTA SOLDADA POR FUSIÓN 

La mayoría de las uniones de soldadura consideradas anteriormente son fusiones soldadas como se ilustra en la sección transversal de la figura 4; una junta soldada por fusión común a la cual se ha agregarlo un metal de aporte, consta de varias zonas: 1) zona de fusión, 2) interfase de 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 solidificación en la zona de fusión se asemeja a un proceso de fundición. La diferencia significativa entre la solidificación en fundición y la soldadura es que en esta ultima ocurre un crecimiento de grano epitaxial.

La segunda zona en la unión soldada es la interfase de soldadura, un estrecho límite que separa la zona de fusión de la zona afectada por el calor. La interfase consta de una banda completa y delgada de metal base fundido o parcialmente fundido durante el proceso de fusión (el fundido 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 tanto, su composición química es idéntica a la del metal base. 

La tercera zona en la soldadura por fusión común es la zona afectada por el calor (en inglés HAZ). En esta zona, el metal ha experimentado temperaturas menores a su punto de fusión aunque lo suficientemente altas para producir cambios micro estructurales 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 tales como la cantidad de calor que ha ingresado y la máxima temperatura alcanzada, la distancia de la zona de fusión, el intervalo de tiempo al que ha estado sujeto el metal a altas temperaturas, la velocidad de enfriamiento y las propiedades térmicas del metal. El efecto sobre las propiedades mecánicas en la zona afectada por el calor por lo general es negativo y en esta región con frecuencia ocurren fallas en la junta soldada. 

Conforme aumenta la distancia de la zona de fusión, se alcanza por fin la zona de metal base no afectada, en la cual no ha ocurrido un cambio metalúrgico. No obstante, es probable que el metal base que rodea la HAZ presente un estado de alta tensión residual, producido por la contracción en la zona de fusión.