Principios básicos de soldadura

Una soldadura se puede definir como una coalescencia de metales producidos calentando a una temperatura adecuada con o sin la aplicación de presión, y con o sin el uso de un material de relleno.

En soldadura de fusión, una fuente de calor genera suficiente calor para crear y mantener un conjunto fundido de metal del tamaño requerido. El calor puede ser suministrado por electricidad o por una llama de gas. La soldadura de resistencia eléctrica puede considerarse soldadura por fusión porque se forma algo de metal fundido.

Los procesos de fase sólida producen soldaduras sin derretir el material base y sin la adición de un metal de relleno. La presión siempre se emplea y, en general, se proporciona algo de calor. El calor por fricción se desarrolla en la unión ultrasónica y de fricción, y el calentamiento del horno generalmente se emplea en la unión de difusión.

El arco eléctrico utilizado en la soldadura es una descarga de alta corriente y de bajo voltaje generalmente en el rango de 10 a 2,000 amperios a 10–50 voltios. Una columna de arco es compleja pero, en términos generales, consiste en un cátodo que emite electrones, un plasma de gas para la conducción de corriente y una región anódica que se vuelve relativamente más caliente que el cátodo debido al bombardeo de electrones. Por lo general, se usa un arco de corriente continua (CC), pero se pueden emplear arcos de corriente alterna (AC).

La entrada total de energía en todos los procesos de soldadura excede lo que se requiere para producir una articulación, porque no todo el calor generado puede utilizarse de manera efectiva. Las eficiencias varían del 60 al 90 por ciento, dependiendo del proceso; Algunos procesos especiales se desvían ampliamente de esta figura. El calor se pierde por conducción a través del metal base y por radiación hacia los alrededores.

La mayoría de los metales, cuando se calientan, reaccionan con la atmósfera u otros metales cercanos. Estas reacciones pueden ser extremadamente perjudiciales para las propiedades de una junta soldada. La mayoría de los metales, por ejemplo, se oxidan rápidamente cuando se funden. Una capa de óxido puede evitar una unión adecuada del metal. Las gotas de metal fundido recubiertas con óxido quedan atrapados en la soldadura y hacen que la articulación sea frágil. Algunos materiales valiosos agregados para propiedades específicas reaccionan tan rápidamente en la exposición al aire que el metal depositado no tiene la misma composición que inicialmente. Estos problemas han llevado al uso de flujos y atmósferas inerte.

En la soldadura por fusión, el flujo tiene un papel protector en facilitar una reacción controlada del metal y luego evitar la oxidación formando una manta sobre el material fundido. Los flujos pueden estar activos y ayudar en el proceso o inactivos y simplemente proteger las superficies durante la unión.

Las atmósferas inerte juegan un papel protector similar al de los flujos. En el arco metálico protegido con gas y el arco de tungsteno protegido con gas soldando un gas inerte, generalmente argón, fluye de un anillo que rodea la antorcha en una corriente continua, desplazando el aire de alrededor del arco. El gas no reacciona químicamente con el metal, sino que simplemente lo protege del contacto con el oxígeno en el aire.

La metalurgia de la unión de metal es importante para las capacidades funcionales de la articulación. La soldadura de arco ilustra todas las características básicas de una junta. Tres zonas son el resultado del paso de un arco de soldadura: (1) el metal de soldadura, o zona de fusión, (2) la zona afectada por el calor y (3) la zona no afectada. El metal de soldadura es esa porción de la junta que se ha derretido durante la soldadura. La zona afectada por el calor es una región adyacente al metal de soldadura que no ha sido soldado, pero ha sufrido un cambio en la microestructura o las propiedades mecánicas debido al calor de soldadura. El material no afectado es el que no se calentó lo suficiente como para alterar sus propiedades.

La composición de metal de soldadura y las condiciones bajo las cuales se congelan (se solidifica) afectan significativamente la capacidad de la articulación para cumplir con los requisitos de servicio. En la soldadura de arco, el metal de soldadura comprende material de relleno más el metal base que se ha derretido. Después de que pasa el arco, se produce un enfriamiento rápido del metal de soldadura. Una soldadura de un paso tiene una estructura fundida con granos columnares que se extienden desde el borde de la piscina fundida hasta el centro de la soldadura. En una soldadura multipasa, esta estructura fundida puede modificarse, dependiendo del metal particular que se está soldando.

El metal base adyacente a la soldadura, o la zona afectada por el calor, se somete a un rango de ciclos de temperatura, y su cambio en la estructura está directamente relacionado con la temperatura máxima en cualquier punto dado, el tiempo de exposición y las tasas de enfriamiento. Los tipos de metal base son demasiado numerosos para discutir aquí, pero se pueden agrupar en tres clases: (1) materiales no afectados por el calor de soldadura, (2) materiales endurecidos por el cambio estructural, (3) materiales endurecidos por los procesos de precipitación.

La soldadura produce tensiones en los materiales. Estas fuerzas son inducidas por la contracción del metal de soldadura y por la expansión y luego la contracción de la zona afectada por el calor. El metal sin calefacción impone una moderación en lo anterior, y como predomina la contracción, el metal de soldadura no puede contraerse libremente, y se acumula un estrés en la articulación. Esto generalmente se conoce como estrés residual, y para algunas aplicaciones críticas debe eliminarse mediante el tratamiento térmico de toda la fabricación. El estrés residual es inevitable en todas las estructuras soldadas, y si no se controla la inclinación o la distorsión de la soldadura. El control se ejerce mediante técnica de soldadura, plantillas y accesorios, procedimientos de fabricación y tratamiento térmico final.