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LA SOLDADURA



1. DEFINICIÓN DE SOLDADURA

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Soldadura es un procedimiento por el cual dos o más piezas de metal se unen por aplicación de calor, presión, o una combinación de ambos, con o sin aporte de otro metal, llamado metal de aportación, cuya temperatura de fusión es inferior a la de las piezas que han de soldarse.
Soldar consiste en reunir las partes integrantes de una construcción asegurando la continuidad de la materia entre ellas, entendiendo por continuidad no sólo la de carácter geométrico sino la homogeneidad en todo tipo de propiedades.
También se puede considerar soldadura la aportación mediante fusión de material sobre una pieza para modificar las dimensiones iniciales de la misma, o para conseguir características superficiales diferentes a las de origen.
La normativa actual distingue entre soldadura y soldeo, de manera que no se pueden usar indistintamente. Soldadura es el cordón físico que une las piezas y soldeo el método que se ha empleado para conseguir realizar dicha unión o soldadura.

2. DESCRIPCIÓN HISTÓRICA

El término soldadura lo podemos definir como la unión mecánicamente resistente de dos o más piezas metálicas diferentes. La primera manifestación de ello, aunque poco tiene que ver con los sistemas modernos, se remonta a los comienzos de la fabricación de armas. Los trozos de hierro por unir eran calentados hasta alcanzar un estado plástico, para ser así fácilmente deformados por la acción de golpes sucesivos. Mediante un continuo golpeteo se hacía penetrar parte de una pieza dentro de la otra. Luego de repetitivas operaciones de calentamiento, seguidos de un martilleo intenso, se lograba una unión satisfactoria. Este método, denominado “caldeado”, se continuó utilizando hasta no hace mucho tiempo, limitando su uso a piezas de acero forjable, de diseño sencillo y de tamaño reducido.
Los diversos trozos o piezas metálicas que se deseen fijar permanentemente entre si, deben ser sometidas a algún proceso que proporcione uniones que resulten lo más fuertes posibles. Es aquí cuando para tal fin, los sistemas de soldadura juegan un papel primordial.
El calor necesario para unir dos piezas metálicas puede obtenerse a través de distintos medios. Podemos definir dos grandes grupos. Los sistemas de calentamiento por combustión con oxígeno de diversos gases (denominados soldadura por gas), y los de calentamiento mediante energía eléctrica (por inducción, arco, punto, etc.). Las uniones logradas a través de una soldadura de cualquier tipo, se ejecutan mediante el empleo de una fuente de calor (una llama, un sistema de inducción, un arco eléctrico, etc.).
Para rellenar las uniones entre las piezas o partes a soldar, se utilizan varillas de relleno, denominadas material de aporte o electrodos, realizadas con diferentes aleaciones, en función de los metales a unir. En la soldadura, las dos o más piezas metálicas son calentadas junto con el material de aporte a una temperatura correcta, entonces fluyen y se funden conjuntamente. Cuando se enfrían, forman una unión permanente. La soldadura así obtenida, resulta tan o más fuerte que el material original de las piezas, siempre y cuando la misma esté realizada correctamente.
Resulta dificultoso determinar con exactitud en que país y en que momento se han desarrollado ciertas técnicas de soldadura en particular, ya que la experimentación ha sido simultánea y continua en diversos lugares. Aunque los trabajos con metales han existido desde hace siglos, los métodos tal cual como los conocemos hoy, datan desde el principio de este siglo.
En 1801, el inglés Sir H. Davy descubrió que se podía generar y mantener un arco eléctrico entre dos terminales.
En 1835, E. Davey, en Inglaterra, descubrió el gas acetileno, pero para dicha época su fabricación resultaba muy costosa. Recién 57 años después (1892), el canadiense T. L. Wilson descubrió un método económico de fabricación. El francés H. E. Chatelier, en 1895, descubrió la combustión del oxígeno con el acetileno, y en 1900, los también franceses E. Fouch y F. Picard desarrollaron el primer soplete de oxiacetileno.
En el año 1881, el francés De Meritens logró con éxito soldar diversas piezas metálicas empleando un arco eléctrico entre carbones, empleando como suministro de corriente acumuladores de plomo. Este fue el puntapié inicial de muchas experiencias para intentar reemplazar el caldeado en fragua por este nuevo sistema. La gran dificultad hallada para forjar materiales ferrosos con elevado contenido de carbono (aceros), motivó diversos trabajos de investigación de parte de los ingenieros rusos S. Olczewski y F. Bernardos, los que resultaron exitosos recién en el año 1885. En dicho año se logró la unión en un punto definido de dos piezas metálicas por fusión. Se utilizó corriente continua, produciendo un arco desde la punta de una varilla de carbón (conectada al polo positivo) hacia las piezas a unir (conectadas al polo negativo). Dicho arco producía suficiente calor como para provocar la fusión de ambos metales en el plano de unión, que al enfriarse quedaban mecánicamente unidos.
El operario comenzaba el trabajo de soldadura apoyando el electrodo de carbón, el que estaba provisto de un mango aislante, sobre la parte por soldar hasta producir chisporroteo, y alejándolo de la pieza hasta formar un arco eléctrico continuo. Para lograr dicho efecto, se debía aplicar una diferencia de potencial suficiente para poder mantener el arco eléctrico a una distancia relativamente pequeña. Una vez lograda la fusión de los metales en el punto inicial de contacto, se comenzaba el movimiento de traslación del electrodo hacia el extremo opuesto, siguiendo el contorno de los metales por unir, a una velocidad de traslación uniforme y manteniendo constante la longitud del arco producido, lo que es equivalente a decir mantener fija la distancia entre el electrodo y la pieza.
Las experiencias que necesariamente se realizaron para determinar las condiciones óptimas de trabajo para lograr una unión metálica sin defectos, permitieron verificar desde aquel entonces que con el arco eléctrico se podía cortar metal o perforarlo en algún sitio deseado.
Los trabajos de soldadura efectuados no eran eficientes, ya que resultaba difícil gobernar el arco eléctrico, debido a que este se generaba en forma irregular. Continuando con los ensayos en función de obtener mejores resultados, se obtuvo un éxito concluyente al invertir la polaridad de los electrodos (pieza conectada al positivo), debido a que en estas condiciones el arco no se genera desde cualquier punto del electrodo de carbón, sino sólo desde la punta, es decir, en el mismo plano de la unión.
El comportamiento del arco, según la polaridad elegida, llevó en 1889 al físico alemán, el doctor H. Zerener, a ensayar un tipo de soldadura por generación de un arco eléctrico entre dos electrodos de carbón. Como bajo estas condiciones no se lograba buena estabilidad en el arco producido, adicionó un electroimán, el cual actuaba sobre el mismo dirigiéndolo magnéticamente en el sentido deseado. Ello producía sobre el arco eléctrico un efecto de soplado. Por este motivo se denominó a este tipo de soldadura por arco soplado, encontrándose interesantes aplicaciones en procesos automáticos para chapas de poco espesor. El flujo del arco se regulaba con facilidad, variando la corriente de excitación Ie del electroimán, y por ende variando el campo magnético producido. El arco eléctrico resultante era de gran estabilidad. Los dos electrodos de carbón y el electroimán eran parte de un solo conjunto portátil.
El metal utilizado como aporte surgía de una tercera varilla metálica, la cual se ubicaba por debajo del arco, más cerca de la pieza. Con el calor producido, se fundía el metal de base conjuntamente con el aporte de la varilla, generando la unión.
Este sistema fue utilizado industrialmente por primera vez en el año 1899 por la firma Lloyd & Lloyd de Birmingham (Inglaterra), para soldar caños de hierro de 305 mm de diámetro, los que luego de soldados eran capaces de soportar una prueba hidráulica de 56 atmósferas.
Se trabajaba empleando 3 dínamos de 550 Amperios cada uno y con un potencial de 150 Voltios, los cuales cargaban una batería de 1.800 acumuladores Planté, destinados a proveer una fuerte corriente en un breve lapso de tiempo.
En los Estados Unidos, en 1902, la primera fábrica que comenzó a utilizar industrialmente la soldadura por arco con electrodo de carbón fue The Baldwin Locomotive Works.
El excesivo consumo de electrodos de carbón y el deseo de simplificar los equipos de soldadura, hicieron que en el año 1891, el ingeniero ruso N. Slavianoff sustituyera los electrodos de carbón por electrodos de metal. Este cambio produjo mejoras en las uniones de los metales (a nivel metalográfico), al evitar la inclusión de partículas de carbón (aportadas por los mismos electrodos antes utilizados) dentro de la masa de metal fundido, y luego retenidas en la misma al solidificarse.
El método Slavianoff, con algunas mejoras técnicas implementadas en 1892 por el estadounidense C. L. Coffin (quien logró desarrollar el método de soldadura por puntos), ha sido usado hasta la fecha y es la soldadura por arco conocida en la actualidad. A partir de las determinaciones de Slavianoff se continuaron empleando indistintamente electrodos de carbón y/o metálicos.
En el año 1910 se abandonó definitivamente el electrodo de carbón. Se comenzaron a utilizar electrodos de hierro sin recubrir, pero se obtuvieron resultados deficientes debido a la poca resistencia a la tracción y a su reducida ductilidad.
La nociva acción de la atmósfera (oxidación acelerada por el calentamiento) sobre los electrodos sin recubrir durante la formación del arco, llevó a los investigadores a tratar de solucionar dichos inconvenientes.
Una de las primeras experiencias en busca de evitar dicho problema, se debió a los ensayos realizados por Alexander, quien pensó en eliminar la acción perniciosa del oxígeno que rodeaba al arco, haciendo que este último se produjera en una atmósfera de gas protector, donde se observa el metal base a soldar, el portaelectrodo con el electrodo ubicado, y el abastecimiento de gas. Alexander ensayó con diversos gases, logrando buenos resultados con el metanol, pero este requería de un complejo equipamiento, por lo que lo hacía poco viable.
Retomando y modificando la idea original de Alexander, en 1907 O. Kjellberg, revistió los electrodos con material refractario aglomerado, rodeando el electrodo con una sustancia sólida que poseía idéntico punto de fusión que el metal de aporte.Al producirse el arco eléctrico, ambas, se fundirían simultáneamente, formando una cascarilla sobre el metal fundido brindando la adecuada protección contra el oxígeno del ambiente en la etapa de enfriamiento.
En 1908, N. Bernardos desarrolló un sistema de electroescoria que se volvió muy popular en su momento.
Los electrodos fusionables, fueron mejorados nuevamente en 1914 por su creador, el sueco O. Kjellberg junto al inglés A. P. Strohmenger. Quedaron constituidos por una varilla de una aleación metálica (metal de aporte) y un recubrimiento especial a base de asbesto, tal como los que se utilizan en la actualidad.
En 1930, los estadounidenses H. M. Hobart y P. K. Devers desarrollaron el sistema de soldadura con gas inerte, y basado en ello, el doctor Orving Langmuir, ideó la soldadura atómica de hidrógeno. En ésta, el arco se produce entre dos electrodos insolubles de tungsteno, en una atmósfera de hidrógeno soplando sobre el arco. Por acción térmica, el hidrógeno molecular se descompone en hidrógeno atómico, el que vuelve a su estado primitivo una vez atravesado el arco, transfiriendo el calor de recombinación a las piezas por soldar. Este método se emplea en la actualidad para soldar chapas delgadas.
Una variedad del sistema anterior, fue desarrollado en 1942 por el norteamericano R. Meredith (creador del soplete para TIG) y en 1948 por diversos ingenieros (desarrollo del sistema MIG), incluyen las soldaduras por arco en atmósfera de helio o argón, ambos gases inertes que alejan el oxígeno de la zona por soldar. En estos casos, el gas rodea al electrodo de tungsteno, mientras un electrodo o varilla (en caso de ser necesario), provee el metal de aporte o de relleno.
Este sistema se utiliza para soldar con éxito aleaciones de magnesio y algunas aleaciones livianas.
Los progresos logrados en la industria electrónica, permitieron utilizar dichos adelantos para desarrollar así la soldadura por resistencia (a tope, continua y por puntos); la soldadura por inducción para materiales conductores del calor; la soldadura dieléctrica para los no conductores y, finalmente, la aluminotérmica, que resulta una combinación de un sistema de calentamiento con el procedimiento Slavianoff.
La variedad de aplicaciones industriales de los sistemas de soldadura llegaron a un grado tal que inclusive han sustituido en la mayoría de los casos al tradicional forjado y remachado. No solamente significaba una operación más sencilla y rápida, sino que la eliminación del remachado permitió reducir el peso de las construcciones metálicas, al simplificar sus estructuras. La soldadura asegura una reducción de costos apreciable con respecto a los métodos de construcción y reparación empleados antiguamente.
Se han resuelto problemas de estanqueidad y rigidez, eliminándose las vibraciones (de difícil resolución en uniones remachadas).
La soldadura eléctrica usada en la actualidad, era desconocida a fines del siglo pasado. Muchas circunstancias influyeron en el extraordinario desarrollo adquirido por la misma. La carrera armamentista, potenció el desarrollo en los centros de investigación científicos y técnicos, estudios que se cristalizaron en las novedades utilizadas por los distintos países durante la Segunda Guerra Mundial.

3. APLICACIONES DE LA SOLDADURA

Se comprenderá ahora que las aplicaciones de la soldadura, en general, son ilimitadas. No basta con conocer sólo las normas para aplicarlas, sino que resulta necesario ahondar en los principios que rigen los distintos fenómenos que se producen en la estructura metalográfica.
La aplicación de la soldadura se extendió rápidamente una vez que se conocieron sus innegables ventajas frente al resto de procesos tradicionales de fabricación. La soldadura permite economizar una cantidad bastante considerable de material, que da a las piezas de trabajo y a los elementos estructurales una forma más ligera, económica y segura contra la rotura, salvando las dificultades técnicas de fundición, sobre todo en el caso de piezas de acero complicadas.
Además, la chapa y el acero perfilado, elementos esenciales de las construcciones soldadas, son mucho más seguros que el hierro colado con sus posibles segregaciones y rechupes.
La rápida ejecución de un pedido, el aprovechamiento en parte de material viejo y de desecho, la gran velocidad de trabajo, el montaje más económico y, por tanto, el empleo de menos máquinas de elaboración, la omisión de numerosas piezas sueltas, y el fácil cumplimiento del plazo de entrega son sin duda sus principales ventajas.
Para aprovechar todas esas ventajas resulta imprescindible que el constructor se adapte a la peculiaridad de la soldadura, es decir, debe pensar y construir tal como exige el procedimiento de soldeo; para ello debe tenerse en cuenta que no es posible aplicar directamente la soldadura en la fabricación de elementos fundidos o roblonados.
La soldadura ofrece al constructor muchas y grandes posibilidades de formación y estructuración, que adquieren tanto más valor cuanto que, con auxilio de la soldadura, permiten ejecutar fácilmente en determinados elementos estructurales modificaciones y trabajos suplementarios que difieren de los previstos en el proyecto.
Los principales inconvenientes que tienen las fabricaciones soldadas son además de la dificultad que entraña medir el grado de la consecución de las uniones, el hecho de que la continuidad que definíamos antes como fundamento de la técnica de soldar incrementa considerablemente la probabilidad de rotura frágil, dado que en la fabricación no existen barreras que frenen el crecimiento eventual de una grieta. Por ello será muy estricta e importante la consideración de la Mecánica de la Fractura en el diseño y cálculo de uniones, siéndolo tanto más cuanto más peligro haya en la estructura de concentración de tensiones y cargas variables.
Se indican a continuación las principales ventajas que presenta la soldadura y que han hecho que ésta esté sustituyendo masivamente a métodos tradicionales de fabricación:
1. Para sustituir piezas fundidas.
Gracias a los modernos sistemas de corte y soldeo se pueden construir por soldadura piezas de maquinaria de formas complejas, lo que hasta hace poco tiempo sólo era posible fundiéndolas.
Esta fabricación presenta la ventaja de que, dado que el acero laminado tiene mejores características mecánicas que el fundido y existe en su fabricación un mayor control de calidad, puede hablarse de una casi total ausencia de defectos. Además en las piezas fundidas aparecen con frecuencia defectos debidos a una mayor complejidad en el procedimiento, sobre todo en piezas con formas difíciles que dan origen a defectos tales como poros, rechupes, etc., que muchas veces sólo se ponen de manifiesto al mecanizar las piezas cuando estas tienen ya un notable costo añadido.
Presenta sin duda mayores posibilidades de diseño, lo que supone además de una ejecución más sencilla, una mayor ligereza de las estructuras. Se trata además de una ejecución más rápida.
Y para el caso de piezas unitarias o series pequeñas la soldadura permite evitar la construcción de modelos, que pueden llegar a resultar incluso más caros que las propias piezas a fabricar.
2. Para sustituir al remachado
La soldadura permite mantener la sección efectiva neta de los perfiles (el taladrado reduce la sección útil) y permite obtener juntas estancas. Además suprime el trabajo que supone el remachado (trazado, punteado, corte de chapa, aplanado de bordes, taladrado, armado, escariado de agujeros, remachado y calafateado) por cuatro operaciones: trazado, corte, armado y soldeo, que resultan más rápidas y mucho más sencillas. Además la transmisión de esfuerzos se realiza así de una forma más directa, lo que sin duda favorece el trabajo de la estructura.
Además, las fabricaciones soldadas son mucho más ligeras que las roblonadas, lo que implica menor cantidad de material y resulta más económico.
3. Para recuperar piezas desgastadas o rotas
Un elemento de una máquina que haya roto o sufrido desgaste por el uso, puede ser recuperada mediante la utilización de la soldadura. Los modernos sistemas de proyección son aplicables a todo tipo de piezas y materiales.
4. Para mejorar las características superficiales
Pueden efectuarse por soldeo recubrimientos en piezas que sufran desgaste, abrasión, etc., utilizando un material de menor costo en su fabricación y proporcionándole mediante soldeo una superficie con mejores características de dureza, resistencia al desgaste, etc. eligiendo un material de aportación adecuado, que normalmente son aceros de muy alta aleación.
Para resumir, las ventajas que se asignan a las fabricaciones soldadas son las siguientes: ligereza, suavidad en la transmisión de esfuerzos, estanqueidad, igual resistencia a la corrosión y a temperaturas altas y bajas de los elementos unidos que del propio cordón de unión, amplias posibilidades de diseño, facilidad y rapidez de ejecución, posibilidad de trabajo en montaje, y de realización de reparaciones, y coste bajo de ejecución.

4. CONCEPTO DE SOLDABILIDAD

Limitándonos al caso de los aceros, por ser el grupo más importante de los metales que se sueldan, veremos que pequeñas variaciones en la composición de los mismos producen efectos muy diferentes en su aptitud para ser soldados. A esta aptitud de los materiales para ser soldados es a lo que llamamos soldabilidad.
Podemos definir la soldabilidad como la capacidad de un metal para ser soldado en unas condiciones determinadas de manera que se obtenga la estructura específica deseada y además, la junta se comporte satisfactoriamente en las condiciones de servicio. En general, un material será soldable si tras ser soldado presenta una buena tenacidad y su composición es tal que la zona fundida no sea frágil por dilución con el metal de base.
La soldabilidad puede ser considerada bajo tres puntos de vista:
· Soldabilidad operatoria. Se refiere a la operación de soldeo en sí, estudiando las dificultades de su realización.
· Soldabilidad metalúrgica. Se ocupa de las transformaciones de los materiales durante el proceso de soldeo. Se estudia para conseguir las características mecánicas deseadas para la unión.
· Soldabilidad constructiva. En ella se trata de definir y estudiar las propiedades y condiciones que debe reunir la soldadura para poder emplearse en una construcción.

5. TIPOS DE SOLDADURA MÁS UTILIZADOS

1- Soldadura ordinaria o de aleación
2- Soldadura por presión o forja
3- Soldadura por fusión
4- Soldadura por resistencia
5- Soldadura por inducción
6- Soldadura aluminotérmica
7- Soldadura por vaciado
8- Soldadura por arco eléctrico
9- Soldadura Láser

Soldadura ordinaria o de aleación:
Método utilizado para unir metales con aleaciones metálicas que se funden a temperaturas relativamente bajas. Se suele diferenciar entre soldaduras duras y blandas, según el punto de fusión y resistencia de la aleación utilizada.
v Soldaduras blandas (soldering): son aleaciones de plomo y estaño y, en ocasiones, pequeñas cantidades de bismuto. La temperatura de fusión del metal de aportación es inferior a los 450 º C.
v Soldaduras duras (brazing): se emplean aleaciones de plata, cobre y cinc (soldadura de plata) o de cobre y cinc (latón 60/40). Tiene su punto de fusión superior a los 450 ºC y menor que la temperatura de fusión del metal base.

Se pueden clasificar por la forma en la que se aplica el metal de aporte:
o Inmersión
o Horno
o Soplete
o Electricidad
Soldadura por presión o forja:
Agrupa todos los procesos de soldadura en los que se aplica presión sin aportación de metales para realizar la unión.
Es el proceso de soldadura más antiguo. El mismo consiste en el calentamiento de las piezas a unir en una fragua hasta su estado maleable y posteriormente por medio de presión o martilleo (forjado) se logra la unión de las piezas.
En este procedimiento no se utiliza metal de aporte y la limitación del proceso es que sólo se puede aplicar en piezas pequeñas y en forma de lámina.
La unión se hace del centro de las piezas hacia afuera y debe evitarse a toda costa la oxidación, para esto se utilizan aceites gruesos con un fundente, por lo general se utiliza bórax combinado con sal de amonio.
Soldadura por fusión:
Agrupa muchos procedimientos de soldadura en los que tiene lugar una fusión entre los metales a unir, con o sin la aportación de otro metal, por lo general sin aplicar presión y a temperaturas superiores a las que se trabaja en las soldaduras ordinarias.
Hay muchos procedimientos, entre los que destacan:
  • Soldadura por gas
  • Soldadura por arco
  • Soldadura aluminotérmica.
  • Otras más específicas son:
- soldadura por haz de partículas, que se realiza en el vacío mediante un haz de electrones o de iones,
- soldadura por haz luminoso, que suele emplear un rayo láser como fuente de energía.

Soldadura por resistencia:
Consiste en hacer pasar una corriente eléctrica de gran intensidad a través de los metales que se van a unir. Como en la unión de los mismos la resistencia es mayor que en el resto de sus cuerpos, se generará el aumento de temperatura en la junta (efecto Joule). Aprovechando esta energía y con un poco de presión se logra la unión.
Los electrodos se aplican a los extremos de las piezas, se colocan juntas a presión y se hace pasar por ellas una fuerte corriente eléctrica durante un instante.
La zona de unión de las dos piezas, como es la que mayor resistencia eléctrica ofrece, se calienta y funde los metales.
Este procedimiento se utiliza mucho en la industria para la fabricación de láminas y alambres de metal, y se adapta muy bien a la automatización.
En los procesos de soldadura por resistencia se incluyen los de:
-Soldadura por puntos
-Soldadura por resaltes
-Soldadura por costura
-Soldadura a tope

Soldadura por gas:
Consiste en una llama dirigida por un soplete, obtenida por medio de la combustión de los gases oxígeno-acetileno. El intenso calor de la llama funde la superficie del metal base para formar una poza fundida.
Con este proceso se puede soldar con o sin material de aporte. El metal de aporte es agregado para cubrir biseles y orificios.
La llama más usada es la oxiacetilénica en la que se alcanzan temperaturas de unos 3200º C, aunque también se pueden utilizar llamas de oxipropano, oxihidrógeno u oxigas natural.

Soldadura al arco:
La fusión del metal se produce como consecuencia del calor generado por un arco voltaico que se hace saltar entre el electrodo y el metal base, pudiéndose alcanzar temperaturas que superan los 4.000 oC.
Puede ser:
Con electrodo no consumible de grafito.
Con electrodo metálico consumible.
Por arco sumergido.