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.
30.1.1
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):
FIGURA 30.1
Fundamentos de la soldadura con arco: 1) antes de la soldadura, 2) durante la
soldadura (se funde el metal base y se agrega el metal de relleno a la combinación
fundida, y 3) la soldadura terminada. Existen muchas variaciones del proceso de
soldadura con arco.
•
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 (sección 26.3.4 y sección 26.3.5).
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.
30.2
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.
FIGURA 30.2
Cinco tipos básicos de uniones: a) empalmada, b) de esquina, c) superpuesta, d) en
te y e) de bordes.
30.2.1
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).
30.2.2
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).
FIGURA 30.3
Diversas formas de soldaduras de filete: 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 te con filete doble. Las líneas punteadas muestran los
bordes originales de las piezas.
FIGURA 30.4
Algunas soldaduras con surco típicas: a) soldadura con surco cuadrado, un lado;
b) soldadura con surco en bisel único; c) soldadura con surco en V único; d)
soldadura con surco en U único; e) soldadura con surco en J único; f ) soldadura
con surco en V doble para secciones más gruesas. Las líneas punteadas muestran
los bordes originales de las piezas.
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.
FIGURA 30.5
a) Soldadura con inserto y b) soldadura ranurada.
FIGURA 30.6
a) Soldadura de puntos y b) soldadura de costura.
FIGURA 30.7
a) Soldadura en reborde y b) soldadura en superficie
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.
Soldadura con arco de metal protegido La soldadura con arco de metal protegido
(SMAW, por sus siglas en inglés) es un proceso de AW que usa un electrodo
consumible y consiste en una varilla de metal de relleno recubierta con materiales
químicos que proporcionan un fundente y protección. El proceso se ilustra en las
figuras 31.2 y 31.3. La varilla de soldadura (en ocasiones, la SMAW se denomina
soldadura de varilla) tiene de manera típica una longitud entre 225 y 450 mm (9 y 18
in) y un diámetro de 2.5 a 9.5 mm (3/32 a 3/8 in). El metal de relleno usado en la
varilla debe ser compatible con el metal que se va a soldar y, por lo tanto, la
composición debe ser muy parecida a la del metal base. El recubrimiento consiste en
celulosa pulverizada (por ejemplo, polvos de algodón y madera) mezclados con
óxidos, carbonatos y otros ingredientes integrados mediante un aglutinante de silicato.
Algunas veces se incluyen en el recubrimiento polvos metálicos para aumentar la
cantidad de metal de relleno y agregar elementos aleantes. El calor del proceso de
soldadura funde el recubrimiento y proporciona una atmósfera protectora y escoria
para la operación de soldadura. También ayuda a estabilizar el arco y regula la
velocidad a la que se funde el electrodo.
FIGURA 31.3
Soldadura con arco de metal protegido (SMAW).
FIGURA 31.4
Soldadura con arco de metal y gas (GMAW).
Soldadura con arco de metal y gas La soldadura con arco de metal y gas (GMAW,
por sus siglas en inglés) es un proceso de AW en el cual el electrodo es un alambre
metálico desnudo consumible y la protección se proporciona inundando el arco
eléctrico con un gas. El alambre desnudo se alimenta en forma continua y automática
desde un rollo a través de la pistola de soldadura, como se ilustra en la figura 31.4.
Asimismo, en la figura 31.5 se muestra una pistola de soldadura. En la GMAW se
usan diámetros de alambre que van de 0.8 a 6.5 mm (1/32 a 1/4 in); el tamaño
depende del espesor de las piezas que se van a unir y de la velocidad de deposición
deseada. Los gases usados para protección incluyen gases inertes como el argón y el
helio y también gases activos como el dióxido de carbono. La selección de los gases
(y mezclas de los mismos) dependen del metal que se va a soldar, así como de otros
factores. Se usan gases inertes para soldar aleaciones de aluminio y aceros
inoxidables, mientras que comúnmente se usa CO2 para soldar aceros al bajo y
mediano carbono. La combinación del alambre de electrodo desnudo y los gases
protectores eliminan el recubrimiento de escoria en la gota de soldadura y, por ende,
evitan la necesidad del esmerilado y limpieza manual de la escoria. Por lo tanto, el
proceso de GMAW es ideal para hacer múltiples pasadas de soldadura en la misma
unión.
Soldadura con arco de núcleo fundente Este proceso de soldadura con arco fue
desarrollado a principios de la década de 1950 como una adaptación de la soldadura
con arco de metal protegido, con el propósito de vencer las limitaciones impuestas por
el uso de electrodos de varilla. La soldadura con arco de núcleo fundente (FCAW,
por sus siglas en inglés) es un proceso en el cual el electrodo es un tubo consumible
continuo que contiene fundente y otros ingredientes en su núcleo. Tales ingredientes
incluyen elementos desoxidantes y aleantes. El alambre tubular con núcleo de
fundente es flexible y, por ende, puede suministrarse en forma de rollos para que sea
alimentado de manera continua a través de la pistola para soldadura con arco. Existen
dos versiones de la FCAW: 1) autoprotegida y 2) protegida con gas. En la primera
versión de la FCAW, la protección se proporcionaba por medio de un núcleo de
fundente; de allí se obtuvo el nombre de soldadura con arco de núcleo fundente
autoprotegida. El núcleo en esta forma de FCAW no sólo incluye fundentes, sino
también ingredientes que generan gases protectores para el arco. La segunda versión
de FCAW, primordialmente para soldar aceros, obtiene la protección del arco
mediante gases que se incorporan en forma externa, de manera similar a la soldadura
con arco de metal y gas. Esta versión se llama soldadura con arco de núcleo
fundente protegida por gas. Debido a que utiliza un electrodo que contiene su propio
fundente junto con gases protectores separados, podría considerarse una combinación
de la SMAW y la GMAW. Los gases protectores que se emplean de manera típica son
el dióxido de carbono para aceros suaves, o mezclas de argón y dióxido de carbono
para aceros inoxidables. En la figura 31.6 se ilustra el proceso de FCAW, donde el
gas (opcional) sirve para distinguir los dos tipos distintos.
FIGURA 31.6
Soldadura con arco de núcleo fundente. La presencia o ausencia de gas protector
incorporado desde el exterior distingue los dos tipos: 1) autoprotegida, en la cual
el núcleo proporciona los ingredientes protectores y 2) protegida con gas, en la
cual se suministra gases protectores externos.
Soldadura con arco sumergido Este proceso, creado durante la década de 1930, fue
uno de los primeros de AW que se automatizaron. La soldadura con arco sumergido
(SAW, por sus siglas en inglés) es un proceso que usa un electrodo de alambre
desnudo consumible continuo y el arco se protege mediante una cobertura de fundente
granular. El alambre del electrodo se alimenta en forma automática desde un rollo
hacia dentro del arco. El fundente se introduce a la unión ligeramente adelante del
arco de soldadura, por gravedad, desde un tanque alimentador, como se muestra en la
figura 31.8. El manto de fundente granular cubre por completo la operación de
soldadura con arco, evitando chispas, salpicaduras y radiaciones que son muy
peligrosas en otros procesos de AW. Por lo tanto, el operador de la SAW no necesita
usar la molesta máscara protectora que se requiere en otras operaciones (pero los
anteojos de seguridad y guantes protectores sí son necesarios). La porción de fundente
más cercana al arco se derrite y se mezcla con el metal de soldadura fundido para
remover impurezas, que después se solidifican en la parte superior de la unión soldada
y forman una escoria con aspecto de cristal. La escoria y los granos de fundente no
derretidos en la parte superior proporcionan una buena protección de la atmósfera y
un buen aislamiento térmico para el área de soldadura, lo que produce un
enfriamiento relativamente bajo y una unión soldada de alta calidad, cuyos
parámetros de tenacidad y ductilidad son notables. Como se aprecia en el esquema, el
fundente no derretido que queda después de la soldadura puede recuperarse y
reutilizarse. La escoria sólida que cubre la soldadura debe arrancarse, usualmente por
medios manuales.
FIGURA 31.8
Soldadura con arco sumergido.
La GTAW es aplicable a casi todos los metales en un amplio rango de espesores para
la materia prima. También puede usarse para unir diferentes combinaciones de
metales distintos. Sus aplicaciones más comunes incluyen el aluminio y el acero
inoxidable. Las aleaciones de hierro, los hierros colados, el plomo y por supuesto el
tungsteno son difíciles de soldar mediante la GTAW. En las aplicaciones de soldadura
de acero, la GTAW generalmente es más lenta y más costosa que los procesos de AW
de electrodo consumible, excepto cuando se incluyen secciones delgadas y cuando se
requieren soldaduras de muy alta calidad. Cuando se sueldan hojas delgadas con TIG
a tolerancias muy reducidas no se agrega metal de relleno. El proceso puede realizarse
de manera manual o mediante métodos de máquina y automatizados para todos los
tipos de uniones. Las ventajas de la GTAW en las aplicaciones para las que es
adecuada incluyen su alta calidad, que no hay salpicaduras de soldadura debido a que
no se transfiere un metal de relleno a través del arco y casi no se requiere limpieza
posterior a la soldadura porque no se utiliza fundente.
FIGURA 31.9
Soldadura con arco de tungsteno y gas.
Soldadura por arco de plasma La soldadura por arco de plasma (PAW, por sus
siglas en inglés) es una forma especial de la soldadura con arco de tungsteno y gas, en
la cual un arco de plasma controlado se dirige hacia el área de soldadura. En la PAW,
se coloca un electrodo de tungsteno dentro de una boquilla especialmente diseñada, la
cual enfoca una corriente de gas inerte a alta velocidad (por ejemplo, argón o mezclas
de argón e hidrógeno) hacia la región del arco para formar una corriente de arco de
plasma intensamente caliente a alta velocidad, como en la figura 31.10. También se
usan el argón, el argónhidrógeno y el helio como gases protectores del arco eléctrico.
FIGURA 31.10
Soldadura con arco de plasma (PAW).
31.2
SOLDADURA POR RESISTENCIA
La soldadura por resistencia (RW, por sus siglas en inglés) es un grupo de procesos de
soldadura por fusión que utiliza una combinación de calor y presión para obtener la
coalescencia; el calor se genera mediante una resistencia eléctrica dirigida hacia el flujo
de corriente en la unión que se va a soldar. Los principales componentes en la soldadura
por resistencia se muestran en la figura 31.12 para una operación de soldadura de
puntos por resistencia; éste es el proceso de uso más difundido en el grupo. Los
componentes incluyen piezas de trabajo que se van a soldar (por lo general, piezas de
lámina metálica), dos electrodos opuestos, un medio para aplicar presión destinado a
apretar las piezas entre los electrodos y un suministro de corriente alterna desde el cual
se aplica una corriente controlada. La operación produce una zona fundida entre las dos
piezas, llamada una pepita de soldadura en la soldadura de puntos.
A diferencia de la soldadura con arco, la soldadura por resistencia no usa gases
protectores, fundentes o metales de relleno; y los electrodos que conducen la energía
eléctrica hacia el proceso son no consumibles. La RW se clasifica como un proceso de
soldadura por fusión porque el calor aplicado provoca la fusión de las superficies de
empalme. Sin embargo, hay excepciones. Algunas operaciones de soldadura basadas en
el calentamiento de una resistencia usan temperaturas por debajo del punto de fusión de
los metales base, por lo que no ocurre una fusión.
FIGURA 31.12
Soldadura por resistencia; se muestran los componentes en la soldadura de puntos;
el proceso predominante en el grupo de RW.
31.3.1
Soldadura con oxiacetileno
La soldadura con oxiacetileno (OAW, por sus siglas en inglés) es un proceso de
soldadura por fusión realizado mediante una flama de alta temperatura a partir de la
combustión del acetileno y el oxígeno. La flama se dirige mediante un soplete de
soldadura. En ocasiones se agrega un metal de relleno y a veces se aplica presión
entre las superficies de las piezas que hacen contacto. En la figura 31.21 se muestra
una operación típica de soldadura con oxiacetileno. Cuando se usa metal de relleno,
normalmente está en forma de varillas con diámetros que van de 1.6 a 9.5 mm (1/16 a
3/8 in). La composición del relleno debe ser similar a la de los metales base. Con
frecuencia, el relleno se recubre con un fundente que ayuda a limpiar las superficies y
a evitar la oxidación, con lo que se produce una mejor unión soldada.
FIGURA 31.21
Una operación típica de soldadura con oxiacetileno (OAW).
Soldadura explosiva La soldadura explosiva (EXW, por sus siglas en inglés) es un
proceso de estado sólido en el cual se produce una rápida coalescencia de dos
superficies metálicas mediante la energía de un explosivo detonado. Por lo general se
usa para unir dos metales distintos, en particular para revestir un metal sobre un metal
base en áreas grandes. Las aplicaciones incluyen la producción de materias primas de
láminas y placas resistentes a la corrosión destinadas a la fabricación de equipo de
procesamiento en las industrias química y petrolera. En este contexto se utiliza el
término revestimiento por explosión. En la EXW no se usa un metal de relleno ni se
aplica calor externo. Además, durante el proceso no ocurre difusión (el tiempo es
demasiado corto). La naturaleza de la unión es metalúrgica, en muchos casos
combinada con un entrelazado mecánico producido por una interfaz ondulada o rizada
entre los metales.
FIGURA 31.27
Soldadura explosiva (EXW): 1) disposición en la configuración paralela y 2)
durante la detonación de la carga explosiva.
Soldadura por fricción La soldadura por fricción es un proceso comercial
ampliamente usado y es conveniente para los métodos de producción automatizada.
El proceso fue creado en la antigua Unión Soviética, y fue introducido en Estados
Unidos alrededor de 1960. La soldadura por fricción (FRW, por sus siglas en inglés)
es un proceso en estado sólido en el cual se obtiene la coalescencia mediante una
combinación de calor por fricción y presión. La fricción se induce mediante el
frotamiento mecánico entre las dos superficies, generalmente por la rotación de una
pieza respecto a la otra, con el propósito de elevar la temperatura en la interfaz de
unión hasta un rango de trabajo caliente para los metales involucrados. Después, las
piezas se dirigen una hacia otra con suficiente fuerza para formar una unión
metalúrgica. La secuencia se ilustra en la figura 31.28 para soldar dos piezas
cilíndricas, la aplicación típica del proceso. La fuerza de compresión axial recalca las
piezas y se produce un reborde por el material desplazado. Cualquier película
superficial que se encuentre sobre las superficies de contacto es expulsada durante el
proceso. Después debe emparejarse el reborde (por ejemplo, por torneado) para
proporcionar una superficie lisa en la región soldada. Cuando se realiza en forma
correcta, no ocurre una fusión en las superficies de empalme. Normalmente no se usa
metal de relleno, ni fundentes o gases protectores.
FIGURA 31.28
Soldadura por fricción (FRW): 1) pieza rotatoria, sin contacto; 2) piezas puestas
en contacto para generar calor por fricción; 3) rotación detenida y presión axial
aplicada; y 4) soldadura creada.