5 Soldadura

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5. Procesos de soldadura
M. En C. Yara Segura de Jesús
Procesos que se utilizan para unir dos o más piezas en una entidad ensamblada.
Unión es un término que incluye todo; cubre procesos como soldadura, soldadura fuerte, soldadura blanda, unión con adhesivos y sujeción mecánica. 
Ensamble se refiere usualmente a los métodos mecánicos para juntar dos piezas.
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.
Existen diferentes formas de clasificar la amplia variedad de procesos de unión disponibles, seguiremos la clasificación de la American Welding Society (AWS).
(a) Parte tubular fabricada uniendo componentes individuales. Este producto no se puede manufacturar como una sola pieza por ninguno de los métodos descritos en los capítulos anteriores si consta de brazos largos de forma tubular, de diámetro grande y pared delgada. (b) Broca con inserto de carburo para corte, soldado a un zanco de acero, un ejemplo de una parte donde es necesario unir dos materiales por razones de desempeño. (c) Soldadura por puntos de carrocerías automotrices. Fuente: (c) Cortesía de Ford Motor Co
Procesos de unión y equipos
Unión soldada, calidad y prueba
Soldadura
Unión por adhesivos
Sujeción mecánica
Consideraciones de seguridad y ambientales
Soldadura fuerte y blanda
Fusión
Química
Eléctrica
De estado Sólido
Eléctrica
Química
Mecánica
Los procesos de unión caen dentro de tres categorías principales.
Unión con adhesivos
Sujeción mecánica
Soldadura 
A su vez, los procesos de soldadura se clasifican por lo general en tres categorías básicas
• Soldadura por fusión 
• Soldadura de estado sólido 
• Soldadura fuerte y soldadura blanda
PROCESOS DE SOLDADURA
Los procesos de soldadura se dividen en dos categorías principales:
1) soldadura por fusión, en la cual se obtiene una fusión derritiendo las dos superficies que se van a unir, y en algunos casos añadiendo un metal de aporte a la unión; y
 2) soldadura de estado sólido, en la cual se usa calor o presión o ambas para obtener la fusión, pero los metales base no se funden ni se agrega un metal de aport
SOLDADURA CON ARCO (AW)
SOLDADURA POR RESISTENCIA (RW)
SOLDADURA CON OXÍGENO Y GAS COMBUSTIBLE (OFW)
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
Soldadura por fusión 
Tipos de procesos de soldadura
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
Un arco eléctrico es una descarga de corriente eléctrica a través de una separación en un circuito. Se sostiene por la presencia de una columna de gas térmicamente ionizada (denominada plasma) a través de la cual fluye la corriente. 
En un proceso de AW, el arco eléctrico se inicia al acercar el electrodo a la pieza de trabajo, después del contacto el electrodo se separa rápidamente de la pieza a una distancia corta. La energía eléctrica del arco eléctrico así formado produce temperaturas de 5500 0C o mayores, que son lo suficientemente calientes para fundir cualquier metal. Se forma un pozo de metal fundido, que consiste en metal(es) base y metal de aporte (si se usa uno), cerca de la punta del electrodo. En la mayoría de los procesos de soldadura con arco eléctrico, se agrega un metal de aporte durante la operación para aumentar el volumen y fortalecer la unión soldada. Conforme el electrodo se mueve a lo largo de la unión, el pozo de metal fundido se solidifica de inmediato
Tecnología general de la soldadura con arco eléctrico 
Electrodos Los electrodos que se usan en los procesos de AW se clasifican como consumibles y no consumibles. 
Los electrodos consumibles contienen el metal de aporte en la soldadura con arco eléctrico; están disponibles en dos formas principales: varillas (también llamados bastones) y alambres. Las varillas para soldadura normalmente tienen una longitud de 225 a 450 mm y un diámetro de 9.5 mm ó menos. 
El alambre para soldadura consumible tiene la ventaja de que puede alimentarse en forma Continua al pozo de soldadura desde bobinas que contienen alambres en grandes cantidades, con esto se evitan las interrupciones frecuentes que ocurren cuando se usan las varillas para soldadura.
Los electrodos de varilla se clasifican en base a las propiedades mecánicas del metal depositado, tipo de recubrimiento, posiciones en las que se puede emplear el electrodo y tipo de corriente y polaridad a emplear. El sistema de clasificación empleado para electrodos recubiertos sigue el modelo empleado por la AWS. De acuerdo con este sistema, la clasificación de un electrodo se designa con la letra "E" y con cuatro o cinco dígitos. La letra "E" significa electrodo, los dos o tres primeros dígitos indican la resistencia a la tracción del metal depositado en miles de libras por pulgada cuadrada, el tercer o cuarto dígito indica las posiciones en las que debe emplearse el electrodo y el último dígito se relaciona con las características del recubrimiento, la escoria, con el tipo de corriente y a polaridad a emplear. 
Consideraciones para la selección de electrodos. La selección de electrodos para una aplicación específica, en términos generales, se basa en los siguientes factores:
Propiedades mecánicas del metal base a soldar 
Composición química del metal base a soldar 
Espesor y forma del metal base a soldar. 
Especificaciones y condiciones de servicio de la estructura a fabricar. • Tratamiento térmico que se aplicará a la estructura a fabricar • Posiciones de soldadura posibles durante la fabricación • Tipo de corriente de soldadura y polaridad a emplear. • Diseño de la unión
Los electrodos no consumibles están hechos de tungsteno (o algunas veces de carbono), los cuales resisten la fusión mediante el arco eléctrico. A pesar de su nombre, un electrodo no consumible se desgasta gradualmente durante el proceso de soldadura (la vaporización es el mecanismo principal) y ocurre en forma similar al desgaste gradual de una herramienta de corte en una operación de maquinado. Para los procesos de AW que utilizan electrodos no consumibles, cualquier metal de relleno usado en la operación debe proporcionarse mediante un alambre separado que se alimenta dentro del pozo de soldadura
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.
Clasificación de tipos de máquinas para soldar.
El soldado por puntos es el proceso de soldadura por resistencia más usado para unión de piezas formadas con chapa y láminas de espesores pequeños o medianos.
La soldadura por puntos consiste simplemente en prensar dos o más piezas de metal laminado entre dos electrodos de soldar, de cobre o de una aleación de cobre, y pasar una corriente eléctrica de suficiente intensidad por las piezas, para dar lugar a su soldadura por unión.
Observamos que al inicial el proceso de soldadura, los amperios pasan a través de cinco diferentes resistencias generadoras de calor.
Rp: Es la resistencia de contacto entre las piezas a soldar y donde convendría que se deposite toda la energía, el calor, durante el proceso.
Otros tipos de soldadura por resistenciaSOLDADURA CON OXÍGENO Y GAS COMBUSTIBLE (OFW)
La soldadura con oxígeno y combustible gaseosos (OFW, por sus siglas en inglés) es un término general utilizado para describir cualquier proceso de soldadura que use un gas combustible combinado con oxígeno para producir una flama.
 Ésta es la fuente de calor que se utiliza para fundir los metales en la unión. 
El proceso más común de soldadura con gas emplea acetileno; este proceso se conoce como soldadura con oxiacetileno (OAW, por sus siglas en inglés) y suele usarse en la fabricación de lámina metálica estructural, carrocerías de automóviles y diversos trabajos de reparación
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.
El proceso OAW se desarrolló a principios del siglo XX y usa el calor generado por la combustión del acetileno gaseoso (C2H2) mezclado con oxígeno. 
El calor se genera de acuerdo con un par de reacciones químicas. El proceso de combustión primaria, que se efectúa en el cono interior de la flama, comprende la siguiente reacción: 
Esta reacción disocia el acetileno y forma monóxido de carbono e hidrógeno y produce casi la tercera parte del calor generado en la flama.
 El proceso de combustión secundaria es: 
Esta reacción consiste en el quemado posterior del hidrógeno y del monóxido de carbono, que produce casi las dos terceras partes del calor total. Obsérvese que la reacción también produce vapor de agua. Las temperaturas que se desarrollan en la flama pueden llegar a los 3300 °C (6000 °F
Los tres tipos básicos de flamas de oxiacetileno utilizadas en la soldadura y corte con oxígeno y combustible gaseosos: (a) flama neutra; (b) flama oxidante; (c) flama carburante o reductora. 
La mezcla de gas en (a) es básicamente volúmenes iguales de oxígeno y acetileno. (d) Principio de operación de la soldadura con oxígeno y combustible gaseosos.
Práctica y equipo de soldadura
La soldadura con oxígeno y combustible gaseosos se puede utilizar en la mayor parte de los materiales ferrosos y no ferrosos, casi para cualquier espesor de la pieza de trabajo, pero la producción relativamente baja de calor limita este proceso a espesores menores de 6 mm (0.25 pulgadas). Los pasos básicos pueden resumirse de la siguiente manera.
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).
Soldadura por fricción (FRW).
Soldadura ultrasónica (USW).
La soldadura por difusión (DFW, por sus siglas en inglés)
Es un proceso de soldadura en estado sólido que resulta de la aplicación de calor y presión, por lo general en una atmósfera controlada, durante el tiempo suficiente para que ocurran la difusión y la coalescencia. Las temperaturas están muy abajo de los puntos de fusión de los metales (el máximo está en alrededor de 0.5 Tm) y la deformación plástica en la superficie es mínima. El mecanismo primordial de coalescencia se lleva a cabo mediante la difusión en estado sólido, que implica la migración de átomos a través de la interfaz entre las superficies que hacen contacto. Las aplicaciones de la DFW incluyen la unión de metales refractarios y de alta resistencia en las industrias aeroespacial y nuclear. El proceso se usa para unir metales tanto similares como diferentes y, en este último caso, con frecuencia se introduce entre los metales distintos una capa de relleno para ayudar a la difusión de los dos metales base. 
Soldadura por fricción (FRW)
En este proceso, la coalescencia se obtiene mediante el calor de la fricción entre dos superficies.
Soldadura ultrasónica (USW).
Se colocan juntas dos superficies bajo presión a una temperatura elevada y las piezas se sueldan por medio de fusión de estado sólido.
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
UNIÓN SOLDADA
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).
Tipos de soldaduras
Simbología
 
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