¿Qué es la soldadura?

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 implica la fusión o unión localizada de dos piezas metálicas en sus superficies de empalme. Éstas son las superficies de la pieza que están en contacto o muy cercanas para ser unidas. Por lo general, la soldadura se realiza sobre piezas hechas del mismo metal, pero es posible usar algunas operaciones para unir metales diferentes.

Tipo de unión de soldadura

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.

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).

Procesos de soldadura

Los procesos de soldadura se dividen en dos categorías principales: 1) soldadura por fusión en la cual se logra una coalescencia al fundirse las dos superficies que se van a unir, en algunos casos añadiendo un metal de relleno a la unión.

2) soldadura de estado sólido, en la cual se usa calor o presión para obtener la coalescencia, pero los metales base no se funden y no se agrega un metal de relleno.

La soldadura por fusión es por mucho la categoría más importante. Incluye 1) la soldadura con arco, 2) la soldadura por resistencia, 3) la soldadura con oxígeno y gas combustible y 4) otros procesos de soldadura por fusión, es decir, aquellos que no pueden clasificarse en alguno de los primeros tres tipos.

Soldadura con arco (AW)

La soldadura con arco eléctrico (AW, por sus siglas en inglés) es un proceso de soldadura por fusión en el cual la coalescencia de los metales se obtiene mediante el calor de un arco eléctrico entre un electrodo y el trabajo.

Un arco eléctrico es una descarga de corriente eléctrica a través de una separación en un circuito. Se sustenta por la presencia de una columna de gas térmicamente ionizada (llamada plasma) a través de la cual fluye la corriente. Para iniciar el arco en un proceso de AW, se acerca 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 así formado produce temperaturas de 5 500 °C (10 000 °F) o mayores, que son lo suficientemente calientes para fundir cualquier metal. Se forma un pozo de metal fundido, que consiste en el (los) metal(es) base y metal de relleno (si se usa alguno), cerca de la punta del electrodo.

Los electrodos consumibles proporcionan el metal de relleno en la soldadura con arco. Estos electrodos 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 (9 a 18 in) y un diámetro de 9.5 mm (3/8 in) o menos. El problema con las varillas de soldadura consumibles, al menos en las operaciones de soldadura en producción, es que deben cambiarse de manera periódica, lo que reduce el tiempo de arco del soldador. El alambre para soldadura consumible tiene la ventaja de que puede alimentarse en forma continua al pozo soldado desde rollos que contienen alambre en grandes cantidades; con esto se evitan las interrupciones frecuentes que ocurren cuando se usan las varillas para soldar. Tanto en forma de varilla como de alambre el arco consume al electrodo durante el proceso de soldadura y éste se añade a la unión soldada como metal de relleno.

Los electrodos no consumibles están hechos de tungsteno (o en raras ocasiones de carbono), los cuales resisten la fusión mediante el arco. A pesar de su nombre, un electrodo no consumible se desgasta en

forma gradual 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 soldado.

Soldadura con arco de metal protegido: La soldadura con arco de metal protegido 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 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.

Soldadura con arco de metal y gas: La soldadura con arco de metal y gas 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. 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.

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 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.

Soldadura electrogaseosa: La soldadura electrogaseosa es un proceso de AW que usa un electrodo consumible continuo, ya sea de alambre con núcleo de fundente o alambre desnudo con gases protectores que se suministran en forma externa y zapatas de moldeo para contener el metal fundido. El proceso se aplica primordialmente a la soldadura empalmada vertical. Las principales aplicaciones de la soldadura electrogaseosa son los aceros (al bajo y medio carbono, aleaciones bajas y ciertos aceros inoxidables), en la construcción de tanques de almacenamiento grandes y en la construcción de embarcaciones. Los espesores de la materia prima, de 12 a 75 mm (0.5 a 3.0 in), están dentro de la capacidad de la EGW.

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 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. 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. La soldadura con arco sumergido se usa ampliamente en la fabricación de acero para formas estructurales (por ejemplo, vigas en I soldadas); costuras longitudinales y en forma de circunferencia para tubos de diámetro grande, tanques y recipientes de presión; y componentes soldados para maquinaria pesada.

Soldadura con arco de tungsteno y gas: La soldadura con arco de tungsteno y gas es un proceso que usa un electrodo de tungsteno no consumible y un gas inerte para proteger el arco. 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.

Soldadura por arco de plasma: La soldadura por arco de plasma 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. También se usan el argón, el argón-hidrógeno y el helio como gases protectores del arco eléctrico. Las temperaturas en la soldadura con arco de plasma son de 28 000 °C (50 000 °F) o mayores, y lo suficientemente altas para fundir cualquier metal conocido.

La soldadura con arco de carbono: Es un proceso de soldadura con arco que utiliza un electrodo de carbono (grafito) no consumible. Tiene importancia histórica debido a que fue el primer proceso de soldadura con arco eléctrico en desarrollarse, pero su importancia comercial actual es prácticamente nula. El proceso con arco de carbono se usa como una fuente de calor para soldadura dura y para reparar fundiciones de hierro. También puede usarse en algunas aplicaciones para depositar materia- les resistentes al desgaste sobre superficies. Los electrodos de grafito para soldadura han sido sustituidos casi por completo con electrodos de tungsteno (en la GTAW y la PAW).

La soldadura de pernos: Es un proceso especializado de AW para unir pernos o componentes similares a piezas básicas. En la cual se obtiene protección por medio del uso de una férula cerámica. Para comenzar, el perno se sujeta en una pistola de soldadura especial que controla automáticamente los parámetros de tiempo y potencia de los pasos mostrados en la secuencia. El trabajador sólo debe colocar la pistola en la posición correcta contra la pieza de trabajo base, a la cual se unirá el perno, y después jalar el gatillo. Las aplicaciones de la SW incluyen sujetadores roscados para fijar manijas en utensilios de cocina, aletas de radiación de calor en maquinaria y situaciones de ensamble similares.

Soldadura por resistencia (RW)

La soldadura por resistencia: 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 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. Las ventajas generales de la soldadura por resistencia incluyen:

1) no se requiere un metal de relleno.

2) son posibles altas velocidades de producción.

3) se presta para la mecanización y la automatización.

4) el nivel de habilidad del operador es menor al que se requiere para la soldadura con arco.

5) tiene buena repetitividad y confiabilidad.

Las desventajas son que 1) el costo inicial del equipo es alto, por lo general mucho más alto que la mayoría de las operaciones de soldadura con arco.

2) los tipos de uniones que pueden soldarse se limitan a las uniones sobrepuestas para la mayoría de los procesos de RW.

Soldadura de puntos por resistencia: La soldadura de puntos por resistencia es por mucho el proceso predominante en este grupo. Se usa ampliamente en la producción masiva de automóviles, aparatos domésticos, muebles metálicos y otros productos hechos a partir de láminas metálicas. Si se considera que la carrocería de un automóvil típico tiene aproximadamente 10 000 soldaduras de punto individuales y que la producción anual de automóviles en todo el mundo se mide en decenas de millones de unidades, es posible apreciar la importancia económica de la soldadura de puntos por resistencia.

La soldadura de puntos por resistencia (RSW): es un proceso de RW en el cual se obtiene la fusión en una ubicación de las superficies de empalme de una unión superpuesta, mediante electrodos opuestos. El proceso se usa para unir piezas de láminas metálicas con un espesor de 3 mm (0.125 in) o menos, usando una serie de soldaduras de puntos en situaciones donde no se requiere un ensamble hermético. El tamaño y la forma del punto de soldadura están determinados por la punta de electrodo; la forma de electrodo más común es redonda, pero también se usan formas hexagonales, cuadradas y otras. La pepita de soldadura resultante tiene un diámetro típico de 5 a 10 mm (0.2 a 0.4 in), con una zona afectada por el calor que se extiende un poco más allá de la pepita en los metales base. Si la soldadura se hace correctamente, su resistencia es comparable con la del metal circundante.

Los soldadores de punto con balancín: tienen un electrodo inferior estacionario y un electrodo superior móvil que sube y baja para cargar y descargar el trabajo. El electrodo superior se monta en un balancín (de ahí el nombre), cuyo movimiento es controlado mediante un pedal operado por el trabajador. Las máquinas modernas pueden programarse para controlar la fuerza y la corriente durante el ciclo de soldadura.

Los soldadores de puntos tipo prensa: están diseñados para un trabajo más grande. El electrodo superior tiene un movimiento en línea recta proporcionado por una prensa vertical, que se opera en forma neumática o hidráulica. La acción de la prensa permite que se apliquen fuerzas más grandes, y los controles generalmente hacen posible la programación de ciclos de soldadura complejos.

Soldadura de costura por resistencia: En la soldadura de costura por resistencia los electrodos con forma de varilla de la soldadura de puntos se sustituyen con ruedas giratorias y se hace una serie de

soldaduras de puntos sobrepuestas a lo largo de la unión. El proceso produce uniones herméticas y sus aplicaciones industriales incluyen la producción de tanques de gasolina, silenciadores de automóviles y otros contenedores fabricados con láminas de metal. Técnicamente, la RSEW es igual que la soldadura de puntos, excepto porque los electrodos en ruedas ocasionan ciertas complejidades. Como, por lo general, la operación se realiza en forma continua y no discreta, las costuras deben estar a lo largo de una línea recta o uniformemente curva. Las esquinas agudas e irregularidades similares son difíciles de manejar. Asimismo, la combadura de las piezas es el factor más significativo en la soldadura de costura por resistencia; por esta causa se requieren soportes bien diseñados para mantener el trabajo en la posición correcta y así reducir la distorsión.

Soldadura de movimiento continuo: la rueda gira en forma continua a una velocidad constante y la corriente se activa a intervalos que coinciden con el espaciamiento deseado entre los puntos de soldadura a lo largo de la costura. Normalmente, la frecuencia de las descargas de corriente se establece para que se produzcan puntos de soldadura sobrepuestos. Pero si se reduce bastante la frecuencia, habrá espacios entre los puntos de soldadura y este método se denomina soldadura de puntos con rodillo.

Soldadura de proyección por resistencia: La soldadura de proyección por resistencia es un proceso de soldadura por resistencia en el cual ocurre la coalescencia en uno o más puntos de contacto relativamente pequeños sobre las piezas. Estos puntos de contacto están determinados por el diseño de las piezas que se van a unir y pueden consistir en proyecciones, grabados o intersecciones localizadas de las piezas. La pieza superior se ha fabricado con dos puntos grabados para entrar en contacto con la otra pieza al principio del proceso. Puede argumentarse que la operación de grabado aumenta el costo de la pieza, pero este incremento puede más que compensarse por los ahorros en el costo de la soldadura.

Soldadura de alambre transversal: Se usa para fabricar productos de alambre soldado, como rejas, carros para supermercado y parrillas. En este proceso, las superficies de los alambres redondos que hacen contacto funcionan como las proyecciones y permiten ubicar el calor de resistencia para la soldadura.

Soldadura instantánea: Se usa normalmente para uniones empalmadas, se ponen en contacto o se acercan las dos superficies que se van a unir y se aplica una corriente eléctrica para calentar las superficies hasta su punto de fusión, después de lo cual las superficies se oprimen juntas para formar la soldadura. Además del calentamiento por resistencia, se generan ciertos arcos (llamados destellos instantáneos, de ahí el nombre del proceso de soldadura) dependiendo del alcance del contacto entre las superficies de empalme, por lo que la soldadura instantánea se clasifica en ocasiones en el grupo de soldadura con arco. Por lo general, la corriente se detiene durante el recalcado. En

este proceso, se desborda un poco de metal fuera de la unión, al igual que contaminante sobre las superficies, que después debe maquinarse para proporcionar una unión de tamaño uniforme.

La soldadura con recalcado: es similar a la soldadura instantánea, excepto porque en la UW las superficies de empalme se aprietan una contra la otra durante el calentamiento y se recalcan. En la soldadura instantánea, los pasos de calentamiento y presión se separan durante el ciclo. El calentamiento en la UW se obtiene completamente mediante resistencia eléctrica generada en las superficies que hacen con- tacto; no se producen arcos. Cuando las superficies de empalme se han calentado a una temperatura conveniente por debajo del punto de fusión, se aumenta la fuerza que presiona a las piezas una contra otra para producir el recalcado y la coalescencia en la región de contacto. Por lo tanto, la soldadura con recalcado no es un proceso de soldadura por fusión en el mismo sentido que los otros procesos de soldadura que se han analizado. Las aplicaciones de la UW son similares a las de la soldadura instantánea: unión de extremos de alambres, tuberías, tubos, etc.

La soldadura por percusión: también es similar a la soldadura instantánea, excepto porque la duración del ciclo de soldadura es extremadamente breve; en forma típica sólo transcurren de 1 a 10 milisegundos. El calentamiento rápido se obtiene mediante las rápidas descargas de energía eléctrica entre las dos superficies que se van a unir, para continuar con la percusión inmediata de una pieza contra la otra a fin de formar la soldadura. El calentamiento está muy localizado y esto hace atractivo el proceso para aplicaciones electrónicas, en las cuales las dimensiones son muy pequeñas y los componentes pueden ser muy sensibles al calor.

La soldadura por resistencia de alta frecuencia: es un proceso en el cual se usa una corriente alterna de alta frecuencia para el calentamiento, seguido de la aplicación rápida de una fuerza de recalcado para producir coalescencia. Las frecuencias están entre 10 y 500 kHz y los electrodos hacen contacto con el trabajo en la vecindad inmediata de la unión soldada. En una variación del proceso, llamada soldadura por inducción de alta frecuencia, la corriente de calentamiento se induce en las piezas mediante una bobina de inducción de alta frecuencia. La bobina no hace contacto físico con el trabajo. Las aplicaciones principales de la HFRW y de la HFIW son la soldadura empalmada continua de costuras longitudinales en tuberías metálicas.

Soldadura por oxígeno y gas

La soldadura con oxígeno y gas combustible: es el término que se usa para describir el grupo de operaciones de fusión durante las cuales se queman diferentes combustibles mezclados con oxígeno para ejecutar la soldadura. Los procesos de OFW emplean varios tipos de gases, los cuales representan la principal diferencia entre los integrantes de este grupo. El oxígeno y el gas combustible también se usan normalmente en sopletes de corte para cortar y separar placas metálicas y otras piezas. El proceso más importante de OFW es la soldadura con oxiacetileno.

La soldadura con oxiacetileno: 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. 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.

Soldadura por gas a presión: Éste es un proceso especial de la OFW; se distingue más por el tipo de aplicación que por el gas combustible. Es un proceso de soldadura por fusión, mediante el cual se obtiene la coalescencia sobre todas las superficies de contacto de las dos piezas, calentándolas con una mezcla de combustible apropiada (por lo general gas oxiacetileno) y después aplicando presión para unir las superficies. Las piezas se calientan hasta que empieza la fusión en las superficies. Después se retira el soplete de calentamiento, se oprimen las piezas una contra otra y se sostienen a presiones altas mientras ocurre la solidificación. En la PGW no se usa metal de relleno.

Soldadura por fusión

Algunos procesos de soldadura por fusión no pueden clasificarse como soldadura con arco eléctrico, por resistencia o con oxígeno y gas combustible. Todos estos procesos usan una tecnología única para generar el calor y lograr la fusión; y por lo regular las aplicaciones son singulares.

La soldadura con haz de electrones: es un proceso de soldadura por fusión en el cual el calentamiento para el proceso se proporciona mediante una corriente de electrones muy concentrada, de alta intensidad, que choca contra la superficie de trabajo. El equipo es similar al que se usa para el maquinado con haz de electrones. La pistola de haz de electrones opera a alto voltaje para acelerar los electrones (por ejemplo, lo típico es de 10 a 150 kV) y las corrientes del haz son bajas (medidas en miliamperes). La potencia en la EBW no es excepcional, pero sí su densidad de potencia.

La soldadura con haz láser: es un proceso de soldadura por fusión en el cual se obtiene la coalescencia mediante la energía de un haz luminoso coherente altamente concentrado y enfocado a la unión que se va a soldar. El término láser es un acrónimo de la expresión “amplificación luminosa mediante la emisión estimulada de radiaciones”. La LBW se realiza normalmente con gases protectores (por ejemplo, helio, argón, nitrógeno y dióxido de carbono) para evitar la oxidación. Por lo general no se agrega metal de relleno.

La soldadura con electroescoria: usa el mismo equipo básico de algunos procesos de soldadura con arco eléctrico y utiliza un arco para iniciar la opera- ción de soldadura. Sin embargo, no es un proceso de AW porque durante la soldadura no se usa ningún arco. La soldadura con electroescoria (ESW) es un proceso de soldadura por fusión en el cual se

obtiene la coalescencia mediante escoria fundida caliente y altamente conductiva, que actúa sobre las piezas base y el metal de relleno. La configuración general de la soldadura con electroescoria es similar a la de la soldadura electroescoria. Se realiza en orientación vertical (la que se muestra aquí es para soldadura empalmada), usando zapatas de moldeo enfriadas por agua para contener la escoria fundida y el metal soldado. Al principio del proceso, se coloca en la cavidad un fundente conductivo granulado.

Soldadura con Termita: es el nombre de una marca comercial para la termita, una mezcla de polvo de aluminio y óxido de hierro que produce una reacción exotérmica cuando se enciende. Es una sustancia usada en bombas incendiarias y para soldadura. Como un proceso de soldadura, el uso de termita data aproximadamente de 1900. Es un proceso de fusión en el cual el calor para la coalescencia se produce mediante el metal fundido supercalentado de la reacción química de la termita. El metal de relleno se obtiene a partir del metal líquido y, aunque el proceso se usa para unir, es más común en las fundiciones que en la soldadura.

Soldadura de estado sólido

En la soldadura de estado sólido, la coalescencia de las superficies de la pieza se obtiene:

1) Mediante presión solamente.

2) Por calor y presión.

Para algunos procesos de estado sólido, el tiempo también es un factor. Si se usan calor y presión, la cantidad de calor por sí misma no es suficiente para producir la fusión de las superficies de trabajo. En otras palabras, no ocurrirá la fusión de las piezas usando solamente el calor que se aplica en forma externa para estos procesos. En algunos casos, la combinación de calor y presión o el modo particular en el que se aplica la presión sola, genera suficiente energía para producir una fusión localizada de las superficies de empalme. En la soldadura de estado sólido, no se añade metal de relleno.

Soldadura por forjado: es un proceso en el cual los componentes que se van a unir se calientan a una temperatura de trabajo y después se forjan juntos por medio de un martillo u otro medio. Se requiere la habilidad del artesano que lo realiza para obtener una buena soldadura bajo las normas actuales. El proceso puede tener interés histórico; sin embargo, actualmente posee una mínima importancia comercial excepto por algunas de sus variantes que se analizan a continuación.

La soldadura en frío: es un proceso de soldadura en estado sólido que se realiza aplicando alta presión entre superficies en contacto a temperatura ambiente. Las superficies de empalme deben estar excepcionalmente limpias para que funcione la CW, y por lo general esta limpieza se hace mediante un des- engrasado y pulido de alambre exactamente antes de la unión. También, al menos uno de los metales que se van a soldar, y de preferencia ambos, deben ser muy dúctiles y libres de endurecimiento por trabajo. Los metales como el aluminio suave y el cobre pueden soldarse en frío con facilidad.

La soldadura con rodillos: es una variación de la soldadura por forjado o de la soldadura en frío, dependiendo de si se obtiene o no el calentamiento externo de las piezas de trabajo antes del proceso. Es un proceso en estado sólido en el cual se aplica una presión suficiente para producir coalescencia mediante rodillos, ya sea con o sin aplicación externa de calor.

Si no se suministra calor externo, el proceso se denomina soldadura con rodillos en frío; si se proporciona calor, se usa el término soldadura con rodillos en caliente. Las aplicaciones de la soldadura con rodillos incluyen el revestimiento con acero inoxidable para aleaciones medias o bajas a fin de conseguir resistencia a la corrosión, la fabricación de tiras bimetálicas para medir la temperatura y la producción de monedas acuñadas tipo “emparedado”.

La soldadura con presión en caliente: es otra variable de la soldadura por forjado, en el cual ocurre la coalescencia por la aplicación de calor y presión suficiente para producir una deformación considerable de los metales base. La deformación rompe la película de óxido de la superficie y deja limpio el metal para establecer una buena unión entre las dos piezas. Debe permitirse que pase un tiempo para que ocurra la difusión a través de las superficies de empalme. Por lo general, la operación se realiza en una cámara de vacío o en la presencia de un medio protector. Las aplicaciones principales de la HPW están en la industria aeroespacial.

La soldadura por difusión: 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.

La soldadura explosiva: 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.

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.

Soldadura ultrasónica: es un proceso en estado sólido en el cual se integran dos componentes bajo fuerzas de sujeción modestas y se

aplican intensas presiones oscilatorias de frecuencia ultrasónica a la interfaz para producir la coalescencia. El movimiento oscilatorio entre las dos piezas deshace las películas de superficie para permitir un contacto íntimo y una fuerte unión metalúrgica entre las superficies. Aunque ocurre un calentamiento de las superficies que hacen contacto debido a la fricción interfacial y a la deformación plástica, las temperaturas resultantes están bastante abajo del punto de fusión. En la USW no se requieren metales de relleno, fundentes, ni gases protectores.

Ensamble mecánico

En el ensamble mecánico se usan diferentes métodos de sujeción para sostener juntas en forma mecánica dos (o más) piezas. En la mayoría de los casos, los métodos de sujeción implican el uso de componentes de hardware separados, llamados sujetadores, que se agregan a las piezas durante la operación de ensamblado. En otros casos, el mecanismo de sujeción implica el formado o reformado de uno de los componentes que se van a ensamblar y no se requieren sujetadores separados. Muchos productos para el consumidor se ensamblan principalmente mediante métodos de sujeción mecánica: automóviles, aparatos eléctricos grandes y pequeños, teléfonos, muebles, utensilios, incluso vestidos se “ensamblan” por me- dios mecánicos. Además, productos industriales como aviones, herramientas de máquina y equipo de construcción casi siempre implican ensamble mecánico.

Sujetadores roscados

Los sujetadores roscados son componentes separados de hardware que tienen roscas ex- ternas o internas para el ensamble de piezas. En casi todos los casos permiten el desensamble. Los sujetadores roscados son la categoría más importante del ensamble mecánico; los tipos más comunes de sujetadores roscados son los tornillos, los pernos y las tuercas.

Tornillos, pernos y tuercas

Los tornillos y los pernos son sujetadores con roscas externas. Existe una diferencia técnica entre un tornillo y un perno, que con frecuencia se confunde en el uso popular. Un tornillo es un sujetador con rosca externa que, por lo general, se ensambla en un orificio roscado ciego. Algunos tipos llamados tornillos autorroscantes poseen formas que les permiten formar o cortar las roscas correspondientes en el orificio. Un perno es un sujetador con rosca externa que se inserta a través de orificios en las piezas y se “atornilla” con una tuerca en el lado opuesto. Una tuerca es un sujetador de rosca interna que coincide con la del perno del mismo diámetro, paso y forma de rosca.

Los tornillos se fabrican en una mayor variedad y configuraciones que los pernos, puesto que sus funciones son más variadas.

1) Los tornillos para máquina son del tipo general, diseñados para ensamble en huecos roscados. En ocasiones se ensamblan a tuercas, y en este uso coinciden con los pernos.

2) Los tornillos de cabeza cuadrada tienen la misma forma que los tornillos para máquina, pero están hechos de metales con mayor resistencia y tolerancias más estrechas.

3) Los tornillos prisioneros se endurecen y diseñan para funciones de ensamble como collarines de sujeción, engranes y poleas para flechas. Se fabrican en diversas formas.

4) Un tornillo autorroscante (también llamado tornillo roscante) está diseñado para formar o cortar las roscas en un orificio que ya existe, dentro del cual se hace girar.

Otros sujetadores roscados y equipo relacionado

Entre los tipos de sujetadores roscados y equipo relacionado adicionales se incluyen:

a) Un perno sin cabeza (en el contexto de los sujetadores) es un sujetador con rosca externa, pero sin la cabeza normal que posee un perno. Los pernos sin cabeza se usan para ensamblar dos piezas mediante dos tuercas. Están disponibles con roscas en un extremo o en ambos.

b) Los insertos con rosca de tornillo son machos con rosca interna o rollos de alambre hechos para insertarse en un orificio sin rosca y para aceptar un sujetador con rosca externa. Se ensamblan en materiales más débiles (por ejemplo, plástico, madera y metales ligeros tales como el magnesio) para proporcionar roscas fuertes. Hay muchos diseños de insertos con tornillo de rosca. Después del subsecuente ensamble del tornillo dentro del inserto, el cañón del inserto se expande hacia los lados del orificio, asegurando el ensamble.

c) Los sujetadores roscados prisioneros son sujetadores con rosca que se han pre ensamblado de manera permanente a una de las piezas que se van a unir. Los procesos de ensamblado posibles incluyen la soldadura por fusión, la soldadura dura, el ajuste en prensa o el formado en frío.

d) Una arandela es un componente de equipo que se usa con frecuencia en los sujetadores roscados para asegurar la firmeza de la unión mecánica; en su forma más simple, es un anillo delgado plano de lámina metálica. Las arandelas tienen varias funciones: 1) Distribuir los esfuerzos que de otra forma se concentrarían en la cabeza del perno o tornillo y en la tuerca. 2) Dar apoyo para orificios con separaciones grandes en las piezas ensambladas. 3) Aumentar la tensión del resorte. 4) Proteger las superficies de las piezas. 5) Sellar la unión. 6) Resistir el aflojamiento inadvertido.

Esfuerzos y resistencias en las uniones con pernos

Los esfuerzos comunes que actúan sobre una unión atornillada pueden ser tanto de tensión como de corte. Una vez apretado, el perno se carga bajo tensión y las piezas se cargan en compresión. Además, las fuerzas pueden actuar en direcciones opuestas en las piezas, lo que produce un esfuerzo de corte en la sección transversal del perno. Por último, se aplican esfuerzos en las roscas a lo largo de la unión, con la tuerca en una dirección paralela al eje del perno. Estos esfuerzos de corte pueden hacer que se barran las roscas (esta falla también ocurre en las roscas internas de la tuerca).

La resistencia de un sujetador roscado generalmente se especifica mediante dos medidas:

1) la resistencia a la tensión, que tiene la definición tradicional.

2) la resistencia de prueba.

En general, la resistencia de prueba equivale a la resistencia permitida; en forma precisa, es la tensión máxima que permite un sujetador roscado externamente sin una deformación permanente.

El problema que puede surgir durante el ensamble es que los sujetadores roscados se aprieten en exceso, la falla puede ocurrir en alguna de las siguientes formas:

1) barrido de las roscas externas (por ejemplo, en el perno o en el tornillo).

2) barrido de las roscas internas (por ejemplo, en la tuerca).

3) ruptura del perno debido a un esfuerzo de tensión excesivo en su área de sección transversal.