¿Cuáles son las diferencias entre la soldadura láser, la soldadura por haz de electrones, la soldadura ultrasónica, la soldadura por arco y otros métodos de soldadura tradicionales?
La soldadura es el proceso de fabricación o grabado de la unión de metales o termoplásticos. Durante el proceso de soldadura, la pieza de trabajo y la soldadura se funden para formar una zona fundida (charco fundido), que se enfría y solidifica para formar una conexión entre los materiales. En este proceso normalmente se requiere presión. La diferencia entre soldadura ordinaria, soldadura fuerte y soldadura es que la soldadura forma una conexión fundiendo soldadura con un punto de fusión más bajo (más bajo que el punto de fusión de la pieza de trabajo) sin calentar ni derretir la pieza de trabajo.
La energía de soldadura proviene de muchas fuentes, incluidas llamas de gas, arcos eléctricos, láseres, haces de electrones, fricción y ondas ultrasónicas. Además de su uso en fábricas, la soldadura se puede realizar en una variedad de entornos, como al aire libre, bajo el agua y en el espacio. No importa dónde esté, la soldadura puede representar peligros para el operador, por lo que se deben tomar las medidas de protección adecuadas durante el proceso de soldadura. La soldadura puede causar daños al cuerpo humano, incluidas quemaduras, descargas eléctricas, discapacidad visual, inhalación de gases tóxicos, exposición excesiva a los rayos ultravioleta, etc.
Antes de finales de 2019, el único proceso de soldadura era la soldadura por forja de metal que los herreros habían utilizado durante cientos de años. La primera tecnología de soldadura moderna apareció a finales del siglo XIX, primero la soldadura por arco y la soldadura con oxígeno, y más tarde la soldadura por resistencia. A principios del siglo XX, hubo una gran demanda de equipos militares durante la Primera y Segunda Guerra Mundial. En consecuencia, se valoró la tecnología de conexión metálica barata y confiable, lo que impulsó aún más el desarrollo de la tecnología de soldadura. Después de la guerra, aparecieron varias tecnologías de soldadura modernas, incluida la soldadura por arco manual más popular, así como tecnologías de soldadura automática o semiautomática, como la soldadura con protección de gas, la soldadura por arco sumergido, la soldadura por arco con núcleo fundente y la soldadura por electroescoria. En la segunda mitad del siglo XX, con el rápido desarrollo de la tecnología de soldadura, se desarrollaron la soldadura por láser y la soldadura por haz de electrones. Hoy en día, los robots de soldadura se utilizan ampliamente en la producción industrial. Los investigadores todavía están profundizando en la naturaleza de la soldadura y continúan desarrollando nuevos métodos de soldadura para mejorar aún más la calidad de la soldadura.
Soldadura por arco
La soldadura por arco utiliza una fuente de energía de soldadura para generar y mantener un arco entre el electrodo y el material de soldadura, derritiendo el metal en el punto de soldadura para formar un charco fundido. Pueden utilizar corriente continua o alterna y pueden utilizar electrodos consumibles o no consumibles. A veces se introduce algún gas inerte o semiinerte, es decir, gas protector, cerca del baño fundido y, a veces, se añaden materiales de reparación de soldadura.
El proceso de soldadura por arco consume una gran cantidad de energía eléctrica, que puede ser proporcionada por diversas fuentes de energía de soldadura. Las fuentes de alimentación para soldadura más comunes incluyen fuentes de alimentación de corriente constante y fuentes de alimentación de voltaje constante. En el proceso de soldadura por arco, el voltaje aplicado determina la longitud del arco y la corriente de entrada determina el calor de salida. La fuente de alimentación de corriente constante genera corriente constante y voltaje fluctuante, y se utiliza principalmente para soldadura manual, como soldadura por arco manual, soldadura por arco de tungsteno con gas, etc. Dado que la soldadura manual requiere que la corriente permanezca relativamente estable, en la operación real es difícil garantizar que la posición del electrodo permanezca sin cambios y la longitud del arco y el voltaje también cambiarán en consecuencia. Las fuentes de alimentación de voltaje constante generan voltaje constante y corriente fluctuante, por lo que a menudo se usan en procesos de soldadura automática, como soldadura por arco metálico con gas, soldadura por arco con núcleo fundente y soldadura por arco sumergido. Durante estos procesos de soldadura, la longitud del arco permanece constante porque cualquier fluctuación en la distancia entre el cabezal de soldadura y la pieza de trabajo se compensa con cambios en la corriente. Por ejemplo, si la distancia entre el cabezal de soldadura y la pieza de trabajo es demasiado corta, la corriente aumentará rápidamente, lo que provocará que la generación de calor en el punto de soldadura aumente bruscamente y el cabezal de soldadura se fundirá parcialmente hasta que la distancia se restablezca a la original. nivel.
El tipo de electricidad utilizada tiene un gran impacto en la soldadura. Los procesos de soldadura que consumen mucha energía, como la soldadura por arco manual y la soldadura por arco con protección de gas, suelen utilizar corriente continua y los electrodos se pueden conectar a los electrodos positivos o negativos. Al soldar, la pieza conectada al electrodo positivo tendrá más concentración de calor, por lo que cambiar la polaridad del electrodo afectará el rendimiento de la soldadura. Si la pieza de trabajo está conectada al electrodo positivo, la pieza de trabajo estará más caliente y la profundidad y la velocidad de soldadura aumentarán considerablemente. Por el contrario, si la pieza de trabajo está conectada al electrodo negativo, se realizará una soldadura poco profunda. Los procesos de soldadura de baja potencia, como la soldadura por arco de tungsteno con gas, se pueden conectar con conexiones de CC (utilizando cualquier método de unión) o de CA. Sin embargo, los electrodos utilizados en estos procesos de soldadura solo producen arcos y no proporcionan soldadura, por lo que cuando se usa corriente continua, la profundidad de soldadura es poco profunda cuando se conecta el electrodo positivo y se produce una soldadura más profunda cuando se conecta el electrodo negativo. La corriente alterna hace que la polaridad del electrodo cambie rápidamente, lo que producirá una soldadura de penetración media.
Una desventaja de usar corriente alterna es que el arco debe volver a encenderse cada vez que un voltaje cambiante pasa el punto cero de voltaje. Para resolver este problema, algunas fuentes de energía de soldadura especiales generan corriente alterna de onda cuadrada en lugar de la onda sinusoidal habitual para minimizar los efectos negativos de los cambios de voltaje a través del punto cero.
Soldadura por arco
La soldadura por arco metálico protegido (SMAW) es el proceso de soldadura más común. Se forma un arco aplicando alto voltaje entre el material de soldadura y el electrodo consumible. El núcleo de fundente de un electrodo recubierto suele estar hecho de acero y cubierto con una capa de fundente. Durante el proceso de soldadura, el fundente se quema para producir dióxido de carbono, que protege el área de soldadura de la oxidación y la contaminación. El núcleo del electrodo se utiliza directamente como material de relleno, no se requiere soldadura adicional.
Este proceso tiene una amplia gama de aplicaciones y el equipo necesario es relativamente barato, lo que lo hace muy adecuado para operaciones en campo y al aire libre. Los operadores pueden dominarlo con sólo un poco de formación. Los tiempos de soldadura son lentos porque los electrodos consumibles deben reemplazarse con frecuencia. Después de soldar, es necesario eliminar la escoria formada por el fundente. Además, esta técnica normalmente sólo se utiliza para soldar metales ferrosos. Soldar hierro fundido, níquel, aluminio, cobre y otros metales requiere electrodos especiales. A los operadores sin experiencia a menudo les resulta difícil dominar la soldadura en lugares específicos.
La soldadura por arco metálico con gas (GMAW), también conocida como soldadura con gas inerte de metal o soldadura MIG, es un proceso de soldadura semiautomático o automático. Utiliza una varilla de soldadura para alimentar continuamente alambre como electrodo y utiliza un gas mixto inerte o semiinerte para proteger la junta de soldadura. De forma similar a la soldadura por arco manual, el operador puede dominarla con un poco de formación. Dado que el suministro de alambre de soldadura es continuo, la velocidad de soldadura de GMAW es mayor que la de la soldadura por arco manual. Además, debido a que su arco es más pequeño que la soldadura por arco manual, la soldadura por arco MIG es más adecuada para soldar en posiciones especiales (como la soldadura por encima de la cabeza).
En comparación con la soldadura por arco manual, el equipo necesario para la soldadura por arco MIG es mucho más complejo y caro, y el proceso de instalación también es más complicado. Por lo tanto, la portabilidad y versatilidad de la soldadura por arco MIG no son buenas. Debido a que se debe utilizar gas protector, no es particularmente adecuado para operaciones al aire libre. La soldadura por arco MIG tiene una velocidad de soldadura más rápida y es muy adecuada para soldadura industrial a gran escala. El proceso funciona con una variedad de metales, incluidos metales ferrosos y no ferrosos.
Otra tecnología similar es la soldadura por arco con núcleo fundente (FCAW), que utiliza equipos similares al MIG pero utiliza un núcleo de acero cubierto con un material en polvo. Este tipo de alambre es más caro que las varillas sólidas estándar y produce humo y escoria al soldar, pero permite velocidades de soldadura más altas y una mayor profundidad de soldadura.
La soldadura por arco de tungsteno con gas (GTAW), o soldadura con gas inerte de tungsteno (TIG) (a veces erróneamente llamada soldadura por arco de helio), es un proceso de soldadura manual. Utiliza electrodos de tungsteno no consumibles, gas protector inerte o semiinerte y soldadura adicional. Este proceso tiene un arco estable y una alta calidad de soldadura, y es especialmente adecuado para soldar placas delgadas. Sin embargo, este proceso tiene altos requisitos para los operadores y la velocidad de soldadura es relativamente baja.
La soldadura por arco de tungsteno con gas es adecuada para casi todos los metales soldables y se utiliza más comúnmente para soldar acero inoxidable y metales ligeros. A menudo se utiliza para soldar productos que requieren una alta calidad de soldadura, como bicicletas, aviones, herramientas marinas, etc. De manera similar, la soldadura por arco de plasma (PAW) utiliza un electrodo de tungsteno y gas de plasma para crear un arco eléctrico. El arco de la soldadura por arco de plasma está más concentrado que la soldadura por arco de tungsteno con gas, lo que hace que el control lateral de la soldadura por arco de plasma sea particularmente importante. Por lo tanto, esta tecnología tiene mayores requisitos para los sistemas mecánicos. En comparación con la soldadura por arco de tungsteno con gas, este método tiene una corriente estable, una profundidad de soldadura más profunda y una velocidad de soldadura más rápida. Puede soldar casi todos los metales que se pueden soldar mediante soldadura por arco de tungsteno con gas. El único metal que no se puede soldar es el magnesio. La soldadura automática de acero inoxidable es una aplicación importante de la soldadura por arco de plasma. Otra forma de este proceso es el corte por plasma, que es adecuado para cortar acero.
La soldadura por arco sumergido es un proceso de soldadura eficiente. El arco de la soldadura por arco sumergido se genera dentro del fundente. Dado que el fundente bloquea la influencia de la atmósfera, la calidad de la soldadura mejora considerablemente. La escoria de la soldadura por arco sumergido a menudo se cae por sí sola sin limpiarla. La soldadura por arco sumergido utiliza un dispositivo automático de alimentación de alambre para lograr una soldadura automática y alcanzar velocidades de soldadura extremadamente altas. Debido a que el arco está oculto bajo el fundente y casi no produce humo, el entorno de trabajo de la soldadura por arco sumergido es mucho mejor que el de otros procesos de soldadura por arco.
Este proceso se utiliza comúnmente en la producción industrial, especialmente en la fabricación de productos grandes y recipientes a presión. Otros procesos de soldadura por arco incluyen la soldadura por hidrógeno atómico (AHW), la soldadura por arco de carbono (CAW), la soldadura por electroescoria (ESW), la soldadura eléctrica con gas (EGW) y la soldadura de pernos.
Soldadura de piezas metálicas con gases inflamables
El proceso de soldadura con gas más común es la soldadura por oxicombustible, también conocida como soldadura por llama de oxiacetileno. Es uno de los procesos de soldadura más antiguos y comunes, pero rara vez se ve en la producción industrial en los últimos años. Todavía se utiliza mucho en la fabricación y reparación de tuberías y también es adecuado para la fabricación de ciertos tipos de obras de arte en metal. La soldadura inflamable se puede utilizar no solo para soldar hierro o acero, sino también para soldar, soldar, calentar metal (para doblar), cortar con llama y más.
El equipo necesario para la soldadura con gas combustible es relativamente sencillo y económico. Normalmente, mediante la combustión mixta de oxígeno y acetileno se produce una llama con una temperatura de aproximadamente 365.438.000 grados Celsius. Dado que la llama está más dispersa que el arco, la velocidad de enfriamiento de la soldadura es más lenta durante la soldadura con gas combustible, lo que puede provocar una mayor tensión residual y deformación de la soldadura, pero esta característica simplifica la soldadura de acero de alta aleación. Una aplicación derivada se llama oxicorte, que consiste en cortar metal con una llama de gas [5]. Otros procesos de soldadura con gas incluyen la soldadura con aire-acetileno, la soldadura con oxígeno-hidrógeno y la soldadura con gas a presión, que se diferencian principalmente en el uso de diferentes gases combustibles. La soldadura con oxígeno a veces se utiliza para soldar con precisión artículos pequeños como joyas. La soldadura con gas también se puede utilizar para soldar plásticos. El aire caliente se utiliza generalmente para soldar plásticos y su temperatura de funcionamiento es mucho más baja que la de soldar metal.
Soldadura por electroescoria
El principio de la soldadura por resistencia es que cuando dos o más superficies metálicas entran en contacto, se producirá una resistencia de contacto en la superficie de contacto. Si una gran corriente (1.000-100.000 amperios) pasa a través de estos metales, de acuerdo con la ley de Joule, la pieza con una gran resistencia de contacto generará calor, lo que hará que el metal cerca del punto de contacto se derrita y forme un charco fundido. En general, la soldadura por resistencia es un proceso de soldadura eficiente y libre de contaminación, pero su aplicación está limitada por el costo del equipo.
Máquina de soldadura por puntos
La soldadura por puntos o soldadura por puntos por resistencia es un popular proceso de soldadura por resistencia que se utiliza para unir láminas metálicas laminadas, que pueden tener hasta 3 mm de espesor. Estos dos electrodos no solo mantiene la placa de metal en su lugar, pero también suministra una corriente fuerte a la placa de metal. Las ventajas de este método incluyen una alta eficiencia de utilización de energía, una pequeña deformación de la pieza de trabajo, una velocidad de soldadura rápida, una soldadura automática sencilla y sin necesidad de soldar. Debido a que la resistencia de la soldadura por puntos es significativamente menor, este proceso sólo es adecuado para la fabricación de determinados productos. Se utiliza ampliamente en la fabricación de automóviles. Hay miles de puntos de soldadura realizados por robots industriales en un automóvil normal. Se puede utilizar un proceso de soldadura especial de granallado para la soldadura por puntos de acero inoxidable.
Un proceso de soldadura similar a la soldadura por puntos, llamado soldadura por costura, utiliza electrodos para aplicar presión y corriente eléctrica para unir láminas de metal. La soldadura por costura utiliza un electrodo en forma de rodillo en lugar de un electrodo en forma de punta. El electrodo puede rodar para transportar la lámina de metal, lo que permite que la soldadura por costura haga soldaduras más largas. Este proceso se utilizaba para enlatar en el pasado, pero ahora rara vez se utiliza. Otros procesos de soldadura por resistencia incluyen soldadura por flash, soldadura por proyección y soldadura a tope.
Soldadura por haz de energía
La tecnología de soldadura por haz de energía incluye la soldadura por haz láser (LBW) y la soldadura por haz de electrones (EBW). Son una tecnología relativamente nueva y muy popular en la fabricación de alta tecnología. Los principios de los dos procesos son similares, siendo la diferencia más significativa sus fuentes de energía. Los métodos de soldadura por láser utilizan un rayo láser altamente concentrado, mientras que los métodos de soldadura por haz de electrones utilizan haces de electrones emitidos en una cámara de vacío. Debido a que la densidad de energía de ambos haces de energía es muy alta, la profundidad de penetración de la soldadura por haz de energía es muy grande y los puntos de soldadura son muy pequeños. Estos dos procesos de soldadura son muy rápidos, fáciles de automatizar y tienen una alta eficiencia de producción. Las principales desventajas son que el costo del equipo es extremadamente elevado (aunque los precios han ido bajando) y las soldaduras son propensas a agrietarse térmicamente. Una novedad en este campo es la soldadura híbrida láser, que combina las ventajas de la soldadura láser y la soldadura por arco para obtener soldaduras de mayor calidad.
Soldadura de estado sólido
Al igual que el primer proceso de soldadura, la soldadura por forja, algunos procesos de soldadura modernos no requieren la fusión del material para formar una conexión. La más popular es la soldadura ultrasónica, que une láminas y alambres de metal y termoplástico mediante la aplicación de ondas sonoras de alta frecuencia y presión. El equipo y los principios de la soldadura ultrasónica son similares a los de la soldadura por resistencia, pero la entrada no es corriente sino vibración de alta frecuencia.
Este proceso de soldadura no calienta el metal hasta que se derrite y depende de la vibración y presión horizontales para formar la soldadura. Al soldar plásticos, se debe aplicar vibración vertical a la temperatura de fusión. La soldadura ultrasónica se utiliza habitualmente para fabricar interfaces eléctricas de cobre o aluminio, y también se utiliza para soldar materiales compuestos.
Otro proceso común de soldadura de estado sólido es la soldadura por explosión, cuyo principio es unir materiales bajo la acción de una alta temperatura y alta presión producida por una explosión. El impacto de la explosión hace que el material se vuelva plástico por un corto tiempo, formando una junta de soldadura, y en el proceso solo se genera una pequeña cantidad de calor. Este proceso se utiliza a menudo para soldar materiales diferentes, como unir piezas de aluminio en cascos de barcos o paneles compuestos. Otros procesos de soldadura de estado sólido incluyen la soldadura por coextrusión, la soldadura en frío, la soldadura por difusión, la soldadura por fricción (incluida la soldadura por fricción y agitación), la soldadura de alta frecuencia, la soldadura por termocompresión, la soldadura por inducción y la soldadura por costura.
Tipos de juntas
Tipos de juntas soldadas comunes: (1) junta a tope en forma de I; (2) junta a tope en forma de V (3) junta traslapada; articulación conformada.
Las conexiones soldadas entre piezas de trabajo pueden tener diversas formas de unión. Los cinco tipos básicos de juntas son juntas a tope, juntas traslapadas, juntas de esquina, juntas de extremo y juntas en T. También existen algunas formas de unión derivadas de esto, como la unión a tope en forma de doble V, que se caracteriza por cortar los dos materiales a unir en esquinas afiladas en forma de V. También es común realizar uniones a tope en forma de U simple y en forma de U doble, cuyas uniones se mecanizan en formas de U curvadas. A diferencia de las juntas lineales en forma de V, las juntas traslapadas se pueden utilizar para unir más de dos materiales, según el proceso de soldadura y el espesor del material. Una junta traslapada puede soldar varias piezas de trabajo.
En general, algunos procesos de soldadura no pueden procesar ciertos tipos de uniones o apenas pueden procesarlas por completo. Por ejemplo, las juntas traslapadas se utilizan comúnmente en soldadura por puntos por resistencia, soldadura por láser y soldadura por haz de electrones. Sin embargo, algunos procesos de soldadura, como la soldadura por arco manual, pueden utilizar casi cualquier tipo de unión. Cabe mencionar que algunos procesos de soldadura permiten soldaduras múltiples: la costura soldada una vez soldada se enfría antes de soldar. De esta manera se pueden soldar piezas más gruesas con uniones a tope en forma de V.
En la sección transversal de una unión soldada, la parte más oscura es la zona de soldadura o zona de fusión, la parte más clara es la zona afectada por el calor y la parte más clara es el metal base.
Después de soldar, el material cercano a la soldadura muestra varias áreas diferenciadas. La costura de soldadura se llama zona de fusión, o más bien, el área que se llena con fundente después de la fusión. Las propiedades del material de la zona de fusión dependen principalmente del fundente utilizado y de la compatibilidad entre el fundente y el metal base. Alrededor de la zona de fusión se encuentra la zona afectada por el calor (HAZ), donde el material sufre cambios en la microestructura y las propiedades durante el proceso de soldadura, que dependen de las propiedades del metal base en el estado calentado. Las propiedades del metal en la zona afectada por el calor son a menudo inferiores a las del metal base y a las de la zona de fusión, y la tensión residual se distribuye en esta área [28].
[editar]Calidad de la soldadura
El principal indicador para medir la calidad de la soldadura es la resistencia de la unión soldada y de los materiales circundantes. Hay muchos factores que afectan la resistencia, incluido el proceso de soldadura, la forma de inyección de energía, el metal base, el material de relleno, el fundente, la forma del diseño de la junta y la interacción entre los factores anteriores. Normalmente, se utilizan pruebas destructivas o no destructivas para comprobar la calidad de las soldaduras. Los principales objetos de las pruebas son los defectos de las uniones soldadas, el grado de tensión y deformación residual y la naturaleza de la zona afectada por el calor. La inspección de soldadura tiene un conjunto de especificaciones y estándares para guiar a los operadores a adoptar procesos de soldadura apropiados y juzgar la calidad de la soldadura.
[Editar] Zona afectada por el calor
La parte azul de la imagen muestra la oxidación del metal causada por el proceso de soldadura a aproximadamente 600°C. Es muy preciso juzgar la temperatura de soldadura. por color, pero el área de color no representa el tamaño de la zona afectada por el calor. La verdadera zona afectada por el calor es en realidad un área muy estrecha alrededor de la soldadura.
Se puede calibrar el efecto del proceso de soldadura sobre las propiedades del metal cercano a la soldadura. Diferentes materiales de soldadura y procesos de soldadura formarán zonas afectadas por el calor de diferentes tamaños y características. El coeficiente de difusión térmica del metal base tiene una gran influencia en el rendimiento de la zona afectada por el calor: un coeficiente de difusión térmica mayor permite que el material se enfríe más rápido, formando una zona afectada por el calor relativamente más pequeña. Por el contrario, si el coeficiente de difusión térmica del material es pequeño y la disipación del calor es difícil, la zona afectada por el calor será relativamente grande. El aporte de calor del proceso de soldadura también tiene un impacto significativo en la zona afectada por el calor.
Por ejemplo, en la soldadura con oxiacetileno, se forma una gran zona afectada por el calor porque el calor no ingresa desde el centro. Sin embargo, procesos como la soldadura láser concentran la producción de calor limitada y crean una pequeña zona afectada por el calor. La zona afectada por el calor causada por la soldadura por arco se encuentra entre las dos situaciones extremas, y el nivel del operador a menudo determina el tamaño de la zona afectada por el calor [29][30].
La siguiente fórmula se puede utilizar para calcular el aporte de calor de la soldadura por arco:
q = \ left(\ frac { V \ times I \ times 60 } { S \ times 1000 } \ right) \ times \ mathit { Eficiencia }
Donde q es el aporte de calor (kJ/mm), v es el voltaje (v), I es la corriente (a) y s es el Velocidad de soldadura (mm/min). El valor de la eficiencia depende del proceso de soldadura utilizado: 0,75 para soldadura por arco manual, 0,9 para soldadura por arco metálico con gas y soldadura por arco sumergido, y 0,8 para soldadura por arco de tungsteno con gas [31].
[editar]Torsión y fractura
Debido a que los metales se calientan hasta su temperatura de fusión durante la soldadura, se encogen a medida que se enfrían. La contracción crea tensiones residuales que provocan deformaciones longitudinales y circunferenciales. La deformación puede hacer que el producto pierda el control de su forma. Para eliminar la deformación, a veces se introduce una cierta compensación durante el proceso de soldadura para compensar la deformación causada por el enfriamiento [32]. Otros métodos para limitar la deformación incluyen sujetar la pieza de trabajo, pero esto puede resultar en mayores tensiones residuales en la zona afectada por el calor. La tensión residual puede reducir las propiedades mecánicas del metal base y formar grietas en frío catastróficas. Muchos barcos Liberty construidos durante la Segunda Guerra Mundial sufrieron este problema[33][34]. Las grietas por frío sólo existen en materiales de acero y están relacionadas con la formación de martensita cuando el acero se enfría. Las fracturas ocurren principalmente en la zona afectada por el calor del metal base. Para reducir la deformación y la tensión residual, se debe controlar la entrada de calor de la soldadura y la soldadura en un solo material debe completarse de una vez y no puede realizarse varias veces.
Otros tipos de fisuras, como las fisuras térmicas y las fisuras de endurecimiento, pueden producirse en la zona de fusión de las soldaduras de todos los metales. Para reducir la aparición de grietas, no se debe aplicar fuerza externa al soldar metales y se debe utilizar un fundente adecuado [35].
[editar]Soldabilidad
La calidad de la soldadura también depende del metal base y del aporte utilizado. No todos los metales se pueden soldar y los diferentes materiales base requieren fundentes específicos.
[Editor]Acero
La soldabilidad de diferentes aceros es inversamente proporcional a sus propias propiedades de endurecimiento. Las propiedades de endurecimiento se refieren a la capacidad del acero para producir martensita durante el proceso de enfriamiento posterior. soldadura. Las propiedades de endurecimiento del acero dependen de su composición química. Si una pieza de acero contiene una alta proporción de carbono y otros elementos de aleación, su índice de templabilidad es alto, por lo que su soldabilidad es relativamente baja. Para comparar la soldabilidad de diferentes aceros aleados, se puede utilizar un método llamado contenido de carbono equivalente, que puede reflejar la soldabilidad de diferentes aceros aleados en relación con el acero al carbono ordinario. Por ejemplo, el cromo y el vanadio tienen un mayor impacto en la soldabilidad que el cobre y el níquel, mientras que los factores de impacto de los elementos de aleación anteriores son menores que los del carbono. Cuanto mayor sea el contenido de carbono equivalente del acero aleado, menor será su soldabilidad. Si se utilizan aceros normales al carbono y de baja aleación para lograr una mayor soldabilidad, la resistencia del producto será relativamente menor: existe un equilibrio sutil entre la soldabilidad y la resistencia del producto. Los aceros de alta resistencia y baja aleación desarrollados en la década de 1970 superaron el conflicto entre resistencia y soldabilidad. Estos aceros aleados poseen alta resistencia y buena soldabilidad, lo que los convierte en materiales ideales para aplicaciones de soldadura [36].
Debido a que el acero inoxidable contiene una alta proporción de cromo, el análisis de su soldabilidad es diferente al de otros aceros. La austenita en acero inoxidable tiene buena soldabilidad, pero la austenita es muy sensible a la torsión debido a su alto coeficiente de expansión térmica. Algunas aleaciones de acero inoxidable austenítico son susceptibles a fracturarse, lo que reduce su resistencia a la corrosión. Si la formación de ferrita no se controla cuidadosamente durante la soldadura, puede provocar fractura térmica. Para resolver este problema, se pueden usar puntas de electrodos adicionales para depositar metal de soldadura que contenga una pequeña cantidad de ferrita. El acero inoxidable ferrítico y el acero inoxidable martensítico tienen poca soldabilidad y deben precalentarse y soldarse con electrodos especiales [37].
[editar]Aluminio
La soldabilidad de las aleaciones de aluminio varía mucho en función de los elementos de aleación que contienen.
Las aleaciones de aluminio son muy sensibles a la fractura térmica, por lo que a menudo se sueldan con altas velocidades de soldadura y un bajo aporte de calor. El precalentamiento puede reducir el gradiente de temperatura en el área de soldadura, reduciendo así el agrietamiento en caliente. Sin embargo, el precalentamiento también reducirá las propiedades mecánicas del sustrato y no se podrá aplicar cuando el sustrato esté fijado. La aparición de fracturas térmicas se puede reducir utilizando formas de unión apropiadas y aleaciones de relleno compatibles. La superficie de la aleación de aluminio debe limpiarse antes de soldar para eliminar óxidos, aceite e impurezas sueltas. La limpieza de superficies es muy importante porque al soldar aleaciones de aluminio, demasiado hidrógeno provocará ampollas y demasiado oxígeno formará espuma [38].
[editar]Soldadura en ambientes extremos
Soldadura submarina
Además de trabajar en ambientes controlados como fábricas y talleres de reparación, algunos procesos de soldadura también pueden llevarse a cabo en diversos entornos, como al aire libre, bajo el agua y al vacío (como el espacio). La soldadura por arco manual se utiliza a menudo en trabajos al aire libre, como trabajos de construcción y reparación de edificios. Los procesos de soldadura que requieren gas de protección generalmente no se pueden realizar al aire libre porque el flujo desordenado de aire puede provocar fallas en la soldadura. La soldadura por arco manual también se puede utilizar para soldadura submarina, como soldadura de cascos de barcos, tuberías submarinas, plataformas marinas, etc. La soldadura por arco con núcleo fundente también se utiliza comúnmente para soldadura bajo el agua. La soldadura también es posible en el espacio: en 1969, los cosmonautas soviéticos probaron por primera vez la soldadura por arco manual, la soldadura por arco de plasma y la soldadura por haz de electrones en un entorno de vacío. En las décadas siguientes, la tecnología de soldadura espacial se desarrolló enormemente. Hoy en día, los investigadores todavía intentan transferir al vacío diferentes tecnologías de soldadura, como la soldadura por láser, la soldadura por resistencia y la soldadura por fricción. Estas tecnologías de soldadura jugaron un papel muy importante en la construcción de la Estación Espacial Internacional. Mediante la tecnología de soldadura al vacío, los submódulos de la estación espacial construidos en la Tierra se pueden ensamblar en el espacio [39].
[editar]Medidas de protección
Los soldadores usan cascos protectores, guantes y ropa protectora cuando realizan soldadura por arco.
Las operaciones de soldadura sin protección son muy peligrosas y perjudiciales para la salud. El riesgo de accidentes y muertes durante la soldadura se puede reducir significativamente mediante el uso de nuevas tecnologías y medidas de protección adecuadas. Las técnicas de soldadura más utilizadas suelen utilizar arco abierto o llama, lo que puede provocar quemaduras fácilmente. Los soldadores usan equipo de protección personal, como guantes de goma y chaquetas protectoras de manga larga, para evitar la exposición al calor y las llamas. Además, la fuerte luz en el área de soldadura puede provocar enfermedades como la oftalmía electroóptica, debido a que la gran cantidad de rayos ultravioleta generados durante la soldadura pueden irritar y dañar la córnea y la retina. Debe usar gafas o un casco protector para proteger sus ojos durante la soldadura por arco. Un nuevo tipo de casco protector desarrollado en los últimos años puede cambiar la transmitancia de luz de las gafas según la intensidad de los rayos ultravioleta incidentes. Para proteger a otras personas, además del soldador, que se encuentran cerca del lugar de soldadura, el lugar de trabajo de soldadura suele estar rodeado por una cortina protectora translúcida. Estas cortinas protectoras suelen ser cortinas de plástico hechas de PVC, que pueden proteger al personal no relacionado cercano de los rayos ultravioleta de alta intensidad generados por el arco, pero no pueden reemplazar completamente las gafas y los cascos [40].
Los soldadores también corren peligro debido a gases y salpicaduras peligrosos. Los procesos de soldadura, como la soldadura por arco con núcleo fundente y la soldadura por arco manual, producirán humo que contiene una variedad de óxidos, que pueden causar enfermedades ocupacionales como la fiebre por vapores metálicos. Las pequeñas partículas en los humos de soldadura también pueden afectar la salud de los trabajadores. Cuanto menor sea el tamaño de las partículas, mayor será el peligro. Además, muchos procesos de soldadura producen gases y vapores nocivos, como dióxido de carbono, ozono y óxidos de metales pesados. Estos gases son muy perjudiciales para los operadores sin experiencia y sin medidas de ventilación eficaces. También vale la pena señalar que muchos de los gases protectores y materias primas utilizadas en el proceso de soldadura son inflamables y explosivos, y es necesario tomar medidas de protección adecuadas, como controlar el contenido de oxígeno en el aire y apilar materiales inflamables y explosivos por separado. 41]. Los equipos de extracción de humos de soldadura se utilizan a menudo para disipar gases nocivos y se filtran a través de filtros de aire de alta eficiencia con particiones.
[Editor] Economía y Tendencias de Desarrollo
El coste económico de la soldadura es un factor importante que afecta a su aplicación industrial. Hay muchos factores que afectan los costos de soldadura, como los costos de equipo, mano de obra, materia prima y energía. El costo del equipo de soldadura varía mucho según los diferentes procesos. La soldadura por arco manual y la soldadura con gas combustible son relativamente bajas, mientras que la soldadura por láser y la soldadura por haz de electrones son relativamente altas. Debido al elevado coste de algunos procesos de soldadura, generalmente sólo se utilizan para fabricar piezas importantes.
El coste de equipamiento de los equipos de soldadura automáticos y de los robots de soldadura también es muy elevado, por lo que su uso es correspondientemente limitado. El costo de la mano de obra depende de la velocidad de soldadura, el salario por hora y el total de horas de mano de obra (incluidas la soldadura y el posprocesamiento). Los costos de materia prima incluyen el costo de compra de metal base, relleno de soldadura y gas protector. El coste energético depende del tiempo de funcionamiento del arco y de los requisitos energéticos de la soldadura.
Para la soldadura manual, los costos de mano de obra suelen representar una gran parte del costo total. Por lo tanto, la reducción de los costos de soldadura manual a menudo se centra en reducir el tiempo de las operaciones de soldadura. Los métodos efectivos incluyen aumentar la velocidad de soldadura y optimizar los parámetros de soldadura. La eliminación de escoria posterior a la soldadura también es una tarea que requiere mucho tiempo y mano de obra. Por lo tanto, reducir la escoria de soldadura puede mejorar la seguridad y la protección ambiental, reducir costos y mejorar la calidad de la soldadura [42]. La mecanización y la automatización también pueden reducir eficazmente los costos laborales, pero, por otro lado, aumentan los costos de los equipos y requieren tiempo adicional para la instalación y depuración de los equipos. Cuando los productos tienen necesidades especiales, los costos de las materias primas suelen aumentar. El coste de la energía no suele ser importante, ya que normalmente representa sólo un pequeño porcentaje del coste total [43].
En los últimos años, para reducir el costo laboral de la soldadura de productos de alta gama, los equipos de soldadura automatizados se han utilizado ampliamente en la soldadura por puntos de resistencia y la soldadura por arco en la producción industrial (especialmente en la industria automotriz). Los robots de soldadura pueden completar eficazmente la soldadura, especialmente la soldadura por puntos. Con el desarrollo de la tecnología, los robots de soldadura también se utilizan en la soldadura por arco. Las áreas de desarrollo más modernas de la tecnología de soldadura incluyen: soldadura entre materiales diferentes (como uniones soldadas de piezas de hierro y aluminio), nuevas tecnologías de soldadura, como soldadura por fricción y agitación, soldadura por impulsos magnéticos, soldadura de costura térmica conductiva, soldadura híbrida por láser, etc. Otras investigaciones se centran en ampliar la gama de aplicaciones de las tecnologías de soldadura existentes, como la soldadura láser en las industrias aeroespacial y automotriz. Los investigadores también esperan mejorar aún más la calidad de la soldadura, especialmente controlando la microestructura y la tensión residual de la soldadura para reducir la deformación y la fractura de la soldadura.