Soldadura por forjado La soldadura por forjado tiene importancia histrica en el desarrollo de la tecnologa de manufactura. El proceso data de alrededor del ao 1000 a. C., cuando los herreros del mundo antiguo aprendieron a unir dos piezas de metal La soldadura por forjado es un proceso en el cual los componentes que se van a unir se calientan a una temperatura de trabajo y despus 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 inters histrico; sin embargo, actualmente posee una mnima importancia comercial excepto por algunas de sus variantes.

Soldadura en fro La soldadura en fro (CW, por sus siglas en ingls) es un proceso de soldadura en estado slido que se realiza aplicando alta presin 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 desengrasado y pulido de alambre exactamente antes de la unin. Tambin, al menos uno de los metales que se van a soldar, y de preferencia ambos, deben ser muy dctiles y libres de endurecimiento por trabajo. Los metales como el aluminio suave y el cobre pueden soldarse en fro con facilidad. Las fuerzas de compresin aplicadas en el proceso producen el trabajo en fro de las piezas metlicas y reducen el espesor hasta en 50%, pero tambin producen deformacin plstica localizada en las superficies de contacto, produciendo coalescencia. Para piezas pequeas, las fuerzas se aplican mediante herramientas sencillas operadas en forma manual. Para trabajo ms pesado se requieren prensas poderosas para ejercer la fuerza necesaria. En la CW no se aplica calor de fuentes externas, pero el proceso de deformacin eleva algo la temperatura del trabajo. La soldadura en fro puede utilizarse para unir piezas de trabajo pequeas fabricadas con metales suaves y dctiles. Las aplicaciones incluyen alambre como materia prima y conexiones elctricas.Durante la unin de dos metales dismiles que son mutuamente solubles, se pueden formar compuestos intermetlicos frgiles, que producirn una unin dbil y frgil. Un ejemplo se presenta en la unin del aluminio y el acero, donde se forma un compuesto intermetlico frgil en la interfaz. La mejor resistencia de una unin se obtiene con dos materiales similares.

CALIDAD DE LA SOLDADURA

El propsito de cualquier proceso de soldadura es unir dos o ms componentes en una sola estructura. Por lo tanto, la integridad fsica de la estructura formada depende de la calidad de la soldadura. El anlisis de la calidad de la soldadura se enfoca primordialmente en la soldadura con arco, el proceso ms difundido y para el cual el aspecto de la calidad es el ms importante y complejo.

Materiales soldables

Las generalizaciones son ms peligrosas para la soldadura que para otros procesos, pero se pueden formular algunas directrices. En las situaciones reales de produccin se debern consultar volmenes de referencia especializados, bases de datos computarizadas y normas de la industria.

Materiales ferrosos

Aceros ferrticos. Se sueldan fcilmente, pero la formacin de martensita es un riesgo en los aceros perlticos. En general, un incremento en la endurecibilidad significa que la martensita se forma una rapidez de enfriamiento crtica o menor; por lo tanto indica un aumento del riesgo de formacin de martensita y un decremento de la soldabilidad. La martensita no slo es dura y frgil, sino que su formacin procede con un incremento del volumen que impone esfuerzos adicionales en la estructura, reduciendo la resistencia de la soldadura. El precalentamiento y, si es posible, el postcalentamiento son necesarios cuando la formacin de martensita o de bainita son inevitables. Alternativamente, la estructura puede calentarse dentro del rango austentico, enfriarse por arriba de la temperatura Ms (Fig. 6-20) Y soldarse antes que comience la transformacin. Entonces, la estructura completa se enfra. Esa soldadura por pasos hace incluso a los aceros de herramienta receptivos a la soldadura. Se debe notar que los aceros de aleacin completamente tratados tcnicamente son soldables, pero la soldadura se debe enfriar rpidamente para obtener un martensita templada. Ya se mencion el riesgo de la fragilidad debida al hidrgeno. El azufre crea porosidad y fragilidad, y, aunque es posible la soldadura de los aceros resulfurados de maquinado libre, a menudo se prefiere soldarlos con latn.

Lminas recubiertas. La gran difusin del uso de lmina recubierta (principalmente galvanizada, pero tambin prelubricada) ha impuesto nuevos retos. En la soldadura por resistencia, el zinc se evapora, crea un plasma y origina erosin y porosidad, adems, la vida de los electrodos de cobre se reduce al alearse con el zinc. El espesor del recubrimiento no debe ser excesivo y las densidades calorficas se deben ajustar. Algunos procesos son inaplicables.

Aceros inoxidables. Estos aceros siempre contienen cromo, que forma una pelcula extremadamente densa de Cr2O3. Las condiciones de la soldadura se deben elegir para evitar su formacin. Asimismo, los aceros austenticos (que contienen tanto Cr como Ni) son soldables, aunque los carburos de cromo formados a altas temperaturas reducen el contenido de cromo disuelto por debajo del nivel necesario para la proteccin contra la corrosin, y la corrosin subsecuente (falla por descomposicin de la soldadura) representa un riesgo. Para evitar esto, el contenido de carbono debe ser muy bajo, o debe estabilizarse el acero (Ti, Mo o Nb agregado para formar carburos estables), o la estructura debe calentarse por arriba de 1 OOOC despus de la soldadura y luego enfriarse rpidamente para retener el carbono redisuelto y el cromo en solucin.Los aceros inoxidables que slo contienen cromo son ferrticos o martensticos en estructura. Los aceros ferrticos (ms de 1 6% de Cr) se pueden soldar, pero el grano grueso debilitar la unin. Los aceros martensticos forman martensita con una dureza que depende del contenido de carbono; el precalentamiento cuidadoso es seguido de unpostcalentamiento por arriba de 700C para transformar la martensita en ferrita dctil con precipitados embebidos de carburo de cromo.

Hierro fundido. La soldabilidad de los hierros fundido vara en gran medida, pero muchos de ellos se sueldan, especialmente mediante soldadura por arco.Frecuentemente se emplea un metal de aporte al alto nquel para estabilizar la forma graftica. El precalentamiento y el enfriamiento lento tambin son tiles. Al soldar hierro gris, la varilla de soldadura se enriquece con silicio y, para asegurar la formacin de grafito esferoidal, se le incorpora Mg para soldar hierro fundido nodular. El hierro maleable se revierte a hierro blanco frgil, reduciendo la tenacidad de la soldadura. Cuando la tenacidad es importante, la soldadura es tratada trmicamente o la unin se realiza con soldadura fuerte.

Materiales no ferrosos

Materiales de bajo punto de fusin.

El estao y el plomo se sueldan fcilmente, a condicin que la entrada de calor se mantenga suficientemente baja para evitar el sobrecalentamiento.El zinc, por otro lado, es uno de los materiales ms difciles de soldar, porque se oxida fcilmente y tambin se vaporiza a baja temperatura (a 906C). Se puede soldar por resistencia y por esprrago, aunque es ms comn soldarlo con soldadura blanda.

Aluminio y magnesio. Estos materiales comparten una variedad de caractersticas. La mayora de las aleaciones se sueldan fcilmente, particularmente con una envolvente de gas inerte. De otra manera, la pelcula de xido debe ser removida con un fundente poderoso, que a su vez puede requerir eliminarse despus de la soldadura para evitar la corrosin. La humedad (H20) se debe evitar, ya que reacciona y produce un xido e hidrgeno (que vuelve frgil la unin al causar porosidad).La alta conductividad trmica y el elevado calor especfico, aunque con un bajo punto de fusin de estas aleaciones, requieren de una entrada de calor y de precauciones adecuadas contra el sobrecalentamiento. El alto coeficiente de dilatacin trmica exige el precalentamiento de los materiales que son frgiles en caliente. Debido a las dificultades encontradas con los materiales endurecidos por precipitacin, las aleaciones a menudo son tratadas trmicamente despus de la soldadura o, si esto no es posible, se utiliza un material de aporte diferente (con frecuencia, Al-Si para aleaciones de aluminio).

Aleaciones con base de cobre. El cobre desoxidado se suelda de manera sencilla, especialmente si el material de aporte contiene fsforo para proporcionar una desoxidacin instantnea. El cobre bien refinado no se puede soldar porque su contenido de oxgeno (tpicamente 0. 1 5%) reacciona con el hidrgeno y con el CO para formar aguaY COz, respectivamente, que hacen frgil a la unin, al generar porosidad. Los latones se pueden soldar pero las prdidas de zinc son inevitables; por lo tanto, o el metal de aporte se enriquece en zinc, o se agrega Al o S i para formar un xido que reduzca la evaporacin. El bronce al estao tiene un rango de solidificacin muy amplio, as que es extremadamente frgil en caliente. El fsforo en la varilla de soldadura evita la oxidacin, en tanto que el postcalentamiento es necesario para disolver la fase intermetlica frgil no equilibrada. Los bronces al aluminio no representan problema, aunque el xido formado se debe desalojar, igual que con el aluminio puro.

Nquel. Este metal y sus aleaciones de solucin slida se sueldan fcilmente. Las superaleaciones de endurecimiento por precipitacin contienen Cr, Al, Al Y Ti, Y se debe desalojar contundente o evitar la formacin de xido. Todas las aleaciones de nquel son muy sensibles incluso a la cantidad ms pequea de azufre, que forma un eutctico de bajo punto de fusin y provoca agrietamiento por calor. Algunas aleaciones de endurecimiento por precipitacin tienen un rango de temperatura de baja ductilidad y tambin se pueden agrietar.

Titanio y zirconio. Las aleaciones tambin son soldables, pero una atmsfera inerte es esencial para evitar la oxidacin; por lo tanto, a menudo se encierran en cmaras de soldadura de atmsfera inerte o se sueldan con un haz de electrones.

Aleaciones de metal refractario. El W, el Mo y el Nb se pueden soldar, aunque la volatilidad de los xidos hace obligatorio el uso de tcnicas especiales (por ejemplo, soldadura por haz de electrones).

rea de contacto: EL rea de contacto, es el rea donde se unen dos superficies.

En frio EL Area de contacto Al tratar de unir dos superficies, el rea de contacto inicial es muy pequea debido a la orientacin al azar de cada grano de las dos superficies. Adicionalmente, cuando se trata de dos superficies metlicas, estas estn separadas por capas de xido. El contacto se logra inicialmente en los puntos ms altos.Al aplicar presin, por un lado el metal se deforma plsticamente y los xidos, que son frgiles, se fragmentan permitiendo el contacto metal-metal y por otro lado, el rea de contacto de los granos aumentar a medida que la presin ejercida sobre la superficie aumente. Si la presin es suficientemente grande, se deformarn las asperezas a travs de toda la superficie, hasta que las piezas entren en contacto ntimo total. Cuando esto ocurre se produce la soldadura teniendo esta zona una mayor resistencia que el metal original a consecuencia de la alta deformacin ocurrida en la misma. Se espera que el esfuerzo aplicado supere el esfuerzo de fluencia del material. Se recomiendan presiones mayores del 10% del sf.Las matrices usadas en este proceso deben ser diseadas de manera que la presin aplicada en el proceso ocasione que el metal deformado, el cual contiene las capas de xido, se desplace hacia afuera alejndose de la soldadura. Por lo tanto la presin aplicada debe superar el lmite de fluencia del material. Se dice que para lograr uniones satisfactorias es necesario aplicar deformaciones verdaderas mayores que uno (1) cuando se sueldan aluminio, cobre o hierro. Tambin es importante la realizacin de una limpieza adecuada de las superficies antes del inicio del proceso (desengrasado y limpieza con cepillo).Para mayor eficiencia de la soldadura en fro, es recomendable que al menos uno de los metales a soldar o ambos sean muy dctiles y libres de endurecimiento por deformacin. Se sabe que para lograr soldaduras satisfactorias, es necesario que el valor de deformacin en la direccin x (Fig. 1), ex (deformacin de compresin) sea considerable (~ 1). Esta deformacinPor Forja Area de contacto En el proceso de soldadura por forja, la soldadura se hace mediante la aplicacin de presin a una temperatura elevada, despus de que las superficies a unir han sido preparadas adecuadamente.

Con el aumento de temperatura se disminuye el lmite de fluencia del material, lo que se traduce en un aumento del rea de contacto metal-metal para una presin dada. La fusin del metal en la intercara no es necesaria para que se produzca la soldadura, en el caso de que esto ocurra, estar limitado a zonas muy pequeas.Calculo de deformaciones Deformaciones durante el proceso de soldadura. La deformacin en una soldadura se debe a la expansin no uniforme y a la contraccin tanto del metal base adyacente, como del metal de aporte durante el ciclo de calentamiento/enfriamiento. Durante dicho ciclo, muchos factores estn involucrados, tornndose complicado realizar predicciones exactas de las deformaciones.

Las Propiedades fsicas y mecnicas del metal en las cuales se basan los clculos, cambian al aumentar la temperatura. Por ejemplo, cuando la temperatura del rea de la soldadura aumenta, la Resistencia a la Fluencia, Mdulo de Elasticidad, y Conductividad Trmica del 3 material disminuyen, y el coeficiente de Expansin Trmica y el Calor Especifico aumentan (ver Figura 1). Estos cambios, a su vez, afectan el flujo de calor y uniformidad de distribucin de ste. As, estas variables hacen que un clculo preciso de lo que ocurre durante el calentamiento y enfriamiento sea complicado. An cuando el clculo sea simple, en la fase de diseo y en taller, es importante el entendimiento prctico de las causas de las deformaciones, los efectos de las contracciones en varios tipos de uniones soldadas, mtodos para controlar las contracciones y el uso de manera ventajosa de stas.

Causas de deformacin.

Para entender cmo y por qu las deformaciones ocurren durante el calentamiento y enfriamiento del metal, hay que considerar lo que ocurre con una barra de acero mostrada en la Figura 2. Cuando la barra est uniformemente calentada, se expande en todas direcciones, como en la Figura 2a. Cuando el metal se enfra a temperatura ambiente, se contrae uniformemente, retornando a sus dimensiones originales. Ahora bien, si la barra de acero es restringida, por ejemplo, en un tornillo de banco, mientras est caliente, como en la Figura 2b, la expansin lateral no puede presentarse. Como la expansin volumtrica debe ocurrir, la barra se expande en forma considerable en la direccin vertical. Como la barra deformada vuelve a la temperatura ambiente, se contraer en todas las direcciones, como en la Figura 2c. La barra es ahora angosta pero ms alta y est en un estado de permanentemente deformacin. Por simplificacin, las figuras muestran que las 4 deformaciones ocurren en un plano, pero en la realidad tambin se presentan longitudinalmente. En una unin soldada, las mismas fuerzas de expansin y contraccin actan sobre el metal soldado y el metal base. Cuando el metal soldado solidifica y se funde con el metal base, est en su mximo estado de expansin, ocupando el mximo volumen posible como slido. En el enfriamiento, trata de contraerse para alcanzar el volumen que normalmente ocupa a bajas temperaturas, pero es restringido por el metal base adyacente. Las tensiones desarrolladas en la soldadura, finalmente han alcanzado la fluencia del metal base. En este punto, la soldadura se estira, o fluye, ajustndose a los requerimientos de volumen a la temperatura ms baja. Pero slo aquellas tensiones que excedan la resistencia de fluencia del metal soldado son aliviadas con esta acomodacin. Cuando la soldadura alcanza una temperatura ambiente, asumiendo una restriccin completa del metal base, presenta internamente tensiones a la traccin aproximadamente igual a la resistencia de fluencia del metal. Si las restricciones (abrazaderas que sostienen la pieza de trabajo, o una fuerza de contraccin opuesta) son retiradas, las tensiones internas son aliviadas parcialmente, causando el movimiento del metal base, es decir, una deformacin.

EFICIENCIA DE LA SOLDADURA:

Es la relacin entre las capacidades de transmisin de cargas de la soldadura y del metal base respectivamente. Se expresa de la siguiente manera:

s,x = Fs,x/Fmb,x

donde:Fs,x : Capacidad de transmisin de carga de la soldadura (Kgs, Kgs/cm).

Fmb,x: Capacidad de transmisin de carga del metal base (Kgs, Kgs/cm).

x: Fluencia, carga mxima, fatiga, impacto, etc.

El valor de la eficiencia puede ser menor, igual o mayor a la unidad, indicando que la soldadura tiene menor, igual o mayor capacidad de transmitir cargas que el metal base, respectivamente. El diseo de soldaduras debe tender a producir uniones con eficiencias cercanas a la unidad. En la prctica se usan eficiencias en el rango de 0,9 a 1,1.

Cuando se habla de soldadura se refiere a la porcin de material que ha sido transformado durante el proceso. Cuando se habla de metal base, se refiere a la porcin del material que no sufre cambio alguno durante el proceso.