Soldadura

A soldadura e un proceso de fabricación onde realizase a unión de dous materiais, (xeralmente metais o termoplásticos), usualmente logrados a través da coalescencia (fusión), na que as pezas son soldadas fundindo ambas e podendo agregar un material de recheo fundido (metal ou plástico), para conseguir un baño de material fundido (o baño de soldadura) que, o enfriarse, conviertese nunha unión fixa. As veces a presión e empregada conxuntamente ca calor, ou por sí mesma, para producir a soldadura. Esto está en contraste con a soldadura branda (en inglés soldering) e a soldadura forte (en inglés brazing), que implican o derretimento dun material de baixo punto de fusión entre as pezas de traballo para formar un enlace entre eles, sin fundir as pezas de traballo. Moitas fontes de enerxía diferentes poden empregarse para a soldadura, incluindo unha chama de gas, un arco eléctrico, un láser, un raio de electróns, procesos de fricción ou ultrasonido. A enerxía necesaria para formar a unión entre duas pezas de metal xeralmente proven dun arco eléctrico. A enerxía para a soldaduras de fusión ou termoplásticos xeralmente proven do contacto directo con unha ferramenta ou cun gas quente. Mentras frecuentemente é un proceso industrial, a soldadura pode ser feita en moitos ambientes diferentes, incluindo o aire libre, debaixo da auga e no espazo. Sin importar a localización, sen embargo, a soldadura sigue sendo perigosa, e debense tomar precaucions para evitar queimaduras, descargas eléctricas, fumes venenosos, e a sobreexposición a luz ultravioleta. Ata o final do seculo XIX, o único proceso de soldadura era a soldadura de fragua, que os ferreiros empregaron durante seculos para xuntar metais quentándos e golpeándos. A soldadura por arco e a soldadura a gas estaban entre os primeiros procesos en desenvolverse tardíamente no seculo, seguindo pouco despois a soldadura por resistencia. A tecnoloxía da soldadura avanzou rápidamente durante o principio do seculo XX mentras que a Primeira Guerra Mundial e a Segunda Guerra Mundial conduciron a demanda de métodos de xunta confiables e baratos. Despois das guerras, foron desenvoltas varias técnicas modernas de soldadura, incluindo métodos manuais como a Soldadura manual do metal por arco, agora un dos máis populares métodos de soldadura, así coma procesos semiautomáticos e automáticos tales como Soldadura GMAW, soldadura de arco sumerxido, soldadura de arco con núcleo de fundente e soldadura por electroescoria. Os progresos continuaron coa invención da soldadura por raio láser e a soldadura con raio de electrons a mediados do seculo XX. Hoxe en día, a ciencia continúa avanzando. A soldadura robotizada está chegando a ser máis corrente nas instalacions industriais, e os investigadores continúan desnvolvendo novos métodos de soldadura e ganando maior comprensión da calidade e as propiedades da soldadura. Dicese que é un sistema porque interveñen os elementos propios deste, e decir, as 5 M: man de obra, materiais, máquinas, medio ambiente e medios escritos (procedimentos). A unión satisfactoria implica que debe pasar as probas mecánicas (tensión e doblez). As técnicas son os diferentes procesos (SMAW, SAW, GTAW, etc.) empregados para a situación máis convinte e favorable, o que fai que sexa o máis económico, sin deixar de lado a seguridade. Índice 1 Historia 2 Procesos de soldadura 2.1 Soldadura eléctrica 2.2 Soldadura por arco 2.3 Soldeo brando e forte 2.3.1 Fontes de enerxía 2.3.2 Procesos 2.4 Soldadura a gas 2.5 Soldadura por resistencia 2.6 Soldadura por raio de enerxía 2.7 Soldadura de estado sólido 3 Xeometría 4 Calidade 4.1 Zona afectada térmicamente 4.2 Distorsión e agretamento 4.3 Soldabilidade 4.3.1 Aceiros 4.3.2 Aluminio 5 Condiciones inusuais 6 Seguridade 7 Custos e tendencias 8 Especificacions de soldadura 9 Véxase tamén 10 Referencias 11 Bibliografía 12 Enlaces externos

Historia

O Pilar de ferro de Delhi.

A historia da unión de metais remontase a varios milenios, cos primeros exemplos de soldadura dende a idade de bronce ata idade de ferro en Europa e no Oriente Medio. A soldadura foi empregada na construcción do Pilar de ferro de Delhi, na India, erixido preto do ano 310 e cun peso de 5.4 toneladas.1 A Idade Media trouxo avances na soldadura de fragua, na que os ferreiros repetidamente golpeaban e quentaban o metal ata que producia a unión. En 1540, Vannoccio Biringuccio publicóu a De la pirotechnia, que inclue descripcions das operación de forxado. Os artesanos do Renacemento eran habilidosos no proceso, e a industria continuó crecendo durante os seculos seguintes.2 Sin embargo, a soldadura foi transformada durante o seculo XIX. En 1800, Sir Humphre Dave descubriu o arco eléctrico, e os avances na soldadura por arco continuaron coas invencions dos electrodos de metal polo ruso, Nikolai Slavyanov, é un americano, C. L. Coffin a finais dos anos 1800, incluso como a soldadura por arco de carbón, que usaba un electrodo de carbón, ganóu popularidade. Arredor de 1900, A. P. Strohmenger lanzóu un electrodo de metal recuberto en Gran Bretaña, que deu un arco máis estable, e en 1919, a soldadura de corrente alterna foi inventada por C. J. Holslag.3 A soldadura por resistencia tamén foi desenvolta durante as décadas finais do seculo XIX, coas primeiras patentes de Elihu Thomson en 1885, quen produxo posteriores avances durante os seguintes 15 anos. A soldadura de aluminotérmica foi inventada en 1893, e arredor dese tempo, estableciuse outro proceso, a soldadura a gas. O acetileno foi descuberto en 1836 por Edmund Davy, pero o seu emprego na soldadura no foi práctico ata cerca de 1900, cando foi desenvolto un soplete convinte.4 O principio, a soldadura de gas foi un dos máis populares métodos de soldadura debido a sua portabilidade e custo relativamente baixo. Sin embargo, a medida que progresaba o seculo 20, baixou as preferencias para as aplicacións industriais. En gran parte foi sustituida pola soldadura de arco, na medida que continuaron sendo desenvoltas as cubertas de metal para o electrodo (conocidas como fundente), que estabilizan o arco e protexen o material base das impurezas.5 A Primeira Guerra Mundial causóu un repunte importante no emprego dos procesos de soldadura, coas diferentes forzas militares procurando determinar cales dos varios procesos novos de soldadura serían os mellores. Os británicos empregaron primariamente a soldadura por arco, incluso construindo unha nave, o Fulagar, cun casco enteiramente soldado. Os estadounidenses eran máis vacilantes, pero comenzaron a recoñecer os beneficios da soldadura de arco cando o proceso permitiulles reparar rápidamente as naves despois dos ataques alemans no puerto de Nova Iorque o principio da guerra. Tamén a soldadura de arco foi aplicada primeiro nos avions durante a guerra, pois alguns fuselaxes dos aeroplans alemans foron construidos empregando o proceso.6 Durante os anos 1920, importantes avances foron feitos na tecnoloxía da soldadura, incluindo a introducción da soldadura automática en 1920, na que o arame do electrodo era alimentado continuamente. O gas de protección convirtiuse en un tema recibindo moita atención, mentras que os científicos procuraban protexer as soldaduras contra os efectos do oxíxeno e o nitróxeno da atmósfera. A porosidade e a fraxilidade eran os problemas primarios, e as solucions que desenvolveron incluiron o uso do hidróxeno, argón, e helio como atmósferas da soldadura.7 Durante a seguinte década, posteriores avances permitiron a soldadura de metais reactivos como o aluminio e o magnesio. Esto, conxuntamente con desenvolvemento da soldadura automática, a corrente alterna, e os fundentes alimentaron unha importante extensión da soldadura de arco durante os anos 1930 e durante a Segunda Guerra Mundial.8 A mediados do seculo XX, foron inventados moitos métodos novos de soldadura. 1930 viu o lanzamento da soldadura de perno, que pronto chegóu a ser popular na fabricación de naves e a construcción. A soldadura de arco sumerxido foi inventada o mesmo ano, e continúa sendo popular hoxe en día. En 1941, despois de décadas de desenvolvemento, a soldadura de arco de gas tungsteno foi finalmente perfeccionada, seguida en 1948 pola soldadura por arco metálico con gas, permitindo a soldadura rápida de materiais non ferrosos pero requirindo custosos gases de protección. A soldadura de arco metálico protexido foi desenvolta durante os anos 50, empregando un fundente de electrodo consumible cuberto, e convirtiuse rápidamente no máis popular proceso de soldadura de arco metálico. En 1957, debutóu o proceso de soldadura por arco con núcleo fundente, no que o electrodo de arame auto protexido podía ser empregado cun equipo automático, obtendo altas velocidades de soldadura, e ése mismo ano foi inventada a soldadura de arco de plasma. A soldadura por electroescoria foi introducida en 1958, e foi seguida en 1961 pola soldadura por electrogas.9 Outros desenvolventos recientes na soldadura incluen en 1958 o importante logro da soldadura con raio de electrons, facendo posible a soldadura profunda e estreita por medio da fonte da calor concentrada. Seguindo a invención do láser en 1960, a soldadura por raio láser debutó varias décadas máis tarde, e demostrouse ser especialmente útil na soldadura automatizada de alta velocidade. Sin embargo, ambos procesos continúan sendo altamente custosos debido o alto prezo do equipo necesario, e esto limitou as aplicacions.10

Procesos de soldadura Soldadura eléctrica Emprego da electricidade como fonte de enerxía para a unión metálica. Soldadura por arco Estos procesos empregan unha fonte de alimentación de soldadura para crear e mantener un arco eléctrico entre o electrodo e o material base para derretir os metais no punto da soldadura. Poden empregar tanto corrente continua (DC) como alterna (AC), e electrodos consumibles ou non consumibles que están cubertos por un material chamado revestimento. A veces, a rexión da soldadura e protexida por un certo tipo de gas inerte ou semi inerte, conocido como gas de protección, e o material de recheo a veces e empregado tamén.

Soldeo brando e forte O soldeo brando e forte e un proceso no que non se produce a fusión dos metais base, so únicamente do metal de aportación. sendo o primer proceso de soldeo empregado polo home, xa na antigua Sumeria. • O soldeo brando se da a temperaturas inferiores a 450 ºC. • O soldeo forte se da a temperaturas superiores a 450 ºC. • O soldeo forte a altas temperaturas se da a temperaturas superiores a 900ºC.

Fontes de enerxía Para prover a enerxía eléctrica necesaria para os procesos da soldadura de arco, poden ser empregadas un número diferentes de fontes de alimentación. A clasificación máis común son as fontes de alimentación de corrente constante e as fontes de alimentación de voltaxe constante. Na soldadura de arco, a lonxitude do arco está directamente relacionada con o voltaxe, e a cantidade de entrada de calor está relacionada coa corrente. as fontes de alimentación de corrente constante son empregadas con máis frecuencia para os procesos manuais de soldadura tales como a soldadura de arco de gas tungsteno e soldadura de arco metálico protexido, porque elas manteñen unha corrente constante incluso mentras o voltaxe varía. Esto e importante na soldadura manual, e que pode ser difícil sostener o electrodo perfectamente estable, e como resultado, a lonxitude do arco e o voltaxe tende a fluctuar. As fontes de alimentación de voltaxe constante manteñen o voltaxe constante e varían a corrente, e como resultado son empregadas máis a miudo para os procesos de soldadura automatizados tales como a soldadura de arco metálico con gas, soldadura por arco de núcleo fundente, e a soldadura de arco sumerxido. Nestos procesos, a lonxitude do arco é mantida constante, posto que calquer fluctuación na distancia entre material base e rápidamente rectificado por un cambio grande na corrente. Por exemplo, si o arame e o material base se acercan demasiado, a corrente aumentará rápidamente, o que a sua vez causa que aumente a calor e a extremidade do arame fundase, volvéndo a sua distancia de separación orixinal.11 O tipo de corrente empregado na soldadura de arco tamén xoga un papel importante. Os electrodos de proceso consumibles como os da soldadura de arco de metal protexido e a soldadura de arco metálico con gas xeralmente empregan corrente directa, pero o electrodo pode ser cargado positiva o negativamente. Na soldadura, o ánodo cargado positivamente terá unha concentración maior da calor, e como resultado, cambiar a polaridade do electrodo ten un impacto nas propiedades da soldadura. Si o electrodo e cargado negativamente, o metal base estará máis quente, incrementando a penetración e a velocidade da soldadura. Alternativamente, un electrodo positivamente cargado resulta en soldaduras máis superficiais.12 Os procesos de electrodo no consumibles, tales como a soldadura de arco de gas tungsteno, poden empregar calqueira tipo de corrente directa, así como tamén corrente alterna. Sin embargo, coa corrente directa, debido a que o electrodo so crea o arco e non proporciona o material de recheo, un electrodo positivamente cargado causa soldaduras superficiais, mentras que un electrodo negativamente cargado fai soldaduras máis profundas.13 A corrente alterna movese rápidamente entre estas duas, dando por resultado as soldaduras de mediana penetración. unha desventaxa da CA, o feito de que o arco debe ser reencendido despois de cada paso por cero, tratouse coa invención de equipos especiais que producen un patrón cadrado de onda en vez do patrón normal da onda seno, facendo posibles pasos a cero rápidos e minimizando os efectos do problema.14

Procesos

Soldadura por arco de metal protexido.

Un dos tipos máis comúns da soldadura de arco e a soldadura manual con electrodo revestido (SMAW, Shielded Metal Arc Welding), que tamén e coñecida como soldadura manual de arco metálico (MMA) ou soldadura de electrodo. A corrente eléctrica empregase para crear un arco entre o material base e a varilla de electrodo consumible, que e de aceiro e está cuberto con un fundente que protege a área da soldadura contra a oxidación e a contaminación por medio da producción do gas CO2 durante o proceso da soldadura. O núcleo en sí mesmo do electrodo actúa como material de recheo, facendo innecesario un material de recheo adicional. O proceso é versátil e pode realizarse con un equipo relativamente barato, facéndo axeitado para traballos de taller e traballo de campo.15 Un operador pode facerse razonablemente competente con unha modesta practica e entrenamento e pode acadar a maestría con experiencia. Os tempos de soldadura son algo lentos, posto que os electrodos consumibles deben ser sustituidos con frecuencia e porque a escoria, o residuo do fundente, debe ser retirada despois de soldar.16 Ademáis, o proceso e xeralmente limitado a materiais de soldadura ferrosos, electrodos especializados fan posible a soldadura do ferro fundido, níquel, aluminio, cobre, aceiro inoxidable e doutros metais. A soldadura de arco metálico con gas (GMAW), tamén coñecida como soldadura de metal e gas inerte o por seu sigla en inglés MIG (Metal inert gas), e un proceso semiautomático ou automático que emprega unha alimentación continua de arame como electrodo e unha mezcla de gas inerte o semi-inerte para protexer a soldadura contra a contaminación. Como con a SMAW, a habilidade razoable do operador pode ser acadada con entrenamiento modesto. Posto que o electrodo e continuo, as velocidades de soldado son maiores para a GMAW que para a SMAW. Tamén, o tamaño máis pequeno do arco, comparando os procesos de soldadura de arco metálico protexido, fan máis fácil facer as soldaduras fora da posición (exemplo, empalmes en alto, como sería soldando por debaixo dunha estructura). O equipo requerido para realizar o proceso de GMAW e máis complexo e custoso que o requerido para a SMAW, e require un procedimento máis complexo de disposición. Polo tanto, a GMAW e menos portable e versátil, e debido o uso dun gas de protección separado, non é particularmente axeitada para o traballo o aire libre. Sin embargo, debido a velocidade media máis alta na que as soldaduras poden ser rematadas, a GMAW é axeitada para a soldadura de producción. O proceso pode ser aplicado a unha ampla variedade de metais, tanto ferrosos como non ferrosos.17 Un proceso relacionado, a soldadura de arco de núcleo fundente (FCAW), emprega un equipo similar pero utiliza un arame que consiste en un electrodo de aceiro rodeando un material de recheo en polvo. Este arame nucleado e máis custosos que o arame sólido estándar e pode xenerar fumes e/ou escoria, pero permite incluso unha velocidade máis alta de soldadura e maior penetración do metal.18 A soldadura de arco, tungsteno e gas (GTAW), ou a soldadura de tungsteno e gas inerte (TIG) (tamén as veces chamada erroneamente como soldadura heliarc), e un proceso manual de soldadura que emprega un electrodo de tungsteno non consumible, unha mezcla de gas inerte o semi-inerte, e un material de recheo separado. Especialmente útil para soldar materiais finos, este método e caracterizado por un arco estable e unha soldadura de alta calidade, pero require unha significativa habilidade do operador e soamente pode ser lograda en velocidades relativamente baixas. A GTAW pode ser empregada en casi todos os metais soldables, ainda e aplicada máis a miudo a metais de aceiro inoxidable e lixeiros. Con frecuencia e empregada cando son extremadamente importantes as soldaduras de calidade, por exemplos en bicicletas, avions e aplicacións navais.19 Un proceso relacionado, a soldadura de arco de plasma, tamén emprega un electrodo de tungsteno pero emprega un gas de plasma para facer o arco. O arco e máis concentrado que o arco da GTAW, facendo o control transversal máis crítico e así xeralmente restrinxindo a técnica a un proceso mecanizado. Debido a sua corrente estable, o método pode ser empregado nunha gama máis ampla de materiais grosos que o proceso GTAW, e ademáis, e moito máis rápido. pode ser aplicado os mesmos materiais que a GTAW excepto o magnesio, a soldadura automatizada do aceiro inoxidable e unha aplicación importante do proceso. unha variación do proceso e o corte por plasma, un eficiente proceso de corte de aceiro.20 A soldadura de arco sumerxido (SAW) e un método de soldadura de alta productividade no que o arco pulsase baixo unha capa de cuberta de fluxo. Esto aumenta a calidade do arco, posto que os contaminantes na atmósfera son bloqueados polo fluxo. A escoria que forma a soldadura xeralmente sae por sí mesma, e combinada con o uso dunha alimentación de arame continua, a velocidade de deposición da soldadura e alta. As condicions de traballo están moi melloradas sobre outros procesos de soldadura de arco, posto que o fluxo oculta o arco e casi no se produce ningún fume. O proceso e empregado comúnmente na industria, especialmente para productos grandes e na fabricación dos recipientes de presión soldados.21 Outros procesos de soldadura de arco inclue a soldadura de hidróxeno atómico, a soldadura de arco de carbono, a soldadura de electroescoria, a soldadura por electrogas, e a soldadura de arco de perno. Soldadura por resistencia. A soldadura por puntos e un popular método de soldadura por resistencia empregado para xuntar follas de metal solapadas de ata 3 mm. de groso. Dous electrodos son empregados simultáneamente para suxetar as follas de metal xuntas e para pasar corrente a través das follas. As ventaxas do método incluen o uso eficiente da enerxía, limitada deformación da peza de traballo, altas velocidades de producción, fácil automatización, e o non requerimiento de materiais de recheo. A forza da soldadura e perceptibelmente máis baixa que con outros métodos de soldadura, facendo o proceso soamente convinte para certas aplicacións . E empregada extensivamente na industria de automóviles - Os coches poden ter varios miles de puntos soldados feitos por robots industriais. Un proceso especializado, chamado soldadura de choque, pode ser empregada para os puntos de soldadura do aceiro inoxidable. Os métodos de soldadura por raio de enerxía, chamados soldadura por raio láser e soldadura con raio de electrons, son procesos relativamente novos que chegaron a ser absolutamente populares en aplicacións de alta producción. Os dous procesos son moi similares, diferenciándose máis notablemente na sua fonte de enerxía. A soldadura de raio láser emprega un raio láser altamente enfocado, mentras que a soldadura de raio de electrons e feita nun vacío e emprega un feixe de electrons. Ambas teñen unha moi alta densidad de enerxía, facendo posible a penetración de soldadura profunda e minimizando o tamaño do área da soldadura. Ambos procesos son extremadamente rápidos, e son fáciles de automatizar, facéndos altamente productivos. As desventaxas primarias son moi altos custos de equipo (ainda éstos están disminuindo) e unha susceptibilidade o agretamento. Os desarrollos nesta área incluen a soldadura de láser híbrido, que emprega os principios da soldadura de raio láser e da soldadura de arco para incluso mellores propiedades da soldadura. Soldadura a gas

Soldadura a gas dunha armadura de aceiro empregando o proceso de oxiacetileno.

O proceso máis común de soldadura a gas ea soldadura oxiacetilénica, tamén coñecida como soldadura autóxena o soldadura oxi-combustible. E un dos máis vellos e máis versátiles procesos de soldadura, pero nos anos recientes chegou a ser menos popular en aplicacións industriais. Todavía e empregada extensamente para soldar tuberías e tubos, como tamén para traballos de reparación. O equipo erelativamente barato e simple, xeralmente empregando a combustión do acetileno en oxíxeno para producir unha temperatura da chama de soldadura de preto de 3100 °C. Posto que a chama e menos concentrada que nun arco eléctrico, causa un enfriamento máis lento da soldadura, que pode conducir a maiores tensions residuais e distorsión de soldadura, ainda facilita a soldadura de aceiros de alta aleación. Un proceso similar, xeralmente chamado corte de oxicombustible, e empregado para cortar os metais.5 Outros métodos da soldadura a gas, tales como soldadura de acetileno e aire, soldadura de hidrógeno e oxíxeno, e soldadura de gas a presión son moi similares, xeralmente diferenciándose solamente no tipo de gases empregado. Unha antorcha de auga a veces eempregada para a soldadura de precisión de artículos como joeería. A soldadura a gas tamén eempregada na soldadura de plástico, ainda a sustancia calentada eoaire, e as temperaturas son mucho máis bajas. Soldadura por resistencia A soldadura por resistencia implica a xeneración de calor pasando corrente a través da resistencia caempregada polocontacto entre dos o máis superficies de metal. Se forman pequeños charcos de metal fundido no área de soldadura a medida que a elevada corrente (1.000 a 100.000 A) pasa a través do metal. En xeral, os métodos da soldadura por resistencia son eficientes e caempregan poca contaminación, pero sus aplicacións son algo limitadas e ocusto do equipo pode ser alto.

Soldador de punto.

A soldadura por puntos eun popular método de soldadura por resistencia empregado para xuntar follas de metal solapadas de ata 3 mm de groso. Dos electrodos son empregados simultáneamente para sujetar as follas de metal xuntas e para pasar corrente a través das follas. as ventajas do método inclueno uso eficiente da enerxía, limitada deformación da peza de traballo, altas velocidades de producción, fácil automatización, e ono requerimiento de materiais de recheo. A forza da soldadura eperceptiblemente máis baja que con outros métodos de soldadura, facendo o proceso soamente convinte para certas aplicacións . eempregada extensivamente na industria de automóviles -- Os coches ordinarios podeter varios miles de puntos soldados feitos por robots industriais. Un proceso especializado, chamado soldadura de choque, pode ser empregada para os puntos de soldadura do aceiro inoxidable. Como a soldadura de punto, a soldadura de costura confía en dos electrodos para aplicar a presión e a corrente para xuntar follas de metal. Sin embargo, en vez de electrodos de punto, os electrodos con forma de rueda, ruedan a lo largo e a miudo alimentan a peza de traballo, facendo posible as soldaduras continuas largas. No pasado, este proceso foi empregado na fabricación de latas de bebidas, pero ahora sus usos son máis limitados. Outros métodos de soldadura por resistencia incluena soldadura de destello, a soldadura de proeección, e a soldadura de volcado.22

Soldadura por raio de enerxía Os métodos de soldadura por raio de enerxía, chamados soldadura por raio láser e soldadura con raio de electrons, son procesos relativamente novos que chegaron a ser absolutamente populares en aplicacións de alta producción. Os dous procesos son moi similares, diferenciándose máis notablemente na sua fonte de enerxía. A soldadura de raio láser emprega un raio láser altamente enfocado, mentras que a soldadura de raio de electrons e feita no vacío e emprega un feixe de electrons. Ambas teñen unha moi alta densidade de enerxía, facendo posible a penetración de soldadura profunda e minimizando o tamaño da área da soldadura. Ambos procesos son extremadamente rápidos, e son sinxelos de automatizar, facendos altamente productivos. As desventaxas primarias son o moi altos custos de equipo (ainda que éstos están disminuindo) e unha susceptibilidade o agretamento. Os desenvolvemento nesta área incluen a soldadura de láser híbrido, que emprega os principios da soldadura de raio láser e da soldadura de arco para incluso mellorar as propiedades da soldadura.23

Soldadura de estado sólido Como o primeiro proceso de soldadura, a soldadura de fragua, alguns métodos modernos de soldadura non implican derretimento dos materiais que son xuntados. Uno dos máis populares, a soldadura ultrasónica, e empregada para conectar follas ou arames finos feitos de metal ou termoplásticos, facendos vibrar en alta frecuencia e baixo alta presión. O equipo e os métodos implicados son similares os da soldadura por resistencia, pero en vez de corrente eléctrica, a vibración proporciona a fonte de enerxía. Soldar metais con este proceso non implica o derretimiento dos materiais; no seu lugar, a soldadura formase introducindo vibracions mecánicas horizontalmente baixo presión. Cando se están soldando plásticos, os materiais deben ter similares temperaturas de fusión, e as vibraciones son introducidas verticalmente. A soldadura ultrasónica empregase comúnmente para facer conexions eléctricas de aluminio ou cobre, e tamén é un proceso moi común na soldadura de polímeros. Outro proceso común, a soldadura explosiva, implica xuntar materiais empuxándos xuntos baixo una presión extremadamente alta. A enerxía do impacto plastifica os materiais, formando unha soldadura, ainda soamente unha limitada cantidade de calor sexa xenerada. O proceso e empregado comúnmente para materiais diferentes de soldadura, tales como a soldadura do aluminio con aceiro en cascos de naves o placas compostas. Outros procesos de soldadura de estado sólido incluen a soldadura de coextrusión, a soldadura en frío, a soldadura de difusión, a soldadura por fricción (incluindo a soldadura por fricción-axitación en inglés Friction Stir Welding), a soldadura por alta frecuencia, a soldadura por presión quente, a soldadura por inducción, e a soldadura de rodillo.24 Xeometría

Tipos comuns de xuntas de soldadura (1) A xunta de extremo cuadrado (2) Xunta de preparación solo-V (3) Xunta de respaldo o traslape (4) Xunta-T.

As soldaduras poden ser preparadas xeométricamente de moitas maneiras diferentes. Os cinco tipos básicos de xuntas de soldadura son a xunta de extremo, a xunta de respaldo, a xunta de esquina, a xunta de borde, e a xunta-T. Existen outras variacions, como por exemplo a preparación de xuntas doble-V, caracterizadas polas duas pezas de material na que en cada unha afianse un so punto central na mitade da sua altura. A preparación de xuntas solo-U e doble-U son tamén bastante comuns —en lugar de ter bordes rectos como a preparación de xuntas solo-V e doble-V, elas son curvadas, tendo a forma dunha U. As xuntas de respaldo tamén son comúns en duas pezas grosas —dependendo do proceso empregado e do grosor do material, moitas pezas poden ser soldadas xuntas en unha xeometría de xunta de respaldo.25 A miudo, certos procesos da soldadura empregan exclusivamente ou casi exclusivamente deseños de xunta particulares. Por exemplos, a soldadura de punto de resistencia, a soldadura de raio láser, e a soldadura de raio de electrons son feitas máis frecuentemente con xuntas de respaldo. Sen embargo, alguns métodos de soldadura, como a soldadura por arco de metal protexido, son extremadamente versátiles e poden soldar virtualmente calqueira tipo de xunta. A maiores, alguns procesos poden ser empregados para facer soldaduras multipasos, nas que se permite enfriar unha soldadura, e enton outra soldadura é realizada enriba da primeira. Esto permite, por exemplos, a soldadura de seccions grosas dispostas nunha preparación de xunta solo-V.26

A sección cruzada dunha xunta de extremo soldado, con o gris máis oscuro representando a zona da soldadura ou a fusión, o gris medio a zona afectada pola calor ZAT, e o gris máis claro o material base.

Despois de soldar, un número de distintas rexions poden ser identificadas no área da soldadura. A soldadura en sí mesma, e a chamada a zona de fusión —máis específicamente, ésta e donde o metal de recheo foi posto durante o proceso da soldadura. As propiedades da zona de fusión dependen primariamente do metal de recheo empregado, a sua compatibilidade cos materiais base. E rodeada pola zona afectada da calor, o área que tivo sua microestructura e propiedades alteradas pola soldadura. Estas propiedades dependen do comportamento do material base cando está suxeto a calor. O metal nesta área e con frecuencia máis débil que o material base e a zona de fusión, e tamén onde son atopadas as tensions residuais.27

Calidade Moi a miudo, a medida principal empregada para xulgar a calidade dunha soldadura e a sua fortaleza e a fortaleza do material arredor de ela. Moitos factores distintos influen nesto, incluindo o método de soldadura, a cantidade e a concentración da entrada de calor, o material base, o material de recheo, o material fundente, o deseño do empalme, e as interaccions entre todos estos factores. Para probar a calidade dunha soldadura empreganse tanto ensaios non destructivos como ensaios destructivos, para verificar que as soldaduras están libres de defectos, teñen niveis aceptables de tensions e distorsión residuais, e teñen propiedades aceptables da zona afectada pola calor (FEIXE). Existen códigos e especificacions da soldadura para guiar os soldadores en técnicas axeitadas de soldadura e cómo xulgar a calidade déstas.

Zona afectada térmicamente

O área azul resulta da oxidación nunha temperatura correspondente a 316 °C. Esto e unha maneira precisa de identificar a temperatura, pero non representa o ancho da zona afectada térmicamente (ZAT). A ZAT e a área estreita que inmediatamente rodea o metal base soldado.

Os efectos de soldar poden ser perxudiciais no material que rodean a soldadura. Dependendo dos materiais empregados a producción da calor no proceso de soldadura empregado, a zona afectada térmicamente (ZAT) pode variar en tamaño e fortaleza. A difusividade térmica do material base e moi importante - si a difusividade e alta, a velocidade de enfriamiento do material e alta e a ZAT e relativamente pequena. Inversamente, unha difusividade baixa conduce a un enfriamiento máis lento e a unha ZAT máis grande. A cantidade de calor creada polo proceso de soldadura tamén desempeña un papel importante, pois os procesos como a soldadura oxiacetilénica teñena moi concentrada e aumentan o tamaño da zona afectada. Os procesos como a soldadura por raio láser teñen unha cantidade altamente concentrada e limitada de calor, resultando unha ZAT pequena. A soldadura de arco cae entre estos dous extremos, cos procesos individuais variando algo na entrada de calor.28 29 Para calcular a calor para os procedementos de soldadura de arco, pode ser empregada a seguinte fórmula:

en donde • Q = entrada de calor (kJ/mm), • V = voltaxe (V), • I = corrente (A), e • S = velocidade da soldadura (mm/min)

O rendimiento depende do proceso de soldadura empregado, coa soldadura de arco de metal revestido tendo un valor de 0,75, a soldadura por arco metálico con gas e a soldadura de arco sumerxido, 0,9, e a soldadura de arco de gas tungsteno, 0,8.30

Distorsión e agretamento Os métodos de soldadura que implican derreter o metal no sitio do empalme ou unión son necesariamente propensos a contracción a medida que o metal quentado se enfría. A sua vez, a contracción pode introducir tensions residuais e tanto distorsión lonxitudinal como rotatoria. A distorsión pode plantexar un problema importante, posto que o producto final no ten a forma desexada. Para aliviar a distorsión rotatoria, as pezas de traballo poden ser compensadas, de xeito que a soldadura dé lugar a unha peza correctamente formada.31 Outros métodos de limitar a distorsión, como afianzar no lugar as pezas de traballo con abrazadeiras, causa a acumulación da tensión residual na zona afectada térmicamente do material base. Estas tensions poden reducir a forza do material base, e poden conducir a a fallo catastrófico por agretamento frío, como no caso de varias das naves Liberty. O agretamento en frío está limitado os aceiros, e está asociado a formación da martensita mentras que a soldadura se enfría. O agretamento ocurre na zona afectada térmicamente do material base. Para reducir a cantidade de distorsión e estrés residual, a cantidade de entrada de calor debe ser limitada, e a secuencia de soldadura empregada non debe ser dun extremo directamente o outro, senon en tramos. Outro tipo de agretamento, o agretamento en quente ou agretamento de solidificación, pode ocurrir en todos os metais, e sucede na zona de fusión da soldadura. Para disminuir a probabilidade deste tipo de agretamento, debe ser evitado o exceso de material restrinxido, e debe ser empregado un material de recheo apropiado.32

Soldabilidade A calidade dunha soldadura tamén depende da combinacióndos materiais empregados para o material base e o material de recheo. No todos os metais son axeitados para a soldadura, e no todos os metais de recheo traballan ben con materiais base aceptables.

Aceiros A soldabilidade de aceiros é inversamente proporcional a unha propiedad coñecida como a templabilidade do a aceiro, que mida probabilidade de formar a martensita durante o tratamento da soldadura ou calor. A templabilidade do aceiro depende da sua composición química, con maiores cantidades de carbono e de outros elementos de aleación resultando en maior templabildade e polo tanto unha soldabilidade menor. Para poder xulgar as aleacions compostas de moitos materiais distintos, empregase unha medida coñecida como o contido equivalente de carbono para comparar as soldabilidadees relativas de diferentes aleacions comparando suas propiedades a un aceiro o carbono simple. O efecto sobre a soldabilidade de elementos como o cromo e o vanadio, mentras que no é tan grande como a do carbono, e por exemplos máis significativa que a do cobre e o níquel. A medida que se eleva o contido equivalente de carbono, a soldabilidade da aleación decrece.33 A desventaxa de empregar simple carbono e os aceiros de baixa aleación e sua menor resistencia - hai unha compensación entre a resistencia do material e a soldabilidade. Os aceiros de alta resistencia e baixa aleación foron desenvoltos especialmente para os usos na soldadura durante os anos 1970, e estos materiais, xeralmente fácis de soldar teñen boa resistencia, facendos ideais para moitas aplicacións de soldadura.34 Debido o seu alto contido de cromo, os aceiros inoxidables tenden a comportarse dunha xeito diferente a outros aceiros con respecto a soldabilidade. Os grados austeníticos dos aceiros inoxidables tenden a ser máis soldables, pero son especialmente susceptibles a distorsión debido a seu alto coeficiente de expansión térmica. Algunhas aleacions deste tipo son propensas a agretarse e tamén a ter unha reducida resistencia a corrosión. Se non está controlada a cantidade de ferrita na soldadura e posible o agretamento quente. Para aliviar o problema, empregase un electrodo que deposita un metal na soldadura que conten unha cantidade pequena de ferrita. Outros tipos de aceiros inoxidables, tales como os aceiros inoxidables ferríticos e martensíticos, no son fácilmente soldables, e a miudo deben ser prequecidos e soldados con electrodos especiais.35 Aluminio A soldabilidade das aleacions de aluminio varía significativamente dependendo da composición química da aleación empregada. As aleacions de aluminio son susceptibles o agretamento quente, e para combatir o problema os soldadores aumentan a velocidade da soldadura para reducir o aporte da calor. O prequecemento reduce o gradiente de temperatura a través da zona da soldadura e polo tanto axuda a reducir o agretamento quente, pero pode reducir as características mecánicas do material base e non debe ser empregado cando o material base está restrinxido. O deseño da unión tamén pode cambiarse, e pode seleccionarse unha aleación de recheo máis compatible para disminuir a probabilidade do agretamento quente. As aleacions de aluminio tamén deben ser limpadas antes da soldadura, co obxeto de quitar todos os óxidos, aceites, e partículas soltas da superficie a ser soldada. Esto e especialmente importante debido a susceptibilidad dunha soldadura de aluminio e a porosidade debido o hidróxeno e a escoria debido o oxíxeno.36 Condicions inusuais

Soldadura subacuática.

Ainda que moitas aplicacións da soldadura levanse a cabo en ambientes controlados como fábricas e talleres de reparacions, alguns procesos de soldadura empreganse con frecuencia nunha ampla variedade de condicions, como o aire aberto, baixo a auga e no vacío (como no espazo). O emprego no aire libre, tales como na construcción e a reparación en exteriores, a soldadura de arco de metal protexido e o proceso máis común. Os procesos que empregan gases inertes para protexer a soldadura non poden empregarse fácilmente en tales situacions, porque os movimentos atmosféricos impredecibles poden dar lugar a unha soldadura fallida. A soldadura de arco de metal protexido a miudo tamén empregada na soldadura subacuática na construcción e a reparación de naves, plataformas costa afora, e tuberías, pero tamén outras son comuns, tales como a soldadura de arco con núcleo de fundente e soldadura de arco de tungsteno e gas. E tamén posible soldar no espazo, foi intentado por primera vez en 1969 por cosmonautas rusos, cando realizaron experimentos para probar a soldadura de arco de metal protexido, a soldadura de arco de plasma, e a soldadura de feixe de electrons nun ambiente despresurizado. Fixeronse probas a maiores destos métodos nas seguintes décadas, e hoxe en día os investigadores continúan a desenvolver métodos para empregar outros procesos de soldadura no espazo, como a soldadura de raio láser, soldadura por resistencia, e soldadura por fricción. Os avances nestes eidos poderían probar ser indispensables para proxectos como a construcción da Estación Espacial Internacional, que probablemente utilizará profusamente a soldadura para unir no espazo as partes manufacturadas na Terra.37 Seguridade A soldadura sin as precauciones axeitadas pode ser unha práctica perigosa e dañina para a saude. Sin embargo, co o uso das novas tecnoloxías e a protección axeitada, os riscos de lesión ou morte asociados a soldadura poden ser prácticamente eliminados. O risco de queimaduras ou electrocución e significativo debido a que moitos procedimentos comuns de soldadura implican un arco eléctrico o chama abertos. Para previlas, as persoas que soldan deben empregar roupa de protección, como calzado homologado, luvas de coiro groso e chaquetas protectoras de mangas largas para evitar a exposición as chispas, a calor e as posibles chamas. Ademáis, a exposición o brillo da área da soldadura produce unha lesión chamada ollo de arco (queratitis) por efecto da luz ultravioleta que inflama a córnea e pode queimar as retinas. As gafas protectoras e os cascos e caretas de soldar con filtros de cristal oscuro empreganse para previr esta exposición, e nos anos recientes comercializanse novos modelos de cascos nos que o filtro de cristal e transparente e permite ver o área de traballo cando no hai radiación UV, pero se auto oscurece en canto se produce ou o iniciarse a soldadura. Para protexer os espectadores e persoal próximo, a lei de seguridade no traballo exixe empregar mamparas ou cortinas translúcidas que roden a área de soldadura. Estas cortinas, feitas dunha película plástica de cloruro de polivinilo, protexen os traballadores cercanos da exposición a luz UV do arco eléctrico, pero non deben ser empregadas para reemplazar o filtro de cristal usado nos cascos e caretas do soldador.38 A miudo, os soldadores tamén expoñense a gases perigosos e as partículas finas suspendidas no aire. Os procesos como a soldadura por arco de núcleo fundente e a soldadura por arco metálico protexido producen fume que conten partículas de varios tipos de óxidos, que nalguns casos poden producir cadros médicos como o chamado febre do vapor metálico. O tamaño das partículas en cuestión influe na toxicidade dos vapores, pois as partículas máis pequenas presentan un perigo maior. Además, moitos procesos producen vapores e varios gases, comúnmente dióxido de carbono, ozono e metais pesados, que poden ser perigosos sin a ventilación e a protección axeitadas. Para este tipo de traballos, soese levar mascarilla para partículas de clasificación FFP3, ou ben mascarilla para soldadura. Debido o emprego de gases comprimidos e chamas, en moitos procesos de soldadura plantexase un risco de explosión e lume. Algunhas precaucions comuns incluen a limitación da cantidade de oxíxeno no aire e manter os materiais combustibles lexos do lugar de traballo.38 Custos e tendencias Como un proceso industrial, o coste da soldadura xoga un papel crucial nas decisions da producción. Moitas variables diferentes afectan o custo total, incluindo o custo do equipo, o custo da man de obra, o custo do material, e o custo da enerxía eléctrica. Dependendo do proceso, o custo do equipo pode variar, dende barato para métodos como a soldadura de arco de metal protexido e a soldadura de oxicombustible, a extremadamente custosos para métodos como a soldadura de raio láser e a soldadura de feixe de electrons. Debido a seu alto costo, éstas son soamente empregadas en operacions de alta producción. Similarmente, debido a que a automatización e os robots aumentan os custos do equipo, soamente son implementados cando e necesaria a alta producción. O custo da man de obra depende da velocidade de deposición (a velocidade de soldadura), do salario por hora e do tiempo total de operación, incluindo otiempo de soldar e do manejo da peza. Ocostodos materiais inclue ocusto do material base e de recheo e ocostodos gases de protección. Finalmente, ocusto da enerxía depende do tiempo do arco e a consumo de enerxía da soldadura. Para os métodos manuais de soldadura, os custos de traballo xeralmente son a vasta maioría do custo total. Como resultado, moitas medidas de ahorro de custo se enfocan na reducciónomínimo do tiempo de operación. Para facer esto, poden seleccionarse procedimientos de soldadura con altas velocidades de deposición e os parámetros de soldadura poden ajustarse para aumentar a velocidade da soldadura. A mecanización e a automatización son frecuentemente implementadas para reducir os custos de traballo, pero a miudo ésta aumenta o custo de equipo e crea tempo adicional de disposición. Os custos dos materiais tenden a incrementarse cando son necesarias propiedades especiales e os custos da enerxía normalmente no suman máis que unha porcentaxe do custo total da soldadura.39 En anos recentes, para reducir o mínimo os custos de traballo na manufactura de alta producción, a soldadura industrial volveuse cada vez máis automatizada, sobre todo con o emprego de robots na soldadura de punto de resistencia (especialmente na industria do automóvil) e na soldadura de arco. Na soldadura robotizada, un dos dispositivos mecánicos sosten o material e realizan a soldadura,40 o principio, a soldadura de punto foi seu emprego máis común. Pero a soldadura de arco robótica foi incrementando a sua popularidade a medida que a tecnoloxía foi avanzando. Outras áreas clave de investigación e desenvolvemento incluen a soldadura de materiais distintos (como por exemplos, aceiro e aluminio) e os novos procesos de soldadura. Ademáis, desexase progresar nos métodos especializados como a soldadura de raio láser sexan prácticos para máis aplicacións, por exemplos nas industrias aeroespaciales e do automóvil. Os investigadores tamén teñen a esperanza de entender mellor as frecuentes propiedades impredecibles das soldaduras, especialmente a microestructura, as tensions residuais e a tendencia dunha soldadura a agretarse ou deformarse.41 Especificacions de soldadura • American Societe of Mechanical Engineers - Boiler and Pressure VessoCode - Section IX • American Welding Societe – Structural Welding Code • American Welding Societe – Bridge Welding Code

Véxase tamén • Soldador eléctrico • Inspección por líquidos penetrantes • Electrodo • Tratamento térmico • Tensión mecánica • Outras técnica de unión: adhesivo, aparafusado, remachado

Referencias

Bibliografía • ASM International (2003). Trends in Welding Research. Materials Park, Ohio: ASM International. ISBN 0-87170-780-2 • Blunt, Jane and NigoC. Balchin (2002). Health and Safete in Welding and Allied Processes. Cambridge: Woodhead. ISBN 1-85573-538-5. • Care, Howard B. and Scott C. Helzer (2005). Modern Welding Technologe. Upper Saddle River, Nueva Jersee: Pearson Education. ISBN 0-13-113029-3. • Hicks, John (1999). Welded Joint Design. Nueva Eork: Industrial Press. ISBN 0-8311-3130-6. • Kalpakjian, Serope and Steven R. Schmid (2001). Manufacturing Engineering and Technologe. Prentice Hall. ISBN 0-201-36131-0. • Lincoln Electric (1994). The Procedure Handbook of Arc Welding. Cleveland: Lincoln Electric. ISBN 99949-25-82-2. • Weman, Klas (2003). Welding processes handbook. Nueva Eork: CRC Press LLC. ISBN 0-8493-1773-8.