PRINCIPIOS DE SOLDADURA

1. INTRODUCCIÓN

Las soldaduras son métodos empleados para la unión de los materiales, son procesos complejos ya que todos los tipos de fenómenos metalúrgicos ocurren durante la realización de una soldadura. La metalurgia de cada zona soldada está íntimamente relacionada con los materiales, así como con los procesos y procedimientos empleados; tiene que ver con fusión, solidificación, reacciones metal – gas, reacciones metal – escoria, fenómenos de superficie y reacciones en el estado sólido.

La descripción de una soldadura requiere ser específico, y por tanto el término que mejor describe toda la operación es «unión soldada», el cual incluye no solamente la zona fundida sino también la región alrededor de ella. Esta unión contiene: el metal de aporte, la zona afectada por el calor (ZAC) y el metal base no afectado. 

El metal fundido es una mezcla del metal base y de metal de aporte. Para obtener buenas propiedades en el metal de la junta soldada, el metal que se funde en ella debe ser similar en composición química al metal base. Dependiendo de la composición y de la velocidad de solidificación, el metal fundido solidifica de forma celular o dendrítica. En ambos modos causan segregación de los elementos de aleación y como consecuencia el metal fundido es menos homogéneo a nivel micro que el metal base, 

La región de la unión soldada es la zona afectada por el calor (ZAC), es aquella parte de metal base que debido a su proximidad con el metal fundido, ha sido influida por el calor generado durante el proceso de unión. Las zonas afectadas por el calor están generalmente definidas por la respuesta del material a la dureza o a los efectos generados frente a los reactivos de ataque; por lo tanto, los cambios de microestructura producidos por el calor pueden ser analizados mediante el ataque con reactivos o detectados mediante un barrido de durezas.

El metal base corresponde al material a ser unido y es la porción de la unión soldada sobre la cual el soldador o el ingeniero de soldadura tiene el menor control. El metal depositado y la zona afectada por el calor deberán ser compatibles con el metal a ser unido, así se espera tener una unión soldada aceptable.

Otra variable importante en el proceso es la estructura del metal de soldadura, el cual puede ser analizado en tres niveles:

• Escala macroscópica: fundamentalmente asociada a las regiones que constituyen el cordón de soldadura y a la distribución, forma y tamaño de los granos,
• Escala microscópica: asociada con la microsegregación y con las inclusiones no metálicas observables por medio de microscopia óptica
• Escala cristalina: asociada a la estructura cristalina de las fases presentes, así como a sus defectos. Fijando el nivel de observación es posible interpretar el comportamiento en servicio de un cordón de soldadura en función de algunos elementos estructurales.

La estructura de un cordón de soldadura, tal como será utilizado en servicio, es el resultado de una serie de transformaciones, que comienzan con las reacciones que ocurren cuando el metal está en estado líquido, y siguen con las transformaciones asociadas al pasaje de líquido a sólido.

Desde el proceso de solidificación, la formación de las distintas estructuras comienza con la llamada estructura primaria o de solidificación, y luego a través de las transformaciones termomecánicas sufridas en estado sólido, se alcanza la estructura secundaria o final.

                  Figura 2.  Proceso de soldadura. (Fuente: 4)

2. TIPOS DE PROCESOS DE SOLDADURA

Aunque la Sociedad Americana de Soldadura ha catalogado más de 50 tipos de operaciones de soldadura, las mismas se pueden dividir en dos grupos principales: 1) soldadura de estado sólido y 2) soldadura por fusión.

2.1. Soldadura de estado sólido

Los procesos en esta clasificación emplean la presión o presión y calor para obtener la unión de las piezas, sin requerir fundirlas ni agregar material de relleno. Para ello, resultan claves dos aspectos con el fin de lograr la unión atómica de las piezas: la limpieza y la estrechez de las superficies entre sí.

Estos procesos presentan ventajas con respecto a la soldadura por fusión: conservan las propiedades de los metales debido a que no se funden, las soldaduras incluyen la totalidad del área de contacto entre las piezas y se pueden utilizar para unir distintos metales. Dentro de este grupo se incluyen:

• Soldadura por difusión. Para esta soldadura se colocan juntas dos superficies bajo presión a una temperatura elevada y las piezas se sueldan por medio de fusión de estado sólido.
• Soldadura por fricción. En este proceso, la coalescencia se obtiene mediante el calor de la fricción entre dos superficies.
• Soldadura ultrasónica. La unión ocurre aplicando una presión moderada entre las dos piezas y un movimiento oscilatorio a frecuencias ultrasónicas en una dirección paralela a las superficies de contacto. La combinación de las fuerzas normales y vibratorias produce intensas tensiones que remueven las películas superficiales y obtienen la unión atómica de las superficies.

2.2. Soldadura por fusión

Los procesos de soldadura por fusión emplean calor para fundir los metales base. En muchas de las operaciones se adiciona un metal de relleno a la combinación fundida para facilitar el proceso y proporcionar volumen y resistencia a la unión soldada. Una operación de soldadura por fusión en la cual no se agrega un metal de relleno se denomina soldadura autógena. Esta clasificación incluye los procesos de soldadura más comunes y se agrupan de la siguiente manera:

• Soldadura con arco. Corresponde a un grupo de procesos de soldadura en los cuales el calentamiento de los metales se obtiene mediante un arco eléctrico, como se muestra en la Figura 2. Algunas de las operaciones de soldadura con arco también aplican presión durante el proceso y la mayoría utiliza un metal de relleno.

                    Figura 2. Soldadura con arco. (Fuente: 1) 

• Soldadura por resistencia. Ocurre de la fusión a través del calor de una resistencia eléctrica para el flujo de una corriente que pasa entre las superficies de empalme de dos metales sostenidas juntas bajo presión.
• Soldadura con oxígeno y gas combustible. Este proceso de soldadura emplea un gas de oxígeno combustible, tal como una mezcla de oxígeno y acetileno, para producir una flama caliente para fundir la base metálica y el metal de relleno, en caso de que se utilice alguno.
• Otros procesos de soldadura por fusión. Además de los procesos mencionados, existen otros procesos de soldadura como la soldadura con haz de electrones y la soldadura con rayo láser, entre otros, pero menos comunes.
  
  

2.3. Soldadura eléctrica al arco con electrodo selectivo

Debido al gran uso e importancia industrial de la soldadura eléctrica al arco con electrodo revestido, se dedicará un apartado especial a este tipo de soldadura.

La soldadura eléctrica al arco con electrodo revestido, es un proceso en el cual la fuente calorífica utilizada para obtener la fusión simultánea de los bordes de las piezas a ser soldadas y el metal de aporte, es un arco eléctrico que se establece entre el electrodo y la pieza a ser soldada, de acuerdo al diagrama de la Figura 3.   

               Figura 3. Principio de Soldadura por arco (Fuente: 3)

Las piezas a ser soldadas y el porta electrodo son conectados respectivamente a los bornes del generador de corriente (A y B, Figura 3). Cuando se acerca el electrodo a las piezas a unos pocos milímetros, se produce un arco eléctrico el cual se aprecia entre los puntos 1 y 2 de la Figura 2, que se denominan puntos de impacto del arco. Este proceso de fusión entre los puntos 1 y 2 ocurre de la siguiente manera: el metal producto de la fusión del electrodo es proyectado sobre el metal fundido de las piezas realizándose el proceso de soldadura.

Por su parte, los electrodos están constituidos por un ánima metálica, generalmente cilíndrica en diámetros variables, rodeados en su perímetro por un recubrimiento (metal fundente). Este recubrimiento cumple con tres funciones fundamentales:

• Función eléctrica: el recubrimiento contiene diferentes elementos tales como carbonatos, silicatos, óxidos metálicos, que contribuyen a la ionización del aire entre la pieza y el extremo del electrodo, favoreciendo el inicio y la estabilidad del arco.
• Función física y mecánica: dado que la velocidad con que se funde el recubrimiento es menor a la velocidad con la que se funde el ánima metálica, se origina en la punta del electrodo un cráter que permite guiar al electrodo durante el proceso de soldadura. Es gracias a este retardo en la fusión de recubrimiento, que unido a las tensiones superficiales de la escoria liquida formada por la descomposición del recubrimiento y al desempeño de los gases que se producen, es que se pude soldar en posiciones comprometidas.
• Función metalúrgica: la función principal del recubrimiento es la de proteger, a través de la escoria (producto de su descomposición) el cordón de soldadura del medio ambiente y por consecuencia evitar la oxidación. La segunda fusión es la de introducir en el baño fundido los elementos adicionales de aleación y por ultimo permitir por adición de polvos de hierro, un mayor rendimiento del electrodo.
  
  

3. DEFECTOS EN LA SOLDADURA

Los defectos en soldadura más comunes son los de forma y dimensión, al igual que los defectos estructurales. A continuación se describen a cuales están asociados cada uno.

3.1. Defectos de Forma y Dimensión:

• Cordones sinuosos: Consiste en la falta de rectitud de los cordones de soldadura, generalmente se deben a la inexperiencia del soldador
• Empates defectuosos: Este defecto se observa como empates muy gruesos en la cara frontal y falta de penetración en el dorso. Esto se puede evitar empezando a soldar 10 o 15 mm antes del punto donde se detuvo anteriormente el pase anterior.
• Pases irregulares: Este defecto se debe a una velocidad de avance no continuo durante el proceso de soldadura, el cordón de soldadura presenta una superficie muy irregular.
• Cordones excéntricos: Este defecto se presenta con más frecuencia en la soldadura a tope de espesores delgados, el cordón queda desplazado del eje central de la junta, generándose un defecto.
• Superficie porosa: Los cordones de soldadura depositados sobre la superficie del metal poseen un aspecto muy poroso e irregular (espuma metálica porosa), este defecto se presenta con más frecuencia en los aceros inoxidables. Es importante destacar que, una mala elección del metal de aporte puede generar este fenómeno.

3.2. Defectos Estructurales:

• Falta de fusión: Este defecto se debe al aporte del metal líquido sobre metal no fundido, se produce por la utilización de potencia de baja intensidad o de muy alta intensidad. También puede ocasionarse por falta de experiencia del soldador.
• Falta de penetración: La falta de penetración se presenta cuando la zona fundida no alcanza la totalidad del espesor de las piezas. Este defecto puede producirse si se utiliza una intensidad de corriente muy baja, una velocidad de avance muy alta o una mala preparación de los bordes.
• Socavaciones: Este defecto consiste en la formación de canales con una profundidad apreciable a los lados del cordón de soldadura. Se produce cuando la intensidad o la velocidad de avance es considerablemente elevada, o por una mala manipulación de las pinzas. Otro factor a considerar es la inexperiencia del soldador.
• Inclusiones de óxido: Se encuentra generalmente cuando se suelda con antorcha. La causa principal de este defecto es por una preparación no satisfactoria, empates defectuosos, mala limpieza, mala regulación del oxidante.
• Inclusiones de escoria: Defecto que se puede presentar en la soldadura eléctrica al arco con electrodo revestido, si no se ha limpiado adecuadamente la escoria entre pases, por una intensidad muy baja, por un ángulo de bisel muy corto o cerrado o una falta de destreza del soldador.

 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

(1) METALURGIA DE LA SOLDADURA. Instituto de Ingeniería. pp. 15 -45. 2000.

(2) SOLAECHE, J. y CABALLERO, R. DEFECTOLOGIA Y ANALISIS DE FALLAS EN UNIONES SOLDADAS. Centro Venezolano de Soldadura. Universidad Central de Venezuela. pp 2-40. 1994.

(3) SOLDADURA CON ELECTRODO RECUBIERTO. CIED- PDVSA. pp. 1-39. 2007.

(4) SOLDADURA ELECTRICA: MATERIALES Y HERRAMIENTAS NECESARIAS PARA UN TRABAJO DE CALIDAD SUPERIOR. En: https://zummar.com/soldadura-electrica-materiales-y-herramientas-necesarias-para-un-trabajo-de-calidad-superior/#soldadura_arco_electrodo

Carlos Di Pasquale, Randolpk Ravelo, Miriam Suárez y Neyla Camacho. 
Unidad de Procesos Metalúrgicos,
Centro de Tecnología de los Materiales.