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UNIVERSIDAD DE CÓRDOBA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA CURSO: PROCESOS DE MANUFACTURA I

PROCESOS DE MANUFACTURA

Autor Elkin Camilo Medellín Pérez Edinson de Jesús Herrera De Oro

UNIVERSIDAD DE CÓRDOBA FACULTAD DE INGENIERÍAS DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA MONTERÍA - CÓRDOBA

Por una universidad con calidad, moderna e incluyente Carrera 6ª. No. 77-305 Montería. NIT. 891080031-3 – Teléfono: 7860300 – 7860920 www.unicordoba.edu.co

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DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA CURSO: PROCESOS DE MANUFACTURA I

PROCESOS DE SOLDADURA FUERTE Y BLANDA

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CONTENIDO 1. INTRODUCCIÓN ................................................................................................................................ 6 2. SOLDADURA FUERTE ...................................................................................................................... 6 2.1. METALES DE APORTE ............................................................................................................... 8 2.2. FUNDENTES................................................................................................................................. 9 2.3. RESISTENCIA DE LA UNIÓN SOLDADA ................................................................................ 9 2.4. MÉTODOS DE SOLDADURA FUERTE .................................................................................. 10 2.4.1. Soldadura fuerte con soplete .................................................................................................. 10 2.4.2. Soldadura fuerte en horno...................................................................................................... 11 2.4.3. Soldadura fuerte por inducción .............................................................................................. 11 2.4.4. Soldadura fuerte por resistencia ............................................................................................. 12 2.4.5. Soldadura fuerte por inmersión. ............................................................................................ 12 2.4.6. Soldadura fuerte infrarroja ..................................................................................................... 13 2.4.7. Soldadura fuerte por difusión ................................................................................................ 13 2.4.8. Haces de alta energía ............................................................................................................. 13 2.4.9. Soldadura fuerte por oxígeno y gas combustible ................................................................... 13 2.5. DISEÑO DE LA SOLDADURA FUERTE ................................................................................. 14 3. SOLDADURA BLANDA .................................................................................................................. 15 3.1. TIPOS DE ALEACIONES Y FUNDENTES PARA SOLDADURA BLANDA ....................... 15 3.2. SOLDABILIDAD BLANDA....................................................................................................... 16 3.3. TÉCNICAS DE SOLDADURA BLANDA ................................................................................. 16 3.4. APLICACIONES Y LINEAMIENTOS DE DISEÑO DE LA SOLDADURA BLANDA ........ 17 4. BIBLIOGRAFÍA ................................................................................................................................ 19

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LISTADO DE FIGURAS Figura 1. Ejemplo de soldadura fuerte en horno: (a) antes, y (b) después de la soldadura fuerte. El metal de aporte es un alambre moldeado y pasa al interior de las interfaces por la acción capilar con la aplicación de calor. __________________________________________________________________________ 7 Figura 2. Diseños de unión comúnmente utilizados en operaciones de soldadura fuerte. La holgura entre las dos partes que se están soldando es un factor importante en la resistencia de la unión. Si la holgura es demasiado pequeña, el metal fuerte fundido no penetra totalmente la interfaz. Si es demasiado grande, habrá acción capilar insuficiente para que el metal fundido llene la interfaz. _____________________ 7 Figura 3. Efecto de la holgura de la unión sobre la resistencia a la tensión y cortante de uniones soldadas. Obsérvese que, a diferencia de la resistencia a la tensión, la resistencia cortante disminuye continuamente al aumentar la holgura. ______________________________________________________________ 10 Figura 4. Esquema de la preparación de la soldadura fuerte por inducción continua para aumentar la productividad. ____________________________________________________________________ 12 Figura 5. Ejemplos de diseño apropiado y deficiente de soldadura fuerte. Fuente: American Welding Society.__________________________________________________________________________ 14 Figura 6. Diseños de uniones comúnmente utilizadas para soldadura blanda. ___________________ 17

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LISTADO DE TABLAS Tabla 1. Metales de aporte comunes para la soldadura fuerte de diversos metales y aleaciones ............. 8 Tabla 2. Tipos de aleaciones de soldadura blanda y sus aplicaciones. ................................................... 15

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1. INTRODUCCIÓN En la mayoría de los procesos de unión descritos en documentos anteriores, las superficies de contacto de los componentes se calentaban a temperaturas elevadas por diversos medios externos o internos para producir fusión o adhesión en la unión. ¿Qué pasaría si se quisiera unir materiales que no pueden soportar altas temperaturas, como los componentes electrónicos? ¿Y si las partes unidas fueran delicadas, complejas o se hubieran fabricado con dos o más materiales de características, propiedades, tamaños, espesores y secciones transversales muy diferentes? En este documento se describen dos procesos de unión, soldadura fuerte y soldadura blanda, que requieren temperaturas inferiores a las de la soldadura. Los metales de aporte se colocan o alimentan en la unión y se funden utilizando una fuente de calor externa. Al solidificarse, se obtiene una unión resistente. Las soldaduras fuerte y blanda se distinguen arbitrariamente por la temperatura. Las temperaturas de la soldadura blanda son inferiores a las de la fuerte y la resistencia de una unión por soldadura blanda es mucho menor.

2. SOLDADURA FUERTE La soldadura fuerte es un proceso de unión en el que un metal de aporte se coloca entre las superficies de empalme a unirse (o en su periferia) y la temperatura se eleva lo suficiente para fundir dicho metal, pero no los componentes (metal base), como sería el caso de la soldadura por fusión. Por lo tanto, la soldadura fuerte es un proceso de unión de estados líquido y sólido. Una vez que el metal de aporte se enfría y solidifica, se obtiene una unión resistente. Los metales de aporte utilizados para soldadura fuerte suelen fundirse arriba de 450 °C (840 °F), lo que está por debajo del punto de fusión (temperatura de solidus) de los metales a unir. El concepto soldadura fuerte proviene del término latón (un vocablo arcaico que significa “endurecer”) y se usó por primera vez entre los años 3000 y 2000 a.C. En una operación común de soldadura fuerte, se coloca un alambre metálico de aporte (fuerte) a lo largo de la periferia de los componentes a unir (fig. 1a). Se aplica calor por diversos medios externos, se funde el metal fuerte y rellena (por la acción capilar) el espacio en las interfaces, que se ajusta de manera estrecha (holgura de la unión) (fig. 1b).

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Figura 1. Ejemplo de soldadura fuerte en horno: (a) antes, y (b) después de la soldadura fuerte. El metal de aporte es un alambre moldeado y pasa al interior de las interfaces por la acción capilar con la aplicación de calor.

En la soldadura fuerte con oxigás el metal de aporte (por lo general, latón) se deposita en la unión con una técnica similar a la soldadura con oxígeno y combustible gaseosos. La diferencia principal es que el metal base no se funde. Su aplicación principal es el trabajo de reparación de aceros y hierros fundidos. Debido a los espacios más amplios que hay entre los componentes que se sueldan (como en la soldadura con oxígeno y combustible gaseosos), se utiliza más metal de soldadura fuerte que en la soldadura fuerte convencional. En general, los metales disímiles se pueden ensamblar con buena resistencia de unión. En la figura 2 se muestran ejemplos de uniones realizadas. Es posible unir con rapidez formas complejas, livianas y con poca distorsión.

Figura 2. Diseños de unión comúnmente utilizados en operaciones de soldadura fuerte. La holgura entre las dos partes que se están soldando es un factor importante en la resistencia de la unión. Si la holgura es demasiado pequeña, el metal fuerte fundido no penetra totalmente la interfaz. Si es demasiado grande, habrá acción capilar insuficiente para que el metal fundido llene la interfaz.

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2.1. METALES DE APORTE Existen diversos metales de aporte (metales de soldadura fuerte) con una gama de temperaturas de soldadura fuerte (tabla 1). Obsérvese que, a diferencia de los de las operaciones de soldadura, los metales de aporte para soldadura fuerte por lo general tienen una composición muy diferente de la de los metales a unir. Se encuentran en varias formas, como alambre, varilla, anillos, cuñas y limaduras. Tabla 1. Metales de aporte comunes para la soldadura fuerte de diversos metales y aleaciones

La selección del tipo de metal de aporte y su composición son importantes para evitar la Fragilización de la unión por (a) penetración de metal líquido en los límites del grano; (b) formación de compuestos frágiles intermetálicos en la unión, y (c) corrosión galvánica en la unión. Debido a la difusión entre el metal de aporte y el metal base, las propiedades mecánicas y metalúrgicas de la unión pueden cambiar en un procesamiento posterior, o durante la vida de servicio de la parte unida por soldadura fuerte. Por ejemplo, al soldar titanio con estaño puro como metal de aporte, es posible que el estaño se difunda por completo en el metal base de titanio al someterse a envejecimiento o a tratamiento térmico posterior. Por consiguiente, la unión desaparece.

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2.2. FUNDENTES En la soldadura fuerte, el uso de un fundente es fundamental para evitar la oxidación y retirar películas de óxido de las superficies de la pieza de trabajo. Por lo general, los fundentes de soldadura fuerte se producen con bórax, ácido bórico, boratos, fluoruros y cloruros. También se pueden agregar agentes humectantes para mejorar las características de humectación del metal de aporte fundido y la acción capilar. Es fundamental que las superficies a soldar estén limpias y no tengan óxido, aceite y otros contaminantes para (a) obtener una humectación y propagación adecuadas del metal de aporte fundido en la unión, y (b) desarrollar una resistencia máxima en la unión. También se puede utilizar un chorro de granalla a fin de mejorar el acabado superficial de empalme para aplicar la soldadura fuerte. Debido a que son corrosivos, los fundentes deben retirarse tras la soldadura, por lo general lavándolos con agua caliente.

2.3. RESISTENCIA DE LA UNIÓN SOLDADA La resistencia de la unión soldada depende (a) de la holgura de la unión; (b) del área de la unión, y (c) de la naturaleza de la adhesión en las interfaces entre los componentes y el metal de aporte. Por lo general, las holguras de la unión van de 0,025 mm a 0,2 mm (0,001 a 0,008 pulgada). Como se muestra en la figura 32.4, cuanto más pequeño es el espacio, mayor será la resistencia cortante de la unión. La resistencia cortante de las uniones soldadas puede alcanzar 800 MPa (120 ksi) mediante aleaciones de soldadura fuerte que contienen plata (soldadura de plata). Además, existe una separación óptima para lograr la máxima resistencia a la tensión.

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Figura 3. Efecto de la holgura de la unión sobre la resistencia a la tensión y cortante de uniones soldadas. Obsérvese que, a diferencia de la resistencia a la tensión, la resistencia cortante disminuye continuamente al aumentar la holgura.

Debido a que las holguras son muy pequeñas, la rugosidad superficial de las superficies de contacto se vuelve importante. Las superficies a unir por soldadura fuerte deben limpiarse química o mecánicamente para asegurar una acción capilar total. En consecuencia, también es importante el uso de un fundente.

2.4. MÉTODOS DE SOLDADURA FUERTE Los métodos de calentamiento utilizados en la soldadura fuerte también sirven para identificar los diversos procesos, como se describe a continuación.

2.4.1. Soldadura fuerte con soplete La fuente de calor en la soldadura fuerte con soplete (TB, por sus siglas en inglés) es gas de oxiacetileno con una flama de carburante. La soldadura fuerte se realiza primero calentando la unión con el soplete y después depositando la varilla o alambre de soldadura fuerte en la unión. Por lo general, los espesores

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adecuados de la parte son de 0,25 mm a 6 mm (0,01 a 0,25 pulgada). La soldadura fuerte con soplete es difícil de controlar y requiere mano de obra experta; sin embargo, puede automatizarse como proceso de producción utilizando sopletes múltiples. Este proceso también se puede usar para trabajos de reparación.

2.4.2. Soldadura fuerte en horno En una soldadura fuerte en horno (FB, por sus siglas en inglés), primero se limpian las partes y se cargan previamente con la soldadura en las configuraciones apropiadas; después se coloca el ensamble en un horno, en el que se calienta de manera uniforme. Los hornos pueden ser tipo lote, para formas complejas, o de tipo continuo, para líneas de producción grandes, en particular para partes pequeñas con diseños simples de unión. Para metales que reaccionan con el ambiente se utilizan hornos al vacío o de atmósferas controladas. No se requiere mano de obra calificada y se pueden soldar formas complejas porque todo el ensamble se calienta de modo uniforme en el horno.

2.4.3. Soldadura fuerte por inducción La fuente de calor en la soldadura fuerte por inducción (IB, por sus siglas en inglés) es el calentamiento por inducción por CA de alta frecuencia. Las partes se cargan previamente con metal de aporte y se colocan junto a las bobinas de inducción para calentarlas con rapidez. Por lo general, se utilizan fundentes, a menos que se use una atmósfera protectora (neutra). Los espesores de las partes suelen ser menores de 3 mm (0.125 pulgada). La soldadura fuerte por inducción es apropiada sobre todo para soldar partes de manera continua (fig. 32.5).

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Figura 4. Esquema de la preparación de la soldadura fuerte por inducción continua para aumentar la productividad.

2.4.4. Soldadura fuerte por resistencia En la soldadura fuerte por resistencia (RB, por sus siglas en inglés), la fuente de calor es la resistencia eléctrica de los componentes a soldar. En este método se utilizan electrodos, como se hace en la soldadura por resistencia. Las partes se cargan de modo previo con metal de aporte o se alimentan de manera externa con el metal durante la soldadura. Las partes comúnmente soldadas tienen espesores de 0,1 mm a 12 mm (0,004 a 0,5 pulgada). Como en la soldadura fuerte por inducción el proceso es rápido, las zonas de calentamiento se pueden confinar en áreas muy pequeñas y es posible automatizar el proceso para producir con una calidad confiable y uniforme.

2.4.5. Soldadura fuerte por inmersión. La soldadura fuerte por inmersión (DB, por sus siglas en inglés) se efectúa sumergiendo los ensambles a soldar en un baño de metal de aporte fundido, o un baño de sales fundidas a una temperatura apenas arriba del punto de fusión del metal de aporte, por lo que las superficies de todos los componentes se recubren con este metal. En consecuencia, la soldadura por inmersión en baño de metal se utiliza comúnmente para partes pequeñas (como láminas, alambres y accesorios) que suelen tener menos de 5 mm (0,2 pulgada) de espesor o diámetro. Los baños de sales disueltas (que también actúan como fundentes) se usan en ensambles complejos de diversos espesores. Dependiendo del tamaño de las partes

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y el tamaño del baño, pueden realizarse hasta 1000 uniones simultáneas mediante soldadura fuerte por inmersión.

2.4.6. Soldadura fuerte infrarroja La fuente de calor en la soldadura fuerte infrarroja (IRB, por sus siglas en inglés) es una lámpara de cuarzo de alta intensidad. Este proceso es apropiado en particular para soldar componentes muy pequeños, por lo general menores de 1 mm (0,04 pulgada) de espesor, incluyendo estructuras de panal. La energía radiante se enfoca en la unión y la soldadura fuerte se puede realizar en vacío. También es posible utilizar calentamiento con microondas.

2.4.7. Soldadura fuerte por difusión La soldadura fuerte por difusión (DFB, por sus siglas en inglés) se realiza en un horno en el que (con control adecuado de temperatura y tiempo) el metal de aporte se difunde en las superficies de unión de l...