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• Daniel Noriega

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Soldadura

Introducción La soldadura es un proceso de unión de materiales, en el cual se funden las superficies de contacto de dos o más partes mediante la aplicación de calor o precisión. La integración de las partes que se unen mediante soldadura se llama ensamble soldado. Muchos procesos de soldadura se obtienen solamente por el calor sin aplicar presión. Otros se obtienen mediante una combinación de calor y presión, y unos únicamente por presión sin aportar calor externo. En algunos casos se agrega un material de aporte o relleno para facilitar la fusión. La soldadura se asocia con partes metálicas, pero el proceso también se usa para unir plásticos. La soldadura es un proceso importante en la industria por diferentes motivos: 

Proporciona una unión permanente y las partes soldadas se vuelven una sola unidad.

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La unión soldada puede ser más fuerte que los materiales originales si se usa un material de relleno que tenga propiedades de resistencia superiores a la de los metales originales y se aplican las técnicas correctas de soldar.

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La soldadura es la forma más económica de unir componentes. Los métodos alternativos requieren las alteraciones más complejas de las formas (Ej. Taladrado de orificios y adición de sujetadores: remaches y tuercas). El ensamble mecánico es más pesado que la soldadura.

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La soldadura no se limita al ambiente de fabrica, se puede realizar en el campo.

Además de las ventajas indicadas, tiene también desventajas: 

La mayoría de las operaciones de soldadura se hacen manualmente, lo cual implica alto costo de mano de obra. Hay soldaduras especiales y la realizan personas muy calificadas.

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La soldadura implica el uso de energía y es peligroso.

Desarrollo Soldadura La soldadura es un proceso de fabricación en donde se realiza la unión de dos materiales, (generalmente metales o termoplásticos), usualmente logrado a través de la coalescencia (fusión), en la cual las piezas son soldadas fundiendo ambas y pudiendo agregar un material de relleno fundido (metal o plástico), para conseguir un baño de material fundido (el baño de soldadura) que, al enfriarse, se convierte en una unión fija. A veces la presión es usada conjuntamente con el calor, o por sí misma, para producir la soldadura. Esto está en contraste con la soldadura blanda (en inglés soldering) y la soldadura fuerte (en inglés brazing), que implican el derretimiento de un material de bajo punto de fusión entre piezas de trabajo para formar un enlace entre ellos, sin fundir las piezas de trabajo. Muchas fuentes de energía diferentes pueden ser usadas para la soldadura, incluyendo una llama de gas, un arco eléctrico, un láser, un rayo de electrones, procesos de fricción o ultrasonido. La energía necesaria para formar la unión entre dos piezas de metal generalmente proviene de un arco eléctrico. La energía para soldaduras de fusión o termoplásticos generalmente proviene del contacto directo con una herramienta o un gas caliente.

Clasificación de los tipos de soldaduras: Soldadura heterogénea: Los materiales que se sueldan y el metal de aportación, si lohay, son de la misma naturaleza. Puede ser oxiacetilénica, eléctrica (por arco voltaico o por resistencia), etc. Si no hay metal de aportación, las soldaduras homogéneas se denominan autógenas. Soldadura blanda: Esta soldadura de tipo heterogéneo se realiza a temperaturas por debajo de los 400 oC. El material metálico de aportación más empleado es una aleación de estaño y plomo, que funde a 230 oC aproximadamente. Soldadura fuerte: También se llama dura o amarilla. Es similar a la blanda, pero se alcanzan temperaturas de hasta 800 oC. Como metal de aportación se suelen usar aleaciones de plata, y estaño (conocida como soldadura de plata); o de cobre y cinc . Como material fundente para cubrir las superficies, desoxidándolas, se emplea el bórax. Un soplete de gas aporta el calor necesario para la unión. La soldadura se efectúa generalmente a tope, pero también se suelda a solape y en ángulo. Este tipo de soldadura se lleva a cabo cuando se exige una resistencia considerable en la unión de dos piezas metálicas, o bien se trata de obtener uniones que hayan de resistir esfuerzos muy elevados o temperaturas excesivas. Se admite que, por lo general, una soldadura fuerte es más resistente que el mismo metal que une.

Soldadura autógena: La soldadura por combustión (autógena) es un procedimiento de soldadura homogénea. Esta soldadura realiza llevando hasta la temperatura de fusión de los bordes de la pieza a unir mediante el calor que produce la llama oxiacetilénica que se produce en la combustión de un gas combustible mezclándolo con gas carburante (temperatura próxima a 3055 °C). Se trata de un proceso de soldadura con fusión, normalmente sin aporte externo de material metálico. Es posible soldar casi cualquier metal de uso industrial: cobre y sus aleaciones, magnesio y sus aleaciones, aluminio y sus aleaciones, así como aceros al carbono, aleados e inoxidables. Aunque actualmente ha sido desplazada casi por completo por la soldadura por arco, ya que uno de los problemas que plantea la soldadura oxiacetilénica son las impurezas que introduce en el baño de fusión además de baja productividad y difícil automatización.

Soldabilidad La calidad de una soldadura también depende de la combinación de los materiales usados para el material base y el material de relleno. No todos los metales son adecuados para la soldadura, y no todos los metales de relleno trabajan bien con materiales bases aceptables. Aceros La soldabilidad de aceros es inversamente proporcional a una propiedad conocida como la templabilidad del acero, que mide la probabilidad de formar la martensita durante el tratamiento de soldadura o calor. La templabildad del acero depende de su composición química, con mayores cantidades de carbono y de otros elementos de aleación resultando en mayor templabildad y por lo tanto una soldabilidad menor. Para poder juzgar las aleaciones compuestas de muchos materiales distintos, se usa una medida conocida como el contenido equivalente de carbono para comparar las soldabilidades relativas de diferentes aleaciones comparando sus propiedades a un acero al carbono simple. El efecto sobre la soldabilidad de elementos como el cromo y el vanadio, mientras que no es tan grande como la del carbono, es por ejemplo más significativa que la del cobre y el níquel. A medida que se eleva el contenido equivalente de carbono, la soldabilidad de la aleación decrece.33 La desventaja de usar simple carbono y los aceros de baja aleación es su menor resistencia - hay una compensación entre la resistencia del material y la soldabilidad. Los aceros de alta resistencia y baja aleación fueron desarrollados especialmente para los usos en la soldadura durante los años 1970, y estos materiales, generalmente fáciles de soldar tienen buena resistencia, haciéndolos ideales para muchas aplicaciones de soldadura.34 Aluminio La soldabilidad de las aleaciones de aluminio varía significativamente dependiendo de la composición química de la aleación usada. Las aleaciones de aluminio son susceptibles al agrietamiento caliente, y para combatir el problema los soldadores

aumentan la velocidad de la soldadura para reducir el aporte de calor. El precalentamiento reduce el gradiente de temperatura a través de la zona de soldadura y por lo tanto ayuda a reducir el agrietamiento caliente, pero puede reducir las características mecánicas del material base y no debe ser usado cuando el material base está restringido. El diseño del empalme también puede cambiarse, y puede seleccionarse una aleación de relleno más compatible para disminuir la probabilidad del agrietamiento caliente. Las aleaciones de aluminio también deben ser limpiadas antes de la soldadura, con el objeto de quitar todos los óxidos, aceites, y partículas sueltas de la superficie a ser soldada. Esto es especialmente importante debido a la susceptibilidad de una soldadura de aluminio a la porosidad debido al hidrógeno y a la escoria debido al oxígeno.36

Soldadura por resistencia La soldadura por resistencia implica la generación de calor pasando corriente a través de la resistencia causada por el contacto entre dos o más superficies de metal. Se forman pequeños charcos de metal fundido en el área de soldadura a medida que la elevada corriente (1.000 a 100.000 A) pasa a través del metal. En general, los métodos de la soldadura por resistencia son eficientes y causan poca contaminación, pero sus aplicaciones son algo limitadas y el costo del equipo puede ser alto.

Tipos de materia prima: Se conocen como materias primas a la materia extraída de la naturaleza y que se transforma para elaborar materiales que más tarde se convertirán en bienes de consumo. Las materias primas que ya han sido manufacturadas pero todavía no constituyen definitivamente un bien de consumose denominan productos semielaborados, productos semiacabados o productos en proceso, o simplemente materiales.

Materias primas en crudo    

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De origen vegetal: lino, algodón, De origen animal: pieles, lana, cuero, De origen mineral: hierro, oro, cobre De origen líquido o gaseoso (fluidos): o agua, materia prima para producción por ejemplo de hidrógeno, oxígeno, y producción agrícola en general;  hidrógeno, materia prima para producir, por ejemplo, fertilizantes o aire, materia prima,de esta se extrae nitrógeno De origen fósil: gas natural, petróleo.

Las actividades relacionadas con la extracción de productos de origen animal, vegetal y mineral se les llama materias primas en crudo. En el sector primario se agrupan la agricultura, la ganadería, la explotación forestal, la pesca y la minería, así como todas las actividades dónde se aprovechan los recursos sin modificarlos, es decir, tal como se extraen de la naturaleza.

Materias primas renovables o superabundantes De los cinco grupos de materias primas en crudo, tres se consideran renovables, el grupo vegetal, el animal y el líquido y gaseoso, al "volver" al lugar de partida por si solos, cerrando el ciclo. Las materias primas minerales consideradas superabundantes, las abundancia de los elementos químicos en la superficie terrestre son: Oxígeno, Silicio (SiO2-60%), Aluminio, Hierro, Calcio, Magnesio (MgO-3,1%), Sodio, Potasio, ; y agua, dióxido de carbono, (titanio, TiO2-0,7) y ((fósforo, P2O5-0,2%)) (de la capa superficial, principalmente ya en las plantas, pues es limitante para su crecimiento, junto con el agua, el sol y la temperatura).       

Materias primas vegetales (de tierra y de agua) Materias primas animales (bacterias, de tierra, de agua y de aire) Principales componentes de la corteza terrestre Componentes de la atmósfera Componentes de los océanos Fuentes de energía renovables Fuentes de energía superabundantes (que duran más de 1000 años con tasas de consumo elevadas)

Clasificación de materias primas estructurales Distinguiendo entre "materia prima" para un proceso de fabricación (esta clasificación), y una materia prima en crudo que necesita ser previamente procesado/elaborado/refinado para poder ser usado en un proceso de fabricación. (Los fluidos, energía y vectores de esta quedan excluidos de esta clasificación), esta es exclusivamente para las materias primas de aplicación directa a la producción (refinadas o no), y que formarán parte del producto final (formarán parte, estarán incorporados al producto final, esto es, excluyendo los consumibles). Materias primas estructurales listas para su uso o "materias primas estructurales industriales"

Materias primas al natural (Sin necesidad de ser refinadas, procesadas, válidas en crudo para ser trabajadas)   

Madera Piedra natural Arena

Materias primas compuestas   

Fibras Aglomerado de partículas Aglomerado por capas

Materias primas macizas Metales Acero  o o o o o o o

Acero para construcción Acero cementado Acero nitrados Acero templado Acero para muelles Acero mecanizable Aceros especiales

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Acero para exigencias térmicas y de corrosión o Acero resistente a altas temperaturas o Acero resistente al encendido o Acero resistente al H2 a elevada presión o Aceros resistentes a compuestos químicos

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Acero para herramientas o Acero para trabajo en frío o Acero para trabajo en caliente o Aceros rápidos

Hierro fundido     

Fundición gris Fundición de acero Fundición maleable Fundición blanca Fundición nodular

Metales no férreos 

Metales ligeros o Aluminio y aleaciones o Magnesio y aleaciones o Titanio y aleaciones

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Metales pesados o Cobre y aleaciones o Níquel, Cobalto y aleaciones o Molibdeno y aleaciones o Zinc y cadmio y aleaciones o Estaño y aleaciones o Wolframio y aleaciones o Metales nobles

No metales Materiales inorgánicos   

Cerámicos Cristal Semiconductores

Polímeros   

Termoestables Termoplásticos Elastómeros

Materias primas consumibles Son aquellas necesarias para el proceso de elaboración de un producto sin llegar a formar parte del producto, esto es, que luego quedan excluidas de la composición de este. 

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Energía o Agotables (muy escasas (petróleo, gas), escasas (antracita-carbón de calidad, uranio), medias (lignito-carbón de muy baja calidad, poco transportable por ser mayor el coste energético que lo contenido en el lignito), abundantes (uranio con sistemas de recuperación de combustible-aceleradores rápidos y de plutonio, hasta 1000 años al ritmo actual), muy abundantes (energía de fusión)). o Renovables (hidráulica (sedimentación, cambio del hábitat de los ríos), eólica (posible leve cambio patrones del clima), solar (competencia con las plantas, según el caso, mayor absorción de energía solar-albedo), mareomotriz (tanto olas como mareas, posible leve freno de mareas-giro terrestre), geotérmica (leve enfriamiento más rápido del núcleo, leve peligro de terremotos, según el caso), biomasa (competencia con las tierras de cultivo, con la generación de materia orgánica-regeneración de la tierra fértil)). Agua Aire Tierra

Materias primas en la construcción     

Empleadas en el hormigón: agua, arena Empleadas en morteros: madera, cemento, cal, agua. Empleadas en materiales cerámicos: arcilla Empleadas en Vidrios: arena de sílice Empleadas en papel: madera

Soldadura por arco eléctrico El sistema de soldadura eléctrica con electrodo recubierto se caracteriza, por la creación y mantenimiento de un arco eléctrico entre una varilla metálica llamada electrodo, y la pieza a soldar. El electrodo recubierto está constituido por una varilla metálica a la que se le da el nombre de alma o núcleo, generalmente de forma cilíndrica, recubierta de un revestimiento de sustancias no metálicas, cuya composición química puede ser muy variada, según las características que se requieran en el uso. El revestimiento puede ser básico, rutílico y celulósico. Para realizar una soldadura por arco eléctrico se induce una diferencia de potencial entre el electrodo y la pieza a soldar, con lo cual se ioniza el aire entre ellos y pasa a ser conductor, de modo que se cierra el circuito. El calor del arco funde parcialmente el material de base y funde el material de aporte, el cual se deposita y crea el cordón de soldadura. La soldadura por arco eléctrico es utilizada comúnmente debido a la facilidad de transporte y a la economía de dicho proceso. Elementos

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Plasma: Está compuesto por electrones que transportan la corriente y que van del polo negativo al positivo, de iones metálicos que van del polo positivo al negativo, de átomos gaseosos que se van ionizando y estabilizándose conforme pierden o ganan electrones, y de productos de la fusión tales como vapores que ayudarán a la formación de una atmósfera protectora. Esta misma alcanza la mayor temperatura del proceso.

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Llama: Es la zona que envuelve al plasma y presenta menor temperatura que éste, formada por átomos que se disocian y recombinan desprendiendo calor por la combustion del revestimiento del electrodo. Otorga al arco eléctrico su forma cónica.

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Baño de fusión: La acción calorífica del arco provoca la fusión del material, donde parte de éste se mezcla con el material de aportación del electrodo, provocando la soldadura de las piezas una vez solidificado.

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Cráter: Surco producido por el calentamiento del metal. Su forma y profundidad vendrán dadas por el poder de penetración del electrodo.

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Cordón de soldadura: Está constituido por el metal base y el material de aportación del electrodo y se pueden diferenciar dos partes: la escoria, compuesta por impurezas que son segregadas durante la solidificación y que posteriormente son eliminadas, y sobre el espesor, formado por la parte útil del material de aportación y parte del metal base, la soldadura en sí.

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Electrodo: Son varillas metálicas preparadas para servir como polo del circuito; en su extremo se genera el arco eléctrico. En algunos casos, sirven también como material fundente. La varilla metálica a menudo va recubierta por una combinación de materiales que varían de un electrodo a otro. El recubrimiento

en los electrodos tiene diversa funciones, éstas pueden resumirse en las siguientes: o Función eléctrica del recubrimiento o Función física de la escoria o Función metalúrgica del recubrimiento

Composición del Electrodo Una celda electroquímica, caracterizada porque comprende: un electrodo positivo; un electrodo negativo que incluye una aleación de almacenamiento de hidrógeno; y electrolito en donde el electrodo positivo comprende una composición activa que incluye un material de hidróxido de níquel, cobalto, óxido de cobalto y un polímero conductor, el porcentaje de peso del polímero conductor es de entre aproximadamente 0.1 por ciento en peso y aproximadamente 0.8 por ciento en peso la composición activa, en donde el polímero conductor incluye por lo menos un material seleccionado del grupo que consiste de polímeros basándose en polianilina, polímeros a base de politiofeno, polímeros a base de polietileno, polímeros a base de dioxitiofeno, polímeros a base de pliparafenilenvinileno y mezclas de los mismos.

Ensayos aplicados a las soldaduras: 1. Inspección de liquido penetrante: Líquidos Penetrantes (PT) El método o prueba de líquidos penetrantes (PT), basado en el principio físico conocido como "Capilaridad",consiste en la aplicación de un líquido con buenas características de penetración, a continuación se aplica un líquido absorbente, comúnmente llamado revelador, de color diferente al líquido penetrante, el cual absorberá el líquido que haya penetrado, revelando las aberturas superficiales.

2. Prueba Radiográfica (RT) La radiografía como método de prueba no destructivo, se basa en la capacidad de penetración que caracteriza a los Rayos X y a los Rayos Gama. Con este tipo de emisiones es posible irradiar un material y, si internamente este material presenta cambios internos considerables como para dejar pasar o retener dicha radiación, entonces es posible determinar la presencia de estas irregularidades, simplemente midiendo o caracterizando la radiación incidente contra la radiación retenida o liberada por el material. Comúnmente, una forma de determinar la radiación que pasa a través de un material, consiste en colocar una película radiográfica, cuya función es cambiar de tonalidad en el área que recibe radiación. El resultado queda plasmado en la película radiográfica situada en la parte inferior del material metálico.

Química de la soldadura Para realizar el estudio higiénico en puestos de soldadura debemos tener en cuenta: • El material base que, en ocasiones, va recubierto con sustancias protectoras contra la corrosión. • El material de aportación con sus correspondientes sustancias protectoras de soldaduras (gases, escorias, fundentes, desoxidantes, etc.). Al aplicar el foco calorífico sobre el material base, se originan óxidos correspondientes que pasan al ambiente en forma de humos. Así mismo hay que tener en cuenta el tipo de soldadura a emplear, siendo aquella que alcance mayor temperatura la que con más facilidad producirá humos metálicos. Entre los humos metálicos que nos podemos encontrar en los procesos de soldeo, distinguiremos aquellos que son: • Tóxicos o irritantes como el cadmio, cromo, manganeso, cinc, mercurio, níquel, titanio, vanadio, plomo y molibdeno. •

Neumoconióticos poco peligrosos como el aluminio, hierro, estaño y carbón.

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Neumoconióticos muy peligrosos: Asbestos, sílice y berilio.

b) Gases que se desprenden al soldar, bien porque se utilice para proteger la soldadura (CO2, argón, helio, etc.) o bien porque se desprenden de los revestimientos de electrodos o piezas a soldar.

Así, encontramos vapores nitrosos, siendo el NO2 el que en mayor concentración nos encontramos. Las operaciones realizadas al arco con electrodo revestidos son las que dan una mayor concentración de estos vapores y por consiguiente el más peligroso es el corte al arco con electrodo de Tungsteno. Cuando el soplete quema al vacío, las concentraciones de NO2 son mayores que durante el proceso de soldeo. El mayor peligro de los óxidos de nitrógeno consiste en que su presencia pasa inadvertida, hasta que sobreviene la intoxicación. El ozono (O3) es otro de los gases que nos vamos a encontrar, producido por la emisión de rayos ultravioleta que generan las operaciones de soldadura. La producción de O3 es menor cuando el gas protector es argón que cuando es helio. En cuanto al proceso de soldadura, a mayor densidad de corriente, mayor concentración de ozono, siendo la soldadura al plasma la que mayor concentración de ozono produce.

Conclusión El proceso de soldadura fuerte es un medio efectivo de crear uniones resistentes, dúctiles, conductoras tantas térmicas como eléctricamente, además de ofrecer gran resistencia a las fugas siempre y cuando se conozcan y se aplique adecuadamente los fundamentos del proceso. Los expertos de soldadura fuerte consideran que para las aleaciones de base plata de baja temperatura, si no se alcanza un 70 % de recubrimiento en la unión, la técnica necesitaría ser mejorada, por otro lado no debería esperarse tener más de un 85 % de solidez en la junta. Algunas compañías que utilizan este procedimiento son más generosas y permiten tener hasta un 60 % de material de aporte en la unión para que se considere aceptable.