Procesos de Soldeo

ESOL

CESOL TEMA 1.12.5 OTROS PROCESOS DE SOLDEO

IWE -MDULO 1

En la elaboracin de este texto han colaborado:

D. Rafael Bermejo Guillamn

D. Jos Ramn Ibars Almonacil

Este texto es propiedad integrar de la Asociacin Espaola de Soldadura y Tecnologas de Unin, en adelante CESOL.

Queda terminantemente prohibida cualquier reproduccin del mismo sin autorizacin expresa por parte de CESOL.

ASOCIACIN ESPAOLA DE SOLDADURA Y TECNOLOGAS DE UNIN CESOL

Curso de formacin de Ingenieros Internacionales de SoldaduraIWE Revisin 2 Diciembre 2012

Mdulo I. Tema 1.12.5 Otros Procesos de Soldeo

III

1. SOLDEO POR HAZ DE ELECTRONES ........................................................................................ 1

1.1. Definicin ............................................................................................................................... 1

1.2. Descripcin General ............................................................................................................... 2

1.3. Clasificacin de los procesos de EBW .................................................................................... 4

1.3.1. Soldadura a alto vaco ............................................................................................................ 5

1.3.2. Soldeo en medio vaco ........................................................................................................... 8

1.3.3. Soldeo atmosfrico ................................................................................................................ 8

1.4. Ventajas y limitaciones......................................................................................................... 10

1.5. Seleccin de los valores de las variables de soldadura ........................................................ 12

1.6. Preparacin y Diseo de la unin......................................................................................... 13

1.6.1. Soldeo a tope ....................................................................................................................... 15

1.6.2. Soldeo en ngulo .................................................................................................................. 15

1.6.3. Soldeo en T ........................................................................................................................... 16

1.6.4. Unin a solape y en borde ................................................................................................... 16

1.7. Soldeo de distintos materiales ............................................................................................. 17

1.7.1. Soldeo de acero al carbono .................................................................................................. 17

1.7.2. Soldeo de aceros endurecibles ............................................................................................ 17

1.7.3. Aceros de baja aleacin ....................................................................................................... 18

1.7.4. Aceros HLSA ......................................................................................................................... 18

1.7.5. Aceros de alto contenido en carbono y aceros de herramientas ........................................ 18

1.7.6. Soldeo de acero inoxidable .................................................................................................. 19

1.7.7. Soldeo de aleaciones de alta resistencia al calor ................................................................. 19

1.7.8. Soldeo de metales refractarios ............................................................................................ 19

1.7.9. Soldeo del aluminio .............................................................................................................. 21


Revisin 2 Diciembre 2012 Curso de formacin de Ingenieros Internacionales de SoldaduraIWE


IV

1.7.10. Soldeo de aleaciones base cobre ................................................................................... 22

1.7.11. Soldeo del magnesio y aleaciones ................................................................................. 22

1.7.12. Soldeo del Titanio .......................................................................................................... 23

1.7.13. Soldeo del Berilio ........................................................................................................... 23

1.8. Seguridad e Higiene ............................................................................................................. 23

2. SOLDEO POR DIFUSIN ....................................................................................................... 24

2.1. Definicin ............................................................................................................................. 24

2.2. Mecanismos del soldeo por difusin ................................................................................... 25

2.3. Ventajas y limitaciones ........................................................................................................ 27

2.4. Variables del proceso........................................................................................................... 28

2.4.1. El estado superficial ............................................................................................................. 28

2.4.2. Temperatura ........................................................................................................................ 28

2.4.3. Tiempo ................................................................................................................................. 29

2.4.4. Presin ................................................................................................................................. 29

2.5. Soldeo por difusin con lminas intermedias ..................................................................... 30

2.6. Equipos de soldeo por difusin ........................................................................................... 31

2.7. Aplicaciones ......................................................................................................................... 32

2.7.1. Ejemplos de aplicaciones ..................................................................................................... 33

3. SOLDEO POR ULTRASONIDOS .............................................................................................. 35

3.1. Definicin ............................................................................................................................. 35

3.2. Clasificacin de los mtodos de la soldadura por ultrasonidos .......................................... 36

3.3. Mecanismos del proceso ..................................................................................................... 38

3.3.1. Distribucin de tensiones .................................................................................................... 38

3.3.2. Variacin de la temperatura en la zona de soldeo .............................................................. 38




V

3.3.3. Requisitos de energa y soldabilidad .................................................................................... 39


3.5. Soldabilidad de materiales por soldeo por ultrasonidos ..................................................... 40

3.6. Equipos de soldeo por ultrasonidos ..................................................................................... 41

3.7. Aplicaciones ......................................................................................................................... 43

3.8. Seguridad e higiene .............................................................................................................. 43

4. SOLDEO POR FRICCIN ........................................................................................................ 44

4.1. Definicin ............................................................................................................................. 44

4.2. Tipos de soldeo por friccin ................................................................................................. 45

4.3. Mecanismos del soldeo por friccin .................................................................................... 47

4.4. Variables del proceso ........................................................................................................... 47

4.4.1. Soldeo con movimiento continuo ........................................................................................ 47

4.4.2. Soldeo inercial ...................................................................................................................... 49


4.6. Metales soldados por friccin .............................................................................................. 50

4.7. Aplicaciones ......................................................................................................................... 51


5. Soldeo por friccin agitacin (Friction Stir Welding) ........................................................... 52

5.1. Principios de operacin ........................................................................................................ 52

5.2. Caractersticas microestructurales ....................................................................................... 53

5.3. Parmetros de soldeo principales ........................................................................................ 55

5.4. Velocidades de rotacin de la herramienta y de avance transversal .................................. 55

5.4.1. Inclinacin de la herramienta y profundidad de entrada .................................................... 56

5.4.2. Diseo de la herramienta ..................................................................................................... 57




VI

5.4.3. Geometra de las uniones .................................................................................................... 58

5.5. Aplicaciones ......................................................................................................................... 58

5.5.1. Industria naval y marina ...................................................................................................... 58

5.5.2. Industria aeroespacial.......................................................................................................... 58

5.5.3. Transporte terrestre ............................................................................................................ 59

5.5.4. Otros sectores industriales .................................................................................................. 59

5.6. Comparacin con el proceso de soldeo por arco elctrico ................................................. 60

6. SOLDEO EN FRO .................................................................................................................. 60

6.1. Definicin ............................................................................................................................. 60

6.2. Procesos de soldeo fro ........................................................................................................ 61

6.2.1. Soldeo a tope ....................................................................................................................... 61

6.2.2. Soldeo a solape .................................................................................................................... 62

6.3. Metales soldables en fro ..................................................................................................... 63

6.4. Equipos de soldeo en fro .................................................................................................... 63

6.5. Aplicaciones ......................................................................................................................... 64

7. SOLDEO POR TERMITA ......................................................................................................... 65

7.1. Definicin ............................................................................................................................. 65

7.2. Principios del soldeo por termita ........................................................................................ 65

7.3. Parmetros metalrgicos..................................................................................................... 67

7.4. Aplicaciones ......................................................................................................................... 69

7.4.1. Soldeo de rales .................................................................................................................... 69

7.4.2. Reparacin de componentes metlicos .............................................................................. 70

7.4.3. Soldeo de barras de refuerzo (armaduras) .......................................................................... 71

7.4.4. Conexiones elctricas .......................................................................................................... 72




VII


8. SOLDEO DE ESPRRAGOS..................................................................................................... 73

8.1. Soldeo de esprragos al arco ............................................................................................... 73

8.1.1. Principios de operacin ........................................................................................................ 73

8.1.2. Diseo para soldeo de esprragos al arco ........................................................................... 75

8.1.3. Esprragos ............................................................................................................................ 76

8.1.3.1. Material de los esprragos ......................................................................................... 76

8.1.3.2. Diseos de esprragos ................................................................................................ 77

8.1.4. Casquillos ............................................................................................................................. 79

8.1.5. Procesos especiales .............................................................................................................. 79

8.1.6. Equipos de soldeo de esprragos al arco ............................................................................. 80

8.1.6.1. Relacin intensidad- tiempo ....................................................................................... 82

8.1.7. Consideraciones metalrgicas ............................................................................................. 83

8.1.8. Materiales soldados ............................................................................................................. 83

8.1.8.1. Aceros ......................................................................................................................... 83

8.1.8.2. Metales no frreos ..................................................................................................... 84

8.1.9. Control de calidad e inspeccin ........................................................................................... 86

8.2. Soldeo de esprragos por descarga capacitiva .................................................................... 89

8.2.1. Definicin y descripcin general .......................................................................................... 89

8.2.2. Principios de operacin ........................................................................................................ 89

8.2.2.1. Mtodo de contacto inicial ......................................................................................... 89

8.2.2.2. Mtodo de separacin inicial ..................................................................................... 90

8.2.2.3. Mtodo de arco estirado ............................................................................................ 90

8.2.3. Diseo para el soldeo de esprragos mediante descarga capacitiva .................................. 91




VIII

8.2.4. Esprragos ........................................................................................................................... 92

8.2.4.1. Material de los esprragos ......................................................................................... 92

8.2.4.2. Diseo de los esprragos ........................................................................................... 92

8.2.4.3. Equipos de soldadura ................................................................................................. 93

8.2.5. Control de calidad e inspeccin ........................................................................................... 94

8.3. Ventajas y limitaciones del soldeo de esprragos ............................................................... 94




1

1. SOLDEO POR HAZ DE ELECTRONES

1.1. Definicin

El soldeo por haz de electrones es un proceso de soldeo por fusin, donde el calentamiento

preciso para la fusin del material base y de aporte, se consigue mediante el impacto de un haz

de electrones, de alta densidad de energa (del orden de 108 W/cm2) con la pieza a soldar. Los

electrones que constituyen el haz, gozan de alta velocidad (del orden de 0.3-0.7 la velocidad de

la luz), al haber sido acelerados en un campo electroesttico con una elevada diferencia de

potencial (25-200 kV). La conversin instantnea de la energa cintica de los electrones en calor

(se alcanzan temperaturas del orden de 14.000 C), al chocar con las piezas a unir, favorece la

formacin de un ojo de cerradura (keyhole), mediante el cual se produce el soldeo de las

mismas.

La alta potencia desarrollada, por un lado, y la capacidad de enfocar el haz en un foco de

reducidas dimensiones (dimetro de 0.251.3 mm), hace que este proceso desarrolle la ms alta

densidad de energa, de entre todos los procesos de soldeo (108 W/cm2, que es superior al

lser).

El haz de electrones se genera y acelera en un can de electrones, cuyos componentes bsicos

son el un emisor o ctodo (filamento de volframio o tntalo), un electrodo-bias y un nodo.

Asimismo el sistema dispone de sistemas electromagnticos (bobinas) de enfoque y deflexin

del haz, sistema de alto vaco (13 MPa) para la generacin del haz, cmara de alto o medio vaco

para el procesado de piezas, sistemas de proteccin contra la emisin de radiacin X, tiles y

sistemas de posicionado.

El haz de electrones no es visible, solamente cuando el chorro de electrones interfiere con

molculas (por ejemplo de aire), la excitacin de las mismas por el impacto hace visible el haz.

Figura 1. Esquema de un can de electrones




2

1.2. Descripcin General

La parte fundamental de un sistema de soldadura por haz de electrones es el can (figura 2).

Los electrones son generados cuando el filamento del ctodo se calienta (2.500 C), como

consecuencia del paso a su travs de una corriente elctrica (corriente del haz). La emisin de

los electrones est gobernada por el fenmeno de emisin termoinica. Los electrones as

emitidos, y con carga negativa, son acelerados y dirigidos a un nodo perforado, cargado

positivamente.

1. Haz de electrones.

2. Electrodo.

3. nodo.

4. Vlvula de aislamiento.

5. Prisma ptico.

6. Telescopio ptico.

7. Bobina magntica de enfoque.

8. Bobina de deflexin.

9. Pieza.

10. Cmara de vaco.

11. Bomba de vaco.

12. Vlvula de vaco.

13. Vlvula de vaco.

14. Cable de alto voltaje.

15. Ctodo.

Figura 2. Descripcin del equipo de soldeo por haz de Electrones

Existen dos tipos bsicos de caones de electrones, el del tipo diodo y el del tipo trodo. El can

de trodo est compuesto por el tro ctodorejilla (electrodo-bias) nodo. El ctodo est

compuesto por el filamento emisor de electrones y el electrodo-bias. El electrodo-bias (o rejilla)

est conectado a un potencial ms negativo que el filamento, lo que permite colimar el haz

(concentrarlo). El nodo conectado al polo positivo, establece la diferencia de potencial

necesaria para acelerar los electrones. Modificando la diferencia de potencial negativo entre el

filamento emisor y el electrodo-bias, permite alterar el flujo de electrones, pudiendo conmutar

el haz, o establecer rampas de intensidad de haz de inicio y de final de soldeo.

Los electrones atraviesan a alta velocidad el pequeo orificio practicado en el nodo,

dirigindose a la pieza de trabajo. Tras abandonar el nodo los electrones tienen una tendencia

natural a separarse unos de otros, debido a la alta agitacin trmica radial que poseen y a la

repulsin electroesttica entre cargas del mismo signo, lo que se traduce en una dispersin del

haz. Con objeto de volver a colimar el haz y focalizarlo sobre la pieza de trabajo, la columna del

can dispone de un sistema de lentes magnticas (bobinas). A continuacin otro conjunto de

bobinas permiten la deflexin del haz, lo que nos proporciona la posibilidad de oscilar el haz, o

proporcionarle cierto ngulo de ataque.




3

Sea cual sea la tcnica utilizada, el can de electrones debe operar a un vaco de cmo mnimo

13 MPa, siendo este necesario para evitar la oxidacin del filamento emisor, mantener en buen

estado el resto de componentes y evitar saltos de arco elctrico entre los electrodos.

Los parmetros que gobiernan la cantidad de calor que el haz suministra a la pieza de trabajo,

son los siguientes:

La corriente del haz, que es el nmero de electrones que inciden en la pieza por unidad

de tiempo (igual al nmero de electrones generados por el filamento por unidad de

tiempo, y estos proporcionales a la intensidad que circula por el mismo).

El voltaje de aceleracin entre el ctodo y el nodo, que imprime la energa cintica a

los electrones.

El tamao de foco. El grado de concentracin del haz.

La velocidad de soldeo, es decir, la velocidad relativa entre la pieza y el haz.

Los voltajes e intensidades de haz normalmente utilizados, caen en los rangos de 30-200kV y 0.5-

1500 mA, respectivamente. Los dimetros de foco, en los que se puede concentrar el haz, caen

en el margen de 0.25 a 1.3 mm, lo que genera densidades de energa de hasta 108 W/cm2. El

tamao final de foco depende de varios factores, como son en diseo del can, la corriente de

enfoque que controla la longitud focal y en consecuencia la localizacin del foco, la distancia

canpieza, el voltaje de aceleracin y la corriente del haz.

El producto de la intensidad del haz por el voltaje de aceleracin define la potencia del haz, y en

consecuencia la cantidad de metal vaporizado y fundido.

La velocidad de soldeo afecta a la penetracin y geometra del cordn, por cuanto un

incremento en la misma, manteniendo el resto de parmetros constantes, disminuye la

penetracin y el ancho del cordn.

Una disminucin de la densidad de energa, por bajada de potencia o incremento del dimetro

del haz, supone una disminucin de la penetracin y un incremento del ancho del cordn. De

hecho en ocasiones se utiliza un haz desfocalizado (foco grande), para dar una pasada de

acabado sobre un cordn previo, que permita mejorar su aspecto superficial, eliminando por

ejemplo mordeduras.

Es posible utilizar el haz en modo pulsado con objeto de controlar el aporte trmico, o incluso

hacerlo oscilar ligeramente.

Los equipos ms habituales disponen de una potencia de 30 kW, aunque los hay disponibles con

potencias de hasta 200 kW.

La alta densidad de energa que proporciona el haz de electrones nos permite alcanzar

temperaturas del orden de 14.000 C, temperatura a la cual vaporiza, prcticamente, cualquier




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material metlico. Por esta razn cuando el haz incide sobre la superficie del material vaporiza

una pequea porcin del mismo, formndose un hueco relleno de vapor que penetra a gran

profundidad en la pieza. Debido al movimiento relativo entre el haz y la pieza, este hueco se

desplaza a lo largo de la misma, creando el cordn de soldadura. La formacin del cordn

acontece debido a los siguientes eventos:

En torno al hueco de vapor (ojo de cerradura) se forma un lmite de metal fundido.

Dicho metal fundido se mueve desde el frente del orificio a su parte trasera.

El metal fundido por detrs va cerrando el hueco de vapor y se solidifica, conforme el

haz avanza.

La geometra del cordn de soldadura se caracteriza por una relacin profundidad a anchura

alta, lo que genera anchos de zona afectada por el calor tambin estrechos. As por ejemplo el

ancho de una soldadura sobre chapa de acero al carbono de 12.5 mm de espesor es de tan solo

1.5 mm, lo que difiere claramente de otros procesos de soldeo al arco.

Las mximas penetraciones y calidad de soldadura se alcanzan con el soldeo en cmara de alto

vaco, ya que con ello evitamos la dispersin del haz, por impacto de los electrones con

partculas del ambiente (molculas, tomos).

Si atendemos al voltaje de aceleracin, los caones de electrones se dividen en:

Mquinas de alto voltaje (100200 kV). Esta mquinas utilizan bajas intensidades de haz

(40 mA). Proporcionan soldadura de alta penetracin y ancho reducido (relaciones de

25:1). Proporcionan la posibilidad de soldar con altas distancias canpieza. Operan a

alto, medio y no vaco. En soldeo atmosfrico debe trabajar con distancias por debajo de

25 mm.

Maquinas de bajo voltaje (1560 kV). Operan con intensidades altas del orden de 500

mA. Equipos ms econmicos y sencillos de mantener. Operan en medio y alto vaco. El

cabezal puede ser mvil.

1.3. Clasificacin de los procesos de EBW

Dependiendo del grado de vaco al que se somete la cmara en cuyo interior se va a proceder al

soldeo de la pieza de trabajo, podemos clasificar el soldeo por haz de electrones como:

Soldeo de alto vaco. El vaco practicado en la cmara es del orden de 0.13130 MPa.

Soldeo de vaco medio. El vaco practicado en la cmara es del orden 0.133300 Pa.

Soldeo atmosfrico. No se practica vaco en la cmara de trabajo. Esto no quiere decir

que el can no requiera de un alto vaco para su correcto funcionamiento, que como

mnimo deber de ser de 13 MPa. En este caso la proteccin de la pieza durante su

procesado se realiza con un chorro de gas inerte.




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El soldeo de alto y medio vaco requiere el bombeo de la cmara de trabajo al vaco

especificado, lo que supone, no solo un coste adicional en equipos capaces de conseguir tales

vacos, sino de un mayor tiempo de produccin. El vaco medio aplica cuando la calidad de las

soldadura que se obtiene es suficiente y el incremento de la productividad, debido a la

reduccin de tiempos de bombeo lo hace atractivo. En el soldeo sin vaco el sistema de salida del

haz del can de electrones, recordemos a una presin de 13 MPa, a una presin atmosfrica, se

realiza a travs de sucesivas (normalmente tres) cmaras con presiones crecientes. Para ello los

orificios de salida del haz de cada cmara son lo suficientemente pequeos para evitar la

contaminacin con molculas del exterior, y lo suficientemente amplios para permitir la salida

del haz y su maniobrabilidad (figura 3).

(A) (B) (C)

Figura 3. Tipos de dispositivos para el soldeo por haz de electrones

1.3.1. Soldadura a alto vaco

Las ventajas de utilizar esta tcnica son las siguientes:

Se obtienen alta penetraciones con relaciones penetracinanchura del cordn del

orden de 50:1, lo que minimiza la distorsin y contraccin del cordn.

Bajo nivel de contaminacin, prcticamente nulo, del metal de soldadura, al trabajar a

vaco.

Permite grandes distancias entre el can y la pieza, al no producirse la dispersin del

haz por colisin con otras partculas. Esto facilita el soldeo de uniones de difcil acceso.

Su principal limitacin es su baja produccin, ya que requiere altos tiempos de bombeo para

lograr el vaco. Esto en parte se puede solucionar introduciendo mayor nmero de piezas en la

cmara, pero asimismo el nmero de piezas a introducir en la cmara est limitado por el

tamao de la misma, que deber ser el menor posible, para a su vez limitar los tiempos de

bombeo. Solo la alta calidad de las soldaduras realizadas puede competir con su baja

produccin.




6

El tiempo de bombeo est condicionado, fundamentalmente, por el tamao de la cmara, el tipo

de bomba(as), y el grado de vaco buscado. Con objeto de alcanzar los vacos tpicos de este

proceso (13MPa), se precisa un doble sistema de bombas, mecnicas y difusora. As una cmara

de 1.1 m3, requiere un equipamiento compuesto por una bomba difusora de 250 m3/min, ms

una bomba mecnica de 17 m3/min, para conseguir un vaco de 40 MPa en 4 minutos. Por el

contrario una cmara de 11 m3, precisara una difusora de 1070 m3/min, y una mecnica de 37

m3/min, para lograr los mismos 40 MPa, en 12 minutos.

La presencia de suciedad o humedad en la cmara incrementa notablemente el tiempo

necesario para conseguir el vaco.

Esta tcnica est pensada para aplicaciones de alta precisin donde la contaminacin con

oxgeno o nitrgeno puede ocasionar problemas graves. Tales aplicaciones se enmarcan dentro

de la industria nuclear, aeronutica, electrnica y fabricacin de armas (e.g. misiles). Ejemplo de

elementos soldados con este proceso son, elementos de combustible nuclear, recipientes a

presin para sistemas de propulsin de cohetes, componentes de motor hechos con metales

reactivos o refractarios.

Este proceso est especialmente indicado para el soldeo de metales reactivos como el titanio o

el zirconio.

La baja dispersin de haz que caracteriza a este proceso solo es posible si se garantiza un vaco

mnimo de la cmara de 0.13 Pa. Siendo as el haz puede concentrarse en un foco de reducidas

dimensiones a una distancia de decenas de centmetro. Presiones superiores, favorecen la

colisin del haz con otras partculas, provocando su dispersin y reduciendo, por tanto, las

mximas distancias canpieza. Asimismo el vaco favorece la desgasificacin del bao de

fusin.

760 Torr 500 Torr 250 Torr 50 Torr 5 Torr

Figura 4. Efecto de la presin ambiental en la dispersin del haz




7

Con este proceso se consigue los cordones ms estrechos posibles, lo que incluso nos permite

soldar aleaciones con tratamiento trmico, sin que se produzca una prdida acusada de sus

propiedades.

El soldeo en alto vaco puede realizarse con mquinas de alto voltaje o de bajo voltaje. Los

parmetros utilizados varan:

Voltaje de aceleracin: 15-185 kV.

Corriente de haz: 21000 mA.

Velocidad: 1000-5000 mm/min.

El ajuste preciso de los parmetros depende del aporte trmico oportuno. La penetracin

aumenta al aumentar el voltaje o la corriente del haz, o al disminuir la velocidad de soldeo (tabla

1 y figura 5).

Tabla 1. Energa aportada por unidad de longitud para los metales indicados

Penetracin

(mm)

Cu (kJ/mm) Fe (kJ/mm) Ni (kJ/mm) Al (kJ/mm) Mg (kJ/mm)

6.35 0.3 0.2 0.2 0.1 0.04

12.7 0.6 0.4 0.3 0.2 0.1

19.1 1.0 0.7 0.60 0.3 0.2

25.4 1.5 1.1 0.9 0.5 0.3

38.1 2.4 1.8 1.5 0.9 0.6

50.8 3.4 2.7 2.4 1.4 0.9

63.5 4.4 3.5 3.1 1.9 1.1

76.2 5.4 4.4 3.9 2.3 1.4

10

-4 Torr 10

-3 Torr 5x10

-2 Torr 10

-1 Torr 2x10

-1 Torr 3x10

-1 Torr

Figura 5. Efecto de la presin de la cmara sobre la geometra del cordn




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1.3.2. Soldeo en medio vaco

Con esta tcnica se reduce el tiempo de bombeo, con lo que se eleva la productividad. El uso de

cmaras pequeas, reducen el tiempo de bombeo a unos segundos. Esta ventaja econmica es

su principal aportacin.

Este proceso se utiliza en la fabricacin en serie de piezas pequeas similares. Esta coyuntura se

presenta sobre todo en el campo de la automocin, especialmente en la fabricacin de

componentes de cajas de cambio.

Dada la alta concentracin de aire en la cmara (100 ppm), no es posible utilizar esta tcnica

para el soldeo de metales reactivos (titanio o zirconio). Asimismo la presencia de molculas de

aire en la cmara genera mayor dispersin del haz, lo que obliga a limitar las distancias can

pieza. Asimismo los cordones obtenidos con la misma potencia de haz, son ms anchos y menos

profundos (5-10% menos que con alto vaco). La relacin profundidadancho del cordn es de

aproximadamente 10:1.

Para conseguir los niveles de vaco propios de esta tcnica (13 Pa) no es necesaria una bomba

difusora, bastando una bomba mecnica a tal fin. As una bomba de 37 m3/min, vaca una

cmara de 0.14 m3 en 20 segundos, y una cmara de 0.014 m3 en tan solo 5 segundos.

Existen sistemas automatizados capaces de procesar 1500 piezas a la hora

1.3.3. Soldeo atmosfrico

Su principal ventaja es la eliminacin de las limitaciones que impone el practicar el vaco en la

cmara de trabajo. En este sentido no hay tiempo de bombeo, por lo que aumenta la

productividad, y no existen tantas limitaciones con relacin al tamao de la pieza.

La relacin penetracinanchura del cordn, es baja, comparada con los procesos anteriores. La

alta dispersin del haz que ocasiona la atmsfera obliga a distancias can-pieza pequeas (del

orden de 4 mm)

Dado el sistema existente para mantener el vaco dentro del can y operara a presin

atmosfrica fuera, compuesto por varias cmaras a distintas presiones con orificios de salida de

reducidas dimensiones, este proceso no puede producir la deflexin del haz, como lo hace el de

alto vaco, lo que lo limita en cuanto a la geometra de las piezas a procesar, por razones de

accesibilidad de la unin. El haz tampoco puede sufrir oscilacin con este proceso.

La penetracin del haz est condicionada por factores como la velocidad de soldadura, la

distancia canpieza, la potencia del haz y el tipo de atmsfera que atraviesa ste. La figura 6

muestra la penetracin para tres distintos niveles de energa, dependiendo de la velocidad de

soldeo. De sta se deduce que un incremento en la velocidad de soldeo, requiere un incremento

en la potencia del haz, si queremos mantener el mismo nivel de penetracin.




9

Figura 6. Velocidad versus penetracin a distintas potencias

La figura 7 sintetiza el efecto que tiene la atmsfera circundante y la distancia canpieza,

sobre la velocidad de proceso y penetracin. La penetracin que se consigue con helio es mayor

que la conseguida con aire o argn, ya que su menor densidad ocasiona un menor nivel de

interferencias con el haz, y en consecuencia menor dispersin del mismo. Para una penetracin

y distancia can pieza dadas, con helio se puede soldar a mayor velocidad que con aire o argn.

Figura 7. Efecto sobre la penetracin y la velocidad de la atmsfera de proteccin en el soldeo por haz

de electrones atmosfrico de acero AISI 4340 (175 kV, 6.4 kW)




10

La distancia canpieza, oscilar entre 9.522 mm en una atmsfera de aire, incrementndose

a 2550 mm, si el haz est inmerso en una atmsfera de helio.

Un incremento en la potencia del haz, por encima de los 50 kW, hace ms eficiente la

penetracin de este proceso. Esto es debido a que el incremento de potencia del haz produce

una disminucin de la densidad de la atmsfera, por incremento de su temperatura,

disminuyendo a su vez el nivel de interferencia del haz con otras partculas. Se han conseguido

penetraciones mximas de 9.5 mm.

Entre las aleaciones que se han soldado con xito con este proceso, estn los aceros al carbono,

aceros de baja aleacin, aceros inoxidables, aleaciones base cobre, aleaciones resistentes a la

termofluencia, y aleaciones de aluminio. Normalmente se utiliza un gas de proteccin con objeto

de obtener uniones de calidad.

El hecho de no tener que practicar el vaco, no exime a este proceso de la necesidad de disponer

de una cmara que asle la zona de soldeo, para evitar que la emisin de rayos X, pueda alcanzar

al personal del taller.

Dado que el bao de fusin se caracteriza por tener un perfil ms triangular, esto repercute en

un mayor nivel de distorsin, si lo comparamos con los procesos anteriores. La contraccin

transversal que sufre, no obstante, es la mitad que la que origina el TIG.

Normalmente este proceso no utiliza metal de aporte, salvo aquellos casos en los que el riesgo

de agrietamiento en caliente es alto, en cuyo caso su uso, bien en forma de alambre o como

injerto, est recomendado.

Esta tcnica opera normalmente con voltajes de 150200 kV y distancias canpieza de 13-

50mm. Se fija la tensin, la distancia canpieza lo ms baja posible, la velocidad de soldeo lo

ms alta posible, y se manipula la intensidad del haz para alcanzar la penetracin deseada.

Un chorro de aire o de gas inerte barre transversalmente la ventana de salida del haz para evitar

la contaminacin con vapores del interior del can.

1.4. Ventajas y limitaciones

Las ventajas del haz de electrones derivan de sus caractersticas nicas, como son la ms alta

densidad de energa, su fcil control y el vaco como medio de proteccin. Sus principales

ventajas son las siguientes:

Ofrece un perfil transversal del bao de fusin profundo y estrecho, en comparacin con

los procesos de soldeo al arco. Esto nos permite ejecutar soldaduras en grandes

espesores en una sola pasada.




11

El aporte trmico es ms bajo, lo que reduce los problemas relacionados con la

distorsin y con las posibles transformaciones metalrgicas en metal de soldadura y

zona afectada trmicamente. La ZAT es ms estrecha.

Se minimiza la contaminacin con oxgeno y nitrgeno, en el soldeo con vaco.

El haz puede proyectarse a 510 mm de distancia, lo que facilita la ejecucin de uniones

de difcil acceso en piezas de formas complicadas.

La alta densidad de energa permite soldar a altas velocidades, ya que la velocidad de

fusin de los materiales es muy alta. En este sentido se puede considerar al haz de

electrones como de alta productividad, si atendemos al tiempo de ejecucin del cordn

de soldadura.

Es un proceso que normalmente no utiliza material de aporte, salvo que se quiera

prevenir, por ejemplo, un riesgo de agrietamiento en caliente.

Podemos soldar piezas hermticas, manteniendo el vaco en su interior, soldando a alto

vaco.

Podemos provocar oscilacin y deflexin del haz por medios magnticos, lo que nos

permite abordar el soldeo de piezas complicadas.

Tiene una eficiencia de conversin energtica del orden del 65%, ligeramente superior a

la de los procesos de soldeo por arco y muy superior a la del lser (10%).

Permite el soldeo de componentes sensibles al calor, sin riesgo de deterioro, lo que lo

hace muy til en la industria electrnica.

Permite el soldeo de materiales endurecibles sin deterioro de sus propiedades.

Permite abordar el soldeo de materiales refractarios, reactivos y de uniones disimilares

no abordables con procesos de soldeo al arco.

A pesar de sus contundentes ventajas el haz de electrones posee sus limitaciones:

La inversin inicial en equipos, instalaciones y medios de proteccin es alta.

La preparacin de bordes y el ajuste a de ser de alta precisin, ya que el foco del haz

puede tener tan solo dcimas del milmetro.

El tamao de la cmara en el soldeo de alto y medio vaco condiciona el tamao lmite

de la pieza que puede ser procesada.

La necesidad de realizar el vaco, en el soldeo de medio y alto vaco, supone un tiempo

de bombeo, que aumenta el tiempo de procesado por pieza, y en consecuencia

disminuye la productividad.

Es preciso utilizar material no magntico para la fabricacin de tiles, herramientas,

posicionadores...

El soldeo atmosfrico no tiene los inconvenientes que aporta el medio y alto vaco en

cuanto al bombeo de la cmara, pero por el contrario la penetracin que se puede

conseguir con este proceso est limitada a 25-32 mm (60165 kW), y no pueden

utilizarse distancias canpieza, superiores a 35 mm.




12

1.5. Seleccin de los valores de las variables de soldadura

El aporte trmico suministrado a la unin soldada se puede representar de forma general a

travs de la siguiente ecuacin:

Ecuacin 1

donde E es el aporte trmico (J/m), I la intensidad del haz (A), V el voltaje de aceleracin (V), P es

la potencia del haz (W) y S la velocidad de soldadura (m/s).

En la figura 8 se muestran varias curvas mediante las cuales se puede obtener el aporte trmico

en funcin del espesor y el material a soldar. Estas curvas se elaboran teniendo en cuenta tres

principios de operacin del haz de electrones:

1) las variables de soldeo son servo controladas va ordenador, lo que garantiza su

estabilidad y reproducibilidad

2) el ajuste de cada variable es independiente

3) existen solo cuatro variables para ajustar, que son el voltaje de aceleracin, la intensidad

del haz, la focalizacin del haz y la velocidad de soldeo.

Figura 8. Requisitos de aporte trmico para la penetracin completa de varios metales

Una vez determinado el aporte trmico para un material y un espesor, podemos fijar la

velocidad de soldeo (por razones de produccin), y en base a los datos anteriores, finalmente,

fijar la potencia del haz, lo que supone establecer los valores de intensidad de haz y de voltaje de

aceleracin.




13

El tamao del foco depender de la geometra del bao buscada. Un incremento en el voltaje ce

aceleracin puede modificar el tamao del foco, por lo que ser necesario el ajuste

correspondiente actuando sobre la corriente de enfoque (aumentar) en la bobina

correspondiente. Si se incrementa la distancia can pieza, ser preciso disminuir la intensidad

de corriente de enfoque, para corregir el tamao del foco.

La modificacin de los valores de las variables de soldeo afecta al bao de fusin y penetracin

de la siguiente forma:

voltaje de aceleracin: conforme crece dicho voltaje, la penetracin aumenta. Con

grandes distancia can / pieza o en la produccin de uniones paralelas y estrechas, el

voltaje de aceleracin debe aumentar y la corriente de enfoque disminuir.

corriente del haz. Su aumento eleva la penetracin.

velocidad de soldeo. Su incremento, disminuye la penetracin y hace el bao de fusin

ms estrecho.

tamao del foco. Un enfoque adecuado del haz proporciona bao estrechos y de lmites

paralelos, ya que la densidad de energa es mxima. El desenfoque del haz, hace que el

foco aumente de tamao y que la densidad de energa disminuya. Esto genera un bao

en forma triangular.

(A) (B) (C)

Foco sobre Superficie Haz Enfocado Foco bajo Superficie

Figura 9. Efecto de la posicin del foco sobre la geometra del cordn. (A) Foco sobre superficie, (B)

haz enfocado y (C) foco bajo superficie

1.6. Preparacin y Diseo de la unin

El diseo y la geometra de la unin son variables bsicas en el soldeo con haz de electrones. As

un alto nivel de embridamiento en el soldeo de materiales de alto lmite elstico, con poca

capacidad de deformacin (aceros endurecibles y aceros de fcil mecanizado), puede ocasionar

la aparicin de grietas. Tal es el caso del soldeo de uniones circunferenciales, por ejemplo la

unin de un engranaje a su eje.

Un diseo de unin que permita el desplazamiento parcial de una de la piezas a unir, y que

facilite la formacin de cordones con perfil transversal de lados paralelos (no triangular)

favorece la distribucin uniforme del calor y en consecuencia previene los efectos derivados de

un campo de tensiones no uniformes.




14

Normalmente los bordes de unin no van biselados, de hecho el chafln puede contribuir a la

expulsin de material fundido por efecto de la tensin superficial. En este caso el materia

fundido que rodea al ojo de cerradura pude fluir hacia los bordes del chafln generando una

depresin en el centro del cordn. En estos casos sera preciso el uso de material de aporte.

Un perfil de bao triangular genera un mayor nivel de tensiones, teniendo estas un carcter no

uniforme, por lo que el problema de la distorsin se acenta.

El acabado superficial de las piezas es tambin importante. Se ha comprobado que los mejores

resultados se consiguen cuando la rugosidad es inferior a 3.20 m. Asimismo la tolerancia de

ajuste de los bordes deber estar entre los mrgenes: 0.050.13 mm, pudindose alcanzar los

valores de 0.8 mm para el soldeo atmosfrico. Un mal ajuste de los bordes generar, un exceso

de contraccin, mordeduras y bordes no fundidos.

La limpieza es otro parmetro fundamental en el soldeo por haz de electrones, ya que una pieza

sucia puede incrementar notablemente el tiempo necesario para el bombeo de la cmara,

adems puede llegar a producir un rpido deterioro del aceite de la bomba difusora. Se prefiere

la limpieza con acetona al cepillado, con este ltimo pueden quedar embebidas partculas en la

superficie metlica de la pieza.

Los mtodos de sujecin utilizados son similares a los usados en el TIG sin aporte de material,

con la salvedad de que en este caso la presin de amarre es menor, y los tiles de sujecin han

de haber sido desmagnetizados. El magnetismo residual en piezas y tiles ha de estar en el

intervalo de 5x10-5 T4x10-4 T. Esto puede lograrse con un equipo estndar para ensayo por

partculas magnticas, sometiendo a la pieza a 60 ciclos de campo inductivo. El origen de la

magnetizacin de la pieza puede ser variado: ensayos previos por partculas magnticas,

mecanizado electroqumico, manipulacin con gras imn o sujecin con mordazas magnticas.

Normalmente no se requieren barras de respaldo que acten como disipadores de calor, debido

a la gran concentracin de energa de este proceso y su bajo aporte trmico.

El haz de electrones puede efectuar el punteado previo de la pieza, o realizar una pasada previa

con penetracin parcial.

Con objeto de evitar los crteres de inicio y final de soldadura se usan tcnicas como la

incorporacin de piezas de inicio y final, unidas a la pieza a soldar. Otra tcnica es la de utilizar

rampas de aumento de intensidad al comienzo y de disminucin de intensidad al final, estas son

especialmente interesantes en el soldeo circunferencial. Otra tcnica es la de utilizar, solamente,

una rampa de disminucin de intensidad al final del soldeo y provocar el solape del final con el

inicio.

El diseo de bordes es otro factor de suma importancia en el soldeo por haz de electrones. En la

figura 10 se representan las uniones ms comunes para la unin de piezas a tope y en ngulo.




15

1.6.1. Soldeo a tope

(A) (B) (C)

(D) (E) (F)

(G) (H) (J)

Figura 10. Diseos de unin a tope

La unin a tope es la ms comnmente utilizada en este proceso, representando casi el 90 % del

total (figura 10A, B, C). Se trata de la preparacin ms econmica, pudindose realizar la unin

con penetracin total o parcial. En todo caso se precisan tiles que garanticen un correcto

ajuste. La preparacin de la figura 10B proporciona cordones de mayor calidad, al no obligar al

haz a inclinarse, lo que puede aumentar el rea del foco, producir impacto con la chapa de

espesor mayor, o incluso perder la junta. La preparacin de la figura 10D asegura un alienado

fcil. Las de la figura 10E y figura 10F facilitan el alienado y proporcionan material de respaldo

(aunque dejan parte de la raz sin fundir lo que es un problema mecnico y de corrosin). Las

preparaciones de la figura 10G y figura 10H proporcionan metal extra como aporte. La

preparacin en la figura 10J facilita la fijacin y el montaje.

1.6.2. Soldeo en ngulo

(A) (B) (C) (D)

(E) (F) (G) (H)

Figura 11. Diseo de uniones en ngulo




16

Las preparaciones de la figura 11A y figura 11B son las ms econmicas y de fcil ejecucin. La A

es ms dbil, ms sensible a entalla que la B, a no ser que se practique un bao lo

suficientemente ancho para conseguir la fusin de toda la junta. La preparacin de la figura 11H

est diseada solo para espesores finos.

1.6.3. Soldeo en T

(A) (B) (C)

Figura 12. Diseo de uniones en T

La preparacin de la figura 12A deja parte de la unin sin fundir, lo que puede generar

problemas relacionados con corrosin, disminucin de resistencia mecnica y mayor sensibilidad

a la entalla. La preparacin de la figura 12B es ms segura y admite aporte de material. La

preparacin de la figura 12C se aplica a espesores mayores de 25 mm, admitiendo a su vez

material de aporte.

1.6.4. Unin a solape y en borde

En la figura 13 se muestran las uniones ms comunes a solape.

(A) (B) (C)

Figura 13. Diseo de uniones a solape

En la figura 14 se recogen las uniones en bordes ms tpicas.

(A) (B) (C)

Figura 14. Soldeo en canto. Diseo de unin




17

La preparacin de la figura 14A garantiza alta penetracin, las preparaciones de la figura 14B y

de la figura 14C se utilizan con el haz desenfocado para generar cordones de mayor anchura.

Estas preparaciones se utiliza sobre todo en la soldadura de sellado.

El uso de cuellos de transicin para convertir una unin en ngulo en una unin a tope, es una

prctica recomendable.

La presencia de grandes masas de materia magntico puede alterar la trayectoria del haz,

produciendo falta de penetracin e incluso prdida de la unin. Es preciso mantener la

separacin adecuada.

1.7. Soldeo de distintos materiales

Todos los materiales habitualmente soldados con procesos de soldeo por arco, lo son por haz de

electrones. Esto tambin afecta al soldeo de uniones entre materiales disimilares.

La formacin de baos profundos y estrechos, con bajo aporte trmico y zonas afectadas por el

calor estrechas, permite obtener uniones con mejores propiedades mecnicas y menos nivel de

discontinuidades. Sin embargo el haz de electrones puede presentar problemas en el soldeo de

materiales susceptibles al agrietamiento en caliente y porosidad.

El soldeo de materiales disimilares est condicionado por las propiedades fsicas del material a

unir, como son el coeficiente de expansin, conductividad trmica, punto de fusin, y por la

posibilidad de formar compuestos intermetlicos frgiles.

1.7.1. Soldeo de acero al carbono

Los aceros al carbono presentan alta soldabilidad con respecto al soldeo por haz de electrones.

Dado el bajo aporte trmico y el rpido calentamiento y enfriamiento que caracteriza este

proceso la estructura de grano del metal de soldadura y de la zona afectada trmicamente, es

fina.

Los aceros al carbono efervescentes producen mayores niveles de porosidad. Una solucin al

respecto es cubrirlos con una fina lmina de aluminio (0.25 mm) que sirve de desoxidante, otra

alternativa es la de disminuir la velocidad de soldeo, con lo que incrementamos el tiempo de

solidificacin y por tanto del tiempo preciso para desgasificar el bao. Los aceros al carbono

calmados no presentan este problema.

1.7.2. Soldeo de aceros endurecibles

En una unin soldada de estos materiales, la mxima dureza se localiza en el metal de soldadura,

cayendo de forma abrupta a partir de la lnea de fusin. El ancho de la zona endurecida es

inferior a la que se obtiene en el proceso TIG.




18

El agrietamiento puede producirse en materiales endurecidos por tratamiento trmico sujetos a

un alto nivel de embridamiento, como es el caso de soldadura circunferenciales en grandes

espesores. Asimismo la soldadura con penetracin parcial es ms susceptible al agrietamiento

que la soldadura a penetracin total. Es aconsejable disear la unin para que permita el

movimiento libre de una de las partes durante el enfriamiento.

No est aconsejado el soldeo por este proceso de piezas cementadas, nitruradas o

carbonitruradas.

Se puede prevenir el agrietamiento disminuyendo la velocidad, lo que eleva el aporte trmico,

precalentando, postcalentando y permitiendo que la pieza enfre en la cmara.

Los aceros con contenido medio de carbono son fcilmente soldables con este proceso, salvo los

de fcil mecanizacin, debido a su alto contenido en elementos que facilitan el agrietamiento en

caliente (S, Se). Conforme el contenido en carbono crece, la soldabilidad del acero baja.

1.7.3. Aceros de baja aleacin

Los aceros dentro de esta familia con contenidos inferiores al 0.3% son soldables sin necesidad

de precalentamiento o postcalentamiento. En caso de ser necesario, alto nivel de

embridamiento, el precalentamiento se realizar a una temperatura entre 260315 C.

En caso de soldarse el acero en estado de temple y revenido, el tratamiento de revenido

posterior al soldeo se debe realizar a una temperatura inferior a la del revenido inicial.

1.7.4. Aceros HLSA

Los aceros de alta resistencia y baja aleacin (HSLA), con contenidos de carbono superiores al

0.3 %, se sueldan preferentemente en estado de recocido o normalizado.

La mxima drese se centra en el cordn, producindose una cada abrupta de la misma a partir

de la lnea de fusin.

En el soldeo con haz de electrones atmosfrico, son parmetros tpicos de operacin los

siguientes: potencia 6.4 kW, distancia canpieza de 6.4, 13, 25 mm, con velocidades de 380

2030 mm/min, utilizando helio como gas de proteccin.

La aplicacin de un precalentamiento de un precalentamiento entre 345370 C, se hace preciso

para grandes espesores (mayor de 15 mm).

1.7.5. Aceros de alto contenido en carbono y aceros de herramientas

El soldeo de aceros con un contenido en carbono mayor de 0.5 %, presenta menos tendencia al

agrietamiento que con el soldeo por arco.




19

El soldeo por haz de electrones permite el soldeo a alta velocidad de aceros de herramientas, sin

necesidad de someter a la pieza a un tratamiento de recocido previo. La mxima dureza se

alcanza en el cordn de soldadura. La zona sometida a un sobrerrevenido no es ms ancha de la

dcima del milmetro.

Una aplicacin tpica del soldeo por haz de electrones de este tipo de materiales, es la

fabricacin de cintas de sierra bimetlica.

1.7.6. Soldeo de acero inoxidable

El bajo aporte trmico y la alta velocidad de calentamiento y enfriamiento, evita la

sensibilizacin por precipitacin de carburos de cromo, de los aceros inoxidables austenticos.

Una aplicacin caracterstica del soldeo por haz de electrones de acero inoxidable austentico, es

la fabricacin de discos de ruptura (dispositivos de seguridad acoplado a recipientes a alta

presin). La soldadura se hace principalmente por transparencia. Con un aporte trmico de

0.0098 kJ/mm, se pueden producir hasta 44 uniones a la hora.

Los aceros inoxidables martensticos pueden soldarse en cualquier condicin y tienden a generar

una zona afectada trmicamente de alta dureza. La dureza y tendencia al agrietamiento de estos

aceros crece con el contenido en carbono y la velocidad de enfriamiento.

1.7.7. Soldeo de aleaciones de alta resistencia al calor

Dentro de las aleaciones base nquel el Hastelloy N, Hastelloy X, Inconel 625, gozan de alta

soldabilidad. El Inconel 600 puede soldarse fcilmente asimismo y a el acero inoxidable

austentico AISI 304. El Inconel 700, 718, X-750 y Rene 41 (endurecibles por penetracin) pueden

soldarse con ciertas precauciones (limitar embridamiento). El Inconel 718 se suelda en estado de

recocido o de envejecimiento., el Inconel X-750 en estado de recocido y el Rene 41 en estado de

solubilizacin. Las aleaciones de moldeo 713C, GMR-235 y la de forja Waspaloy, tienen una

soldabilidad baja.

Dentro de las aleaciones base hierro, la de mayor soldabilidad es la 19-9DL, siempre que se

utilice precalentamiento. La aleacin N-155 presenta buena soldabilidad, mientras que las

aleaciones 16-25-6 y la A286 presentan una soldabilidad limitada. La aleacin A286 se suelda en

estado de solubilizacin.

Dentro de las aleaciones base cobalto al HS-21 presenta buena soldabilidad, siempre que el nivel

de embridamiento no sea alto. Las aleaciones H-31 y S-816 presentan una soldabilidad limitada.

1.7.8. Soldeo de metales refractarios

Debido a la alta concentracin de energa esta tcnica permite el soldeo de materiales

refractarios, cuya temperatura de fusin supera los 2.200C, sin que se produzca un deterioro




20

importante del metal de la zona afectada trmicamente. Estos materiales son susceptibles a la

contaminacin por elementos intersticiales como el oxgeno, hidrgeno, nitrgeno o carbono,

que elevan la temperatura de transicin dctilfrgil, disminuyendo la resiliencia. La

contaminacin por elementos intersticiales se controla mediante el uso del vaco como medio de

proteccin.

Los elementos del grupo V (niobio y tntalo), ms deformables y menos susceptibles de

endurecer por deformacin, son menos propensos a un comportamiento frgil, mientras que los

elementos del grupo VI (volframio y Molibdeno) son ms susceptibles al agrietamiento inducido

por tensiones de origen trmico. Es habitual precalentar dichos materiales a 300C.

En este tipo de aleaciones un excesivo crecimiento de grano puede originar agrietamiento. Tal

efecto puede controlarse mediante la disminucin del aporte trmico, y partiendo de aleaciones

de grano fino. Por otra parte un incremento de la velocidad con objeto de bajar el aporte

trmico, puede provocar una estructura dendrtica en el bao fundido muy direccionada hacia el

centro del cordn. Este tipo de estructura genera un plano frgil. Se puede controlar este efecto

aplicando una oscilacin de alta frecuencia a alta velocidad de soldeo, lo que genera un bao

elptico.

Un incremento en el nivel de embridamiento disminuye seriamente la soldabilidad de estos

materiales. En este sentido el uso de diseos correctos, como uniones en canto rebordeado o

con espacios para acomodar la deformacin de las piezas, son soluciones efectivas.

La soldabilidad del volframio crece con el contenido en elementos de aleacin, especialmente

los de sustitucin como el Re y el Mo. Otros elementos formadores de carburos, nitruros y

carbonitruros, se combinan con elementos perjudiciales como el N, O y C, disminuyendo la

temperatura de transicin dctil-frgil.

De entre todos los metales refractarios el volframio (temperatura de fusin 3.410C) es el ms

difcil de soldar, siendo sensible al choque trmico y presentado el metal de soldadura y la zona

afectada trmicamente alta fragilidad a temperatura ambiente. Requiere de precalentamiento y

de minimizar al mximo el embridamiento. Se han logrado soldar con xito 4.1 mm de volframio,

pero con importantes prdidas de resiliencia en el metal de soldadura.

El molibdeno presenta mejor comportamiento al choque trmico, debido a su menor

temperatura de fusin (T=2.610C). Se consiguen soldaduras de mayor penetracin a

velocidades elevadas. El calentamiento ya no es indispensable, aplicndose solo cuando el

espesor y el grado de embridamiento as lo exija. En caso de proporcionar un tratamiento

trmico postsoldeo de alivio de tensiones, en el margen de temperaturas de 870-980C. Se

utiliza oscilacin a alta frecuencia con objeto de evitar un alto direccionamiento del grano, lo

que por otra parte potenciara un comportamiento frgil. El titanio y el zirconio como elementos

de aleacin, secuestran elementos intersticiales dainos, rebajando la temperatura de transicin

dctilfrgil. No obstante la temperatura de transicin dctil frgil de estas aleaciones est por




21

encima de la temperatura ambiente. Se consigue rebajar la temperatura de transicin con un

tratamiento de solubilizacin ms maduracin o incrementando el contenido en renio.

El niobio (temperatura de fusin 2.468C) es ms fcil de soldar que el volframio y el molibdeno,

de hecho este elemento es soldable con el TIG. El precalentamiento no es necesario y el

tratamiento trmico postsoldeo en la cmara de vaco aumenta la tenacidad y ductilidad. El

niobio puro posee una resistencia mecnica limitada, que se incrementa al aadir elementos de

aleacin. La aleacin disminuye la soldabilidad, aunque el metal de soldadura conserva el 75%

de las propiedades del metal base.

El tntalo es el ms soldable de todos los metales refractarios (temperatura de fusin 2996C).

Se utilizan barras de respaldo para controlar la distorsin y el crecimiento de grano. La

introduccin de elementos de aleacin rebaja la soldabilidad del material. Las aleaciones que

contienen vanadio se sueldan preferentemente con TIG, ya que el vanadio posee una alta

presin de vapor.

1.7.9. Soldeo del aluminio

Se han conseguido soldaduras en una sola pasada, a penetracin completa, sobre 150 mm de

aluminio, con una relacin penetracin a anchura de 20 a 1.El bajo aporte trmico de este

proceso y la estrecha ZAT, minimiza la prdida de propiedades en las aleaciones tratables

trmicamente.

Las aleaciones no tratables (1XXX, 3XXX, 5XXX), son soldables por haz de electrones,

obtenindose propiedades similares a las obtenidas con el TIG. En caso de que el material est

endurecido por deformacin, el metal de soldadura tiene las propiedades del metal base en

estado de recocido.

Las aleaciones tratables trmicamente (2XXX, 6XXX, 7XXX) son susceptibles en distinto grado al

agrietamiento y porosidad. El aporte trmico en el soldeo por haz de electrones atmosfrico es

un 40% mayor que en el soldeo de alto vaco, pero un tan solo el 32% del aportado por el TIG.

El incremento de la distancia canpieza, supone la cada de la penetracin (hasta un 80%) y el

incremento del ancho del cordn.

La contraccin media en el soldeo de una chapa de aleacin de aluminio bonificable de 6.4 mm

de espesor es de 0.08-0.13 mm para el soldeo en alto vaco, y de 0.36 mm para el soldeo

atmosfrico.

Las aleaciones de la serie 6XXX se ve afectada solo ligeramente por el ciclo trmico de la

soldadura. Dentro de las aleaciones de la serie 2XXX, la ms soldable es al 2219, y dentro de la

serie 7XXX, las ms soldables son 7039 y 7005.




22

Con objeto de prevenir el agrietamiento y la porosidad, en las aleaciones bonificables, es preciso

tener en cuenta las siguientes premisas:

Intensificar la limpieza con objeto de limitar la porosidad y la inclusin de xidos.

Utilizar un metal de aporte de alta ductilidad, y preferentemente presituado (injerto) en

la unin. Este material podr deformar bajo la accin de las tensiones de contraccin.

Seleccionar el dimetro de foco, la potencia del haz, y la velocidad para generar los

cordones ms estrechos posibles, durante ciclos de soldeo lo ms cortos posibles, de

esta forma evitamos el agrietamiento por licuacin del borde de grano.

Aplicar un tratamiento trmico postsoldeo para restablecer las propiedades en la zona

afectada trmicamente.

Soldar el material en tratamiento de solubilizacin, y proceder a continuacin a la

maduracin. Disear la unin de tal forma que se permita el movimiento parcial de una

de las piezas para acomodar la deformacin.

Las aleaciones con alto contenido en zinc (7075), soldadas con altas velocidades, son

susceptibles de presentar porosidad. En este caso es preciso bajar la velocidad. Las serie 6XXX no

presenta tal problema, pudindose soldar a alta velocidad.

1.7.10. Soldeo de aleaciones base cobre

La alta conductividad trmica del cobre causa menos problemas al soldeo por haz de electrones,

que a los procesos de soldeo por arco, debido a que las prdidas por conduccin trmica estn

compensadas por la alta densidad de energa del proceso.

Por efecto de la tensin superficial, puede ocurrir que parte del material fundido, en torno al ojo

de cerradura, sea expulsado a los bordes exteriores, causando proyecciones y aspectos de

cordn inapropiados, especialmente en cobres no desoxidados. Esto se soluciona mediante una

segunda pasada con el haz desenfocado (pasada de acabado).

La proteccin que proporciona el alto vaco, evita la fragilizacin por hidrgeno, pero no elimina

por completo la porosidad en raz.

El soldeo del latn se ve dificultado por el alto contenido en Zn (y su alta presin de vapor). Los

cobres de fcil mecanizado se consideran no soldables.

1.7.11. Soldeo del magnesio y aleaciones

El uso del haz de electrones se reduce a operaciones de reparacin, y siempre que el contenido

de la aleacin en zinc est por debajo del 1%.

La alta presin de vapor del magnesio (temperatura de ebullicin 1.107C) induce la presencia

de porosidad y sopladuras.




23

El uso de un haz con oscilacin circular o desenfocado y de respaldo integral o permanente, se

revelan como tcnicas adecuadas para el soldeo de las aleaciones del magnesio.

1.7.12. Soldeo del Titanio

El titanio presenta la misma soldabilidad que frente al TIG. El soldeo en alto vaco evita el diseo

y construccin de complejos tiles que garanticen en adecuado suministro de gas de proteccin

a la zona de soldeo.

No suele utilizarse aporte de material. El punteado no presenta especial complejidad,

obtenindose los mejores resultados en el soldeo con alto vaco.

La aleacin Ti-6Al-4V, se suelda en estado de recocido o en estado de solubilizacin. Cuando el

elemento soldado tiene que trabaja a elevada temperatura la secuencia del procesado del

material ptima es: recocido + soldadura + solubilizacin + maduracin. En el resto de los casos

la secuencia puede ser, solubilizacin + maduracin + soldeo.

1.7.13. Soldeo del Berilio

El berilio presenta alta soldabilidad con respecto a este proceso de soldeo. El bajo aporte

trmico, y los cordones estrechos previene el agrietamiento.

La atmsfera de vaco previene la emisin de humos txicos.

El principal contaminante del metal de soldadura es el xido de berilio, que rebaja la ductilidad

del mismo.

Se debe controlar el contenido en xido de berilio a 1.5 %. La disminucin de Al incrementa la

soldabilidad ya que disminuye la tendencia al agrietamiento. Asimismo la tendencia al

agrietamiento disminuye si se reduce el grado de embridamiento.

Para grandes espesores el precalentamiento previene el posible agrietamiento.

1.8. Seguridad e Higiene

Los principales riesgos asociados al soldeo por haz de electrones son la electrocucin, la

radiacin X, los humos y gases, y la radiacin visible.

Electrocucin: toda mquina de soldeo por haz de electrones operan con voltajes

elevados, que pueden infringir daos importantes al operario. Por lo que la mquina

debe disponer de los elementos de aislamiento precisos y el operario de los medios de

proteccin personal requeridos.

Radiacin X: este tipo de radiacin se produce como consecuencia del impacto de los

electrones con la pieza a soldar. Por debajo de 20 kV, la proteccin que ofrece las




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paredes de acero de la cmara, son suficientes. Los equipos ms potentes deben utilizar

otros recubrimientos (plomo) para evitar la emisin de rayos X al exterior. Todos los

puntos de observacin directa deben estar construidos con cristales vidrios de plomo.

En el caso de equipos que trabajen sin vaco, por lo que carecen de cmaras de acero, deben

estar instalados dentro de recintos con paredes de hormign o materiales de mayor densidad.

Se debe a su vez realizar controles peridicos de la salud de los empleados expuestos a los

equipos.

Humos y gases: Los equipos deben proveerse de sistemas de extraccin de humos, y

gases, ya que de entre los humos y gases generados se encuentran el ozono y lo xidos

de nitrgeno, que son perjudiciales para la salud.

Radiacin Visible: la radiacin directa procedente del bao de fusin pude ser

perjudicial para los ojos. Se deben utilizar filtros adecuados.

2. SOLDEO POR DIFUSIN

2.1. Definicin

Proceso de unin en estado slido en el que la unin de los materiales puestos en contacto

ntimo, se consigue al someter a ambos a una presin moderada, a temperatura alta (5075 %

de la temperatura de fusin). La temperatura de soldeo es inferior a la temperatura de fusin de

los materiales puestos en contacto, y la presin lo suficientemente alta para que el contacto sea

ntimo, pero a su vez, los suficientemente baja para que no produzca una deformacin

macroscpica elevada.

En teora al poner en contacto las superficies de dos metales compatibles, perfectamente planas

y libres de capas de xidos u otros contaminantes, se formara de forma instantnea enlaces

atmicos entre los tomos de ambas superficies.

No obstante en la realidad las superficies metlicas presentan cierta rugosidad y estn cubiertas

de capas de xidos u otros materiales. Por ello el contacto real entre los dos materiales est

limitado a puntos muy concretos. Con las altas temperaturas y la aplicacin de presin,

pretendemos, precisamente, incrementar el rea de contacto.

Dependiendo de si utilizamos material de aporte (o tercer material) o no, podemos clasificar

los procesos de soldeo por difusin en:

Soldeo por difusin directa: En este proceso se produce la unin entre dos materiales

(similares o no), sin utilizar ningn material intermedio que facilite la formacin de la

unin.




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Soldeo por difusin con aporte: en este caso se utilizan lminas de otros materiales

metlicos que facilitan la formacin de la unin, sin superar nunca el punto de fusin de

dicho material.

2.2. Mecanismos del soldeo por difusin

La unin de materiales por difusin es compleja y engloba a varios mecanismos. Si simplificamos

la exposicin, podemos considerar que la unin de metales similares transcurre en tres etapas

(figura 15):

La primera etapa se inicia cuando se ponen en contacto las superficies de los metales y se las

somete a la presin de soldadura. El rea inicial de contacto es una fraccin muy pequea de la

terica (aproximadamente 1%), y est constituida por los puntos de contacto entre las crestas

de las microrugosidades. Esta rea inicial es proporcional a la presin aplicada y al lmite elstico

del material. La presin aplicada contribuye a crear un flujo plstico y a romper las capas de

xido superficial (figura 15B). A medida que aumenta la temperatura se origina un rpido

crecimiento del rea de contacto, debido a la disminucin del lmite elstico del material. El rea

de contacto sigue creciendo pero a velocidades decrecientes, ya que el fenmeno sigue las leyes

de la termofluencia.

Durante la segunda etapa se producen dos cambios significativos. Por un lado los poros

encerrados en la intercara de contacto se contraen y la mayora desaparece, y por otro se

produce una migracin de los bordes de grano que al principio se encontraban en la intercara

inicial. El proceso de contraccin y eliminacin de poros tiene lugar debido a la migracin de

tomos hacia la intercara de soldadura. La difusin se produce, a travs del borde de grano y a

travs de los granos que lindan con la intercara (difusin de volumen). Se ha comprobado que

los lmites de grano es la va preferente para el movimiento atmico (figura 15C).

Durante la tercera etapa tiene lugar la eliminacin de los huecos que quedaron en el interior del

grano. En este caso solo es posible la difusin de volumen. Se trata de la etapa ms lenta y su

duracin depende del nivel de temperatura (figura 15D).

El proceso as explicado se corresponde con la difusin en fase slida. Existen otros procesos de

difusin que pueden utilizarse para el soldeo de los materiales como son la difusin en fase

lquida, la difusin bajo presin isosttica y la presin con deformacin superplstica.

En la difusin en fase slida es la descrita en los prrafos anteriores. Para que esta tenga lugar

de forma efectiva las piezas a unir deben presentar una rugosidad media del orden de 0.4 m,

asimismo antes de proceder al soldeo deben estar limpias y desengrasadas, a tal fin la aplicacin

de ter o acetona se considera suficiente (tambin se utiliza la limpieza por ultrasonidos). El

bombardeo inico es una tcnica experimental utilizada para la eliminacin de capas de xido

superficial. Este tipo de soldeo suele realizarse en cmaras donde se practica el vaco, o donde

se introduce un gas inerte como medio de proteccin, con objeto de evitar la oxidacin (sobre

todo en la intercara de unin) de las piezas a soldar. Los medios para proporcionar la presin




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necesaria son variados, neumticos, hidrulicos mecnicos. La presin se aplica de forma

uniaxial.

(A) (B)

Contacto inicial Etapa 1

(C) (D)

Etapa 2 Etapa 3

Figura 15. Progresin del soldeo por difusin en fase slida. (A) Contacto inicial, (B, C y D) Etapas 1, 2

y 3 respectivamente

El soldeo en fase lquida se aplica solamente en el soldeo de materiales disimilares, o cuando se

utiliza como aporte un material distinto a los que se pretende unir. Una difusin en fase slida

inicial origina la formacin de una fase diferente en la intercara de unin. El mecanismo de

difusin en fase lquida se basa en la temperatura a la que esta nueva fase funde (normalmente

se trata de un eutctico). Dado que la temperatura de soldeo dentro de la cmara, es superior a

la temperatura de fusin de esta fase, esta se encuentra en estado fundido, formando una

delgada pelcula que se extiende a lo largo de toda la intercara. Cuando la temperatura de

soldeo disminuye, esta fase solidifica, constituyendo una unin inicial. Manteniendo la

temperatura a este segundo nivel el tiempo suficiente favorece la difusin de la fase solidificada

hacia el interior de las piezas a unir, completando de esta forma la unin por difusin.

La unin por difusin bajo deformacin superplstica, es un proceso que se utiliza,

fundamentalmente, con las aleaciones de titanio (industria aeroespacial) que presentan un

comportamiento superplstico a elevadas temperaturas, bajo ciertas condiciones de aplicacin

de carga. Dado que las condiciones de presin y temperatura de la deformacin superplstica

coinciden con las necesarias para producir la unin por difusin, se ejecutan ambos procesos

combinados, considerndolos como un solo proceso productivo.

La unin por difusin bajo presin isosttica es una variante del soldeo en fase slida, donde el

elemento que utilizamos para ejercer la presin y elevar la temperatura de las piezas a unir, es

una masa de gas a alta temperatura y alta presin. Con este proceso se pueden soldar piezas con

geometras ms complejas, que las soldadas con el mtodo convencional de aplicacin de carga

segn un solo eje (uniaxial). La cmara de soldeo consiste en un horno en cuyo interior se ubica

un recipiente a presin. Sus dimensiones son variables pudiendo alcanzar una capacidad de 1.1




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m de dimetro a 2.2 metros de altura. El gas normalmente utilizado para producir la presin

isosttica es el argn. La pieza se prepara de tal forma que el gas no puede penetrar en la regin

de la intercara de unin, mediante distintos dispositivos. Aunque el nivel de presin utilizado en

este proceso es superior al utilizado en el mtodo convencional (carga uniaxial), al ser la presin

isosttica, el nivel de deformaciones es mnimo. Lo ciclos de soldeo con presin isostticas

suelen extenderse entre 6 a 16 horas. Este proceso permite el procesado simultneo de varias

piezas, lo que en parte eleva su baja productividad.

2.3. Ventajas y limitaciones

Este proceso es uno de los ms requeridos por la industria de alto nivel tecnolgico como es la

industria aeroespacial y nuclear. Las principales ventajas del soldeo por difusin son:

La microestructura y propiedades de la unin son muy prximas a las del metal base.

La distorsin es mnima, lo que evita procesados posteriores (mecanizados o

conformados).

Pueden soldarse materiales distintos, no compatibles con el soldeo por fusin

convencional, o que no presentan simetra axial (para soldarlos por friccin).

Se pueden procesar varias piezas simultneamente por operacin.

Se pueden soldar grandes componentes que requieren un gran precalentamiento antes

del soldeo.

No se presentan las discontinuidades tpicas de los procesos de soldeo por fusin.

Se puede combinar con un conformado superplstico en la fabricacin de piezas

complejas.

No obstante este proceso adolece de ciertas limitaciones si lo comparamos con los procesos

tradicionales de soldeo. Las limitaciones ms relevantes son:

Los tiempos de soldeo son ms elevados que en los procesos convencionales.

La inversin en equipos es alta, y el tamao de las piezas a procesar est limitado al

tamao de la cmara de soldeo.

El proceso no est preparado para altas producciones (en serie), aunque permita el

procesado de varias piezas simultneamente.

La preparacin superficial es mucho ms delicada que en cualquier otro proceso de

soldeo. La limpieza y la rugosidad superficial son dos variables crticas del proceso.

La necesidad de aplicar calor y presin en un ambiente protector (vaco o gas inerte),

complica la construccin y mantenimiento de los equipos.




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2.4. Variables del proceso

Cuatro son las variables que controlan el desarrollo del soldeo por difusin: el estado superficial,

la temperatura, el tiempo y la presin.

2.4.1. El estado superficial

El estado superficial de las piezas a unir, piezas reales, se caracteriza p

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