Definición y proceso
En términos generales, la soldadura es un proceso a través del cual los átomos de las superficies de dos piezas –usualmente metálicas– forman un enlace y, en consecuencia, provocan que éstas se unan y constituyan un solo cuerpo.
Dentro de las varias maneras que existen para lograr esto, –que vendrían a ser los tipos de soldadura–, se halla la soldadura por arco eléctrico, que es aquella en donde la unión de las piezas es producida, en esencia, gracias al calor generado por un arco eléctrico, cuya formación se lleva a cabo, en primer lugar, estableciendo un circuito eléctrico entre una fuente de poder[1] y las piezas a soldar.
La fuente de poder genera una diferencia de potencial entre sus dos terminales, luego, las superficies de las piezas a soldar, estando muy juntas, o haciendo contacto entre ellas –dependiendo del tipo de soldadura–, se unen a uno de estos terminales a través de un cable denominado «tierra», mientras que del otro se extiende otro cable conocido como «portaelectrodo» o «antorcha» –según el tipo de soldadura por arco eléctrico que se vaya a ejecutar– con un electrodo o alambre que, haciendo contacto con las piezas a soldar justo en el punto en que están unidas, establecerá el circuito eléctrico.
Una vez establecido este circuito, las cargas empiezan a moverse a través de los cables y piezas desde un terminal a otro –si se trata de C.D.–, o en ambas direcciones alternativamente –si se trata de C.A.–. Esto producirá un aumento de temperatura en el electrodo o alambre y las piezas a soldar que, por el efecto termoiónico[2], provocará que los electrones salten del electrodo o alambre a las piezas y/o viceversa, cuando éstos se separen.
Los electrodos que saltan de un elemento a otro ionizarán[3] de forma instantánea el aire ente ambos y producirán una corriente visible y extremadamente luminosa[4], que es lo que se conoce como: arco eléctrico. A todo este procedimiento, desde hacer contacto entre el electrodo o alambre y las piezas a soldar hasta separar ambos para que se produzca el arco eléctrico, se le conoce como: «cebado del arco».
El arco eléctrico formado entre el electrodo o alambre y las piezas a soldar –que a partir de ahora también denominaremos material o metal base–, producirá la suficiente energía térmica en estas últimas para que las capas superficiales de ambas se fundan, y los átomos que las componen ganen la energía necesaria para ser capaces de romper sus enlaces y formar unos nuevos con sus vecinos del frente; generando de este modo, al solidificarse lo fundido, una fuerte unión entre los metales de base. Durante la soldadura, el arco eléctrico deberá moverse a través de todos los puntos que, de los metales base, se desean unir. Finalmente, sobre la unión de las piezas quedará una suerte de costura conocida como «cordón de soldadura», cuya forma expondrá la calidad de la unión, o la soldadura ejecutada.
Condiciones para la soldadura
Pese a que la anterior es la descripción más sencilla y fiel del proceso de soldadura por arco eléctrico, es preciso conocer algunos factores que son fundamentales para que el resultado de la unión entre los metales de base sea bueno.
Para empezar, es preciso saber que, si el proceso de fusión de los materiales base no se aísla del aire, la nueva pieza obtenida a través de la soldadura presentará porosidad y muy baja resistencia a la tracción y al impacto justo en la zona de la unión, donde se encuentra el cordón. Esto se debe a que el aire contiene oxígeno y nitrógeno en grandes cantidades, elementos que, al hacer contacto con el acero y otros metales en su temperatura de fusión, provocan que éstos se vuelvan muy frágiles y quebradizos, en consecuencia, haciéndoles perder las propiedades que, de hecho, los hacen útiles.
De esta manera, tanto el arco –conocido también como baño de fusión–, como el proceso de fusión de los metales base se protegen con una atmósfera gaseosa alrededor de los mismos, que impida la entrada del aire circundante. Dicha atmósfera dependerá del tipo de soldadura, pudiendo estar compuesta por gases inertes y/o activos que provienen de un cilindro donde se almacenan a alta presión; o por un conjunto de minerales, silicatos, bases, ácidos y/o sustancias orgánicas que al exponerse a altas temperaturas se gasifican y que a temperatura ambiente se hallan en una capa sólida que cubre al electrodo o alambre de soldadura y que se conoce como: revestimiento.
El revestimiento, además de crear el ambiente inerte que posibilita una adecuada soldadura, también se encarga, mediante otros componentes, de mantener la estabilidad del arco, de facilitar el cebado del mismo, y de formar una cubierta que protege al cordón de soldadura del enfriamiento rápido y, por tanto, del temple[1]. Dicha cubierta es lo que se conoce como «escoria», y su formación, junto con la de la atmósfera protectora, son las dos funciones más conocidas del revestimiento.
Ya sabiendo la importancia de la protección del proceso de fusión, la otra consideración que debe tenerse para lograr una soldadura adecuada, es la de mantener, tanto como sea posible, el electrodo o alambre siempre a la misma distancia de los metales base mientras se ejecuta la soldadura. Esto es importante porque si el electrodo o alambre se aleja o se acerca demasiado, el arco se cortará –en el segundo caso porque se pega y se fusiona con el metal–; y si no se mantiene de forma constante a una distancia específica, el cordón resultante no será uniforme, y se correrá el riesgo de tener una mala fusión o pérdida de propiedades en algún trecho de la unión realizada; téngase en cuenta que acercar el electrodo reduce el aporte de calor, y alejarlo aumenta la posibilidad de la incidencia del aire y puede ocasionar que el metal fundido, por ser más voluminoso, se disperse demasiado de su posición original. Por otro lado, el valor de esta distancia va a depender, entre otras cosas, del calibre del electrodo o alambre, del grosor de la unión, de la separación de los metales base y de la misma composición química de éstos.
Variaciones en el proceso
Pese a que, conceptualmente, no es una condición estrictamente necesaria para el buen resultado del proceso, lo normal es que, en los diferentes tipos de soldadura por arco eléctrico, se use material de aporte para la unión de dos metales. Este material de aporte sería un metal de características similares, o mejores, a las de las piezas a unir, tendría un menor punto de fusión que éstas, y vendría del mismo electrodo o alambre utilizado para crear el arco, o de una varilla aparte, en el caso de la soldadura TIG[6]. Por sus propiedades, el metal de aporte sirve para acelerar el proceso de fusión entre las piezas –en especial cuando las superficies a soldar de éstas están separadas–; para, consecuentemente, aumentar la velocidad de la soldadura; y asegurar que las propiedades del nuevo metal soldado no se vean perjudicadas en el área de la soldadura. De los cuatro tipos de soldadura por arco eléctrico que existen, sólo en una, debido a las aplicaciones en donde normalmente se emplea, puede verse la no utilización de aporte. En las demás, éste es casi un requisito, de ahí que la adecuada selección del mismo sea de suma importancia.
Otro factor que habitualmente puede variar en el proceso de soldadura, en función de las propiedades del metal que se esté soldando y del espesor del mismo, es la dirección de la corriente. La gran mayoría de las máquinas de soldar en la actualidad son fuentes de corriente continua, en las que, por lo general, y de acuerdo con el tipo de aplicación más común, el electrodo o alambre se conectan al terminal de mayor potencial eléctrico –conocido como «positivo»–, de modo que la corriente salta desde la pieza a éste –téngase en cuenta que la corriente es el movimiento de cargas negativas–. Esto ocasiona que el mayor calor de la soldadura –aproximadamente 2/3 del calor total– se produzca en el electrodo, por lo que tal configuración es recomendable para unir placas de metal delgadas, o metales con baja temperatura de fusión, como el aluminio. En cuanto a la soldadura de este último, la configuración indicada es especialmente buena ya que sobre él tiende a formarse una capa de alúmina[7] que es más fácil de romper si los electrones saltan de la pieza al electrodo o alambre, esto debido a que contrario al sentido de avance de los electrones en la zona del arco eléctrico, se mueven los aniones[8] de la atmósfera ionizada, que chocan contra el elemento de donde salen los electrones y, por ser más voluminosos, producen un mayor impacto sobre él; impacto que por supuesto sirve para quebrar la capa de alúmina.
Por su parte, cuando se tratan de soldar metales base con alta temperatura de fusión, o de espesores gruesos –donde se requiere una mayor velocidad de deposición del material de aporte–, se suele conectar la pinza portaelectrodo, o antorcha, al terminal negativo de la máquina, haciendo que la corriente salte ahora desde el electrodo a los metales base.
En resumen, cuando la corriente va del electrodo a la pieza, se dice que la soldadura está en polaridad directa; y cuando va de la pieza al electrodo, se dice que está en polaridad inversa. En ambos casos, la corriente siempre circula desde el polo negativo al polo positivo de la máquina de soldar.
También hay soldadoras que, saltándose todo el asunto de las polaridades directa e inversa, suministran corriente alterna, situación en la que la dirección de la corriente cambia un número determinado de veces por segundo –esto es lo que se conoce como frecuencia–; en estas máquinas, la corriente va tanto del electrodo al metal base, como de éste al primero. Por otra parte, ahora mismo estas soldadoras son muy poco habituales en la soldadura por arco eléctrico; de hecho, hoy en día, su uso sólo se recomienda para la unión de placas delgadas de aluminio, puesto que con corriente alterna, hay menor aporte de calor que en los dos casos de corriente continua y aún se mantiene el efecto rompedor de la alúmina. La razón de que la corriente alterna no sea recomendable para soldar aceros, es que, al variar la intensidad de corriente y el voltaje de forma constante, el arco de soldadura no se mantiene estable y el cordón resultante tiende a quedar disparejo; lo que amerita una mayor pericia del soldador para lograr una buena soldadura.
Las máquinas de soldar que suministran corriente alterna fueron las primeras que salieron al mercado dada la facilidad de su construcción –prácticamente consistían sólo en un transformador, y eran bastante grandes–, luego serían sustituidas por las máquinas de corriente continua debido a las mejores prestaciones de éstas. Posteriormente se crearían máquinas para soldadura TIG de corriente continua con la opción de utilizar corriente alterna, gracias a las ventajas que esta última presenta para la unión de placas de aluminio.
En la actualidad, la tecnología en máquinas de soldar ha avanzado tanto, que por lo general en aquellas empleadas para la mencionada soldadura TIG el cebado del arco ya no se realiza según el modo explicado antes –que es como se lleva a cabo en los otros tipos de soldadura por arco eléctrico–; sino que puede hacerse sin necesidad de que el electrodo haga contacto con las piezas a soldar. Esta forma de iniciar el baño de fusión se conoce como «cebado por alta frecuencia[9]» (el símbolo de la alta frecuencia es HF, que son las siglas de High Frequency, o alta frecuencia en inglés), y su objetivo es proporcionar un inicio de soldadura tan limpio y preciso como sea posible, puesto que, en el cebado del arco, cuando el electrodo hace contacto con la pieza, el aporte de calor tiende a ser mayor que en el resto de la unión; y además, en el proceso TIG, debido a que el electrodo utilizado es de tungsteno, si éste toca el metal base a alta temperatura, puede quebrarse en su superficie y desprender partículas que contaminarían la soldadura; por supuesto provocando la disminución de las propiedades del metal en la zona contaminada.
Elementos necesarios para el proceso
A partir de todo lo dicho hasta este punto, podemos definir los elementos necesarios para llevar a cabo una soldadura, la mayoría de los cuales forman parte de la máquina de soldar. En la siguiente tabla se muestran dichos elementos en función del tipo de soldadura por arco eléctrico.
Hay que decir que aparte de los mostrados en la tabla 2, hay todavía un tipo de soldadura por arco eléctrico: la soldadura por arco sumergido. La razón de que ésta no se incluya es porque es un tipo de soldadura muy poco común en comparación con las tres expuestas.
Las máquinas de soldar se jerarquizan por la intensidad de corriente que son capaces de suministrar, así, mientras más grandes sean, mayor corriente entregan –considerando sólo las máquinas actuales, puesto que, en los modelos antiguos, todas, sin importar la corriente, eran de gran tamaño–; algo parecido sucede con los demás elementos de la tabla 2, que deberán ser de mayor calibre mientras más alta sea la intensidad de corriente con que trabajen. En este sentido, no todos los diámetros de electrodo, o de alambre, o de cable tierra, funcionan para todas las máquinas de soldar.
Elementos de seguridad
La soldadura implica varios riesgos para la salud, entre los cuales, los más notables y recurrentes son las quemaduras de piel y el conocido «arco en los ojos»[10]. Las primeras ocurren por la simple exposición corporal a la soldadura –las temperaturas alcanzadas en el baño de fusión pueden llegar hasta los 4000ºC–, también por las proyecciones de material fundido que ésta genera; el segundo se origina a causa de mirar el arco sin protegerse de la intensa luz ultravioleta que éste produce.
Para evitar estos problemas, es indispensable que los operarios usen los equipos de seguridad necesarios, que, en esencia, consisten en: máscara de soldar con cristal fotosensible[11] para la visión, guantes de soldar, chaqueta de cuero, pechera o delantal de cuero y zapatos de seguridad. En la siguiente figura se muestran estos elementos:
Las polainas, el gorro, la máscara protectora y el pantalón de cuero mostrados en la figura 10 no siempre se usan, debido a que hay empresas que no son lo suficientemente exigentes en cuanto al cumplimiento estricto de las normas de seguridad, y a que, a decir verdad, hay trabajos en donde la soldadura no es el único proceso al que debe dedicarse una persona, a veces ni siquiera el más importante. En este orden de ideas, hay incluso soldadores que se limitan a utilizar apenas la chaqueta, los guantes y la máscara. No obstante, lo ideal siempre es que se emplee la indumentaria de seguridad completa.
El hecho de que el cuero esté presente en casi cada elemento del ropaje de seguridad, se debe a que este material es barato y muy resistente al calor; la temperatura a la que comienza a degradarse es aproximadamente 430ºC.
Propiedades
La soldadura por arco eléctrico, como una de las tantas formas para la unión de metales, presenta ventajas que la hacen única y que la han convertido, desde la invención de la primera máquina de soldar eléctrica, en uno de los procesos más utilizados en la industria. En cualquier comunidad urbana se puede encontrar simplemente mirando alrededor, formando parte de la estructura de edificios, casas, postes, automóviles, puentes, tuberías, botes, basureros, etc. La soldadura por arco eléctrico hoy en día se encuentra básicamente en todos lados.
Y la verdad, no es para menos, pues aparte de ser el proceso con la mejor relación costo-calidad, en la unión de piezas de forma permanente: 1) ofrece la posibilidad de fusionar metales de las más variadas figuras geométricas, incluso aunque éstas sean disimilares; 2) permite –y comúnmente implica– la mejora de las propiedades del metal resultante en el área de la soldadura, lo que hace a la unión muy resistente a los esfuerzos; 3) prácticamente no deforma los metales; 4) provee una muy alta velocidad de trabajo en la fabricación y/o reparación de piezas o estructuras; 5) no conlleva la reducción del volumen de los materiales a unir; 6) es el tipo de unión más ligero, al requerir una menor cantidad de material para ser elaborado; 7) puede ser automatizado; 8) puede realizarse en cualquier lugar y casi en cualquier posición; y 9) produce uniones a prueba de fugas, lo que lo hace ideal para la fabricación y/o reparación de tuberías, indistintamente de la presión a la que éstas operen. De más está decir que todavía tiene más ventajas en comparación con los otros procesos de unión.
Con todo lo dicho, no resulta nada extraño que las tecnologías en máquinas de soldar por arco eléctrico avancen tanto y tan rápido, ni que, por tanto, ahora mismo existan desde brazos robóticos para la ejecución de soldaduras de forma automática, hasta variaciones en el proceso para ejecutar uniones de placas de hasta 0.3 milímetros de espesor.
[1] Una fuente de poder es una máquina que produce electricidad
[2] Emisión de electrones de un metal por el aumento de temperatura de éste
[3] La ionización del aire es el fenómeno mediante el cual se producen iones en el aire y lo vuelven un conductor
[4] Luz ultravioleta
[5] El temple se produce en los materiales soldados cuando éstos se enfrían muy rápido, casos en los que terminan fragilizándose
[6] Soldadura en la que se usa un electrodo permanente de tungsteno, que no se consume. Por eso es que el aporte viene por parte de una varilla.
[7] Óxido de aluminio
[8] Átomo de carga positiva
[9] Para el cebado por alta frecuencia, se eleva el voltaje mediante un generador durante un tiempo determinado; lo que acelera la ionización del aire.
[10] Irritación de los ojos causada por la exposición de éstos hacia la luz del arco eléctrico sin protección.
[11] Cristal que, al detecta rayos ultravioleta de alta intensidad, se oscurece instantáneamente, protegiendo los ojos.
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