Soldaduras bimetálicas: Fundamentos, tipos y aplicaciones

Introducción

La soldadura es una técnica fundamental en la fabricación y reparación de estructuras metálicas, tuberías y equipos, utilizada ampliamente en industrias como la automotriz, la construcción naval, la energía y la aeroespacial, ente muchas otras. Sin embargo, no todos los procesos de soldadura involucran la unión de metales idénticos. En muchos casos, es necesario unir materiales diferentes para aprovechar las propiedades únicas de cada uno, lo que ha llevado al desarrollo de soldaduras bimetálicas o disímiles.

Las soldaduras bimetálicas implican la unión de dos o más metales disimiles, cada uno con sus propias propiedades físicas, químicas y mecánicas. Esta capacidad para combinar lo mejor de ambos mundos hace que las soldaduras bimetálicas, aunque complejas, sean esenciales en aplicaciones donde se requieren características especiales, como resistencia a la corrosión, conductividad térmica o resistencia al desgaste.

Descripción técnica

Las soldaduras bimetálicas o disímiles se refieren a la unión de dos materiales metálicos que no son idénticos en su composición. Esto puede incluir la unión de diferentes aleaciones de acero, acero con aluminio, cobre con acero, entre otros. El objetivo principal es aprovechar las propiedades complementarias de los materiales involucrados para crear una unión que sea más adecuada para una aplicación específica que si se utilizara un solo material. 

Metales disímiles y su soldabilidad

Uno de los principales desafíos de la soldadura bimetálica es la soldabilidad de los metales disímiles. La diferencia en propiedades físicas y químicas entre los metales, como la conductividad térmica y el coeficiente de expansión térmica, son dificultades en la unión de metales disímiles que dan lugar a fenómenos metalúrgicos indeseados. Estos fenómenos incluyen la formación de fases intermetálicas frágiles, tensiones residuales y en la soldadura y en las zonas afectadas por el calor (ZAC).

El éxito en la soldabilidad de materiales bimetálicos depende en gran medida de un buen diseño con la elección adecuada de los materiales, cumplir con las certificaciones de los procedimientos de soldadura (WPS) y el control del proceso de soldadura para minimizar estos efectos. Las soldaduras bimetálicas solo deben utilizase cuando son absolutamente necesarios y brindan un beneficio real.

El siguiente video muestra en la práctica cómo se describen algunas de las aciones a tomar en cuenta al momento de soldar metales disímiles, pero es importante recordar que cada caso es único y requiere un análisis detallado para seleccionar el procedimiento de soldadura más adecuado.

Materiales involucrados

Los materiales más comunes en soldaduras disímiles incluyen:

• Acero con cobre: Utilizado en aplicaciones donde se requiere una alta conductividad térmica junto con la resistencia mecánica del acero.
• Acero inoxidable con aluminio: Usado en la industria automotriz para combinar la resistencia a la corrosión del acero inoxidable con la ligereza del aluminio.
• Titanio con acero: Aplicado en la industria aeroespacial debido a la alta relación resistencia/peso del titanio.
• Inconel con aleaciones de níquel: Utilizada en la industria aeroespacial y de turbinas de gas, esta combinación permite la fabricación de componentes que pueden operar a altas temperaturas y en ambientes altamente corrosivos. La compatibilidad entre Inconel y otras aleaciones de níquel facilita la soldadura y proporciona una transición efectiva en componentes críticos como álabes de turbinas y componentes de motores.
• Inconel con titanio: Aunque menos común y siendo una soldadura disímil muy complicada, esta combinación se usa en aplicaciones donde se requiere una alta resistencia mecánica y a la corrosión, como en la industria aeroespacial. El Inconel proporciona una barrera resistente a la oxidación y corrosión, mientras que el titanio aporta ligereza y resistencia estructural.
• Aluminio e inconel: Para los puntos de transición de los cohetes, se usan uniones a prueba de fugas entre dos materiales diferentes. En lugar de utilizar una unión mecánica, la soldadura por fricción ofrece una alternativa más simple y confiable.

Mecanismos de unión

La unión entre metales disímiles no es trivial debido a las diferencias en las propiedades de los materiales. La principal dificultad radica en la formación de compuestos intermetálicos frágiles en la interfase de los materiales, lo que puede comprometer la integridad de la soldadura. Los mecanismos de unión más comunes incluyen la soldadura por fusión, la soldadura por fricción y la soldadura con láser, cada uno con sus propios desafíos técnicos.

Técnicas comúnes

Las técnicas de soldadura más comúnmente utilizadas para unir materiales disímiles son:

• Soldadura TIG (Tungsten Inert Gas): Adecuada para la unión de materiales disimiles que requieren un alto control de la temperatura y un ambiente de soldadura limpio. Es muy útil para unir tuberías de diferentes características como acero al carbono y de baja aleación con aceros inoxidables.
• Soldadura MIG (Metal Inert Gas): Utilizada para uniones rápidas y eficientes, especialmente en la industria automotriz. Igualmente es ampliamente utilizada en el recubrimiento metálico (weld overlay) de aceros al carbono con aceros inoxidables, ofreciendo protección contra la corrosión y la erosión.
• Soldadura por fricción FW (Friction Welding): Este proceso no requiere material de aporte y es el más utilizado para las soldaduras bimetálicas. Es Ideal para materiales que tienen una alta diferencia en sus puntos de fusión, ya que no implica la fusión completa de los materiales, reduciendo el riesgo de deformaciones y tensiones residuales y formando uniones más fuertes y duraderas, especialmente en aplicaciones donde la integridad estructural es crítica. Muy usadas en la fabricación de partes de equipos rotativos como bombas, turbinas y parte de trasmisiones automotriz, entre otros.

• Soldadura con láser LBW (Laser Beam Welding): Proporciona una alta precisión y un control térmico exacto, lo que es determinante para evitar la formación de compuestos intermetálicos no deseados. 
• Soldadura por explosión EXW (Explosion Welding): Esta técnica es especialmente efectiva para unir metales con grandes diferencias en sus puntos de fusión y propiedades físicas. En este proceso, uno de los metales se acelera mediante una carga explosiva hacia el otro metal, lo que provoca una colisión controlada que resulta en la unión de los materiales a nivel molecular. Este método se utiliza ampliamente para el revestimiento metálico (Cladding) de los aceros al carbono con inoxidables, aluminio, cobre, bronce, titanio, monel, y otros materiales que son difíciles de soldar mediante métodos convencionales. 

Selección de técnicas

La elección de la técnica de soldadura depende de varios factores, incluyendo:

• Compatibilidad de los materiales: La diferencia en los puntos de fusión y la propensión a la formación de compuestos intermetálicos.
• Aplicación final: Es fundamental considerar el ambiente de operación, prestando especial atención a factores como la exposición a la corrosión y las altas temperaturas. Asimismo, se debe evaluar la diferencia de potenciales eléctricos de los materiales disimiles que conformarán la unión bimetálica, para prevenir la corrosión electroquímica.
• Costo y eficiencia: La viabilidad económica de la técnica en relación con la escala de producción.

Desafíos técnicos

Uno de los principales desafíos en la soldadura de materiales disímiles es la diferencia en los coeficientes de expansión térmica, lo que puede causar tensiones residuales y grietas en la soldadura. Además, la formación de compuestos intermetálicos frágiles puede debilitar la unión, lo que requiere un control preciso de la temperatura y la técnica de soldadura utilizada.

Evaluación de las propiedades mecánicas y metalúrgicas

Las propiedades mecánicas y metalúrgicas de las soldaduras bimetálicas son críticas para su desempeño en aplicaciones industriales. Estas propiedades incluyen:

• Resistencia a la tracción: La capacidad de la unión soldada para soportar cargas de tensión sin fallar.
• Dureza: La resistencia de la soldadura al desgaste y la deformación plástica.
• Tenacidad: La capacidad de la soldadura para absorber energía sin fracturarse.

Pruebas de calidad

Para garantizar la calidad de las soldaduras disímiles, se realizan varias pruebas no destructivas y destructivas como: 

• Ultrasonido: Para detectar defectos internos como porosidad o grietas.
• Radiografía: Para inspeccionar la integridad interna de la soldadura.
• Pruebas de tracción: Para evaluar la resistencia y ductilidad de la soldadura.
• Prueba de impacto: Se utiliza para determinar la tenacidad de la soldadura, es decir, su capacidad para absorber energía antes de fracturarse bajo condiciones de choque o impacto. 
• Prueba de doblez: Se utiliza para verificar la ductilidad y la calidad de la soldadura al someterla a una deformación plástica. 
• Microscopía electrónica: Para analizar la microestructura de la interfase soldada y detectar la presencia de compuestos intermetálicos. 

Factores que afectan la calidad

La calidad de una soldadura bimetálica depende de varios factores, como la preparación de la superficie, la elección de los parámetros de soldadura (corriente, voltaje, velocidad de soldadura) y el enfriamiento controlado. Un enfriamiento demasiado rápido o lento puede provocar tensiones residuales o la formación de fases no deseadas en la zona afectada por el calor (HAZ).

Aplicaciones y usos específicos

• Industria automotriz: Las soldaduras bimetálicas son utilizadas para la fabricación de vehículos más ligeros y eficientes en combustible. Un ejemplo típico es la unión de aluminio y el acero, donde el aluminio reduce el peso total del vehículo, mientras que el acero proporciona la resistencia estructural necesaria.
• Industria energética: Las soldaduras disímiles son esenciales en la fabricación de componentes para la industria energética, como recubrimientos metálicos en tuberías y torres de proceso, tubos de perforación, tuberías de para la extracción de petróleo y gas, y componentes de intercambiadores de calor en plantas nucleares, entre muchos otros.
• Industria aeroespacial: La soldadura disímil combinado resistencia y ligereza permite la construcción de componentes complejos que deben soportar condiciones extremas, como altas temperaturas y vibraciones intensas. Además, facilita la integración de metales de alta resistencia a la corrosión en estructuras críticas, como fuselajes y motores, mejorando la durabilidad y el rendimiento de las aeronaves. 

Ventajas y desventajas de la soldadura bimetálica

Ventajas

• Optimización de propiedades: Las soldaduras bimetálicas permiten combinar las mejores propiedades de dos materiales diferentes, como resistencia a la corrosión y alta resistencia mecánica.
• Reducción de costos: Al utilizar un material económico en la mayor parte de la estructura y un material más costoso solo en áreas críticas, se pueden reducir significativamente los costos.
• Mejor rendimiento en condiciones extremas: Estas soldaduras pueden diseñarse para resistir ambientes extremos, como altas temperaturas, corrosión o desgaste intenso.

Desventajas

• Complejidad técnica: Requiere un control preciso de los parámetros de soldadura y una comprensión profunda de las propiedades de los materiales.
• Riesgo de fallo: La formación de compuestos intermetálicos frágiles puede debilitar la unión, aumentando el riesgo de fallos.
• Corrosión electroquímica: Por diferencia del potencial eléctrico de los materiales. 
• Costo inicial elevado: La investigación, el desarrollo y la implementación de técnicas de soldadura bimetálica requiere un costo mayor al de las soldaduras ordinarias, especialmente en etapas iniciales.

Ejemplos reales

Uno de los casos más ilustrativos de la aplicación de soldaduras bimetálicas es la fabricación de tuberías bimetálicas en la industria petrolera, donde se une acero al carbono con acero inoxidable para aprovechar la resistencia a la corrosión del acero inoxidable en la superficie interna, mientras se utiliza el acero al carbono en el exterior para reducir costos.

Análisis de resultados

En este caso, las pruebas han demostrado que la unión bimetálica mejora significativamente la vida útil de las tuberías, reduciendo los costos de mantenimiento y reparación. Además, se ha observado una mejora en la eficiencia operativa debido a la menor necesidad de interrupciones por corrosión e igualmente aumento sustancial en la confiabilidad de las instalaciones al disminuirse las posibilidades de eventos no deseados por fuego.

Nuevos desarrollos

La investigación actual en soldaduras bimetálicas se centra en el uso de tecnologías avanzadas como la soldadura por láser de alta precisión y la adición de nanopartículas para mejorar la resistencia de la unión. Además, se están explorando métodos de soldadura sin fusión, como la soldadura en estado sólido, para reducir la formación de compuestos intermetálicos.

Conclusiones

La soldadura con materiales disímiles una tecnología avanzada que permite la combinación de materiales con propiedades complementarias para aplicaciones industriales críticas. Aunque presenta desafíos técnicos significativos, sus ventajas en términos de rendimiento, durabilidad y optimización de costos la convierten en una opción atractiva para diversas industrias.

Con la continua investigación y desarrollo en técnicas de soldadura como la soldadura por explosión y la integración de nuevas tecnologías, se espera que las soldaduras bimetálicas desempeñen un papel cada vez más importante en la fabricación y el mantenimiento de estructuras metálicas en el futuro.

Referencias

1. https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0925838819348054
2. https://spinweld.com/welding-dissimilar-metals/