Soldadura por fusión: Técnicas para materiales no ferrosos

La Soldadura por fusión es una técnica primaria esencial en la fabricación de productos en diversos sectores industriales, especialmente al trabajar con materiales no ferrosos. Estos materiales, como el aluminio, el cobre y sus aleaciones, requieren un enfoque especializado para evitar problemas y maximizar la eficiencia.

En el contexto de metales no ferrosos, el control de la zona afectada por el calor es fundamental para mantener la integridad estructural del componente. La selección de parámetros operativos en procesos como Soldadura TIG o Soldadura MIG determina la calidad de la penetración y la confiabilidad del activo en aplicaciones industriales críticas.

¿Qué es la soldadura por fusión?

En la industria energética, la soldadura e inspección no solo son técnicas complejas y de mucha preparación técnica. Conocer los tipos de soldadura es vital. En este contexto la soldadura por fusion, consiste en la unión de dos o más piezas de material mediante la aplicación de calor, lo que provoca su cambio de estado a líquido (fusión) y la formación de una unión sólida tras el enfriamiento. Al referirnos a materiales no ferrosos, el enfoque se centra en metales y aleaciones que carecen de hierro en cantidades significativas.

Estos materiales, que incluyen el aluminio, el cobre, el magnesio y el titanio, se caracterizan por su resistencia a la corrosión, ligereza y alta conductividad térmica y eléctrica. Estas propiedades los hacen esenciales en aplicaciones industriales donde el hierro no es adecuado, aunque presentan desafíos técnicos únicos por su alta reactividad.

Importancia de la soldadura de materiales no ferrosos

El uso de metales no ferrosos ha crecido exponencialmente gracias a su relación resistencia-peso y durabilidad química. En sectores como la aeronáutica, la automoción y la energía, la correcta ejecución de la soldadura por fusión garantiza la integridad de los productos finales.

Sin embargo, estos metales presentan desafíos particulares, como su propensión a la oxidación rápida, que requiere controles atmosféricos específicos. Dominar estas técnicas es clave para asegurar la calidad y la resistencia de las uniones; un proceso incorrecto provoca defectos que comprometen la seguridad estructural. La precisión en la elección de equipos maximiza la vida útil de los componentes en aplicaciones críticas.

Métodos principales: GTAW, GMAW y SMAW

La selección del proceso de soldadura depende de la composición química del material, el espesor de la junta y los requisitos de productividad.

Soldadura TIG (Gas Tungsten Arc Welding – GTAW)

Este proceso utiliza un electrodo de tungsteno no consumible y un gas inerte, generalmente argón, para proteger el baño de fusión. Es la técnica predilecta para materiales altamente reactivos.

• Ventajas: Control milimétrico del aporte de calor, cordones estéticamente limpios y ausencia de salpicaduras.
• Limitaciones: Velocidad de deposición reducida; requiere una alta especialización técnica del operador.

Soldadura MIG (Gas Metal Arc Welding – GMAW)

Utiliza un alambre consumible que actúa como electrodo y material de aporte simultáneamente. Es el estándar para la producción industrial a gran escala.

• Ventajas: Alta eficiencia productiva y versatilidad en posiciones de soldadura.
• Limitaciones: Mayor riesgo de porosidad si no se controla el flujo de gas; equipo más complejo de configurar.

Soldadura por arco manual (SMAW)

Aunque es menos común en aleaciones no ferrosas delgadas, el uso de electrodos revestidos específicos sigue siendo esencial para reparaciones de campo y mantenimiento de estructuras pesadas donde la portabilidad es prioritaria.

Comparativa técnica de procesos de soldadura

La siguiente tabla resume los parámetros operativos de las principales técnicas industriales:

Proceso	Aplicación principal	Ventaja clave	Limitación
GTAW (TIG)	Aeroespacial / Tubería de precisión	Soldaduras de alta pureza	Baja tasa de deposición
GMAW (MIG)	Automotriz / Estructuras	Alta velocidad y eficiencia	Sensible a contaminantes
SMAW	Mantenimiento pesado	Portátil y versátil	Cambio frecuente de electrodos
Soldadura Láser	Electrónica / Médica	ZAC mínima; alta precisión	Alto costo inicial de equipo

Anatomía de los defectos en materiales no ferrosos

Los principales defectos en estos materiales se dividen sistemáticamente en geométricos y metalúrgicos. Identificar estas fallas es vital para cumplir con los estándares de ingeniería.

Defectos geométricos

Se originan por problemas en el manejo de equipos o deficiencias en la técnica:

• Ángulo de antorcha incorrecto: Provoca una distribución de calor asimétrica.
• Velocidad inadecuada: Una progresión inconsistente afecta la uniformidad del cordón.
• Parámetros eléctricos incorrectos: Voltajes o amperajes erróneos generan uniones débiles o exceso de penetración.

Defectos metalúrgicos

Ligados a las propiedades químicas y al ciclo térmico del metal:

• Impurezas en el material base: Elementos externos que debilitan la matriz metálica.
• Ciclado de temperatura inadecuado: Altera la estructura interna formando fases frágiles.
• Metal de relleno incompatible: El uso de un aporte erróneo provoca fallas mecánicas.
• Porosidad: Causada por gases atrapados (hidrógeno) durante la solidificación, común en el aluminio.
• Agrietamiento en caliente: Grietas que aparecen al enfriarse el material demasiado rápido.

Factores técnicos críticos: ZAC y Zona de Fusión

Para asegurar la integridad de la junta, se debe monitorear la Zona Afectada por el Calor (ZAC). Esta área adyacente a la zona de fusión no se funde, pero experimenta cambios microestructurales que pueden impactar las propiedades mecánicas del metal. Controlar la fuente de calor y la profundidad de penetración es esencial para evitar defectos como porosidad o agrietamiento en caliente.

Mejores prácticas: Preparación y control térmico

Las mejores prácticas utilizadas por las empresas hoy en día en estos procesos de soldaduras son el principio o procedimiento elemental para lograr resultados satisfactorios e indicadores de gestión y rendimiento aceptables por el cliente. Este tema lo vamos a enfocar en los tres pasos más importantes de este proceso de soldadura:

Preparación del material

La preparación es vital para lograr una unión sólida e impecable. Los pasos más importantes se describen a continuación:

• Limpieza de superficies: Los metales no ferrosos suelen presentar una capa de óxido superficial que debe eliminarse antes de soldar. En el caso del aluminio, por ejemplo, el óxido de aluminio suele eliminarse mediante cepillado mecánico o con una solución de limpieza específica.
• Precalentamiento del material: Materiales como el cobre y sus aleaciones pueden requerir precalentamiento para reducir la deformación térmica y mejorar la fluidez del material de relleno.
• Selección del material de aportación: Es fundamental elegir un material de aportación compatible con el metal base para evitar defectos de soldadura. Para el aluminio, se suelen utilizar aleaciones de aportación de aluminio-silicio o aluminio-magnesio, mientras que, para el cobre, se suelen utilizar aleaciones de cobre-zinc.
• Gestión de la ZAC: Monitorear la Zona Afectada por el Calor para evitar deformaciones térmicas.
• Ajuste de los parámetros de soldadura: El ajuste adecuado de la corriente, el voltaje y la velocidad de alimentación del electrodo es esencial para evitar defectos de soldadura y lograr una fusión uniforme.

De no aplicar esta buena práctica según procedimientos, normativas y buenos indicadores de gestión, los defectos más comunes saldrían como consecuencia de esta acción. A continuación, indicamos los principales defectos y como evitarlos:

Principales defectos de soldadura y cómo evitarlos

Durante la soldadura por fusión de metales no ferrosos, ciertos defectos son comunes si no se aplican los parámetros y técnicas adecuados. A continuación, se presentan algunos de los defectos más comunes y estrategias para evitarlos.

• Porosidad: La porosidad es un defecto común en la soldadura de metales no ferrosos, especialmente en aluminio. Este defecto se produce cuando el gas queda atrapado en el material fundido y forma pequeñas burbujas que debilitan la estructura de la soldadura.
  • Solución: Utilice gas inerte de alta pureza y asegúrese de que la superficie esté completamente limpia. También puede ser útil aumentar el flujo de gas para mejorar la cobertura protectora.
• Agrietamiento en caliente: El agrietamiento en caliente ocurre cuando el material se enfría demasiado rápido después de fundirse, lo que provoca grietas en el metal solidificado.
  • Solución: Precaliente el material antes de soldar para reducir la velocidad de enfriamiento y evitar la formación de grietas.
• Deformación térmica: La alta conductividad térmica de algunos metales no ferrosos, como el cobre, puede provocar deformaciones durante este proceso de soldadura.
  • Solución: Controlar la temperatura precalentando y aplicar enfriamiento controlado después de soldar.
• Inclusiones de óxido: En la soldadura TIG y MIG, los óxidos pueden quedar atrapados en la soldadura, debilitándola y provocando fallas en la unión.
  • Solución: Limpiar y cepillar adecuadamente el material antes de comenzar, además de mantener una atmósfera de gas inerte constante durante el proceso.

Control de calidad de la soldadura

Realizar controles de calidad en las diferentes etapas es lo más recomendable para cumplir con la calidad del producto y los códigos, normas y estándares como API, ASME, ANSI, entre otros, cumpliendo así con el diseño de ingeniería.

• Inspección visual: La inspección visual es uno de los métodos más comunes y eficaces para evaluar la calidad de las soldaduras por fusión. Este proceso consiste en examinar las soldaduras a simple vista o con herramientas básicas de medición de soldaduras (calibres, verniers, escuadras) y lupas, buscando defectos visibles y características que garanticen la integridad estructural de la unión.

• Identificación positiva de materiales (PMI): La identificación positiva de materiales (PMI) es una técnica clave para garantizar que los metales no ferrosos seleccionados para la soldadura por fusión cumplan con las especificaciones y propiedades requeridas para la aplicación. En la soldadura, especialmente en industrias donde la integridad estructural y la resistencia a la corrosión son cruciales, como la petroquímica, la energética y la aeroespacial, el uso del material correcto es crucial para evitar fallas y maximizar la vida útil de la unión.
• Aplicación de ensayos no destructivos (END): Los ensayos no destructivos (END) son esenciales para verificar la integridad de las soldaduras. Métodos como el ultrasonido y la radiografía permiten identificar defectos internos en metales no ferrosos, mientras que las pruebas con líquidos penetrantes son útiles para detectar grietas superficiales en aluminio y cobre. La elección del ensayo depende de las propiedades del material y del tipo de soldadura realizada.

Otras recomendaciones

Para obtener los mejores resultados en este tipo de soldadura, es importante tener en cuenta algunos consejos prácticos:

• Mantenimiento de equipos de soldadura de alta calidad: La precisión en la soldadura TIG y MIG depende en gran medida de la calidad del equipo y sus componentes.
• Capacitar adecuadamente al personal: la habilidad y la experiencia del soldador: Son fundamentales para minimizar los defectos de soldadura y garantizar una fusión adecuada.
• Ajuste el entorno de trabajo: Los metales no ferrosos son sensibles a la oxidación y otros contaminantes. Trabajar en un entorno controlado ayuda a reducir el riesgo de defectos.

Aplicaciones industriales

La soldadura por fusión se aplica varias industrias del sector energético e industrial, entre ellas:

• Aeroespacial: Uso extensivo de GTAW en fuselajes de aluminio por el control preciso del calor. Se utiliza para ensamblar estructuras de aeronaves, motores y componentes de naves espaciales. Toda la actividad de soldadura en esta área se rige por la norma AWS D17.1. Este documento es el eje principal para calificar el personal e inspeccionar las soldaduras por fusión, garantizando la seguridad en cada componente del sector.
• Automotriz: Implementación de GMAW y soldadura láser para el ensamblaje rápido de chasis de aluminio Se aplica en la fabricación de bastidores de vehículos, sistemas de escape y refuerzos estructurales.
• Construcción naval: Esencial para soldar grandes estructuras de acero en la construcción marina.
• Fabricación de dispositivos médicos: Se utiliza para la soldadura de precisión de instrumentos quirúrgicos e implantes.
• Construcción e infraestructura: Se aplica en la soldadura de vigas estructurales, tuberías y puentes.
• Oil & Gas: Técnicas especializadas para el revestimiento de aleaciones resistentes a la corrosión (CRA) en equipos submarinos

Innovaciones y tecnologías emergentes en soldadura por fusión

Entre los avances más importantes en tecnologías están: la soldadura automática y robotizada para materiales no ferrosos:

• La soldadura automatizada y robótica ofrece precisión y repetibilidad en procesos industriales, especialmente en la soldadura por fusión de metales no ferrosos. Los robots de soldadura, integrados con sistemas de visión, permiten una aplicación precisa de calor y mejoran la calidad de las soldaduras en series de producción altas.

Y en materiales nuevas aleaciones y su impacto en los procesos de fusión:

• El desarrollo de nuevas aleaciones, como las de aluminio-litio y níquel, con propiedades de fusión mejoradas, ha facilitado el trabajo con metales no ferrosos en condiciones extremas. Estas innovaciones permiten una mejor soldabilidad y durabilidad, ampliando las aplicaciones industriales de estos materiales.

Conclusiones

La soldadura por fusión en materiales no ferrosos puede realizarse con éxito cuando se aplican técnicas, equipos y personal capacitado precisos y adecuados. La elección entre los métodos de TIG y soldadura MIG debe basarse en las propiedades del material y los requisitos del proyecto, garantizando una adaptación óptima al contexto de cada aplicación. Este enfoque reduce los defectos y mejora la integridad de la soldadura, contribuyendo así a la eficiencia del proceso y a la calidad del producto final.

La soldadura por fusión de metales no ferrosos es un proceso complejo que requiere precisión, conocimiento y una técnica adecuada. La elección entre TIG y soldadura MIG dependerá de las características del material y de los requisitos específicos del proyecto. Con una preparación adecuada, el uso de equipos de calidad y la capacitación continua del personal, es posible lograr soldaduras sólidas y sin defectos, maximizando así la eficiencia y la calidad del producto.

Referencias

1. Air Liquide: ¿Cuáles son los defectos de soldadura más comunes?https://es.airliquide.com/soluciones/soldadura-industrial/cuales-son-los-defectos-de-soldadura-mas-comunes
2. Arccaptain: ¿Qué es la soldadura por fusión? Su proceso y aplicaciones (17 abr 2024) https://www.arccaptain.com/es/blogs/article/what-is-fusion-welding?s
3. Codam: Soldadura en metales no ferrosos (Ago 16, 2024) https://codam.com.ar/2024/08/16/soldadura-en-metales-no-ferrosos/

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