La unión por difusión o soldadura por difusión es una técnica de soldadura en estado sólido utilizada en la metalurgia, capaz de unir metales similares y diferentes. Funciona según el principio de difusión en estado sólido, en el que los átomos de dos superficies metálicas sólidas se intercalan con el tiempo. Esto se logra típicamente a una temperatura elevada, aproximadamente el 50-75% de la temperatura de fusión absoluta de los materiales. [1] [2] También se puede lograr una unión débil a temperatura ambiente. [3] La unión por difusión se implementa generalmente aplicando alta presión, junto con una temperatura necesariamente alta, a los materiales que se van a soldar; la técnica se usa más comúnmente para soldar "sándwiches" de capas alternas de láminas metálicas delgadas y alambres o filamentos metálicos. [4] Actualmente, el método de unión por difusión se usa ampliamente en la unión de metales refractarios y de alta resistencia dentro de las industrias aeroespacial [1] y nuclear. [ cita requerida ]
La soldadura por difusión tiene siglos de antigüedad y se puede encontrar en forma de "oro relleno", una técnica utilizada para unir oro y cobre para su uso en joyería y otras aplicaciones. Para crear oro relleno, los herreros comenzaban martillando una cantidad de oro sólido hasta formar una fina lámina de oro. Esta película se colocaba luego sobre un sustrato de cobre y se le aplicaba peso. Finalmente, mediante un proceso conocido como "soldadura por presión en caliente" o HPW, el conjunto de peso/cobre/película de oro se colocaba dentro de un horno y se calentaba hasta que la película de oro se adhería lo suficiente al sustrato de cobre. [5]
Los métodos modernos fueron descritos por el científico soviético NF Kazakov en 1953. [6]
La unión por difusión no implica fusión de líquidos y, a menudo, tampoco metal de relleno. No se añade peso al total y la unión tiende a exhibir tanto la resistencia como la resistencia a la temperatura del metal o metales base. Los materiales no soportan ninguna deformación plástica o muy poca . Se introduce muy poca tensión residual y no hay contaminación del proceso de unión. En teoría, se puede realizar en una superficie de unión de cualquier tamaño sin aumentar el tiempo de procesamiento; sin embargo, en la práctica, la superficie tiende a estar limitada por la presión requerida y las limitaciones físicas. La unión por difusión se puede realizar con metales similares y diferentes, metales reactivos y refractarios o piezas de diferentes espesores.
Debido a su costo relativamente alto, la unión por difusión se usa con mayor frecuencia para trabajos que son difíciles o imposibles de soldar por otros medios. Los ejemplos incluyen materiales de soldadura normalmente imposibles de unir mediante fusión líquida, como el circonio y el berilio ; materiales con puntos de fusión muy altos como el tungsteno ; capas alternas de diferentes metales que deben mantener la resistencia a altas temperaturas; y estructuras de láminas metálicas muy delgadas en forma de panal. [7] [8] [9] Las aleaciones de titanio a menudo se unirán por difusión ya que la fina capa de óxido se puede disolver y difundir lejos de las superficies de unión a temperaturas superiores a 850 °C.
La difusión en estado estacionario está determinada por la cantidad de flujo de difusión que pasa a través del área de la sección transversal de las superficies de contacto. La primera ley de difusión de Fick establece:
donde J es el flujo de difusión, D es un coeficiente de difusión y dC / dx es el gradiente de concentración a través de los materiales en cuestión. El signo negativo es un producto del gradiente. Otra forma de la ley de Fick establece:
donde M se define como la masa o la cantidad de átomos que se difunden, A es el área de la sección transversal y t es el tiempo requerido. Igualando las dos ecuaciones y reordenándolas, obtenemos el siguiente resultado:
Como la masa y el área son constantes para una articulación dada, el tiempo requerido depende en gran medida del gradiente de concentración, que cambia solo en cantidades incrementales a través de la articulación, y del coeficiente de difusión. El coeficiente de difusión se determina mediante la ecuación:
donde Q d es la energía de activación para la difusión, R es la constante universal de los gases , T es la temperatura termodinámica experimentada durante el proceso y D 0 es un factor preexponencial independiente de la temperatura que depende de los materiales que se unen. Para una unión dada, el único término en esta ecuación que se puede controlar es la temperatura. [10]
Al unir dos materiales de estructura cristalina similar, la unión por difusión se realiza sujetando las dos piezas que se van a soldar con sus superficies contiguas entre sí. Antes de soldar, estas superficies deben mecanizarse hasta obtener un acabado lo más liso posible desde el punto de vista económico y mantenerse lo más libres posible de contaminantes químicos u otros detritos. Cualquier material intermedio entre las dos superficies metálicas puede impedir la difusión adecuada del material. Se fabrican herramientas específicas para cada aplicación de soldadura para acoplar el soldador a las piezas de trabajo. [11] Una vez sujetadas, se aplica presión y calor a los componentes, normalmente durante muchas horas. Las superficies se calientan en un horno o mediante resistencia eléctrica. Se puede aplicar presión utilizando una prensa hidráulica a temperatura; este método permite mediciones exactas de la carga sobre las piezas. En los casos en que las piezas no deben tener gradiente de temperatura, se puede utilizar la expansión térmica diferencial para aplicar la carga. Al fijar las piezas utilizando un metal de baja expansión (es decir, molibdeno ), las piezas proporcionarán su propia carga al expandirse más que el metal de fijación a temperatura. Los métodos alternativos para aplicar presión incluyen el uso de pesos muertos, presión de gas diferencial entre las dos superficies y autoclaves de alta presión. La unión por difusión debe realizarse en un entorno de vacío o gas inerte cuando se utilizan metales que tienen capas de óxido fuertes (por ejemplo, cobre). El tratamiento de la superficie, que incluye pulido, grabado y limpieza, así como la presión y la temperatura de difusión, son factores importantes en relación con el proceso de unión por difusión. [7] [8] [9]
A nivel microscópico, la unión por difusión ocurre en tres etapas simplificadas: [12]
La unión por difusión se utiliza principalmente para crear formas intrincadas para las industrias electrónica, aeroespacial, nuclear y de microfluidos. Dado que esta forma de unión requiere una cantidad considerable de tiempo en comparación con otras técnicas de unión, como la soldadura por explosión , las piezas se fabrican en pequeñas cantidades y, a menudo, la fabricación está mayoritariamente automatizada. Sin embargo, debido a los diferentes requisitos, el tiempo requerido podría reducirse. En un intento por reducir el número de sujetadores, los costos de mano de obra y el número de piezas, la unión por difusión, junto con el conformado superplástico , también se utiliza para crear formas complejas de chapa metálica. Se apilan varias láminas una sobre otra y se unen en secciones específicas. Luego, la pila se coloca en un molde y la presión del gas expande las láminas para llenar el molde. Esto a menudo se hace utilizando aleaciones de titanio o aluminio para las piezas necesarias en la industria aeroespacial. [15]
Los materiales típicos que se sueldan incluyen titanio , berilio y circonio . En muchos aviones militares, la unión por difusión ayudará a permitir la conservación de materiales estratégicos costosos y la reducción de los costos de fabricación. Algunos aviones tienen más de 100 piezas unidas por difusión, incluidos fuselajes , accesorios de actuadores externos e internos, muñones del tren de aterrizaje y marcos de góndola .
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