Soldadura ( Reino Unido : / ˈ s ɒ l d ə , ˈ s ə ʊ l d ə / ; [1] NA : / ˈ s ɒ d ər / ) [2] es una aleación de metal fusible que se utiliza para crear una unión permanente entre metales piezas de trabajo. La soldadura se funde para mojar las partes de la unión, donde se adhiere y conecta las piezas después de enfriarse. Los metales o aleaciones adecuados para su uso como soldadura deben tener un punto de fusión más bajo que el de las piezas a unir. La soldadura también debe ser resistente a los efectos oxidativos y corrosivos que degradarían la unión con el tiempo. La soldadura utilizada para realizar conexiones eléctricas también debe tener características eléctricas favorables.
La soldadura blanda normalmente tiene un rango de punto de fusión de 90 a 450 °C (190 a 840 °F; 360 a 720 K), [3] y se usa comúnmente en electrónica , plomería y trabajos de chapa. Las aleaciones que se funden entre 180 y 190 °C (360 y 370 °F; 450 y 460 K) son las más utilizadas. La soldadura realizada con aleaciones con un punto de fusión superior a 450 °C (840 °F; 720 K) se denomina "soldadura dura", "soldadura de plata" o soldadura fuerte .
En proporciones específicas, algunas aleaciones son eutécticas , es decir, el punto de fusión de la aleación es el más bajo posible para una mezcla de esos componentes y coincide con el punto de congelación. Las aleaciones no eutécticas pueden tener temperaturas de sólido y líquido marcadamente diferentes , ya que tienen transiciones líquidas y sólidas distintas. Las mezclas no eutécticas suelen existir como una pasta de partículas sólidas en una matriz fundida de la fase de menor punto de fusión a medida que se acercan a temperaturas suficientemente altas. En trabajos eléctricos, si se altera la junta mientras se encuentra en este estado "pastoso" antes de que se solidifique por completo, puede producirse una mala conexión eléctrica; El uso de soldadura eutéctica reduce este problema. El estado pastoso de una soldadura no eutéctica se puede aprovechar en fontanería, ya que permite moldear la soldadura durante el enfriamiento, por ejemplo para garantizar una unión estanca de tuberías, lo que da como resultado la denominada "unión limpia".
Para trabajos eléctricos y electrónicos, el alambre de soldadura está disponible en una variedad de espesores para soldadura manual (la soldadura manual se realiza con un soldador o una pistola de soldar ) y con núcleos que contienen fundente . También está disponible como pasta a temperatura ambiente, como una lámina preformada que se adapta a la pieza de trabajo, lo que puede ser más adecuado para la producción mecanizada en masa , o en pequeñas "pestañas" que se pueden envolver alrededor de la junta y derretir con una llama donde se el hierro no es utilizable o no está disponible, como por ejemplo en las reparaciones en el campo. Las aleaciones de plomo y estaño se utilizaban habitualmente en el pasado y todavía están disponibles; son particularmente convenientes para soldar a mano. El uso de soldaduras sin plomo ha ido aumentando debido a los requisitos reglamentarios además de los beneficios para la salud y el medio ambiente de evitar los componentes electrónicos a base de plomo. Hoy en día se utilizan casi exclusivamente en la electrónica de consumo. [4]
Los plomeros suelen utilizar barras de soldadura, mucho más gruesas que el cable utilizado para aplicaciones eléctricas, y aplican fundente por separado; Muchos fundentes de soldadura adecuados para plomería son demasiado corrosivos (o conductores) para usarse en trabajos eléctricos o electrónicos. Los joyeros suelen utilizar soldadura en láminas finas, que cortan en fragmentos.
La palabra soldar proviene de la palabra del inglés medio soudur , a través del francés antiguo solduree y soulder , del latín solidare , que significa "hacer sólido". [5]
Las soldaduras de estaño - plomo (Sn-Pb), también llamadas soldaduras blandas , están disponibles comercialmente con concentraciones de estaño entre el 5% y el 70% en peso. Cuanto mayor sea la concentración de estaño, mayores serán las resistencias a la tracción y al corte de la soldadura . El plomo mitiga la formación de bigotes de estaño , [6] aunque se desconoce el mecanismo preciso para ello. [7] Hoy en día, se utilizan muchas técnicas para mitigar el problema, incluidos cambios en el proceso de recocido (calentamiento y enfriamiento), la adición de elementos como cobre y níquel y la aplicación de recubrimientos conformados . [8] Las aleaciones comúnmente utilizadas para soldadura eléctrica son 60/40 Sn-Pb, que se funde a 188 °C (370 °F), [9] y 63/37 Sn-Pb que se utilizan principalmente en trabajos eléctricos/electrónicos. Esta última mezcla es una aleación eutéctica de estos metales, que:
En los Estados Unidos, desde 1974, el plomo está prohibido en soldaduras y fundentes en aplicaciones de plomería para uso de agua potable, según la Ley de Agua Potable Segura . [10] Históricamente, se utilizaba una mayor proporción de plomo, comúnmente 50/50. Esto tenía la ventaja de hacer que la aleación solidificara más lentamente. Una vez que los tubos se unen físicamente antes de soldarlos, la soldadura se puede limpiar sobre la unión para garantizar la estanqueidad. Aunque las tuberías de agua de plomo fueron desplazadas por las de cobre cuando se empezó a apreciar plenamente la importancia del envenenamiento por plomo , la soldadura de plomo se siguió utilizando hasta la década de 1980 porque se pensaba que la cantidad de plomo que podía filtrarse al agua desde la soldadura era insignificante si se utilizaba adecuadamente. unión soldada. El par electroquímico del cobre y el plomo favorece la corrosión del plomo y del estaño. El estaño, sin embargo, está protegido por un óxido insoluble. Dado que se ha descubierto que incluso pequeñas cantidades de plomo son perjudiciales para la salud como una potente neurotoxina , [11] el plomo en las soldaduras de plomería fue reemplazado por plata (aplicaciones de calidad alimentaria) o antimonio , a menudo se agrega cobre , y se aumentó la proporción de estaño ( ver soldadura sin plomo).
La adición de estaño, más caro que el plomo, mejora las propiedades humectantes de la aleación; El plomo en sí tiene malas características de humectación. Las aleaciones con alto contenido de estaño y plomo tienen un uso limitado ya que el rango de trabajabilidad puede ser proporcionado por una aleación con alto contenido de plomo más barata. [12]
Las soldaduras de plomo y estaño disuelven fácilmente el baño de oro y forman intermetálicos quebradizos. [13] La soldadura 60/40 Sn-Pb se oxida en la superficie, formando una estructura compleja de 4 capas: óxido de estaño (IV) en la superficie, debajo de ella una capa de óxido de estaño (II) con plomo finamente disperso, seguida de una capa de óxido de estaño (II) con estaño y plomo finamente dispersos, y la propia aleación de soldadura debajo. [14]
El plomo y, en cierta medida, el estaño, tal como se utiliza en la soldadura, contienen cantidades pequeñas pero significativas de impurezas de radioisótopos . Los radioisótopos que sufren desintegración alfa son motivo de preocupación debido a su tendencia a provocar errores leves . El polonio-210 es especialmente problemático; El plomo-210 beta se desintegra en bismuto-210 , que luego se desintegra en polonio-210, un intenso emisor de partículas alfa . El uranio-238 y el torio-232 son otros contaminantes importantes de las aleaciones de plomo. [15] [16]
La Directiva de la Unión Europea sobre residuos de aparatos eléctricos y electrónicos y la Directiva sobre restricción de sustancias peligrosas se adoptaron a principios de 2003 y entraron en vigor el 1 de julio de 2006, restringiendo la inclusión de plomo en la mayoría de los productos electrónicos de consumo vendidos en la UE y teniendo un amplio efecto sobre Electrónica de consumo vendida en todo el mundo. En Estados Unidos, los fabricantes pueden recibir beneficios fiscales al reducir el uso de soldadura a base de plomo. Las soldaduras sin plomo de uso comercial pueden contener estaño, cobre, plata, bismuto , indio , zinc , antimonio y trazas de otros metales. La mayoría de los sustitutos sin plomo para la soldadura convencional 60/40 y 63/37 Sn-Pb tienen puntos de fusión de 50 a 200 °C más altos, [17] aunque también hay soldaduras con puntos de fusión mucho más bajos. La soldadura sin plomo normalmente requiere alrededor del 2% de fundente en masa para una capacidad de humectación adecuada. [18]
Cuando se utiliza soldadura sin plomo en soldadura por ola , puede ser deseable un recipiente de soldadura ligeramente modificado (por ejemplo, revestimientos o impulsores de titanio ) para reducir el costo de mantenimiento debido al aumento de la eliminación de estaño de la soldadura con alto contenido de estaño.
La soldadura sin plomo está prohibida en aplicaciones críticas, como proyectos aeroespaciales , militares y médicos, porque es probable que las uniones sufran fallas por fatiga del metal bajo tensión (como la de expansión y contracción térmica). Aunque esta es una propiedad que también posee la soldadura con plomo convencional (como cualquier metal), el punto en el que normalmente se produce la fatiga por tensión en la soldadura con plomo está sustancialmente por encima del nivel de tensiones que normalmente se encuentran.
Dos tercios de los fabricantes japoneses utilizan soldaduras de estaño, plata y cobre (Sn-Ag-Cu o SAC ) para soldadura por reflujo y por ola , y aproximadamente el 75% de las empresas para soldadura manual. El uso generalizado de esta popular familia de aleaciones de soldadura sin plomo se basa en el punto de fusión reducido del comportamiento eutéctico ternario Sn-Ag-Cu (217 °C; 423 °F), que está por debajo del 22/78 Sn-Ag ( % en peso eutéctico de 221 °C (430 °F) y el eutéctico 99,3/0,7 Sn-Cu de 227 °C (441 °F). [19] El comportamiento eutéctico ternario del Sn-Ag-Cu y su aplicación para el ensamblaje de productos electrónicos fue descubierto (y patentado) por un equipo de investigadores del Laboratorio Ames , de la Universidad Estatal de Iowa , y de los Laboratorios Nacionales Sandia, Albuquerque.
Gran parte de la investigación reciente se ha centrado en la adición de un cuarto elemento a la soldadura de Sn-Ag-Cu, con el fin de proporcionar compatibilidad con la velocidad de enfriamiento reducida del reflujo de esferas de soldadura para el ensamblaje de conjuntos de rejillas de bolas . Ejemplos de estas composiciones de cuatro elementos son 18/64/14/4 estaño-plata-cobre-zinc (Sn-Ag-Cu-Zn) (intervalo de fusión 217-220 °C) y 18/64/16/2 estaño- plata-cobre- manganeso (Sn-Ag-Cu-Mn; rango de fusión de 211 a 215 °C).
Las soldaduras a base de estaño disuelven fácilmente el oro y forman uniones intermetálicas frágiles; para las aleaciones de Sn-Pb, la concentración crítica de oro para fragilizar la unión es aproximadamente el 4%. Las soldaduras ricas en indio (normalmente indio-plomo) son más adecuadas para soldar capas de oro más gruesas, ya que la velocidad de disolución del oro en indio es mucho más lenta. Las soldaduras ricas en estaño también disuelven fácilmente la plata; para soldar metalizaciones o superficies de plata, son adecuadas las aleaciones con adición de plata; Las aleaciones sin estaño también son una opción, aunque su capacidad de humectación es menor. Si el tiempo de soldadura es lo suficientemente largo para formar los intermetálicos, la superficie de estaño de una unión soldada con oro queda muy opaca. [13]
Las soldaduras duras se utilizan para soldar y se funden a temperaturas más altas. Las aleaciones de cobre con zinc o plata son las más comunes.
En platería o joyería , se utilizan soldaduras duras especiales que pasan el ensayo . Contienen una alta proporción del metal que se suelda y en estas aleaciones no se utiliza plomo. Estas soldaduras varían en dureza y se denominan "esmaltadas", "duras", "medias" y "fáciles". La soldadura para esmaltado tiene un punto de fusión alto, cercano al del propio material, para evitar que la unión se desolde durante la cocción en el proceso de esmaltado. Los tipos de soldadura restantes se utilizan en orden decreciente de dureza durante el proceso de fabricación de un artículo, para evitar que una costura previamente soldada o una unión se desolde mientras se sueldan sitios adicionales. La soldadura fácil también se utiliza a menudo para trabajos de reparación por la misma razón. El fundente también se utiliza para evitar que las uniones se desolden.
La soldadura de plata también se utiliza en la fabricación para unir piezas metálicas que no se pueden soldar . Las aleaciones utilizadas para estos fines contienen una elevada proporción de plata (hasta un 40%), pudiendo contener también cadmio .
Diferentes elementos cumplen diferentes funciones en la aleación de soldadura:
Las impurezas generalmente ingresan al depósito de soldadura disolviendo los metales presentes en los conjuntos que se están soldando. La disolución de equipos de proceso no es común ya que los materiales generalmente se eligen para que sean insolubles en la soldadura. [25]
Acabados de la placa versus acumulación de impurezas en el baño de soldadura por ola:
El fundente es un agente reductor diseñado para ayudar a reducir (devolver los metales oxidados a su estado metálico) los óxidos metálicos en los puntos de contacto para mejorar la conexión eléctrica y la resistencia mecánica. Los dos tipos principales de fundente son el fundente ácido (a veces llamado "fundente activo"), que contiene ácidos fuertes, que se usa para reparar metales y plomería, y el fundente de colofonia (a veces llamado "fundente pasivo"), que se usa en electrónica. El fundente de colofonia se presenta en una variedad de "actividades", que corresponden aproximadamente a la velocidad y eficacia de los componentes de ácido orgánico de la colofonia para disolver los óxidos de la superficie metálica y, en consecuencia, a la corrosividad del residuo del fundente.
Debido a las preocupaciones sobre la contaminación atmosférica y la eliminación de desechos peligrosos , la industria electrónica ha ido cambiando gradualmente del fundente de colofonia al fundente soluble en agua, que se puede eliminar con agua desionizada y detergente , en lugar de disolventes de hidrocarburos . Los fundentes solubles en agua son generalmente más conductores que los fundentes eléctricos/electrónicos utilizados tradicionalmente y, por lo tanto, tienen más potencial para interactuar eléctricamente con un circuito; en general es importante eliminar sus rastros después de soldar. Algunos restos de fundente tipo rosin también deben eliminarse, y por el mismo motivo.
En contraste con el uso de barras tradicionales o alambres enrollados de soldadura totalmente metálica y la aplicación manual de fundente a las piezas que se unen, gran parte de la soldadura manual desde mediados del siglo XX ha utilizado soldadura con núcleo fundente. Se fabrica como un alambre de soldadura enrollado, con uno o más cuerpos continuos de ácido inorgánico o fundente de colofonia incrustados a lo largo en su interior. A medida que la soldadura se derrite en la unión, libera el fundente y también lo libera.
El comportamiento de solidificación depende de la composición de la aleación. Los metales puros se solidifican a una determinada temperatura, formando cristales de una fase. Las aleaciones eutécticas también se solidifican a una sola temperatura, precipitando todos los componentes simultáneamente en el llamado crecimiento acoplado. Las composiciones no eutécticas, al enfriarse, comienzan a precipitar primero la fase no eutéctica; dendritas cuando es un metal, cristales grandes cuando es un compuesto intermetálico. Esta mezcla de partículas sólidas en un eutéctico fundido se denomina estado blando . Incluso una proporción relativamente pequeña de sólidos en el líquido puede reducir drásticamente su fluidez. [28]
La temperatura de solidificación total es el solidus de la aleación, la temperatura a la que se funden todos los componentes es el liquidus.
Se desea el estado blando cuando un grado de plasticidad es beneficioso para crear la unión, permitiendo llenar huecos más grandes o pasar un paño sobre la unión (por ejemplo, al soldar tuberías). En la soldadura manual de componentes electrónicos puede resultar perjudicial ya que la unión puede parecer solidificada cuando todavía no lo está. La manipulación prematura de dicha junta altera su estructura interna y compromete su integridad mecánica.
Durante la solidificación de las soldaduras y durante sus reacciones con las superficies soldadas se forman muchos compuestos intermetálicos diferentes. [25] Los intermetálicos forman fases distintas, generalmente como inclusiones en una matriz de solución sólida dúctil, pero también pueden formar la propia matriz con inclusiones metálicas o formar materia cristalina con diferentes intermetálicos. Los intermetálicos suelen ser duros y quebradizos. Los intermetálicos finamente distribuidos en una matriz dúctil producen una aleación dura, mientras que la estructura gruesa da una aleación más blanda. A menudo se forma una variedad de intermetálicos entre el metal y la soldadura, con una proporción cada vez mayor del metal; por ejemplo, formando una estructura de Cu−Cu 3 Sn−Cu 6 Sn 5 −Sn . Se pueden formar capas de intermetálicos entre la soldadura y el material soldado. Estas capas pueden causar debilitamiento y fragilidad de la confiabilidad mecánica, aumento de la resistencia eléctrica o electromigración y formación de huecos. La capa intermetálica de oro y estaño es responsable de la mala confiabilidad mecánica de las superficies chapadas en oro soldadas con estaño donde el baño de oro no se disolvió completamente en la soldadura.
Dos procesos desempeñan un papel en la formación de una junta de soldadura: la interacción entre el sustrato y la soldadura fundida y el crecimiento en estado sólido de compuestos intermetálicos. El metal base se disuelve en la soldadura fundida en una cantidad que depende de su solubilidad en la soldadura. El componente activo de la soldadura reacciona con el metal base a una velocidad que depende de la solubilidad de los constituyentes activos en el metal base. Las reacciones en estado sólido son más complejas: la formación de intermetálicos se puede inhibir cambiando la composición del metal base o de la aleación de soldadura, o utilizando una capa barrera adecuada para inhibir la difusión de los metales. [29]
Algunos ejemplos de interacciones incluyen:
Una preforma es una forma prefabricada de soldadura especialmente diseñada para la aplicación en la que se utilizará. Se utilizan muchos métodos para fabricar la preforma de soldadura, siendo el estampado el más común. La preforma de soldadura puede incluir el fundente de soldadura necesario para el proceso de soldadura. Puede ser un fundente interno, dentro de la preforma de soldadura, o externo, con la preforma de soldadura recubierta.
La soldadura de vidrio se utiliza para unir vidrios a otros vidrios, cerámicas , metales , semiconductores , mica y otros materiales, en un proceso llamado unión de fritas de vidrio . La soldadura de vidrio tiene que fluir y humedecer las superficies soldadas muy por debajo de la temperatura donde se produce la deformación o degradación de cualquiera de los materiales unidos o estructuras cercanas (por ejemplo, capas de metalización sobre virutas o sustratos cerámicos). La temperatura habitual para lograr flujo y humectación es entre 450 y 550 °C (840 y 1020 °F).
{{cite journal}}: Mantenimiento CS1: varios nombres: lista de autores ( enlace ) 