La soldadura fuerte es un proceso de unión de metales en el cual dos o más elementos metálicos se unen fundiendo y haciendo fluir un metal de relleno en la unión; el metal de relleno tiene un punto de fusión más bajo que el metal adyacente.
La soldadura fuerte se diferencia de la soldadura blanda en que no implica fundir las piezas de trabajo. La soldadura fuerte se diferencia de la soldadura blanda por el uso de una temperatura más alta y piezas mucho más ajustadas. Durante el proceso de soldadura fuerte, el metal de relleno fluye hacia el espacio entre las piezas ajustadas por acción capilar . El metal de relleno se lleva ligeramente por encima de su temperatura de fusión ( liquidus ) mientras se protege con una atmósfera adecuada, generalmente un fundente . Luego fluye sobre el metal base (en un proceso conocido como humectación ) y luego se enfría para unir las piezas de trabajo. [1] Una de las principales ventajas de la soldadura fuerte es la capacidad de unir el mismo metal o diferentes metales con una resistencia considerable.
La soldadura fuerte tiene muchas ventajas sobre otras técnicas de unión de metales, como la soldadura . Dado que la soldadura fuerte no funde el metal base de la unión, permite un control mucho más estricto de las tolerancias y produce una unión limpia sin la necesidad de un acabado secundario. Además, se pueden soldar metales y no metales diferentes (es decir, cerámicas metalizadas). [2] En general, la soldadura fuerte también produce menos distorsión térmica que la soldadura debido al calentamiento uniforme de una pieza soldada. Los conjuntos complejos y de varias piezas se pueden soldar de forma rentable. Las uniones soldadas a veces deben rectificarse al ras, una operación secundaria costosa que la soldadura fuerte no requiere porque produce una unión limpia. Otra ventaja es que la soldadura fuerte se puede recubrir o revestir con fines de protección. Finalmente, la soldadura fuerte se adapta fácilmente a la producción en masa y es fácil de automatizar porque los parámetros de proceso individuales son menos sensibles a la variación. [3] [4]
Una de las principales desventajas es la falta de resistencia de la unión en comparación con una unión soldada debido a los metales de relleno más blandos utilizados. [1] Es probable que la resistencia de la unión soldada sea menor que la del metal base, pero mayor que la del metal de relleno. [5] Otra desventaja es que las uniones soldadas pueden dañarse bajo altas temperaturas de servicio. [1] Las uniones soldadas requieren un alto grado de limpieza del metal base cuando se realizan en un entorno industrial. Algunas aplicaciones de soldadura fuerte requieren el uso de agentes fundentes adecuados para controlar la limpieza. El color de la unión suele ser diferente al del metal base, lo que crea una desventaja estética.
Las uniones soldadas de alta calidad requieren que las piezas estén ajustadas estrechamente con superficies de metal base excepcionalmente limpias y libres de óxidos. En la mayoría de los casos, se recomiendan holguras de unión de 0,03 a 0,08 mm (0,0012 a 0,0031 in) para obtener la mejor acción capilar y resistencia de la unión; [6] Sin embargo, en algunas operaciones de soldadura fuerte, no es raro tener holguras de unión de alrededor de 0,6 mm (0,024 in). La limpieza de las superficies de soldadura fuerte también es importante, ya que cualquier contaminación puede causar una humectación (flujo) deficiente. Los dos métodos principales para limpiar las piezas, antes de la soldadura fuerte, son la limpieza química y la limpieza abrasiva o mecánica. En el caso de la limpieza mecánica, es importante mantener la rugosidad superficial adecuada, ya que la humectación en una superficie rugosa ocurre mucho más fácilmente que en una superficie lisa de la misma geometría. [6]
Otra consideración es el efecto de la temperatura y el tiempo en la calidad de las uniones soldadas. A medida que aumenta la temperatura de la aleación de soldadura, también aumenta la acción de aleación y humectación del metal de aporte. En general, la temperatura de soldadura seleccionada debe ser superior al punto de fusión del metal de aporte. Sin embargo, varios factores influyen en la selección de la temperatura por parte del diseñador de la unión. La mejor temperatura suele seleccionarse para:
En algunos casos, un trabajador puede seleccionar una temperatura más alta para adaptarse a otros factores del diseño (por ejemplo, para permitir el uso de un metal de aporte diferente, o para controlar los efectos metalúrgicos, o para eliminar suficientemente la contaminación de la superficie). El efecto del tiempo en la unión soldada afecta principalmente el grado en que estos efectos están presentes. Sin embargo, en general, la mayoría de los procesos de producción se seleccionan para minimizar el tiempo de soldadura y los costos asociados. Sin embargo, este no siempre es el caso, ya que en algunos entornos que no son de producción, el tiempo y el costo son secundarios a otros atributos de la unión (por ejemplo, resistencia, apariencia).
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Existen muchos métodos de calentamiento disponibles para realizar operaciones de soldadura fuerte. El factor más importante a la hora de elegir un método de calentamiento es lograr una transferencia de calor eficiente a lo largo de la unión y hacerlo dentro de la capacidad térmica de los metales base individuales utilizados. La geometría de la unión de soldadura fuerte también es un factor crucial a tener en cuenta, al igual que la velocidad y el volumen de producción necesarios. La forma más sencilla de clasificar los métodos de soldadura fuerte es agruparlos por método de calentamiento. A continuación, se indican algunos de los más comunes: [1] [8]
Estos métodos de calentamiento se clasifican en técnicas de calentamiento localizado y difuso y ofrecen ventajas en función de sus diferentes aplicaciones. [9]
La soldadura fuerte con soplete es, con diferencia, el método de soldadura fuerte mecanizada más habitual. Se utiliza mejor en pequeños volúmenes de producción o en operaciones especializadas y, en algunos países, representa la mayor parte de las soldaduras fuertes que se llevan a cabo. Existen tres categorías principales de soldadura fuerte con soplete en uso: [10] soldadura fuerte con soplete manual, a máquina y automática.
La soldadura fuerte manual con soplete es un procedimiento en el que el calor se aplica utilizando una llama de gas colocada sobre o cerca de la junta que se va a soldar. El soplete puede sostenerse con la mano o en una posición fija dependiendo de si la operación es completamente manual o tiene algún nivel de automatización. La soldadura fuerte manual se utiliza más comúnmente en pequeños volúmenes de producción o en aplicaciones donde el tamaño o la configuración de la pieza hace imposible otros métodos de soldadura fuerte. [10] El principal inconveniente es el alto costo de mano de obra asociado con el método, así como la habilidad del operador requerida para obtener juntas soldadas de calidad. Se requiere el uso de fundente o material autofundente para evitar la oxidación. La soldadura fuerte con soplete de cobre se puede realizar sin el uso de fundente si se suelda con un soplete que utiliza oxígeno y gas hidrógeno, en lugar de oxígeno y otros gases inflamables.
La soldadura fuerte con soplete a máquina se utiliza habitualmente cuando se lleva a cabo una operación de soldadura fuerte repetitiva. Este método es una mezcla de operaciones tanto automatizadas como manuales, en las que un operador suele colocar material de soldadura fuerte, fundente y piezas de sujeción mientras el mecanismo de la máquina realiza la soldadura fuerte propiamente dicha. [10] La ventaja de este método es que reduce el alto requerimiento de mano de obra y habilidad de la soldadura fuerte manual. El uso de fundente también es necesario para este método, ya que no hay atmósfera protectora y es el más adecuado para volúmenes de producción pequeños a medianos.
La soldadura fuerte automática con soplete es un método que prácticamente elimina la necesidad de mano de obra en la operación de soldadura fuerte, excepto para la carga y descarga de la máquina. Las principales ventajas de este método son: una alta tasa de producción, una calidad de soldadura fuerte uniforme y un menor costo operativo. El equipo utilizado es esencialmente el mismo que el utilizado para la soldadura fuerte con soplete a máquina, con la principal diferencia de que la maquinaria reemplaza al operador en la preparación de la pieza. [10]
La soldadura fuerte en horno es un proceso semiautomático que se utiliza ampliamente en las operaciones de soldadura fuerte industrial debido a su adaptabilidad a la producción en masa y al uso de mano de obra no calificada . Existen muchas ventajas de la soldadura fuerte en horno sobre otros métodos de calentamiento que la hacen ideal para la producción en masa. Una ventaja principal es la facilidad con la que se pueden producir grandes cantidades de piezas pequeñas que se pueden ajustar o autoubicar fácilmente. [11] El proceso también ofrece los beneficios de un ciclo de calor controlado (que permite el uso de piezas que podrían deformarse bajo un calentamiento localizado) y no necesita limpieza posterior a la soldadura fuerte. Las atmósferas comunes utilizadas incluyen: atmósferas inertes, reductoras o de vacío, todas las cuales protegen la pieza de la oxidación. Algunas otras ventajas incluyen: bajo costo unitario cuando se usa en producción en masa, control estricto de la temperatura y la capacidad de soldar múltiples juntas a la vez. Los hornos generalmente se calientan con electricidad, gas o aceite según el tipo de horno y la aplicación. Sin embargo, algunas de las desventajas de este método incluyen: alto costo de equipo de capital, consideraciones de diseño más difíciles y alto consumo de energía. [11]
Hay cuatro tipos principales de hornos utilizados en operaciones de soldadura fuerte: de tipo discontinuo; continuo; de retorta con atmósfera controlada; y de vacío.
Un horno de tipo discontinuo tiene costos iniciales de equipamiento relativamente bajos y puede calentar cada carga parcial por separado. Puede encenderse y apagarse a voluntad, lo que reduce los gastos operativos cuando no está en uso. Estos hornos son adecuados para producciones de volumen mediano a grande y ofrecen un alto grado de flexibilidad en cuanto al tipo de piezas que se pueden soldar. [11] Se pueden utilizar atmósferas controladas o fundentes para controlar la oxidación y la limpieza de las piezas.
Los hornos de tipo continuo son los más adecuados para un flujo constante de piezas de tamaño similar a través del horno. [11] Estos hornos suelen estar alimentados por una cinta transportadora, que mueve las piezas a través de la zona caliente a una velocidad controlada. Es habitual utilizar una atmósfera controlada o un fundente preaplicado en los hornos continuos. En particular, estos hornos ofrecen la ventaja de requerir muy poca mano de obra y, por lo tanto, son los más adecuados para operaciones de producción a gran escala.
Los hornos de retorta se diferencian de otros hornos de tipo discontinuo en que utilizan un revestimiento sellado llamado "retorta". La retorta generalmente está sellada con una junta o se suelda y se llena completamente con la atmósfera deseada y luego se calienta externamente mediante elementos de calentamiento convencionales. [11] Debido a las altas temperaturas involucradas, la retorta generalmente está hecha de aleaciones resistentes al calor que resisten la oxidación. Los hornos de retorta a menudo se utilizan en versiones discontinuas o semicontinuas [ dudoso - discutir ] .
Los hornos de vacío son un método relativamente económico de prevención de óxido y se utilizan con mayor frecuencia para soldar materiales con óxidos muy estables ( aluminio , titanio y circonio ) que no se pueden soldar en hornos de atmósfera. La soldadura fuerte al vacío también se utiliza mucho con materiales refractarios y otras combinaciones de aleaciones exóticas no aptas para hornos de atmósfera. Debido a la ausencia de fundente o una atmósfera reductora, la limpieza de la pieza es fundamental cuando se suelda al vacío. Los tres tipos principales de hornos de vacío son: retorta caliente de pared simple, retorta caliente de pared doble y retorta de pared fría. Los niveles de vacío típicos para la soldadura fuerte varían desde presiones de 1,3 a 0,13 pascales (10 −2 a 10 −3 Torr ) a 0,00013 Pa (10 −6 Torr) o inferiores. [11] Los hornos de vacío son más comúnmente de tipo discontinuo y son adecuados para volúmenes de producción medios y altos.
La soldadura fuerte con plata, a veces conocida como soldadura dura, es una soldadura fuerte que utiliza un relleno a base de aleación de plata. Estas aleaciones de plata constan de muchos porcentajes diferentes de plata y otros metales, como cobre, zinc y cadmio.
La soldadura fuerte se utiliza ampliamente en la industria de herramientas para fijar puntas de " metal duro " (carburo, cerámica, cermet y similares) a herramientas como hojas de sierra. El "preestañado" se realiza a menudo: la aleación de soldadura fuerte se funde sobre la punta de metal duro, que se coloca junto al acero y se vuelve a fundir. El preestañado soluciona el problema de que los metales duros son difíciles de humedecer.
Las uniones de metal duro soldadas suelen tener un espesor de dos a siete milésimas de pulgada . La aleación de soldadura une los materiales y compensa la diferencia en sus tasas de expansión. También proporciona un amortiguador entre la punta de carburo duro y el acero duro, que suaviza el impacto y evita la pérdida y el daño de la punta, de forma similar a como la suspensión de un vehículo ayuda a prevenir daños a los neumáticos y al vehículo. Finalmente, la aleación de soldadura une los otros dos materiales para crear una estructura compuesta, de forma similar a como las capas de madera y pegamento crean madera contrachapada. El estándar para la resistencia de la unión de soldadura en muchas industrias es una unión que sea más fuerte que cualquiera de los materiales base, de modo que cuando se somete a tensión, uno u otro de los materiales base falla antes que la unión. La soldadura de plata puede causar defectos en ciertas aleaciones, por ejemplo, agrietamiento intergranular inducido por tensión en cobre-níquel .
Un método especial de soldadura fuerte con plata se llamasoldadura fuerte oSoldadura por pernos . Se ha desarrollado especialmente para conectar cables a vías férreas o parade protección catódica. El método utiliza un perno de soldadura que contiene plata y fundente, que se funde en el ojo de un terminal de cable. El equipo normalmente se alimenta con baterías.
La soldadura fuerte consiste en utilizar una varilla de aporte de bronce o latón recubierta de fundente para unir piezas de acero . El equipo necesario para la soldadura fuerte es básicamente idéntico al equipo utilizado para la soldadura fuerte. Dado que la soldadura fuerte suele requerir más calor que la soldadura fuerte, se suele utilizar acetileno o gas de metilacetileno-propadieno ( gas MAPP ). El nombre proviene del hecho de que no se utiliza la acción capilar.
La soldadura fuerte tiene muchas ventajas sobre la soldadura por fusión. Permite unir metales diferentes, minimizar la distorsión térmica y puede reducir la necesidad de un precalentamiento extenso. Además, dado que los metales unidos no se funden en el proceso, los componentes conservan su forma original; los bordes y los contornos no se erosionan ni se modifican por la formación de un filete. Otro efecto de la soldadura fuerte es la eliminación de las tensiones acumuladas que suelen estar presentes en la soldadura por fusión. Esto es extremadamente importante en la reparación de piezas fundidas de gran tamaño. Las desventajas son la pérdida de resistencia cuando se somete a altas temperaturas y la incapacidad de soportar altas tensiones.
Las puntas de carburo, cermet y cerámica se recubren y luego se unen al acero para fabricar sierras de cinta con punta. El recubrimiento actúa como una aleación para soldadura fuerte.
La "soldadura" del hierro fundido es generalmente una operación de soldadura fuerte, en la que se utiliza una varilla de relleno hecha principalmente de níquel, aunque también se puede realizar una soldadura verdadera con varillas de hierro fundido. Las tuberías de hierro fundido dúctil también se pueden "soldar por cavitación", un proceso que conecta las juntas mediante un pequeño alambre de cobre fundido en el hierro cuando se lo muele previamente hasta dejarlo al descubierto, en paralelo a las juntas de hierro que se forman como en el caso de las tuberías de cubo con juntas de neopreno. El propósito de esta operación es utilizar electricidad a lo largo del cobre para mantener calientes las tuberías subterráneas en climas fríos.
La soldadura fuerte al vacío es una técnica de unión de materiales que ofrece ventajas significativas: uniones de soldadura fuerte extremadamente limpias, superiores y sin fundente, de gran integridad y resistencia. El proceso puede ser costoso porque debe realizarse dentro de un recipiente con cámara de vacío. La uniformidad de la temperatura se mantiene en la pieza de trabajo cuando se calienta al vacío, lo que reduce en gran medida las tensiones residuales debido a los ciclos lentos de calentamiento y enfriamiento. Esto, a su vez, puede mejorar significativamente las propiedades térmicas y mecánicas del material, proporcionando así capacidades únicas de tratamiento térmico. Una de esas capacidades es el tratamiento térmico o endurecimiento por envejecimiento de la pieza de trabajo mientras se realiza un proceso de unión de metales, todo en un solo ciclo térmico del horno.
Los productos que se sueldan al vacío con mayor frecuencia incluyen placas frías de aluminio, intercambiadores de calor de placas y aletas e intercambiadores de calor de tubos planos. [12]
La soldadura fuerte al vacío se realiza a menudo en un horno, lo que significa que se pueden realizar varias uniones a la vez porque toda la pieza de trabajo alcanza la temperatura de soldadura fuerte. El calor se transfiere mediante radiación, ya que muchos otros métodos no se pueden utilizar en el vacío.
La soldadura fuerte por inmersión es especialmente adecuada para soldar aluminio porque excluye el aire, lo que evita la formación de óxidos. Las piezas que se van a unir se fijan y el compuesto de soldadura fuerte se aplica a las superficies de contacto, normalmente en forma de suspensión . A continuación, los conjuntos se sumergen en un baño de sal fundida (normalmente NaCl, KCl y otros compuestos), que funciona como medio de transferencia de calor y fundente. Muchas piezas soldadas por inmersión se utilizan en aplicaciones de transferencia de calor para la industria aeroespacial. [13]
Se utilizan diversas aleaciones como metales de aporte para la soldadura fuerte, según el uso previsto o el método de aplicación. En general, las aleaciones para soldadura fuerte se componen de tres o más metales para formar una aleación con las propiedades deseadas. El metal de aporte para una aplicación particular se elige en función de su capacidad para: humedecer los metales base, soportar las condiciones de servicio requeridas y fundirse a una temperatura más baja que los metales base o a una temperatura muy específica.
La aleación para soldadura fuerte generalmente está disponible en forma de varilla, cinta, polvo, pasta, crema, alambre y preformas (como arandelas estampadas). [14] Dependiendo de la aplicación, el material de relleno se puede colocar previamente en la ubicación deseada o aplicarse durante el ciclo de calentamiento. Para la soldadura fuerte manual, generalmente se utilizan formas de alambre y varilla, ya que son las más fáciles de aplicar durante el calentamiento. En el caso de la soldadura fuerte en horno, la aleación generalmente se coloca de antemano, ya que el proceso suele estar altamente automatizado. [14] Algunos de los tipos más comunes de metales de relleno utilizados son
Algunas soldaduras fuertes se presentan en forma de trifolios , láminas laminadas de un metal portador revestido con una capa de soldadura fuerte en cada lado. El metal central es a menudo cobre; su función es actuar como portador de la aleación, absorber las tensiones mecánicas debidas, por ejemplo, a la expansión térmica diferencial de materiales diferentes (por ejemplo, una punta de carburo y un soporte de acero) y actuar como barrera de difusión (por ejemplo, para detener la difusión del aluminio del bronce de aluminio al acero al soldar estos dos).
Las aleaciones de soldadura fuerte forman varios grupos distintos; las aleaciones del mismo grupo tienen propiedades y usos similares. [16]
Algunos aditivos e impurezas actúan en niveles muy bajos. Se pueden observar efectos tanto positivos como negativos. El estroncio en niveles de 0,01% refina la estructura del grano del aluminio. El berilio y el bismuto en niveles similares ayudan a romper la capa de pasivación del óxido de aluminio y promueven la humectación. El carbono en niveles de 0,1% afecta la resistencia a la corrosión de las aleaciones de níquel. El aluminio puede hacer que el acero dulce sea quebradizo en niveles de 0,001%, el fósforo en niveles de 0,01%. [18]
En algunos casos, especialmente para la soldadura fuerte al vacío, se utilizan metales y aleaciones de alta pureza. Los niveles de pureza del 99,99% y 99,999% están disponibles comercialmente.
Se debe tener cuidado de no introducir impurezas nocivas provenientes de la contaminación de las uniones o por disolución de los metales base durante la soldadura fuerte.
Las aleaciones con un rango mayor de temperaturas de solidus/liquidus tienden a fundirse a través de un estado "blando", durante el cual la aleación es una mezcla de material sólido y líquido. Algunas aleaciones muestran tendencia a la licuefacción , separación de la porción líquida de la sólida; para estas, el calentamiento a través del rango de fusión debe ser lo suficientemente rápido para evitar este efecto. Algunas aleaciones muestran un rango plástico extendido, cuando solo una pequeña porción de la aleación es líquida y la mayor parte del material se funde en el rango de temperatura superior; estas son adecuadas para unir grandes huecos y para formar filetes. Las aleaciones altamente fluidas son adecuadas para penetrar profundamente en huecos estrechos y para soldar juntas ajustadas con tolerancias estrechas, pero no son adecuadas para llenar huecos más grandes. Las aleaciones con un rango de fusión más amplio son menos sensibles a las holguras no uniformes.
Cuando la temperatura de soldadura fuerte es suficientemente alta, la soldadura fuerte y el tratamiento térmico se pueden realizar en una sola operación simultáneamente.
Las aleaciones eutécticas se funden a una sola temperatura, sin región blanda. Las aleaciones eutécticas tienen una propagación superior; las no eutécticas en la región blanda tienen una alta viscosidad y al mismo tiempo atacan al metal base, con una fuerza de propagación correspondientemente menor. El tamaño de grano fino proporciona a las aleaciones eutécticas tanto una mayor resistencia como una mayor ductilidad. La temperatura de fusión altamente precisa permite que el proceso de unión se realice solo ligeramente por encima del punto de fusión de la aleación. Al solidificarse, no hay un estado blando donde la aleación parece sólida pero aún no lo es; la posibilidad de alterar la unión por manipulación en dicho estado se reduce (asumiendo que la aleación no cambió significativamente sus propiedades al disolver el metal base). El comportamiento eutéctico es especialmente beneficioso para las soldaduras . [18]
Los metales con una estructura de grano fino antes de la fusión proporcionan una humectación superior a los metales con granos grandes. Se pueden añadir aditivos de aleación (por ejemplo, estroncio a aluminio) para refinar la estructura del grano, y las preformas o láminas se pueden preparar mediante un enfriamiento rápido. Un enfriamiento muy rápido puede proporcionar una estructura metálica amorfa, que posee ventajas adicionales. [18]
Para que la humectación sea exitosa, el metal base debe ser al menos parcialmente soluble en al menos un componente de la aleación de soldadura fuerte. Por lo tanto, la aleación fundida tiende a atacar al metal base y disolverlo, modificando ligeramente su composición en el proceso. El cambio de composición se refleja en el cambio del punto de fusión de la aleación y el correspondiente cambio de fluidez. Por ejemplo, algunas aleaciones disuelven tanto la plata como el cobre; la plata disuelta reduce su punto de fusión y aumenta la fluidez, mientras que el cobre tiene el efecto opuesto.
Se puede aprovechar el cambio del punto de fusión. Como la temperatura de refundición se puede aumentar enriqueciendo la aleación con metal base disuelto, es posible realizar soldaduras escalonadas utilizando la misma soldadura. [22]
Las aleaciones que no atacan significativamente a los metales base son más adecuadas para soldar secciones delgadas.
La microestructura no homogénea de la soldadura fuerte puede provocar una fusión no uniforme y erosiones localizadas del metal base. [ cita requerida ]
La humectación de los metales básicos se puede mejorar añadiendo un metal adecuado a la aleación. El estaño facilita la humectación del hierro, el níquel y muchas otras aleaciones. El cobre humecta los metales ferrosos que la plata no ataca, por lo que las aleaciones de cobre y plata pueden soldar aceros que la plata sola no humecta. El zinc mejora la humectación de los metales ferrosos, así como el indio. El aluminio mejora la humectación de las aleaciones de aluminio. Para humectar la cerámica, se pueden añadir a la soldadura metales reactivos capaces de formar compuestos químicos con la cerámica (p. ej., titanio, vanadio, circonio...).
La disolución de metales básicos puede provocar cambios perjudiciales en la aleación de soldadura fuerte. Por ejemplo, el aluminio disuelto de los bronces de aluminio puede hacer que la soldadura fuerte sea frágil; la adición de níquel a la soldadura fuerte puede contrarrestar este efecto. [ cita requerida ]
El efecto funciona en ambos sentidos; pueden producirse interacciones perjudiciales entre la aleación de soldadura fuerte y el metal base. La presencia de fósforo en la aleación de soldadura fuerte conduce a la formación de fosfuros frágiles de hierro y níquel, por lo que las aleaciones que contienen fósforo no son adecuadas para soldar níquel y aleaciones ferrosas. El boro tiende a difundirse en los metales base, especialmente a lo largo de los límites de grano, y puede formar boruros frágiles. El carbono puede influir negativamente en algunos aceros. [ cita requerida ]
Se debe tener cuidado para evitar la corrosión galvánica entre la soldadura fuerte y el metal base, y especialmente entre metales base diferentes que se sueldan entre sí. La formación de compuestos intermetálicos frágiles en la interfaz de la aleación puede provocar fallas en la unión. Esto se analiza con más profundidad en el caso de las soldaduras .
Las fases potencialmente perjudiciales pueden distribuirse uniformemente a través del volumen de la aleación o concentrarse en la interfaz de la soldadura fuerte-base. Una capa gruesa de intermetálicos interfaciales suele considerarse perjudicial debido a su tenacidad a la fractura, que suele ser baja, y a otras propiedades mecánicas inferiores. Sin embargo, en algunas situaciones, por ejemplo, en la fijación de matrices, no tiene tanta importancia, ya que los chips de silicio no suelen estar sujetos a abuso mecánico. [18]
Al humedecerse, las soldaduras fuertes pueden liberar elementos del metal base. Por ejemplo, la soldadura fuerte de aluminio y silicio humedece el nitruro de silicio, disocia la superficie para que pueda reaccionar con el silicio y libera nitrógeno, que puede crear huecos a lo largo de la interfaz de la unión y reducir su resistencia. La soldadura fuerte de níquel y oro que contiene titanio humedece el nitruro de silicio y reacciona con su superficie, formando nitruro de titanio y liberando silicio; el silicio luego forma siliciuros de níquel quebradizos y una fase eutéctica de oro y silicio; la unión resultante es débil y se funde a una temperatura mucho más baja de lo que se podría esperar. [18]
Los metales pueden difundirse de una aleación base a otra, lo que provoca fragilización o corrosión. Un ejemplo es la difusión del aluminio desde el bronce de aluminio a una aleación ferrosa al unirlas. Se puede utilizar una barrera de difusión, por ejemplo, una capa de cobre (por ejemplo, en una tira de trimet).
Se puede utilizar una capa de sacrificio de un metal noble sobre el metal base como barrera de oxígeno, lo que evita la formación de óxidos y facilita la soldadura fuerte sin fundente. Durante la soldadura fuerte, la capa de metal noble se disuelve en el metal de aporte. El recubrimiento de cobre o níquel de los aceros inoxidables cumple la misma función. [18]
En la soldadura fuerte de cobre, una atmósfera reductora (o incluso una llama reductora) puede reaccionar con los residuos de oxígeno en el metal, que están presentes como inclusiones de óxido cuproso , y causar fragilización por hidrógeno . El hidrógeno presente en la llama o atmósfera a alta temperatura reacciona con el óxido, produciendo cobre metálico y vapor de agua. Las burbujas de vapor ejercen alta presión en la estructura metálica, lo que produce grietas y porosidad en la unión. El cobre libre de oxígeno no es sensible a este efecto, sin embargo, los grados más disponibles, por ejemplo, el cobre electrolítico o el cobre de alta conductividad, sí lo son. La unión fragilizada puede entonces fallar catastróficamente sin ningún signo previo de deformación o deterioro. [23]
A menos que las operaciones de soldadura fuerte se realicen en un entorno de atmósfera inerte o reductora (es decir, nitrógeno ), se requiere un fundente como el bórax para evitar que se formen óxidos mientras se calienta el metal. El fundente también sirve para limpiar cualquier contaminación que quede en las superficies de soldadura fuerte. El fundente se puede aplicar en varias formas, incluidas la pasta fundente, el líquido, el polvo o las pastas de soldadura fuerte prefabricadas que combinan el fundente con el polvo de metal de relleno. El fundente también se puede aplicar utilizando varillas de soldadura fuerte con un revestimiento de fundente o un núcleo de fundente. En cualquier caso, el fundente fluye hacia la unión cuando se aplica a la unión calentada y es desplazado por el metal de relleno fundido que ingresa a la unión. El exceso de fundente se debe eliminar cuando se completa el ciclo porque el fundente que queda en la unión puede provocar corrosión, impedir la inspección de la unión y evitar operaciones de acabado de la superficie posteriores. Las aleaciones de soldadura fuerte que contienen fósforo pueden ser autofundentes al unir cobre con cobre. [24] Los fundentes generalmente se seleccionan en función de su rendimiento en metales base particulares. Para que sea eficaz, el fundente debe ser químicamente compatible tanto con el metal base como con el metal de aporte que se utilice. Las aleaciones de aporte de fósforo autofundentes producen fosfuros frágiles si se utilizan sobre hierro o níquel. [24] Como regla general, los ciclos de soldadura más largos deben utilizar fundentes menos activos que las operaciones de soldadura cortas. [25]
Como el trabajo de soldadura fuerte requiere altas temperaturas, la oxidación de la superficie del metal se produce en una atmósfera que contiene oxígeno. Esto puede requerir el uso de un entorno atmosférico distinto del aire. Las atmósferas que se utilizan habitualmente son: [26] [27]
Una preforma de soldadura fuerte es un estampado de metal de precisión y alta calidad que se utiliza para una variedad de aplicaciones de unión en la fabricación de dispositivos y sistemas electrónicos. Los usos típicos de la preforma de soldadura fuerte incluyen la fijación de circuitos electrónicos, el empaquetado de dispositivos electrónicos, el suministro de buena conductividad térmica y eléctrica y el suministro de una interfaz para conexiones electrónicas. Las preformas de soldadura fuerte cuadradas, rectangulares y con forma de disco se utilizan comúnmente para fijar componentes electrónicos que contienen matrices de silicio a un sustrato, como una placa de circuito impreso . Las preformas con forma de marco rectangular suelen requerirse para la construcción de paquetes electrónicos, mientras que las preformas de soldadura fuerte con forma de arandela se utilizan normalmente para fijar cables conductores y pasamuros herméticos a circuitos y paquetes electrónicos. Algunas preformas también se utilizan en diodos , rectificadores , dispositivos optoelectrónicos y empaquetado de componentes. [28]
La soldadura fuerte puede implicar exposición a vapores químicos peligrosos . El Instituto Nacional de Seguridad y Salud Ocupacional de los Estados Unidos recomienda que la exposición a estos vapores se controle a niveles inferiores al límite de exposición permitido . [29]
