La soldadura ( Reino Unido: /ˈsɒldə, ˈsəʊldə/; [1] NA: /ˈsɒdər/ ) [ 2 ] es una aleación de metal fusible que se utiliza para crear una unión permanente entre piezas de metal . La soldadura se funde para humedecer 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 las piezas que se van 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 hacer conexiones eléctricas también debe tener características eléctricas favorables.
La soldadura blanda 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 metálica. 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 solidus y liquidus marcadamente diferentes , ya que tienen transiciones de líquido y sólido distintas. Las mezclas no eutécticas a menudo existen como una pasta de partículas sólidas en una matriz fundida de la fase de fusión más baja a medida que se acercan a temperaturas suficientemente altas. En trabajos eléctricos, si la unión se altera mientras está en este estado "pastoso" antes de que se solidifique por completo, puede resultar en una mala conexión eléctrica; el uso de soldadura eutéctica reduce este problema. El estado pastoso de una soldadura no eutéctica se puede aprovechar en plomería, ya que permite el moldeado de la soldadura durante el enfriamiento, por ejemplo, para garantizar la unión hermética de las tuberías, lo que da como resultado una llamada "junta borrada".
Para trabajos eléctricos y electrónicos, el alambre de soldadura está disponible en una variedad de espesores para soldar a mano (la soldadura manual se realiza utilizando un soldador o una pistola de soldar ) y con núcleos que contienen fundente . También está disponible como una pasta a temperatura ambiente, como una lámina preformada con la forma de la pieza de trabajo que puede ser más adecuada para la producción en masa mecanizada , o en pequeñas "pestañas" que se pueden envolver alrededor de la junta y fundir con una llama donde no se puede utilizar o no se dispone de un soldador, como por ejemplo en reparaciones de campo. Las aleaciones de plomo y estaño se usaban comúnmente en el pasado y todavía están disponibles; son particularmente convenientes para la soldadura manual. Las soldaduras sin plomo se han ido utilizando cada vez más debido a los requisitos reglamentarios más 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 fontaneros suelen utilizar barras de soldadura, mucho más gruesas que el alambre que se utiliza para aplicaciones eléctricas, y aplican el fundente por separado; muchos fundentes de soldadura aptos para fontanería son demasiado corrosivos (o conductores) para ser utilizados en trabajos eléctricos o electrónicos. Los joyeros suelen utilizar soldadura en láminas finas, que cortan en trozos.
La palabra soldar proviene del vocablo 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, mayor será la resistencia a la tracción y al corte de la soldadura . El plomo mitiga la formación de filamentos de estaño , [6] aunque se desconoce el mecanismo preciso para esto. [7] Hoy en día, se utilizan muchas técnicas para mitigar el problema, incluidos cambios en el proceso de recocido (calentamiento y enfriamiento), adición de elementos como cobre y níquel, y la aplicación de recubrimientos conformados . [8] Las aleaciones que se utilizan comúnmente para la soldadura eléctrica son 60/40 Sn-Pb, que se funde a 188 °C (370 °F), [9] y 63/37 Sn-Pb, que se utiliza principalmente en trabajos eléctricos/electrónicos. La 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 utilizó una mayor proporción de plomo, comúnmente 50/50. Esto tenía la ventaja de hacer que la aleación se solidificara más lentamente. Al ensamblar físicamente las tuberías antes de soldar, la soldadura se podía pasar sobre la unión para garantizar la estanqueidad. Aunque las tuberías de agua de plomo fueron reemplazadas por el cobre cuando se comenzó 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 en el agua desde la soldadura era insignificante en una unión soldada correctamente. La pareja electroquímica de cobre y plomo promueve la corrosión del plomo y el estaño. Sin embargo, el estaño está protegido por óxido insoluble. Como se ha demostrado que incluso pequeñas cantidades de plomo son perjudiciales para la salud por ser una potente neurotoxina , [11] el plomo en las soldaduras de plomería se reemplazó por plata (aplicaciones de grado alimenticio) o antimonio , a menudo se agregó 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 mismo tiene características humectantes deficientes. Las aleaciones de estaño-plomo con alto contenido de estaño tienen un uso limitado, ya que el rango de trabajabilidad se puede proporcionar con una aleación con alto contenido de plomo más económica. [12]
Las soldaduras de plomo y estaño disuelven fácilmente el baño de oro y forman intermetálicos frágiles. [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, seguido 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, que se utiliza en las soldaduras, contiene pequeñas pero significativas cantidades de impurezas de radioisótopos . Los radioisótopos que sufren desintegración alfa son un problema debido a su tendencia a causar errores leves . El polonio-210 es especialmente problemático; el plomo-210 se desintegra en beta en bismuto-210 , que luego se desintegra en beta en polonio-210, un emisor intenso 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 de 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 en los productos electrónicos de consumo vendidos en todo el mundo. En los EE. UU., los fabricantes pueden recibir beneficios fiscales al reducir el uso de soldadura a base de plomo. Las soldaduras sin plomo en uso comercial pueden contener estaño, cobre, plata, bismuto , indio , zinc , antimonio y trazas de otros metales. La mayoría de los sustitutos sin plomo de las soldaduras convencionales 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 de un 2 % de fundente en masa para una capacidad de humectación adecuada. [18]
Cuando se utiliza soldadura sin plomo en la soldadura por ola , puede ser conveniente utilizar un recipiente de soldadura ligeramente modificado (por ejemplo, revestimientos o impulsores de titanio ) para reducir el costo de mantenimiento debido a la mayor 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 la 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 generalmente se produce la fatiga por tensión en la soldadura con plomo está sustancialmente por encima del nivel de tensiones que se encuentran normalmente.
Dos tercios de los fabricantes japoneses utilizan soldaduras de estaño-plata-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 eutéctico 22/78 Sn-Ag (wt.%) de 221 °C (430 °F) y el eutéctico 99,3/0,7 Sn-Cu de 227 °C (441 °F). [19] El comportamiento eutéctico ternario de Sn-Ag-Cu y su aplicación para el ensamblaje electrónico fue descubierto (y patentado) por un equipo de investigadores del Laboratorio Ames , la Universidad Estatal de Iowa y los Laboratorios Nacionales Sandia -Albuquerque.
Muchas investigaciones recientes se han centrado en la adición de un cuarto elemento a la soldadura Sn-Ag-Cu, con el fin de proporcionar compatibilidad para la velocidad de enfriamiento reducida de la soldadura por reflujo de esferas para el ensamblaje de matrices de rejilla de bolas . Ejemplos de estas composiciones de cuatro elementos son 18/64/14/4 estaño-plata-cobre-zinc (Sn-Ag-Cu-Zn) (rango de fusión 217–220 °C) y 18/64/16/2 estaño-plata-cobre- manganeso (Sn-Ag-Cu-Mn; rango de fusión de 211–215 °C).
Las soldaduras a base de estaño disuelven fácilmente el oro, formando uniones intermetálicas frágiles; para las aleaciones de Sn-Pb, la concentración crítica de oro para hacer que la unión se vuelva frágil es de alrededor del 4%. Las soldaduras ricas en indio (generalmente 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 superficies o metalizaciones 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 al oro es muy opaca. [13]
El rango de punto de fusión de la soldadura sin plomo se encuentra normalmente entre 220° y 260° Celsius. El punto de fusión de la soldadura sin plomo suele ser más alto que el de la soldadura con plomo convencional, ya que el estaño sin plomo tiene un punto de fusión de 210° a 235° y una temperatura de funcionamiento de 245° a 280°. 1
Factores que afectan el punto de fusión de la soldadura sin plomo
Punto de fusión: el punto de fusión de la soldadura sin plomo debe ser bajo, lo más cercano posible a la temperatura eutéctica de la aleación de estaño-plomo 63/37 de 183 ° C, pero en la actualidad no existe una promoción real de dicha soldadura sin plomo en línea con los requisitos de soldadura.
Humectabilidad: la soldadura sin plomo debe tener una buena humectabilidad, para garantizar que en la soldadura por reflujo la soldadura en la línea de fase líquida permanezca durante 30 ~ 90 segundos, la soldadura por ola se suelda al pin y la superficie del sustrato de la placa de circuito y el tiempo de contacto de la onda líquida de estaño de aproximadamente 4 segundos.
Conductividad y conductividad térmica: la conductividad y la conductividad térmica después de la soldadura deben ser cercanas a la soldadura de aleación de estaño-plomo 63/37.
Resistencia de la unión soldada: la resistencia a la tracción, la tenacidad, la ductilidad y la resistencia a la fluencia de la unión soldada deben ser similares al rendimiento de la aleación de estaño y plomo.
Costo: el costo en la medida de lo posible para reducir la corriente se puede controlar en la aleación de estaño-plomo 1,5 ~ 2 veces, es un precio más ideal.
Rendimiento de soldadura fuerte: soldadura sin plomo en el uso del proceso, y la base de cobre de la placa de circuito, o soldadura sin plomo revestida de la placa de circuito, así como los pines del componente o la superficie de la soldadura sin plomo y otro revestimiento de metal, hay un buen rendimiento de soldadura fuerte.
Compatibilidad: La soldadura sin plomo recientemente desarrollada intenta combinarse con todo tipo de fundente y la compatibilidad debe ser lo más fuerte posible.
Inspección y retrabajo: La inspección y el retrabajo de las uniones de soldadura después de la soldadura deben ser fáciles.
Suministro de materia prima: las materias primas seleccionadas para satisfacer el suministro adecuado a largo plazo.
Compatibilidad del proceso del equipo: compatible con el equipo actual utilizado en el proceso, en la condición de no reemplazar el equipo puede funcionar.
Las soldaduras duras se utilizan para la soldadura fuerte y se funden a temperaturas más altas. Las aleaciones de cobre con zinc o plata son las más comunes.
En la orfebrería o la fabricación de joyas , se utilizan soldaduras duras especiales que pasan la prueba . Contienen una alta proporción del metal que se está soldando y no se utiliza plomo en estas aleaciones. Estas soldaduras varían en dureza, designadas como "esmaltadas", "duras", "medias" y "fáciles". La soldadura esmaltada tiene un punto de fusión alto, cercano al del propio material, para evitar que la unión se desuelde 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 o unión soldada previamente se desuelde 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 juntas se desuelden.
La soldadura de plata también se utiliza en la industria para unir piezas metálicas que no se pueden soldar . Las aleaciones utilizadas para estos fines contienen una alta proporción de plata (hasta un 40%) y también pueden contener cadmio .
Diferentes elementos cumplen distintas funciones en la aleación de soldadura:
Las impurezas suelen entrar en el depósito de soldadura al disolver los metales presentes en los conjuntos que se están soldando. La disolución de los equipos de proceso no es habitual, ya que los materiales suelen elegirse para que sean insolubles en la soldadura. [25]
Acabados de placa frente a acumulación de impurezas en baños 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 y se utiliza para reparar metales y realizar trabajos de plomería, y el fundente de colofonia (a veces llamado "fundente pasivo"), que se utiliza 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 metálicos de la superficie 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 rastros de fundente de tipo colofonia también deben eliminarse, y por la misma razón.
A diferencia de las tradicionales barras o alambres enrollados de soldadura totalmente metálica y la aplicación manual de fundente a las piezas que se van a unir, desde mediados del siglo XX, gran parte de la soldadura manual ha utilizado soldadura con núcleo de fundente. Esta se fabrica como un alambre enrollado de soldadura, con uno o más cuerpos continuos de ácido inorgánico o fundente de colofonia incrustados longitudinalmente en su interior. A medida que la soldadura se funde sobre la unión, libera el fundente y lo libera también sobre ella.
El comportamiento de solidificación depende de la composición de la aleación. Los metales puros se solidifican a una temperatura determinada, 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 se trata de un metal, cristales grandes cuando se trata de un compuesto intermetálico. Una mezcla de partículas sólidas de este tipo 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 todos los componentes están fundidos es el liquidus.
El estado blando es deseable cuando un cierto grado de plasticidad es beneficioso para crear la unión, lo que permite rellenar espacios más grandes o pasar un paño sobre la unión (por ejemplo, al soldar tuberías). En la soldadura manual de componentes electrónicos, puede ser perjudicial, ya que la unión puede parecer solidificada cuando aún no lo está. La manipulación prematura de dicha unión 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, normalmente 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 gama de intermetálicos entre el metal y la soldadura, con una proporción creciente 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 provocar debilitamiento de la fiabilidad mecánica y fragilidad, aumento de la resistencia eléctrica o electromigración y formación de huecos. La capa intermetálica de oro y estaño es responsable de la baja confiabilidad mecánica de las superficies bañadas en oro soldadas con estaño donde el baño de oro no se disolvió completamente en la soldadura.
En la formación de una junta de soldadura intervienen dos procesos: 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 componentes activos en el metal base. Las reacciones en estado sólido son más complejas: la formación de compuestos intermetálicos se puede inhibir modificando la composición del metal base o de la aleación de soldadura, o utilizando una capa de barrera adecuada para inhibir la difusión de los metales. [29]
Algunos ejemplos de interacciones incluyen:
Una preforma es una forma prefabricada de soldadura diseñada especialmente para la aplicación en la que se va a utilizar. 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. Este 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 por frita de vidrio . La soldadura de vidrio tiene que fluir y humedecer las superficies soldadas muy por debajo de la temperatura en la que se produce la deformación o degradación de cualquiera de los materiales unidos o de las estructuras cercanas (por ejemplo, capas de metalización en chips o sustratos cerámicos). La temperatura habitual para lograr el flujo y la humectación es entre 450 y 550 °C (840 y 1020 °F).
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