La soldadura por forja (FOW), también llamada soldadura por fuego , es un proceso de soldadura en estado sólido [1] que une dos piezas de metal calentándolas a una temperatura alta y luego golpeándolas entre sí. [2] También puede consistir en calentar y forzar los metales con prensas u otros medios, creando suficiente presión para causar deformación plástica en las superficies de soldadura. [3] El proceso, aunque desafiante, ha sido un método para unir metales utilizado desde la antigüedad y es un elemento básico de la herrería tradicional . [4] La soldadura por forja es versátil y puede unir una gran cantidad de metales similares y diferentes. Con la invención de los métodos de soldadura eléctrica y de soldadura con gas durante la Revolución Industrial , la soldadura por forja manual ha sido reemplazada en gran medida, aunque la soldadura por forja automatizada es un proceso de fabricación común.
La soldadura por forja es un proceso de unir metales calentándolos más allá de un cierto umbral y forzándolos a unirse con suficiente presión para provocar la deformación de las superficies de soldadura, creando un enlace metálico entre los átomos de los metales. La presión requerida varía dependiendo de la temperatura, resistencia y dureza de la aleación . [5] La soldadura por forja es la técnica de soldadura más antigua y se ha utilizado desde la antigüedad.
Los procesos de soldadura generalmente se pueden agrupar en dos categorías: soldadura por fusión y por difusión . La soldadura por fusión implica la fusión localizada de los metales en las interfaces de soldadura y es común en técnicas de soldadura eléctrica o con gas. Esto requiere temperaturas mucho más altas que el punto de fusión del metal para provocar una fusión localizada antes de que el calor pueda alejarse térmicamente de la soldadura y, a menudo, se utiliza un metal de aportación para evitar que la soldadura se segregue debido a la alta tensión superficial . La soldadura por difusión consiste en unir los metales sin fundirlos, soldando las superficies entre sí estando en estado sólido. [6]
En la soldadura por difusión, la fuente de calor suele ser inferior al punto de fusión del metal, lo que permite una distribución más uniforme del calor y reduce así las tensiones térmicas en la soldadura. En este método normalmente no se utiliza un metal de aportación, pero la soldadura se produce directamente entre los metales en la interfaz de soldadura. Esto incluye métodos como la soldadura en frío , la soldadura por explosión y la soldadura por forja. A diferencia de otros métodos de difusión, en la soldadura de forja los metales se calientan a una temperatura alta antes de juntarlos, lo que generalmente resulta en una mayor plasticidad en las superficies de soldadura. Esto generalmente hace que la soldadura por forja sea más versátil que las técnicas de difusión en frío, que generalmente se realizan en metales blandos como el cobre o el aluminio. [7]
En la soldadura de forja, todas las zonas de soldadura se calientan de manera uniforme. La soldadura por forja se puede utilizar para una gama mucho más amplia de metales y aleaciones más duras, como el acero y el titanio. [8]
La historia de la unión de metales se remonta a la Edad del Bronce , donde a menudo se unían bronces de diferente dureza mediante fundición. Este método consistía en colocar una parte sólida en un metal fundido contenido en un molde y dejar que se solidificara sin llegar a fundir ambos metales, como la hoja de una espada en un mango o la punta de una punta de flecha en la punta. La soldadura fuerte y fuerte también eran comunes durante la Edad del Bronce. [9]
El acto de soldar (unir dos partes sólidas mediante difusión) se inició con el hierro. El primer proceso de soldadura fue la soldadura por forja, que comenzó cuando los humanos aprendieron a fundir hierro a partir del mineral de hierro ; muy probablemente en Anatolia (Turquía) alrededor del 1800 a.C. Los antiguos no podían crear temperaturas lo suficientemente altas como para derretir completamente el hierro, por lo que el proceso de floración que se usaba para fundir el hierro producía un grumo (floración) de granos de hierro sinterizados junto con pequeñas cantidades de escoria y otras impurezas, conocido como hierro esponja debido a su su porosidad .
Después de fundirlo, era necesario calentar el hierro esponjoso por encima de la temperatura de soldadura y martillarlo o "forjarlo". Esto expulsó las bolsas de aire y derritió la escoria, poniendo los granos de hierro en estrecho contacto para formar un bloque sólido (tocho).
Los arqueólogos han encontrado muchos objetos de hierro forjado que muestran evidencia de soldadura por forja, que datan de antes del año 1000 a.C. Debido a que el hierro normalmente se fabricaba en pequeñas cantidades, cualquier objeto grande, como el Pilar de Delhi , debía soldarse mediante forja a partir de palanquillas más pequeñas. [10] [11]
La soldadura de forja surgió a partir de un método de prueba y error y se volvió más refinada a lo largo de los siglos. [12] Debido a la mala calidad de los metales antiguos, se empleaba comúnmente en la fabricación de aceros compuestos, uniendo aceros con alto contenido de carbono, que resistirían la deformación pero se romperían fácilmente, con aceros con bajo contenido de carbono, que resistirían la fractura pero se doblarían con demasiada facilidad. creando un objeto con mayor dureza y resistencia que la que se podría producir con una sola aleación. Este método de soldadura por patrones apareció por primera vez alrededor del año 700 a. C. y se utilizó principalmente para fabricar armas como espadas; siendo los ejemplos más conocidos el damasceno , el japonés y el merovingio . [13] [14] Este proceso también era común en la fabricación de herramientas, desde arados de hierro forjado con bordes de acero hasta cinceles de hierro con superficies cortantes de acero. [13]
Muchos metales se pueden soldar por forja, siendo los más comunes los aceros con alto y bajo contenido de carbono . El hierro e incluso algunas fundiciones hipoeutécticas se pueden soldar por forja. Algunas aleaciones de aluminio también se pueden soldar por forja. [15] Los metales como el cobre , el bronce y el latón no se sueldan fácilmente. Aunque es posible forjar aleaciones a base de cobre , a menudo resulta muy difícil debido a la tendencia del cobre a absorber oxígeno durante el calentamiento. [16] El cobre y sus aleaciones suelen unirse mejor con soldadura en frío , soldadura por explosión u otras técnicas de soldadura a presión. Con hierro o acero, la presencia incluso de pequeñas cantidades de cobre reduce gravemente la capacidad de la aleación para forjar soldadura. [17] [18]
Las aleaciones de titanio comúnmente se sueldan por forja. Debido a la tendencia del titanio a absorber oxígeno cuando se funde, la unión por difusión en estado sólido de una soldadura de forja es a menudo más fuerte que una soldadura por fusión en la que el metal se licua. [19]
La soldadura de forja entre materiales similares se produce por difusión de estado sólido. Esto da como resultado una soldadura que consta únicamente de los materiales soldados sin rellenos ni materiales puente. La soldadura por forja entre materiales diferentes es causada por la formación de un eutéctico con una temperatura de fusión más baja entre los materiales. Debido a esto, la soldadura suele ser más fuerte que los metales individuales.
El proceso de soldadura por forja más conocido y antiguo es el método de martillado manual. El martillado manual se realiza calentando el metal a la temperatura adecuada, cubriéndolo con fundente, superponiendo las superficies de soldadura y luego golpeando la unión repetidamente con un martillo de mano . La junta a menudo se forma para dejar espacio para que fluya el fundente , biselando o redondeando ligeramente las superficies y martillando sucesivamente hacia afuera para exprimir el fundente. Los golpes de martillo no suelen ser tan fuertes como los que se utilizan para dar forma, lo que evita que el fundente salga de la junta con el primer golpe.
Cuando se desarrollaron los martillos mecánicos , la soldadura de forja se podía realizar calentando el metal y luego colocándolo entre el martillo mecanizado y el yunque. Originalmente impulsados por ruedas hidráulicas , los martillos mecánicos modernos también pueden funcionar con motores de aire comprimido, electricidad, vapor, gas y muchas otras formas. Otro método es la soldadura por forja con una matriz , mediante la cual las piezas de metal se calientan y luego se introducen en una matriz que proporciona presión para la soldadura y mantiene la unión en la forma final. La soldadura por rodillos es otro proceso de soldadura de forja, en el que los metales calentados se superponen y pasan a través de rodillos a alta presión para crear la soldadura. [20] [21]
La soldadura de forja moderna suele estar automatizada y utiliza computadoras, máquinas y prensas hidráulicas sofisticadas para producir una variedad de productos a partir de diversas aleaciones. [22] Por ejemplo, los tubos de acero a menudo se sueldan por forja durante el proceso de fabricación. El material plano se calienta y se alimenta a través de rodillos con formas especiales que forman el acero en un tubo y simultáneamente proporcionan la presión para soldar los bordes en una costura continua. [23]
La unión por difusión es un método común para soldar aleaciones de titanio en la industria aeroespacial. En este proceso, el metal se calienta mientras está en una prensa o troquel. Más allá de una temperatura crítica específica, que varía según la aleación, las impurezas se queman y las superficies se juntan. [24]
Otros métodos incluyen la soldadura por flash y la soldadura por percusión . Se trata de técnicas de soldadura por forja por resistencia en las que la prensa o el troquel se electrifican y pasan una corriente elevada a través de la aleación para generar calor para la soldadura. [25] La soldadura de forja con gas activo protegido es un proceso de soldadura de forja en un entorno reactivo con oxígeno, para quemar óxidos, utilizando gas hidrógeno y calentamiento por inducción . [26]
Se pueden soldar entre sí hierro, diferentes aceros e incluso hierro fundido , siempre que su contenido de carbono sea lo suficientemente cercano como para que los rangos de soldadura se superpongan. El hierro puro se puede soldar cuando está casi al rojo vivo; entre 2500 °F (1400 °C) y 2700 °F (1500 °C). El acero con un contenido de carbono del 2,0% se puede soldar cuando tiene un color amarillo anaranjado, entre 900 °C (1700 °F) y 1100 °C (2000 °F). El acero común, con entre 0,2 y 0,8% de carbono, normalmente se suelda con un calor de color amarillo brillante. [27]
Un requisito principal para la soldadura por forja es que ambas superficies de soldadura deben calentarse a la misma temperatura y soldarse antes de que se enfríen demasiado. Cuando el acero alcanza la temperatura adecuada, comienza a soldarse muy fácilmente, por lo que una varilla delgada o un clavo calentado a la misma temperatura tenderá a pegarse en el primer contacto, lo que requerirá doblarlo o torcerlo para soltarlo.
Se debe tener cuidado de no sobrecalentar el metal hasta el punto de que despida chispas por oxidación rápida (quemado), de lo contrario la soldadura será deficiente y quebradiza. [28]
Cuando el acero se calienta a una temperatura de austenización , el carbono comienza a difundirse a través del hierro. Cuanto mayor sea la temperatura; mayor será la velocidad de difusión. A temperaturas tan altas, el carbono se combina fácilmente con el oxígeno para formar dióxido de carbono , por lo que el carbono puede difundirse fácilmente fuera del acero y hacia el aire circundante. Al final de un trabajo de herrería, el acero tendrá un contenido de carbono menor que antes del calentamiento. Por lo tanto, la mayoría de las operaciones de herrería se realizan lo más rápido posible para reducir la descarburación, evitando que el acero se ablande demasiado.
Para producir la cantidad adecuada de dureza en el producto terminado, el herrero generalmente comienza con acero que tiene un contenido de carbono superior al deseado. En la antigüedad, la forja solía comenzar con acero que tenía un contenido de carbono demasiado alto para su uso normal. La mayoría de las soldaduras de forja antiguas comenzaron con acero hipereutectoide , que a veces contenía un contenido de carbono muy superior al 1,0%. Los aceros hipereutectoides suelen ser demasiado frágiles para ser útiles en un producto terminado, pero al final de la forja, el acero normalmente tenía un alto contenido de carbono que oscilaba entre el 0,8% (acero para herramientas eutectoide) y el 0,5% (acero para resortes hipoeutectoide). [29]
La soldadura por forja se ha utilizado a lo largo de su historia para fabricar la mayoría de los artículos de acero y hierro. Se ha utilizado en todo, desde la fabricación de herramientas, aperos agrícolas y utensilios de cocina hasta la fabricación de vallas, puertas y celdas de prisión. A principios de la Revolución Industrial, se usaba comúnmente en la fabricación de calderas y recipientes a presión, hasta la introducción de la soldadura por fusión . Se utilizó comúnmente durante la Edad Media para producir armaduras y armas.
Una de las aplicaciones más famosas de la soldadura por forja implica la producción de hojas soldadas con patrones . Durante este proceso, un herrero saca repetidamente un trozo de acero, lo dobla hacia atrás y lo suelda sobre sí mismo. [30] Otra aplicación fue la fabricación de cañones de escopeta. Se enrolló alambre de metal en un mandril y luego se forjó en un barril que era delgado, uniforme y fuerte. En algunos casos, los objetos soldados por forja se graban con ácido para exponer el patrón subyacente del metal, que es único para cada artículo y proporciona un atractivo estético.
A pesar de su diversidad, la soldadura por forja tenía muchas limitaciones. Una limitación principal era el tamaño de los objetos que se podían soldar por forja. Los objetos más grandes requerían una fuente de calor más grande y el tamaño reducía la capacidad de soldarlos manualmente antes de que se enfriaran demasiado. Por lo general, soldar artículos grandes como placas de acero o vigas no era posible, o al menos muy poco práctico, hasta la invención de la soldadura por fusión, que requería remacharlos. En algunos casos, la soldadura por fusión produjo una soldadura mucho más fuerte, como en la construcción de calderas.
La soldadura de forja requiere que las superficies de soldadura estén extremadamente limpias o el metal no se unirá correctamente, en todo caso. Los óxidos tienden a formarse en la superficie, mientras que las impurezas como el fósforo y el azufre tienden a migrar a la superficie. A menudo se utiliza un fundente para evitar que las superficies de soldadura se oxiden , lo que produciría una soldadura de mala calidad, y para extraer otras impurezas del metal. El fundente se mezcla con los óxidos que se forman y reduce la temperatura de fusión y la viscosidad de los óxidos. Esto permite que los óxidos salgan de la unión cuando se golpean las dos piezas. Se puede preparar un fundente simple a partir de bórax , a veces con la adición de limaduras de hierro en polvo. [31]
El fundente más antiguo utilizado para la soldadura de forja era la arena fina de sílice . El hierro o el acero se calentarían en un ambiente reductor dentro de las brasas de la forja. Al carecer de oxígeno, el metal forma una capa de óxido de hierro llamada wustita en su superficie. Cuando el metal está lo suficientemente caliente, pero por debajo de la temperatura de soldadura, el herrero rocía un poco de arena sobre el metal. El silicio de la arena reacciona con la wustita para formar fayalita , que se funde justo por debajo de la temperatura de soldadura. Esto produjo un fundente muy eficaz que ayudó a realizar una soldadura fuerte. [32]
Los primeros ejemplos de fundente utilizaban diferentes combinaciones y diversas cantidades de empastes de hierro , bórax , sal amoniacal , bálsamo de copaiba , cianuro de potasa y fosfato de sodio . La edición de 1920 del libro de hechos y fórmulas de Scientific American indica un secreto comercial frecuentemente ofrecido como el uso de cobre , salitre , sal común, óxido negro de manganeso , prusiato de potasa y "arena agradable para soldar" (silicato).
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