La unión por difusión o soldadura por difusión es una técnica de soldadura de estado sólido utilizada en el trabajo de metales, 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 normalmente se logra a una temperatura elevada, aproximadamente entre el 50 y el 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 generalmente se implementa aplicando alta presión, junto con una temperatura necesariamente alta, a los materiales a soldar; La técnica se utiliza más comúnmente para soldar "sándwiches" de capas alternas de láminas metálicas finas y alambres o filamentos metálicos. [4] Actualmente, el método de unión por difusión se utiliza ampliamente en la unión de metales refractarios y de alta resistencia dentro de las industrias aeroespacial [1] y nuclear. [ cita necesaria ]
El acto de soldadura por difusión tiene siglos de antigüedad. Esto se puede encontrar en forma de "relleno de oro", 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 macizo en una fina lámina de oro. Luego se colocó esta película sobre un sustrato de cobre y se le puso peso. Finalmente, utilizando un proceso conocido como "soldadura a presión en caliente" o HPW, el conjunto de peso/cobre/película de oro se colocó dentro de un horno y se calentó hasta que la película de oro estuvo suficientemente unida 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 líquida y, a menudo, tampoco metal de aportación. No se agrega peso al total y la unión tiende a exhibir tanto la fuerza como la resistencia a la temperatura del metal base. Los materiales no soportan ninguna o muy poca deformación plástica . Se introduce muy poca tensión residual y no hay contaminación por el proceso de unión. Teóricamente se puede realizar sobre 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 utiliza con mayor frecuencia para trabajos difíciles o imposibles de soldar por otros medios. Los ejemplos incluyen materiales de soldadura normalmente imposibles de unir mediante fusión líquida, como circonio y berilio ; materiales con puntos de fusión muy altos como el tungsteno ; capas alternas de diferentes metales que deben conservar su resistencia a altas temperaturas; y estructuras de láminas metálicas alveolares muy finas. [7] [8] [9] Las aleaciones de titanio a menudo se unen por difusión a pesar de que la fina capa de óxido puede disolverse y difundirse 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 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 reordenando, llegamos al siguiente resultado:
Como la masa y el área son constantes para una articulación determinada, el tiempo requerido depende en gran medida del gradiente de concentración, que cambia sólo en cantidades incrementales a través de la articulación, y del coeficiente de difusión. El coeficiente de difusión está determinado por 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 articulación determinada, el único término de esta ecuación que está bajo control es la temperatura. [10]
Cuando se unen dos materiales de estructura cristalina similar, la unión por difusión se realiza sujetando las dos piezas a soldar con sus superficies contiguas entre sí. Antes de soldar, estas superficies deben mecanizarse hasta obtener un acabado lo más suave posible desde el punto de vista económico y mantenerse lo más libre 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 sujetos, se aplican presión y calor a los componentes, generalmente durante muchas horas. Las superficies se calientan en un horno o mediante una resistencia eléctrica. La presión se puede aplicar mediante una prensa hidráulica a temperatura; Este método permite mediciones exactas de la carga en las piezas. En los casos en que las piezas no deban tener gradiente de temperatura, se puede utilizar expansión térmica diferencial para aplicar carga. Al fijar piezas utilizando un metal de baja expansión (es decir, molibdeno ), las piezas suministrarán su propia carga expandiéndose más que el metal de fijación a temperatura. Los métodos alternativos para aplicar presión incluyen el uso de pesos muertos, presión diferencial de gas entre las dos superficies y autoclaves de alta presión. La unión por difusión debe realizarse en un entorno de vacío o de gas inerte cuando se utilizan metales que tienen fuertes capas de óxido (es decir, cobre). El tratamiento de la superficie, incluido el pulido, el grabado y la limpieza, así como la presión y temperatura de difusión, son factores importantes con respecto al proceso de unión por difusión. [7] [8] [9]
A nivel microscópico, el enlace por difusión se produce en tres etapas simplificadas: [12]
El enlace por difusión se utiliza principalmente para crear formas complejas para las industrias electrónica, aeroespacial, nuclear y de microfluidos. Dado que esta forma de unión requiere una cantidad de tiempo considerable en comparación con otras técnicas de unión, como la soldadura por explosión , las piezas se fabrican en pequeñas cantidades y, a menudo, la fabricación se realiza en su mayor parte de forma automatizada. Sin embargo, debido a 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 al crear formas complejas de chapa metálica. Se apilan varias hojas una encima de 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 suele hacerse 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 costosos materiales estratégicos y la reducción de los costes 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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