Enlace por difusión

La unión por difusión o soldadura por difusión es una técnica de soldadura en estado sólido utilizada en el trabajo de metales, capaz de unir metales similares y diferentes. Funciona según el principio de difusión en estado sólido, donde los átomos de dos superficies metálicas sólidas se intersecan con el tiempo. Esto se logra típicamente 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 que se van a soldar; la técnica se usa más comúnmente para soldar "sándwiches" de capas alternas de lámina metálica delgada y alambres o filamentos metálicos. ^{[ 4 ]} Actualmente, el método de unión por difusión se usa ampliamente en la unión de metales refractarios y de alta resistencia en las industrias aeroespacial ^{[ 1 ]} y nuclear.

La técnica de soldadura por difusión tiene siglos de antigüedad. Se puede encontrar en forma de "oro laminado", una técnica utilizada para unir oro y cobre en joyería y otras aplicaciones. Para crear oro laminado, los orfebres comenzaban martillando una cantidad de oro macizo hasta convertirla en una lámina delgada. Esta lámina se colocaba sobre un sustrato de cobre y se presionaba. Finalmente, mediante un proceso conocido como "soldadura por presión en caliente" o HPW, el conjunto formado por el peso, el cobre y la lámina de oro se colocaba dentro de un horno y se calentaba hasta que la lámina de oro se adhería suficientemente 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, no requiere material de aporte. No se añade peso al total y la unión tiende a presentar la resistencia y la tolerancia a la temperatura del metal base. Los materiales no sufren deformación plástica , o sufren muy poca . Se introduce muy poca tensión residual y no hay contaminación derivada del proceso de unión. En teoría, puede realizarse sobre una superficie de unión de cualquier tamaño sin aumentar el tiempo de procesamiento; sin embargo, en la práctica, la superficie suele estar limitada por la presión requerida y las limitaciones físicas. La unión por difusión puede realizarse con metales similares y diferentes, metales reactivos y refractarios, o piezas de distintos espesores.

Debido a su coste relativamente elevado, la unión por difusión se utiliza con mayor frecuencia para trabajos que son difíciles o imposibles de soldar por otros medios. Algunos ejemplos incluyen la soldadura de materiales que normalmente son imposibles de unir mediante fusión líquida, como el circonio y el berilio ; materiales con puntos de fusión muy altos, como el tungsteno ; capas alternas de diferentes metales que deben mantener su resistencia a altas temperaturas; y estructuras de lámina metálica muy finas con forma de panal. ^{[ 7 ] [ 8 ] [ 9 ]} Las aleaciones de titanio a menudo se unen por difusión, ya que la fina capa de óxido se puede disolver y difundir 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 atraviesa el área de la sección transversal de las superficies de contacto. La primera ley de difusión de Fick establece:

${\displaystyle J=-D(dC/dx),}$

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 un producto del gradiente. Otra forma de la ley de Fick establece:

${\displaystyle J=M/(At),}$

donde M se define como la masa o 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 reordenándolas, obtenemos el siguiente resultado:

${\displaystyle t=-(1/D)(M/A)(dC/dx)^{-1}.}$

Dado que la masa y el área son constantes para una articulación determinada, el tiempo requerido depende en gran medida del gradiente de concentración, que cambia solo en cantidades incrementales a través de la articulación, y del coeficiente de difusión. El coeficiente de difusión se determina mediante la siguiente ecuación:

${\displaystyle D=D_{0}e^{-Q_{\text{d}}/RT},}$

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 unión dada, 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 en contacto. Antes de soldar, estas superficies deben mecanizarse para obtener un acabado lo más liso posible dentro de lo económicamente viable, y mantenerse lo más libres posible de contaminantes químicos u otros residuos. Cualquier material intermedio entre las dos superficies metálicas puede impedir una difusión adecuada del material. Se fabrican herramientas específicas para cada aplicación de soldadura para acoplar la soldadora a las piezas de trabajo. ^{[ 11 ]} Una vez sujetas, se aplica presión y calor a los componentes, generalmente durante muchas horas. Las superficies se calientan en un horno o mediante resistencia eléctrica. La presión se puede aplicar utilizando una prensa hidráulica a temperatura; este método permite mediciones exactas de la carga en las piezas. En los casos en que las piezas no deben tener un gradiente de temperatura, se puede utilizar la dilatación térmica diferencial para aplicar la carga. Al sujetar las piezas con un metal de baja dilatación (por ejemplo, molibdeno ), las piezas suministrarán su propia carga al dilatarse más que el metal de sujeción a temperatura. Entre los métodos alternativos para aplicar presión se incluyen el uso de pesas muertas, la presión diferencial de gas entre las dos superficies y los autoclaves de alta presión. La unión por difusión debe realizarse en vacío o en un entorno de gas inerte cuando se utilizan metales con capas de óxido fuertes (por ejemplo, cobre). El tratamiento de la superficie, que incluye pulido, grabado y limpieza, así como la presión y la temperatura de difusión, son factores importantes en el proceso de unión por difusión. ^{[ 7 ] [ 8 ] [ 9 ]}

A nivel microscópico, la unión por difusión se produce en tres etapas simplificadas: ^{[ 12 ]}

• Deformación por microasperezas: antes de que las superficies entren en contacto completo, las asperezas (defectos superficiales muy pequeños) de ambas superficies se tocan y se deforman plásticamente. A medida que estas asperezas se deforman, se entrelazan, formando interfaces entre las dos superficies.
• El transporte de masa controlado por difusión, a temperaturas y presiones elevadas, provoca una deformación plástica acelerada en los materiales; los límites de grano y la materia prima migran, y los espacios entre las dos superficies se reducen a poros aislados.
• Migración de la interfaz: el material comienza a difundirse a través del límite de las superficies adyacentes, difuminando este límite de material y creando una unión.

• La superficie unida presenta las mismas propiedades físicas y mecánicas que el material base. Una vez completada la unión, se puede realizar una prueba de tracción, por ejemplo.
• El proceso de unión por difusión permite obtener uniones de alta calidad donde no existe discontinuidad ni porosidad en la interfaz. ^{[ 13 ]}
• La unión por difusión permite la fabricación de componentes de alta precisión con formas complejas.
• El método de unión por difusión puede utilizarse ampliamente para unir materiales similares o diferentes, y también es importante en el procesamiento de materiales compuestos.
• El proceso no es extremadamente difícil de abordar y el costo para realizar la unión por difusión no es alto. ^{[ 14 ]}
• El material sometido a difusión es capaz de reducir la deformación plástica.

La unión por difusión se utiliza principalmente para crear formas complejas en las industrias electrónica, aeroespacial, nuclear y de microfluídica. Es eficaz para fabricar piezas con microcanales . Dado que este tipo de unión requiere un 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 está mayormente automatizada. Sin embargo, debido a diferentes requisitos, el tiempo necesario podría reducirse. En un intento por reducir la cantidad de fijaciones, los costos laborales y la cantidad de piezas, la unión por difusión, junto con el conformado superplástico , también se utiliza para crear formas complejas de chapa metálica. Varias láminas se apilan una encima de la otra y se unen en secciones específicas. Luego, la pila se coloca en un molde y la presión del gas expande las láminas para llenarlo. Esto se suele hacer utilizando aleaciones de titanio o aluminio para piezas necesarias en la industria aeroespacial. ^{[ 15 ]}

Entre los materiales que se sueldan habitualmente se encuentran el titanio , el berilio y el circonio . En muchos aviones militares, la unión por difusión permite conservar materiales estratégicos costosos y reducir los costes de fabricación. Algunos aviones cuentan con más de 100 piezas unidas mediante este método, incluyendo fuselajes , soportes de actuadores internos y externos, muñones del tren de aterrizaje y estructuras de las góndolas .

• Kalpakjian, Serope, Schmid, Steven R. "Ingeniería y tecnología de la fabricación, quinta edición", págs.  771-772

• "Fundición de metales no ferrosos: soldadura en estado sólido", en Key to Metals
• Excelente análisis sobre la unión por difusión realizado por Amir Shirzadi para el Centro de Educación en Materiales del Reino Unido.