Soldadura por forja

La soldadura por forja (FOW), también llamada soldadura a fuego , es un proceso de soldadura en estado sólido ^{[ 1 ]} que une dos piezas de metal calentándolas a alta temperatura y luego martillándolas juntas. ^{[ 2 ]} También puede consistir en calentar y forzar los metales juntos 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 de unión de metales utilizado desde la antigüedad y es un elemento básico de la herrería tradicional . ^{[ 4 ]} La soldadura por forja es versátil, ya que puede unir una gran variedad de metales similares y diferentes. Con la invención de los métodos de soldadura eléctrica y de soldadura por 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 que une metales calentándolos por encima de cierto umbral y forzándolos a unirse con la presión suficiente para provocar la deformación de las superficies de soldadura, creando así un enlace metálico entre los átomos de los metales. La presión requerida varía según la temperatura, la resistencia y la 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 soldadura por difusión . La soldadura por fusión implica la fusión localizada de los metales en las interfaces de soldadura y es común en las técnicas de soldadura eléctrica o gaseosa. Esto requiere temperaturas mucho más altas que el punto de fusión del metal para provocar la fusión localizada antes de que el calor pueda disiparse térmicamente de la soldadura, y a menudo se utiliza un metal de aporte para evitar la segregación de la soldadura debido a la alta tensión superficial . La soldadura por difusión consiste en unir los metales sin fundirlos, soldando las superficies mientras se encuentran en estado sólido. ^{[ 6 ]}

En la soldadura por difusión, la fuente de calor suele estar por debajo del punto de fusión del metal, lo que permite una distribución más uniforme del calor y, por lo tanto, reduce las tensiones térmicas en la soldadura. En este método, normalmente no se utiliza material de aporte, sino que 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 por forja los metales se calientan a alta temperatura antes de unirlos, lo que generalmente resulta en una mayor plasticidad en las superficies de soldadura. Esto hace que la soldadura por forja sea generalmente más versátil que las técnicas de difusión en frío, que suelen realizarse en metales blandos como el cobre o el aluminio. ^{[ 7 ]}

En la soldadura por forja, toda la zona de soldadura se calienta de manera uniforme. La soldadura por forja se puede utilizar para una gama mucho más amplia de metales y aleaciones más duros, como el acero y el titanio. ^{[ 8 ]}

La historia de la unión de metales se remonta a la Edad del Bronce , donde los bronces de diferente dureza se unían a menudo mediante fundición. Este método consistía en colocar una pieza sólida en un metal fundido contenido en un molde y dejar que se solidificara sin fundir ambos metales, como la hoja de una espada en la empuñadura o la espiga de una punta de flecha en la punta. La soldadura fuerte y la soldadura blanda también eran comunes durante la Edad del Bronce. ^{[ 9 ]}

El acto de soldar (unir dos partes sólidas por difusión) comenzó con el hierro. El primer proceso de soldadura fue la soldadura por forja, que se inició 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 generar temperaturas lo suficientemente altas como para fundir el hierro por completo, por lo que el proceso de forja que se utilizaba para fundir el hierro producía un grumo (hojaldre) de granos de hierro sinterizados junto con pequeñas cantidades de escoria y otras impurezas, conocido como hierro esponja debido a su porosidad .

Tras la fundición, el hierro esponja debía calentarse por encima de la temperatura de soldadura y martillarse o "forjarse". Esto eliminaba las burbujas de aire y la escoria fundida, lo que hacía que los granos de hierro entraran en contacto directo para formar un bloque sólido (lingote).

Los arqueólogos han encontrado numerosos objetos de hierro forjado que muestran evidencia de soldadura por forja, datados antes del año 1000 a. C. Dado que el hierro se producía generalmente en pequeñas cantidades, cualquier objeto grande, como el Pilar de Delhi , debía soldarse por forja a partir de lingotes más pequeños. ^{[ 10 ] [ 11 ]}

La soldadura por forja se desarrolló a partir de un método de ensayo y error, perfeccionándose con el paso de los siglos. ^{[ 12 ]} Debido a la baja calidad de los metales antiguos, se empleaba comúnmente en la fabricación de aceros compuestos, uniendo aceros con alto contenido de carbono, que resistían la deformación pero se rompían fácilmente, con aceros con bajo contenido de carbono, que resistían la fractura pero se doblaban con demasiada facilidad, creando un objeto con mayor tenacidad y resistencia que el que se podría obtener con una sola aleación. Este método de soldadura por patrones apareció por primera vez alrededor del 700 a. C. y se utilizó principalmente para fabricar armas como espadas; los ejemplos más conocidos son las damasquinas , japonesas y merovingias . ^{[ 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 de corte de acero. ^{[ 13 ]}

Muchos metales pueden soldarse por forja, siendo los aceros con alto y bajo contenido de carbono los más comunes . El hierro e incluso algunos hierros fundidos hipoeutécticos pueden soldarse por forja. Algunas aleaciones de aluminio también pueden soldarse por forja. ^{[ 15 ]} Metales como el cobre , el bronce y el latón no se sueldan fácilmente por forja. Aunque es posible soldar por forja aleaciones a base de cobre , suele ser con gran dificultad debido a la tendencia del cobre a absorber oxígeno durante el calentamiento. ^{[ 16 ]} El cobre y sus aleaciones generalmente se unen mejor con soldadura en frío , soldadura por explosión u otras técnicas de soldadura por presión. Con el hierro o el acero, la presencia de incluso pequeñas cantidades de cobre reduce severamente la capacidad de la aleación para soldarse por forja. ^{[ 17 ] [ 18 ]}

Las aleaciones de titanio se suelen soldar por forja. Debido a la tendencia del titanio a absorber oxígeno cuando está fundido, la unión por difusión en estado sólido de una soldadura por forja suele ser más fuerte que una soldadura por fusión en la que el metal se licúa. ^{[ 19 ]}

La soldadura por forja entre materiales similares se produce por difusión en estado sólido. Esto da como resultado una soldadura compuesta únicamente por los materiales a soldar, sin materiales de relleno ni de unión. La soldadura por forja entre materiales diferentes se produce por la formación de un eutéctico con un punto de fusión más bajo entre los materiales. Por ello, la soldadura suele ser más resistente que los metales por separado.

El proceso de soldadura por forja más conocido y antiguo es el martilleo manual. Este proceso consiste en calentar el metal a la temperatura adecuada, recubrirlo con fundente, superponer las superficies de soldadura y golpear repetidamente la junta con un martillo . La junta suele formarse para permitir que el fundente fluya, biselando o redondeando ligeramente las superficies, y se golpea sucesivamente hacia afuera para expulsarlo. Los golpes de martillo no suelen ser tan fuertes como los utilizados para dar forma, lo que evita que el fundente salga disparado de la junta con el primer golpe.

Cuando se desarrollaron los martillos mecánicos , la soldadura por 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 aire comprimido, electricidad, vapor, motores de gas y muchos otros métodos. Otro método es la soldadura por forja con matriz , en la que las piezas de metal se calientan y luego se fuerzan dentro de una matriz que proporciona la presión para la soldadura y mantiene la unión con la forma final. La soldadura por rodillos es otro proceso de soldadura por forja, donde los metales calentados se superponen y se pasan a través de rodillos a alta presión para crear la soldadura. ^{[ 20 ] [ 21 ]}

La soldadura por forja moderna suele estar automatizada, utilizando ordenadores, máquinas y sofisticadas prensas hidráulicas para producir una variedad de productos a partir de diversas aleaciones. ^{[ 22 ]} Por ejemplo, los tubos de acero se sueldan por forja con frecuencia durante el proceso de fabricación. El material plano se calienta y se introduce a través de rodillos con forma especial que, además de dar forma al acero para formar un tubo, proporcionan simultáneamente la presión necesaria para soldar los bordes y formar una costura continua. ^{[ 23 ]}

La unión por difusión es un método común para la soldadura por forja de aleaciones de titanio en la industria aeroespacial. En este proceso, el metal se calienta dentro de una prensa o matriz. Al superar una temperatura crítica específica, que varía según la aleación, las impurezas se queman y las superficies se unen por la fuerza. ^{[ 24 ]}

Otros métodos incluyen la soldadura por chispa y la soldadura por percusión . Estas son técnicas de soldadura por forja por resistencia donde la prensa o matriz se electrifica, haciendo pasar una corriente alta a través de la aleación para crear el calor necesario para la soldadura. ^{[ 25 ]} La soldadura por forja con gas activo protegido es un proceso de soldadura por forja en un entorno reactivo al oxígeno, para quemar óxidos, utilizando gas hidrógeno y calentamiento por inducción . ^{[ 26 ]}

El hierro, los distintos aceros e incluso el hierro fundido pueden soldarse entre sí, siempre que su contenido de carbono sea lo suficientemente similar como para que los rangos de soldadura se solapen. El hierro puro se puede soldar cuando está casi al rojo vivo; entre 1400 °C y 1500 ° C . El acero con un contenido de carbono del 2,0 % se puede soldar cuando está de color amarillo anaranjado, entre 900 °C y 1100 ° C . El acero común, con entre un 0,2 % y un 0,8 % de carbono, se suele soldar a una temperatura de color amarillo brillante. ^{[ 27 ]}        

Un requisito fundamental para la soldadura por forja es que ambas superficies de soldadura alcancen la misma temperatura y se suelden antes de que se enfríen demasiado. Cuando el acero alcanza la temperatura adecuada, comienza a soldarse con mucha facilidad, por lo que una varilla o clavo delgado calentado a la misma temperatura tenderá a pegarse al primer contacto, lo que obligará a doblarlo o retorcerlo para aflojarlo.

Se debe tener cuidado de evitar sobrecalentar el metal hasta el punto de que emita chispas por oxidación rápida (combustión), de lo contrario la soldadura será deficiente y quebradiza. ^{[ 28 ]}

Cuando el acero se calienta a la 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 elevadas, el carbono se combina fácilmente con el oxígeno para formar dióxido de carbono , por lo que puede difundirse fácilmente fuera del acero y hacia el aire circundante. Al finalizar un trabajo de herrería, el acero tendrá un menor contenido de carbono que antes del calentamiento. Por lo tanto, la mayoría de las operaciones de herrería se realizan lo más rápido posible para reducir la descarburación y evitar que el acero se ablande demasiado.

Para lograr la dureza adecuada en el producto final, el herrero generalmente comienza con acero con un contenido de carbono superior al deseado. En la antigüedad, la forja solía comenzar con acero con un contenido de carbono demasiado elevado para su uso normal. La mayoría de las forjas antiguas comenzaban con acero hipereutectoide , cuyo contenido de carbono a veces superaba el 1,0 %. Los aceros hipereutectoides suelen ser demasiado frágiles para ser útiles en un producto terminado, pero al final de la forja, el acero generalmente presentaba un alto contenido de carbono, que oscilaba entre el 0,8 % (acero para herramientas eutectoide) y el 0,5 % (acero para muelles hipoeutectoide). ^{[ 29 ]}

La soldadura por forja se ha utilizado a lo largo de la historia para fabricar prácticamente cualquier objeto de acero y hierro. Se ha empleado en todo tipo de aplicaciones, desde la fabricación de herramientas, aperos de labranza y utensilios de cocina hasta la construcción de cercas, portones y celdas de prisión. A principios de la Revolución Industrial, se utilizaba comúnmente en la fabricación de calderas y recipientes a presión, hasta la introducción de la soldadura por fusión . Durante la Edad Media, se empleó habitualmente para la producción de armaduras y armas.

Una de las aplicaciones más famosas de la soldadura por forja consiste en la producción de hojas soldadas por patrones . Durante este proceso, un herrero estira repetidamente una pieza de acero, la dobla y la suelda sobre sí misma. ^{[ 30 ]} Otra aplicación fue la fabricación de cañones de escopeta. Se enrollaba alambre metálico en un mandril y luego se forjaba para formar un cañón delgado, uniforme y resistente. En algunos casos, los objetos soldados por forja se graban con ácido para exponer el patrón subyacente del metal, que es único en cada pieza y le confiere un atractivo estético.

A pesar de su versatilidad, la soldadura por forja presentaba numerosas limitaciones. Una de las principales era el tamaño de los objetos que podían soldarse. Los objetos de mayor tamaño requerían una fuente de calor más potente, y su tamaño dificultaba la soldadura manual antes de que se enfriaran demasiado. Soldar piezas grandes como placas o vigas de acero era prácticamente imposible, o al menos muy poco práctico, hasta la invención de la soldadura por fusión, que obligaba a remacharlas. En algunos casos, la soldadura por fusión producía una unión mucho más resistente, como en la construcción de calderas.

La soldadura por forja requiere que las superficies de soldadura estén extremadamente limpias, de lo contrario, el metal no se unirá correctamente, o incluso no se unirá en absoluto. Los óxidos tienden a formarse en la superficie, mientras que las impurezas como el fósforo y el azufre tienden a migrar hacia ella. A menudo se utiliza un fundente para evitar la oxidación de las superficies de soldadura , 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 fluyan fuera de la junta cuando las dos piezas se golpean entre sí. Un fundente simple se puede hacer con bórax , a veces con la adición de limaduras de hierro en polvo. ^{[ 31 ]}

El fundente más antiguo utilizado para la soldadura por forja era arena fina de sílice . El hierro o el acero se calentaban en un ambiente reductor dentro de las brasas de la fragua. En ausencia de oxígeno, el metal forma una capa de óxido de hierro llamada wüstita en su superficie. Cuando el metal está lo suficientemente caliente, pero por debajo de la temperatura de soldadura, el herrero esparce arena sobre él. El silicio de la arena reacciona con la wüstita para formar fayalita , que se funde justo por debajo de la temperatura de soldadura. Esto producía un fundente muy eficaz que contribuía a obtener una soldadura fuerte. ^{[ 32 ]}

Los primeros ejemplos de fundentes utilizaban diferentes combinaciones y cantidades de limaduras de hierro , bórax , sal amoniacal , bálsamo de copaiba , cianuro de potasio y fosfato de sodio . La edición de 1920 del libro de datos y fórmulas de Scientific American indica que un secreto comercial frecuentemente ofrecido consistía en utilizar sulfato de cobre , salitre , sal común , óxido negro de manganeso , fosfoato de potasio y "arena de soldadura fina" (silicato).

• Soldadura de patrones
• Soldadura por fricción
• Soldadura de pernos por fricción