Soldadura por puntos

La soldadura por puntos (o soldadura por resistencia por puntos ^{[ 1 ]} ) es un tipo de soldadura eléctrica por resistencia que se utiliza para soldar diversos productos de chapa metálica, mediante un proceso en el que los puntos de contacto de la superficie metálica se unen por el calor obtenido de la resistencia a la corriente eléctrica .

El proceso utiliza dos electrodos de aleación de cobre con forma específica para concentrar la corriente de soldadura en un pequeño punto y, simultáneamente, sujetar las láminas entre sí. Las piezas se mantienen unidas bajo la presión ejercida por los electrodos. Normalmente, las láminas tienen un espesor de entre 0,5 y 3 mm (0,020 a 0,118 pulgadas) . Al aplicar una corriente intensa al punto, se funde el metal y se forma la soldadura. La ventaja de la soldadura por puntos radica en que se puede suministrar una gran cantidad de energía al punto en un tiempo muy breve (aproximadamente de 10 a 100 milisegundos). ^{[ 2 ]} Esto permite que la soldadura se realice sin un calentamiento excesivo del resto de la lámina.  

La cantidad de calor (energía) suministrada al punto está determinada por la resistencia entre los electrodos y la magnitud y duración de la corriente. ^{[ 3 ]} La cantidad de energía se elige para que coincida con las propiedades del material de la lámina, su espesor y el tipo de electrodos. Aplicar muy poca energía no fundirá el metal o producirá una soldadura deficiente. Aplicar demasiada energía fundirá demasiado metal, expulsará material fundido y producirá un agujero en lugar de una soldadura. ^{[ 4 ]} Otra característica de la soldadura por puntos es que la energía suministrada al punto se puede controlar para producir soldaduras fiables.

La soldadura por puntos consta de tres etapas. La primera consiste en acercar los electrodos a la superficie del metal y aplicar una ligera presión. A continuación, se aplica brevemente la corriente eléctrica, tras lo cual se interrumpe, pero los electrodos permanecen en su lugar para que el material se enfríe. Los tiempos de soldadura varían entre 0,01  y 0,63  segundos, dependiendo del espesor del metal, la fuerza aplicada por los electrodos y su diámetro.

El equipo utilizado en el proceso de soldadura por puntos consta de portaherramientas y electrodos. Los portaherramientas sirven para sujetar firmemente los electrodos y también para alojar las mangueras de agua opcionales que los enfrían durante la soldadura. Existen diferentes tipos de portaherramientas, como los de paleta, los de carga ligera, los universales y los de desplazamiento estándar. Los electrodos suelen estar fabricados con una aleación de baja resistencia, generalmente cobre, y se diseñan en diversas formas y tamaños según la aplicación.

Los dos materiales que se sueldan se conocen como piezas de trabajo y deben conducir electricidad. El ancho de las piezas de trabajo está limitado por la longitud de la garganta del aparato de soldadura y suele oscilar entre 5 y 50 pulgadas (13 y 130 cm) . El espesor de las piezas de trabajo puede variar entre 0,008 y 1,25 pulgadas (0,20 y 32 mm) . ^{[ 5 ]}  

Una vez interrumpida la corriente eléctrica en la pieza de trabajo, esta se enfría a través de los orificios de refrigeración situados en el centro de los electrodos. Tanto el agua como una solución salina pueden utilizarse como refrigerantes en los mecanismos de soldadura por puntos.

En la soldadura por puntos por resistencia, el sistema de herramientas consta de dos partes principales cuyas características influyen fundamentalmente en todo el proceso: la pistola y su tipo, y el tamaño y la forma del electrodo. En aplicaciones donde la configuración de la pistola debe ser lo más rígida posible debido a las altas fuerzas aplicadas (por ejemplo, soldadura de materiales gruesos), se utiliza ampliamente la pistola tipo C. Además de la alta rigidez resultante, esta configuración proporciona una gran flexibilidad de herramientas, ya que el movimiento de los electrodos es colineal. A diferencia de la configuración tipo C, la denominada configuración tipo X ofrece menor rigidez, aunque el espacio de trabajo alcanzable es mucho mayor. Por ello, esta configuración es muy común cuando se procesan objetos delgados y planos (por ejemplo, fabricación de pisos o paneles de techo). Sin embargo, ofrece menor flexibilidad en cuanto a herramientas, ya que las trayectorias de los electrodos móviles no son colineales (como las puntas de unas tijeras), por lo que se debe utilizar una punta de electrodo en forma de cúpula.

Los electrodos utilizados en la soldadura por puntos varían considerablemente según la aplicación. Cada tipo de herramienta tiene una finalidad distinta. Los electrodos de radio se utilizan para aplicaciones de alta temperatura, los de punta truncada para alta presión, los electrodos excéntricos para soldar esquinas, los de punta excéntrica desplazada para acceder a esquinas y espacios reducidos, y los de punta truncada desplazada para acceder al interior de la pieza de trabajo.

El proceso de soldadura por puntos tiende a endurecer el material, provocando su deformación. Esto reduce la resistencia a la fatiga del material y puede estirarlo, además de recocerlo . Los efectos físicos de la soldadura por puntos incluyen agrietamiento interno, grietas superficiales y una mala apariencia. La grieta alrededor del punto de soldadura se extenderá bajo una carga externa o fatiga, produciendo un tipo diferente de falla. ^{[ 6 ] [ 7 ]} Las propiedades químicas afectadas incluyen la resistencia interna del metal y sus propiedades corrosivas.

Los tiempos de soldadura suelen ser muy cortos, lo que puede causar problemas con los electrodos, ya que no pueden moverse con la suficiente rapidez para sujetar el material. Los controladores de soldadura utilizan un doble pulso para solucionar este problema. Durante el primer pulso, es posible que el contacto del electrodo no permita una buena soldadura. Este primer pulso ablanda el metal. Durante la pausa entre los dos pulsos, los electrodos se acercan y mejoran el contacto.

Durante la soldadura por puntos, la gran corriente eléctrica induce un gran campo magnético, y la interacción entre ambos produce también un gran campo de fuerza magnética, que impulsa el metal fundido a moverse muy rápidamente a una velocidad de hasta 0,5  m/s. Por lo tanto, la distribución de la energía térmica en la soldadura por puntos puede verse drásticamente alterada por el rápido movimiento del metal fundido. ^{[ 8 ] [ 9 ] [ 10 ]} El rápido movimiento en la soldadura por puntos puede observarse mediante fotografía de alta velocidad. ^{[ 11 ]}

La soldadora por puntos básica consta de una fuente de alimentación, una unidad de almacenamiento de energía (por ejemplo, un banco de condensadores), un interruptor, un transformador de soldadura y los electrodos de soldadura. El elemento de almacenamiento de energía permite a la soldadora suministrar altos niveles de potencia instantánea. Si la demanda de potencia no es alta, no se necesita el elemento de almacenamiento de energía. El interruptor transfiere la energía almacenada al transformador de soldadura. El transformador reduce la tensión y aumenta la corriente. Una característica importante del transformador es que reduce el nivel de corriente que debe manejar el interruptor. Los electrodos de soldadura forman parte del circuito secundario del transformador. También hay una caja de control que gestiona el interruptor y puede monitorizar la tensión o la corriente de los electrodos de soldadura.

La resistencia que se presenta al soldador es compleja. ^{[ 12 ]} Existe la resistencia del devanado secundario, los cables y los electrodos de soldadura. También existe la resistencia de contacto entre los electrodos de soldadura y la pieza de trabajo. Existe la resistencia de las piezas de trabajo y la resistencia de contacto entre las piezas de trabajo.

Al inicio de la soldadura, las resistencias de contacto suelen ser altas, por lo que la mayor parte de la energía inicial se disipa allí. Ese calor y la fuerza de sujeción ablandan y alisan el material en la interfaz electrodo-material, mejorando el contacto (es decir, disminuyendo la resistencia de contacto). En consecuencia, se transfiere más energía eléctrica a la pieza de trabajo y a la resistencia de unión entre ambas. A medida que la energía eléctrica se aplica a la soldadura y provoca un aumento de la temperatura, los electrodos y la pieza de trabajo conducen ese calor. El objetivo es aplicar la energía suficiente para que una parte del material dentro del punto de soldadura se funda sin que se funda todo el punto. El perímetro del punto de soldadura conduce gran parte del calor y mantiene una temperatura más baja. El interior del punto de soldadura recibe menos calor, por lo que se funde primero. Si la corriente de soldadura se aplica durante demasiado tiempo, todo el punto de soldadura se funde, el material se agota o falla, y la soldadura se convierte en un agujero.

El voltaje necesario para soldar depende de la resistencia del material a soldar, el espesor de la chapa y el tamaño deseado del punto de soldadura. Al soldar una combinación común como  chapa de acero de 1,0 + 1,0 mm, el voltaje entre los electrodos es de aproximadamente 1,5  V al inicio de la soldadura, pero puede descender hasta 1  V al finalizar. Esta disminución del voltaje se debe a la reducción de la resistencia causada por la fusión de la pieza. El voltaje en circuito abierto del transformador es superior, generalmente entre 5 y 22 voltios. ^{[ 13 ]}

La resistencia del punto de soldadura cambia a medida que fluye y se licúa. Los equipos de soldadura modernos pueden monitorear y ajustar la soldadura en tiempo real para garantizar una soldadura uniforme. El equipo puede controlar diferentes variables durante la soldadura, como la corriente, el voltaje, la potencia o la energía.

Los tamaños de las soldadoras varían de 5 a 500  kVA. ^{[ 14 ]} Las microsoldadoras por puntos, utilizadas en una variedad de industrias, pueden llegar a 1,5  kVA o menos para necesidades de soldadura de precisión.

Es común que durante el proceso se expulse una lluvia de gotitas de metal fundido (chispas) de la zona de la soldadura.

La soldadura por puntos por resistencia no genera un arco brillante, por lo que no se requiere protección UV. La OSHA exige el uso de protectores faciales transparentes o gafas para la protección contra salpicaduras, pero no requiere lentes con filtro. ^{[ 15 ]}

La soldadura por puntos se utiliza normalmente para soldar ciertos tipos de chapa metálica , malla de alambre soldada o malla de alambre . Las piezas más gruesas son más difíciles de soldar por puntos, ya que el calor se transmite con mayor facilidad al metal circundante. La soldadura por puntos se puede identificar fácilmente en muchos productos de chapa metálica, como cubos metálicos. Las aleaciones de aluminio también se pueden soldar por puntos, pero su conductividad térmica y eléctrica mucho mayor requiere corrientes de soldadura más elevadas. Esto exige transformadores de soldadura más grandes, potentes y costosos .

Quizás la aplicación más común de la soldadura por puntos se encuentre en la industria automotriz , donde se utiliza casi universalmente para soldar la chapa metálica y dar forma a un automóvil. Las soldadoras por puntos también pueden automatizarse por completo , y muchos de los robots industriales que se encuentran en las líneas de montaje son soldadoras por puntos (otro uso importante de los robots es la pintura).

La soldadura por puntos también se utiliza en la clínica del ortodoncista, donde se emplean equipos de soldadura por puntos a pequeña escala para ajustar el tamaño de las "bandas molares" metálicas utilizadas en ortodoncia .

Otra aplicación consiste en soldar por puntos tiras a celdas de baterías de níquel-cadmio , níquel-hidruro metálico o iones de litio para fabricar baterías. Las celdas se unen mediante la soldadura por puntos de finas tiras de níquel a los terminales de la batería. La soldadura por puntos evita que la batería se sobrecaliente, como ocurriría con la soldadura convencional .

Un buen diseño siempre debe garantizar una accesibilidad adecuada. Las superficies de contacto deben estar libres de contaminantes como incrustaciones, aceite y suciedad para asegurar soldaduras de calidad. El espesor del metal generalmente no influye en la calidad de las soldaduras.

La soldadura por proyección es una modificación de la soldadura por puntos en la que la soldadura se localiza mediante secciones elevadas, o proyecciones, en una o ambas piezas a unir. El calor se concentra en las proyecciones, lo que permite soldar secciones más gruesas o realizar soldaduras con menor separación entre ellas. Las proyecciones también pueden servir para posicionar las piezas. La soldadura por proyección se utiliza a menudo para soldar espárragos , tuercas y otras piezas roscadas a placas metálicas. También se usa frecuentemente para unir alambres y barras cruzadas. Este es otro proceso de alta producción, y se pueden realizar múltiples soldaduras por proyección mediante un diseño y utillaje adecuados. ^{[ 16 ]}

• Remachado (metalurgia)
• Lista de procesos de soldadura
• Garantía de calidad de la soldadura

• Soldadura por puntos, por proyección y con alambre en YouTube (entre los minutos 8 y 9) por la Sociedad Americana de Soldadura.