Soldadura

La soldadura es un proceso de fabricación que une materiales, generalmente metales o termoplásticos , principalmente mediante el uso de altas temperaturas para fundir las piezas y permitir que se enfríen, provocando la fusión . Los métodos alternativos comunes incluyen la soldadura con disolvente (de termoplásticos), que utiliza productos químicos para fundir los materiales que se unen sin calor, y los procesos de soldadura en estado sólido que unen sin fundir, como la soldadura por presión, la soldadura en frío y la soldadura por difusión .

La soldadura de metales se distingue de las técnicas de unión a baja temperatura, como la soldadura fuerte y la soldadura blanda , que no funden el metal base (metal portador) y, en su lugar, requieren el flujo de un metal de aporte para solidificar las uniones.

Además de fundir el metal base durante la soldadura, normalmente se añade un material de aporte a la junta para formar un baño de material fundido (el baño de soldadura ) que se enfría y forma una junta que puede ser más resistente que el material base. Los procesos de soldadura utilizan algún tipo de protección para evitar que los metales fundidos se contaminen o se oxiden .

Para la soldadura se pueden utilizar diversas fuentes de energía, como la llama de gas (química), el arco eléctrico (eléctrico), el láser , el haz de electrones , la fricción y los ultrasonidos . Si bien suele ser un proceso industrial, la soldadura puede realizarse en diversos entornos, como al aire libre, bajo el agua y en el espacio exterior . Soldar es una actividad peligrosa y se requieren precauciones para evitar quemaduras , descargas eléctricas , daños en la visión, inhalación de gases y humos tóxicos y exposición a radiación ultravioleta intensa .

Hasta finales del siglo XIX, el único proceso de soldadura era la soldadura por forja , que los herreros habían utilizado durante milenios para unir hierro y acero mediante calentamiento y martilleo. La soldadura por arco y la soldadura oxiacetilénica fueron algunos de los primeros procesos que se desarrollaron a finales de siglo, y la soldadura por resistencia eléctrica le siguió poco después. La tecnología de soldadura avanzó rápidamente durante los primeros años del siglo XX, ya que las guerras mundiales impulsaron la demanda de métodos de unión fiables y económicos. Tras las guerras, se desarrollaron varias técnicas de soldadura modernas, incluidos métodos manuales como la soldadura por arco metálico protegido , ahora uno de los métodos de soldadura más populares, así como procesos semiautomáticos y automáticos como la soldadura por arco metálico con gas , la soldadura por arco sumergido , la soldadura por arco con núcleo fundente y la soldadura por electroescoria . Los avances continuaron con la invención de la soldadura por haz láser , la soldadura por haz de electrones , la soldadura por pulsos magnéticos y la soldadura por fricción-agitación en la segunda mitad del siglo. Hoy en día, a medida que la ciencia continúa avanzando, la soldadura robótica es común en entornos industriales, y los investigadores siguen desarrollando nuevos métodos de soldadura y profundizando en la comprensión de la calidad de la soldadura. ^{[ 1 ]}

El término soldadura deriva de una palabra escandinava y posiblemente esté relacionado con el sueco välla (pozo) o el danés vælde (brotar o desbordarse). ^{[ 2 ]} En el siglo VIII d. C., comenzó un período conocido como la Era Vikinga , y los escandinavos se asentaron en Inglaterra, lo que dio lugar a préstamos lingüísticos, cambios en el significado de las palabras y cambios gramaticales. ^{[ 3 ]} En muchos idiomas, los términos para soldar están relacionados con los de hervir o burbujear. ^{[ 4 ]} En sueco antiguo , välla puede significar hervir, burbujear, desbordarse, rebosar o fundir. ^{[ 5 ]} La palabra sueca para la materia prima utilizada para hacer hierro forjado es välljärn , que significa literalmente "hierro hirviendo". ^{[ 6 ]}

La palabra en inglés antiguo para soldar hierro era samodwellung . ^{[ 7 ]} Derivada del inglés antiguo weallan , weld entró en uso en inglés medio como una forma alternativa del verbo well ( wæll ), que significaba 'brotar' (como de una fuente) o 'hervir'. La 'd' añadida era excrescent , una consonante añadida sin justificación etimológica. Llegó a significar hervir, calentar a un grado alto o golpear el hierro después de calentarlo. ^{[ 8 ]}

La palabra se registró por primera vez en inglés en 1590. Una traducción de la Biblia cristiana al inglés del siglo XIV realizada por John Wycliffe tradujo Isaías 2:4 como " ...thei shul bete togidere their swerdes into shares... " (convertirán sus espadas en rejas de arado). En una versión de 1590, esto se cambió a " ...thei shullen welle togidere her swerdes in-to scharris... " (soldarán sus espadas en rejas de arado), lo que sugiere que este uso de la palabra se popularizó en inglés en algún momento entre estos períodos. ^{[ 9 ]}

La historia de la unión de metales se remonta a varios milenios. ^{[ 10 ]} Los procesos de soldadura por fusión , que unen metales fundiéndolos, no se utilizaban ampliamente en la soldadura preindustrial . Las primeras técnicas de soldadura utilizaban presión para unir los metales, a menudo con un calor insuficiente para fundir completamente los metales base. ^{[ 11 ]} Una excepción notable fue una técnica para unir secciones de grandes estatuas. En la fundición a la cera perdida griega y romana , las estatuas se fundían en piezas más pequeñas y se vertía bronce fundido en las juntas a temperaturas suficientes para crear soldaduras por fusión. ^{[ 12 ]}

La soldadura más antigua conocida data de la Edad del Bronce . El oro es lo suficientemente blando como para soldarse a presión con poco o ningún calor, y los arqueólogos han encontrado pequeñas cajas hechas mediante la soldadura a presión de láminas de oro superpuestas. En la Edad del Hierro , las sociedades mediterráneas desarrollaron la soldadura por forja . ^{[ 13 ]} En la soldadura por forja, el metal se calienta hasta el punto en que se vuelve lo suficientemente blando como para que un herrero pueda martillar piezas separadas. ^{[ 14 ]} Ejemplos muy antiguos incluyen los objetos de hierro encontrados con Tutankamón, entre ellos un reposacabezas y una daga de hierro. ^{[ 15 ] [ 16 ]} La daga fue forjada con hierro meteórico a temperaturas inferiores a 950 °C (1740 °F) . ^{[ 17 ]}  

La metalurgia del hierro se desarrolló de forma independiente al menos dos veces: en Anatolia hacia el 1800 a. C. y en China hacia el 900 a. C. ^{[ 18 ]} Normalmente, el hierro forjado se forja a unos 1350 °C (2460 °F) . ^{[ 19 ]} El historiador griego antiguo Heródoto atribuye a Glauco de Quíos el descubrimiento de la «soldadura de hierro». ^{[ 20 ]} Glauco es conocido por un pedestal de hierro soldado para sostener un cráter de plata en Delfos . ^{[ 21 ]} En el siglo VII a. C., se desarrollaron altos hornos en China, pero la tecnología solo se extendió hacia Occidente durante la Edad de Oro islámica. Para cuando llegaron a Europa, los altos hornos se estaban desarrollando de forma independiente en la actual Alemania. ^{[ 22 ]}  

La Edad Media europea trajo consigo avances en la soldadura por forja , en la que los herreros golpeaban repetidamente el metal caliente hasta que se producía la unión. ^{[ 23 ]} En Europa y África, la forja pasó de los hornos de carbón abiertos a los hornos de fundición . ^{[ 24 ]} La soldadura por forja se utilizó en la construcción del Pilar de Hierro de Delhi , erigido en Delhi , India, alrededor del año 310 d. C. y con un peso de 5,4 toneladas métricas . ^{[ 25 ]} En 1540, Vannoccio Biringuccio publicó De la pirotechnia , que incluye descripciones de la operación de forja. ^{[ 23 ]} Los artesanos del Renacimiento eran expertos en el proceso, y la industria continuó creciendo durante los siglos siguientes. ^{[ 23 ]} 

En 1800, Sir Humphry Davy descubrió el arco eléctrico de pulso corto y presentó sus resultados en 1801. ^{[ 26 ] [ 27 ] [ 28 ]} En 1802, el científico ruso Vasily Petrov creó el arco eléctrico continuo, ^{[ 28 ] [ 29 ]} y posteriormente publicó "Noticias de experimentos galvánico-voltaicos" en 1803, en el que describió experimentos llevados a cabo en 1802. De gran importancia en este trabajo fue la descripción de una descarga de arco estable y la indicación de su posible uso para muchas aplicaciones, una de ellas la fusión de metales. ^{[ 30 ]} En 1808, Davy, que desconocía el trabajo de Petrov, redescubrió el arco eléctrico continuo. ^{[ 27 ] [ 28 ]} En 1881, el ingeniero eléctrico francés Auguste de Méritens utilizó un arco para unir las placas de plomo en una batería de plomo-ácido . Dos inventores del Imperio ruso que trabajaban en un laboratorio francés, el ingeniero polaco Stanisław Olszewski y el discípulo de de Méritens , Nikolai Benardos , desarrollaron el primer método de soldadura por arco eléctrico, conocido como soldadura por arco de carbono , utilizando electrodos de carbono, recibiendo una patente británica en 1885 y una patente estadounidense en 1887. ^{[ 31 ]} Los avances en la soldadura por arco continuaron con la invención de electrodos metálicos a finales del siglo XIX por el ruso Nikolai Slavyanov (1888) y el estadounidense C.L. Coffin (1890). Alrededor de 1900, A.P. Strohmenger lanzó en Gran Bretaña un electrodo metálico revestido que proporcionaba un arco más estable. En 1905, el científico ruso Vladimir Mitkevich propuso el uso de un arco eléctrico trifásico para la soldadura. La soldadura por corriente alterna fue inventada por C.J. Holslag en 1919, pero no se popularizó hasta una década después. ^{[ 32 ]}

La soldadura por resistencia también se desarrolló durante las últimas décadas del siglo XIX, con las primeras patentes otorgadas a Elihu Thomson en 1885, quien produjo nuevos avances durante los siguientes 15 años. La soldadura termita se inventó en 1893, y alrededor de esa época otro proceso, la soldadura oxiacetilénica , se consolidó. El acetileno fue descubierto en 1836 por Edmund Davy , pero su uso no fue práctico en soldadura hasta aproximadamente 1900, cuando se desarrolló una antorcha adecuada. ^{[ 33 ]} Al principio, la soldadura oxiacetilénica fue uno de los métodos de soldadura más populares debido a su portabilidad y costo relativamente bajo. Sin embargo, a medida que avanzaba el siglo XX, cayó en desuso para aplicaciones industriales. Fue reemplazada en gran medida por la soldadura por arco, a medida que se hicieron avances en los recubrimientos de metales (conocidos como fundente ). ^{[ 34 ]} El fundente que cubre el electrodo protege principalmente el material base de impurezas, pero también estabiliza el arco y puede agregar componentes de aleación al metal de soldadura. ^{[ 35 ]}

La Primera Guerra Mundial aumentó la demanda de armamento militar y provocó un auge en la soldadura industrial. ^{[ 36 ]} La empresa del pionero de la aviación neerlandesa Anthony Fokker soldaba fuselajes para la Luftstreitkräfte alemana . Debido a la escasez de gas, los británicos utilizaron principalmente la soldadura por arco, y el constructor naval británico Cammell Laird construyó el primer barco transoceánico con un casco completamente soldado, el Fullagar . ^{[ 37 ] [ 38 ]} Los constructores navales estadounidenses experimentaron con la soldadura por resistencia antes de ver el éxito que los británicos habían tenido con la soldadura por arco. ^{[ 39 ]}

Durante la mitad del siglo, se inventaron muchos métodos nuevos de soldadura, incluida la introducción de la soldadura automática en 1920, en la que el alambre del electrodo se alimentaba continuamente. ^{[ 40 ]} El gas de protección recibió mucha atención, ya que los científicos intentaron proteger las soldaduras de los efectos del oxígeno y el nitrógeno en la atmósfera. La porosidad y la fragilidad fueron los problemas principales, y las soluciones que se desarrollaron incluyeron el uso de hidrógeno , argón y helio como atmósferas de soldadura. ^{[ 41 ]} Se introdujeron métodos de prueba para la integridad de la soldadura. La primera prueba de vibración se realizó utilizando un martillo y un estetoscopio ; más tarde, se desarrollaron pruebas de rayos X para ver dentro de la soldadura. ^{[ 42 ]} Durante la década de 1930, nuevos avances permitieron la soldadura de metales reactivos como el aluminio y el magnesio . ^{[ 43 ]} Esto, junto con los desarrollos en la soldadura automática, la corriente alterna y los fundentes, impulsó una gran expansión de la soldadura por arco durante la década de 1930. ^{[ 44 ]} El inventor ruso Konstantin Khrenov implementó la primera soldadura por arco eléctrico subacuática. ^{[ 45 ]} En 1930, Kyle Taylor fue responsable de la publicación de la soldadura por pernos , que pronto se popularizó en la construcción naval y la construcción en general. La soldadura por arco sumergido se inventó ese mismo año. ^{[ 46 ]} Durante la Segunda Guerra Mundial, la soldadura por arco sumergido se utilizó ampliamente en la construcción naval porque permitía realizar ciertos tipos de soldaduras veinte veces más rápido que las técnicas anteriores. ^{[ 47 ]}

Las mejoras en los procesos de soldadura abrieron nuevas posibilidades para la construcción. ^{[ 48 ]} Anteriormente, las grandes estructuras metálicas se habían hecho de metales unidos mecánicamente con remaches, junto con pernos, tornillos y correas. Estas estructuras metálicas conectadas pero no fusionadas tenían debilidades inherentes. ^{[ 49 ]} El barco de vapor Sultana mató a más de mil pasajeros cuando su caldera remachada falló bajo presión. ^{[ 50 ]} El Titanic se hundió debido en parte a fallas en su casco remachado. ^{[ 51 ]} En 1930, se botó el primer buque mercante totalmente soldado, el M/S Carolinian . La revista Time informó que el uso de soldaduras en lugar de remaches en todo el barco permitió que un equipo más pequeño de nueve trabajadores construyera el buque en una fracción del tiempo, ahorrando el 75% del costo y 77 000 libras (35 000 kg) de remaches de acero. ^{[ 52 ]} La resistencia del acero soldado también permitió la creación de tipos de barcos completamente nuevos, en particular el buque tanque de gas natural licuado (GNL) . El Código ASME de Calderas y Recipientes a Presión , creado en respuesta a fallas mortales de calderas, se utilizó para desarrollar los tanques esféricos que contienen GNL durante el transporte. ^{[ 53 ]} También es notable el primer puente de carretera soldado del mundo, el Puente Maurzyce en Polonia (1928). ^{[ 37 ]} Los primeros rascacielos y puentes de celosía de acero se construyeron a partir de vigas de acero remachadas. ^{[ 54 ] [ 55 ]} La soldadura permite estructuras más fuertes y ligeras y una mayor variedad de formas, como la Biblioteca flotante de Libros Raros y Manuscritos Beinecke, que obtiene su integridad estructural de sus paredes diseñadas a partir de las celosías rectangulares modernistas de un puente Vierendeel de acero . ^{[ 56 ]} La forma icónica de la Ópera de Sídney está construida sobre un marco de acero soldado con pernos. ^{[ 57 ]} Las torres unidas del rascacielos en bucle de la sede de CCTV están soldadas a un esqueleto de placas de acero de cuatro pulgadas de espesor hundidas cientos de pies bajo tierra en hormigón armado. ^{[ 58 ]} 

La soldadura por arco de tungsteno con gas , tras décadas de desarrollo, se perfeccionó finalmente en 1941, y la soldadura por arco metálico con gas le siguió en 1948, permitiendo la soldadura rápida de materiales no ferrosos pero requiriendo costosos gases de protección. La soldadura por arco metálico protegido se desarrolló durante la década de 1950, utilizando un electrodo consumible recubierto de fundente, y rápidamente se convirtió en el proceso de soldadura por arco metálico más popular. En 1957, debutó el proceso de soldadura por arco con núcleo fundente, en el que el electrodo de alambre autoprotegido podía utilizarse con equipos automáticos, lo que resultó en velocidades de soldadura mucho mayores, y ese mismo año, Robert Gage inventó la soldadura por arco de plasma . La soldadura por electroescoria se introdujo en 1958, y le siguió su variante, la soldadura electrogás , en 1961. ^{[ 59 ]} En 1953, el científico soviético NF Kazakov propuso el método de unión por difusión . ^{[ 60 ]}

Otros avances recientes en soldadura incluyen el descubrimiento en 1958 de la soldadura por haz de electrones, que posibilitó la soldadura profunda y estrecha mediante la fuente de calor concentrada. Tras la invención del láser en 1960, la soldadura por haz láser debutó varias décadas después y ha demostrado ser especialmente útil en la soldadura automatizada de alta velocidad. La soldadura por pulsos magnéticos (MPW) se utiliza industrialmente desde 1967. La soldadura por fricción-agitación fue inventada en 1991 por Wayne Thomas en The Welding Institute (TWI, Reino Unido) y encontró aplicaciones de alta calidad en todo el mundo. ^{[ 61 ]} Todos estos cuatro nuevos procesos siguen siendo bastante costosos debido al alto precio del equipo necesario, lo que ha limitado sus aplicaciones. ^{[ 62 ]}

La soldadura une dos piezas de metal mediante calor, presión o ambos. Los métodos de soldadura modernos más comunes utilizan calor suficiente para fundir los metales base que se van a unir y el metal de aporte. ^{[ 63 ]} Esto incluye la soldadura por gas y todas las formas de soldadura por arco . ^{[ 64 ]} El área donde se funden los metales base y de aporte se llama baño de soldadura o charco. ^{[ 65 ]} El baño de soldadura debe protegerse del oxígeno del aire, que se oxidará con el metal fundido, y de otros gases que podrían contaminar la soldadura. ^{[ 66 ]} La mayoría de los métodos de soldadura implican empujar el charco a lo largo de una junta para crear un cordón de soldadura. ^{[ 67 ]} Las piezas de metal superpuestas se pueden unir formando el baño de soldadura dentro de un orificio hecho en la pieza superior del metal base para formar una soldadura de tapón. ^{[ 68 ]}

Los procesos de soldadura en estado sólido unen dos piezas de metal mediante presión. ^{[ 69 ]} La soldadura por resistencia eléctrica es un proceso industrial común que combina calor y presión para unir metales base superpuestos sin ningún material de aporte. ^{[ 70 ]}

Soldadura a gas

La soldadura por gas, también conocida como soldadura oxiacetilénica, utiliza una llama abierta para generar calor y proteger la soldadura. En comparación con la soldadura por arco, la llama es menos concentrada y de menor temperatura, alrededor de 3100 °C (5610 °F) cerca de la punta de la antorcha. Esto provoca un enfriamiento más lento de la soldadura, lo que puede generar mayores tensiones residuales y distorsión, aunque facilita la soldadura de aceros de alta aleación. La envoltura exterior difusa de la llama consume oxígeno antes de que pueda alcanzar el baño de fusión. ^{[ 34 ]} Al trabajar con metales que se oxidan fácilmente, como el acero inoxidable, se puede aplicar fundente con un pincel sobre los metales base. ^{[ 71 ]}  

El equipo es relativamente económico y sencillo, y consta de un soplete, mangueras, reguladores de presión, un tanque de oxígeno y un tanque de combustible (generalmente acetileno ). ^{[ 72 ]} Es uno de los procesos de soldadura más antiguos y versátiles, pero se ha vuelto menos popular en aplicaciones industriales. Todavía se usa ampliamente para soldar tuberías y tubos, así como para trabajos de reparación. ^{[ 34 ]} Un proceso similar, generalmente llamado corte oxiacetilénico, se usa para cortar metales. El equipo oxiacetilénico también se puede usar para calentar metal antes de doblarlo o enderezarlo. ^{[ 73 ]}

Soldadura por arco

Todos los procesos de soldadura por arco utilizan una fuente de alimentación para crear y mantener un arco eléctrico entre un electrodo y el material base para fundir los metales en el punto de soldadura. ^{[ 74 ]} El gas de protección impide que el oxígeno de la atmósfera entre en el baño de soldadura fundido. En algunos procesos, el gas de protección se suministra desde cilindros de gas que contienen gas inerte o semi- inerte . En otros, un recubrimiento de fundente en un electrodo consumible se desintegra para crear el gas. ^{[ 75 ] [ 76 ]} El material de aporte se añade normalmente al baño de soldadura fundido y es necesario para los procesos que utilizan un electrodo consumible. ^{[ 77 ]}

procesos de soldadura por arco

Uno de los tipos más comunes de soldadura por arco es la soldadura por arco metálico protegido (SMAW); ^{[ 78 ]} también se conoce como soldadura manual por arco metálico (MMAW) o soldadura con electrodo revestido. Se utiliza corriente eléctrica para generar un arco entre el material base y la varilla del electrodo consumible, que está hecha de material de aporte (generalmente acero) y está recubierta con un fundente que protege la zona de soldadura de la oxidación y la contaminación mediante la producción de dióxido de carbono (CO₂ ₎ durante el proceso de soldadura. El núcleo del electrodo actúa como material de aporte, lo que hace innecesario un material de aporte adicional. ^{[ 78 ]}

El proceso es versátil y puede realizarse con equipos relativamente económicos, lo que lo hace muy adecuado para trabajos en taller y en campo. ^{[ 78 ] [ 79 ]} Un operador puede adquirir una competencia razonable con una formación modesta y alcanzar la maestría con la experiencia. Los tiempos de soldadura son bastante lentos, ya que los electrodos consumibles deben reemplazarse con frecuencia y la escoria, el residuo del fundente, debe eliminarse después de la soldadura. ^{[ 78 ]} Además, el proceso generalmente se limita a la soldadura de materiales ferrosos, aunque electrodos especiales han hecho posible la soldadura de hierro fundido , acero inoxidable, aluminio y otros metales. ^{[ 79 ]}

La soldadura por arco metálico con gas (GMAW), también conocida como soldadura MIG o soldadura por arco metálico con gas inerte, es un proceso semiautomático o automático que utiliza un alambre continuo como electrodo y una mezcla de gas inerte o semi-inerte para proteger la soldadura de la contaminación. Dado que el electrodo es continuo, las velocidades de soldadura son mayores en la GMAW que en la SMAW. ^{[ 80 ]}

Un proceso relacionado, la soldadura por arco con núcleo fundente (FCAW), utiliza un equipo similar, pero emplea un alambre compuesto por un electrodo tubular de acero que rodea un material de relleno en polvo. Este alambre con núcleo es más caro que el alambre sólido estándar y puede generar humos y escoria, pero permite una velocidad de soldadura aún mayor y una mayor penetración del metal. ^{[ 81 ]} A medida que el electrodo se consume, el fundente se desintegra para crear un gas de protección y una capa protectora de escoria similar a la de la soldadura con electrodo revestido. Algunas máquinas de soldadura con núcleo fundente tienen una boquilla que utiliza un gas de protección para complementar la protección del fundente. Esto se denomina soldadura de doble protección y utiliza un alambre con núcleo fundente especializado protegido con gas. ^{[ 82 ]}

La soldadura por arco de tungsteno con gas (GTAW), o soldadura TIG (Tungsten Inert Gas), es un proceso de soldadura manual que utiliza un electrodo de tungsteno no consumible , una mezcla de gases inertes o semi-inertes y un material de aporte independiente. ^{[ 83 ]} Especialmente útil para soldar materiales delgados, este método se caracteriza por un arco estable y soldaduras de alta calidad, pero requiere una considerable habilidad del operador y solo puede realizarse a velocidades relativamente bajas. ^{[ 83 ]}

La soldadura GTAW se puede utilizar en casi todos los metales soldables, aunque se aplica con mayor frecuencia al acero inoxidable y a los metales ligeros. Se utiliza a menudo cuando la calidad de las soldaduras es extremadamente importante, como en aplicaciones para bicicletas , aeronaves y embarcaciones. ^{[ 83 ]} Un proceso relacionado, la soldadura por arco de plasma, también utiliza un electrodo de tungsteno, pero emplea gas de plasma para generar el arco. El arco es más concentrado que el arco GTAW, lo que hace que el control transversal sea más crítico y, por lo tanto, generalmente restringe la técnica a un proceso mecanizado. Debido a su corriente estable, el método se puede utilizar en un rango más amplio de espesores de material que el proceso GTAW y es mucho más rápido. Se puede aplicar a todos los mismos materiales que la GTAW, excepto el magnesio, y la soldadura automatizada de acero inoxidable es una aplicación importante del proceso. Una variación del proceso es el corte por plasma , un proceso eficiente de corte de acero. ^{[ 84 ]}

La soldadura por arco sumergido (SAW) es un método de soldadura de alta productividad en el que el arco se genera bajo una capa de fundente. Esto aumenta la calidad del arco, ya que el fundente bloquea los contaminantes presentes en la atmósfera. La escoria que se forma en la soldadura generalmente se desprende por sí sola y, combinada con el uso de una alimentación continua de alambre, la tasa de deposición de la soldadura es alta. Las condiciones de trabajo mejoran considerablemente en comparación con otros procesos de soldadura por arco, ya que el fundente oculta el arco y prácticamente no se produce humo. Este proceso se utiliza comúnmente en la industria, especialmente para productos de gran tamaño y en la fabricación de recipientes a presión soldados. ^{[ 85 ]} Otros procesos de soldadura por arco incluyen la soldadura por hidrógeno atómico , la soldadura por electroescoria , la soldadura por electrogas y la soldadura por arco de pernos . ^{[ 86 ]}

Fuentes de alimentación para soldadura por arco

Para suministrar la energía eléctrica necesaria para los procesos de soldadura por arco, se pueden utilizar diversos tipos de fuentes de alimentación. Las más comunes son las de corriente constante y las de voltaje constante . En la soldadura por arco, la longitud del arco está directamente relacionada con el voltaje, y la cantidad de calor aportado está relacionada con la corriente. Las fuentes de corriente constante se utilizan con mayor frecuencia en procesos de soldadura manual, como la soldadura TIG y la soldadura MIG, ya que mantienen una corriente relativamente constante incluso cuando varía el voltaje. Esto es importante porque, en la soldadura manual, puede ser difícil mantener el electrodo perfectamente estable, y como resultado, la longitud del arco y, por lo tanto, el voltaje tienden a fluctuar. Las fuentes de voltaje constante mantienen el voltaje constante y varían la corriente, por lo que se utilizan con mayor frecuencia en procesos de soldadura automatizados, como la soldadura MIG, la soldadura MIG y la soldadura MIG. En estos procesos, la longitud del arco se mantiene constante, ya que cualquier fluctuación en la distancia entre el alambre y el material base se corrige rápidamente con un gran cambio en la corriente. Por ejemplo, si el cable y el material base se acercan demasiado, la corriente aumentará rápidamente, lo que a su vez provoca un aumento del calor y la fusión de la punta del cable, volviendo a su distancia de separación original. ^{[ 87 ]}

El tipo de corriente utilizada juega un papel importante en la soldadura por arco. Una fuente de alimentación para soldadura puede usar corriente alterna (CA) o corriente continua (CC). ^{[ 88 ]} Una desventaja de la CA —el hecho de que el arco debe volver a encenderse después de cada cruce por cero— se ha solucionado con la invención de unidades de alimentación especiales que producen un patrón de onda cuadrada en lugar de la onda sinusoidal normal , lo que permite cruces por cero rápidos y minimiza los efectos del problema. ^{[ 89 ]}

Para la soldadura de CC, el electrodo se puede conectar al terminal positivo (DCEP) o negativo (DCEN) de la máquina, cambiando la dirección o polaridad de la corriente. ^{[ 90 ]} Aproximadamente el 70 % del calor del arco se concentra en su extremo positivo. Para DCEP, esto significa que el 70 % del calor del arco se concentra en el electrodo. Para DCEN, el 70 % del calor se encuentra en la pieza de trabajo, y para corriente alterna, se distribuye uniformemente. ^{[ 91 ]}

El metal, el proceso de soldadura y el tipo de electrodo determinarán la corriente y la polaridad que se utilizarán. ^{[ 92 ]} Por ejemplo, debido a que la soldadura MIG utiliza un electrodo consumible tan delgado, casi siempre se realiza como DCEP. ^{[ 93 ]} La soldadura con núcleo fundente utiliza un material fundente diferente para el alambre de electrodo consumible destinado a DCEN o DCEP. ^{[ 94 ]} La soldadura con electrodo revestido se realiza con DCEP, DCEN y corriente alterna con diferentes tipos de varilla para que coincidan con la corriente. ^{[ 95 ]}

Los procesos con electrodos no consumibles, como la soldadura TIG (Tungsten Arc Welding), pueden utilizar corriente continua (DCEN) o corriente alterna (CA). La soldadura TIG sobre acero se realiza normalmente con corriente continua (DCEN). Esto evita que el calor intenso funda el electrodo. ^{[ 96 ]} Con un electrodo más grande y resistente al calor, se puede utilizar corriente continua (DCEP) o corriente alterna para ciertos metales como el magnesio, donde los electrones que bombardean la pieza limpian el metal al romper los óxidos superficiales mediante un proceso de electrograbado . ^{[ 97 ]}

DCEN crea una soldadura más profunda con mayor penetración para procesos con electrodos no consumibles. ^{[ 98 ]} Contrariamente a lo que podría pensarse, DCEP proporciona mayor penetración con procesos de electrodos consumibles. Un electrodo consumible, como una varilla de soldadura, se funde en el baño de fusión y transfiere calor a la pieza de trabajo. ^{[ 99 ]}

Soldadura por resistencia

La soldadura por resistencia genera calor debido a la resistencia eléctrica de los metales base. Se utilizan dos electrodos simultáneamente para presionar las láminas de metal y hacer pasar corriente a través de ellas. Los electrodos están hechos de un material altamente conductor, generalmente cobre. La mayor resistencia de los metales base provoca la formación de pequeñas acumulaciones de metal fundido en la zona de soldadura al pasar una corriente elevada (1000–100 000 A ). ^{[ 100 ]}

La soldadura por puntos por resistencia es un método popular para unir láminas metálicas superpuestas de hasta 3  mm de espesor. Entre sus ventajas se incluyen un uso eficiente de la energía , una deformación limitada de la pieza, altas tasas de producción, fácil automatización y la ausencia de necesidad de materiales de aporte. La resistencia de la soldadura es significativamente menor que con otros métodos, lo que limita su idoneidad para ciertas aplicaciones. Se utiliza ampliamente en la industria automotriz: los automóviles comunes pueden tener miles de puntos de soldadura realizados por robots industriales . En general, los métodos de soldadura por resistencia son eficientes y generan poca contaminación, pero sus aplicaciones son algo limitadas y el costo del equipo puede ser elevado. Para soldar acero inoxidable por puntos se puede utilizar un proceso especializado denominado soldadura por impacto . ^{[ 100 ]}

La soldadura por costura también se basa en dos electrodos para aplicar presión y corriente y unir láminas de metal. Sin embargo, en lugar de electrodos puntiagudos, se utilizan electrodos en forma de rueda que ruedan y a menudo alimentan la pieza de trabajo, lo que permite realizar soldaduras largas y continuas. En el pasado, este proceso se utilizaba en la fabricación de latas de bebidas, pero ahora sus usos son más limitados. ^{[ 100 ]} Otros métodos de soldadura por resistencia incluyen la soldadura a tope , ^{[ 101 ]} la soldadura por chispa , la soldadura por proyección y la soldadura por recalcado . ^{[ 100 ]}

Soldadura en estado sólido

Al igual que la soldadura por forja (el proceso de soldadura más antiguo descubierto), algunos métodos de soldadura modernos no implican la fusión de los materiales que se unen. Uno de los más populares, la soldadura ultrasónica , se utiliza para conectar láminas o alambres delgados de metal o termoplástico mediante vibraciones de alta frecuencia y alta presión. ^{[ 104 ]} El equipo y los métodos involucrados son similares a los de la soldadura por resistencia, pero en lugar de corriente eléctrica, la vibración proporciona el aporte de energía. Al soldar metales, las vibraciones se introducen horizontalmente y los materiales no se funden; con los plásticos, que deberían tener temperaturas de fusión similares, verticalmente. La soldadura ultrasónica se utiliza comúnmente para realizar conexiones eléctricas de aluminio o cobre, y también es un proceso muy común de soldadura de polímeros. ^{[ 104 ]}

Otro proceso común, la soldadura por explosión , consiste en unir materiales mediante presión extremadamente alta. La energía del impacto plastifica los materiales, formando una soldadura, aunque solo se genere una cantidad limitada de calor. Este proceso se utiliza habitualmente para soldar materiales diferentes, como la unión de aluminio con acero al carbono en cascos de barcos y de acero inoxidable o titanio con acero al carbono en recipientes a presión petroquímicos. ^{[ 104 ]}

Otros procesos de soldadura en estado sólido incluyen la soldadura por fricción (que incluye la soldadura por fricción-agitación y la soldadura por fricción-agitación puntual ), ^{[ 105 ]} la soldadura por pulsos magnéticos , ^{[ 106 ]} la soldadura por coextrusión, la soldadura en frío , la unión por difusión , la soldadura exotérmica , la soldadura de alta frecuencia , la soldadura por presión en caliente, la soldadura por inducción y la unión por rodillos . ^{[ 104 ]}

Las soldaduras se pueden preparar geométricamente de muchas maneras diferentes. Los cinco tipos básicos de juntas soldadas son la junta a tope, la junta solapada, la junta de esquina, la junta de borde y la junta en T (una variante de esta última es la junta cruciforme ). También existen otras variaciones; por ejemplo, las juntas de preparación en doble V se caracterizan por tener dos piezas de material que se estrechan hacia un único punto central a la mitad de su altura. Las juntas de preparación en U simple y doble también son bastante comunes; en lugar de tener bordes rectos como las juntas de preparación en V simple y doble, son curvas, formando la forma de una U. Las juntas solapadas también suelen tener más de dos piezas de espesor; dependiendo del proceso utilizado y del espesor del material, se pueden soldar muchas piezas juntas en una geometría de junta solapada. ^{[ 107 ]}

Muchos procesos de soldadura requieren el uso de un diseño de junta particular; por ejemplo, la soldadura por puntos por resistencia, la soldadura por haz láser y la soldadura por haz de electrones se realizan con mayor frecuencia en juntas solapadas. Otros métodos de soldadura, como la soldadura por arco metálico protegido, son extremadamente versátiles y pueden soldar prácticamente cualquier tipo de junta. Algunos procesos también se pueden utilizar para realizar soldaduras multipaso, en las que se deja enfriar una soldadura y luego se realiza otra encima. Esto permite, por ejemplo, soldar secciones gruesas dispuestas en una junta de preparación en V simple. ^{[ 108 ]}

Tras la soldadura, se pueden identificar varias regiones distintas en la zona soldada. La soldadura en sí se denomina zona de fusión; más específicamente, es donde se depositó el metal de aporte durante el proceso de soldadura. Las propiedades de la zona de fusión dependen principalmente del metal de aporte utilizado y de su compatibilidad con los materiales base. Está rodeada por la zona afectada por el calor , el área cuya microestructura y propiedades se vieron alteradas por la soldadura. Estas propiedades dependen del comportamiento del material base al ser sometido a calor. El metal en esta zona suele ser más débil que el material base y que la zona de fusión, y es también donde se encuentran las tensiones residuales. ^{[ 109 ]}

Muchos factores distintos influyen en la resistencia de las soldaduras y del material que las rodea, incluyendo el método de soldadura, la cantidad y concentración de energía aportada, la soldabilidad del material base, el material de aporte y el material fundente, el diseño de la junta y las interacciones entre todos estos factores. ^{[ 110 ]}

Para evaluar la calidad de una soldadura, se suelen utilizar métodos de ensayo destructivos o no destructivos para verificar que las soldaduras estén libres de defectos, presenten niveles aceptables de tensiones residuales y distorsión, y tengan propiedades aceptables en la zona afectada por el calor (ZAC). Los tipos de defectos de soldadura incluyen grietas, distorsión, inclusiones de gas (porosidad), inclusiones no metálicas, falta de fusión, penetración incompleta, desgarro laminar y socavación. ^{[ 110 ]}

La industria metalúrgica ha instituido códigos y especificaciones para guiar a soldadores , inspectores de soldadura , ingenieros , gerentes y propietarios de propiedades en la técnica de soldadura adecuada, el diseño de soldaduras, cómo juzgar la calidad de la especificación del procedimiento de soldadura , cómo juzgar la habilidad de la persona que realiza la soldadura y cómo garantizar la calidad de un trabajo de soldadura. ^{[ 110 ]}

Prolongación de la vida útil con métodos posteriores al tratamiento

Varios tratamientos posteriores a la soldadura pueden aumentar la resistencia de una soldadura. El rectificado de una soldadura para aplanar suaviza la transición de tensión entre la soldadura y el metal base, aumentando así la vida útil a la fatiga de la unión. ^{[ 116 ]} El granallado de la zona de soldadura, o golpearla, comprime la superficie, reduciendo las tensiones internas y mejorando la resistencia a la corrosión. ^{[ 117 ]} El granallado golpea el metal con una ráfaga de perdigones metálicos redondos, similares a los perdigones dentro de un cartucho de escopeta, ^{[ 118 ]} y es más efectivo que el granallado con un martillo. ^{[ 119 ]} Otro tratamiento que comprime una soldadura por impacto es el tratamiento de impacto de alta frecuencia (HFMI), donde los impactos rápidos alisan y endurecen la superficie de la soldadura. ^{[ 120 ]} El tratamiento de impacto ultrasónico es una forma de HFMI que combina el impacto mecánico con la vibración ultrasónica. ^{[ 121 ]}

La mayoría de los materiales de ingeniería consisten en sólidos cristalinos en los que los átomos o iones están dispuestos en un patrón geométrico repetitivo conocido como estructura reticular , con notables excepciones en el vidrio y los polímeros amorfos. ^{[ 122 ]}

La cohesión de los sólidos cristalinos proviene de los enlaces químicos que se forman entre los átomos. Los enlaces químicos se clasifican típicamente en iónicos o covalentes . En un enlace iónico, un electrón se separa de un átomo y se une a otro para formar iones con carga opuesta . ^{[ 122 ]} El enlace covalente se produce cuando dos o más átomos comparten electrones. Tanto en el enlace iónico como en el covalente, las posiciones de los iones y los electrones están restringidas entre sí, lo que hace que estos materiales sean característicamente frágiles. ^{[ 122 ]}

El enlace metálico es un tipo de enlace químico que se produce entre átomos de metal. Los átomos pierden electrones que se comparten entre una red de iones positivos. Estos electrones móviles pueden desplazarse libremente por la red iónica. Esto confiere a los metales su conductividad térmica y eléctrica relativamente alta y los hace característicamente dúctiles , capaces de doblarse antes de agrietarse. ^{[ 122 ]} La ductilidad es un factor importante para garantizar la integridad de las estructuras, ya que les permite soportar concentraciones de tensión localizadas sin fracturarse. Además, se requiere que las estructuras tengan una resistencia aceptable, que está relacionada con el límite elástico del material . En general, a medida que aumenta el límite elástico de un material, se produce una reducción correspondiente en la tenacidad a la fractura . ^{[ 122 ]}

Una reducción en la tenacidad a la fractura también puede atribuirse al efecto de fragilización de las impurezas o, en el caso de metales cúbicos centrados en el cuerpo, a una reducción de la temperatura. Muchos metales, en particular los aceros, tienen un rango de temperatura de transición por encima del cual presentan una ductilidad de entalla aceptable y por debajo del cual se vuelven frágiles. Dentro de la región de transición, el comportamiento de la fractura se vuelve menos predecible. La reducción en la tenacidad a la fractura se acompaña de un cambio en la apariencia de la fractura. Por encima de la transición, la fractura se debe principalmente a la coalescencia de microvacíos, lo que da como resultado una fractura de apariencia fibrosa . Cuando la temperatura desciende, la fractura mostrará signos de facetas de clivaje. Estas dos apariencias son visibles a simple vista. La fractura frágil en placas de acero puede aparecer como marcas en forma de chevrón. Estas crestas en forma de flecha en la superficie de la grieta apuntan hacia el origen de la fractura. ^{[ 122 ]}

La tenacidad a la fractura se mide utilizando probetas estandarizadas con muescas y fisuras previas por fatiga, cuyas dimensiones están especificadas por normas como la ASTM E399. La tenacidad a la fractura y las propiedades de tenacidad relacionadas también pueden evaluarse utilizando:

• el ensayo de impacto Charpy según ASTM A370,
• el ensayo de desplazamiento de apertura de la punta de la grieta (CTOD) según BS 7448–1,
• la prueba integral J según ASTM E1820, y
• la prueba de caída de peso de Pellini según ASTM E208. ^{[ 122 ]}

Si bien muchas aplicaciones de soldadura se realizan en entornos controlados, como fábricas y talleres de reparación, algunos procesos de soldadura se utilizan comúnmente en una amplia variedad de condiciones, como al aire libre, bajo el agua y en el vacío (como en el espacio). En aplicaciones al aire libre, como la construcción y las reparaciones en exteriores, la soldadura por arco metálico protegido es el proceso más común. Los procesos que emplean gases inertes para proteger la soldadura no se pueden utilizar fácilmente en tales situaciones, ya que los movimientos atmosféricos impredecibles pueden provocar una soldadura defectuosa. La soldadura por arco metálico protegido también se utiliza a menudo en la soldadura subacuática para la construcción y reparación de barcos, plataformas marinas y oleoductos, pero otros procesos, como la soldadura por arco con núcleo fundente y la soldadura por arco de tungsteno con gas, también son comunes. Soldar en el espacio también es posible; se intentó por primera vez en 1969 por cosmonautas rusos durante la misión Soyuz 6 , cuando realizaron experimentos para probar la soldadura por arco metálico protegido, la soldadura por arco de plasma y la soldadura por haz de electrones en un entorno despresurizado. En las décadas siguientes se realizaron más pruebas de estos métodos, y hoy en día los investigadores siguen desarrollando métodos para utilizar otros procesos de soldadura en el espacio, como la soldadura por haz láser, la soldadura por resistencia y la soldadura por fricción. Los avances en estas áreas podrían ser útiles para futuros proyectos similares a la construcción de la Estación Espacial Internacional , que podría depender de la soldadura para unir en el espacio las piezas fabricadas en la Tierra. ^{[ 123 ]}

La soldadura puede ser peligrosa y perjudicial para la salud si no se toman las precauciones adecuadas. ^{[ 124 ]} Los riesgos potenciales para la seguridad provienen de humos, radiación ultravioleta, calor, corrientes eléctricas y vibraciones. ^{[ 125 ]} Las nuevas tecnologías, las prácticas de trabajo seguras y la protección adecuada reducen los riesgos de lesiones o muerte por soldadura. ^{[ 126 ]} La soldadura en acero inoxidable y otros aceros aleados que contienen cromo puede exponer a los trabajadores a compuestos de cromo hexavalente . La Administración de Seguridad y Salud Ocupacional identifica este trabajo en caliente como una fuente importante de exposición ocupacional al Cr(VI); el Cr(VI) es cancerígeno y puede afectar el sistema respiratorio, los riñones, el hígado, la piel y los ojos. ^{[ 127 ]}

Dado que muchos procedimientos comunes de soldadura implican una llama abierta o un arco eléctrico, el riesgo de quemaduras e incendios es significativo; por ello, se clasifica como un proceso de trabajo en caliente . Para prevenir lesiones, los soldadores usan equipo de protección personal, como guantes de cuero gruesos y chaquetas protectoras de manga larga, para evitar la exposición a calor extremo y llamas. No se debe usar ropa sintética, como poliéster. ^{[ 128 ]} La lana es menos inflamable que el algodón, pero las telas de algodón densas, como la mezclilla, siguen siendo adecuadas para la ropa. Sin embargo, cualquier material fundido que salpique sobre material sintético se derretirá directamente a través de la tela, provocando quemaduras graves. ^{[ 129 ]} El uso de gases comprimidos y llamas en muchos procesos de soldadura supone un riesgo de explosión e incendio. Algunas precauciones comunes incluyen limitar la cantidad de oxígeno en el aire y mantener los materiales combustibles alejados del lugar de trabajo. ^{[ 130 ]}

La soldadura por arco produce luz visible y ultravioleta intensa. La soldadura típica por arco metálico con gas tiene una irradiancia de 5 W/m² ^para el soldador, que es muchas veces más brillante que la luz solar. ^{[ 131 ]} Esto puede causar una afección llamada ojo de arco o quemaduras por destello, en la que la luz ultravioleta causa inflamación de la córnea y puede quemar las retinas de los ojos. Se usan cascos de soldadura con placas faciales oscuras que filtran los rayos UV para prevenir esta exposición. ^{[ 132 ]} Muchos cascos incluyen una placa facial de oscurecimiento automático, que se oscurece instantáneamente al exponerse a la intensa luz UV. ^{[ 133 ]} Para proteger a los espectadores, el área de soldadura a menudo está rodeada por cortinas de soldadura translúcidas. Estas cortinas, hechas de una película de plástico de cloruro de polivinilo , protegen a las personas fuera del área de soldadura de la luz UV del arco eléctrico, pero no pueden reemplazar el vidrio de filtro utilizado en los cascos. ^{[ 134 ]} La luz también puede quemar la piel expuesta. ^{[ 135 ]} Debido a la menor intensidad de la luz producida en la soldadura oxiacetilénica, son suficientes las gafas que utilizan menos filtrado UV y no protegen todo el rostro. ^{[ 136 ]}

Dependiendo del tipo de material, las variedades de soldadura y otros factores, la soldadura puede producir más de 100  dB(A) de ruido. ^{[ 137 ]} Por encima de 85  dB(A), se deben usar tapones para los oídos. ^{[ 138 ]} La exposición prolongada o continua a decibelios más altos puede provocar pérdida auditiva inducida por ruido . ^{[ 139 ]} Los procesos que producen vibraciones suficientes para adormecer las manos de un soldador están automatizados porque el EPI no puede ofrecer suficiente protección. ^{[ 140 ]}

Los soldadores también suelen estar expuestos a partículas y gases potencialmente dañinos, como monóxido de carbono, dióxido de carbono y ozono. La ventilación natural puede reducir los niveles de la mayoría de los gases, pero sin ventilación activa y respiradores equipados con filtros de ozono, es probable que los niveles de ozono superen los límites de seguridad. ^{[ 141 ]} Procesos como la soldadura por arco con núcleo fundente y la soldadura por arco metálico protegido producen humo que contiene partículas de diversos tipos de óxidos . ^{[ 130 ]}

El tamaño de las partículas de aerosol afecta la toxicidad de los humos, siendo las partículas más pequeñas las que presentan un mayor peligro. ^{[ 130 ]} La mayoría de las partículas en los humos de soldadura varían de 100 nanómetros (nm) a 1 micrómetro (μm). Pueden ser inhaladas fácilmente, incrustándose en los tejidos olfativos y respiratorios. ^{[ 142 ]} Las partículas con un diámetro de 10 μm o más tienen probabilidades de adherirse a la mucosidad que recubre la nariz y la garganta, donde pueden ser expulsadas al toser y estornudar. ^{[ 143 ]} Por debajo de 10 μm de diámetro, las partículas pueden llegar a los pulmones. A medida que disminuye el diámetro de la partícula, aumenta la tasa de deposición en los alvéolos. ^{[ 144 ]} Las nanopartículas pueden quedar atrapadas en los macrófagos alveolares de los pulmones. ^{[ 145 ]} La fibrosis pulmonar, la cicatrización del tejido pulmonar, puede resultar y convertirse en cáncer de pulmón. ^{[ 146 ]} Las partículas ultrafinas de menos de 0,1 μm de diámetro pueden atravesar la barrera hematoencefálica y causar efectos neurológicos adversos. ^{[ 147 ]} Las partículas en los humos de soldadura pueden ser tan pequeñas como 0,005 μm. El fundente, el calor, la corriente eléctrica y el tipo de metal influyen en la cantidad y el tamaño de las partículas de humo respirables. ^{[ 148 ]}

La exposición a los humos de soldadura de manganeso , por ejemplo, incluso a niveles bajos (<0,2  mg/m³ ⁾ , puede causar problemas neurológicos o daños en los pulmones, el hígado, los riñones o el sistema nervioso central. ^{[ 149 ]} Un estudio de 2006 expuso a ratas a humos de soldadura simulados (aerosoles de óxido de manganeso) y rastreó el flujo de los contaminantes desde su presencia inicial en el bulbo olfatorio hasta el cuerpo estriado, la corteza y el cerebelo. ^{[ 150 ]}

Existen varias tecnologías para mitigar los peligros de los humos de soldadura. Las soluciones de ventilación por extracción localizada (VEL) eliminan los humos, el humo y el polvo directamente del área de soldadura. Entre las formas de VEL se incluyen mesas de extracción descendente, campanas extractoras y pistolas de soldadura con extracción de humos. Las mesas de extracción descendente tienen conductos de extracción debajo de la mesa de soldadura metálica. Las pistolas extractoras tienen una manguera de vacío que baja hasta la boquilla de soldadura. Las campanas extractoras móviles se pueden colocar directamente sobre el área de soldadura. ^{[ 151 ] [ 152 ]} Incluso con ventilación, todavía existen riesgos respiratorios que los respiradores pueden reducir aún más. Los estudios han demostrado que los respiradores, como los respiradores elastoméricos de media máscara y los respiradores purificadores de aire motorizados , disminuyen significativamente la inhalación de partículas. ^{[ 153 ]}

Como proceso industrial, el costo de la soldadura juega un papel crucial en las decisiones de fabricación. Muchas variables diferentes afectan el costo total, incluyendo el costo del equipo, el costo de la mano de obra, el costo del material y el costo de la energía . ^{[ 154 ]} Dependiendo del proceso, el costo del equipo puede variar, desde económico para métodos como la soldadura por arco metálico protegido y la soldadura oxiacetilénica , hasta extremadamente caro para métodos como la soldadura por haz láser y la soldadura por haz de electrones. Debido a su alto costo, solo se utilizan en operaciones de alta producción. De manera similar, debido a que la automatización y los robots aumentan los costos del equipo, solo se implementan cuando se requiere una alta producción. El costo de la mano de obra depende de la tasa de deposición (la tasa de soldadura), el salario por hora y el tiempo total de operación, incluyendo el tiempo dedicado al ajuste, la soldadura y la manipulación de la pieza. El costo de los materiales incluye el costo del material base y de relleno, y el costo de los gases de protección. Finalmente, el costo de la energía depende del tiempo de arco y la demanda de potencia de soldadura. ^{[ 154 ]}

En los métodos de soldadura manual, los costos laborales generalmente representan la mayor parte del costo total. Por consiguiente, muchas medidas de ahorro se centran en minimizar el tiempo de operación. Para ello, se pueden seleccionar procedimientos de soldadura con altas tasas de deposición y ajustar los parámetros de soldadura para aumentar la velocidad. La mecanización y la automatización se implementan a menudo para reducir los costos laborales, pero esto suele incrementar el costo del equipo y generar tiempo de preparación adicional. Los costos de los materiales tienden a aumentar cuando se requieren propiedades especiales, y los costos de energía normalmente no superan el pequeño porcentaje del costo total de la soldadura. ^{[ 154 ]}

En los últimos años, para minimizar los costos laborales en la fabricación de alta producción, la soldadura industrial se ha automatizado cada vez más, sobre todo con el uso de robots en la soldadura por puntos por resistencia (especialmente en la industria automotriz) y en la soldadura por arco. En la soldadura robótica, los dispositivos mecanizados sujetan el material y realizan la soldadura ^{[ 155 ]} y, en un principio, la soldadura por puntos era su aplicación más común, pero la soldadura por arco robótica está ganando popularidad a medida que avanza la tecnología. Otras áreas clave de investigación y desarrollo incluyen la soldadura de materiales diferentes (como acero y aluminio, por ejemplo) y nuevos procesos de soldadura, como la soldadura por fricción-agitación, la soldadura por pulsos magnéticos, la soldadura por calor conductivo y la soldadura híbrida láser. Además, se busca avanzar en la aplicación práctica de métodos más especializados, como la soldadura por haz láser, para más aplicaciones, como en las industrias aeroespacial y automotriz. Los investigadores también esperan comprender mejor las propiedades, a menudo impredecibles, de las soldaduras, especialmente la microestructura, las tensiones residuales y la tendencia de una soldadura a agrietarse o deformarse. ^{[ 156 ]}

La tendencia a acelerar la velocidad de las soldaduras en la industria del montaje de acero conlleva un riesgo para la integridad de la conexión. Sin una fusión adecuada a los materiales base, proporcionada por un tiempo de arco suficiente en la soldadura, un inspector de proyecto no puede asegurar el diámetro efectivo de la soldadura de charco y, por lo tanto, no puede garantizar las capacidades de carga publicadas a menos que presencie la instalación real. ^{[ 157 ]} Estas soldaduras por puntos de arco, también conocidas como soldaduras de charco, se han convertido en una forma común de fijar las cubiertas de acero a las vigas de barra . ^{[ 158 ]} Según la Sociedad Americana de Soldadura , las soldaduras por puntos de arco deben "restringirse a la soldadura de chapa de acero a un elemento estructural de soporte en posición plana" con un espesor combinado de chapa inferior a 0,15 pulgadas (3,8 mm) . ^{[ 159 ]} Los experimentos indican que las ecuaciones publicadas para la resistencia de la soldadura por puntos de arco pueden sobreestimar y, con mayor frecuencia, subestimar la resistencia de la unión. ^{[ 160 ]} 

Los plásticos se dividen generalmente en dos categorías: termoestables y termoplásticos. Un termoestable es un plástico en el que una reacción química fija los enlaces moleculares tras su formación, y estos enlaces no pueden romperse sin degradar el plástico. Los termoestables no se funden. Por lo tanto, una vez que un termoestable se ha solidificado, es imposible soldarlo. Algunos ejemplos de termoestables son las resinas epoxi , la silicona , el caucho vulcanizado , el poliéster y el poliuretano . ^{[ 161 ]}

Los termoplásticos , por el contrario, forman largas cadenas moleculares, que a menudo se enrollan o entrelazan, formando una estructura amorfa sin ningún orden cristalino de largo alcance. Algunos termoplásticos pueden ser completamente amorfos, mientras que otros tienen una estructura parcialmente cristalina/parcialmente amorfa. Tanto los termoplásticos amorfos como los semicristalinos tienen una transición vítrea, por encima de la cual puede ocurrir la soldadura, pero los semicristalinos también tienen un punto de fusión específico que está por encima de la transición vítrea. Por encima de este punto de fusión, el líquido viscoso se convierte en un líquido de flujo libre (véase soldabilidad reológica para termoplásticos ). Ejemplos de termoplásticos incluyen polietileno , polipropileno , poliestireno , cloruro de polivinilo (PVC) y fluoroplásticos como el teflón y el Spectralon . ^{[ 161 ]}

Soldar termoplásticos con calor es muy similar a soldar vidrio. Primero, el plástico debe limpiarse y luego calentarse hasta la temperatura de transición vítrea, convirtiendo la interfaz de soldadura en un líquido espeso y viscoso. A continuación, se pueden presionar dos interfaces calentadas, permitiendo que las moléculas se mezclen mediante difusión intermolecular, uniéndolas como una sola. Luego, el plástico se enfría hasta la temperatura de transición vítrea, permitiendo que la soldadura se solidifique. A menudo se utiliza una varilla de relleno para ciertos tipos de uniones. Las principales diferencias en la soldadura de plástico radican en los métodos de calentamiento, las temperaturas de fusión mucho más bajas y el hecho de que los plásticos se queman si se sobrecalientan. Se han ideado muchos métodos diferentes para calentar el plástico a una temperatura soldable sin quemarlo. Se pueden usar hornos o herramientas de calentamiento eléctrico para fundir el plástico. El calentamiento ultrasónico, láser o por fricción son otros métodos. Se pueden implantar metales resistivos en el plástico, que responden al calentamiento por inducción. Algunos plásticos comienzan a arder a temperaturas inferiores a su transición vítrea, por lo que la soldadura se puede realizar soplando un gas inerte caliente sobre el plástico, fundiéndolo y, al mismo tiempo, protegiéndolo del oxígeno. ^{[ 161 ]}

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