Cuando la mayoría de nosotros pensamos en la soldadura, imaginamos una llama abierta o un arco eléctrico como fuente de energía. El metal se lleva a la fase líquida o fundida en la unión, y con o sin material de aporte, se une el metal.
Pero la soldadura en frío no se parece en nada. No hay fase fundida, arco eléctrico ni llama como fuente de energía.
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Foto de wikiwand.comLa soldadura en frío es un proceso de soldadura de estado sólido en el que dos piezas sólidas de metal se unen mediante una presión inmensa. El metal nunca se derrite durante el proceso de soldadura en frío y la unión se realiza a temperatura ambiente.
En este artículo, aprenderá cómo funciona la soldadura en frío, sus aplicaciones, ventajas y desventajas.
¿Cómo funciona la soldadura en frío?
El proceso de soldadura en frío funciona presionando dos superficies metálicas juntas. La presión aplicada acerca las superficies lo más posible. A medida que el espacio entre las superficies se vuelve extremadamente estrecho, la distancia a nanoescala se vuelve irrelevante, lo que hace que los átomos salten de una superficie a otra.
La imagen muestra una herramienta de soldadura en frío manual y soldaduras en frío realizadas entre placas de cobre, acero dulce y aluminio. Fuente de la imagen: Soldadura: Libro de principios y aplicaciones, 8.ª ed. por Larry Jeffus, página 736.
La junta formada tiene las mismas características que los metales base. Las dos piezas se convierten en una masa homogénea, lo que dificulta encontrar la línea de unión y diferenciar las dos piezas originales.
Este proceso de soldadura por contacto no requiere calor ni flujo de corriente eléctrica. Todo funciona a temperatura ambiente.
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Foto de quora.comLos metales tienen irregularidades en la superficie, incluso si la superficie parece completamente plana a simple vista. La presión aplicada durante la soldadura en frío resuelve estas irregularidades y asperezas de la superficie, y finalmente acerca los dos metales lo suficiente para que la atracción interatómica entre dos metales forme un enlace sólido.
El proceso de soldadura en frío tiene un requisito crucial previo a la soldadura. Ambos metales deben tener sus capas de óxido eliminadas. Si el metal puro debajo de la capa de óxido es inaccesible, no se puede realizar la soldadura en frío. Los átomos no saltarán de una superficie a otra si hay capas de óxido en el medio.
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Richard Feynman, un conocido físico, dijo lo siguiente sobre la soldadura en frío en su famoso libro “The Feynman Lectures on Physics”:
“La razón de este comportamiento inesperado es que cuando los átomos en contacto son todos del mismo tipo, no hay forma de que los átomos “sepan” que están en diferentes piezas de cobre. Cuando hay otros átomos, en los óxidos y grasas y capas superficiales delgadas más complicadas de contaminantes en el medio, los átomos “saben” cuándo no están en la misma parte”.
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Foto de ingenieriaclicks.comPor lo tanto, para que se produzca la soldadura en frío, las superficies metálicas de unión deben estar perfectamente limpias. Cuanto más limpios estén, mejor será la unión. Si están completamente libres de contaminantes y óxidos, el metal recién formado se convertirá en una masa homogénea sin una indicación clara de que se realizó la soldadura.
Preparación del metal para soldadura en frío
Para conseguir una perfecta soldadura por presión en frío es necesario limpiar las superficies y preparar la geometría de la junta. Si se sueldan alambres en frío, no se necesita atención especial en la fase de preparación más que hacer un corte limpio en los extremos de ambos alambres antes de aplicar presión. Sin embargo, si se sueldan secciones más complejas, es necesario preparar el metal en consecuencia.
La superficie articular
Ya sea que esté soldando tuberías, cables u otro tipo de sección, la superficie recomendada es un área plana simple entre dos metales. Las irregularidades y asperezas de la superficie dificultan que la atracción interatómica forme una masa homogénea. Por lo tanto, debe aplanar el área de la superficie de la junta tanto como sea posible antes de intentar lograr una soldadura en frío.
La imagen muestra un ejemplo de irregularidades superficiales del metal dorado. Fuente de la imagen: https://www.researchgate.net/figure/Microscopic-images-of-NPOP-and-gold-surface-roughness-samples-a-SEM-image-of-the-NPOP_fig2_301313717
Limpieza de las superficies para soldadura a presión en frío
El paso más importante es limpiar la superficie de los dos metales de la capa de óxido, aceites, grasas y cualquier otro contaminante. Hay tolerancia cero para la contaminación si desea lograr una junta de soldadura en frío perfecta.
Al soldar alambres en frío, el soldador en frío recortará los alambres antes de forzarlos a unirse. Esto expone una sección transversal de cable casi completamente limpia. Pero al soldar tuberías y otras secciones de metal, debe limpiar todo manualmente.
La imagen muestra aluminio con su capa de óxido. Fuente de la imagen: https://www.materialwelding.com/how-to-clean-aluminum-oxide-layer-before-welding-easy-steps/
Si bien todos los metales tienen óxidos en su superficie, eliminar la capa de óxido no es el primer paso. La grasa y el aceite también están presentes en la superficie, aunque no sean visibles a simple vista.
Intentar quitar la capa de óxido primero con abrasivos como cepillos de alambre o similares puede empujar la grasa y otros contaminantes más profundamente en la superficie metálica. Los metales blandos como el oro, el cobre, la plata y el aluminio son más susceptibles a que se incrusten impurezas debajo de la superficie.
Fuente: quora.com
Fuente: quora.comEsto dificultará la soldadura en frío porque la pieza de metal ahora tendrá impurezas dentro de sí misma. Si intenta una soldadura en frío, es posible que esas impurezas no se eliminen y provoquen que cierta parte del área de unión no logre uniones interatómicas porque los contaminantes se interpondrán en el camino.
Por lo tanto, primero es necesario limpiar a fondo la superficie de los aceites con una solución de limpieza adecuada para el metal que está soldando. Posteriormente, la capa de óxido se elimina con un cepillo de alambre, una rueda de alambre, una rueda de paletas u otro abrasivo adecuado para el metal soldado.
Fuente: Andrezadnik/Wikimedia Commons
Fuente: ¿Qué tan fuertes son las juntas soldadas en frío?
Si prepara con éxito las superficies metálicas y las limpia a la perfección, la unión soldada en frío será tan fuerte como el metal base.
Con otros procesos de soldadura, es posible que la resistencia de la junta y otras propiedades mecánicas superen el rendimiento del metal principal porque el metal de aporte agregado puede ser de una aleación diferente o el tratamiento térmico puede influir en el material en la zona de soldadura, cambiando sus características.
Foto de @Massimo
Foto de @MassimoSin embargo, las uniones soldadas en frío no pueden lograr mejores características de unión que el propio metal.
Es más fácil lograr uniones casi perfectas cuando se sueldan alambres en frío. Pero cuando se sueldan otras formas de metal, una preparación inadecuada puede comprometer la resistencia de la unión.
Ventajas de la soldadura en frío
- La ventaja más importante del proceso de soldadura en frío es la ausencia de una zona afectada por el calor (“ZAT”) responsable de muchos problemas de soldadura. Como no hay arco ni calor concentrado, tampoco hay ZAT
- Si se realiza correctamente, la soldadura en frío produce soldaduras perfectas sin compuestos intermetálicos quebradizos, microfisuras, porosión, contaminación y otras debilidades de las juntas.
- Es relativamente fácil de realizar porque la mayor parte del trabajo está relacionado con la preparación del metal.
- El proceso de soldadura en frío es perfecto para soldar aluminio, especialmente cuando se une a cobre. Lograr tal unión es muy desafiante con otros procesos de soldadura.
- Suelda una amplia variedad de metales y es especialmente adecuado para unir metales diferentes
- Es más rápido que muchos otros métodos de soldadura.
Desventajas de la soldadura en frío
- El metal debe estar perfectamente limpio para lograr uniones de soldadura en frío de alta calidad.
- Es muy desafiante usar el método de soldadura en frío en aplicaciones industriales debido a los contaminantes en el aire como el polvo de metal, las chispas de la molienda en los talleres de fabricación y otras fuentes de contaminación cruzada.
- Las irregularidades moleculares a nanoescala pueden debilitar la unión de las piezas metálicas resultantes
- La soldadura en frío funciona mejor con superficies planas, mientras que las formas irregulares son difíciles de lograr
- Los procedimientos de soldadura en frío no pueden unir metales con contenido de carbono como el acero al carbono. Es posible lograr uniones soldadas en frío solo con metales dúctiles no ferrosos como cobre, aluminio, aleaciones de plata, plomo, oro, etc.
¿Para qué se utiliza la soldadura en frío?
El proceso de soldadura en frío se utiliza principalmente para soldar cables, especialmente cuando se colocan cables subterráneos si existe el peligro de gases inflamables.
La soldadura por arco o procesos similares pueden hacer que estos gases se enciendan, mientras que la soldadura en frío es perfectamente segura.
Este proceso es un método de unión adecuado cuando se trabaja con sustancias inflamables o explosivas y es necesaria la soldadura. Por ejemplo, el sellado de recipientes que contienen dichas sustancias puede lograrse mediante soldadura en frío.
La imagen muestra una máquina de soldadura en frío. Fuente de la imagen: https://www.thefabricator.com/tubepipejournal/article/tubepipeproduction/custom-cold-welding-power-supply-streamlines-tube-production
La soldadura a presión en frío también se usa en muchas industrias, incluidas la odontología, la electrónica, la automotriz, la producción y la industria aeroespacial, especialmente para unir metales diferentes.
¿Qué materiales se pueden soldar en frío?
Los materiales que puede soldar en frío se limitan a materiales que no son de carbono ni ferrosos. Sin embargo, la mayoría de los otros metales más blandos son adecuados para la soldadura en frío, incluidos el cobre, el aluminio, el oro, la plata y sus aleaciones, el níquel, el latón 70/30, el zinc e incluso las aleaciones como Aldrey, Tripple E y Constantan.
Foto de mobileweldinglondon.co.uk
Foto de mobileweldinglondon.co.ukEste proceso también puede lograr soldaduras fuertes con las series de aluminio 2xxx y 7xxx, lo que es imposible con cualquier proceso de soldadura por arco. Esto se debe a que estas aleaciones de aluminio tienen una fuerte tendencia a agrietarse con el calor.
Una de las mayores ventajas de la soldadura en frío es su capacidad para unir metales diferentes. Por ejemplo, supera significativamente la calidad de unión lograda entre el cobre y el aluminio en comparación con procesos como la soldadura por fricción, la soldadura fuerte con llama o la soldadura por resistencia.
Fuente: mtiwelding
Fuente: Los óxidos y el aire son responsables de la falla de la soldadura por fusión al unir aluminio y cobre. El proceso de soldadura en frío resuelve este problema al exprimir los óxidos y los espacios de aire y lograr una unión casi perfecta sin calor que pueda afectar las características metalúrgicas de estos metales.
Posibles juntas de soldadura
Las juntas a tope y traslapadas funcionan mejor cuando se suelda en frío porque este proceso depende de la superficie de contacto.
Para soldar alambres y tuberías, se utilizan las juntas a tope. Es fácil preparar los extremos recortando los cables o cortando los tubos. Esto resalta una superficie de metal limpia y brillante en el área de contacto entre dos piezas, lo que le permite lograr una unión fuerte.
Fuente: stirweld.com
Fuente: stirweld.comCuando se suelda en frío con una junta traslapada, debe tener en cuenta la reducción del espesor del metal que se produce debido a la presión aplicada. Su pieza soldada podría perder hasta un 50% de su espesor original, dependiendo del material. Esto debe calcularse con anticipación porque es posible que su producto terminado no cumpla con sus expectativas.
Fuente: stirweld.com
Fuente: stirweld.comConclusión
La historia de la soldadura en frío es larga. Este proceso surgió por primera vez en la Edad del Bronce, pero no se aplicó en la industria hasta después de la década de 1950, cuando se convirtió en un proceso reconocido que usamos hoy.
Las máquinas de soldadura en frío para alambres están disponibles hoy en día y pueden completar uniones de soldadura a tope en segundos. Pero soldar elementos más complejos requiere un enfoque más detallado. La soldadura sin energía térmica suena muy extraña para los soldadores novatos, pero definitivamente es posible y, a menudo, se usa cuando la soldadura por arco es difícil o no es práctica.
Esta fue una descripción general de lo que es la soldadura en frío y lo que puede hacer con ella. A diferencia de un proceso de soldadura MIG o algo así como la soldadura láser, la soldadura en frío requiere nada más que una superficie limpia y una presión poderosa.