Soldadura por presión en frío: Tipos, ventajas e inconvenientes, equipos

La soldadura por presión en frío, también conocida como soldadura en frío o soldadura en estado sólido, es una técnica de unión innovadora que crea uniones metálicas de alta resistencia sin aplicar calor. Este proceso se basa en el principio de la deformación plástica para lograr la unión a nivel atómico entre dos superficies metálicas a temperatura ambiente.

Durante la soldadura por presión en frío, se aplica una fuerza de compresión considerable a las interfaces metálicas, que suele superar el límite elástico de los materiales. Esta intensa presión provoca una deformación plástica localizada, que cumple dos funciones críticas:

1. Alteración de los óxidos superficiales: El flujo plástico extruye a la fuerza los contaminantes superficiales y las capas de óxido de la interfaz, exponiendo superficies metálicas limpias y nacientes.
2. Difusión atómica: La presión extrema pone en contacto íntimo las superficies metálicas limpias, lo que permite la difusión atómica a través de la interfaz y la formación de enlaces metálicos.

Este proceso ofrece varias ventajas sobre los métodos tradicionales de soldadura por fusión:

1. Ausencia de zona afectada por el calor (HAZ): Al eliminar el aporte de calor, la soldadura en frío preserva la microestructura original y las propiedades mecánicas de los metales base.
2. Sin reblandecimiento ni fragilización: El proceso evita fenómenos inducidos térmicamente como el crecimiento de grano, las transformaciones de fase o la formación de compuestos intermetálicos frágiles.
3. Tensiones residuales mínimas: El proceso a temperatura ambiente reduce significativamente las tensiones térmicas y la distorsión.

La soldadura por presión en frío es especialmente eficaz para unir metales y aleaciones muy dúctiles, como:

• Aluminio y sus aleaciones
• Cobre y aleaciones de cobre
• Plata
• Oro
• Algunos tipos de acero inoxidable

Esta técnica tiene aplicaciones en diversos sectores, como la fabricación de productos eléctricos y electrónicos, la industria aeroespacial y la joyería. Sin embargo, es importante señalar que el proceso tiene limitaciones, como la necesidad de superficies extremadamente limpias y su inadecuación para unir metales distintos con propiedades mecánicas muy diferentes.

Principio de soldadura en frío

La soldadura por presión en frío, también conocida como soldadura en estado sólido, es un proceso de unión que se basa en la aplicación de alta presión a temperatura ambiente para crear una unión metalúrgica entre dos piezas de trabajo. El principio de esta técnica se basa fundamentalmente en la deformación plástica y la difusión atómica.

Durante el proceso, se aplica una presión considerable a las piezas, lo que provoca una importante deformación plástica localizada en la interfaz. Esta deformación cumple múltiples funciones cruciales:

1. Disrupción de la película de óxido: La fuerza aplicada rompe las capas de óxido naturales de las superficies metálicas, que suelen inhibir la unión.
2. Expansión superficial: A medida que los materiales se deforman, las superficies metálicas frescas y no contaminadas quedan expuestas y entran en contacto íntimo.
3. Interacción atómica: La proximidad de las superficies metálicas limpias permite que entren en juego fuerzas interatómicas que facilitan la formación de enlaces metálicos a través de la interfaz.

Para la soldadura a tope por presión en frío, el procedimiento suele incluir los siguientes pasos:

1. Preparación: Las piezas se limpian a fondo y se colocan con precisión en una fijación especializada, con una longitud predeterminada que se extiende más allá del punto de sujeción.
2. Desplazamiento: La fijación móvil avanza, aplicando presión para provocar una deformación plástica controlada. La magnitud de esta fuerza de recalcado se calibra cuidadosamente en función de las propiedades del material y la sección transversal de las piezas.
3. Extrusión: La deformación inicial provoca la extrusión de parte del material superficial y las impurezas de la interfaz de la junta, lo que mejora aún más la limpieza de la superficie.
4. Unión: La aplicación continuada de presión favorece la difusión atómica y la alineación de la estructura cristalina a través de la interfase, dando lugar a una unión en estado sólido.
5. Repetición: Dependiendo de las características del material, este proceso de recalcado puede repetirse de 1 a 3 veces para asegurar una fuerza de adherencia óptima.

Entre los factores clave que influyen en el éxito de la soldadura por presión en frío se incluyen:

1. Presión aplicada: Es esencial una fuerza suficiente para inducir la deformación plástica necesaria y promover la unión atómica. Cuando se suelda en una cavidad de molde confinada, pueden ser necesarias presiones aún mayores.
2. Plasticidad del material: Los materiales de la pieza deben poseer una plasticidad adecuada a baja temperatura para sufrir la deformación requerida sin fracturarse.
3. Efectos térmicos: Aunque se clasifica como un proceso "frío", la deformación plástica genera un calentamiento localizado, que puede ayudar a la difusión y la unión atómica.
4. Tiempo: La duración de la aplicación de la presión influye en el alcance de la difusión atómica y la formación de enlaces.
5. Condiciones de la superficie: La limpieza y la rugosidad de la superficie desempeñan un papel crucial en la consecución de soldaduras de alta calidad.

Es importante tener en cuenta que la soldadura por presión en frío es más eficaz para materiales con alta ductilidad a temperatura ambiente. Los materiales muy endurecidos por el trabajo o de dureza natural pueden plantear problemas y requerir enfoques modificados o métodos de unión alternativos.

En aplicaciones industriales, la soldadura por presión en frío se utiliza para unir metales similares y distintos, sobre todo en las industrias eléctrica y electrónica, donde no es deseable que haya zonas afectadas por el calor. El proceso ofrece ventajas como la ausencia de zonas afectadas por el calor, la ausencia de materiales de aporte y la posibilidad de unir metales distintos, pero también tiene limitaciones en cuanto a la geometría de las uniones y la idoneidad de los materiales.

Tipo de soldadura en frío

Según la configuración de la unión, la soldadura por presión en frío puede clasificarse en dos tipos principales: soldadura por presión en frío a solapa y soldadura por presión en frío a tope.

(1) Soldadura a presión en frío

La soldadura de solapa por presión en frío consiste en colocar las piezas superpuestas y aplicar presión con un penetrador especialmente diseñado. El proceso se completa cuando el penetrador se ha presionado hasta la profundidad predeterminada, creando una unión en estado sólido entre las superficies superpuestas. Este método puede subdividirse en dos categorías:

a) Soldadura por puntos: Utiliza un penetrador columnar para crear puntos de soldadura discretos.
b) Soldadura de solapas: Emplea un penetrador de tipo rodillo para producir cordones de soldadura continuos.

La soldadura de solapas puede clasificarse a su vez en soldadura por laminación, soldadura por manguito y soldadura por extrusión, en función de la técnica específica y del utillaje utilizado.

La soldadura de solape por presión en frío es especialmente eficaz para unir materiales finos, como láminas y chapas, en los que los métodos tradicionales de soldadura por fusión pueden resultar difíciles o provocar distorsiones.

(2) Soldadura a tope por presión en frío

En la soldadura a tope por presión en frío, las piezas se sujetan en mordazas opuestas y se extienden ligeramente más allá del punto de sujeción. A continuación, se aplica una fuerte presión de recalcado, lo que provoca una deformación plástica radial en las partes extendidas. Esta deformación tiene dos objetivos cruciales:

a) Extruye las impurezas de la superficie, formando un destello metálico alrededor de la junta.
b) Pone en contacto íntimo superficies metálicas atómicamente limpias, facilitando la unión en estado sólido.

El resultado es una unión soldada de alta integridad formada sin fundir los materiales de base. Esta técnica se emplea principalmente para crear juntas a tope en alambres, barras o tubos metálicos, y es capaz de unir metales similares y distintos.

La soldadura a tope por presión en frío ofrece varias ventajas, como la posibilidad de unir materiales con puntos de fusión muy diferentes, zonas mínimas afectadas por el calor y la conservación de la microestructura del material base.

Equipos de soldadura en frío

Los equipos de soldadura por presión en frío comprenden principalmente pinzas de soldadura por presión en frío y máquinas de soldadura por presión en frío, cada una de ellas diseñada para aplicaciones específicas en procesos de unión de metales.

Las pinzas de soldadura por presión en frío se utilizan principalmente para la soldadura por presión en frío a tope, especialmente adecuada para instalaciones sobre el terreno. Estas pinzas son capaces de soldar conductores de aluminio con diámetros comprendidos entre 1,2 y 2,3 mm, por lo que son muy utilizadas en instalaciones de soldadura de cables. Su portabilidad y precisión las hacen ideales para operaciones in situ en las que la flexibilidad es crucial.

El proceso de soldadura por presión en frío engloba dos técnicas principales: la soldadura a tope y la soldadura por puntos. Entre ellas, la máquina de soldadura a tope por presión en frío es la más empleada. Este sofisticado equipo integra varios componentes clave, como un robusto bastidor, un cabezal de máquina de precisión, un avanzado mecanismo de alimentación, un dispositivo de tijera de alto rendimiento y diversos componentes auxiliares. Este diseño integral garantiza un rendimiento óptimo de la soldadura en toda una gama de aplicaciones.

En las infraestructuras de comunicación, la fabricación de cables eléctricos y la producción de pequeños transformadores, las soldaduras de gran sección transversal se suelen unir con máquinas de soldadura por presión en frío. Estas máquinas son capaces de manipular piezas de gran tamaño con gran precisión. Un factor crítico en el rendimiento de la máquina es el tamaño de la estructura de la matriz de soldadura por presión en frío, que influye significativamente en la presión de soldadura. En consecuencia, el diseño de la matriz es una consideración primordial para los ingenieros de las máquinas de soldadura por presión en frío, ya que requiere cálculos meticulosos y la selección de materiales para lograr resultados óptimos.

Para los usuarios finales de máquinas de soldadura por presión en frío, es importante tener en cuenta que el tamaño de la estructura de la matriz se predetermina durante el proceso de fabricación del equipo de soldadura. Una vez fabricada la máquina, este parámetro permanece fijo. No obstante, los operarios pueden optimizar el proceso de soldadura seleccionando las presiones de soldadura adecuadas en función de las especificaciones técnicas facilitadas por el fabricante de la máquina. Esto permite ajustar con precisión la operación de soldadura para adaptarse a diferentes materiales y configuraciones de juntas dentro de las capacidades de la máquina.

Para garantizar una calidad y eficacia constantes de la soldadura, los usuarios deben calibrar periódicamente la presión de soldadura en función de las propiedades del material, la geometría de la unión y los requisitos específicos de cada tarea de soldadura. Además, el mantenimiento de las matrices y otros componentes críticos de la máquina de soldadura por presión en frío es esencial para prolongar la vida útil del equipo y mantener un rendimiento óptimo.

Características de la soldadura en frío

Ventajas

La soldadura en frío es un proceso de unión en estado sólido que ofrece varias ventajas claras:

1. Eficiencia material y energética: El proceso no requiere consumibles de soldadura adicionales, como metales de aportación o fundentes. Realizado a temperatura ambiente, elimina la necesidad de equipos de calentamiento, lo que se traduce en menores costes operativos, herramientas simplificadas y un importante ahorro de energía. La ausencia de una zona afectada por el calor (HAZ) preserva las propiedades del material base.
2. Uniones limpias y resistentes a la corrosión: Al no utilizarse fundente, no es necesaria la limpieza posterior a la soldadura y se elimina el riesgo de corrosión inducida por fundente durante el servicio. Esto contribuye a mejorar la integridad y longevidad de la unión.
3. Control simplificado del proceso: Los parámetros de soldadura vienen determinados principalmente por la geometría de la matriz y la presión aplicada, lo que elimina la necesidad de realizar complejos ajustes de corriente, tensión o velocidad de soldadura, típicamente asociados a los procesos de soldadura por fusión.
4. Versatilidad en la unión de materiales: La soldadura en frío destaca en la unión de metales distintos, independientemente de su compatibilidad metalúrgica, lo que ofrece una mayor flexibilidad de diseño y oportunidades de optimización de materiales.
5. Propiedades de unión superiores: La ausencia de una zona afectada por el calor impide el reblandecimiento o la formación de fases intermetálicas frágiles. El resultado es una excelente conductividad eléctrica y resistencia a la corrosión en la interfaz de la unión. El proceso induce el endurecimiento por deformación, con lo que a menudo se obtienen resistencias de unión iguales o superiores a las de los metales base.
6. Integridad microestructural: La difusión atómica limitada en la interfaz de la junta promueve la unión intergranular sin cambios microestructurales significativos, preservando las propiedades del material.
7. Estabilidad del proceso y condiciones de trabajo: El proceso de soldadura en frío es menos sensible a las fluctuaciones de potencia y ofrece mejores condiciones de trabajo debido a la ausencia de humos, salpicaduras o calor intenso asociados a los métodos de soldadura por fusión.

Desventajas

A pesar de sus ventajas, la soldadura en frío tiene varias limitaciones:

Coste de los equipos: las máquinas de soldadura en frío de alta capacidad capaces de generar las presiones necesarias pueden ser costosas, lo que limita potencialmente su adopción generalizada en operaciones de menor escala.

Deformación local: Las altas presiones requeridas pueden causar deformaciones localizadas significativas, particularmente en uniones solapadas, afectando potencialmente a la geometría de la pieza y al acabado superficial.

Formación Intermetálica en Metales Disímiles: Cuando se unen ciertos metales disímiles (por ejemplo, Cu y Al), la exposición posterior a la soldadura a temperaturas elevadas puede promover la formación de compuestos intermetálicos frágiles, comprometiendo la ductilidad y la conductividad eléctrica de la unión. Esto limita el rendimiento a altas temperaturas de dichas uniones.

Limitaciones de tamaño y material: El proceso está restringido por la capacidad del equipo de soldadura, lo que limita el espesor de las juntas solapadas y la sección transversal de las juntas a tope. Además, la dureza de los materiales a unir está restringida por las propiedades mecánicas de las matrices de soldadura.

Preparación de la superficie: El éxito de la soldadura en frío a menudo requiere una preparación meticulosa de la superficie para eliminar óxidos y contaminantes, lo que puede aumentar el tiempo de procesamiento y la complejidad.

Configuraciones de unión limitadas: La soldadura en frío es adecuada principalmente para geometrías de unión simples, como solapes y uniones a tope, lo que limita su aplicabilidad en ensamblajes complejos.