La soldadura por forja (FOW) es un proceso de soldadura de estado sólido [1] que une dos piezas de metal calentándolas a una temperatura alta y luego martillándolas . [2] También puede consistir en calentar y forzar los metales junto con prensas u otros medios, creando suficiente presión para causar deformación plástica en las superficies de soldadura. [3] El proceso es uno de los métodos más simples para unir metales y se ha utilizado desde la antigüedad. La soldadura por forja es versátil, pudiendo unir una gran cantidad de metales similares y diferentes. Con la invención de los métodos de soldadura eléctrica y de gas durante la Revolución Industrial, la soldadura por forja manual ha sido reemplazada en gran medida, aunque la soldadura por forja automatizada es un proceso de fabricación común.
Introducción
La soldadura por forja es un proceso de unir metales calentándolos más allá de un cierto umbral y forzándolos a unirse con suficiente presión para causar la deformación de las superficies de soldadura, creando un enlace metálico entre los átomos de los metales. La presión requerida varía, dependiendo de la temperatura, resistencia y dureza de la aleación . [4] La soldadura por forja es la técnica de soldadura más antigua y se ha utilizado desde la antigüedad.
Los procesos de soldadura generalmente se pueden agrupar en dos categorías: soldadura por fusión y por difusión . La soldadura por fusión implica la fusión localizada de los metales en las interfaces de soldadura y es común en las técnicas de soldadura eléctrica o con gas. Esto requiere temperaturas mucho más altas que el punto de fusión del metal para causar una fusión localizada antes de que el calor pueda conducir térmicamente fuera de la soldadura, y a menudo se usa un metal de aportación para evitar que la soldadura se separe debido a la alta tensión superficial . La soldadura por difusión consiste en unir los metales sin fundirlos, soldando las superficies entre sí mientras están en estado sólido. [5]
En la soldadura por difusión, la fuente de calor es a menudo más baja que el punto de fusión del metal, lo que permite una distribución del calor más uniforme, lo que reduce las tensiones térmicas en la soldadura. En este método normalmente no se usa un metal de aportación, pero la soldadura ocurre directamente entre los metales en la interfaz de soldadura. Esto incluye métodos como soldadura en frío, soldadura por explosión y soldadura por forja. A diferencia de otros métodos de difusión, en la soldadura por forja los metales se calientan a una temperatura alta antes de forzarlos a unirse, lo que generalmente resulta en una mayor plasticidad en las superficies de soldadura. Esto generalmente hace que la soldadura por forja sea más versátil que las técnicas de difusión en frío, que generalmente se realizan en metales blandos como el cobre o el aluminio. [6]
En la soldadura de forja, todas las áreas de soldadura se calientan uniformemente. La soldadura por forja se puede utilizar para una gama mucho más amplia de aleaciones y metales más duros, como el acero y el titanio. [7]
Historia
La historia de la unión de metales se remonta a la Edad del Bronce , donde a menudo se unían bronces de diferente dureza mediante fundición. Este método consistía en colocar una parte sólida en un metal fundido contenido en un molde y dejar que solidificara sin fundir ambos metales, como la hoja de una espada en un mango o la punta de una flecha en la punta. La soldadura fuerte y la soldadura fuerte también fueron comunes durante la Edad del Bronce. [8]
El acto de soldar (unir dos partes sólidas mediante difusión) comenzó con el hierro. El primer proceso de soldadura fue la soldadura por forja, que comenzó cuando los humanos aprendieron a fundir hierro a partir del mineral de hierro ; probablemente en Anatolia (Turquía) alrededor del 1800 a. C. Los pueblos antiguos no podían crear temperaturas lo suficientemente altas como para derretir el hierro por completo, por lo que el proceso de floración que se utilizó para fundir hierro produjo una masa (floración) de granos de hierro sinterizados junto con pequeñas cantidades de escoria y otras impurezas, lo que se conoce como esponja de hierro debido a su porosidad .
Después de fundir, la esponja de hierro debía calentarse por encima de la temperatura de soldadura y martillarse o "forjarse". Esto exprimió las bolsas de aire y la escoria derretida, poniendo los granos de hierro en estrecho contacto para formar un bloque sólido (tocho).
Los arqueólogos han encontrado muchos artículos hechos de hierro forjado , que muestran evidencia de soldaduras de forja, que datan de antes del 1000 aC. Debido a que el hierro se fabricaba típicamente en pequeñas cantidades, cualquier objeto grande, como el Pilar de Delhi , necesitaba ser soldado por forja a partir de palanquillas más pequeñas. [9] [10]
La soldadura de forja creció a partir de un método de prueba y error, volviéndose más refinada a lo largo de los siglos. [11] Debido a la mala calidad de los metales antiguos, se utilizaba comúnmente para fabricar aceros compuestos, uniendo aceros con alto contenido de carbono, que resistirían la deformación pero se romperían fácilmente, con aceros con bajo contenido de carbono, que resisten la fractura pero se doblan con demasiada facilidad creando un objeto con mayor tenacidad y resistencia que la que podría producirse con una sola aleación. Este método de soldadura de patrones apareció por primera vez alrededor del 700 aC y se utilizó principalmente para fabricar armas como espadas; los ejemplos más conocidos son el damasceno , el japonés y el merovingio . [12] [13] Este proceso también era común en la fabricación de herramientas, desde arados de hierro forjado con bordes de acero hasta cinceles de hierro con superficies de corte de acero. [12]
Materiales
Muchos metales se pueden soldar por forja, siendo los más comunes los aceros con alto contenido de carbono y con bajo contenido de carbono . Hierro e incluso algunos hipoeutéctica elenco hierros pueden ser soldada forja. Algunas aleaciones de aluminio también se pueden soldar por forja. [14] Los metales como el cobre , el bronce y el latón no se sueldan con facilidad. Aunque es posible forjar aleaciones a base de cobre de soldadura , a menudo es con gran dificultad debido a la tendencia del cobre a absorber oxígeno durante el calentamiento. [15] El cobre y sus aleaciones generalmente se unen mejor con soldadura en frío , soldadura por explosión u otras técnicas de soldadura a presión. Con hierro o acero, la presencia de incluso pequeñas cantidades de cobre reduce severamente la capacidad de la aleación para forjar soldaduras. [16] [17]
Las aleaciones de titanio se suelen soldar por forja. Debido a la tendencia del titanio a absorber oxígeno cuando se funde, la unión por difusión en estado sólido de una soldadura de forja es a menudo más fuerte que una soldadura por fusión en la que el metal está licuado. [18]
La soldadura de forja entre materiales similares es causada por difusión en estado sólido. Esto da como resultado una soldadura que consta solo de los materiales soldados sin ningún relleno o materiales de puente. La soldadura de forja entre materiales diferentes es causada por la formación de una temperatura de fusión eutéctica más baja entre los materiales. Debido a esto, la soldadura suele ser más fuerte que los metales individuales.
Procesos
El proceso de soldadura por forja más conocido y antiguo es el método de martillado manual. El martilleo manual se realiza calentando el metal a la temperatura adecuada, recubriéndolo con fundente, superponiendo las superficies de soldadura y luego golpeando la junta repetidamente con un martillo de mano . La junta se forma a menudo para dejar espacio para que el fundente fluya hacia afuera, biselando o redondeando ligeramente las superficies y martillando sucesivamente hacia afuera para exprimir el fundente. Los golpes de martillo generalmente no son tan duros como los que se usan para dar forma, lo que evita que el fundente salga de la junta en el primer golpe.
Cuando se desarrollaron los martillos mecánicos , la soldadura de forja se podía lograr calentando el metal y luego colocándolo entre el martillo mecanizado y el yunque. Originalmente impulsados por ruedas hidráulicas , los martillos mecánicos modernos también pueden funcionar con aire comprimido, electricidad, vapor, motores de gas y muchas otras formas. Otro método es la soldadura de forja con un troquel , mientras que las piezas de metal se calientan y luego se introducen en un troquel que proporciona la presión para la soldadura y mantiene la unión en la forma terminada. La soldadura por rodillo es otro proceso de soldadura por forja, donde los metales calentados se superponen y pasan a través de rodillos a altas presiones para crear la soldadura. [19] [20]
La soldadura de forja moderna a menudo se automatiza, utilizando computadoras, máquinas y sofisticadas prensas hidráulicas para producir una variedad de productos a partir de varias aleaciones. [21] Por ejemplo, la tubería de acero a menudo se suelda con autógena durante el proceso de fabricación. El material plano se calienta y alimenta a través de rodillos de forma especial que forman el acero en un tubo y, al mismo tiempo, proporcionan la presión para soldar los bordes en una costura continua. [22]
La unión por difusión es un método común para forjar soldaduras de aleaciones de titanio en la industria aeroespacial. En este proceso, el metal se calienta mientras está en una prensa o matriz. Más allá de una temperatura crítica específica, que varía según la aleación, las impurezas se queman y las superficies se juntan. [23]
Otros métodos incluyen la soldadura por destello y la soldadura por percusión . Estas son técnicas de soldadura por forja por resistencia en las que la prensa o troquel se electrifica, pasando una alta corriente a través de la aleación para crear el calor para la soldadura. [24] La soldadura por forja con gas activo blindado es un proceso de soldadura por forja en un ambiente reactivo al oxígeno, para quemar óxidos, utilizando gas hidrógeno y calentamiento por inducción . [25]
Temperatura
La temperatura requerida para forjar la soldadura es típicamente del 50 al 90 por ciento de la temperatura de fusión. [26] El hierro se puede soldar cuando supera la temperatura crítica (la temperatura A 4 ) donde su alótropo cambia de hierro gamma (cúbico centrado en la cara) a hierro delta (cúbico centrado en el cuerpo). Dado que las temperaturas críticas se ven afectadas por agentes de aleación como el carbono, el acero se suelda en un rango de temperatura más bajo que el hierro. A medida que aumenta el contenido de carbono en el acero, el rango de temperatura de soldadura disminuye de forma lineal. [27]
El hierro, los diferentes aceros e incluso el hierro fundido se pueden soldar entre sí, siempre que su contenido de carbono sea lo suficientemente cercano como para que los rangos de soldadura se superpongan. El hierro puro se puede soldar cuando está casi al rojo vivo; entre 2500 ° F (1400 ° C) y 2700 ° F (1500 ° C). El acero con un contenido de carbono del 2.0% se puede soldar cuando es de color amarillo anaranjado, entre 1.700 ° F (900 ° C) y 2.000 ° F (1.100 ° C). El acero común, entre 0,2 y 0,8% de carbono, se suelda típicamente a un calor amarillo brillante. [28]
Un requisito principal para la soldadura de forja es que ambas superficies de soldadura deben calentarse a la misma temperatura y soldarse antes de que se enfríen demasiado. Cuando el acero alcanza la temperatura adecuada, comienza a soldarse muy fácilmente, por lo que una varilla delgada o un clavo calentado a la misma temperatura tenderá a pegarse en el primer contacto, lo que requerirá que se doble o tuerza para aflojarlo. Una de las formas más sencillas de saber si el hierro o el acero están lo suficientemente calientes es pegarle un imán. Cuando el hierro cruza la temperatura crítica A 2 , comienza a transformarse en el alótropo llamado hierro gamma. Cuando esto sucede, el acero o el hierro se vuelven no magnéticos. [29]
En el acero, el carbono comienza a mezclarse con el hierro gamma a la temperatura A 3 , formando una solución sólida llamada austenita . Cuando cruza la temperatura crítica de A 4 , se convierte en hierro delta, que es magnético. Por lo tanto, un herrero puede saber cuándo se alcanza la temperatura de soldadura colocando un imán en contacto con el metal. Cuando está rojo o anaranjado, un imán no se adhiere al metal, pero cuando se cruza la temperatura de soldadura, el imán se adhiere nuevamente a él. El acero puede adquirir un aspecto brillante o húmedo a la temperatura de soldadura. Se debe tener cuidado para evitar el sobrecalentamiento del metal hasta el punto de que desprenda chispas por oxidación rápida (quemado), o de lo contrario la soldadura será pobre y quebradiza. [30]
Descarburación
Cuando el acero se calienta a una temperatura de austenización , el carbono comienza a difundirse a través del hierro. Cuanto mayor sea la temperatura; cuanto mayor sea la tasa de difusión. A temperaturas tan altas, el carbono se combina fácilmente con el oxígeno para formar dióxido de carbono , por lo que el carbono puede difundirse fácilmente fuera del acero y hacia el aire circundante. Al final de un trabajo de herrería, el acero tendrá un contenido de carbono más bajo que antes del calentamiento. Por lo tanto, la mayoría de las operaciones de herrería se realizan lo más rápido posible para reducir la descarburación, evitando que el acero se vuelva demasiado blando.
Para producir la cantidad correcta de dureza en el producto terminado, el herrero generalmente comienza con acero que tiene un contenido de carbono superior al deseado. En la antigüedad, la forja solía comenzar con acero que tenía un contenido de carbono demasiado alto para el uso normal. La soldadura por forja más antigua comenzó con acero hipereutectoide , que contenía un contenido de carbono a veces muy superior al 1,0%. Los aceros hipereutectoides suelen ser demasiado frágiles para ser útiles en un producto terminado, pero al final de la forja, el acero generalmente tenía un alto contenido de carbono que oscilaba entre el 0,8% (acero para herramientas eutectoide) y el 0,5% (acero para resortes hipoeutectoide). [31]
Aplicaciones
La soldadura de forja se ha utilizado a lo largo de su historia para fabricar la mayoría de los artículos de acero y hierro. Se ha utilizado en todo, desde la fabricación de herramientas, implementos agrícolas y utensilios de cocina hasta la fabricación de cercas, puertas y celdas de prisión. A principios de la Revolución Industrial, se usó comúnmente en la fabricación de calderas y recipientes a presión, hasta la introducción de la soldadura por fusión . Se usó comúnmente durante la Edad Media para producir armaduras y armas.
Una de las aplicaciones más famosas de la soldadura por forja implica la producción de hojas soldadas con patrón . Durante este proceso, un herrero extrae repetidamente un lingote de acero, lo dobla hacia atrás y lo suelda sobre sí mismo. [32] Otra aplicación fue la fabricación de cañones de escopeta. El alambre de metal fue enrollado en un mandril y luego forjado en un barril que era delgado, uniforme y fuerte. En algunos casos, los objetos soldados con forja se graban con ácido para exponer el patrón de metal subyacente, que es único para cada artículo y proporciona un atractivo estético.
A pesar de su diversidad, la soldadura por forja tenía muchas limitaciones. Una limitación principal era el tamaño de los objetos que podían soldarse con forja. Los objetos más grandes requerían una fuente de calor más grande y el tamaño reducía la capacidad de soldarlos manualmente antes de que se enfriaran demasiado. La soldadura de artículos grandes, como placas de acero o vigas, normalmente no era posible, o al menos muy poco práctica, hasta la invención de la soldadura por fusión, que requería remacharlos en su lugar. En algunos casos, la soldadura por fusión produjo una soldadura mucho más fuerte, como en la construcción de calderas.
Flujo
La soldadura por forja requiere que las superficies de soldadura estén extremadamente limpias o el metal no se unirá correctamente, si es que lo hace. Los óxidos tienden a formarse en la superficie, mientras que las impurezas como el fósforo y el azufre tienden a migrar a la superficie. A menudo se utiliza un fundente para evitar que las superficies de soldadura se oxiden , lo que produciría una soldadura de mala calidad, y para extraer otras impurezas del metal. El fundente se mezcla con los óxidos que se forman y reduce la temperatura de fusión y la viscosidad de los óxidos. Esto permite que los óxidos fluyan fuera de la junta cuando las dos piezas se golpean juntas. Se puede hacer un fundente simple de bórax , a veces con la adición de limaduras de hierro en polvo. [33]
El fundente más antiguo utilizado para la soldadura de forja era arena fina de sílice . El hierro o el acero se calentarían en un ambiente reductor dentro de las brasas de la fragua. Desprovisto de oxígeno, el metal forma una capa de óxido de hierro llamada wustita en su superficie. Cuando el metal está lo suficientemente caliente, pero por debajo de la temperatura de soldadura, el herrero rocía un poco de arena sobre el metal. El silicio de la arena reacciona con la wustita para formar fayalita , que se funde justo por debajo de la temperatura de soldadura. Esto produjo un fundente muy eficaz que ayudó a realizar una soldadura fuerte. [34]
Los primeros ejemplos de fundente usaban diferentes combinaciones y varias cantidades de empastes de hierro , bórax , sal amoniacal , bálsamo de copaiba , cianuro de potasa y fosfato de sodio . La edición de 1920 del libro de hechos y fórmulas de Scientific American indica un secreto comercial frecuentemente ofrecido como el uso de copperas , salitre , sal común , óxido negro de manganeso , prusiato de potasa y "arena de soldadura agradable" (silicato).
Ver también
- Soldadura de patrón
- Soldadura por fricción
- Soldadura de espárragos por fricción
Referencias
- ^ Shirzadi, Amir, unión por difusión , Archivado desde el original en 01/09/2013 , recuperada 2010-02-12 .
- ^ Nauman, Dan (2004), "Soldadura de forja" (PDF) , Hammer's Blow : 10–15, archivado desde el original (PDF) el 3 de marzo de 2016 , consultado el 12 de febrero de 2010 .
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