¿Qué es la soldadura por difusión?

Referencias

La soldadura por difusión (DFW) es una técnica de soldadura de estado sólido que produce una unión fuerte mediante facilitando la difusión y coalescencia en condiciones controladas utilizando calor y presión. Debido a que puede prevenir dificultades metalúrgicas comunes observadas en los procedimientos de soldadura convencionales, esta tecnología especializada es vital en el campo de la metalurgia. Mantiene intacta la resistencia a la corrosión de las juntas y permite fabricar componentes con dimensiones exactas, especialmente en titanio y circonio. DFW es excelente para algunas aplicaciones de alto rendimiento porque puede producir secciones pesadas con cualidades consistentes en todas partes, como los laminados de titanio. Para que las uniones DFW sean exitosas, los componentes deben diseñarse y mecanizarse cuidadosamente.

Proceso de soldadura por difusión

En el proceso de soldadura por difusión en estado sólido, las superficies que han sido preparadas adecuadamente se unen bajo restricciones precisas de presión, temperatura y tiempo. La presión aplicada garantiza un contacto uniforme de la superficie, lo que evita deformaciones macroscópicas. Para evitar una deformación plástica severa en las superficies, la temperatura utilizada suele ser el 50% del punto de fusión de los metales. Con frecuencia se utiliza un metal de aportación, que puede recubrirse o utilizarse como inserto. Este metal de aportación permite soldar en un entorno menos costoso o reduce la temperatura, presión o tiempo de soldadura necesarios.

Referencias

La presión se puede proporcionar mediante carga de peso muerto, prensas, presión diferencial de gas o expansión térmica diferencial de componentes o herramientas. Los métodos de calentamiento para la soldadura por difusión incluyen hornos, retortas y métodos de resistencia. Un conjunto especial de herramientas para soldar conjuntos con superficies planas que se cruzan son los autoclaves de alta presión y los métodos de presión diferencial de gas. Sin embargo, para soldar superficies planas paralelas perpendiculares a la dirección de la carga, los métodos de presión uniaxial son apropiados. Se necesita equipo especializado para estos procesos altamente mecanizados. Es ventajoso utilizar el enlatado o encapsulado de piezas para métodos distintos de los enfoques de presión diferencial.

Pasos en el proceso de soldadura por difusión

• Alinee las superficies de contacto de las placas para garantizar que estén en el mismo plano, un requisito fundamental para la difusión.

• Mecanice, pula y limpie las superficies a fondo para eliminar cualquier impureza química que pueda impedir la difusión.

• Apila las placas usando abrazaderas para mantenerlas en su lugar.

• Aplique alta presión y calor al conjunto para iniciar el proceso de difusión.

• Mantenga estas condiciones durante un período prolongado para permitir que se produzca una difusión adecuada.

• Inicialmente, puede ocurrir deformación local en la interfaz debido a procesos de fluencia y fluencia.

• A medida que avanza la difusión, la interfaz se transforma y las superficies se mezclan, formando una unión fuerte.

• Finalmente, la línea de interfaz desaparece, lo que da como resultado una unión con las mismas propiedades y resistencia que el material base.

Principios y mecanismos de difusión

La difusión implica el movimiento y la redistribución de átomos, que ocurre a velocidades que dependen de la velocidad de la migración de los átomos.

Referencias

La difusión en sistemas metálicos a menudo se clasifica en tres procesos: difusión de volumen, difusión en el límite de grano y difusión superficial, según la ruta que recorren los átomos en difusión. Se aplican diferentes constantes de difusividad a cada uno de estos procesos; La difusión superficial y en los límites de grano ocurre más rápidamente que la difusión en volumen.

Difusión en volumen: Se produce en la mayor parte de la sustancia. Debido al requisito de superar las barreras energéticas que plantean los átomos estrechamente espaciados en la red, la migración de átomos a través de la red cristalina es a menudo un proceso más lento.

Difusión de límites de grano: esto ocurre en las interfaces entre cristales o granos distintos en un material policristalino o a lo largo de los bordes de los granos. En comparación con el volumen, hay menos orden en la disposición atómica en estos límites, lo que facilita una difusión más rápida.

Difusión superficial: esto ocurre en las superficies del material. La difusión superficial se produce más rápidamente porque los átomos están unidos de forma menos firme que los del interior.

Difusión según la primera ley de Fick

Según la Primera Ley de Fick, la fórmula subyacente que controla la difusión en los metales es la siguiente:

Lugar:

• dm/dt es la velocidad de flujo de metal a través de un plano perpendicular a la dirección de difusión (g/s),

• D es el coeficiente de difusión (cm²/s), que varía con el sistema metálico, la temperatura, la concentración y la estructura cristalina,

• A es el área del plano a través del cual se produce la difusión (cm²),

• &x/&x​ es el gradiente de concentración en el plano en cuestión (g/cm³).

El signo negativo indica que la difusión se produce desde regiones de mayor concentración hacia regiones de menor concentración.

Coeficiente de difusión y factores que influyen

Los siguientes factores afectan el coeficiente de difusión D, que no es constante:

Temperatura: La velocidad de difusión aumenta al aumentar la temperatura. Como regla general, la constante de difusión se duplica con un aumento de temperatura de 11°C (20°F).

Concentración: La constante de difusión puede verse muy afectada por las variaciones de concentración. Por ejemplo, a 930°C (1700°F), la constante de difusión del carbono en el hierro se triplica con un aumento en la concentración de carbono del 0 al 1.4%.

Estructura cristalina: las diversas formas cristalinas tienen distintas velocidades de difusión. Por ejemplo, el hierro se difunde 100 veces más rápido en ferrita que en austenita.

Direccionalidad y distorsión del cristal: la orientación del cristal, así como cualquier distorsión provocada por la deformación plástica, tienen un impacto en las velocidades de difusión.

Mecanismos de difusión

Referencias

Las dos formas principales en que los átomos se dispersan en los metales son a través de los mecanismos de vacancia e intersticial, aunque también existen otros mecanismos.

El movimiento de átomos más pequeños a través de los huecos o intersticios de la red cristalina se conoce como mecanismo intersticial. Estos átomos pueden migrar de un intersticio a otro sin causar perturbaciones importantes a los átomos de la matriz porque tienen radios atómicos más pequeños que los átomos de la matriz.

Mecanismo de vacancia: este mecanismo pertenece a átomos más grandes que no pueden caber en los espacios intersticiales, como los átomos de matriz o de sustitución. Al saltar a espacios desocupados de la red, estos átomos migran. Cuantos menos sitios libres estén disponibles, la velocidad será más lenta, aunque la energía necesaria para estos movimientos sea comparable a la de la difusión intersticial.

Variables que afectan la soldadura por difusión

Un factor importante en la soldadura por difusión es el tiempo. La temperatura tiene un gran impacto en el tiempo que dura la difusión. Las duraciones más largas pierden su eficacia con el tiempo. El período necesario debe determinarse empíricamente, ya que no se puede predecir de antemano. Una vez finalizada la soldadura, más tiempo no mejora las propiedades de la unión.

La presión tiene un efecto directo sobre los resultados de la soldadura por difusión, especialmente en las primeras fases. Está asociado con el límite elástico de los componentes constituyentes, aunque en teoría es difícil determinar un valor preciso. Para obtener mejores resultados, se debe ejercer suficiente presión aunque la deformación local en el punto de unión sea una parte natural del proceso. Para formar uniones fuertes con éxito, es crucial equilibrar el calor y la presión porque una alta compresión se correlaciona con altos costos de equipo.

En la soldadura por difusión, la temperatura es la variable más importante. Para evitar alteraciones del material y proporcionar una unión sólida y estable, se debe elegir la temperatura ideal. Para que el proceso de soldadura sea exitoso, es necesario un mantenimiento adecuado de la temperatura.

Equipos y materiales adecuados utilizados en la soldadura por difusión.

Se necesitan herramientas especializadas para la soldadura por difusión, incluidos accesorios, fuentes de calor, prensas y autoclaves especialmente diseñados. Para crear la atmósfera ideal, estas herramientas se combinan frecuentemente con componentes cerámicos. Esta técnica es perfecta para unir materiales como titanio, aluminio y aleaciones de níquel, que resultan difíciles de unir mediante técnicas tradicionales. Aunque existen formas menos costosas de soldar acero, la soldadura por difusión puede ser un enfoque rentable para soldar superficies grandes y planas de acero con bajo contenido de carbono sin la necesidad de metal de aportación cuando se cumplen las circunstancias adecuadas.

Ventajas de la soldadura por difusión

La soldadura por difusión tiene varias ventajas.

Las características físicas y químicas de la unión resultante son comparables a las del metal base, lo que garantiza una soldadura impecable, sin porosidad ni fracturas. Este proceso es perfecto para componentes de precisión porque ofrece una gran precisión dimensional. A diferencia de la soldadura por arco, puede combinar materiales similares o diferentes sin necesidad de material de relleno. La soldadura es una tecnología de bajo coste que se puede utilizar para unir formas y materiales complejos de forma eficaz. Evita las dificultades asociadas a la soldadura por fusión y es fácil de utilizar. La soldadura por difusión también es muy eficiente y automatizada, y requiere poco trabajo de expertos porque puede unir varias piezas en una única configuración.

Desventajas y limitaciones de la soldadura por difusión

La soldadura por difusión ofrece varias ventajas, pero también tiene algunas desventajas. El equipo es costoso, especialmente para grandes piezas soldadas, y requiere una configuración específica con una limpieza y preparación de la superficie rigurosas. No es ideal para altas tasas de producción porque requiere una atmósfera protegida o vacío y lleva tiempo. A pesar de los modestos costos operativos, la configuración inicial es cara. La preparación de la pieza de trabajo es importante, pero puede ser difícil. La maquinaria restringe el tamaño de las soldaduras y no hay muchas opciones para la inspección. Debido a su gran dependencia de parámetros de soldadura exactos (temperatura, presión, acabado de la superficie y materiales utilizados), el proceso no es apropiado para la fabricación en masa. También se debe prestar especial atención a las diversas expansiones térmicas de los materiales.

Aplicaciones de la soldadura por difusión

La soldadura por difusión (DFW) se utiliza ampliamente en industrias como la aeroespacial y la nuclear para unir metales refractarios y de alta resistencia. Un ejemplo notable del uso generalizado de DFW en la industria aeroespacial es el soporte del motor del transbordador espacial, que se compone de 28 piezas de titanio que se sueldan por difusión para gestionar tres millones de libras de empuje. DFW también se utiliza en la fabricación de tubos con un tamaño máximo de 203 mm por 255 cm por 457 cm. Al utilizar DFW por primera vez en un componente de motor giratorio, la industria de turbinas de gas puede crear componentes de Ti-6%Al-4%V para motores avanzados de alto empuje. Para estas aplicaciones difíciles, DFW hace posibles las estructuras fuertes y de alto rendimiento que se requieren.