La soldadura por resistencia (RW) abarca una gama de técnicas de soldadura por fusión que logran la coalescencia mediante una combinación de calor y presión. El calor se produce en la unión que debe soldarse mediante resistencia eléctrica al flujo de corriente. Los elementos principales de la soldadura por resistencia se muestran en la siguiente figura para el método más popular del grupo, una operación de soldadura por puntos por resistencia. Los componentes son las piezas de trabajo que se van a soldar (a menudo piezas de chapa metálica), dos electrodos opuestos, una forma de presionar las piezas entre los electrodos y una fuente de alimentación de CA que puede aplicar una corriente controlada. En la soldadura por puntos, el proceso crea una zona fusionada entre los dos componentes conocida como pepita de soldadura.
La soldadura por resistencia no requiere gases de protección, fundente ni metal de aporte como la soldadura por arco, y los electrodos que transportan la energía eléctrica no son consumibles. La soldadura por resistencia se clasifica como soldadura por fusión, ya que las superficies de contacto se funden prácticamente invariablemente cuando se aplica calor. Sin embargo, existen ciertas excepciones. Para evitar la fusión, ciertas técnicas de soldadura basadas en el calentamiento por resistencia emplean temperaturas inferiores a los puntos de fusión de los metales base.
El proceso de soldadura por resistencia implica varias variables clave, como las propiedades de los electrodos, la corriente de soldadura, la fuerza del electrodo y la duración de la corriente. La soldadura por resistencia es un proceso de soldadura eficaz y rápido, ya que requiere una corriente que puede ser de diez a cien veces mayor que la de la soldadura por arco, aunque el tiempo real de soldadura suele ser inferior a un segundo.
Fuente de energía y generación de calor en RW
En la soldadura por resistencia (RW), la resistencia del circuito, el flujo de corriente y la duración de la aplicación de corriente afectan la energía térmica necesaria para la soldadura. La siguiente expresión matemática representa esta relación:
H = yo2 Rt
donde �� es el calor generado en julios (para convertir a Btu, dividir por 1055); �� es la corriente en amperios; �� es la resistencia eléctrica en ohmios; y �� es el tiempo en segundos.
Los procesos de soldadura por resistencia implican con frecuencia corrientes muy altas (5000 a 20,000 10 A) con voltajes relativamente bajos (normalmente inferiores a 0.1 V). En la mayoría de los procedimientos, la duración de la corriente (t) es pequeña; por ejemplo, en una operación de soldadura por puntos estándar, puede durar entre 0.4 y 0.0001 segundos. Dado que la resistencia en RW es muy baja (alrededor de XNUMX V) y la parte al cuadrado de la ecuación anterior magnifica el efecto de la corriente, se emplea una corriente grande. La combinación de las resistencias de las piezas de trabajo, los electrodos, las resistencias de contacto entre los electrodos y las piezas de trabajo y la resistencia de contacto de las superficies de alimentación da como resultado una resistencia en el circuito de soldadura. Por lo tanto, se produce calor en cada una de estas zonas de resistencia eléctrica. Dado que el sitio preferido de la soldadura es en las superficies de contacto, es óptimo que tengan la mayor resistencia en la suma. El uso de metales como el cobre, que tienen resistividades extremadamente bajas, reduce la resistencia de los electrodos. Para dispersar el calor que se genera, los electrodos se enfrían frecuentemente con agua. Las resistencias de las piezas de trabajo se determinan en función del espesor de las mismas y de las resistividades de los metales base. El tamaño, la forma y las áreas de contacto de los electrodos, así como las condiciones de la superficie (como la cascarilla del electrodo y la limpieza de las superficies de trabajo), determinan las resistencias de contacto entre los electrodos y las piezas.
En definitiva, el acabado de la superficie, las condiciones de higiene, el área de contacto y la presión afectan a la resistencia de las superficies de contacto. No debe haber impurezas que mantengan separadas las superficies de contacto, como pintura, aceite o suciedad.
La presión es tan importante para el éxito de la soldadura por resistencia como el calor. En la soldadura por resistencia (RW), los propósitos principales de la presión son presionar las superficies de contacto para lograr la coalescencia una vez que se ha alcanzado la temperatura de soldadura correcta y forzar el contacto entre las dos superficies de trabajo y los electrodos antes de aplicar la corriente.
Ventajas y desventajas de la soldadura por resistencia
La soldadura por resistencia es una opción común para aplicaciones industriales debido a sus numerosos beneficios. Su eficiencia y rapidez, que permiten grandes ritmos de producción, son dos ventajas principales. No se necesitan metales de aportación para el proceso y, como el calor está localizado, hay menos posibilidades de que los componentes adyacentes se doblen. La soldadura por resistencia también es excelente para la automatización, lo que la hace perfecta para la fabricación a gran escala. Como el calor se puede regular con precisión, las soldaduras resultantes son robustas, exactas y precisas. Este enfoque también es más rentable porque requiere menos trabajo de acabado y menos energía que muchos otros, y es más seguro que muchos otros porque no emite humos ni chispas.
Sin embargo, la soldadura por resistencia tiene varias desventajas. Algunas operaciones pueden tener dificultades para obtener el equipo necesario porque suele ser costoso y especializado. Restringe los tipos de metales que se pueden soldar trabajando únicamente con materiales que tengan una alta resistencia eléctrica. Debido al calor confinado, las piezas grandes son difíciles de soldar y la alineación precisa de los componentes es esencial para evitar uniones débiles. La expansión o contracción desigual de los materiales inducida por el calor puede provocar distorsión, lo que potencialmente puede ser un problema. La soldadura por resistencia sigue siendo una tecnología útil en muchos contextos de fabricación, a pesar de estas dificultades.
Principales procesos de soldadura por resistencia
Los tres principales procesos de soldadura por resistencia de importancia comercial son la soldadura por puntos por resistencia (RSW), la soldadura por costura por resistencia (RSEW) y la soldadura por proyección (RPW).
Soldadura por puntos de resistencia (RSW)
La soldadura por puntos por resistencia (RSW) es el método más común de su clase y se utiliza ampliamente en la fabricación en masa de electrodomésticos, automóviles, muebles metálicos y otros productos de chapa. La importancia económica de la soldadura por puntos por resistencia queda clara si se tiene en cuenta que una carrocería de automóvil promedio tiene aproximadamente 10,000 puntos de soldadura y que la producción anual de automóviles alcanza decenas de millones en todo el mundo.
La soldadura por puntos por resistencia (RSW) es un método de RW en el que electrodos opuestos fusionan las superficies de contacto de una junta traslapada en un solo lugar. Este método se aplica a componentes de chapa metálica que tienen un espesor de 3 mm (0.125 pulgadas) o menos cuando no se necesita un ensamblaje hermético. Se utiliza una secuencia de puntos de soldadura para unir los componentes. Aunque los electrodos redondos son la forma de electrodo más frecuente, también se pueden emplear formas cuadradas, hexagonales y otras, la punta del electrodo determina el tamaño y la forma del punto de soldadura.
La pepita de soldadura resultante suele tener entre 5 y 10 mm (0.2 y 0.4 pulgadas) de diámetro, y los metales base se encuentran ligeramente más allá de la pepita, donde se extiende la zona afectada por el calor. La resistencia de la soldadura debería ser comparable a la del metal circundante si se produce correctamente. La siguiente figura ilustra los pasos involucrados en un ciclo de soldadura por puntos.
Para fabricar electrodos RSW se utilizan dos categorías principales de materiales: aleaciones a base de cobre y composiciones de metales refractarios, como el cobre y el tungsteno. La mayor resistencia al desgaste del segundo grupo es bien conocida. En la soldadura por puntos, como en la mayoría de los procesos de producción, las herramientas envejecen gradualmente con el uso. Los electrodos se fabrican con conductos internos de refrigeración por agua, si es posible. La soldadura por puntos se puede realizar con una variedad de herramientas y técnicas debido a su amplio uso industrial. El aparato consta de pistolas de soldadura por puntos portátiles, así como máquinas de soldadura por puntos de tipo prensa y de brazo oscilante. Las soldadoras por puntos de brazo oscilante incluyen un electrodo superior que es móvil y se puede levantar y bajar para facilitar el trabajo de carga y descarga. El electrodo inferior permanece estacionario. El electrodo superior está fijado al brazo de un balancín, de ahí el nombre, cuyo movimiento se controla mediante el pedal del trabajador.
La fuerza y la corriente a lo largo del ciclo de soldadura se pueden controlar mediante programación en equipos modernos. Los soldadores por puntos con prensas están destinados a trabajos más pesados. Una prensa vertical impulsada por energía hidráulica o neumática produce un movimiento rectilíneo para el electrodo superior. Se pueden utilizar fuerzas mayores gracias a la acción de la prensa y, por lo general, se pueden programar ciclos de soldadura complicados mediante los controles. La tarea se traslada a los dos tipos de máquinas anteriores, que son soldadoras por puntos estacionarias. Es un desafío transferir y colocar la pieza en maquinaria estacionaria para tareas masivas y pesadas. Las pistolas portátiles de soldadura por puntos vienen en una variedad de tamaños y combinaciones para adaptarse a estas situaciones. Estos dispositivos están formados por dos electrodos opuestos sostenidos dentro de un mecanismo de pinza. Debido a que cada elemento es liviano, un robot industrial o un trabajador humano puede agarrarlo y operarlo. Se utilizan cables eléctricos flexibles y mangueras de aire para conectar el cañón a su propia fuente de energía y control. Si es necesario, también se puede utilizar una manguera de agua para suministrar agua de refrigeración a los electrodos. La soldadura por puntos de carrocerías es una tarea común para las pistolas móviles de soldadura por puntos en las fábricas de ensamblaje de automóviles. Aunque los humanos todavía manejan algunas de estas armas, los robots industriales son ahora la tecnología preferida.
Soldadura por costura por resistencia (RSEW)
La soldadura por costura por resistencia (RSEW) es una técnica que produce una secuencia de soldaduras por puntos superpuestas a lo largo de una junta traslapada mediante el empleo de ruedas giratorias en lugar de electrodos en forma de varilla como en la soldadura por puntos. Este procedimiento, que se muestra en la figura siguiente, se emplea frecuentemente en la producción de contenedores de chapa, silenciadores de automóviles y tanques de gasolina porque produce juntas herméticas. Aunque la soldadura por puntos y la RSEW son esencialmente idénticas, la RSEW implica una complejidad adicional debido a los electrodos de la rueda y el aspecto continuo de la operación.
La operación continua en RSEW significa que las uniones deben estar a lo largo de una línea recta o uniformemente curvada, ya que las esquinas afiladas y las discontinuidades pueden plantear desafíos. Además, la deformación de las piezas es una preocupación mayor, lo que requiere accesorios para mantener las piezas de trabajo en su lugar y minimizar la distorsión.
La aplicación de la corriente de soldadura y el movimiento de las ruedas de electrodos en RSEW determinan la distancia entre las pepitas de soldadura. En la técnica más popular, llamada soldadura de movimiento continuo, el espacio apropiado entre los puntos de soldadura se logra pulsando periódicamente la corriente mientras las ruedas giran a una velocidad constante. Las áreas de soldadura superpuestas suelen ser el resultado de esta configuración. Por otro lado, un proceso conocido como soldadura por puntos con rodillo permite que aparezcan espacios entre los puntos de soldadura si se disminuye la frecuencia de la corriente. Alternativamente, se puede conseguir una costura de soldadura continua manteniendo una corriente de soldadura constante. La siguiente figura muestra estas variaciones.
Otra variante de la RSEW es la soldadura por movimiento intermitente, en la que cada punto de soldadura se produce cuando la rueda de electrodos se detiene de forma regular. El espaciado entre las áreas de soldadura está determinado por el movimiento de la rueda entre paradas, lo que da como resultado patrones similares a los de las figuras (a) y (b) anteriores.
Si bien se utilizan ruedas de electrodos en lugar de electrodos en forma de varilla, las máquinas de soldar por costura son similares a las soldadoras por puntos de tipo prensa. Durante el RSEW, a menudo se requiere refrigeración tanto de la pieza de trabajo como de las ruedas de electrodos. Generalmente se dirige agua hacia la parte superior e inferior de las superficies de la pieza de trabajo en las proximidades de las ruedas de electrodos para lograr este enfriamiento.
Soldadura por proyección por resistencia (RPW)
La soldadura por proyección de resistencia (RPW) es un proceso de soldadura por resistencia en el que la coalescencia se produce en pequeños puntos de contacto predeterminados en las piezas que se van a unir. Estos puntos de contacto pueden ser proyecciones, relieves o uniones localizadas que están integradas en las propias piezas. Por ejemplo, al unir dos componentes de chapa metálica, el componente superior puede construirse con bordes rebajados que entran en contacto primero con el componente inferior, como se muestra en la figura siguiente. Las reducciones de costes que se obtienen con la soldadura pueden compensar el procedimiento de relieve, a pesar de que parezca que aumenta el coste de la pieza.
La soldadura por resistencia por proyección se presenta en dos variantes, que se muestran en la figura siguiente. Una variante permite que la soldadura por resistencia por proyección una de forma permanente los elementos de fijación con proyecciones moldeadas o mecanizadas a una lámina o placa, lo que facilita los procedimientos de montaje futuros. Para la fabricación de elementos de alambre soldado, como carros de la compra, parrillas de estufas y vallas de alambre, se emplea otra versión conocida como soldadura por alambre cruzado. Las superficies de contacto de los alambres redondos actúan como proyecciones en este proceso, lo que ayuda a localizar el calor de resistencia necesario para la soldadura.
Otras operaciones de soldadura por resistencia
Además de los principales procedimientos de soldadura por resistencia que se cubrieron anteriormente, los siguientes métodos alternativos entran en esta categoría y también deben reconocerse: soldadura instantánea (FW), soldadura recalcada (UW), soldadura por percusión (PEW) y resistencia de alta frecuencia. soldadura (HFRW).
Soldadura flash (FW)
La soldadura por chispa (FW) se utiliza principalmente para uniones a tope. El proceso consiste en acercar las superficies a soldar y calentarlas hasta el punto de fundirlas mediante corriente eléctrica. Dependiendo del grado de contacto de la superficie, este proceso implica la formación de arcos, a veces denominados destellos. Por lo tanto, FW se incluye ocasionalmente en el grupo de soldadura por arco. Las superficies se juntan para producir la soldadura después del calentamiento, lo que frecuentemente requiere mecanizado adicional para garantizar dimensiones de unión consistentes. FW se utiliza en procesos económicos de alta velocidad, incluida la conexión de extremos de alambre en trefilado y soldadura a tope de tiras de acero en laminadores.
Soldadura recalcada (UW)
Al igual que FW, la soldadura recalcada (UW) combina las fases de calentamiento y prensado en un único ciclo de proceso. A diferencia de FW, UW calienta solo por resistencia eléctrica en las superficies de contacto, sin incluir la formación de arcos. Al alcanzar una temperatura por debajo del punto de fusión, las superficies en contacto se fusionan bajo una presión aumentada, lo que provoca que los materiales en la región de contacto se alteren. Si bien UW comparte varias aplicaciones con FW, como unir alambres, tuberías y tubos, no es exactamente una técnica de soldadura por fusión como algunas de las otras mencionadas.
Soldadura por percusión (PEW)
Al igual que la soldadura por percusión, la soldadura por percusión (PEW) utiliza ciclos de soldadura increíblemente cortos (entre uno y diez milisegundos) en su funcionamiento. Cuando se libera energía eléctrica de forma abrupta entre las superficies que se deben unir, se produce un calentamiento rápido. A continuación, los componentes se fusionan mediante la aplicación de una fuerza de percusión. Para aplicaciones electrónicas en las que son esenciales un tamaño compacto y componentes adyacentes sensibles al calor, el calentamiento localizado de la PEW es perfecto.
Soldadura por resistencia de alta frecuencia (HFRW)
La corriente alterna de alta frecuencia se utiliza en la soldadura por resistencia de alta frecuencia (HFRW) para calentar las superficies metálicas antes de aplicar una fuerza de recalcado para terminar la soldadura. Esta técnica, que opera en frecuencias que van de 10 a 500 kHz, garantiza que el efecto piel de la corriente de alta frecuencia concentre el calor en la unión soldada. En un procedimiento comparable llamado soldadura por inducción de alta frecuencia (HFIW), se utiliza una bobina de inducción para crear corriente en lugar de hacer contacto eléctrico directo. Para tareas de soldadura continua, como unir costuras longitudinales de tubos y tuberías metálicas, son adecuados HFRW y HFIW. Estas técnicas son útiles para una variedad de procesos industriales debido a su capacidad para producir soldaduras consistentes y de alta calidad en situaciones de fabricación de alta velocidad.
Referencias
Groover, MP, 2010. Fundamentos de la fabricación moderna: materiales, procesos y sistemas. 4ª edición. Hoboken, Nueva Jersey: John Wiley & Sons, Inc.
