Soldadura: Otro Elemento Fundamental en Sistemas HVAC&R

De repente uno de los temas que poco se toman en cuenta en el quehacer HVAC&R es el proceso de soldar, el cual es un procedimiento mediante el cual se unen dos piezas de metal o termoplástico, generalmente, con el propósito de que éstas queden sólidamente adheridas, ya que las mismas pueden desempeñar diversas funciones como servir de soporte o en el caso de tuberías, permitir la circulación continua de líquidos, gases o cualquier tipo de producto que se quiera transportar.

La soldadura es un proceso de fabricación que consiste en un metal ­fundido que une dos piezas de  metal. Las piezas son adheridas derritiendo ambas y agregando un material de relleno (plástico o metal), también derretido, el cual posee un punto de fusión menor al de la pieza a soldar, para lograr un charco de material fundido que al enfriarse se transforma en una articulación fuerte.

Al soldar se forma una unión intermolecular entre la soldadura y el metal. Por tal razón las moléculas de soldadura penetran la estructura del metal base para formar una combinación sólida, totalmente metálica.

Como generalidad se puede afirmar que las soldaduras funden a temperaturas menores que las piezas metálicas a unir; es por ello que, no todos los metales se pueden alear para generar soldaduras, por tres razones: primeramente por fundir a elevadas temperaturas, en segundo lugar por carecer de resistencia adecuada a la presión o a la tensión (según sea el caso) y tercero, por no aceptar la aleación o liga con las piezas metálicas a unir.

Para la realización de los procesos de soldadura, pueden utilizarse diferentes fuentes de energía como: una flama de gas, un rayo de electrones, un láser, un arco eléctrico, ultrasonido o procesos de fricción. La energía necesaria para formar la unión entre dos piezas de metal generalmente se deriva de un arco eléctrico. La energía para soldaduras de fusión o termoplásticos frecuentemente procede del contacto directo con una herramienta o un gas caliente.

Procesos de Soldadura
El hecho de lograr una soldadura implica ciertos procedimientos que necesitan de fuerza para la adhesión, otros requieren de un metal de aporte y aplicación de energía térmica que derrita el mencionado metal; mientras que otras solamente necesitan determinada cantidad de energía.

Existen diversas formas de unir a los materiales, las cuales son conocidas como juntas y pueden ser desde las elementales hasta las más complejas. La aplicación de algún proceso estará determinada por el tipo de material que se emplee.

Soldadura Blanda
Consiste en la unificación de dos piezas de metal por medio de un metal, ­llamado de aporte que se aplica entre ellas en estado fundido. La temperatura de fusión de estos metales no es superior a los 430° C. En este proceso se produce una aleación entre los metales y con ello se logra una adherencia que genera la unión de los metales. En los metales de aporte por lo regular se utilizan aleaciones de plomo y estaño los que funden entre los 180 y 370° C.

Este proceso de soldadura es utilizado para la unión de piezas que no ­estarán sometidas a grandes cargas o fuerzas. Una de sus principales aplicaciones es la unión de elementos a circuitos eléctricos. Por lo regular el metal de aporte se funde por medio de un cautín y fluye por capilaridad.

Soldadura por Forja
Es el método de soldadura más antiguo y se realiza a través del calentamiento de las piezas a unir en una fragua hasta su estado plástico y posteriormente por medio de presión o golpeteo se logra la unión de las piezas. En este procedimiento no se utiliza metal de aporte y la limitación del proceso es que sólo se puede aplicar en piezas pequeñas y en forma de lámina. La unión se hace del centro de las piezas hacia afuera y debe evitarse la oxidación, para esto se utilizan aceites gruesos con un fundente, por lo regular se utiliza bórax combinado con sal de amonio.

Soldadura con gas
Incluye a todos los procesos que utilizan gases para producir la energía necesaria para calentar el material de aporte y que éste fluya entre las piezas a unir. Los combustibles más utilizados son el acetileno y el hidrógeno los que al combinarse con el oxígeno, como comburente generan las soldaduras autógena y oxhídrica.

La soldadura oxhídrica es producto de la combinación del oxígeno y el hidrógeno en un soplete. El hidrógeno se obtiene de la electrólisis del agua y la temperatura que se genera en este proceso es entre 1500 y 2000° C.

La soldadura autógena se logra al combinar al acetileno y al oxígeno en un soplete. Se le dice autógena debido a que con la combinación del combustible y el comburente se tiene autonomía para ser manejada en diferentes medios.

El acetileno se produce al dejar caer terrones de carburo de calcio en agua, en donde el precipitado es cal apagada y los gases, acetileno. Uno de los mayores problemas del acetileno es que no se puede almacenar a presión por lo que este gas se puede obtener por medio de generadores de acetileno o bien en cilindros los que para soportar un poco la presión 1.7 MPa, se les agrega acetona.

En los sopletes de la soldadura autógena se pueden obtener tres tipos de flama las que son reductora, neutral y oxidante. De las tres la neutral es la de mayor aplicación. Esta flama está ­equilibrada en la cantidad de acetileno y oxígeno que utiliza. Su temperatura en su cono luminoso es de 3500° C, en el cono envolvente se tienen 2100° C y en la punta extrema es de 1275° C.

En la flama reductora o carburizante hay exceso de acetileno lo que genera que entre el cono luminoso y el envolvente exista un cono color blanco cuya longitud esta definida por el exceso de acetileno. Esta flama se utiliza para la soldadura de monel, níquel, ciertas aleaciones de acero y muchos de los materiales no ferrosos.

La flama oxidante tiene la misma apariencia que la neutral excepto que el cono luminoso es más corto y el cono envolvente tiene más color. Esta flama se utiliza para la soldadura por fusión del latón y bronce. Una de las derivaciones de este tipo de flama es la que se utiliza en los ­sopletes de corte en los que la oxidación súbita genera el corte de los metales.

A veces en la soldadura autógena se utiliza aire como comburente lo que genera que la temperatura de la flama sea menor en un 20%, por lo que su uso es limitado a la unión sólo de algunos metales como el plomo.

En los procesos de soldadura con gas se pueden incluir aquellos en los que se calientan las piezas a unir y posteriormente, sin metal de aporte, se presionan con la suficiente fuerza para que se genere la unión.

Soldadura por Resistencia
Se hace pasar una alta corriente eléctrica a través de los metales que se van a unir, como en la junta de los mismos la resistencia es mayor que por sus cuerpos existe calentamiento en cual con un poco de presión es aprovechado para lograr la unión. La corriente eléctrica pasa por un transformador en el que se reduce el voltaje de 120 ó 240 a 4 ó 12 V y se eleva el amperaje considerablemente para elevar la temperatura. La soldadura por resistencia es aplicable a casi todos los metales, excepto el estaño, zinc y plomo. En los procesos de soldadura por resistencia se incluyen los de:

Soldadura por puntos: La corriente eléctrica pasa por dos electrodos con punta los que una vez que han permitido el calentamiento de las piezas aplican la presión generando un punto de soldadura. Las máquinas soldadoras de puntos pueden ser fijas o móviles o bien estar acopladas a un robot o brazo mecánico.

Soldadura por resaltes: Es un proceso similar al de puntos sólo que en ésta se producen varios puntos a la vez en cada ­ocasión que se genera el proceso. Los puntos están determinados por la posición de un conjunto de puntas que hacen ­contacto al mismo tiempo. Este tipo de soldadura se puede observar en la fabricación de malla lac.

Soldadura por costura: Es el enlace continuo de dos piezas de lámina traslapadas. La unión se produce por el calentamiento obtenido por la resistencia al paso de la corriente y la presión constante que se ejerce por dos electrodos circulares. Este proceso de soldadura es continuo.

Soldadura a tope: La unión de dos piezas con la misma sección que se presionan cuando está pasando por ellas la corriente eléctrica con lo que se genera calor en la superficie de contacto. Con la temperatura generada y la presión entre las dos piezas se logra la unión.

Soldadura por Inducción
Se produce debido al calor de la unión de las dos piezas por la resistencia que se tiene al flujo de la corriente eléctrica inducida. Por lo regular esta soldadura se ­logra también con presión. Consiste en la conexión de una bobina a los metales a unir, como la unión de los metales es la que más ­resistencia opone al paso de corriente inducida en esa parte es en la que se genera el calor, lo que con presión genera la unión de las dos piezas. La soldadura por inducción de alta frecuencia utiliza corrientes con el rango de 200.000 a 500.000 Hz de frecuencia, los sistemas de ­soldadura por inducción normales sólo utilizan frecuencias entre los 400 y 450 Hz.

Soldadura por Arco Eléctrico
La fusión se obtiene gracias al calor generado por un arco eléctrico entre la ­pieza y un electrodo. Por lo regular el electrodo sirve de metal de aporte el que con el arco eléctrico se calienta hasta que alcanza el estado líquido, para que así pueda ser ­depositado entre las piezas a unir. ­La temperatura que se genera en este proceso es superior a los 5500° C. La corriente que se utiliza en el proceso puede ser ­directa o alterna, utilizándose en la mayoría de las veces la ­directa, debido a la energía es más constante con lo que se puede generar un arco estable.

Las máquinas para corriente directa se construyen con ­capacidades hasta de 1000 A, con corrientes de 40 a 95 V. Mientras se efectúa la soldadura el voltaje del arco es de 18 a 40 A.

Las composiciones de los recubrimientos de los electrodos pueden ser orgánicas o inorgánicas y estas sustancias se pueden subdividir en las que forman escoria y las que son fundentes.

Soldadura por Vaciado
Con algunos materiales la unión no se puede hacer por los procedimientos ­antes descritos debido a que no fácilmente ­aceptan los metales de aporte como sus aleaciones. Para lograr la soldadura de estos metales en algunas ocasiones es ­necesario fundir el metal que se va a unir y vaciarlo entre las parte a unir, para que cuando solidifique una a las piezas. A ­este procedimiento se le conoce como fundición por vaciado

Soldadura por fricción
En este proceso la unión se logra por el calor que se genera por la fricción de una pieza que gira sobre otra con una presión. La temperatura que se genera en este proceso es tal que las piezas llegan a su ­estado plástico o hasta de fusión y al aplicar fuerza sobre ellas fácilmente se unen.

Soldadura Fuerte
Este procedimiento resultó el último de la lista, ya que en la industria del aire acondicionado y refrigeración es el método mayormente utilizado. A través de las soldaduras fuertes aplicadas en la ­industria HVAC&R se pueden evitar las indeseables fugas.

La soldadura fuerte se fundamenta también en un metal de aporte en estado ­líquido, no ferroso y cuyo punto de fusión es superior a los 430° C, pero en todo momento será inferior que la temperatura del metal base.

La característica común respecto a la soldadura fuerte tanto para aire acondicionado como refrigeración es el empleo de tubos de acero de bajo carbono, menor de 0.1 %, dúctiles y de alta tenacidad y tubos de Cobre (Cu) sin costura Tipo DHP, que tiene un contenido de Cu mínimo de 99,90%, fósforo residual entre 0,015-0,040% y 0,050% de Ni máximo permitido.

Se emplean tubos de diámetro exterior pequeño, entre 3,18 – 7,94 (mm); de paredes delgadas, entre 0,35 – 0,50 (mm) de ­espesor y tubos capilares de Cu, de diámetro exterior entre 2,0 – 2,5 (mm) y diámetro interior del orden de 1,0 (mm).

Estos metales presentan buena resistencia química a los líquidos y gases ­poco corrosivos empleados en climatización. La unión más común que se presenta es el empalme Cu°/ Cu°. En algunos sectores empalman tubos capilares de acero con tubos capilares de Cu de diámetro semejante produciéndose una unión Cu^o / Acero, dicha unión debe realizarse en forma cuidadosa.

Para las uniones Cu°/Cu° se recomienda emplear Aleaciones AWS B CuP-Ag (Cobre-Fósforo-Plata). El contenido de plata en estas aleaciones le confiere a la unión soldada mayor ductilidad y resistencia a la fatiga en comparación a uniones ­realizadas con aleaciones AWS B CuP (Cobre-Fósforo sin Plata); además, promueve la formación de uniones sanas libres de defectos superficiales y microestructurales asegurando su hermeticidad.

Esto hace más seguros y confiables los equipos ante solicitudes mecánicas excesivas, no se deforman, no se rompen y si están sometido a vibraciones, aumentan su vida útil en varios millones de ciclos. La experiencia aconseja que el contenido de Agº adecuado es del orden del 6 %.

Dentro del procedimiento de soldadura fuerte, existe otra clasificación de conformidad con la forma en que es empleado el metal de aporte:

•   Soplete: El calor se aplica con un soplete de manera local en las partes del metal a unir, el metal de aporte en forma de alambre se derrite en la junta. El sople­­te puede funcionar por medio de oxia­cetileno o hidrógeno y oxígeno.
•   Electricidad: La temperatura de las partes a unir se puede lograr por medio de resistencia a la corriente, por inducción o por arco, en los tres métodos el calentamiento se da por el paso de la ­corriente entre las piezas metálicas a unir.
•   Inmersión: El metal de aporte se introduce entre las dos piezas cuando éstas son introducidas en el metal que servirá de aporte, el que fluye entre las dos piezas por capilaridad o por gravedad.
•   Horno: El metal de aporte en estado sólido, se pone entre las piezas a unir, ­éstas son calentadas en un horno de gas o eléctrico, para que con la temperatura se derrita y genere la unión.

El proceso de soldadura fuerte también es conocido como Brazing y tiene la capacidad de  producir juntas herméticas a líquidos y gases industriales. Además, tienen óptimas propiedades mecánicas de resistencia, ductilidad, tenacidad y resistencia a la fatiga.

Los inconvenientes que suelen presentarse en la soldadura fuerte se dan a ­causa de diferentes variables. No obstante, la forma para evitar los problemas es entender los principios que rigen la soldadura ­fuerte. A continuación se presentan tres categorías que resultan fundamentales para una soldadura segura y sólida:

Separación
La soldadura se efectúa por actividad capilar. Para que haya suficiente de ­esta acción es necesario controlar la separación entre las partes. Investigaciones han señalado que la separación óptima a una ­temperatura de soldadura varía entre 0,0381 y 0,0762 mm (de 0,0015 a 0,003 pulg). Desde una perspectiva práctica, se pueden hacer juntas de soldadura aceptables con una separación mayor. A medida que aumenta la separación, sin embargo, el flujo de soldadura se reduce y resulta más difícil lograr el llenado capilar. A la inversa, se necesita que haya separación para proporcionar un espacio capilar. Si las partes están en contacto a través un relleno de ajuste forzado, el metal no puede fluir.

Diseño de Junta
Los problemas en el diseño de la soldadura fuerte surgen cuando las partes o piezas carecen de una separación razonable o se traslapan de manera inadecuada. Esto ocurre en el caso de juntas de tubos pequeños dentro de tubos más grandes, en juntas salientes y en montajes corrugados. Los tubos de cobre dentro de juntas de acero presentan otro problema, ya que el mayor coeficiente de expansión del cobre puede reducir la separación por la temperatura de soldadura y limitar el flujo de la aleación. El acceso puede estar obstaculizado si los diseños de montaje producen una junta en la cual el acercamiento está bloqueado por una estructura o un componente. Esto dificulta el calentamiento parejo de la conexión.

Limpieza
Los metales, al contacto con el aire, tienden a oxidarse en menor o mayor grado dependiendo de su capacidad de reacción química, el cobre forma dos óxidos según la reacción con que se combine. Una de las características principales de los metales es el aspecto brillante que presentan, cuando el cobre se oxida pierde su brillantez, presentando un aspecto opaco.

De ahí la importancia de la limpieza (con lija) anterior a la aplicación de la soldadura de las tuberías y conexiones a unir. En una unión hecha correctamente las superficies se humedecen con el estaño de la soldadura. El lazo de unión químico no puede tener lugar sin la superficie metálica.

Vale la pena acotar que no se debe dejar la acción limpiadora al fundente y se recomienda insistentemente que no se usen fundentes que contengan ácidos u otros agentes que se agreguen para que actúen de limpiadores.

El fundente tiene una función muy apropiada, debe disolver o absorber los óxidos, en la superficie del metal y en la de ­soldadura, que se formen durante la operación de soldadura. O si se ve en otra forma, debe evitarse la formación de óxidos mientras se sueldan las superficies limpiadas previamente. Con este fin el fundente debe pegarse tan ligeramente a la superficie metálica que la soldadura pueda sacarlo de ahí conforme avanza sobre la superficie.

Conclusión de la Soldadura Fuerte
Para establecer la resistencia de una unión es apropiado considerar si la misma está o no completamente llena. En el caso de que el proceso sea llevado a cabo por un profesional o técnico ­capacitado, la unión quedará llena porque el espacio capilar está correcto, además, la unión se calentará a la temperatura adecuada, porque la junta se habrá limpiado bien y del mismo modo habrá recibido la cantidad adecuada de fundente.

Una óptima soldadura fuerte dependerá de la selección del material de aporte; una apropiada escogencia del fundente o desoxidante para soldar; un ­correcto ­diseño de la unión; una conveniente temperatura de aplicación y ­velocidad del procedimiento de soldadura; así como un acertado ajuste de ­mezcla de gases de combustión.

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Fuentes consultadas:

www.nacobre.com.mx

www.argenta.cl