La soldadura por resistencia por puntos (RSW) es un proceso muy robusto para la unión de materiales metálicos. Si bien la industria de la soldadura por resistencia (RW) está en constante evolución, la llegada de las fuentes de alimentación de corriente continua de frecuencia media (MFDC), junto con los modernos sistemas de control de soldadura, ha supuesto una mejora significativa en la estabilidad y el control del proceso RSW. La capacidad del sistema de control de soldadura, configurado correctamente, para utilizar diversas entradas (voltaje, etc.) y ajustar parámetros específicos durante el proceso de soldadura, además de registrar los resultados para su posterior análisis, fue sencillamente revolucionaria. Una de las principales razones es que permitió a los profesionales de la soldadura por resistencia observar el proceso de soldadura en tiempo real. Los avances logrados en este sentido son realmente increíbles.
Sin embargo, incluso si se trata de un proceso RSW robusto y certificado según el procedimiento especificado, una vez realizada la soldadura, ¿cómo determinamos su aceptabilidad? Desde mi punto de vista, las preguntas sobre la aceptabilidad de una soldadura a veces implican tanto un debate sobre la naturaleza filosófica de la soldadura como sobre sus aspectos físicos. Esto se debe a que no es posible establecer con certeza qué proceso de evaluación o criterios de aceptación se pueden utilizar para determinar la calidad de una soldadura. La razón principal es que no existe una definición o comprensión universalmente aceptada de lo que constituye una soldadura satisfactoria. En pocas palabras, una soldadura que puede ser satisfactoria para una aplicación o material puede no serlo para otro. Un aspecto importante para determinar los requisitos de calidad de la soldadura es comprender los procedimientos de ensayo disponibles capaces de caracterizarla.
Existen potencialmente muchas formas diferentes de determinar la aceptabilidad de una soldadura, entre las que se incluyen el uso de métodos de evaluación tanto destructivos como no destructivos (NDE). Cabe señalar que los diversos métodos de evaluación no destructiva son cada vez más fiables y constituyen, con toda razón, una parte integral de cualquier programa de calidad de soldadura por puntos. Además, permiten reducir, e incluso eliminar por completo, algunos de los métodos de evaluación destructiva. Dicho esto, el proceso de evaluación destructiva sigue teniendo su lugar, y uno de los elementos destructivos más comunes que se emplean es la separación mecánica de las piezas soldadas por puntos en cuestión.
Se reconoce que la separación destructiva de las soldaduras por puntos tiene sus propias limitaciones. Entre ellas se incluyen, aunque no se limitan en absoluto a ello, el coste asociado a los residuos, los requisitos de tiempo e instalaciones necesarios para llevar a cabo la tarea, y la posible dificultad para separar algunos conjuntos. Es este último punto (la dificultad de separación) el que realmente cobra importancia para los profesionales, ya que el acero utilizado en muchas estructuras de carrocerías de automóviles ha ido evolucionando a lo largo de los últimos años. Por último, aunque el siguiente análisis es potencialmente aplicable a las aleaciones no ferrosas (como el aluminio, etc.), estas no suelen presentar tantos problemas en sus evaluaciones destructivas como las que trabajan con acero y otras aleaciones ferrosas (como el acero inoxidable, etc.), simplemente debido a su menor resistencia.
Dicho esto, puede resultar muy revelador lo que se descubre una vez separadas las soldaduras. Sin embargo, antes de continuar, quizá sea un buen momento para definir de antemano algunos de los términos que vamos a utilizar para referirnos a las soldaduras por puntos una vez separadas.
- Núcleo: Estructura de refundición creada por el proceso de soldadura por puntos. Para nuestros fines, la mejor manera de examinar esto es mediante una evaluación metalográfica en sección transversal.
- Botón: La parte de la soldadura por puntos, que incluye todo o parte del núcleo, que se desprende durante el proceso de evaluación destructiva.
- Superficie de contacto: La interfaz entre los materiales metálicos que se unen.
- Modo de fractura de quiebre: El aspecto de la soldadura por puntos tras la evaluación destructiva. Las posibles variantes incluyen el desprendimiento del botón, la fractura de quiebre de espesor parcial, la fractura de quiebre interfacial completa o cualquier combinación de las tres.
- Área fusionada: El área medible del núcleo en la superficie de contacto. Puede incluir el desprendimiento del botón, la fractura de quiebre de espesor parcial, la fractura de quiebre interfacial completa o cualquier combinación de las tres.
Un poco de historia
Para responder a la pregunta de cómo interpretar una soldadura por puntos tras su separación destructiva, es necesario repasar y comprender la visión predominante entre los expertos en soldadura por puntos de resistencia (RSW) en lo que respecta a la integridad de la soldadura antes de la llegada de los aceros avanzados de alta resistencia (AHSS). Véase la figura 1 a continuación para obtener más detalles sobre la comparación entre el acero convencional y los AHSS.
Desde el punto de vista de la calidad y la ingeniería, se consideraba deseable obtener un botón durante la evaluación destructiva de una soldadura por puntos de resistencia. Se consideraba que la presencia de un botón de tamaño adecuado sería prueba de la capacidad de la soldadura para proporcionar las propiedades técnicas necesarias (resistencia, absorción de energía, etc.) para la aplicación. La definición de «tamaño adecuado» variaba de un fabricante a otro, pero todos coincidían en que los botones de soldadura eran necesarios.
Los botones de soldadura también ofrecían otras ventajas. Desde el punto de vista de la calidad, ofrecían, dentro de los límites de la repetibilidad y reproducibilidad del operario, un método objetivo para determinar la calidad de una soldadura. Una ventaja adicional era que el tamaño del botón de soldadura podía ser objeto de seguimiento y análisis de tendencias a lo largo del tiempo, por lo que la calidad de la soldadura podía utilizarse de manera proactiva para evaluar y, si fuera necesario, mejorar la solidez del proceso.
El acero gana en resistencia
Sin embargo, la necesidad de utilizar materiales más resistentes, como los aceros de alta resistencia y baja aleación (HSLA), en secciones cada vez más rígidas empezó a afectar a la capacidad de la evaluación destructiva para producir botones de soldadura de forma sistemática. Lo que ocurría era que, a mayores espesores, se requería menos esfuerzo para provocar la rotura a través del núcleo de soldadura que para cortar la zona periférica. Esto significaba que, a menudo, no se conseguían extraer botones de los materiales más gruesos.
Una forma de solucionar este problema y garantizar la formación de botones fue aumentar el tamaño mínimo de soldadura (MWS) requerido. Esta idea contó con el apoyo no solo de la comunidad de inspectores, sino también de la comunidad de diseñadores (ref., «Ultimate Strength and Failure Mode of Spot Welds in High Strength Steels», D. J. VandenBossche, SAE Paper 770214 – Publicado en febrero de 1977), quienes consideraban que se necesitaban soldaduras más grandes para aprovechar al máximo las propiedades de los materiales más resistentes.
Sin embargo, existen limitaciones que restringen el tamaño potencial al que se puede aumentar una soldadura. Concretamente, desde un punto de vista práctico, el tamaño que puede alcanzar una soldadura por puntos para que su producción sea económica y robusta. Además, pronto se hizo evidente que un aumento del tamaño de la soldadura puede alcanzar rápidamente un punto de rendimiento decreciente en lo que respecta al aumento de las propiedades mecánicas (resistencia, etc.).
Dado que la opinión generalizada, basada en ensayos con aceros convencionales, sostenía que las soldaduras que producían un «botón completo» superior al tamaño mínimo requerido en la evaluación destructiva proporcionaban una resistencia adecuada, es lógico que nadie relacionado con la soldadura por puntos de resistencia considerara aceptables las soldaduras que presentaban modos de fractura de quiebre de quiebre distintos al «botón completo». El desafío a esta línea de razonamiento se presentó en forma de soldaduras por puntos que requerían una fuerza considerable para separarse, producían una deformación significativa del material, pero daban lugar a la formación de (al menos en aquel momento) un modo de fractura de quiebre de quiebre indeseable.
La motivación inicial para investigar la viabilidad de diferentes modos de fractura de quiebre fue la retroalimentación procedente de las instalaciones de fabricación. El personal que trabajaba duro en la planta se enfrentaba a situaciones únicas y buscaba ayuda de los departamentos de ingeniería de sus empresas. En ese momento, cada fabricante de equipos originales (OEM) comenzó a abordar el problema. Entre las muchas preocupaciones que había que abordar no solo estaba la capacidad de mantener la resistencia de las soldaduras que producían, sino también cómo inspeccionarlas y determinar su aceptabilidad.
A pesar de las pruebas que indicaban que se podía alcanzar una resistencia considerable mediante una soldadura por puntos de resistencia que no generara un bulto de soldadura, no fue hasta la aparición del acero de alta resistencia (AHSS) cuando se consolidó el cambio de mentalidad que se había iniciado con la llegada del acero de alta resistencia y baja aleación (HSLA). El resultado final de este trabajo se puede consultar en la
Tabla 1 que figura a continuación.
Caracterización mediante los modos de fractura de quiebre de quiebre
El sector de la soldadura en su conjunto comenzó a abordar la cuestión de la comprensión de los modos de fractura de quiebre a través de las reuniones de los comités de normalización tanto de la Sociedad Americana de Soldadura (AWS)* como de la Asociación Auto/Steel (A/SP)**. Estas reuniones de los comités pusieron de manifiesto que estas preocupaciones estaban muy extendidas en el sector y que cada fabricante de equipos originales (OEM) abordaba la cuestión de los modos de fractura de quiebre en la soldadura por puntos por resistencia desde una perspectiva ligeramente diferente. La realidad era que, a pesar de las variaciones en sus soluciones, estaban abordando una preocupación común. Concretamente, ¿requiere una soldadura por puntos por resistencia satisfactoria un botón cuando se separa mecánicamente y, de no ser así, ¿qué se necesita en su lugar como prueba de una soldadura aceptable?
El enfoque adoptado para abordar estas cuestiones fue en ocasiones laborioso y requirió el arduo trabajo y la dedicación de profesionales de múltiples facetas de la comunidad de la soldadura, incluyendo la fabricación, la base de suministro y la investigación. Un resumen de sus esfuerzos incluye la identificación de ocho modos de fractura de quiebre distintos (véase la Tabla 1 más abajo) y el establecimiento de tres elementos críticos que deben caracterizarse para determinar la disposición de la soldadura por puntos por resistencia: el tamaño del área fusionada, la presencia de deformación del metal base y la relación de aspecto calculada (basada en el valor de los diámetros mayor y menor del área fusionada).
Los modos de fractura de quiebre enumerados anteriormente son una combinación de los tres (3) resultados posibles (aparte de la ausencia de fusión) cuando se separa una soldadura por puntos: fractura de quiebre por arrastre del botón, fractura de quiebre de espesor parcial y/o fractura de quiebre interfacial. Aunque pueda parecer bastante básico, la creación de estos modos supuso un gran avance y proporcionó a la comunidad de soldadores la capacidad de caracterizar completamente las soldaduras por puntos en cualquier material.
obtener más detalles, se recomienda consultar la última versión de estas especificaciones.
- AWS C1.1 (Prácticas recomendadas para la soldadura por resistencia)
- AWS D8.1M (Especificación para la calidad de la soldadura en la industria automovilística: soldadura por puntos por resistencia del acero)
- AWS D8.2M (Especificación para la calidad de la soldadura en la industria automovilística: soldadura por puntos por resistencia del aluminio)
El uso generalizado del acero de alta resistencia (AHSS) puso de relieve la idea de que puede haber más de una forma de evaluar la calidad de una soldadura por puntos por resistencia. Al igual que el acero de alta resistencia (AHSS) obtiene sus propiedades únicas mediante métodos distintos a los de los tipos de acero más convencionales, la comunidad de soldadores también debe analizar el producto final desde una perspectiva diferente al soldar estos materiales únicos.
*La Sociedad Americana de Soldadura (AWS) (www.aws.org) es una organización sin ánimo de lucro dedicada a promover la ciencia, la tecnología y la aplicación de la soldadura y los procesos afines de unión y corte, incluyendo la soldadura fuerte, la soldadura blanda y la pulverización térmica.
**La Auto/Steel Partnership (A/SP) (www.a-sp.org) es un consorcio profesional formado por fabricantes de equipos originales (OEM) tanto del sector automovilístico como del siderúrgico.
***Las imagines de la Tabla 1 son cortesía de mi antiguo supervisor y mentor, Jim Dolfi. Después de que Jim se jubilara de Ford, seguimos en contacto hablando de todo tipo de temas, aunque normalmente acabábamos hablando de soldadura. Estas imágenes proceden de documentos que él compartió sobre los primeros tiempos en los que se intentaba comprender los problemas de separación de las soldaduras. Versiones posteriores de estas imágenes han aparecido en todo tipo de documentación, incluidas las normas de la AWS mencionadas anteriormente. Lo que Jim compartió eran imágenes incrustadas que no se podían editar, de ahí la fuente en rojo. Gracias por compartirlo, Jim. Descansa en paz, amigo mío.
Donald F. Maatz, Jr. trabaja en Milco Manufacturing, donde ocupa el cargo de ingeniero superior de soldadura. Ha sido presidente de la sección de Detroit de la AWS, forma parte de los comités de soldadura automotriz D8 y D8.9, es presidente del comité D8D y asesor del comité de soldadura por resistencia C1; además, es CWI acreditado por la AWS e instructor de la Escuela RWMA. Es licenciado en Ingeniería de Soldadura por la Universidad Estatal de Ohio. Este artículo no habría sido posible sin la ayuda de los miembros del equipo de Milco. Envía tus comentarios o preguntas a Don a dmaatz@milcomfg.com.
