La soldadura por resistencia por puntos, al igual que el resto de los procesos de estado sólido, se basa en la resistividad intrínseca del material como medio para generar calor cuando se hace pasar una corriente a través de él. Este fenómeno físico se describe mediante la primera ley de Joule (también conocida como ley de Joule-Lenz), que establece que el calor (Q) generado por un conductor eléctrico es igual a la corriente (I) multiplicada por la tensión (V) y el tiempo (t) durante el cual se permite que fluya la corriente, es decir, Q = IVt. La ley de Ohm establece que el voltaje (V) es igual a la corriente (I) multiplicada por la resistencia (R), o V = IR. Esto significa que la ley de Joule también puede escribirse (tras una sustitución) como Q = I²Rt.
En otras palabras, la cantidad de calor que se transmite a la soldadura es igual al cuadrado de la corriente multiplicada por la resistencia y el tiempo durante el cual la corriente circula por la soldadura. Nota al margen: esta ecuación supone que la resistencia eléctrica y la corriente son constantes, lo cual no siempre es así en la soldadura por resistencia.
Para comprender mejor el calentamiento por resistencia (y, por extensión, la soldadura por resistencia), puede resultar útil ver cómo se relacionan algunos materiales entre sí en lo que respecta a su resistividad volumétrica. A efectos de este análisis, nos limitaremos a unos pocos materiales habituales en nuestra vida cotidiana. Por último, la resistividad se simboliza con la letra griega «rho» (ρ) y se mide en «ohm-metros» (Ω•m). Consulte la Tabla 1 a continuación para ver algunos ejemplos.
Tabla 1: Resistividad volumétrica de los materiales
| Material | Resistivity (ρ) Ω•m* | Observaciones |
|---|---|---|
| Plata | 1.59 x 10-8 | |
| Cobre | 1.68 x 10-8 | |
| Aluminio | 2.82 x 10-8 | Aproximadamente 1/3 de la del hierro |
| Níquel | 6.99 x 10-8 | |
| Hierro | 10.1 x 10-8 | Aproximadamente 3 veces la del aluminio |
| Nicromo | 110 x 10-8 | Elemento para cocinas eléctricas |
Como se ha visto anteriormente, puede haber una gran diferencia entre la resistividad volumétrica de los materiales con los que tratamos en nuestra vida cotidiana. Unas cuantas observaciones rápidas:
- El cobre tiene un valor muy bajo de resistividad volumétrica. Esto significa que es un buen conductor. Es precisamente esta baja resistividad volumétrica la que nos permite soldar tanto aleaciones de aluminio como de hierro con electrodos de cobre, sin que estos se suelden a la pieza (bueno, en la mayoría de los casos…).
- La diferencia de resistividad volumétrica entre el aluminio y el hierro es significativa (aproximadamente un factor de 3). Sin embargo, no es tan grande como para que no podamos relacionar uno con el otro. Es algo así como hablar con alguien del Reino Unido: un idioma común con algunas diferencias.
Entonces, ¿cómo nos ayuda la información mencionada a utilizar el proceso RSW para unir las distintas aleaciones de aluminio, o cualquier otro material? Parte de la respuesta radica en la cantidad de calor que genera el material cuando se le hace pasar corriente, y aquí es donde entra en juego la resistividad volumétrica. Anteriormente mencionamos que el calor total en una soldadura puede expresarse como Q = I²Rt. Teniendo esto en cuenta, tiene sentido que, al comparar el aluminio con el hierro, necesitemos más corriente o más tiempo de soldadura para compensar la diferencia en la reducción del calor total debida a esta pérdida de resistencia. Sin embargo, como suele ocurrir, no podemos centrarnos únicamente en una propiedad del material, en este caso la resistividad volumétrica, a la hora de determinar la mejor forma de realizar una soldadura por puntos por resistencia.
Para comprender mejor cómo se va a unir el aluminio mediante soldadura por puntos por resistencia, debemos tener en cuenta otras dos propiedades fundamentales del material. Se trata del punto de fusión y del intervalo de plasticidad del aluminio, así como de cómo se relacionan ambos con el hierro. Los datos concretos se recogen en la Tabla 2 que figura a continuación:
Tabla-2: Propiedades de los materiales: Acero vs. Aluminio
| Propiedad del material | Aluminio | Hierro |
|---|---|---|
| Punto de fusión | 660 ⁰C | 1538 ⁰C |
| Intervalo de plasticidad | ~93 ⁰C | ~538 ⁰C |
Como se puede ver arriba, hay una gran diferencia. Concretamente, el punto de fusión del aluminio es mucho más bajo y el intervalo de fusión del plástico, mucho más reducido. Entonces, ¿qué significa esto?
Para empezar, esto significa que la cantidad de calor necesaria para alcanzar las temperaturas de fusión de un volumen equivalente de aluminio es, en realidad, menor que la del hierro. Sin embargo, debido a su punto de fusión más bajo, el aluminio alcanza su rango plástico a una temperatura mucho más baja que el hierro. Esto puede dificultar el mantenimiento de suficiente material plástico para contener el núcleo fundido en el caso de las aleaciones de aluminio. Traducción: El margen de trabajo real disponible para crear una soldadura por puntos aceptable en aluminio será menor que en el hierro, ya que disponemos de una variación admisible más estrecha tanto en la corriente como en el tiempo de soldadura.
Ahora sabemos cuál es nuestro reto. Para utilizar con éxito el proceso RSW en la unión de aluminio, debemos tener en cuenta su menor resistividad volumétrica (en comparación con el hierro), su punto de fusión y su rango de plasticidad. Para ayudar a conciliar todos estos aspectos, la siguiente regla empírica puede resultar útil. Como todas las reglas empíricas, pueden situarte en la zona correcta, quizá incluso en el código postal adecuado. Sin embargo, se necesitará un poco de delicadeza para llegar a la dirección correcta (o al programa de soldadura).
Existen numerosas tablas de soldadura normalizadas para el proceso RSW, y se presentan en diversos formatos (véanse las referencias 1 y 2). Teniendo esto en cuenta, ¿es posible relacionar la información contenida en una tabla de soldadura de acero con la de aluminio? Y, lo que es más importante, ¿cómo ha tenido en cuenta la industria de la soldadura las diferencias entre estos dos materiales? La respuesta breve es un «sí» con reservas. Aunque no es exacto, un análisis de las tablas de soldadura tanto del acero (por ejemplo, HSLA sin recubrimiento) como del aluminio debería arrojar las siguientes aproximaciones. Yo las denomino las Reglas del 3-1-1/3.
Regla 3: El valor típico de corriente indicado para el aluminio será aproximadamente tres veces mayor que el del acero, para un calibre y un espesor de metal de referencia (GMT) determinados.
- Este mayor requerimiento de corriente se debe tanto a la menor resistividad volumétrica del aluminio —necesaria para generar el calor requerido para la fusión— como al calor que el material circundante absorbe de la soldadura.
- Un caso en el que esta regla no se cumple es cuando la superficie del aluminio se acaba de limpiar (por ejemplo, en algunas aplicaciones aeroespaciales). En estos casos, no es raro que la corriente secundaria requerida sea cuatro veces (o más) superior a la que se observaría en el acero.
Regla 1: La fuerza de soldadura, tanto para el acero como para el aluminio, para un espesor y un GMT determinados, será aproximadamente la misma.
- Debe haber una cierta cantidad de material base no afectado que rodee el núcleo de soldadura que se está formando y, aunque depende de muchos factores, al aluminio y al acero les conviene más o menos la misma fuerza de soldadura.
- A efectos de este análisis, no nos referimos a la fuerza de forjado de la que pueden beneficiarse muchos tipos de aluminio (piensa en las series tratables térmicamente) al ser unidos mediante el proceso RSW. Ese es un tema completamente distinto, pero basta con decir que la fuerza de forjado será mucho mayor (al menos un 50 % más).
Regla del 1/3: El tiempo de soldadura necesario para el aluminio será aproximadamente un tercio del requerido para el acero, para un espesor y un GMT determinados.
- Aquí es donde el estrecho margen del plástico cobra verdadera relevancia. Este estrecho margen implica que la ventana de proceso para el aluminio es más reducida. En consecuencia, hay que utilizar un valor más bajo, y muy preciso, para el tiempo de soldadura.
- Una forma de abordar la necesidad de este tiempo de soldadura más exacto (o específico) es asegurarse de utilizar las tablas de programas de soldadura de manera que lo permitan. Para ser más específicos, esto significa que, si el espesor determinante de la soldadura RSW de aluminio en cuestión tiene un valor entre dos líneas diferentes de la tabla de programas de soldadura, se recomendaría determinar, mediante interpolación, ratios o un cálculo del punto medio, un valor más exacto del tiempo de soldadura para el espesor en cuestión.
Ahora que ya tenemos una idea de cómo realizar una soldadura por puntos por resistencia en aluminio, el siguiente paso es comprender que no todos los aluminios son iguales. Sea cual sea la aleación o su proceso de tratamiento posterior, las especificaciones completas deben detallar la información necesaria.
Una vez determinado el tipo de aleación de aluminio con el que se está trabajando, el siguiente paso es utilizar esta información y consultar una tabla de compatibilidad para ver cuál es la mejor manera de proceder. Estas tablas están disponibles en diversas fuentes, como la norma AWS C1.1 o el manual de la RWMA. Sea cual sea su origen, al final tratan de establecer cuatro (4) aspectos básicos:
- La facilidad para soldar la combinación en cuestión. Esta categoría suele clasificarse en grados de dificultad, y puede llegar incluso a incluir una recomendación de no soldar juntos los materiales en cuestión.
- Los requisitos de limpieza previa. Estos pueden variar desde que no sea necesaria (algo muy poco habitual) hasta que la superficie requiera una limpieza química y/o mecánica para poder realizar la soldadura. Cabe destacar que no he visto cómo se incluyen en estas tablas los tratamientos previos de superficie disponibles actualmente en el mercado. Si su material tiene un recubrimiento de este tipo, podría ser conveniente consultar con el fabricante.
- La resistencia a la corrosión del metal de soldadura resultante. En concreto, es tan buena como la del metal base o no lo es.
- El reconocimiento de que la tabla está incompleta. Al igual que con los tratamientos previos de la superficie, el mundo de los materiales base está en constante evolución, por lo que es posible que tenga que ponerse en contacto con el fabricante para ver cuál es la compatibilidad con su material.
Una vez resuelta la cuestión de la compatibilidad, solo queda aplicar los principios básicos de la soldadura por puntos por resistencia para realizar la soldadura. Si se utiliza un equipo del tamaño adecuado, que incluya una fuente de alimentación adecuada, con las puntas de electrodo correctas, en piezas diseñadas correctamente, es casi imposible no obtener un proceso rentable y robusto. Por eso, a pesar de todos los demás métodos maravillosos para unir materiales metálicos, la soldadura por puntos por resistencia no va a desaparecer en un futuro próximo.
Figura 1: Fotografía de una soldadura por puntos en aluminio desprendido. La medida que se muestra es precisa, ya que el tamaño mínimo de soldadura (MWS) requerido para esta aplicación era bastante grande en relación con el espesor del material.
Figure-1: Photo of a peeled aluminum spot weld. The measurement displayed is accurate as the required MWS (minimum weld size) for this application was rather large relative to the material gauge.
Referencias:
) Manual de soldadura por resistencia, 4.ª edición revisada
2) AWS C1.1M/C1.1:2019, Prácticas recomendadas para la soldadura por resistencia
Donald F. Maatz, Jr. trabaja en Milco Manufacturing, donde ocupa el cargo de ingeniero sénior de soldadura. Es expresidente de la sección de Detroit de la AWS, forma parte de los comités de soldadura automotriz D8 y D8.9, es presidente del D8D y asesor del comité de soldadura por resistencia C1, 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. Envíe sus comentarios o preguntas a Don a dmaatz@milcomfg.com