Soldadura al vacío: cómo la ausencia de materia ayuda en la unión de metales

La soldadura al vacío es un fenómeno, a veces natural y a veces fruto de la intervención humana, por el cual dos metales se unen en condiciones de ausencia de materia. Cuando se lanzó el satélite Galileo para orbitar alrededor de Júpiter, su antena no logró desplegarse debido a un conjunto de fallos que incluía la soldadura al vacío del titanio de las piezas que debían deslizarse: en la atmósfera de la tierra la capa de óxido que se forma en la superficie de los metales (además de otras impurezas ambientales) actúa como barrera que impide que los iones de dos piezas diferentes se unan solidificándose en una sola, mientras que en una atmósfera de vacío se produce esta unión. En este apartado de la Wikipedia se explica qué pasó con la antena de este satélite.

En general utilizamos el término «soldadura al vacío» para referirnos a la soldadura en frío como la que se produjo accidentalmente en el espacio con Galileo, y que explicamos en este post. Sin embargo, la unión de dos metales en una atmósfera de vacío también puede producirse en caliente, como la soldadura por haz de electrones, que implica una cámara de vacío para no dispersar las partículas, o la soldadura por láser, que aunque se puede llevar a cabo en atmósferas normales, puede sacar partido de las condiciones de vacío para lograr unos resultados más precisos.

En este post hablaremos primero de qué entendemos por soldadura al vacío como sinónimo de soldadura en frío, y después nos referiremos a procesos de soldadura térmica que se llevan a cabo en condiciones de vacío en la industria.

Cementación o soldadura en frío: ¿qué es?

La soldadura en frío o por contacto se refiere al proceso por el que dos piezas metálicas se unen sin necesidad de fusionar un elemento que las articule, como sí que ocurre en la soldadura en caliente o por fusión. Fue en la década de los años 40 del siglo XX que se descubrió que dos metales similares con una superficie plana y libre de impurezas se podían adherir si se aplicaba presión y vacío apropiados. De ahí que la soldadura o cementación en frío también se llamen soldadura al vacío o cementación al vacío.

Para que pueda llevarse a cabo este tipo de unión, la capacidad de los metales de reaccionar con el oxígeno del aire debe ser muy baja, de manera que la capa de óxido que forma no actúe de barrera en la unión de los iones de ambas piezas mediante electricidad estática. Si esta capacidad es realmente baja, como ocurre con algunos metales como el indio o el galio, con la aplicación de presión puede ser suficiente para llevar a cabo la soldadura, sin necesidad de vacío, aunque la unión también puede resultar de la fricción, el rozamiento, el impacto, etc.

Los metales susceptibles de ser soldados al vacío en frío són los dúctiles y blandos (cobre, plomo, aluminio, etc.), hecho que excluye a los ferrosos y con contenido en carbono (hierro, acero, etc.) Requieren una limpieza exhaustiva para eliminar impurezas que puedan actuar de barrera en la unión antes de someterse al vacío para eliminar el aire que pueda oxidar la superficie.

Soldadura por fusión o en caliente: ¿qué es?

La soldadura en caliente es aquella que implica la fusión (un metal en estado líquido) para sellar una unión. Incluye los procesos tradicionales que nos suelen venir a la mente cuando pensamos en soldadura, como la soldadura por arco eléctrico (que usa una fuente de energía y un electrodo), por gas o por resistencia, entre otros. También incluye los de rayo de energía concentrada, que describiremos a continuación.

Soldadura por haz de electrones

La soldadura por haz de electrones es otro tipo de unión de metales que requiere una atmósfera de vacío necesariamente, de la misma manera que una soldadura en frío.

Tal como explicamos en este post, esta soldadura implica una corriente de electrones emitida por un cañón o pistola alimentado con corriente que rebotan contra la superficie a soldar. La energía cinética de estas partículas se transforma en energía térmica que funde el metal para que los iones de ambas piezas se unan, y al solidificarse la unión queda fuerte y resistente.

Para evitar que los electrones generados por el cañón o pistola colisionen con las partículas del aire y pierdan precisión, este proceso debe hacerse bajo vacío, dentro de una cámara de la que una bomba de vacío extraiga el máximo posible de materia. De esta forma se obtiene una soldadura de alta calidad, de una sola pasada incluso en piezas de gran grosor, con una alta eficiencia energética.

Soldadura por rayo láser

La soldadura por rayo láser también utiliza un haz, en este caso de luz altamente enfocada (láser). Este haz funde el material que permitirá unir las dos piezas. La soldadura por láser suele llevarse a cabo a presión atmosférica normal, de manera que requiere de un gas que actúe de escudo contra el oxígeno y así evitar la disipación del láser.

Sin embargo, llevar a cabo este tipo de soldadura en un vacío permite que no se forme la columna de vapor de metal caliente que genera el haz (y que provoca salpicaduras) y reduce el punto de fusión del metal, permitiendo una profundidad de penetración en la pieza mucho mayor, logrando una soldadura de calidad en menos pasadas incluso en piezas gruesas, como ocurre con la soldadura por haz de electrones, y un cordón de soldadura libre de óxido. Este descenso del punto de fusión también permite desperdiciar menos energía.

En general, las ventajas de la soldadura por láser en un entorno de vacío incluyen:

• Un aumento de la profundidad de la soldadura
• Un aumento de la estabilidad del proceso, permitiendo una mayor automatización
• Una reducción de la contaminación de la pieza por salpicaduras y vaporización de material
• Una mayor calidad con una menor porosidad en las costuras de la soldadura
• Una reducción de los costes operativos gracias a una mayor eficiencia
• Una eliminación del gas inerte necesario a presión ambiental
• Una ausencia de riesgo de rayos X
• Idoneidad del proceso también en materiales magnéticos

Equipos necesarios para la soldadura al vacío

Para soldar un metal al vacío, sea en frío o por fusión, se requiere una cámara de vacío adecuada a las características de las piezas a trabajar, en forma y tamaño, con una abertura para introducir y extraer las piezas y conectada a una bomba de vacío que extrae la materia del receptáculo y la expulsa a presión. Aunque una forma cúbica suele ser lo habitual, también pueden construirse cámaras cilíndricas. El tamaño, por su parte, no puede ser excesivo ya que esto influye en los tiempos de evacuación, que a su vez afectan a la longitud de los ciclos de soldadura, que pueden ser de unos 40 segundos. Por lo tanto, existe una limitación en el tamaño y la forma de las piezas a soldar en estos procesos.

Marpa Vacuum, proveedor de soluciones de vacío para soldadura

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