Fundente (metalurgia)

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En metalurgia , un fundente es un agente químico reductor , agente de fluidez o agente purificador. Los fundentes pueden tener más de una función a la vez. Se utilizan tanto en la metalurgia extractiva como en la unión de metales .

Algunos de los primeros fundentes conocidos fueron el carbonato de sodio , la potasa , el carbón vegetal , el coque , el bórax , ^[1] la cal , ^[2] el sulfuro de plomo ^[3] y ciertos minerales que contenían fósforo . El mineral de hierro también se utilizaba como fundente en la fundición del cobre. Estos agentes cumplían varias funciones, la más simple era la de agente reductor, que impedía que se formaran óxidos en la superficie del metal fundido, mientras que otros absorbían impurezas en la escoria , que podía rasparse del metal fundido. ^[4]

Los fundentes también se utilizan en fundiciones para eliminar impurezas de metales no ferrosos fundidos, como el aluminio , o para añadir oligoelementos deseables, como el titanio .

Como agentes reductores, los fundentes facilitan la soldadura blanda , fuerte y blanda al eliminar la oxidación de los metales que se van a unir. En algunas aplicaciones, el fundente fundido también sirve como medio de transferencia de calor, lo que facilita el calentamiento de la unión mediante la herramienta de soldadura.

En los procesos de unión de metales a alta temperatura ( soldadura , soldadura fuerte y soldadura blanda ), los fundentes son casi inertes a temperatura ambiente, pero se vuelven fuertemente reductores a temperaturas elevadas, lo que evita la oxidación de los materiales de base y de relleno. La función del fundente es típicamente doble: disolver los óxidos ya presentes en la superficie del metal para facilitar la humectación por el metal fundido y actuar como una barrera de oxígeno al recubrir la superficie caliente, evitando la oxidación.

Por ejemplo, la soldadura de estaño y plomo ^[5] se adhiere muy bien al cobre metálico, pero no tanto a sus óxidos, que se forman rápidamente a temperaturas de soldadura. Al evitar la formación de óxidos metálicos, el fundente permite que la soldadura se adhiera a la superficie metálica limpia, en lugar de formar gotas, como ocurriría en una superficie oxidada.

En la soldadura de metales, el fundente cumple una triple función: elimina cualquier metal oxidado de las superficies a soldar, impide la entrada de aire, evitando así una mayor oxidación, y mejora las características de humectación de la soldadura líquida. ^[6] Algunos fundentes son corrosivos , por lo que las piezas deben limpiarse con una esponja húmeda u otro material absorbente después de soldar para evitar daños. En electrónica se utilizan varios tipos de fundentes. ^[7]

Existen varias normas que definen los distintos tipos de fundentes. La norma principal es la J-STD-004.

Se pueden utilizar varias pruebas, incluida la prueba ROSE , después de soldar para verificar la presencia de contaminantes iónicos u otros que podrían causar cortocircuitos u otros problemas.

La soldadura fuerte (a veces conocida como soldadura de plata o soldadura dura ) requiere una temperatura más alta que la soldadura blanda (> 450 °C). Además de eliminar los óxidos existentes, se debe evitar la oxidación rápida del metal a temperaturas elevadas. Esto significa que los fundentes deben ser más agresivos y proporcionar una barrera física. ^[8] Tradicionalmente, se utilizaba bórax como fundente para la soldadura fuerte, pero ahora hay muchos fundentes diferentes disponibles, que a menudo utilizan productos químicos activos como fluoruros ^[9], así como agentes humectantes. Muchos de estos productos químicos son tóxicos y se debe tener el debido cuidado durante su uso.

En el proceso de fundición , los cloruros inorgánicos, los fluoruros (ver fluorita ), la piedra caliza y otros materiales se denominan "fundentes" cuando se añaden al contenido de un horno de fundición o un cubilote con el fin de purgar el metal de impurezas químicas como el fósforo y de hacer que la escoria sea más líquida a la temperatura de fundición. La escoria es una mezcla líquida de ceniza , fundente y otras impurezas. Esta reducción de la viscosidad de la escoria con la temperatura, lo que aumenta el flujo de escoria en la fundición, es el origen de la palabra fundente en metalurgia.

El fundente más comúnmente utilizado en los hornos de hierro y acero es la piedra caliza , que se carga en las proporciones adecuadas con el hierro y el combustible .

Los fundentes tienen varios inconvenientes graves:

• Corrosividad, que se debe principalmente a los compuestos agresivos de los activadores; las propiedades higroscópicas de los residuos del fundente pueden agravar los efectos.
• Interferencias con los equipos de prueba, que se deben a los residuos aislantes depositados en los contactos de prueba de las placas de circuitos electrónicos.
• Interferencia con los sistemas de visión artificial cuando la capa de fundente o sus restos es demasiado gruesa o está ubicada incorrectamente
• Contaminación de piezas sensibles, por ejemplo, facetas de diodos láser, contactos de conectores e interruptores mecánicos y conjuntos MEMS
• Deterioro de las propiedades eléctricas de las placas de circuitos impresos, ya que las temperaturas de soldadura son superiores a la temperatura de transición vítrea del material de la placa y los componentes del fundente (por ejemplo, glicoles o iones de cloruro y bromuro) pueden difundirse en su matriz; por ejemplo, se ha demostrado que los fundentes solubles en agua que contienen polietilenglicol tienen dicho impacto ^[10]
• Deterioro del rendimiento del circuito de alta frecuencia por residuos de fundente
• Deterioro de la resistencia de aislamiento de la superficie, que tiende a ser hasta tres órdenes de magnitud menor que la resistencia en masa del material.
• Electromigración y crecimiento de bigotes entre trazas cercanas, ayudados por residuos iónicos, humedad superficial y un voltaje de polarización.
• Los humos liberados durante la soldadura tienen efectos adversos para la salud y se pueden liberar compuestos orgánicos volátiles durante el procesamiento.
• Los disolventes necesarios para la limpieza de las placas después de la soldadura son caros y pueden tener un impacto ambiental adverso.

En casos especiales, los inconvenientes son suficientemente graves como para justificar el uso de técnicas sin fundente.

Los fundentes ácidos (que no se utilizan en electrónica) pueden contener ácido clorhídrico , cloruro de cinc o cloruro de amonio , que son nocivos para los seres humanos. Por lo tanto, el fundente debe manipularse con guantes y gafas protectoras, y utilizarse con una ventilación adecuada.

La exposición prolongada a los vapores de colofonia liberados durante la soldadura puede causar asma ocupacional (antes llamada enfermedad de colofonia ^[11] en este contexto) en personas sensibles, aunque no se sabe qué componente de los vapores causa el problema. ^[12]

Mientras que la soldadura fundida tiene poca tendencia a adherirse a los materiales orgánicos, los fundentes fundidos, especialmente los del tipo resina/colofonia, se adhieren bien a los dedos. Una masa de fundente caliente y pegajoso puede transferir más calor a la piel y causar quemaduras más graves que una partícula comparable de metal fundido no adherido, que se puede quitar rápidamente. En este sentido, el fundente fundido es similar al pegamento caliente fundido .

En algunos casos, la presencia de fundente no es deseable; los rastros de fundente interfieren, por ejemplo, con la óptica de precisión o los conjuntos MEMS . Los residuos de fundente también tienden a desgasificarse en aplicaciones de vacío y espaciales, y los rastros de agua, iones y compuestos orgánicos pueden afectar negativamente la confiabilidad a largo plazo de los paquetes no herméticos. Los residuos de fundente atrapados también son la causa de la mayoría de los huecos en las juntas. Por lo tanto, las técnicas sin fundente son deseables en estos casos. ^[13]

Para que la soldadura sea exitosa, la capa de óxido debe eliminarse tanto de las superficies de los materiales como de la superficie de la preforma de metal de relleno; las superficies expuestas también deben protegerse contra la oxidación durante el calentamiento. Las preformas recubiertas con fundente también se pueden utilizar para eliminar por completo los residuos de fundente del proceso de soldadura. ^[14]

La protección de las superficies contra una mayor oxidación es relativamente sencilla, mediante el uso de vacío o atmósfera inerte. La eliminación de la capa de óxido nativo es más problemática; se deben emplear métodos de limpieza físicos o químicos y las superficies se pueden proteger, por ejemplo, mediante un baño de oro. La capa de oro tiene que ser lo suficientemente gruesa y no porosa para proporcionar protección durante un tiempo de almacenamiento razonable. La metalización gruesa de oro también limita la elección de aleaciones de soldadura, ya que las soldaduras a base de estaño disuelven el oro y forman intermetálicos frágiles , lo que vuelve frágil la unión. Los recubrimientos de oro más gruesos suelen limitarse al uso con soldaduras a base de indio y soldaduras con alto contenido de oro. ^{[ cita requerida ]}

La eliminación de los óxidos de la preforma de soldadura también es problemática. Afortunadamente, algunas aleaciones pueden disolver los óxidos de la superficie en su masa cuando se sobrecalientan varios grados por encima de su punto de fusión; el Sn-Cu ₁ y el Sn-Ag ₄ requieren un sobrecalentamiento de 18-19 °C, el Sn-Sb ₅ requiere tan solo 10 °C, pero la aleación Sn-Pb ₃₇ requiere 77 °C por encima de su punto de fusión para disolver su óxido de superficie. ^{[ cita requerida ]} Sin embargo, el óxido autodisuelto degrada las propiedades de la soldadura y aumenta su viscosidad en estado fundido, por lo que este enfoque no es óptimo.

Preformas de soldaduraSe prefiere que las preformas tengan una alta relación volumen-superficie, ya que eso limita la cantidad de óxido que se forma. Las pastas deben contener partículas esféricas lisas, y las preformas se fabrican idealmente con alambre redondo. Los problemas con las preformas también se pueden evitar depositando la aleación de soldadura directamente sobre las superficies de las piezas o sustratos, por medios químicos o electroquímicos, por ejemplo. ^{[ cita requerida ]}

En algunos casos, puede resultar beneficiosa una atmósfera protectora con propiedades químicas reductoras. Se puede utilizar hidrógeno molecular para reducir óxidos superficiales de estaño e indio a temperaturas superiores a 430 y 470 °C; en el caso del cinc, la temperatura es superior a 500 °C, cuando el cinc ya se está volatilizando. (A temperaturas más bajas, la velocidad de reacción es demasiado lenta para aplicaciones prácticas). Para que la reacción se lleve a cabo, deben alcanzarse presiones parciales muy bajas de oxígeno y vapor de agua. ^{[ cita requerida ]}

También se utilizan otras atmósferas reactivas. Los vapores de ácido fórmico y ácido acético son los más utilizados. El monóxido de carbono y los gases halógenos (por ejemplo, tetrafluoruro de carbono , hexafluoruro de azufre o diclorodifluorometano ) requieren temperaturas bastante altas durante varios minutos para ser efectivos. ^{[ cita requerida ]}

El hidrógeno atómico es mucho más reactivo que el hidrógeno molecular. En contacto con óxidos superficiales forma hidróxidos, agua o complejos hidrogenados, que son volátiles a temperaturas de soldadura. Un método práctico de disociación es una descarga eléctrica. Se pueden utilizar composiciones de gas argón-hidrógeno con una concentración de hidrógeno por debajo del límite inferior de inflamabilidad, lo que elimina los problemas de seguridad. La operación debe realizarse a baja presión, ya que la estabilidad del hidrógeno atómico a presión atmosférica es insuficiente. Este plasma de hidrógeno se puede utilizar para la soldadura por reflujo sin fundente. ^{[ cita requerida ]}

Las atmósferas activas son relativamente comunes en la soldadura fuerte en hornos; debido a las altas temperaturas del proceso, las reacciones son razonablemente rápidas. Los ingredientes activos suelen ser monóxido de carbono (posiblemente en forma de gas combustible quemado) e hidrógeno. La disociación térmica del amoníaco produce una mezcla económica de hidrógeno y nitrógeno. ^{[ cita requerida ]}

El bombardeo con haces de partículas atómicas puede eliminar capas superficiales a una velocidad de decenas de nanómetros por minuto. La adición de hidrógeno al plasma ^{[ ¿cuál? ]} aumenta la eficiencia de eliminación mediante mecanismos químicos. ^{[ cita requerida ]}

La agitación mecánica es otra posibilidad para alterar la capa de óxido. Se puede utilizar el ultrasonido para ayudar al estañado y la soldadura; se puede montar un transductor ultrasónico en el soldador, en un baño de soldadura o en la ola para la soldadura por ola . La alteración y eliminación del óxido implica efectos de cavitación entre la soldadura fundida y la superficie del metal base. Una aplicación común del fundente ultrasónico es el estañado de piezas pasivas (las piezas activas no soportan bien las tensiones mecánicas involucradas); incluso el aluminio se puede estañar de esta manera. Las piezas se pueden soldar o soldar con soldadura fuerte de manera convencional. ^{[ cita requerida ]}

Para recubrir una superficie calentada se puede utilizar el frotamiento mecánico con soldadura fundida. De esta manera se pueden preparar ambas superficies que se van a unir, luego se pueden colocar juntas y se pueden volver a calentar. Esta técnica se utilizaba antiguamente para reparar pequeños daños en los revestimientos de aluminio de los aviones. ^{[ cita requerida ]}

Para unir piezas de aluminio se puede utilizar una capa muy fina de cinc. Las piezas deben estar perfectamente mecanizadas o prensadas debido al pequeño volumen de metal de aporte. Si se aplica una temperatura elevada durante un tiempo prolongado, el cinc se difunde y se aleja de la unión. La unión resultante no presenta debilidad mecánica y es resistente a la corrosión. La técnica se conoce como soldadura por difusión. ^[15]

La soldadura fuerte sin fundente de aleaciones de cobre se puede realizar con metales de aporte autofundentes. Estos metales contienen un elemento capaz de reaccionar con el oxígeno, normalmente el fósforo . Un buen ejemplo es la familia de aleaciones de cobre y fósforo. ^{[ cita requerida ]}

Los fundentes tienen varias propiedades importantes:

• Actividad : capacidad de disolver los óxidos existentes en la superficie del metal y promover la humectación con la soldadura. Los fundentes altamente activos suelen ser de naturaleza ácida o corrosiva.
• Corrosividad : la promoción de la corrosión por el fundente y sus residuos. La mayoría de los fundentes activos tienden a ser corrosivos a temperatura ambiente y requieren una eliminación cuidadosa. Como la actividad y la corrosividad están vinculadas, la preparación de las superficies que se unirán debe permitir el uso de fundentes más suaves. Algunos residuos de fundente solubles en agua son higroscópicos , lo que causa problemas con la resistencia eléctrica y contribuye a la corrosión. Los fundentes que contienen haluros y ácidos minerales son altamente corrosivos y requieren una eliminación minuciosa. Algunos fundentes, especialmente aquellos basados ​​en bórax utilizados para soldadura fuerte, forman recubrimientos muy duros similares al vidrio que son difíciles de eliminar.
• Capacidad de limpieza : la dificultad de eliminación del fundente y sus residuos después de la operación de soldadura. Los fundentes con un mayor contenido de sólidos tienden a dejar una mayor cantidad de residuos; la descomposición térmica de algunos vehículos también conduce a la formación de depósitos polimerizados y posiblemente carbonizados difíciles de limpiar (un problema especialmente para la soldadura manual). Algunos residuos de fundente son solubles en disolventes orgánicos , otros en agua, algunos en ambos. Algunos fundentes no son limpiables, ya que son suficientemente volátiles o sufren una descomposición térmica en productos volátiles, por lo que no requieren el paso de limpieza. Otros fundentes dejan residuos no corrosivos que pueden dejarse en su lugar. Sin embargo, los residuos de fundente pueden interferir con las operaciones posteriores; pueden perjudicar la adhesión de los recubrimientos conformados o actuar como aislamiento no deseado en conectores y almohadillas de contacto para equipos de prueba.
• Adherencia residual : la adherencia de la superficie del residuo de fundente. Cuando no se elimina, el residuo de fundente debe tener una superficie lisa y dura. Las superficies pegajosas tienden a acumular polvo y partículas, lo que causa problemas con la resistencia eléctrica; las partículas en sí pueden ser conductoras o pueden ser higroscópicas o corrosivas.
• Volatilidad : esta propiedad debe equilibrarse para facilitar la eliminación de solventes durante la fase de precalentamiento pero para no requerir una reposición demasiado frecuente de solvente en el equipo de proceso.
• Viscosidad : especialmente importante para las pastas de soldadura , que deben ser fáciles de aplicar pero también lo suficientemente espesas para permanecer en su lugar sin extenderse a lugares no deseados. Las pastas de soldadura también pueden funcionar como un adhesivo temporal para mantener las piezas electrónicas en su lugar antes y durante la soldadura. Los fundentes aplicados, por ejemplo, con espuma, requieren una viscosidad baja.
• Inflamabilidad : es especialmente relevante para vehículos a base de glicol y disolventes orgánicos. Los vapores de fundente tienden a tener una temperatura de autoignición baja y presentan un riesgo de incendio repentino cuando el fundente entra en contacto con una superficie caliente.
• Sólidos : porcentaje de material sólido en el fundente. Los fundentes con bajo contenido de sólidos, a veces tan solo el 1-2 %, se denominan fundentes con bajo contenido de sólidos , fundentes con bajo contenido de residuos o fundentes sin limpieza . Suelen estar compuestos de ácidos orgánicos débiles, con una pequeña cantidad de colofonia u otras resinas añadidas.
• Conductividad : algunos fundentes siguen siendo conductores después de la soldadura si no se limpian adecuadamente, lo que provoca fallos aleatorios en circuitos con impedancias altas. Los distintos tipos de fundentes son propensos a provocar estos problemas de forma diferente.

La composición de los fundentes se adapta a las propiedades requeridas: los metales base y su preparación de la superficie (que determinan la composición y el espesor de los óxidos de la superficie), la soldadura (que determina las propiedades de humectación y la temperatura de soldadura), la resistencia a la corrosión y la facilidad de eliminación, y otros.

Los fundentes para soldadura blanda suelen ser de naturaleza orgánica, aunque también se utilizan fundentes inorgánicos, generalmente basados ​​en halogenuros o ácidos, en aplicaciones no electrónicas. Los fundentes para soldadura fuerte funcionan a temperaturas significativamente más altas y, por lo tanto, son en su mayoría inorgánicos; los compuestos orgánicos tienden a ser de naturaleza complementaria, por ejemplo, para hacer que el fundente sea pegajoso a baja temperatura para que se pueda aplicar fácilmente.

La superficie de la soldadura a base de estaño está recubierta predominantemente de óxidos de estaño; incluso en las aleaciones, la capa superficial tiende a enriquecerse relativamente con estaño. Los fundentes para soldaduras a base de indio y zinc tienen composiciones diferentes a las de los fundentes para soldaduras comunes a base de estaño-plomo y estaño, debido a las diferentes temperaturas de soldadura y a la distinta química de los óxidos involucrados.

Los fundentes orgánicos no son adecuados para la soldadura a llama ni para la soldadura fuerte con llama, ya que tienden a carbonizarse y perjudicar el flujo de la soldadura.

Algunos metales se clasifican como "no soldables" en el aire y deben recubrirse con otro metal antes de soldarlos o deben utilizarse fundentes especiales o atmósferas protectoras. Estos metales son el berilio , el cromo , el magnesio , el titanio y algunas aleaciones de aluminio .

Los fundentes para soldadura a alta temperatura difieren de los fundentes para uso a temperaturas más bajas. A temperaturas más altas, incluso los productos químicos relativamente suaves tienen suficiente actividad de alteración del óxido, pero las tasas de oxidación del metal se vuelven bastante altas; por lo tanto, la función de barrera del vehículo se vuelve más importante que la actividad de fundente. A menudo se utilizan hidrocarburos de alto peso molecular para esta aplicación; generalmente se utiliza un diluyente con un peso molecular más bajo, que hierve durante la fase de precalentamiento, para facilitar la aplicación. ^[16]

Los fundentes comunes son cloruro de amonio o ácidos resínicos (contenidos en la colofonia ) para soldar cobre y estaño ; ácido clorhídrico y cloruro de zinc para soldar hierro galvanizado (y otras superficies de zinc ); y bórax para soldadura fuerte , soldadura fuerte de metales ferrosos y soldadura de forja .

Los fundentes orgánicos suelen estar compuestos por cuatro componentes principales: ^[17]

• Activadores : sustancias químicas que alteran o disuelven los óxidos metálicos. Su función es exponer la superficie metálica no oxidada y fácilmente humectable y facilitar la soldadura por otros medios, por ejemplo, mediante reacciones de intercambio con los metales base.
  • Los fundentes altamente activos contienen sustancias químicas que son corrosivas a temperatura ambiente. Los compuestos utilizados incluyen haluros metálicos (con mayor frecuencia cloruro de cinc o cloruro de amonio ), ácido clorhídrico , ácido fosfórico , ácido cítrico y ácido bromhídrico . Las sales de ácidos minerales con aminas también se utilizan como activadores agresivos. Los fundentes agresivos suelen facilitar la corrosión , requieren una eliminación cuidadosa y no son adecuados para trabajos más finos. Los activadores para fundentes para soldadura blanda y fuerte de aluminio a menudo contienen fluoruros .
  • Los activadores más suaves comienzan a reaccionar con los óxidos solo a temperaturas elevadas. Los compuestos típicos utilizados son los ácidos carboxílicos (por ejemplo, los ácidos grasos (con mayor frecuencia el ácido oleico y el ácido esteárico ), los ácidos dicarboxílicos ) y, a veces, los aminoácidos . Algunos fundentes más suaves también contienen haluros u organohalogenuros .
• Vehículos : productos químicos tolerantes a altas temperaturas en forma de líquidos o sólidos no volátiles con un punto de fusión adecuado; generalmente son líquidos a temperaturas de soldadura. Su función es actuar como una barrera de oxígeno para proteger la superficie del metal caliente contra la oxidación, disolver los productos de reacción de activadores y óxidos y alejarlos de la superficie del metal, y facilitar la transferencia de calor. Los vehículos sólidos tienden a estar basados ​​en colofonia natural o modificada (principalmente ácido abiético , ácido pimárico y otros ácidos resínicos ) o resinas naturales o sintéticas . Los fundentes orgánicos solubles en agua tienden a contener vehículos basados ​​en polioles de alto punto de ebullición : glicoles , dietilenglicol y poliglicoles superiores, surfactantes a base de poliglicol y glicerol .
• Disolventes : se añaden para facilitar el procesamiento y la deposición en la unión. Los disolventes suelen secarse durante el precalentamiento antes de la operación de soldadura; la eliminación incompleta de los disolventes puede provocar la ebullición y la salpicadura de partículas de pasta de soldadura o soldadura fundida.
• Aditivos : numerosos otros productos químicos que modifican las propiedades del fundente. Los aditivos pueden ser surfactantes (especialmente no iónicos), inhibidores de corrosión , estabilizadores y antioxidantes , agentes de pegajosidad , espesantes y otros modificadores reológicos (especialmente para pastas de soldadura ), plastificantes (especialmente para soldaduras con núcleo fundente) y colorantes .

Los fundentes inorgánicos contienen componentes que desempeñan la misma función que los fundentes orgánicos. Se utilizan con mayor frecuencia en la soldadura fuerte y otras aplicaciones de alta temperatura, donde los fundentes orgánicos tienen una estabilidad térmica insuficiente. Los productos químicos utilizados a menudo actúan simultáneamente como vehículos y activadores; ejemplos típicos son el bórax , los boratos , los fluoroboratos , los fluoruros y los cloruros . Los halógenos son activos a temperaturas más bajas que los boratos y, por lo tanto, se utilizan para la soldadura fuerte de aleaciones de aluminio y magnesio; sin embargo, son altamente corrosivos.

La función de los activadores es principalmente la de romper y eliminar la capa de óxido de la superficie del metal (y también de la soldadura fundida), para facilitar el contacto directo entre la soldadura fundida y el metal. El producto de la reacción suele ser soluble o al menos dispersable en el vehículo fundido. Los activadores suelen ser ácidos o compuestos que liberan ácidos a temperaturas elevadas.

La reacción general de eliminación de óxido es:

Óxido metálico + Ácido → Sal + Agua

Las sales son de naturaleza iónica y pueden causar problemas por lixiviación metálica o crecimiento de dendritas , con posible falla del producto. En algunos casos, particularmente en aplicaciones de alta confiabilidad , se deben eliminar los residuos de fundente.

La actividad del activador generalmente aumenta con la temperatura, hasta un cierto valor en el que cesa, ya sea por descomposición térmica o volatilización excesiva. Sin embargo, la velocidad de oxidación de los metales también aumenta con la temperatura.

A altas temperaturas, el óxido de cobre reacciona con el cloruro de hidrógeno para formar cloruro de cobre soluble en agua y mecánicamente débil, y con la colofonia para formar sales de cobre y ácido abiético que es soluble en la colofonia fundida.

Algunos activadores también pueden contener iones metálicos capaces de realizar una reacción de intercambio con el metal subyacente; estos fundentes facilitan la soldadura depositando químicamente una fina capa de metal más fácil de soldar sobre el metal base expuesto. Un ejemplo es el grupo de fundentes que contienen compuestos de cinc , estaño o cadmio, normalmente cloruros, a veces fluoruros o fluoroboratos.

Los activadores de alta actividad más habituales son los ácidos minerales , a menudo junto con haluros, aminas, agua o alcoholes:

• ácido clorhídrico , el más común
• Ácido fosfórico , menos común, uso limitado por su polimerización a temperaturas más altas.

Los ácidos inorgánicos son altamente corrosivos para los metales incluso a temperatura ambiente, lo que ocasiona problemas durante el almacenamiento, la manipulación y las aplicaciones. Como la soldadura implica altas temperaturas, se utilizan con frecuencia compuestos que se descomponen o reaccionan con ácidos como productos:

• Cloruro de zinc , que a altas temperaturas reacciona con la humedad, formando oxicloruro y ácido clorhídrico.
• Cloruro de amonio , que se descompone térmicamente en amoníaco y ácido clorhídrico.
• clorhidratos de amina , que se descomponen en amina y ácido clorhídrico

Los términos fundente de resina y fundente de colofonia son ambiguos y en cierta medida intercambiables, y los distintos proveedores utilizan distintas asignaciones. En general, los fundentes se etiquetan como colofonia si el vehículo en el que se basan es principalmente colofonia natural . Algunos fabricantes reservan la designación de "colofonia" para los fundentes militares basados ​​en colofonia (composiciones R, RMA y RA) y etiquetan a otros como "resina".

La colofonia tiene buenas propiedades fundentes. Una mezcla de ácidos orgánicos ( ácidos resínicos , predominantemente ácido abiético , con ácido pimárico , ácido isopimárico , ácido neoabiético, ácido dihidroabiético y ácido deshidroabiético), la colofonia es un sólido vítreo, prácticamente no reactivo y no corrosivo a temperatura normal, pero líquido, iónico y ligeramente reactivo a los óxidos metálicos en estado fundido. La colofonia tiende a ablandarse entre 60 y 70 °C y es completamente fluida alrededor de 120 °C; la colofonia fundida es débilmente ácida y es capaz de disolver capas más delgadas de óxidos superficiales del cobre sin más aditivos. Para una contaminación superficial más pesada o una velocidad de proceso mejorada, se pueden agregar activadores adicionales.

Existen varios grupos activadores posibles para las colofonias:

• activadores de haluros (sales de haluros orgánicos, por ejemplo, cloruro de dimetilamonio y cloruro de dietilamonio )
• ácidos orgánicos (monocarboxílicos, por ejemplo, ácido fórmico , ácido acético , ácido propiónico , y dicarboxílicos, por ejemplo, ácido oxálico , ácido malónico , ácido sebácico )

Existen tres tipos de colofonia: colofonia de goma (de oleorresina de pino ), colofonia de madera (obtenida por extracción de tocones de árboles) y colofonia de tall oil (obtenida de tall oil , un subproducto del proceso de fabricación de papel kraft ). La colofonia de goma tiene un olor más suave y una menor tendencia a cristalizarse a partir de soluciones que la colofonia de madera, y por lo tanto se prefiere para aplicaciones de fundente. La colofonia de tall oil se utiliza cada vez más debido a su mayor estabilidad térmica y, por lo tanto, a su menor tendencia a formar residuos de descomposición térmica insolubles. La composición y calidad de la colofonia difiere según el tipo de árbol, y también según la ubicación e incluso según el año. En Europa, la colofonia para fundentes se obtiene generalmente de un tipo específico de pino portugués; en Estados Unidos se utiliza una variante de Carolina del Norte. ^[18]

La colofonia natural se puede utilizar tal cual o se puede modificar químicamente, por ejemplo, mediante esterificación , polimerización o hidrogenación . Las propiedades que se modifican son una mayor estabilidad térmica, una mejor capacidad de limpieza, una viscosidad de la solución modificada y un residuo más duro (o, por el contrario, un residuo más blando y pegajoso). La colofonia también se puede convertir en un fundente de colofonia soluble en agua mediante la formación de una amina de colofonia etoxilada , un aducto con un poliglicol y una amina.

Uno de los primeros fundentes era una mezcla de cantidades iguales de colofonia y vaselina . Una composición temprana más agresiva era una mezcla de solución saturada de cloruro de cinc, alcohol y glicerol . ^[19]

Los fundentes también se pueden preparar a partir de resinas sintéticas, a menudo basadas en ésteres de polioles y ácidos grasos . Estas resinas tienen un olor a humo mejorado y una menor pegajosidad de los residuos, pero su actividad fundente y su solubilidad tienden a ser inferiores a las de las resinas naturales.

Los fundentes de colofonia se clasifican por grados de actividad: L para baja, M para moderada y H para alta. También existen otras abreviaturas para los diferentes grados de fundente de colofonia: ^{[18] [20]}

• R (Colofonia): colofonia pura, sin activadores, baja actividad, más suave
• WW (blanco como el agua): grado de colofonia más puro, sin activadores, baja actividad, a veces sinónimo de R
• RMA (colofonia ligeramente activada): contiene activadores suaves, generalmente sin haluros
• RA (colofonia activada): colofonia con activadores fuertes, alta actividad, contiene haluros
• OA (ácido orgánico): colofonia activada con ácidos orgánicos, alta actividad, altamente corrosiva, limpieza acuosa
• SA (activada sintéticamente): colofonia con fuertes activadores sintéticos, alta actividad; formulada para ser fácilmente soluble en solventes orgánicos ( clorofluorocarbonos , alcoholes) para facilitar la limpieza.
• WS (soluble en agua): generalmente a base de haluros inorgánicos u orgánicos; residuos altamente corrosivos
• SRA (colofonia superactivada): colofonia con activadores muy fuertes, actividad muy alta
• IA (ácido inorgánico): colofonia activada con ácidos inorgánicos (generalmente ácido clorhídrico o ácido fosfórico), actividades más altas, altamente corrosivo

Los grados R, WW y RMA se utilizan para juntas que no se pueden limpiar fácilmente o donde existe un riesgo de corrosión demasiado alto. Los grados más activos requieren una limpieza exhaustiva de los residuos. Una limpieza inadecuada puede agravar la corrosión al liberar activadores atrapados en los residuos del fundente.

Algunos materiales son muy difíciles de soldar. En algunos casos es necesario utilizar fundentes especiales.

El aluminio y sus aleaciones son difíciles de soldar debido a la formación de una capa pasivante de óxido de aluminio. El fundente debe ser capaz de romper esta capa y facilitar la humectación por la soldadura. Se pueden utilizar sales o complejos orgánicos de algunos metales; la sal debe ser capaz de penetrar las grietas de la capa de óxido. ^{[ cita requerida ]} Los iones metálicos, más nobles que el aluminio, experimentan entonces una reacción redox, disuelven la capa superficial de aluminio y forman allí un depósito. Esta capa intermedia de otro metal puede entonces humedecerse con una soldadura.

Un ejemplo de dicho fundente es una composición de trietanolamina , ácido fluorobórico y fluoroborato de cadmio. Sin embargo, más del 1% de magnesio en la aleación perjudica la acción del fundente, ya que la capa de óxido de magnesio es más refractaria. Otra posibilidad es un fundente inorgánico compuesto de cloruro de cinc o cloruro de estaño(II) , ^[21] cloruro de amonio y un fluoruro (por ejemplo, fluoruro de sodio ). La presencia de silicio en la aleación perjudica la efectividad del fundente, ya que el silicio no experimenta la reacción de intercambio que experimenta el aluminio.

Aleaciones de magnesio . Un fundente potencial para soldar estas aleaciones a baja temperatura es la acetamida fundida . La acetamida disuelve los óxidos superficiales tanto del aluminio como del magnesio; se realizaron experimentos prometedores con su uso como fundente para una soldadura de estaño-indio sobre magnesio. ^{[ cita requerida ]}

El acero inoxidable es un material difícil de soldar debido a su capa superficial de óxido estable y autorreparadora y a su baja conductividad térmica. Una solución de cloruro de cinc en ácido clorhídrico es un fundente habitual para los aceros inoxidables; sin embargo, debe eliminarse completamente después, ya que provocaría corrosión por picaduras . Otro fundente muy eficaz es el ácido fosfórico; sin embargo, su tendencia a polimerizarse a temperaturas más altas limita sus aplicaciones.

La corrosión en caliente puede afectar a las turbinas de gas que funcionan en entornos con alto contenido de sal (por ejemplo, cerca del océano). Las sales, incluidos los cloruros y los sulfatos , son ingeridas por las turbinas y depositadas en las secciones calientes del motor; otros elementos presentes en los combustibles también forman sales, por ejemplo, los vanadatos . El calor del motor derrite estas sales, que luego pueden fundir las capas de óxido pasivantes en los componentes metálicos del motor, lo que permite que la corrosión se produzca a un ritmo acelerado.

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Durante el proceso de soldadura por arco sumergido , no todo el fundente se convierte en escoria. Según el proceso de soldadura, se puede reutilizar entre el 50% y el 90% del fundente. ^[23]

Los fundentes de soldadura se especifican según varias normas.

La norma más común en Europa es la ISO 9454-1 (también conocida como DIN EN 29454-1). ^[24]

Esta norma especifica cada fundente mediante un código de cuatro caracteres: tipo de fundente, base, activador y forma. La forma suele omitirse.

Por lo tanto, 1.1.2 significa fundente de colofonia con haluros.

La antigua norma alemana DIN 8511 todavía se utiliza con frecuencia en los comercios. En la siguiente tabla, observe que la correspondencia entre los códigos DIN 8511 e ISO 9454-1 no es unívoca.

Una norma que se utiliza cada vez más (por ejemplo, en Estados Unidos) es la J-STD -004, que es muy similar a la DIN EN 61190-1-1.

Cuatro caracteres (dos letras, luego una letra y, por último, un número) representan la composición del flujo, la actividad del flujo y si los activadores incluyen haluros: ^[25]

• Primeras dos letras: Base
  • RO: colofonia
  • RE: resina
  • O: orgánico
  • EN: inorgánico
• Tercera letra: Actividad
  • L: bajo
  • M: moderado
  • H: alto
• Número: Contenido de haluro
  • 0: menos del 0,05 % en peso (“libre de haluros”)
  • 1: El contenido de haluro depende de la actividad:
    • Menos del 0,5% para baja actividad
    • 0,5% a 2,0% para actividad moderada
    • mayor a 2,0% para alta actividad

Cualquier combinación es posible, por ejemplo ROL0, REM1 o ORH0.

La norma J-STD-004 caracteriza el flujo por la confiabilidad de los residuos desde el punto de vista de la resistencia de aislamiento superficial (SIR) y la electromigración . Incluye pruebas de electromigración y resistencia de aislamiento superficial (que debe ser mayor a 100 MΩ después de 168 horas a temperatura y humedad elevadas con una polarización de CC aplicada).

Las antiguas normas MIL -F-14256 y QQ -S-571 definían los fundentes como:

• R (colofonia)
• RMA (resina ligeramente activada)
• RA (colofonia activada)
• WS (soluble en agua)

Cualquiera de estas categorías puede ser no limpia o no, dependiendo de la química seleccionada y el estándar que requiere el fabricante.

• Soldadura por arco con núcleo fundente
• Soldadura por arco metálico con gas
• Soldadura por arco metálico protegido

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Wikisource tiene el texto del artículo de la Encyclopædia Britannica de 1911 " Flux ".

• Consejos y trucos de los profesionales de MetalShapers.Org: " Soldadura de aluminio" (incluye tabla de metales de relleno)
• Los humos de soldadura y usted