Soldadura por forja

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La soldadura por forja (FOW), también llamada soldadura al fuego , es un proceso de soldadura de estado sólido ^[1] que une dos piezas de metal calentándolas a una temperatura alta y luego martillándolas juntas. ^[2] También puede consistir en calentar y forzar los metales juntos con prensas u otros medios, creando suficiente presión para causar una deformación plástica en las superficies de soldadura. ^[3] El proceso, aunque desafiante, ha sido un método de unión de metales utilizado desde la antigüedad y es un elemento básico de la herrería tradicional . ^[4] La soldadura por forja es versátil, pudiendo unir una gran cantidad de metales similares y diferentes. Con la invención de los métodos de soldadura eléctrica y soldadura a gas durante la Revolución Industrial , la soldadura por forja manual ha sido reemplazada en gran medida, aunque la soldadura por forja automatizada es un proceso de fabricación común.

La soldadura por forja es un proceso de unión de metales calentándolos más allá de un cierto umbral y forzándolos a unirse con suficiente presión para provocar la deformación de las superficies de soldadura, creando un enlace metálico entre los átomos de los metales. La presión requerida varía, dependiendo de la temperatura, la resistencia y la dureza de la aleación . ^[5] La soldadura por forja es la técnica de soldadura más antigua y se ha utilizado desde la antigüedad.

Los procesos de soldadura se pueden agrupar en dos categorías: soldadura por fusión y por difusión . La soldadura por fusión implica la fusión localizada de los metales en las interfaces de la soldadura, y es común en las técnicas de soldadura eléctrica o por gas. Esto requiere temperaturas mucho más altas que el punto de fusión del metal para provocar la fusión localizada antes de que el calor pueda conducirse térmicamente fuera de la soldadura, y a menudo se utiliza un metal de relleno para evitar que la soldadura se segregue debido a la alta tensión superficial . La soldadura por difusión consiste en unir los metales sin fundirlos, soldando las superficies entre sí mientras están en estado sólido. ^[6]

En la soldadura por difusión, la fuente de calor suele ser inferior al punto de fusión del metal, lo que permite una distribución más uniforme del calor, reduciendo así las tensiones térmicas en la soldadura. En este método, normalmente no se utiliza un metal de aportación, sino que la soldadura se produce directamente entre los metales en la interfaz de soldadura. Esto incluye métodos como la soldadura en frío , la soldadura por explosión y la soldadura por forja. A diferencia de otros métodos de difusión, en la soldadura por forja los metales se calientan a una temperatura alta antes de unirlos a la fuerza, lo que suele dar como resultado una mayor plasticidad en las superficies de soldadura. Esto generalmente hace que la soldadura por forja sea más versátil que las técnicas de difusión en frío, que normalmente se realizan en metales blandos como el cobre o el aluminio. ^[7]

En la soldadura por forja, todas las áreas de soldadura se calientan de manera uniforme. La soldadura por forja se puede utilizar para una gama mucho más amplia de metales y aleaciones más duros, como el acero y el titanio. ^[8]

La historia de la unión de metales se remonta a la Edad del Bronce , cuando los bronces de diferente dureza se solían unir mediante fundición. Este método consistía en colocar una pieza sólida en un metal fundido contenido en un molde y dejar que se solidificara sin llegar a fundir ambos metales, como la hoja de una espada en un mango o la espiga de una punta de flecha en la punta. La soldadura fuerte y la soldadura blanda también eran habituales durante la Edad del Bronce. ^[9]

El acto de soldar (unir dos partes sólidas mediante difusión) comenzó con el hierro. El primer proceso de soldadura fue la soldadura de forja, que comenzó cuando los humanos aprendieron a fundir el hierro a partir del mineral de hierro ; muy probablemente en Anatolia (Turquía) alrededor del 1800 a. C. Los pueblos antiguos no podían crear temperaturas lo suficientemente altas como para fundir el hierro por completo, por lo que el proceso de derretimiento que se utilizaba para fundir el hierro producía un bulto (bloom) de granos de hierro sinterizados junto con pequeñas cantidades de escoria y otras impurezas, conocido como hierro esponjoso debido a su porosidad .

Después de la fundición, el hierro esponjado debía calentarse por encima de la temperatura de soldadura y martillarse o "forjarse". Esto expulsaba las bolsas de aire y la escoria fundida, haciendo que los granos de hierro entraran en contacto para formar un bloque sólido (palanquilla).

Los arqueólogos han encontrado numerosos objetos de hierro forjado que muestran evidencias de soldadura en forja, que datan de antes del año 1000 a. C. Debido a que el hierro se fabricaba normalmente en pequeñas cantidades, cualquier objeto grande, como el pilar de Delhi , necesitaba ser forjado a partir de piezas más pequeñas. ^{[10] [11]}

La soldadura por forja pasó de ser un método de ensayo y error a ser más refinado con el paso de los siglos. ^[12] Debido a la mala calidad de los metales antiguos, se empleaba comúnmente para fabricar aceros compuestos, uniendo aceros con alto contenido de carbono, que resistirían la deformación pero se romperían fácilmente, con aceros con bajo contenido de carbono, que resisten la fractura pero se doblan con demasiada facilidad, creando un objeto con mayor tenacidad y resistencia de las que se podrían producir con una sola aleación. Este método de soldadura por patrones apareció por primera vez alrededor del año 700 a. C. y se utilizó principalmente para fabricar armas como espadas; los ejemplos más conocidos son el damasceno , el japonés y el merovingio . ^{[13] [14]} Este proceso también era común en la fabricación de herramientas, desde arados de hierro forjado con bordes de acero hasta cinceles de hierro con superficies de corte de acero. ^[13]

Muchos metales se pueden soldar por forja, siendo los más comunes los aceros con alto y bajo contenido de carbono . El hierro e incluso algunas fundiciones hipoeutécticas se pueden soldar por forja. Algunas aleaciones de aluminio también se pueden soldar por forja. ^[15] Los metales como el cobre , el bronce y el latón no se sueldan por forja fácilmente. Aunque es posible soldar por forja aleaciones a base de cobre , a menudo es con gran dificultad debido a la tendencia del cobre a absorber oxígeno durante el calentamiento. ^[16] El cobre y sus aleaciones suelen unirse mejor con soldadura en frío , soldadura por explosión u otras técnicas de soldadura a presión. Con hierro o acero, la presencia de incluso pequeñas cantidades de cobre reduce gravemente la capacidad de la aleación para soldarse por forja. ^{[17] [18]}

Las aleaciones de titanio se suelen soldar por forja. Debido a la tendencia del titanio a absorber oxígeno cuando está fundido, la unión por difusión en estado sólido de una soldadura por forja suele ser más fuerte que una soldadura por fusión en la que el metal se licúa. ^[19]

La soldadura por forja entre materiales similares se produce por difusión en estado sólido. Esto da como resultado una soldadura que consta únicamente de los materiales soldados sin ningún material de relleno o de puente. La soldadura por forja entre materiales diferentes se produce por la formación de un eutéctico de temperatura de fusión más baja entre los materiales. Debido a esto, la soldadura suele ser más fuerte que los metales individuales.

El proceso de soldadura por forja más conocido y antiguo es el método de martilleo manual. El martilleo manual se realiza calentando el metal a la temperatura adecuada, cubriéndolo con fundente, superponiendo las superficies de soldadura y luego golpeando la unión repetidamente con un martillo manual . La unión a menudo se forma para dejar espacio para que fluya el fundente , biselando o redondeando ligeramente las superficies y martillando sucesivamente hacia afuera para expulsar el fundente. Los golpes del martillo normalmente no son tan fuertes como los que se usan para dar forma, lo que evita que el fundente salga de la unión con el primer golpe.

Cuando se desarrollaron los martillos mecánicos , la soldadura por forja se podía lograr calentando el metal y luego colocándolo entre el martillo mecanizado y el yunque. Originalmente impulsados ​​por ruedas hidráulicas , los martillos mecánicos modernos también pueden funcionar con aire comprimido, electricidad, vapor, motores de gas y muchas otras formas. Otro método es la soldadura por forja con una matriz , mediante la cual las piezas de metal se calientan y luego se fuerzan dentro de una matriz que proporciona la presión para la soldadura y mantiene la unión en la forma final. La soldadura por rodillos es otro proceso de soldadura por forja, donde los metales calentados se superponen y pasan a través de rodillos a altas presiones para crear la soldadura. ^{[20] [21]}

La soldadura por forja moderna suele estar automatizada, y se utilizan ordenadores, máquinas y prensas hidráulicas sofisticadas para producir una variedad de productos a partir de varias aleaciones diferentes. ^[22] Por ejemplo, los tubos de acero suelen soldarse por forja durante el proceso de fabricación. El material plano se calienta y se introduce a través de rodillos de forma especial que forman el acero en un tubo y, al mismo tiempo, proporcionan la presión para soldar los bordes en una costura continua. ^[23]

La unión por difusión es un método común para soldar por forja aleaciones de titanio en la industria aeroespacial. En este proceso, el metal se calienta mientras está en una prensa o matriz. Más allá de una temperatura crítica específica, que varía según la aleación, las impurezas se queman y las superficies se juntan. ^[24]

Otros métodos incluyen la soldadura por chispa y la soldadura por percusión . Estas son técnicas de soldadura por forja por resistencia en las que la prensa o la matriz se electrifican y pasan altas corrientes a través de la aleación para crear el calor para la soldadura. ^[25] La soldadura por forja con gas activo protegido es un proceso de soldadura por forja en un entorno reactivo al oxígeno, para quemar óxidos, utilizando gas hidrógeno y calentamiento por inducción . ^[26]

El hierro, los distintos aceros e incluso el hierro fundido se pueden soldar entre sí, siempre que su contenido de carbono sea lo suficientemente cercano como para que los rangos de soldadura se superpongan. El hierro puro se puede soldar cuando está casi al rojo vivo; entre 2500 °F (1400 °C) y 2700 °F (1500 °C). El acero con un contenido de carbono del 2,0% se puede soldar cuando está de color amarillo anaranjado, entre 1700 °F (900 °C) y 2000 °F (1100 °C). El acero común, entre 0,2 y 0,8% de carbono, se suelda normalmente a una temperatura de color amarillo brillante. ^[27]

Un requisito fundamental para la soldadura por forja es que ambas superficies de soldadura deben calentarse a la misma temperatura y soldarse antes de que se enfríen demasiado. Cuando el acero alcanza la temperatura adecuada, comienza a soldarse muy fácilmente, por lo que una varilla fina o un clavo calentados a la misma temperatura tenderán a pegarse al primer contacto, lo que requerirá que se los doble o se los tuerza para aflojarlos.

Se debe tener cuidado para evitar sobrecalentar el metal hasta el punto de que produzca chispas por oxidación rápida (quemazón), o de lo contrario la soldadura será deficiente y quebradiza. ^[28]

Cuando el acero se calienta a una temperatura de austenización , el carbono comienza a difundirse a través del hierro. Cuanto más alta sea la temperatura, mayor será la velocidad de difusión. A temperaturas tan altas, el carbono se combina fácilmente con el oxígeno para formar dióxido de carbono , por lo que el carbono puede difundirse fácilmente fuera del acero y hacia el aire circundante. Al final de un trabajo de herrería, el acero tendrá un contenido de carbono menor que antes del calentamiento. Por lo tanto, la mayoría de las operaciones de herrería se realizan lo más rápido posible para reducir la descarburación, evitando que el acero se ablande demasiado.

Para producir la cantidad correcta de dureza en el producto terminado, el herrero generalmente comienza con acero que tiene un contenido de carbono que es más alto que el deseado. En la antigüedad, la forja a menudo comenzaba con acero que tenía un contenido de carbono demasiado alto para un uso normal. La mayoría de las soldaduras de forja antiguas comenzaban con acero hipereutectoide , que contenía un contenido de carbono a veces muy por encima del 1,0%. Los aceros hipereutectoides suelen ser demasiado frágiles para ser útiles en un producto terminado, pero al final de la forja, el acero generalmente tenía un alto contenido de carbono que oscilaba entre el 0,8% (acero eutectoide para herramientas) y el 0,5% (acero hipoeutectoide para resortes). ^[29]

La soldadura por forja se ha utilizado a lo largo de la historia para fabricar casi cualquier artículo de acero y hierro. Se ha utilizado en todo, desde la fabricación de herramientas, aperos agrícolas y utensilios de cocina hasta la fabricación de vallas, puertas y celdas de prisión. A principios de la Revolución Industrial, se utilizaba habitualmente en la fabricación de calderas y recipientes a presión, hasta la introducción de la soldadura por fusión . Se utilizó habitualmente durante la Edad Media para producir armaduras y armas.

Una de las aplicaciones más famosas de la soldadura por forja es la producción de hojas soldadas con patrones . Durante este proceso, un herrero extrae repetidamente un trozo de acero, lo dobla hacia atrás y lo suelda sobre sí mismo. ^[30] Otra aplicación era la fabricación de cañones de escopeta. Se enrollaba un alambre de metal en un mandril y luego se forjaba en un cañón fino, uniforme y resistente. En algunos casos, los objetos soldados por forja se graban con ácido para exponer el patrón subyacente del metal, que es exclusivo de cada artículo y proporciona atractivo estético.

A pesar de su diversidad, la soldadura por forja tenía muchas limitaciones. Una limitación principal era el tamaño de los objetos que se podían soldar por forja. Los objetos más grandes requerían una fuente de calor mayor y el tamaño reducía la capacidad de soldarlos manualmente antes de que se enfriaran demasiado. Soldar objetos grandes como placas de acero o vigas normalmente no era posible, o al menos era muy poco práctico, hasta la invención de la soldadura por fusión, que requería que se remacharan. En algunos casos, la soldadura por fusión producía una soldadura mucho más fuerte, como en la construcción de calderas.

La soldadura por forja requiere que las superficies de soldadura estén extremadamente limpias o el metal no se unirá correctamente, si es que se une. Los óxidos tienden a formarse en la superficie mientras que las impurezas como el fósforo y el azufre tienden a migrar a la superficie. A menudo se utiliza un fundente para evitar que las superficies de soldadura se oxiden , lo que produciría una soldadura de mala calidad, y para extraer otras impurezas del metal. El fundente se mezcla con los óxidos que se forman y reduce la temperatura de fusión y la viscosidad de los óxidos. Esto permite que los óxidos fluyan fuera de la unión cuando las dos piezas se golpean juntas. Se puede hacer un fundente simple a partir de bórax , a veces con la adición de limaduras de hierro en polvo. ^[31]

El fundente más antiguo utilizado para la soldadura en forja era la arena de sílice fina . El hierro o el acero se calentaban en un entorno reductor dentro de las brasas de la forja. Sin oxígeno, el metal forma una capa de óxido de hierro llamada wüstita en su superficie. Cuando el metal está lo suficientemente caliente, pero por debajo de la temperatura de soldadura, el herrero espolvorea un poco de arena sobre el metal. El silicio de la arena reacciona con la wustita para formar fayalita , que se funde justo por debajo de la temperatura de soldadura. Esto produjo un fundente muy eficaz que ayudó a hacer una soldadura fuerte. ^[32]

Los primeros ejemplos de fundentes utilizaban diferentes combinaciones y cantidades de rellenos de hierro , bórax , sal amoniacal , bálsamo de copaiba , cianuro de potasio y fosfato de sodio . La edición de 1920 del libro de hechos y fórmulas de Scientific American indica que un secreto comercial que se ofrecía con frecuencia era el uso de cobre , salitre , sal común, óxido negro de manganeso , prusiato de potasio y "arena de soldadura fina" (silicato).

• Soldadura de patrones
• Soldadura por fricción
• Soldadura de pernos por fricción