Soldadura fuerte de aluminio y aleaciones de aluminio

1. Capacidad de soldadura fuerte

La soldabilidad del aluminio y sus aleaciones es deficiente, principalmente debido a la dificultad para eliminar la capa de óxido superficial. El aluminio tiene una gran afinidad por el oxígeno, lo que facilita la formación de una capa de óxido de Al₂O₃ densa, estable y de alto punto de fusión. Asimismo, las aleaciones de aluminio que contienen magnesio también forman una capa de óxido de MgO muy estable, la cual dificulta considerablemente la humectación y la dispersión de la soldadura, además de ser difícil de eliminar. Por lo tanto, el proceso de soldadura solo puede llevarse a cabo con el fundente adecuado.

En segundo lugar, la soldadura fuerte de aluminio y aleaciones de aluminio es compleja. El punto de fusión del aluminio y sus aleaciones no difiere mucho del del metal de aporte utilizado. El rango de temperatura óptimo para la soldadura es muy estrecho. Un control de temperatura inadecuado puede provocar fácilmente el sobrecalentamiento o incluso la fusión del metal base, dificultando el proceso. Algunas aleaciones de aluminio, reforzadas mediante tratamiento térmico, también pueden sufrir fenómenos de ablandamiento, como sobreenvejecimiento o recocido, debido al calentamiento durante la soldadura, lo que reduce las propiedades de las uniones soldadas. Durante la soldadura a la llama, resulta difícil controlar la temperatura, ya que el color de la aleación de aluminio no cambia durante el calentamiento, lo que también aumenta la exigencia para el operario.

Además, la resistencia a la corrosión de las uniones soldadas de aluminio y aleaciones de aluminio se ve fácilmente afectada por los metales de aporte y los fundentes. El potencial de electrodo del aluminio y sus aleaciones difiere considerablemente del de la soldadura, lo que reduce la resistencia a la corrosión de la unión, especialmente en el caso de soldadura blanda. Asimismo, la mayoría de los fundentes utilizados en la soldadura de aluminio y sus aleaciones presentan una alta corrosividad. Incluso tras la limpieza posterior a la soldadura, la influencia de los fundentes en la resistencia a la corrosión de las uniones no se elimina por completo.

2. Material de soldadura fuerte

(1) La soldadura fuerte de aluminio y aleaciones de aluminio es un método poco utilizado, debido a que la composición y el potencial de electrodo del metal de aporte y del metal base son muy diferentes, lo que puede causar fácilmente corrosión electroquímica en la unión. La soldadura blanda emplea principalmente soldadura a base de zinc y soldadura de estaño-plomo, que se puede dividir en soldadura de baja temperatura (150 ~ 260 ℃), soldadura de temperatura media (260 ~ 370 ℃) y soldadura de alta temperatura (370 ~ 430 ℃) según el rango de temperatura. Cuando se utiliza soldadura de estaño-plomo y se realiza un recubrimiento previo de cobre o níquel en la superficie de aluminio para la soldadura fuerte, se puede prevenir la corrosión en la interfaz de la unión, mejorando así la resistencia a la corrosión de la misma.

La soldadura fuerte de aluminio y sus aleaciones se utiliza ampliamente en componentes como guías de filtro, evaporadores, radiadores y otros. Para este fin, solo se pueden utilizar metales de aporte a base de aluminio, siendo los de aluminio-silicio los más comunes. El ámbito de aplicación específico y la resistencia al corte de las uniones soldadas se muestran en las tablas 8 y 9, respectivamente. Sin embargo, dado que el punto de fusión de esta soldadura es cercano al del metal base, es fundamental controlar con precisión la temperatura de calentamiento durante la soldadura para evitar el sobrecalentamiento o incluso la fusión del metal base.

Tabla 8 Ámbito de aplicación de los metales de aportación para soldadura fuerte en aluminio y aleaciones de aluminio.

Tabla 9. Resistencia al corte de uniones de aluminio y aleaciones de aluminio soldadas con metales de aporte de aluminio-silicio.

La soldadura de aluminio-silicio se suele suministrar en forma de polvo, pasta, alambre o lámina. En algunos casos, se utilizan placas compuestas de soldadura con núcleo de aluminio y revestimiento de soldadura de aluminio-silicio. Este tipo de placa compuesta se fabrica mediante un método hidráulico y se emplea frecuentemente como parte de componentes de soldadura fuerte. Durante la soldadura fuerte, el metal de aporte de la placa compuesta se funde y fluye por capilaridad y gravedad para rellenar la junta.

(2) Fundente y gas de protección para soldadura fuerte de aluminio y aleaciones de aluminio. A menudo se utiliza un fundente especial para eliminar la película. El fundente orgánico a base de trietanolamina, como el FS204, se utiliza con soldadura blanda de baja temperatura. La ventaja de este fundente es que tiene poco efecto corrosivo sobre el metal base, pero produce una gran cantidad de gas, lo que afecta la humectación y el sellado de la soldadura. El fundente reactivo a base de cloruro de zinc, como el FS203 y el FS220A, se utiliza con soldadura blanda de temperatura media y alta. El fundente reactivo es altamente corrosivo y sus residuos deben eliminarse después de la soldadura fuerte.

Actualmente, la soldadura fuerte de aluminio y aleaciones de aluminio sigue estando dominada por la eliminación de la película de fundente. Los fundentes utilizados incluyen fundentes a base de cloruro y fundentes a base de fluoruro. El fundente a base de cloruro tiene una gran capacidad para eliminar la película de óxido y buena fluidez, pero es altamente corrosivo para el metal base. Sus residuos deben eliminarse por completo después de la soldadura. El fundente a base de fluoruro es un nuevo tipo de fundente que ofrece una buena eliminación de la película y no corroe el metal base. Sin embargo, tiene un punto de fusión elevado y poca estabilidad térmica, y solo puede utilizarse con soldadura de aluminio-silicio.

Para la soldadura fuerte de aluminio y aleaciones de aluminio, se suele utilizar vacío, atmósfera neutra o inerte. En la soldadura fuerte al vacío, el grado de vacío generalmente debe alcanzar el orden de 10⁻³ Pa. Si se utiliza nitrógeno o argón como gas protector, su pureza debe ser muy alta y el punto de rocío debe ser inferior a -40 °C.

3. Tecnología de soldadura fuerte

La soldadura fuerte de aluminio y aleaciones de aluminio requiere una limpieza exhaustiva de la superficie de la pieza. Para obtener un resultado óptimo, es fundamental eliminar las manchas de aceite y la película de óxido superficial antes de soldar. Para eliminar las manchas de aceite, utilice una solución acuosa de Na2CO3 a 60-70 °C durante 5-10 minutos y enjuague con agua limpia. La película de óxido superficial se puede eliminar mediante grabado con una solución acuosa de NaOH a 20-40 °C durante 2-4 minutos y luego lave con agua caliente. Tras eliminar las manchas de aceite y la película de óxido, la pieza se tratará con una solución acuosa de HNO3 para abrillantarla durante 2-5 minutos, se limpiará con agua corriente y finalmente se secará. La pieza tratada con estos métodos no debe tocarse ni contaminarse con suciedad, y debe soldarse en un plazo de 6-8 horas. Si es posible, se recomienda soldar inmediatamente.

Los métodos de soldadura fuerte de aluminio y aleaciones de aluminio incluyen principalmente la soldadura fuerte a la llama, la soldadura fuerte con soldador y la soldadura fuerte en horno. Estos métodos generalmente utilizan fundente y tienen requisitos estrictos en cuanto a la temperatura y el tiempo de calentamiento. Durante la soldadura fuerte a la llama y la soldadura fuerte con soldador, se debe evitar calentar el fundente directamente con la fuente de calor para prevenir su sobrecalentamiento y deterioro. Dado que el aluminio puede disolverse en soldadura blanda con alto contenido de zinc, se debe detener el calentamiento una vez formada la unión para evitar la corrosión del metal base. En algunos casos, la soldadura fuerte de aluminio y aleaciones de aluminio no utiliza fundente, sino que emplea métodos ultrasónicos o de raspado para eliminar la película. Al utilizar el raspado para eliminar la película, primero se calienta la pieza a la temperatura de soldadura y luego se raspa la zona a soldar con el extremo de la varilla de soldadura (o herramienta de raspado). Al romper la película de óxido superficial, el extremo de la soldadura se funde y humedece el metal base.

Los métodos de soldadura fuerte de aluminio y aleaciones de aluminio incluyen principalmente soldadura fuerte a la llama, soldadura fuerte en horno, soldadura fuerte por inmersión, soldadura fuerte al vacío y soldadura fuerte con protección de gas. La soldadura fuerte a la llama se utiliza principalmente para piezas pequeñas y producción de piezas únicas. Para evitar la falla del fundente debido al contacto entre las impurezas del acetileno y el fundente al usar una llama oxiacetilénica, es apropiado usar una llama de aire comprimido de gasolina con una ligera reducibilidad para prevenir la oxidación del metal base. Durante la soldadura fuerte específica, el fundente y el metal de aporte pueden colocarse previamente en el lugar de soldadura y calentarse al mismo tiempo que la pieza de trabajo; también se puede calentar primero la pieza de trabajo a la temperatura de soldadura fuerte, y luego enviar la soldadura sumergida con fundente a la posición de soldadura fuerte; después de que el fundente y el metal de aporte se funden, la llama de calentamiento debe retirarse lentamente una vez que el metal de aporte esté distribuido uniformemente.

Al soldar aluminio y aleaciones de aluminio en un horno de aire, se debe preajustar el metal de aporte y fundir el fundente en agua destilada para obtener una solución espesa con una concentración del 50 % al 75 %, la cual se aplica mediante recubrimiento o pulverización sobre la superficie a soldar. También se puede aplicar una cantidad adecuada de fundente en polvo sobre el metal de aporte y la superficie a soldar. Posteriormente, la pieza soldada se introduce en el horno para el proceso de soldadura. Para evitar el sobrecalentamiento o la fusión del metal base, es fundamental controlar estrictamente la temperatura de calentamiento.

La soldadura en pasta o en lámina se utiliza generalmente para la soldadura por inmersión de aluminio y aleaciones de aluminio. La pieza ensamblada debe precalentarse antes de la soldadura para que su temperatura se aproxime a la temperatura de soldadura, y luego sumergirse en fundente para soldar. Durante la soldadura, la temperatura y el tiempo deben controlarse estrictamente. Si la temperatura es demasiado alta, el metal base se disuelve fácilmente y la soldadura se pierde con facilidad; si la temperatura es demasiado baja, la soldadura no se funde lo suficiente y la velocidad de soldadura disminuye. La temperatura de soldadura debe determinarse según el tipo y tamaño del metal base, la composición y el punto de fusión del metal de aporte, y generalmente se encuentra entre la temperatura de liquidus del metal de aporte y la temperatura de solidus del metal base. El tiempo de inmersión de la pieza en el baño de fundente debe asegurar que la soldadura se funda y fluya completamente, y el tiempo de soporte no debe ser demasiado prolongado. De lo contrario, el silicio presente en la soldadura puede difundirse en el metal base, volviéndolo quebradizo cerca de la junta.

En la soldadura fuerte al vacío de aluminio y aleaciones de aluminio, se suelen utilizar activadores de metales para modificar la película de óxido superficial del aluminio y asegurar la humectación y dispersión de la soldadura. El magnesio puede aplicarse directamente a la pieza en forma de partículas, introducirse en la zona de soldadura en forma de vapor o añadirse a la soldadura de aluminio-silicio como elemento de aleación. Para piezas con estructuras complejas, con el fin de garantizar el efecto completo del vapor de magnesio sobre el metal base y mejorar la calidad de la soldadura, se suelen aplicar medidas de protección localizada: la pieza se coloca primero en una caja de acero inoxidable (conocida comúnmente como caja de proceso) y luego en un horno de vacío para calentarla durante la soldadura. Las uniones de aluminio y aleaciones de aluminio soldadas al vacío presentan una superficie lisa y uniones densas, y no requieren limpieza posterior. Sin embargo, el equipo de soldadura al vacío es costoso y el vapor de magnesio contamina gravemente el horno, por lo que necesita limpieza y mantenimiento frecuentes.

Al soldar aluminio y aleaciones de aluminio en atmósfera neutra o inerte, se puede utilizar un activador de magnesio o un fundente para eliminar la película. Cuando se utiliza un activador de magnesio, la cantidad de magnesio requerida es mucho menor que en la soldadura al vacío. Generalmente, w (mg) es de aproximadamente 0,2 % a 0,5 %. Un alto contenido de magnesio reduce la calidad de la unión. El método de soldadura NOCOLOK, que utiliza fundente de fluoruro y protección de nitrógeno, es un método novedoso que se ha desarrollado rápidamente en los últimos años. Dado que el residuo del fundente de fluoruro no absorbe humedad ni corroe el aluminio, se puede omitir el proceso de eliminación del residuo después de la soldadura. Bajo la protección de nitrógeno, solo se necesita una pequeña cantidad de fundente de fluoruro, el metal de aporte humedece bien el metal base y es fácil obtener uniones soldadas de alta calidad. Actualmente, este método de soldadura NOCOLOK se utiliza en la producción en masa de radiadores de aluminio y otros componentes.

Para el aluminio y las aleaciones de aluminio soldadas con fundentes distintos al fluoruro, el residuo de fundente debe eliminarse por completo después de la soldadura. El residuo de fundente orgánico para soldadura de aluminio se puede lavar con soluciones orgánicas como metanol y tricloroetileno, neutralizar con una solución acuosa de hidróxido de sodio y, finalmente, limpiar con agua caliente y fría. El cloruro es el residuo del fundente para soldadura de aluminio, que se puede eliminar según los siguientes métodos: primero, sumergir en agua caliente a 60 ~ 80 ℃ durante 10 min, limpiar cuidadosamente el residuo en la junta soldada con un cepillo y limpiarlo con agua fría; luego sumergirlo en una solución acuosa de ácido nítrico al 15 % durante 30 min y, finalmente, enjuagarlo con agua fría.