¿Por qué resulta tan difícil soldar las aleaciones de aluminio?

La soldabilidad es la medida combinada de la resistencia de un material a la formación de grietas, la seguridad de la estructura soldada y la rentabilidad de las aplicaciones previstas del producto. Se considera que un material es soldable cuando sus propiedades químicas, metalúrgicas y físicas se adaptan al proceso de soldadura y la unión cumple los parámetros de resistencia exigidos.

Dado que el aluminio y sus aleaciones presentan propiedades fisicoquímicas específicas, su soldadura plantea las siguientes dificultades.

1. Oxidación rápida

El aluminio se oxida fácilmente al contacto con el aire y durante la soldadura. El óxido de aluminio (Al₂O₃) resultante es estable y difícil de eliminar. Su punto de fusión es de unos 2.500 °C, muy por encima de los aproximadamente 660 °C que tienen las aleaciones de aluminio. Durante la soldadura, la película de óxido impide la fusión del metal base. Dado que su densidad es aproximadamente 1,4 veces mayor que la del aluminio, no flota fácilmente fuera del baño de soldadura y puede provocar una fusión incompleta e inclusiones de escoria. Además, absorbe humedad, lo que puede producir porosidad en la soldadura.

Por lo tanto, antes de soldar, es necesario eliminar la película de óxido mediante una limpieza rigurosa de la superficie, ya sea química o mecánica, y evitar que se produzca una nueva oxidación durante la soldadura.

2. Susceptibilidad a la porosidad

Entre los gases que pueden formar poros se incluyen el hidrógeno, el monóxido de carbono y el nitrógeno. El nitrógeno es insoluble en el aluminio líquido, mientras que las aleaciones de aluminio no contienen carbono que pueda generar poros de monóxido de carbono. Por lo tanto, el hidrógeno es el gas formador de poros que suscita preocupación. Su solubilidad es de 7 ml/kg en aluminio líquido, pero solo de 0,4 ml/kg a la temperatura de solidificación de 660 °C. Gran parte del hidrógeno disuelto originalmente en el metal líquido se precipita y forma burbujas a medida que la soldadura se solidifica. El aluminio puro y las aleaciones de aluminio resistentes a la corrosión son especialmente susceptibles.

Debe limitarse la penetración de hidrógeno en los metales base y de aportación, y debe utilizarse un gas de protección de alta pureza. Antes de soldar, deben eliminarse completamente los óxidos, la humedad y el aceite de las piezas, el alambre y los electrodos. Deben minimizarse las interrupciones. Se recomiendan parámetros de soldadura potentes: la soldadura TIG utiliza una corriente elevada con una velocidad de avance relativamente alta, mientras que la soldadura MIG utiliza una corriente elevada con una velocidad de avance menor para mantener el baño de fusión líquido durante más tiempo y permitir que el hidrógeno se escape de la solución sólida sobresaturada.

3. Riesgo de perforación

El aluminio no presenta ningún cambio de color apreciable al pasar del estado sólido al líquido, lo que dificulta la evaluación de la temperatura del baño. Su resistencia mecánica también disminuye con la temperatura y es de solo 10 MPa a 370 °C. Por lo tanto, es posible que el material no soporte el peso del metal fundido, lo que provocaría una forma deficiente del cordón de soldadura, su colapso o la perforación del material.

Se suele utilizar una barra de apoyo. Además, es necesario controlar cuidadosamente el calentamiento, se debe soldar en posición horizontal siempre que sea posible y el arco debe iniciarse y extinguirse en las lengüetas de inicio y fin de la soldadura.

4. Tendencia al agrietamiento en caliente

El coeficiente de dilatación lineal del aluminio es casi el doble que el del acero, y su contracción por solidificación también es aproximadamente el doble, lo que genera una tensión de soldadura considerable. La composición de la aleación también influye de manera significativa: las impurezas que superan los límites especificados dan lugar a una mayor cantidad de componentes eutécticos de bajo punto de fusión en el baño de fusión. La combinación de estos efectos favorece la aparición de grietas en caliente.

Las grietas suelen producirse en los puntos de inicio y fin del arco, en las interrupciones repentinas del arco, en las soldaduras de fijación y en las soldaduras de reparación. Por lo tanto, para prevenirlas es necesario reducir la tensión de soldadura, ajustar la composición del metal de soldadura, mejorar las condiciones de solidificación del baño de fusión, emplear un proceso adecuado y controlar los parámetros.

5. Resistencia de la unión inferior a la resistencia del metal base

El calor de la soldadura ablanda la zona afectada por el calor, lo que reduce la resistencia y deteriora las propiedades mecánicas. En consecuencia, es posible que la unión no alcance la misma resistencia que el metal base. Para obtener una unión a tope con la misma resistencia, es necesario aumentar el espesor del metal en la zona de soldadura.

6. Menor resistencia a la corrosión tras la soldadura

Las uniones en aleaciones de aluminio tratables térmicamente, como el duraluminio, pueden perder una parte considerable de su resistencia a la corrosión. Una mayor heterogeneidad microestructural provoca una mayor reducción. La pureza y la densidad del metal de soldadura también son importantes: la presencia de impurezas en abundancia, los granos gruesos y la precipitación de fases frágiles, como el FeAl₃, reducen notablemente la resistencia a la corrosión y pueden provocar tanto un ataque superficial localizado como corrosión intergranular. La tensión de soldadura es otro factor importante.

La resistencia a la corrosión puede mejorarse mediante:

1. Reducir la falta de uniformidad en la composición y la microestructura mediante la aleación de la soldadura con materiales de aportación adecuados, el refinamiento de los granos, la prevención de defectos, el ajuste del proceso para limitar la zona afectada por el calor y el sobrecalentamiento, y la aplicación de un tratamiento térmico posterior a la soldadura.
2. Alivio de la tensión de soldadura; la tensión de tracción superficial localizada puede reducirse, por ejemplo, mediante martilleo local.
3. Aplicar tratamientos protectores, como el anodizado o los recubrimientos.