miniaturadeimagen|Rollo de soldadura de 1.6 mm de diámetro. La soldadura es el material que se usa en la aleación metálica fusible para crear una unión permanente entre piezas metálicas. La soldadura se funde para humedecer las partes de la unión, donde se adhiere y conecta las piezas tras enfriarse. Los metales o aleaciones adecuados para su uso como soldadura deben tener un punto de fusión inferior al de las piezas que se van a unir. La soldadura también debe ser resistente a los efectos oxidantes y corrosivos que degradarían la unión con el paso del tiempo. La soldadura utilizada para realizar conexiones eléctricas también debe tener características eléctricas favorables. miniaturadeimagen|Unión soldada utilizada para unir un cable a una clavija pasante de un componente en la parte posterior de una placa de circuito impreso (no es una aplicación habitual de este tipo de uniones). Las soldaduras blandas suelen tener un punto de fusión de entre 90 y 450 °C (de 360 a 720 K), y se suelen utilizar en electrónica, fontanería y chapistería. Las aleaciones que funden entre 180 y 190 °C (360 y 370 °F; 450 y 460 K) son las más utilizadas. La soldadura realizada utilizando aleaciones con un punto de fusión superior a 450 °C (840 °F; 720 K) se denomina "soldadura dura", "soldadura de plata" o soldadura fuerte.
En proporciones específicas, algunas aleaciones son eutécticas, es decir, el punto de fusión de la aleación es el más bajo posible para una mezcla de esos componentes, y coincide con el punto de congelación. Las aleaciones no eutécticas pueden tener temperaturas de solidus y liquidus marcadamente diferentes, ya que tienen transiciones líquidas y sólidas distintas. Las mezclas no eutécticas suelen existir como una pasta de partículas sólidas en una matriz fundida de la fase de fusión inferior cuando se acercan a temperaturas suficientemente altas. En los trabajos eléctricos, si se altera la unión mientras se encuentra en este estado "pastoso" antes de que se solidifique completamente, puede producirse una mala conexión eléctrica; el uso de soldaduras eutécticas reduce este problema. El estado pastoso de una soldadura no eutéctica puede aprovecharse en fontanería, ya que permite moldear la soldadura durante el enfriamiento, por ejemplo, para garantizar la estanqueidad de las uniones de las tuberías.
Para trabajos eléctricos y electrónicos, el alambre de soldadura está disponible en una gama de grosores para soldadura manual (la soldadura manual se realiza con un soldador o una pistola de soldar), y con núcleos que contienen fundente. También está disponible en forma de pasta a temperatura ambiente, como lámina preformada adaptada a la pieza de trabajo, que puede ser más adecuada para la producción en serie mecanizada, o en pequeñas "lengüetas" que pueden envolverse alrededor de la unión y fundirse con una llama cuando no se puede utilizar o no se dispone de un soldador, como por ejemplo en las reparaciones sobre el terreno. Las aleaciones de plomo y estaño se utilizaban habitualmente en el pasado y aún están disponibles; son especialmente prácticas para soldar a mano. El uso de soldaduras sin plomo ha ido en aumento debido a los requisitos normativos y a las ventajas para la salud y el medio ambiente de evitar los componentes electrónicos con plomo. Hoy en día se utilizan casi exclusivamente en electrónica de consumo.
Los fontaneros suelen utilizar barras de soldadura, mucho más gruesas que el alambre empleado en aplicaciones eléctricas, y aplican el fundente por separado; muchos fundentes aptos para fontanería son demasiado corrosivos (o conductores) para su uso en trabajos eléctricos o electrónicos. Los joyeros suelen utilizar soldadura en láminas finas, que cortan en trozos.
Etimología La palabra soldadura procede del inglés medio soudur, a través del francés antiguo solduree y soulder, del latín solidare, que significa "hacer sólido".
Composición
A base de plomo miniaturadeimagen|Soldadura SN60Pb40. Las soldaduras de estaño-plomo (Sn-Pb), también llamadas soldaduras blandas, se comercializan con concentraciones de estaño de entre el 5 % y el 70 % en peso. Cuanto mayor es la concentración de estaño, mayor es la resistencia a la tracción y al cizallamiento de la soldadura. El plomo mitiga la formación de barba de estaño, aunque se desconoce el mecanismo exacto. Hoy en día, se utilizan muchas técnicas para mitigar el problema, incluyendo cambios en el proceso de recocido (calentamiento y enfriamiento), la adición de elementos como cobre y níquel, y la aplicación de revestimientos conformados. Las aleaciones utilizadas habitualmente para la soldadura eléctrica son 60/40 Sn-Pb, que funde a 188 °C (370 °F), y 63/37 Sn-Pb utilizada principalmente en trabajos eléctricos/electrónicos. Esta última mezcla es una aleación eutéctica de estos metales, que:
tiene el punto de fusión más bajo (183 °C o 361 °F) de todas las aleaciones de estaño-plomo; y el punto de fusión es realmente un punto, no un intervalo.
En Estados Unidos, desde 1974, el plomo está prohibido en soldaduras y fundentes para aplicaciones de fontanería destinadas al consumo de agua potable, de acuerdo con la Ley de Agua Potable Segura (Safe Drinking Water Act). Históricamente, se utilizaba una mayor proporción de plomo, comúnmente 50/50. Esto tenía la ventaja de hacer que la aleación fuera más resistente a la corrosión. Esto tenía la ventaja de hacer que la aleación se solidificara más lentamente. Como las tuberías se encajaban físicamente antes de soldarlas, la soldadura podía limpiarse sobre la unión para garantizar la estanqueidad. Aunque las tuberías de agua de plomo fueron sustituidas por las de cobre cuando se empezó a comprender la importancia del envenenamiento por plomo, la soldadura de plomo se siguió utilizando hasta los años 80 porque se pensaba que la cantidad de plomo que podía filtrarse al agua a partir de la soldadura era insignificante en una unión soldada correctamente. El par electroquímico de cobre y plomo favorece la corrosión del plomo y el estaño. El estaño, sin embargo, está protegido por un óxido insoluble. Dado que se ha descubierto que incluso pequeñas cantidades de plomo son perjudiciales para la salud por ser una potente neurotoxina, el plomo de las soldaduras de fontanería se sustituyó por plata (aplicaciones alimentarias) o antimonio, a los que a menudo se añadía cobre, y se aumentó la proporción de estaño.
La adición de estaño, más caro que el plomo, mejora la mojabilidad de la aleación; el plomo por sí mismo tiene malas características humectantes. Las aleaciones de estaño-plomo con alto contenido en estaño tienen un uso limitado, ya que el rango de trabajabilidad puede ser proporcionado por una aleación más barata con alto contenido en plomo.
Las soldaduras de plomo-estaño disuelven fácilmente el chapado en oro y forman intermetálicos frágiles. La soldadura 60/40 Sn-Pb se oxida en la superficie, formando una compleja estructura de 4 capas: óxido de estaño(IV) en la superficie, debajo una capa de óxido de estaño(II) con plomo finamente disperso, seguida de una capa de óxido de estaño(II) con estaño y plomo finamente dispersos, y la propia aleación de soldadura debajo.
El plomo, y en cierta medida el estaño, tal y como se utiliza en las soldaduras contiene pequeñas pero significativas cantidades de impurezas radioisotópicas. Los radioisótopos que sufren desintegración alfa son motivo de preocupación debido a su tendencia a causar errores blandos. El polonio-210 es especialmente problemático; el polonio-210 se desintegra beta en bismuto-210, que a su vez se desintegra beta en polonio-210, un emisor intenso de partículas alfa. El uranio-238 y el torio-232 son otros contaminantes importantes de las aleaciones de plomo.
Sin plomo miniaturadeimagen|Hilo de soldadura de estaño puro. La Directiva de la Unión Europea sobre residuos de aparatos eléctricos y electrónicos y la Directiva de Restricción de ciertas Sustancias Peligrosas en aparatos eléctricos y electrónicos se adoptaron a principios de 2003 y entraron en vigor el 1 de julio de 2006, restringiendo la inclusión de plomo en la mayoría de los aparatos electrónicos de consumo vendidos en la UE, y teniendo un amplio efecto en los aparatos electrónicos de consumo vendidos en todo el mundo. En EE. UU., los fabricantes pueden obtener ventajas fiscales si reducen el uso de soldaduras con plomo. Las soldaduras sin plomo de uso comercial pueden contener estaño, cobre, plata, bismuto, indio, zinc, antimonio y trazas de otros metales. La mayoría de los sustitutos sin plomo de las soldaduras convencionales 60/40 y 63/37 Sn-Pb tienen puntos de fusión entre 50 y 200 °C más altos, aunque también existen soldaduras con puntos de fusión mucho más bajos. Las soldaduras sin plomo suelen requerir alrededor de un 2% de fundente en masa para tener una capacidad de mojabilidad adecuada. miniaturadeimagen|Soldadura de tubos de cobre con soplete de propano y soldadura sin plomo. Cuando la soldadura sin plomo se utiliza en la soldadura por ola, puede ser conveniente utilizar un soldador ligeramente modificado (por ejemplo, revestimientos de titanio o impulsores) para reducir el coste de mantenimiento debido a la mayor captación de estaño de la soldadura con alto contenido de estaño.
Las soldaduras sin plomo están prohibidas en aplicaciones críticas, como proyectos aeroespaciales, militares y médicos, porque es probable que las uniones sufran fallos por fatiga del metal bajo tensión (como la producida por la dilatación y contracción térmicas). Aunque se trata de una propiedad que también poseen las soldaduras con plomo convencionales (como cualquier metal), el punto en el que suele producirse la fatiga por tensión en las soldaduras con plomo está muy por encima del nivel de tensiones que se dan normalmente.
Las soldaduras de estaño-plata-cobre (Sn-Ag-Cu, o SAC) son utilizadas por dos tercios de los fabricantes japoneses para la soldadura por reflujo y por ola, y por cerca del 75 % de las empresas para la soldadura manual. El uso generalizado de esta popular familia de aleaciones de soldadura sin plomo se basa en el reducido punto de fusión del comportamiento eutéctico ternario Sn-Ag-Cu (217 °C; 423 °F), que está por debajo del eutéctico 22/78 Sn-Ag (% en peso) de 221 °C (430 °F) y del eutéctico 99,3/0. El comportamiento eutéctico ternario del Sn-Ag-Cu y su aplicación para el ensamblaje de componentes electrónicos fue descubierto (y patentado) por un equipo de investigadores del Laboratorio Ames, la Universidad Estatal de Iowa y los Laboratorios Nacionales Sandia-Albuquerque.
Gran parte de la investigación reciente se ha centrado en la adición de un cuarto elemento a la soldadura Sn-Ag-Cu, con el fin de proporcionar compatibilidad para la velocidad de enfriamiento reducida del reflujo de la esfera de soldadura para el ensamblaje de conjuntos de rejilla de bolas. Ejemplos de estas composiciones de cuatro elementos son 18/64/14/4 estaño-plata-cobre-zinc (Sn-Ag-Cu-Zn) (intervalo de fusión de 217-220 °C) y 18/64/16/2 estaño-plata-cobre-manganeso (Sn-Ag-Cu-Mn; intervalo de fusión de 211-215 °C).
Las soldaduras a base de estaño disuelven fácilmente el oro, formando uniones intermetálicas frágiles; para las aleaciones Sn-Pb, la concentración crítica de oro para fragilizar la unión es de aproximadamente el 4%. Las soldaduras ricas en indio (normalmente indio-plomo) son más adecuadas para soldar capas de oro más gruesas, ya que la velocidad de disolución del oro en el indio es mucho más lenta. Las soldaduras ricas en estaño también disuelven fácilmente la plata; para soldar metalizaciones o superficies de plata, son adecuadas las aleaciones con adición de plata; las aleaciones sin estaño también son una opción, aunque su capacidad de mojabilidad es menor. Si el tiempo de soldadura es lo suficientemente largo como para formar los intermetálicos, la superficie de estaño de una unión soldada a oro es muy mate.
Soldadura dura