¿Qué es más confiable: soldadura láser, soldadura blanda o engarce en frío?

—Una comparación de los procesos de unión de alambres de bobinado

En la fabricación de transformadores y reactancias, la elección del proceso de unión influye directamente en la eficiencia, la vida útil y la tasa de fallos del dispositivo. La soldadura láser, la soldadura blanda y el engarce en frío presentan diferencias significativas en conductividad, resistencia mecánica y estabilidad térmica. Cada método también conlleva riesgos potenciales de fallo que requieren una evaluación minuciosa. Por ejemplo, la zona afectada por el calor (ZAT) en la soldadura láser puede causar una distribución desigual de la corriente de alta frecuencia, el bajo punto de fusión de la soldadura puede provocar cortocircuitos secundarios durante sobrecargas, y los microhuecos en el engarce en frío pueden aumentar la resistencia de contacto con el tiempo. Este artículo compara las métricas principales y las consecuencias de fallo de estos procesos, haciendo referencia a normas internacionales (IEC 60076, IEEE C57.12.00), para proporcionar directrices de selección para aplicaciones de alta fiabilidad.

Contenido

1. Comparación de conductividad

● Soldadura láser

La unión metalúrgica en la soldadura láser proporciona una conductividad cercana a la del material base. Sin embargo, el engrosamiento del grano en la zona afectada por el calor (ZAC) puede aumentar la resistividad localizada. En los transformadores de alta frecuencia, esta microdistorsión agrava el efecto pelicular, causando sobrecalentamiento localizado y acelerando la carbonización del aislamiento. Por ejemplo, un estudio (IEEE Transactions on Power Delivery) demostró que las fluctuaciones de resistencia en la ZAC pueden aumentar las pérdidas de alta frecuencia entre un 5 % y un 8 %.

● Soldadura

La soldadura se basa en materiales de aleación, cuya resistividad inherente es aproximadamente seis veces mayor que la del cobre. Peor aún, la oxidación de la soldadura y las grietas por fatiga térmica pueden aumentar progresivamente la resistencia de contacto. En un caso (informe de EPRI), la resistencia de contacto de una unión soldada en un transformador sumergido en aceite aumentó un 30 % en tres años debido a la fluencia de la soldadura a 120 °C, lo que finalmente provocó la quema del devanado.

● Engarce en frío

El engarce en frío evita el daño térmico por compresión mecánica, pero los microhuecos pueden generar microarcos bajo el flujo de corriente, y la oxidación puede aumentar gradualmente la resistencia de contacto. Una investigación de la NASA descubrió que los engarces en frío sin recubrimiento, sometidos a ciclos extremos de temperatura espacial, mostraron un aumento de la resistencia del 15 % al 20 % a lo largo de una década.

Tabla 1: Comparación de conductividad y riesgo a largo plazo

2. Comparación de resistencia mecánica

● Soldadura láser

Si bien las soldaduras láser pueden alcanzar el 90 % de la resistencia del material base, la tensión residual y la fragilización de la ZAC reducen la resistencia a la fatiga. El caso de un transformador de turbina eólica (Wind Energy Journal) reveló grietas por fatiga originadas en la ZAC tras ocho años de vibración, lo que provocó la fractura del devanado.

● Soldadura

La soldadura ofrece la resistencia mecánica más baja (30-50 MPa), y la tensión por ciclos térmicos puede causar grietas en las uniones. Los datos de reactores automotrices mostraron que las uniones soldadas fallaban después de 2,000 ciclos de temperatura (-40 °C a 125 °C), mientras que las soldaduras láser resistieron más de 5,000 ciclos.

● Engarce en frío

La resistencia del engarce en frío depende de la velocidad de compresión, pero un engarce excesivo puede cortar las fibras del cable y debilitar la unión. Las estadísticas de la industria (ICEA S-97-682) indican que el 12 % de las fallas en campo se deben a una compresión insuficiente debido al desgaste de la matriz.

3. Comparación de estabilidad térmica

● Soldadura láser

Las soldaduras láser comparten el punto de fusión del material base (cobre: ​​1083 °C), pero un enfriamiento rápido puede generar fases frágiles. Un análisis de fallos de transformadores ferroviarios de alta velocidad (EN 50329) atribuyó la fractura frágil a la excesiva dureza de la soldadura bajo fuerzas de cortocircuito.

● Soldadura

El defecto crítico de la soldadura es su bajo punto de fusión. En las pruebas de certificación UL, la soldadura sin plomo (SAC305) se ablandó a 217 °C, lo que provocó cortocircuitos entre espiras durante sobrecargas del 150 %.

● Engarce en frío

Si bien es resistente al calor, la relajación de la tensión reduce la presión de contacto con el tiempo. Las pruebas ASTM B542 mostraron una disminución del 18 % en la fuerza de engarce en terminales de cobre después de 1,000 horas a 150 °C, lo que requirió sellos elásticos para compensarlo.

Directrices de selección de procesos

En resumen

La soldadura láser, la soldadura blanda y el crimpado en frío ofrecen ventajas distintivas para la unión de cables de bobinado. La soldadura láser destaca por su conductividad y resistencia mecánica, lo que la hace ideal para aplicaciones de alta fiabilidad, como entornos de alta frecuencia o alta temperatura, aunque el control de la ZAT es fundamental. La soldadura blanda es rentable y fácil de realizar, pero se limita a reparaciones de baja frecuencia, baja potencia o temporales debido a su bajo punto de fusión y al riesgo de oxidación. El crimpado en frío ofrece el mejor equilibrio entre coste y estabilidad para la producción en masa, siempre que el plateado y el mantenimiento de la matriz solucionen los problemas de microhuecos y relajación de tensiones. Los avances futuros, como la monitorización de la resistencia basada en IoT y el crimpado híbrido asistido por láser, podrían mejorar aún más la fiabilidad y la adaptabilidad en la fabricación de transformadores.

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