Soldadura por fricción: Un proceso de unión de metales en estado sólido

 En este artículo se explica cómo funciona, por qué es preferible a la soldadura por fusión, sus principales áreas de uso, como la automoción, la industria aeroespacial, una breve actualización de los avances modernos en FSW y varios procesos derivados como la soldadura por puntos por fricción. Su objetivo es cubrir toda la información esencial sobre este importante proceso de unión de metales.

Soldadura por fricción: Un proceso de unión de metales en estado sólido

Índice

Introducción

Principios de la soldadura por fricción

Ventajas de la soldadura por fricción

Diseño de la herramienta y parámetros del proceso

Aplicaciones de la soldadura por fricción-agitación

Retos y últimos avances en la unión de metales

Derivados innovadores de la soldadura por fricción-agitación

Futuros avances en la soldadura por fricción-agitación

Conclusión

Preguntas frecuentes

La soldadura por fricción (FSW) es un novedoso proceso de unión en estado sólido inventado en 1991 en The Welding Institute, Reino Unido. Desde su creación, ha transformado enormemente una gran cantidad de sectores de la industria metalúrgica que dependen de técnicas de unión de metales distintas de los procesos de unión por fusión. En la FSW, se utiliza una herramienta giratoria no consumible para generar calor por fricción por debajo del punto de fusión de los materiales que se van a unir. Esto calienta y ablanda los metales permitiendo que se forjen juntos produciendo uniones de alta calidad sin defectos.

Debido a la ausencia de problemas como el agrietamiento por solidificación y la porosidad, la FSW produce soldaduras más fuertes y consistentes que las alternativas de fusión. Su uso no sólo se limita a las aleaciones de aluminio aeroespaciales, sino que también se emplea en automoción, marina, ferrocarril, etc. Estos son los temas básicos de este artículo que incluyen los principios de la soldadura por fricción-agitación, las ventajas de la soldadura por fricción-agitación, la aplicación de la soldadura por fricción-agitación y los nuevos avances en la soldadura por fricción-agitación. Su alcance incluye todos los aspectos de este importante proceso de unión de metales.

Principio de funcionamiento

La FSW es un novedoso proceso de unión de materiales con menor aporte de calor y sin fundir el material base. Durante este proceso, se coloca un electrodo no conductivo calentado eléctricamente que tiene un pasador de forma cilíndrica y un hombro cilíndrico en dos superficies adyacentes de los miembros enfrentados y se desplaza de un extremo a otro de la junta de trabajo.

Generación de calor por fricción

A medida que el pasador de la herramienta FSW gira y se traslada a través del material, se genera calor por fricción entre las superficies del hombro y del pasador que entran en contacto con las piezas de trabajo. Este calor hace que los materiales de las piezas a tope se ablanden sin alcanzar sus puntos de fusión. A continuación, el pasador mezcla mecánicamente los materiales reblandecidos rompiendo la estructura de unión original y forjándolos juntos.

Formación de una soldadura uniforme

Detrás del perno, el material se enfría y recristaliza rápidamente, dando lugar a una unión en estado sólido entre las dos piezas originales. Esto deja una pepita de soldadura uniforme desprovista de cualquier defecto relacionado con la fusión o la solidificación, típicamente visto en soldadura por fusión.

Ventajas sobre la soldadura convencional

Excelentes propiedades mecánicas

La ausencia de defectos asociados a la fusión y la solidificación confiere a las soldaduras FSW unas propiedades mecánicas excelentes, equivalentes o superiores a las del material base en el propio estado de soldadura.

Seguridad mejorada

En comparación con los procesos de soldadura por fusión como la soldadura por arco metálico con gas, no hay humos, salpicaduras ni radiación ultravioleta asociados a la FSW. Esto la convierte en un proceso de soldadura más seguro.

No necesita relleno

Dado que la FSW es un proceso de estado sólido, no requiere ningún material de relleno como alambre o fundente, lo que simplifica el proceso.

Automatización sencilla

La naturaleza secuencial automatizada de la FSW se presta muy bien a implementaciones robotizadas y automatizadas en la fabricación de grandes volúmenes en diversas industrias.

Funciona en todas las posiciones

A diferencia de algunos procesos de soldadura por fusión, la FSW puede realizarse en materiales en posición plana, horizontal, vertical o por encima de la cabeza con igual eficacia.

Buen aspecto de la soldadura

Normalmente, las soldaduras por fricción tienen un aspecto plano y uniforme con una distorsión mínima en comparación con las soldaduras por fusión.

Diseño de la herramienta y parámetros del proceso

Importancia del diseño de las herramientas

El diseño de la herramienta desempeña un papel fundamental a la hora de determinar la profundidad de penetración, las características de generación de calor y, en última instancia, la calidad de la soldadura. Los diseños avanzados de herramientas ayudan a conseguir mayores profundidades y soldaduras de secciones más gruesas.

Variaciones de la geometría de la herramienta

Los diseños de las herramientas pueden variar el perfil de la sonda o el pasador (los perfiles van desde formas cilíndricas simples a pasadores roscados o escalonados), el diámetro del hombro y las características para influir en el flujo de material.

Efectos de los parámetros del proceso

Los parámetros del proceso, como las velocidades de rotación y desplazamiento de la herramienta, la profundidad de penetración, etc., influyen significativamente en la generación de calor y el flujo de material durante la soldadura. Para que las secciones más gruesas penetren en profundidad se prefiere una velocidad lenta, mientras que una velocidad alta es aplicable a materiales de calibre fino. Sin embargo, la soldadura por fricción y agitación es una de las prometedoras técnicas de unión en estado sólido, que presenta varias ventajas en comparación con otros procesos de soldadura por fusión para diferentes industrias... Los continuos avances en el diseño de las herramientas y los parámetros del proceso mejoran aún más sus capacidades.

Aplicaciones de la soldadura por fricción-agitación

Compuestos de matriz metálica

Unión de compuestos de matriz de aluminio

El proceso Fsw se utilizó con éxito para soldar compuestos de matriz metálica (MMC) reforzados con partículas cerámicas duras como carburo de silicio (SiC) y carburo de boro (B4C). El método produce uniones sólidas en matrices de Al reforzadas con partículas de SiC y B4C con características mecánicas comparables o superiores a las de los metales base.

Microestructura y resistencia mejoradas

MXY Las uniones producidas mediante FSW tienen una distribución más fina y uniforme de los refuerzos en la pepita de soldadura en comparación con las técnicas de soldadura por fusión. Esto se traduce en una mayor resistencia de la unión que se aproxima a la del compuesto base. La ausencia de defectos de licuefacción y resolidificación en la FSW evita los problemas de agrietamiento y porosidad que suelen observarse en las soldaduras por fusión de los MMC.

Industrias del automóvil y aeroespacial

Paneles de ala y fuselaje de avión

Los principales fabricantes de aviones utilizan ampliamente la FSW para unir paneles de aleación de aluminio para alas, fuselajes y secciones de cola. Embraer utiliza esta técnica para fabricar los revestimientos de las alas y los largueros de sus E-Jets. Boeing utiliza la FSW en los paneles del 747-8 fabricando más de 33 kilómetros de soldaduras.

Piezas de carrocería y chasis

Los componentes estructurales de los automóviles, como capós, puertas, paneles traseros de la carrocería y eslabones de la suspensión, son unidos mediante FSW por los principales fabricantes. Mazda utiliza este proceso en varios modelos, incluido su gran camión Bongo. Ford emplea el FSW en las carrocerías de aluminio de la camioneta F-150 y el todoterreno Expedition.

Marina y transporte

Construcción naval y buques de guerra

El astillero italiano Fincantieri construye las superestructuras, cubiertas y mamparos de transbordadores y cruceros íntegramente con chapas de aluminio unidas por FSW. Dockwise utiliza soldaduras a tope por fricción para unir manguitos de pontones de buques de transporte pesado.

Metro y trenes de alta velocidad

Los trenes de metro de ciudades como Delhi, Bombay y Sydney cuentan con paneles de carrocería y bastidores de aluminio unidos por FSW. Los trenes bala japoneses Shinkansen tienen partes estructurales y revestimiento exterior de aleaciones de aluminio soldadas por fricción.

En resumen, la soldadura por agitación de fricción permite la unión eficaz y sin defectos de varios metales y aleaciones en diversas industrias, desde la aeroespacial y la automoción hasta la marina, el transporte y la electrónica. Sus aplicaciones siguen ampliándose a nuevas áreas con los continuos desarrollos de los procesos.

Retos y últimos avances en la unión de metales

Materiales difíciles de soldar

Se están explorando técnicas de soldadura por fricción-agitación para unir materiales tradicionalmente considerados difíciles de soldar.

Unión de aceros y aleaciones de titanio

Numerosas investigaciones examinan la viabilidad de la FSW para unir aceros de alta resistencia y aleaciones de titanio que resultan difíciles de soldar por fusión debido al agrietamiento. Los estudios preliminares muestran que pueden obtenerse resistencias deseables en soldaduras disimilares de acero-aluminio y titanio-aluminio.

Uniones de metales diferentes

La FSW también se investiga para unir combinaciones disímiles como aluminio con cobre, magnesio y plásticos reforzados con fibra de carbono. El éxito de las soldaduras de aleación de circonio con acero demuestra la versatilidad del proceso en estado sólido.

Estudios de optimización de procesos

Mejora del diseño de herramientas

Se estudian diseños de herramientas con roscado, ventilación y características avanzadas de los hombros para mejorar la penetración de la unión, el flujo de calor y la mezcla de materiales. Los pernos contorneados ayudan a reducir los defectos en las soldaduras de sección gruesa.

Optimización de parámetros

La investigación optimiza parámetros interdependientes como la fuerza de penetración, la velocidad de rotación, la velocidad de desplazamiento y la geometría de la herramienta. Los modelos térmicos, junto con los experimentos, proporcionan información sobre la prevención de defectos.

Evolución de la microestructura

Los estudios examinan los factores que rigen el tamaño de grano y la estructura de la zona de agitación. Adaptar la velocidad de enfriamiento y las características de la herramienta refina la microestructura y las propiedades mecánicas de combinaciones de aleaciones difíciles.

Derivados innovadores

Soldadura por puntos por fricción

Este desarrollo permite la unión por puntos de ensamblajes de chapas. Encuentra aplicaciones en cierres de automóviles y paneles de carrocería con ventajas sobre la soldadura por puntos por resistencia.

Procesado por fricción-agitación

Esta técnica modifica las propiedades de los materiales mediante una acción de agitación cuidadosamente controlada. Sus aplicaciones incluyen la mejora de las propiedades de los compuestos de matriz metálica y la fabricación de nanoestructuras gradientes.

Procesado hidropilar por fricción

Un híbrido de FSW y extrusión amplía las opciones de fabricación de componentes tubulares y huecos a partir de materiales como el aluminio, el titanio y el acero inoxidable.

Los continuos avances están ampliando las aplicaciones de la soldadura por agitación de fricción a nuevas fronteras de materiales, diseños y fabricación de gran volumen en todas las industrias.

Conclusión

En conclusión, la soldadura por agitación de fricción ha revolucionado la unión de metales desde su invención en 1991. Desarrollada originalmente como alternativa a la soldadura por fusión de aleaciones de aluminio, es ahora una tecnología madura que se utiliza en diversas industrias para aplicaciones que antes se consideraban difíciles con las técnicas convencionales. Las ventajas únicas de la soldadura por fricción-agitación, como las excelentes propiedades mecánicas, la reducción de defectos, la seguridad, la capacidad de automatización y la posibilidad de unir una amplia gama de aleaciones metálicas, la han convertido en el método de fabricación preferido. La investigación continua dirigida a comprender el comportamiento del flujo de materiales, optimizar los parámetros del proceso y diseñar herramientas avanzadas está mejorando aún más el alcance y la productividad de la soldadura por fricción-agitación. Derivados innovadores como la soldadura por puntos por agitación de fricción y el procesado por agitación de fricción también están ampliando su potencial de aplicación a nuevos dominios de fabricación. Con los esfuerzos de desarrollo en curso, es probable que la soldadura por agitación de fricción y sus variantes sigan alterando los enfoques de fabricación tradicionales y permitan la fabricación de combinaciones de aleaciones y diseños de componentes avanzados en todas las industrias en el futuro.

Preguntas frecuentes

¿Cuáles son las principales ventajas de la FSW sobre la soldadura por fusión?

Produce soldaduras más fuertes y de mayor calidad, sin defectos como porosidad o agrietamiento. También es más segura, está más automatizada, funciona en todas las posiciones y causa menos distorsión.

¿Se limita la FSW a la unión de chapas o placas planas?

No, los avances permiten la FSW de formas 3D complejas, componentes tubulares/huecos y combinaciones disímiles/multimateriales. Las herramientas de soldadura por puntos permiten el ensamblaje de paneles.

¿Qué factores afectan a la calidad de la soldadura?

Los factores principales son el diseño de la herramienta (perfil del pasador/hombro), las velocidades de rotación/recorrido, la profundidad de inmersión y la fuerza del pasador adaptada al material y al espesor. Se optimizan el calor, el flujo de material y la resistencia de la unión.

¿Pueden otras técnicas de unión sustituir a la FSW?

Para muchas aplicaciones, no hay alternativas que proporcionen el mismo grado de consistencia e integridad mecánica. Sin embargo, algunas fijaciones especializadas pueden funcionar cuando el acceso a la herramienta FSW es limitado.