La soldadura por fricción y agitación ( FSW ) es un proceso de unión de estado sólido que utiliza una herramienta no consumible para unir dos piezas de trabajo enfrentadas sin fundir el material de la pieza de trabajo. [1] [2] El calor se genera por la fricción entre la herramienta giratoria y el material de la pieza de trabajo, lo que conduce a una región ablandada cerca de la herramienta FSW. Mientras la herramienta se desplaza a lo largo de la línea de unión, mezcla mecánicamente las dos piezas de metal y forja el metal caliente y ablandado mediante la presión mecánica, que aplica la herramienta, de forma muy parecida a unir arcilla o masa. [2] Se utiliza principalmente en aluminio forjado o extruido y particularmente para estructuras que necesitan una resistencia de soldadura muy alta. FSW es capaz de unir aleaciones de aluminio, aleaciones de cobre, aleaciones de titanio, acero dulce, acero inoxidable y aleaciones de magnesio. Más recientemente, se utilizó con éxito en la soldadura de polímeros. [3] Además, FSW ha logrado recientemente la unión de metales diferentes, como el aluminio con aleaciones de magnesio. [4] La aplicación de FSW se puede encontrar en la construcción naval moderna, trenes y aplicaciones aeroespaciales. [5] [6] [7] [8] [9] [10]
El concepto fue patentado en la Unión Soviética por Yu. Klimenko en 1967, [11] pero no se convirtió en una tecnología comercial en ese momento. Fue probado experimentalmente y comercializado en The Welding Institute (TWI) en el Reino Unido en 1991. TWI poseía patentes sobre el proceso, siendo la primera la más descriptiva. [12]
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La soldadura por fricción-agitación se realiza con una herramienta cilíndrica giratoria que tiene un pasador perfilado (también conocido como sonda) que tiene un diámetro menor que el diámetro de su hombro. Durante la soldadura, la herramienta se introduce en una unión a tope entre dos piezas de trabajo sujetas, hasta que la sonda perfora la pieza de trabajo y su hombro toca la superficie de las piezas de trabajo. [14] La sonda es ligeramente más corta que la profundidad de soldadura requerida, con el hombro de la herramienta sobre la superficie de trabajo. [15] Después de un breve tiempo de permanencia, la herramienta avanza a lo largo de la línea de unión a la velocidad de soldadura preestablecida. [dieciséis]
Se genera calor por fricción entre la herramienta resistente al desgaste y las piezas de trabajo. Este calor, junto con el generado por el proceso de mezcla mecánica y el calor adiabático dentro del material, hacen que los materiales agitados se ablanden sin fundirse . A medida que la herramienta avanza, un perfil especial en la sonda fuerza el material plastificado desde la cara principal hacia la parte trasera, donde las altas fuerzas ayudan a una consolidación forjada de la soldadura.
Este proceso de recorrido de la herramienta a lo largo de la línea de soldadura en un eje tubular de metal plastificado da como resultado una deformación severa en estado sólido que implica la recristalización dinámica del material base. [17]
La naturaleza de estado sólido del proceso FSW, combinada con la forma inusual de su herramienta y su perfil de velocidad asimétrico, da como resultado una microestructura altamente característica . La microestructura se puede dividir en las siguientes zonas:
La naturaleza de estado sólido del FSW conlleva varias ventajas sobre los métodos de soldadura por fusión, ya que se evitan los problemas asociados con el enfriamiento de la fase líquida. Problemas como la porosidad , la redistribución de solutos , el craqueo por solidificación y el craqueo por licuación no surgen durante la FSW. En general, se ha descubierto que el FSW produce una baja concentración de defectos y es muy tolerante a variaciones en parámetros y materiales.
Sin embargo, FSW se asocia con una serie de defectos únicos si no se realiza correctamente. Unas temperaturas de soldadura insuficientes, debidas, por ejemplo, a bajas revoluciones o altas velocidades de desplazamiento, hacen que el material de soldadura no pueda soportar las grandes deformaciones durante la soldadura. Esto puede dar lugar a defectos largos, similares a túneles, que se extienden a lo largo de la soldadura, que pueden ocurrir en la superficie o bajo la superficie. Las bajas temperaturas también pueden limitar la acción de forjado de la herramienta y así reducir la continuidad de la unión entre el material de cada lado de la soldadura. El ligero contacto entre el material ha dado origen al nombre de "vínculo de beso". Este defecto es especialmente preocupante, ya que es muy difícil de detectar mediante métodos no destructivos como los rayos X o las pruebas ultrasónicas . Si el pasador no es lo suficientemente largo o la herramienta se sale de la placa, entonces la interfaz en la parte inferior de la soldadura puede no ser interrumpida ni forjada por la herramienta, lo que resulta en un defecto de falta de penetración. Se trata esencialmente de una muesca en el material, que puede ser una fuente potencial de grietas por fatiga .
Se han identificado una serie de ventajas potenciales de FSW sobre los procesos de soldadura por fusión convencionales: [21] [16]
Sin embargo, se han identificado algunas desventajas del proceso:
El diseño de la herramienta [22] es un factor crítico, ya que una buena herramienta puede mejorar tanto la calidad de la soldadura como la máxima velocidad de soldadura posible.
Es deseable que el material de la herramienta sea suficientemente fuerte, tenaz y resistente al desgaste a la temperatura de soldadura. Además, debe tener una buena resistencia a la oxidación y una baja conductividad térmica para minimizar la pérdida de calor y el daño térmico a la maquinaria que se encuentra más arriba en el tren de transmisión. El acero para herramientas trabajado en caliente, como el AISI H13, ha demostrado ser perfectamente aceptable para soldar aleaciones de aluminio dentro de rangos de espesor de 0,5 a 50 mm [23] , pero se necesitan materiales de herramientas más avanzados para aplicaciones más exigentes, como compuestos de matriz metálica altamente abrasivos [24] o Materiales con un punto de fusión más alto, como el acero o el titanio.
Se ha demostrado que las mejoras en el diseño de herramientas provocan mejoras sustanciales en la productividad y la calidad. TWI ha desarrollado herramientas diseñadas específicamente para aumentar la profundidad de penetración y así aumentar los espesores de las placas que se pueden soldar con éxito. Un ejemplo es el diseño de "espiral" que utiliza un pasador cónico con características reentrantes o una rosca de paso variable para mejorar el flujo de material hacia abajo. Los diseños adicionales incluyen las series Triflute y Trivex. El diseño Triflute tiene un sistema complejo de tres canales reentrantes roscados y ahusados que parecen aumentar el movimiento del material alrededor de la herramienta. Las herramientas Trivex utilizan un pasador más simple, no cilíndrico, y se ha descubierto que reducen las fuerzas que actúan sobre la herramienta durante la soldadura.
La mayoría de las herramientas tienen un perfil de hombro cóncavo, que actúa como un volumen de escape para el material desplazado por el pasador, evita que el material salga por los lados del hombro y mantiene la presión hacia abajo y, por tanto, un buen forjado del material detrás de la herramienta. La herramienta Triflute utiliza un sistema alternativo con una serie de ranuras concéntricas mecanizadas en la superficie, cuyo objetivo es producir un movimiento adicional de material en las capas superiores de la soldadura.
Las aplicaciones comerciales generalizadas del proceso de soldadura por fricción y agitación para aceros y otras aleaciones duras, como las aleaciones de titanio, requerirán el desarrollo de herramientas rentables y duraderas. [25] La selección de materiales, el diseño y el costo son consideraciones importantes en la búsqueda de herramientas comercialmente útiles para la soldadura de materiales duros. Se continúa trabajando para comprender mejor los efectos de la composición, estructura, propiedades y geometría del material de la herramienta en su rendimiento, durabilidad y costo. [26]
Hay dos velocidades de herramienta que se deben considerar en la soldadura por fricción y agitación; [27] qué tan rápido gira la herramienta y qué tan rápido atraviesa la interfaz. Estos dos parámetros tienen una importancia considerable y deben elegirse con cuidado para garantizar un ciclo de soldadura exitoso y eficiente. La relación entre la velocidad de rotación, la velocidad de soldadura y la entrada de calor durante la soldadura es compleja, pero en general, se puede decir que aumentar la velocidad de rotación o disminuir la velocidad transversal dará como resultado una soldadura más caliente. Para producir una soldadura exitosa, es necesario que el material que rodea la herramienta esté lo suficientemente caliente como para permitir el flujo plástico extenso requerido y minimizar las fuerzas que actúan sobre la herramienta. Si el material está demasiado frío, pueden aparecer huecos u otros defectos en la zona de agitación y, en casos extremos, la herramienta puede romperse.
Por otro lado, un aporte de calor excesivamente alto puede ser perjudicial para las propiedades finales de la soldadura. En teoría, esto podría incluso provocar defectos debido a la licuación de fases de bajo punto de fusión (similar al agrietamiento por licuación en las soldaduras por fusión). Estas demandas en competencia conducen al concepto de "ventana de procesamiento": la gama de parámetros de procesamiento, a saber. rotación de la herramienta y velocidad transversal, que producirán una soldadura de buena calidad. [28] Dentro de esta ventana, la soldadura resultante tendrá un aporte de calor suficientemente alto para garantizar una plasticidad adecuada del material, pero no tan alto como para que las propiedades de la soldadura se deterioren excesivamente.
La profundidad de inmersión se define como la profundidad del punto más bajo del hombro debajo de la superficie de la placa soldada y se ha descubierto que es un parámetro crítico para garantizar la calidad de la soldadura. [29] Hundir el hombro debajo de la superficie de la placa aumenta la presión debajo de la herramienta y ayuda a garantizar un forjado adecuado del material en la parte posterior de la herramienta. Se ha descubierto que inclinar la herramienta entre 2 y 4 grados, de modo que la parte trasera de la herramienta quede más baja que la delantera, ayuda en este proceso de forjado. La profundidad de inmersión debe ajustarse correctamente, tanto para garantizar que se logre la presión descendente necesaria como para garantizar que la herramienta penetre completamente en la soldadura. Dadas las altas cargas requeridas, la máquina de soldar puede deformarse y, por lo tanto, reducir la profundidad de inmersión en comparación con el ajuste nominal, lo que puede provocar fallas en la soldadura. Por otro lado, una profundidad de inmersión excesiva puede provocar que el pasador roce la superficie de la placa de respaldo o que el espesor de la soldadura sea significativamente inferior al del material base. Se han desarrollado soldadores de carga variable para compensar automáticamente los cambios en el desplazamiento de la herramienta, mientras que TWI ha demostrado un sistema de rodillos que mantiene la posición de la herramienta por encima de la placa de soldadura.
Durante la soldadura, varias fuerzas actuarán sobre la herramienta: [30]
Para evitar la fractura de la herramienta y minimizar el desgaste excesivo de la herramienta y la maquinaria asociada, se modifica el ciclo de soldadura para que las fuerzas que actúan sobre la herramienta sean lo más bajas posible y se eviten cambios bruscos. Para encontrar la mejor combinación de parámetros de soldadura, es probable que se deba llegar a un compromiso, ya que las condiciones que favorecen fuerzas bajas (por ejemplo, alto aporte de calor, bajas velocidades de desplazamiento) pueden ser indeseables desde el punto de vista de la productividad y la soldadura. propiedades.
Los primeros trabajos sobre el modo de flujo del material alrededor de la herramienta utilizaron insertos de una aleación diferente, que tenía un contraste diferente al material normal cuando se veía a través de un microscopio, en un esfuerzo por determinar dónde se movía el material a medida que pasaba la herramienta. [31] [32] Se interpretó que los datos representan una forma de extrusión in situ , donde la herramienta, la placa de respaldo y el material base frío forman la "cámara de extrusión", a través de la cual se fuerza el material plastificado caliente. En este modelo, la rotación de la herramienta atrae poco o ningún material alrededor del frente de la sonda; en cambio, el material se parte delante del pasador y pasa hacia abajo a ambos lados. Después de que el material ha pasado la sonda, la presión lateral ejercida por el "troquel" fuerza al material a unirse nuevamente y se produce la consolidación de la unión, a medida que la parte posterior del hombro de la herramienta pasa por encima y la gran fuerza hacia abajo forja el material.
Más recientemente, se ha propuesto una teoría alternativa que defiende un movimiento material considerable en ciertos lugares. [33] Esta teoría sostiene que parte del material gira alrededor de la sonda, durante al menos una rotación, y es este movimiento del material el que produce la estructura de "anillo de cebolla" en la zona de agitación. Los investigadores utilizaron una combinación de finas tiras de cobre y una técnica de "pasador congelado", donde la herramienta se detiene rápidamente en su lugar. Sugirieron que el movimiento material se produce mediante dos procesos:
La principal ventaja de esta explicación es que proporciona una explicación plausible para la producción de la estructura del aro de cebolla.
La técnica del marcador para soldadura por fricción-agitación proporciona datos sobre las posiciones inicial y final del marcador en el material soldado. A continuación se reconstruye el flujo de material a partir de estas posiciones. El campo de flujo de material detallado durante la soldadura por fricción y agitación también se puede calcular a partir de consideraciones teóricas basadas en principios científicos fundamentales. Los cálculos del flujo de materiales se utilizan habitualmente en numerosas aplicaciones de ingeniería. El cálculo de los campos de flujo de material en la soldadura por fricción y agitación se puede realizar mediante simulaciones numéricas completas [34] [35] [36] o ecuaciones analíticas simples pero reveladoras. [37] Los modelos completos para el cálculo de campos de flujo de material también proporcionan información importante, como la geometría de la zona de agitación y el par de torsión en la herramienta. [38] [39] Las simulaciones numéricas han demostrado la capacidad de predecir correctamente los resultados de los experimentos con marcadores [36] y la geometría de la zona de agitación observada en experimentos de soldadura por fricción y agitación. [38] [40]
Para cualquier proceso de soldadura, en general es deseable aumentar la velocidad de desplazamiento y minimizar la entrada de calor, ya que esto aumentará la productividad y posiblemente reducirá el impacto de la soldadura sobre las propiedades mecánicas de la soldadura. Al mismo tiempo, es necesario garantizar que la temperatura alrededor de la herramienta sea lo suficientemente alta para permitir un flujo de material adecuado y evitar fallas o daños a la herramienta.
Cuando se aumenta la velocidad transversal, para una determinada entrada de calor, hay menos tiempo para que el calor se conduzca delante de la herramienta y los gradientes térmicos son mayores. En algún momento, la velocidad será tan alta que el material delante de la herramienta estará demasiado frío y la tensión de flujo demasiado alta para permitir un movimiento adecuado del material, lo que provocará fallas o fracturas de la herramienta. Si la "zona caliente" es demasiado grande, entonces hay margen para aumentar la velocidad de desplazamiento y, por tanto, la productividad.
El ciclo de soldadura se puede dividir en varias etapas, durante las cuales el flujo de calor y el perfil térmico serán diferentes: [41]
La generación de calor durante la soldadura por fricción-agitación surge de dos fuentes principales: la fricción en la superficie de la herramienta y la deformación del material alrededor de la herramienta. [42] A menudo se supone que la generación de calor se produce predominantemente debajo del hombro, debido a su mayor superficie, y que es igual a la potencia necesaria para superar las fuerzas de contacto entre la herramienta y la pieza de trabajo. La condición de contacto debajo del hombro se puede describir mediante fricción por deslizamiento, utilizando un coeficiente de fricción μ y presión interfacial P , o fricción por adherencia, basada en la resistencia al corte interfacial a una temperatura y tasa de deformación apropiadas. Se han desarrollado aproximaciones matemáticas para el calor total generado por el hombro de la herramienta Q total utilizando modelos de fricción tanto deslizante como adherente: [41]
donde ω es la velocidad angular de la herramienta, R hombro es el radio del hombro de la herramienta y R pasador es el del pasador. Se han propuesto varias otras ecuaciones para tener en cuenta factores como el pasador, pero el enfoque general sigue siendo el mismo.
Una dificultad importante al aplicar estas ecuaciones es determinar valores adecuados para el coeficiente de fricción o el esfuerzo cortante interfacial. Las condiciones bajo la herramienta son extremas y muy difíciles de medir. Hasta la fecha, estos parámetros se han utilizado como "parámetros de ajuste", donde el modelo trabaja a partir de datos térmicos medidos para obtener un campo térmico simulado razonable. Si bien este enfoque es útil para crear modelos de procesos para predecir, por ejemplo, tensiones residuales, es menos útil para proporcionar información sobre el proceso en sí.
El proceso FSW fue inicialmente patentado por TWI en la mayoría de los países industrializados y autorizado para más de 183 usuarios. La soldadura por fricción y agitación y sus variantes (soldadura por puntos por fricción y procesamiento por fricción y agitación ) se utilizan para las siguientes aplicaciones industriales: [43] construcción naval y offshore, [44] aeroespacial, [45] [46] automoción, [47] material rodante para ferrocarriles, [48] [49] fabricación general, [50] robótica y computadoras.
Dos empresas escandinavas de extrusión de aluminio fueron las primeras en aplicar comercialmente FSW a la fabricación de paneles para congeladores de pescado en Sapa en 1996, así como paneles de cubierta y plataformas de aterrizaje para helicópteros en Marine Aluminium Aanensen. Posteriormente, Marine Aluminium Aanensen se fusionó con Hydro Aluminium Maritime para convertirse en Hydro Marine Aluminium . Algunos de estos paneles congeladores son producidos actualmente por Riftec y Bayards. En 1997, con la primera máquina FSW portátil, se produjeron en el Research Foundation Institute soldaduras bidimensionales por fricción y agitación en la sección de proa abocinada hidrodinámicamente del casco del buque oceánico The Boss . El Super Liner Ogasawara de Mitsui Engineering and Shipbuilding es el barco soldado por fricción y agitación más grande hasta el momento. [ cita necesaria ] El Sea Fighter de Nichols Bros y los barcos de combate litorales clase Freedom contienen paneles prefabricados de los fabricantes de FSW Advanced Technology y Friction Stir Link, Inc. respectivamente. [6] El barco de misiles clase Houbei tiene contenedores de lanzamiento de cohetes soldados por fricción y agitación del Centro de Agitación por Fricción de China. HMNZS Rotoiti en Nueva Zelanda tiene paneles FSW fabricados por Donovans en una fresadora reconvertida. [51] [52] Varias empresas aplican FSW al blindaje de buques de asalto anfibio . [53] [54]
United Launch Alliance aplica FSW a los vehículos de lanzamiento desechables Delta II , Delta IV , Atlas V y el nuevo Vulcan junto con sus etapas superiores criogénicas , y el primero de ellos con un módulo entre etapas soldado por fricción y agitación se lanzó en 1999. El proceso fue también se utilizó para el tanque externo del transbordador espacial , para el Ares I hasta que el proyecto fue cancelado en 2012, el SLS Core que reemplazó al Ares, y para el artículo de prueba del Orion Crew Vehicle y el modelo actual del Orion en la NASA , así como para el Falcon. 1 y Falcon 9 en SpaceX . [55] Los clavos para la rampa del avión de carga Boeing C-17 Globemaster III de Advanced Joining Technologies [7] y las vigas de barrera de carga para el Boeing 747 Large Cargo Freighter [7] fueron las primeras piezas de avión producidas comercialmente. Las alas y los paneles del fuselaje aprobados por la FAA del avión Eclipse 500 se fabricaron en Eclipse Aviation , y esta compañía entregó 259 aviones comerciales soldados por fricción y agitación, antes de que se vieran obligados a entrar en la liquidación del Capítulo 7. Los paneles de piso para los aviones militares Airbus A400M ahora son fabricados por Pfalz Flugzeugwerke y Embraer usó FSW para los Legacy 450 y 500 Jets [8] La soldadura por fricción y agitación también se emplea para los paneles del fuselaje del Airbus A380 . [56] BRÖTJE-Automation utiliza soldadura por fricción y agitación para máquinas de producción de pórtico desarrolladas para el sector aeroespacial, así como para otras aplicaciones industriales. [57]
Los soportes de motor y los puntales de suspensión de aluminio para los Lincoln Town Car estirados fueron las primeras piezas de automóvil soldadas por fricción y agitación en Tower Automotive , que utiliza el proceso también para el túnel del motor del Ford GT . Una empresa derivada de esta empresa se llama Friction Stir Link, Inc. y explota con éxito el proceso FSW, por ejemplo para el remolque de plataforma "Revolution" de Fontaine Trailers. [58] En Japón, el FSW se aplica a los puntales de suspensión en Showa Denko y para unir láminas de aluminio a soportes de acero galvanizado para la tapa del maletero del Mazda MX-5 . La soldadura por puntos por fricción y agitación se utiliza con éxito para el capó y las puertas traseras del Mazda RX-8 y la tapa del maletero del Toyota Prius . Las ruedas se sueldan por fricción y agitación en Simmons Wheels, UT Alloy Works y Fundo. [59] Los asientos traseros del Volvo V70 están soldados por fricción y agitación en Sapa, pistones HVAC en Halla Climate Control y refrigeradores de recirculación de gases de escape en Pierburg. Los espacios en blanco soldados a medida [60] están soldados por fricción y agitación para el Audi R8 en Riftec. [61] La columna B del Audi R8 Spider está soldada por fricción y agitación a partir de dos extrusiones en Hammerer Aluminium Industries en Austria. [ cita necesaria ] El subchasis delantero del Honda Accord 2013 se soldó por fricción y agitación para unir mitades de aluminio y acero. [62]
Desde 1997, los paneles de techo se fabrican a partir de extrusiones de aluminio en Hydro Marine Aluminium con una máquina FSW hecha a medida de 25 m de largo, por ejemplo para los trenes DSB clase SA-SD de Alstom LHB . [9] Los paneles laterales y de techo curvos para los trenes de la línea Victoria del metro de Londres , los paneles laterales para los trenes Bombardier Electrostar [10] en el Grupo Sapa y los paneles laterales para los trenes Pendolino Class 390 de British Rail de Alstom se fabrican en el Grupo Sapa. [ verificación fallida ] [63] Los trenes A japoneses de cercanías y expresos , [64] y los trenes British Rail Class 395 son soldados por fricción y agitación por Hitachi , [65] mientras que Kawasaki aplica soldadura por puntos por fricción y agitación a los paneles del techo y Sumitomo Light Metal produce Shinkansen paneles de piso. Hammerer Aluminium Industries en Austria fabrica los innovadores paneles de suelo FSW para los vagones de dos pisos Stadler Kiss , para obtener una altura interior de 2 m en ambos pisos y para las nuevas carrocerías del ferrocarril suspendido de Wuppertal . [66]
Los disipadores de calor para enfriar la electrónica de alta potencia de las locomotoras se fabrican en Sykatek, EBG, Austerlitz Electronics, EuroComposite, Sapa [67] y Rapid Technic AG, y son la aplicación más común de FSW debido a su excelente transferencia de calor.
Los paneles de fachada y las láminas catódicas se sueldan por fricción y agitación en AMAG y Hammerer Aluminium Industries, incluidas las soldaduras por fricción y agitación de cobre y aluminio. Las cortadoras de carne Bizerba , las unidades HVAC de Ökolüfter y los recipientes de vacío de rayos X de Siemens se sueldan por fricción y agitación en Riftec. FSW fabrica válvulas y recipientes de vacío en empresas japonesas y suizas. En SKB , el FSW también se utiliza para encapsular residuos nucleares en recipientes de cobre de 50 mm de espesor. [68] [69] Recipientes a presión hechos de piezas forjadas semiesféricas de ø1 m de aleación de aluminio 2219 de 38,1 mm de espesor en Advanced Joining Technologies y Lawrence Livermore Nat Lab. [70] El procesamiento por fricción-agitación se aplica a hélices de barcos en Friction Stir Link, Inc. y a cuchillos de caza en DiamondBlade. Bosch lo utiliza en Worcester para la producción de intercambiadores de calor. [71]
KUKA Robot Group ha adaptado su robot de alta resistencia KR500-3MT para la soldadura por fricción y agitación mediante la herramienta DeltaN FS. El sistema hizo su primera aparición pública en la feria EuroBLECH en noviembre de 2012. [72]
Apple aplicó soldadura por fricción y agitación en el iMac 2012 para unir eficazmente la parte inferior a la parte posterior del dispositivo. [73]
Se ha demostrado que FSW puede utilizarse como uno de los métodos para unir materiales metálicos de impresión 3D. Mediante el uso de herramientas FSW adecuadas y la configuración correcta de los parámetros, se puede producir una soldadura sólida y sin defectos para unir los materiales metálicos de impresión 3D. Además, las herramientas FSW deben ser más duras que los materiales a soldar. Los parámetros más importantes en FSW son la rotación de la sonda, la velocidad transversal, el ángulo de inclinación del husillo y la profundidad del objetivo. La eficiencia de la unión soldada de FSW en el metal de impresión 3D puede alcanzar hasta el 83,3% en comparación con la resistencia de sus materiales base. [74]
Medios relacionados con la soldadura por fricción y agitación en Wikimedia Commons
