La soldadura por fricción (FWR) es un proceso de soldadura y unión de estado sólido que genera calor a través de la fricción mecánica entre piezas de trabajo en movimiento relativo entre sí. El proceso se utiliza con la adición de una fuerza lateral llamada "recalcado" para desplazar y fusionar plásticamente los materiales. [1] La soldadura por fricción es una técnica de soldadura de estado sólido similar a la soldadura por forja . En lugar de un proceso de soldadura por fusión , la soldadura por fricción se utiliza con metales y termoplásticos en una amplia variedad de aplicaciones de aviación y automoción.
La norma ISO de soldadura por fricción es EN ISO 15620:2019, [2] que contiene información sobre los términos básicos, definiciones y tablas de la soldabilidad de metales y aleaciones .
Algunas aplicaciones y patentes relacionadas con la soldadura por fricción se remontan a principios del siglo XX, [3] y la soldadura por fricción rotatoria es el más antiguo de los métodos. [4] W. Richter patentó el método de soldadura por fricción lineal (LFW) en 1924 [5] en Inglaterra y en 1929 [5] en la República de Weimar . La descripción del proceso era vaga [4] y H. Klopstock patentó el proceso en la Unión Soviética en 1924. [5] La primera descripción y experimentos relacionados con la soldadura por fricción rotatoria tuvieron lugar en la Unión Soviética en 1956, [3] [5] cuando un maquinista llamado AJ Chdikov investigó estudios científicos y sugirió el uso del método de soldadura como un proceso comercial. [5] El proceso se introdujo en los Estados Unidos en 1960. [3] Las empresas estadounidenses Caterpillar Tractor Company (Caterpillar - CAT), Rockwell International y American Manufacturing Foundry desarrollaron máquinas para el proceso. También se concedieron patentes en toda Europa y la Unión Soviética. Los primeros estudios sobre soldadura por fricción en Inglaterra los llevó a cabo el Instituto de Soldadura en 1961. [5]
En Estados Unidos, Caterpillar Inc. y Manufacturing Technology Inc. (MTI) desarrollaron un proceso de inercia en 1962. [3] [5] En Europa, KUKA AG y Thompson lanzaron la soldadura por fricción rotativa para aplicaciones industriales en 1966, [6] desarrollaron un proceso de accionamiento directo y en 1974, [6] construyeron la máquina de doble husillo rRS6 para ejes de camiones pesados . [6] Otro método fue inventado en la Unión Soviética por Yu. Klimenko a mediados de la década de 1960 y patentado en 1967, [7] probado experimentalmente y desarrollado en una tecnología comercial en The Welding Institute (TWI) en el Reino Unido y patentado nuevamente en 1991: el proceso de soldadura por fricción y agitación (FSW), [8] 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.
Una modificación mejorada de la técnica estándar de soldadura por fricción es la soldadura por fricción de baja fuerza, una tecnología híbrida desarrollada por EWI y MTI, que "utiliza una fuente de energía externa para elevar la temperatura de la interfaz de las dos partes que se unen, reduciendo así las fuerzas de proceso necesarias para realizar una soldadura de estado sólido en comparación con la soldadura por fricción tradicional". [9] El proceso se aplica tanto a la soldadura por fricción lineal como a la rotativa. [10]
La soldadura por fricción adopta muchas formas, pero los siguientes son los métodos más populares utilizados. [11]
La soldadura por fricción rotatoria (RFW) es uno de los principales métodos de soldadura por fricción. Un elemento soldado se hace girar con respecto al otro y se presiona hacia abajo. El calentamiento del material se produce por el trabajo de fricción y crea una soldadura no separable. [12]
La soldadura por fricción lineal (LFW) es el acto de mover un solo componente en un movimiento alternativo lineal a través de la cara de un componente estacionario. [13] [14]
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 enfrentadas sin fundir el material de la pieza. El calor se genera por la fricción entre la herramienta giratoria y el material de la pieza, lo que genera 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.
El revestimiento por fricción es un proceso derivado de la soldadura por fricción en el que se aplica un material de revestimiento a un sustrato. Una varilla compuesta por el material de revestimiento (llamada mechtrode) se hace girar bajo presión, lo que genera una capa plastificada en la varilla en la interfaz con el sustrato.
En la soldadura por vibración lineal, los materiales se ponen en contacto y se someten a presión. A continuación, se aplica una fuerza de vibración externa para hacer deslizar las piezas entre sí, de forma perpendicular a la presión aplicada.
La soldadura por fricción orbital es similar a la soldadura por rotación , pero utiliza una máquina más compleja para producir un movimiento orbital en el que la parte móvil gira en un círculo pequeño, mucho más pequeño que el tamaño de la junta en su conjunto.
Los requisitos de calidad de las uniones soldadas dependen de la forma de aplicación, por ejemplo, en la industria espacial o de vuelo, no se permiten errores de soldadura. [21] La garantía de calidad de la soldadura se realiza mediante pruebas de medición y métodos numéricos.
Por ejemplo, es deseable una estructura de grano ultrafino de aleación o metal que se obtiene mediante técnicas como la deformación plástica severa [22] y que no se modifica por la alta temperatura; no es necesaria una gran zona afectada por el calor . [23] [17]
Además de cambiar la estructura del grano durante los ciclos de unión de metales, mediante métodos en los que se produce una zona afectada por altas temperaturas, se producen transformaciones de fase en la estructura. Por ejemplo, en el acero entre austenita , ferrita , perlita , bainita , [24] cementita y martensita (véase: Diagrama de fases hierro-carbono ). [ cita requerida ] Para evitar cambios, puede ser conveniente la soldadura en estado sólido y no es necesaria una gran zona afectada por el calor si debilita las propiedades del material.
Las zonas termomecánicas individuales se pueden describir citando un artículo de ejemplo:
Anthony R. McAndrew, Paul A. Colegrove, Clement Bühr, Bertrand CD, Flipo Achilleas Vairis, "Una revisión de la literatura sobre la soldadura por fricción lineal Ti-6Al-4V", 2018. [16]
Técnicamente, la WCZ y la TMAZ son ambas "zonas termomecánicamente afectadas"; debido a las diferentes microestructuras que poseen, a menudo se las considera por separado. La WCZ experimenta una recristalización dinámica (DRX) significativa, la TMAZ no. El material en la ZAT no se deforma mecánicamente, pero se ve afectado por el calor. La región desde un límite de TMAZ/ZAT al otro a menudo se denomina "espesor de TMAZ" o zona plásticamente afectada (ZAP). [25]
Zonas:
En soldadura se utilizan términos similares .
La soldadura por fricción puede producirse de forma involuntaria en superficies deslizantes como los cojinetes. Esto sucede en particular si la película de aceite lubricante entre las superficies deslizantes se vuelve más delgada que la rugosidad de la superficie, lo que puede deberse a baja velocidad, baja temperatura, falta de aceite, holgura excesiva, baja viscosidad del aceite, alta rugosidad de las superficies o una combinación de estos factores. [26]
La resistencia al agarrotamiento es la capacidad de un material para resistir la soldadura por fricción. Es una propiedad fundamental de las superficies de apoyo y en general de las superficies deslizantes bajo carga.
De la norma ISO ( Organización Internacional de Normalización ) - ISO 15620:2019(es) Soldadura - Soldadura por fricción de materiales metálicos:
fuerza axial : fuerza en dirección axial entre los componentes que se van a soldar,
Longitud de quemado : pérdida de longitud durante la fase de fricción,
tasa de quemado : tasa de acortamiento de los componentes durante el proceso de soldadura por fricción,
componente - elemento único antes de soldar,
frenado inducido por componentes : reducción de la velocidad de rotación resultante de la fricción entre las interfaces,
frenado externo - frenado ubicado externamente reduciendo la velocidad de rotación,
superficie de contacto : superficie de un componente que estará en contacto con una superficie de otro componente para formar una unión,
fuerza de forja : fuerza aplicada de manera normal a las superficies de contacto en el momento en que el movimiento relativo entre los componentes está cediendo o ha cesado,
Longitud de quemado de la forja : cantidad en la que se reduce la longitud total de los componentes durante la aplicación de la fuerza de la forja.
fase de forja : intervalo de tiempo en el ciclo de soldadura por fricción entre el inicio y el final de la aplicación de la fuerza de forja,
presión de forja : presión (fuerza por unidad de área) sobre las superficies de contacto resultante de la fuerza axial de forja,
tiempo de forja : tiempo durante el cual se aplica la fuerza de forja a los componentes,
fuerza de fricción : fuerza aplicada perpendicularmente a las superficies de contacto durante el tiempo que hay movimiento relativo entre los componentes,
fase de fricción - intervalo de tiempo en el ciclo de soldadura por fricción en el que el calor necesario para realizar una soldadura se genera por el movimiento relativo y las fuerzas de fricción entre los componentes, es decir, desde el contacto de los componentes hasta el inicio de la desaceleración,
presión de fricción : presión (fuerza por unidad de área) sobre las superficies de contacto resultante de la fuerza de fricción axial,
tiempo de fricción : tiempo durante el cual se produce un movimiento relativo entre los componentes a velocidad de rotación y bajo la aplicación de fuerzas de fricción,
Interfaz : área de contacto que se desarrolla entre las superficies de contacto después de completar la operación de soldadura.
Velocidad de rotación : número de revoluciones por minuto del componente giratorio.
saliente : distancia que sobresale un componente del dispositivo o del mandril en la dirección del componente acoplado,
fase de desaceleración : intervalo en el ciclo de soldadura por fricción en el que el movimiento relativo de los componentes se desacelera hasta cero,
tiempo de desaceleración : tiempo que necesita el componente móvil para desacelerar desde la velocidad de fricción hasta la velocidad cero,
pérdida de longitud total (recalcado) : pérdida de longitud que se produce como resultado de la soldadura por fricción, es decir, la suma de la longitud de quemado y la longitud de quemado de la forja,
tiempo total de soldadura : tiempo transcurrido entre el contacto del componente y el final de la fase de forjado,
ciclo de soldadura - sucesión de operaciones efectuadas por la máquina para realizar una soldadura y volver a la posición inicial, excluidas las operaciones de manipulación de los componentes,
soldadura : dos o más componentes unidos mediante soldadura. [2]
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