¿Cómo funciona la soldadura por fricción y agitación?

Considerada una de las innovaciones más significativas en soldadura durante la última década, Friction Stir Welding (FSW) es un proceso de unión de estado sólido que es ecológico, versátil y eficiente en términos de uso de energía.

¿Funciona la soldadura por fricción y agitación?

En pocas palabras, utiliza la energía generada por la fricción para soldar dos materiales. No se utilizan consumibles en el proceso.

La soldadura por fricción y agitación fue inventada en 1991 por Wayne Thomas, y se registraron patentes en Europa, EE. UU., Japón y Australia. El proceso se estudió más a fondo en 1992 en The Welding Institute y la producción industrial con soldadura por fricción y agitación estaba en progreso a mediados de la década de 1990, lo que lo convierte en uno de los períodos de tiempo más cortos que tomó cualquier proceso de soldadura para pasar de la invención a ser tan utilizado. .

El proceso de soldadura por fricción y agitación

El concepto es simplista: la soldadura por fricción y agitación implica la rotación para crear fricción y luego el calor generado a partir de esa fricción para soldar.

Se requiere una herramienta especialmente diseñada para la soldadura por fricción y agitación. Esta herramienta gira a altas velocidades sobre las costuras que se van a soldar. El calor se genera cuando la herramienta gira a altas velocidades sobre el metal.

La soldadura por fricción y agitación es capaz de soldar dos tipos de juntas:

La herramienta que se utiliza para la soldadura por fricción tiene dos partes. Hay una parte cilíndrica llamada hombro que es la que actúa sobre la costura, y un pasador que sale del hombro.

Primero, el pasador se inserta en la costura para mantenerla en su lugar, y el hombro gira sobre la pieza de trabajo durante el tiempo suficiente para crear la temperatura óptima y permitir que se absorba en el material. Una vez hecho esto, la herramienta se mueve a través de la costura, creando una soldadura continua. Esto es posible únicamente debido al calentamiento producido por la herramienta y las partículas de metal que se mezclan con el pasador perfilado.

Las partículas ablandadas aquí están siendo ‘agitadas’ por el pasador para fusionarlas, y aquí es donde el proceso recibe el nombre de ‘soldadura por fricción y agitación’.

A medida que aumenta la temperatura de la superficie de contacto, se forman tres tipos de recuperaciones dentro del material. Una pepita de soldadura, una zona afectada termomecánicamente y una zona afectada por el calor. Una pepita de soldadura es un charco de metal fundido que se enfría y se solidifica en una junta redonda.

La zona afectada termomecánicamente es una zona exclusiva formada en uniones soldadas por fricción como zona de transición entre la zona afectada térmicamente y la zona agitada. La zona afectada por el calor es el área del material base que no se ha derretido pero la microestructura y las propiedades se han visto afectadas debido a las operaciones de corte intensivas en calor.

Soldadura por fricción y agitación frente a soldadura por fricción

Hay una serie de técnicas de soldadura que utilizan la fricción para generar calor, y la más común de ellas es la soldadura por fricción. En este método, el calor generalmente se genera al mover una pieza de trabajo en relación con otra en las costuras. Esta fricción hace que las superficies se derritan y fusionen.

Sin embargo, esto pone una limitación en la soldadura por fricción cuando se trata de configurar porque para mover la pieza de trabajo a alta velocidad, debe haber un movimiento alternativo lineal, lo que significa que las piezas solo se pueden colocar de cierta manera.

La soldadura por fricción supera esta limitación porque las piezas de trabajo se fijan en su lugar y la herramienta se mueve a lo largo de la costura para crear la soldadura.

Aplicaciones de la soldadura por fricción y agitación

La soldadura por fricción-agitación se utiliza principalmente en la industria para unir aleaciones de aluminio de todas las series, independientemente de si son fundidos, laminados o incluso extruidos. Se muestra que el proceso es capaz de soldar juntas a tope de aleación de aluminio con espesores entre 0,3 mm y 75 mm en un solo intento, dependiendo de factores como el material utilizado, la potencia de la máquina utilizada y la rigidez estructural.

Otros materiales unidos mediante soldadura por fricción y agitación incluyen metales como magnesio, titanio, cobre y aleaciones de estos metales, así como acero. Pero también se han probado plásticos y materiales compuestos con componentes metálicos. La soldadura por fricción y agitación ha demostrado ser capaz de unir combinaciones de estos materiales que no son similares entre sí.

El proceso de soldadura por fricción y agitación se puede aplicar de varias maneras en diversas industrias, incluidas la aeroespacial, la construcción naval, la ferroviaria y la electrónica, incluida la soldadura por fricción y agitación de bandejas de baterías de vehículos eléctricos.

Ventajas de la soldadura por fricción y agitación

Hay una serie de ventajas que tiene la soldadura por fricción y agitación sobre otros tipos de procesos de soldadura por arco convencionales.

• La soldadura por fricción y agitación es un proceso de soldadura de estado sólido, por lo que es un método de unión en gran parte libre de defectos y no tiene ningún problema con el agrietamiento por solidificación o por calor, o porosidad.
• La temperatura más baja en comparación con otros procesos significa que se puede reducir el encogimiento y la distorsión después de unir el material.
• No se requieren materiales de relleno ni consumibles como fundente o gas de protección para aleaciones de aluminio en la soldadura por fricción y agitación.
• La soldadura por fricción y agitación es un proceso respetuoso con el medio ambiente que no produce humo, salpicaduras ni radiación. No se requieren solventes para el desengrasado ni se producen residuos, y no se necesita limpieza de superficies.
• Se necesita menos energía que en la soldadura por láser: alrededor del 2,5 %.
• Se necesita un menor consumo de combustible en automóviles, aeronaves y barcos donde se utiliza la soldadura por fricción y agitación.
• El proceso utiliza tecnología de máquina herramienta que hace que la automatización sea más fácil y altamente repetible con una necesidad reducida de soldadores de gran habilidad.
• La soldadura por fricción y agitación puede funcionar en cualquier ángulo y no tiene que ser lineal
• Se ha demostrado que las propiedades mecánicas y microestructurales de las aleaciones de aluminio soldadas por fricción y agitación son mejores que las de otros procesos de soldadura.
• Este proceso también tiene la capacidad de unir muchas aleaciones de aluminio que generalmente se consideran no soldables, como las de los grados 2xxx o 7xxx.
• El proceso generalmente no requiere una preparación especial de los bordes en la mayoría de los casos.

Desventajas de la soldadura por fricción y agitación

Aunque la soldadura por fricción y agitación tiene muchas ventajas, también existen algunas limitaciones que vienen con el proceso.

• El orificio de salida se deja atrás del pasador después de retirar la herramienta de los materiales que se iban a soldar.
• Se necesitan niveles significativos de carga aerodinámica, así como fuerzas transversales, lo que significa que la sujeción se vuelve más probable y afectará más al material.
• Existe una falta de flexibilidad en comparación con los procesos manuales y de arco, por ejemplo, la soldadura por fricción y agitación no se puede utilizar cuando es necesaria la deposición del metal.

Aun así, a pesar de sus desventajas, la soldadura por fricción y agitación es un concepto genial por la versatilidad, la sostenibilidad y la funcionalidad que ofrece. Ahora es posible unir metales de diferentes composiciones y aleaciones, manteniendo una excelente resistencia a la tracción gracias a la soldadura por fricción y agitación. Debido a la eficiencia energética, la compatibilidad con la automatización y el uso por parte de robots, este es un proceso de soldadura confiable para muchas industrias.

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