¿Qué es la soldadura por fricción y agitación? - Proceso y aplicación

¿Qué es la soldadura por fricción y agitación?

La soldadura por fricción y agitación (FSW) es un proceso de unión de estado sólido que utiliza el calor por fricción generado por una herramienta giratoria para unir dos piezas de trabajo enfrentadas sin derretir el material de la pieza de trabajo. 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, entremezcla mecánicamente las dos piezas de metal y forja el metal caliente y ablandado mediante la presión mecánica que aplica la herramienta, de manera muy similar a unir arcilla o masa.

Se utiliza principalmente en aluminio forjado o extruido y, en particular, en estructuras que necesitan una soldadura de muy alta resistencia. 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. Además, FSW ha logrado recientemente la unión de metales diferentes, como aluminio con aleaciones de magnesio. La aplicación de FSW se puede encontrar en la construcción naval moderna, trenes y aplicaciones aeroespaciales.

Principio de funcionamiento

El progreso de la herramienta a través de la junta, mostrando también la zona de soldadura y la región afectada por el hombro de la herramienta

El FSW se realiza con una herramienta cilíndrica giratoria que tiene un pasador perfilado que tiene un diámetro menor que el diámetro del hombro. Durante la soldadura, la herramienta se introduce en una junta a tope entre dos piezas de trabajo sujetas hasta que la sonda perfora la pieza de trabajo y el hombro toca la superficie de las piezas de trabajo.

La sonda es ligeramente más corta que la profundidad de soldadura requerida, con el hombro de la herramienta sobre la superficie de trabajo. Después de un breve tiempo de permanencia, la herramienta avanza a lo largo de la línea de unión a la velocidad de soldadura preestablecida.

El calor por fricción se genera entre la herramienta resistente al desgaste y las piezas de trabajo. Este calor, junto con el generado por el proceso de mezclado mecánico y el calor adiabático dentro del material, hace que los materiales agitados se ablanden sin derretirse.

A medida que la herramienta se mueve hacia adelante, un perfil especial en la sonda fuerza el material plastificado desde la cara delantera hacia la parte trasera, donde las altas fuerzas ayudan en la consolidación forjada de la soldadura.

Este proceso de la herramienta que atraviesa la línea de soldadura en un eje tubular plastificado de metal da como resultado una deformación severa del estado sólido que implica la recristalización dinámica del material base.

El proceso de soldadura por fricción y agitación

La soldadura por fricción y agitación utiliza una herramienta especialmente diseñada que gira a altas velocidades sobre las costuras que deben soldarse. A medida que la herramienta gira sobre el metal, se genera calor entre ellos. Este calor hace que los metales se vuelvan plásticos y se fusionen entre sí. La soldadura por fricción y agitación es capaz de soldar dos tipos de juntas:

• Juntas de regazo
• Juntas a tope

La herramienta utilizada para la soldadura por fricción tiene dos partes. Una parte cilíndrica llamada hombro gira sobre la costura y un pasador perfilado se extiende desde el hombro.

El pasador se perfora primero en la costura. Luego, el hombro gira sobre la pieza de trabajo durante un tiempo determinado hasta que se alcanza una temperatura óptima y se absorbe en los materiales.

Luego, la herramienta se mueve a través de la costura, lo que crea una soldadura continua. Esto es posible gracias al calentamiento volumétrico producido por la herramienta y la mezcla de las partículas metálicas por el pasador perfilado. Es del pasador perfilado que entra en el espacio de trabajo donde recibe el nombre de "Agitar" ya que el pasador está literalmente revolviendo las partículas blandas para fusionarlas.

Aplicaciones de la soldadura por fricción y agitación

El proceso FSW ha sido inicialmente patentado por TWI en la mayoría de los países industrializados y autorizado para más de 183 usuarios. La soldadura por fricción y sus variantes, la soldadura por puntos y el procesamiento por fricción y agitación se utilizan para las siguientes aplicaciones industriales:construcción naval y en alta mar, aeroespacial, automotriz, material rodante para ferrocarriles, fabricación general, robótica y computadoras.

La soldadura por fricción y agitación encuentra aplicación en una amplia variedad de industrias que utilizan aluminio.

Construcción naval: FSW se utilizó por primera vez para soldar paneles de aluminio huecos para barcos de pesca. Hoy en día, esta técnica de soldadura es común en la soldadura de paneles de congelador de aluminio utilizados en el cuerpo y el casco de los barcos. Dado que FSW crea una distorsión mínima, los paneles de aluminio mantendrán su forma incluso con soldaduras prolongadas.

Aeroespacial: Los tanques de combustible de aluminio utilizados en naves espaciales para almacenar oxígeno criogénico utilizan FSW. La técnica de unión suelda las cúpulas a la estructura cilíndrica que conforma estos depósitos de combustible. Boeing usó FSW en el módulo entre etapas de un cohete Delta II que tuvo un despegue exitoso en agosto de 1999.

FSW también se utiliza para unir marcos de aluminio livianos que se ven en el fuselaje del avión. Esto se debe a que la técnica ofrece una alternativa mucho más liviana que atornillar o remachar.

Ferrocarril: La soldadura por fricción y agitación encuentra su uso en perfiles huecos y extrusiones de refuerzo en T para la fabricación de trenes de alta velocidad.

Industria automotriz: La industria automotriz ha recurrido al aluminio como el material óptimo para preparar chasis de automóviles. Por lo tanto, es uno de los principales adoptantes de la tecnología FSW. Los métodos de soldadura convencionales no pueden reproducir piezas de alta tolerancia como la de FSW. Los rápidos tiempos de soldadura de FSW también lo hacen más atractivo que otras formas de soldadura para aluminio.

Soldadura por fricción y agitación frente a soldadura por fricción:la diferencia

Varias técnicas de soldadura utilizan la fricción para generar calor y, entre ellas, la más común es la soldadura por fricción. En un método típico de soldadura por fricción, el calor se genera entre las dos piezas de trabajo al mover una pieza de trabajo en relación con otra en las costuras.

La fricción entre las dos superficies hace que se derritan y fusionen.

Sin embargo, esto pone una limitación en la soldadura por fricción cuando se trata de la configuración de la pieza de trabajo, ya que debe poder mover una pieza de trabajo a altas velocidades a través de un movimiento alternativo lineal.

La soldadura por fricción supera esta limitación fijando las piezas de trabajo en su lugar y luego moviendo la herramienta a lo largo de la costura, creando la soldadura en el proceso.

Ventajas de la soldadura por fricción y agitación

Las ventajas de la soldadura por fricción y agitación surgen de su soldadura única en la que no se utilizan consumibles ni técnicas de elementos de protección. Esto le da las siguientes características a la soldadura:

• La soldadura terminada es perfecta y estética
• Puede soldar aleaciones que de otro modo serían difíciles de manejar, como las gamas de aluminio 2xxx y 7xxx
• Proceso totalmente automatizado
• No se requiere ningún tipo de fundente o agente protector
• Las temperaturas máximas bajas evitan la contracción y la porosidad de las grietas

Desventajas de la soldadura por fricción y agitación

• Se requiere un arreglo de accesorios complicado o especial.
• Crea un agujero visible en las placas de soldadura.
• Alto costo inicial o de configuración.
• Es menos flexible en comparación con el proceso de soldadura por arco.
• FSW no puede hacer juntas de relleno.
• El material no falsificable no se puede soldar.