Soldadura por Fricción Agitada (FSW) Explicada: Proceso, Beneficios y Aplicaciones

¿Qué es la Soldadura por Fricción Agitada?

La soldadura por fricción agitada (FSW) es un proceso de unión en estado sólido que usa calor por fricción generado por una herramienta rotativa para unir dos piezas enfrentadas sin fundir el material de la pieza. El calor se genera por fricción entre la herramienta rotativa y el material de la pieza, lo que conduce a una región ablandada cerca de la herramienta FSW.

Mientras la herramienta recorre la línea de unión, mezcla mecánicamente las dos piezas de metal y forja el metal caliente y ablandado por la presión mecánica aplicada por la herramienta, muy similar a unir arcilla o masa.

Se usa principalmente en aluminio forjado o extruido y particularmente para estructuras que necesitan muy alta resistencia de soldadura. La 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 usó exitosamente en soldadura de polímeros. Además, la unión de metales disímiles, como aluminio con aleaciones de magnesio, se ha logrado recientemente con FSW. La aplicación de FSW se encuentra en construcción naval moderna, trenes y aplicaciones aeroespaciales.

Principio de Operación

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

La FSW se realiza con una herramienta cilíndrica rotativa que tiene un pasador perfilado con diámetro menor que el del hombro. Durante la soldadura, la herramienta se introduce en una unión a tope entre dos piezas sujetas hasta que el pasador penetra en la pieza y el hombro toca la superficie de las piezas.

El pasador es ligeramente más corto que la profundidad de soldadura requerida, con el hombro de la herramienta apoyado sobre la superficie de trabajo. Después de un breve tiempo de permanencia, la herramienta se mueve hacia adelante a lo largo de la línea de unión a la velocidad de soldadura preestablecida.

Se genera calor por fricción entre la herramienta resistente al desgaste y las piezas. Este calor, junto con el generado por el proceso de mezcla mecánica y el calor adiabático dentro del material, hace que los materiales agitados se ablanden sin fundir.

A medida que la herramienta avanza, un perfil especial en el pasador fuerza el material plastificado desde la cara delantera hacia la trasera, donde las altas fuerzas ayudan en una consolidación forjada de la soldadura.

Este proceso de la herramienta recorriendo la línea de soldadura en un eje tubular plastificado de metal resulta en deformación severa en estado sólido involucrando recristalización dinámica del material base.

El Proceso de Soldadura por Fricción Agitada

La soldadura por fricción agitada usa una herramienta especialmente diseñada que rota a altas velocidades sobre las costuras que necesitan soldarse. A medida que la herramienta rota 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 agitada es capaz de soldar dos tipos de uniones:

• Uniones solapadas (Lap Joints)
• Uniones a tope (Butt joints)

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

El pasador se taladra primero en la costura. Luego, el hombro rota sobre la pieza por cierto tiempo hasta que se alcanza una temperatura óptima y se absorbe en los materiales.

Luego, la herramienta se mueve a través de la costura, creando una soldadura continua. Esto es posible debido al calentamiento volumétrico producido por la herramienta y la mezcla de partículas de metal por el pasador perfilado. Es del pasador perfilado que entra en el espacio de trabajo de donde obtiene el nombre "Agitada" (Stir), ya que el pasador literalmente agita las partículas ablandadas para fusionarlas.

Aplicaciones de la Soldadura por Fricción Agitada

El proceso FSW ha sido patentado inicialmente por TWI en la mayoría de países industrializados y licenciado para más de 183 usuarios. La soldadura por fricción agitada y sus variantes (soldadura por punto por fricción agitada y procesamiento por fricción agitada) se usan para las siguientes aplicaciones industriales: construcción naval y offshore, aeroespacial, automotriz, material rodante para ferrocarriles, fabricación general, robótica y computadoras.

La soldadura por fricción agitada encuentra aplicación en una amplia variedad de industrias que usan aluminio.

Construcción naval: La FSW se usó primero para soldar paneles huecos de aluminio para barcos pesqueros. Hoy, esta técnica es común en soldar paneles de congelador de aluminio usados en el cuerpo y casco de barcos. Dado que la FSW crea distorsión mínima, los paneles de aluminio mantienen su forma incluso con soldaduras extensas.

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

La FSW también se utiliza para unir marcos ligeros de aluminio vistos en el fuselaje de aeronaves. Esto es porque la técnica ofrece una alternativa mucho más ligera que atornillar o remachar.

Ferrocarril: La soldadura por fricción agitada se usa en perfiles huecos y extrusiones con refuerzos en T para fabricar trenes de alta velocidad.

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

Soldadura por Fricción Agitada vs Soldadura por Fricción – La Diferencia

Varias técnicas de soldadura usan fricción para generar calor, y la más común es la soldadura por fricción. En un método típico de soldadura por fricción, el calor se genera entre las dos piezas moviendo una pieza en relación a otra en las costuras.

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

Sin embargo, esto pone una limitación en la soldadura por fricción respecto a la configuración de la pieza, ya que debe poder mover una pieza a altas velocidades mediante movimiento lineal reciprocante.

La soldadura por fricción agitada supera esta limitación fijando las piezas 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 Agitada

Las ventajas de la soldadura por fricción agitada surgen de su unión única donde no hay uso de consumibles o técnicas de elemento protector. Esto da las siguientes características a la soldadura:

• La soldadura terminada es continua y estética
• Puede soldar aleaciones difíciles como las series Aluminio 2xxx y 7xxx
• Proceso totalmente automatizado
• No se requiere fundente ni agente protector
• Temperaturas pico bajas previenen contracción y porosidad de grietas

Desventajas de la Soldadura por Fricción Agitada

• Arreglo de fijación complicado o especial requerido
• Crea un orificio visible en las placas de soldadura
• Alto costo inicial o de configuración
• Es menos flexible comparada al proceso de soldadura por arco
• La FSW no puede hacer uniones de aporte
• Material no forjable no puede ser soldado