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

¿Qué es la Soldadura por Fricción y Agitación?

La soldadura por fricción y agitación (FSW) es un proceso de unión en estado sólido que utiliza calor por fricción generado por una herramienta rotativa para unir dos piezas enfrentadas sin fundir el material de la pieza de trabajo. El calor se genera por fricción entre la herramienta rotativa y el material de la pieza de trabajo, lo que lleva 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 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. Además, la unión de metales disímiles, como aluminio a aleaciones de magnesio, se ha logrado recientemente mediante FSW. La aplicación de FSW se encuentra en la construcción naval moderna, trenes y aplicaciones aeroespaciales.

Principio de funcionamiento

El avance de la herramienta a través de la unión, también mostrando 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 un diámetro menor que el del hombro. Durante la soldadura, la herramienta se alimenta en una unión a tope entre dos piezas de trabajo sujetas hasta que el pasador penetra en la pieza de trabajo y el hombro toca la superficie de las piezas de trabajo.

El pasador es ligeramente más corto que la profundidad de soldadura requerida, con el hombro de la herramienta rodando sobre la superficie de trabajo. Después de un corto tiempo de permanencia, la herramienta se mueve hacia adelante 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 mezcla mecánica y el calor adiabático dentro del material, hace que los materiales agitados se ablanden sin fundirse.

A medida que la herramienta avanza, un perfil especial en el pasador fuerza el material plastificado desde la cara frontal 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 una deformación severa en estado sólido que involucra 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 uniones:

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

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

El pasador se taladra primero en la costura. Luego, el hombro gira sobre la pieza de trabajo durante un 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 "Agitación" (Stir), ya que el pasador está literalmente agitando las partículas ablandadas para fusionarlas.

Aplicaciones de la soldadura por fricción y agitación

El proceso FSW fue patentado inicialmente por TWI en la mayoría de países industrializados y licenciado para más de 183 usuarios. La soldadura por fricción y agitación y sus variantes, soldadura por puntos por fricción y agitación y procesamiento por fricción y agitación, 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 y agitación encuentra aplicación en una amplia variedad de industrias que usan aluminio.

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

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 de combustible. Boeing usó FSW en el Módulo Interetapa de un cohete Delta II que tuvo un despegue exitoso en agosto de 1999.

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 y agitación encuentra su uso en perfiles huecos y extrusiones con refuerzo en T para fabricar trenes de alta velocidad.

Industria automotriz: La industria automotriz ha recurrido al aluminio como material óptimo para preparar chasis de coches. 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 las de FSW. Los tiempos de soldadura rápidos de FSW también la hacen más atractiva que otras formas de soldadura para aluminio.

Soldadura por fricción y agitación vs soldadura por fricción – la diferencia

Varias técnicas de soldadura usan 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 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 cuando se trata de la configuración de la pieza de trabajo, ya que debe poder mover una pieza a altas velocidades a través de movimiento lineal alternativo.

La soldadura por fricción y agitación 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 donde no hay uso de consumibles o técnicas de elemento de apantallamiento. Esto da las siguientes características a la soldadura:

• La soldadura terminada es continua y estética.
• Puede soldar aleaciones de otro modo no soldables como el rango de Aluminio 2xxx y 7xxx.
• Proceso totalmente automatizado.
• No se requiere ningún tipo de fundente o agente de apantallamiento.
• Las bajas temperaturas pico previenen la contracción y porosidad de las grietas.

Desventajas de la soldadura por fricción y agitación

• Se requiere un arreglo de fijación complicado o especial.
• Crea un orificio visible en las placas de soldadura.
• Alto costo inicial o de configuración.
• Es menos flexible comparado con el proceso de soldadura por arco.
• FSW no puede hacer uniones de aporte.
• Material no forjable no puede ser soldado.