Embed Size (px)
Citation preview
2009
Soldadura por fricció[email protected]
Aproximación a la soldadura por fricción1. Introducción
La soldadura por fricción se define como un proceso de unión en estado sólido. El objetivo fundamental del proceso es conseguir una alta integridad de la unión, es decir una continuidad metalúrgica de las dos partes en cuestión. El proceso de soldadura por fricción se distingue de los otros procesos de soldadura ya que en este caso el material no se funde y la unión se debe a la deformación mecánica que se aplica. Así se evitan todos los defectos debidos a la fusión y a la solidificación de los materiales existentes en los procesos clásicos de soldadura. Existen tres procesos de soldadura por fricción:
Fricción rotacional (RFW) Fricción lineal (LFW) Fricción Batida, “Friction Stir Welding” (FSW)
La soldadura por fricción rotativa (RFW) fue el primero de los procesos de fricción que se desarrollaron y utilizaron con fines comerciales. No se usa ningún material de relleno y la soldadura se obtiene en fase sólida, es decir, no se obtiene una fusión macroscópica. Una de las características inherentes de la soldadura de fricción es el uso eficiente de la energía térmica desarrollada. Hay dos variantes del proceso: la soldadura por fricción rotativa de transmisión directa y la soldadura por fricción de energía almacenada o soldadura por inercia.
En la soldadura por fricción de transmisión directa, una de las partes que se va a soldar se sujeta a una unidad impulsada por motor mientras que la otra permanece inmóvil (Fig. 1). La parte rota a una velocidad constante predeterminada. Las partes a soldarse se fuerzan juntas y luego se aplica fuerza de fricción de soldeo. Se genera calor mientras que se genera la fricción por frotamiento de las superficies de contacto (interfaz de soldeo). Esto continúa por un tiempo predeterminado o hasta que sucede un acortamiento axial (recalado) predeterminado. Luego se suspende la fuerza rotacional y la parte rotante se detiene al aplicar una fuerza de frenado o por la soldadura misma (soldeo por inercia). La fuerza de soldeo de fricción (fuerza de forjado) se mantiene o se aumenta por un tiempo predeterminado después de suspender la rotación.
La soldadura por fricción de energía almacenada, o soldadura por inercia, es una variación en donde la energía requerida para hacer la soldadura es suministrada en forma primaria de la energía rotacional cinética almacenada de la máquina de soldadura. En esta soldadura se conecta una parte de lo que se va a trabajar a un volante y la otra parte se encuentra inmóvil. El volante se acelera a una velocidad rotacional predeterminada, almacenando la energía requerida. El motor se desengancha y las dos partes se fuerzan juntas por la fuerza de fricción y por tanto se sueldan. Esto causa que las superficies de contacto se froten entre sí por la presión. La energía cinética almacenada del volante rotativo se disipa como calor en la interfase de fricción a medida que la velocidad del volante disminuye. Se puede aumentar la fuerza de fricción de soldado (fuerza forjadora) antes de que la rotación se detenga. La fuerza de forjado se mantiene por un tiempo predeterminado después de cesar la rotación.
La soldadura por fricción lineal (LFW) es un proceso relativamente nuevo que consiste en rozar un componente sobre la superficie de otro al utilizar un movimiento linear oscilatorio. Este movimiento se produce normalmente utilizando pequeñas distancias de recorrido del orden de 1 – 3 mm y a alta frecuencia (25 – 100 Hz). Ello genera un calor por fricción en el plano de contacto y por consiguiente se reblandece un cierto volumen de material (Fig. 2).
AIMME - Instituto Tecnológico Metalmecánico http://observatorio.aimme.eshttp://www.aimme.es
2 de 8
Soldadura por fricció[email protected]
Figura 1. Esquema del proceso RFW [www.americawestdrillingsupply.com/DrillPipe.asp]
Durante el proceso, una parte del material viscoelástico que se forma se desplaza hasta la periferia de la interfaz de contacto, lo que se suele llamar “flash” de material expulsado. La LFW impide la formación de una fase liquida durante el proceso y por ello puede hacerse al aire libre. Las superficies se unen a temperaturas altas bajo condición plástica. Los defectos usuales de mezcla y solidificación como poros, grietas, segregaciones, aumento del tamaño de grano y el riesgo de captar gases son bajos, debido a que los ciclos de soldadura son cortos. Sin embargo, como en todos los procesos de soldadura, la presencia de deformación inelástica a alta temperatura proporciona tensiones residuales o internas variando en función de la posición en la soldadura.
Figura 2. Esquema del proceso de soldadura por fricción lineal (LFW) [www.acb-ps.com/en/rubrique.php3?id_rubrique=8]
La soldadura por fricción batida, FSW (Friction Stir Welding), ha sido inventada, patentada y perfeccionada para su uso en aplicaciones industriales por el Instituto de Soldadura (TWI) en AIMME - Instituto Tecnológico Metalmecánico http://observatorio.aimme.eshttp://www.aimme.es
3 de 8
Soldadura por fricció[email protected]
Cambridge, Reino Unido. El método FSW (Fig. 3) está basado en el principio de obtener temperaturas suficientemente altas para forjar dos componentes de aluminio, utilizando una herramienta giratoria que se desplaza a lo largo de una unión a tope. Las piezas han de ser inmovilizadas a un soporte de respaldo de manera que se prevenga que el calor producido separe las partes a soldar. El calor generado por la fricción entre la herramienta y las piezas a unir provoca el ablandamiento del material base sin llegar a alcanzar el punto de fusión y permite el desplazamiento de la herramienta a lo largo de la línea de soldadura. En la figura 4 se tiene diferentes modelos de herramientas que sirve para optimizar el proceso de soldeo. El material en estado plástico se transfiere a la parte posterior de la herramienta y se forja por el contacto íntimo de la zapata de la herramienta y el perfil del tetón de la misma. Al enfriarse deja una unión en fase sólida entre las dos piezas. La soldadura por fricción se realiza sin material de aporte o gas de protección. El espesor del material varía desde 1.6 mm hasta 30 mm, pudiendo ser soldados con penetración total y sin porosidad ni cavidades internas. Se consiguen soldaduras de alta calidad e integridad con una muy baja distorsión, en muchos tipos de aleaciones (aluminio, plomo, cobre, magnesio, titanio, etc.), incluso aquellas consideradas de difícil soldadura por métodos de fusión convencionales.
Figura 3. Esquema del proceso de soldadura por fricción batida (FSW) [http://www.azom.com/details.asp?ArticleID=1170]
Figura 4. Diferentes tipos de herramientas utilizadas en el FSW [R. Nandan, T. DebRoy and H. K. D. H. Bhadeshia]
Un problema que se tiene con la FSW es que las placas a soldar requieren una elevada sujeción, tanto en la dirección vertical como en la horizontal, para evitar que el movimiento de
AIMME - Instituto Tecnológico Metalmecánico http://observatorio.aimme.eshttp://www.aimme.es
4 de 8
Soldadura por fricció[email protected]
la herramienta las separe cuando se está produciendo el proceso de unión. En el nuevo proceso o variante, inventado recientemente por el TWI, se utilizan dos herramientas que giran en sentido contrario, una de la otra, para realizar la soldadura. Es especialmente útil para la soldadura a solape (Fig. 5), con las dos herramientas en el mismo lado, o a tope pero con las herramientas contrapuestas como se observa en la figura 6. El par generado por una herramienta es contrarrestado por la otra, debido a esta se requiere muy poca presión de fijación para mantener las placas en posición para soldar. La distancia entre las herramientas también ayuda a fijar la posición. Este proceso, conocido como Twin-Stir™, minimiza la complejidad de los sistemas de sujeción y abre la puerta a la producción de placas de gran tamaño pudiéndose reemplazar muchos elementos de sujeción con simples puntos de soldadura.
Figura 5. Variante de doble batido (Twin StirTM) [C.E.D.Rowe, Wayne Thomas MPhil].
Figura 6. Técnica de batido a doble cara simultánea con herramientas contra-rotatorias [C.E.D.Rowe, Wayne Thomas MPhil].
La soldadura por fricción (con todas sus variantes), hace posible unir combinaciones de metales que no se consideran normalmente compatibles, como por ejemplo el aluminio al acero, el cobre al aluminio, el titanio al cobre y aleaciones de níquel al acero. Como se pueden unir materiales distintos, hay un ahorro significativo al diseñar y utilizar materiales bimetálicos que utilizan materiales costosos solo donde se requieren. Como regla general, probablemente todos de metales de ingeniería forjados son soldables por el proceso de soldadura por fricción (Figura 7).
AIMME - Instituto Tecnológico Metalmecánico http://observatorio.aimme.eshttp://www.aimme.es
5 de 8
Soldadura por fricció[email protected]
Figura 7. Combinaciones de materiales que se pueden soldar mediante las técnicas de soldadura por fricción [http://www.mtiwelding.com/]
2. Aplicaciones
Dentro de los sectores que están utilizando la soldadura por fricción tenemos las siguientes:
a) Industria marina y de construcción naval
La construcción naval y las industrias marinas son dos de los primeros sectores industriales que han adoptado el proceso para aplicaciones comerciales. El proceso es adecuado para las siguientes aplicaciones: Paneles para cubiertas, paredes, mamparas y pisos, extrusiones de aluminio, cascos y superestructuras, plataformas de aterrizaje de helicópteros, alojamiento offshore, estructuras marinas y de transporte, mástiles, plantas de Refrigeración
b) Industria Petrolera
La industria de la soldadura es una necesidad para la industria petrolera donde se puede unir bridas a cuerpos de válvulas, tuberías de perforación, acoples de manguera de alta presión y tubos de colectores. Las soldaduras por fricción aguantan el ensamble inferior de la columna de perforación (compuesto de otros tubos de perforación, el collarín de perforación y el taladro de perforación) y transmiten la torsión rotativa necesaria para la perforación. Además, produce una unión metalúrgica lo suficientemente fuerte para soportar la elevada torsión y la fuerte carga rotativa debido a la perforación direccional.
AIMME - Instituto Tecnológico Metalmecánico http://observatorio.aimme.eshttp://www.aimme.es
6 de 8
Soldadura por fricció[email protected]
c) Industria aeroespacial
La soldadura por fricción ha encontrado un sólido lugar en la industria aeroespacial y que crece por varias razones. La demanda de aeronaves más grandes significa que los aeromotores aumentan en impulsión, temperatura y tamaño. Para poder aguantar las altas temperaturas, los componentes críticos de aeronaves y naves aeroespaciales se fabrican con materiales tales como superaleaciones, bimetálicos, aceros inoxidables y aluminio. Estos materiales, los cuales pueden ser difíciles y en algunos casos imposibles de soldar, pueden ser unidos por procesos de soldadura por fricción. Las aplicaciones incluyen: alas, fuselajes, cola, tanques de combustible criogénico para los vehículos espaciales, tanques de combustible de aviones, tanques de desechos externos para aviones militares, cohetes militares y científicos, reparación de soldaduras MIG defectuosas, varios componentes estructurales primarios y secundarios.
d) Industria ferroviaria
Para la producción comercial de los trenes de alta velocidad con aluminio extruido, se están realizando las soldaduras con esta técnica. Las aplicaciones incluyen: trenes de alta velocidad, vagones de metro, tranvías, material rodante de los ferrocarriles, cisterna de ferrocarril y vehículos de mercancías, cuerpo de contenedores
e) Industria de transporte terrestre
El proceso de soldadura por fricción se está utilizando comercialmente, y también está siendo evaluada por varias empresas de automoción y proveedores de este sector industrial para su aplicación comercial. Las aplicaciones existentes y potenciales incluyen: bases de motor y chasis, llantas, accesorios a los tubos hidroconformados, Tailored blanks(por ejemplo, soldadura de diferentes espesores de chapa), marcos espaciales(por ejemplo, soldadura de tubos extruidos a nodos de fundición), carrocerías de camiones, plataformas elevadoras para camiones, grúas móviles, vehículos de planchas de blindaje, tanques de combustible, caravanas, autobuses y vehículos de transporte aéreo, marcos de motocicletas y bicicletas, ascensores articulado y puentes, contenedores, reparación de vehículos de aluminio, soldadura de magnesio y magnesio/aluminio.
f) Otros sectores
La soldadura por fricción también se puede utilizar en: cubiertas de motor eléctrico (en producción), paneles de refrigeración, equipo de cocina y cocinas, depósitos de gas y cilindros de gas, conexiones de aluminio o bobinas de cobre en trenes de laminación, muebles, espumas de aluminio y muchas otras aplicaciones.
3) Ventajas frente a las alternativas tradicionales
Dentro de las ventajas que se tienen al utilizar los procesos de soldadura por fricción tenemos:
Permite a menudo soldar metales diferentes con facilidad, aun algunos considerados como incompatibles o insoldables.
El proceso de soldadura por fricción es, al menos, desde 2 hasta 100 veces más rápido que otras técnicas de soldeo.
La técnica es lo suficientemente versátil para unir un amplio rango de formas, materiales y tamaños.
La preparación de superficies de unión no es crítica así sean maquinadas, aserradas o hasta cizalladas, todas son soldables.
AIMME - Instituto Tecnológico Metalmecánico http://observatorio.aimme.eshttp://www.aimme.es
7 de 8
Soldadura por fricció[email protected]
Las uniones resultantes tienen calidad de forjado, con soldaduras 100% al tope en toda la superficie de soldado.
Como no hay fusión, no ocurren defectos de solidificación, por ejemplo porosidad de gas, segregación ni inclusiones de escoria.
Los componentes pulvimetalúrgicos pueden soldarse a otros materiales pulvimetalúrgicos, forjados, fundiciones o material forjado trabajado.
No requiere de insumos como flux, rellenos o gas protector. El proceso controlado por la maquinaria elimina el error humano por lo que la calidad de la
soldadura es independiente de la habilidad o actitud del operario. Es ecológicamente limpio, no se genera humo, emisiones o gases que necesiten ser
evacuados. No hay salpicaduras de la soldadura y se producen pocas chispas. El requerimiento de energía es de hasta un 20% menos del requerido en procesos de
soldadura convencional. No se necesita una cimentación o requerimientos de energía especiales. Los parámetros del proceso son fácilmente monitoreados. El equipo de soldadura por fricción es fácilmente automatizado para lograr tasas de
producción elevadas. Se puede pre-calcular los parámetros para la mayoría de materiales y geometrías. El
proceso puede, por lo tanto, matemáticamente calcularse a escala (por ejemplo, muestras pequeñas pueden utilizarse para el desarrollo de partes grandes).
4) Referencias
http://www.azom.com/details.asp?ArticleID=1170 http://www.twi.co.uk/content/fswapp.html http://www.mtiwelding.com/ Grand, Arnaud. Soldadura por fricción lineal de las aleaciones de titanio: caracterización de
una soldadura longitudinal mediante ensayos a tracción. Tesis de Máster, Universidad Politécnica de Cataluña, 2006
www.acb-ps.com/en/rubrique.php3?id_rubrique=8 www.americawestdrillingsupply.com/DrillPipe.asp R. Nandan, T. DebRoy and H. K. D. H. Bhadeshia. Recent Advances in Friction Stir Welding –
Process, Weldment Structure and Properties. Progress in Materials Science, Vol. 53, 2008, 980 – 1023.
C.E.D.Rowe, Wayne Thomas MPhil. Advances in tooling materials for friction stir welding. TWI and Cedar Metals Ltd.
AIMME - Instituto Tecnológico Metalmecánico http://observatorio.aimme.eshttp://www.aimme.es
8 de 8
