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¿Qué es la soldadura por fricción del aluminio?

P – He oído hablar de un proceso de soldadura llamado Friction Stir Welding. Aparentemente, es bastante nuevo y es un proceso particularmente bueno para soldar aluminio. ¿Puede darme alguna información sobre este proceso y los tipos de aplicaciones para los que se utiliza?

A – Inventado en 1991, el proceso de soldadura por agitación de fricción (FSW) fue desarrollado y patentado por el Instituto de Soldadura (TWI) en Cambridge, Reino Unido. Las primeras máquinas de soldadura por agitación de fricción construidas y disponibles comercialmente fueron producidas por ESAB Welding and Cutting Products en su planta de fabricación de equipos en Laxa, Suecia. El desarrollo de este proceso supuso un cambio significativo respecto a los procesos convencionales de soldadura por fricción de movimiento rotatorio y lineal recíproco. Proporcionó una gran flexibilidad dentro del grupo de procesos de soldadura por fricción.

El proceso convencional de soldadura por fricción rotativa requiere que al menos una de las partes que se unen esté girada y tiene la limitación práctica de unir componentes de forma regular, preferiblemente de sección circular y de longitud limitada. Los tubos cortos o las barras redondas del mismo diámetro son un buen ejemplo.

El proceso lineal recíproco también requiere el movimiento de las piezas que se unen. Este proceso utiliza un movimiento rectilíneo de ida y vuelta entre las dos partes para generar la fricción. La regularidad de las piezas que se unen no es tan necesaria con este proceso; sin embargo, el movimiento de la pieza durante la soldadura es esencial.

La limitación obvia de estos dos procesos es el diseño de la unión y la restricción de la geometría de los componentes. Al menos una de las piezas unidas debe tener un eje de simetría y ser capaz de girar o moverse en torno a ese eje.

La soldadura por fricción (FSW) es capaz de fabricar juntas a tope o solapadas, en una amplia gama de espesores y longitudes de materiales. Durante la FSW, el calor se genera por el roce de una herramienta no consumible sobre el sustrato a unir y por la deformación producida al pasar una herramienta a través del material a unir. La herramienta giratoria crea un calentamiento volumétrico, por lo que, a medida que la herramienta avanza, se crea una unión continua. La FSW, al igual que otros tipos de soldaduras por fricción, es en gran medida de naturaleza sólida. Como resultado, las soldaduras por fricción no son susceptibles a los defectos relacionados con la solidificación que pueden dificultar otros procesos de soldadura por fusión. El proceso de FSW se esquematiza en la figura 1. Las piezas que se van a unir suelen estar dispuestas a tope. A continuación, la herramienta giratoria se pone en contacto con las piezas. La herramienta tiene dos componentes básicos: la sonda, que sobresale de la superficie inferior de la herramienta, y el hombro, que tiene un diámetro relativamente grande. La longitud de la sonda suele estar diseñada para que se ajuste al grosor de las piezas de trabajo. La soldadura se inicia sumergiendo primero la sonda giratoria en las piezas de trabajo hasta que el hombro está en estrecho contacto con la superficie superior del componente. El calor por fricción se genera a medida que el hombro giratorio roza la superficie superior bajo una fuerza aplicada. Una vez que se genera suficiente calor y se conduce a la pieza de trabajo, la herramienta giratoria es impulsada hacia adelante. El material se ablanda por la acción de calentamiento del hombro, y es transportado por la sonda a través de la línea de unión, facilitando la unión.

Una limitación del proceso FSW es la estabilidad mecánica de la herramienta a la temperatura de funcionamiento. Durante la FSW, la herramienta es responsable no sólo de calentar el material del sustrato hasta las temperaturas de forjado, sino también de proporcionar la acción mecánica de forjado. Por lo tanto, el material de la herramienta debe ser capaz de soportar altas cargas y temperaturas de forjado en contacto con el material del sustrato en deformación sin que se produzca un desgaste o una deformación excesivos. Como resultado, la mayor parte de las aplicaciones de FSW han implicado materiales de baja temperatura de forja. De ellos, la clase de materiales más importante ha sido el aluminio. Una gama de prácticamente todas las clases de aleaciones de aluminio han sido soldadas por fricción con éxito. Entre ellas se encuentran las aleaciones 1xxx, 2xx, 3xxx, 4xxx, 5xxx, 6xxx y 7xxx, así como las aleaciones más recientes de Al-Li. Cada sistema de aleación es metalúrgicamente distinto. Además, diferentes aleaciones dentro de una misma clase pueden tener diferentes características de forja. En consecuencia, el procesamiento de cada aleación puede variar. Sin embargo, se pueden obtener uniones de alta integridad en todas las clases.

Algunas aplicaciones:

Debido al potencial de ventajas sobre la soldadura por arco en algunas aplicaciones asociadas a este proceso, la FSW ha recibido el interés de muchas áreas de la industria que trabajan con aluminio. Las ventajas incluyen la capacidad de producir soldaduras de gran longitud en aluminio sin necesidad de fundir el material base. Esto proporciona importantes ventajas metalúrgicas en comparación con la soldadura por arco convencional. La fusión del material base no se produce con la FSW y esto elimina la posibilidad de que se produzcan grietas por solidificación, lo que suele ser un problema cuando se sueldan por arco algunas aleaciones de aluminio. Otras ventajas pueden incluir: baja distorsión asociada a un menor calentamiento durante el proceso de soldadura; eliminación de los problemas de porosidad que suponen un reto al soldar aluminio por arco; mínima preparación de los bordes, ya que las uniones a tope se realizan típicamente con una preparación a escuadra; y, la ausencia de consumibles de soldadura tales como gas de protección o material de relleno.

El proceso de soldadura por agitación de fricción se está utilizando y/o evaluando para su uso en las industrias aeroespacial, de vehículos militares, aeronáutica, automovilística, de construcción naval, de material rodante ferroviario y muy probablemente en otras.