Principales variantes de la soldadura por fricción
Este artículo arroja luz sobre las dos variantes principales de la soldadura por fricción. Las variantes son: 1. Soldadura por inercia 2. Soldadura por fricción por fricción (FSW).
Variante # 1. Soldadura por inercia:
En este proceso, uno de los componentes a soldar se sujeta en un mandril giratorio con un volante de inercia unido a él, mientras que el otro se sujeta en una posición fija. El mandril con el volante se eleva a una velocidad prediseñada para almacenar la energía mecánica requerida; se puede desconectar del mecanismo de accionamiento con la ayuda de un embrague.
Las piezas se juntan y se aplica una fuerza axial. La fricción desarrollada en las superficies de contacto proporciona una fuerza de frenado que convierte la energía cinética de la masa giratoria en calor en la interfaz. En un punto del ciclo, se alcanza la velocidad en la que se genera menos calor debido al roce que se disipa en las partes más frías.
El par aumenta rápidamente a un valor máximo cuando el metal calentado se altera bajo presión justo antes de que se detenga la rotación. Si es necesario, se puede aplicar una presión de forjado deseada a medida que el par alcanza el valor máximo. La figura 13.14 muestra las características de la soldadura por fricción por inercia.
La principal diferencia entre los dos métodos es que, mientras que la soldadura por fricción continua de la unidad se realiza a una velocidad constante del husillo, la soldadura por inercia comienza a una velocidad alta y continúa a una velocidad que disminuye constantemente. Se afirma que la soldadura por inercia puede proporcionar un tiempo de soldadura más corto, pequeños collares de metal extruido, y que la resistencia mecánica de las soldaduras en ambos casos es similar. Sin embargo, el proceso de soldadura por inercia es menos popular que el proceso continuo de soldadura por fricción de accionamiento.
En la soldadura por inercia, la velocidad disminuye con el tiempo, el espesor de la zona plastificada en caliente aumenta, el calor generado disminuye y el par aumenta. La presión axial obliga al metal caliente a unirse y una parte de él se extruye para formar la aleta. Durante la etapa final, la tasa de acortamiento axial aumenta y luego se detiene a medida que la soldadura se enfría. La figura 13.15 muestra un esquema de la configuración para la soldadura por inercia.
Variables de soldadura:
Hay tres variables principales de soldadura asociadas con la soldadura por fricción. Estos son el momento de inercia del volante, la velocidad del volante en el momento de iniciar el ciclo de soldadura y la presión axial ejercida sobre los componentes que se sueldan. Las dos primeras variables determinan la energía disponible para la soldadura y la presión axial, según el material y el área de contacto en la interfaz, determina la cantidad de molestias. El acortamiento axial generalmente se ajusta ajustando la velocidad inicial del volante.
La energía disponible del volante en cualquier momento viene dada por la ecuación:
donde, E = energía, julios
I = momento de inercia (Mk 2 ), newton-metro
M = masa de las piezas giratorias, kgm
k = radio de giro, m
ω = velocidad angular, radianes / seg.
N = velocidad instantánea del volante, rpm
La energía disponible para la soldadura depende de la masa del volante y su velocidad de rotación. Por lo tanto, la capacidad de una máquina de soldadura por inercia se puede cambiar cambiando el volante dentro de los límites de diseño de la capacidad de la máquina.
El tiempo del ciclo de soldadura dependerá de qué tan rápido la energía del volante se convierta en calor. La configuración de la zona calentada puede variarse variando la configuración del volante, la presión de calentamiento y la velocidad de rotación. La entrada de calor en la pieza de trabajo también se puede ajustar para controlar el ancho de la zona afectada por el calor y la velocidad de enfriamiento de la soldadura. La figura 13.16 muestra los efectos resultantes de la energía del volante, la presión de calentamiento, la velocidad tangencial en el patrón de calor y la formación de aletas de metal molesto de soldaduras de inercia en acero.
Configuración del volante:
El momento de inercia del volante depende de su forma, diámetro y masa. La energía requerida para hacer una soldadura particular y una velocidad inicial preestablecida se puede manipular cambiando el momento de inercia del volante. La fase de perturbación para las soldaduras bajas en carbono generalmente se inicia a una velocidad periférica de aproximadamente 60 m / min.
Por lo tanto, los volantes grandes pueden prolongar la fase de forjado o molesto. Por otro lado, los volantes pequeños pueden no proporcionar la energía adecuada para expulsar las impurezas y lograr una soldadura sólida o satisfactoria. La masa del volante y la velocidad inicial pueden variar inversamente en un amplio rango para obtener los requisitos de energía requeridos. Esto facilita el control del tamaño de HAZ y la selección de la ubicación radial del calor inicial generado en la interfaz de soldadura.
Para una velocidad inicial y una presión de calentamiento constantes, la energía de un volante se puede aumentar al aumentar su tamaño y su efecto en el destello molesto y extruido se muestra en la Fig. 13.16. La energía excesiva en un volante de inercia resulta en un aumento de la perturbación y el desperdicio de material en forma de flash.
Velocidad:
La velocidad tangencial en cualquier instante varía directamente con el radio y la velocidad de rotación y está dada por la siguiente relación:
V t = r ω
= r. 2 π N
= 6.286 rN
donde, V t = velocidad tangencial, m / min
r = radio, m
ω = velocidad angular, radianes / seg.
N = velocidad instantánea, rpm
El rango de velocidad periférica para las mejores soldaduras varía de metal a metal y para barras de acero sólido varía de 150 a 450 m / min; sin embargo, las soldaduras en acero se pueden hacer a velocidades tan bajas como 90 m / min. Si la velocidad es demasiado baja, el calentamiento en el centro será inadecuado y es posible que la soldadura no se produzca en toda la interfaz y que el flash sea áspero con una forma como se muestra en la Fig. 13.16, incluso si el nivel de energía es según los requisitos . A velocidades medias de 90 a 250 m / min, la zona plastificada en acero tiene una forma de reloj de arena en el extremo inferior del rango, que se aplana gradualmente a medida que aumenta la velocidad. También para el acero, la velocidad inicial por encima de 365 m / min da como resultado una soldadura que es más gruesa en el centro que en la periferia.
Presión de calentamiento:
El efecto de variar la presión de calentamiento es, en general, opuesto al de la velocidad, como es evidente en la figura 13.16. Las soldaduras hechas a baja presión de calentamiento son similares a las soldaduras hechas a alta velocidad inicial con respecto a la aparición de perturbaciones de soldadura y HAZ. La presión excesiva produce una soldadura con una unión pobre en el centro que tiene una gran cantidad de alteración de la soldadura, como es el caso de las soldaduras hechas a bajas velocidades. El rango óptimo de presión de calentamiento para soldaduras en barras sólidas de acero de medio carbono es de 150 a 205 N / mm 2 .
Variante # 2. Soldadura por fricción por fricción (FSW):
Friction Stir Welding es un proceso de soldadura relativamente nuevo que se desarrolló en TWI * en 1991 y se patentó en 1999. La figura 13.17 muestra un esquema del proceso FSW para unir dos placas en una configuración de ranura cuadrada. El proceso es de naturaleza sólida y se basa en la forja localizada de la región de soldadura para producir la unión.
Las placas a unir se mantienen en compresión y se sujetan rígidamente a la plataforma de la máquina durante la soldadura. La soldadura por fricción y agitación utiliza una herramienta de clavija de frustum (cono truncado) giratoria no consumible ligeramente más corta que la profundidad de la soldadura; una de estas herramientas se muestra en la figura 13.18, que se hunde en la junta hasta que el resalte de la herramienta entra en contacto con la superficie de trabajo y se desplaza a lo largo de la línea de la junta. Los parámetros importantes del proceso incluyen las rpm de la herramienta y la velocidad de desplazamiento, así como las dimensiones de la herramienta y la fuerza hacia abajo de la herramienta.
La velocidad de rotación de la herramienta puede variar desde unos pocos cientos de rpm hasta varios miles de rpm. La fuerza axial requerida para contrarrestar la presión formada en la zona de soldadura puede variar de 1 a 15 KN. La salida de potencia mecánica a la herramienta giratoria suele ser de 2 a 5 HP (1.5 a 3.7 KW).
Inicialmente, la herramienta giratoria se hunde en la junta hasta que el resalto contrae la superficie del grifo de la pieza de trabajo. El calor generado por una combinación de calentamiento por fricción y deformación plástica de la pieza de trabajo ablanda el material adyacente a la herramienta a una temperatura cercana al sólido del material de trabajo, mientras que no se observa fusión generalizada.
Una vez que el pasador se hunde en la articulación, la herramienta atraviesa la articulación, agita la interfaz y produce una soldadura de estado sólido. Durante la soldadura, el material a lo largo de la unión se calienta hasta que se ablanda, se transfiere alrededor de la periferia de la herramienta y luego se vuelve a unir a lo largo de la superficie posterior para producir la soldadura.
En muchas aplicaciones actuales de FSW, el inicio y el final de la soldadura se producen en las pestañas de inicio y parada que pueden eliminarse más adelante. Sin embargo, con un mayor desarrollo de las técnicas FSW, se puede esperar que controle el arranque / parada en cualquier posición de la pieza de trabajo real. Esto puede requerir un control de fuerza durante la caída de la herramienta, como se muestra en la Fig. 13.19.
Según informes, esta figura se produjo para resultados experimentales con una herramienta de pasador que se sumergió en la pieza de metal a una velocidad de 0, 1 mm / s (0, 25 pulgadas / min) y velocidad de rotación de 400 rpm (41, 9 rad / s). Se puede ver que la fuerza de inmersión alcanza un máximo de 13.3 KN (3000 lb) antes de volver a 4.4 KN (1000 lb) durante el viaje hacia adelante.
La soldadura por fricción por agitación de las aleaciones de Al está relativamente bien establecida y se ha utilizado con éxito para la soldadura de las series de aleaciones 1XXX, 2XXX, 5XXX, 6XXX y 7XXX, como también las aleaciones de Al-Cu-Li. Como este proceso no implica fusión, el FSW de Al-aleaciones tiene varias ventajas sobre la soldadura por fricción convencional.
Esto incluye la eliminación de problemas tales como agrietamiento por solidificación, agrietamiento por liquidación, porosidad y salpicaduras. Otras ventajas acumuladas debido a la naturaleza del estado sólido del proceso incluyen propiedades mecánicas mejoradas, eliminación de humos de soldadura, baja contracción y distorsión reducida de la soldadura. Además, el proceso se puede realizar en una sola pasada y en todas las posiciones de soldadura.
Las soldaduras de fricción y agitación en aleación de Al muestran varias regiones microestructuralmente distintas, que incluyen la zona de agitación o la pepita (a lo largo de la línea central de la soldadura), la zona afectada por el calor y la deformación (HDAZ), o la zona afectada por el termómetro (TMAZ) zona de agitación) y una verdadera zona afectada por el calor (HAZ) que abarca el HDAZ. Las microestructuras desarrolladas en diferentes regiones de la zona de soldadura están estrechamente relacionadas con el ciclo termomecánico local, que a su vez está controlado por la deformación total, la velocidad de deformación y la temperatura desarrollada durante la operación FSW.
Hasta ahora, la mayoría de los efectos de FSW se han desarrollado al unir aleaciones, sin embargo, obviamente hay interés en extender esta tecnología para unir otros materiales, particularmente los aceros. Esto se debe a que FSW parece ofrecer varias ventajas sobre la soldadura por arco de aceros.
Se espera que las menores entradas de energía aparente de FSW minimicen el crecimiento de grano en el HAZ y limiten la distorsión y las tensiones residuales en los aceros. La minimización de la distorsión y la tensión residual es extremadamente importante en los materiales de soldadura de sección gruesa, como en las industrias de construcción naval y de fabricación pesada. El reemplazo de la soldadura por arco con FSW también es probable que elimine o al menos reduzca los humos de soldadura, especialmente aquellos que contienen cromo hexavalente. Además, los problemas con el craqueo de hidrógeno en los aceros se eliminan porque FSW es un proceso de soldadura de estado sólido. En conjunto, estas ventajas hacen que FSW sea atractivo para unir acero para muchas aplicaciones.
Ventajas y limitaciones de FSW:
Las principales ventajas de FSW incluyen el flujo:
1. No hay necesidad de relleno o consumibles,
2 preparación mínima del borde de la articulación,
3. Eliminación de óxido incrustado de las superficies de las juntas de las juntas,
4. Listo automatización,
5. Alta resistencia conjunta, soldaduras de alta calidad que las soldaduras por fusión,
6. Posibilidad de soldar aleaciones que no pueden soldarse mediante procesos de soldadura por fusión debido a la susceptibilidad al agrietamiento, y
7. No es necesaria la costosa capacitación del operador.
Limitaciones:
Los principales inconvenientes del proceso son la presión de sujeción requerida de la junta y la consiguiente mayor potencia necesaria para mover la herramienta giratoria a lo largo de la junta.
(a) Soldadura por fricción híbrida:
Para superar los inconvenientes de FSW, se ha utilizado un láser multimodo Nd: YAG de 700 W para precalentar la pieza de trabajo por delante de la herramienta giratoria de avance, como se muestra esquemáticamente en la Fig. 13.20. Al calentar y ablandar el material por delante de la herramienta giratoria, se necesita una fuerza de sujeción mucho menor para desarrollar suficiente calentamiento por fricción para causar dicho reblandecimiento, y se necesita mucha menos fuerza para mover la herramienta de soldadura. Estos dos procesos se combinan para reducir drásticamente el desgaste y la rotura de la herramienta.
El mecanismo operativo es simple, es decir, precalentar para disminuir el esfuerzo de flujo plástico de FSW.
(b) Soldadura por puntos de fricción:
Esta es una ligera variante del proceso FSW normal y se utiliza para soldar por puntos las puertas y el capó de los autos deportivos.
Debido a su mayor conductividad térmica, el aluminio es más difícil de realizar una soldadura por puntos con los procesos convencionales de soldadura por arco o por resistencia. Se ha encontrado que la soldadura por fricción por agitación es más eficiente y económica para este propósito.
Para unir paneles de aluminio se emplea una pistola de agitación por fricción controlada por robot. La pistola agarra las partes de ambos lados y hunde un perno giratorio, que crea calor por fricción, ablandando el metal y formando una unión de soldadura en el panel de aluminio, como se muestra en la Fig. 13.21.
Un fabricante de automóviles ha informado de una reducción del 99% en el consumo de electricidad al utilizar la soldadura por puntos de fricción en lugar de la soldadura por puntos de resistencia convencional. Además, a diferencia de la soldadura por puntos de resistencia convencional, la soldadura por puntos de fricción no necesita refrigerante, aire comprimido o corriente eléctrica pesada. Además, el equipo de soldadura por puntos de fricción implica un 40% menos de inversión de capital en comparación con los aparatos de soldadura por puntos de resistencia para aluminio.
Este proceso no requiere la limpieza previa de las piezas de trabajo y no genera humos ni salpicaduras.
(c) Revestimiento por fricción:
El proceso de soldadura por fricción por agitación también se puede utilizar para superficies metálicas, cuyo principio básico se ilustra en la Fig. 13.22.
Para la fricción de la superficie de agitación, el electrodo consumible se gira y se presiona hacia abajo, mientras que la placa que se va a colocar se mueve hacia abajo lateralmente.
El material a depositar debe tener una buena adherencia al material de la placa para que tenga una coalescencia completa entre los dos materiales.
Aunque el proceso se ha intentado con éxito, sin embargo, su aplicación práctica a escala industrial puede tomar algún tiempo.
(d) Desarrollos Misceláneos:
Una de las variantes más consideradas del proceso estándar de FSW es la conocida como proceso FSW de reacción automática.
El proceso de FSW de reacción automática, que se muestra esquemáticamente en la figura 13.23, implica el uso de una herramienta de clavija de reacción automática que tiene dos hombros; uno colocado en la superficie superior de las piezas y el otro en la parte inferior. Un pasador roscado, colocado entre los dos hombros, atraviesa el espesor del material. Durante la soldadura, los dos hombros se colocan firmemente contra la corona y las superficies de la raíz de la unión soldada, por lo que se comprime para aplicar las cargas de forja necesarias. El conjunto doble de hombro / pasador gira como una sola unidad mientras atraviesa la línea de soldadura.
La principal ventaja de la industria. Las juntas de transición tubulares también se pueden hacer entre el aluminio y el uso de la herramienta de perno de reacción automática, en lugar de la herramienta de perno de una sola pieza estándar, es que elimina el requisito de herramientas costosas necesarias para contener las fuerzas de forja mecánica generadas durante el proceso FSW.
Otro avance de FSW bajo investigación es la soldadura de materiales muy gruesos. Se ha diseñado una nueva herramienta de pasador retráctil para soldar y cerrar la piscina de soldadura de ojo de cerradura en materiales de 50 mm o incluso más de espesor. También se está investigando el FSW de soldaduras de pequeño tamaño en líneas y conductos para vehículos espaciales que utilizan un cabezal de soldadura orbital, así como soldaduras en sistemas de tuberías de mayor diámetro que se utilizan en la industria petrolera.
