SOLDADURA POR FRICCIÓN

UNIVERSIDAD TECNICA DE AMBATO

FACULTAD DE INGIERIA CIVIL Y MECÁNICA

SOLDADURA POR FRICCIÓN

Lozada Carrillo Lenin Alexander1; Portero Carrillo Kevin Ariel 2

1Universidad Técnica de Ambato, Facultad de Ingeniería Civil y Mecánica
Ambato, Ecuador, e-mail: llozada3092@uta.edu.ec
2Universidad Técnica de Ambato, Facultad de Ingeniería Civil y Mecánica
Ambato, Ecuador, e-mail: kportero6737@uta.edu.ec

Resumen: La soldadura por fricción es un proceso de unión de materiales similares, que en trascurso de los años ha tenido un gran desarrollo en la industria aeroespacial, automotriz y militar entre otras. Existen muchos procesos diferentes de soldadura especiales disponibles en la industria, algunos de ellos todavía son experimentales o variaciones de procesos existentes y otros son evoluciones de procesos anteriores.

El proceso permite soldar metales como aluminio, magnesio, cobre y acero, incluyendo, entre otras, aleaciones consideradas difíciles de soldar por fusión convencional, e incluso aplicación en polímeros.

La soldadura por fricción se presenta de diferentes formas teniendo el mismo principio básico, descubriendo el calor por acción mecánica con el frotamiento de elemento con elemento.

Palabras clave:  Fricción, presión axial, inercia.

Abstract: Friction welding is a process of joining similar materials, which over the years has had a great development in the aerospace, automotive and military industries, among others. There are many different special welding processes available in the industry, some of them are still experimental or variations of existing processes and others are evolutions of earlier processes.

The process allows metals such as aluminum, magnesium, copper and steel to be welded, including, among others, alloys considered difficult to weld by conventional fusion, and even application in polymers.

Friction welding comes in different forms having the same basic principle, discovering heat by mechanical action with element-to-element friction.

Keywords: Friction, axial pressure, inertia.

1. soldadura por fricción

La soldadura por fricción o también conocida como agitación es una técnica que se utiliza para unir dos placas o laminas por medios mecánicos, en ingles se la conoce como friction stir welding (FSW) [1]. Este proceso tiene algunas ventajas que beneficia a la soldadura de aleación de aluminio, que es una soldadura que se considera compleja al momento de soldar por los procesos que necesitan la fusión de metal base. Esta técnica de soldado se pueden soldar secciones gruesas en una sola pasada obteniendo uniones con muy buenas propiedades mecánicas [1].

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Figura 1 Proceso de soldadura por fricción

D. Tipo de herramienta

La herramienta es la parte principal para el proceso de soldadura, esta se compone de dos distintos cuerpos de forma cilíndrica concéntricos, el primer cuerpo cilíndrico tiene un diámetro pequeño comparado con el otro, así que a este se lo denomina PIN, este cuerpo cilíndrico actúa como interface de la junta y produce agitación, mezcla y plastificación del metal. El segundo cuerpo cilíndrico tiene el mayor diámetro y a este se le denomina HOMBRO, este trabaja sobre la superficie de la junta y se encarga de precalentar y consolidar el metal plastificado. La unión de los dos cuerpos produce la coalescencia y recristalización de las piezas [1].

El tamaño y la forma que la herramienta afecta a la sanidad de la unión del metal, por eso durante el proceso la herramienta es sometida a altas solicitaciones mecánicas y altas temperaturas que son próximas al punto de fusión del metal base, por lo tanto, el tratamiento y el material utilizado para su fabricación son importantes para la vida útil de la herramienta [1].

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Figura 2 Partes de la herramienta utilizada en la soldadura de fricción.

1. Características del equipo

Principalmente el equipo debe ser capaz de realizar cuatro operaciones básicas: avance longitudinal de la pieza y/o herramienta, ajuste longitudinal del eje de avance, rotación del eje sobre su eje e inclinación del husillo con respecto a una pieza. En particular, cuando se utiliza para desarrollar procesos, también debe permitir la operación en un rango suficientemente amplio de velocidades de rotación y traslación. Debido a la gran tensión que se produce durante la soldadura, la rigidez estructural es otro requisito fundamental. En general, para muchas aplicaciones, tales características se pueden encontrar en máquinas herramienta convencionales o ligeramente modificadas [1].

1. Procedimiento

Se inicia con la inserción de la herramienta hasta el punto que el HOMBRO de la misma entre en contacto con la superficie solar, esto aplica cuando existe una fuerza axial controlada por el desplazamiento vertical en la mesa de sujeción del material a procesar o del cabezal porta herramienta. El contacto que provoca la herramienta y el material genera mucho calor por la fricción de los mismos elevando la temperatura del sistema. El avance y la rotación de la herramienta a la temperatura en la que trabaja, provocan un flujo plástico del material que puede ser favorecido por la geometría de la herramienta, es mezclado y agitado hasta que el resultado de la unión metalúrgica en fase sólida [1].

1. soldadura por fricción lineal

La soldadura por fricción lineal es un proceso de ensamblaje de estado sólido sin material que consiste en frotar un componente sobre la superficie de otro mediante un movimiento oscilante lineal. Este movimiento se genera utilizando mínimas distancias de recorrido que tienen un rango de 1 a 3 mm y a una frecuencia alta   desde 25 a 100 Hz esto genera calor por la fricción en el plano de contacto y que genera un estado plástico con un cierto volumen de material. Durante todo este proceso, una parte del material viscoelástico que se formó se desplaza hasta la periferia de la interfaz de contacto que se lo conoce como flash o rebaba que es el material que se expulsa durante el proceso [1].

1. Secuencia del proceso

-Fase inicial: Dos materiales se ponen en contacto bajo presión, las dos superficies a unir son rugosas y el calor se genera por fricción. El área de contacto real aumenta significativamente durante este período debido al desgaste de la parte áspera.

-Fase de tracción: Si en la etapa anterior se genera el calor requerido para ablandar la superficie del material, comienzan a expulsarse partículas abrasivas de gran tamaño de la interfase y la zona afectada por el calor se expande para continuar en la fase III.

Fase de equilibrio: Después de la etapa II, los grumos comienzan a disminuir de tamaño a medida que se empuja el material. El calor generado por los enlaces rotos y sus modificaciones se transfiere lejos de la superficie y aparece una región plástica. En la capa de plástico formada en la interface, el sistema de tensión local con la ayuda del movimiento oscilante empuja el material lejos de la interface hacia la región saliente o repisa [1].

Fase de desaceleración:  Es el movimiento de translación cesa y las dos piezas a procesar se someten a un esfuerzo de forja, luego se debe enfriar la unión para que se consolide la soldadura [1].

Figura 3 Fases del proceso de soldadura por fricción lineal.

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Figura 4 Piezas soldadas por fricción línea.

1. soldadura por fricción rotacional (FRW)

La soldadura por fricción rotacional o en ingles friction rotary welding (FRW) es el proceso de la soldadura en estado sólido donde se debe general el calor necesario mediante el movimiento relatico de dos caras en contacto al unir. Esta técnica se basa en la transformación directa de la energía mecánica en la energía térmica para formar la soldadura sin la aplicación de calor de alguna fuente externa [1].

La presión axial, la velocidad de rotación y el tiempo de soldadura son importantes variables que se pueden controlar con el fin de dar la combustión necesaria de presión y calor para la formación de la soldadura. Los parámetros se ajustan de la manera que la interfaz se deba calentar en un intervalo de temperatura, el material alcanza un estado plástico y se pueda soldar el material. Cuando la interfaz está caliente, la presión axial se debe utilizar para llevar a las interfaces de soldadura a un contacto mínimo [2].

La soldadura por fricción implica la generación de calor por desgaste por fricción, disipación de calor, deformación plástica e intercalación química. La interacción entre estos factores durante FRW crea complicaciones cuando se trata de desarrollar modelos predictivos de soldadura por fricción [2].

Existen cinco factores que influyen en la calidad de la soldadura por fricción rotativa:

• Velocidad de rotación
• Temperatura
• Propiedades del material
• Estado de la superficie de contacto
• Presión

[pic 5]

Figura 5 Proceso de la soldadura rotativa.

Se deben controlar las siguientes variables de la soldadura por fricción rotativa para la mejor calidad posible y son las siguiente:

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