Soldadura por fregadura con agitación: soldadura de baxu costu de plaques d'aceru y otros materiales d'altu puntu de fusión

Data d'espublización:

2025-06-11

Honda desenvolvió una teunoloxía aplicable a productos en serie pa soldar aceru y aleación d'aluminiu por aciu soldadura per fregadura con agitación, y la Universidá de Tōhoku de Xapón y Hitachi desenvolvieron una cabeza d'agitación d'aleación de cobaltu capaz de soldar metales d'altu puntu de fusión como l'aceru y el titaniu. L'usu de la soldadura per fregadura con agitación (FSW: Friction Stir Welding), que enantes a nivel de producción en serie llindábase a metales de baxu puntu de fusión como l'aleación d'aluminiu, l'aleación de cobre y l'aleación de magnesiu, empieza a estendese a metales de mayor puntu de fusión como l'aceru*1.

*1 A presión atmosférica estándar, el puntu de fusión del aluminiu ye 660℃, el del cobre 1083℃, el del magnesiu 651℃. El del fierro algama 1539℃, y el del titaniu 1727℃.

El calor de fricción ablanda'l metal hasta dexalu como una pasta viscosa

La soldadura por fregadura con agitación consiste na téunica de xunir dos plaques soldándoles, utilizando una cabeza d'agitación con una protuberancia (aguya d'agitación) na parte cimera d'un cilindru, que dende enriba de la parte a soldar de dos plaques empalmaes (material base) o de dos plaques superpuestes, xira y primiendo al empar, soldando les dos plaques.

El calor de fregadura xeneráu ente l'aguya de remexu xiratoria y la chapa fai que'l metal alredor de l'aguya de remexu se nidie hasta volvese mafosu, y l'aguya de remexu xiratoria introduzse asina na chapa. D'esta miente, el metal nidiáu alredor de l'aguya de remexu entemeceráse (produzse fluxu plásticu), faciendo que les dos chapas de metal se fundan nuna sola, o bien formando un enllaz metálicu na superficie d'unión de les dos chapas de metal, faciendo que dambes se fundan nuna sola.

Enantes faltaba una cabeza d'agitación resistente a altes temperatures

Les ventayes de la soldadura por fregadura con agitación son les cuatro siguientes: (1) como nun ye necesariu fundir el material base pa soldar (soldadura en fase sólida), dempués de la soldadura hai poques deformaciones y defectos de soldadura, polo que se puede ameyorar la calidá del productu y amenorgar el costu; (2) aforra enerxía en comparanza cola soldadura por fusión; (3) nun se necesita gas de proteición; (4) el ruiu ye baxu y nun se xenera polvu. Amás, esta téunica ye tamién bien eficaz pa la soldadura de materiales disímiles, polo que recibe muncha atención nel sector, y esperase que, al escoyer materiales fayadizos pa cada parte, s'algamen efeutos como l'amenorgamientu de pesu*2. Pero, como s'introduz al entamu, enantes los materiales que podíen usase a nivel de producción en masa cola soldadura por fregadura con agitación llendábense a los metales de baxu puntu de fusión.

*2 La soldadura por fregadura con agitación, en comparanza cola soldadura en fase líquida que funde'l material base —la soldadura por fusión—, tien una temperatura de soldadura más baxa y ye fácil controlar el calor d'aportación de soldadura mediante l'axuste de les condiciones de soldadura. Poro, puede amenorgase fácilmente la formación de compuestos intermetálicos, el principal causante del descensu de la resistencia de la soldadura. Al amenorgar el grosor de la capa de compuestos intermetálicos, puede amontase la resistencia de la parte soldada. Na soldadura por fregadura con agitación, si s'agita demasiáu, tamién se xeneren munchos compuestos intermetálicos.

La razón pola que l'usu de la soldadura por fregadura con agitación enantes llendábase a los metales de baxu puntu de fusión ye la falta de cabeces d'agitación de baxu costu y resistentes a altes temperatures fayadices pa la producción en masa. Al aplicar la soldadura por fregadura con agitación a l'aleación d'aluminiu, xeneralmente úsase una cabeza d'agitación fecha d'aceru o otros materiales férricos. Al soldar con esta cabeza metales d'altu puntu de fusión como l'aceru y l'aleación de titaniu, na zona d'alta temperatura que suaviza estos metales, la cabeza d'agitación tamién se suaviza, lo que provoca un desgaste grave y la so inutilización. Anque yá se desarrollaron cabeces d'agitación de materiales non férricos como cerámica y aleación de tungstenu-reniu, estes cabeces tienen un preciu bien altu y nun son fayadices pa la producción en masa.

Ensin necesidá d'agitación pue facese qu'el aceru amuese una superficie nueva

La teunoloxía desenvuelta por Honda pa soldar aceru y aleación d'aluminiu por aciu fregadura con agitación úsase pa xunir materiales base d'aceru y aleación d'aluminiu superpuestos. La so carauterística principal ye que solo s'agitia l'aleación d'aluminiu y non l'aceru (figura inferior de la figura 1). Asina s'evita que la temperatura de la cabeza d'agitación seya demasiáu alta.

El fechu de que l'aceru y l'aleación d'aluminiu se suelden xuntos ensin necesidá d'agitar l'aceru débese a que se forma un enllaz metálicu ente l'aceru y l'aleación d'aluminiu. Ye dicir, esta teunoloxía nun agita l'aceru, sinón que elimina la película de recubrimientu y la película d'óxidu de la superficie del aceru. D'esta miente, déxase al descubiertu la superficie nueva del aceru y fórmase un enllaz metálicu cola aleación d'aluminiu, que por aciu l'agitación aumentó la so actividá. La esistencia d'esti enllaz metálicu fai que l'aceru y l'aleación d'aluminiu se fundan nuna sola*3.

*3 Cuando entra agua, etc., ente l'aceru y l'aleación d'aluminiu, produzse corrosión bimetálica (corrosión eléctrica); esta teunoloxía evita esti fenómenu insertando una película de siliciu ente l'aceru y l'aleación d'aluminiu.

Honda adoptó esta teunoloxía nel subchasis delanteru del so nuevu modelu «Accord» pal mercáu norteamericanu, llogrando diversos efeutos (figura 2). En concretu, non solo'l pesu amenorgóse un 25 % respectu al subchasis d'aceru orixinal, sinón que'l consumu eléctricu na soldadura baxó alredor del 50 %. Amás, tamién s'emplegó esta teunoloxía pa camudar la estructura de les zones d'instalación del subchasis y la suspensión, aumentando un 20 % la rixidez d'eses zones, lo que contribuyó a ameyorar el rendimientu dinámicu del vehículu.

Ampliar los usos mediante materiales nuevos

Per otru llau, la Universidá de Tōhoku, Hitachi, Ltd. y Hitachi Metals Precision Instruments Co. desenvolvieron una cabeza d'agitación de baxu costu resistente a altes temperatures, ampliando asina l'algame d'aplicación de la soldadura por fregadura con agitación (figura 3). El material utilizáu nesta cabeza d'agitación foi desenvueltu conxuntamente pola Universidá de Tōhoku y Hitachi, Ltd., y la teunoloxía de producción en masa d'esti material y de la cabeza d'agitación (pieza fundida) foi desenvuelta con ésitu conxuntamente por Hitachi, Ltd. y Hitachi Metals Precision. Esta cabeza d'agitación puede utilizase pa la soldadura por fregadura con agitación d'aceru, aleaciones de titaniu y aleaciones de circoniu y otros metales d'altu puntu de fusión, y ta previstu que se comercialice na seronda de 2013. Anque Hitachi Metals Precision Instruments declaró que «el preciu aldericaráse más palantre», envalórase que s'afitará nuna banda de precios utilizable a nivel de producción en masa.

El material desenvueltu pola Universidá del Nordeste y otros pa la cabeza de soldadura por fregadura con agitación ye una aleación de cobaltu, na que se distribúin compuestos intermetálicos que caltienen alta resistencia a alta temperatura. Concretamente, na aleación basada en cobaltu distribúyese Co3(Al,W). La clave ta en llograr una distribución fina y uniforme de Co3(Al,W), y que la cantidá distribuyida y la forma de los llendes de granu s'averen al estáu deseyáu. Pa ello, emplegáronse una composición y un tratamientu térmicu más afayadizos.

Anguaño, los materiales previstos pa esti cabezal d'agitación son aceru al carbonu, aceru d'alta tensión, aleación de titaniu (Ti-6Al-4V, etc.), titaniu puru y aleación de cobre. Anque dellos materiales, por razón de resistencia y espesor, son difíciles d'usar con esti cabezal, polo xeneral los oxetos de soldadura son materiales que, na soldadura por fregadura con agitación, algamen una temperatura máximo del cabezal (temperatura combinada) d'alredor de 1000 ℃.

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