SOLDADURA POR FRICCION

¿Qué es la Soldadura por Fricción?

La soldadura de estado sólido se refiere a los procesos de soldadura que no utilizan calor externo, como en el tipo de soldadura de la que vamos hablar, la soldadura por fricción.

La soldadura por fricción es aquella en la que dos piezas (metales) a unir giran una en relación con la otra aplicando una fuerza de alta presión de una de las piezas contra la otra. Este movimiento crea fricción (rozadura o frotamiento) entre las dos piezas calentando los materiales en las superficies de contacto hasta que se completa el ciclo de soldadura.

La rotación de la pieza giratoria la produce una máquina.

Mira el proceso en este video:



El proceso de soldadura por fricción obtiene el calor para la unión por medio de las dos piezas y de la resistencia causada por el movimiento de una pieza contra la otra pieza fija bajo una presión extrema.

Por ejemplo, el calor de fricción creado en el acero esta generalmente entre los 900 y los 1300 grados centígrados.

Una vez que se alcanza la temperatura adecuada, se aplica cada vez más fuerza de presión externa hasta que las piezas forman una junta de soldadura permanente.

Es un proceso de unión de metales en estado sólido capaz de unir muchos metales y combinaciones de metales.

En la mayoría de los metales, las soldaduras producidas por el proceso son completamente resistentes y repetibles.

Esta tecnología fue desarrollada a principios de los años 60 por Caterpillar Tractor Company y lleva utilizándose en los Estados Unidos y Europa durante más de 50 años.



La familia de procesos de soldadura por fricción abarca muchas variantes diferentes, que incluyen soldadura por fricción rotativa (inercia, transmisión directa y radial), soldadura por fricción lineal y, más recientemente, soldadura por fricción por agitación (FSW).

En todos los caso, la fricción calienta el material a un estado plástico junto con una fuerza aplicada para crear la soldadura.

La soldadura de estado sólido a menudo produce soldaduras con propiedades mecánicas cercanas o superiores a las de los materiales de la unión.

Pasos Para la Soldadura por Fricción

Estos son los pasos de la llamada soldadura por fricción rotatoria, por inercia, por fricción-agitación o incluso también llamada por fricción directa (todas estas son la misma) y que es el tipo más utilizado. Después veremos la de fricción lineal, la fricción orbital y la FSW o fricción-agitación, aunque los pasos casi sin los mismos en casi todas.

Primero, una pieza de trabajo se coloca en un mandril impulsado por un rotor que gira por el movimiento de un motor, mientras que la otra se mantiene fija.

El rotor permite que la pieza de trabajo montada gire a altas velocidades.

Mandril: Pieza que sujeta el metal de la unión que rota.

Se aplica una fuerza de presión a la pieza de trabajo fija, que la pone en contacto con la pieza de trabajo giratoria.

Cuando las piezas de trabajo se tocan, se crea una alta fuerza de fricción y genera un calor significativo en las superficies en contacto hasta que los dos materiales se ablandan, también conocidos como plastificantes.

Una vez que los materiales alcanzan un estado plastificado, se aplica una mayor presión de forjado a la pieza estática, lo que obliga a los dos materiales a fundirse.

Una vez que las partes se funden y la unión comienza a enfriarse, el rotor se detiene una vez que los materiales se solidifican.

Podríamos esquematizar los pasos de la siguiente forma:

Precontacto: Una pieza de trabajo se fija en un dispositivo de sujeción fijo.

La otra, sujeta en un mandril de husillo, generalmente con volante de inercia (giratorio), se acelera rápidamente.

Fricción: Una vez que el volante alcanza una velocidad predeterminada, una parte se empuja contra la otra pieza.

La fricción entre las partes desacelera el volante, convirtiendo la energía almacenada en la desaceleración en calor de fricción, lo suficiente para suavizar, pero no derretir, las caras de las partes.

Fragua: Justo antes de que cese la rotación, las dos partes se unen. La energía restante del volante activa la cara de metal, expulsando las impurezas o huecos y refinando la estructura del grano.

Fin del Proceso: La soldadura se completa cuando el volante se detiene.



Otros Tipos de Soldaduras por Fricción

- Soldadura por fricción lineal: Este proceso es similar a la soldadura por fricción por inercia, sin embargo, el mandril en movimiento no gira, oscila en un movimiento lateral. Las dos piezas se mantienen bajo presión durante todo el proceso.

Este proceso requiere que las piezas de trabajo presenten una alta resistencia al corte e involucra una maquinaria más complicada que la soldadura por inercia. Una de las ventajas de este método es que ofrece la capacidad de unir partes de cualquier forma (en lugar de solo uniones circulares).

- Soldadura de fricción orbital o rotacional (FWR): La soldadura de fricción orbital es similar a la soldadura de fricción giratoria, pero ambas partes soldadas giran en la misma dirección y a la misma velocidad, pero sus ejes se desplazan uno respecto al otro.

A medida que se completa el ciclo de soldadura y se ralentiza la rotación, las piezas vuelven al mismo eje y la presión de forjado se mantiene mientras los materiales se resolidifican.

Todos los tipos de soldadura por fricción suele tener aplicaciones en las uniones de piezas simétricas de revolución (cilíndricas) como tuberías o conductos. Para otro tipo de formas geométricas se utiliza la FSW llamada por Fricción-Agitación.

- Soldadura por Fricción-Agitación (FSW): Se realiza con una herramienta cilíndrica compuesta de dos cuerpos, el hombro y la espiga, la cual gira a un determinado número de revoluciones. Esta herramienta es introducida lentamente por una fuerza axial, entre la línea de unión de las dos chapas o placas a unir, las cuales se encuentran dispuestas a tope una con otra (juntas o superpuestas).

El calor para la soldadura es generado por el contacto entre el hombro de la herramienta con la superficie de las chapas a soldar y la deformación del material promovida por el pin de la herramienta, que provoca un ablandamiento del material, sin llegar a la fusión, favoreciendo la deformación del mismo. El movimiento de rotación y avance de la herramienta promueve un flujo y mezclado del material desde un borde hacia el otro de la soldadura, lo cual conduce a la unión, en estado sólido, entre las dos piezas. El diseño de la herramienta juega un importante rol en la calidad final de la soldadura, como así también, en la velocidad de soldadura.



El calor para realizar la unión es generado por dos fenómenos, uno es el roce entre la herramienta, principalmente el hombro, y el material, y el otro es el roce interno del material debido a la deformación plástica que impone el pin.

Aquí tienes un video para verlo mejor:



Aplicaciones de la Soldadura por Fricción

La soldadura por fricción se puede utilizar para construir rodillos, tubos y ejes industriales.

El proceso se usa a menudo para aplicaciones automotrices, aeroespaciales, marítimas y petroleras. Otros ejemplos incluyen engranajes, tubos de ejes, líneas de transmisión, válvulas, vástagos de pistón hidráulicos, casquillos de rodillos de camiones, ejes de bombas, brocas, vástagos de conexión, etc. En definitiva, todo lo que te puedas imaginar para unir metales.



Ventajas de la Soldadura por Fricción

Dos son los principales ventajas o beneficios, menores costes, ya que no utiliza material para la unión y no necesita una fuente de calor externo, y la otra ventaja es que no crea humo ni libera otras toxinas dañinas a la atmósfera.

Además, la soldadura por fricción ofrece una automatización simple, velocidades rápidas, soldaduras eficientes y la capacidad de combinar una gran variedad de metales.

Inconvenientes de la Soldadura por Fricción

- En general, una de las piezas de trabajo debe tener un eje de simetría y poder girar alrededor de ese eje.

- La preparación y alineación de las piezas de trabajo puede ser crucial para que el frotamiento y calentamiento sean uniformes.

- Los costos de capital por equipo y herramental son elevados

- No es posible soldar materiales auto lubricados, o que no sean forjables

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