La soldadura por fricción ( FRW ) es un proceso de soldadura de estado sólido que genera calor a través de la fricción mecánica entre piezas de trabajo en movimiento relativo entre sí, con la adición de una fuerza lateral llamada "recalcado" para desplazar y fusionar plásticamente los materiales. Debido a que no se produce fusión, la soldadura por fricción no es un proceso de soldadura por fusión , sino una técnica de soldadura en estado sólido más parecida a la soldadura por forja . La soldadura por fricción se utiliza con metales y termoplásticos en una amplia variedad de aplicaciones automotrices y de aviación.
La norma ISO de soldadura por fricción es EN ISO 15620: 2019 [1] hay información sobre términos y definiciones básicos y tabla de soldabilidad de metales y aleaciones .
Historia
Algunas aplicaciones y patentes relacionadas con la soldadura por fricción se remontan a principios de siglo [2] y la soldadura por fricción rotativa es el más antiguo de estos métodos. [3] W. Richter patentó el método de proceso de soldadura por fricción lineal (LFW) en 1924 [4] en Inglaterra y 1929 [4] en Alemania , sin embargo, la descripción del proceso era vaga [3] y H. Klopstock patentó el mismo proceso en la URSS 1924. [4] Pero la primera descripción y experimentos relacionados con la soldadura por fricción rotatoria tuvieron lugar en la Unión Soviética en 1956, [2] [4] el maquinista llamado AJ Chdikov ha realizado estudios científicos y sugirió el uso de esta soldadura método como un proceso comercial. [4] El proceso se introdujo en EE. UU. En 1960. [2] Las empresas estadounidenses Caterpillar Tractor Company ( Caterpillar - CAT ), Rockwell International y American Manufacturing Foundry desarrollaron máquinas para este proceso. También se expidieron patentes en toda Europa y la ex Unión Soviética. Los primeros estudios de soldadura por fricción en Inglaterra fueron realizados por el Welding Institute en 1961. [4] Estados Unidos con Caterpillar Inc. y MTI desarrollaron un proceso de inercia en 1962. [2] [4] Europa con KUKA AG y Thompson lanza rotativo soldadura por fricción para aplicaciones industriales en 1966, [5] desarrolló un proceso de transmisión directa y en 1974 [5] construyó rRS6 la máquina de doble husillo para ejes de camiones pesados . [5] Otro método fue inventado y probado experimentalmente en The Welding Institute (TWI) en el Reino Unido y patentado en 1991 Proceso de soldadura por fricción y agitación (FSW) [6] un proceso de unión de estado sólido que utiliza una herramienta no consumible para unir dos refrentado de piezas de trabajo sin fundir el material de la pieza de trabajo. En 2008, KUKA AG desarrolló la máquina de soldadura por fricción SRS 1000 con una fuerza de forjado de 1000 toneladas. [5]
Una modificación mejorada de la soldadura por fricción estándar es también la soldadura por fricción de baja fuerza , tecnología híbrida desarrollada por EWI y Manufacturing Technology Inc. (MTI), " utiliza una fuente de energía externa para elevar la temperatura de la interfaz de las dos partes que se unen, reduciendo así la fuerzas de proceso necesarias para realizar una soldadura de estado sólido en comparación con la soldadura por fricción tradicional ". [7] El proceso se aplica tanto a la soldadura por fricción lineal como a la rotativa.
Hoy en día, la soldadura por fricción materiales de investigación proviene de muchos lugares alrededor del mundo , incluyendo África , América del Sur , América del Norte , Europa y Asia , y Australia .
Técnicas de metal
Soldadura por fricción rotativa
La soldadura por fricción rotatoria (RFW) es uno de los métodos de soldadura por fricción. Un elemento soldado se gira hacia el otro y se presiona hacia abajo. El calentamiento del material es causado por el trabajo de fricción y crea una soldadura no separable.
Soldadura por fricción lineal
La soldadura por fricción lineal (LFW) es similar a la soldadura por rotación, excepto que el mandril móvil oscila lateralmente en lugar de girar.
Soldadura por fricción-agitación
La soldadura por fricción y agitación (FSW) es un proceso de unión de estado sólido que utiliza una herramienta no consumible para unir dos piezas de trabajo enfrentadas sin derretir el material de la pieza de trabajo. El calor se genera por la fricción entre la herramienta giratoria y el material de la pieza de trabajo, lo que conduce a una región ablandada cerca de la herramienta FSW. Mientras la herramienta se atraviesa a lo largo de la línea de unión, entremezcla mecánicamente las dos piezas de metal y forja el metal caliente y ablandado mediante la presión mecánica, que se aplica con la herramienta, de manera muy similar a unir arcilla o masa.
Superficie de fricción
El revestimiento por fricción es un proceso derivado de la soldadura por fricción en el que se aplica un material de revestimiento a un sustrato. Una varilla compuesta por el material de revestimiento (llamado mechtrode) se hace girar bajo presión, generando una capa plastificada en la varilla en la interfaz con el sustrato.
Técnica termoplástica
Soldadura por vibración lineal
En la soldadura por vibración lineal, los materiales se ponen en contacto y se someten a presión. Luego se aplica una fuerza de vibración externa para deslizar las piezas entre sí, perpendicular a la presión que se está aplicando.
Soldadura por fricción orbital
La soldadura por fricción orbital es similar a la soldadura por rotación, pero utiliza una máquina más compleja para producir un movimiento orbital en el que la parte móvil gira en un círculo pequeño, mucho más pequeño que el tamaño de la junta en su conjunto.
Lista de métodos relacionados con la soldadura por fricción
- Soldadura de forja
- Soldadura por fricción y agitación (FSW) [8]
- Soldadura por fricción y agitación por puntos (FSSW) [9]
- Soldadura por fricción lineal (LFW) [10] [11]
- Soldadura por fricción de soldaduras de circunferencia de tuberías (FRIEX) [12]
- Procesamiento de superposición de pilares hidráulicos de fricción (FHPPOW) [13]
- Procesamiento de pilares hidráulicos por fricción (FHHP) [14]
- Soldadura por vibración lineal
- Soldadura por rotación de polímeros
- Soldadura por fricción de baja fuerza [7]
Otra información
Ensayos de soldaduras para soldadura por fricción y descripción de zonas
Los requisitos de calidad de las uniones soldadas dependen de la forma de aplicación, por ejemplo, en el espacio o en la industria aérea no se permiten errores de soldadura. [15] Hay muchos artículos científicos que describen la soldadura, se realizan pruebas de control de calidad de la soldadura , con mediciones y métodos numéricos. La ciencia intenta obtener soldaduras de buena calidad.
Por ejemplo, es deseable una estructura de grano ultrafino de aleación o metal que se obtiene mediante técnicas tales como deformación plástica severa [16] , y no cambia por la alta temperatura, una gran zona afectada por el calor es innecesaria. [17] [11]
Además, además de cambiar la estructura del grano durante los ciclos de unión de metales, mediante métodos en los que se produjo la zona afectada por alta temperatura, hay estructuras de transformación de fase. Por ejemplo, en acero entre austenita , ferrita , perlita , bainita , [18] cementita y martensita , ver: Diagrama de fases hierro-carbono . [ cita requerida ] Para evitar cambios, se puede desear la soldadura en estado sólido y no se necesita una gran zona afectada por el calor si debilita las propiedades del material.
Zonas afectadas por el calor y mecánicamente en la soldadura por fricción
Las zonas termomecánicas individuales se pueden describir citando un artículo de ejemplo:
Anthony R.McAndrew, Paul A.Colegrove, Clement Bühr, Bertrand CD, Flipo Achilleas Vairis, " Una revisión de la literatura de la soldadura por fricción lineal Ti-6Al-4V ", 2018. [10]
"Técnicamente, WCZ y TMAZ son" zonas afectadas termomecánicamente ", pero debido a las microestructuras muy diferentes que poseen, a menudo se las considera por separado. WCZ experimenta una recristalización dinámica significativa (DRX), pero TMAZ no. El material en HAZ no se deforma mecánicamente, pero se ve afectada por el calor. La región de un límite de TMAZ / HAZ al otro a menudo se conoce como el "espesor de TMAZ" o la zona afectada plásticamente (PAZ). En el resto de este artículo, esta región se denominará PAZ ". [19]
Zonas:
- WCZ– zona central de soldadura,
- HAZ - zona afectada por el calor ,
- TMAZ - Zona afectada termomecánicamente,
- BM - material base, material parental,
- Destello.
Existen términos similares en la soldadura .
Resistencia a las convulsiones
La soldadura por fricción puede ocurrir involuntariamente en superficies deslizantes como cojinetes. Esto ocurre en particular si la película de aceite lubricante entre las superficies deslizantes se vuelve más delgada que la rugosidad de la superficie, lo que puede deberse a baja velocidad, baja temperatura, falta de aceite, holgura excesiva, baja viscosidad del aceite, alta rugosidad de las superficies o combinación de los mismos. [20]
La resistencia al agarrotamiento es la capacidad de un material para resistir la soldadura por fricción. Es una propiedad fundamental de las superficies de apoyo y en general de las superficies de deslizamiento bajo carga.
Curiosidades
- La soldadura por fricción (μ FSW ) también se realizó utilizando una máquina CNC . [21] lo que no significa que sea seguro y recomendado para la fresadora.
- También se ha demostrado que la soldadura por fricción funciona en madera. [22] [23] [24]
Términos y definiciones, atajos de nombres
Para citar ISO ( la Organización Internacional de Normalización ) - ISO 15620: 2019 (en) Soldadura - Soldadura por fricción de materiales metálicos :
"fuerza axial - fuerza en dirección axial entre los componentes que se van a soldar,
longitud de combustión : pérdida de longitud durante la fase de fricción,
tasa de quemado - tasa de acortamiento de los componentes durante el proceso de soldadura por fricción,
componente - artículo individual antes de soldar,
frenado inducido por componentes : reducción de la velocidad de rotación resultante de la fricción entre las interfaces,
frenado externo : frenado ubicado externamente que reduce la velocidad de rotación,
superficie de contacto : superficie de un componente que debe estar en contacto con la superficie de otro componente para formar una junta,
fuerza de forja - fuerza aplicada normal a las superficies de contacto en el momento en que el movimiento relativo entre los componentes está cesando o ha cesado,
longitud de fraguado de fraguado : cantidad en la que se reduce la longitud total de los componentes durante la aplicación de la fuerza de fraguado,
Fase de forja : tiempo de intervalo en el ciclo de soldadura por fricción entre el inicio y el final de la aplicación de la fuerza de forja.
presión de forja : presión (fuerza por unidad de área) sobre las superficies de contacto resultante de la fuerza de forja axial,
tiempo de forja - tiempo durante el cual se aplica la fuerza de forja a los componentes,
fuerza de fricción - fuerza aplicada perpendicularmente a las superficies en contacto durante el tiempo en que hay un movimiento relativo entre los componentes,
fase de fricción : tiempo de intervalo en el ciclo de soldadura por fricción en el que el calor necesario para realizar una soldadura se genera por el movimiento relativo y las fuerzas de fricción entre los componentes, es decir, desde el contacto de los componentes hasta el inicio de la desaceleración,
presión de fricción - presión (fuerza por unidad de área) sobre las superficies de contacto resultante de la fuerza de fricción axial,
tiempo de fricción - tiempo durante el cual tiene lugar el movimiento relativo entre los componentes a la velocidad de rotación y bajo la aplicación de las fuerzas de fricción,
interfaz - área de contacto desarrollada entre las superficies de contacto después de completar la operación de soldadura,
velocidad de rotación : número de revoluciones por minuto del componente giratorio,
sobresaliente : distancia entre la que sobresale un componente del accesorio, o el mandril en la dirección del componente de acoplamiento,
fase de desaceleración : intervalo en el ciclo de soldadura por fricción en el que el movimiento relativo de los componentes se desacelera a cero,
tiempo de desaceleración : tiempo requerido por el componente en movimiento para desacelerar desde la velocidad de fricción hasta la velocidad cero,
pérdida de longitud total (deformación) : pérdida de longitud que se produce como resultado de la soldadura por fricción, es decir, la suma de la longitud de quemado y la longitud de quemado de forja,
tiempo total de soldadura : tiempo transcurrido entre el contacto del componente y el final de la fase de forjado,
ciclo de soldadura - sucesión de operaciones realizadas por la máquina para realizar una soldadura y volver a la posición inicial, excluidas las operaciones de manipulación de componentes,
soldadura : dos o más componentes unidos mediante soldadura. " [1]
Referencias
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