La soldadura por pulsos magnéticos ( MPW ) es un proceso de soldadura de estado sólido que utiliza fuerzas magnéticas para soldar dos piezas de trabajo. El mecanismo de soldadura es muy similar al de la soldadura por explosión . [1] La soldadura por pulsos magnéticos comenzó a principios de la década de 1970, cuando la industria automotriz comenzó a utilizar la soldadura de estado sólido. La mayor ventaja de la soldadura por pulsos magnéticos es que se evita la formación de fases intermetálicas frágiles . Por lo tanto, se pueden soldar metales diferentes, que no se pueden unir eficazmente mediante soldadura por fusión.. Con la soldadura por pulsos magnéticos se pueden realizar soldaduras de alta calidad en metales similares y diferentes en microsegundos sin la necesidad de gas de protección o consumibles de soldadura.
Proceso
La soldadura por pulsos magnéticos se basa en un pulso electromagnético muy corto (<100 µs), que se obtiene mediante una descarga rápida de los condensadores a través de interruptores de baja inductancia en una bobina. La corriente pulsada con una amplitud y frecuencia muy alta (500 kA y 15 kHz) produce un campo magnético de alta densidad, que crea una corriente parásita en una de las piezas de trabajo. Se crean fuerzas de Lorentz repulsivas y una alta presión magnética mucho más allá del límite elástico del material, lo que provoca una aceleración y una de las piezas de trabajo impacta contra la otra parte con una velocidad de colisión de hasta 500 m / s (1,100 mph). [2]
Durante la soldadura por pulsos magnéticos se desarrolla una alta deformación plástica junto con una alta deformación por cizallamiento y rotura de óxido gracias al chorro y las altas temperaturas cerca de la zona de colisión. Esto conduce a una soldadura en estado sólido debido al refinamiento de la microestructura, las celdas de dislocación, las curvas de deslizamiento, los micro gemelos y la recristalización local. [3]
Principios
Para obtener una soldadura fuerte, se deben cumplir varias condiciones: [4]
- Condición de chorro: la colisión tiene que ser subsónica en comparación con la velocidad del sonido del material local para generar un chorro.
- Régimen de alta presión: la velocidad de impacto debe ser suficiente para obtener un régimen hidrodinámico, de lo contrario las piezas solo se doblarán o formarán.
- Sin fusión durante la colisión: si la presión es demasiado alta, los materiales pueden derretirse y volver a solidificarse localmente. Esto puede provocar una soldadura débil.
La principal diferencia entre la soldadura por pulsos magnéticos y la soldadura explosiva es que el ángulo de colisión y la velocidad son casi constantes durante el proceso de soldadura explosiva, mientras que en la soldadura por pulsos magnéticos varían continuamente.
Ventajas de MPW
- Permite la soldadura de diseños que con otros procesos son desafiantes o no posibles.
- El pulso de alta velocidad dura de 10 a 100 µs, la única limitación de tiempo es la carga y descarga y el tiempo de carga del condensador.
- Menor tiempo de inactividad debido a la falta de consumibles (p. Ej. Electrodos) y no es necesario limpiar.
- Adecuado para la producción en masa: normalmente entre 1 y 5 millones de soldaduras al año.
- Es posible la soldadura de metales diferentes.
- Soldar sin zona afectada por el calor .
- Sin necesidad de materiales de relleno.
- Proceso verde: sin humo, sin radiación y sin necesidad de equipo de extracción.
- Se conserva la pureza a granel y superficial.
- Puede producir soldaduras sin gas protector, se puede utilizar para sellar piezas al vacío.
- La resistencia mecánica de la junta es más fuerte que la del material base.
- Alta precisión obtenible mediante el ajuste del campo magnético, los parámetros de soldadura se pueden cambiar electrónicamente.
- Se puede lograr una distorsión cero dependiendo de los materiales y la geometría de la pieza.
- Esfuerzos residuales casi nulos.
- Sin desarrollo de corrosión en el área de soldadura.
Desventajas
- Difícil de aplicar a soldaduras que no son aproximadamente circulares.
- Puede que sea necesario cambiar la geometría de las piezas para permitir el proceso de pulso magnético.
- Si las piezas no se pueden deslizar dentro y fuera de la bobina de pulso, se debe diseñar una bobina de varias piezas más compleja.
- La bobina de pulso puede tener que ser rediseñada si se cambian los materiales o las dimensiones.
- Los componentes quebradizos pueden romperse por el impacto (no excluye el uso de materiales como el vidrio, pero debe tenerse en cuenta).
- Puede producir un efecto EMP en cualquier electrónica presente dentro o cerca de la pieza.
- El costo de inversión inicial puede superar el precio por soldadura más bajo para piezas de bajo volumen.
Simulaciones numéricas de MPW
Se llevaron a cabo varias investigaciones numéricas para predecir el comportamiento de la interfaz del MPW y el comportamiento en vuelo del volador para determinar las condiciones de colisión. Generalmente, la velocidad del volante antes del impacto gobierna los fenómenos interfaciales. Este es el parámetro característico que debe conocerse en función del proceso y los parámetros de proceso ajustables. Aunque las mediciones experimentales que utilizan métodos de velocimetría láser proporcionan una evaluación precisa de la velocidad del volante (un ejemplo de tal medición es la velocimetría fotón Doppler (PDV) ), el cálculo numérico ofrece una mejor descripción de la velocidad del volante en términos de distribución espacial y temporal. Además, un cálculo multifísico del proceso MPW tiene en cuenta la corriente eléctrica a través de la bobina y calcula el comportamiento físico para un problema acoplado electromagnético-mecánico. En algún momento, estas simulaciones también permiten incluir el efecto térmico durante el proceso. [5] [6] Un modelo de ejemplo 3D utilizado para la simulación LS-DYNA también se describe en [ cita requerida ] , y también proporciona algunos detalles de las interacciones físicas del proceso, las ecuaciones gobernantes, el procedimiento de resolución y ambos límites. y condiciones iniciales. El modelo se utiliza para mostrar la capacidad de la computación 3D para predecir el comportamiento del proceso y, en particular, la cinemática del volante y la deformación macroscópica. [7] [8]
Referencias
- ^ Weman, Klas (2003), Manual de procesos de soldadura , CRC Press, págs. 91–92, ISBN 978-0-8493-1773-6.
- ^ Ilustración de soldadura por pulso magnético
- ^ A. Stern, V. Shribman, A. Ben-Artzy y M. Aizenshtein, Fenómenos de interfaz y mecanismo de unión en la soldadura por pulsos magnéticos, Journal of Materials Engineering and Performance, 2014. [ página necesaria ]
- ^ Soldadura por pulso magnético: JP Cuq-Lelandais, S. Ferreira, G. Avrillaud, G. Mazars, B. Rauffet: Soldadura de ventanas y simulaciones de impacto de alta velocidad. [ página necesaria ]
- ^ Sapanathan, T .; Raoelison, RN; Buiron, N .; Rachik, M. (2016). "Soldadura por pulso magnético: una tecnología de unión innovadora para pares de metales similares y diferentes". Uniendo Tecnologías . doi : 10.5772 / 63525 . ISBN 978-953-51-2596-9.
- ^ Raoelison, RN; Sapanathan, T .; Padayodi, E .; Buiron, N .; Rachik, M. (2016). "Cinemática interfacial y mecanismos de gobierno bajo la influencia de condiciones de impacto de alta tasa de deformación: cálculos numéricos de observaciones experimentales". Revista de Mecánica y Física de Sólidos . 96 : 147. Código bibliográfico : 2016JMPSo..96..147R . doi : 10.1016 / j.jmps.2016.07.014 .
- ^ L'Eplattenier, Pierre; Cook, Grant; Ashcraft, Cleve; Hamburguesa, Mike; Imbert, José; Worswick, Michael (mayo de 2009). "Introducción de un módulo de electromagnetismo en LS-DYNA para simulaciones mecánicas-térmicas-electromagnéticas acopladas". Steel Research International . 80 (5): 351–8.
- ^ I. Çaldichoury y P. L'Eplattenier, EM Theory Manual, Livermore Software Technology Corporation, California, EE. UU., 2012. [ página necesaria ]
enlaces externos
- La tecnología de pulso electromagnético (EMPT): conformado, soldadura, prensado y corte por R. Schäfer, PA Pasquale y SW Kallee
- Aplicaciones automotrices de la tecnología de pulso electromagnético (EMPT) por SW Kallee, R. Schäfer y PA Pasquale
- Tecnología de nuevos materiales, procesos y métodos por Mel M. Schwartz