Soldadura por fricción

La soldadura por fricción (EN ISO 4063: Proceso 42) es un proceso de soldadura del grupo de la soldadura a presión . Dos partes se mueven una con respecto a la otra bajo presión, las partes se tocan entre sí en las superficies de contacto. La fricción resultante hace que el material se caliente y plastifique. Al final del proceso de frotamiento, es de vital importancia colocar las piezas correctamente entre sí y ejercer una alta presión. Las ventajas de este proceso son que la denominada zona afectada por el calor es significativamente más pequeña que con otros procesos de soldadura y que no hay formación de masa fundida en la zona de unión. El resultado es una estructura de grano muy fino con muy buenas propiedades de resistencia del punto de conexión. Se pueden soldar entre sí una variedad de materiales, como el aluminio y el acero. La unión de materiales metálicos que no forman aleaciones entre sí también es posible en muchos casos.

Soldadura por fricción rotacional

Soldadura por fricción del volante

La fricción rotatoria es un proceso de soldadura a presión. Al menos una parte a unir en la zona de unión debe tener una forma rotacionalmente simétrica. El suministro de energía es aportado exclusivamente por un movimiento relativo de las piezas a unir bajo presión. Una parte a unir se detiene y la segunda parte se pone en rotación. Se utiliza mucho para soldar conectores de diferente calidad de material a tuberías (barras de perforación). Las piezas formadas a menudo se unen utilizando material de tubería o varilla. Ejemplos de esto son los ejes de transmisión y los vástagos de pistón para amortiguadores o cilindros hidráulicos.

El proceso se ha utilizado en Alemania desde la década de 1970. Las combinaciones de materiales más variadas son la gran ventaja de este proceso. Se sueldan millones de válvulas de escape para motores de combustión (acero de alta temperatura a acero endurecible) con tiempos de ciclo de menos de diez segundos.

Las máquinas utilizadas son similares a los tornos . Contienen un husillo giratorio y una contraparte no giratoria, que se sujeta sobre un carro ajustable axialmente y se presiona sobre la parte giratoria. Dependiendo de las dimensiones, las fuerzas axiales pueden variar desde unos 100 N hasta más de 10.000 kN (aproximadamente equivalente a la fuerza de peso de 1000 t). Las respectivas máquinas tienen entonces el tamaño de un escritorio o una locomotora. La soldadura por fricción posicionada es una aplicación especial (opcional) y requiere un control especial y un motor de accionamiento especial. Las aplicaciones para esto son ejes cardán, ejes de remolque, árboles de levas y estabilizadores de eje.

La soldadura por fricción se describió por primera vez en una solicitud de patente de James Bevington de Chicago en 1891.

Soldadura por fricción deslizante Por lo general, las piezas se sueldan entre sí en la parte delantera. La soldadura por fricción deslizante representa una variante más nueva, aquí las piezas se frotan entre sí con una superposición radial, por así decirlo. Las ventajas de esta variante son un efecto concéntrico y una orientación de fibra más favorable. La desventaja es que los pares de proceso que se producen son significativamente más altos, lo que a su vez influye en la elección de los dispositivos de sujeción y las máquinas.

Investigación y aplicación de la soldadura por fricción rotatoria

Rusia

La aplicación industrial de la soldadura por fricción comenzó en el contexto de una solicitud de patente de Al Khudikow. Un estudio científico de Vladim I. Vill en Rusia en 1970 explicó los mecanismos de acción subyacentes y sigue siendo un trabajo estándar sobre este tema que se cita a menudo en todo el mundo. En 1961, más de 30 máquinas de soldadura por fricción ya estaban en uso industrial en Rusia.

Alemania

En la RDA , los desarrollos en la soldadura por fricción comenzaron en 1967 en la Universidad Técnica de Karl-Marx-Stadt en lo que hoy es Chemnitz , que inició una investigación en el campo de la soldadura por fricción en nombre de ZIS Halle en 1967 . Los temas de investigación incluyeron:

  • Documentos de trabajo constructivos y tecnológicos para la soldadura por fricción.
  • Garantía de calidad en la soldadura por fricción
  • Control de procesos en soldadura por fricción
  • Cálculo de conexiones soldadas por fricción
  • Influencia de los errores en el comportamiento de la capacidad de carga de las uniones soldadas por fricción

A partir de 1968, el uso industrial en la RDA tuvo lugar por primera vez en la industria de herramientas para taladros en bruto (combinación de materiales acero de alta velocidad / C60). Desde alrededor de 1970 en otras ramas de la industria, como la construcción de turbinas, construcción naval, construcción de embragues y motores, construcción de vehículos ferroviarios, producción de ejes cardán, construcción de maquinaria agrícola, producción de motocicletas y mucho más. Desde 1970 también hubo un grupo de trabajo de soldadura por fricción dentro el marco de la Cámara de Tecnología. Los miembros de este grupo de trabajo eran representantes de las empresas que utilizan soldadura por fricción. Dos veces al año, hubo un vivo intercambio de experiencias en las reuniones correspondientes.

En la RDA no había ningún fabricante de máquinas, por lo que las máquinas se desarrollaron y construyeron en varias ramas de la industria, p. B. en la industria de herramientas las máquinas de soldadura por fricción RSA 20 y RSA 39 y en maquinaria agrícola la RSM 50, que trabaja con un husillo vertical La SR 100 fue desarrollada en cooperación con 10 empresas y ensamblada por un fabricante de máquinas herramienta. En el Consejo de Ayuda Económica Mutua , hubo cooperación en particular sobre los avances tecnológicos en la soldadura por fricción entre VNIIESO Leningrado (URSS), IS Gliwice (Polonia), VUZ Bratislava (Checoslovaquia), MTI Budapest (Hungría), ISIM Timișoara ( ro ) (Rumania) y TU Karl-Marx-Stadt. En 1985 había alrededor de 45 máquinas de soldadura por fricción en uso industrial en la RDA, además de las máquinas de fabricación propia mencionadas, también había algunas máquinas de Polonia y Francia.

El proceso de soldadura por fricción en Alemania se está investigando científicamente y se está desarrollando aún más en las siguientes instituciones: Forschungszentrum Jülich , Instituto de Máquinas Herramientas y Gestión Industrial de la Universidad Técnica de Múnich (iwb) y la Universidad de Ciencias Aplicadas de Magdeburg-Stendal . En Alemania, la Asociación Alemana de Tecnología de Soldadura y la SLV Munich se han encargado de la estandarización y el intercambio de experiencias en esta área desde 1983 .

Los fabricantes alemanes de máquinas de soldadura por fricción más importantes son: H&B ​​Omega, Harms & Wende, GS-Steuerungstechnik y Kuka . La soldadura por fricción rotativa es utilizada principalmente por los fabricantes de automóviles y sus proveedores, incluidos Daimler e IFA . El proceso se utiliza para excavadoras hidráulicas Liebherr y MTU Aero Engines , entre otros . En la industria del petróleo y el gas, UGS Mittenwalde utiliza el proceso para soldar tuberías. En Alemania hay varias empresas que se especializan en soldadura por fricción y atienden a varios sectores industriales: AluStir, ITM Zschaler, LimFox GmbH, Raiser y Schnabel.

Gran Bretaña

En Gran Bretaña, The Welding Institute desarrolló parámetros para la aplicación industrial de la soldadura por fricción rotatoria, así como numerosas variantes de proceso. Los fabricantes británicos de máquinas de soldadura por fricción más importantes son: Blacks Equipment, British Federal, MTI y Thompson.

Estados Unidos

El Edison Welding Institute está impulsando significativamente el desarrollo del proceso. La empresa Caterpillar , Rockwell International y American Manufacturing and Foundry desarrollaron las primeras máquinas de soldadura por fricción. Hoy en día, MTI está considerado como el fabricante líder de máquinas.

Soldadura por fricción orbital

La soldadura por fricción orbital según ISO 15620 es un proceso de soldadura por fricción. A diferencia de la soldadura por fricción rotacional relacionada, las piezas aquí no tienen que ser simétricas rotacionalmente. El suministro de energía se realiza bajo presión mediante un movimiento circular oscilante de las piezas a unir, similar a una lijadora orbital. La alineación de los ejes sigue siendo la misma. En la soldadura por fricción multiorbital, ambos componentes vibran, a diferencia de la soldadura por fricción orbital, que por lo tanto se denomina "soldadura por fricción orbital única".

Soldadura por fricción-agitación

Principio de la soldadura por fricción y agitación:
1 Sumerja la herramienta giratoria 2 Permanezca para generar calor 3 Proceso 4 Detenga el movimiento 5 Extraiga la herramienta 6 Inspeccione la costura de soldadura terminada

La soldadura por fricción y agitación (en inglés: soldadura por fricción y agitación , FSW, 4063 EN ISO: Proceso 43) en muchos casos también, llamada soldadura por fricción y agitación , fue fundada en 1991 por Wayne Thomas inventada por TWI ( The Welding Institute ) en Gran Bretaña protegida por patente . Con la soldadura por fricción y agitación, la energía de fricción no se genera por el movimiento relativo de las dos partes a unir, sino por una herramienta giratoria resistente al desgaste.

El flujo del proceso se divide esencialmente en seis pasos. En el primer paso, se presiona una herramienta giratoria con mucha fuerza en el espacio de la junta hasta que el hombro de la herramienta se apoya en la superficie del componente. Durante el segundo paso, la herramienta giratoria permanece en el punto de inmersión durante unos segundos. Debido a la fricción entre el hombro de la herramienta y el compañero de unión, el material debajo del hombro se calienta justo por debajo del punto de fusión. Este aumento de temperatura da como resultado una caída de la resistencia, lo que plastifica el material y permite que la zona de unión se mezcle. Cuando comienza el movimiento de avance, comienza el tercer paso, en el que la herramienta giratoria se mueve a lo largo de la línea de unión con alta presión. El gradiente de presión creado por el movimiento de avance entre la parte delantera y trasera de la herramienta y su movimiento de rotación hace que el material plastificado sea transportado alrededor de la herramienta, que se mezcla allí y forma la costura. En el cuarto paso, el movimiento se detiene al final de la costura. En el quinto paso, la herramienta giratoria se vuelve a sacar de la zona de unión. En el sexto paso, la soldadura terminada se inspecciona visualmente o se examina utilizando métodos de prueba no destructivos .

Debido a la secuencia característica del proceso de soldadura por fricción y agitación, el proceso es particularmente adecuado para las aleaciones de aluminio. Los problemas causados ​​por la transición de fase durante la soldadura por fusión de aleaciones de aluminio, como el agrietamiento en caliente y la formación de poros, no ocurren durante la soldadura por fricción y agitación debido a la ausencia de una fase líquida o de vapor.

Una herramienta de soldadura por fricción y agitación giratoria, resistente al desgaste y ligeramente inclinada se presiona en el espacio de la junta y se mueve de derecha a izquierda.
Herramienta de soldadura por fricción agitando un tanque para el transbordador espacial

En términos de tecnología de proceso, existe una conexión con la forja y la extrusión, por un lado, el material se comprime mediante una fuerza dirigida verticalmente a la superficie de la pieza de trabajo con la introducción de calor y, por otro lado, el material parcialmente plástico es presionado por turbulencia debido a la geometría de la herramienta giratoria. Se crea un canal de extrusión que se extiende hasta la raíz de la costura (también llamado pepita de soldadura ). Las piezas de trabajo que se van a unir se detienen. No es necesaria una forma especial de la costura antes de soldar.

La herramienta consta de un hombro que está dispuesto perpendicularmente al perno de soldadura y tiene un diámetro mayor que el propio perno de soldadura. El hombro se puede imaginar como una media carcasa que está destinada a aislar el aire ambiente del cordón de soldadura. El perno de soldadura es responsable de hacer girar el material. La inclinación de la herramienta a la superficie de la pieza de trabajo es de aproximadamente 2 ° a 3 ° en una disposición de perforación. La herramienta en sí tiene poco desgaste y, dependiendo de la aplicación, se puede utilizar para varios kilómetros de costura de soldadura.

Ventajas de la soldadura por fricción y agitación

  • Materiales adicionales no necesarios
  • altas resistencias de costura alcanzables
  • no se requiere gas protector
  • flujo de proceso relativamente simple
  • Es posible una amplia gama de conexiones mixtas
  • temperaturas relativamente bajas (en aluminio aprox.550 ° C en la superficie de la costura de soldadura) y, por lo tanto, poca deformación

El proceso también se utiliza para mejorar las propiedades locales y cerrar los poros en las estructuras fundidas. El término FSP ( procesamiento por fricción y agitación ) se usa a menudo en lugar de FSW ( soldadura por fricción y agitación ).

Desafío al usar soldadura por fricción y agitación

  • Fuerzas de proceso relativamente altas, dependiendo de la aleación y el espesor del componente desde 1 kN hasta más de 20 kN
  • capacidad 3D limitada debido al contacto necesario del hombro al componente
  • Agujero final al final de la costura de soldadura a través de la salida de la herramienta. Se encontró una solución para esto con un pasador de soldadura retráctil automáticamente (inglés: herramienta de pasador retráctil , RPT).

Con la soldadura por fricción y agitación se pueden unir láminas de diferentes materiales con un espesor de más de 30 mm. Las profundidades y velocidades de soldadura alcanzables dependen en gran medida del material a unir y, por lo general, disminuyen al aumentar la resistencia y la dureza. Las fuerzas del proceso aumentan drásticamente al aumentar la resistencia y la dureza del material. Por tanto, el proceso se utiliza principalmente para el aluminio. También se fabrican en serie conexiones mixtas con acero inoxidable, cobre o magnesio. También es posible unir espumas metálicas y juntas mixtas aluminio-acero.

El FSW se utiliza, por ejemplo, para soldar grandes componentes. Los ejemplos de aplicación aquí son la industria aeronáutica, viajes espaciales, construcción naval, construcción de vehículos ferroviarios y construcción de automóviles. La producción en serie de componentes más pequeños tiene lugar, entre otras cosas, en tecnología alimentaria, en el campo de la maquinaria agrícola o refrigeradores para híbridos enchufables (PHEV). Para la tecnología médica, las conexiones de aluminio y acero también se sueldan por fricción en serie. RIFTEC GmbH en Geesthacht es un importante proveedor alemán de soldadura por fricción y agitación como fabricación por contrato. Los fabricantes de máquinas FSW para producción propia incluyen, entre otros. las empresas Grenzebach, Fooke y Stirtec.

Otro ejemplo son las puertas traseras del Mazda RX-8 . Aquí no se suelda ninguna costura continua, solo puntos. Esto también se llama soldadura por puntos de fricción y agitación (en inglés: soldadura por puntos de fricción y agitación, FSSW ). La herramienta generalmente solo realiza un movimiento vertical aquí.

Convencionalmente, se utilizan máquinas especiales para FSW que han sido especialmente diseñadas o convertidas para cumplir con los requisitos de este proceso. Los sistemas de robot Tricept se utilizan ocasionalmente. Las herramientas de producción convencionales ahora también se están utilizando para el FSW con el fin de reducir los costos y aumentar la flexibilidad. Por ejemplo, mientras tanto, el proceso FSW se ha implementado en máquinas herramienta o robots industriales estándar.

Una variante híbrida de la soldadura por fricción y agitación es la soldadura LAFSW ( soldadura por fricción y agitación asistida por láser ). En esta variante, se introduce energía térmica adicional mediante un rayo láser que pasa inmediatamente por delante de la herramienta giratoria. Entre otras cosas, esto tiene como objetivo reducir la fuerza vertical al insertar la herramienta FSW en la pieza de trabajo y aumentar la velocidad de soldadura. Debido al láser, esta variante de proceso conlleva un aumento de los costes de inversión de la máquina.

literatura

  • Grupo de especialistas para la formación en ingeniería de soldadura: tecnología de unión tecnología de soldadura. 6., revisado. Edición. DVS Verlag, Düsseldorf 2004, ISBN 3-87155-786-2 .
  • U. Dilthey, A. Brandenburg: procesos de fabricación de soldadura. Volumen 3: Diseño y resistencia de soldaduras. 2ª Edición. Springer Verlag, 2001, ISBN 3-540-62661-1 .
  • K.-J. Matthes, E. Richter: Tecnología de soldadura. Fachbuchverlag Leipzig en Carl Hanser Verlag, 2002, ISBN 3-446-40568-2 .

enlaces web

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Evidencia individual

  1. Gerd Witt et al .: Libro de bolsillo de tecnología de fabricación. Carl Hanser Verlag, Munich 2006, ISBN 3-446-22540-4 ( vista previa limitada en la búsqueda de libros de Google).
  2. James H. Bevington: Modo de soldar los extremos de alambres, varillas, etc. con tubos giratorios, y modo de fabricación de tubos. Patente de Estados Unidos No. 463134, 1891.
  3. AI Chudikov: Soldadura por fricción . Patente rusa n. ° RU106270 del 16 de febrero de 1956.
  4. VI Vill: Svarka metallov treniem. UPP Lensovnarkkhoz, Leningrad, 25 de junio de 1959. And Friction Welding of Metals (traducido del ruso), American Welding Society y Reinhold Publishing, febrero de 1962.
  5. ^ KJ Matthes y W. Schneider: Tecnología de soldadura - soldadura de materiales metálicos. Sexta edición actualizada, Fachbuchverlag Leipzig en Carl Hanser Verlag Munich, 2016. ISBN 978-3-446-44561-1 , libro electrónico ISBN 978-3-446-44554-3 .
  6. a b c Dietmar Schober con la colaboración de Alexis Neumann: Soldadura por fricción de metales: construcción, tecnología, aseguramiento de la calidad. Serie de libros de referencia DVS sobre tecnología de soldadura, Volumen 107, 1991, ISBN 3-87155-124-4
  7. Marc Lotz: Aumento de la precisión de fabricación en la soldadura por fricción del volante mediante métodos de control basados ​​en modelos Herbert Utz Verlag, 2012.
  8. a b c DVS - Asociación Alemana de Soldadura y Procesos Afines e. V. - Comité de tecnología: Comité mixto DVS / DIN AG V 11.1 / NA 092-00-24 AA “Soldadura por fricción”.
  9. ^ Ludwig Appel (GSI mbH, rama de SLV Munich): información actual sobre la soldadura por fricción. En: 23. Intercambio de experiencias en soldadura por fricción. SLV Munich, 12 de marzo de 2019.
  10. Flash a tope y soldadura por fricción. Conferencias en la conferencia especial del mismo nombre en Braunschweig, 8. - 9. Marzo de 1983. DVS informa Volumen 77, ISBN 3-87155-382-4 .
  11. Soldadura flash a tope y por fricción con procesos relacionados. Conferencias en la 3ª conferencia internacional DVS en Stuttgart del 5 al 6 de abril. Diciembre de 1991. DVS informa Volumen 139, ISBN 3-87155-444-8 .
  12. Till Maier (KUKA Deutschland GmbH, Augsburg): KUKA SmartConnect.frictionwelding - Soluciones Industry 4.0 de KUKA para máquinas de soldadura por fricción. En: 23. Intercambio de experiencias en soldadura por fricción. SLV Munich, 12 de marzo de 2019.
  13. David Schmicker (IFA Rotorion Powertrain GmbH, Haldensleben): Desarrollo de productos de componentes de ejes cardán . En: 23. Intercambio de experiencias en soldadura por fricción. SLV Munich, 12 de marzo de 2019.
  14. Thomas Faber (UGS Geotechnologie-Systeme GmbH, Mittenwalde): Soldadura por fricción de tuberías para aplicaciones de perforación profunda. En: 23. Intercambio de experiencias en soldadura por fricción. SLV Munich, 12 de marzo de 2019.
  15. AluStir: soldadura por fricción rotacional.
  16. Fundación de Investigación de Baviera : Soldadura por fricción orbital: una nueva tecnología clave para unir materiales metálicos
  17. patente WO9310935 : Mejoras relacionadas con la soldadura por fricción. Registrado el 27 de noviembre de 1992 , inventores: WM Thomas, ED Nicholas, JC Needham, MG Murch, CJ Dawes, P. Temple-Smith.
  18. Göttmann et al.: Propiedades de los espacios en blanco soldados por fricción y agitación hechos de acero dulce DC04 y aluminio AA6016 .
  19. James Careless: Soldadura por fricción y agitación. Comprensión y reparación de soldaduras por fricción y agitación. En: AviationPros.com. 6 de julio de 2007, consultado el 31 de enero de 2021 .
  20. ^ Soldadura por fricción y agitación, Centro nacional de fabricación avanzada, Luisiana ( recuerdo del 20 de enero de 2012 en Internet Archive ).
  21. J. Przydatek: Vista de clasificación de barcos de la soldadura por fricción y agitación. En: Actas del 1er Simposio Internacional de Soldadura por Fricción por Agitación. Thousand Oaks (Estados Unidos) 14.-16. Junio ​​de 1999.
  22. Fred Delany, Stephan W Kallee, Mike J Russell: Soldadura por fricción y agitación de barcos de aluminio. TWI Ltd, consultado el 1 de mayo de 2014 .
  23. ^ Stephan W. Kallee, John Davenport, E. Dave Nicholas: Los fabricantes de ferrocarriles implementan la soldadura por fricción y agitación. American Welding Society, archivado desde el original ; consultado el 29 de enero de 2008 .
  24. Soldadura por fricción y agitación asistida por robot. (Descripción del proyecto) (Ya no está disponible en línea.) Instituto de Máquinas Herramientas y Gestión Industrial, Universidad Técnica de Munich, archivado desde el original el 30 de junio de 2008 ; Consultado el 29 de enero de 2008 .
  25. George Völlner: soldadura por fricción y agitación con robots industriales de alta resistencia. Herbert Utz Verlag, Munich 2010, ISBN 978-3-8316-0955-0 . (Como PDF (8.2 MB) en línea en IWB , TU Munich)