Soldadura en aluminio: ¿cómo evitar problemas térmicos en el material?

Uno de los procesos de soldadura más complejos puede ser dominado evitando los principales efectos térmicos o escogiendo procesos alternativos.  

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La soldadura de aluminio es un proceso crítico en la fabricación de estructuras y componentes para una amplia varie­dad de aplicaciones, desde la construc­ción de aviones hasta la fabricación de piezas para la industria automotriz. Sin embargo, la soldadura de aluminio presenta desafíos únicos debido a las propiedades térmicas del material. En particular, la alta conductividad térmica y el bajo punto de fusión del aluminio pueden llevar a problemas térmicos en la zona afectada por el calor (ZAC, ó HAZ, por su sigla en inglés de Heat Affected Zone) durante el proceso de soldadura.

En este artículo, se explorarán los problemas térmi­cos comunes en las soldaduras de aluminio y se discu­tirán las estrategias para minimizar estos efectos y me­jorar la calidad de la soldadura, incluyendo una revisión de un proceso de soldadura alternativo y automatizable.

La afectación térmica en aleaciones de aluminio tras procesos térmicos de soldadura como el MIG o TIG fipuede ser significativa. Durante la soldadura, el calor generado puede provocar la deformación y la oxidación del material, lo que puede afectar a las propiedades me­cánicas y a la resistencia a la corrosión de la aleación.

En términos generales, la afectación térmica en alea­ciones de aluminio puede ser minimizada mediante la selección adecuada de los parámetros de soldadura, como la velocidad de soldadura, la corriente y el volta­je. Además, es importante precalentar el material antes de la soldadura para reducir el estrés térmico y evitar la deformación. Es recomendable utilizar técnicas de soldadura pulsada para disminuir la cantidad de calor aportado al material. También se pueden utilizar técni­cas de post-soldadura, como el recocido, para restaurar las propiedades mecánicas del material afectado por el calor.

Como evitar la deformación en soldadura por fusión para evitar la deformación tras la soldadura en alea­ciones de aluminio, se pueden aplicar diversas técnicas. Una de ellas es el precalentamiento del material antes de la soldadura, lo que puede reducir el estrés térmi­co y minimizar la deformación. También es importante utilizar técnicas de sujeción adecuadas para fijar el ma­terial durante la soldadura y evitar que se deforme. Otra técnica es la soldadura en etapas, donde se realizan pequeñas pasadas de soldadura en diferentes zonas del material para minimizar la acumulación de calor en una sola zona. Además, se pueden utilizar dispositivos de enfriamiento para reducir la temperatura del material después de la soldadura y evitar la deformación. Por úl­timo, es importante seleccionar el proceso de soldadura y los parámetros adecuados para minimizar la cantidad de calor aportado al material durante la soldadura. 

EVITANDO EFECTOS TÉRMICOS ADVERSOS CON UN PROCESO SIN FUSIÓN

La soldadura por fricción y agitación (friction stir welding) es un proceso de soldadura sólido que se ha vuelto cada vez más popular en los últimos años.

El proceso de soldadura por fricción y agitación implica la unión de dos piezas de metal mediante la aplicación de calor y presión debido al movimiento relativo y esfuerzos de contacto entre la herramienta y el material a ser unido. A diferencia de otros proce­sos de soldadura, no se utiliza un material de relleno para unir las piezas. En su lugar, la fricción y la agi­tación generan calor que ablanda el metal (lo lleva a un punto de deformación plástica) y permite que las piezas se unan. Según Patxi Blanco, Regional Industry Manager AWS EMEA & LATAM en KUKA Robotics, "es un proceso equivalente a la forja, en el cual se logra formar un material sin necesidad de cambiar su esta­do de sólido a líquido".

PROBLEMAS TÉCNICOS DE LA SOLDADURA DE AL

La soldadura de aluminio puede presentar varios problemas técnicos, entre los que se incluyen:

• Distorsión: El aluminio tiene una alta conductividad térmica, lo que significa que se calienta y se enfría rá­pidamente durante el proceso de soldadura. Esto pue­de provocar una deformación o distorsión de la pieza soldada.
• Porosidad: La porosidad es un problema común en las soldaduras de aluminio debido a la alta solubilidad del gas hidrógeno en el material. Si no se controla adecua­damente, el hidrógeno puede quedar atrapado en la soldadura, lo que puede debilitar la unión.
• Agrietamiento: El agrietamiento es otro problema co­mún en las soldaduras de aluminio, especialmente en aleaciones que son sensibles a la fisuración. El agrie­tamiento puede ocurrir durante el proceso de enfria­miento o después de la soldadura debido a tensiones residuales.
• Corrosión: La corrosión es un problema común en las soldaduras de aluminio debido a la formación de óxidos y otros compuestos durante el proce­so de soldadura. Si no se eliminan adecuadamente, estos compues­tos pueden debilitar la unión y pro­vocar problemas de corrosión.

La soldadura por fricción y agitación (friction stir welding) es un proceso de soldadura sólido que se ha vuelto cada vez más popular en los últimos años.

El proceso de soldadura por fricción y agitación implica la unión de dos piezas de metal mediante la aplicación de calor y presión debido al movimiento re­lativo y esfuerzos de contacto entre la herramienta y el material a ser unido. A diferencia de otros procesos de soldadura, no se utiliza un material de relleno para unir las piezas. En su lugar, la fricción y la agitación generan calor que ablanda el metal (lo lleva a un punto de deformación plástica) y permite que las piezas se unan. Según Patxi Blanco, Regional Industry Manager AWS EMEA & LATAM en KUKA Robotics, "es un proce­so equivalente a la forja, en el cual se logra formar un material sin necesidad de cambiar su estado de sólido a líquido".

Este proceso se ha utilizado en una variedad de aplicaciones, desde la fabricación de aviones hasta la construcción de automóviles. También se ha utiliza­do en la industria naval y en la fabricación de tube­rías. Una de las principales ventajas de la soldadura por fricción y agitación es que produce uniones fuer­tes y de alta calidad sin los problemas asociados con otros procesos de soldadura, como la deformación y el agrietamiento. "La unión generada por el friction stir welding tiene mayor dureza que el material base", dice Blanco. "Incluso, con un debido control de parámetros de proceso, es altamente reproducible", agregó.

Además, este proceso es más eficiente energética­mente que otros procesos de soldadura, lo que lo hace más económico. A medida que la tecnología ha mejo­rado, el costo de la soldadura por fricción y agitación ha disminuido, lo que ha llevado a una mayor adopción en la industria. "Existen clientes que reportan que 1 metro de soldadura por friction stir welding les cuesta lo mismo que 1 metro de hilo de relleno en soldadura por fusión. Si a esto se suman los gastos que tenía la fuente de energía, por boquillas, antorchas, se tiene que el costo del primer proceso es mucho menor. Tan solo el consumo energético puede verse reducido en un 95%", comentó Blanco.

APLICACIÓN EN LA INDUSTRIA AUTOMOTRIZ

Una aplicación común de la soldadura por fricción y agitación robotizada para aluminio es en la fabricación de paneles de carrocería para la industria automotriz.

Un ejemplo de esto es el proceso utilizado por la em­presa KUKA Robotics, que utiliza robots para soldar paneles de aluminio para la carrocería de vehículos, y más recientemente para carcasas de baterías para la electromovilidad. Estos componentes, necesarios en los automóviles eléctricos, requieren materiales lige­ros, resistentes y duraderos que puedan soportar las demandas de la aplicación. Por lo tanto, se utilizan aleaciones de aluminio específicas para cumplir con estos requisitos.

En este proceso, se utiliza un robot para mover una herramienta de soldadura por fricción y agitación a lo largo de la junta de soldadura. Adicionalmente, como lo confirma Patxi Blanco, de KUKA Robotics, "el proceso robotizado permite soldar piezas tridimensionales, en lugar de procesos basados en sistemas gantry que solo lo hacen en chapas en dos dimensiones". Esto aumenta la flexibilidad de aplicación del proceso, si se incluye la capacidad del robot para implementar de manera automatizada diferentes piezas de trabajo y diferentes espacios de trabajo 360° alrededor del robot.