Formability and Microstructure of Dissimilar Aluminium Tailor-Welded Blanks (TWBs) Joined using Friction Stir and Gas Tungsten Arc Welding
Este estudio demuestra que la soldadura por fricción-agitación (FSW) produce chapas de aluminio de espesor variable (Tailor Welded Blanks) disímiles con una capacidad de conformado significativamente superior y una región de conformado seguro más amplia en comparación con la soldadura por arco de tungsteno y gas (GTAW), como lo evidencian las pruebas de Nakazima que muestran juntas FSW con aproximadamente un 152% más de capacidad de desplazamiento.
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En el mundo de la fabricación moderna, el impulso por construir vehículos y aeronaves más ligeros y eficientes ha llevado a los ingenieros a replantearse cómo se fabrican las piezas metálicas. En lugar de estampar una sola lámina de aluminio con una forma compleja, los diseñadores suelen cortar diferentes láminas de distintas aleaciones de aluminio y soldarlas antes de darles forma. Este enfoque, conocido como blank o lámina de medida ajustada (tailor-welded blank), permite que una puerta de un coche, por ejemplo, sea resistente donde debe serlo y ligera donde no es necesario. Sin embargo, el proceso de unión de estos diferentes metales crea un punto débil. Cuando la pieza final se estira o se dobla para alcanzar su forma definitiva, la costura soldada suele agrietarse o rasgarse antes de que el resto del metal ceda. Para evitar esto, los fabricantes se apoyan en un mapa llamado diagrama de límite de formación, que actúa como un gráfico de seguridad que muestra exactamente cuánto puede estirarse una pieza específica de metal en diferentes direcciones antes de fallar. El desafío siempre ha sido encontrar una manera de soldar estas láminas disímiles sin arruinar su capacidad de estiramiento.
Investigadores de la Universidad Tecnológica de Arak se propusieron resolver este problema comparando dos formas muy diferentes de unir láminas de aluminio. Tomaron tres tipos comunes de aleación de aluminio —AA1200, AA3105 y AA5052—, cada una de dos milímetros de espesor, y crearon pares de láminas disímiles. Unieron estos pares utilizando dos métodos distintos. El primero fue la Soldadura por Arco de Tungsteno con Gas, una técnica tradicional donde un arco eléctrico funde el metal para fusionarlo, de forma muy similar a un soldador de estaño pero mucho más caliente. El segundo fue la Soldadura por Fricción-Agitación (Friction Stir Welding), un proceso de estado sólido donde una herramienta rotativa presiona el metal y gira rápidamente, generando calor mediante la fricción hasta que el material se vuelve blando y plástico, permitiendo que la herramienta mezcle las dos láminas sin llegar a fundirlas nunca. El equipo sometió luego las láminas soldadas a una prueba rigurosa en la que un punzón redondeado presionaba contra ellas hasta que se estiraban y finalmente se rompían, mapeando exactamente hasta dónde podían llegar antes de fallar.
Los resultados revelaron una clara y significativa ventaja para el método basado en la fricción. Cuando los investigadores trazaron el rendimiento de las láminas soldadas en sus mapas de seguridad, las uniones creadas por el proceso de fricción-agitación mostraron consistentemente un área de seguridad mucho mayor que las realizadas mediante la soldadura por arco tradicional. En términos prácticos, esto significa que las láminas sometidas a fricción-agitación podían estirarse mucho más en todas las direcciones sin rasgarse. Una combinación específica de aleaciones de aluminio unidas por fricción-agitación demostró una capacidad para estirarse más del doble que su contraparte unida por el método de soldadura por arco antes de fallar. Mientras que las láminas soldadas de forma tradicional solían agrietarse justo en la costura donde se encontraban los dos metales, las láminas de fricción-agitación se mantenían tan bien unidas que normalmente se rompían en el metal base más débil cercano, dejando la unión intacta.
Esta diferencia de rendimiento se debe a lo que sucede dentro del metal a un nivel microscópico. Cuando la soldadura por arco tradicional funde el aluminio, el metal líquido se enfría y se solidifica en una estructura gruesa e irregular que es propensa a defectos como pequeños agujeros y grietas. Estas imperfecciones actúan como puntos de inicio para desgarros cuando el metal se estira. En contraste, el proceso de fricción-agitación nunca funde el material. En su lugar, el calor y la presión intensos hacen que los granos del metal se reorganicen y se vuelvan mucho más finos y uniformes. Esta estructura refinada distribuye el esfuerzo de manera uniforme a través de la unión, retrasando el momento en que puede iniciarse una grieta. Los investigadores descubrieron que las uniones por fricción-agitación no solo soportaban más deformación, sino que también cubrían un rango más amplio de direcciones de estiramiento, lo que permitía formar formas más complejas sin fallos.
El estudio concluyó que, para la fabricación de piezas de aluminio disímiles y ligeras que deban ser moldeadas después de haber sido unidas, el método de fricción-agitación es la opción superior. Este preserva la capacidad natural del metal para estirarse, mientras que el método tradicional de fusión tiende a debilitar dicha capacidad. Al evitar el ciclo de fusión y solidificación, el proceso de fricción-agitación crea una unión que no solo es fuerte, sino también lo suficientemente flexible como para soportar los rigores de la fabricación moderna. Este hallazgo sugiere que las industrias que buscan construir estructuras más ligeras pueden confiar en esta técnica de estado sólido para producir componentes de alta calidad y formables que, de otro modo, serían demasiado arriesgados de fabricar con las tecnologías de soldadura más antiguas.
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