Soldadura por fricción-agitación: soldar a bajo coste materiales de alto punto de fusión como las chapas de acero

Fecha de publicación:

2025-06-11

Honda ha desarrollado una técnica de soldadura por fricción-agitación de acero y aleación de aluminio apta para productos de serie, y la Universidad de Tohoku (Japón) junto con Hitachi han desarrollado una herramienta de agitación de aleación de cobalto capaz de soldar acero y otros metales de alto punto de fusión como el titanio. La soldadura por fricción-agitación (FSW: Friction Stir Welding), que antes a nivel de producción en serie se limitaba a metales de bajo punto de fusión como las aleaciones de aluminio, de cobre y de magnesio, empieza a ampliar su uso a metales de punto de fusión más alto, como el acero*1.

*1 A presión atmosférica estándar, el punto de fusión del aluminio es de 660℃, el del cobre de 1083℃ y el del magnesio de 651℃. En cambio, el del hierro llega a 1539℃ y el del titanio a 1727℃.

El calor de la fricción ablanda el metal hasta dejarlo en estado viscoso

La soldadura por fricción-agitación es una técnica que utiliza una herramienta agitadora con una protuberancia (pin agitador) en el extremo de un cilindro y que, desde arriba de la zona que se va a soldar de dos placas a tope (material base) o de dos placas superpuestas, la hace girar mientras la presiona, uniendo así las dos placas.

El calor de fricción generado entre el pin giratorio y la placa ablanda el metal que rodea al pin hasta darle una consistencia viscosa, y así el pin giratorio se introduce en la placa. De este modo, el metal ablandado alrededor del pin se mezcla (flujo plástico), de modo que las dos placas metálicas se fusionan en una sola, o bien se forma un enlace metálico en la superficie de unión de las dos placas, que las integra en una sola pieza.

Antes faltaba un cabezal de agitación resistente a altas temperaturas

La soldadura por fricción-agitación tiene las siguientes cuatro ventajas: (1) como se puede soldar sin fundir el material base (soldadura en fase sólida), después de soldar hay muy pocas deformaciones y defectos de soldadura, por lo que se puede mejorar la calidad del producto y reducir costes; (2) ahorra más energía que la soldadura por fusión; (3) no requiere gas de protección; (4) tiene poco ruido y no genera polvo. Además, esta técnica también es muy eficaz para soldar materiales distintos, por lo que ha atraído gran atención en el sector, y se espera lograr efectos como el aligeramiento eligiendo el material adecuado para cada pieza*2. Pero, como se indicó al principio del artículo, hasta ahora los materiales que podían usarse a nivel de producción en serie con la soldadura por fricción-agitación se limitaban a metales de bajo punto de fusión.

*2 En comparación con la soldadura en fase líquida que funde el material base (la soldadura por fusión), la soldadura por fricción-agitación (FSW) tiene una temperatura de soldadura más baja y permite controlar con facilidad el aporte de calor mediante el ajuste de las condiciones de soldadura. Por ello, se puede reducir sin dificultad la formación de compuestos intermetálicos, principales responsables de la disminución de la resistencia de la soldadura. Al reducir el espesor de la capa de compuestos intermetálicos, se puede aumentar la resistencia de la zona soldada. En la soldadura por fricción-agitación, si la agitación es excesiva, también se generan grandes cantidades de compuestos intermetálicos.

La razón por la que el uso de la soldadura por fricción-agitación se limitaba hasta ahora a metales de bajo punto de fusión es la falta de herramientas agitadoras resistentes a altas temperaturas, de bajo precio y aptas para la producción en serie. Al aplicar la soldadura por fricción-agitación a aleaciones de aluminio, generalmente se usan herramientas hechas de materiales férreos como el acero para herramientas. Al soldar con estas herramientas metales de alto punto de fusión como el acero y las aleaciones de titanio, en la zona de alta temperatura en que estos metales se ablandan, la herramienta también se ablanda, lo que provoca un desgaste severo que la inutiliza. Aunque se han desarrollado herramientas de materiales no férreos como la cerámica y las aleaciones de tungsteno-renio, su precio es muy alto y no son adecuadas para la producción en serie.

Dejar al descubierto la superficie nueva del acero sin necesidad de agitarlo

La técnica desarrollada por Honda para soldar acero y aleación de aluminio mediante fricción-agitación se utiliza para unir materiales base de acero y de aleación de aluminio superpuestos. Su característica principal es que solo se agita la aleación de aluminio y no el acero (figura inferior de la Fig. 1). De este modo se evita que la temperatura de la herramienta de agitación sea demasiado alta.

Se puede soldar acero y aleación de aluminio sin agitar el acero porque se forma un enlace metálico entre el acero y la aleación de aluminio. Es decir, esta técnica no agita el acero, sino que elimina la película de recubrimiento y la película de óxido de la superficie del acero. De este modo se deja al descubierto la superficie nueva del acero y se forma un enlace metálico entre esta y la aleación de aluminio, cuya actividad ha aumentado gracias a la agitación. La existencia de este enlace metálico hace que el acero y la aleación de aluminio se integren en una sola pieza*3.

*3 Cuando entra agua u otros líquidos entre el acero y la aleación de aluminio, se produce corrosión bimetálica (corrosión galvánica). Esta tecnología evita dicho fenómeno insertando una película de silicona entre el acero y la aleación de aluminio.

Honda adoptó esta técnica en el subchasis delantero del nuevo «Accord» destinado al mercado norteamericano y obtuvo varios efectos (Fig. 2). En concreto, no solo es un 25% más ligero que el subchasis de acero anterior, sino que el consumo eléctrico durante la soldadura se redujo en aproximadamente un 50%. Además, con esta técnica se modificó la estructura de las zonas de montaje de la suspensión en el subchasis, con lo que la rigidez de dichas zonas aumentó un 20%, contribuyendo a mejorar el rendimiento dinámico del vehículo.

Ampliar los campos de aplicación mediante nuevos materiales

Por otro lado, la Universidad de Tohoku, Hitachi, Ltd. y Hitachi Metals Precision Instruments desarrollaron una herramienta de agitación (pin) resistente a altas temperaturas y de precio relativamente bajo, ampliando así el campo de aplicación de la soldadura por fricción-agitación (Fig. 3). El material de esta herramienta fue desarrollado conjuntamente por la Universidad de Tohoku y Hitachi, Ltd., y la tecnología de producción en serie de este material y de la herramienta (pieza fundida) fue desarrollada con éxito conjuntamente por Hitachi, Ltd. y Hitachi Metals Precision. Esta herramienta puede utilizarse para la soldadura por fricción-agitación de metales de alto punto de fusión como acero, aleaciones de titanio y aleaciones de circonio, y está previsto comenzar su venta en el otoño de 2013. Aunque Hitachi Metals Precision Instruments indica que «el precio se discutirá más adelante», se estima que se fijará en una banda de precios utilizable a nivel de producción en serie.

El material desarrollado por la Universidad del Noreste y otras instituciones para las herramientas de agitación de soldadura por fricción-agitación es una aleación de cobalto, en cuyo interior se distribuyen compuestos intermetálicos que mantienen una alta resistencia incluso a altas temperaturas. En concreto, en la aleación a base de cobalto se distribuye Co3（Al，W）. La clave está en cómo lograr una distribución fina y uniforme de Co3（Al，W）, y que la cantidad distribuida y la forma de los límites de grano se aproximen al estado deseado. Para ello, se adoptaron una composición y un método de tratamiento térmico más adecuados.

Los materiales aplicables previstos actualmente para esta herramienta de agitación son acero al carbono, acero de alta resistencia, aleaciones de titanio (Ti-6Al-4V, etc.), titanio puro y aleaciones de cobre. Aunque con algunos materiales es difícil usar esta herramienta por razones como la resistencia y el espesor, en términos generales los materiales a soldar son aquellos en los que, durante la soldadura por fricción-agitación, la temperatura de la herramienta (temperatura de unión) es como máximo de unos 1000 ℃.

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