Medición de la temperatura en equipos FSW
La soldadura por fricción-agitación (FSW) es una técnica de soldadura en estado sólido, lo que significa que no se alcanza el punto de fusión del material. Por lo tanto, la temperatura de soldadura es el parámetro más importante por controlar para obtener una buena soldadura FSW.
Aunque hoy en día se dispone de herramientas y procedimientos para medir la temperatura de soldadura, no siempre son fiables y esto puede repercutir en la calidad de la pieza soldada mediante FSW.
Como resultado de estos descubrimientos y tras muchos años de investigación y medición, Stirweld ha desarrollado y comercializado una herramienta de medición de la temperatura de soldadura totalmente nueva, que permite un control de calidad del 100% en las aplicaciones de soldadura por fricción-agitación (FSW).
Defectos encontrados en función de los parámetros de soldadura FSW aplicados
En la soldadura por fricción-agitación, hay diferentes tipos de defectos. Los defectos más comunes encontrados en este tipo de soldadura están relacionados con la definición inadecuada de los parámetros de soldadura. En efecto, una soldadura de calidad se basa en:
Si estos 4 parámetros se ajustan correctamente, se evitan los defectos de la soldadura FSW. Luego viene la temperatura de soldadura. En la soldadura por fricción-agitación, la temperatura de la soldadura depende de dos de estos cuatro parámetros: la velocidad de rotación y el avance. Cuanto más rápido gire la herramienta y más lento sea el avance, más caliente estará la soldadura. Por el contrario, cuanto más lento gire la herramienta y más rápido sea el avance, más fría será la soldadura.
En la soldadura por fricción-agitación, existen diferentes tipos de defectos en función del calor suministrado durante el proceso de soldadura (por la velocidad de rotación y el avance):
Para evitar estos defectos, la solución es encontrar la relación adecuada entre la velocidad de giro y el avance para estar en la ventana operativa correcta para una operación de soldadura de calidad.
Como muestra el gráfico siguiente, una buena soldadura (que es una soldadura sin defectos) es el resultado de una relación de buenos parámetros utilizados. Se trata de parámetros definidos dentro de una buena ventana de funcionamiento (velocidad de giro, velocidad de soldadura, geometría de la herramienta y control de la fuerza).
- Soldadura demasiado caliente (zona naranja): corresponde a la ventana operativa con una ratio entre velocidad de rotación y velocidad de soldadura demasiado alta. Esto conlleva un riesgo de porosidad y/o agujeros de gusano.
- Soldadura demasiado fría (zona azul): corresponde a la ventana operativa de una ratio entre velocidad de rotación demasiado baja y velocidad de soldadura demasiado alta. Esto puede causar porosidad en la raíz de la soldadura.
- Soldadura sin defectos (zona verde): corresponde a la ventana operativa óptima del procedimiento.
¿Cómo medir la temperatura de la soldadura por fricción-agitación con las herramientas existentes?
Actualmente existen procesos y herramientas para medir la temperatura de soldadura. Sin embargo, estos métodos y herramientas no han demostrado ser muy fiables. De hecho, veremos que no miden con precisión la temperatura del calor generado por la fricción entre el hombro de la herramienta y el calor generado en la pieza soldada, cuando estos dos elementos son cruciales para el control de calidad de las soldaduras FSW.
Medición de la temperatura de la soldadura por fricción-agitación mediante una cámara térmica o de infrarrojos
Las cámaras térmicas e infrarrojas son herramientas de medición de la temperatura sin contacto que se utilizan en diversas situaciones.
Como se ha explicado anteriormente, el calor generado durante la soldadura por fricción-agitación se encuentra bajo el hombro de la herramienta, que es invisible en el campo de visión de una cámara de imagen térmica. Por lo tanto, el campo de medición se sitúa detrás de la zona de fricción, a pocos milímetros del punto de fusión.
Como el aluminio es muy buen conductor del calor, difunde el calor causado por la fricción al resto de la pieza soldada casi instantáneamente. Unos pocos milímetros son suficientes para perder mucho calor (en el rango de 150 – 200 °C).
Además, este principio de medición consiste en medir la cantidad de infrarrojos emitidos por el objeto en función de su reflectividad. El aluminio también es un material altamente reflectante. La radiación causada por el calor se refleja perfectamente y hace que la medición sea completamente inexacta.
Medición de la temperatura de soldadura FSW mediante termopar
El termopar es un instrumento de medición térmica. Un extremo del termopar se suelda con hilo metálico y se pone en contacto con el elemento cuya temperatura se quiere medir. El otro extremo se mantiene a una temperatura de referencia (20°C).
Para medir la temperatura de una soldadura, el termopar se coloca en el interior de la pieza, para lo cual hay que perforar la pieza e introducir el termopar. Hay que tener en cuenta que no todas las aplicaciones pueden ser perforadas. Además, la operación de perforación añade costes a la operación de fabricación.
En segundo lugar, al igual que con la cámara térmica o la medición de la temperatura por infrarrojos, el termopar se coloca a unos centímetros de la soldadura, lo que hace que la medición sea imperfecta. También hay que tener en cuenta que el calor liberado no se reparte uniformemente en función del tipo de aluminio utilizado y de su diámetro.
El portaherramientas inteligente Stirweld: la nueva herramienta de medición de temperatura para equipos FSW
La primera herramienta de medición de temperatura en equipos FSW comercializada por Stirweld
Durante varios años, Stirweld ha estado investigando las posibilidades de nuevas herramientas para la medición directa de las temperaturas de soldadura por fricción-agitación.
Basándose en miles de mediciones, Stirweld ha desarrollado un algoritmo, integrado en un portaherramientas, para determinar la temperatura de la pieza soldada a través de la herramienta FSW. Estas mediciones se basan en miles de cálculos realizados en diferentes aleaciones de aluminio o en diferentes tamaños de herramientas.
Como la temperatura de la pieza se calcula directamente en el punto de fricción, esto permite realizar la medición en el lugar adecuado, sin problemas de reflectividad. Además, esta medición ofrece una excelente repetibilidad, ya que la herramienta mide la temperatura con una precisión de +/-2,7°C. En el mercado actual de FSW, esto corresponde a una precisión de medición sin precedentes y, por tanto, proporciona una fiabilidad sin igual en la medición de la temperatura de soldadura.
Aplicaciones de la herramienta de medición de la temperatura en los equipos de FSW
100% de control de calidad
El portaherramientas inteligente nos permite conocer al instante las temperaturas de soldadura para estar en la ventana operativa adecuada y obtener una soldadura FSW de calidad. Además, ahora conocemos la temperatura ideal para cada aplicación (y, por tanto, las velocidades de rotación y de avance que se deben aplicar) para ser lo más eficientes posible y tener un control del 100% sobre la calidad de las soldaduras en directo.
En el gráfico siguiente podemos ver que la temperatura óptima de FSW para el aluminio 6060 T6 es de 450°C a una velocidad de soldadura de 3m/min. Por lo tanto, estos parámetros deben adoptarse para eliminar cualquier riesgo de defectos para este tipo de aluminio.
Optimización de la velocidad de soldadura en función de la temperatura óptima del proceso
Optimización de los parámetros de soldadura
La otra ventaja es conocer en tiempo real la ventana operativa adecuada y poder determinar la mejor relación entre la velocidad de avance y la velocidad de rotación.
En el sector industrial, el objetivo es tener la mejor productividad posible y al mismo tiempo tener la menor pérdida en términos de coste, tiempo y piezas. El portaherramientas de medición de temperatura permite encontrar rápidamente la ventana de aplicación adecuada para soldar lo más rápidamente posible, sin defectos.
Si se supera la temperatura de fusión durante la operación de soldadura debido a la alta velocidad de rotación y a la baja tasa de avance, entonces acabaremos con porosidades en la parte superior de la soldadura. Por otro lado, si la temperatura desciende demasiado debido a una baja velocidad de rotación y un alto avance, acabaremos con porosidades en el fondo de nuestra soldadura.
Experiencia en soldadura
El portaherramientas inteligente que hemos desarrollado en Stirweld ha sido diseñado por especialistas en soldadura por fricción-agitación. La herramienta está diseñada para componentes FSW exigentes, como aplicaciones espaciales, aeroespaciales y de automoción.
Esta opción de medición de la temperatura puede añadirse a todos nuestros cabezales y husillos híbridos de FSW, diseñados para ser montados en centros de mecanizado o robots.
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