Placa fría mecanizada soldada mediante FSW: la respuesta a los retos de la gestión térmica
Hoy en día, muchos sectores de actividad buscan una gestión térmica impecable. Este es el caso del sector aeronáutico, espacial, militar, eólico, solar y muchos otros. Su solución para una gestión térmica óptima: las placas frías mecanizadas. El reto es integrar estas placas frías en sus dispositivos reduciendo el peso total. Nuestra solución: placas frías de aluminio mecanizadas y soldadas mediante FSW.
Para saber cómo optimizar la soldadura de su placa fría mecanizada, ¡siga la guía!
¿Qué placas de frío para qué sectores?
Existen varias familias de placas frías:
Placa fría en fundición de aluminio
Placa fría para e-movilidad (fundición a presión)
Placa fría mecanizada en aluminio
Estas placas frías no cuentan con el mismo número de piezas por lote. Así, las placas frías dedicadas a la e-movilidad se producen en series más grandes, mientras que las placas frías mecanizadas, dedicadas a sectores como la aeronáutica, la defensa o la energía eólica, se producen en series más pequeñas (de unas 50 piezas).
Las placas frías mecanizadas se utilizan en diversos sectores de actividad. Los principales sectores son el ferrocarril, la energía eólica y solar, el espacio, la aeronáutica, los centros de datos y el sector de la defensa: sectores en los que la cuestión de la gestión térmica es esencial.
Placas de frío mecanizadas: El reto de la gestión térmica
En el 90% de los sistemas de energía, las placas frías son necesarias para gestionar la temperatura de los dispositivos. La gestión térmica de los equipos se enfrenta a varios retos:
Tomemos el ejemplo de la gestión térmica en el sector aeroespacial. En este sector, la refrigeración electrónica representará el mayor tamaño del mercado entre 2021 y 2026 debido a la creciente demanda de automatización (Fuente: Temisth).
El reto: tener que alojar más aparatos electrónicos en un espacio más pequeño y estrecho.
En la industria aeroespacial y de defensa, las placas frías mecanizadas se utilizan para refrigerar sistemas empotrados (ingrávidos y compactos) como radares o electrónica de control y potencia. Estas placas frías mecanizadas son muy específicas: tienen un ciclo transitorio, es decir, se utilizan tanto para enfriar como para calentar las piezas.
El reto: una producción de bajo volumen debido al tipo de mercado, muy restrictivo y sujeto a la normativa nacional.
Así, el mercado de las placas frías mecanizadas ha crecido rápidamente en la última década, sobre todo en los sectores de la electrónica de potencia, el láser, los equipos médicos y la automoción, como se puede ver en el siguiente gráfico.
En 2020, el número de placas frías mecanizadas soldadas mediante la tecnología de la soldadura por fricción-agitación fue de 250.000 unidades, es decir, el 13% del mercado.
Fuente: Temisth
¿Por qué elegir el aluminio para las placas frías mecanizadas?
Para que una placa fría mecanizada sea eficaz, el material utilizado debe ser conductor térmico y lo más ligero posible. Además, una vez montada, la placa fría debe ser 100% estanca. El material que cumple estos requisitos es el aluminio, el cual cuenta con unas excelentes propiedades mecánicas:
Sin embargo, un problema es la soldabilidad del aluminio. Al ser un material con una excelente conductividad térmica, el proceso de soldadura puede ser complejo con las técnicas convencionales de soldadura por fusión. Por ello, veamos cómo soldar sus placas frías de aluminio mediante un nuevo proceso: la soldadura por fricción-agitación.
¿Cómo soldar una placa fría de aluminio mecanizada?
Como ya se ha dicho, el aluminio es un material de baja densidad, buena resistencia a la corrosión y alta conductividad térmica y eléctrica. Sin embargo, debido a sus propiedades específicas, la soldadura del aluminio puede ser más complicada. Debido a su alta conductividad térmica, se requieren altas energías de soldadura. Otros puntos a tener en cuenta son la tendencia del aluminio a deformarse durante la soldadura y los posibles defectos (agrietamiento, soplado, alteración de las propiedades mecánicas, degradación del material).
Hay varias opciones para soldar placas frías de aluminio: soldadura al vacío, soldadura por haz de electrones o soldadura por fricción-agitación. Para saber cuál es el mejor proceso para soldar placas frías mecanizadas debemos tener en cuenta el coste de funcionamiento -coste de la inversión y coste de la cubierta-, así como el coste del control de calidad.
Coste de funcionamiento de una operación de soldadura de placa fría mecanizada
El coste de explotación incluye el coste de inversión en términos de la máquina y el coste de la cubierta. Estos costes varían en función de la técnica de soldadura utilizada:
| Costo de la máquina | Cubrir costo | |
| Soldadura fuerte al vacío | Horno al vacío: 1 millón de euros | Laser-cut cover: 5 € per part |
| Soldadura por haz de electrones (EBW) | Máquina de EBW: 1 millón de euros | Cubierta mecanizada: 100 € por pieza |
| FSW | Cabeza FSW para máquina CNC: 98 000 € | Laser-cut cover: 5 € per part |
La diferencia en el coste de la cubierta entre la soldadura al vacío y la FSW y la soldadura EBW se debe a que en la EBW el diseño de la cubierta tiene que ser extremadamente preciso, lo que conlleva costes adicionales.
Coste del control de calidad de una operación de soldadura de placa fría mecanizada
Al igual que el coste de explotación, el coste del control de calidad dependerá de la técnica de montaje utilizada:
| Control de nueva pieza | Riesgo en servicio | |
| Soldadura fuerte al vacío | X-ray for sticking or collapse of the brazing joint into the water channel | Brazing failure due to no-detected intial sticking defect & fatigue stress du to cycle pressure |
| Soldadura por haz de electrones (EBW) | Need to machine and then liquid penetrant testing for porosities | Leak due to no-detected porosity (liquid penetrant can only detect through porosities) & crack propagation due to cycle pressure |
| FSW | No risk of sticking Solid state welding process: no porosity | No |
Después de este análisis de las diferentes técnicas de unión -soldadura al vacío, EBW, FSW- podemos ver que la FSW tiene una ventaja real tanto en términos de coste operativo como de coste de control de calidad. Pero el FSW no sólo es rentable. Veremos que también tiene muchas otras ventajas, sobre todo en cuanto a la calidad y el rendimiento mecánico de la pieza.
¿Busca una solución para soldar sus placas frías de aluminio mecanizadas? La técnica de soldadura recomendada es el FSW
La soldadura de una placa en frío mecanizada mediante FSW tiene varias ventajas:
Para que la soldadura sea eficaz y eficiente, hay que tener en cuenta varios puntos:
Resulta muy importante tener en cuenta cuatro parámetros a la hora de soldar una placa fría mecanizada mediante FSW:
Para saber más sobre los parámetros de soldadura FSW, lea nuestro artículo “4 elementos esenciales para una soldadura FSW de alta calidad“.
Paso final: calificación de su soldadura FSW
Una vez soldada la placa fría mecanizada, es esencial calificarla. La norma a seguir es la ISO 25239.
Primer control de calidad: la prueba visual. Esto nos permitirá verificar que no haya porosidad en la superficie o a través del orificio de salida, que haya poco o ningún destello y que el hombro de la herramienta haya presionado bien sobre la superficie.
Segundo control de calidad: el corte metalográfico. Esto nos permitirá comprobar en profundidad que no hay porosidad y confirmar que el hombro de la herramienta ha presionado contra la superficie de la placa fría mecanizada.
Tercer control de calidad: la prueba de doblado. Si la soldadura es defectuosa, la cubierta de la placa fría se romperá de manera frágil. Por otro lado, si la soldadura se ha realizado correctamente, la cubierta se deformará plásticamente hasta 90°.
El cuarto y último control de calidad es la prueba de fuga. Esta prueba es esencial para una placa fría mecanizada, ya que una placa fría con fugas es impensable.
La soldadura por fricción-agitación es la solución para unir sus placas frías de aluminio mecanizadas: un sellado perfecto, una excelente conductividad térmica y un proceso de bajo coste. Para ayudarle a ir más allá en su proceso, nuestros expertos en FSW le apoyarán. Cálculos mecánicos, resistencia a la fatiga de los materiales, recomendaciones sobre el grosor y la anchura de la cubierta, sobre la herramienta a utilizar… Nada se les resiste, así que no dude en ponerse en contacto con nosotros. Estaremos ahí para responder a sus preguntas
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