Cómo controlar la deformación en la soldadura de aluminio de gran espesor

Los sectores aeroespacial, de la construcción naval, del transporte ferroviario, de los vehículos especiales y de la maquinaria pesada demandan cada vez más estructuras ligeras que ofrezcan una gran resistencia, una larga vida útil y resistencia a la corrosión. Las aleaciones de aluminio son materiales estructurales importantes, ya que combinan una gran resistencia, un peso reducido, una buena ductilidad y una buena resistencia a la corrosión.

La investigación estadounidense sobre el aluminio de alta resistencia comenzó en la década de 1940. En 1956, se fabricó a modo de prueba una chapa de aleación 5083 de Al-Mg-Mn endurecida por deformación. Dado que su rendimiento global resultaba limitado en algunas aplicaciones que requerían alta resistencia, a principios de la década de 1960 le siguió la aleación 7039 de Al-Zn-Mg, susceptible de tratamiento térmico. Sin embargo, su elevada susceptibilidad al agrietamiento por corrosión bajo tensión hacía que no fuera adecuada para una exposición prolongada al agua de mar o a la niebla salina. Durante la década de 1980, Estados Unidos, la antigua Unión Soviética y otros países desarrollaron una nueva generación de aleaciones de alta resistencia. La aleación de Al-Cu 2519-T87, desarrollada en Estados Unidos, ofrece alta resistencia, propiedades mecánicas equilibradas, resistencia a la corrosión bajo tensión y soldabilidad.

Las aleaciones de alta resistencia de nueva generación, en particular las aleaciones Al-Cu 2xxx, proporcionan una mayor resistencia estructural y una mejor resistencia a la corrosión bajo tensión para estructuras de gran tamaño en entornos exigentes. La soldadura sigue provocando un ablandamiento de la junta y un bajo coeficiente de resistencia de la misma. Además, las estructuras grandes de precisión requieren que la deformación por soldadura se mantenga por debajo de un tercio de la producida por la soldadura convencional.

Retos relacionados con los productos y los procesos

Las principales dificultades son un ablandamiento severo de las juntas y un bajo coeficiente de resistencia; una película superficial refractaria de Al₂O₃ con un punto de fusión de 2.060 °C; el elevado aporte de energía que requiere un material grueso y de alta resistencia; la susceptibilidad a las grietas en caliente y a la formación de poros; y la deformación causada por la alta conductividad térmica y un elevado coeficiente de dilatación lineal. La deformación resulta especialmente difícil de controlar a partir de un espesor de 20 mm, por lo que las medidas deben ser técnicamente sólidas y prácticas para la producción en taller.

Medidas de control de la distorsión

1. Selecciona el proceso de soldadura

La chapa gruesa de aluminio conduce el calor rápidamente y favorece un proceso con alta densidad de potencia. Las pruebas realizadas con soldadura MIG de un solo alambre y de doble alambre, soldadura por haz de electrones, soldadura por fricción-agitación y soldadura híbrida láser-MIG permitieron determinar que la soldadura de doble alambre era el proceso de producción adecuado.

El proceso MIG de un solo hilo utilizó pulsos compuestos de baja frecuencia. La vibración del baño de fusión intensificó la agitación, favoreció la nucleación heterogénea durante la solidificación, refinó la estructura de la soldadura y mejoró la resistencia y la ductilidad mediante la agitación electromagnética. La unión alcanzó o superó el objetivo de resistencia a la tracción. Los ensayos permitieron determinar una combinación favorable de velocidad de avance, corriente y pulsos de modulación de baja frecuencia.

La soldadura de doble alambre a alta velocidad produjo una unión de alta resistencia. La comparación entre la soldadura MIG de doble alambre de dos pasadas a alta corriente y la de cuatro pasadas a baja corriente permitió establecer unos parámetros de múltiples pasadas a alta corriente que combinan las ventajas de ambas. La resistencia a la tracción de la unión fue de 296 MPa, equivalente a 62% del metal base, y la tenacidad al impacto fue de 13 J/cm², equivalente a 42% del metal base.

Se compararon tres métodos: la soldadura convencional con ranura en Y, la soldadura con ranura en X y la soldadura por vibración con ranura en X. La ranura en X redujo la deformación a una quinta parte del resultado obtenido con el método convencional, mientras que la soldadura por vibración la redujo aún más.

2. Calcular y optimizar la secuencia de soldadura

En el caso de una estructura grande con muchas juntas, numera cada soldadura y define una secuencia inicial a partir de las características estructurales. Una estructura con 16 soldaduras principales, por ejemplo, utilizaba inicialmente 1, 3, 4, 2, 5, 6, 7, …, 16. El análisis de elementos finitos permite comparar las secuencias candidatas e identificar aquella que presente una menor distorsión y una distribución de tensiones más favorable.

En primer lugar, hay que analizar la secuencia de pasadas dentro de cada costura de varias pasadas, ya que esta influye tanto en la magnitud como en la distribución de la tensión residual. Establecer una secuencia de pasadas de baja tensión antes de la soldadura en taller ayuda a limitar la tensión residual final.

A continuación, se optimizó el orden general de las juntas. Al cambiar la secuencia de apertura de 1, 3, 4, 2 a 1, 3, 2, 4, se modificó sustancialmente la distribución de tensiones. La segunda secuencia redujo el área por encima de los 300 MPa, lo que puede mejorar la resistencia a la corrosión bajo tensión.

3. Utilizar el alivio de tensiones por vibración para estabilizar las tensiones y las dimensiones

La tensión dinámica es un parámetro clave en el alivio de tensiones mediante vibración. El excitador aplica una tensión dinámica correspondiente a una carga cíclica alterna. Cuando esta tensión se combina con la tensión residual original y provoca una deformación plástica local o general, la tensión residual puede relajarse, volverse más uniforme y disminuir, mientras que la matriz metálica se vuelve más resistente a la deformación.

Los criterios generales son σ_dinámico + σ_residual ≥ σ_s, donde σ_s es la tensión de fluencia necesaria para que la deformación plástica se propague y produzca una deformación macroscópica; σ_dinámico/σ_residual = 0,1–0,3; y la amplitud de la tensión dinámica debe situarse entre un tercio y dos tercios de la tensión de servicio del componente. Dentro de un rango adecuado, una tensión dinámica mayor libera más deformación y alivia la tensión de forma más eficaz. Una tensión dinámica excesiva puede dañar la pieza de trabajo o reducir su vida útil frente a la fatiga.

En los ensayos se utilizó una unidad de alivio de tensiones por vibración WZ-86A fabricada por Hailun Vibratory Stress Relief Equipment Co., Ltd. El proceso mantuvo las tensiones residuales de la soldadura dentro de un límite de 0,3σ._s.

En los ensayos se establecieron y aplicaron los parámetros específicos de cada producto para el alivio de tensiones mediante vibración.

Resultado del control

Un proceso de soldadura compatible con la producción, los ensayos comparativos de formas de ranura, parámetros y secuencias, y el alivio de tensiones por vibración redujeron las tensiones residuales y la deformación sin sacrificar el rendimiento mecánico ni la resistencia a la corrosión. El proceso optimizado mantuvo la deformación en un tercio del resultado de la soldadura convencional, cumpliendo así los requisitos de diseño y fabricación para estructuras grandes de alta resistencia.

Además de los sectores aeroespacial, naval, ferroviario y de maquinaria pesada, este método puede aplicarse a determinados vehículos especiales, estructuras de protección ligeras y otros componentes de aluminio de alta resistencia.