¿Cómo funciona la deposición por haz de electrones con alambre en el caso de las aleaciones de aluminio?

La deposición por haz de electrones se utiliza como proceso de impresión 3D de aleaciones de aluminio. Las aleaciones de aluminio combinan un peso reducido y una alta resistencia con una buena ductilidad, conductividad eléctrica y térmica, y resistencia a la corrosión. Estas propiedades físicas, químicas y mecánicas permiten su aplicación en los sectores aeroespacial, de fabricación de automóviles, de transporte ferroviario, de armamento, de depósitos de almacenamiento, de electrodomésticos, de la construcción y de los materiales de construcción. Desde la década de 1960, las aleaciones de aluminio se han utilizado ampliamente en la producción en serie de vehículos ferroviarios y automóviles.

Las aleaciones de aluminio pueden clasificarse de varias maneras. Según el método básico de procesamiento, se distinguen entre aleaciones de fundición y aleaciones forjadas. Según su uso, incluyen el aluminio puro, el aluminio resistente a la corrosión, el duraluminio, el superduraluminio y el aluminio para usos especiales. Según su respuesta al tratamiento térmico, se clasifican en aleaciones tratables térmicamente y aleaciones no tratables térmicamente. Según los principales elementos de aleación, se dividen en ocho series. En otra referencia se tratan las ocho series de aleaciones de aluminio.

Propiedades del material y soldabilidad

Dado que la deposición por haz de electrones añade material en forma de alambre, su comportamiento durante el proceso se asemeja al de la soldadura, especialmente a la soldadura con alambre de aportación. Por lo tanto, es necesario evaluar la soldabilidad antes de la deposición. Las aleaciones de aluminio son, en general, soldables, pero hay varias características que pueden desestabilizar tanto la soldadura como la deposición por alambre.

Oxidación intensa

El aluminio reacciona fácilmente con el oxígeno del aire y durante la soldadura para formar una capa de Al₂O₃ película. La alúmina tiene un punto de fusión elevado, es química y físicamente estable, es difícil de eliminar y absorbe gran cantidad de humedad. La película superficial hace que el metal base sea más difícil de fundir y puede provocar inclusiones de escoria, falta de fusión y penetración incompleta. La humedad absorbida puede penetrar en la soldadura y provocar porosidad.

Antes de soldar, hay que limpiar a fondo la superficie mediante esmerilado mecánico o métodos químicos para eliminar el Al₂O₃. La zona de soldadura también requiere una protección eficaz. En la soldadura TIG se suele utilizar corriente alterna para que la limpieza catódica elimine la película de óxido.

Comportamiento termofísico

Las aleaciones de aluminio tienen una conductividad térmica y una capacidad calorífica específica superiores a las del acero. El calor se transmite rápidamente al sustrato y se aleja de la zona de soldadura, por lo que puede ser necesario realizar un precalentamiento. Su elevado coeficiente de dilatación lineal también favorece la aparición de grietas en caliente y la deformación. La composición del alambre se puede ajustar para reducir las grietas en caliente, mientras que el precalentamiento puede ayudar a controlar la deformación.

Porosidad

El aluminio líquido puede disolver mucho más hidrógeno que el aluminio sólido; la solubilidad del hidrógeno varía en un factor de 17,5 entre el estado líquido y el sólido. El bajo punto de fusión y la alta conductividad térmica del aluminio hacen que el baño de fusión se solidifique rápidamente, lo que no deja tiempo suficiente para que el hidrógeno se escape y favorece la formación de poros de hidrógeno. El Al₂O₃ La película se reforma casi al instante tras la limpieza, y la humedad adsorbida se convierte en una importante fuente de hidrógeno. Por lo tanto, las fuentes de hidrógeno deben controlarse rigurosamente.

Formación del cordón de soldadura

La formación de gotas resulta difícil por dos motivos. El aluminio no presenta ningún cambio de color evidente antes de fundirse, lo que dificulta evaluar las condiciones de conformado, y su baja resistencia a altas temperaturas ofrece poco soporte al metal fundido, lo que aumenta el riesgo de perforación.

Cambios en las propiedades de las uniones

1. La evaporación y la pérdida por combustión de Mn, Mg y Zn a temperaturas de soldadura reducen la cantidad de elementos disponibles para formar fases de refuerzo y disminuyen las propiedades mecánicas de la soldadura.
2. La recristalización en la zona afectada por el calor reduce la resistencia de las aleaciones endurecidas por deformación o envejecidas en solución.
3. El aluminio tiene una red cristalina cúbica centrada en las caras y carece de alótropos, por lo que el ciclo térmico no produce ninguna transformación de fase que pueda refinar los granos; por lo tanto, los granos de soldadura siguen siendo relativamente gruesos.

La soldadura por haz de electrones se realiza al vacío, lo que elimina el contacto entre el aluminio y el aire durante el proceso de soldadura. Es imprescindible realizar una limpieza exhaustiva previa a la soldadura para eliminar el Al₂O₃ sigue siendo fundamental, y la limpieza del alambre de aluminio antes de la deposición reviste especial importancia. La elección de la composición del alambre también puede prevenir el agrietamiento en caliente y los defectos asociados. El alambre de soldadura de aleación 2219 se utiliza ampliamente para la deposición por haz de electrones.