Las demandas automotrices impulsan la investigación en soldadura

Aquí vemos un 12 pulgadas. de largo y 6 pulgadas. Pared de prueba de 4 mm de altura y espesor creada mediante este proceso de bajo aporte de calor. Gerlich considera que esta es una tecnología ideal para sustituir el uso de piezas fundidas de gran tamaño. Universidad de Waterloo

La industria automotriz ha sido un catalizador para la investigación sobre soldadura en una variedad de áreas, incluida la unión de aceros de alta resistencia y la unión de metales mixtos. Algunas nuevas investigaciones realizadas por la Universidad de Waterloo en colaboración con Liburdi deberían ayudar en algunas aplicaciones automotrices, pero también en los procesos de soldadura de tubos de acero inoxidable y fabricación aditiva por arco de alambre.

"El trabajo que hemos realizado con Liburdi está orientado a desarrollar una forma más consistente y más capaz de control de la soldadura por arco", dijo Adrian Gerlich, profesor del departamento de ingeniería mecánica y mecatrónica de Waterloo y parte del Centro de Investigación Automotriz de Waterloo. . Gerlich y su equipo de investigadores asociados, que incluyen a Emanuel dos Santos y Paulo Costa Assuncao, han optimizado un conjunto de parámetros de control del arco. "Básicamente, es un modo mejorado de transferencia de material por impulsos para la soldadura por arco de materiales sensibles".

Liburdi llama a su proceso controlado de transferencia de metal por cortocircuito el proceso de “transferencia por inmersión”. Lo que hace que el proceso sea único es el bajo aporte de calor que produce.

"El aporte de calor es de 0,1 kJ por milímetro", afirma Gerlich. “En aplicaciones de acero de alta resistencia, que son clave para la industria automotriz, podemos obtener una deposición de filetes extremadamente uniforme con un aporte de calor tan bajo que se minimizará la distorsión, lo que significa menos daño y degradación del acero circundante. Al observar las microestructuras, se ve exactamente lo que se esperaría de una soldadura por arco típica. Pero el aporte de calor es aproximadamente la mitad que el de la mayoría de los otros procesos avanzados de transferencia de metales por cortocircuito”.

El beneficio adicional de este proceso de baja transferencia de calor es que hay muy pocas salpicaduras.

"Las gotas se depositan unos cientos de veces por segundo y no se observa prácticamente ninguna salpicadura ni metal expulsado en ese proceso", dijo Gerlich. "Significa un acabado mucho más limpio".

Según Gerlich, el bajo aporte de calor se acerca al alcance de la soldadura láser.

"Los láseres tienden a lograr una entrada de calor entre 0,05 kJ y 0,15 kJ por milímetro en estos aceros, por lo que está justo en esa timonera", dijo. "La ventaja de la soldadura por arco, por supuesto, es que no tiene los mismos requisitos para los recintos de seguridad, el ajuste de piezas y las tolerancias son mayores en la soldadura láser, junto con un costo mucho menor".

Aunque es valioso en aplicaciones automotrices, Gerlich considera que este proceso de muy baja transferencia de calor tiene el impacto más inmediato en la soldadura de tuberías de acero inoxidable.

“El desafío industrial que enfrenta es que cuando se sueldan con arco materiales más gruesos, como tuberías (¼ de pulgada a 1 pulgada), una soldadura de acero inoxidable generalmente requerirá un gas de purga interna”, dijo Gerlich. “Hay que tapar internamente los extremos de la tubería y purgar el volumen interior con gas protector argón para evitar que se oxide y se tiñe con calor la raíz interior de la soldadura.

Aquí vemos un ejemplo de una soldadura de prueba en una tubería de acero inoxidable desde la raíz interior de la tubería. Imagen: Rob Pistor / Liburdi

“Lo interesante de este modo de soldadura por arco que hemos desarrollado es que proporciona un aporte de calor tan bajo que no tiñe el interior de la tubería, incluso sin un gas de respaldo. Para cualquiera que tenga que realizar este tipo de soldadura, eso representa un ahorro de costes astronómico. Una vez que tienes que purgar con gas de protección, requieres certificaciones adicionales para manejar cilindros, tienes el costo adicional del argón, normas de seguridad adicionales como permisos para trabajar en espacios reducidos cuando las tuberías se están instalando en un módulo complejo. Todas estas cosas contribuyen al costo de su proyecto”.

La otra aplicación que los investigadores de Waterloo han examinado para este proceso de deposición de bajo calor es la fabricación aditiva de arco de alambre en acero. Los investigadores realizaron un estudio y pudieron lograr una estructura de pared de 12 pulgadas de largo, 6 pulgadas de alto y 4 mm de espesor. Usando un soplete enfriado por agua, los investigadores también pudieron lograr una base de dureza más alta y una mayor resistencia a la tracción que con el metal enfriado naturalmente.

"Con el aditivo de arco de alambre, la ventaja del bajo aporte de calor es una menor distorsión, menos potencial de agrietamiento y otras posibles imperfecciones", dijo Gerlich. “Le permite unir las capacidades de las máquinas de fusión de lecho de polvo de ultra alta precisión y la fundición y el mecanizado convencionales. Por supuesto, no se obtiene la precisión geométrica que se logra en un lecho de polvo porque hay que depositar al menos un espesor de pared de 4 mm, pero estamos analizando aplicaciones en las que se construyen componentes de entre 1 pie y muchos metros de tamaño. construcciones que reemplazan las piezas fundidas. Las piezas fundidas de acero inoxidable de gran tamaño, por ejemplo, pueden ser muy caras y requerir largos plazos de entrega. Puede llevar días construir una pieza de este tipo utilizando aditivo de arco de alambre, pero a menudo es más rápido que esperar semanas para una pieza fundida”.

Más allá de este estudio en particular, las demandas necesarias para acelerar el lanzamiento de vehículos eléctricos están teniendo un impacto en las vías de investigación que se están explorando, en Waterloo y otros lugares.

"Los vehículos eléctricos requieren una reestructuración de todas las capacidades relacionadas con la soldadura de aluminio", señaló Gerlich. “Debido al aligeramiento que se requiere para fabricar carcasas para baterías eléctricas, tratar de obtener un volumen de producción muy alto, una soldadura de aluminio repetible y de alta calidad se ha convertido en una preocupación importante. También existen otras preocupaciones además del control de calidad habitual, como la necesidad de tener un recinto con cierre hermético, algo difícil de conseguir y un requisito al que la mayoría de los talleres no están acostumbrados”.

Gerlich señaló que si bien la soldadura por fricción y agitación es una herramienta muy efectiva para usar en tales aplicaciones, debido a su velocidad y la retroalimentación proporcionada por las fuerzas en el trabajo para indicar una buena soldadura, la falta de una amplia selección de proveedores de tecnología significa que muchos fabricantes de automóviles prefieren confiar en la soldadura por arco, o una combinación de soldadura por arco y soldadura láser, para poder acceder a más proveedores de soluciones.

Gerlich prevé que la investigación en este ámbito se desarrollará y continuará a buen ritmo en los próximos años.

Puede comunicarse con el editor Robert Colman en [email protected].

Aquí vemos un 12 pulgadas. de largo y 6 pulgadas. Pared de prueba de 4 mm de altura y espesor creada mediante este proceso de bajo aporte de calor. Gerlich considera que esta es una tecnología ideal para sustituir el uso de piezas fundidas de gran tamaño. Universidad de Waterloo