Tecnologías
de unión

Soldadura por fricción

Soldadura “Friction Stir Welding” (FSW)

La tecnología de soldadura por fricción-agitación o “Friction Stir Welding” (FSW) es un proceso de soldadura en estado sólido donde una herramienta rotativa no consumible (compuesta habitualmente por un hombro y un pin) se presiona contra los materiales que se quieren soldar. La fricción y deformación producida entre la herramienta y los materiales base eleva la temperatura hasta la temperatura de reblandecimiento de los materiales que se quieren soldar. La herramienta se traslada a lo largo de la junta de forma que, debido a su rotación y diseño específico, genera un flujo de material plastificado produciendo una mezcla que consolida la unión en estado sólido.

La soldadura FSW es una tecnología madura sobre todo para aleaciones de bajo punto de fusión (aluminio, magnesio, plomo, etc). La soldadura FSW de aleaciones de aluminio se rige por la norma ISO25239. LORTEK ha participado en la concepción de esta norma como experto reconocido a nivel nacional.

Las principales características de la soldadura FSW son:

  • Excelentes propiedades de las uniones soldadas de forma consistente y repetitiva (altas propiedades mecánicas, bajas distorsiones y bajas tensiones residuales).
  • Sin consumibles de soldadura (sin materiales de aporte, gases de protección).
  • Proceso limpio y energéticamente eficiente (en estado sólido sin humos, proyecciones, chispas, rayos UV...).
  • Posibilidad de lograr alta productividad: Espesores grandes en 1 pasada o espesores reducidos a alta velocidad de soldadura.
  • Posibilidad de soldar materiales no soldables por fusión-solidificación (sin porosidades, agrietamientos, etc).
  • Es necesario un equipo de soldadura y utillajes de sujeción suficientemente rígidos para contrarrestar los elevados esfuerzos generados durante el proceso.

Soldadura “Friction Stir Spot Welding” (FSSW)

Se trata de la variante de soldadura por puntos de la soldadura FSW. En la siguiente imagen se muestra un esquema de los principios básicos del proceso:

Las principales características de la soldadura FSSW son:

  • Calidad de las uniones consistente y repetitiva, normalmente sin necesidad de preparación de las superficies.
  • Proceso limpio y energéticamente eficiente (en estado sólido sin humos, proyecciones, chispas, rayos UV…).
  • Posibilidad de lograr alta productividad (tiempos de ciclo entre 3-5 segundos).
  • Posibilidad de soldar materiales no soldables por fusión-solidificación (sin porosidades, agrietamientos, etc).
  • Es necesario un equipo de soldadura y utillajes de sujeción suficientemente rígidos para contrarrestar los elevados esfuerzos generados durante el proceso.
  • Los equipos de soldadura y las herramientas de sujeción son lo suficientemente rígidos para soportar las grandes tensiones generadas en el proceso.

La soldadura FSSW es una tecnología madura sobre todo para aleaciones de bajo punto de fusión (aluminio, magnesio, plomo, etc). La soldadura FSSW de aleaciones de aluminio se rige por la norma ISO18785. LORTEK ha participado en la concepción de esta norma como experto reconocido a nivel nacional.

Soldadura por Fricción Rotativa

La tecnología de soldadura por fricción rotativa es un proceso de soldadura en estado sólido donde una pieza rotativa se presiona contra otra estática. La fricción producida en la intercara de las piezas eleva la temperatura hasta reblandecer y plastificar el material. La rotación de la pieza rotativa se detiene y se eleva la presión de forma que se forja una pieza con la otra produciendo la unión en estado sólido.

Las principales características de la soldadura por fricción rotativa son:

  • Calidad de las uniones consistente y repetitiva, normalmente sin necesidad de preparación de las superficies.
  • Posibilidad de lograr alta productividad con procesos altamente automatizados.
  • Posibilidad de realizar uniones con materiales disimilares (aluminio-cobre, aluminio-acero...).
  • Proceso limpio y energéticamente eficiente (en estado sólido sin humos, proyecciones, chispas, rayos UV...
  • Es necesario un equipo de soldadura y utillajes de sujeción suficientemente rígidos para contrarrestar los elevados esfuerzos generados durante el proceso.

Otros procesos de uniones por fricción

LORTEK también tiene experiencia y colaboraciones en otras tecnologías tales como:

  • Friction Surfacing.
  • Refill Friction Stir Spot Welding.
  • Friction Riveting.
  • Friction Bit Joining.

En qué estamos trabajando actualmente

  • Desarrollo de equipos de soldadura FSW para diversas aplicaciones industriales.
  • Desarrollo de herramientas FSW con diseños optimizados y gran durabilidad.
  • Desarrollo de equipos de soldadura por fricción rotativa para diversas aplicaciones industriales.
  • Desarrollo de tecnologías automáticas no destructivas de inspección y control de calidad de uniones soldadas mediante FSW (termografía IR).
  • Desarrollo de control y monitorización de datos de soldadura FSW: Procesos inteligentes de soldadura FSW.
  • Desarrollo de sistemas avanzados de control de proceso de soldadura por fricción rotativa.
  • Soldadura FSW a alta velocidad de extrusiones de aluminio (hasta 4 m/min).
  • Soldadura FSW a alta velocidad de piezas moldeadas de aluminio (hasta 2m/min).
  • Soldadura FSW de espesores disimilares “Taylor Welded Blanks” (TWB).
  • Soldadura FSW de aleaciones de alto punto de fusión (titanio Ti64 de pequeños espesores – hasta 0,8mm).
  • Soldadura FSW de aleaciones de aluminio de alta resistencia – grado aeronáutico:
    • Nuevas aleaciones de Al-Cu-Li de tercera generación para estructuras de fuselaje.
    • Aleaciones serie 7XXX de gran espesor para estructuras de “wing-box”, con una reducción importante del ratio “buy-to-fly”.

Equipamiento específico

LORTEK dispone de 3 equipos FSW con características diferentes y complementarias:

Máquina específica para soldadura FSW (i-STIR PDS4)

  • 6 ejes servocontrolados (X, Z, giro, tilt, forge y pin).
  • Mesa de trabajo ~1800x1000x350 mm (carrera útil FSW 1000mm en X).
  • Accionamientos hidráulicos servocontrolados con capacidad de esfuerzos axiales de hasta 100kN.
  • Posibilidad de realizar procesos de soldadura FSW en control de posición, control de fuerza o control mixto.
  • Controlador avanzado “Test-Star TM” con capacidad de control de proceso a alta velocidad y registro+monitorización de datos de soldadura FSW.
  • Cabezal hidráulico con capacidad de giro ±3000rpm y par de hasta 180Nm.
  • Reductora acoplable a cabezal con capacidad de giro de ±800rpm y par de hasta 900Nm.
  • Cabezal refrigerado y enfriadora portátil acoplables para procesos de soldadura FSW con aleaciones de alto punto de fusión (aceros, titanio, etc).

Equipo robotizado adaptado para soldadura FSW

  • Robot KUKA KR500-3MT modificado + controlador KUKA KR C4.
  • Capacidad de esfuerzos axiales de 8kN de carga nominal en continuo.
  • Cabezal ACTEMIUM BP-6700 específico para soldadura FSW.
  • Capacidad de giro de ±3000rpm y par de hasta 32Nm.
  • Mesa de trabajo ~2500x2000x1000 mm.
  • Posibilidad de realizar procesos de soldadura FSW en control de posición o control de fuerza.
  • Software de control avanzado “FSW welding cell supervisor” con capacidad de registro y monitorización de datos de soldadura FSW.

Fresadora CNC con cabezal adaptado para soldadura FSW

  • Fresadora CNC TWINHORN VP1500 de 4 ejes servocontrolados (X, Y, Z, giro).
  • Mesa de trabajo ~1500x600x600 mm.
  • Capacidad de esfuerzos axiales de 6kN de carga nominal en continuo.
  • Cabezal STIRWELD versión 3.2 específico para soldadura FSW con capacidad de realizar el proceso en control de fuerza.
  • Software de control de proceso “StirWelding Monitoring” con capacidad de registro y monitorización del esfuerzo axial.

Parque de herramientas FSW desarrolladas para distintos espesores y materiales base

  • Espesores: 1-20 mm espesor.
  • Material de herramientas: M42, H13, WC-Co, W-25Re…
  • Para casos de aplicaciones específicas, LORTEK también ofrece la capacidad de fabricar nuevas herramientas con diseños específicos según la aplicación planteada.

Publicaciones
y descargas

Publicaciones
2008
Echeverría, A.A.M. da Silva, P. Alvarez, E. Aldanondo
Efectos de Ciclos Térmicos en las Propiedades Mecánicas de la Aleación de Aluminio 6082-T6 en Uniones por Friction Stir Welding
In: X Congreso Nacional de Materiales, San Sebastián, Spain, 18–20 June 2008
2010
E. Aldanondo, A.A.M. da Silva, P. Alvarez, A. Echeverría
Dissimilar Joining of AA1050 Aluminium Alloy and DP600 and Hot-Stamped Boron Steels using Friction Stir and Friction Stir Spot Welding
8th International FSW Symposium, Timmendorfer Strand, Germany, 10–20 May 2010
2010
A.A.M. da Silva, E. Aldanondo, A. Echeverría, P. Alvarez, E. Arruti
Friction Stir Spot Welding of AA1050 Al Alloy and hot stamped boron steel (22MnB5)
Sci Technol Weld Joining, 15 (2010), 682-687
2010
P. Alvarez, G. Janeiro, A.A.M. da Silva, E. Aldanondo, A. Echeverría
Material flow and mixing patterns during dissimilar FSW
Sci Technol Weld Joining, 15 (2010), 648-653
2011
A.A.M. da Silva, E. Aldanondo, A. Echeverría, P. Alvarez, M. Eiersebner
Mechanical and Microstructural Investigation of Dissimilar Resistance and Friction Stir Spot Welds in AA5754-H22 and AA6082-T6 Al Alloys and 22MnB5 Hot-Stamped Boron Steel. Proceedings of Friction Stir Welding and Processing VI
140th TMS Annual Meeting, San Diego, USA, February 27-March 3, 2011
2014
E. Aldanondo, E. Arruti, A. Ormaetxea, A. Echeverría
T-joints in Aluminium alloys: Stiffened panels by FSW
10th International FSW Symposium, Beijing, China, 20–22 May 2014
2016
C. Leitao, E. Aldanondo, E. Arruti, D.M. Rodrigues
Aluminium-steel lap joining by multipass Fiction Stir Welding
Materials and Design, 106 (2016), 153-160
2018
M. Balakrishnan, C. Leitao, E. Aldanondo, E. Arruti, D.M. Rodrigues
Influence of pin imperfections on the tensile and fatigue behaviour of AA7075-T6 friction stir lap welds
The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 97 (2018), 3129-3139
2019
E. Aldanondo, E. Arruti, A. Echeverría, I. Hurtado
Friction Stir Welding of lap joints using new Al-Li alloys for stringer-skin joints in Friction Stir Welding and Processing X
77–88, Febr 2019

Casos de éxito

Desarrollo e industrialización de equipo Ad-Hoc de soldadura FSW

Desafío

Implementación industrial de soldadura FSW en sustitución de soldadura al arco y soldadura con llama.

Solución

Equipo Ad-Hoc de soldadura FSW incluyendo desarrollo de controlador con capacidades de registro y monitorización de datos de proceso, herramientas FSW, parámetros de proceso y homologación en base a ISO25239, utillajes de amarre y posicionamiento, etc. Mejora de la calidad de las uniones soldadas. Reducción de tiempo de ciclo de aproximadamente 80%. Reducción de costes de fabricación y consumo energético. Mejora de entorno laboral y salud de los operarios. Sistema de control propio de LORTEK (Copyright “SOFTWARE DE CONTROL FSW” - TXu 2-023-714).

Desarrollo de proceso de soldadura FSW para soldadura de extrusiones a alta velocidad

Desafío

Necesidad de soldadura FSW a alta velocidad (>3m/min) cumpliendo con las exigencias de calidad para dar respuesta a las cadencias de fabricación del sector automoción (e-mobility).

Solución

Soldadura FSW a alta velocidad (hasta 4m/min) cumpliendo con los requisitos de calidad establecidas por norma ISO25239, incluyendo desarrollo de herramientas FSW, parámetros de proceso, utillajes de amarre y posicionamiento, etc. Reducción de distorsiones y costes de fabricación significativa respecto a otros procesos de soldadura.

Fabricación de estructuras de aluminio mediante uniones en T y soldadura FSW

Desafío

Reducir distorsiones en estructuras reforzadas fabricadas en aluminio mediante soldadura al arco (MIG).

Solución

Soldadura FSW en uniones en T incluyendo desarrollo de herramientas FSW, parámetros de proceso, utillajes de amarre y posicionamiento, etc. Reducción de distorsiones de hasta un 90%; reducción de tiempos y costes de fabricación.

Fabricación de estructura disimilar de aluminio y acero mediante soldadura FSW

Desafío

Necesidad de aligeramiento de estructuras mediante soldadura de componentes de aluminio y acero.

Solución

Diseño de estructura para su fabricación mediante materiales bimetálicos soldados por explosión, soldadura al arco y soldadura FSW. Desarrollo de proceso de soldadura FSW incluyendo herramienta FSW, parámetros de proceso, etc.

Partners o alianzas estratégicas

Trabajo desarrollado en colaboración con CAF I+D en el proyecto BIMETAL. Publicación de co-patente “METHOD FOR WELDING TOGETHER DISSIMILAR PARTS” (EP 3 178 600 A1).

Desarrollo de sistema de medición de temperaturas para el proceso de soldadura FSW

Desafío

Necesidad de medir temperaturas máximas alcanzadas durante procesos de soldadura FSW.

Solución

Desarrollo de sistema inalámbrico de medición de temperaturas mediante termopares incorporados en la propia herramienta giratoria FSW, con capacidad de medida máxima de la temperatura durante el proceso FSW en la intercara herramienta FSW y material soldado. Solicitud de publicación de patente “SISTEMA PARA LA MEDICIÓN DE TEMPERATURAS EN UN PROCEDIMIENTO DE SOLDADURA POR FRICCIÓN-AGITACIÓN” (PCT/ES2017/070807).

Partners o alianzas estratégicas

Sistema desarrollado en cooperación con la Universidad de Bordeaux en el marco del proyecto MONITEMP.

Desarrollo de software de control de proceso FSW para equipo robotizado

Desafío

Necesidad de optimizar el sistema de control de proceso FSW para equipos robotizado.

Solución

Software de control desarrollado con capacidades de adquisición y monitorización de datos de proceso de soldadura FSW a alta velocidad. Mejora de estabilidad y repetitividad de proceso de soldadura FSW en equipo robotizado KUKA KR500-3MT.

Partners o alianzas estratégicas

Software desarrollado en cooperación con ACTEMIUM y optimizado por LORTEK en el marco del proyecto MALGUROB.

Fabricación de paneles estructurales rigidizados mediante soldadura FSW

Desafío

Necesidades de aligeramiento de estructuras para vehículos de transporte (automoción, aeronáutico, ferroviario).

Solución

Desarrollo de procesos de soldadura FSW y FSSW para la fabricación de estructuras rigidizadas mediante extrusiones y chapas laminadas de aluminio soldadas a solape. Mejora de calidad dimensional (reducción de distorsiones en comparación con otros procesos de soldadura) y el ratio rigidez/peso de estructuras. Reducción de tiempos y costes de fabricación.

Partners o alianzas estratégicas

Tecnologías actualmente en desarrollo en el marco del proyecto ecoTECH en colaboración con Hellenic Aerospace Indutry (HAI), Israel Aerospace Industries (IAI), AeroMagnesium (AM), AkzoNobel, NLR, ALTRAN, etc.

Retos

Desafíos que hay que afrontar en los próximos años:

Industrialización de los procesos mediante soluciones Ad-Hoc de equipamiento en soldadura FSW, FSSW y soldadura por fricción rotativa.
Fabricación automatizada de series largas (sector vehículos eléctricos).
Direccionamiento de los procesos hacia la digitalización y la industria 4.0:
  • Sistemas de control de proceso avanzados (comunicaciones a alta velocidad, control de temperaturas...).
  • Tecnologías automáticas no destructivas de inspección y control de calidad de uniones soldadas mediante FSW (temografía IR, visión artificial).
  • Análisis de datos y “Machine Learning”.
Desarrollo de proceso para materiales y aplicaciones novedosas (soldadura a alta velocidad, aleaciones Al-Cu-Li, Ti64, espesores disimilares, materiales disimilares, etc).

Egoitz Aldanondo

Investigador Referente en Uniones por Fricción.

Ingeniero Industrial especialidad Materiales por Mondragón Unibertsitatea; MSc Nanoelectronics & Mechanics – The University of Sheffield; y MSc Ingeniero Internacional de Soldadura - CESOL. En el año 2005 se incorporó al área de Procesos de unión de LORTEK donde ha trabajado principalmente en la investigación y desarrollo de procesos de unión en estado sólido tales como tecnologías de soldadura por fricción y soldadura “Flash Butt Welding”. Especializado en tecnología “Friction Stir Welding” (FSW) en la que posee 3 patentes y más de 30 publicaciones científicas en revistas y congresos internacionales. Actualmente es investigador senior en el área de Procesos de unión de LORTEK donde ha participado en numerosos proyectos de investigación, además de haber participado en proyectos de transferencia e industrialización de la tecnología de soldadura FSW.