Unión de aluminio

Las aleaciones de aluminio se utilizan a menudo debido a su alta relación resistencia-peso, resistencia a la corrosión , bajo coste, alta conductividad térmica y eléctrica . Existe una variedad de técnicas para unir aluminio , incluyendo fijaciones mecánicas, soldadura , unión adhesiva , soldadura fuerte , soldadura blanda y soldadura por fricción-agitación (FSW) , etc. Se utilizan varias técnicas en función del coste y la resistencia requerida para la unión. Además, se pueden realizar combinaciones de procesos para proporcionar medios para conjuntos difíciles de unir y para reducir ciertas limitaciones del proceso.

Un método simple y económico para unir aluminio es el uso de sujetadores mecánicos (es decir, pernos y tuercas). Normalmente, se perfora un orificio en el material base y se coloca un sujetador en el interior. Este tipo de unión requiere algún tipo de material superpuesto para que se realice una unión. Se pueden utilizar remaches de aluminio o pernos y tuercas; sin embargo, las aplicaciones de alta tensión requerirían un material de sujeción de mayor resistencia, como el acero. Esto podría provocar corrosión galvánica de diferentes materiales que tienen un potencial electroquímico variable. Una corrosión significativa debilitaría el conjunto con el tiempo y posiblemente provocaría una falla. Además, diferentes materiales podrían provocar grietas por fatiga térmica debido a diferentes coeficientes de expansión térmica . A medida que el conjunto se calienta repetidamente, las tensiones pueden acumularse y agrandar el orificio de montaje. Un lugar común en el que se utilizan sujetadores mecánicos es el remachado de paneles de aluminio en exteriores de aviones. ^[1]

El aluminio se puede unir con una variedad de adhesivos. El aluminio puede requerir cierto nivel de preparación y pasivación de la superficie para eliminar cualquier químico no deseado de la superficie. La pasivación puede ser tan simple como frotar con alcohol o realizar una limpieza ultrasónica. Antes de unir, un ajuste en seco puede confirmar que los componentes se ajustan correctamente. Los adhesivos pueden requerir calor, presión o ambos durante el curado. ^[2]

Para lograr una unión adhesiva adecuada, es necesario preparar la superficie. Se realiza una limpieza de la superficie para eliminar las impurezas. La superficie de las piezas que se van a unir se puede raspar con un abrasivo, como papel de lija, lo que proporciona asperezas superficiales entrelazadas y aumenta la superficie para la unión. También puede ser necesario un tratamiento químico para aumentar la energía superficial del adhesivo y eliminar la capa de óxido. El óxido de aluminio está débilmente unido al aluminio subyacente; sin la eliminación del óxido, la unión adhesiva se debilita drásticamente. Las capas de óxido pueden separarse del sustrato metálico; un principio clave para la teoría de falla adhesiva es la capa límite débil de Bikerman. Una forma de fortalecer la capa de óxido y evitar la falla del óxido al sustrato es anodizar el material, creando una capa de óxido hexagonal fuerte con un área de superficie adicional para la unión adhesiva.

La selección del adhesivo puede depender del costo, la resistencia y la ductilidad necesaria. Los aficionados suelen utilizar cianoacrilato (pegamento instantáneo), epoxi o JB Weld . También se puede utilizar silicona en aplicaciones en las que se necesita impermeabilización.

La mayoría de las aleaciones de aluminio se pueden unir mediante soldadura; sin embargo, ciertos tipos de aluminio de grado aeronáutico y otras aleaciones especiales no se pueden soldar con métodos convencionales. El aluminio se suelda comúnmente con soldadura por arco metálico con gas (GMAW) y soldadura por arco de tungsteno con gas (GTAW). Debido a la capa de óxido del aluminio, se necesita una polaridad positiva para romper la superficie y garantizar una soldadura adecuada. También se utiliza corriente alterna (CA) para permitir los beneficios de una polaridad negativa que proporciona penetración y suficiente polaridad positiva para una soldadura sin contención. Se pueden encontrar más detalles sobre los parámetros de soldadura de los códigos de soldadura de aluminio estructural en AWS D1.2. ^[3]

La soldadura de aluminio generalmente crea una región ablandada en el metal de soldadura y la zona afectada por el calor. Es posible que se necesiten tratamientos térmicos adicionales para obtener un material aceptable para una aplicación específica. ^[4] La soldadura industrial también se usa comúnmente para unir aluminio: la soldadura por fricción y agitación , la soldadura láser y la soldadura ultrasónica son algunos de los muchos procesos utilizados.

El aluminio se puede soldar con soldadura fuerte a casi cualquier material, incluido el hormigón, la cerámica o la madera. La soldadura fuerte y la soldadura blanda se pueden realizar de forma manual o mediante una técnica automatizada. La soldadura fuerte del aluminio puede ser difícil, ya que no se observa ningún cambio de color antes de la fusión. Al igual que con otras técnicas, el óxido fuerte del aluminio puede impedir una unión adecuada. Se pueden utilizar ácidos y bases fuertes para debilitar el óxido, o se pueden utilizar fundentes agresivos. Las aleaciones de soldadura fuerte para el aluminio deben fundirse por debajo de la temperatura de fusión del aluminio de 660 °C. Las aleaciones de aluminio con alto contenido de magnesio pueden "envenenar" los fundentes y reducir la temperatura de fusión, lo que puede provocar una unión débil. En algunos casos, las piezas de aluminio se pueden revestir con un material diferente y soldar con una técnica y un material de relleno más comunes. Las uniones soldadas requieren la superposición de las piezas; la cantidad de superposición puede afectar en gran medida la resistencia de la unión. ^[5]

La soldadura por fricción y agitación (FSW) es un proceso de unión de estado sólido que utiliza una herramienta no consumible para unir dos piezas enfrentadas sin fundir el material de la pieza. ^{[6] [7]} El calor se genera por la fricción entre la herramienta giratoria y el material de la pieza, lo que conduce a una región ablandada cerca de la herramienta FSW. Mientras la herramienta se desplaza a lo largo de la línea de unión, mezcla mecánicamente las dos piezas de metal y forja el metal caliente y ablandado mediante la presión mecánica, que es aplicada por la herramienta, de forma muy similar a unir arcilla o masa. ^[7] Se utilizaba principalmente en aluminio forjado o extruido, en particular para estructuras que necesitan una resistencia de soldadura muy alta.