Tecnología Info Tecnología

Las superaleaciones base níquel y base cobalto son vitales para la producción de turbinas de gas tanto aeronáuticas como de generación eléctrica

Soldadura de materiales disimilares en el CFAA

Aitor Irazabal, Iker Cerrillo, Xabier Santamaria, Octavio Pereira y Norberto López de Lacalle Marcaide, del Centro de Fabricación Avanzada Aeronáutica (CFAA); y Haizea González Barrio y Gaizka Gómez Escudero, de la Universidad del País Vasco (UPV/EHU)08/06/2021
Dada la situación actual donde la sociedad está tomando consciencia de la problemática a nivel global con respecto al medio ambiente, se intenta mejorar la eficiencia de las máquinas, para que contaminen menos, sean menos ruidosas y más eficientes. Aquí es donde entran en juego los nuevos materiales y aleaciones en el sector aeronáutico, un sector donde las condiciones de trabajo de los motores son tan extremas, se hace indispensable utilizar materiales de muy altas prestaciones y por ende la constante investigación en la mejora de la eficiencia del proceso y mejoras en los materiales y piezas.

Las turbinas aeronáuticas utilizan materiales que son capaces de trabajar en ocasiones por encima de los 1.000 °C, pocos materiales son capaces de rendir en esas condiciones, y por ello se utilizan las superaleaciones base níquel y cobalto, por su capacidad de soportar estas condiciones.

La tendencia a la eficiencia hace que se deban combinar las aleaciones antes mencionadas con otras más ligeras o más económicas, y es en ese proceso donde las tecnologías de unión como son las soldaduras cumplen un papel de vital importancia.

1. Introducción

Las superaleaciones base níquel y base cobalto son vitales para la producción de turbinas de gas tanto aeronáuticas como de generación eléctrica. La estabilidad microestructural de las superlaciones y sus excepcionales propiedades como resistencia a alta temperatura, resistencia a creep y su resistencia a corrosión y oxidación, que son resultado de su compleja estructura y tratamientos [1]. Las hacen la mejor opción para las etapas de más altas exigencias de los motores. En la siguiente imagen se muestra una turbina aeronáutica, con sus diferentes componentes y sus aleaciones:

Imagen 1. Turbina aeronáutica y sus aleaciones [2]

Imagen 1. Turbina aeronáutica y sus aleaciones [2].

En las etapas donde las exigencias a altas temperaturas son mayores se utilizan súper aleaciones base níquel como se muestra en la imagen o base cobalto por sus excelentes propiedades a altas temperaturas, el acero inoxidable es otra opción más económica y más ligera, aunque por sus inferiores propiedades a altas temperaturas no sirve para las etapas finales de la turbina, aunque si para piezas complementarias [2].

Estas aleaciones de acero poseen buenas propiedades mecánicas y contra la corrosión y la oxidación. En el presente artículo se van a estudiar dos casos de interés como son las uniones base cobalto con base níquel y base níquel con aceros inoxidables mediante soldaduras por resistencia y soldadura laser.

Recientemente el centro de fabricación de avanzada aeronáutica (CFAA) ha adquirido una máquina de soldadura por resistencia Soudax Genius 15KA, se trata de una máquina de soldadura de media frecuencia de corriente continua. Esta máquina aporta nuevas líneas de investigación en el campo de la soldadura junto con la célula de soldadura robotizada KUKA, que dispone de tecnologías de soldadura por arco eléctrico (TIG, MIG y PAW) y la máquina de soldadura laser Trumpf TruLaser 3000.

Imagen 2. Nueva máquina de soldadura Soudax Genius 15KA [8]

Imagen 2. Nueva máquina de soldadura Soudax Genius 15KA [8].

Gracias a esta nueva máquina se abren nuevas líneas de investigación como el estudio de soldaduras por resistencia en superaleaciones base níquel para el sector aeronáutico, por ejemplo, para la mejora de la estrategia de soldadura de los paneles HoneyComb, fabricados con superaleaciones base níquel. Estas piezas son indispensables para el correcto funcionamiento del motor aeronáutico, actuando como sello para disminuir las pérdidas de presión entre etapas de la turbina.

El presente artículo se va a centrar en el estudio de soldaduras de materiales disimilares mediante soldadura por resistencia (RSW) y soldadura laser (LBW). Mediante RSW se va a estudiar la soldabilidad entre superaleaciones base níquel y aceros austeníticos y mediante LBW entre superaleaciones base níquel y superaleaciones base cobalto.

2. Materiales y métodos

2.1 Materiales

Para este estudio se ha decidido utilizar como superaleación base níquel el Inconel 718, material ya implementado en las turbinas, Acero inoxidable austenítico AISI 321, utilizado por sus buenas propiedades frente a la corrosión y a la oxidación y Haynes 25, una superaleación de base cobalto que tiene gran interés para aplicaciones de altas temperaturas.

A la hora de soldar dos materiales por resistencia es interesante conocer su resistividad, ya que esta tecnología suelda por el efecto de Joule, y la resistencia es uno de los factores inherentes del proceso, por lo que la soldadura tenderá a crecer hacia el material más resistivo pues este recibirá más calor [3].

Por otra parte, a la hora de soldar materiales disimilares mediante soldadura laser se debe tener en cuenta la conductividad térmica que posee el material, ya que el que es más conductor trasmitirá más calor a la pieza y el cordón crecerá más hacia ese material.

En los dos casos que se van a presentar, las características mencionadas entre las parejas son bastante similares. El Inconel 718 tiene una conductividad eléctrica menor que el AISI 321 y una conductividad térmica mayor que el Haynes 25.

p [g/cc] Λ(20 ºC) [W/mK] Λ(500 ºC) [W/mK] Ω (20 ºC) [µΩmm2/m] Ω (500 ºC) [µΩmm2/m]
Inconel 718 8,19 11,40 14,60 1,25 1,30

AISI 321

7,95 16,30 21,40 0,73 1,20
Haynes 25 9,13 9,04 18,70 0,88 0,98

Tabla 1. Propiedades físicas de los diferentes materiales ensayados.

2.2 Métodos

Como se ha mencionado se van a estudiar dos tecnologías de soldadura, la soldadura laser y la soldadura por resistencia, la LBW es una soldadura con una relación ancho/penetración de cordón muy buena, aunque la inversión inicial de máquina es mayor que en caso de las soldaduras de arco o RSW, las soldaduras que se obtienen son de gran calidad. Gracias a su relación ancho/penetración permite soldar piezas de gran espesor sin necesidad de preparación de junta, en la siguiente imagen se muestra una comparativa entre diferentes cordones de soldadura:

Imagen 3. Comparativa entre diferentes soldaduras [4]
Imagen 3. Comparativa entre diferentes soldaduras [4].

La soldadura por resistencia está principalmente implementada para el sector automovilístico por su velocidad de soldadura y bajo coste, sin embargo, también tiene cabida en el sector aeronáutico. Estas soldaduras presentan cadencias de hasta 500 soldaduras por minuto [8].

A continuación, se exponen los dos casos de estudio.

3. Caso 1: Soldadura por resistencia de AISI 321 con Inconel 718

3.1 Obtención de parámetros y preparación de la probeta

Como ya se ha mencionado los parámetros más importantes en este proceso son los que implica el efecto Joule: intensidad, resistencia y tiempo.

Para que sufra menos el material y el electrodo y además se consiga una soldadura con mejores propiedades mecánicas se va a emplear una soldadura en dos pulsos con un enfriamiento intermedio [5].

El primer pulso precalienta la pieza para que coja temperatura con unas condiciones poco energéticas que no lleguen a soldar la pieza y después se le aplica un segundo pulso que es el que creará un punto fuerte que unirá los dos materiales. El enfriamiento intermedio no afecta a la pieza porque será muy corto y la conductividad térmica de los materiales no es buena, en cambio los electrodos, de aleaciones de cobre, tienen una conductividad mucho mayor y les dará tiempo a perder algo de calor, prolongando la vida de los mismos, y así abaratando las operaciones de mantenimiento de la máquina.

Imagen 4. Soldadura por resistencia
Imagen 4. Soldadura por resistencia.

Para el presente estudio se realiza un barrido del segundo pulso de la soldadura según la norma UNE-EN ISO 14327, para obtener el área de soldabilidad de la pareja, para ello se modifican parámetros de tiempo e intensidad del segundo pulso manteniendo los parámetros del primer pulso y del enfriamiento constantes.

Una vez hecho el barrido de parámetros se ha obtenido el área de soldabilidad de la pareja, el área viene delimitada por una unión débil por el límite inferior (línea naranja) y por la aparición de proyecciones por el límite superior (línea azul).

Imagen 5. Área de soldabilidad
Imagen 5. Área de soldabilidad.

Por la tendencia de los límites de soldabilidad se puede deducir que son parametros donde el aporte energético se mantiene constante a lo largo de los limites. No se ha continuado con el estudio del área después de 500 ms porque es el tiempo máximo de pulso que permite la máquina de soldadura.

Para este estudio se ha decidido escoger un punto del interior del area, para su análisis, evitando escoger un punto cercano a los limites por evitar que perturbaciones externas al proceso hagan que la soldadura sea invalida, por ello se ha elegido usar 1.800 A 400 ms.

Con esas condiciones se han fabricado dos probetas de dos chapas planas, a las que se tomografiarán, una de ellas se cortará para su inspección metalográfica y la otra se romperá para analizar el pelado. A la hora de fabricar las probetas hay que prestar especial atención a la limpieza de las mismas, ya que cualquier grasa o suciedad podría crear defectos en la soldadura, por ello antes de soldar se limpian las chapas con acetona y se preparan los cantos para evitar derivaciones de corriente.

3.2 Análisis de la probeta

Una de las formas más rápidas de analizar la calidad de una soldadura de RSW es monitorizando la señal y analizando que en la gráfica de la tensión no se produzca ningún salto brusco, lo que indicaría que la resistencia ha disminuido, lo cual suele suponer proyecciones que invalidarían la soldadura. Se ha monitorizado la señal para comprobar que el proceso de soldadura ha trascurrido de forma correcta mediante un sensor externo para soldaduras por resistencia.

Imagen 6. Gráficas de soldadura mediante RSW
Imagen 6. Gráficas de soldadura mediante RSW.

Como se ve en las gráficas, la resistencia durante el primer pulso se mantiene alta, eso representa que no consigue este primer pulso generar fusión, y se ve como según aumenta el tiempo va aumentando, eso es porque la resistencia eléctrica aumenta con la temperatura, por lo que se deduce que se precalienta la zona a soldar, y después desciende bruscamente al inicio del segundo pulso, eso representa gráficamente la formación de un punto de soldadura, y no se aprecia ningún descenso brusco de la resistencia, lo cual indica que es un punto sano. Al inicio de cada punto de soldadura se ve un pico de intensidad lo cual es normal en cualquier proceso eléctrico de estas características.

Lo siguiente será analizar visualmente que no tenga ningún defecto como grietas en la huella de la soldadura o derivaciones de corriente en los bordes de las chapas. Una vez que se ha inspeccionado visualmente, y se ha comprobado que la soldadura no presenta ningún defecto superficial, se ha realizado una tomografía para corroborar lo que ha indicado la monitorización de la soldadura sin necesidad de destruir la probeta:

Imagen 7. Tomografía de la probeta soldada por RSW
Imagen 7. Tomografía de la probeta soldada por RSW.

La aparición de poros en este tipo de soldadura es normal y es un indicador de que el material se ha fundido, aun así, es interesante que el poro sea lo más pequeño posible y que este centrado en la soldadura [6].

En el presente caso el poro en comparación con el punto no es grande y está centrado en el punto, es esférico y no parece que presente aristas.

El siguiente paso será cortar una probeta para analizar la microestructura de la soldadura. Se ha llevado a cabo un procedimiento de análisis metalográfico estándar, corte, encapsulado, pulido y por último se ha atacado químicamente con el reactivo Kalling II, para revelar el punto de soldadura.

Imagen 8. Metalografía probeta soldada por RSW
Imagen 8. Metalografía probeta soldada por RSW.

El punto no es simétrico, se observa un crecimiento mayor hacia el Inconel, tal y como se ha supuesto por la resistividad eléctrica que tienen los materiales del estudio.

En el punto de soldadura se aprecia una estructura martensítica, por lo que esta zona será más frágil que el material base, aunque también presentará un módulo elástico mayor. Es importante analizar en la metalografía la zona afectada térmicamente, ZAT, la zona que no ha llegado a fundir el material, pero ha estado en contacto directo con el baño fundido, en busca de defectos que podrían constituir puntos débiles de la probeta, ya que en caso de que aparezcan estructuras martensíticas serán zonas por donde puede ocurrir un fallo que fragilizará la estructura, en el caso que se está estudiando, en la ZAT se aprecia un crecimiento de grano con respecto a la estructura del material base pero no estructuras martensíticas [5], [7].

El siguiente análisis que se le realizará a la unión será un pelado, para posterior análisis de la zona del arranque del material. Este es el ensayo más común para este tipo de soldaduras junto con el análisis de las gráficas de soldadura, es rápido y no precisa de ningún equipamiento especial más allá de unos simples alicates.

Una vez realizado el ensayo, se ha analizado y se ha observado una rotura por la unión de la soldadura, además, se aprecia que ha habido arranque de material en ambas chapas.

Este tipo de soladura tiene dos formas de romper, por la unión (se denomina IF), y por la zona afectada térmicamente de la soldadura (se denomina PF). En el caso que se presenta aquí ha tenido una ruptura IF [5]. Una ruptura IF indica un punto balanceado, las rupturas PF pueden suponer soldaduras sobre dimensionadas.

Imagen 9. Ensayo de pelado de la probeta
Imagen 9. Ensayo de pelado de la probeta.

4. Caso 2: Soldadura laser de Haynes 25 con Inconel 718

4.1 Obtención de parámetros y preparación de la probeta

Los parámetros más influyentes en la soldadura laser son la potencia, la velocidad de avance y la distancia focal. Se han realizado unos ensayos sobre chapas planas de ambos materiales para obtener parámetros adecuados antes de soldar sobre junta, una vez obtenidos parámetros sobre chapa plana se han repetido sobre junta a tope.

Se ha seleccionado unos parámetros donde la máquina da su máxima potencia, 3KW, soldando a velocidades relativamente altas.

Para preparar la probeta se han limpiado ambas chapas con acetona a fin de eliminar posibles restos de grasas e impurezas que puedan generar defectos en la soldadura.

El reposicionamiento de junta integrado en la máquina de soldadura Trumpf ha facilitado la programación de la trayectoria del cabezal, ya que con esta tecnología se asegura de que el cabezal de soldadura se mueva por el centro de la junta. Una vez comprobada la trayectoria se ha soldado una probeta, que se ha radiografiado y cortado para el posterior análisis metalográfico.

Imagen 10. Máquina de soldadura laser Trumpf Trulaser cell 3000
Imagen 10. Máquina de soldadura laser Trumpf Trulaser cell 3000.

4.2 Análisis de la probeta

De la misma forma que se ha hecho con la probeta de soldadura por resistencia lo primero ha sido analizar visualmente la probeta en busca defectos, en el caso de esta tecnología se buscan indicaciones como mordeduras, grietas, proyecciones u otros defectos. Asimismo, se ha de verificar que la raíz de la soldadura es constante y sin oxidaciones. Una vez verificado el correcto estado de la soldadura, se ha radiografiado.

Imagen 11. Probeta soldada por LBW (arriba) y radiografía de la soldada (abajo)
Imagen 11. Probeta soldada por LBW (arriba) y radiografía de la soldada (abajo).

La radiografía ha revelado una soldadura sana, sin poros y continua a lo largo del cordón. Es de mencionar que en la radiografía se aprecia con claridad la diferencia de densidades entre los dos materiales del estudio, la superaleación base níquel tiene una densidad de 8.19g/cm3 mientras que la base cobalto de 9.13g/cm3 y eso se aprecia con claridad en la diferencia de los grises de la radiografía. En caso de aplicar este proceso a piezas reales se recomienda evitar el principio y final de la soldadura, ya que es más posible que generen defectos como faltas de fusión o grietas, se pueden evitar estos defectos fácilmente utilizando apéndices que se eliminen una vez soldada la pieza.

El siguiente análisis que se realizará a la probeta será el metalográfico, se ha llevado a cabo un procedimiento de análisis metalográfico estándar, corte, encapsulado, pulido y por último se ha atacado químicamente con el reactivo Kalling II, para revelar la soldadura, al igual que en el anterior estudio. El ataque utilizado no es el más apropiado para las aleaciones base cobalto, pero eso permite apreciar la difusión del Inconel 718 en la zona soldada sobre el Haynes 25. También se ha comprobado la correcta geometría del cordón.

Imagen 12. Metalografía de la probeta soldada por LBW
Imagen 12. Metalografía de la probeta soldada por LBW.

En este corte se aprecia como el cordón tiende a crecer algo más hacia el Inconel 718, debido a su mayor conductividad térmica como ya se ha mencionado anteriormente. También se aprecia en las zonas más blanquecinas de la soldadura como la difusión entre en Inconel 718 y el Haynes 25 es buena en el cordón de soldadura.

En esta soldadura también se aprecia la estructura martensítica en forma de agujas, además de eso en este corte se ve alguna estructura dendrítica proveniente de la solidificación del baño de soldadura [5].

Prácticamente no se aprecia zona afectada térmicamente, debido a que el calor que aporta la soldadura laser es muy concentrado, y por su alta velocidad la pieza se ve muy poco afectada térmicamente.

El estudio metalográfico también ha permitido analizar la geometría de la soldadura. No se aprecian ángulos prominentes entre la soldadura y el material base, tanto el ancho en raíz como en cara son correctos y no existe una concavidad excesiva por lo que se puede considerar una soldadura buena.

5. Conclusiones

En el presente artículo se ha demostrado la viabilidad de uniones soldadas entre dos parejas de materiales con interés aeronáutico, con el fin de poder aplicar estos materiales en turbinas que sean más eficientes, contaminen menos y sean más silenciosas.

Los beneficios de haber conseguido unir el Inconel 718 con AISI 321 son los de abaratar y reducir peso de la turbina en zonas de no tanta exigencia térmica y mecánica. Por otro lado, el objetivo de unir Inconel 718 con Haynes 25 es poder utilizar aleaciones que son capaces de trabajar a más altas temperaturas, como son las base cobalto, pudiendo así aumentar la temperatura de trabajo de la turbina, produciendo más energía, haciendo más eficientes los motores.

Es de mencionar que este estudio se ha realizado sobre probetas de chapas planas, para poder aplicar el estudio a piezas reales conviene tener en cuenta las características intrínsecas de las propias piezas, geometría, accesibilidad etc.

6. Bibliografía

1. Bemani, M., & Pouranvari, M. (2020). Microstructure and mechanical properties of dissimilar nickel-based superalloys resistance spot welds. Materials Science and Engineering A, 773(December 2019), 138825. https://doi.org/10.1016/j.msea.2019.138825

2. Romero-Jabalquinto, A., Velasco-Téllez, A., Zambrano-Robledo, P., & Bermúdez-Reyes, B. (2016). Feasibility of manufacturing combustion chambers for aeronautical use in Mexico. Journal of Applied Research and Technology, 14(3), 167–172. https://doi.org/10.1016/j.jart.2016.05.003

3. Vigneshkumar, M., Balu Mahandiran, S., Ashoka varthanan, P., Barath, D., Dhyaneswar, U., & Varun, P. (2021). Challenges and possibilites in the resistance spot welding of dissimilar metals – A review. Materials Today: Proceedings, (xxxx), 1–4. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2021.01.238

4. Guo, J., Tang, C., Rothwell, G., Li, L., Wang, Y., Yang, Q., & Ren, X. (2019). Welding of High Entropy Alloys — A Review, 1–17.

5. Soomro, I. A., & Pedapati, S. R. (2019). Application of in situ post weld heat treatment using double pulse technology and its effect on microstructure and mechanical performance of resistance spot welded HSLA350 steel. International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 105(7–8), 3249–3260. https://doi.org/10.1007/s00170-019-04569-2

6. Tu, Y., Qiu, R., Shi, H., Yu, H., & Zhang, K. (2011). Analyses of influencing factors of pore formation during resistance spot welding of magnesium alloy. Advanced Materials Research, 291–294, 2885–2888. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/AMR.291-294.2885

7. Aghayar, Y., Naghashzadeh, A. R., & Atapour, M. (2021). An assessment of microstructure and mechanical properties of inconel 601/ 304 stainless steel dissimilar weld. Vacuum, 184(November 2020), 109970. https://doi.org/10.1016/j.vacuum.2020.109970

8. https://soudax.com/es/

Comentarios al artículo/noticia

Nuevo comentario

Atención

Los comentarios son la opinión de los usuarios y no la del portal. No se admiten comentarios insultantes, racistas o contrarios a las leyes vigentes. No se publicarán comentarios que no tengan relación con la noticia/artículo, o que no cumplan con el Aviso legal y la Política de Protección de Datos.

Advertencias Legales e Información básica sobre Protección de Datos Personales:
Responsable del Tratamiento de sus datos Personales: Interempresas Media, S.L.U. Finalidades: Gestionar el contacto con Ud. Conservación: Conservaremos sus datos mientras dure la relación con Ud., seguidamente se guardarán, debidamente bloqueados. Derechos: Puede ejercer los derechos de acceso, rectificación, supresión y portabilidad y los de limitación u oposición al tratamiento, y contactar con el DPD por medio de lopd@interempresas.net. Si considera que el tratamiento no se ajusta a la normativa vigente, puede presentar una reclamación ante la AEPD.

Suscríbase a nuestra Newsletter - Ver ejemplo

Contraseña

Marcar todos

Autorizo el envío de newsletters y avisos informativos personalizados de interempresas.net

Autorizo el envío de comunicaciones de terceros vía interempresas.net

He leído y acepto el Aviso Legal y la Política de Protección de Datos

Responsable: Interempresas Media, S.L.U. Finalidades: Suscripción a nuestra(s) newsletter(s). Gestión de cuenta de usuario. Envío de emails relacionados con la misma o relativos a intereses similares o asociados.Conservación: mientras dure la relación con Ud., o mientras sea necesario para llevar a cabo las finalidades especificadasCesión: Los datos pueden cederse a otras empresas del grupo por motivos de gestión interna.Derechos: Acceso, rectificación, oposición, supresión, portabilidad, limitación del tratatamiento y decisiones automatizadas: contacte con nuestro DPD. Si considera que el tratamiento no se ajusta a la normativa vigente, puede presentar reclamación ante la AEPD. Más información: Política de Protección de Datos

REVISTAS

TOP PRODUCTS

NEWSLETTERS

  • Newsletter Aeronáutica

    19/03/2024

  • Newsletter Aeronáutica

    05/03/2024

ENLACES DESTACADOS

Advanced FactoriesJEC Composites Show

ÚLTIMAS NOTICIAS

EMPRESAS DESTACADAS

OPINIÓN

OTRAS SECCIONES

SERVICIOS