Comparativa TIG y CMT para la unión de chapas finas

En el contexto actual, marcado por una creciente concienciación social sobre los problemas medioambientales a escala global, la industria se enfrenta al reto de desarrollar tecnologías más eficientes y sostenibles. En este sentido, la mejora del rendimiento de las máquinas —reduciendo emisiones contaminantes, niveles de ruido y consumo energético— se ha convertido en una prioridad estratégica. El sector aeronáutico es un claro ejemplo de esta tendencia, ya que opera bajo condiciones de funcionamiento extremadamente exigentes que requieren soluciones tecnológicas avanzadas.

Los motores aeronáuticos, y en particular sus turbinas, trabajan en entornos donde las temperaturas pueden superar los 1.000 °C. Muy pocos materiales son capaces de mantener sus propiedades mecánicas y estructurales en estas condiciones extremas. Por este motivo, se emplean habitualmente superaleaciones basadas en níquel y cobalto, diseñadas específicamente para resistir altas temperaturas, esfuerzos mecánicos elevados y fenómenos como la fluencia o la oxidación. El uso de estos materiales de altas prestaciones implica, a su vez, una intensa actividad de investigación orientada tanto a la mejora de sus propiedades como a la optimización de los procesos de fabricación asociados.

Uno de los principales desafíos que plantean estas superaleaciones es su procesado, especialmente en las tecnologías de unión. En las últimas décadas se han producido avances significativos en los métodos de soldadura, con el objetivo de obtener uniones más fiables, homogéneas y de alta calidad. Entre estas tecnologías, la soldadura por láser ha adquirido un papel destacado en sectores como el aeronáutico y el energético, debido a su elevado control del proceso y al bajo aporte térmico, que minimiza las distorsiones y los cambios microestructurales del material.

No obstante, procesos de soldadura convencionales y altamente consolidados, como la soldadura GMAW (Gas Metal Arc Welding), también han experimentado una notable evolución. Gracias a estos desarrollos, sectores con elevados niveles de exigencia técnica están incorporando estas tecnologías en sus procesos de fabricación. En particular, las variantes de GMAW de bajo aporte térmico, desarrolladas por distintos fabricantes de equipos de soldadura, se presentan como una alternativa eficaz y más económica frente a procesos de alta tecnología como la soldadura por haz de electrones o la soldadura láser, manteniendo elevados estándares de calidad y fiabilidad en las uniones obtenidas.

Aunque en las zonas más calientes de los motores aeronáuticos no suelen encontrarse componentes unidos mediante procesos de soldadura, sí existen numerosos elementos fabricados con aleaciones de base níquel situados en regiones próximas y externas a la turbina. En estos componentes, las uniones soldadas son habituales y desempeñan un papel clave en la integridad estructural del conjunto.

Muchos de estos elementos externos presentan espesores muy reducidos, lo que convierte el proceso de unión en un desafío tecnológico. Durante la soldadura, el aporte térmico puede generar distorsiones significativas, afectando tanto a la geometría final de las piezas como a sus propiedades mecánicas. Por ello, la selección de la tecnología de soldadura adecuada resulta fundamental para garantizar la calidad y fiabilidad del componente final.

En este contexto, el Centro de Fabricación Avanzada Aeronáutica (CFAA) ha incorporado recientemente una máquina de soldadura GMAW equipada con el proceso denominado CMT (Cold Metal Transfer). Esta tecnología de soldadura por arco se caracteriza por un control preciso de la transferencia del metal de aporte y por un aporte térmico notablemente reducido en comparación con el proceso GMAW convencional, lo que la hace especialmente adecuada para la unión de componentes de bajo espesor.

Por su parte, la soldadura TIG (Tungsten Inert Gas) constituye un proceso ampliamente consolidado en la industria que destaca por ofrecer una excelente calidad de acabado y un control riguroso del arco y del baño de fusión, posicionándose tradicionalmente como la tecnología de referencia para la unión de componentes de bajo espesor. Sin embargo, su menor velocidad de soldadura en comparación con los procesos de hilo continuo y el riesgo de inducir distorsiones debido al calor acumulado justifican la necesidad de evaluar y comparar sus resultados frente a otras soluciones automatizadas y eficientes.

1. Material de aporte y material base

Tal como se ha indicado previamente, el material empleado para las chapas es la aleación Alloy 718. En el presente estudio se emplea un espesor de 1mm en las probetas, con dimensiones nominales de 150 × 50 mm.

El material utilizado para los aportes es también Alloy 718 de 1 mm de diámetro, cuya composición se detalla en la tabla 1:

El Alloy 718 es una superaleación base níquel ampliamente utilizada en los sectores aeronáutico y energético debido a su elevada resistencia mecánica, buena resistencia a la corrosión y capacidad para mantener sus propiedades a altas temperaturas. Asimismo, presenta una buena soldabilidad en comparación con otras superaleaciones endurecibles por precipitación, lo que justifica su selección para el presente estudio.

2. Equipo de reparación soldadura hilo (CMT)

Todos los ensayos se han llevado a cabo en la célula de soldadura robotizada del CFAA. Esta célula cuenta con un robot y diferentes ejes adicionales para un total de 10 ejes programables, así como cámaras de visión del baño fundido. Este sistema robótico trabaja en conjunto con una fuente de potencia Fronius TPS 500i, un equipo multiproceso de última generación que ha sido configurado para operar principalmente con la tecnología CMT (Cold Metal Transfer).

1. Campaña experimental CMT

La estrategia a seguir para la tecnología CMT consistió en la realización de varios cordones de soldadura utilizando diferentes parámetros para determinar cuáles son los óptimos para la unión de dos chapas finas. Los principales son la corriente, la velocidad de soldadura y la estrategia de aporte (CycleStep). El gas empleado como protección y de respaldo (backing gas) fue Argón.

Las características de los cordones a evaluar son: la zona térmicamente afectada (ZAT), la raíz, la dilución entre los materiales y la altura del cordón.

Durante la campaña experimental se realizaron múltiples cordones variando los parámetros de proceso con el objetivo de identificar aquellas configuraciones capaces de proporcionar una penetración adecuada con una geometría estable del cordón. En la primera fase se evaluaron diferentes combinaciones de intensidad y velocidad de soldadura sin emplear la estrategia CycleStep. Posteriormente, en la segunda fase, se repitió el estudio activando dicha estrategia para analizar su influencia sobre la estabilidad del proceso y la calidad de la unión.

Para el caso de soldaduras realizadas en la segunda fase, los parámetros de CycleStep que se utilizaron fueron 10 ciclos por punto con un intervalo de 0,05 segundos.

La selección de los cordones óptimos se realizó a partir de una evaluación visual y geométrica de las muestras obtenidas. Como criterios de selección se consideraron la continuidad del cordón, la correcta formación de la raíz, la ausencia de defectos visibles y la adecuada dilución con el material base. A partir de estos criterios, los cordones CMT_1 y CMT_2 fueron identificados como las configuraciones más representativas y con mejores resultados dentro de cada estrategia de proceso.

2. Campaña experimental TIG

La campaña experimental para la tecnología TIG se dividió en dos estrategias de unión diferentes para las chapas. La primera consistió en la ejecución de un cordón con aporte de material, mientras que la segunda variante se realizó mediante soldadura sin hilo de aporte. Una vez más, tanto el gas de protección como el backing gas utilizado fue Argón.

Tras la preparación metalográfica de las probetas y la realización del ataque químico correspondiente, se procedió al análisis de las secciones transversales obtenidas mediante microscopía óptica. La zona térmicamente afectada (ZAT) se determinó a partir de las diferencias microestructurales observadas entre el material base y las regiones afectadas por el ciclo térmico de la soldadura. Las mediciones se realizaron mediante software de análisis de imagen, registrando el ancho máximo de la ZAT en cada sección analizada. Con el fin de mejorar la representatividad de los resultados, se realizaron dos cortes por cada probeta y se calculó el valor medio de las medidas obtenidas.

1. Resultados CMT

Como se ha mencionado anteriormente, los cordones seleccionados para la inspección metalográfica fueron el CMT_1 y el CMT_2. A continuación se muestran las micrografías obtenidas de las probetas mencionadas, donde se ha analizado la geometría de los cordones obteniendo medidas del ancho y altura del cordón tanto en cara como en raíz, ángulos y ZAT para cada una de ellas.

A la vista de las metalografías analizadas, se observa una geometría de cordón con una gran altura en cara, siendo incluso mayor que el propio espesor de las chapas. No se aprecian defectos como grietas o poros.

2. Resultados TIG

Para el análisis de las muestras obtenidas mediante TIG, al igual que en las pruebas en CMT, se llevó a cabo el corte de las probetas y su posterior inspección metalográfica. Posteriormente, se midió la altura del cordón y descuelgue, el ZAT y los ángulos en cara del cordón. Una vez más, se realiza una media entre ambos cortes, obteniendo los resultados que se muestran en la siguiente tabla.

A continuación, se muestran las micrografías de dos cortes por cada cordón analizado:

Tabla 6. Medidas de los cordones de TIG.

En el análisis metalográfico de las probetas realizadas mediante soldadura TIG se observa cierto desempaño de las chapas. No obstante, la geometría de cordón es óptima, tanto en la muestra con aporte de hilo como en la que no se ha empleado aporte. En este caso, al igual que lo observado en CMT, no se aprecian defectos como grietas o poros.

La gráfica anterior resume los principales resultados obtenidos para las configuraciones seleccionadas de cada tecnología. Los datos muestran que la zona térmicamente afectada (ZAT) obtenida mediante CMT es claramente superior a la generada mediante TIG en las condiciones analizadas, registrándose los mayores valores en las configuraciones CMT. Dentro de la tecnología TIG, la soldadura con aporte presenta una ZAT algo mayor que la realizada sin hilo, situándose esta última en el valor más bajo del conjunto. Esta tendencia apunta a una mayor influencia térmica sobre el material base en el caso del CMT. Dado el reducido número de muestras, estas diferencias deben interpretarse como una tendencia y no como un resultado estadísticamente significativo.

Desde el punto de vista geométrico, ambas configuraciones evaluadas mediante CMT mostraron una correcta formación de la raíz y penetración homogénea a lo largo del cordón. En cara, por el contrario, se genera una altura excesiva que puede ser limitante para la validación de la unión bajo ciertas normas aplicadas en el sector aeronáutico, donde se busca obtener un cordón con ángulos en cara y raíz lo más próximos posible a 180°.

Por su parte, los ensayos realizados mediante TIG muestran una geometría de cordón adecuada tanto en cara como en la raíz, a pesar de que se observa cierto desnivel entre ambas chapas, producido por la deformación térmica durante la unión.

En el presente trabajo se ha llevado a cabo una comparación experimental entre las tecnologías de soldadura CMT y TIG para la unión de chapas finas de Alloy 718 de 1 mm de espesor. Los resultados obtenidos han permitido evaluar la calidad geométrica de las uniones, la formación de la raíz y la influencia del proceso sobre la zona térmicamente afectada.

Los resultados obtenidos ponen de manifiesto que tanto la tecnología CMT como la tecnología TIG son capaces de generar uniones satisfactorias en chapas de Alloy 718 de 1 mm de espesor. En todos los casos analizados se obtuvo una correcta unión entre las chapas y no se observaron defectos relevantes en las secciones metalográficas examinadas.

Los ensayos realizados mediante tecnología CMT permitieron identificar estrategias capaces de generar uniones consistentes. Sin embargo, tanto la estrategia convencional como la variante con CycleStep mostraron un crecimiento excesivo del cordón en cara, lo que nos lleva a la conclusión que el empleo de esta tecnología en ciertas aplicaciones, donde se requiere de un control geométrico del cordón muy exhaustivo, no sea viable. En este sentido, los componentes críticos de la turbina aeronáutica con procesos de unión mediante soldadura no son susceptibles de ser procesados mediante CMT.

Por su parte, los ensayos realizados mediante tecnología TIG permitieron obtener uniones de buena calidad tanto con aporte de material como sin él. Sin embargo, el análisis metalográfico mostró diferencias entre ambas estrategias, observándose una mayor extensión de la zona térmicamente afectada en la soldadura realizada con hilo de aporte.

La comparación de los resultados obtenidos indica que la tecnología CMT genera una zona térmicamente afectada superior a la de los procesos TIG para las condiciones estudiadas. No obstante, el CMT presenta ventajas asociadas al control de la transferencia de material y a la obtención de cordones homogéneos con una raíz adecuada, aspectos especialmente relevantes en la unión de componentes de reducido espesor, que pueden compensar su mayor afección térmica en determinadas aplicaciones.

A partir de los resultados obtenidos puede concluirse que la tecnología CMT constituye una alternativa viable a la soldadura TIG en aplicaciones de chapa fina en Alloy 718 bajo ciertas condiciones de control. En el contexto del sector aeronáutico, donde los criterios de evaluación de las uniones soldadas son muy restrictivos, la geometría del cordón CMT puede suponer un obstáculo a la hora de implementar esta tecnología como sustitutiva de la soldadura TIG. En este sentido, son otros los sectores que se pueden beneficiar de las ventajas de la soldadura CMT para la unión de chapas finas.

Equipo de Meltio en Ibarmia: orientados a la reparación de motores

El equipo de Meltio V2 integrado en la máquina Ibarmia THR 16 del CFAA está orientado principalmente a aplicaciones de reparación y recuperación de componentes metálicos. 
Esta solución permite aportar material de forma localizada sobre zonas dañadas, desgastadas o con pérdida de geometría, combinando las capacidades de fabricación aditiva metálica con la precisión y rigidez de una máquina-herramienta. De esta manera, el sistema resulta especialmente adecuado para operaciones de reparación funcional, reconstrucción de superficies, recuperación dimensional y alargamiento de la vida útil de componentes de alto valor añadido.
Con la prolongación de la vida de los aviones y motores dada la no posibilidad de satisfacer la demanda de nuevas aeronaves, surge con importancia la necesidad de MRO de motores de avión. MRO significa Maintenance, Repair and Overhaul, es decir, mantenimiento, reparación y revisión general de motores aeronáuticos.
En la práctica, incluye todas las actividades necesarias para que un motor de avión siga funcionando de forma segura y certificada durante su vida útil:

• Mantenimiento: inspecciones periódicas, limpieza, sustitución de consumibles, comprobación de parámetros de funcionamiento, análisis de vibraciones, temperaturas, presión, etc.
• Reparación: corrección de daños o desgaste en componentes del motor, por ejemplo, álabes, carcasas, sellos, cámaras de combustión o zonas erosionadas. Aquí pueden entrar tecnologías como soldadura, recargue, fabricación aditiva, mecanizado o recubrimientos. Y es aquí donde una solución combinada de máquina tipo fresadora más sistemas de aporte de material bien laser-polvo, o láser-hilo (Meltio) pueden tener una gran penetración, y como tal se está probando en el CFAA de Zamudio.
• Overhaul o revisión general: desmontaje parcial o completo del motor, inspección detallada de sus módulos, sustitución o reacondicionamiento de piezas críticas, montaje, equilibrado y pruebas en banco.

Cuáles son las claves de esta combinación:

1. Un cabezal multi-laser de aporte de hilo Meltio V2, con una potencia de hasta 1200W.
2. Una fresadora multiproceso, la Ibarmia THR, que además de fresar en cinco ejes, puede tornear y posee ciclos de rectificado.

Con esta combinación... ¿Qué podía salir mal? Nada, un equipo de aporte de metal muy fiable, en una máquina muy precisa. Se puede volar seguros.

Bibliografía / Referencias

• https://megamex.com/es/inconel-aleacion-718/ (Material de aporte y material base)
• Fronius International GmbH – Cold Metal Transfer (CMT) Welding Technology Overview. Manual técnico de procesos sinérgicos y curvas PMC/LSC. (Equipo de reparación soldadura hilo)
• ISO 15614-1 – Especificación y cualificación de procedimientos de soldeo para materiales metálicos — Parte 1: Soldeo por fusión.