Hornos para perfeccionamiento de uniones por difusión

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Durante muchos años, la unión por difusión se ha utilizado para adherir metales de alta resistencia y refractarios que son difí­ciles o imposibles de soldar por otros medios. El proceso —que implica la aplicación de altas temperaturas y presiones a metales similares o diferentes que se acoplan en una prensa caliente— hace que los átomos de las superficies metálicas sólidas se intercalen y se unan.

A diferencia de las técnicas tradicionales de soldadura fuerte, la unión resultante muestra la resistencia a la temperatura de los metales básicos. También elimina la necesidad de material de relleno que afecte el peso final y las dimensiones de los metales acoplados.

A pesar de sus beneficios, el uso de la unión por difusión se ha visto limitado por consideraciones más prácticas. Especí­ficamente, la limitación de tamaño de la cámara del horno, así­ como los lí­mites a la cantidad y uniformidad de la presión aplicada en toda el área de superficie de la pieza. Los tiempos de ejecución también son largos, a menudo duran un dí­a completo.

Ahora, los avances en las prensas de alto vací­o utilizadas para la unión por difusión están eliminando muchas de esas restricciones.

El equipo más avanzado ahora brinda un control de presión superior, retroalimentación de transductores de presión integrados, pruebas fí­sicas de tinta que muestran variaciones en la presión en la superficie y sistemas de enfriamiento rápido para mejorar la unión, aumentar los rendimientos e incrementar significativamente el tiempo de ciclo.

Esto tiene ramificaciones para un número creciente de industrias. La unión por difusión ya se utiliza para crear formas complejas para las industrias electrónica, aeroespacial y nuclear para artí­culos como fuselajes, accesorios de actuadores, muñones de tren de aterrizaje, armazones de góndola y barras de control nuclear.

Sin embargo, hoy en dí­a se utiliza cada vez más para nuevas aplicaciones para productos que van desde palas de turbinas hasta dispositivos médicos, intercambiadores de calor e incluso baterí­as de litio.

También se está usando para un proceso revolucionario de fabricación aditiva llamado Laminated Objection Manufacturing (LOM). En este enfoque, se adhieren láminas de metal delgadas de 1 a 2 mm en lo que es esencialmente un proceso aditivo.

Los materiales tí­picos utilizados en estos productos que se sueldan mediante unión por difusión incluyen acero inoxidable, titanio, circonio, berilio, aluminio de alta aleación, Inconel y tungsteno. El proceso también se usa para soldar metales diferentes como cobre a titanio, cobre a aluminio, cobre a tungsteno e incluso molibdeno a aluminio.

Las láminas en capas pueden cortarse con láser de manera que cuando se combinan crean canales de enfriamiento, por ejemplo, se utilizan para disipar el calor. El "sándwich" final con todas sus capas se puede mecanizar utilizando el equipo tradicional de torneado y fresado CNC, si es necesario.

Tratamiento con prensas integradas

Debido a que la unión por difusión es un producto de calor y presión, los elementos de calentamiento y la prensa hidráulica integrada desempeñan un papel clave en la calidad de la unión final.

Para que los átomos de dos superficies sólidas y metálicas se interpenetren, tí­picamente deben estar a aproximadamente el 50-70 % de la temperatura de fusión absoluta de los materiales. Para lograr estas temperaturas, las superficies se calientan en un horno o por resistencia eléctrica a temperaturas tan altas como 1400ËšC.

La presión se aplica mediante una prensa hidráulica o pesos muertos. Debido a que las dos piezas de acoplamiento deben estar en contacto í­ntimo entre sí­, los accesorios se utilizan a menudo. Una vez sujeta, la presión y el calor se aplican a los componentes, generalmente durante muchas horas.

Dado que la oxidación también puede afectar la unión, la mayorí­a de los hornos de tratamiento térmico funcionan bajo un alto vací­o.

Controles más precisos

Si bien estos son elementos comunes del proceso, la pieza faltante hasta la fecha ha sido el control preciso de cada uno.

En el caso de la presión aplicada, por ejemplo, las prensas hidráulicas de un solo cilindro integradas pueden aplicar una cantidad de fuerza constante y medible, pero esto proporciona muy poco control sobre piezas grandes con geometrí­as más complejas.

Para compensar, deben usarse placas de presión de grafito gruesas (10 "-15" en altura) para unir las capas de metal a una presión más constante. Desafortunadamente, esto ocupa espacio en el horno mientras que aumenta el tiempo para calentar las superficies de los metales.

Sin embargo, hoy en dí­a, los fabricantes lí­deres como PVA TePla de Corona, California, ofrecen sistemas de varios cilindros con grandes placas de presión que pueden acomodar una variedad de piezas. El MOV 853 HP más grande de la compañí­a puede procesar piezas de hasta 900 mm (35,43") x 1250mm (49,21"), que es bastante grande para la unión por difusión. La fuerza de prensado es de 4.000 kN.

Al controlar cada cilindro de forma independiente, la prensa integrada proporciona una presión extremadamente constante en toda la superficie. El MOV también viene con transductores de presión integrados a lo largo de la parte inferior de la placa de presión. Según las lecturas, los cilindros hidráulicos individuales se pueden ajustar para lograr uniformidad incluso en grandes áreas.

PVA TePla ha optimizado un método de prueba de tinta fí­sica que puede realizarse para identificar áreas en la parte donde se está aplicando una presión desigual.

Para una mayor uniformidad de la temperatura, el sistema MOV utiliza seis calentadores para la uniformidad de la temperatura dentro de la cámara, en lugar de los uno o dos habituales, para una temperatura de operación máxima de hasta 1.400 ° C. El enfriamiento rápido reduce la temperatura rápidamente, por lo que las partes se pueden quitar en aproximadamente la mitad del tiempo sin riesgo de agrietamiento u otros daños.

Con un control de temperatura superior y múltiples cilindros hidráulicos en la prensa, se pueden usar placas de fijación mucho más delgadas (menos de 3"), lo que libera espacio en el horno y permite mayores tiempos de ciclo debido al calentamiento más rápido de las superficies a las temperaturas deseadas.

Objetos laminados

Hoy en dí­a, el proceso de unión por difusión se está utilizando para una nueva tecnologí­a de aditivos llamada Fabricación de Objetos Laminados (LOM por su sigla en inglés). Esto tiene tremendas aplicaciones potenciales para el enfriamiento conforme.

Las piezas se diseñan utilizando programas de modelado CAD 3D tradicionales, y luego se dividen en secciones de dos capas que equivalen al grosor de cada lámina de metal. El tiempo de procesamiento es similar a la impresión en 3D con un costo de inversión similar; sin embargo, se pueden producir piezas más grandes, sin ninguna restricción con respecto a los materiales.

Un buen ejemplo del proceso aditivo de la unión por difusión es para los intercambiadores de calor, que generalmente están hechos de aluminio. Los intercambiadores de calor de circuito de mezcla generalmente están hechos de acero inoxidable o incluso de titanio y aleaciones de titanio.

Con LOM, el concepto es unir capas de chapa que contienen estructuras de microcanales mecanizadas. Cuando se combinan, los canales pueden proporcionar enfriamiento o disipación de calor. Las capas se pueden unir hasta una altura de 600 mm en la prensa de unión por difusión MOV que mantiene la resistencia como materiales primarios.

Otra aplicación relacionada con el enfriamiento conforme es para moldes de inyección de plástico hechos en diseños de dos capas de herramientas de acero y materiales tales como acero inoxidable (STAVAX).

Los canales de enfriamiento conformes son pasajes de enfriamiento que siguen la forma o el perfil del núcleo del molde o la cavidad para realizar un proceso de enfriamiento uniforme rápido para los procesos de inyección y moldeo por soplado.

Con el diseño LOM de múltiples capas, los diseños de canales de enfriamiento más complejos se pueden incorporar en los moldes de inyección, lo que permite el uso de presiones más altas. Esto aumenta significativamente los tiempos de ciclo hasta en un 40 % al tiempo que mejora la calidad del producto.

Aplicaciones futuras

Ya sea que se aplique en capas o simplemente para unir dos partes, el proceso de unión por difusión es ideal para unir materiales refractarios y otros materiales aleados de alta resistencia sin necesidad de soldadura fuerte.

Aunque ha existido durante décadas, con un control más preciso de la temperatura y la uniformidad de la presión en grandes piezas, la unión por difusión abre enormes posibilidades para una variedad de productos de la próxima generación.

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