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Metalurgia

Unión sellada

Una técnica inédita permite soldar aleaciones de titanio y de acero para su uso en la industria aeronáutica

MIGUEL BOYAYANSoldadura con láser: una fuente de alta energía la lleva a cabo con gran precisiónMIGUEL BOYAYAN

La fabricación de aviones y la producción de artefactos para la industria petroquímica cuentan ahora con una nueva tecnología que permitirá la soldadura de titanio con acero, dos materiales importantes para esas áreas y, al mismo tiempo, incompatibles químicamente. Este nuevo método se basa en el uso de una aleación de níquel ubicada entre estos dos materiales y el empleo de una soldadura con láser. Dicha innovación es importante, puesto que permitirá ampliar el uso de estos materiales en la producción de piezas del fuselaje, de las turbinas y del tren de aterrizaje de aeronaves, al margen de componer tuberías y tanques de almacenamiento en las áreas química y petrolífera. Tal novedad es producto de una alianza entre investigadores del Instituto de Investigaciones Energéticas y Nucleares (Ipen, sigla en portugués), el Centro Tecnológico de la Marina, con sede en São Paulo (CTMSP) y el Centro Técnico Aeroespacial (CTA) que redundó en un depósito de patente relativo al nuevo proceso en el Instituto Nacional de Propiedad Industrial (INPI).

“Se trata probablemente de una innovación mundial. Hasta donde nosotros sabemos, ningún grupo en Brasil o en el exterior había logrado soldar con éxito esos dos materiales”, dice el físico Milton Sérgio Fernandes de Lima, del Instituto de Estudios Avanzados (IEA) del CTA. De acuerdo con el investigador, el titanio y sus aleaciones son cada vez más usados como materiales estructurales en muchas aplicaciones industriales, en reemplazo del acero y el aluminio. Las ventajas del titanio radican principalmente en el hecho de que éste es un material inerte que posee una capa superficial impermeable a varias sustancias ácidas y alcalinas, además de los fluidos del cuerpo humano. Así, se vuelve más resistente a la corrosión y es biocompatible.

“El titanio posee también una excelente relación entre resistencia mecánica y peso y sus aleaciones ocupan el lugar del aluminio cuando la temperatura de operación se ubica arriba de los 130°, que es el momento en que ese material no puede usarse más”, dice. “Con todo, un obstáculo a la amplia utilización del titanio como material estructural reside en su baja resistencia al desgaste. Para paliar tal deficiencia, es necesario el empleo de aleaciones con mejores propiedades relacionadas con el rozamiento, el desgaste y la fatiga, como el acero”. El níquel fue escogido como material intermedio debido a que posee propiedades que lo hacen metalúrgicamente compatible con el acero y con el titanio.

Hasta ahora la única forma industrial de unir esos dos materiales era mediante el uso de remaches, pequeñas piezas cilíndricas y metálicas similares a los tornillos. La unión mecánica con estas piezas presenta sin embargo problemas serios, que resultan en la perforación de la estructura. Además de provocar tensiones en el material, los remaches deforman la región de alrededor del orificio. Esto lleva a que se registre una reducción del tiempo de vida de la unión. La nueva técnica desarrollada por los investigadores brasileños soluciona tales problemas. Con el uso de una delgada lámina de níquel, de 0,1 a 0,3 mm de espesor, dispuesta entre las piezas de acero y titanio, y la aplicación de un láser pulsado desarrollado en el Ipen, es posible soldar ambos materiales.

“A decir verdad, la unión mecánica de titanio y acero con níquel ya se conocía. Nuestra innovación consistió en usar una fuente de alta energía, como el láser, para ejecutar la soldadura”, comenta el ingeniero mecánico José Roberto Berreta, del Centro Tecnológico de la Marina de São Paulo. “Con el láser es posible controlar mejor los parámetros de soldado: la focalización del haz de luz y la tasa de aporte térmico, cosa que es muy difícil en los otros procesos.”

Al cabo de la demostración de la factibilidad técnica de obtención de esta soldadura en cuerpos de prueba, los investigadores están ahora trabajando en el desarrollo de dos prototipos de interés industrial para comprobar el éxito del descubrimiento. El primer demostrador será un dispositivo de encapsulado de un circuito electrónico compuesto por una cúpula de acero inoxidable sobre una base espesa (de 1 a 3 mm) de titanio. Este dispositivo se emplea mucho en la industria aeronáutica y suele fijarse en el fuselaje de los aviones. El segundo prototipo es una tobera de 1,27 cm de diámetro de acero inoxidable y 0,6 cm de diámetro de titanio para su uso en industrias de los sectores químicos y petroquímicos. “Esperamos contar con los dos prototipos listos a comienzos de este año”, afirma el físico Wagner de Rossi, del Centro de Láseres y Aplicaciones del Ipen.

Transferencia de tecnología
El proyecto para el desarrollo de esta nueva técnica de soldadura con láser contó con el apoyo de la FAPESP y se realizó en el ámbito del Instituto Fábrica del Milenio (IFM), una organización que cuenta con el apoyo del Ministerio de Ciencia y Tecnología que reúne a 600 investigadores de 31 grupos de investigaciones, entre ellos el Ipen y el CTA. El perfil de actuación del IFM se focaliza en la investigación en manufacturas volcadas a las necesidades de la industria nacional. De acuerdo con Milton Lima, del CTA, al comienzo las investigaciones destinadas a la fusión del acero y del titanio eran puramente teóricas. “Yo quería estudiar las reacciones metalúrgicas que sucedían entre el hierro y el titanio. Era un trabajo  científico, pero enseguida me percaté de que tenía una fuerte connotación comercial”, dice.

“Somos optimistas en cuanto a la aplicabilidad de esta nueva técnica”. En mayo de 2005 Lima presentó los resultados del proyecto en el 38º Seminario Internacional de Sistemas de Producción del Consejo Internacional para la Investigación Tecnológica de Producción, Cirp, por sus siglas en inglés, realizado en Florianópolis, estado Santa Catarina. “Es uno de los más prestigiosos congresos internacionales en procesamiento de materiales, y nuestros estudios fueron muy bien recibidos”, dice Lima.

El objetivo del grupo es licenciar a una o más empresas para que exploten esa tecnología. “Pretendemos hacer la transferencia al sector industrial, pero aún no iniciamos los contactos con empresas. Primeramente vamos a preparar los prototipos de demostración. Imaginamos que las principales interesadas en el proceso serán las compañías de los sectores químico, petroquímico y principalmente aeroespacial, toda vez que los fuselajes probablemente cambiarán su materia prima de aluminio a titanio”. Ésta es un área en que las exigencias de ensayos y certificaciones son extremas. “Y la existencia de un proceso que suelde con éxito este material con el acero será fundamental.”

Los Proyectos
1. Transformaciones de fases en el sistema hierro-titanio inducidas por láseres de potencia
2. Proceso de soldadura con láser entre acero y titanio
Modalidades
1. Línea Regular de Auxilio a la Investigación
2. Instituto Fábrica del Milenio
Coordinador
Milton Sérgio Fernandes de Lima – IEA-CTA
Inversión
1. R$ 33.275,00 y US$ 835,23 (FAPESP)
2. R$ 18.500,00 (IFM-MCT)

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