Las nanopartículas se convierten en una gran diferencia para el aluminio "irreducible"

Aunque gran parte de ella está oculta a la vista, la soldadura es una parte esencial de la sociedad. Es el pegamento que une la estructura de los autos que conducimos, los edificios que usamos, los electrodomésticos que usamos y la maquinaria pesada que nos impulsa hacia adelante. Cada año continúa la búsqueda incansable de materiales más resistentes y ligeros para mejorar nuestro viaje hacia el futuro del transporte y la exploración espacial.

Algunos de estos materiales futuristas existen desde hace décadas, pero la tecnología necesaria para soldarlos ha sido lenta. Un grupo de investigadores de la Escuela de Ingeniería Samueli de UCLA encontró recientemente la clave para desbloquear la soldabilidad de una aleación de aluminio 7075 que se desarrolló en la década de 1940. Al agregar nanopartículas de carburo de titanio a la mezcla, pudieron crear una unión que resultó ser más fuerte que las piezas mismas.

Herrero trabajando. Para la BBC.

La historia caliente y sucia de la soldadura

En términos más simples, la soldadura se define como “unir metales y plásticos sin el uso de sujetadores”. El tipo más común se conoce como soldadura por fusión, donde los metales originales se funden junto con una llama o electrodo. La soldadura fuera del fuselaje incluye soldar y golpear. En estos métodos, se usa un tercer metal como relleno para ayudar a unir las piezas.

La soldadura se remonta a la Edad Media, y los primeros soldadores fueron herreros. Estos hombres valientes y cubiertos de hollín cortaron y unieron piezas de hierro usando nada más que fuego, martillos y un profundo pozo de paciencia. La Revolución Industrial aumentó la demanda de soldadura en varios tamaños, ya que gran parte de la maquinaria de esa época se fabricaba fundiendo metal fundido. Esto provocó que toda una subindustria se basara en un nuevo proceso de soldadura por fundición, que implicaba calentar las piezas rotas, atornillar un molde a su alrededor y verter metal fundido.

Cuando llegó la electricidad en el siglo XX, las varillas de arco de carbono utilizadas en las luminarias provocaron la idea de la soldadura por arco. La soldadura por arco funciona creando un circuito entre un suministro eléctrico (el soldador de arco) y los metales que se van a soldar. El cable de tierra está conectado a la pieza de trabajo y el cable positivo va a un soporte con resorte que sostiene un electrodo 12-14. Esta varilla consiste en un metal de relleno compatible con los padres, cubierto con un material fluido que se convierte en gas cuando se calienta. Este gas protege la pieza de trabajo y el metal de relleno contra la suciedad en el aire a medida que se forma el cordón. La desventaja es que también crea una suciedad solidificada que debe cortarse.

La soldadura con gas ox acetileno se produjo poco después de la soldadura por arco, y la Primera Guerra Mundial promovió ambos métodos. Cuando la industria aeronáutica despegó, la demanda de metales ligeros y duraderos y las personas que los unían se dispararon. Un nuevo estilo de soldadura conocido como GTAW (soldadura de tungsteno con gas), Heli-Arc o TIG (gas inerte de tungsteno) comenzó a ganar popularidad. Aunque es difícil de dominar, la soldadura TIG ofrece un mejor control y excelentes resultados.

Placa AA7075, disponible en Midwest Steel y Aluminium

No todas las aleaciones son aliadas

Muchos metales soldados a menudo son aleaciones de varios metales diferentes. Esto se debe a que los metales puros son demasiado blandos (y valiosos) para los marcos de automóviles y edificios. El único problema es que los metales constituyentes de algunas aleaciones no se funden bien entre sí. Si se calienta, los diferentes metales fluyen de manera desigual y se desarrollan grietas a lo largo de la junta soldada. Este tacón de Aillesila hace que algunas aleaciones, por lo demás fuertes y reputadas, sean inútiles para aplicaciones soldadas.

AA7075 es una de estas aleaciones. Esta creación de una década de antigüedad de aluminio, zinc, magnesio y cobre es extremadamente fuerte pero liviana. Es ideal para una serie de aplicaciones, especialmente donde se evalúa la conservación de combustible y batería. El único problema es que AA7075 es muy susceptible a agrietarse cuando se suelda. Aunque se usa ampliamente en fuselajes de aviones remachados, AA7075 generalmente se considera insoportable por cualquier medio.

Soldadura por arco exitosa de AA7075 con varilla de llenado rellena de carburo de titanio. Entre UCLA.

Relleno asesino

Un equipo de investigación de UCLA dirigido por el estudiante graduado Maximilian Sokoluk y el profesor Xiaochun Li le dio nueva vida a la aleación. Encontraron una manera de soldar TIG dos piezas de AA7075 juntas sin ningún agrietamiento.

La soldadura TIG (gas inerte de tungsteno) utiliza un electrodo de tungsteno inagotable ubicado dentro de una antorcha. Al soldar, la antorcha libera helio o argón, que protege la costura de soldadura de la suciedad. Se puede insertar un alambre de relleno separado hecho de una aleación compatible para completar la unión, aunque no es necesario para metales base más gruesos.

El documento describe cómo la adición de nanopartículas de carburo de titanio a la mezcla les permitió crear una unión que resultó ser más fuerte que las piezas mismas. El metal de relleno del alambre está relleno de nanopartículas de carburo de titanio, que mejoran las propiedades mecánicas del metal en la zona de fusión. Usando microscopios electrónicos, los investigadores estudiaron secciones de las articulaciones y encontraron que las nanopartículas alteraron los mecanismos de solidificación de la aleación. De hecho, proporcionan tanto refuerzo que el metal en la zona de fusión se vuelve más duro que los metales originales.

Resultados de la soldadura con relleno AA7075, relleno ER5356 y varillas de relleno AA7075 nanotratadas. Observe el agrietamiento en (b) y (c) pero no (d). Por naturaleza.

La junta resultante es bastante fuerte, con una resistencia a la tracción de hasta 392 megapascales. Para decirlo en términos un poco más accesibles, eso significa que puede soportar más de tres veces la presión en el fondo de las Marianas, la fosa oceánica más profunda del mundo. Esta gran noticia no es solo para AA7075, sino que podría crear nuevas oportunidades para otras aleaciones de alta calidad que antes no se moldeaban.

  • Mella dice:

    ¿Cómo definimos aquí "consumible"? "La soldadura TIG (gas inerte de tungsteno) utiliza un electrodo de tungsteno inagotable ubicado dentro de una antorcha".

    • Nuevo dice:

      Los electrodos consumibles en lenguaje de soldadura son aquellos que son directamente fundidos por el arco y consumidos durante el proceso de soldadura, pasando a formar parte del sub-cordón de soldadura. Los electrodos consumibles generalmente están hechos de cualquier metal de relleno que se necesite para el material soldado y, dependiendo del proceso y otros requisitos, también pueden tener corriente. El tungsteno en la soldadura TIG se considera no consumible porque no se funde en el baño de soldadura para formar parte de la soldadura.

      • Mella dice:

        ¡Gracias por la respuesta! Mi pregunta probablemente les pareció retórica a la mayoría, pero en realidad tenía curiosidad.

    • Ti-Tempo dice:

      ¿Ves lo que hizo aquí?

      • Montrough dice:

        Es soldadura por arco, nadie puede ver lo que hizo aquí. 😉

        • Elliot Williams dice:

          Pero al menos tenía un bonito bronceado ...

    • Slartibart dice:

      Fácilmente, simplemente no sumerja el electrodo de tungsteno en el estanque y no se consumirá: P

      • fabricante-lobo dice:

        Tan fácil. Hice trampa en todas mis soldaduras de vástago, y luego alguien me dijo "no sumerja el electrodo en el charco" y bam soldaduras perfectas en todo momento. / s

  • Ben dice:

    El tungsteno se consume en el sentido de que debe reemplazarlo durante la soldadura (la punta del electrodo debe conectarse a tierra repetidamente ocasionalmente, y especialmente si se sumerge accidentalmente en el baño de soldadura). Pero no se "consume" como lo es la barra de llenado ... El tungsteno no se convierte intencionalmente en parte del cordón de soldadura.

    Es como si su automóvil estuviera consumiendo descansos lentamente en lugar de consumir gasolina para hacer su trabajo.

    • Mike Szczys dice:

      Esa es una muy buena analogía, ¡gracias!

  • Tom Brusehaver dice:

    Las aleaciones de aluminio tienen propiedades conocidas. ¿Cómo cambia las propiedades la adición de carburo de titanio? ¿Pueden seguir llamándolo 7075?

    El aluminio endurecido (7075-T6) deberá volver a endurecerse después de soldar.

    • fabricante-lobo dice:

      Bueno, la gran mayoría de la pieza seguiría siendo 7075 .. Debería evaluar el área de soldadura por separado.

    • Jeff NME dice:

      Es similar al alambre de relleno de acero inoxidable 316L utilizado para la soldadura TIG de acero inoxidable 316, el alambre tiene elementos de aleación adicionales (la “L”) para evitar que se agriete dentro y alrededor de la soldadura mientras se enfría.
      La junta soldada es hasta 316 inoxidable.

      • Evocube dice:

        De hecho, la L es baja en carbono (por lo tanto, falta de elemento). Pero tiene razón en que es para evitar el agrietamiento. Un ejemplo más interesante es que usa 308 o 308L para soldar 304 porque la aleación consta de 308 diluidos durante la soldadura para estar más cerca de 304.

  • zakqwy dice:

    suena como trabajo para https://en.m.wikipedia.org/wiki/Explosion_welding

    • Dion dice:

      Yusssss. Le encanta una buena madriguera de conejo de Wikipedia. La soldadura por pulsos magnéticos también es muy buena.

    • SqueakyHusky dice:

      No, es claramente un caso para despertarse y frotarse.

  • Arte Mezins dice:

    Me sorprende constantemente cómo progresamos en todas las áreas de la ciencia aplicada. También ME GUSTA REALMENTE la historia de fondo del descubrimiento. Entonces, ¿dónde está esta historia de fondo? ¿Intentaron "innumerables" combinaciones? ¿Qué hay de las relaciones de esas combinaciones? ¿Predijeron la física / química de estos enlaces antes de probarlos, como la construcción fuera de línea de muchos compuestos orgánicos modernos? ¿Fue grave, como Goodyear y el caucho vulcanizado, o el descubrimiento de la penicilina?

    • jafinch78 dice:

      Parece que la wiki tiene algunos detalles y referencias en japonés que sería interesante leer traducidos (a menos que sepas leer japonés).

  • Hirudinea dice:

    Bueno, pronto podrán soldar el gel a una nube.

    • Paul LeBlanc dice:

      Para eso son las uñas

    • Ren dice:

      Estoy esperando al soldador de madera / metal,
      El episodio de Phineas y Ferb mencionó ir 20 años en el futuro para obtener uno.

      • Tweepy dice:

        Cualquier compuesto epoxi puede formar uniones bastante fuertes entre metales y madera.

      • Jeff NME dice:

        ¿Aún no tienes acceso a Woodcraft Electrodos?

        • Gregg Eshelman dice:

          Rockler probablemente tienen esos, pero son terriblemente caros.

      • Borg sasquatch dice:

        ¿No hubo algún canadiense que afirmó haber descubierto cómo fusionar materiales dispares mientras intentaba recrear el Experimento Filadelfia? Lo llamaron el efecto Hutchison o algo así.

        • huele a bicicletas dice:

          FWIW puede soldar diferentes metales mediante soldadura por difusión sólida, soldadura explosiva o una interfaz de metal delgado compatible con cada uno. SSDW, sin embargo, es el más frío: mecanícelos planos, presiónelos juntos, caliéntelos muy por debajo del punto de fusión y manténgalos hasta que se haya extendido suficiente material para hacer una soldadura sólida. Los artistas hacen esto con una capa de plata y titanio y obtienen una unión lo suficientemente buena para el forjado en frío.

  • Jim dice:

    Entonces ... podría ser más útil explicar cómo la resistencia de la costura de soldadura se compara con el material principal en lugar de un lugar en algún lugar del océano que nadie podría experimentar debido a la presión extrema. Pero una relación entre la resistencia y el material parental es una forma sencilla de ingeniería para comprender qué tan fuerte es. Entonces, de wikipedia:

    "El temperamento T6 7075 tiene una resistencia máxima a la tracción de 510-540 MPa (74,000-78,000 psi) y un límite elástico de al menos 430-480 MPa"

    392 megapascales versus 430 MPa (en el rango bajo) es el 91% de la resistencia del material original para esta aleación y temperamento, ¡eso es más útil!

    • Lucas dice:

      La cita real: "el metal en la zona de fusión en realidad se vuelve más duro que los metales originales".

      La dureza no es lo mismo que la tensión de tracción, aunque ambas pueden estar relacionadas y, por lo general, lo están. Por ejemplo, la cerámica es dura, pero muy poco estresante para romper.

      Y eso hace que el artículo sea tan difícil de entender, porque la dureza coincide con la tendencia a estallar, por lo que no es bueno que la soldadura sea más dura que el metal base; significa que la unión se romperá en la costura, como ocurre en los otros ejemplos.

      • No es la misma escotilla dice:

        Este es un problema común. Los ingenieros de materiales y los científicos utilizan términos con significados específicos. Cosas como fuerza, dureza, dureza, etc. no son términos inexactos para un ingeniero. La mayoría de la gente, sin embargo, los usa indistintamente.

    • ALINOME el A dice:

      Solo para poner las cifras en perspectiva, una resistencia final a la tracción de 500 MPa es lo que puede esperar del acero estructural, a partir del cual se hacen puentes o accesorios de edificios en un buen día.
      Puede que esto no sea tan aterrador, ya que hay aceros que hacen 3 veces eso, ¡pero la aleación 7075 solo obtiene el 36% de su peso!

      • Lucas dice:

        Aunque para puentes y edificios, el aluminio todavía tiene un módulo de Young mucho menor (se estira bajo carga) y una mayor expansión térmica, lo que dificulta. Un puente de aluminio tal como se haría con un puente de acero se caería y se desmoronaría. La ventaja de peso se pierde al tener que usar secciones más grandes para evitar esto.

        • ALINOME el A dice:

          Creo que el principal problema del puente 7075 T6 sería el costo (aproximadamente 10x) solo en el material y sería muy difícil, si no imposible, calentar las piezas muy gruesas 😉

          • Zac dice:

            El mayor problema con la construcción de un puente de aluminio sería la vida cansada. Los puentes ven mucha carga cíclica de viento y coches / trenes viajando sobre ellos, y están diseñados para una vida útil prolongada (más de 25 años). Los aluminios no tienen límite de cansancio.

            Aunque 7075 probablemente sería bueno para un vehículo de puente militar, donde el peso es demasiado caro, el costo es una preocupación secundaria y hay un horario de reemplazo estricto.

  • Hepsi dice:

    Interesante lectura. Sin embargo, solo un comentario; comparar la resistencia de un material con la de la presión en el Mariana no tiene mucho sentido, porque un estado de tensión hidrostática no contribuye en absoluto al rendimiento. De hecho, cualquier metal o aleación puede soportar fácilmente 100000 veces la presión en el Mariana.

  • Dibujos dice:

    Ahora bien, esta es una mejora interesante.

    Todavía estoy esperando una varilla que permita la unión directa de diferentes metales, lo que actualmente es imposible.

    • Leithoa dice:

      A esto se le llama soldadura fuerte.
      Si es lo suficientemente bueno para las montañas rusas, probablemente sea lo suficientemente bueno para sus propósitos. Incluso tienen alambre soldado MIG si las antorchas de buey no son lo tuyo.

      • Jeff NME dice:

        El mismo tipo de alambre de relleno de bronce de silicio se puede usar para soldar diferentes metales (excepto posiblemente el aluminio, debido al punto de fusión del relleno) usando TIG, la principal diferencia con la soldadura por fusión es una longitud de arco mucho mayor para propagar el calentamiento. efecto para que el cable se conecte correctamente.

      • Miguel dice:

        "Si es lo suficientemente bueno para jaulas de rodillos"

        Umm, ¿dónde la barra es lo suficientemente buena para las jaulas de rodillos?

        • komradebob dice:

          Hay algunas articulaciones en un vehículo con un tubo con un marco que se quema. Por lo general, en un chasis de automóvil de fórmula (como el que tengo colgando del techo en mi garaje al que llegaré Un día), las juntas detrás del conductor están fusionadas hasta el punto que se romperán, arrancando el motor / suspensión trasera. antes de arrancar el anillo del rodillo principal (inmediatamente detrás del impulsor). Esto deja una "bañera de seguridad" en la que el conductor está inmovilizado.

        • Leithoa dice:

          Me quedo corregido. Leí eso en un viejo libro de soldaduras, pero parece que casi todas las juntas raciales necesitan TIG hoy en día. El cambio a TIG parece más sobre control de calidad que sobre fuerza. La soldadura perfecta o la soldadura smaw / MIG pueden resistir mejor que algunos materiales básicos, pero haces que personas incompetentes hagan malas conexiones al suicidarse en tu camino, por lo que recientemente se cambiaron a TIG para deshacerse de los desagradables trabajadores del metal.
          Hasta el punto, la soldadura fuerte puede contener más de 100 kpsi en las circunstancias adecuadas. Incluso el uso económico de material de relleno y metal base baratos le da entre 45 y 50 kpsi, mucho para la mayoría de los proyectos. Además, debido a que hay menos calor, se deforma menos y cambia la estructura cristalina de los materiales base.

    • Hepsi dice:

      CMT, que es un proceso GMAW mejorado patentado por Fronius, es capaz de soldar diferentes metales, como alu al acero.

  • BobH dice:

    ¿Cómo se evita la vaporización del zinc de 7075 a las temperaturas de soldadura?

  • RW versión 0.0.1 dice:

    Me pregunto si esto es un refinamiento científico de algunas de las técnicas de soldadura más legendarias o apócrifas, según se informa de los primeros días de la soldadura por arco, cosas como sumergir las varillas en pintura blanca para obtener fundente (pigmento de TiO2) y lijar bordes, pero no limpiar ( ¿Se adhieren nanopartículas de silicio?) Frote con un cepillo de alambre grasoso (carbón y posiblemente molibdeno u otros aditivos grasos, o protección de CO2)

  • 2 pies dice:

    Me pregunto si las “nanopartículas” serán el amianto de este siglo.
    Un material asombrosamente asombroso que encuentra su lugar en todas partes durante algunas décadas y luego se descubre que causa problemas pulmonares y cáncer.

    • Beto dice:

      Si bien es un compuesto químico, creo que será bueno. Este es el tipo de técnica del té que nos acerca a un elevador cósmico, ya que se sabe que los nanotubos de carbono tienen la resistencia a la tracción más fuerte.

      • Leithoa dice:

        ¿Existen compuestos no químicos? ¿Está tratando de decir que los sintetizadores son más seguros que los materiales naturales? Por qué ese no es el caso.

    • Berto dice:

      Para ser justos, lo que pasa con el asbesto es que su material arroja una gran cantidad de pequeñas partes afiladas que son tan diminutas que pueden dañar las células y causar cáncer y cosas malas. Entonces, aunque no creo que sean nanopartículas (lo que implica escalas nanométricas, estas podrían ser simplemente microscópicas), el problema está en parte relacionado con el tamaño. Las nanopartículas simplemente se refieren a compuestos o sustancias cuyas partículas son "nanoescala" que podrían relacionarse libremente con cualquier cosa por debajo de un micrómetro (millonésima parte de un metro). Estoy seguro de que hay definiciones más precisas 🙂 Pero en realidad es solo la mitad de la ecuación, porque los químicos que son estas partículas también están hechos de materia.
      Si pudieras rallar queso a nanoescala, sería un queso de nanopartículas, aunque no creo que sea dañino (¿o útil?)

    • Ostraco dice:

      Partículas de plástico en aire y agua. Supongo que descubriremos qué tan seguro es con un experimento mundial.

  • Gregg Eshelman dice:

    ¿Se puede soldar por fricción el 7075?

    • Zac dice:

      Si.

  • JohnU dice:

    También me pareció una extraña analogía: dos bolas de aluminio unidas y arrojadas al océano pueden soportar mucha presión, pero también un ladrillo, no me dice nada útil.

    ¿Nos referimos a “cuando se hace y se prensa un tanque” de alguna manera, pero sin una indicación del grosor del material?

    ¿Estamos apuntando a "desgarrado por la fuerza de ..." en cuyo caso el fondo del océano realmente no importa?

    Además, todo el mundo sabe que la medida real es cuántas bibliotecas de convenciones puede manejar.

    • Mechanicus dice:

      Solo comprenda que los periodistas no entienden nada sobre ciencia de los materiales y que es más fácil aprender los términos y leer el periódico usted mismo.

    • CW dice:

      Los metales tienen muy poca dependencia del rendimiento del estrés hidrostático (a diferencia de los polímeros), por lo que tiene razón, no nos dice nada útil al hacer una prueba de esfuerzo en el pozo de Mariana.

  • kkjensen dice:

    Entonces, ¿dónde podemos comprar esta varilla de llenado?

  • k dice:

    El cuerpo humano estaría bien en el fondo de la Fosa de las Marianas si evacuaras todo el aire. Sin embargo, esto provoca otros efectos secundarios desagradables. Creo que quieres hablar de algún tipo de presión.

  • Marcos dice:

    ¿Por qué detenerse en (y discutir sobre) la soldadura? ¿Cuál es la posibilidad de usar esto como una nueva aleación por sí solo?

    • Nikita Tsarov dice:

      Exactamente: carabina de titanio 7075+ como una aleación de este tipo

  • Rahul dice:

    Me encanta la soldadura fuerte. Lo aprendí en la escuela en una clase de taller y la mayor parte del tiempo lo prefiere a la soldadura por simplicidad y resistencia. Si se hace correctamente y con las varillas de soldadura adecuadas, es más fuerte que la soldadura y la única forma de asegurar de manera efectiva los metales no similares. Gracias por compartir esto.

  • Roberto dice:

    Definitivamente hemos recorrido un largo camino ... martillos, paciencia y forja en caliente para nanopartículas y blogs de soldadura jaja

  • Luka Li dice:

    Ahora, una empresa derivada de UCLA, MetaLi LLC, ha comenzado a vender alambres de soldadura de aluminio 7075 mejorados con nanotecnología (https://www.metaliusa.com/)

Óscar Soto
Óscar Soto

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