Soldadura por fricción y agitación para unión sin fusión de metales

La soldadura por fricción y agitación (FSW) es una técnica de unión en estado sólido que ha impulsado el campo de la soldadura al prescindir de la fusión del material. Desarrollado en la década de los 90, este método se distingue de las técnicas convencionales al unir materiales por debajo de su punto de fusión, lo que mitiga defectos comunes asociados a la solidificación y permite combinar eficiencia energética con alta integridad mecánica.

En este análisis se enfocan los fundamentos técnicos, componentes del equipo, compatibilidad de materiales y su perfil como una alternativa de bajo impacto ambiental frente a técnicas por fusión.

Soldadura por fricción y agitación

La FSW es un proceso de unión en estado sólido que evita la fusión del metal durante la soldadura. Para su aplicación se utiliza una herramienta de tipo rotativa no consumible que genera calor por fricción y plastifica el material sin llegar a fundirlo. Mediante esta técnica se logra  unir materiales difíciles de soldar por métodos convencionales, logrando uniones con excelentes propiedades mecánicas, metalúrgicas y resistencia a la corrosión, gracias a la microestructura homogénea generada durante el proceso.

Además de su configuración convencional, existen variantes especializadas como la soldadura por fricción y agitación por puntos (FSW-P) o la FSW asistida, que amplían su aplicabilidad en geometrías complejas o componentes de unión intermitente.

El término “soldadura por fricción y agitación” ha sido estandarizado por la norma internacional ISO 25239:2020 – Friction Stir Welding of Aluminium; la cual, define los requisitos técnicos para este proceso, incluyendo procedimientos de cualificación, parámetros de operación y clasificación de defectos. Esta norma garantiza la uniformidad técnica y la identificación de origen de los procesos industriales que emplean FSW

El nombre del proceso refleja sus dos principios fundamentales:

• Fricción, que genera el calor necesario sin alcanzar el punto de fusión;
• Agitación, mediante la cual el material es plastificado y mezclado mecánicamente por la acción de la sonda giratoria.

Adicionalmente, otras normas relevantes incluyen la AWS D17.3/D17.3M:2021, aplicable a componentes aeroespaciales, y los programas de certificación técnica ofrecidos por la American Welding Society (AWS), los cuales refuerzan la estandarización de esta tecnología en entornos industriales avanzados.

Desarrollo y resumen histórico  

La soldadura por agitación es relativamente reciente, fue desarrollada en 1991 por Wayne Thomas en The Welding Institute (TWI), Reino Unido, con el objetivo de resolver las limitaciones de la soldadura de aluminio por fusión especialmente en aleaciones de las series 2000 y 7000, conocidas por su susceptibilidad al agrietamiento en caliente.

El desarrollo de FSW respondió a la necesidad crítica de unir materiales avanzados sin comprometer su integridad. La evolución de esta tecnología ha estado marcada por una intensa investigación orientada al innovador diseño de herramientas y mejora de parámetros del proceso, ampliando su aplicabilidad industrial.

Principios fundamentales y mecánica de procesos

FSW funciona mediante una herramienta giratoria compuesta por un hombro y un pasador. El hombro genera calor por fricción en la superficie, mientras el pasador penetra la junta y agita el material plastificado. Esta acción se realiza entre el 70 % y el 90 % de la temperatura de fusión del material, sin llegar a fundirlo.

El desplazamiento progresivo de la herramienta forma una unión homogénea, libre de discontinuidades. La microestructura resultante se compone de tres regiones distintivas: una zona de agitación (nugget), con granos finos formados por recristalización dinámica, una zona termomecánicamente afectada (TMAZ) sujeta a calor y cizallamient; y una zona afectada por el calor (HAZ), dónde ocurre un ciclo térmico sin deformación significativa. 

Este control termomecánico permite unir materiales y también modificar sus propiedades localmente, algo que no se logra con la soldadura por fusión, donde la solidificación rápida puede generar estructuras frágiles.

Parámetros del proceso

El control de parámetros críticos incluyen la velocidad de rotación (rpm), la velocidad transversal (mm/min), la fuerza axial de penetración, la inclinación de la herramienta y su desplazamiento en uniones disímiles. La correcta parametrización asegura la generación térmica adecuada, una plastificación homogénea y la reducción de intermetálicos en configuraciones heterogéneas. Por ejemplo, una rotación demasiado alta puede sobrecalentar el material causando defectos, mientras que una insuficiente no plastifica adecuadamente la unión.

Etapas del proceso de soldadura por fricción y agitación

El ciclo completo de FSW se desarrolla en fases secuenciales bien definidas, que garantizan la continuidad térmica y mecánica del proceso:

1. Penetración: La herramienta FSW rota a alta velocidad y entra en contacto con la superficie del material, generando calor por fricción sin llegar a fundirlo.
2. Agitación plástica: El pasador penetra la línea de unión, mientras el hombro confina el material ablandado. El movimiento rotatorio y axial plastifica y mezcla el material.
3. Traslación: La herramienta avanza a lo largo de la junta, formando una unión continua mientras mantiene la agitación en estado sólido.
4. Salida y enfriamiento: La herramienta se retira cuidadosamente y el material se enfría bajo presión, generando un cordón homogéneo con propiedades mecánicas superiores.

Como complemento del artículo, el siguiente video presenta una investigación desarrollada en la Universidad West sobre la soldadura por agitación. El estudio refleja una integración entre caracterización metrológica y control de proceso, apuntando a reforzar la aplicabilidad industrial del FSW.

Partes del equipo de soldadura por fricción y agitación

El sistema de soldadura por agitación está compuesto por una serie de componentes fundamentales que actúan de manera integrada para asegurar la estabilidad del proceso, la calidad del cordón y la eficiencia operativa. A continuación, se describen sus elementos principales:

Herramienta FSW (sonda y hombro)

Es el componente activo del proceso de soldadura. Consta de:

• Sonda o pasador: Presente en  línea de soldadura, plastifica el material mediante fricción y lo agita mecánicamente para mezclarlo sin llegar a fundirlo.
• Hombro: Ubicado en la superficie, genera fricción superficial adicional, ayuda a confinar el material plastificado y contribuye al cierre del cordón.

La geometría de ambos (diámetro, longitud, roscas, estrías, canales helicoidales o perfil cónico) influye directamente en el flujo de material, la generación térmica, la integridad de la unión y la microestructura final.

Sistema de accionamiento y cabezal motriz

Incluye el spindle motorizado y el sistema de avance lineal, responsables de los siguientes parámetros:

• Velocidad de rotación (rpm).
• Velocidad de avance o traslación (mm/min).
• Fuerza axial constante durante la penetración.

El accionamiento está integrado a máquinas CNC o sistemas robóticos, permitiendo alta repetibilidad, ciclos optimizados y control exacto sobre condiciones térmicas y mecánicas.

Sistema de sujeción o fijación

Este sistema tiene como función mantener las piezas firmemente alineadas durante la operación, contrarrestando las fuerzas axiales y de torsión. Existen tres variantes según el entorno de producción:

• Manual: con prensas mecánicas para tareas puntuales.
• Neumático: adecuado para trabajos intermitentes de bajo volumen.
• Hidráulico: para líneas de producción automatizadas que requieren alta rigidez.

Una sujeción deficiente puede generar defectos como falta de penetración, rebabas, grietas, vacíos o flash por desalineación o deformaciones en la zona afectada por el calor. 

Sistema de control y monitoreo

Es el núcleo de gestión del proceso. Emplea controladores CNC o PLC combinados con sensores que registran y ajustan en tiempo real variables críticas como:

• Temperatura en la zona de agitación.
• Torque aplicado.
• Fuerza axial.
• Posición y profundidad de penetración.

En entornos avanzados, se integran sistemas SCADA, control por retroalimentación (closed-loop) y algoritmos para detección automática de defectos, facilitando la trazabilidad y el aseguramiento de calidad.

Yunque o placa de soporte

Superficie rígida sobre la que se posicionan las piezas. Sus funciones principales son:

1. Absorber la presión vertical de la herramienta y evitar desplazamientos durante la soldadura.
2. Disipar el calor residual, evitando distorsiones o rebabas en la cara inferior del material.

En aplicaciones con materiales de alta conductividad térmica o resistencia, como aceros o titanio, se puede incorporar refrigeración líquida en el yunque o el cabezal motriz para estabilizar la temperatura y prevenir fallas térmicas.

Tipos de materiales y metales que pueden unirse con FSW

Aunque la aplicación predominante en aleaciones de aluminio, la soldadura por agitación también se emplea para el ensamblaje de materiales ligeros con aplicaciones estructurales específicas, como el magnesio, cobre, titanio y ciertos aceros. Asimismo, es eficaz en configuraciones heterometálicas que requieren continuidad estructural sin recurrir a la fusión.

• Aluminio y sus aleaciones: FSW es altamente eficaz para unir aleaciones de aluminio en todas sus formas (fundidas, laminadas o extruidas), incluso aquellas aleaciones de alta resistencia consideradas «no soldables» por fusión, como las series 2000 y 7000. Debido a su buena plasticidad en estado sólido y baja conductividad térmica, permite confinar el calor en la zona de agitación y evitar defectos como el agrietamiento en caliente. Además, favorece el refinamiento microestructural mediante recristalización dinámica. Su aplicación es predominante en sectores industriales exigentes como el aeroespacial, ferroviario y naval.
• Magnesio y sus aleaciones: El FSW en aleaciones de magnesio como AZ31 y AZ91 es viable gracias a su baja densidad y punto de fusión moderado. El proceso evita grietas, mejora la ductilidad y refina la microestructura mediante agitación plástica; esto incrementa la resistencia mecánica, siendo útil en sectores como la automoción ligera y la electrónica con estructuras delgadas.
• Cobre y sistemas Al–Cu: El FSW permite soldar cobre y sistemas Al–Cu evitando temperaturas excesivas, minimizando la oxidación y compuestos frágiles. En uniones disímiles con aluminio, logra capas intermetálicas inferiores a 2 µm, preservando la ductilidad y la conductividad eléctrica. Es ideal para barras colectoras, intercambiadores de calor y conexiones eléctricas de alta demanda.
• Titanio y aleaciones Ti-6Al-4V: Requiere altas condiciones operativas debido a la alta resistencia mecánica que presentan estos elementos: herramientas reforzadas (como PCBN o carburo de tungsteno) y mayores presiones axiales. Sin embargo, el proceso permite lograr uniones integrales sin necesidad de atmósferas inertes o precalentamiento; manteniendo la estabilidad metalúrgica y se reduce la posibilidad de defectos subsuperficiales. 
• Aceros al carbono e inoxidables (304, 316L, DQSK): El uso en aceros es más limitado por el mayor desgaste de la herramienta, su aplicación en chapas delgadas (menores a 6 mm) ha demostrado buenos resultados mecánicos y térmicos, uno de los retos es el sistema de refrigeración del husillo o yunque. Actualmente, se emplea en componentes ferroviarios, estructuras marítimas livianas y contenedores de presión con requisitos específicos de hermeticidad.
• Metales disímiless: FSW: Usada para unir metales con propiedades físico-químicas muy distintas, como aluminio con cobre, magnesio, acero o titanio. El control de parámetros como la posición de la herramienta respecto al eje de unión, la velocidad de avance y el balance térmico permite limitar la formación de fases intermetálicas frágiles. 

Combinaciones de materiales poco comunes

• Soldadura de acero dulce y acero inoxidable.
• Soldadura de aluminio y titanio.
• Soldadura de aluminio y cobre.
• Soldadura de cobre y acero inoxidable.
• Soldadura de acero al carbono y acero inoxidable.
• Soldadura de aluminio y acero inoxidable.

La soldadura por fricción y agitación como tecnología verde

Como alternativa de bajo impacto ambiental frente a las técnicas por fusión, la soldadura por fricción y agitación es una de las más aplicada, por su alta eficiencia energética y condiciones operativas seguras. Al operar en estado sólido, la soldadura sin fusión reduce significativamente las emisiones, el consumo energético y la generación de residuos.

Además, al minimizar el uso de consumibles, se optimiza la trazabilidad del proceso, se simplifica la cadena logística de suministro y se disminuye la producción de desechos, consolidando su perfil como una opción más limpia, segura y alineada con los modelos actuales de producción sostenible.

Eficiencia de recursos y economía circular

• Consumo energético optimizado: Los sistemas CNC presentan un rango de consumo entre 7 y 11 kW, frente a los 20–40 kW típicos de la soldadura por arco, lo que representa un ahorro energético estimado entre el 40% y el 70%.
• Eliminación de consumibles: Este proceso de soldadura no requiere material de relleno, fundente, gases protectores, disolventes ni tratamientos posteriores.
• Reducción de defectos: Al evitar la solidificación, se minimizan la porosidad, el agrietamiento y las tasas de rechazo, reduciendo también la necesidad de ensayos no destructivos (NDT).
• Menor distorsión: El bajo aporte térmico disminuye la necesidad de mecanizado o enderezado posterior a la soldadura.

Caso de estudio de optimización en tiempo real

Un artículo reciente en Scientific Reports (Nature, 2024) titulado “Real-time analysis of tool–workpiece interaction and optimization in friction stir welding using sensor data fusion and AI” aborda una mejora muy relevante para FSW. El estudio describe un sistema que integra fusión de datos sensoriales (como torque, temperatura y fuerza axial) junto con algoritmos de inteligencia artificial (redes neuronales) para analizar y optimizar en tiempo real los parámetros de soldadura.

Como resultado, se lograron avances claros en:

• Control dinámico de condiciones operativas, mejorando la precisión durante la ejecución.
• Reducción de defectos microestructurales, al mantener condiciones ideales de plastificación.
• Mejora de la eficiencia de la unión, visualizando y corrigiendo desviaciones durante el proceso

Conclusiones

La técnica de soldadura por fricción y agitación ha redefinido los estándares de unión en materiales metálicos, superando limitaciones comunes de los métodos por fusión, como defectos de solidificación, distorsión térmica o zonas debilitadas. Su aplicación en aleaciones de alta resistencia (especialmente de aluminio) permite obtener juntas homogéneas, estables y confiables.

Además, su conformidad con la norma ISO 25239 garantiza la trazabilidad y calidad del proceso, habilitando su implementación en sectores que demandan alta precisión y cumplimiento normativo. Desde el punto de vista energético y ambiental, la FSW destaca como una técnica limpia, sin emisión de gases tóxicos ni uso de consumibles, compatible con principios de sostenibilidad y producción responsable.

Referencias

1. https://en.wikipedia.org/wiki/Friction_stir_welding 
2. https://www.iso.org/obp/ui/en/#iso:std:iso:25239:-1:ed-2:v1: enTWI (The Welding Institute) – Job Knowledge: Friction Stir Welding.