¿Por qué los aviones usan remaches y no construcción soldada?

Me motivó hacer esta pregunta: ¿Por qué los aviones se remachan y no se atornillan?

¿Por qué no una construcción soldada? ¿Es demasiado difícil soldar estas aleaciones? Provengo de una experiencia en refinería y en muchas tareas peligrosas, la construcción soldada se ha convertido en la norma porque la integridad es más fácil de garantizar que los tornillos, pernos o remaches.

Solo me pregunto qué es diferente en la aviación. ¿No es mejor la reparación, la seguridad, el peso y la aerodinámica con una construcción soldada?

Respuesta corta; Es excepcionalmente difícil tratar térmicamente una estructura de aluminio soldado para que vuelva a su resistencia original. Además de todas las otras razones enumeradas a continuación.

Respuestas (7)

Respuesta corta: las aleaciones de aluminio de alta resistencia son difíciles de soldar correctamente. El aluminio es un material tan fino para estructuras aeronáuticas que se acepta gustosamente la necesidad de remacharlo.

Dos cosas son importantes:

  1. Mientras que el acero tiene un rango de temperatura en el que se vuelve cada vez más líquido, las aleaciones de aluminio cambian de sólido a líquido en unos pocos grados. Además, la conductividad térmica en las aleaciones a base de hierro es menor que en el aluminio, por lo que calentar el acero localmente mantendrá el material circundante más frío y más sólido en comparación con el aluminio. Si bien la soldadura de láminas delgadas de acero es trivial, se necesita mucha experiencia en aluminio . Para láminas muy delgadas, se necesitan equipos especiales como un soporte de cobre enfriado por agua sobre el que descansan las láminas de aluminio, para que su parte posterior se enfríe. Además, la temperatura de fusión del acero y el titanio es lo suficientemente alta como para que brille mucho antes de derretirse, mientras que el aluminio se derretirá sin dar ningún indicio óptico de su temperatura.

  2. El aluminio de alta resistencia se produce mediante el envejecimiento progresivo y el endurecimiento por precipitación del material . Las aleaciones habituales utilizan átomos de cobre dispersos a través de la matriz de aluminio que distorsionan localmente la red atómica y la fortalecen. Si se calientan y enfrían rápidamente mediante soldadura, la distribución del cobre cambiaría y el material se debilitaría alrededor del área de soldadura. En la mayoría de los casos, volver a endurecer la estructura terminada es bastante poco práctico, por lo que la mejor alternativa es remachar.

Una tercera especialidad es la capa de óxido sobre el aluminio, que tiene una temperatura de fusión más alta que el material base. Necesita un soldador AC TIG para romper la capa de óxido de aluminio, por lo que su elección de técnicas de soldadura es bastante limitada.

Además, las estructuras remachadas son más fáciles de inspeccionar y reparar. La mayoría de las reparaciones necesitan quitar la estructura de la aeronave para tener acceso, y una estructura remachada es más fácil de desmontar y volver a armar después de la reparación usando remaches ligeramente más gruesos.

Mi experiencia con la soldadura de aluminio se detuvo en láminas de 4 mm de espesor; mientras que los más gruesos eran fáciles de soldar, nunca logré soldar los más delgados. Te sientas frente a tu estructura y calientas el lugar donde quieres comenzar a soldar. Observándolo a través de la pantalla principal oscurecida, espera hasta que el punto debajo del arco se vuelve brillante, lo que indica que la superficie ha comenzado a derretirse. Ahora necesita agregar su alambre de soldadura como loco para evitar que el lugar se caliente más y hacer que el lugar se mueva. Si no lo hace, un segundo después tendrá un agujero debajo de su arco, porque el aluminio se ha derretido por completo y se ha caído. Hacer esto con láminas de 2 mm fue un puro ejercicio inútil para mí: en el momento en que la superficie se volvió brillante, ya se cayó.

Editar:

¡Gracias a @voretaq7 por compartir el enlace sobre la soldadura por fricción y agitación en los comentarios! Esto es posible gracias al posicionamiento preciso de las piezas y un cabezal de soldadura controlado por computadora y verá una aplicación más amplia en el futuro. Eclipse Aerospace afirma que les ayuda a evitar el 60 % de los remaches en sus aviones a reacción.

Hace años tuve un profesor de ingeniería de materiales, especializado en metales y aleaciones, quien, en lugar del término "soldadura" para el capítulo, usó la frase "La ruina de los metales cuidadosamente preparados" .
¡Gracias Pedro! En la construcción de aeronaves, ¿cuáles son los espesores de lámina típicos que se encuentran? Supongo que el fuselaje frente a las alas frente a las superficies de control pueden tener grosores muy diferentes y también dependiendo del Tipo, pero me preguntaba acerca de algunos valores generales. Si sucediera alas / fuselaje etc. soldados, ¿estamos buscando secciones de 2 mm o 4 mm o mucho más gruesas?
Además, ¿esto suena como una aplicación en la que la robótica podría ayudar? ¿Lo tiene en realidad? es decir, obtener la temperatura exacta y luego colocar con rapidez y precisión el cordón de soldadura donde debe estar. ¿Cuánto de la soldadura en la construcción de aeronaves se ha automatizado? ¿Y eso ha ayudado a hacer que el aluminio soldado sea más práctico?
@curious_cat: La soldadura controlada por computadora es sin duda un gran paso adelante. Eso sí, en comparación con las soldadoras TIG de hace 30 años, las nuevas con ajuste automático de voltaje para iniciar el arco y control de corriente son una revelación. Y eso sigue siendo soldadura manual. Pero para que la computadora haga el trabajo correctamente, todo debe estar cuidadosamente preparado. En cuanto a espesores: La mayoría de aluminio tiene menos de 2 mm de espesor. Es más eficiente usar una lámina delgada como el papel y reforzarla con remaches que usar una lámina más gruesa.
Gracias Pedro ¿Por refuerzos te refieres a costillas, ángulos, etc.? es decir, alguna forma de refuerzo? Si es así, ¿el pandeo es el modo de falla dominante que controla, por ejemplo, el fuselaje? Porque estoy pensando que si la presión interna es el modo dominante, la tensión de control (tensión circunferencial, etc.) debería estar dictada por el diámetro y el grosor de la hoja. En cuyo caso, la rigidez no debería ayudar, ¿correcto?
@curious_cat: Sí, largueros, nervaduras, refuerzos, todo lo que se necesita hacer para endurecer la chapa. Por supuesto, si las tensiones lo exigen, necesitará calibres más gruesos. La presión interna es solo un caso; la presión dinámica en las estructuras supersónicas es otra. Sin embargo, la mayoría de los grosores de la superficie de las aeronaves GA se dimensionan teniendo en cuenta el manejo en tierra: los pilotos y los mecánicos deben poder empujar la aeronave sin perforar la superficie con las manos desnudas.
Gracias Pedro Es divertido cómo el caso de uso más mundano es a menudo el que rige para el diseño.
No vale nada que algunos aviones se construyan mediante soldadura , al menos en parte. Sin embargo, el uso cada vez mayor de compuestos parece hacer que esto sea menos probable.
He observado en los A320s la zona del morro esta soldada, es de acero?
@Firee: No conozco los detalles de la construcción del A320. El morro alberga la antena del radar meteorológico y, por lo tanto, debe ser una pieza compuesta. Los materiales compuestos se unen mediante unión y se unen a una estructura metálica mediante pernos. Pero tal vez haya alguna estructura de soporte soldada.
@PeterKämpf: Tampoco soy un experto en soldadura... Simplemente parece que está soldado, también podría ser algún tipo de unión... Tiene una línea gruesa en las juntas... Definitivamente no está remachado
@Firee: si usan remaches al ras, debe estar muy cerca para verlos, especialmente después de pintar la pieza. La línea gruesa podría ser un sellador: la mayoría de los remaches de hoy en día se colocan "húmedos", con un sellador entre las piezas. Este sellador también transmitirá algo de cizallamiento y brindará protección contra la corrosión. Si el sellador se ha aplicado generosamente, se parecerá mucho a una costura de soldadura.
La soldadura por rayo láser ya se produce desde hace algún tiempo para unir paneles, por ejemplo, en Airbus. Esto se usa en aleaciones de Al compatibles. Si bien el duraluminio 2024 estándar no se suelda bien, estos sí lo hacen. Las nuevas aleaciones como AlMgSc son especialmente adecuadas para soldar, ya que no necesitan un tratamiento térmico para evitar la recristalización. Además, FSW introduce mucho menos calor y evita la fusión y todos sus inconvenientes por completo.
peter, esta fue una discusión muy informativa y completa!

La soldadura tiene 2 inconvenientes significativos (1) generalmente debilita el material base por el calor en la zona afectada y (2) el uso de un solo componente puede perder la detención de grietas al cambiar de una sección a la siguiente. Escuché una historia de que alguien (¿Lockheed?) había probado el uso de la unión por difusión pero luego sufrió un gran desarrollo de grietas durante las pruebas estructurales.

Habiendo tenido acceso al fuselaje de Comet utilizado para la prueba de presión del tanque de agua (montado en la pared de un laboratorio en RAF College Cranwell), el crecimiento de las grietas es claramente evidente. En el pasado, los ingenieros solían perforar agujeros al final de una grieta (cuando los encontraban) porque el aumento del radio de la punta ralentiza la velocidad de propagación. Mi padre y mi padrino fueron ingenieros de Imperial Airways en los años 30, 40 y 50. (OK, el nombre cambió a BOAC i 1940.)

Además, es casi imposible probar la integridad de una soldadura sin romperla; como la fábrica de fósforos que prueba el 100% y solo despacha los que funcionaron.

Re. Integridad de la soldadura: ¿Qué pasa con las pruebas de rayos X, las pruebas ultrasónicas, las pruebas radiactivas, etc.? ¿No son lo suficientemente confiables para las pruebas de integridad de soldadura?
Vi un documental reciente sobre el Comet, donde regresaron y volvieron a examinar la sección del recorte aéreo de G-ALYP que se recuperó, donde se creía que comenzó la grieta que destruyó el avión. Lo que encontraron es que, además de las aberturas casi cuadradas, se había utilizado una técnica de remachado de tiempos de guerra que creaba microfisuras en la piel alrededor de los agujeros de los remaches. Eso no fue un problema para los bombarderos no presurizados fabricados para la RAF, pero fue un problema para un avión presurizado.
@ tj1000: El fuselaje remachado no solo fue un factor importante en la desintegración de los cometas, sino que fue prácticamente el único factor importante. Si echas un vistazo a las ventanas del Comet 1 , verás que ya estaban bastante redondeadas, ciertamente no mucho más angulosas que las de muchos otros aviones de pasajeros (mira las ventanas triangulares del Caravelle, o los cuadrados o rectángulos redondeados que se usan hoy en día) . (1/2)
(2/2) Además, las ventanas superiores del ADF del Comet (el sospechoso original en la ruptura de BOAC 781 y SAA 201) tenían una forma y construcción idénticas (aparte de estar rellenas con fibra de vidrio opaca en lugar de paneles transparentes) a las ventanas de la cabina. , y permanecieron cuadrados redondeados, incluso en los Comet posteriores con ventanas de cabina circulares... y, sin embargo, ningún Comet posterior se deshizo en el aire como resultado del agrietamiento por fatiga que emanaba de las ventanas del ADF. No fue el cambio a ventanas circulares lo que salvó al Comet 4, sino la eliminación del remachado.
En realidad, fue una combinación de la mala técnica de remachado que provocó las grietas y los agujeros cuadrados que aceleraron la tensión. En la prueba del tanque original, el fuselaje del Comet se abrió alrededor de la abertura de una ventana, mientras que Yoke Peter parece haberse desmoronado alrededor del recorte del ADF. Habrían fallado solo por las grietas de los remaches, las aberturas algo cuadradas aceleraron el proceso al aumentar la tensión. Por el contrario, si las grietas no hubieran estado presentes, las aberturas cuadradas no habrían sido un gran problema.

Solo me pregunto qué es diferente en la aviación. ¿No es mejor la reparación, la seguridad, el peso y la aerodinámica con una construcción soldada?

Solo pensé en extenderme con otra cosa que se usa ampliamente (que puede que sepa o no, ya que es menos obvio): Adhesivos .

Si bien no combina el material en sí mismo como la soldadura, sigue las mismas líneas pero, a diferencia de la soldadura, generalmente no cambia las propiedades del material. Los adhesivos de fuerza industrial, como el epoxi, pueden ser increíblemente fuertes cuando se aplican correctamente.

Este PDF de Henkel tiene una amplia gama de productos al igual que esta descripción general de 3M Aerospace.

Entre los ingenieros estructurales hay un dicho: El que no sabe remachar, el que ya sabe algo usa adhesivo, y el que sabe mucho remacha de nuevo. Los remaches modernos se colocan húmedos, lo que significa que se aplica al menos algo de sellador. Idealmente, este sellador se adhiere bien y transmite el cizallamiento. Ahora tiene una unión unida asegurada con remaches. Esa es realmente la mejor manera actualmente. Las uniones unidas deben asegurarse contra el pelado agregando remaches.
@PeterKämpf Tal vez esa sea una de las ventajas de los adhesivos soldados. Las soldaduras no se pelan. ¿Hay adhesivos resistentes al pelado que no necesitan remaches?
@curious_cat: No, todo lo que hay son técnicas de diseño resistentes al pelado. Pero las fuerzas de pelado son imposibles de evitar, especialmente cuando el daño comienza en alguna parte y comienza a extenderse. Los remaches ayudan a detener la progresión del daño. Puede reducir un poco las tensiones de pelado extendiéndolas usando una capa gruesa de adhesivo elástico, pero la fuerza de este tipo de adhesivo es bastante baja. La otra forma es endurecer las partes en los extremos de la junta unida.

En primer lugar, la mayoría de las aeronaves tienen muchos componentes soldados, pero en su mayoría son los componentes del marco/estructura. El revestimiento generalmente se remacha por dos razones (1) es mucho más fácil quitar o reemplazar un panel remachado y (2) la ubicación de acoplamiento entre el revestimiento y la estructura en muchos casos no es accesible. En otras palabras, la piel debe estar unida al marco. Eso significa que el soldador tendría que poder acceder a esa junta. Incluso si tuviera acceso a la junta, sería solo una soldadura de costura, luego tendría que soldar nuevamente en la superficie exterior para sellar las juntas a tope entre los paneles. Entonces tendrías que moler esos sellos. Muy lento y costoso y probablemente no más fuerte que los remaches de todos modos.

Además, considere que los aviones se flexionan constantemente mientras vuelan. Esto causará estragos en las juntas soldadas, lo que podría provocar grietas en una junta delgada (que serán las juntas de piel). Los remaches son mucho más amigables con las partes móviles porque tienen un poco de elasticidad.

Normalmente, desea una gran cantidad de área de superficie para la soldadura y, con una sección delgada, es difícil lograrlo. Por esta razón, en realidad sería una idea mucho mejor soldar o soldar la piel que soldarla.

Habiendo dicho todo eso, es muy posible diseñar un avión usando una construcción soldada similar a un automóvil usando lo que se llama "soldadura por puntos". Esto aún puede suceder, pero la industria aeronáutica aún no ha llegado allí.

La soldadura por puntos no es demasiado popular/útil como método singular para la construcción ligera, ya que introduce picos de carga. Incluso hoy en día, en la industria automotriz, la soldadura por puntos se usa principalmente junto con la unión adhesiva para fijar rápidamente piezas en su lugar hasta que el adhesivo se seque para brindar resistencia estructural. La soldadura en línea ya está bastante bien introducida (ver arriba, soldadura por rayo láser y cada vez más soldadura por fricción).

Llegué a este hilo en busca de comparaciones entre remaches y soldaduras. Mi curiosidad se despertó al leer "La noche en que se hundió el Fitz" / por Hugh E. Bishop en cooperación con Dudley Paquette. Paquette (capitán del Wilfred Sykes cuando se hundió el Edmund Fitzgerald) criticó las soldaduras en los barcos, que se han vuelto casi estándar desde una comparación de soldaduras y remaches realizada cuando la Marina estaba tratando de decidir cómo construir submarinos. La Marina concluyó que las soldaduras eran mucho más fuertes que los remaches, por lo que comenzaron a soldar submarinos y prácticamente todos los barcos grandes después de eso. Paquette no confiaba en ellos, porque un barco grande "trabaja" (se flexiona y tuerce) mucho, especialmente en las tormentas, y las soldaduras son tan rígidas que donde un área remachada se flexionaría con el resto del barco, una soldadura saldría bien. abierto.

No estoy del todo seguro de cuán aplicable es a los aviones, pero demuestra que "los barcos y los barcos lo hacen" puede no ser un argumento tan fuerte como la gente piensa.

Trabajo en la industria de la construcción naval, estaba a bordo del USCGC WLBB-30 Mackinaw cuando chocó contra un malecón (de hecho, tengo una pieza del acero abollado que cortaron y me dieron) en su viaje inaugural. Las soldaduras aguantaron muy bien. Las soldaduras en sí mismas son en realidad más fuertes que el acero circundante.
Sí, eso es lo que dije que concluyó la Marina. YO COMO
Sí, eso es lo que dije que concluyó la Marina. TAMBIÉN dije que las soldaduras eran más rígidas, es decir, más propensas a la fractura por fragilidad. A menos que haya un error importante en la construcción, cualquier unión funcionará bien en un viaje inaugural. Pero considere esto: había cuatro grandes barcos en el lago el 10 de noviembre de 1975. El Wilfred Sykes acababa de convertirse en uno de descarga automática, el Arthur M. Anderson acababa de ser alargado y el Roger Blough solo tenía tres años. antiguo. ¿Adivina quién no tenía acero nuevo en ella (y una quilla suelta, para empezar)?

En la industria de refinería; soldar no es fácil, y eso es para el acero, que es mucho más fácil de soldar que el aluminio y el titanio. El código ASME para calderas y recipientes a presión tiene una sección completa (Sección 5) que define los requisitos y condiciones para soldar aceros de refinería. Uno de los mayores problemas de cualquier metal es la zona afectada por el calor (ZAT). El metal en la HAZ ha visto todo el rango de temperaturas desde la fusión hasta la nada. Para el aluminio, el depósito de soldadura y parte de la ZAT se encuentran en la condición de resistencia más baja. Seré breve. Para que el aluminio vuelva a ser resistente, toda la estructura soldada debería recocerse en solución (calentarse a aproximadamente 900 F) y enfriarse rápidamente (como en el agua). Luego envejecido a unos 300 F. Esta es la condición T 6 común. Considere los problemas de soportar toda la estructura mientras está caliente y el aluminio tiene la resistencia del queso. Y luego enfriar en agua. El titanio tiene su propio conjunto de problemas de soldadura únicos.

Como han señalado otros, se debe a las propiedades del aluminio. Me gustaría agregar que existen buenas alternativas al uso de aluminio, pero la única que es factible tanto en términos de rendimiento como de precio es el magnesio.

El XP-79 propulsado por cohetes de Northrop utilizó una estructura monocasco de magnesio soldado, por ejemplo.

Depende de cómo defina "rendimiento". Reacciona con el agua y es altamente inflamable, ambas cualidades que son bastante subóptimas en las estructuras de aeronaves.
@fooot Una aleación de magnesio llamada Elektron fue muy popular en los aviones alemanes y rusos. La corrosión era el mayor problema y la inflamabilidad no era un problema.
@fooot "subóptimo" je... :)
@fooot Mg se utiliza para engranajes y componentes de helicópteros. Mientras que la corrosión puede ser problemática, la quema no lo es. En términos de ductilidad y conformabilidad, Mg no es rival para Al. Especialmente la formación de láminas delgadas es problemática.
¿Por qué los aviones usan remaches y no construcción soldada?
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