Unión de aluminio en ensamblaje automotriz

Jun 08, 2023

Durante la última década, la cantidad promedio de aluminio en los automóviles de pasajeros se ha duplicado. Basado en los últimos diseños, esta tendencia continuará en los próximos años.

Sin embargo, cambiar de acero a aluminio no es sencillo. Por ejemplo, el aluminio es un 50 por ciento más liviano que el acero, pero tiene un módulo de elasticidad promedio de 70 gigapascales, mientras que el del acero es de 207 gigapascales. Como resultado, las piezas de aluminio suelen ser un 40 por ciento más gruesas que las de acero.

Las aleaciones de aluminio no se sueldan fácilmente por puntos. Tienen baja resistencia eléctrica, una capa de óxido estable y no conductora y una tendencia a interactuar con los electrodos. Además, el calor del proceso de soldadura puede debilitar las piezas, especialmente su resistencia a la fatiga.

En lugar de soldadura, los fabricantes de automóviles utilizan cada vez más adhesivos estructurales para el ensamblaje, ya sea solos o en combinación con sujetadores mecánicos. Por ejemplo, la carrocería en blanco del cupé Mercedes Clase S tiene más de 100 metros de unión estructural, y la serie 7 de BMW contiene más de 10 kilogramos de adhesivo estructural.

Además de las aplicaciones estructurales, los fabricantes de automóviles utilizan adhesivos en otras aplicaciones de carrocería en blanco. Los adhesivos "Anti-flutter" reducen la vibración entre los paneles de la carrocería exterior e interior. Dichos adhesivos se usan comúnmente en paneles horizontales, como el capó, la tapa del maletero y el techo. Los adhesivos también se utilizan para unir y sellar las áreas de los rebordes de las puertas, capós y portones traseros.

Los adhesivos ofrecen ventajas significativas sobre otras técnicas de unión. La unión adhesiva no interfiere con la metalurgia del aluminio ni crea zonas térmica o mecánicamente debilitadas. La tensión se distribuye uniformemente en toda el área adherida, lo que aumenta la rigidez estática y dinámica de la estructura del vehículo. Dado que la estructura de la carrocería es más rígida, los modos de frecuencia de resonancia serán más altos y la amortiguación estructural será más rápida. Como resultado, el vehículo tendrá mejores características de ruido, vibración y aspereza. Cuando se utilizan en combinación con otras técnicas de unión, los adhesivos mejoran el rendimiento frente a choques y la resistencia a la fatiga. Los adhesivos también permiten la unión de materiales diferentes y, al aislar diferentes metales, protegen contra la corrosión galvánica.

La estética es otra ventaja de la unión adhesiva. No hay costuras de soldadura visibles ni cabezas de remaches, por lo que la unión adhesiva puede minimizar o eliminar las operaciones secundarias, como el esmerilado y el pulido. Otro beneficio más es el llenado de huecos. Los adhesivos pueden salvar grandes espacios entre los paneles y mejorar la apariencia general del ensamblaje. En muchos casos, las operaciones de unión y sellado pueden combinarse.

La unión adhesiva también conlleva algunas desventajas. Entre los más significativos se encuentra la durabilidad de las juntas adhesivas cuando se exponen a condiciones ambientales adversas. Otro problema es que los sustratos pueden necesitar un tratamiento previo para lograr uniones fuertes y duraderas, especialmente con aleaciones de aluminio. Al igual que con las uniones soldadas, las estructuras unidas no se pueden desmantelar fácilmente para repararlas. Y, en muchos casos, es posible que sea necesario sujetar la junta hasta que el adhesivo se haya curado, lo que puede ralentizar la producción. Esta es una de las razones por las que los adhesivos estructurales se utilizan normalmente en combinación con otros métodos de unión, como el remachado.

Los adhesivos se pueden utilizar en láminas de aluminio, extrusiones y fundiciones. Independientemente de la forma, la superficie de aluminio debe tratarse para:

La eliminación de la capa límite débil es particularmente importante. Esta capa se forma en la región interfacial de una junta adhesiva, lo que hace que la junta falle con tensiones más bajas de lo esperado. Esta capa incluye óxidos y contaminantes, como lubricantes, de varios procesos de fabricación. Lo más probable es que la preparación de la superficie no elimine esta contaminación por completo, pero producirá una superficie que se verá menos afectada por la debilidad cohesiva.

Para producir láminas de aluminio, el aluminio se somete a un proceso de laminado, ya sea en caliente o en frío. Se aplican lubricantes para mantener separados los rodillos y la pieza de trabajo. Esto minimiza la fricción y reduce el riesgo de daño a la superficie de la hoja. Los lubricantes suelen ser a base de parafina y se volatilizan durante el recocido o por evaporación natural. Sin embargo, la superficie laminada aún puede tener un cierto grado de contaminación, que debe eliminarse mediante un desengrasado.

El aluminio es muy reactivo y tiene una gran afinidad por el oxígeno. Cuando se expone al aire, se forma instantáneamente una fina capa de óxidos en la superficie.

Si la capa de óxido se forma a una temperatura inferior a 375 C, consistirá en una fina capa amorfa de Al2O3, de 1 a 2 nanómetros de espesor, cubierta por óxidos e hidróxidos superficiales hidratados. En total, la capa de óxido puede tener un espesor de 2 y 60 nanómetros. La oxidación y la hidratación pueden acelerarse por la presencia de elementos alcalinos y alcalinotérreos, como litio, sodio y magnesio, segregados en la superficie o en la interfase metal-óxido de metal. El magnesio, en particular, puede migrar a la superficie durante el tratamiento térmico. Los hidróxidos de aluminio son realmente buenos para la interacción con los sitios polares ácidos de los polímeros. Sin embargo, la hidratación puede reducir el rendimiento general de la adhesión, ya que crea sitios básicos más débiles en la superficie superior.

Si la capa de óxido se forma a una temperatura superior a 400 C, el óxido amorfo puede agrietarse debido a la expansión térmica y se puede formar Al2O3 cristalino. Esto puede tener un efecto perjudicial sobre la adhesión total. La presencia de magnesio también promueve el crecimiento de óxido cristalino.

Otra característica del aluminio después del laminado es la llamada capa deformada cercana a la superficie (NSDL). Cuando el rodillo muerde la superficie del metal, puede iniciar grietas en la capa de óxido. A medida que la lámina sale del rodillo, el metal laminado o los intermetálicos pueden adherirse a la superficie del rodillo. En sucesivos ciclos de laminación, estas partículas se vuelven a depositar en la superficie de la lámina y crean aún más imperfecciones o grietas en la capa de óxido. Este proceso crea una capa en la superficie del aluminio que es diferente del metal subyacente. Esta capa es la NSDL.

El espesor del NSDL varía entre 1,5 y 8 micras, dependiendo del tren de laminación. Se puede formar un NSDL durante el laminado en frío y en caliente. Existe una fuerte correlación entre la presencia de un NSDL y la susceptibilidad a la corrosión filiforme de las aleaciones de aluminio 3xxx y 5xxx.

Antes del pretratamiento, el sustrato de aluminio debe limpiarse de aceite residual, suciedad y óxidos superficiales. Para las aleaciones 5xxx, el principal requisito para la limpieza, además de eliminar los residuos orgánicos, es garantizar la eliminación de los óxidos ricos en magnesio, que pueden tener un efecto perjudicial en la adherencia de los recubrimientos.

El método de limpieza más utilizado para láminas de aluminio en la industria automotriz es un proceso de ácido mixto. El aluminio se baña en una mezcla de ácidos sulfúrico, fosfórico y fluorhídrico a una temperatura de 50 a 70 C. Esto elimina el NSDL y hace que el metal sea más resistente a la corrosión.

Después de la limpieza, el aluminio recibe un pretratamiento para modificar la química de la superficie, mejorar la adherencia y aumentar la resistencia a la corrosión. Hay tres tipos de pretratamiento:

En la industria automotriz, los tratamientos de iones metálicos más utilizados son los recubrimientos de conversión a base de fluoruro de titanio o una mezcla de fluoruro de titanio y fluoruro de zirconio. Los tratamientos se pueden aplicar con procesos de inmersión, spray o sin aclarado. La ventaja de estos recubrimientos es su rapidez y sencillez. Se pueden secar en el lugar y se pueden aplicar a bajas temperaturas.

Para obtener una adherencia aún mejor y lograr un recubrimiento homogéneo, se pueden agregar aditivos orgánicos a los baños de conversión. Estos aditivos incluyen ácido poliacrílico, fosfato de fenol, silanos y agentes quelantes, como el ácido aminotrimetilenfosfónico.

Entre los agentes de acoplamiento, los silanos son los más utilizados. El papel de los agentes de acoplamiento es mejorar el grado de entrecruzamiento en la región de interfaz para aumentar el enlace químico. Los silanos pueden formar enlaces químicos tanto con el sustrato como con el adhesivo. La ventaja de los silanos es que son simples y estables, debido a su estructura reticulada covalente. También mejoran la humectabilidad de la superficie. El único inconveniente de los silanos es su vida útil relativamente corta.

Los recubrimientos a base de ácido organofosfónico también se utilizan como agentes de acoplamiento. Los ácidos organofosfónicos forman monocapas muy estables sobre aleaciones de aluminio recubiertas de una fina película de óxido. La presencia de monocapas de fosfonato mejora la adherencia con el óxido de aluminio. Estos ácidos se pueden aplicar mediante revestimiento por inmersión o pulverización.

Otro pretratamiento es la anodización. El anodizado es un proceso electroquímico que convierte la superficie metálica en un acabado de óxido anódico duradero y resistente a la corrosión. Y la superficie porosa proporciona adhesión a adhesivos e imprimaciones. El anodizado se logra sumergiendo el aluminio en un baño electrolítico ácido y pasando una corriente eléctrica a través del medio.

La ventaja de la anodización es que crea una superficie de óxido de aluminio puro. Es más respetuoso con el medio ambiente que otros pretratamientos, y el grosor y la morfología del óxido acabado se pueden controlar fácilmente. Por otro lado, también es más costoso y difícil de aplicar en la producción de alto volumen.

Mercedes emplea anodización en su sedán de clase CLS. También se utiliza en los deportivos Lotus Elite y Opel Speedster.

Después del pretratamiento, generalmente se aplica un lubricante de estampado al metal para mejorar la conformabilidad y proteger el sustrato antes de la unión. La cantidad de aceite aplicada es de aproximadamente 0,9 gramos por metro cuadrado. Sin embargo, si el aceite no es un lubricante de película seca, habrá una distribución no homogénea en la superficie debido a la escorrentía.

Estos lubricantes no necesariamente se eliminan en las plantas de estampado, por lo que es importante que el adhesivo sea compatible con ellos. El adhesivo debe poder desplazar o absorber cualquier lubricante para formar una unión fuerte. Por ejemplo, ciertos epoxis pueden desplazar y absorber aceite.

Varios estudios han demostrado que los lubricantes para estampado pueden afectar negativamente la resistencia de las juntas. Por ejemplo, un estudio mostró que la fuerza de la unión disminuyó a medida que aumentaba la cantidad de lubricante al unir aleación de aluminio 6111 con acero de alta resistencia. Otro estudio encontró que 2,21 gramos por metro cuadrado de lubricante hidrofóbico fueron suficientes para afectar negativamente la fuerza de unión.

Uno de los principales inconvenientes de las juntas adhesivas es su durabilidad a largo plazo cuando se exponen a las condiciones ambientales.

El agua puede entrar en una junta adherida por difusión a granel a través del adhesivo, difusión interfacial a lo largo de la interfaz entre el adhesivo y el sustrato, y por acción capilar a través de grietas o defectos en el adhesivo o la capa de conversión. Puede afectar negativamente al sistema ya sea modificando las propiedades de adhesión o desplazando el adhesivo en la interfaz.

Una vez que el agua llega a la junta, hay varias formas en las que puede afectar el adhesivo. Éstas incluyen:

En algunos casos, este daño es reversible cuando la junta se seca. En otros casos, el daño es irreversible.

Por eso es tan importante el pretratamiento. La creación de uniones primarias entre el adhesivo y el sustrato mejora en gran medida la resistencia de la unión.

La humedad puede ser tan perjudicial para las uniones adhesivas como el agua. Por ejemplo, un estudio expuso juntas de aluminio unidas con varios adhesivos estructurales a una humedad relativa del 100 por ciento a una temperatura de 50 C. Los investigadores encontraron que la fuerza de la junta disminuyó significativamente, pero se recuperaría parcialmente cuando la humedad disminuyera.

La protección contra la corrosión depende de la adhesión de la capa de recubrimiento al sustrato. Cuando la unión entre el revestimiento y el sustrato es fuerte, el agua no puede penetrar en la interfaz y la corrosión no se desarrolla rápidamente. Sin embargo, cuando la unión es débil, la corrosión puede propagarse fácilmente en la interfase.

Un estudio analizó el efecto del rocío de sal a largo plazo en la resistencia de las juntas de aluminio de corte traslapado unidas con sellador de bridas de dobladillo. Un juego de juntas fue tratado con un revestimiento de zirconio-titanio; otro era de aluminio desnudo. El estudio encontró que inicialmente, el revestimiento de titanio y circonio brindaba una mejor protección contra la corrosión que el aluminio desnudo. Sin embargo, a largo plazo, más de 1400 horas, el recubrimiento proporcionó una protección peor que el metal desnudo.

La corrosión filiforme es una forma de corrosión atmosférica que ocurre bajo recubrimientos orgánicos en forma de filamentos estrechos e interconectados similares a hilos. Se observó por primera vez a fines de la década de 1960, donde ocurrió alrededor de las cabezas de los remaches y los bordes de los revestimientos de aluminio en aeronaves expuestas a ambientes tropicales agresivos.

En el caso de capas de polímero sobre superficies de óxido no conductoras, como en las aleaciones de aluminio, la corrosión filiforme se debe a la deslaminación anódica. La pérdida de adherencia se produce por la disolución anódica del sustrato. Los principales factores ambientales que son cruciales para el inicio y la proliferación de esta forma de corrosión son la humedad relativa superior al 80 por ciento, la presencia de iones agresivos como el cloro y los defectos en los recubrimientos protectores.

La principal ventaja de la unión adhesiva es que distribuye la tensión en un área grande. Sin embargo, eso no significa que los ingenieros puedan ignorar el problema del estrés. La aplicación de una tensión hará que una unión adhesiva se degrade a un ritmo más rápido que una unión sin tensión, especialmente si las uniones están sujetas a altas cargas durante períodos prolongados.

Las juntas adheridas pueden estar expuestas a esfuerzos tanto estáticos como dinámicos. Estas tensiones no se deben únicamente a cargas externas. Pueden originarse por la contracción del adhesivo después del curado, el hinchamiento del adhesivo debido a la adsorción de agua o por un desajuste térmico entre el adhesivo y el sustrato. Además, el estrés también puede acelerar otros procesos, como la velocidad de difusión de la humedad en la junta.

Se recomienda realizar pruebas de resistencia a la tensión para verificar el rendimiento del diseño de la junta y la selección del adhesivo. Por ejemplo, un estudio analizó el efecto de la exposición ambiental sobre la resistencia a la fatiga de las juntas de acero dulce unidas con varios adhesivos. Las juntas de corte de doble traslape se mantuvieron bajo diferentes condiciones ambientales y de carga durante ocho años. Los investigadores encontraron que el adhesivo utilizado tuvo un gran impacto. Algunas formulaciones mostraron una excelente durabilidad, mientras que otras se vieron afectadas negativamente por el medio ambiente. Los adhesivos que presentaron mejor desempeño fueron los curados con endurecedores de poliamida y los de alta resistencia inicial y módulo de Young.

Nota del editor: Las siguientes personas también contribuyeron a este artículo: Matthieu Boehm, científico investigador, Centro de Tecnología Constellium, Voreppe, Francia; Herman Terryn, Ph.D., profesor de ciencia e ingeniería de superficies, Universidad Libre de Bruselas; y Tom Hauffman, Ph.D., profesor asociado de química de la Universidad Libre de Bruselas.

Este artículo es un resumen de un trabajo de investigación mucho más extenso. Para leer el documento completo, haga clic aquí: https://bit.ly/36hNpRv.