En la comparación entre las placas frías líquidas de soldadura por fricción y agitación (FSW) y las placas frías soldadas tradicionales, FSW generalmente ofrece una confiabilidad estructural superior y una menor resistencia térmica en la interfaz de la junta debido a su proceso de unión de estado sólido que crea una estructura monolítica sin metales de aporte. Sin embargo, las placas frías soldadas a menudo mantienen una ventaja en escenarios que requieren geometrías de aletas internas complejas y una densidad de área superficial ultra alta. Si bien FSW ofrece una solución a prueba de fugas y de alta resistencia, ideal para vehículos eléctricos y aplicaciones de alta presión, la soldadura fuerte al vacío sigue siendo un fuerte competidor para aplicaciones que requieren rutas de flujo internas complejas que son difíciles de mecanizar. En última instancia, el 'mejor' rendimiento depende de si el cuello de botella térmico reside en la conductividad de la junta (que favorece el FSW) o en el área de la superficie de transferencia de calor (que favorece la soldadura fuerte).
Comprensión de las tecnologías principales: definición de FSW y soldadura fuerte
Para evaluar con precisión el rendimiento térmico, primero se deben comprender las diferencias fundamentales en cómo se construyen estas placas frías para líquidos. La refrigeración líquida se ha convertido en el estándar para la informática de alto rendimiento (HPC), la electrónica de potencia y los paquetes de baterías de vehículos eléctricos (EV). El método utilizado para sellar los canales de refrigerante determina no sólo la durabilidad de la placa sino también sus características térmicas.
La soldadura por fricción y agitación (FSW) es un proceso de unión de estado sólido. Utiliza una herramienta giratoria no consumible para generar calor por fricción y deformación plástica en el lugar de la soldadura, afectando así la formación de una unión mientras el material está en estado sólido. Debido a que el metal base no se funde, la microestructura permanece refinada y la unión conserva las propiedades térmicas del material original.
La soldadura fuerte tradicional (específicamente la soldadura fuerte al vacío) implica unir dos placas de metal utilizando un metal de aportación que tiene un punto de fusión más bajo que el metal contiguo. El conjunto se calienta en un horno de vacío hasta que el relleno se funde y fluye por acción capilar hacia la junta. Si bien es muy eficaz, esto introduce un tercer material (el relleno) en el recorrido térmico.
El enfrentamiento en la fabricación: acción de estado sólido versus acción capilar
El proceso de fabricación es el principal impulsor de la variación térmica entre estas dos tecnologías. En la producción de una placa fría FSW , los canales normalmente se mecanizan mediante CNC en una placa base. Luego se coloca una placa de cubierta encima y la herramienta FSW atraviesa la costura. Este proceso forja la cubierta hasta la base. No hay huecos, ni porosidad y, lo más importante, no hay materiales extraños. La pieza resultante actúa como una sola pieza de aluminio o cobre.
Por el contrario, las placas frías soldadas suelen implicar un montaje complejo. Los ingenieros pueden insertar aletas dobladas, aletas raspadas u láminas corrugadas dentro de la cavidad antes de sellar. Las placas se sujetan y se calientan. El éxito de este proceso depende en gran medida de la calidad del fundente (si se utiliza) y del flujo uniforme de la aleación de soldadura. Si el metal de aportación crea inclusiones o huecos de óxido, crea 'puntos calientes' localizados donde se impide la transferencia térmica.
Análisis profundo: rendimiento térmico y análisis de resistencia
Al analizar cuál ofrece un mejor rendimiento térmico , debemos tener en cuenta dos factores distintos: la resistencia térmica de las juntas y la superficie de transferencia de calor..
Conductividad térmica conjunta
FSW es el claro ganador en cuanto a conductividad de las juntas. Debido a que FSW no utiliza un material de relleno, la conductividad térmica a través de la zona de soldadura es casi idéntica a la del metal base (por ejemplo, Aluminio 6061 o Cobre 1100). En ingeniería térmica, cada interfaz representa una barrera de resistencia. Al eliminar la interfaz del material de relleno que se encuentra en la soldadura fuerte, FSW reduce la resistencia térmica total ($R_{th}$).
Las aleaciones para soldadura fuerte suelen tener una conductividad térmica más baja que el aluminio o el cobre base. Si bien la capa de soldadura fuerte es delgada (a menudo de micrones de espesor), en aplicaciones de alto flujo de calor (como diodos láser o IGBT), esta interfaz puede contribuir a un aumento de temperatura mensurable. Además, una soldadura fuerte imperfecta puede provocar espacios de aire que actúan como aislantes.
Área de superficie interna y turbulencia
Mientras que FSW gana en la unión, las placas frías soldadas a menudo ganan en el potencial de geometría interna. Debido a que el proceso de soldadura fuerte crea un sello alrededor de componentes internos complejos, los fabricantes pueden rellenar el canal de líquido con aletas corrugadas de alta densidad. Estas aletas aumentan significativamente la superficie en contacto con el refrigerante e inducen turbulencias, que rompen la capa límite y mejoran los coeficientes de transferencia de calor.
FSW generalmente se limita a canales que pueden mecanizarse o extruirse. Si bien la soldadura por fricción y agitación puede sellar caminos complejos, insertar aletas sueltas de alta densidad es más desafiante (aunque no imposible) en comparación con el método de soldadura fuerte 'sándwich y horneado'. Por lo tanto, si una aplicación requiere una superficie enorme para compensar el bajo flujo de refrigerante, una placa soldada con aletas internas podría superar a una placa FSW.
| Característica | Placa fría | soldada con placa fría FSW |
|---|---|---|
| Conductividad térmica conjunta | Alto (Igual que el metal base) | Moderado (Limitado por la aleación de relleno) |
| Complejidad interna de la aleta | Moderado (características mecanizadas/extruidas) | Alto (aletas plegadas, aletas en tira desplazadas) |
| Riesgo de fuga | Extremadamente bajo (vínculo homogéneo) | Bajo a moderado (Depende de la calidad de la articulación) |
| Planitud/deformación | Alta estabilidad (bajo aporte de calor) | Susceptible a deformaciones durante el calentamiento del horno. |
Confiabilidad, límites de presión y prevención de fugas
El rendimiento térmico no significa nada si hay fugas de refrigerante. ¿Es confiable la soldadura por fricción y agitación para la refrigeración líquida? Sí, posiblemente más que la soldadura fuerte. FSW crea una unión metalúrgica que es más fuerte que el material original en algunos aspectos debido al refinamiento del grano. Está libre de defectos y puede soportar presiones de estallido significativamente más altas en comparación con las uniones soldadas.
Las uniones soldadas son susceptibles a la fatiga con el tiempo, especialmente en ambientes con altos ciclos térmicos (calentamiento y enfriamiento rápidos) o vibración (aplicaciones automotrices). La falta de coincidencia en los coeficientes de expansión térmica entre el metal de aportación y el metal base puede eventualmente provocar microfisuras. Una vez que se propaga una grieta, la fuga de refrigerante provoca una falla catastrófica de los componentes electrónicos. FSW elimina este riesgo y garantiza un rendimiento térmico constante durante la vida útil del producto.
Flexibilidad de diseño y geometría interna
La filosofía de diseño difiere marcadamente entre los dos. Las placas FSW suelen tener diseños de 'dos piezas': una tina y una tapa. La ruta de enfriamiento está mecanizada por CNC. Esto permite rutas de flujo optimizadas diseñadas utilizando dinámica de fluidos computacional (CFD) para minimizar la caída de presión. Los canales lisos de una placa FSW son excelentes para aplicaciones de alto flujo donde la potencia de bombeo es una preocupación.
Las placas soldadas permiten diseños 'multicapa'. Puede apilar varias placas para crear rutas de refrigerante en 3D. Sin embargo, esta complejidad conlleva el coste de mayores caídas de presión debido a las intrincadas estructuras de aletas que se utilizan con frecuencia. Si la bomba no puede superar la caída de presión de una densa pila de aletas soldadas, el caudal disminuye y el rendimiento térmico se desploma.
Idoneidad de la aplicación: ¿cuándo elegir cuál?
Elija placas frías FSW cuando:
La confiabilidad es primordial: paquetes de baterías de vehículos eléctricos, aviónica aeroespacial y láseres médicos donde las fugas son inaceptables.
Se requiere alta presión: Los sistemas que utilizan refrigerantes a altas presiones requieren la resistencia al estallido del FSW.
Se necesitan factores de forma grandes: FSW es escalable a placas muy grandes (por ejemplo, refrigeración completa del chasis de un vehículo eléctrico) sin las limitaciones de tamaño de un horno de vacío.
La pureza del material importa: equipos de procesamiento de semiconductores donde no se pueden tolerar residuos de fundente o desgasificación del relleno.
Elija placas frías soldadas cuando:
El espacio es extremadamente limitado: cuando se necesita la superficie máxima absoluta en el espacio más pequeño (por ejemplo, cápsulas de interferencia de radar militar).
Geometrías 3D complejas: aplicaciones que requieren que el refrigerante se mueva verticalmente a través de múltiples capas de la placa.
Se utilizan refrigerantes de baja viscosidad: cuando la caída de presión de las aletas internas es manejable.
Conclusión
Entonces, placa fría líquida FSW versus placa fría soldada tradicional: ¿cuál es mejor? Desde una perspectiva pura de ciencia de materiales y confiabilidad, FSW es la tecnología superior . Ofrece menor resistencia térmica en la interfaz, mayor presión de estallido y cero riesgo de contaminación del flujo. Es el estándar moderno para los sectores de la automoción y las energías renovables.
Sin embargo, Brazing conserva un dominio de nicho en aplicaciones que requieren estructuras de aletas internas ultradensas que FSW no puede replicar fácilmente. Para la mayoría de las aplicaciones modernas de alto rendimiento que buscan un equilibrio entre eficiencia térmica, confiabilidad a prueba de fugas y escalabilidad de fabricación, la soldadura por fricción y agitación es la solución de gestión térmica preferida.