Construccion: ALUMINIO

El aluminio es un elemento químico, de símbolo Al y número atómico 13. Se trata de un metal no ferromagnético. Es el tercer elemento más común encontrado en la corteza terrestre. Los compuestos de aluminio forman el 8% de la corteza de la tierra y se encuentran presentes en la mayoría de las rocas, de la vegetación y de los animales. En estado natural se encuentra en muchos silicatos (feldespatos, plagioclasas y micas). Como metal se extrae únicamente del mineral conocido con el nombre de bauxita, por transformación primero en alúmina mediante el proceso Bayer y a continuación en aluminio metálico mediante electrólisis. Este metal posee una combinación de propiedades que lo hacen muy útil en ingeniería de materiales, tales como su baja densidad (2.700 kg/m³) y su alta resistencia a la corrosión. Mediante aleaciones adecuadas se puede aumentar sensiblemente su resistencia mecánica (hasta los 690 MPa). Es buen conductor de la electricidad y del calor, se mecaniza con facilidad y es muy barato. Por todo ello es desde mediados del siglo XX el metal que más se utiliza después del acero.

Fue aislado por primera vez en 1825 por el físico danés H. C. Oersted. El principal inconveniente para su obtención reside en la elevada cantidad de energía eléctrica que requiere su producción. Este problema se compensa por su bajo coste de reciclado, su extendida vida útil y la estabilidad de su precio.

Características

Características físicas

El aluminio es un elemento muy abundante en la naturaleza, sólo aventajado por el oxígeno. Se trata de un metal ligero, con una densidad de 2700 kg/m³, y con un bajo punto de fusión (660 °C). Su color es blanco y refleja bien la radiación electromagnética del espectro visible y el térmico. Es buen conductor eléctrico (entre 35 y 38 m/(Ω mm²)) y térmico (80 a 230 W/(m·K)).

Características mecánicas

Es un material blando (Escala de Mohs: 2-3-4) y maleable. En estado puro tiene un límite de resistencia en tracción de 160-200 N/mm²(160-200 MPa). Todo ello le hace adecuado para la fabricación de cables eléctricos y láminas delgadas, pero no como elemento estructural. Para mejorar estas propiedades se alea con otros metales, lo que permite realizar sobre él operaciones de fundición y forja, así como la extrusión del material. También de esta forma se utiliza como soldadura.

Características químicas

Estructura atómica del aluminio.

La capa de valencia del aluminio está poblada por tres electrones, por lo que su estado normal de oxidación es III. Esto hace que reaccione con el oxígeno de la atmósfera formando con rapidez una fina capa gris mate de alúmina Al₂O₃, que recubre el material, aislándolo de ulteriores corrosiones. Esta capa puede disolverse con ácido cítrico. A pesar de ello es tan estable que se usa con frecuencia para extraer otros metales de sus óxidos. Por lo demás, el aluminio se disuelve en ácidos y bases. Reacciona con facilidad con el ácido clorhídrico y el hidróxido sódico.

Soldadura

Esquema de la soldadura TIG.

Los procedimientos de soldeo en aluminio pueden ser al arco eléctrico, bajo atmósfera inerte que puede ser argón, helio, por puntos o por fricción.

Hay dos técnicas de soldadura al arco, de un lado la soldadura al arco bajo atmósfera inerte con electrodo refractario o procedimiento TIG y de otro lado la soldadura al arco bajo atmósfera inerte con electrodo consumible o procedimiento MIG.

La soldadura TIG (Tungsten Inert Gas), se caracteriza por el empleo de un electrodo permanente de tungsteno, aleado a veces con torio o zirconio en porcentajes no superiores a un 2%. Dada la elevada resistencia a la temperatura del tungsteno (funde a 3.410 °C), acompañada de la protección del gas, la punta del electrodo apenas se desgasta tras un uso prolongado. Los gases más utilizados para la protección del arco en esta soldadura son el argón y el helio, o mezclas de ambos. Una varilla de aportación alimenta el baño de fusión. Esta técnica es muy utilizada para la soldadura de aleaciones de aluminio y se utiliza en espesores comprendidos entre 1 y 6 mm y se puede robotizar el proceso.

Máquina de soldar por puntos.

En el momento de ejecutar una soldadura la limpieza de las piezas es esencial. La suciedad, aceites, restos de grasas, humedad y óxidos deben ser eliminados previamente, bien sea por medios mecánicos o químicos. Los métodos de limpieza químicos requieren equipos costosos para el tratamiento superficial y no se pueden usar siempre por esta razón.
El gas inerte que más se utiliza en la soldadura normal en los talleres es el argón puro, puesto que es mucho más económico y requiere menor flujo de gas. El helio se usa sólo cuando se exige mayor penetración.
Para mantener libre de humos y gases la zona de soldadura, es aconsejable la instalación de extractores de humos y gases. La intensidad del arco es mucho mayor que en la soldadura de acero y bajo ningún concepto se debe mirar al arco sin una máscara de protección adecuada.

Soldadura de aluminio por fricción

La soldadura por fricción es un proceso de penetración completa en fase sólida, que se utiliza para unir chapas de metal, principalmente de aluminio, sin alcanzar su punto de fusión. El método está basado en el principio de obtener temperaturas suficientemente altas para forjar dos componentes de aluminio, utilizando una herramienta giratoria que se desplaza a lo largo de una unión a tope. Al enfriarse deja una unión en fase sólida entre las dos piezas. La soldadura por fricción, puede ser utilizada para unir chapas de aluminio sin material de aportación. Se consiguen soldaduras de alta calidad e integridad con muy baja distorsión, en muchos tipos de aleaciones de aluminio, incluso aquellas consideradas de difícil soldadura por métodos de fusión convencionales.

El Aluminio Empleado en la Construcción

De las propiedades del aluminio empleado en la construcción destacan: su ligereza, su resistencia a la corrosión, su excelente capacidad de carga con respecto a su peso, razón por la cual se usa extensivamente en la industria aeronáutica y cada vez más en la industria automotriz, y finalmente su facilidad para ser moldeado en prácticamente cualquier forma. Por lo que respecta a la construcción, es de interés destacar sus cualidades con respecto al acero de uso común, la Tabla 11.4 muestra algunas diferencias entre las propiedades mecánicas y físicas de ambos materiales.

Como se puede observar el aluminio en su estado prácticamente puro tiene un factor aproximado de un tercio de los valores que posee el acero en cuanto a los módulos de elasticidad y de cortante, al igual que para el peso, sin embargo el acero posee mejores características de estabilidad térmica en estas condiciones. Las posibles deficiencias del aluminio se compensan enormemente por su resistencia al deterioro, especialmente a la corrosión, y por su relación resistencia-peso además de su apariencia. Por las características de deformación del aluminio, las cuales son mayores que las del acero, usualmente no se maneja el límite de fluencia para propósitos de diseño, ya que el aluminio no lo exhibe en una forma bien definida, en su caso se considera más práctico definir para control el esfuerzo correspondiente a una deformación plástica del 0.2 %. Por otro lado el aluminio desarrolla menores niveles de esfuerzo cuando la temperatura de trabajo aumenta, esto se debe a que el aluminio presenta un módulo de elasticidad
menor.

Las formas estructurales que se pueden fabricar en aluminio son muy semejantes a las empleadas para el acero, con la consideración de que debido a su menor módulo de elasticidad es necesario considerar un mayor grosor y profundidad del eje neutro en el caso de intentar competir con el acero. Las formas estructurales se pueden lograr por laminado, colado o por extrusión, en la Figura 11.17 se muestran algunas secciones obtenidas por extrusión (el material caliente en barras se hace pasar a presión por un dado configurado en la salida con la forma de la sección del perfil por generar).
La mayor aplicación del aluminio en la construcción consiste en los trabajos de cancelería, ventanas, marcos, puertas, barandales y rejas, sólo en el caso de estructuras especiales se ha empleado para sistemas de techado. El aluminio se puede soldar, especialmente si es aluminio de aleación, aunque es frecuente el ensamblaje a base de tornillería. El uso de laminas de aluminio es común en la fabricación de paneles aligerados con poliuretano, éste elemento se emplea en la pre-fabricación de casas y oficinas desmontables, en otros países se acostumbra fabricar hojas de lámina de aluminio para impermeabilizar techos en estructuras de madera.