COMPOSOLDA: OPTIMIZACIÓN DE PROCESOS DE UNION MEDIANTE FRICTION STIR WELDING PARA ELEMENTOS DE ALTA EXIGENCIA

SOMETIDOS A FATIGA EN EL TRANSPORTE Entidad financiadora: IMPIVA Programa: I+D Nº de Expediente: IMIDIC/2010/117 Inicio: Enero 2010 Fin: Diciembre 2010 Presupuesto total del ejercicio: 111.600 €

Participantes: AIMME, LORTEK (El presupuesto reseñado es el correspondiente a las actividades realizadas por

AIMME)

1. Marco del proyecto

El objetivo de AIMME mediante este proyecto es el análisis de los elementos soldados

mediante Friction Stir Welding, con el propósito de optimizar los parámetros básicos para la

realización de uniones de aleaciones estructurales de aluminio. Mediante multitud de ensayos

se analizaran resultados finales del producto con parámetros clave. La definición de los

parámetros conlleva un análisis que nos va a proporcionar valores que podremos intercambiar

con el centro tecnológico colaborador, LORTEK, con el fin de alcanzar un gran nivel de

conocimiento en cuanto a la técnica de soldadura y al cambio que se produce comparado con

la unión de aleaciones con métodos tradicionales. El proyecto será por lo tanto una manera

excelente de comprobar el porqué la técnica empieza a ser novedosa en el ámbito del

transporte, y al mismo tiempo porque no se produce ese impulso definitivo a la industria que

conllevaría gran cantidad de ahorro en costes y una notable disminución de productos

contaminantes y perdidas energéticas.

El plan de trabajo de I+D+i que se plantea se puede detallar en tres líneas principales:

- Conocimiento de los fundamentos y variables de proceso de la soldadura por FSW para

aleaciones de aluminio.

- Estudio de los fundamentos y detalles microestructurales que controlan la resistencia a

fatiga y las propiedades mecánicas de uniones FSW.

- Establecer las mejoras aportadas por la tecnología incipiente en comparación con las

tecnologías convencionales de sistemas de unión y realizar un estudio de la viabilidad de

transferencia tecnológica al tejido empresarial-industrial.

2. Actividades del proyecto

Para el desarrollo del proyecto y el cumplimiento de los objetivos que se plantearon, se

realizaron diversas actividades que se explican a continuación.

En una primera fase se procedió a la recopilación de información sobre la experiencia existente

en la actualidad sobre el desarrollo y uso de la técnica de FSW. Uno de los principales objetivos

del presente estudio fue el de determinar cuáles son las variables fundamentales del proceso

FSW, de forma que su conocimiento permitiera diseñar un conjunto de experimentos

encaminados a analizar los resultados del proceso de soldeo de aleaciones de aluminio bajo

diferentes condiciones.

Posteriormente se determinó en qué tipo de aleaciones de aluminio con altas prestaciones

mecánicas se centrarían las pruebas a realizar en el presente proyecto. Para ello se procedió a

determinar dentro de las aleaciones de aluminio existentes en el mercado, cuales son las de

mayor interés en el sector transporte.

Se realizaron las diferentes pruebas de soldadura empleando la técnica de FSW. De este modo,

y teniendo en cuenta los aspectos relativos a las variables críticas del proceso en las aleaciones

de aluminio definidas en la actividad anterior. Dado el amplio número de pruebas que

requerirían un estudio completo, se realizó un análisis previo para restringir las variables a las

más importantes, centrándose las pruebas en contemplar fundamentalmente solo los

parámetros críticos.

Posteriormente se analizaron los resultados de las pruebas de soldeo realizadas en la etapa

anterior, en base a la determinación de las características microestructurales de las uniones

FSW de aleaciones de aluminio. Se emplearon, entre otras, algunas de las técnicas de

caracterización descritas a continuación para el estudio de las transformaciones metalúrgicas

de las uniones soldadas mediante FSW: microscopia óptica (MO), microscopia electrónica de

barrido (SEM) y espectroscopia por dispersión de energía (SEM-EDS). También se

determinaron diversas propiedades mecánicas clave para garantizar el adecuado

comportamiento en servicio de las uniones de aleaciones de aluminio. Se emplearon, entre

otras, algunas de las técnicas de caracterización descritas a continuación:

- Ensayos de comportamiento mecánico-estático del material y uniones soldadas: tracción y

dureza.

- Ensayos de comportamiento dinámico del material y de la unión: fatiga.

3. Resultados

El proceso de soldadura por fricción mediante agitación o batido (Friction Stir Welding, FSW)

fue inventado en 1991 y patentado por el centro The Welding Institute (Reino Unido). Se trata

de un proceso de unión en estado sólido y sin aporte de material, cuyos excelentes resultados

de calidad y gran rango de aplicación en diversos materiales, incluso en algunos considerados

hasta ahora insoldables, lo convierten en una tecnología muy atractiva para numerosos e

importantes sectores industriales. Este novedoso proceso ha sido capaz de eliminar defectos

en aleaciones de aluminio difícilmente soldables por fusión (2xxx y 7xxx) tales como

agrietamiento o microporosidad y también se ha aplicado con éxito en otras aleaciones de

aluminio endurecibles por precipitación (6xxx) y en otros materiales como pueden ser aceros

al carbono, aleaciones de cobre, titanio, magnesio, etc.

El proceso de soldeo FSW se puede considerar como un proceso de “forjado y extrusión

continuo”. La secuencia del proceso se muestra en la figura 1. Inicialmente, la herramienta

rotatoria se posiciona sobre la línea de unión (figura 1a); empieza a descender y entra en

contacto con las piezas a unir aún frías (figura 1b). Una vez que logra penetrar hasta un valor

predeterminado (generalmente hasta que el hombro entre en contacto con la superficie de los

componentes), empieza a girar y se aplica una fuerza axial (figura 3c). La fricción entre la

herramienta y las piezas a unir da origen a la energía de fricción, que conlleva un aumento de

la temperatura de las piezas en las proximidades de la herramienta, justo a un valor por debajo

de la temperatura de fusión de los componentes. En este rango de temperatura, la resistencia

de las piezas cae hasta tal punto que pasa a un estado plástico. Debido a la rotación de la

herramienta (figura 3d), el material pastoso se transporta alrededor de él, por un canal de

extrusión (región que se crea entre el material frío y aún sólido, y la herramienta rotatoria).

Así, cuando empieza el movimiento de avance de la herramienta, se produce la mezcla de los

dos componentes a lo largo de la línea de unión. Al final de la soldadura, la herramienta

asciende y sale de la zona de unión.

(a)

(b)

(c)

(d)

Figura 1. Descripción de la secuencia del proceso de soldadura por fricción FSW.

La soldadura mediante este método tiene varios componentes imprescindibles: un pin, que se

introduce en el metal y realiza la operación de agitación o batido, que puede tener geometrías

distintas (rosca, canales, etc.) y el hombro, este tiene la principal misión de orientar al pin y

darle una prefecta colocación, también proporciona un calor friccional en el metal y una

presión extra, y la última sería el evitar que el material plastificado salga a la superficie durante

el proceso de soldadura.

Entre los parámetros que gobiernan el proceso de soldeo por FSW se puede citar: espesor de

las chapas a soldar, profundidad de penetración del hombro de la herramienta; ángulo de

inclinación de la herramienta respecto a la normal de la superficie; velocidad de avance de la

soldadura; velocidad de rotación de la herramienta; profundidad de penetración del pin;

diseño del pin y el hombro de la herramienta. La figura 2 muestra los principales parámetros y

características del proceso FSW.

Figura 2. Parámetros y características del proceso FSW.

Teniendo en cuenta los parámetros y materiales estudiados en la recopilación bibliográfica se

realizaron soldaduras con diferentes parámetros de soldeo y se utilizaron dos tipos de chapas

de aleaciones de aluminio AA6082 y AA7075.

Se ha focalizado el estudio en determinar las distintas capacidades de las uniones en

condiciones de aporte térmico bajo y alto dependiendo a su vez de las velocidades del pin y de

la morfología de este. En las configuraciones utilizadas se han tenido en cuenta velocidades de

1500 rpm y 900 rpm con distintas relaciones de avance y revolución, de 0.17 y 0.56

mm/revolución.

Caracterización microestructural En la figura 3 se presenta una macro de la aleación de aluminio AW6082 soldada con FSW y en

las figuras 4 y 5 se presentan las micrografías atacadas obtenidas a través de microscopía

óptica para la aleación AW6082 y para la aleación AW7075.

Figura 3. Macro de la soldadura de la aleación AW6082 (A6T1WP2.7)

Dentro de las características de la macro de la soldadura se puede apreciar el nugget en forma

de cubeta, propio para una geometría de pin cilíndrico roscado; existe una tendencia de la

geometría del nugget a presentar una disminución de su forma trapezoidal, la disminución de

la geometría del trapezoide según sus lados inferior y superior es de un promedio de 0.4 mm

aproximadamente. A pesar de este inconveniente las secciones transversales macro atacadas

no revelan ningún tipo de fisuras o poros a partir de las líneas de unión que indiquen alguna

falta de penetración por parte del pin, por lo que se podría estar hablando de soldaduras

sanas.

(a)

(b)

(c)

(d)

Figura 4. Imágenes de microscopía óptica de la aleación AW6082 atacada: a) metal base x200, b) ZAT

x500, c) interfase ZATM-nugget x100, d) nugget x500

(a)

(b)

(c)

(d)

Figura 5. Imágenes de microscopía óptica de la muestra A7T12WP4-1S1 atacada: a) metal base x500, b)

ZAT x100, c) interfase ZATM-nugget x50, d) nugget x500

Caracterización mecánica de las uniones soldadas realizadas Los perfiles de microdureza son excelentes indicadores de los cambios en las propiedades que

se producen a través de las diferentes zonas de la soldadura. En la FSW, los perfiles de

microdureza reflejan el estado de precipitados en las diferentes zonas, así: desde la

composición de la aleación base, los cambios en la microdureza debe resultar principalmente

de los cambios en los precipitados y el tamaño de grano. El perfil de microdureza obtenido

para soldaduras realizadas con diferentes parámetros se puede ver en la figura 6.

Figura 6. Perfil de microdurezas con respecto al centro de la soldadura

En esta figura se observa que la dureza disminuye desde el metal base hacia el centro de la

soldadura, luego tiene un aumento pero finalmente queda con un valor por debajo del

material base, lo que se conoce como distribución de dureza en forma de W, que es típica en

0

20

40

60

80

100

120

140

160

-15 -12 -9 -6 -3 0 3 6 9 12 15

HV

1

Posición con respecto al centro de la soldadura [mm]

aleaciones endurecibles por precipitación y se aprecia mejor en la aleación AW6082. En la

tabla 1 se muestran los resultados del ensayo de tracción para la aleación AW7075.

Nº Muestra Resistencia a tracción [MPa] Límite elástico 0.2% [MPa] Alargamiento [%]

A-1S1 439 387 3.5

B-1S1 505 374 4.0

A-2S1 421 377 2.0

B-2S1 525 366 7.0

B-3S1 520 385 6.0

A-3S1 428 365 2.5

(metal base) 572 503 11

Tabla 1. Resultados de los ensayos de tracción de las diferentes muestras donde A y B representan las

distintas morfologías del pin.

Los parámetros de proceso con fuerte influencia en las propiedades mecánicas son la

velocidad de rotación de la herramienta y su velocidad de avance. Estos dos parámetros

definen el calor específico suministrado a la soldadura. Por otra parte, la penetración de la

herramienta tiene una ligera influencia en las propiedades mecánicas.

En los ensayos de fatiga, los parámetros que se utilizaron fueron:

R (σσσσmín. / σσσσmáx.) 0.1

σa 160

σmáx. 353

σmín. 33

σm 193

∆σ 320

Tabla 2. Parámetros de fatiga.

Los resultados obtenidos con estos parámetros fueron:

Muestra Número de ciclos hasta la rotura

A-1S1 14617

B-1S1 36407

A-2S1 7657

B-2S1 25513

B-3S1 25512

A-3S1 5577

Tabla 3. Primeros resultados de fatiga.

La soldadura por fricción-agitación reduce el esfuerzo umbral de fatiga en ∼40 MPa,

comparado con el metal base. Sin embargo, estos resultados son más una condición del fallo

por fatiga iniciado en la superficie y la rugosidad superficial del cordón de soldadura,

dependiendo del diseño de la herramienta utilizada. Por ejemplo, la herramienta con hombro

y voluta (scroll shoulder tool) con inclinación cero genera una superficie relativamente lisa con

muy pocos destellos (flash) comparada con el diseño de la herramienta cóncava mayor (older

concave tool) comúnmente inclinada 2.5 a 3 ° en la dirección de avance. Cuando los destellos

se eliminan de la corona de soldadura (fresado), la vida a fatiga de la soldadura por fricción-

agitación se aproxima a la del metal base.

4. Aplicaciones

La técnica se encuentra centrada en especial en aleaciones de aluminio y se ha desarrollado

para este material. La indudable mejora que se produce en las uniones realizadas con este

método permite que se pueda pensar en aplicaciones en las cuales las exigencias mecánicas

que se les piden a las uniones de aluminio, en lo que se refiere fundamentalmente a la

resistencia a fatiga, puedan incrementarse significativamente. A día de hoy, se está

desarrollando e investigando distintos materiales como pueden ser los aceros al carbono para

distintas aplicaciones en los sectores de automoción, ferrocarril y construcción naval, las

aleaciones de titanio (sector aeronáutico), las aleaciones de magnesio (sector de automoción)

y otros materiales (cobre, plomo, níquel, etc.).

Como suele ser habitual en las tecnologías innovadoras, las primeras aplicaciones de esta

tecnología se centran en aquellos sectores donde se exigen las máximas características a los

productos. No es sorprendente, por lo tanto, que las primeras aplicaciones que se conocen se

encuentren en la industria aeroespacial y aeronáutica. Sin embargo, la necesidad de obtener

uniones soldadas en aleaciones de aluminio con una mejora en el comportamiento en servicio

no se limita evidentemente a estas áreas.

La industria del transporte, tanto por carretera, como el ferrocarril y naval, se puede beneficiar

claramente de esta tecnología. Conforme las aplicaciones en estos sectores se vayan

consolidando, la evolución lógica de la aplicación de esta tecnología seguirá el camino que han

seguido tantas otras, implementándose paulatinamente en otras industrias no tan avanzadas

tecnológicamente, pero que de forma progresiva se irán beneficiando de estas mejoras

conforme la tecnología vaya madurando, aumentando su disponibilidad y disminuyendo los

costes de utilización.