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UNIVERSIDAD DE CARABOBO
FACULTAD DE INGENIERÍA
ESCUELA DE INGENIERÍA MECÁNICA
EVALUACIÓN DEL COMPORTAMIENTO MECÁNICO DE JUNTAS DE ALEACIONES DE ALUMINIO AA6061 Y AA7075 SOLDADAS MEDIANTE EL PROCESO GTAW
DEFORMADAS EN FRIO PLÁSTICAMENTE.
Caputa, Giovanni
Padrin, Giovanni
Naguanagua, Mayo 2012.
UNIVERSIDAD DE CARABOBO
FACULTAD DE INGENIERÍA
ESCUELA DE INGENIERÍA MECÁNICA
EVALUACIÓN DEL COMPORTAMIENTO MECÁNICO DE JUNTAS DE ALEACIONES DE ALUMINIO AA6061 Y AA7075 SOLDADAS MEDIANTE EL PROCESO GTAW
DEFORMADAS EN FRIO PLÁSTICAMENTE
Caputa, Giovanni
Padrin, Giovanni
Naguanagua, Mayo 2012.
UNIVERSIDAD DE CARABOBO
FACULTAD DE INGENIERÍA
ESCUELA DE INGENIERÍA MECÁNICA
EVALUACIÓN DEL COMPORTAMIENTO MECÁNICO DE JUNTAS DE ALEACIONES DE ALUMINIO AA6061 Y AA7075 SOLDADAS MEDIANTE EL PROCESO GTAW
DEFORMADAS EN FRIO PLÁSTICAMENTE
Trabajo especial de grado presentado ante la Ilustre Universidad de Carabobo para optar al título de Ingeniero Mecánico
Tutor académico: Ing. Franklin Camejo
Autores:
Caputa, Giovanni
Padrin, Giovanni
Naguanagua,Mayo 2012
UNIVERSIDAD DE CARABOBO
FACULTAD DE INGENIERÍA
ESCUELA DE INGENIERÍA MECÁNICA
CERTIFICADO DE APROBACIÓN
Quienes suscriben, Miembros del Jurado designado por el
Consejo de Escuela de Ingeniería Mecánica para examinar la Tesis de
Pregrado titulada “Evaluación del comportamiento mecánico de
juntas de aleaciones de aluminio AA6061 y AA7075 soldadas
mediante el proceso GTAW deformadas en frio plásticamente”,
presentada por los bachilleres: Giovanni J. Caputa Graterol, y
Giovanni R. Padrin Perfetti, portadores de la Cédula de Identidad Nº:
18.106.316, y 17.905.816, respectivamente; hacemos constar que
hemos revisado y aprobado el mencionado trabajo.
_______________________
Prof. Franklin Camejo,Ing. Tutor, Presidente del jurado
_______________________ Prof. Sandra Cabello Miembro del jurado
________________________ Prof. Oswaldo Urbano
Miembro del jurado
En Naguanagua a los 22 días del mes de Mayo de 2012.
DDeeddiiccaattoorriiaa
A Dios, porque sin el nada es posible, por enseñarnos a tener fe y fe de
que se puede lograr es necesario para cumplir esta meta profesional.
Especialmente a mis Padres, pilares principales en la edificación de mi
ser. Se lo debo todo a ellos: salud, educación, valores, creencia y honor. Mi
Padre; Giovanni Caputa y mi Madre; Lilia Y. Graterol. Siempre han estado
cuando los he necesitado y más aun en el proceso del desarrollo del
presente trabajo de grado. Siempre estaré en deuda con ustedes.
Mi novia, Ing. Jenniffer J.Vigas A., por su incalculable ayuda en el
desarrollo de la investigación, su apoyo incondicional. Le agradezco por
estar a mi lado en los momentos buenos y malos, por brindarme su cariño,
consuelo, amor y paciencia. Estaré de por vida agradecido.
Amigos, de la vida, de la universidad, de la infancia todos ellos han
influido en la forja de mi personalidad, somos las experiencias que vivimos y
con quien las vivimos.
Especialmente a Giovanni Padrin, Humberto Díaz, Adriana Perales,
Ernesto López, piezas fundamentales para el logro de este proyecto.
A los profesores de la Universidad de Carabobo por ser nuestros tutores y
mentores en desarrollo de esta carrera. Especialmente Ing. Franklin Camejo
nuestro tutor, que siempre ha estado para nosotros cuando hemos
necesitado de sus consejos y conocimientos.
Giovanni Caputa
Al más especial de todos, a ti señor porque hiciste realidad este sueño,
por el amor con el que siempre me has rodeado. Esta meta alcanzada es
para ti.
A mi madre, Alba Perfetti de Padrin y a mi padre, Antonio Padrin por su
enseñanza, amor e incondicionalidad. Por su educación, sus consejos y
porque en cada momento vivido, bueno o malo, siempre supieron dejarme
una enseñanza de vida.
A mis hermanos, porque son parte de mi y su apoyo es algo con lo que
siempre conté y contaré, siempre empujándome a superarme y ser mejor.
Mis compañeros, los cuales siempre brindaron una mano amiga y
desinteresada para ayudar en momentos difíciles, así como por los
innumerables momentos de alegría compartidos, en especial personas como
Humberto Díaz, Jenniffer Vigas, Julio Tobia y mi compañero de investigación
Giovanni Caputa, con el cual palmo a palmo he recorrido cada etapa de mi
carrera, siendo lo más importante de de esta, el cariño y la amistad de las
personas con la que compartí tan preciados momentos.
Por último, a Carla Bonaguro, porque presente o no, siempre sentí tu
apoyo e incondicionalidad, este logro es para ti también y será el comienzo
de muchas satisfacciones más.
Giovanni Padrin
AAggrraaddeecciimmiieennttooss
A Dios por iluminarnos durante todo el camino.
A nuestro tutor de tesis por sus inagotables consejos, asesoramiento y
disponibilidad durante el periodo de investigación.
A todo el personal del Laboratorio de Materiales, por su paciencia y
ayuda.
Al personal de las empresas TRIME C.A, KBT C.A por facilitarnos las
instalaciones y equipos para la ejecución de los ensayos experimentales.
A todos los compañeros de estudios que tuvimos durante la carrera, que
nos ayudamos mutuamente para lograr esta meta.
A la Universidad de Carabobo por ser nuestra casa de estudios
Un agradecimiento de Corazón
RReessuummeenn
El presente trabajo especial de grado tiene como objetivo general el
estudio de la influencia de la deformación plástica en frio en juntas de
aleaciones de aluminio AA6061 y AA7075 soldadas a través del proceso
TIG. La soldadura se ejecutó con un equipo GTAW o TIG de manera
manual, sin material de aporte y un flujo de gas argón constante, la
deformación en frio se generó a través de un proceso de laminación con tres
diferentes porcentajes de reducción de espesor. En ambos aluminios se
realizaron ensayos de tracción, dureza y metalografía, se evaluaron los
cambios en el comportamiento mecánico que la deformación en frio produce
en las uniones soldadas mediante la realización de ensayos de tracción. La
mejor predisposición para la soldadura resultó tenerlo el AA6061, así como
mantener sus propiedades durante el proceso de deformación y en el caso
de la reducción de espesor de 8% mejorar sus propiedades. Para el AA7075
mediante el proceso de soldadura autógena GTAW no se pudo lograr una
unión permanente válida para ser ensayada. Al comparar ambas aleaciones,
se determinó que el aluminio 7075 obtuvo las mayores propiedades
mecánicas con una gran tenacidad. Además se determinó que la soldadura
hecha sin aporte en la aleación de aluminio 6061 presentaba propiedades
mecánicas iguales o mejores que el material base.
RReeccoommeennddaacciioonneess
Realizar el proceso de soldadura TIG con equipos donde se pueda
ajustar las intensidades de corrientes a los rangos recomendados y
controlar la velocidad de soldadura, ya que este último parámetro
influye en la calidad del cordón de soldadura y su aplicación manual
exige una gran habilidad por parte del soldador para minimizar las
imperfecciones.
Cambiar los rodillos del laminador que se encuentra en el taller
metalmecánico de la Facultad de Ingeniería de la Universidad de
Carabobo por rodillos nuevos, para realizar deformaciones plásticas en
frío, que produzcan la mejor variación posible de espesor en toda la
sección del material.
Probar métodos de soldadura no convencionales en el AA7075 o en su
defecto los convencionales utilizando aportes.
Evaluar el comportamiento de juntas soldadas y deformadas
plásticamente en frío para otros materiales.
Realizar un trabajo especial de grado utilizando el método de
evaluación cruzada para obtener la validación de los datos obtenidos.
106 “Evaluación del comportamiento mecánico de juntas de aleaciones de aluminio AA6061 y AA7075
soldadas mediante el proceso GTAW deformadas en frio plásticamente”.
Para futuros trabajos de investigación con el material AA7075 se
recomiendan cuidados adicionales de almacenamiento, preparación,
evaluación y transporte.
Se recomienda utilizar silica liquida coloidal, como abrasivo, para el
pulido de las probetas de aluminio y así obtener un mejor acabo para la
evolución de los ensayos de metalografía
UNIVERSIDAD DE CARABOBO FACULTAD DE INGENIERÍA ESCUELA DE INGENIERÍA MECÁNICA FORMATO TG-5 SOLICITUD DE JURADO EXAMINADOR
Naguanagua, 22de Mayo de 2012
Ciudadano Prof. Sandra Cabello Director-Presidente y demás miembros del Consejo de Escuela de Ingeniería Mecánica Presente.- De acuerdo a lo establecido en el artículo 24 del “Reglamento de Trabajo Especial de Grado”, me remito a usted con la finalidad de solicitar se sirva nombrar el Jurado Examinador de la investigación titulada: “Evaluación del comportamiento mecánico de juntas de aleaciones de aluminio AA6061 y AA7075 soldadas mediante el proceso GTAW deformadas en frio plásticamente”, realizada por los bachilleres: Giovanni Caputa Graterol y Giovanni Padrin Perfetti, portadores de la cédula de identidad: 18.106.316 y 17.905.816, respectivamente; y del cual fui designado como tutor. De igual manera doy fe de que he revisado y bajo mi única responsabilidad solicito la designación del Jurado. Se consignan tres (03) copias provisionales de la monografía de acuerdo a lo establecido en el Artículo 25 del mencionado reglamento.
Profesor Tutor: Prof Franklin Camejo. _________________________
Firma
FORMATO TG-5-A DESIGNACIÓN DE JURADO EXAMINADOR De acuerdo a lo establecido en el Artículo 24 del “Reglamento del Trabajo Especial de Grado”, este Consejo designa a los profesores:
Prof. Franklin Camejo (Presidente)
Prof._________________ (Miembro del Jurado)
Prof. _________________ (Miembro del Jurado)
Prof._________________ (Suplente)
Jurado examinador del Trabajo de Grado propuesto En Naguanagua, a los 22 días del mes de Mayo de 2012.
________________________________ Director-Presidente Consejo de Escuela
Ingeniería Mecánica
IInnttrroodduucccciióónn
La tecnología evoluciona sin detenerse y se necesitan nuevos estudios
e investigaciones para sustentar su continuo progreso y sin lugar a duda los
materiales no ferrosos, se han convertido un punto importante en la búsqueda
de nuevos avances.
Para la unión de estos materiales existen procesos de fabricación de
gran calidad como: GTAW (soldadura por arco con electrodo de tungsteno,
por sus siglas en ingles). Mediante esta tecnología se logra que materiales
como el aluminio se puedan utilizar en una gran cantidad de aplicaciones con
resultados altamente satisfactorios, bajo regulaciones y estándares de calidad
elevados como son en los de la industria automotriz, aeronáutica civil y militar.
El aluminio, es el elemento metálico más abundante en la corteza
terrestre, el cual forma más del 7% del total de la masa total del planeta. Su
ligereza, conductividad eléctrica, resistencia a la corrosión y bajo punto de
fusión, le convierten en un material idóneo para multitud de aplicaciones. Por
esta importante razón, en el presente trabajo especial de grado se realiza la
Evaluación del comportamiento mecánico de juntas de aleaciones de
aluminio AA6061 y AA7075 soldadas mediante el proceso GTAW
deformadas en frio plásticamente, se realizó la selección de este material
por sus determinadas características y la gran cantidad de aplicaciones del
aluminio en la industria.
2 “Evaluación del comportamiento mecánico de juntas de aleaciones de aluminio AA6061 y AA7075
soldadas mediante el proceso GTAW deformadas en frio plásticamente”.
Para la presentación de este trabajo de grado fue necesario fragmentarla
en cuatro (4) capítulos, muy bien definidos y los cuales se encuentran
constituidos de la siguiente forma:
Inicialmente, en el primer capítulo, se suministra la información necesaria
para conocer el problema planteado, la justificación del mismo; así como
también, los objetivos para llevar a cabo la investigación, las diversas
limitantes que se presentan, y el alcance que se desea obtener.
Posteriormente, en el segundo capítulo, se presentan los antecedentes,
que comprenden los estudios previos y trabajos de grado relacionados con el
problema planteado. Además, de las bases teóricas que guardan una
estrecha relación con el objeto del estudio. Ambos aspectos son
fundamentales para la realización de este proyecto.
En el tercer capítulo, se muestra la metodología que se va a implementar,
se describe el tipo de investigación las técnicas y los procedimientos para
llevar a cabo la indagación. Donde, se explica detalladamente las diversas
fases y actividades que conforman el aspecto experimental.
El Desarrollo del trabajo se describe en último capítulo (4) donde se
desarrolla la metodología planteada en el capitulo anterior. Corresponden a la
presentación de los resultados y el análisis de los mismos.
UNIVERSIDAD DE CARABOBO FACULTAD DE INGENIERÍA ESCUELA DE INGENIERÍA MECÁNICA COORDINACIÓN DE PROYECTOS DE GRADO
SINOPSIS DEL PROYECTO DE GRADO TITULO DEL TRABAJO “EVALUACIÓN DEL COMPORTAMIENTO MECÁNICO DE JUNTAS DE ALEACIONES DE ALUMINIO AA6061 Y AA7075 SOLDADAS MEDIANTE EL PROCESO GTAW DEFORMADAS EN FRIO PLÁSTICAMENTE” FECHA DE APROBACIÓN DEL TG-II: FECHA DE EX. FINAL: FECHA DE ENTREGA DE EJEMPLARES DEFINITIVOS A DIRECCIÓN DE ESCUELA: 22/05/12
El presente trabajo especial de grado tiene como objetivo general el estudio de la influencia de la deformación plástica en frio en juntas de aleaciones de aluminio AA6061 y AA7075 soldadas a través del proceso TIG. La soldadura se ejecuto con un equipo GTAW o TIG de manera manual, sin material de aporte y un flujo de gasa argón constante, la deformación en frio se genero a través de un proceso de laminación con tres diferentes porcentajes de reducción de espesor. En de ambos aluminios se realizaron ensayos de tracción, dureza y metalografía, se evaluaron los cambios en el comportamiento mecánico que la deformación en frio produce en el cordón de soldadura en gran parte de las muestras al realizarse los ensayos de tracción. La mejor predisposición para la soldadura resulto tenerlo el AA6061, así como mantener sus propiedades durante el proceso de deformación y en el caso de la reducción de espesor de 8% mejorar sus propiedades. Para el AA7075 mediante el proceso de soldadura autógena GTAW no se pudo lograr una unión permanente valida para ser ensayada. Así que una comparación. Al comparar ambas aleaciones, se determinó que el aluminio 7075 obtuvo las mayores propiedades mecánicas con una gran tenacidad. Además se determino que la soldadura hecha sin aporte en el Aleación de aluminio 6061 presentaba propiedades mecánicas iguales o mejores que el material base.
CEDULA DE IDENTIDAD NOMBRES FIRMA
18.106.316 Caputa, Giovanni ____________________
17.905.816 Padrin, Giovanni ____________________
Tutor: Ing.Franklin Camejo.
ÍÍnnddiiccee ggeenneerraall
Índice general, i
Índice de figuras, v
Índice de tablas, ix
INTRODUCCION, 1
CAPITULO I El Problema, 3
1.1 Situación Problemática, 3
1.2 Objetivos, 6
1.2.1 Objetivos Generales, 6
1.2.2 Objetivos Específicos, 6
1.3 Justificación, 7
1.4 Alcance, 7
1.5 Limitaciones, 8
1.6 Antecedentes, 9
CAPITULO II Marco Teórico, 13
2.1 Bases Teóricas, 13
ii
2.1.1 El Aluminio, 14
2.1.2 Aplicaciones del Aluminio, 15
2.1.3 Influencia de los tratamientos térmicos y mecánicos en las
propiedades mecánicas, 16
2.1.4 Series del Aluminio, 19
2.2 Aleación de Aluminio AA6061, 20
2.2.1 Aplicación del AA6061, 21
2.3 Aleación de Aluminio AA7075, 21
2.3.1 Aplicación de AA7075, 22
2.4 Soldadura, 23
2.4.1 Soldadura TIG - GTAW, 25
2.4.1.1 Beneficios, 26
2.4.1.2 Descripción del proceso de soldadura TIG, 26
2.4.2 Soldabilidad, 29
2.5 Procesos de Fabricación, 29
2.5.1 Laminación, 30
2.5.1.1 Laminación en frio, 30
2.6 Ensayos Mecánicos, 32
2.6.1 Ensayos de Tracción, 32
2.6.1.1 Curva Esfuerzo – Deformación, 34
2.6.2 Ensayo de Dureza, 36
2.7 Ensayos Metalúrgicos, 38
2.7.1 Ensayo de Microscopia, 39
CAPITULO III Marco Metodológico, 39
3.1 Nivel de la investigación, 41
3.2 Tipo de Investigación, 41
3.3 Método de Investigación, 42
3.4 Material Base, 45
iii
3.5 Caracterización del Material, 45
3.6 Soldadura, 46
3.7 Laminación, 50
3.8 Técnicas e Instrumentos de recolección de Datos, 52
3.8.1 Población y muestra, 54
3.8.2 Ensayo de Tracción, 55
3.8.3 Dureza, 57
3.8.4 Microscopia Óptica, 59
3.9 Exposición de Resultados Finales, 60
CAPITULO IV Resultados y Análisis de Resultados, 61
4.1 Caracterización del Material, 61
4.1.1 Composición Química de los Materiales, 62
4.1.2 Ensayo de Tracción para Caracterización del Material, 63
4.1.3 Ensayo de Dureza para Caracterización del Material, 67
4.1.4 Metalografía para Caracterización, 69
4.2 Deformación Plástica en Frio, 71
4.3 Resultados de los Ensayos de Tracción, 73
4.3.1 Ensayos de Tracción AA6061, 74
4.3.2 Ensayos de Tracción AA7075, 80
4.4 Resultados de Ensayos de Dureza, 86
4.5 Resultados de Análisis Metalográfico, 91
4.5.1 Microscopia del AA6061, 91
4.5.2 Microscopia del AA7075, 96
4.6 Análisis de resultados de la juntas de AA7075, 98
CONCLUCIONES, 101
RECOMENDACIONES, 105
REFERENCIAS, 107
ANEXOS, 110
ÍÍnnddiiccee ddee ffiigguurraass
CAPITULO II
2.1. Láminas de aluminio, 14
2.2. Soldador, 24
2.3. Proceso de soldadura TIG, 25
2.4. Proceso de Laminación, 31
2.5. Ensayo de Tracción, 33
2.6. Curva Tensión-Deformación, 36
2.7. Penetrador Vickers y Huella, 38
CAPITULO III
3.1. Esquema del proceso experimental, 44
3.2. Sentido de laminación y dimensionamiento, 47
3.3. Representación de cordón de soldadura, 47
3.4 Taller TRIME C.A. Zona Industrial Castillito, Edo. Carabobo, 48
vi
3.5 Electrodo de Tungsteno Puro, 48
3.6 Magic Wave Fronius 2200 tig welder, 49
3.7. Laminadora Experimental Laboratorio de Procesos de Fabricación,
Facultad de Ingeniería, Universidad de Carabobo, 50
3.8 Fresadora INDUMA modelo 41085, 52
3.9 Cizalla motorizada WEINGARTEN, 53
3.10 (a) Datos de la GALDABINI, 56
3.10 (b) GALDABII CTM 20, 56
3.11 Dimensionamiento de probetas ASTM – E8m, 56
3.12. Elaboración de probetas Fresadora 3 ejes. Taller TRIME CA, 57
3.13. Durómetro de Rockwell marca BUEHLER, 58
3.14 Zonas a estudiar, 58
CAPITULO IV
4.1Grafico esfuerzo-deformación de AA6061 al 0%RE, 63
4.2 Grafico esfuerzo máximo y ultimo de AA6061 al 0%RE, 64
4.3 Grafico esfuerzo-deformación de AA7075 al 0%RE, 65
4.4 Grafico esfuerzo máximo y ultimo de AA7075 al 0%RE, 65
4.5 Microscopia óptica: a) AA6061, b) AA7075 400X de aumento, 70
4.6 Probetas de AA6061 deformadas plásticamente en frio a distintos
%RE, 71
4.7 Probetas de AA7075 deformadas plásticamente en frio a distintos
%RE, 72
vii
4.8 Muestra de grietas en los extremos de una probeta, 73
4.9 Grafico esfuerzo-deformación al 0%RE (con cordón de soldadura), 74
4.10 Grafico esfuerzo máximo y ultimo al 0% RE, 74
4.11 Grafico esfuerzo-deformación al 8%RE (con cordón de soldadura),
75
4.12 Grafico esfuerzo máximo y ultimo al 8% RE, 76
4.13 Grafico esfuerzo-deformación al 16%RE (con cordón de soldadura),
76
4.14 Grafico esfuerzo máximo y ultimo al 16% RE, 77
4.15 Grafico esfuerzo-deformación al 24%RE (con cordón de soldadura),
78
4.16 Grafico esfuerzo máximo y ultimo al 24% RE, 78
4.17 Grafica de esfuerzo promedio de Ruptura - %RE, 79
4.18 Grafico esfuerzo-deformación al 0%RE, 80
4.19 Grafico esfuerzo máximo y ultimo al 0% RE, 80
4.20 Grafico esfuerzo-deformación al 6%RE, 81
4.21 Grafico esfuerzo máximo y ultimo al 6% RE, 82
4.22 Grafico esfuerzo-deformación al12%RE, 83
4.23 Grafico esfuerzo máximo y ultimo al 12% RE, 83
4.24 Grafico esfuerzo-deformación al 18%RE, 84
4.25 Grafico esfuerzo máximo y ultimo al 18% RE, 85
viii
4.26 Grafica de Esfuerzo promedio de ruptura - %RE, 86
4.27Grafico de dureza de AA6061, 87
4.28 Grafico de dureza de AA6061 con 0% RE (Zona transición y cordón),
87
4.29Grafico de dureza de AA6061 con 0% RE (Material base), 88
4.30 Grafico de dureza del AA7075 a distintos % RE, 89
4.31 Dureza Rockwell F de AA7075 con 6% RE, 90
4.32 Material base AA6061 a) 200X b) 400X a 0%RE, 91
4.33Cordón de soldadura de AA6061 a) 200X b) 400X a 0% RE, 92
4.34 Material Base de AA6061 a) 200X b) 400X a 8% RE, 92
4.35 Cordón de soldadura de AA6061 a) 200X b) 400X a 8% RE, 93
4.36 Material Base de AA6061 a) 200X b) 400X a 16% RE, 94
4.37 Cordón de soldadura de AA6061 a) 200X b) 400X a 16% RE, 94
4.38 Material Base de AA6061 a) 200X b) 400X a 16% RE, 95
4.39 AA7075 a) 200X b) 400X con un 0% RE, 96
4.40AA7075 a) 200X b) 400X con un 6% RE, 97
4.41 AA775 a) 200X b) 400X con un 12% RE, 97
4.42 AA775 a) 200X b) 400X con un 12% RE, 98
4.43 Grieta en junta de AA7075, 100
ÍÍnnddiiccee ddee TTaabbllaass
CAPITULO II
2.1. Clasificación de aleaciones de aluminio por número De serie, 19
2.2 Composición química en porcentaje % del 6061, 21
2.3 Comportamiento Mecánico del 6061, 21
2.4 Composición química en porcentaje % del 7075, 22
2.5 Comportamiento Mecánico del 7075, 22
CAPITULO III
3.1. Composición química en porcentaje % del AA6061-Real, 45
3.2. Composición química en porcentaje % del AA7075-Real, 45
3.3. Dimensiones láminas, 45
3.4. Población y Muestra, 55
CAPITULO IV
4.1. Composición química experimental del aluminio AA6061-T0, 62
4.2 Composición química experimental del aluminio AA7075-T0, 62
4.3 Esfuerzo de fluencia, máximo y esfuerzo ultimo de AA6061 al 0% RE, 63
4.4 Esfuerzo de fluencia, máximo y esfuerzo ultimo de AA7075 al 0% RE, 66
4.5 Valores experimentales esfuerzos de fluencia, esfuerzo máximo y reducción
de espesor máximo en fractura, 66
4.6 Propiedades Mecánicas teóricas de tracción de los aluminios AA6061 y
AA7075 según el ASM Handbook, 67
4.7 Medidas de Dureza de Rockwell, 68
4.8 Esfuerzos del AA6061 al 0% RE, 75
4.9 Esfuerzos del AA6061 al 8% RE, 75
4.10 Esfuerzos del AA6061 al 16% RE, 77
4.11 Esfuerzos del AA6061 al 24% RE, 79
4.12 Esfuerzos del AA7075 al 0% RE, 81
4.13 Esfuerzos del AA7075 al 6% RE, 82
4.14 Esfuerzos del AA7075 al 12% RE, 84
4.15 Esfuerzos del AA7075 al 18% RE, 85
4.16 Promedios de dureza de AA6061, 88
4.17 Promedios de dureza de AA7075, 90
CAPÍTULO 1
El Problema
En el presente capítulo, se describe el problema, sus posibles causas,
consecuencias y justificación; a partir de lo cual han surgido los objetivos de
esta investigación, así como, se definen los alcances y limitaciones. De esta
manera, se lleva a cabo una revisión de los estudios realizados
recientemente en el área de interés.
1.1 Situación problemática
Venezuela, por ser un país de inmensa abundancia y variedad de
minerales, cuenta con grandes cantidades de plantas industrial distribuidas
en una diversidad de campos tales como son la minería, metalurgia así como
también el sector automotriz; ampliamente representada en el estado
Carabobo por empresas ensambladoras automotrices como: Ford Motors de
Venezuela, General Motors y Daimler Chrysler; y de maquinaria. Dentro de
las muchas aplicaciones que se desarrollan dentro ellas se encuentra las
uniones permanentes por medio de soldadura, principal método usado para
unir tanto elementos mecánicos como estructuras. Su amplia utilización
4 “Evaluación del comportamiento mecánico de juntas de aleaciones de aluminio AA6061 y
AA7075 soldadas mediante el proceso GTAW deformadas en frio plásticamente”.
radica en que casi todos los materiales metálicos pueden ser unidos de
manera fiable por medio de este método, como por ejemplo el aluminio, el
cual posee una larga vida útil, una gran relación resistencia/peso, bajo
mantenimiento, no inflamable y por su relativa ductilidad, se presenta como
un material fácil de incorporar en cualquier construcción.
Las ventajas anteriormente mencionadas hacen que el aluminio se pueda
trabajar en casi todos los procesos de conformado, como por ejemplo, en
laminación en frío, troquelado, extrusión entre otros procesos de gran
importancia que se encuentran en la industria actualmente, y que a su vez se
han introducido de manera innovadora en el sector automotriz. La razón de
esto es la inclusión de nuevos materiales que optimizan el desempeño final
del producto así como la mejora de herramientas y técnicas de conformado.
En este punto la laminación en frío se ve como uno de los procesos
altamente productivos para la fabricación de perfiles en aluminio, debido
principalmente al endurecimiento por deformación como resultado del
conformado, lo cual se puede convertir en una gran ventaja en muchos
casos.
Otro proceso importante en la manufactura del aluminio es la extrusión,
por ejemplo, en la empresa Extrudal extrusión de aluminio, C.A. para hacer
marcos para vidrios y ventanas, las cuales en muchas oportunidades son de
gran longitud. En estos casos en los cuales para obtener la longitud
requerida es necesario unir 2 o más piezas de aluminio por medio de la
soldadura antes del proceso de extrusión, dicha soldadura debe ser capaz de
resistir la deformación plástica ocasionada por el proceso de extrusión de
manera de obtener un producto con una superficie homogénea y libre de
agrietamiento en las uniones que hayan sido requeridas, para de esta forma
conformar una sola pieza.
Capítulo 1. Introducción 5
Es de gran importancia comentar que en el momento de la soldadura en
sí, el material depositado así como el material adyacentes a la unión,
alcanzan altas temperaturas, que posteriormente al enfriarse se contraen
creando esfuerzos entre las fibras del material, y si estas no se encuentran
limitadas por los elementos que rodean a la soldadura, se originan
deformaciones tales como acortamientos o deformaciones angulares, que en
conjunto con las deformaciones subsiguientes que se producen en la
soldadura por el proceso de deformación plástica, generando, durante el
proceso de manufactura (laminado, extrusión, etc.), esfuerzos, fatiga u otra
situación adversa que podría generar fallas o el colapso de la soldadura y por
consiguiente la falla en el elemento soldado.
En el ámbito de la soldadura tenemos dos grandes grupos, las soldaduras
con aporte y las soldaduras sin aporte. Entre las soldaduras con aporte,
como la GMAW/MIG mientras en el otro grupo tenemos soldadura por
microondas y tipo GTAW/TIG. El sistema TIG es un tipo de soldadura en el
que se utiliza el intenso calor producido por un arco eléctrico, generado entre
un electrodo de tungsteno no consumible y la pieza a soldar. Dicho proceso
de soldadura es ampliamente utilizado en el ámbito industrial, principalmente
para soldar planchas de bajo espesor de aceros al carbono, aceros
inoxidables y aluminio.
Las aleaciones de aluminio AA6061 y AA7075 son ampliamente utilizadas
en procesos de manufactura. En particular en la construcción de elementos
mecánicos y piezas estructurales debido a sus propiedades mecánicas
parecidas a la del acero pero con un menor peso.
6 “Evaluación del comportamiento mecánico de juntas de aleaciones de aluminio AA6061 y
AA7075 soldadas mediante el proceso GTAW deformadas en frio plásticamente”.
Por esto y por la gran cantidad de aplicaciones del aluminio en la industria,
se requiere evaluar la influencia de la deformación plástica en frío en juntas
de aluminio soldadas con el proceso de arco por electrodo de tungsteno y
protección gaseosa (TIG).
1.2 Objetivos
1.2.1 Objetivo General
Evaluar el comportamiento mecánico de las juntas de aluminio
AA6061 y AA7075 soldadas mediante el proceso GTAW deformadas en
frío plásticamente.
1.2.2 Objetivos Específicos
1. Identificar las propiedades mecánicas por ensayos de tracción, dureza
y determinar la composición química de las aleaciones de aluminio
AA6061 y AA7075.
2. Determinar las propiedades mecánicas y microestructurales de juntas
soldadas de las aleaciones de aluminio AA6061 y AA7075 por medio
de análisis metalográfico y ensayos de tracción luego de aplicar la
deformación en frío mediante laminación.
3. Evaluar bajo el código ASTM E8M el comportamiento de la soldadura
luego de ser sometida a un proceso de laminado en frio.
4. Comparar el efecto de la deformación plástica en frío entre las
soldaduras de ambas aleaciones, AA6061 y AA7075.
Capítulo 1. Introducción 7
1.3 Justificación
En gran parte de los procesos de manufactura de la actualidad se están
usando grandes cantidades de aleación de aluminio AA6061 y AA7075, las
cuales junto a la aplicación de un proceso de soldadura GTAW se construye
maquinaria industrial, armamento, blindaje de grado militar, chasis de
vehículos, carrocerías y muchas partes donde se necesita una construcción
ligera pero de gran resistencia a los esfuerzos. En la industria automotriz las
corporaciones que hacen uso de este proceso de soldadura son: Nissan,
Lotus, Bugatti, Volvo, Subaru entre otras.
La soldadura GTAW es un proceso ampliamente utilizado para unión
permanente de componentes mecánicos de gran variedad de tamaño. Su
uso se puede ver en las empresas automotrices, donde las diferentes piezas
al ser ensambladas y puestas en funcionamiento dentro de dicho vehículo
quedan sometidas a distintos esfuerzos, los que luego de un largo período de
servicio pudieran llevar a una deformación superior a la que soporta las
partes soldadas, lo que conduciría a fallas mayores incluyendo la rotura total
de la pieza, que de ocurrir durante el uso del vehículo puede poner en riesgo
vidas humanas.
1.4 Alcance
Se analizó el efecto de la deformación plástica en frío de treinta y cinco
(35) probetas, diecinueve (19) probetas del aluminio AA6061 y dieciséis (16)
del aluminio AA7075 respectivamente, mediante la realización de ensayos
de tracción en cada una de ellas.
8 “Evaluación del comportamiento mecánico de juntas de aleaciones de aluminio AA6061 y
AA7075 soldadas mediante el proceso GTAW deformadas en frio plásticamente”.
Ocho (8) probetas se destinaron para los ensayos de dureza, cuatro de
cada Aleación y otras ocho (8) se sometieron a un análisis de microscopia
donde también se designaron cuatro (4) para cada material
La selección de las probetas para los análisis de dureza y microscopía se
realizó con el objetivo de tener una muestra por cada una de las
deformaciones así como su estado original (sin deformaciones)
Las láminas se soldaron utilizando un electrodo de tungsteno; no
consumible; a través de un proceso de soldadura GTAW, utilizando el argón
como gas protector y sin la utilización de ningún tipo de aporte.
También se realizaron una serie de comparaciones entre ambas
aleaciones, para evaluar los diferentes parámetros en las distintas
condiciones, y en función a los porcentajes de deformación utilizados, se
estableció un límite de deformación al cual podía ser sometido el material, el
cual tiene un espesor al momento de ser recibido de: 3,175 mm.
Se procedió también a seleccionar los parámetros adecuados para la
soldadura TIG en aleaciones AA6061 y AA7075 por medio de la utilización
de catálogos y manuales.
1.5 Limitaciones
Importación del aluminio, AA6061 y AA7075, por no ser materiales de
producción nacional.
Capítulo 1. Introducción 9
Accesibilidad de las máquinas del laboratorio de materiales y procesos,
para realizar: la soldadura, laminación en frío, tracción y observación
metalográfica a las láminas de aluminio.
Disponibilidad del operario para el manejo de la máquina de soldar.
Obtención del abrasivo: Silica líquida coloidal.
1.6 Antecedentes de la investigación
Gomes (2008), Las aleaciones de las series AA6XXX y AA7XXX están
consideradas como de media y alta resistencia, y se utilizan con gran
profusión en tecnologías como: aeronáutica, automoción, etc. Pero su
aplicación como materiales estructurales pasa, sin duda, por el adecuado
desarrollo de sus procesos de unión. En dicho trabajo, se realiza una
evaluación microestructural, tanto mediante técnicas de microscopía óptica
(MO) como electrónica (MEBREDS) y de las propiedades mecánicas
(evolución de la dureza) de estas aleaciones, una vez que han sido
sometidas a procesos de soldadura con arco, como son GTAW (TIG) y
GMAW (MIG), empleando un aporte de aleación de aluminio de composición
Al-5Mg, cuya denominación es AWS A5.10-92 (AA5356).
Gracias a la investigación antes mencionada, se logró entender los
parámetros más influyentes para ser tenidos en cuenta durante los procesos
de soldadura de ambas aleaciones.
10 “Evaluación del comportamiento mecánico de juntas de aleaciones de aluminio AA6061 y
AA7075 soldadas mediante el proceso GTAW deformadas en frio plásticamente”.
Egizabal (2010), Una de las vías desarrolladas, en los últimos años, para
la mejora de las propiedades mecánicas de las aleaciones de aluminio es la
de la incorporación de refuerzos cerámicos en forma de partículas cerámicas.
El objetivo principal del trabajo ha sido desarrollar el proceso de fabricación
de una aleación de aluminio 6061 reforzada con partículas de diboruro de
titanio, TiB2, y analizar las propiedades del material obtenido. Se ha
observado que el proceso de fabricación planteado, consiste en la
fabricación de las partículas por medio del proceso de síntesis auto
propagada a alta temperatura SHS (Self-propagatinghigh temperatura
synthesis, por sus siglas en inglés) y su posterior incorporación a la aleación
6061, es un proceso viable para la fabricación de aleaciones reforzadas
adecuadas para la realización de procesos subsiguientes de extrusión o
forja. El resultado final es la obtención de un material adecuado para la
fabricación de componentes extruidos y que presenta una mejora de sus
propiedades de tracción y fatiga, en comparación a la aleación base.
La investigación antes mencionada, expandió la percepción sobre los
posibles usos, así como la posibilidad de lograr aleaciones más sofisticadas y
más importante aún, entender y comprender que en materiales no ferrosos
pueden ser incorporados a las aleaciones de aluminio y el efecto que se
genera en las uniones permanentes entre dichas aleaciones.
Cabot (2003), El proceso por Fricción-Agitación (FSW) “Friction Stir
Welding” desarrollado por el Instituto Tecnológico para la Soldadura (TWI
“Technological Welding Institute”) de Inglaterra en la última década es un
nuevo concepto en soldadura en fase sólida por fricción especialmente apto
para la soldadura del aluminio y sus aleaciones que ofrece aspectos
interesantes y que en muchos casos puede remplazar con ventaja a los
procesos usuales por arco. Es un proceso automático que permite soldar
Capítulo 1. Introducción 11
juntas a tope y a solape de gran longitud y por consiguiente supera la mayor
limitación del proceso convencional por fricción que consiste precisamente
en la restricción de su aplicación a piezas con simetría de revolución. El FSW
se basa esencialmente en la utilización de una herramienta cilíndrica de un
perfil especial, la cual se inserta entre las superficies de encuentro de los
materiales a unir con una cierta velocidad de rotación y bajo una fuerza
determinada. Las piezas deben estar rígidamente vinculadas a tope o
superpuestas para evitar su movimiento cuando avanza la herramienta a lo
largo de la junta produciendo la dispersión de los óxidos, la plastificación
localizada del material y la soldadura. En este trabajo se repasan principales
características y equipamiento y se presentan resultados de experiencias
efectuadas para evaluar la influencia de la velocidad de avance sobre las
propiedades mecánicas de la unión a tope de chapa AA6061 T6 de 6,25mm
de espesor. Adicionalmente, se comentan diversos aspectos de la
experiencia acumulada.
El acercamiento científico antes mencionado fue fundamental para la
comprensión de las dificultades inherentes de los procesos de soldadura en
aluminio así como la aplicación de diferentes formas de unión que sirvieron
en gran medida para evaluar las ventajas y desventajas de uniones
permanentes como la TIG.
CAPÍTULO 2
Marco Teórico
A continuación, se describen los aspectos teóricos que serán empleados
para la evaluación del comportamiento mecánico de juntas de aleaciones de
aluminio AA6061 y AA7075 soldadas mediante el proceso GTAW
deformadas en frío plásticamente. Inicialmente, se presentan las bases
teóricas, luego se definirá el proceso de soldadura GTAW y por último se
explicarán los ensayos a realizar.
2.1 Bases teóricas
Comprende un conjunto de conceptos y proposiciones que constituyen un
punto de vista o enfoque determinado, dirigido a explicar el fenómeno o
problema planteado en el capitulo uno (1). Se definen las leyes y principios
dentro de las cuales se sitúa el trabajo de investigación.
14 “Evaluación del comportamiento mecánico de juntas de aleaciones de aluminio AA6061 y
AA7075 soldadas mediante el proceso GTAW deformadas en frio plásticamente”.
2.1.1 El aluminio
Es el elemento metálico más abundante en la corteza terrestre, el cual
forma más del 7% del total de la masa total del planeta. Su ligereza,
conductividad eléctrica, resistencia a la corrosión y bajo punto de fusión, le
convierten en un material idóneo para multitud de aplicaciones,
especialmente la aeronáutica, sin embargo, la elevada cantidad de energía
necesaria para su obtención dificulta su mayor utilización, dificultad que
puede compensarse por su bajo costo de reciclado, su dilatada vida útil y la
estabilidad de su precio. (Figura 2.1 láminas de aluminio).
Figura. 2.1. Láminas de aluminio.
Características Físicas
El aluminio es un elemento muy abundante en la naturaleza, sólo
aventajado por el silicio y 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 34 y 38 m/(Ω mm2)) y térmico (80
a 230 W/(m·K)).
Capítulo 2. Marco Teórico 15
Características mecánicas
Mecánicamente 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. Para su uso como material estructural se
necesita alearlo con otros metales para mejorar las propiedades mecánicas,
así como también, aplicarle tratamientos térmicos. Permite la fabricación de
piezas por fundición, forja y extrusión.
Características químicas
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.
2.1.2 Aplicaciones del aluminio
La utilización industrial del aluminio ha hecho de este metal uno de los
más importantes, tanto en cantidad como en variedad de usos, siendo hoy un
material polivalente que se aplica en ámbitos económicos muy diversos y que
resulta estratégico en situaciones de conflicto. Hoy en día, tan sólo superado
por el acero. El aluminio se usa en forma pura, aleado con otros metales o en
16 “Evaluación del comportamiento mecánico de juntas de aleaciones de aluminio AA6061 y
AA7075 soldadas mediante el proceso GTAW deformadas en frio plásticamente”.
compuestos no metálicos. En estado puro se aprovechan sus propiedades
ópticas para fabricar espejos domésticos e industriales, como pueden ser los
de los telescopios reflectores. Su uso más popular, sin embargo, es como
papel aluminio, que consiste en láminas de material con un espesor tan
pequeño que resulta fácilmente maleable y apto por tanto para embalaje
alimentario. También se usa en la fabricación de latas y Tretrabriks®.
Por sus propiedades eléctricas es un buen conductor, capaz de competir
en coste y prestaciones con el cobre tradicional. Dado que, a igual longitud y
masa, el conductor de aluminio tiene más conductividad, resulta un
componente útil para utilidades donde el exceso de peso resulta oneroso. En
el campo aeronáutica, así como en el diseño de tendidos eléctricos donde el
menor peso implica en un caso menor gasto de combustible y mayor
autonomía y en el otro la posibilidad de separar las torres de alta tensión
Además de eso, aleado con otros metales, se utiliza para la creación de
estructuras portantes en la arquitectura y para fabricar piezas industriales de
todo tipo de vehículos. También está presente en enseres domésticos tales
como utensilios de cocina y herramientas. Se utiliza así mismo como
combustible químico y explosivo por su alta reactividad. Como presenta un
buen comportamiento a bajas temperaturas, se utiliza para fabricar
contenedores criogénicos.
2.1.3 Influencia de los tratamientos térmicos y mecánicos en las
propiedades mecánicas.
Deformación en frío: la resistencia a la tracción, el límite elástico 0,2% y
la dureza aumentan por deformación en frío, mientras que el alargamiento a
la rotura y la estricción a la rotura, disminuyen.
Capítulo 2. Marco Teórico 17
El límite elástico 0,2% sube con la deformación en frío más fuertemente
que la resistencia a la tracción, aproximándose cada vez más a esta de
modo que se llega casi a una rotura por fragilidad sin deformación, lo que
supone que la deformación en frío tiene sus limitaciones. El comportamiento
en cuanto al aumento de resistencia por deformación en frío depende de la
composición. También juegan un papel importante el estado de la estructura
antes de la deformación y el tipo de deformación, la velocidad y la
temperatura de trabajo.
Mediante la deformación en frío se pueden modificar también otras
características como la conductividad eléctrica, que disminuye muy poco. La
influencia de una deformación en frío sobre la resistencia a la corrosión es
escasa.
Ablandamiento: mediante recocido a elevadas temperaturas se elimina la
acritud en los metales deformados en frío, lo que supone, que el aumento de
la resistencia conseguida con la deformación en frío, se puede aminorar en
mayor o menor medida. Una eliminación total de la acritud hasta conseguir el
estado inicial se produce cuando el recocido se realiza a temperaturas por
encima del umbral de la recristalización. A temperaturas por debajo de este
umbral aparece solamente una eliminación parcial del ablandamiento
(regeneración). Bajo estas circunstancias se supone que comienza la
recristalización a unos 240°C. El curso exacto de la curva de ablandamiento
depende, además del material, muy fuertemente del nivel de la deformación
en frío sufrida. Otras magnitudes que influyen son: el tiempo de recocido, la
velocidad de calentamiento y el estado de la estructura antes de la
conformación, es decir, los tratamientos térmicos y mecánicos sufridos, a los
que se le puede añadir el procedimiento de fundición que se haya seguido en
el material de partida.
18 “Evaluación del comportamiento mecánico de juntas de aleaciones de aluminio AA6061 y
AA7075 soldadas mediante el proceso GTAW deformadas en frio plásticamente”.
Recocido de ablandamiento, estabilización: el recocido de
ablandamiento sirve para transformar materiales a un estado de resistencia
muy baja y alto alargamiento. Se realiza de ordinario para facilitar trabajos de
conformación o para hacerlos posible. En los materiales endurecidos en frío,
el recocido de ablandamiento consiste en un recocido de recristalización,
habiendo de tenerse en cuenta el tamaño de grano, la duración del recocido,
el nivel del grado de deformación en frío y los recocidos intermedios.
Normalizado: el normalizado sirve para la eliminación de tensiones
propias, que pueden surgir debido a un rápido enfriamiento de las piezas al
colarlas, por enfriamiento rápido después del proceso de endurecimiento o
por trabajo mecánico. Debido a las tensiones propias, pueden producirse
deformaciones en las piezas.
El endurecimiento por precipitación tiene lugar, fundamentalmente en tres
fases:
Por calentamiento a temperatura elevada se disuelven en la solución
sólida de aluminio la mayor parte de los componentes de la aleación,
que provocan el endurecimiento (recocido de disolución).
Por enfriamiento rápido, la solución sólida, enriquecida en estos
componentes de la aleación se transforma, en primer lugar, en un
estado sobresaturado (temple).
Por permanencia, a la temperatura ambiente o a una temperatura más
elevada, se producen precipitaciones de la solución sólida
sobresaturada, que provocan un aumento de la resistencia a la
tracción, del límite elástico 0,2% y de la dureza (envejecimiento o
maduración).
Capítulo 2. Marco Teórico 19
2.1.4 Series de aluminio.
El aluminio puro es un material blando y poco resistente a la tracción. Para
mejorar estas propiedades mecánicas se alea con otros elementos,
principalmente magnesio, manganeso, cobre, zinc y silicio, a veces se añade
también titanio y cromo. (Tabla 2.1. Clasificación de las aleaciones)
Tabla 2.1.Clasificación de aleaciones de aluminio por número de serie.
Serie
Designación
Aleante principal
Fase principal presente en la
aleación
1000 1XXX Al menos 99% aluminio -
2000 2XXX Cobre (Cu) Al2Cu - Al2CuMg
3000 3XXX Manganeso (Mn) Al6Mn
4000 4XXX Silicio (Si) AlSi
5000 5XXX Magnesio (Mg) Al3Mg2
6000 6XXX Magnesio (Mg) y Silicio (Si) Mg2Si
7000 7XXX Zinc (Zn) MgZn2
Fuente: Asociación europea de aluminio (EAA)
La primera aleación de aluminio, el popular duraluminio fue descubierta
casualmente por el metalúrgico alemán Alfred Wilm y su principal aleante era
el cobre. Actualmente las aleaciones de aluminio se clasifican en series,
desde la 1000 a la 7000.
Las series 2000, 6000 y 7000 son tratadas térmicamente para mejorar sus
propiedades. El nivel de tratamiento se denota mediante la letra T seguida de
varias cifras, de las cuales la primera define la naturaleza del tratamiento. Así
T3 es una solución tratada térmicamente y trabajada en frío.
Serie 1000: realmente no se trata de aleaciones sino de aluminio con
presencia de impurezas de hierro o aluminio, o también pequeñas
cantidades de cobre, que se utiliza para laminación en frío.
20 “Evaluación del comportamiento mecánico de juntas de aleaciones de aluminio AA6061 y
AA7075 soldadas mediante el proceso GTAW deformadas en frio plásticamente”.
Serie 2000: el principal aleante de esta serie es el cobre, como el
duraluminio o el avional. Con un tratamiento T6 adquieren una
resistencia a la tracción de 442 MPa, que lo hace apto para su uso en
estructuras de aviones.
Serie 3000: el principal aleante es el manganeso, que refuerza el
aluminio y le da una resistencia a la tracción de 110 MPa.
Serie 4000: el principal aleante es el silicio.
Serie 5000: el principal aleante es el magnesio que alcanza una
resistencia de 193 MPa después del recocido.
Serie 6000: se utilizan el silicio y el magnesio. Con un tratamiento T6
alcanza una resistencia de 290 MPa, apta para perfiles y estructuras.
Serie 7000: el principal aleante es el zinc. Sometido a un tratamiento
T6 adquiere una resistencia de 504 MPa, apto para la fabricación de
aviones.
2.2 Aleación de aluminio AA6061
El 6061 es aluminio aleación, con magnesio y silicio como los elementos
de aleación. Tiene características mecánicas generalmente buenas y es
calor tratable y soldable. Es una de las aleaciones más comunes del aluminio
para el uso de fines generales. En la Tabla 2.2 se muestra la composición
química del 6061 y en la tabla 2.3 se muestra el comportamiento mecánico.
Capítulo 2. Marco Teórico 21
Tabla 2.2 Composición química en porcentaje % del 6061
% Si Fe Cu Mn Mg Cr Zn Ti Otros Al
Min 0,40 0,00 0,15 0,00 0,80 0,04 0,00 0,00
Max 0,80 0,70 0,15 1,20 0,35 0,25 0,15 0,15 0,15 Resto
Fuente: Laboratorio Kaiser Aluminum – Spokane, WA
Tabla 2.3 Comportamiento Mecánico del 6061.
Densidad (g/cm2) 2,7
Coef. De dilatación (0 a 100°C)
(°C-1
x106)
23,6
Rango de Fusión (C°) 575-650 Conductividad Térmica(0 a
100°C) (W/m.°C)
Temple T6:
167
Módulo de elasticidad
(mPa) 69500 Resistividad a 20° (µΩcm)
Temple T6:
4,0
Coeficiente de Poisson 0,33 Calos especifico (0 a 100°C) 940
Fuente: Resistencia de materiales – Andrew Pytel, Ferdinand L. Singer – Cuarta edición
2.2.1 Aplicaciones AA6061
Componentes de chapa conformada y/o soldada, piezas mecánicas,
industria del plástico, camiones, torres, canoas, vagones, muebles, cañerías,
construcción de estructuras de avión, marcos de la bicicleta, y otras
aplicaciones estructurales donde se requiera soldabilidad y resistencia a la
corrosión y mecánica.
2.3. Aleación de aluminio AA7075
Se trata de una de las aleaciones con características más elevadas dentro
de los aluminios. El desarrollo de esta aleación ha hecho posible su
utilización en campos hasta ahora reservado a los aceros. En la Tabla 2.4 se
22 “Evaluación del comportamiento mecánico de juntas de aleaciones de aluminio AA6061 y
AA7075 soldadas mediante el proceso GTAW deformadas en frio plásticamente”.
muestra la composición química del 7075 y en la tabla 2.5 se muestra el
comportamiento mecánico.
Tabla 2.4 Composición química en porcentaje % del 7075.
% Si Fe Cu Mn Mg Cr Zn Zr+Ti Otros Al
Min 0,00 0,00 1,20 0,00 2,10 0,18 5,10 0,00 0,00 0,00
Max 0,40 0,50 2,00 0,30 2,90 0,28 6,10 0,25 0,15 Resto
Fuente: Laboratorio Kaiser Aluminum – Spokane, WA
Tabla 2.3 Comportamiento Mecánico del 7075.
Densidad (g/cm2) 2,80
Coef. de dilatación (0 a 100°C)
(°C-1
x106)
23,5
Rango de Fusión (C°) 475-630 Conductividad Térmica(0 a
100°C) (W/m.°C)
Temple T6:
130
Módulo de elasticidad
(mPa) 72000 Resistividad a 20° (µΩcm)
Temple T6:
5,2
Coeficiente de Poisson 0,33 Calos especifico (0 a 100°C) 915
Fuente: Resistencia de materiales – Andrew Pytel, Ferdinand L. Singer – Cuarta edición
2.3.1 Aplicaciones AA7075
Se aplica en armamento, aeronáutica y en la industria del automóvil.
Construcción de maquinaria, moldes para inyección de plásticos, moldes de
soplado, moldes de embutición profunda al vacío, moldes para extrusión de
plásticos, soportes para todo tipo de moldes, tornillería, moldes para
inyectado de gomas, etc.
Capítulo 2. Marco Teórico 23
2.4. Soldadura
Es un proceso de fabricación en donde se realiza la unión de dos
materiales, usualmente logrado a través de coalescencia (fusión), en la cual
las piezas son soldadas fundiendo ambas y pudiendo agregar un material de
relleno fundido (metal o plástico), para conseguir un baño de material fundido
(el baño de soldadura) que, al enfriarse, se convierte en una unión fija.
A veces, la presión es usada conjuntamente con el calor, o por sí misma,
para producir la soldadura. Esto está en contraste con la soldadura blanda
(en inglés soldering) y la soldadura fuerte (en inglés brazing), que implican la
fusión de un material de bajo punto de fusión entre piezas de trabajo para
formar un enlace entre ellos, sin fundir las piezas de trabajo.
Muchas fuentes de energía diferentes pueden ser usadas para la
soldadura, incluyendo una llama de gas, un arco eléctrico, un láser, un haz
de electrones, procesos de fricción o ultrasonido. La energía necesaria para
formar la unión entre dos piezas de metal generalmente proviene de un arco
eléctrico. La energía para soldaduras de fusión o termoplásticos
generalmente proviene del contacto directo con una herramienta o un gas
caliente.
Mientras que con frecuencia es un proceso industrial, la soldadura puede
ser hecha en muchos ambientes diferentes, incluyendo al aire libre, debajo
del agua y en el espacio. Sin importar la localización, sin embargo, la
soldadura sigue siendo peligrosa, y se deben tomar precauciones para evitar
quemaduras, descarga eléctrica, humos venenosos, y la sobre exposición a
la luz ultravioleta. Los sistemas para proteger al soldador se aprecian en la
figura 2.2
24 “Evaluación del comportamiento mecánico de juntas de aleaciones de aluminio AA6061 y
AA7075 soldadas mediante el proceso GTAW deformadas en frio plásticamente”.
Figura 2.2. Soldador usando careta, guantes y gruesas vestimentas.
Fuente: Kobelco – Manual de soldadura.
Hoy en día, la ciencia continúa avanzando. La soldadura robotizada está
llegando a ser más corriente en las instalaciones industriales, y los
investigadores continúan desarrollando nuevos métodos de soldadura y
ganando mayor comprensión de la calidad y las propiedades de la soldadura.
Se dice que es un sistema porque intervienen los elementos propios de
este, es decir, las 5 M: mano de obra, materiales, máquinas, medio ambiente
y medios escritos (procedimientos). La unión satisfactoria implica que debe
pasar las pruebas mecánicas (tracción y doblez). Las técnicas son los
diferentes procesos (SMAW, SAW, GTAW, etc.) utilizados para la situación
más conveniente y favorable, lo que hace que sea lo más económico, sin
dejar de lado la seguridad.
Capítulo 2. Marco Teórico 25
2.4.1. Soldadura GTAW- TIG
Figura 2.3. Proceso de soldadura TIG
Es un proceso en el cual un arco eléctrico controlado es establecido entre
la pieza a ser soldada (obra) y un electrodo no-consumible como se observa
en la figura 2.3. La región de la soldadura es protegida contra
contaminaciones del medio ambiente por atmósfera gaseosa que fluye a
través de la antorcha.
El calor generado del arco es concentrado y funde las partes a ser
soldadas. Este proceso es conocido como Soldadura TIG (Tungsteno Gas
Inerte) o GTAW (Gas Tungsteno Arco de Soldadura) por sus siglas en ingles.
El proceso es ampliamente utilizado, en producción y mantenimiento
industrial, para soldar planchas de bajo espesor (0,2 mm a 8 mm) de aceros
26 “Evaluación del comportamiento mecánico de juntas de aleaciones de aluminio AA6061 y
AA7075 soldadas mediante el proceso GTAW deformadas en frio plásticamente”.
carbono, aceros inoxidables, aluminio y sus aleaciones, cobre y sus
aleaciones, titanio, circonio, níquel y sus aleaciones. Utiliza una fuente de
energía de corriente continua (rectificador o transformador), cables,
antorchas, gas de protección y refrigeradores de agua. Cuando fuese
necesario acrecentar material de adición, se emplean varillas con
composición química compatible con el material de base, a ejemplo de lo que
ocurre con la soldadura oxiacetilénica.
2.4.1.1. Beneficios
» Adecuada para soldaduras de responsabilidad (pase de raíz)
» El proceso puede ser mecanizado o robotizado
» Facilita la soldadura en lugares de difícil acceso
» Ofrece alta calidad y precisión
» Óptimas resistencias mecánicas de la articulación soldada
» Poca generación de humo
» Soldaduras claras, brillantes y con óptimo acabado, sin usar flujo de
limpieza, prescindiendo de acabado final y reduciendo costos de
fabricación
» Soldadura en todas las posiciones
» Versatilidad - suelda prácticamente todos los metales industrialmente
utilizados
2.4.1.2 Descripción del proceso Soldadura TIG
1.- Condiciones generales de Inicio:
1.1.- Los electrodos de Tungsteno estos deberán estar libres de todo tipo
de contaminación como polvo o grasa, libre de humedad así como las
superficies a soldar.
Capítulo 2. Marco Teórico 27
1.2.- Todo proceso de soldadura siempre se realizarse en ambientes libres
de corrientes directas de aire, el extremo del electrodo no deberá salir del
radio de protección del flujo de gas inerte.
2.- Materiales y Equipos
2.1.- Gas Argón. Según la información del proveedor se seleccionará el de
elevada pureza con contaminantes menores a 500 ppm.
2.2.- Equipo de transformación de corriente alterna de 5 a 500 Amperes y
variación de voltaje entre 70 y 80 V de circuito abierto en el Arco.
2.3.- Electrodos de Tungsteno, (según Norma ISO 6848).
3.- Procedimiento
3.1.- El caudal de gas deberá cubrir en amplio radio la superficie a soldar
(baño) de manera que permanezca brillante sin opacidades en el cordón, de
lo contrario, se deduce que el caudal de gas es insuficiente. El flujo de gas
debe empezar antes del cebado, y mantenerse hasta después de la extinción
del arco.
3.2.- Posicionamiento de la antorcha.
La antorcha debe mantenerse poco inclinada (10 a 20°) respecto la
vertical y dirigida de manera que el arco vaya por delante del baño de fusión.
Luego de ser preparado el arco y manteniendo el flujo de gas inerte se
mantiene la antorcha sobre la junta hasta la aparición de un punto brillante
indicando que el metal de la pieza ha llegado a su punto de fusión. Este
punto brillante es aumentado de tamaño cuando el soldador realiza
28 “Evaluación del comportamiento mecánico de juntas de aleaciones de aluminio AA6061 y
AA7075 soldadas mediante el proceso GTAW deformadas en frio plásticamente”.
movimientos pequeños y circulares con la antorcha según sea el
desplazamiento de derecha a izquierda y regulando según la habilidad del
operador su velocidad de avance y la extensión del cordón.
Este detalle se apreciará cuando se mantiene una soldadura brillante y
regular, sin sobre espesores.
4.- Verificación. Se verifica la calidad de los cordones de soldadura por
empleo de planes de inspección y técnicas de preferencia homologadas,
realizando las correcciones respectivas y su posterior verificación.
La soldadura TIG puede presentar variantes en método utilizado a la hora
de aportar el calor, entre otras se encuentran:
Soldadura de pulso largo: Se puede utilizar tanto en la soldadura con
corriente continua como alterna. Se trabaja con dos niveles de
corriente, de los cuales el más bajo se elige para que no se apague el
arco. La ventaja radica en que se puede conseguir una soldadura
perfecta con una intensidad de corriente media, más baja que en la
soldadura normal. Con la combinación corriente continua y pulso se
pueden llegar a soldar espesores del orden de 0,05 mm, sin llegar a
producir perforaciones.
Onda Rectangular: En comparación con la corriente alterna sinusoidal
se consigue un paso por el cero mucho más rápido. Esto da lugar a
que el riesgo de que el arco se apague sea muy pequeño y que la
corriente de alta frecuencia sea necesaria sólo cuando se encienda el
arco. Además la onda rectangular tampoco presenta pico, de modo
que se pueden usar electrodos de volframio más delgados.
Capítulo 2. Marco Teórico 29
2.4.2. Soldabilidad
La calidad de una soldadura también depende de la combinación de los
materiales usados para el material base y el material de relleno. No todos los
metales son adecuados para la soldadura, y no todos los metales de relleno
trabajan bien con materiales bases aceptables.
La soldabilidad de las aleaciones de aluminio varía significativamente
dependiendo de la composición química de la aleaciones usadas.
Las aleaciones de aluminio son susceptibles al agrietamiento caliente, y
para combatir el problema los soldadores aumentan la velocidad de la
soldadura para reducir el aporte de calor. El precalentamiento reduce el
gradiente de temperatura a través de la zona de soldadura y por lo tanto
ayuda a reducir el agrietamiento caliente, pero puede reducir las
características mecánicas del material base y no debe ser usado cuando el
material base está restringido.
El diseño del empalme también puede cambiarse, y puede seleccionarse
una aleación de relleno más compatible para disminuir la probabilidad del
agrietamiento caliente. Las aleaciones de aluminio también deben ser
limpiadas antes de la soldadura, con el objeto de quitar todos
los óxidos, aceites, y partículas sueltas de la superficie a ser soldada. Esto es
especialmente importante debido a la susceptibilidad de una soldadura de
aluminio a la porosidad debido al hidrógeno y a la escoria debido al oxígeno.
2.5. Procesos de fabricación
Es el conjunto de operaciones necesarias para modificar las
características de las materias primas. Dichas características pueden ser de
30 “Evaluación del comportamiento mecánico de juntas de aleaciones de aluminio AA6061 y
AA7075 soldadas mediante el proceso GTAW deformadas en frio plásticamente”.
naturaleza muy variada tales como la forma, la densidad, la resistencia, el
tamaño o la estética. Se realizan en el ámbito de la industria.
2.5.1. Laminación
El laminado es un proceso de deformación volumétrica en el que se
reduce el espesor inicial del material trabajado mediante las fuerzas de
compresión que ejercen dos rodillos sobre la pieza/material de trabajo. Los
rodillos giran en sentidos opuestos para que fluya el material entre ellos,
ejerciendo fuerzas de compresión al pasar entre ellos y de cizallamiento
originadas por el rozamiento que se produce entre los rodillos y el metal. Los
procesos de laminado requieren gran inversión de capital, debido a ello los
molinos de laminado se usan para la producción de grandes cantidades de
productos estándar (láminas, placas, etc.).
2.5.1.1 Laminación en frío
Los metales cristalinos se deforman por deslizamiento y, en la escala
atómica, por la propagación y multiplicación de las dislocaciones. Se requiere
un esfuerzo mayor para trasladar una sucesión de dislocaciones sobre el
mismo plano y se necesita un esfuerzo mucho mayor para moverlas, una vez
que se enredan las dislocaciones que se propagan sobre los diferentes
planos. Este esfuerzo mayor es causa del incremento en el esfuerzo de
fluencia. Un material sometido al trabajo en frío, por ejemplo la laminación,
también se endurece por deformación. La microestructura cambia: los
cristales (granos) se alargan en dirección de la deformación mayor, como se
aprecia en la figura 2.4.
En sentido coloquial, el término de trabajo en frio se refiere a los procesos
que recibe el material por debajo de la temperatura de recristalización. En
Capítulo 2. Marco Teórico 31
ausencia de enfriamiento y oxidación pueden obtener tolerancias mas
estrechas, un mejor acabado superficial y también paredes mas delgadas
Figura. 2.4. Proceso de Laminación.
Fuente: Lange, K. (ed.2): Manual de conformado de material. McGraw-Hill, 1985
El endurecimiento por deformación es importante por varias razones.
Puesto que muchos materiales trabajados en frío tienen un nivel razonable
de ductilidad; el trabajo en frío ofrece al diseñador un método de bajo costo
para obtener materiales de resistencia elevada.
La reducción de la ductilidad puede causar la fractura de la pieza de
trabajo. Esto se transforma en un problema importante cuando se van a
realizar grandes reducciones como se aprecia en la figura 2.4. Entonces, es
necesario remover los efectos del trabajo en frío por medio de un recocido.
32 “Evaluación del comportamiento mecánico de juntas de aleaciones de aluminio AA6061 y
AA7075 soldadas mediante el proceso GTAW deformadas en frio plásticamente”.
2.6. Ensayos mecánicos
A su vez, se denomina ensayo de materiales a toda prueba cuyo fin es
determinar las propiedades mecánicas de un material. Los ensayos de
materiales pueden ser de dos tipos, ensayos destructivos y ensayos no
destructivos. Estos últimos permiten realizar la inspección sin perjudicar la
probeta a ensayar.
2.6.1. Ensayo de tracción
Consiste en someter a una probeta normalizada a un esfuerzo axial
de tracción creciente hasta que se produce la rotura de la probeta. Este
ensayo mide la resistencia de un material a una fuerza estática o aplicada
lentamente. Las velocidades de deformación en un ensayo de tracción
suelen ser muy pequeñas (v = 10–4 a 10–2 s–1).
En un ensayo de tracción pueden determinarse diversas características de
los materiales elásticos:
Módulo de elasticidad o Módulo de Young, que cuantifica la
proporcionalidad anterior.
Coeficiente de Poisson, que cuantifica la razón entre el alargamiento
longitudinal y el acortamiento de las longitudes transversales a la
dirección de la fuerza.
Límite de proporcionalidad: valor de la tracción por debajo del cual el
alargamiento es proporcional a la carga aplicada.
Límite de fluencia o límite elástico aparente: valor de la tracción que
soporta la probeta en el momento de producirse el fenómeno de la
cedencia o fluencia. Este fenómeno tiene lugar en la zona de
transición entre las deformaciones elásticas y plásticas y se
Capítulo 2. Marco Teórico 33
caracteriza por un rápido incremento de la deformación sin aumento
apreciable de la carga aplicada.
Límite elástico (límite elástico convencional o práctico): valor de la
tracción a la que se produce un alargamiento prefijado de antemano
(0,2%, 0,1%, etc.) en función del extensómetro empleado.
Carga de rotura o resistencia a tracción: carga máxima resistida por la
probeta dividida por la sección inicial de la probeta.
Alargamiento de rotura: incremento de longitud que ha sufrido la
probeta. Se mide entre dos puntos cuya posición está normalizada y
se expresa en tanto por ciento.
Estricción: es la reducción de la sección que se produce en la zona de
la rotura.
Normalmente, el límite de proporcionalidad no suele determinarse ya que
carece de interés para los cálculos. Tampoco se calcula el módulo de Young,
ya que este esta ampliamente estudiado en una gran variedad de
documentos científicos, sus valores son extensamente conocidos para cada
material bajo esfuerzos dentro de los límites elásticos
Figura2.5. Ensayo de Tracción.
34 “Evaluación del comportamiento mecánico de juntas de aleaciones de aluminio AA6061 y
AA7075 soldadas mediante el proceso GTAW deformadas en frio plásticamente”.
2.5.1.1. Curva Esfuerzo-Deformación
En el ensayo se mide la deformación (alargamiento) de la probeta entre
dos puntos fijos de la misma a medida que se incrementa la carga aplicada,
como muestra la figura 2.5, y se representa gráficamente en función de la
tracción (carga aplicada dividida por la sección de la probeta). En general, la
curva tracción-deformación obtenida mediante la utilización del dispositivo
presentado en la figura anterior presenta cuatro zonas diferenciadas:
1. Deformaciones elásticas: Las deformaciones se reparten a lo largo de
la probeta, son de pequeña magnitud y, si se retirara la carga
aplicada, la probeta recuperaría su forma inicial. El coeficiente de
proporcionalidad entre la tracción y la deformación se denomina
módulo de elasticidad o de Young y es característico del material. Así,
todos los aceros tienen el mismo módulo de elasticidad aunque sus
resistencias puedan ser muy diferentes. La tracción más elevada que
se alcanza en esta región se denomina límite de fluencia y es el que
marca la aparición de este fenómeno. Pueden existir dos zonas de
deformación elástica, la primera recta y la segunda curva, siendo el
límite de proporcionalidad el valor de la tracción que marca la
transición entre ambas. Generalmente, este último valor carece de
interés práctico y se define entonces un límite elástico (convencional o
práctico) como aquél para el que se produce un alargamiento
prefijado de antemano (0,2%, 0,1%, etc.). Se obtiene trazando una
recta paralela al tramo proporcional (recto) con una deformación
inicial igual a la convencional.
2. Fluencia o cedencia. Es la deformación brusca de la probeta sin
incremento de la carga aplicada. El fenómeno de fluencia se da
cuando las impurezas o los elementos de aleación bloquean
las dislocaciones de la red cristalina impidiendo su deslizamiento,
mecanismo mediante el cual el material se deforma plásticamente.
Alcanzado el límite de fluencia se logra liberar las dislocaciones
Capítulo 2. Marco Teórico 35
produciéndose la deformación bruscamente. La deformación en este
caso también se distribuye uniformemente a lo largo de la probeta
pero concentrándose en las zonas en las que se ha logrado liberar las
dislocaciones. No todos los materiales presentan este fenómeno, en
cuyo caso la transición entre la deformación elástica y plástica del
material no se aprecia de forma clara.
3. Deformaciones plásticas: si se retira la carga aplicada en dicha zona,
la probeta recupera sólo parcialmente su forma quedando deformada
permanentemente. Las deformaciones en esta región son más
notables que en la zona elástica.
4. Estricción. Llegado un punto del ensayo, las deformaciones se
concentran en la parte central de la probeta apreciándose una notable
reducción de la sección de la probeta, momento a partir del cual las
deformaciones continuarán acumulándose hasta la rotura de la
probeta por esa zona. La estricción es la responsable del descenso
de la curva tracción-deformación; realmente las tensiones no
disminuyen hasta la rotura, sucede que lo que se representa es el
cociente de la fuerza aplicada (creciente) entre la sección inicial y
cuando se produce la estricción la sección disminuye, efecto que no
se tiene en cuenta en la representación gráfica. Los materiales
frágiles no sufren estricción ni deformaciones plásticas significativas,
rompiéndose la probeta de forma brusca. Terminado el ensayo se
determina la carga de rotura, carga última o resistencia a la tracción:
la máxima resistida por la probeta dividida por su sección inicial, el
alargamiento en (%) y la estricción en la zona de la rotura.
Otras características que pueden caracterizarse mediante el ensayo de
tracción son la resiliencia y la tenacidad, que son, respectivamente, las
energías elásticas y total absorbida y que vienen representadas por el área
comprendida bajo la curva tracción-deformación (como se observa en la
figura 2.6) hasta el límite elástico en el primer caso y hasta la rotura en el
segundo.
36 “Evaluación del comportamiento mecánico de juntas de aleaciones de aluminio AA6061 y
AA7075 soldadas mediante el proceso GTAW deformadas en frio plásticamente”.
Figura 2.6. Curva Esfuerzo-Deformación
2.6.2. Ensayo de dureza
La dureza es la oposición que ofrecen los materiales a la penetración, la
abrasión, el rayado, la cortadura, las deformaciones permanentes, etc.
También puede definirse como la cantidad de energía que absorbe un
material ante un esfuerzo antes de romperse o deformarse.
En metalurgia la dureza se mide utilizando un durómetro para el ensayo
de penetración. Dependiendo del tipo de punta empleada y de la carga
aplicada, existen diferentes escalas, adecuadas para distintos rangos de
dureza.
El interés de la determinación de la dureza en los aceros estriba en la
correlación existente entre la dureza y la resistencia mecánica, siendo un
método de ensayo más económico y rápido que el ensayo de tracción, por lo
que su uso está muy extendido.
Capítulo 2. Marco Teórico 37
Hasta la aparición de la primera máquina Brinell para la determinación de
la dureza, ésta se medía de forma cualitativa empleando una lima de acero
templado que era el material más duro que se empleaba en los talleres.
Las escalas de uso industrial actuales son las siguientes:
Dureza Brinell: Emplea como punta una bola de acero templado o
carburo de W. Para materiales duros, es poco exacta pero fácil de aplicar.
Poco precisa con chapas de menos de 6mm de espesor. Estima
resistencia a tracción.
Dureza Knoop: Mide la dureza en valores de escala absolutas, y se
valoran con la profundidad de señales grabadas sobre un mineral
mediante un utensilio con una punta de diamante al que se le ejerce una
fuerza estándar.
Dureza Rockwell: Se utiliza como punta un cono de diamante (en
algunos casos bola de acero). Es la más extendida, ya que la dureza se
obtiene por medición directa y es apto para todo tipo de materiales. Se
suele considerar un ensayo no destructivo por el pequeño tamaño de la
huella.
Rockwell superficial: Existe una variante del ensayo, llamada Rockwell
superficial, para la caracterización de piezas muy delgadas, como
cuchillas de afeitar o capas de materiales que han recibido algún
tratamiento de endurecimiento superficial.
Dureza Rosiwal: Mide en escalas absoluta de durezas, se expresa como
la resistencia a la abrasión medias en pruebas de laboratorio y tomando
como base el corindón con un valor de 1000.
Dureza Shore: Emplea un escleroscopio. Se deja caer un indentador en
la superficie del material y se ve el rebote. Es adimensional, pero consta
de varias escalas. A mayor rebote, mayor dureza. Aplicable para control
de calidad superficial. Es un método elástico, no de penetración como los
otros.
Dureza Vickers: Emplea como penetrador un diamante con forma de
pirámide cuadrangular, tal como se observa en la figura 2.7. Para
38 “Evaluación del comportamiento mecánico de juntas de aleaciones de aluminio AA6061 y
AA7075 soldadas mediante el proceso GTAW deformadas en frio plásticamente”.
materiales blandos, los valores Vickers coinciden con los de la escala
Brinell. Mejora del ensayo Brinell para efectuar ensayos de dureza con
chapas de hasta 2mm de espesor.
Dureza Webster: Emplea máquinas manuales en la medición, siendo
apto para piezas de difícil manejo como perfiles largos extruidos. El valor
obtenido se suele convertir a valores Rockwell.
Figura 2.7. Penetrador Vickers y Huella (fuente: propia).
2.7. Ensayo metalúrgico
La metalografía es la parte de la metalurgia que estudia las características
estructurales o de constitución de los metales y aleaciones, para
relacionarlas con las propiedades físicas, mecánicas y químicas de los
mismos. La importancia del examen metalográfico radica en que, aunque con
ciertas limitaciones, es capaz de revelar la historia del tratamiento mecánico
y térmico que ha sufrido el material.
A través de este estudio se pueden determinar características como el
tamaño de grano, distribución de las fases que componen la aleación,
Capítulo 2. Marco Teórico 39
inclusiones no metálicas como sopladuras, micro cavidades de contracción,
escorias, etc., que pueden modificar las propiedades mecánicas del metal.
2.7.1 Ensayo de microscopia
Es el conjunto de técnicas y métodos destinados a hacer visible los
objetos de estudio que por su pequeñez están fuera del rango de resolución
del ojo normal.
Si bien el microscopio es el elemento central de la microscopía, el uso del
mismo requiere para producir las imágenes adecuadas, de todo un conjunto
de métodos y técnicas afines pero extrínsecas al aparato. Algunas de ellas
son, técnicas de preparación y manejo de los objetos de estudio, técnicas de
salida, procesamiento, interpretación y registro de imágenes, etc.
Exceptuando técnicas especiales como las utilizadas en microscopio de
fuerza atómica, microscopio de iones en campo y microscopio de efecto
túnel.
La microscopía generalmente implica la difracción, reflexión o refracción
la de algún tipo de radiación incidente en el sujeto de estudio.
CAPÍTULO 3
Marco Metodológico
En este capítulo se presenta de forma detallada la metodología para el
desarrollo del proyecto, incluye el tipo de investigación, las técnicas y
procedimientos que utilizan para llevar a cabo la investigación.
3.1 Nivel de la investigación
Experimental debido al análisis comparativo que se llevó a cabo ya que
está fundamentado en ensayos mecánicos normalizados y en el estudio de
las muestras en una forma experimental. A fin de analizar comparativamente
el comportamiento mediante las propiedades mecánicas y la metalurgia de
uniones soldadas por el método GTAW y sometida a una deformación
plástica por medio de un laminado en frío en aleaciones de aluminio AA6061
y AA7075.
3.2 Tipo de investigación
Este trabajo requiere de la ejecución de una secuencia de procesos para
obtener una serie de resultados que permita concluir acerca de la
investigación.
42 “Evaluación del comportamiento mecánico de juntas de aleaciones de aluminio AA6061 y
AA7075 soldadas mediante el proceso GTAW deformadas en frio plásticamente”.
La investigación se ajusta a un estudio de factibilidad y está enmarcado
dentro de una investigación de campo. Un proyecto factible consiste en la
elaboración de una propuesta de un modelo operativo viable, se puede
afirmar que este tipo de estudio, se enmarca dentro de la modalidad de
campo, ya que los datos serán obtenidos de estudios reales.
3.3 Método de investigación
En el desarrollo de la investigación es necesario efectuar una serie de
pasos sistemáticamente organizados, como por ejemplo, la revisión
bibliográfica donde se consultaron informes técnicos, trabajos de grado,
investigaciones entre otros, todas estas fuentes de información se revisaron
con el fin de establecer el soporte teórico necesario para cumplir los objetivos
propuestos en el trabajo de investigación.
Un factor fundamental es el diseño de la investigación, siendo la misma
diseñada como una investigación experimental.
Experimental: ya que se realizaron ensayos normalizados y se obtuvieron
resultados experimentales.
Dicho procedimiento experimental consta de los siguientes pasos:
Obtención de los materiales, aleaciones de aluminio AA6061 y
AA7075 en láminas de al menos 3 mm de espesor.
Capítulo 3. Marco metodológico 43
Se verificó la composición química de las aleaciones.
Se mecanizó el material para obtener probetas de tracción para la
caracterización del material y la aplicación de la soldadura.
Se realizó la soldadura mediante un proceso TIG tomando como
referencia el ASM Manual de Soldadura (Handbook Welding)
Se mecanizó el material, rectificado del cordón de soldadura y corte de
las láminas para obtener las probetas para el proceso de laminación.
Se aplicó deformación plástica en frío por laminación a las probetas
obtenidas previamente.
Se aplicó ensayos de tracción a las muestras deformadas
plásticamente en frío por laminación.
Se preparó las muestras de ambas aleaciones en condición original,
así como de cada una de los porcentajes de reducción de área para
metalografía.
Se preparó ambas aleaciones en condición original y deformada
plásticamente, para ensayos de dureza.
Estos pasos serán resumidos en un esquema para facilitar la compresión,
en dicho esquema se puede observar en orden cronológico los pasos
efectuados durante la investigación. Dicho esquema se muestra en la figura
3.1.
44 “Evaluación del comportamiento mecánico de juntas de aleaciones de aluminio AA6061 y
AA7075 soldadas mediante el proceso GTAW deformadas en frio plásticamente”.
Figura 3.1. Esquema del proceso experimental.
Obtención de las Materiales
Análisis de composición Química
Corte y mecanizado de material para soldadura y elaboración de probetas
de caracterización
Ensayos de caracterización
Proceso de soldadura
Corte y mecanizado del material para elaboración
de probetas para el proceso de laminación
Proceso de laminación
Mecanizado de material para la obtención de las probetas de tracción metalografía y
dureza.
Ensayos de Tracción
Ensayo de dureza
Metalografía
Capítulo 3. Marco metodológico 45
3.4. Material Base.
En este trabajo especial de grado se ensayó las aleaciones de aluminio
AA6061 y AA7075, ambas en un estado T0, las cuales se consiguieron en el
mercado, certificadas por el laboratorio Laboratorio Kaiser Aluminum -
Spokane, WA y suministradas por el distribuidor.
Tabla 3.1. Composición química en porcentaje % del AA6061-Real.
% Si Fe Cu Mn Mg Cr NI Zn Ti
6061 0,71 0,49 0,25 0,13 0,98 0,18 0,007 0,03 0,03
Fuente: Laboratorio Kaiser Aluminum – Spokane, WA
Tabla 3.2. Composición química en porcentaje % del AA7075-Real.
% Si Fe Cu Mn Mg Cr Zn Ti V Zr Otro
7075 0,11 0,18 1,60 0,02 2,50 0,20 5,80 0,03 0,03 0,01 0,03
Fuente: Laboratorio Kaiser Aluminum – Spokane, WA
Las láminas fueron obtenidas con las medidas mostradas en la tabla 3.3.
Tabla 3.3. Dimensiones láminas.
Tipo de Aluminio Cantidad de laminas Dimensiones (mm)
AA6061 1 3657,6x1219,2x3,175
AA7075 1 3657,6x1219,2x3,175
3.5. Caracterización del material
Se han caracterizado microestructuralmente mediante análisis
metalográfico, tanto en los materiales de partida, así como los sometidos a
46 “Evaluación del comportamiento mecánico de juntas de aleaciones de aluminio AA6061 y
AA7075 soldadas mediante el proceso GTAW deformadas en frio plásticamente”.
ciclos de soldadura, para así tener conocimiento de las características del
material antes de ser sometidos a deformaciones plásticas
Se realizaron ensayos de tracción, para determinar las propiedades
mecánicas tales como el porcentaje de reducción de espesor y los esfuerzos
máximos y de ruptura. Dichos ensayos se utilizaron para determinar los
porcentajes de reducción de espesor que se aplicaron a las probetas en el
laminador.
A su vez, se realizaron ensayos de dureza ROCKWELL a muestras no
soldadas, como parte de la caracterización. Se tomaron cinco (5) mediciones
de dureza para luego promediarlas y tener una referencia del material antes
de soldar. Se seleccionó la dureza Rockwell debido a su fácil aplicación, la
disposición de un equipo donde realizar los ensayos y lo más importante:
tanto el material como las probetas se encontraban aptos para la ejecución
de dicho ensayo y los resultados obtenidos fueron validos.
3.6. Soldadura
De las láminas de aluminio obtenidas comercialmente, se cortaron de
cada una, dos tiras de 110x1200mm de manera perpendicular al sentido de
laminación como se muestra en la figura 3.2. Posteriormente se les realizó un
cordón de soldadura a cada par de tiras de cada material para lograr así la
unión entre las mismas como se observa en la figura 3.3.
Como lo muestra la figura 3.3, el cordón de soldadura se aplica en el
costado más largo de la lámina (1200mm) de manera que la junta entra las
dos tiras sea perpendicular al sentido de laminación. Esto se debe a que
tanto al momento de laminar las probetas, como al momento de realizar los
ensayos de tracción, la soldadura debe estar perpendicular al eje de tracción
Capítulo 3. Marco metodológico 47
para poder poner a prueba la fuerza de las juntas, y para (al momento de
laminar en frío) no cambiar el sentido original de laminación.
La figura 3.3 se muestra el sentido de la junta, y la separación entre las
tiras. Para los espesores utilizados no se uso bisel, y entre las láminas no
existía separación para que exista una buena fusión entre los materiales
debido a la ausencia de material de aporte. Estos parámetros fueron
obtenidos del manual ASM (Handbook) la cual establece que para espesores
inferiores a 5mm no es necesario el bisel. Como se ha nombrando
anteriormente, el tipo de soldadura usada en esta investigación es la
GTAW/TIG, específicamente usando como técnica la ¨AUTOGENA¨, es
decir, que no usa material de aporte.
Figura 3.2.Sentido de laminación
y dimensionamiento.
Figura 3.3.Representación de
cordón de soldadura.
48 “Evaluación del comportamiento mecánico de juntas de aleaciones de aluminio AA6061 y
AA7075 soldadas mediante el proceso GTAW deformadas en frio plásticamente”.
La soldadura se realizó mediante un equipo manual TIG ubicado en la
empresa TRIME C.A (Figura 3.4 y 3.12), en la cual sus especificaciones
indican que está compuesta por una fuente de poder constante y que
funciona tanto con corriente alterna como directa.
Figura 3.4 Taller TRIME C.A. Zona Industrial Castillito, Edo. Carabobo.
Gas de protección usado: el Argón, debido a su buena acción limpiadora
y perfil de penetración, es el gas de protección comúnmente usado para la
soldadura del aluminio. Para láminas inferiores a 25mm se recomienda el uso
de argón al 100%. Otros parámetros usados en la soldadura:
Electrodo no consumible: Tungsteno Puro (EWP)
Figura 3.5 Electrodo de Tungsteno Puro. (Fuente propia)
Capítulo 3. Marco metodológico 49
Calibre del electrodo: 3/32
Código de color del electrodo según AWS: Verde
Preparación del electrodo: Cónica
Equipo de soldar: MAGICWAVE FRONIUS (Figura 3.6)
Figura 3.6 (Magic Wave Fronius 2200 tig welder) TRIME. C.A
Tipo de corriente: AC
Amperaje: 70 Amp.
HF: 280.000 Hrz
Angulo de trabajo: Empuje entre 15 y 20
Encendido de arco: HF
Equipo: digital completo
Movimiento aplicado: rectilíneo uniforme
Tobera de aplique: 6 con filtro
50 “Evaluación del comportamiento mecánico de juntas de aleaciones de aluminio AA6061 y
AA7075 soldadas mediante el proceso GTAW deformadas en frio plásticamente”.
3.7. Laminación
La calidad de la laminación en frío suele ser mayor que la que la de
laminación en caliente, también en frío es posible tomar medidas de los
espesores, realizando un mejor control del proceso, por lo mencionado
anteriormente se selecciono realizar en este trabajo especial de grado
laminación en frio. Para laminar las probetas fue necesario eliminar cualquier
exceso del cordón y garantizar que las probetas a laminar posean en toda su
superficie el mismo espesor incluso en la sección del cordón. El proceso de
laminación se realizó en el laboratorio experimental del Taller de Máquinas y
Procesos de Fabricación de la Facultad de Ingeniería en la Universidad de
Carabobo. (Figura 3.7)
Figura 3.7. Laminadora Experimental Laboratorio de Procesos de Fabricación, Facultad de Ingeniería, Universidad de Carabobo.
Capítulo 3. Marco metodológico 51
Los porcentajes de deformación se determinaron a partir de laminar
distintas probetas de manera progresiva de cada aleación hasta el punto don
empezaran a mostrar fallas o gritas. De esta manera obtenemos un
porcentaje de reducción de espesor máximo al cual puede ser sometida cada
aleación. Habiendo obtenido dicho valor se procede a elegir los porcentajes
de reducción de espesor comprendidos en un rango entre el 90% y el 20%
del porcentaje de reducción de espesor máximo obtenido.
A cada aleación se aplicó tres (3) porcentajes de reducción de área, donde
se llevó al material desde un estado sin deformación hasta la máxima
deformación permitida por el mismo sin generar fallas. Se decidió tres
porcentajes de reducción por dos razones principales: la incapacidad del
equipo usado de generar de forma repetidas las reducciones necesarias y
con tres intervalos se puede construir de manera satisfactoria una población
para comparar las deformaciones. De esta manera comparar las propiedades
mecánicas entre dichos porcentajes y la condición original. Las probetas para
cada porcentaje de reducción de espesor y para ambas aleaciones fueron
sometidas a los ensayos de dureza, tracción y metalografía, esto con el fin
de determinar las propiedades mecánicas.
Con el fin de comparar las propiedades del material en diferentes
condiciones, se toman los siguientes porcentajes de reducción de espesor.
Porcentaje cercano a la deformación máxima. (90% RE Max)
Porcentaje debajo de la deformación media permitida. (20% RE)
En el ensayo de tracción que se les realizó a las probetas para su
caracterización se observó que el porcentaje de reducción de espesor
máximo soportado por las probetas es de 28% RE para el AA6061 y de
19,8% RE del AA7075. Basados en este resultado y por lo antes expuesto,
52 “Evaluación del comportamiento mecánico de juntas de aleaciones de aluminio AA6061 y
AA7075 soldadas mediante el proceso GTAW deformadas en frio plásticamente”.
seleccionamos un 8%, 16% y 24% RE para el AA6061 y 6%, 12% y 18% RE
para el AA7075. Esto representa aproximadamente el 30%, 60% y 90% de
su RE máximo que aceptan dichos materiales.
3.8. Técnicas e instrumentos de recolección de datos
Las técnicas son las formas necesarias para obtener la información y
poder realizar la investigación, los instrumentos serán todos aquellos
dispositivos que faciliten la realización de la investigación.
Instrumentos: Vernier marca NSK de 0,05mm de apreciación, fresadora
INDUMA modelo 41085 (Figura 3.8), cizalla motorizada para corte de láminas
(Figura 3.9), fresadora 3 ejes marca: Gleason (figura 3.12), máquinas para
realizar ensayos de tracción Galdabini (Figura 3.10), durómetro para realizar
ensayo de dureza Rockwell marca BUEHLER (figura 3.13), máquina para
soldar Magic Wave Fronius 2200(TIG) (figura 3.6), laminador experimental
(figura 3.7), microscopio para análisis metalográfico marca: Unión, con
capacidad de 100X, 200X, 400X de aumento.
Figura 3.8 Fresadora INDUMA modelo 41085 Laboratorio de Procesos de
Fabricación, Facultad de Ingeniería, Universidad de Carabobo.
Capítulo 3. Marco metodológico 53
Figura 3.9 Cizalla motorizada WEINGARTEN. Taller 1 KBT, ca.
Técnicas de recolección: esta investigación se basó en la observación
directa; con lo cual se obtiene y desarrolla los sistemas de información
logrando sus metas y objetivos.
Luego de obtener los datos, se procede a analizar e interpretar para
convertirlos en una fuente útil de información en función de los objetivos
anteriormente anunciados para la realización de esta investigación.
En primer lugar se determinaron las propiedades del material en
estado de entrega, realizándosele ensayos de tracción y análisis de
composición química, así como pruebas de dureza y microscopia.
Posteriormente se estudiaron las propiedades mecánicas de las
aleaciones, se procedió a aplicar la deformación plástica en frío
mediante el proceso de laminación a las probetas previamente
soldadas las cuales se les fueron efectuadas los distintos ensayos
54 “Evaluación del comportamiento mecánico de juntas de aleaciones de aluminio AA6061 y
AA7075 soldadas mediante el proceso GTAW deformadas en frio plásticamente”.
para de esta forma obtener las propiedades mecánicas del material,
esta vez con un porcentaje de deformación aplicado en él.
3.8.1. Población y muestra
Las aleaciones AA6061 y AA7075, representan la población a estudiar en
el trabajo a desarrollar, mientras que la muestra se encuentra constituida por
el número de probetas necesarias para los diferentes ensayos.
El aluminio ensayado por tracción, se presenta en cuatro condiciones:
Sin soldadura para caracterización.
Soldado sin laminar.
Soldado y deformado al 8% RE.
Soldado y deformado al 16% RE.
Soldado y deformado al 24% RE.
Esto para el AA6061. Para el AA7075 se presentó en cuatro condiciones
distintas:
Sin soldadura para caracterización, o sin deformar.
Deformado al 6% RE
Deformado al 12% RE
Deformado al 18% RE
Se utilizaron cuatro (4) probetas para cada condición de deformación (4
condiciones), de manera de obtener una mejor muestra estadística lo que
compone un total de dieciséis (16) probetas por material, más (3) probetas
para caracterización del AA6061, lo que resulta en un total de treinta y cinco
Capítulo 3. Marco metodológico 55
(35) probetas ensayadas. Esta cantidad representa una muestra significativa
para obtener resultados comprobables.
Para metalografía, se prepararon cuatro (4) probetas para cada aleación,
lo que representa un total de ocho (8) probetas para metalografía, y para los
ensayos de dureza otras ocho (8) probetas; de igual manera cuatro probetas
(4) para cada aleación, las cuales representan una muestra significativa para
obtener resultados comprobables. La distribución final de las probetas se
muestra en la tabla 3.4.
Tabla 3.4. Población y Muestra.
Población Aluminio 6061 Aluminio 7075
Muestra 1 19 Probetas Tracción 16 Probetas Tracción
Muestra 2 4 Probetas Dureza 4 Probetas Dureza
Muestra 3 4 Probetas Metalurgia 4 Probetas Metalurgia
3.8.2 Ensayo de tracción
Los ensayos de tracción fueron realizados en la máquina universal de
ensayos marca Galdabini modelo CTM 20, de 20 toneladas de capacidad
(figura 3.10). Los ensayos se realizaron a velocidad constante igual a 2
mm/min según la norma ASTM-E8M.
Durante el ensayo se sometieron las probetas, de dimensiones específicas
según la norma ASTM-E8M (figura 3.11), a una fuerza de tracción axial
variable y con una velocidad constante. A su vez, se registraron los
diferentes alargamientos de la misma en relación a una longitud inicial de 50
mm, hasta llegar a la ruptura. Las probetas para tracción se realizaron según
56 “Evaluación del comportamiento mecánico de juntas de aleaciones de aluminio AA6061 y
AA7075 soldadas mediante el proceso GTAW deformadas en frio plásticamente”.
norma ASTM-E8M y presentaran las siguientes dimensiones mostradas en la
figura 3.11
Figura 3.10 (a) datos de la GALDABINI Figura 3.10 (b) GALDABII CTM20
Figura 3.11 Dimensionamiento de probetas ASTM – E8M. (mm)
Capítulo 3. Marco metodológico 57
Figura 3.12.Elaboración de probetas Fresadora 3 ejes. Taller TRIME CA.
3.8.3 Dureza
Para evaluar la dureza del material, se utilizó la dureza Rockwell. El
método de Rockwell expresa la dureza del material en términos de la presión
originada bajo el identador en Kgf/mm2. El identador es (dependiendo de la
aleación y su deformación) una pirámide de base cuadrada con un ángulo en
el vértice de 136º (Rockwell A), y en ocasiones (Rockwell F) una esfera de un
octavo (1/8). La carga aplicada fue 101Kgf durante 5 segundos, esto según
las recomendaciones de equipo para el tipo de material. Las penetraciones
se efectuaron en el material base, cordón y zona de transición. Durómetro de
Rockwell marca BUEHLER se muestra en la figura 3.13.
Para determinar la dureza Rockwell del metal base, en la zona afectada
por el calor y el cordón de soldadura, se realizaron cinco (5) medidas en
58 “Evaluación del comportamiento mecánico de juntas de aleaciones de aluminio AA6061 y
AA7075 soldadas mediante el proceso GTAW deformadas en frio plásticamente”.
cada zona y para cada una de las condiciones de deformación, las cinco
medidas tienen como objetivo aportar una mayor cercanía en los resultados.
Las zonas estudiadas se representan en la figura 3.14
Figura 3.13. Durómetro de Rockwell marca BUEHLER del Laboratorio de
Materiales de la Universidad de Carabobo.
Figura 3.14 Zonas a estudiar.
Con los valores obtenidos para cada condición y aleación se promediaron
los valores de la dureza para así tener un valor que permita comparar y
contrastar las zonas penetradas y entre las diferentes condiciones.
Capítulo 3. Marco metodológico 59
3.8.4. Microscopia óptica
Para la realización de este estudio microestructural se utilizó un banco
metalográfico. Las imágenes se tomaron a un aumento de 200X y 400X.
La preparación metalografía de las probetas para la posterior observación
en el microscopio óptico, se realizó según los siguientes pasos:
A. Preparación
Inicialmente se cortaron las probetas a partir de la plancha original
tomando en cuenta que la región a evaluar sería en paralelo al sentido de
laminación, para de esta forma poder observar de mejor manera tanto el
tamaño de grano como la deformación de los mismos en las aleaciones.
B. Desbaste
El desbaste de las probetas se realizó por frotamiento sobre papeles
abrasivos, progresivamente desde una granulometría de 80 hasta 600,
cambiando en 90º el sentido de desbaste cada vez que se cambiaba de
abrasivos.
C. Pulido
Se realizó con alúmina gruesa (0,01mm) y fina (0,005mm)
sucesivamente, en paño de nylon, sobre un disco giratorio y utilizando como
lubricante agua y jabón liquido.
60 “Evaluación del comportamiento mecánico de juntas de aleaciones de aluminio AA6061 y
AA7075 soldadas mediante el proceso GTAW deformadas en frio plásticamente”.
3.10. Exposición resultados finales
Para facilitar la compresión y análisis de los datos obtenidos en los
ensayos, estos se agrupan, siendo estos presentados en tablas, gráficos y
figuras. Para dar respuesta al primer objetivo de esta investigación - Evaluar
el comportamiento mecánico de las juntas de aleaciones de aluminio AA6061
y AA7075 –dando paso al análisis de resultados de este trabajo de
investigación lo cual permitió establecer las conclusiones de la misma.
CCAAPPÍÍTTUULLOO 44
RReessuullttaaddooss yy aannáálliissiiss ddee rreessuullttaaddooss..
En este capítulo se desarrolla la metodología descrita en el capitulo tres (3),
se presentan los resultados de los ensayos de caracterización, los ensayos de
deformación en frío (laminación), ensayo de tracción, dureza y análisis
metalográfico. Se analizan los resultados obtenidos.
4.1. Caracterización del material
La caracterización de materiales, se refiere al establecimiento de las
características de un material determinado a partir del estudio de sus
propiedades físicas, químicas, estructurales, etc. Por lo cual, se realizaron
comparaciones de la composición química entre los valores certificados de los
materiales utilizados para la elaboración de las probetas y los valores teóricos
estándar de los aluminios. Seguidamente, se prepararon probetas en el
estado de entrega, es decir, sin deformación ni soldadura, para realizar y
evaluar los ensayos de tracción, dureza y metalografía.
62 “Evaluación del comportamiento mecánico de juntas de aleaciones de aluminio AA6061 y AA7075
soldadas mediante el proceso GTAW deformadas en frio plásticamente”.
4.1.1. Composición química de los materiales.
A continuación, se presentan las tablas 4.1 y 4.2 en las cuales muestran los
valores certificados del reporte e inspección final, antes de la venta del
material. La empresa certificadora del aluminio 6061 es Alumax Mill Products,
Inc (Alcoa Inc, Buiness), bajo el serial de certificado N° 1304849, y para el
AA7075 la empresa Kaiser Aluminum, bajo el serial de certificado N° 4211661,
ambos reportes de certificación se encuentran en los anexos A.1 y A.2.
Tabla 4.1. Composición química experimental del aluminio AA6061-T0
% Si Fe Cu Mn Mg Cr Zn Ti Otros AL
Real 0,71 0,49 0,25 0,13 0,98 0,18 0,007 0,03 0,00 97,22
Fuente: Laboratorio Alumax Mill Products, Inc – Landcaster, Pa
Tabla 4.2 Composición química experimental del aluminio AA7075-T0
% Si Fe Cu Mn Mg Cr Zn Ti V Zr otros Al
Real 0,10 0,18 1,7 0,08 2,5 0,20 5,7 0,03 0,01 0,01 0,00 89,5
Fuente: Laboratorio Kaiser Aluminum – Spokane, WA
Al realizar la comparación de los valores de la composición química
experimental (ver tabla 4.1 y tabla 4.2), obtenida del producto recibido y
compararlas con los valores teóricos, los cuales se pueden observar en las
tablas 2.2 y 2.4, ambas aleaciones están dentro de los parámetros
determinados, valores límites máximos y/o mínimos, para cada una de ellas
por la Aluminium Association (AA) y de esta forma corroborar que los
materiales en cuestión son efectivamente AA6061 y AA7075,
respectivamente.
Capítulo 4. 63
Entra en acotación que en la aleación de aluminio AA6061 existe una fuerte
presencia de magnesio (Mn) y silicio (Si), siendo este ultimo un aleante que
aumenta la dureza del aluminio así como su fluidez en la colada, así como
también en la aleación de aluminio AA7075 de zinc (Zn) los cuales son los
componentes predominantes de cada aleación. El cromo (Cr) otorga mayor
resistencia combinado con elementos con Cu, Mg y Mn. El titanio (Ti) al igual
que el cromo aumenta la resistencia.
4.1.2 Ensayo de tracción para caracterización.
En las figuras 4.1, 4.2, 4.3 y 4.4, así como en las tablas: 4.3 y 4.4 se
muestran las curvas ingenieriles de esfuerzo – deformación y tablas con los
valores de esfuerzo que describen el comportamiento mecánico de la
aleaciones de aluminio en estado de entrega.
Figura 4.1Grafico esfuerzo-deformación de AA6061 al 0%RE
0
20
40
60
80
100
120
140
0 0.1 0.2 0.3 0.4
Esfu
erz
o (
mP
a)
Deformación (mm/mm)
Ensayo de tracción(SS) 606101
Ensayo de tracción(SS) 606102
Ensayo de tracción(SS) 606103
64 “Evaluación del comportamiento mecánico de juntas de aleaciones de aluminio AA6061 y AA7075
soldadas mediante el proceso GTAW deformadas en frio plásticamente”.
Figura 4.2 Grafico esfuerzo máximo y ultimo de AA6061 al 0%RE
Tabla 4.3 Esfuerzo de fluencia, máximo y esfuerzo ultimo de AA6061 al 0% RE
Probeta Esfuerzo fluencia
Esfuerzo máximo
Esfuerzo ultimo
SS606101 63,51 123,67 101,04 SS606102 67,65 122,44 103,98 SS606103 68,51 123,82 114,45
Promedio 65,56 123,31 106,49 Desviación estándar
0,61822326 5,75511946
80
85
90
95
100
105
110
115
120
125
130
SS606101 SS606102 SS606103
Esfu
erz
o (
mP
a)
Probetas
Esfuerzo maxmo
Esfuerzo ultimo
Capítulo 4. 65
Figura 4.3 Grafico esfuerzo-deformación de AA7075 al 0%RE
Figura 4.4 Grafico esfuerzo máximo y ultimo de AA7075 al 0%RE
0
50
100
150
200
250
0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3
Esfu
erz
o (
mP
a)
Deformación (mm/mm)
Ensayo de tracción707501Ensayo de tracción707502
140
150
160
170
180
190
200
210
220
707501 707502 707503 707504
Esfu
erz
o (
mP
a)
Probetas
Esfuerzo maximo
Esfuerzo ultimo
66 “Evaluación del comportamiento mecánico de juntas de aleaciones de aluminio AA6061 y AA7075
soldadas mediante el proceso GTAW deformadas en frio plásticamente”.
Tabla 4.4 Esfuerzo de fluencia, máximo y esfuerzo ultimo de AA7075 al 0% RE
Probeta Esfuerzo de
fluencia Esfuerzo máximo
Esfuerzo ultimo
707501 99,501 208,56 177,05 707502 101,75 207,86 178,07 707503 100,504 208,17 165,14
707504 99,505 207,07 176,84 Promedio 100,305 207,915 174,275 Desviación estándar
0,547288772 5,294575054
Con estos ensayos se obtiene el valor de la carga al momento de la ruptura
y su deformación máxima, así como los valores de esfuerzo máximo, de esta
forma calculó los valores de deformación en frío que se aplicaron a cada una
de las aleaciones mostradas en la tabla 4.5
Tabla 4.5 Valores experimentales esfuerzos de fluencia, esfuerzo máximo y
reducción de espesor máximo en fractura.
Esfuerzo de fluencia
(mPa)
Esfuerzo
máximo (mPa)
Reducción de espesor
máxima en fractura %
AA6061 65,56 123,31 28,02
AA7075 100,305 207,915 19,10
Comparando los valores experimentales entre ambos aluminios en estado
de entrega de la tabla 4.5, se obtiene que el AA6061 posee un esfuerzo de
fluencia y esfuerzo máximo menor al AA7075, el cual es un aluminio
estructural, presentando mayor resistencia a la fluencia y generando un
esfuerzo máximo superior, con un porcentaje (%) de reducción de espesor
Capítulo 4. 67
máxima en la fractura inferior al presentado por el AA6061, lo cual demuestra
que posee mayor ductilidad en presencia de una deformación.
Tabla 4.6 Propiedades Mecánicas teóricas de tracción de los aluminios AA6061 y
AA7075 según el ASM Handbook
Esfuerzo de fluencia
(mPa)
Esfuerzo
máximo (mPa)
Reducción de espesor
máxima en fractura %
AA6061 55,20 124,00 25 - 30
AA7075 100,50 215,00 10 - 17
Los resultados obtenidos en la tabla 4.6 para ambas aleaciones de aluminio
en estado de entrega, se puede apreciar que los valores de las propiedades
mecánicas como: esfuerzo de fluencia, esfuerzo máximo y reducción de
espesor máximo en fractura, se encuentra dentro de valores teóricos referidos
en la tabla 4.4, esto quiere decir que las aleaciones en estudio están dentro de
los parámetros esperados característicos de cada material.
4.1.3 Ensayo de dureza para caracterización
Se realizaron ensayos de dureza utilizando el método de ROCKWELL
aunque este un método de indentación no pretende de manera directa medir
la dureza a través de la determinación directa de la magnitud de los esfuerzos
de contacto, sino que la define como un número arbitrario, inversamente
proporcional a la penetración del indentador.
La norma ASTM E 18-03 define la dureza Rockwell como un método de
ensayo por indentación por el cual, con el uso de una máquina calibrada, se
fuerza a un indentador cónico esferoidal de diamante (penetrador de
68 “Evaluación del comportamiento mecánico de juntas de aleaciones de aluminio AA6061 y AA7075
soldadas mediante el proceso GTAW deformadas en frio plásticamente”.
diamante), o una bola de acero endurecido (acero o carburo de tungsteno),
bajo condiciones específicas contra la superficie del material a ser ensayado,
en dos operaciones, y se mide la profundidad permanente de la impresión
bajo condiciones específicas de carga.
La norma ASTM E18-03 define el número de dureza Rockwell como un
número derivado del incremento neto en la profundidad del indentador cuando
la fuerza en el mismo es incrementada desde una fuerza previa (preliminar
específica) hasta una fuerza total (específica) y luego retornada al valor de
fuerza previa.
En este caso se utilizó ensayos de Rockwell A, en excepción a dos casos
especiales (6061 al 0% RE y 7075 al 6% RE) debido a que su dureza no era
lo suficientemente alta para esa escala; en ambos casos se recurrió a usar
Rockwell F, entre sus aplicaciones directas se encuentra la chapa fina
metálica de espesor mayor a 0,6 mm, por lo cual califica el método para medir
la dureza de los casos anteriormente mencionados. La tabla 4.7 muestra la
dureza medida en ambas aleaciones y el promedio de la dureza de cada una
de ellas.
Tabla 4.7 Medidas de Dureza de Rockwell.
1 2 3 4 5 Promedio
AA6061 10,7(RHF) 9,9(RHF) 3,8(RHF) 7,9(RHF) 12,0(RHF) 8,86(RHF)
AA7075 10,10 16,70 16,20 17,30 16,40 15,34
Nota: en tabla 4.7 las siglas RHF hacen referencia a Rockwell F.
Capítulo 4. 69
4.1.4 Metalografía para la caracterización
Se realizó el análisis metalográfico como parte de la caracterización del
material, el objetivo es revelar la verdadera estructura de la muestra, de
ambos materiales, tras realizar un método sistemático de preparación de la
probetas, en otras palabras gracias a un procedimiento rutinario bajo las
mismas condiciones, se busca encontrar resultados comprobables, y así tener
una referencia del comportamiento presentado por las aleaciones para
comparar posteriormente con las distintas condiciones que serán sometidas.
Las figuras 4.5 (a) y 4.5 (b) muestra las micrografías tomadas a ambas
aleaciones en estado de entrega.
El interés principal del ensayo metalográfico es evaluar la superficie de la
muestra, por lo tanto se requiere de una imagen precisa de la misma a
analizar, a su vez se requiere que ninguno de los siguientes aspectos se
presenten en la superficie: deformación, rayas, inclusión de elementos
extraños, “pull-outs”, manchas, extremos agudos, bordes redondeados ni
daños térmicos. Como el método de preparación es mecánico, será casi
imposible evitar que alguno de esos aspectos ocurra, sin embargo la meta es
que sean minimizables en su máxima expresión, de tal manera que sus
efectos sobre la estructura no sean divisables en el microscopio y se pueda
observar la estructura real de la pieza.
70 “Evaluación del comportamiento mecánico de juntas de aleaciones de aluminio AA6061 y AA7075
soldadas mediante el proceso GTAW deformadas en frio plásticamente”.
(a) (b)
Figura 4.5 Microscopia óptica: a) AA6061, b) AA7075 400X de aumento
Al observar en la figura 4.5(a) se observa una estructura con alta porosidad
y partículas de distintos tamaños de Mg2Si (siliciuro de magnesio).Por otra
parte al observar la figura 4.5(b) la microscopia de la aleación AA7075 se
observa principalmente grandes granos del compuesto intermetalico MgZn2 y
algunas porosidades. (Los materiales aleantes están señalados con flechas
color rojo).
En muchos casos, observar la estructura verdadera de la pieza requiere de
mucho tiempo y consumibles para la preparación, así que en oportunidades
se pueden establecer límites de aceptación inferiores o controlar el nivel de
defectos, también llamados “Criterios de Aceptación”. Esto es importante de
establecer, principalmente por los errores y defectos que se pudieron generan
en la preparación de las probetas, siendo estos no limitantes al momento de
realizar la evaluación microscópica.
Capítulo 4. 71
4.2. Deformación plástica en frío
Del ensayo de tracción para caracterización se observo que el porcentaje
(%) de reducción de espesor máximo soportado fue de 28% y 19,1% para las
aleaciones AA6061 y AA7075, respectivamente.
En base a lo expuesto anteriormente en el capítulo II de la presente
investigación, tanto el 8%, 6% y 24% para AA6061 como el 6%, 12% y 18%
para AA7075 representan el 30%, 60% y 90%,correspondientemente, de la
deformación total admitida por dichas aleaciones.
Figura 4.6 Probetas de AA6061 deformadas plásticamente en frio a distintos %RE
72 “Evaluación del comportamiento mecánico de juntas de aleaciones de aluminio AA6061 y AA7075
soldadas mediante el proceso GTAW deformadas en frio plásticamente”.
Las figuras 4.6 y 4.7 muestran los resultados del proceso de laminación en
frío al que fueron sometidas las probetas de ambas aleaciones. En dichas
imágenes se puede observar las ondulaciones en las probetas, esto puede ser
ocasionado por adherencia del metal a los rodillos.
Figura 4.7 Probetas de AA7075 deformadas plásticamente en frio a distintos %RE
En algunos casos, las probetas luego de ser laminadas presentaban fallas
en los bordes de la soldadura y en otros casos agrietamientos a lo largo de la
misma. Esto se debe mayormente a la terminación irregular del cordón de
soldadura los cuales en ocasiones funcionan como concentradores de
esfuerzo, estos defectos son magnificados por el efecto de la fuerza de
laminación, y es dicha fuerza quien a la final termina por agrietar el cordón. En
la figura 4.8 se observa un ejemplo de una falla en la soldadura al ser
laminada, falla también conocida como grieta superficial, originada por la
laminación defectuosa.
Capítulo 4. 73
Figura 4.8 Muestra de grietas en los extremos de una probeta.
4.3. Resultados de los ensayos de tracción
Ya finalizado los ensayos de tracción realizados en la máquina de ensayos
universal GALDABINI CTM 20 se obtuvieron gráficas de Carga-
Desplazamiento, una curva por cada probeta. Luego se procedió a obtener las
curvas de Esfuerzo-Deformación para cada una de las condiciones de ensayo
previamente establecidas.
A continuación se muestran las gráficas de Esfuerzo-Deformación para
cada aleación en las distintas condiciones (RE 30%, 60% y 90% del % de RE
a la fractura)
74 “Evaluación del comportamiento mecánico de juntas de aleaciones de aluminio AA6061 y AA7075
soldadas mediante el proceso GTAW deformadas en frio plásticamente”.
4.3.1 Gráficos Esfuerzo-Deformación del aluminio AA6061
Figura 4.9 Grafico esfuerzo-deformación al 0%RE (con cordón de soldadura)
Figura 4.10 Grafico esfuerzo máximo y ultimo al 0% RE
0
20
40
60
80
100
120
140
0 0.1 0.2 0.3 0.4
Esfu
erz
o (
mP
a)
Deformación (mm/mm)
Ensayo de tracción 6061.1
Ensayo de tracción 6061.2
Ensayo de tracción 6061.3
80
85
90
95
100
105
110
115
120
125
130
6061.1 6061.2 6061.3
Esfu
erz
o (
mP
a)
Probetas
Esfuerzo maximo
Esfuerzo Ultimo
Capítulo 4. 75
Tabla 4.8 Esfuerzos del AA6061 al 0% RE
Probeta Esfuerzo
fluencia Esfuerzo máximo
Esfuerzo ultimo
6061,1 66,17 127,33 101,04 6061,2 68,91 123,288 103,98 6061,3 68,504 N/A 114,45
Promedio 67,86 125,309 106,49 Desviación estándar
1,00 2,021 5,75511946
Figura 4.11 Grafico esfuerzo-deformación al 8%RE (con cordón de soldadura)
Tabla 4.9 Esfuerzos del AA6061 al 8% RE
Probeta Esfuerzo de
fluencia Esfuerzo máximo
Esfuerzo ultimo
6061,4 108,79 129,5 98,86 6061,5 99,6 126,89 101,93 6061,6 108,56 130,6 100,81
6061,7 101,93 128,15 101,86 Promedio 104,76 128,78 100,865 Desviación estándar
4,00 1,39639715 1,239687461
0
20
40
60
80
100
120
140
0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25
Esfu
erz
o (
mP
a)
Deformación (mm/mm)
Ensayo de tracción6061.4
Ensayo de tracción6061.5
Ensayo de tracción6061.6
Ensayo de tracción6061.7
76 “Evaluación del comportamiento mecánico de juntas de aleaciones de aluminio AA6061 y AA7075
soldadas mediante el proceso GTAW deformadas en frio plásticamente”.
Figura 4.12 Grafico esfuerzo máximo y ultimo al 8% RE
Figura 4.13 Grafico esfuerzo-deformación al 16%RE (con cordón de soldadura)
80
90
100
110
120
130
140
6061.4 6061.5 6061.6 6061.7
Esfu
erz
o (
mP
a)
Probetas
Esfuerzo maximo
Esfuerzo ultimo
0
20
40
60
80
100
120
140
0 0.05 0.1 0.15 0.2
Esfu
erz
o (
mP
a)
Deformación (mm/mm)
Ensayo de tracción 6061.8
Ensayo de tracción 6061.10
Capítulo 4. 77
Figura 4.14 Grafico esfuerzo máximo y ultimo al 16% RE
Tabla 4.10 Esfuerzos del AA6061 al 16% RE
Probeta Esfuerzo de
fluencia Esfuerzo máximo
Esfuerzo ultimo
6061,8 96,30 126,84 102,98
6061,10 107,56 114,71 89,47
Promedio 101,93 120,775 96,225 Desviación estándar
5,60 6,065 6,755
70
80
90
100
110
120
130
6061.8 6061.10
Esfu
erz
o (
mP
a)
Probetas
esfuerzo maximo
Esfuerzo ultimo
78 “Evaluación del comportamiento mecánico de juntas de aleaciones de aluminio AA6061 y AA7075
soldadas mediante el proceso GTAW deformadas en frio plásticamente”.
Figura 4.15 Grafico esfuerzo-deformación al 24%RE (con cordón de soldadura)
Figura 4.16 Grafico esfuerzo máximo y ultimo al 24% RE
0
20
40
60
80
100
120
140
160
0 0.05 0.1 0.15 0.2
Esfu
erz
o (
mP
a)
Deformación (mm/mm)
Ensayo de tracción6061.11
Ensayo de tracción6061.12
Ensayo de tracción6061.13
Ensayo de tracción6061.14
70
80
90
100
110
120
130
140
150
160
6061.11 6061.12 6061.13 6061.14
Esfu
erz
o (
mP
a)
Probetas
Esfuerzo maximo
Esfuerzo ultimo
Capítulo 4. 79
Tabla 4.11 Esfuerzos del AA6061 al 24% RE
Probeta Esfuerzo de
fluencia Esfuerzo máximo
Esfuerzo ultimo
6061,11 125,36 137,96 99,46 6061,12 126,06 146,26 117,26 6061,13 132,03 138,45 97,67
6061,14 135,12 149,2 119,8 Promedio 129,64 142,9675 108,5475 Desviación estándar
4,10 4,877690924 10,04277197
De las graficas se puede observar que, en un comienzo (de 0% a 15% de
RE) algunas propiedades mecánicas del AA6061 presentan una disminución,
como lo es la carga de ruptura tal como lo muestra la figura 4.17, al seguir
aumentando el %RE la ductilidad del material va aumentando conforme se va
aumentando la deformación plástica en frio.
Figura 4.17 Grafica de esfuerzo promedio de Ruptura - %RE
94
96
98
100
102
104
106
108
110
0 5 10 15 20 25 30
Esfu
erz
o (
mP
a)
Deformación (%)
Esfuerzo promedio
80 “Evaluación del comportamiento mecánico de juntas de aleaciones de aluminio AA6061 y AA7075
soldadas mediante el proceso GTAW deformadas en frio plásticamente”.
4.3.2 Gráficos Esfuerzo-Deformación del aluminio AA7075
Figura 4.18 Grafico esfuerzo-deformación al 0%RE
Figura 4.19 Grafico esfuerzo máximo y ultimo al 0% RE
0
50
100
150
200
250
0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3
Esfu
erz
o (
mP
a)
Deformación (mm/mm)
Ensayo de tracción707501
Ensayo de tracción707502
140
150
160
170
180
190
200
210
220
707501 707502 707503 707504
Esfu
erz
o (
mP
a)
Probetas
Esfuerzo maximo
Esfuerzo ultimo
Capítulo 4. 81
Tabla 4.12 Esfuerzos del AA7075 al 0% RE
Probeta Esfuerzo de
fluencia Esfuerzo máximo
Esfuerzo ultimo
707501 99,501 208,56 177,05 707502 101,75 207,86 178,07 707503 100,504 208,17 165,14
707504 99,505 207,07 176,84 Promedio 100,305 207,915 174,275 Desviación estándar
0.9 0,547288772 5,294575054
Figura 4.20 Grafico esfuerzo-deformación al 6%RE
0
50
100
150
200
250
0 0.05 0.1 0.15 0.2
Esfu
erz
o (
mP
a)
Deformacion (mm/mm)
Ensayo de tracción707509
Ensayo de tracción707510
Ensayo de tracción707511
Ensayo de tracción707512
82 “Evaluación del comportamiento mecánico de juntas de aleaciones de aluminio AA6061 y AA7075
soldadas mediante el proceso GTAW deformadas en frio plásticamente”.
Figura 4.21 Grafico esfuerzo máximo y ultimo al 6% RE
Tabla 4.13 Esfuerzos del AA7075 al 6% RE
Probeta Esfuerzo de
fluencia Esfuerzo máximo
Esfuerzo ultimo
707509 171,76 205,98 179,74 707510 176,01 208,82 169,91 707511 173,46 212,09 182,08
707512 178,76 213,05 182,11 Promedio 174,99 209,985 178,46
Desviación estándar
2,60 2,793854864 5,029110259
150
160
170
180
190
200
210
220
707509 707510 707511 707512
Esfu
erz
o (
mP
a)
Probetas
Esfuerzo maximo
Esfuerzo ultimo
Capítulo 4. 83
Figura 4.22 Grafico esfuerzo-deformación al12%RE
Figura 4.23 Grafico esfuerzo máximo y ultimo al 12% RE
0
50
100
150
200
250
0 0.05 0.1 0.15 0.2
Esfu
erz
o (
mP
a)
Deformación (mm/mm)
Ensayo de tracción 707505
Ensayo de tracción 707506
Ensayo de tracción 707507
Ensayo de tracción 707508
170
180
190
200
210
220
230
707505 707506 707507 707508
Esfu
erz
o (
mP
a)
Probetas
Esfuerzo maximo
Esfuerzo ultimo
84 “Evaluación del comportamiento mecánico de juntas de aleaciones de aluminio AA6061 y AA7075
soldadas mediante el proceso GTAW deformadas en frio plásticamente”.
Tabla 4.14 Esfuerzos del AA7075 al 12% RE
Probeta Esfuerzo de
fluencia Esfuerzo máximo
Esfuerzo ultimo
707505 185,8 221,06 197,49 707506 187,82 219,28 190,10 707507 187,52 223,01 193,13
707508 191,23 221,2 191,07 Promedio 188.09 221,1375 192,9475
Desviación estándar
2,00 1,319704039 2,841692937
Figura 4.24 Grafico esfuerzo-deformación al 18%RE
0
50
100
150
200
250
0 0.05 0.1 0.15 0.2
Esfu
erz
o (
mP
a)
Deformación (mm/mm)
Ensayo de tracción 707513
Ensayo de tracción 707514
Ensayo de tracción 707515
Ensayo de tracción 707516
Capítulo 4. 85
Figura 4.25 Grafico esfuerzo máximo y ultimo al 18% RE
Tabla 4.15 Esfuerzos del AA7075 al 18% RE
Probeta Esfuerzo de
fluencia Esfuerzo máximo
Esfuerzo ultimo
707513 201,08 234,40 202,05 707514 200,27 232,06 203,64 707515 204,05 229,40 201,05
707516 194,01 234,77 208,51 Promedio 199.85 232,6575 203,8125
Desviación estándar
3,70 2,148678373 2,865051265
De estas graficas se puede observar como progresivamente, a medida que
se aumenta el %RE, va aumentando ligeramente el esfuerzo máximo
soportado por el material, así como el esfuerzo de ruptura. Esta última
característica es fácilmente apreciable en la figura 4.26
180.00
190.00
200.00
210.00
220.00
230.00
240.00
707513 707514 707515 707516
Esfu
erz
o (
mP
a)
Probetas
Esfuerzo maximo
Esfuerzo ultimo
86 “Evaluación del comportamiento mecánico de juntas de aleaciones de aluminio AA6061 y AA7075
soldadas mediante el proceso GTAW deformadas en frio plásticamente”.
Figura 4.26 Grafica de Esfuerzo promedio de ruptura - %RE
En ambos materiales se observa claramente como a medida que se
aumenta el porcentaje (%) de reducción de espesor, el esfuerzo de fluencia
tiende a acercarse al esfuerzo máximo, el cual a su vez aumenta ligeramente
a medida que el porcentaje (%) de reducción de espesor es mayor.
Es importante resaltar el hecho de que sólo una probeta rompió por el
cordón de soldadura durante los ensayos de tracción, dicha probeta
pertenecía al grupo de probetas de AA6061 con un 0% RE. Este
comportamiento demuestra la calidad de juntas que fue realizada mediante
este tipo de soldadura, ya que esta luego de ser sometida a distintos
porcentajes (%) de reducción de espesor, fue capaz de soportar esfuerzos a
la par del material base, concluyendo así la excelente condición de la misma.
4.4. Resultados de los Ensayos de Dureza
Una vez concluido el proceso de laminación en frío para ambas aleaciones
se procedió a preparar el material para la aplicación de las pruebas de dureza
170
175
180
185
190
195
200
205
210
0 5 10 15 20
Esfu
erz
o (
mP
a)
Deformación (%)
Esfuerzo promedio deruptura (mPa)
Capítulo 4. 87
de Rockwell en las distintas zonas de la probeta. En la figura 4.27 se observan
los promedios de valores de dureza en las tres (3) zonas a evaluar del
AA6061, a 8%, 16% y 24% RE. Se colocaron los valores de dureza a 0% en
tablas separadas (figura 4.28 y 4.29) debido a esta caso, en el material base
fue necesario realizar ensayo Rockwell F.
Figura 4.27 Grafico de dureza de AA6061
Figura 4.28 Grafico de dureza de AA6061 con 0% RE (Zona transición y cordón)
0
5
10
15
20
25
30
35
40
8% 16% 24%
Du
reza
Ro
ckw
ell
A
porcentaje (%) de reducción de espesor
Ensayo de dureza: AA6061
Material Base
Zona de transicion
Cordon de soldadura
0
5
10
15
20
25
30
0%
Du
reza
Ro
ckw
ell
A
% REDUCCION DE ESPESOR
Zona de transicion
Cordon de soldadura
88 “Evaluación del comportamiento mecánico de juntas de aleaciones de aluminio AA6061 y AA7075
soldadas mediante el proceso GTAW deformadas en frio plásticamente”.
Figura 4.29 Grafico de dureza de AA6061 con 0% RE (Material base)
La tabla 4.16 presenta los promedios de dureza de cada zona y %
Reducción de Espesor, así como la desviación estándar respectiva.
Tabla 4.16 Promedios de dureza de AA6061
RHF Rockwell A
% RE 0% 8% 16% 24%
Material Base Dureza Promedio 11,7 2,58 4,24 9,28
Desviación Est. 3,2 1,0 1,6 0,8
Zona de
Transición
Rockwell A
Dureza Promedio 28,02 8,92 25,16 28,96
Desviación Est. 5,6 1,7 3,5 1,3
Cordón de
Soldadura
Dureza Promedio 14,16 29,22 32,08 33,08
Desviación Est. 1,7 1,1 4,7 0,9
0
2
4
6
8
10
12
14
0%
Du
reza
Ro
ckw
ell
F
% REDUCCION DE ESPESOR
Material Base
Capítulo 4. 89
Tanto en los gráficos 4.27, 4.28 y 4.29 como en la tabla 4.16 se observa
claramente como la zona de transición y el cordón de soldadura aumentan
drásticamente su dureza a medida que se aumenta el porcentaje (%) de
reducción de espesor, esto se debe principalmente al brusco cambio de
temperatura que son sometidas estas áreas al momento de la soldadura. Por
otro lado, aunque el material base muestra un aumento significativo en su
dureza luego de los distintos procesos de laminación en frío, esta no se
presenta de una manera tan cuantiosa como lo hace en la zona de transición
y cordón de soldadura, debido a que esta área no se ve afectada por el calor.
A continuación en la figura 4.30 se presenta la dureza Rockwell A para la
aleación AA7075 en 0%, 12% y 18%. Al igual que la aleación AA6061 ocurrió
con el material base con 0% RE, y como fue señalado de manera explícita en
el capítulo III, en la aleación AA7075 la dureza del material base con 6% RE
requiere ser medida con Rockwell F, tal como lo muestra la figura 4.31.
Figura 4.30 Grafico de dureza del AA7075 a distintos % RE
0
5
10
15
20
25
30
35
0% 12% 18%
Du
reza
Ro
ckw
ell
A
% REDUCION DE ESPESOR
Material Base
90 “Evaluación del comportamiento mecánico de juntas de aleaciones de aluminio AA6061 y AA7075
soldadas mediante el proceso GTAW deformadas en frio plásticamente”.
Figura 4.31 Dureza Rockwell F de AA7075 con 6% RE
A continuación la tabla 4.17 presenta los promedios de dureza en cada %
Reducción de Espesor, así como la desviación estándar respectiva.
Tabla 4.17 Promedios de dureza de AA7075
Tipo de Dureza Rockwell A Rockwell F
%RE 0% 12% 18% 6%
Material
Base
Dureza Promedio 12,78 20,24 23,61 4,99
Desviación Est. 3,0 3,0 1,0 2,5
Al analizar los gráficos 4.30 y 4.31, así como la tabla 4.17, se observa una
condición no esperada, como es que en el caso particular de la aleación
AA7075 con un porcentaje (%) de reducción de Espesor del 6%, la dureza es
significativamente inferior a la dureza medida a 0% RE, esto se debe a que la
primera deformación causa un desalineamiento en la red cristalina, resultando
está, en una disminución inicial de la dureza. Sin embargo al continuar
0.00
1.00
2.00
3.00
4.00
5.00
6.00
6%
Du
reza
Ro
ckw
ell
F
%REDUCCION DE ESPESOR
Material Base
Capítulo 4. 91
aumentando el %RE se obtuvo un incremento sustancial con respecto a la
dureza medida de dureza registrada a 0% RE, es decir un resultado más
previsible que el arrojado al medir la dureza a 6% RE.
4.5. Resultados del análisis metalográfico
A continuación se exponen las diferentes micrografías que se les realizaron
a las aleaciones en sus diferentes estados de deformación. Las muestras
fueron atacadas con acido fluorhídrico al 5% de concentración durante
aproximadamente cinco (5) segundos. Las imágenes mostradas a
continuación se presentan en aumentos de 200X y 400X. Para evitar los
defectos en las probetas metalográficas, las muestras fueron examinadas en
el microscopio después de cada paso, y de existir algún defecto este fue
removido completamente, utilizando tiempos cortos para la preparación de los
muestras lo cual permite disminuir el consumo del material y evitar los bordes
redondeados, también se cambiaron los discos abrasivo o de pulido de
manera tal de conseguir los mejores resultados en el menos tiempo.
4.5.1 Microscopia del aluminio AA6061
En la figura 4.32 se observa la microscopía en el material base de la
aleación AA6061 sin deformar a 200X y 400X de aumento.
(a) (b)
Figura 4.32 Material base AA6061 a) 200X b) 400X a 0%RE
Mg2Si
92 “Evaluación del comportamiento mecánico de juntas de aleaciones de aluminio AA6061 y AA7075
soldadas mediante el proceso GTAW deformadas en frio plásticamente”.
Se puede observar en la figura 4.32 claramente los granos de magnesio
asociado con el silicio en Mg2Si de manera dispersa en el aluminio, como
también gran cantidad de porosidades como pequeños puntos negros
dispersados de manera uniforme.
En la figura 4.33 se observa la microscopía en el cordón de soldadura de la
aleación AA6061 sin deformar a 200X y 400X de aumento.
(a) (b)
Figura 4.33 Cordón de soldadura de AA6061 a) 200X b) 400X a 0% RE
En la figura 4.33 (b) se observa claramente una estructura dendrítica
señalada por flechas de color rojo.
En la figura 4.34 se observa la microscopía en el material base de la
aleación AA6061 con una reducción de espesor de 8% a 200X y 400X de
aumento.
(a) (b)
Figura 4.34 Material Base de AA6061 a) 200X b) 400X a 8% RE
Capítulo 4. 93
En la figura 4.35 se observa la microscopía en el cordón de soldadura de la
aleación AA6061 con una reducción de área del 8% a 200X y 400X de
aumento.
(a) (b)
Figura 4.35 Cordón de soldadura de AA6061 a) 200X b) 400X a 8% RE
En la figura anterior, la 4.35, aunque aún el efecto de la laminación no
genera aun un cambio radical en la microestructura del cordón de aluminio, se
puede observar cómo lo que antes era una estructura dendrítica dispersa y sin
dirección aparente, comienza a tomar ligeramente una orientación, es decir,
que la mayor parte de las ramificaciones de dichas estructuras están
orientadas hacia un mismo sentido, esto se debe a la deformación uniaxial a
la cual han sido sometida.
La figura 4.36 presentada a continuación nos muestra la microscopía
realizada al material base con una reducción de espesor del 16% a 200X y
400X de aumento.
94 “Evaluación del comportamiento mecánico de juntas de aleaciones de aluminio AA6061 y AA7075
soldadas mediante el proceso GTAW deformadas en frio plásticamente”.
(a) (b)
Figura 4.36 Material Base de AA6061 a) 200X b) 400X a 16% RE
En esta figura 4.36 podemos observar cómo se comienza a notar el
alargamiento en algunos granos (en la flecha de color rojo) así como la
compresión de las porosidades dando un aspecto más opaco a la muestra.
La figura 4.37 muestra la microscopía realizada a la aleación AA6061 en el
cordón de soldadura luego de ser sometida a una reducción de área del 16%.
(a) (b)
Figura 4.37 Cordón de soldadura de AA6061 a) 200X b) 400X a 16% RE
Capítulo 4. 95
En la figura 4.37 se puede observar cómo las estructuras dendríticas
comienzan a desaparecer por efecto de la deformación, formando éstas, al
comprimirse y acumularse, pequeños granos de Mg2Si.
La figura 4.38 muestra la microscopía realizada al AA6061 en el material
base con una reducción de espesor de un 24% a 200X y 400X de aumento.
(a) (b)
Figura 4.38 Material Base de AA6061 a) 200X b) 400X a 24% RE
La figura 4.38 (b) muestra claramente como los granos de Mg2Si se
encuentran totalmente planos y alargados (encerrados en rojo) y todos en un
mismo sentido, indicado este por flechas color rojo. Esto es causado por la
deformación plástica a la cual es sometido el material, el cual obliga a los
granos a deformarse en un mismo sentido.
96 “Evaluación del comportamiento mecánico de juntas de aleaciones de aluminio AA6061 y AA7075
soldadas mediante el proceso GTAW deformadas en frio plásticamente”.
4.5.2 Microscopia del aluminio AA7075
A continuación en la figura 4.39 se presenta la microscopía de la aleación
AA7075 con un 0% de reducción de espesor.
(a) (b)
Figura 4.39 AA7075 a) 200X b) 400X con un 0% RE
En la figura 4.39 se observa un material de una relativa homogeneidad y
una gran cantidad de pequeñas porosidades repartidas equitativamente por
toda la superficie del material. También son visibles algunos granos obscuros
de MgZn2 esparcidos por el material.
La figura 4.40 muestra la microscopia de una probeta AA7075 con una
reducción de espesor de 6%.
Capítulo 4. 97
(a) (b)
Figura 4.40AA7075 a) 200X b) 400X con un 6% RE
En la figura 4.40 se puede observar que continúa la presencia de
porosidades y de granos de MgZn2 sin una aparente deformación debido a la
reducción de espesor aplicada por medio de una laminación en frío.
La figura 4.41 muestra las imágenes correspondientes a la microscopía
realizada a la aleación AA7075 con una reducción de espesor de 12%.
(a) (b)
Figura 4.41 AA7075 a) 200X b) 400X con un 12% RE
MgZn
98 “Evaluación del comportamiento mecánico de juntas de aleaciones de aluminio AA6061 y AA7075
soldadas mediante el proceso GTAW deformadas en frio plásticamente”.
En la figura 4.41 se observa una ligera reducción en el tamaño de los
granos de MgZn2, así como un ligero alargamiento denotado por las flechas de
color rojo.
La figura 4.42 muestra las imágenes correspondientes a la microscopía
realizada a la aleación AA7075 con una reducción de espesor de 18%.
(a) (b)
Figura 4.42 AA7075 a) 200X b) 400X con un 12% RE
En la figura 4.42 se puede observar cómo la mayoría de los granos de
MgZn2 se encuentran muy reducidos en su tamaño, así como también las
porosidades. También se puede notar rastros de cráteres originados por el
pulido los cuales se encuentran señalados por flechas de color amarillo.
4.6 Análisis de resultados de la juntas de AA7075.
Luego de numerosos intentos para lograr una unión resistente y
homogénea por medio de un proceso GTAW autógeno en juntas de aluminio
AA7075, se observo que este proceso no es compatible con dicha aleación,
Capítulo 4. 99
ya que la unión en las juntas realizadas resultaron ser muy frágiles, o en la
mayoría de los casos no se lograba generar una unión debido a la falta de
material de aporte que acusa este método de soldadura.
El espesor de la lámina influyo en gran medida la poca viabilidad del
proceso, el cual al ser muy poco, solo 3.125 mm, ocasionó que al fundirse
debido al calor generado por el arco junto a su posterior solidificación de
manera acelerada, acentuada tanto por sus características físicas como su
gran área superficial respecto al espesor, generó uniones en las cuales el
cordón era de menor espesor que la lamina en sí. Discontinuidad de
soldadura común en uniones permanentes autógenas.
Otra de las fallas que presentó la unión fue falta de penetración entre las
láminas, originada por una penetración incorrecta en la ranura, generando
pequeños lugares donde no se alcanzaba la unión entre las juntas.
Estas juntas también presentaron distintas fallas como agrietamiento a lo
largo de la unión. Esto se debe en parte al rápido enfriamiento del cordón, lo
cual hace muy duro y frágil al material en dicha zona, como también a las
tensiones por el brusco cambio de temperatura en la zona de transición o ZAC
(Zona Afectada por el Calor), las cuales sumadas a la fragilidad de la unión,
poco espesor y cantidad de defectos en la unión antes mencionados, da como
resultado la fractura o agrietamiento de esta.
Dicho agrietamiento puede ser observado fácilmente en la figura 4.43
presentada a continuación.
100 “Evaluación del comportamiento mecánico de juntas de aleaciones de aluminio AA6061 y
AA7075 soldadas mediante el proceso GTAW deformadas en frio plásticamente”.
Figura 4.43 Grieta en junta de AA7075
Debido a lo anteriormente expuesto no fue posible realizar probetas de
AA7075 soldadas por medio de un proceso GTAW, motivo por el cual esta
investigación se vio limitada a realizar los ensayos a probetas con distintos
porcentajes (%) de reducción de área, para de esta forma conocer el
comportamiento mecánico del aluminio AA7075; esto tomando en cuenta que
con un proceso de soldadura distinto y fiable, el material base debiese fallar
antes que las uniones generadas por el proceso de soldadura (como sucedió
en las pruebas del AA6061), quedando así la selección del proceso de
soldadura optimo para este material para una futura investigación.
CCoonncclluussiioonneess
Se identificó de forma satisfactoria que las aleaciones recibidas eran
respectivamente AA6061-T0 y AA7075-T0.
Los parámetros seleccionados para la unión permanente de la
aleación 6061 resultaron ser satisfactorios para una soldadura de tipo
autógena en la misma. La soldadura realizada en la aleación presentó
características mecánicas iguales o superiores que el material base,
validando los valores seleccionados para el proceso de unión.
Se observo que tanto para las probetas de AA6061, como para las
probetas de AA7075. La ductilidad disminuyó a medida que se
aumenta el porcentaje de reducción de espesor.
En las aleaciones de aluminio AA6061 y AA705 se aprecio que con la
disminución del espesor provocado por la laminación en frío. La
proporción de la zona de deformación elástica aumento con respecto
a la zona plástica, debido a la deformación observada en los granos
102 “Evaluación del comportamiento mecánico de juntas de aleaciones de aluminio AA6061 y
AA7075 soldadas mediante el proceso GTAW deformadas en frio plásticamente”.
como consecuencia a numerosas reducciones de espesor a las cuales
fueron sometidas dichas aleaciones.
Los cambios en los valores de dureza de las distintas zonas, se
pueden atribuir al efecto que produce el aporte de calor durante la
soldadura sobre la microestructura, en la cual la difusión y disolución
del elemento aleante endurecedor de la aleación de aluminio AA6061,
como es el siliciuro de magnesio ( ).
Debido a las propiedades mecánicas y químicas de la aleación
AA7075 no se logró soldar de manera exitosa mediante el proceso de
unión permanente GTAW autógena las láminas de 3.125 mm de
espesor.
El proceso GTAW autógeno en el AA7075 provocó un aumento
considerable de la dureza del material en el cordón de soldadura y su
respectiva zona de transición. Haciendo las uniones en extremo
frágiles para las aplicaciones estipuladas en este trabajo de grado.
Las propiedades mecánicas obtenidas del AA7075, mostraron que
aumentos en el porcentaje de reducción de espesor lograron un efecto
proporcional en algunas propiedades mecánicas de dicha aleación,
como el esfuerzo máximo y último, así como la dureza la cual aumento
debido al alargamiento de los granos y la reducción de área de las
porosidades.
Conclusiones. 103
Debido a la incapacidad de poder lograr una unión permanente
utilizable para los diferentes ensayos en la AA7075 se hace imposible
comparar el efecto de la deformación en frío en las juntas soldadas
entre ambas aleaciones.
Teniendo en cuenta el desempeño de las juntas soldadas en AA6061,
las cuales presentaron un comportamiento igual o superior al material
base, se puede inferir que si se repite la tendencia en el AA7075. Se
tendrían juntas soldadas con características mecánicas superiores a
las presentadas por el AA6061 como: la tenacidad y rigidez
convirtiéndolo en un material idóneo para soluciones del tipo
estructural.
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