Estudio de la mejora del comportamiento mecánico y a corrosión de materiales modificados mediante

altas deformaciones plásticas

Autor: Omar Gómez LozanoDirector: Vicente Climent

Tutor: José María Gómez de Salazar

Índice

• Objetivos• Fundamentos del proceso FSW

– Concepto y principio de funcionamiento– Variables del proceso– Evolución microestructural– Ventajas– Aplicaciones

• Procedimiento experimental• Discusión y Resultados• Conclusiones

Objetivos

• Determinar las propiedades en diferentes secciones de soldaduras por fricción-agitación longitudinales de placas de aleación de aluminio 7075 T6 de 10 mm de espesor, y relacionarlas con las transformaciones microestructurales que suceden durante el proceso de soldadura.

• Analizar metalográficamente las diferentes secciones de las uniones, identificar las estructuras presentes en las zonas que la conforman: Metal Base (MB), Zona Térmicamente Afectada (ZAT), Zona Termo-Mecánicamente Afectada (ZATM) y Zona Nugget (ZN).

• Analizar el efecto de la geometría de la herramienta y de las distintas variables del proceso.

• Realizar una caracterización microestructural, mecánica y térmica de las uniones soldadas para comprobar como afecta la variación de diversas variables y la geometría de la herramienta.

Concepto y principio de funcionamiento

• Proceso de soldadura en fase sólida (patentado 1991, TWI) con gran potencial de aplicación.

• Desarrollado originalmente para soldadura de Al, empleado actualmente en una gran variedad de materiales (Cobre, Magnesio, Titanio, Acero, juntas disímiles, materiales compuestos, polímeros, etc.)

• Consiste en una herramienta rotante con dos cuerpos cilíndricos concéntricos (hombro y pin) que se inserta en la junta y se desplaza a lo largo de la misma. El hombro es comprimido contra el material a soldar que está rígidamente fijado a una placa base.

• El calor generado por fricción en el hombro, y en menor medida en el pin lleva al material a un estado plástico.

• A medida que la herramienta se traslada en la junta se produce un flujo del material plastificado alrededor de la herramienta. El material es transportado (agitado) y forjado dentro de la junta.

Variables del proceso

• Velocidad de rotación de la herramienta (Vr): 300 – 1500 rpm

• Velocidad de avance o de soldadura (Va): 50 – 300 mm/min

• Angulo de inclinación de la herramienta (α): 1 - 4°

• Carga axial o presión aplicada (F): 2 – 4 kN

• Geometría de la herramienta

• Diseño de la junta

Evolución microestructural

• a) Metal Base (MB), b) Zona Afectada Térmicamente (ZAT), c) Zona Afectada Termomecánicamente (ZATM), d) Zona Nugget (ZN)

• AS = Zona de Avance

• RS = Zona de Retroceso

Ventajas

Metalúrgicas Energéticas Ambientales

Proceso de soldadura en estado sólido

Se optimiza el uso de losmateriales permitiendo lareducción de peso

No se requieren gases deprotección

Bajas distorsiones y tensiones residuales

Ahorro energético(2,5% de la energía necesariapara soldadura láser)

No se requiere limpieza superficial(solventes o desbaste)

Buena estabilidad dimensional y repetibilidad

Ahorro de combustible debido acomponentes más livianos enindustrias aeronáutica,automotriz y naval

No se requieren consumibles

Excelentes propiedades en el área de unión

Ausencia de fisuración

Soldadura de todo tipo de materiales y disimilares

Aplicaciones

• Principales industrias en las que se aplica el proceso FSW:

– Aeronáutica y Aeroespacial– Naval– Automotriz– Ferroviaria

Procedimiento Experimental

• Material empleado: AA 7075 T6 en planchas de 300mm x 100mm x 10mm• Soldaduras realizadas en el Instituto de Ingeniería Mecánica de Portugal (IDMEC)• Equipo empleado: LEGIOTM FSW 3UL• Configuraciones de soldadura: A7T12WP4-1S1 (FSW 1) y A7T11WP4-1S1 (FSW 2)• Soldaduras realizadas en la dirección de laminación del material

Aleación

% Al % Zn % Cu % Mg % Mn % Fe % Si % Cr

7075-T6 Resto 5.1 – 6.1 1.2 - 2 2.1 – 2.9 0.3 0.5 0.4 0.18 – 0.28Aleación σuts (MPa) σys (MPa) Alargamient

o 50 mm (%)E (GPa)

7075 – T6 570 505 11 71

Variables del proceso

• Herramientas: iSTIR_v3-11 iSTIR_v3-12

Variables del proceso

Velocidad de rotación (Vr) 800 rpm

Velocidad de avance (Va) 200 mm/min

Angulo de inclinación 0°

Carga axial (1370 Kg. FSW 1), (1380 Kg. FSW 2)

Geometría de la herramienta iSTIR_v3-11, iSTIR_v3-12

Diseño de la Junta Junta a tope

Caracterización de la soldadura

• Caracterización Microestructural– Norma ASTM E3 – 95– Reactivo de color Weck’s (100 ml H2O, 4 g KMnO4, 1 g NaOH)

• Caracterización Mecánica– Norma UNE EN ISO 15614-2:2005– Microdurezas: Norma UNE EN ISO 6507-1– Tracción: Norma ASTM E 8M – 04– Fatiga: Norma ASTM E 466 – 02

• Caracterización Térmica• Caracterización Tribología

– Norma ASTM G133, ensayo de desgaste lineal.

Resultados y Discusión

• Caracterización Microestructural:

– Carga axial (1370 Kg) Presencia de poros y defecto túnel

– Carga axial (1380 Kg) Mayor penetración del pin, mayor plastificación, mejor mezcla

– Tamaño grano zona Nugget mas pequeño que en ZAT, ZATM y MB

– Tamaño grano zona solapada…..

Resultados y Discusión

• Caracterización Mecánica:

Nº MuestraResistencia a

tracción [MPa]

Límite elástico 0.2%

[MPa]

Alargamiento [%]

A7T12WP4-1S1

439 387 3.5

421 377 2.0

428 365 2.5

A7T11WP4-1S1

505 374 4.0

525 366 7.0

520 385 6.0

AW7075-T6 (metal base)

572 503 11

Resultados y Discusión

• Caracterización Mecánica:

MuestraNúmero de ciclos a

rotura

A7T12WP4-1S1

14617

7657

5577

A7T11WP4-1S1

36407

25513

25512

Resultados y Discusión

• Caracterización tribología

Muestra Zona Coef. de Fricción Tasa de Desgaste

A7T12WP4 – 1S1 (FSW 1)

ZN 0,32 1,936E-07

ZAT/ZATM 0,30 2,388E-07

MB 0,30 1,716E-07

A7T11WP4 – 1S1 (FSW 2)

ZN 0,37 2,568E-07

ZAT/ZATM 0,36 2,36E-07

MB 0,28 1,604E-07

Resultados y Discusión

• Caracterización térmica

Temperatura Reacciones Tipo de pico

113 - 217° Disolución Zona GP Endotérmico

217 - 250° Formación η’ + Disolución η’ + Formación η

Exotérmico

250 - 271° Crecimiento η Endotérmico

271 - 448° Disolución η Endotérmico

Conclusiones

• El procesamiento por fricción – agitación de la aleación de aluminio 7075 T6 produce un refinamiento de grano del orden del 80%

• El cambio de herramienta influye sobre la dureza, la resistencia a la tracción y fatiga de la junta. La geometría tiene influencia directa sobre el aporte de calor a la confección del cordón de soldadura.

• La longitud del pin esta íntimamente ligada al espesor del material que se va a soldar.

• Se obtienen perfiles de dureza en “W”, el nivel de dureza tiende a disminuir en la ZAT, es necesario soldar lo más rápido posible con el fin de maximizar la dureza de esa zona.

• La microestructura de la zona nugget es claramente equiaxial y muy fina.

• En tracción a mayor carga vertical aplicada y mayor penetración del pin, se obtienen mejores propiedades.

• La soldadura por fricción-agitación reduce la vida a fatiga a un esfuerzo determinado.

• Los modos típicos de inicio de grieta son el defecto túnel y la concentración de esfuerzos cerca de la superficie debido a los labios de corte.

• El coeficiente de fricción en la zona de metal base es menor que en el resto de zonas. Para la configuración FSW 1 se desgasta mas por la zona ZAC debido a los defectos tipo túnel, en cambio en la FSW 2 se desgasta mas por la ZN ya que el tamaño de grano es mayor.

GRACIAS POR SU ATENCION