INGENIERO MECANICO Soldadura por fricción-agitación (FSW) aplicada en aleaciones de aluminio AA6061 y AA5086: Efectos en la microdureza, propiedades mecánicas y microestructura

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FACULTAD DE INGENIERIA

ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA MECANICA

Soldadura por fricción-agitación (FSW) aplicada en aleaciones de aluminio AA6061 y AA5086: Efectos en

la microdureza, propiedades mecánicas y microestructura

TESIS

PARA OPTAR EL TITULO PROFESIONAL DE

INGENIERO MECANICO

Autores: Br. Castro Aranda Henry Paul Br. Polo Bruno Roberto Angel Asesor: Dr. Víctor Manuel Alcántara Alza

Trujillo - 2022

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Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú.

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DEDICATORIA

El presente trabajo motivo de la investigación está dedicado con mucho amor y cariño a mis abuelitos Pablo Aranda Otiniano, Leonor Siccha Huanca a mi madre Alejandrina Aranda Siccha los que velaron por mi dedicándome su apoyo incondicional hasta haber culminado con satisfacción mis estudios universitarios.

Henry Castro Aranda

Dedico este trabajo a mis padres Roberto y María, por confiar en mí y brindarme todo el apoyo y facilidades para mis estudios, por siempre preocuparse por educación de sus hijos y por enseñarnos a no temer a las adversidades de la vida.

A mi hermana Thais por su cariño y apoyo incondicional, gracias por acompañarme siempre.

A mi abuela Rocío y mi tío Enrique por ser fuente constante de apoyo y alegría en mi vida.

Roberto Polo Bruno

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AGRADECIMIENTOS

Al Dr. Ing. Víctor Manuel Alcántara Alza, por su asesoramiento incondicional en el presente trabajo de investigación y por las cátedras impartidas de Ciencia de los Materiales y Procesos de manufactura durante nuestra formación profesional.

A mi Alma Mater, la Universidad Nacional de Trujillo, por haberme albergado en mi vida universitaria, hasta verme profesional.

Al personal Administrativo, biblioteca y de servicio por su delicada participación en el funcionamiento y mantenimiento de mi alma mater.

A nuestros padres por guiarnos y apoyarnos en todo momento de nuestra etapa académica.

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INDICE GENERAL

DEDICATORIA………ii

AGRADECIMIENTOS………iii

RESUMEN………..xiii

ABSTRACT………xiv

I – INTRODUCCION

I.1 REALIDAD PROBLEMÁTICA………,.……1

I.2 ANTECEDENTES………,….….2

I.3 FORMULACION DEL PROBLEMA DE INVESTIGACION………,….….4

I.4 HIPOTESIS……….….4

I.5. OBJETIVOS……….…...5

I.5.1. OBJETIVO GENERAL………....5

I.5.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS………..…..5

I.6. JUSTIFICACION DEL ESTUDIO………..…5

I.7. FUNDAMENTOS TEÓRICOS………...….7

I.7.1 ALEACIONES DE ALUMINIO………...7

I.7.2. ALEACIONES DE ALUMINIO NO TRATABLES TÉRMICAMENTE………...…8

I.7.3. ALEACIONES DE ALUMINIO TRATABLES TÉRMICAMENTE……….8

I.8. SOLDADURA POR FRICCIÓN AGITACIÓN (FSW)………9

I.8.1. ASPECTOS PRELIMINARES………9

I.8.2. GUIA PARA EL SOLDEO POR FRICCION AGITACION – FSW……….10

I.8.3. PROCESO DE UNION: FORMACION DEL CORDON………..11

I.8.3.1. ZONAS DENTRO DEL CORDON DE SOLDADURA………...12

I.8.4. PARÁMETROS DEL PROCESO………13

I.8.5. HERRAMIENTAS PARA EJECUTAR LA SOLDADURA……….13

I.8.5.1. COMPONENTES DE LA HERRAMIENTA………...14

I.8.5.2. VELOCIDAD DE ROTACIÓN DE LA HERRAMIENTA………15

I.8.5.3. VELOCIDAD LINEAL DE LA SOLDADURA……….15

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I.8.6. VARIABLES QUE AFECTAN EL PROCESO………...16

I.8.6.1. PRESIÓN DE LA HERRAMIENTA………...16

I.8.6.2. VELOCIDAD DE RECORRIDO……….18

I.8.6.3. TIEMPO DE CALENTAMIENTO………...18

I.8.6.4. FLUJO DE MATERIAL Y EL MECANISMO DE UNIÓN………18

I.8.6.5. RELACIONES ENTRE LAS VARIABLES………19

I.8.7. VENTAJAS Y LIMITACIONES DE LA SOLDADURA POR FRICCIÓN……….21

I.8.7.1. VENTAJAS DE LA SOLDADURA POR FRICCIÓN………...21

I.8.7.2. LIMITACIONES DE LA SOLDADURA POR FRICCIÓN………...22

I.9. APLICACIÓN DEL FSW EN ALEACIONES DE ALUMINIO………...22

I.9.1. DEFECTOS PRODUCIDOS EN LA SOLDADURA FSW………...25

I.9.1.1. EL DEFECTO DE ENGANCHE (HOOKING)……… ...26

I.9.1.2. EL DEFECTO DE TÚNEL………...26

I.9.1.3. OTROS TIPOS DE DEFECTOS………...27

II-MATERIALES Y METODOS

II.1. MATERIALES USADOS EN EL EXPERIMENTO………30

II.1.1. ALUMINIO AA 6061- COMPOSICIÓN QUÍMICA……….30

II.1.2. ALUMINIO AA 5086 – COMPOSICION QUIMICA………..30

II.1.3. PROPIEDADES MECANICAS DE LOS MATERIALES EN ESTADO DE SUMINISTRO………..31

II.1.4. MICROESTRUCTURA DE LAS ALEACIONES EN ESTADO DE SUMINISTRO………..31

II.2. DISEÑO EXPERIMENTAL……….32

II.2.1. VARIABLES DE ESTUDIO……….32

II.2.2. MATRIZ DE DISEÑO EXPERIMENTAL………33

II.2 3. NÚMERO DE ENSAYOS Y PROBETAS………33

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vi

II.3. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL………...33

II.3.1. CONFECCION DE PROBETAS………...33

II.4. EJECUCION DE LOS ENSAYOS………..34

II.4.1. ENSAYOS DE SOLDADURA FSW………34

II.4.1.1. EQUIPO DE ENSAYO………...34

II.4.1.2. DESCRIPCION DEL PROCESO………...35

II.4.1.3. SUJECIÓN DE LA JUNTA………35

II.4.1.4. ANCLAJE A LA MÁQUINA DE FRESADO………...35

II.4.1.5. HERRAMIENTA A USAR EN EL PROCESO DE SOLDEO………..36

II.4.1.6. UBICACIÓN Y MUESTRA DE LAS JUNTAS SOLDADAS………..37

II.4.2. ENSAYOS DE TRACCION………..38

II.4.3. ENSAYOS DE MICRODUREZA………...38

II.4.4. ENSAYOS DE MICROSCOPIA………...39

III-RESULTADOS

III.1. RESULTADOS DE MICRODUREZA………40

III.1.1. MICRODUREZA DE LA JUNTA SIMILAR: AA6061-AA6061………40

III.1.2. MICRODUREZA DE LA JUNTA SIMILAR: AA5086-AA5086………41

III.1.3. MICRODUREZA DE LA JUNTA DISIMIL: AA6061-AA5086……….42

III.1.4. DIAGRAMA CONSOLIDADO DE MICRODUREZA DE LAS JUNTAS SOLDADAS………44

III.2. RESULTADOS DE LOS ENSAYOS DE TENSION………44

III.2.1. DIAGRAMAS ESFUERZO-DEFORMACION DE LAS JUNTAS……….45

III.2.2. PROBETAS ANTES Y DESPUES DEL ENSAYO DE TRACCION…………..47

III.3. MACROGRAFIAS DEL CORDON MOSTRANDO LAS ZONAS AFECTADAS………..48

III.4. MICROESTRUCTURA DE LAS JUNTAS………..49

III.4.1. MICROESTRUCTURA DE LA ZONA DE AGITACION: ZONA STIR (ZS)………..49

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vii

III.4.2. MICROESTRUCTURA DE LAS ZONAS: TMAZ Y ZAC……….50

IV - DISCUSIÓN

IV.1. SOBRE LA MICRODUREZA………..52

IV.2. SOBRE LOS ENSAYOS DE TRACCION………...54

IV.3. SOBRE LA MICROESTRUCTURA………...56

IV.3.1. RESPECTO A LA ZONA DE AGITACION: (ZS)………56

IV.3.2. RESPECTO A LAS ZONAS: TMAZ Y ZAC………57

CONCLUSIONES………..58

RECOMENDACIONES………59

REFERENCIAS……….60

ANEXOS………65

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LISTA DE FIGURAS .

Dentro del Capítulo I.

Figura I.1. Efecto de la deformación en frío en el endurecimiento del aluminio.

Figura I.2. Principio de la soldadura por fricción agitación

Figura I.3. Dibujo esquemático del proceso As: placa de unión que va en el sentido de la soldadura; RS: placa que va en sentido contrario

Figura I.4. Formación de la soldadura

Figura I.5. Esquema de las zonas afectadas por el proceso de soldeo FSW Figura I.6. Macrofotografía mostrando las zonas del cordón de soldadura FSW Figura I.7. Tipos clásicos de herramientas

Figura I.8. Herramientas de Soldadura

Figura I.9. Diferencia al momento de soldar con el control de parámetros (a) y con el control de la posición. Mientras que en la figura (b) los parámetros de soldadura: la velocidad de 2 m/min, velocidad de rotación de la herramienta 1800 rpm, fuerza vertical hacia abajo en el lado izquierdo de 800 kg. Ambas muestras fueron soldadas con la misma máquina

Figura I.10. Flujo del material plastificado por acción de la fricción en diferentes planos horizontales (a) 0,35 mm, (b) 1,59 mm y (c) 2,28 mm por debajo de la superficie superior de una placa de acero inoxidable 304 de 3,18 mm de espesor. Velocidad de soldadura de 4 mm/s con rotación de la herramienta a 300 rpm

Figura I.11. Aspectos de los lados de la cara (a) y la raíz (b) de unión soldada hecha con una velocidad de rotación de 1000 rpm, Velocidad de soldadura de 35,5 mm/min y hombro recto con 24 mm de diámetro

Figura I.12. Macrofotografía de la misma junta de la figura anterior. realizada con las mismas condiciones de soldeo excepto que se hizo una reducción del hombro de la herramienta a 12 mm Figura I.13. Defectos generalmente observados en uniones soldadas con FSW (a) defecto de enganche (Hooking), (b) defecto de tunelización (Tunnel) (c) KB (Kissing Bond) y (d) falta de penetración (JRL)

Figura I.14. Un vacío de rotura superficial en la soldadura producido en juntas de aluminio producido a 400 mm/min

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ix Dentro del Capítulo II.

Figura II.1. Microestructura de las aleaciones de aluminio: AA6061 y AA 5086. Se observan diferentes tipos y tamaños de grano debido al tratamiento térmico utilizado durante su fabricación

Figura II.2. Esquema de relación de variables del experimento (Black-box)

Figura II.3. Dimensiones de las probetas (juntas soldadas disimilares) utilizadas para los ensayos de tracción según la norma ASTM E8M.

Figura II.4. Probetas de tracción maquinadas a partir de los metales base, que luego fueron sometidas a un ensayo de tracción según la norma ASTM E8M.

Figura II.5. Preparación simulada con una prueba piloto arbitraria de la forma como debe ir la junta y el mecanismo de anclaje con la mesa de la fresadora

Figura II.6. Dimensiones de la herramienta a usar en el proceso de soldadura FSW Figura II.7. Fotografía del cordón soldado en los cupones de unión AA6061-AA6061

Figura II.8. Macrofotografias de los cordones soldadura de los tres tipos de junta: a) AA6061- AA6061; b) AA5086-AA5086; c) AA6061-AA5086. La flecha blanca indica el sentido de movimiento de la soldadura.

Dentro del Capítulo III.

Figura III.1. Gráfico del perfil de microdureza en juntas soldadas con unión a tope mediante el proceso FSW. La unión se hizo con dos placas de aluminio símiles: AA6061-AA6061 [ AS=

Lado de avance; AR= lado de retirada]

Figura III.2. Gráfico del perfil de microdureza en juntas soldadas con unión a tope mediante el proceso FSW. La unión se hizo con dos placas de aluminio símiles: AA5086 - AA5086 y muestra las longitudes aproximadas de las zonas afectadas por el proceso.

Figura III.3. Gráfico del perfil de microdureza en juntas soldadas con unión a tope mediante el proceso FSW. La unión se hizo con dos placas de aluminio disímiles: AA6061 - AA5086 y muestra las longitudes aproximadas de las zonas afectadas por el proceso.

Figura III.4. Gráfico consolidado de los tres perfiles de microdureza para los tres tipos de juntas soldadas con unión a tope mediante el proceso FSW.

Leyenda : Junta “A”: AA6061 - AA6061; Junta “B”: AA5086-AA5086; Junta “C”: AA6061- 5086. No se pueden ubicar las zonas afectadas por el proceso por ser juntas distintas.

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x Figura III.5. Gráfico de los diagramas: Esfuerzo- Deformación (σ-ε) para

Las dos aleaciones de aluminio en estado de suministro (materiales base) “S1”: AA6061; “S2”:

AA5086.

Figura III.6. Gráfico de los diagramas: Esfuerzo- Deformación (σ-ε) para los tres tipos de juntas soldadas con unión a tope mediante el proceso FSW. “M1”: AA6061- AA6061; “M2”:

AA5086-AA5086; “M3”: AA6061-5086.

Figura IV.7. Gráfico consolidado de los diagramas: Esfuerzo- Deformación (σ-ε) que incluye los tres tipos de juntas con los diagramas de los dos materiales base sin soldeo. S1: Diagrama de AA6061; S2: Diagrama AA5086; “M1”: AA6061 - AA6061; “M2”: AA5086-AA5086;

“M3”: AA6061-5086.

Figura III.8. Gráfico que muestra los valores del Límite de fluencia (Y) y Resistencia Máxima a la tracción (UTS); Aleaciones puras: S1: AA6061; S2: AA5086. Juntas soldadas: M1:

AA6061 - AA6061; M2: AA5086-AA5086; M3: AA6061-5086.

Figura III.9. Macrofotografía de la junta soldada M1= AA6061-AA6061 antes, y fracturada después del ensayo

Figura III.10. Macrofotografía de la junta soldada M1= AA5086-AA5086 antes, y fracturada después del ensayo

Figura III.11. Macrofotografía de la junta soldada disimilar: M3 = AA6061-AA5086 antes, y fracturada después del ensayo

Figura III.12. Macrofotografía del cordón de soldadura de la junta M1 = AA6061-AA6061;

mostrando las zonas típicas. El color verdoso implica que se han producido óxidos en la estructura.

mostrando las zonas típicas. El color rojizo-verdoso implica que se han producido óxidos en la estructura.

Figura III.15. Microestructura de la zona central de agitación ZS perteneciente a la junta M1 = AA6061-AA6061. Parámetros de soldeo: 1400 rpm; 35 mm/min.

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xi Figura III.16. Microestructura de la zona central de agitación ZS perteneciente a la junta M2 = AA5086 - AA5086. Parámetros de soldeo: 600 rpm; 20 mm/min

Figura III.17. Microestructura de la zona central de agitación ZS perteneciente a la junta disimilar M3=AA6061-AA5086. Parámetros: 600 rpm; 15 mm/min. En la zona superior se observa un defeco que podría ser un defecto “Tunel”.

Figura III.18. Microestructura de las zonas adyacentes: TMAZ y ZAC, perteneciente a la junta símil M1=AA6061-AA6061. Parámetros de soldeo: 1400 rpm; 35 mm/min.

Figura III.19. Microestructura de la zona central de agitación ZS perteneciente a la junta M2 = AA5086 - AA5086. Parámetros de soldeo: 600 rpm; 20 mm/min.

Figura III.20. Microestructura de la zona central de agitación ZS perteneciente a la junta disímil M3 = AA6061 - AA5086. Parámetros de soldeo: 600 rpm; 15 mm/min.

LISTA DE TABLAS.

Dentro del Capítulo I.

Tabla I.1. Sistema de designación de las aleaciones de aluminio.

Tabla I.2. Nomenclatura de los estados y tratamientos térmicos en aluminio.

Tabla I.3. Siglas usadas en los tratamientos térmicos para el aluminio Tabla I.4. Principales parámetros y efectos del proceso FSW

Tabla I.5. Defectos junto con su ubicación y causas durante FSW Dentro del Capítulo II.

Tabla II.1. Composición química del aluminio AA6061 (% en peso) Tabla II.2 Composición química del aluminio AA5086 (% en peso)

Tabla II.3. Propiedades mecánicas de los materiales en estado de suministro

Tabla II.4. Parámetros empleados en el experimento para los diversos tipos de juntas Dentro del Capítulo III.

Tabla III.1. Perfil de Microdureza (HV0.5) en las juntas soldadas a tope mediante proceso FSW:

AA6061-AA6061

AA5086-AA5086

AA6061-AA5086

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xii Tabla III.4. Propiedades Mecánicas de Tracción de las juntas soldadas por FSW (M1 →M3) y muestras ensayadas en estado de suministro (S1-S2)

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RESUMEN

Se investigó el efecto de la soldadura por fricción-agitación en las aleaciones de aluminio AA6061 y AA5086, usando juntas a tope; con la finalidad de observar sus efectos en la microdureza, propiedades mecánicas y microestructura. Se confeccionaron probetas de 600x200x4mm³ para medir el perfil de microdureza de los cupones soldados. Los parámetros de soldeo fueron: Para M1:AA6061-AA6061 se usó 1400rpm y 35 mm/min; para M2:AA5086- AA5086 se usó 600 rpm y 20 mm/min y para M3:AA6061-AA5086 se usó 600 rpm y 15mm/min. Se tomaron macrografías a cada muestra en forma transversal, para distinguir las zonas SZ, TMAZ y ZAC. Luego se hizo el ensayo de microscopía a nivel óptico. Se encontró, que los picos de microdureza casi no varían y se encuentran a alrededor del centro del cordón.

El máximo valor de dureza (116 HV) corresponden a la junta M1. En ninguna de las juntas se observa que los perfiles de dureza guarden simetría. Con respecto a la resistencia mecánica;

límite de fluencia y elongación la relación es: M1> M2>M3. La eficiencia de las juntas respecto a la resistencia mecánica es: M1=74%; M2=72%, y M3=56%. Las zonas afectadas: SZ; TMAZ y ZAC tienen diferentes espesores para cada tipo de junta y estos dependen de los parámetros de soldeo y materiales base. La zona SZ presenta el grano más fino debido a la recristalización dinámica; y, por lo tanto, si se cambian los parámetros de soldeo de las juntas; esta zona central de agitación siempre será más dura y resistente.

Palabras clave: Soldadura por fricción; Recristalización; Propiedades mecánicas;

Microdureza; Eficiencia de soldeo.

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xiv

ABSTRACT

The effect of friction stir welding on AA6061 and AA5086 aluminum alloys was investigated, using butt joints; in order to observe its effects on microhardness, mechanical properties and microstructure. Specimens of 600x200x4mm3 were made to measure the microhardness profile of the welded coupons. The welding parameters were: For M1:AA6061-AA6061, 1400 rpm and 35 mm/min were used; for M2:AA5086-AA5086, 600 rpm and 20 mm/min were used and for M3:AA6061-AA5086, 600 rpm and 15 mm/min were used. Macrographs were taken of each sample crosswise, to distinguish the SZ, TMAZ and ZAC zones. Then the optical microscopy test was done. It was found that the microhardness peaks hardly vary and are found around the center of the bead. The maximum hardness value (116 HV) corresponds to the M1 joint. In none of the joints it is observed that the hardness profiles keep symmetry. Regarding the mechanical resistance; yield strength and elongation the relationship is: M1> M2>M3. The efficiency of the joints with respect to mechanical resistance is: M1=74%; M2=72%, and M3=56%. Affected areas: SZ; TMAZ and ZAC have different thicknesses for each type of joint and these depend on the welding parameters and base materials. The SZ zone presents the finest grain due to dynamic recrystallization; and, therefore, if the welding parameters of the joints are changed;

this central zone of agitation will always be harder and more resistant.

Keywords: Friction welding; Recrystallization; Mechanical properties; microhardness; welding efficiency.

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I

INTRODUCCION

I.1 REALIDAD PROBLEMÁTICA.

La creciente demanda para reducir el peso en la industria aeroespacial, automotriz, militar y electrónica ha despertado un interés significativo en las aplicaciones de materiales de pesos livianos, particularmente aleaciones de aluminio; además, es uno de los tres primeros materiales más utilizados en el mundo [1, 2].

En todo el mundo, la soldadura es usada para la producción de estructuras metálicas en ingeniería, la producción de uniones de perfiles de aluminio, ha sido limitada a razón de que las propiedades mecánicas de las soldaduras tienen una fuerte disminución en sus propiedades y microestructura en comparación con el material original, debido a que durante el soldeo, la entrada de calor local generan gradientes térmicos creando campos de tensión residual, que pueden alcanzar valores cercanos a la elasticidad del material terminado a temperatura ambiente. [3].

Durante décadas, la soldadura por fusión ha sido uno de los métodos de soldadura más utilizados en la producción industrial atribuido a su mayor productividad, mejor accesibilidad a la soldadura y mayor adaptabilidad de la soldadura mediante el uso de un material de aporte consumible y su buena compatibilidad con la soldadura automática / robótica; sin embargo, este proceso de soldadura aplicado en la aleación de aluminio convencional tiene muchos problemas, como poros, mala calidad de las uniones soldadas, baja eficiencia de soldadura y un rango estrecho de proceso de transferencia de pulverización seleccionable [4, 5]. Así mismo, es un hecho bien conocido que el calor producido en la soldadura por fusión fluirá más rápidamente desde material que tiene una conductividad térmica más alta hacia la más baja; lo que produce un derretimiento excesivo, o una fusión inadecuada; dando lugar a quemaduras en la aleación que tiene baja conductividad térmica [5]. Estos problemas se pueden resolver si en lugar de utilizar procesos de soldadura por fusión, se utilizan procesos de soldadura en estado sólido.

A principios de la década pasada, el "British Institute of Welding Technology" TWI anunció un nuevo método para soldar aluminio y sus aleaciones en estado sólido,

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2 denominado "Friccion Stir Welding" (FSW), en español Soldadura por Fricción - Agitación (SFA). Este nuevo tipo de soldadura integra grandes piezas planas y en este sentido un avance muy importante limitado a la combinación de piezas con una simetría revolucionaria, como por ejemplo tubos y varillas. [6].

La FSW es uno de los métodos de soldadura en fase sólida el cual permite combinar materiales con diferentes propiedades mecánica y físico-químicas en diferentes combinaciones de metales como Al-Mg, Al-Ti, Al-Fe, Al-Cu [9].

Las principales ventajas de FSW son sus bajos requerimientos de preparación de unión y la ausencia de refuerzos, lo que permite lograr menores tensiones residuales sin que se observen defectos de endurecimiento, cuestión que se traduce en altos rendimientos y excelentes propiedades mecánicas de la soldadura, superiores a las obtenidas por procesos convencionales. [7]. Algunas aleaciones de aluminio no son soldables, razón por la cual el Reino Unido, EE. UU., Brasil, Argentina y Colombia han optado por utilizar el proceso de soldadura por fricción y agitación. [8].

La problemática principal, es la pérdida de las propiedades mecánicas en la unión soldada.

Es sabido, que luego del proceso de soldadura por fricción-agitación, la unión soldada pierde sus propiedades mecánicas en cierta proporción, tales como la resistencia a la tracción y la dureza; es por ello que, se busca una manera adecuada de mantener o mejorar dichas propiedades respecto de las condiciones iniciales [9].

Este proyecto propone realizar un estudio sobre las juntas soldadas de aluminio AA6061 con AA 5086 en una combinación similar y disimilar con el propósito de analizar sus propiedades mecánicas de las juntas, así como también los perfiles de microdureza y comparar estos resultados con los materiales base y tratar de explicar estos cambios producidos mediante la microestructura observada en las diferentes zonas de las juntas.

I.2 ANTECEDENTES.

Jeom Kee Paik (2009), realizo investigaciones respecto a las propiedades mecánicas y el rendimiento de las juntas soldadas en aleaciones de aluminio disimilares: 5083 y 5383.

Se ensayaron uniones soldadas entre aleaciones iguales o símiles y distintas o disímiles.

Se encontró que; En todos los casos, la región soldada por fricción y agitación FSW se ve afectada por varios parámetros. tales como y profundidad de la capa fina fundida, temperatura fundida, velocidades de rotación y avance, y posible enfriamiento rápido, etc.

La garantía de calidad de la región soldada por fricción y agitación se puede realizar mediante métodos de ensayos no destructivos para encontrar cualquier defecto. La base

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3 de datos de prueba desarrollada en el presente estudio será de gran utilidad para el diseño y construcción de estructuras navales de aluminio fabricadas por soldadura fricción - agitación. FSW. [10]

R. Palanivel y otros investigadores (2014) investigaron experimentalmente utilizando 3 velocidades de soldadura (0.6, 1.05 y 1.5 mm/s) en aleaciones de aluminio AA5083-H111 y AA6351-T6 demostrando que la velocidad de soldadura de 1.05 mm/s produce mejores propiedades mecánicas y metalúrgicas. [11]

M. Ilangovan et all. (2015) estudiaron el efecto que produce el perfil del pasador de la herramienta sobre las propiedades de tracción y microestructura de juntas de aleación de aluminio AA 6061 y AA 5086 disímiles soldadas por fricción y agitación (FSW). SE utilizaron tres perfiles de pasador diferentes: cilíndrico recto, cilíndrico cónico y cilíndrico roscado. Se observaron Las microestructuras de varias regiones mediante microscopio óptico y electrónico de barrido. Se evaluaron las propiedades de tracción y microdureza de la junta soldada. Se obtuvo como resultado valores de dureza más altos de 83 HV en la zona de agitación y una resistencia a la tracción más alta de 169 MPa en comparación con otros dos perfiles. El aumento de dureza se atribuye a la formación de granos finos e intermetálicos en la zona de agitación y, además, el tamaño reducido de las regiones más débiles, como las regiones TMAZ y HAZ, da como resultado propiedades de tracción más altas. De esta investigación se extrajo la siguiente conclusión: “El uso del perfil de pasador roscado de la herramienta contribuye a un mejor flujo de materiales entre dos aleaciones y a la generación de una zona de agitación libre de defectos”. [12]

W. Vaca et all., (2017), estudió el efecto de la velocidad de soldadura sobre la resistencia mecánica de uniones soldadas por FSW en aleación de aluminio 6061 T6, y determinó que, con valores de velocidad de rotación de la herramienta de 500, 680, 800 y 1000 rpm con avance de 0,9 mm/seg no permitieron una soldadura adecuada. Sin embargo, para velocidades de 1200 y 1650 rpm, la unión entre los paneles se logra con una resistencia a la tracción del 40% de la resistencia del material base, lo que también indica una buena calidad superficial. [13]

Anil Raj et all.(2021), investigaron la optimización de los parámetros de entrada para la soldadura por fricción y agitación FSW de las aleaciones de aluminio AA3103 y AA7075.

En este artículo, la optimización de los parámetros de entrada se llevó a cabo con base en el método de Taguchi utilizando la matriz ortogonal L9. Hubo nueve corridas experimentales en total después de crear la tabla de matriz ortogonal L 9 en el software

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4 MINITAB. Los parámetros de entrada seleccionados para la optimización fueron, la velocidad de rotación de la herramienta, la velocidad de avance, el perfil del pasador de la herramienta y los parámetros de salida que son dureza optimizada, resistencia a la tracción y resistencia al impacto. El análisis ANOVA se llevó a cabo en el software Qualitek 4 para averiguar la influencia porcentual de los parámetros de entrada en los parámetros de salida. El propósito del trabajo de investigación fue, encontrar las condiciones óptimas para realizar la soldadura FSW de las aleaciones de aluminio antes mencionadas. [14]

También se pueden mencionar otras investigaciones que guardan relación con nuestro tema de estudio. Así tenemos:

Cavazos Hernández aporta el modelado de la unión GMAW-P en aleaciones de aluminio 5052-H32 basado en una red neuronal, en donde se determina que el grado de penetración de la soldadura se ve afectado por el calor aportado de la fuente de energía, para el aluminio 5052-H32 a 630.72 °C se logró un cordón capaz de soportar más de 170 MPa en tensión simple, sin embargo, aún existen incidencias de fallas por fractura dúctil [15].

Banglong Fu estudió, en 2014, el proceso de soldeo de los materiales disímiles aluminio 6061-T6 y magnesio AZ31B mediante soldadura por fricción agitación, en dicha investigación obtuvo que la tensión obtenida llegaba hasta un 70% de la resistencia de la aleación de magnesio inicial [16].

I.3 FORMULACION DEL PROBLEMA DE INVESTIGACION

¿Cómo afectan los parámetros de soldadura por fricción agitación (FSW) en la microdureza, microestructura y propiedades a la tracción en soldaduras similares y diferentes de placas de aluminio AA6061 y AA5086?

I.4 HIPOTESIS

❖ La resistencia a la tracción de las soldaduras FSW mostrará un rendimiento de tracción del 40 % al 60 %, en comparación con el metal base.

❖ La microdureza en la sección transversal mostrara valores que varían entre los valores de microdureza de los metales base, esta discontinuidad puede deberse a los cambios de fases y a la formación de compuestos intermetálicos en el cordón.

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5 I.5. OBJETIVOS

I.5.1. OBJETIVO GENERAL

Estudio y análisis del efecto de los coeficientes de soldadura por fricción-agitación (FSW) en uniones a tope de chapas soldadas de aluminio 5086 y 6061.

I.5.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS.

• Determinar relaciones entre los parámetros del soldeo por FSW y las propiedades mecánicas.

• Determinar relaciones entre la microdureza de los cupones con los parámetros de soldeo por FSW.

• Establecer comparaciones entre los resultados obtenidos para las diversas combinaciones de juntas soldadas tanto símiles como disimiles.

• Analizar la microestructura de las juntas y definir las zonas dentro del cordón de soldadura.

• Determinar las magnitudes de las diferentes regiones formadas en el proceso de soldadura.

• Determinar las ventajas que tiene el uso de una máquina de soldadura por fricción agitación sobre otras formas de soldadura a cupones similares.

I.6. JUSTIFICACION DEL ESTUDIO En lo Teórico

• Aporta a estudiar los fenómenos producidos en este tipo de soldadura. La soldadura por fricción agitación, no se encuentra comprendida en su totalidad.

En lo económico.

• La soldadura por fricción es un proceso que no usa un relleno y no necesita llevar el material a su temperatura de fusión en comparación con la soldadura por fusión, con lo cual se reduce los costos.

En lo tecnológico.

• Se diseña un dispositivo para ser acoplado a una fresadora vertical para establecer los parámetros del proceso de soldadura FSW sin cambiar los principios basados en este procedimiento. Esta es un nuevo método para realizar procesos de unión de piezas.

(20)

6 En lo medioambiental.

• Fomentar la búsqueda de la soldadura por fricción para ayudar a reducir la contaminación ambiental. La soldadura por fricción suprime los gases nocivos de los recubrimientos de electrodos que se utilizan en los métodos convencionales.

(21)

7 I.7. FUNDAMENTOS TEORICOS

I.7.1. ALEACIONES DE ALUMINIO

El aluminio puro es un metal de bajas propiedades mecánicas, por lo tanto, para aumentar esta propiedad, se mezcla con otros metales. Los elementos de aleación más comunes son el cobre (Cu), el magnesio (Mg), el manganeso (Mn), el zinc (Zn) y el silicio (Si).

Las aleaciones se dividen en dos grupos principales, el grupo de formación y el grupo de fundición. El más utilizado en la industria es la forja, que se clasifica según el elemento de aleación en mayor proporción.

El código utilizado para la aleación según la forja de la Asociación de Aluminio (AA) consta de 4 dígitos. Los principales elementos de aleación se indican con el primer número, como se aprecia en la Tabla I.1.

Tabla I.1. Sistema de codificación de aluminio aleado.

SERIE AA Elemento de Aleación Principal

1XXX %Al>99.00

2XXX Cobre

3XXX Manganeso

4XXX Silicio

5XXX Magnesio

6XXX Magnesio + Silicio

7XXX Zinc

8XXX Otros Elementos

El método de montaje más utilizado es la soldadura. Las propiedades de la aleación dependen de la cantidad de aleantes en su composición, lo que determina si se puede tratar térmicamente; además poder deformarse en frío.

(22)

8 I.7.2. ALEACIONES DE ALUMINIO NO TRATABLES TÉRMICAMENTE Las series 1XXX, 3XXX, 4XXX y 5XXX no pueden ser tratadas térmicamente. El aumento de su dureza se obtiene al aumentar los agentes de aleación y por la deformación en frío, lo que aumenta su resistencia, pero reduce su ductilidad. Las aleaciones de aluminio sin tratamiento térmico tienen una relación entre la relación de tensión en frío y la dureza (Fig. I.1).

Figura I.1. Efecto de la deformación en frío en el endurecimiento del aluminio.

I.7.3. ALEACIONES DE ALUMINIO TRATABLES TÉRMICAMENTE

Se trata de las series 2XXX, 6XXX, 7XXX y parte de la serie 8XXX. Se alean principalmente con cobre, magnesio, silicio y zinc, que mejoran la dureza y la resistencia mecánica usando tratados térmicos. Esto implica calentar la aleación de aluminio a una temperatura alta, en la que la aleación y los elementos de aluminio se funden en una solución sólida. Luego se enfría a temperatura ambiente dando como resultado una solución sólida sobresaturada; después, para controlar la precipitación de los compuestos de aleación se mantiene a temperatura baja. A esto se denomina tratamiento térmico, fusión, revenido y envejecimiento, correspondiendo a la condición nominal T6, cuyos parámetros se mencionarán en el apartado siguiente.

(23)

9 I.8. SOLDADURA POR FRICCIÓN AGITACIÓN (FSW)

I.8.1. ASPECTOS PRELIMINARES.

La técnica de soldadura en estado sólido por fricción- agitación (FSW) por sus siglas en inglés, ha desempeñado un papel importante en las industrias recientes, ya que se ha utilizado en la unión y procesamiento de materiales metálicos. La soldadura por fricción y agitación (FSW) se aplica para unir materiales poco soldables y mejorar la microestructura y las propiedades mecánicas de las uniones soldadas. En la figura II.2, se observa los componentes de la soldadura y en la figura II.3, la forma de ejecución del proceso.

.

Figura I.2. Principio de la soldadura por fricción agitación [17]

Figura I.3. Dibujo esquemático del proceso As: placa de unión que va en el sentido de la soldadura; RS: placa que va en sentido contrario

(24)

10 La FSW como una herramienta giratoria con hombro no consumible con una sonda perfilada sumergida en las caras colindantes de los objetos generan calor por fricción en la interfaz herramienta-pieza de trabajo; y por lo tanto se produce el ablandamiento del material base y, finalmente, se produce una unión continua mediante un movimiento de traslación a lo largo de la línea de soldadura, como se presenta en la figura II.2 y II.3. Esta técnica puede ser aplicada para unir cualquier tipo de materiales similares como:

materiales puros, aleados y compuestos; y los materiales diferentes o disímiles que se pueden soldar fácilmente de la misma manera; pues por los métodos tradicionales sería muy dificultoso y en algunos casos no soldables.

I.8.2. GUIA PARA EL SOLDEO POR EL PROCESO FSW

El equipo para el procedimiento de soldadura consiste en un husillo giratorio sobre el que se ubica la herramienta de soldadura, de forma cilíndrica y fabricado en acero resistente con un hombro alargado con una varilla o punta axial. De forma cilíndrica, y puede tener variados relieves[18].

Así, el cabezal de soldadura impulsa la herramienta rotativa en la medida de dos placas soldadas fijadas al conjunto de soporte y las pone en contacto [19]. El calor de la fricción lleva el material casi a un estado de pasta (Fig. 4.I) y permite que la punta penetre en el hombro. [20].

El propósito del hombro es limitar la penetración, así como evitar la protrusión de metal [21]. A continuación, se desplaza la herramienta por el recorrido de las chapas a soldar y el metal encolado, que se desplaza por la rotación de la herramienta bajo la acción del empuje que sobre ella aparece, y sale formando una mezcla de las chapas. [22]

Figura I.4. Formación de la soldadura [22].

(25)

11 Los fenómenos de fricción e irritación se desarrollan físicamente de manera estable, y la temperatura alcanzada indica un estado permanente conservado en el borde terminal [23].

La energía liberada por la herramienta es un resultado directo del coeficiente de viscosidad y la temperatura del material. En caso la temperatura aumente, la sustancia afectada se vuelve menos viscosa, lo que conduce a una disminución de la energía liberada. Para este caso, la temperatura luego disminuye para volver al valor original. Los granos retienen las propiedades de los materiales principales y la soldabilidad en metalurgia se extiende a muchos metales difíciles de soldar o diferentes tipos de materiales.

I.8.3. PROCESO DE UNION: FORMACION DEL CORDON.

La caracterización del material y de las propiedades mecánicas de los cupones soldados por fricción - agitación están influenciadas por varios parámetros. Estas variables son: el diseño de la herramienta, la velocidad de rotación y la velocidad avance, fuerza axial, profundidad de penetración y la inclinación de la herramienta. El flujo material y la potencia consumida durante la soldadura se ven afectados por el diseño de la herramienta;

mientras que las velocidades de rotación y soldadura afectan y controlan el calor generado por fricción. Sin embargo, se puede producir más calentamiento ajustando la fuerza axial.

Además, la profundidad de penetración y el ángulo de inclinación de la herramienta controlan tanto la manifestación de la superficie como la eficiencia de la unión.

Para obtener una unión completa, es preferible que el extremo tenga aproximadamente la misma longitud de las placas a soldar y la soldadura se realice una y dos veces en sentido contrario para las costuras más gruesas. La retención de metal holgado en un hombro y un estante en la parte posterior elimina el exceso de grosor que se encuentra en los cordones clásicos, logrando la forma martillada. No aparecen los defectos internos del proceso de fusión, como falta de estanqueidad, burbujas, y el refinado del grano resultante mejora las propiedades mecánicas de los granos [24].Threadgill et al. (2009) analizaron la evolución de la microestructura de una junta de aluminio soldada por fricción y agitación y la clasificaron en cuatro zonas. Esta clasificación depende básicamente del impacto tanto del calor como de la deformación plástica creada durante la soldadura.

Estas zonas son, concretamente, las siguientes:

(26)

12 I.8.3.1. ZONAS DENTRO DEL CORDON DE SOLDADURA.

Material Base (BM):

En el que ni el calentamiento ni la deformación plástica afectan la caracterización del material.

Zona afectada por el calor (ZAT):

Dicha zona se ve sometida a cambios de temperatura, sin que se produzca ninguna deformación plástica; el calor generado no tiene impacto en la evolución de la microestructura. Sin embargo, se ha observado que el aumento de temperatura por encima de 250°C para una aleación de aluminio tratable térmicamente da como resultado significativo la estructura de un precipitado debido al engrosamiento.

Zona afectada termomecánicamente (TMAZ) :

Esta zona está sujeta a deformación tanto térmica como plástica que provocan un efecto en la caracterización de la microestructura pero sin recristalización de los granos debido a una tensión de deformación insuficiente; sin embargo, se puede observar la disolución de algunos precipitados.

Zona de recristalización dinámica (DXZ):

También se la conoce como “zona de pepita”, o zona NUGGET, por sus siglas en inglés.

En el cual, tanto la alta deformación plástica como la alta temperatura provocan la recristalización dinámica de los granos. Esta región se caracteriza por una estructura de anillo de cebolla que se puede observar en el caso de condiciones de soldadura específicas.

La Figura I.5 se muestra un esquema de la capa transversal de una soldadura sobre la cual se marcan las zonas mencionadas:

Figura I.5. Esquema de las zonas afectadas por el proceso de soldeo FSW [24].

(27)

13 Figura I.6. Macrofotografía mostrando las zonas del cordón de soldadura FSW

A: Metal base (BM)

B: Zona afectada térmicamente (ZAT). El metal tiene un aumento de temperatura con posible influencia sobre la microestructura y las propiedades mecánicas. No existe deformación

C: Zona afectada termo-mecánicamente (TMAZ). El metal se somete a una deformación plástica y térmica

D: Núcleo de soldadura. Esta parte del metal ha sufrido la fricción y el mezclado. La zona de recristalización dinámica marcada como D en la figura I.5 y DXZ en la figura I.6.

I.8.4. PARÁMETROS DEL PROCESO

En este proceso, a diferencia de los procesos tradicionales continuos, se realiza una soldadura "a ciegas" debido a que el hombro y el soporte oscurecen por completo los cambios que ocurren en la soldadura. La incapacidad de monitorear directamente con el ojo es una limitación para encontrar parámetros y monitorear el proceso de soldadura que también requiere un sistema controlar los parámetros en tiempo real [25].

• La herramienta de soldadura

• La velocidad de rotación

• La velocidad de desplazamiento.

I.8.5. HERRAMIENTAS PARA EJECUTAR LA SOLDADURA

La forma de la herramienta es la base del proceso porque las posibilidades de aplicación son infinitas en términos de materiales, espesor de soldadura, interpretaciones económicas y técnicas.

Se presenta un hombro unido a una vara o una punta coaxial. Esto es muy interesante porque al trabajar en el extremo de un hilo redondo o torcido, pretenden aumentar la excitación del metal y así lograr más fácilmente la formación de la soldadura.

(28)

14 El material de la herramienta es principalmente acero resistente a altas temperaturas, resistente al desgaste, durante la prueba, la temperatura de la herramienta aumenta a 300/400 grados Celsius [17].

I.8.5.1. COMPONENTES DE LA HERRAMIENTA Hombro

El objetivo fundamental del hombro es limitar la penetración del extremo, así como evitar el flujo de material en dirección ascendente. Tiene forma plana y generalmente perpendicular al eje de rotación, y sus dimensiones son lo necesariamente grandes y alcanzan unas cuantas veces el diámetro de la extremidad para cubrir toda el área afectada.

Se probaron varios modos, donde, por ejemplo, un hombro ligeramente inclinado presentaba en la superficie de la soldadura una serie de surcos característicos u ondulaciones concéntricas debido al efecto de la fricción [26].

Punta agitadora

La punta está dimensionada para adaptarse a las características del material y espesor a soldar. El largo se ajusta para acomodar la penetración, que en principio debe penetrar la totalidad del espesor. Así, como se puede observar en las Figuras I.7 y I.8, el vértice puede tener diferentes perfiles. En general, es cilíndrico y/o prismático y tiene cuellos torcidos finamente distribuidos [26]. En algunas aplicaciones, la punta se aleja de su centro de rotación para amplificar la excitación.

Figura I.7. Tipos clásicos

de herramientas [17]

(29)

15 I.8.5.2. VELOCIDAD DE ROTACIÓN DE LA HERRAMIENTA

Durante el soldeo se tiene una velocidad constante de rotación. La distribución transversal de temperaturas tiene su mayor valor en la zona de fricción donde el metal está en fase pastosa.

Figura I.8. Herramientas de Soldadura [17]

En este punto, la velocidad tangencial de la herramienta y el diámetro deben corresponder a la tasa de fricción de cada material a lo largo de la curva de viscosidad/temperatura. A partir de este estado de observación se determina la velocidad de giro del husillo. Por lo tanto, es un parámetro que depende del material. Debe ajustarse inversamente al diámetro de la herramienta, así como al espesor a soldar. Su efecto está relacionado con los grabados realizados en la cabeza y tiene la capacidad de modificar y mejorar significativamente la eficiencia de fricción y agitación [27].

I.8.5.3. VELOCIDAD LINEAL DE LA SOLDADURA

En aplicaciones conocidas, las velocidades de soldadura siguen siendo limitadas y normalmente son inferiores al metro por minuto. De hecho, el avance de la herramienta debe permitir que el material fluya con precisión desde el frente hacia la parte posterior de la herramienta. Esto da como resultado una tasa de desplazamiento inferior a la tasa de fusión, que no está presente. Las pruebas de optimización nos permitieron crear una ley simple en la que podemos confiar para establecer la economía del proceso.

𝑉_{𝑠𝑜𝑙𝑑𝑎𝑑𝑢𝑟𝑎} = 𝑘1

𝑒… (1)

Dónde:

𝑉 es la velocidad de avance (en mm/min) 𝑘 es un factor del material y de la herramienta

(30)

16 𝑒 es el espesor de la pieza (en mm) [28].

I.8.6. VARIABLES QUE AFECTAN EL PROCESO I.8.6.1. PRESIÓN DE LA HERRAMIENTA

La presión influye notablemente en la temperatura generada por la fricción. Una presión muy elevada da como resultado una soldadura con una unión que pudiera ser o no deficiente en el centro esto en función del intervalo de presión y consecuentemente el rango de calentamiento efectivo.

El rango de presión para calentar y forjar también es amplio, aunque la presión elegida debe ser repetible para cualquier proceso dado. La presión controla cambio de temperatura en el área soldada, la potencia requerida del motor y el acortamiento del eje.

La presión específica depende del metal adherido y de la geometría de la junta. La presión se puede usar para compensar la pérdida de calor de gran tamaño, como cuando se sueldan tuberías a placas. La presión de calentamiento debe mantener las superficies de la junta en contacto y evitar la oxidación. En cuanto a la velocidad del eje, la baja presión limitará el calentamiento con poco o ningún cortocircuito en el eje. La alta presión provoca un calentamiento local a muy altas temperaturas y un rápido acortamiento del eje. En el caso del acero con bajo contenido de carbono, la tasa de acortamiento del eje es aproximadamente proporcional a la presión de calentamiento [29].

En muchos metales, incluido el acero, la calidad de la unión mejora cuando se aplican mayores fuerzas de martillo hacia el final del período de calentamiento. Para el acero, el rango de tensiones que se pueden aplicar para obtener una buena soldadura es muy amplio. Para acero con bajo contenido de carbono, son aceptables una presión de calentamiento de 4500 a 8700 psi (31 a 60 MPa) y una presión de forjado de 11 000 a 22 000 psi (76 a 152 MPa). Los valores más utilizados son 8000 y 20 000 psi (55 y 138 MPa), respectivamente. Algunas aleaciones con buena resistencia en caliente, como el acero inoxidable y las aleaciones con base de níquel, requieren presiones de forjado más altas. Si se requiere un efecto de "precalentamiento" para un enfriamiento lento, se pueden aplicar 3000 psi (21 MPa) de presión durante un tiempo breve al comienzo del ciclo de soldadura; Entonces la presión aumentará a la temperatura óptima para el proceso de soldadura. [29].

Para tener éxito en la soldadura se debe tener el equipo adecuado que este diseñado para una efectiva interacción de las fuerzas que actúan como parámetros esenciales del proceso de soldadura [30].

(31)

17 Supongamos que hablamos de diferentes parámetros para un material del mismo grosor, en este caso la velocidad de soldadura. Como ejemplo, tendremos un espesor de 5 mm de aluminio 6082 con una junta a tope T6 se puede soldar a baja velocidad con una carga cierta, con un avance de 6 m / min necesita de ocho a diez veces más alta carga. Por lo tanto, la fuerza de reacción de la pieza de trabajo hacia el equipo está cambiando de la misma manera [30].

Dichos parámetros de soldadura para este ejemplo, tienden a de separar las piezas entre sí, por lo que las fuerzas de sujeción son también de una cierta magnitud. Estas son reglas muy simples y para estimar la capacidad de equipos y las fuerzas de sujeción necesarios [30].

Una superficie de contacto apropiada para las piezas de trabajo se debe mantener constante de lo contrario la fricción y disminuye la calidad de la soldadura será pobre.

Debido a esto podrían presentarse problemas tales como efecto de la herramienta sobre el material de manera "muy profunda" (hombro de la herramienta de 0.2 a 0.3 mm por debajo del nivel de la superficie), o tener un gran ángulo de inclinación de la herramienta (conseguir más presión en la parte posterior del hombro) [30].

El mejor resultado de la soldadura siempre se logra con el control de la fuerza que tiene el equipo y que asegure un buen contacto con el material durante el proceso. La Figura I.9 muestra una comparación de dos placas soldadas a la misma velocidad de rotación, pero en la figura (a) se tiene el control de la presión aplicada, así como un control en la postura de la herramienta. La diferencia de calidad es evidente.

Figura I.9. Diferencia al momento de soldar con el control de parámetros (a) y con el control de la posición. Mientras que en la figura (b) los parámetros de soldadura: la velocidad de 2 m/min, velocidad de rotación de la herramienta 1800 rpm, fuerza vertical hacia abajo en el lado izquierdo de 800 kg. Ambas muestras fueron soldadas con la misma máquina [30].

(32)

18 I.8.6.2. VELOCIDAD DE RECORRIDO

Se produce una velocidad relativa entre las superficies de las placas a soldar. Desde la perspectiva de la calidad de la soldadura, la velocidad rara vez es una variable importante;

Es decir, puede variar en un amplio rango de tolerancias y aun así producir soldaduras acústicas. En el caso del acero, la velocidad transversal debe ser de 1,3 m/s (250 ft/min) tanto para la parte sólida como para la tubular. Las velocidades tangenciales de menos de 1,3 m/s producen un par muy alto que provoca problemas de tracción. [29].

I.8.6.3. TIEMPO DE CALENTAMIENTO

Para una aplicación específica, el tiempo de calentamiento se estima durante la preparación o se basa en experiencias pasadas. Un tiempo de calentamiento muy alto limita la producción y pierde material; el tiempo inadecuado puede dar como resultado un calentamiento desigual, así como la retención de óxidos y zonas desunidas en la interfaz. Cercano a la varilla giratoria, la velocidad de la superficie puede ser muy baja para generar el calor necesario, por lo que es necesaria la difusión de calor desde el exterior de la pieza de la junta para que la junta en general sea fuerte. El tiempo de calentamiento se puede controlar de dos maneras. El primero con un temporizador conveniente para detener la rotación al final de un período predeterminado. Al aumentar la presión, el tiempo necesario para calentar disminuye; también se tiene una disminución con velocidad si la presión de calentado permanece constante [29].

I.8.6.4. FLUJO DE MATERIAL Y EL MECANISMO DE UNIÓN

La mayor parte del flujo del material se produce por el lado trasero de la herramienta.

Hay tres tipos de flujo, que afecta el transporte de material plastificado en el proceso de soldadura, tal como se observa en la figura I.10 [29].

En primer lugar, cercano a la punta, parte del material plastificado se bate cercano a la herramienta. Dicho desplazamiento es impulsado por el giro de la herramienta y la fricción entre las placas soldadas y la herrramienta.

En segundo lugar, movimiento de rotación del tornillo sin cabeza tiende a empujar el material hacia abajo cerca de la clavija de la que unidades de un movimiento hacia arriba de una cantidad igual de material. Por último, hay un movimiento relativo entre las placas y la herramienta.

(33)

19 Actualmente se utiliza modelación numérica del flujo de plástico ya que puede ayudar en el diseño de herramientas y la optimización del proceso.

La Figura I.10 muestra las líneas de corriente que indican la presencia de zonas de rotación, lo que muestra claramente el flujo de recirculación del material alrededor del perno de la herramienta. El espesor de la región de recirculación de flujo de material se ve afectado por las propiedades del material, los parámetros de del proceso y la velocidad de transferencia de calor en la herramienta, esta zona ocupa grandes áreas en los planos de elevación más alta debido a un mayor impulso y un transporte desde el hombro de rotación por lo tanto las líneas de flujo muestran que más alejado de la zona de recirculación de flujo plástico, es decir, en la zona de transición, la transferencia de material se produce en esencia en el lado de retiro. La Figura I.10 muestra un cambio de flujo en el lado de avance, lo que lleva a un área de estancamiento, que se forma cerca del pin en elevaciones más bajas [31].

Una falta de flujo de material en el lado de avance se ve relacionado con la formación de defectos llamados "agujeros de gusano".

Las líneas de corriente muestran que alejado de la zona de giro el flujo de material se produce en mayor medida por el lado en retirada. Visualización de flujo mediante trazadores también indica la un área donde el material gira y avanza con la herramienta y la zona de transición donde el material se mueve en el lado de retirada [31].

I.8.6.5. RELACIONES ENTRE LAS VARIABLES

Se tienen tres variables de soldadura: el momento de inercia, la velocidad inicial y la presión axial la Tabla I.11, muestra el efecto de las variables sobre el material.

En la relación de variables cabe mencionar al control de la temperatura del proceso. En términos de FSW, está bien aceptado que las temperaturas máximas del proceso aumentan con el aumento de la rotación de la herramienta o la disminución de la velocidad de avance de la soldadura. Además, las velocidades de enfriamiento durante la FSW aumentan significativamente al aumentar la velocidad de avance de la soldadura. Sin embargo, también se observa que las velocidades de enfriamiento aumentan con el aumento de la temperatura de soldadura. Esto significa que tanto las velocidades de soldadura más altas como las velocidades de rotación de la herramienta darán como resultado tasas de enfriamiento más altas.

(34)

20 Al ajustar los parámetros de soldadura, como la rotación de la herramienta y la velocidad de avance de la soldadura, es posible influir en la temperatura máxima de procesamiento o en la velocidad de enfriamiento de la pieza de trabajo.

Figura I.10. Flujo del material plastificado por acción de la fricción para distintos planos horizontales (a) 0,35 mm, (b) 1,59 mm y (c) 2,28 mm por debajo de la superficie superior de una placa de acero inoxidable 304 de 3,18 mm de espesor. Velocidad de soldadura de 4 mm/seg, con rotación de la herramienta a 300 rpm [31].

La magnitud de la tensión generalmente depende del material que se está soldando y del área de la unión. La ecuación da la energía que tiene el volante en cualquier punto del ciclo de soldadura. (1) [29]:

𝑬 =𝑰𝑺^𝟐

𝑪 (2)

Donde:

𝐸=Energía, J

(35)

21 𝐼=Momento de inercia, kg-m²

𝑆=Velocidad, rpm 𝐶=182.4 kg.m²

Tabla I.2. Principales parámetros y efectos del proceso FSW [30].

PRINCIPALES PARAMETROS DEL PROCESO FSW

PARAMETRO EFECTOS

Velocidad de rotación Calor de fricción “agitación”, desprendimiento de óxido.

Angulo de inclinación Adelgazamiento de cordón Velocidad de recorrido Control de calor y apariencia

Presión Calor

I.8.7. VENTAJAS Y LIMITACIONES DE LA SOLDADURA POR FRICCIÓN I.8.7.1. VENTAJAS DE LA SOLDADURA POR FRICCIÓN

Entre las ventajas principales del proceso tenemos:

• Posibilidad de unir aleaciones de difícil soldabilidad.

• Ausencia de distorsión.

• Sin humos tóxicos.

• Para producción en masa su automatización es simplificada.

• Soldadura rápida comparada a otro procesos de soldadura.

• Los requerimientos de planta (espacio, potencia, cimientos especiales, etc.) son mínimos.

• Sin metal de aporte necesario.

• Libre de gas protector y fundente.

• El proceso es limpio para el medio ambiente; no hay arcos, chispas, humo ni vapores generados.

• La limpieza superficial no es crítica, este proceso rompe y desplaza las partículas en la superficie.

• Zonas afectadas por temperatura de espesor pequeño.

• Los soldadores no requieres de habilidad manual.

(36)

22 I.8.7.2. LIMITACIONES DE LA SOLDADURA POR FRICCIÓN

Se tienen las siguientes limitaciones:

• Debido a ser un proceso automático, la versatilidad es limitada.

• La sujeción de piezas debe ser firme.

• Solo para piezas planas o de radio de curvatura alto.

• La preparación y la alineación de las piezas pueden ser fundamentales para lograr una fricción y un calentamiento uniformes, especialmente cuando los diámetros superan los 50 mm. (2 pulgadas).

• Se tiene un alto precio por equipos y herramientas.

• Imposible soldeo de materiales no forjables.

• Máquinas especializadas requeridas para longitudes grandes.

I.9. APLICACIÓN DEL FSW EN ALEACIONES DE ALUMINIO

Las aleaciones de aluminio se utilizan ampliamente en diferentes aplicaciones industriales, incluidas la construcción naval y las industrias marinas, aeroespacial, automotriz y ferroviaria, con el impulso continuo para reducir el peso y mejorar la eficiencia. Las aleaciones de aluminio tratables térmicamente, incluida la serie 6XXX, son difíciles de soldar mediante procesos de soldadura por arco de fusión debido a su alta conductividad térmica, amplio rango de congelación, rápida formación de una película de óxido sobre el charco de soldadura líquida y tendencia a formar porosidad y grietas de solidificación. Tanto el láser como el haz de electrones, como técnicas de soldadura por fusión de alta densidad de energía, se utilizan para eliminar o minimizar la solidificación y las grietas en caliente, los defectos de porosidad y la pérdida de elementos de aleación.

Sin embargo, todavía es difícil mantener las propiedades mecánicas y anticorrosivas de las juntas soldadas de aleaciones de aluminio utilizando estos procesos avanzados de soldadura por fusión [32-35].

En particular, la soldadura FSW se puede utilizar para unir aleaciones de aluminio de alta resistencia y otras aleaciones metálicas que son difíciles de soldar mediante procesos de soldadura por fusión. Desde su invención, ha ganado considerable atención entre los investigadores debido a sus diversas ventajas, que incluyen bajo consumo de energía, baja temperatura de soldadura, baja distorsión, ausencia de porosidad y oxidación por gas, altas propiedades mecánicas y bajo costo [36-39]. Las aleaciones de aluminio fueron los

(37)

23 primeros materiales que se unieron mediante el proceso FSW y existe un interés creciente en aplicar FSW a las aleaciones de aluminio, en particular las que se utilizan para las industrias de procesamiento de chapa. Durante las últimas dos décadas, se han realizado enormes esfuerzos para aclarar las soldabilidades de diferentes tipos de aleaciones de aluminio utilizando el proceso FSW.

Cabe señalar que la mejora en la soldabilidad por fricción-agitación FSW de aleaciones de aluminio es posible mediante la selección adecuada de diferentes parámetros de soldadura [40-44]. En otras palabras, los diferentes parámetros de FSW deben elegirse adecuadamente para obtener juntas efectivas. Sin embargo, los efectos de todos los parámetros de soldadura no se investigan exhaustivamente y este campo está lejos de ser completo.

A. El-Batahgy et all., [45], estudiaron el efecto de los parámetros FSW, incluyendo principalmente la geometría de la herramienta sobre la solidez, la microestructura y las propiedades mecánicas de las juntas a tope de láminas de aluminio AA6061. Además, también se investigó el efecto de la velocidad de rotación de la herramienta y la velocidad de la junta. Los resultados mostraron que la geometría de la herramienta, juega un papel importante en la calidad de la soldadura. La herramienta con un diámetro de hombro más pequeño da como resultado una zona de soldadura más estrecha. Con el hombro recto y el pasador cilíndrico se obtuvo una mejor solidez de la soldadura con mucho menos defecto de túnel usando el hombro de filete y el pasador cilíndrico roscado. Además de la geometría de la herramienta de soldadura, la combinación de la velocidad de rotación de la herramienta y la velocidad de soldadura tiene una importancia considerable para obtener soldaduras sólidas con las máximas propiedades mecánicas. Se produjeron uniones soldadas sólidas sin túneles u otros defectos utilizando una velocidad de rotación de 1200 rpm, una velocidad de soldadura de 35,5 mm/min y pasador cónico. Sin embargo, las máximas propiedades de dureza y tracción se obtuvieron para la unión soldada realizada con pasador cónico roscado. Los valores de dureza de la zona Nugget y TMAZ de esta junta fueron aproximadamente el 85% y el 95% de la del metal base. La ZAT, detectada por la prueba de microdureza, fue menor que la de las otras dos soldaduras. La resistencia a la tracción y el alargamiento de esta soldadura fueron de 314 MPa y 13,1 %, aproximadamente un 7 % más bajos que los del metal base Al6061. Las propiedades de tracción se correlacionan bien con la microestructura y la dureza, donde la máxima resistencia a la tracción corresponde a una microestructura más fina y una dureza máxima en WN y TMAZ.

(38)

24 Para aclarar el efecto de la geometría de la herramienta, tanto la velocidad de rotación de la herramienta como la velocidad de lineal de la junta (1000 rpm y 35,5 mm/min) se mantuvieron constantes según un estudio previo del aluminio AA 6061 como material base utilizado . En la figura I.11 y I.12, se puede observar la considerable diferencia que existe en la macroestructura de la soldadura hecha, debido a la geometría de la herramienta, variando únicamente el diámetro del hombro.

Figura I.11. Aspectos de los lados de la cara (a) y la raíz (b) de unión soldada hecha con una velocidad de rotación de 1000 rpm, Velocidad de soldadura de 35,5 mm/min y hombro recto con 24 mm de diámetro [45]

(39)

25 Figura I.12. Macrofotografia de la misma junta de la figura 3. realizada con las mismas condiciones de soldeo excepto que se hizo una reducción del hombro de la herramienta a 12 mm [45]

I.9.1. DEFECTOS PRODUCIDOS EN LA SOLDADURA FSW.

La selección incorrecta de los parámetros del proceso FSW da como resultado la formación de defectos, lo que a su vez deteriora las propiedades mecánicas de la unión.

La cantidad de generación de calor afecta la formación de defectos en FSW. Una condición de entrada de calor más alta es favorable en la formación de carburos intermetálicos IMC, que son duros y quebradizos y reducen la ductilidad y la resistencia de la junta. Una mayor entrada de calor también da como resultado el crecimiento del grano y puede causar que la fuerza se resienta. Por otro lado, con una entrada de calor baja, se produce un ablandamiento insuficiente del material que se está soldando y aumenta la tensión de flujo, lo que, a su vez, conduce a una consolidación ineficiente y una mezcla inadecuada. Se forman algunos defectos como el desgaste de la superficie, el colapso de la zona recristalizada NUGGET, el exceso de rebaba de soldadura, etc. debido a la alta entrada de calor y algunos defectos como el defecto de túnel, la unión de contacto (KB), el defecto de enganche, el remanente de la línea de unión (JLR), etc. debido a la baja generación de calor.

La generación óptima de calor juega un papel vital en la producción de uniones sin defectos. Se pueden encontrar varios tipos de defectos en FSW, entre ellos, algunos de los defectos importantes (Figura I.13) que afectan gravemente la calidad de la junta se analizan a continuación.