Resumen: El proceso de soldadura por fricción-agitación o




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títuloResumen: El proceso de soldadura por fricción-agitación o
fecha de publicación07.02.2016
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Revista UNSA ISSN 2310-4759

NATURAL SCIENCE P. 1- 3

Agosto 31 2014 Volumen 2


SOLDADURA POR FRICCION Y AGITACION
Pedro Josué Bellido Zarate – estudiante de la Universidad Nacional de San Agustín
RESUMEN: El proceso de soldadura por fricción-agitación o es un método de soldadura desarrollado por el instituto “The Welding Institute” de Inglaterra en 1991 Es un nuevo concepto en soldadura en fase sólida por fricción especialmente apto para la soldadura del aluminio y sus aleaciones, pero actualmente se están haciendo avances en su aplicación a aceros de medio carbono y aceros inoxidables El equipo de soldadura consta de una herramienta que gira y se desplaza sobre la unión de dos piezas restringidas. Parte de la herramienta se inserta dentro de las piezas a soldar. La unión se produce por el calentamiento por fricción que experimentan las piezas, induciendo un comportamiento pastoso/viscoso del material y el correspondiente flujo entre las piezas a unir Las variables principales de este proceso son la geometría de la herramienta, las velocidades de avance y rotación de la herramienta, la inclinación de la misma y su posición relativa a superficie de las piezas a unir. La combinación adecuada de estas variables produce soldaduras saludables Se analiza la influencia de esta variable del proceso en la distribución del flujo de material y campo de presiones, con el fin de reconocer el potencial de este tipo de simulaciones en predecir el éxito o fracaso de la unión.
PALABRAS CLAVE: acero inoxidable, aleaciones de aluminio, fricción, agitación. Distribución del flujo
Abstract: The welding or friction stir welding is a method developed by the institute "The Welding Institute" of England in 1991 is a new concept in welding particularly suitable for welding of aluminum and its alloys solid phase friction, but are currently making progress in its application to medium carbon steels and stainless steels welding equipment consists of a tool that rotates and moves on restricted union of two parts. Part of the tool is inserted into the workpieces. The union is produced by frictional heating experienced by parts, inducing a pasty / viscous behavior of the material and the corresponding flow between the bonded The main variables of this process are the geometry of the tool, feed rates and rotation of the tool, tilting it and its surface on the bonded position. The best combination of these variables produces healthy welds. The influence of this process variable is analyzed in the distribution of material flow and pressure field in order to recognize the potential of this type of simulations to predict the success or failure of the union
Key Word:: stainless steel, aluminum alloys, friction agitation. Flow distribution



Pedro Josue Bellido Zarate

Email: yehoshua_1_9@hotmail.com
INTRODUCCIÓN
La soldadura de mezclado por fricción (Stir-Welding o Friction Stir Welding –FSW-) es una técnica para unir dos láminas o placas gruesas por medios mecánicos la herramienta consiste de un apoyo normal al eje de rotación de la herramienta, y un perno de diámetro pequeño conectado a dicho apoyo. El apoyo de la herramienta, cuyo diámetro es relativamente grande respecto del perno, actúa como un respaldo superior para prevenir que el material salga expulsado de las piezas a soldar. Esto minimiza la formación de huecos en la zona soldada. Usualmente el perno es “roscado” para proveer una mayor área de calentamiento por fricción y un mayor efecto de mezclado del material. (1)

Este proceso tiene grandes ventajas en la soldadura de aleaciones de aluminio que son difíciles de soldar por los procesos que involucran la fusión del material base. Mediante este proceso se pueden soldar secciones gruesas en una sola pasada, obteniéndose uniones con excelentes propiedades mecánicas (2)

A principios de la última década el TWI “Technological Welding Institute de Inglaterra”, dio a conocer un nuevo método de soldadura en fase sólida para la soldadura del aluminio y sus aleaciones, que denominó “Friction Stir Welding” (FSW), en español Soldadura por Fricción Agitación. Este nueva variante de la soldadura por fricción permite la soldadura de piezas planas de gran extensión, y en ese sentido introduce un avance muy importante de la soldadura por fricción que estaba limitada solo a uniones de partes con simetría de revolución.

La coalescencia de los materiales la produce una herramienta de rotación que se introduce y avanza a lo largo de la junta. Entre las ventajas fundamentales del método se encuentran: capacidad de unión de aleaciones de difícil soldabilidad, soldadura de 15 mm de espesor en una pasada y 30 mm en dos sin necesidad de biseles, ausencia de metal de aporte y gas de protección, ausencia de distorsión, no generación de humos tóxicos. Las propiedades mecánicas y sanidad de las uniones producidas resultan en general superiores a las obtenidas por procesos de arco convencionales. Las restricciones fundamentales son: reducida versatilidad propia de un proceso automático, necesidad de firme sujeción de las piezas, aplicación limitada a piezas planas o de gran radio de curvatura, producción de hueco residual al final de la soldadura en el lugar de extracción de la herramienta. (3)

El aluminio y el magnesio son metales estructurales liviano, con una elevada resistencia específica, por lo tanto proveen una oportunidad valiosa para reducir el peso de elementos estructurales y así mejorar la economía del combustible y reducir las emisiones peligrosas producidas en la industria del transporte cuando se sustituyan los diseños más pesados hechos con los aceros tradicionales. Muchos trabajos de investigación se han enfocado en la interpretación de los cambios de microestructura y de propiedades mecánicas en la unión soldada por efecto de las principales variables del proceso de soldadura por fricción-agitación. Mishra, presentó una revisión de los principales aspectos microestructurales y mecánicos especialmente enfocados hacia las aleaciones de aluminio. (4)

Los estudios realizados sobre esta tecnología de soldadura han mostrado las excelentes propiedades mecánicas de las uniones soldadas, que superan las técnicas convencionales de soldadura de puntos por resistencia eléctrica y por remachado., Adicionalmente, los bajos costos, la facilidad del proceso de soldadura y el hecho de que es una tecnología limpia y segura para el medio ambiente la hacen una alternativa altamente atractiva para las aplicaciones industriales en la fabricación de estructuras de aluminio para vehículos de transporte. La facilidad de ejecución del proceso de SFAP permite realizar uniones con el uso de una fresadora convencional adaptada para esta técnica. Diferentes investigaciones señalan que si se garantiza una adecuada disposición y sujeción de las láminas a soldar y se controlan parámetros como el tiempo de sostenimiento y la velocidad de giro de la herramienta, es posible conseguir soldaduras con buenas propiedades mecánicas. (5)

Un recubrimiento o recargue duro es la aplicación superficial por soldadura, spray térmico o un proceso similar de una o varias capas, cordones o puntos de un material generalmente duro, resistente a uno o varios tipos de desgaste, sobre un componente metálico Los recubrimientos duros se aplican con el objetivo de mejorar la resistencia al desgaste de una pieza o componente y para extender su vida de servicio Son empleados principalmente en operaciones de reparación y reconstrucción para evitar así el costoso reemplazo de la pieza. También se vienen aplicando últimamente en piezas que se producen en serie. Una clasificación presentada por Crook P. y H. Farmer divide las aleaciones de recargues duros aplicadas por soldadura en cinco grandes familias: aleaciones de reconstrucción, aleaciones para desgaste metal – metal, aleaciones para desgaste metal – tierra, carburos de Tungsteno y aleaciones no ferrosas. En este trabajo solo se estudian las aleaciones para desgaste metal – tierra, las cuales son hierros blancos con altos contenidos de cromo, de 6% á 35%, y carbono entre 2% y 6%. Su característica microestructural más importante es que poseen carburos M7C3 que se forman durante la solidificación y se distribuyen en una matriz austenítica o formada por los productos de su transformación La importancia de los carburos radica en que son los encargados de proporcionarle resistencia al desgaste abrasivo al recubrimiento. Los parámetros de soldadura en la aplicación de recubrimientos duros, independientemente del proceso, pueden ocasionar amplias diferencias en las estructuras de los depósitos de soldadura superficiales resistentes al desgaste y en la vida en servicio. Variables tales como la energía, representada por el amperaje de soldadura, el modo de corriente, la velocidad de aplicación y el diámetro del electrodo, pueden producir diferentes estructuras y propiedades a las aleaciones de soldaduras superficiales
Para el estudio se usaron dos electrodos comerciales del mismo diámetro y de composición química similar, que se usan en el medio industrial para reparaciones de superficies desgastadas por abrasión. Se estudió la influencia que tiene el amperaje del proceso de soldadura SMAW en la dureza y resistencia a la abrasión, en la microestructura y en el porcentaje de dilución en dos y tres capas de soldadura.

Meran, uso la fresadora con una herramienta cilíndrica roscada para producir soldaduras por fricción-agitación en placas de latón Cu30Zn de 3 mm de espesor, con resultados satisfactorios, sin evaporación de zinc y sin poros. Las mejores propiedades de la unión soldada se obtuvieron con velocidad de rotación de 2050 rpm y velocidad de soldadura de 112 mm/min, para una relación de velocidades de 18.3 rev/mm. Recientemente el TWI, reconociendo la opción de usar la fresadora como equipo alternativo para la ejecución de las uniones soldadas por SFA, en especial para empresas de baja capacidad económica, presenta un sistema para controlar y regular la carga normal durante ejecución de la soldadura en la fresadora.

MATERIAL Y METODOS
El proceso de soldadura se realizó en una fresadora Nangton adaptada para esta técnica, de tal forma que se garantizara la correcta disposición y sujeción de las láminas a soldar a la bancada de la máquina. Se utilizó un comparador de carátula digital para controlar la profundidad de penetración de la soldadura (5)

Las juntas soldadas a tope a lo largo de la dirección de conformado del material, se hicieron sobre platinas cortadas de perfiles extrudados, de 180X300X3 mm. De las aleaciones de Al 6261T5 y de Mg AZ31B, cuya composición química se presenta en la Tabla 1.

Las variables para el proceso SFA que se tuvo en cuenta para la caracterización en este proyecto fueron la velocidad de avance o de soldadura (Va), y la velocidad de rotación del pin (Vr), de manera que las relaciones de velocidades de rotación/avance usados estaban entre 4 y 16 rev/mm, buscando determinar los rangos óptimos de operación del sistema, con el mínimo deterioro posible de las propiedades mecánicas en la unión soldada y garantizar la sanidad total de la unión. Las condiciones de soldadura ensayadas se presentan en la Tabla 2.



Se usó un pin cilíndrico, para las dos aleaciones, y otros cónicos roscados, solo para la aleación de aluminio, fabricados en acero de herramientas con tratamiento térmico de temple y revenido para una dureza final aproximada de 55HRC. Las dimensiones de la herramienta se presentan en la Tabla 3. (4)

RESULTADOS
Campo de temperaturas En la figura 5 se muestra la distribución de temperaturas en las placas, la base y la herramienta. El modelo térmico utilizado se contrasto con mediciones experimentales en trabajos anteriores (Santiago et al., 2005). Los valores máximos de temperatura están en el rango de los reportados en bibliografía (Kovacevic et al., 2003a y b) y son similares para los tres casos analizados.



Campo de presiones y velocidades Los campos de presiones no sufren grandes variaciones con el cambio de profundidad de la herramienta. En la figura se observa una iso-superficie de presión negativa Se aprecia claramente que detrás del perno de la herramienta, en la mitad inferior, las presiones registradas son menores que en el frente. Esto induce a que el material fluya hacia esta región. (2)



Para contrastar el flujo de material obtenido en el modelado, se observaron las deformaciones producidas en el material ubicado delante de la herramienta. En esta zona el material comienza a deformarse sin que las placas lleguen a unirse. En la figura se contrastan las fotos del material ubicado delante de la herramienta y las superficies generadas por líneas de flujo del material que se obtuvieron en el modelado. Se observa que la zona deformada plásticamente obtenida por el modelado (fig d) es más grande que la obtenida experimentalmente (fig c), principalmente en la zona cercana al apoyo de la herramienta. Esta diferencia se puede atribuir al hecho de aplicar una condición de deslizamiento relativa uniforme a toda la superficie de la herramienta. Por lo tanto, se puede inferir que las velocidades impuestas al apoyo de la herramienta en este modelo son superiores a las que se presentan en forma experimental, generando una zona de deformación mayor





Se presentó un modelo computacional tridimensional por Elementos Finitos del proceso de FSW. Los resultados obtenidos son congruentes con los observados experimentalmente. Se destaca la presencia de una zona con muy fuertes gradientes en el campo de velocidades en las adyacencias del perno de soldadura, y otra externa a ésta donde las velocidades del flujo son mucho menores. Estas observaciones son congruentes con las reseñadas en la literatura. Por otro lado, se reconoció la necesidad de aplicar condiciones de deslizamiento más sofisticadas en la interface Herramienta-Placas con el fin de captar mejor los fenómenos de (a) (c) (b) (d).

En el presente trabajo se implementó un modelo termo mecánicamente acoplado de FSW en el cual se incluyeron todas las variables del proceso. Se resolvieron tres casos con diferentes posiciones de la herramienta. Se reconocieron aspectos generales sobre la naturaleza del flujo de material alrededor de la herramienta. Sin embargo, se reconoció la falta desensibilizad del modelo al parámetro δ. Para mejorar el modelo es necesario incluir condiciones de fricción más representativas de los fenómenos involucrados en FSW

Aleación de Aluminio

6261T5 El excelente aspecto superficial de las juntas soldadas, se suma a la ausencia de defectos como grietas y poros, en la sección transversal en casi todos los casos. La macrografia de la Figura 2, muestra la diferencia de forma del cordón obtenidos para el pin cilíndrico y el pin cónico. El ancho del cordón se reduce notoriamente en la raiz, afectando menos material, en el caso del pin cónico

Sin embargo, las juntas soldadas a 480 rpm con pin cónico, presentaron un túnel de poros en la raíz del cordón, debido a la falta de calor suficiente para producir el flujo plástico del material, razón por la cual la falla de las probetas de tensión se produjo por la raíz del cordón. Las restantes probetas fallaron de manera dúctil por la ZTA en el lado de avance, como se muestra Se encontró que al aumentar la velocidad de soldadura, para cada velocidad de rotación, aumentó ligeramente la resistencia a la tensión de la junta soldada, como muestra. Mientras que, la ductilidad de las juntas soldadas presentó una tendencia contraria. La eficiencia mecánica de junta más alta se logró con 1500 rpm, para los dos tipos de herramientas usadas; alcanzando un valor máximo del 84%. Amu y otros , en su estudio mecánico y metalúrgico de las uniones soldadas por GMAW, con material de aporte tipo ER 5356, de la AA6261T5, obtuvo una eficiencia de junta del 87%.

La microestructura del metal base está compuesta por granos equiaxiales grandes con precipitados coherentes en su interior, resultantes del tratamiento térmico de envejecimiento. Ver Figura 5(a). Por su parte, la microestructura de la ZA está compuesta por granos muy finos, con los precipitados endurecedores disueltos por efecto de la temperatura alcanzada. Al lado de la ZA se encuentra la ZTMA con grandes granos alargados mostrando la evidencia del flujo de material durante la soldadura por fricción

Aleación de Magnesio AZ31B

La inspección visual inicial con ayuda de tintas penetrantes mostró que todos los cordones realizados presentaron un muy buen aspecto superficial El análisis macrográfico de las juntas pulidas y atacadas en cortes transversales, mostró un aumento en el ancho de la zona agitada conforme se incrementó la Vr de la herramienta Con excepción de la muestra de Mg- 480A, que presentó un poro a una distancia de 0.8 mm de la raíz de la junta sin conexión directa con la línea de unión, las restantes muestras resultaron sanas.

Los resultados de los ensayos de microdureza Vickers, con carga de 200 g. y tiempo de 10 s., mostraron en todos los casos, un aumento notorio de dureza en el cordón de soldadura, con valores superiores a la dureza del metal base. Se observa en la Figura 8, que al aumentar la velocidad de soldadura se produjo un incremento de la dureza, como resultados del refinamiento de grano producido. Se encontró también que al aumentar la velocidad de rotación, para la misma velocidad de soladura, se produjo una disminución de las durezas obtenidas (5)

AGRADECIMIENTO

A la universidad Nacional de San Agustín y a la escuela de ingeniería de materiales, por darme la oportunidad de realizar este trabajo

Bibliografía


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1.

Lumbera DSG. Analisis termico de soldadura y friccion. [Online].; 2005 [cited 2015 Abril 12. Available from: http://www.cimec.org.ar/ojs/index.php/mc/article/viewFile/183/163.

2.

Santiago D. Analisis de defectos en soldadura. [Online].; 2006 [cited 2015 Abril 12. Available from: http://cimec.org.ar/ojs/index.php/mc/article/viewFile/604/575.

3.

Cabot P. soldadura por friccion y agitacion. [Online]. [cited 2015 Abril 12. Available from: http://www.materia.coppe.ufrj.br/sarra/artigos/artigo10147/.

4.

Franco F. soldadura por friccion y agitacion de aleaciones ligeras. [Online].; 1369 - 1375 [cited 2015 Abril 12. Available from: http://www.rlmm.org/archivos/S01/N3/RLMMArt-09S01N3-p1369.pdf.

5.

Quintana K. evaluacion de la soldadura por friccion. [Online].; 2012 [cited 2015 Abril 12. Available from: http://ingenieria.uao.edu.co/hombreymaquina/revistas/39%202012-2/Evaluacion_soldadura.pdf.

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