Soldadura Por Friccion Agitacion (FSW) De AA 6061 T6 - UFRJ
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RESUMEN<br />
Matéria, Vol 8, Nº 2 (2003) 187- 195<br />
http://www.materia.coppe.ufrj.br/sarra/artigos/artigo10147<br />
<strong>Soldadura</strong> <strong>Por</strong> <strong>Friccion</strong> <strong>Agitacion</strong> (<strong>FSW</strong>) <strong>De</strong> <strong>AA</strong> <strong>6061</strong> <strong>T6</strong><br />
Pedro Cabot, Alberto Moglioni , Eduardo Carella<br />
Comisión Nacional de Energía Atómica, Av. Libertador 8250, Buenos Aires-Argentina<br />
e-mail: cabot@cnea.gov.ar<br />
El proceso por Fricción-<strong>Agitacion</strong> (<strong>FSW</strong>) “Friction Stir Welding” desarrollado por el (TWI) “Technological<br />
Welding Institute de Inglaterra” en la última década es un nuevo concepto en soldadura en fase sólida por fricción<br />
especialmente apto para la soldadura del aluminio y sus aleaciones que ofrece aspectos interesantes y que en muchos<br />
casos puede reemplazar con ventaja a los procesos usuales por arco.<br />
Es un proceso automático que permite soldar juntas a tope y a solape de gran longitud y por consiguiente supera la<br />
mayor limitación del proceso convencional por fricción que consiste precisamente en la restricción de su aplicación<br />
a piezas con simetría de revolución.<br />
El <strong>FSW</strong> se basa esencialmente en la utilización de una herramienta cilíndrica de un perfil especial, la cual se inserta<br />
entre las superficies de encuentro de los materiales a unir con una cierta velocidad de rotación y bajo una fuerza<br />
determinada. Las piezas deben estar rígidamente vinculadas a tope o superpuestas para evitar su movimiento cuando<br />
avanza la herramienta a lo largo de la junta produciendo la dispersión de los óxidos, la plastificación localizada del<br />
material y la soldadura.<br />
Si bien desde su creación el <strong>FSW</strong> ha sido objeto de numerosas publicaciones internacionales, hasta el presente no<br />
fueron dados a conocer datos tecnológicamente relevantes sobre herramientas y procedimientos. <strong>Por</strong> tal motivo,<br />
advirtiendo lo promisorio y novedoso del proceso, en 1997 CNEA inicio su propio proyecto de desarrollo. En este<br />
trabajo se repasan principales características y equipamiento y se presentan resultados de experiencias efectuadas<br />
para evaluar la influencia de la velocidad de avance sobre las propiedades mecánicas de la unión a tope de chapa<br />
<strong>AA</strong><strong>6061</strong> <strong>T6</strong> de 6,25mm de espesor. Adicionalmente se comentan diversos aspectos de la experiencia acumulada.<br />
Palabras claves: <strong>Soldadura</strong>, fricción, agitación<br />
ABSTRACT<br />
“Friction Stir Welding” (<strong>FSW</strong>) is a novel solid phase friction welding process developed by the TWI of England the<br />
last decade. It is specially suitable for welding aluminum alloys and in many cases its particular features make it<br />
competitive and advantageous with regard to the conventional arc fusion process.<br />
It is an automatic process suitable for joining butt and lap long joints, therefore the process overcomes the main<br />
drawback of the conventional rotary friction which can only be applied to round cross sections.<br />
Friction stir joins materials by mean of a cylindrical tool of special profile, which is rotated at a certain peripheral<br />
speed and inserted forcibly into the joint faces of the parts to weld. The pieces to be joined, regardless of the joint<br />
used (butt, lap), must be firmly clamped to each other to avoid its movement when the tool is displaced along the<br />
joint producing the dispersion of oxides, local plastificacion, coalescence and welding.<br />
Even though <strong>FSW</strong> has been the subject of many international publications since its invention, so far however it has<br />
not been published specific technical data about tools and procedures. For that reason and aware of the potential<br />
advantages of the process CNEA started its own development work in 1997. This work review some <strong>FSW</strong><br />
equipment features and presents results of experiences carried out to study the effect of welding speed on the<br />
mechanical properties of butt joints produced in <strong>AA</strong><strong>6061</strong><strong>T6</strong> 6,25mm thick. Also comments about the collected<br />
experience are presented.<br />
Keywords: Welding, friction, stir.
1. INTRODUCCIÓN<br />
A principios de la ultima década el TWI “Technological Welding Institute de Inglaterra”, dio a conocer un nuevo<br />
método de soldadura en fase sólida para la soldadura del aluminio y sus aleaciones, que denominó “Friction Stir<br />
Welding” (<strong>FSW</strong>), en español <strong>Soldadura</strong> por Fricción Agitación. Este nueva variante de la soldadura por fricción<br />
permite la soldadura de piezas planas de gran extensión, y en ese sentido introduce un avance muy importante de la<br />
soldadura por fricción que estaba limitada solo a uniones de partes con simetría de revolución.<br />
La coalescencia de los materiales la produce una herramienta de rotación que se introduce y avanza a lo largo de la<br />
junta.<br />
Figura 1 – Cordón de soldadura, soporte de fijación y husillo porta herramienta<br />
Figura 2 - Cuerpo y hombro de la herramienta<br />
La fricción, agitación y presión generada por dicha herramienta plastifica y forja el material circundante<br />
consolidando la unión, Fig. 1.<br />
Entre las ventajas fundamentales del método se encuentran: capacidad de unión de aleaciones de difícil soldabilidad,<br />
soldadura de 15 mm de espesor en una pasada y 30 mm en dos sin necesidad de biseles, ausencia de metal de aporte<br />
y gas de protección, ausencia de distorsión, no generación de humos tóxicos. Las propiedades mecánicas y sanidad<br />
de las uniones producidas resultan en general superiores a las obtenidas por procesos de arco convencionales [2].<br />
Las restricciones fundamentales son: reducida versatilidad propia de un proceso automático, necesidad de firme<br />
sujeción de las piezas, aplicación limitada a piezas planas o de gran radio de curvatura, producción de hueco residual<br />
al final de la soldadura en el lugar de extracción de la herramienta.<br />
Si bien en una primera etapa el desarrollo se focalizó en unión de aleaciones base aluminio, actualmente se esta<br />
experimentando para aplicar con aceros, cobre, titanio, magnesio, plomo, zinc, etc.<br />
188
Advirtiendo las ventajas y potencialidades del nuevo método, en el año 1997 comenzó en el ámbito de CNEA<br />
(Comisión Nacional de Energía Atómica) un proyecto para adquirir conocimiento sobre el mismo. En ese sentido se<br />
desarrollaron herramientas, se adaptó equipamiento y se ensayaron un gran número de cupones. En este trabajo se<br />
describe brevemente los avances logrados en el marco del proyecto mencionado, y se presentan los resultados<br />
obtenidos acerca el efecto que produce la variación de la velocidad de avance del proceso sobre el aspecto, sanidad y<br />
propiedades mecánicas de uniones a tope de aleación <strong>AA</strong> <strong>6061</strong> <strong>T6</strong> de 6,25 mm de espesor.<br />
2. HERRAMIENTA<br />
La herramienta constituye la parte fundamental del proceso, se compone de dos cuerpos cilíndricos concéntricos, el<br />
de menor diámetro denominado “pin” es el que actúa en la interfase de la junta y produce la plastificación, agitación<br />
y mezcla del metal, el de mayor diámetro o “hombro” trabaja sobre la superficie de la junta y es el que precalienta y<br />
consolida el material plastificado. La combinación de ambos efectos produce la recristalización y coalescencia de las<br />
piezas, Fig. 2.<br />
La forma y tamaño de la herramienta tiene gran influencia sobre la sanidad de la unión. Durante el proceso la misma<br />
es sometida a altas solicitaciones mecánicas a temperatura próximas al punto de fusión del metal base, por lo cual el<br />
material y tratamiento empleado para su fabricación son fundamentales en lo concerniente a su vida útil.<br />
Existen investigaciones tendientes a dilucidar el mecanismo por el cual la herramienta produce la unión y a<br />
optimizar los diseños [1-2]. Al presente lo común es partir de un diseño genérico e ir ajustando el mismo mediante<br />
prueba y error, hasta obtener la calidad de soldadura requerida.<br />
3. EQUIPO<br />
En principio el equipo debe ser capaz de ejecutar cuatro operaciones básicas: avance longitudinal de la pieza y/o de<br />
la herramienta, ajuste vertical del husillo porta herramienta, giro del husillo sobre su eje e inclinación de este<br />
respecto a la pieza. En particular cuando se emplea para la puesta a punto de procedimientos debe además permitir<br />
operar dentro de rangos suficientemente amplios de velocidades de giro y translación. <strong>De</strong>bido a los grandes<br />
esfuerzos que se producen durante la soldadura la rigidez estructural es otro requerimiento fundamental. En general<br />
para muchas aplicaciones dichas características se pueden encontrar en máquinas herramientas convencionales o<br />
ligeramente modificadas, Fig.3.<br />
4. TRABAJO DESARROLLADO<br />
4.1 Herramienta y Equipo<br />
A partir de la experiencia obtenida en soldadura de las series 1XXX, 3XXX, 6XXX de 2, 3, 5 y 10 mm de espesor,<br />
se diseño una herramienta para la soldadura de chapa de <strong>AA</strong> <strong>6061</strong> <strong>T6</strong> de 6,25 mm de espesor. Con dicha herramienta<br />
se produjeron soldaduras con buena terminación superficial, libre de defectos internos, que satisficieron en todas las<br />
pruebas los requerimientos de plegado y tracción del código aplicado [3]. Como paso previo a la soldadura de los<br />
cupones la herramienta fue probada para evaluar su resistencia mecánica y al desgaste.<br />
Como equipo de soldadura se utilizó una máquina fresadora con una potencia en el eje del husillo de 3 KW con<br />
capacidad de inclinación de torreta, dimensiones de mesa 1000 x 350 mm, revoluciones de husillo variable entre 75<br />
y 4500 r.p.m. y rango de velocidad de avance transversal y/o longitudinal de la mesa entre 0 y 20 mm/s. La sujeción<br />
de las piezas se efectuó mediante un soporte construido para tal fin, que cumplió además la función de respaldo. El<br />
soporte a su vez se sujetó a la mesa del equipo mediante bulones, Fig.3.<br />
189
4.2 <strong>Soldadura</strong>s y ensayos<br />
Figura 3 – Vista general de equipo utilizado<br />
Figura 4 – Probetas de tracción<br />
Se realizó la soldadura a tope de sesenta cupones, cada uno constituido por pares de chapas de 150 x 100 x 6,25<br />
mm.<br />
A partir de experiencias preliminares que consideraron, aspecto, sanidad y propiedades de las soldaduras se<br />
seleccionaron la velocidad de giro (1500 r.p.m) y el ángulo de inclinación de la herramienta (1,5°).<br />
Manteniendo el valor de los parámetros indicados se soldaron seis series de diez cupones cada una a velocidades de<br />
avance de soldadura de 1,7-2,0-2,8-3,3-4,2 y 5,3 mm/s.<br />
Cada cupón se examinó visualmente y por radiografía, luego fue seccionado en probetas para ensayos de tracción y<br />
plegado de cara y raíz de acuerdo al código [3]. <strong>De</strong> un cupón de cada serie se extrajo una probeta para ensayo de<br />
fatiga. Cupones adicionales fueron producidos con el objeto de realizar exámenes metalográficos y ensayos de<br />
dureza.<br />
190
4.2.1 Ensayos de tracción y plegado<br />
Las probetas de tracción transversal y plegado se muestran en Fig. 5 y 6. Los resultados de los ensayos de tracción<br />
transversal correspondientes a cada velocidad de avance se indican en Fig. 5. Cada punto de la curva representa el<br />
valor promedio de cada serie, los valores mínimos y máximos obtenidos fueron de 193 y 241 MPa respectivamente,<br />
Tencion de rotura (MPa)<br />
250<br />
240<br />
230<br />
220<br />
210<br />
200<br />
190<br />
180<br />
170<br />
160<br />
150<br />
1.7 2.0 2.8 3.3 4.2 5.3<br />
v (mm/s)<br />
Figura 5<br />
considerando que la resistencia medida del metal base empleado es de 305 Mpa, la eficiencia de junta máxima<br />
resultó de 80 %. El alargamiento porcentual se mantuvo prácticamente constante e igual al de metal base (13%).<br />
20<br />
15<br />
10<br />
Minimo valor de resistencia requerido por el<br />
codigo [3]<br />
Tension de rotura<br />
Alargamiento %<br />
Los datos obtenidos indican además que la resistencia en general superó la del metal base en condición T4<br />
(solubilizado 207MPa).<br />
La fractura en la cara de las probetas se ubicó sin excepción fuera de la soldadura, aproximadamente a 3mm de la<br />
marca dejada por el hombro de la herramienta. La fractura presentó una superficie inclinada hacia la raíz formando<br />
un ángulo con la vertical de alrededor de 30° y desplazada aproximadamente 5 milímetros del centro de la unión, su<br />
trayectoria fue coincidente con los menores valores de dureza, Fig. 7.<br />
Los plegados transversales de cara y raíz en ningún caso revelaron indicios de discontinuidades, Fig. 6.<br />
4.2.2-Ensayos de dureza<br />
5<br />
0<br />
Alrgamiento % (25 mm)<br />
Figura 6- Probetas de plegado de cara y raíz<br />
191
Las mediciones de dureza de secciones transversales en direcciones paralelas a la superficie indicaron una caída<br />
pronunciada desde el metal base hacia el centro de la unión, Fig. 7.<br />
En general se observaron dos zonas de mínima dureza (48 HV) a ambos lados de la soldadura, separadas entre sí por<br />
una distancia similar al diámetro del hombro. Sobre la soldadura misma los valores rondaron los 65 HV.<br />
El perfil de dureza es típico del que presentan soldaduras <strong>FSW</strong> de aleaciones térmicamente tratadas [ 2-4].<br />
4.2.3-Ensayos de fatiga<br />
85<br />
80<br />
75<br />
70<br />
65<br />
60<br />
55<br />
V=4.2 mm/s<br />
50<br />
V=1.7 mm/s45<br />
40<br />
HV<br />
2,5<br />
-14 -10 -6 -2 2 6 10 14<br />
Distancia al centro de la soldadura en<br />
mm.<br />
Figura 7<br />
Se evalúo la resistencia a la fatiga utilizando probetas de 60 x 200 x 6,25 mm mediante ensayos de flexión de tres<br />
puntos con una máquina tipo “walking beam”. El ensayo en general se ejecutó sobre la raíz por considerarse la zona<br />
mas crítica, la frecuencia empleada fue de 10 Hz,. la relación de carga R=0,5 y el rango de tensiones entre 70 y 230<br />
MPa.<br />
En la Fig.8 están representados los valores obtenidos y las curvas de diseño de metal base estructural (I), tipo <strong>AA</strong><br />
5XXX / 6XXX / 7XXX (laminados o extrudados), y de soldaduras a tope por fusión (II), de penetración total y sin<br />
refuerzos del mismo material [5]. Todas las probetas exhibieron muy alta resistencia.<br />
Stress range (MPa)<br />
1000<br />
100<br />
10<br />
Curva diseño I<br />
Curva diseño II<br />
<strong>AA</strong> <strong>6061</strong><strong>T6</strong> Raiz<br />
<strong>AA</strong> <strong>6061</strong> <strong>T6</strong> Cara<br />
100000 1000000 10000000<br />
N (numero de ciclos)<br />
Figura 8<br />
192
El inicio de la fractura se localizó en el centro de la unión. En la evaluación de cara el ensayo se interrumpió a los<br />
6,5 x 10 6 ciclos sin obtener ninguna evidencia de iniciación de falla.<br />
La cantidad de ensayos realizados no permitió comprobar la influencia de la velocidad de soldadura sobre la<br />
resistencia a la fatiga, si bien hay referencias que señalan que la misma es posible [4].<br />
4.2.4- Macro y microestructura<br />
El proceso produce tres zonas bien definidas, observables mediante macro ataque, Fig. 9. Una zona central o pepita<br />
que corresponde al material que es sometido a plastificación y agitación, a continuación otra más clara asociada al<br />
material que es afectado térmica y mecánicamente, y por último una zona que corresponde a material afectado<br />
térmicamente [6].<br />
Figura 9 – Seccíon transversal, 3X<br />
La microestructura de la zona central muestra granos equiaxiales muy finos cuyo tamaño puede variar entre dos y<br />
diez micrones Fig. 10, según señalan ciertos autores producto de una recristalisación dinámica [2-6].<br />
La zona termomecanicamente afectada muestra una reorientación de los granos originales y cierto grado de<br />
recristalisación. En la siguiente zona el efecto térmico no alcanzó a producir cambios observables en la estructura de<br />
grano, Fig. 11.<br />
La calidad superficial en todos los casos resultó totalmente aceptable libre de defectos y con un ondeado superficial<br />
producto del trabajo de la herramienta muy suave, Fig.12. La sanidad interior se verificó mediante exámenes<br />
radiográficos y metalográficos, no se detectó ningún tipo de discontinuidad.<br />
Figura 10 – Microestructura del centro del cordón<br />
193
Figura 11 – Transición entre la zona soldada y la zona termomecanicamente<br />
5. COMENTARIOS Y OBSERVACIONES.<br />
Figura 12 – Vista cara cupón soldado <strong>AA</strong> <strong>6061</strong> <strong>T6</strong>6<br />
El estudio permitió comprobar que dentro del rango de velocidad experimentado una misma herramienta permite<br />
obtener soldaduras sanas y de buena terminación superficial. <strong>De</strong>ntro de este rango el cambio de velocidad influye<br />
sobre la dureza y la resistencia a la tracción de la junta. La resistencia aumenta con el aumento de velocidad lo cual<br />
está correspondencia con un menor calor aportado y un ciclo térmico menos prolongado. Esto coincide con una<br />
mayor dureza de la zona térmicamente afectada, y posiblemente con una menor alteración metalúrgica [Fig.7]. <strong>De</strong> lo<br />
anterior se desprende que lo más conveniente tanto desde el punto de vista mecánico como económico, es aplicar la<br />
velocidad de avance máxima que toleren la herramienta y el equipo. Al respecto vale indicar que aleaciones de la<br />
serie 6XXX del espesor estudiado han sido soldadas a velocidades superiores (12,5 mm/s) a la máxima empleada en<br />
este trabajo (5,3 mm/s), lamentablemente las mismas no pudieron ser aplicadas por limitación de potencia en el<br />
equipo empleado [4].<br />
Es importante destacar que el proceso es tolerante a la interrupción y reinicio de la soldadura, por ejemplo por la<br />
eventual necesidad de cambio de herramienta, cambio de dirección de soldadura, corte de energía, etc. Lo indicado<br />
surge de los resultados obtenidos con cupones ensayados con soldaduras interrumpidas y reiniciadas de ex profeso.<br />
Se verificó la importancia que tiene la variación del ángulo de inclinación de la herramienta sobre la calidad<br />
superficial de la cara, y la que tiene la terminación superficial del respaldo y su correcto apoyo sobre la raíz, y por<br />
ende estas sobre la resistencia a la fatiga.<br />
194
Vale comentar por último, como se hizo al principio del trabajo, que hasta el presente las publicaciones<br />
internacionales mantienen en reserva toda información específica sobre las herramientas, por tal motivo una parte<br />
sustancial del tiempo empleado en este trabajo debió ser dedicado al tema “desarrollo y ajuste de la herramienta”,<br />
quedando para estudios futuros lo relativo a evaluación de vida útil de dicho elemento y todo lo relativo a costos<br />
asociados al proceso.<br />
6. CONCLUSIONES.<br />
• La herramienta es la variable fundamental del proceso, dentro el rango de velocidad estudiado un mismo diseño<br />
permite obtener soldaduras sanas.<br />
• La velocidad de avance influye sobre la tensión de rotura y dureza de la junta, el aumento de velocidad va<br />
acompañado de un aumento de resistencia sin cambio apreciable en la ductilidad.<br />
• La resistencia de las juntas satisficieron en todos los casos los requerimientos del código aplicado.<br />
7. AGRADECIMIENTOS<br />
A la Fundación Latinoamericana de <strong>Soldadura</strong> en general y a la Ing. María Cristina Tiracchia en particular por la<br />
colaboración brindada para la realización de este trabajo.<br />
8. REFERENCIAS<br />
[1] W. THOMAS, C. DAWES, Bulletin TWI, May/June, Inglaterra, pp 46-48, 1998.<br />
[2] B. THREADEGILL, Report TWI, May, Inglaterra, pp 1-35, 1999.<br />
[3] Structural Welding Code of Aluminium AWS, Florida USA, pp 27-84, 1990.<br />
[4] H. LARSSON, L.KARLSSon, A Welding Review, Vol 54 N°2 ESAB AB, Sweden, pp 6-10, 2000.<br />
[5] Fatigue design of welded joints and components, The Internacional Institute of Welding, pp 57-58, 1996.<br />
[6] S. KALLEE, D.NICHOLs, Friction Stir Welding-Superior Weld Quality, CONNET TWI, May, Inglaterra, pp 1-<br />
2, 1998.<br />
195