Post on 03-Aug-2015
Estudio de la mejora del comportamiento mecánico y a corrosión de materiales modificados mediante
altas deformaciones plásticas
Autor: Omar Gómez LozanoDirector: Vicente Climent
Tutor: José María Gómez de Salazar
Índice
• Objetivos• Fundamentos del proceso FSW
– Concepto y principio de funcionamiento– Variables del proceso– Evolución microestructural– Ventajas– Aplicaciones
• Procedimiento experimental• Discusión y Resultados• Conclusiones
Objetivos
• Determinar las propiedades en diferentes secciones de soldaduras por fricción-agitación longitudinales de placas de aleación de aluminio 7075 T6 de 10 mm de espesor, y relacionarlas con las transformaciones microestructurales que suceden durante el proceso de soldadura.
• Analizar metalográficamente las diferentes secciones de las uniones, identificar las estructuras presentes en las zonas que la conforman: Metal Base (MB), Zona Térmicamente Afectada (ZAT), Zona Termo-Mecánicamente Afectada (ZATM) y Zona Nugget (ZN).
• Analizar el efecto de la geometría de la herramienta y de las distintas variables del proceso.
• Realizar una caracterización microestructural, mecánica y térmica de las uniones soldadas para comprobar como afecta la variación de diversas variables y la geometría de la herramienta.
Concepto y principio de funcionamiento
• Proceso de soldadura en fase sólida (patentado 1991, TWI) con gran potencial de aplicación.
• Desarrollado originalmente para soldadura de Al, empleado actualmente en una gran variedad de materiales (Cobre, Magnesio, Titanio, Acero, juntas disímiles, materiales compuestos, polímeros, etc.)
• Consiste en una herramienta rotante con dos cuerpos cilíndricos concéntricos (hombro y pin) que se inserta en la junta y se desplaza a lo largo de la misma. El hombro es comprimido contra el material a soldar que está rígidamente fijado a una placa base.
• El calor generado por fricción en el hombro, y en menor medida en el pin lleva al material a un estado plástico.
• A medida que la herramienta se traslada en la junta se produce un flujo del material plastificado alrededor de la herramienta. El material es transportado (agitado) y forjado dentro de la junta.
Variables del proceso
• Velocidad de rotación de la herramienta (Vr): 300 – 1500 rpm
• Velocidad de avance o de soldadura (Va): 50 – 300 mm/min
• Angulo de inclinación de la herramienta (α): 1 - 4°
• Carga axial o presión aplicada (F): 2 – 4 kN
• Geometría de la herramienta
• Diseño de la junta
Evolución microestructural
• a) Metal Base (MB), b) Zona Afectada Térmicamente (ZAT), c) Zona Afectada Termomecánicamente (ZATM), d) Zona Nugget (ZN)
• AS = Zona de Avance
• RS = Zona de Retroceso
Ventajas
Metalúrgicas Energéticas Ambientales
Proceso de soldadura en estado sólido
Se optimiza el uso de losmateriales permitiendo lareducción de peso
No se requieren gases deprotección
Bajas distorsiones y tensiones residuales
Ahorro energético(2,5% de la energía necesariapara soldadura láser)
No se requiere limpieza superficial(solventes o desbaste)
Buena estabilidad dimensional y repetibilidad
Ahorro de combustible debido acomponentes más livianos enindustrias aeronáutica,automotriz y naval
No se requieren consumibles
Excelentes propiedades en el área de unión
Ausencia de fisuración
Soldadura de todo tipo de materiales y disimilares
Aplicaciones
• Principales industrias en las que se aplica el proceso FSW:
– Aeronáutica y Aeroespacial– Naval– Automotriz– Ferroviaria
Procedimiento Experimental
• Material empleado: AA 7075 T6 en planchas de 300mm x 100mm x 10mm• Soldaduras realizadas en el Instituto de Ingeniería Mecánica de Portugal (IDMEC)• Equipo empleado: LEGIOTM FSW 3UL• Configuraciones de soldadura: A7T12WP4-1S1 (FSW 1) y A7T11WP4-1S1 (FSW 2)• Soldaduras realizadas en la dirección de laminación del material
Aleación
% Al % Zn % Cu % Mg % Mn % Fe % Si % Cr
7075-T6 Resto 5.1 – 6.1 1.2 - 2 2.1 – 2.9 0.3 0.5 0.4 0.18 – 0.28Aleación σuts (MPa) σys (MPa) Alargamient
o 50 mm (%)E (GPa)
7075 – T6 570 505 11 71
Variables del proceso
• Herramientas: iSTIR_v3-11 iSTIR_v3-12
Variables del proceso
Velocidad de rotación (Vr) 800 rpm
Velocidad de avance (Va) 200 mm/min
Angulo de inclinación 0°
Carga axial (1370 Kg. FSW 1), (1380 Kg. FSW 2)
Geometría de la herramienta iSTIR_v3-11, iSTIR_v3-12
Diseño de la Junta Junta a tope
Caracterización de la soldadura
• Caracterización Microestructural– Norma ASTM E3 – 95– Reactivo de color Weck’s (100 ml H2O, 4 g KMnO4, 1 g NaOH)
• Caracterización Mecánica– Norma UNE EN ISO 15614-2:2005– Microdurezas: Norma UNE EN ISO 6507-1– Tracción: Norma ASTM E 8M – 04– Fatiga: Norma ASTM E 466 – 02
• Caracterización Térmica• Caracterización Tribología
– Norma ASTM G133, ensayo de desgaste lineal.
Resultados y Discusión
• Caracterización Microestructural:
– Carga axial (1370 Kg) Presencia de poros y defecto túnel
– Carga axial (1380 Kg) Mayor penetración del pin, mayor plastificación, mejor mezcla
– Tamaño grano zona Nugget mas pequeño que en ZAT, ZATM y MB
– Tamaño grano zona solapada…..
Resultados y Discusión
• Caracterización Mecánica:
Nº MuestraResistencia a
tracción [MPa]
Límite elástico 0.2%
[MPa]
Alargamiento [%]
A7T12WP4-1S1
439 387 3.5
421 377 2.0
428 365 2.5
A7T11WP4-1S1
505 374 4.0
525 366 7.0
520 385 6.0
AW7075-T6 (metal base)
572 503 11
Resultados y Discusión
• Caracterización Mecánica:
MuestraNúmero de ciclos a
rotura
A7T12WP4-1S1
14617
7657
5577
A7T11WP4-1S1
36407
25513
25512
Resultados y Discusión
• Caracterización tribología
Muestra Zona Coef. de Fricción Tasa de Desgaste
A7T12WP4 – 1S1 (FSW 1)
ZN 0,32 1,936E-07
ZAT/ZATM 0,30 2,388E-07
MB 0,30 1,716E-07
A7T11WP4 – 1S1 (FSW 2)
ZN 0,37 2,568E-07
ZAT/ZATM 0,36 2,36E-07
MB 0,28 1,604E-07
Resultados y Discusión
• Caracterización térmica
Temperatura Reacciones Tipo de pico
113 - 217° Disolución Zona GP Endotérmico
217 - 250° Formación η’ + Disolución η’ + Formación η
Exotérmico
250 - 271° Crecimiento η Endotérmico
271 - 448° Disolución η Endotérmico
Conclusiones
• El procesamiento por fricción – agitación de la aleación de aluminio 7075 T6 produce un refinamiento de grano del orden del 80%
• El cambio de herramienta influye sobre la dureza, la resistencia a la tracción y fatiga de la junta. La geometría tiene influencia directa sobre el aporte de calor a la confección del cordón de soldadura.
• La longitud del pin esta íntimamente ligada al espesor del material que se va a soldar.
• Se obtienen perfiles de dureza en “W”, el nivel de dureza tiende a disminuir en la ZAT, es necesario soldar lo más rápido posible con el fin de maximizar la dureza de esa zona.
• La microestructura de la zona nugget es claramente equiaxial y muy fina.
• En tracción a mayor carga vertical aplicada y mayor penetración del pin, se obtienen mejores propiedades.
• La soldadura por fricción-agitación reduce la vida a fatiga a un esfuerzo determinado.
• Los modos típicos de inicio de grieta son el defecto túnel y la concentración de esfuerzos cerca de la superficie debido a los labios de corte.
• El coeficiente de fricción en la zona de metal base es menor que en el resto de zonas. Para la configuración FSW 1 se desgasta mas por la zona ZAC debido a los defectos tipo túnel, en cambio en la FSW 2 se desgasta mas por la ZN ya que el tamaño de grano es mayor.
GRACIAS POR SU ATENCION