INNOVACIÓN EN SOLDADURA. Proceso de Soldadura por Fricción-Agitación (FSW)

Transcripción

1 INNOVACIÓN EN SOLDADURA Proceso de Soldadura por Fricción-Agitación (FSW) Dr. Ing. Hernán. G. Svoboda INTECIN -FIUBA y CONICET Buenos Aires - Diciembre de 2009

2 Esquema de la presentación Introducción Presentación del proceso FSW Motivación y potencial del proceso Aplicaciones Fundamentos del Proceso FSW Generación de calor y Flujo plástico Variables del proceso Diseño de Herramientas Formación de Defectos Tensiones residuales Estructura y propiedades Aleaciones de aluminio y magnesio Aleaciones base cobre Aleaciones de titanio Aceros Conclusiones y Perspectivas

3 Innovación en soldadura Nuevos materiales pueden requerir nuevos procesos de soldadura. Nuevos procesos de soldadura pueden permitir el procesamiento de materiales exstentes que no podían procesarse. Pueden emplearse ideas o conceptos nuevos Pueden emplearse ideas conocidas pero que debido al avance de otras tecnologías hoy pueden implementarse

4 Soldadura Picos y Valles d Óxidos Humedad Suciedad Acercamiento íntimo Remoción n o dispersión de óxidos Remoción n de humedad y suciedad

5 Motivación Soldadura de Aluminio por procesos de arco eléctrico presenta dificultades operativas: porosidad, susceptibilidad a la fisuración en caliente. Las aleación de aluminio se consideraban como no soldables en aplicaciones aeronáuticas y aero espaciales debido a las pobres propiedades en la zona de fusión. Algunas aleaciones de aluminio pueden ser soldadas por resistencia, pero la preparación superficial es costosa.

6 Proceso de soldadura por Fricción-Agitación (FSW) 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 concénctricos (hombro y pin) que se inserta en la junta y se desplaza a lo largo de la misma.

7 Concepto y principio de funcionamiento 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 plásico. 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. R. Nandan et al., Progress in Materials Science 53 (2008)

8 La junta presenta cierta asimetría, se define un lado de avance (AS) y un lado de retroceso (RS). FSW involucra interacciones complejas entre proceso termomecánicos actuando simultáneamente, los que controlan las velocidades de calentamiento y enfriamiento, la deformación y el flujo plástico del material, la recristalización dinámica y la integridad mecánica de la junta. La soldadura se produce por extrusión y forjado del metal a altas velocidades de deformación, siendo estas del orden de 10 s -1.

9 Ventajas Metalúrgicas Energéticas Ambientales Proceso de soldadura en estado sólido Bajas distorsiones y tensiones residuales Buena estabilidad dimensional y repetitibilidad Excelentes propiedades en el área de unión. Microestructura fina. Ausencia de fisuración Soldadura de todo tipo de materiales y disimilares Se optimiza el uso de los materiales permitiendo la reducción de peso Ahorro energético (2,5% de la energía necesaria para soldadura láser) Ahorro de combustible debido a componentes más livianos en industrias aeronaútica, automotriz y naval R.S. Mishra et al., Materials Science and Engineering R 50 (2005) 1 78 No se requieren gases de protección No se requiere limpieza superficial (solventes o desbaste) No se requieren consumibles

10 Aplicaciones Principales industrias en las que se aplica el proceso FSW: Aeronáutica y Aeroespacial Naval Automotriz Ferroviaria

11 Generación de Calor El calor es generado por fricción (sliding) y por deformación plástica en la interfase herramienta-material (sticking) y por deformación plástica en la TMAZ. Tasa de generación de calor por fricción Tasa de generación calor por deslizamiento Tasa de generación de calor por deformación plástica R. Nandan et al., Progress in Materials Science 53 (2008)

12 Los campos de temperaturas y velocidades en el régimen pseudo estacionario se obtienen resolviendo las ecuaciones de continuidad, momento y energía para flujo incompresible monofásico, asumiendo estado estacionario. Ecuación de conservación de la energía térmica en estado estacionario Partición del calor generado entre la herramienta y la pieza El calor generado en la interfase heramienta-material es transportado parte a la herramienta y el resto es introducido al material. Esta partición de calor puede ser estimada a partir de sus propiedades termofísicas. R. Nandan et al., Progress in Materials Science 53 (2008)

13 Flujo plástico de material -Se identifican tres flujos que producen la unión en FSW: -El primero tiene lugar cerca de la herramienta y está asociado al material plastificado que rota alrededor de la misma. Está controlado por la rotación de la heramienta y la fricción herramienta-material. - El segundo, el movimiento del pin produce un flujo de material hacia abajo en la adyacencia del pin, el cual induce un flujo de material ascendente equivalente algo más alejado del pin. - Finalmente hay un movimiento relativo entre la herramienta y el material. - El flujo total de material plastificado y la formación de la junta resulta de la interacción de estos tres flujos. R. Nandan et al., Progress in Materials Science 53 (2008) Líneas de flujo a diferentes alturas desde la superficie para AISI304 (e=3,18mm): a- 0,35mm, b-1,59mm y c-2,28mm

14 Modelos de Flujo Plástico Arbegast sugirió que el flujo plastico es similar al de los procesos de conformado en caliente, pudiendo ser modelado a través de cinco zonas usualmente encontradas en el trabajado de metales: a- precalentamiento, b- deformación inicial, c-extrusión, d-forjado, e-post calenteamiento/enfriamiento El flujo de material durante FSW es complejo y la comprensión actual del proceso de deformación es limitada. Existen muchos factores que influyen sobre dicho flujo (geometría de la herramienta, parámetros de soldadura, tipo de material, temperatura de la pieza, etc.).

15 Perfiles de temperatura Perfiles de temperatura (K) calculados en junta de Tî-6Al-4V, (275RPM-96mm/min) R. Nandan et al., Progress in Materials Science 53 (2008)

16 Parámetros de proceso Velocidad de rotación ( RPM) Velocidad de avance ( mm/min) Fuerza normal (2-8 KN) Ángulo de Inclinación (1-4º) Geometría de la herramienta V. Balasubramanian, Materials Science and Engineering A 480 (2008)

17 Efecto de la profundidad sobre la temp. pico en Al Efecto de la velocidad de rotación sobre la temp. pico en Al Temperaturas pico en FSW de AISI 304L (600RPM -10mm/min) R. Nandan et al., Progress in Materials Science 53 (2008)

18 Influencia de los parámetros de proceso Relación vel. rot/vel. Avance: influencia sobre la temp. y el torque R. Nandan et al., Progress in Materials Science 53 (2008)

19 Herramientas: Materiales: - Aleaciones de alumnio: aceros para herramientas (H13), Carburo de Tungsteno (WC) - Aleaciones de Cobre: H13, aleaciones de tungsteno, PCBN - Aleaciones de Titanio: aleaciones de Tungsteno - Aleaciones de Niquel: PCBN - Aceros inoxidables: aleaciones de Tungsteno, PCBN - Aceros: WC, PCBN, otros materiales cerámicos Dimensiones K. Elangovan at al., Journal of Materials Processing Technology 200 (2008)

20 Herramientas: Hombro Hombros planos convexos y cóncavos: influye sobre la generación de calor y el flujo del material R.S. Mishra et al., Materials Science and Engineering R 50 (2005) 1 78

21 Herramientas: Pin Pin: cilíndríco o cónico, con o sin rosca; cuadrado, triangular u otras geometrías más complejas D.G. Hattingh et al., Journal of Materials Processing Technology 203 (2008) 46 57

22 Herramientas con pin auto reactivo R. Edwards et al., 7 th Trends in Welding Research, 2005

23 Herramientas cónicas sin hombro D.H. Lammlein et al., Materials and Design 30 (2009)

24 Máquinas y Equipos Máquinas de laboratorio Fresadoras adaptadas Máquinas de mayor porte Robots

25 Defectos Efecto de la carga axial ( 4 a 9 KN) en AA7020-T6 Defectos en espesores finos Svoboda et al., 9 SAM/Conamet, 2009 H. S. Idagawa et al., XXXII CONSOLDA, 2006

26 Tensiones residuales R.S. Mishra et al., Materials Science and Engineering R 50 (2005) 1 78 Menor nivel de tensiones residuales que los procesos convencionales por fusión Livan Fratini et al., Int. J. of Machine Tools & Manufacture 46 (2006)

27 Evolución microestructural a: metal base (BM), b: zona afectada termicamente (HAZ), c: zona termomecánicamente afectada (TMAZ), d: zona de agitación (SZ o WN)

28 Weld Nugget (WN) Distribución de tamaños de grano en difernetes zonas del WN en AA7050 R.S. Mishra et al., Materials Science and Engineering R 50 (2005) 1 78

29 Zona Afectada Termomecánicamente (TMAZ) R.S. Mishra et al., Materials Science and Engineering R 50 (2005) 1 78

30 Evolución microestructural R.S. Mishra et al., Materials Science and Engineering R 50 (2005) 1 78

31 Propiedades mecánicas Svoboda et al., SAM/Conamet, 2009 R.S. Mishra et al., Materials Science and Engineering R 50 (2005) 1 78

32 Comparación con soldadura GMAW

33 Vida a la Fatiga y propagación Superior vida a la fatiga que soldaduras convencionales

34 FSW Aceros: Microestructura y propiedades Propiedades mecánicas del material base y las soldaduras por FSW en materiales de alta temperatura de fusión

35 FSW en materiales Compuestos y Disímiles Valores de resistencia de soldaduras de materiales compuestos Resistencia de juntas disimilares

36 FSW materiales disímiles Soladura disimilar en Al-Acero

37 FSW disimilar, espesores ultrafinos: D.M. Rodrigues et al.,materials and Design 30 (2009) A. Scialpi et al., Materials and Design 29 (2008)

38 Variantes del proceso FSW Soldadura de punto por Fricción-Agitación (FSSpotW). Procesamiento de materiales por Fricción-Agitación (FSProccesing). Superplasticidad Materiales compuestos, nanotubos de carbono Soldadura de mateiales disimilares por Fricción-Agitación con orejas (FSKneadsW) M. Geiger et al., Int. J. of Machine Tools & Manufacture 48 (2008)

39 Friction Spot Stir Welding

40 Friction Spot Stir Welding

41 Friction Stir Processing Procesamiento de materiales por fricción agitación

42 Friction Stir Processing Scripta Materialia 57 (2007) 17 20

43 Tratamiento de talones de soldaduras porfusión con FSP

44 Conclusiones y Perspectivas El proceso FSW presenta ventajas comparativas respecto a otros procesos convencionales con una gran versatilidad y robustez. Se han ejecutado numerosas aplicaciones industriales con éxito en la industria aeronáutica, aeroespacial, automotriz, ferroviaria y naval. El estudio de su aplicación a diversas configuraciones y materiales es de gran interés. La comprensión de los fenómenos que controlan el flujo de material y la influencia de las distintas variables es un campo de gran actividad. El desarrollo de nuevos diseños y materiales de herramientas para optimizar el proceso se encuentra en continuo avance. El costo del equipamiento es todavía excesivo, sin embargo existen alternativa de bajo costo y se prevee una disiminución sensible del mismo en los próximos años. Existen variantes del proceso FSW como FSP y FSSW que tienen un gran potencial de desarrollo.

45 Muchas gracias por su atención!