Soldadura Por Friccion Agitacion (FSW) De AA 6061 T6

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1 Matéria, Vol 8, Nº 2 (2003) Soldadura Por Friccion Agitacion (FSW) De AA 6061 T6 Pedro Cabot, Alberto Moglioni, Eduardo Carella Comisión Nacional de Energía Atómica, Av. Libertador 8250, Buenos Aires-Argentina cabot@cnea.gov.ar RESUMEN El proceso por Fricción-Agitacion (FSW) Friction Stir Welding desarrollado por el (TWI) Technological Welding Institute de Inglaterra en la última década es un nuevo concepto en soldadura en fase sólida por fricción especialmente apto para la soldadura del aluminio y sus aleaciones que ofrece aspectos interesantes y que en muchos casos puede reemplazar con ventaja a los procesos usuales por arco. Es un proceso automático que permite soldar juntas a tope y a solape de gran longitud y por consiguiente supera la mayor limitación del proceso convencional por fricción que consiste precisamente en la restricción de su aplicación a piezas con simetría de revolución. El FSW se basa esencialmente en la utilización de una herramienta cilíndrica de un perfil especial, la cual se inserta entre las superficies de encuentro de los materiales a unir con una cierta velocidad de rotación y bajo una fuerza determinada. Las piezas deben estar rígidamente vinculadas a tope o superpuestas para evitar su movimiento cuando avanza la herramienta a lo largo de la junta produciendo la dispersión de los óxidos, la plastificación localizada del material y la soldadura. Si bien desde su creación el FSW ha sido objeto de numerosas publicaciones internacionales, hasta el presente no fueron dados a conocer datos tecnológicamente relevantes sobre herramientas y procedimientos. Por tal motivo, advirtiendo lo promisorio y novedoso del proceso, en 1997 CNEA inicio su propio proyecto de desarrollo. En este trabajo se repasan principales características y equipamiento y se presentan resultados de experiencias efectuadas para evaluar la influencia de la velocidad de avance sobre las propiedades mecánicas de la unión a tope de chapa AA6061 T6 de 6,25mm de espesor. Adicionalmente se comentan diversos aspectos de la experiencia acumulada. Palabras claves: Soldadura, fricción, agitación ABSTRACT Friction Stir Welding (FSW) is a novel solid phase friction welding process developed by the TWI of England the last decade. It is specially suitable for welding aluminum alloys and in many cases its particular features make it competitive and advantageous with regard to the conventional arc fusion process. It is an automatic process suitable for joining butt and lap long joints, therefore the process overcomes the main drawback of the conventional rotary friction which can only be applied to round cross sections. Friction stir joins materials by mean of a cylindrical tool of special profile, which is rotated at a certain peripheral speed and inserted forcibly into the joint faces of the parts to weld. The pieces to be joined, regardless of the joint used (butt, lap), must be firmly clamped to each other to avoid its movement when the tool is displaced along the joint producing the dispersion of oxides, local plastificacion, coalescence and welding. Even though FSW has been the subject of many international publications since its invention, so far however it has not been published specific technical data about tools and procedures. For that reason and aware of the potential advantages of the process CNEA started its own development work in This work review some FSW equipment features and presents results of experiences carried out to study the effect of welding speed on the mechanical properties of butt joints produced in AA6061T6 6,25mm thick. Also comments about the collected experience are presented. Keywords: Welding, friction, stir.

2 1. INTRODUCCIÓN A principios de la ultima 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. Figura 1 Cordón de soldadura, soporte de fijación y husillo porta herramienta Figura 2 - Cuerpo y hombro de la herramienta La fricción, agitación y presión generada por dicha herramienta plastifica y forja el material circundante consolidando la unión, Fig. 1. 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 [2]. 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. Si bien en una primera etapa el desarrollo se focalizó en unión de aleaciones base aluminio, actualmente se esta experimentando para aplicar con aceros, cobre, titanio, magnesio, plomo, zinc, etc. 188

3 Advirtiendo las ventajas y potencialidades del nuevo método, en el año 1997 comenzó en el ámbito de CNEA (Comisión Nacional de Energía Atómica) un proyecto para adquirir conocimiento sobre el mismo. En ese sentido se desarrollaron herramientas, se adaptó equipamiento y se ensayaron un gran número de cupones. En este trabajo se describe brevemente los avances logrados en el marco del proyecto mencionado, y se presentan los resultados obtenidos acerca el efecto que produce la variación de la velocidad de avance del proceso sobre el aspecto, sanidad y propiedades mecánicas de uniones a tope de aleación AA 6061 T6 de 6,25 mm de espesor. 2. HERRAMIENTA La herramienta constituye la parte fundamental del proceso, se compone de dos cuerpos cilíndricos concéntricos, el de menor diámetro denominado pin es el que actúa en la interfase de la junta y produce la plastificación, agitación y mezcla del metal, el de mayor diámetro o hombro trabaja sobre la superficie de la junta y es el que precalienta y consolida el material plastificado. La combinación de ambos efectos produce la recristalización y coalescencia de las piezas, Fig. 2. La forma y tamaño de la herramienta tiene gran influencia sobre la sanidad de la unión. Durante el proceso la misma es sometida a altas solicitaciones mecánicas a temperatura próximas al punto de fusión del metal base, por lo cual el material y tratamiento empleado para su fabricación son fundamentales en lo concerniente a su vida útil. Existen investigaciones tendientes a dilucidar el mecanismo por el cual la herramienta produce la unión y a optimizar los diseños [1-2]. Al presente lo común es partir de un diseño genérico e ir ajustando el mismo mediante prueba y error, hasta obtener la calidad de soldadura requerida. 3. EQUIPO En principio el equipo debe ser capaz de ejecutar cuatro operaciones básicas: avance longitudinal de la pieza y/o de la herramienta, ajuste vertical del husillo porta herramienta, giro del husillo sobre su eje e inclinación de este respecto a la pieza. En particular cuando se emplea para la puesta a punto de procedimientos debe además permitir operar dentro de rangos suficientemente amplios de velocidades de giro y translación. Debido a los grandes esfuerzos que se producen durante la soldadura la rigidez estructural es otro requerimiento fundamental. En general para muchas aplicaciones dichas características se pueden encontrar en máquinas herramientas convencionales o ligeramente modificadas, Fig TRABAJO DESARROLLADO 4.1 Herramienta y Equipo A partir de la experiencia obtenida en soldadura de las series 1XXX, 3XXX, 6XXX de 2, 3, 5 y 10 mm de espesor, se diseño una herramienta para la soldadura de chapa de AA 6061 T6 de 6,25 mm de espesor. Con dicha herramienta se produjeron soldaduras con buena terminación superficial, libre de defectos internos, que satisficieron en todas las pruebas los requerimientos de plegado y tracción del código aplicado [3]. Como paso previo a la soldadura de los cupones la herramienta fue probada para evaluar su resistencia mecánica y al desgaste. Como equipo de soldadura se utilizó una máquina fresadora con una potencia en el eje del husillo de 3 KW con capacidad de inclinación de torreta, dimensiones de mesa 1000 x 350 mm, revoluciones de husillo variable entre 75 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 de las piezas se efectuó mediante un soporte construido para tal fin, que cumplió además la función de respaldo. El soporte a su vez se sujetó a la mesa del equipo mediante bulones, Fig

4 Figura 3 Vista general de equipo utilizado Figura 4 Probetas de tracción 4.2 Soldaduras y ensayos Se realizó la soldadura a tope de sesenta cupones, cada uno constituido por pares de chapas de 150 x 100 x 6,25 mm. A partir de experiencias preliminares que consideraron, aspecto, sanidad y propiedades de las soldaduras se seleccionaron la velocidad de giro (1500 r.p.m) y el ángulo de inclinación de la herramienta (1,5 ). Manteniendo el valor de los parámetros indicados se soldaron seis series de diez cupones cada una a velocidades de avance de soldadura de 1,7-2,0-2,8-3,3-4,2 y 5,3 mm/s. Cada cupón se examinó visualmente y por radiografía, luego fue seccionado en probetas para ensayos de tracción y plegado de cara y raíz de acuerdo al código [3]. De un cupón de cada serie se extrajo una probeta para ensayo de fatiga. Cupones adicionales fueron producidos con el objeto de realizar exámenes metalográficos y ensayos de dureza. 190

5 4.2.1 Ensayos de tracción y plegado Las probetas de tracción transversal y plegado se muestran en Fig. 5 y 6. Los resultados de los ensayos de tracción transversal correspondientes a cada velocidad de avance se indican en Fig. 5. Cada punto de la curva representa el valor promedio de cada serie, los valores mínimos y máximos obtenidos fueron de 193 y 241 MPa respectivamente, Tencion de rotura (MPa) v (mm/s) Figura Alrgamiento % (25 mm) Minimo valor de resistencia requerido por el codigo [3] Tension de rotura Alargamiento % considerando que la resistencia medida del metal base empleado es de 305 Mpa, la eficiencia de junta máxima resultó de 80 %. El alargamiento porcentual se mantuvo prácticamente constante e igual al de metal base (13%). Los datos obtenidos indican además que la resistencia en general superó la del metal base en condición T4 (solubilizado 207MPa). La fractura en la cara de las probetas se ubicó sin excepción fuera de la soldadura, aproximadamente a 3mm de la marca dejada por el hombro de la herramienta. La fractura presentó una superficie inclinada hacia la raíz formando un ángulo con la vertical de alrededor de 30 y desplazada aproximadamente 5 milímetros del centro de la unión, su trayectoria fue coincidente con los menores valores de dureza, Fig. 7. Los plegados transversales de cara y raíz en ningún caso revelaron indicios de discontinuidades, Fig. 6. Figura 6- Probetas de plegado de cara y raíz Ensayos de dureza 191

6 Las mediciones de dureza de secciones transversales en direcciones paralelas a la superficie indicaron una caída pronunciada desde el metal base hacia el centro de la unión, Fig. 7. En general se observaron dos zonas de mínima dureza (48 HV) a ambos lados de la soldadura, separadas entre sí por una distancia similar al diámetro del hombro. Sobre la soldadura misma los valores rondaron los 65 HV. El perfil de dureza es típico del que presentan soldaduras FSW de aleaciones térmicamente tratadas [ 2-4] V=4.2 mm/s 50 V=1.7 mm/s45 40 HV 2, Distancia al centro de la soldadura en mm. Figura Ensayos de fatiga Se evalúo la resistencia a la fatiga utilizando probetas de 60 x 200 x 6,25 mm mediante ensayos de flexión de tres puntos con una máquina tipo walking beam. El ensayo en general se ejecutó sobre la raíz por considerarse la zona 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 MPa. En la Fig.8 están representados los valores obtenidos y las curvas de diseño de metal base estructural (I), tipo AA 5XXX / 6XXX / 7XXX (laminados o extrudados), y de soldaduras a tope por fusión (II), de penetración total y sin refuerzos del mismo material [5]. Todas las probetas exhibieron muy alta resistencia. Stress range (MPa) Curva diseño I Curva diseño II AA 6061T6 Raiz AA 6061 T6 Cara N (numero de ciclos) Figura 8 192

7 El inicio de la fractura se localizó en el centro de la unión. En la evaluación de cara el ensayo se interrumpió a los 6,5 x 10 6 ciclos sin obtener ninguna evidencia de iniciación de falla. La cantidad de ensayos realizados no permitió comprobar la influencia de la velocidad de soldadura sobre la resistencia a la fatiga, si bien hay referencias que señalan que la misma es posible [4] Macro y microestructura El proceso produce tres zonas bien definidas, observables mediante macro ataque, Fig. 9. Una zona central o pepita que corresponde al material que es sometido a plastificación y agitación, a continuación otra más clara asociada al material que es afectado térmica y mecánicamente, y por último una zona que corresponde a material afectado térmicamente [6]. Figura 9 Seccíon transversal, 3X La microestructura de la zona central muestra granos equiaxiales muy finos cuyo tamaño puede variar entre dos y diez micrones Fig. 10, según señalan ciertos autores producto de una recristalisación dinámica [2-6]. La zona termomecanicamente afectada muestra una reorientación de los granos originales y cierto grado de recristalisación. En la siguiente zona el efecto térmico no alcanzó a producir cambios observables en la estructura de grano, Fig. 11. La calidad superficial en todos los casos resultó totalmente aceptable libre de defectos y con un ondeado superficial producto del trabajo de la herramienta muy suave, Fig.12. La sanidad interior se verificó mediante exámenes radiográficos y metalográficos, no se detectó ningún tipo de discontinuidad. Figura 10 Microestructura del centro del cordón 193

8 Figura 11 Transición entre la zona soldada y la zona termomecanicamente Figura 12 Vista cara cupón soldado AA 6061 T66 5. COMENTARIOS Y OBSERVACIONES. El estudio permitió comprobar que dentro del rango de velocidad experimentado una misma herramienta permite obtener soldaduras sanas y de buena terminación superficial. Dentro de este rango el cambio de velocidad influye sobre la dureza y la resistencia a la tracción de la junta. La resistencia aumenta con el aumento de velocidad lo cual está correspondencia con un menor calor aportado y un ciclo térmico menos prolongado. Esto coincide con una mayor dureza de la zona térmicamente afectada, y posiblemente con una menor alteración metalúrgica [Fig.7]. De lo anterior se desprende que lo más conveniente tanto desde el punto de vista mecánico como económico, es aplicar la velocidad de avance máxima que toleren la herramienta y el equipo. Al respecto vale indicar que aleaciones de la serie 6XXX del espesor estudiado han sido soldadas a velocidades superiores (12,5 mm/s) a la máxima empleada en este trabajo (5,3 mm/s), lamentablemente las mismas no pudieron ser aplicadas por limitación de potencia en el equipo empleado [4]. Es importante destacar que el proceso es tolerante a la interrupción y reinicio de la soldadura, por ejemplo por la eventual necesidad de cambio de herramienta, cambio de dirección de soldadura, corte de energía, etc. Lo indicado surge de los resultados obtenidos con cupones ensayados con soldaduras interrumpidas y reiniciadas de ex profeso. Se verificó la importancia que tiene la variación del ángulo de inclinación de la herramienta sobre la calidad superficial de la cara, y la que tiene la terminación superficial del respaldo y su correcto apoyo sobre la raíz, y por ende estas sobre la resistencia a la fatiga. 194

9 Vale comentar por último, como se hizo al principio del trabajo, que hasta el presente las publicaciones internacionales mantienen en reserva toda información específica sobre las herramientas, por tal motivo una parte sustancial del tiempo empleado en este trabajo debió ser dedicado al tema desarrollo y ajuste de la herramienta, quedando para estudios futuros lo relativo a evaluación de vida útil de dicho elemento y todo lo relativo a costos asociados al proceso. 6. CONCLUSIONES. La herramienta es la variable fundamental del proceso, dentro el rango de velocidad estudiado un mismo diseño permite obtener soldaduras sanas. La velocidad de avance influye sobre la tensión de rotura y dureza de la junta, el aumento de velocidad va acompañado de un aumento de resistencia sin cambio apreciable en la ductilidad. La resistencia de las juntas satisficieron en todos los casos los requerimientos del código aplicado. 7. AGRADECIMIENTOS A la Fundación Latinoamericana de Soldadura en general y a la Ing. María Cristina Tiracchia en particular por la colaboración brindada para la realización de este trabajo. 8. REFERENCIAS [1] W. THOMAS, C. DAWES, Bulletin TWI, May/June, Inglaterra, pp 46-48, [2] B. THREADEGILL, Report TWI, May, Inglaterra, pp 1-35, [3] Structural Welding Code of Aluminium AWS, Florida USA, pp 27-84, [4] H. LARSSON, L.KARLSSon, A Welding Review, Vol 54 N 2 ESAB AB, Sweden, pp 6-10, [5] Fatigue design of welded joints and components, The Internacional Institute of Welding, pp 57-58, [6] S. KALLEE, D.NICHOLs, Friction Stir Welding-Superior Weld Quality, CONNET TWI, May, Inglaterra, pp 1-2,