Congreso SAM/CONAMET 2009 Buenos Aires, 19 al 23 de Octubre de 2009 ADAPTACIÓN DE UNA MÁQUINA HERRAMIENTA PARA SOLDADURA POR FRICTION STIR WELDING (FSW) DE ALUMINIO G. Fernández (1), A. Burgos (2), H. G. Svoboda (1) (1) Laboratorio de Materiales y Estructuras - Facultad de Ingeniería, INTECIN, Universidad de Buenos Aires, CONICET Av. Las Heras 2214, Ciudad de Buenos Aires, Argentina. (2) Secretaría de Investigación, Facultad de Ingeniería, Universidad Nacional de Lomas de Zamora Camino de Cintura y Juan XXIII, Lomas de Zamora, Argentina. E-mail (autor de contacto): hsvobod@fi.uba.ar RESUMEN El proceso de soldadura por fricción-agitación (FSW) fue patentado en 1991, siendo uno de los procesos de soldadura más revolucionarios de los últimos tiempos. Dicho proceso permite la soldadura de diversos materiales, en fase sólida, teniendo como principales ventajas la ausencia de consumibles, menor nivel de tensiones residuales, ausencia de defectos de solidificación, bajos requerimientos de preparación de junta y ausencia de refuerzo, entre otros. El objetivo del presente trabajo fue adaptar una fresadora de 5 HP para la soldadura a tope de aluminio comercial tipo AA1050, de 3 mm de espesor por el proceso FSW. Se diseñaron y construyeron los dispositivos de sujeción, así como las herramientas. Se instrumentó la máquina para la medición de las fuerzas normales y se relevaron las velocidades de avance y rotación. Se evaluaron diversos parámetros de proceso: velocidad de rotación y velocidad de avance a fin de determinar la ventana de proceso y optimizar el procedimiento. Se analizaron dos geometrías de herramienta: pin cilíndrico roscado y pin cuadrado. Sobre las uniones soldadas se caracterizó la macroestructura y el nivel de defectos, realizándose perfiles de microdureza. Se evaluaron las propiedades mecánicas mediante ensayos de plegado de cara y de raíz y de tracción. Palabras clave: soldadura por fricción-agitación, aluminio, defectos, macroestructura, propiedades mecánicas 1. INTRODUCCIÓN El proceso de soldadura por fricción-agitación (FSW) fue desarrollado por el TheWelding Institute (TWI) a comienzos de los años 90 y patentado en 1993. Este proceso ha demostrado tener un gran potencial para la realización de uniones de cualquier tipo de aleaciones y en especial de aleaciones no ferrosas de bajo punto de fusión, donde las aleaciones de aluminio ocupan un lugar privilegiado, debido a que su soldabilidad mediante procesos de soldadura por fusión se ve comprometida, produciendo uniones con un bajo nivel de defectos y excelentes propiedades mecánicas [1,2]. En este proceso de soldadura en estado sólido una herramienta cilíndrica rotativa, compuesta básicamente de dos cuerpos concéntricos: un hombro y un pin, es insertada en la junta. En la figura 1 se observa un esquema del proceso FSW y las variables principales del proceso. Esta inserción se realiza por medio de una fuerza axial. Figura 1. Esquema del proceso de soldadura por FSW.
La inserción se lleva a cabo hasta que el hombro de la herramienta hace contacto con las superficies de las chapas a soldar. El contacto provocado entre la superficie de las chapas y el hombro de la herramienta genera calor debido a la fricción, no siendo esta la misma la única fuente, ya que la deformación del material, provocada mayoritariamente por la acción del pin, también es motivo de generación de calor. El calor producido eleva la temperatura del conjunto y favorece la deformación del material. Insertada la herramienta entre las placas se procede al avance de la misma a lo largo de la junta. El avance de la herramienta sumado a la rotación de la misma genera un flujo plástico de material el cual es favorecido por la geometría de la herramienta. Este flujo en estado sólido produce la unión entre ambas piezas gracias a la acción de mezclado que provoca la herramienta. Entre las variables principales de este proceso se encuentra la velocidad de rotación, la fuerza normal y la velocidad de avance. Asimismo el diseño de la herramienta ocupa un lugar de fundamental importancia en la calidad de las uniones soldadas y el consumo de potencia. Aspectos como el diámetro del hombro, el diámetro del pin, la geometría del pin y la longitud del pin, son algunos de los más significativos entre las características de las herramientas. Usualmente las velocidades de rotación se encuentran entre 500 y 1500 rpm, las fuerzas normales entre 2 y 8 KN y las velocidades de avance entre 50 y 200 mm/min [1,2]. A partir de estas características operativas es que, desde el desarrollo de este proceso, se han empleado como máquinas para soldadura por FSW fresadoras adaptadas convenientemente. En este sentido máquinas con potencias desde 5 HP cubren en general lo requerimientos de velocidades de rotación y avance mencionadas, con una rigidez suficiente como para soportar cargas normales como las enunciadas anteriormente. El objetivo de este trabajo fue adaptar una máquina fresadora universal para soldadura por el proceso FSW de chapa de aluminio comercial de 3 mm de espesor. 2. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL A fin de alcanzar el objetivo propuesto se empleó una fresadora universal Nº2 de 5 HP de potencia para la soldadura de chapa de aluminio del tipo AA1050 de 3mm de espesor. A este fin se empleó el cabezal vertical de la máquina. En la figura 2 se observa una imagen de la fresadora universal empleada. Figura 2. Fresadora universal empleada. En una primera etapa se relevaron las características de la máquina en cuanto a velocidades de rotación y avance. Se implementó un sistema de medición de carga axial sobre la herramienta basado en extensometría eléctrica. Posteriormente se diseñaron y construyeron los dispositivos de fijación de las chapas a soldar sobre la mesa de la fresadora. Finalmente se realizó un relevamiento sobre los diferentes diseños de las herramienta para la este proceso de soldadura, teniendo en cuenta el tipo de material y el espesor [1,2]. Una vez definidas las dimensiones de las herramientas, se realzó el mecanizado de las mismas y el tratamiento térmico final, después del cual se determinó la dureza Rockwell C. Se evaluaron herramientas con dos geometrías de pin: cilíndrico roscado y cuadrado liso. En la figura 3 se observa un esquema de ambas herramientas. a b Figura 3. Esquema de las herramientas empleadas: a- pin cilíndrico roscado, b- pin cuadrado.
Se prepararon probetas de 250 mm de longitud y 70 de ancho a fin de ejecutar las soldaduras a tope. Se analizaron rangos de velocidades de rotación de 514 a 900 RPM y velocidades de avance de 51 a 145 mm/min. Las fuerzas normales aplicadas se encontraron entre 1 y 3 KN. Asimismo se evaluaron ángulos de inclinación del cabezal de 1,5 y 3,5º. Sobre las muestras soldadas se realizó una primera observación visual y se prepararon cortes transversales para macrografía a fin de observar la geometría del cordón y la presencia de defectos, y se realizó un perfil de microdureza Vickers (HV0,05kg). Asimismo se realizaron ensayos de plegado de cara y de raíz y ensayo de tracción. 3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN Sobre el material base se realizó un ensayo de tracción, según la norma ASTM E8M, determinándose las propiedades mecánicas y se midió la microdureza Vickers. Los resultados fueron 0,2 =90MPa, UTS =100 MPa, A=10% y HV=37. Para la confección de las herramientas se empleó un acero para herramientas H13 provisto en una barra de 16mm de diámetro en condición globulizado. A partir de este material se mecanizaron ambas herramientas cuyas dimensiones se observa el la tabla 2. Tabla 2. Dimensiones de las herramientas empleadas. *Distancia entre caras. Pin Diámetro de Hombro Diámetro de pin Longitud de pin Otras (mm) (mm) (mm) Ciclíndrico roscado 9 (Cóncavo) 3 2,8 1mm Cuadrado 9 (Cóncavo) 3* 2,8 - Luego del mecanizado de las herramientas las mismas fueron tratadas térmicamente según el siguiente ciclo: austenización a 1020ºC durante 20 minutos, temple en aceite, un primer revenido a 500ºC, durante 2 horas y un segundo revenido, a la misma temperatura durante 2 horas, de acuerdo a la especificación del material. La microdureza de las herramientas luego del tratamiento térmico fue de 51HR C. En cuanto a los dispositivos adicionales se diseñó y mecanizó una placa base con los respectivos sistemas de fijación. En la figura 4a se muestra una imagen del cabezal vertical de la máquina con el portaherramienta y la herramienta montada, la placa base y los dispositivos para la fijación, junto con la ubicación de las chapas a soldar. a b Figura 4. a: Placa base y dispositivos de sujeción, b: Calibración de la fuerza normal. La medición de las cargas normales se realizó a partir de montaje de extensómetros eléctricos (SG: strain gages) sobre la estructura del cabezal vertical, en la zona del empotramiento al cuerpo de la máquina (zona de mayor momento), por lo que al aplicarse las cargas normales sobre la herramienta dicha zona experimentará microdeformaciones que serán relevadas por los SG. Estas deformaciones se relacionaron con las cargas normales a partir de una calibración estática con una celda de carga. En la figura 4b se observan los dispositivos y el montaje para calibración mencionada. Posteriormente se realizaron las soldaduras realizando un barrido de parámetros a fin de obtener la ventana de proceso y optimizar el procedimiento. Se analizaron diferentes combinaciones de parámetros definidas a partir de datos previos [1,2] y ajustadas con los resultados obtenidos. Los parámetros analizados se muestran en la tabla 3.
Tabla 3. Parámetros de soldadura analizados. Identificación Vel. Giro (RPM) Vel. Avance (mm/min) Angulo Inclin. (º) Fuerza (KN) Herramienta Pin Cilíndrico Roscado 4 514 73 2 1,3 5 514 98 2 1,3-1,4 6 680 98 2 1-1,2 7 900 145 2 1,1-1,35 8 900 95 2 1,2-1,3 9 514 73 3,5 1,7-1,85 10 680 73 3,5 1,7-1,85 11 900 95 3,5 1,7-1,85 12 680 51 3,5 1,7-1,85 13 680 73 3,5 1,7-1,85 Herramienta Pin Cuadrado 14 680 73 3,5 1,35-1,75 15 680 73 1,5 1,75-2,00 16 514 73 1,5 1,75-2,35 17 680 73 1,5 1,75-2,00 18 514 73 1,5 1,75-2,60 19 514 73 1,5 1,75-2,00 Las cuatro variables analizadas tienen influencia sobre la cantidad de calor aportada al material por unidad de longitud. En este sentido, la velocidad de rotación y la fuerza normal, definen la cantidad de calor generada por fricción y la velocidad de avance afecta el flujo de ese calor. Asimismo, el ángulo de inclinación influye sobre la superficie de contacto disponible para la fricción [1,2]. En la figura 5 se observan imágenes de las uniones soldadas. a b c d Figura 5. Uniones soldadas por FWS: a-probeta 4, cara, b-probeta 8, raíz sana, c- exceso de rebaba, d- adhesión de la raíz. En general se obtuvo una unión soldada homogénea a lo largo de toda la junta sin observarse defectos macroscópicos (figura 4a y 4b). Para las configuraciones con mayor ángulo de inclinación de la herramienta se produjo una mayor expulsión de material, dando lugar a la formación de una rebaba (figura 4c). Asimismo, en general se produjo algún nivel de adhesión de la raíz de la unión a la placa base de fijación. Este efecto ha sido reportado para espesores finos como los que se estudian en el presente trabajo. En algunos de los casos, esta adhesión llevó a la formación de defectos superficiales en la zona de la raíz (figura 4d). Ambas geometrías de la herramienta tuvieron resultados favorables, sin encontrarse diferencias significativas en las uniones soldadas con las distintas herramientas. En cuanto a la fuerza normal, dado que
en este caso dicha fuerza está controlada por desplazamiento, ésta alcanza un valor máximo que no puede ser superado, el cual está relacionado con la resistencia del material a esa temperatura y al aplicar un mayor desplazamiento el único efecto que se tiene es la perforación de la junta y un exceso de rebaba en la superficie. Luego de cada soldadura la herramienta presenta adhesión de aluminio sobre la superficie del pin y del hombro, por lo que se realiza un proceso de limpieza. Para la mayor velocidad de rotación (900 RPM) y de avance (145cm/min) la herramienta tiende a detenerse, debido a la falta de potencia de la máquina. Estos serían los valores límite de utilización de esta máquina, para este tipo de material. En la figura 6 se observan macrografías obtenidas sobre cortes transversales de las distintas uniones soldadas. En general se observan que los cordones son simétricos. Para las muestras 4 y 5 se observa una buena continuidad en el cordón, pero con la presencia de defectos en la raíz, ubicados del lado de retroceso de la herramienta. a b c d Figura 6. Macrografías de cortes transversales de las uniones soldadas por FWS: a- muestra 4, b- muestra 5, c- muestra 13 y d- muestra 14. Para las muestras 13 y 14 se puede ver que la raíz no presentan los defectos mencionados. En las muestras producidas con una mayor carga normal se observa una geometría del cordón más redondeada (13 y 14), mientras que en las muestras producidas con baja carga normal se tiene un cordón con forma de V. Esto estaría asociado con que la mayor carga normal produce un mayor calor en la zona del hombro, por lo que es mayor la profundidad de la zona mezclada desde la superficie. En la figura 6 se puede ver un detalle de la muestra 10 con el perfil de microdureza Vickers (HV0,05kg) medido sobre dicha muestra. Microdureza[HV0,05] 80,0 60,0 40,0 20,0 0,0-7,60-5,60-3,60-1,60 0,40 2,40 4,40 6,40 Distancia [mm] Figura 6. Microdureza HV(0,05kg) sobre el corte transversal de la muestra 10. Se observa una disminución del tamaño de grano en el cordón de soldadura. La dureza no se ve significativamente afectada a lo largo del cordón de soldadura. Sin embargo, en la zona afectada por el calor (ZAC), adyacente a la zona termomecánicamente afectada (ZTMA), se detectó un leve ablandamiento. Estos valores son representativos de lo observado en todas las muestras, en las que la dureza varió entre 32 y 49 HV. Sobre todas las muestras soldadas se realizaron los ensayos de plegado a 180º. Los plegados de cara, en todos los casos fueron satisfactorios, sin presentar defectos. En los plegados de raíz, por el contrario, en general se presentaron defectos asociados a la raíz de la soldadura. Los mejores resultados, en este ensayo se obtuvieron para las muestras 8, 13, 14 y 18, las cuales no presentaron prácticamente defectos en la raíz. Sobre estas muestras se realizaron los ensayos de tracción. En la tabla 4 se observan los resultados de los ensayos de plegado de cara y raíz y los de tracción realizados sobre las distintas uniones soldadas. La resistencia a la tracción de las muestras soldadas fue de alrededor de 75 MPa, sin presentar diferencias significativas entre las distintas muestras. Este valor fue menor que la resistencia del material base (100MPa), lo que explica la rotura en el cordón. Todas las roturas de las muestras ensayadas no presentaron defectos asociados. Los valores de alargamiento a rotura fueron superiores a los del material base,
consistentemente con una menor resistencia mecánica. Estos resultados podrían estar asociados a un ablandamiento de la zona ZAC debido a la recristalización del material base, deformado en frío. Asimismo, esto es consistente con un leve ablandamiento medido en la zona, efecto reportado para este tipo de materiales [3]. En la figura 7 se observan muestras soldadas de cara y de raíz, plegadas a 180º y traccionadas. Tabla 4. Resultados de ensayos de tracción y plegado a 180º. Muestra Plegado de cara Plegado de raíz UTS (MPa) A (%) Rotura 8 Sin Defectos Sin defectos 81 11,4 cordón 13 Sin Defectos Sin defectos 72 12,4 cordón 14 Sin Defectos Sin defectos 76 11,1 cordón 18 Sin Defectos Sin defectos 75 11,5 cordón a c b Figura 7. Muestras soldadas, plegadas a 180º a- de cara b- de raíz y c-traccionadas (cara y raíz). A partir de los resultados obtenidos puede verse que se tiene un amplio rango de parámetros operativos para la soldadura por FSW de este material. Para ambas herramientas, los mejores resultados se obtuvieron para las menores velocidades de rotación (514 y 680 RPM) y de avance (73 cm/min) analizadas (muestras 13, 14 y 18). Sin embargo también se obtuvo una junta con buenas propiedades y bajo nivel de defectos para altas velocidades de rotación y avance (muestra 8: 900 RPM, 95cm/min). Esto estaría asociado a un buen balance entre la generación de calor por fricción y el flujo plástico de material alrededor de la junta. Asimismo, el menor ángulo de inclinación de la herramienta (1,5-2) produjo menores niveles de rebaba y los mayores valores de carga normal presentaron menor nivel de defectos en la raíz. El proceso de soldadura por FSW se presenta como una herramienta tecnológica de gran alcance para la soldadura de diferentes tipos de materiales y espesores, especialmente para aleaciones de aluminio, donde la soldadura convencional por arco eléctrico presenta diversas limitaciones. En este sentido, existe gran cantidad de trabajos realizados sobre la soldadura de Al [1,2], sin embargo es escasa la información sobre soldadura de espesores finos. Si bien se ha alcanzado el objetivo propuesto, se presenta la necesidad de un estudio sistemático de mayor profundidad del efecto del diseño de herramientas y de los parámetros de procesos sobre la generación de defectos en las soldaduras por FSW en espesores finos de este tipo de materiales. 4. CONCLUSIONES Se ha mostrado que es posible adaptar una máquina-herramienta para la soldadura FSW de aluminio 1050 en espesor fino (3mm) con resultados satisfactorios, obteniendo buenas propiedades mecánicas y un bajo nivel de defectos. El principal inconveniente presentado fue la adhesión de la junta soldada a la placa base y la aparición de defectos en la raíz. Se ha observado que para este caso el proceso presenta una gran flexibilidad en cuanto al diseño de la herramienta y a la ventana de parámetros (velocidad de rotación, velocidad de avance y fuerza normal). REFERENCIAS 1. R. Mishra and M. Mahoney, Friction stir welding and processing, 2007, ASM International. 2. R. Mishra and Z. Ma, Friction stir welding and processing, Materials Science and Engineering R, Vol. 50 (2005), p. 1-78. 3. I. Topic, H.W. Höppel, M. Göken, Friction stir welding of accumulative roll-bonded commercialpurity aluminium AA1050 and aluminium alloy AA6016 ; Materials Science and Engineering A, Vol. 503 (2009), p. 163 166.