Soldadura Por Friccion Agitacion (FSW) De AA 6061 T6

Matéria, Vol 8, Nº 2 (2003) 187- 195
http://www.materia.coppe.ufrj.br/sarra/artigos/artigo10147
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
e-mail: 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 1997. 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.
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
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.3.
4. 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.3.
189
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
4.2.1 Ensayos de tracción y plegado
250
240
230
220
210
200
190
180
170
160
150
20
15
10
5
0
1.7
2.0
2.8
3.3
4.2
Alrgamiento % (25 mm)
Tencion de rotura (MPa)
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,
5.3
v (mm/s)
Figura 5
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
4.2.2-Ensayos de dureza
191
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].
85
80
HV
2,5
75
70
65
60
55
V=4.2 mm/s50
V=1.7 mm/s45
40
-14
-10
-6
-2
2
6
10
14
Distancia al centro de la soldadura en
mm.
Figura 7
4.2.3-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)
1000
Curva diseño I
Curva diseño II
AA 6061T6 Raiz
AA 6061 T6 Cara
100
10
100000
1000000
10000000
N (numero de ciclos)
Figura 8
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
6,5 x 106 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].
4.2.4- 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
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
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, 1998.
[2] B. THREADEGILL, Report TWI, May, Inglaterra, pp 1-35, 1999.
[3] Structural Welding Code of Aluminium AWS, Florida USA, pp 27-84, 1990.
[4] H. LARSSON, L.KARLSSon, A Welding Review, Vol 54 N°2 ESAB AB, Sweden, pp 6-10, 2000.
[5] Fatigue design of welded joints and components, The Internacional Institute of Welding, pp 57-58, 1996.
[6] S. KALLEE, D.NICHOLs, Friction Stir Welding-Superior Weld Quality, CONNET TWI, May, Inglaterra, pp 12, 1998.
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