INNOVACIÓN EN SOLDADURA

Proceso de Soldadura por Fricción-Agitación (FSW)

Dr. Ing. Hernán. G. Svobodahsvobod@fi.uba.ar

INTECIN -FIUBA y CONICET

Buenos Aires - Diciembre de 2009

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

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

Soldadura

••Picos y VallesPicos y Valles10102 2 -- 10104 4 dd

••ÓÓxidosxidos

••HumedadHumedad

••SuciedadSuciedad •• RemociRemocióón de n de humedadhumedady suciedady suciedad

•• RemociRemocióón o dispersin o dispersióónnde de óóxidosxidos

•• AcercamientoAcercamientoííntimontimo

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.

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.

Concepto y principio de funcionamiento

• El hombro es comprimido contra el material a soldar que estárígidamente 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) 980–1023

• 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.

Ventajas Metalúrgicas Energéticas Ambientales

Proceso de soldadura en estado sólido

Se optimiza el uso de los materiales permitiendo la reducción de peso

No se requieren gases de protección

Bajas distorsiones y tensiones residuales

Ahorro energético(2,5% de la energía necesaria para soldadura láser)

No se requiere limpieza superficial (solventes o desbaste)

Buena estabilidad dimensional y repetitibilidad

Ahorro de combustible debido a componentes más livianos en industrias aeronaútica, automotriz y naval

No se requieren consumibles

Excelentes propiedades en el área de unión. Microestructura fina.

Ausencia de fisuración

Soldadura de todo tipo de materiales y disimilares

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

Aplicaciones

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

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.

R. Nandan et al., Progress in Materials Science 53 (2008) 980–1023

Tasa de generación calor por deslizamiento

Tasa de generación de calor por fricción

Tasa de generación de calor por deformación plástica

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.

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) 980–1023

Ecuación de conservación de la energía térmica en estado estacionario

Partición del calor generado entre la herramienta y la pieza

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. Estácontrolado 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) 980–1023

Líneas de flujo a diferentes alturas desde la superficie para AISI304 (e=3,18mm): a- 0,35mm, b-1,59mm y c-2,28mm

Modelos de Flujo PlásticoArbegast 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 dichoflujo (geometría de la herramienta, parámetros de soldadura, tipo de material, temperatura de la pieza, etc.).

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) 980–1023

Parámetros de proceso

• Velocidad de rotación (300-1500 RPM)• Velocidad de avance (50 – 300 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) 397–403

Temperaturas pico en FSW de AISI 304L (600RPM -10mm/min)

R. Nandan et al., Progress in Materials Science 53 (2008) 980–1023

Efecto de la profundidad sobre la temp. pico en Al

Efecto de la velocidad de rotación sobre la temp. pico en Al

Influencia de los parámetros de proceso

R. Nandan et al., Progress in Materials Science 53 (2008) 980–1023

Relación vel. rot/vel. Avance: influencia sobre la temp. y el torque

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) 163–175

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

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

Herramientas con pin auto reactivo

R. Edwards et al., 7th Trends in Welding Research, 2005

Herramientas cónicas sin hombro

D.H. Lammlein et al., Materials and Design 30 (2009) 4012–4022

Máquinas y Equipos

Máquinas de laboratorio Fresadoras adaptadas

Máquinas de mayor porte Robots

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

Tensiones residuales

Menor nivel de tensiones residuales que los procesos convencionales por fusión

Livan Fratini et al., Int. J. of Machine Tools & Manufacture 46 (2006) 611–619

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

Evolución microestructural

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

Weld Nugget (WN)

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

Distribución de tamaños de grano en difernetes zonas del WN en AA7050

Zona Afectada Termomecánicamente (TMAZ)

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

Evolución microestructural

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

Propiedades mecánicas

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

Svoboda et al., SAM/Conamet , 2009

Comparación con soldadura GMAW

Vida a la Fatiga y propagación

Superior vida a la fatiga que soldaduras convencionales

FSW Aceros: Microestructura y propiedades

Propiedades mecánicas del material base y las soldaduras por FSW en materiales de alta temperatura de fusión

FSW en materiales Compuestos y Disímiles

Valores de resistencia de soldaduras de materiales compuestos

Resistencia de juntas disimilares

FSW materiales disímiles

Soladura disimilar en Al-Acero

FSW disimilar, espesores ultrafinos:

A. Scialpi et al., Materials and Design 29 (2008) 928–936

D.M. Rodrigues et al.,Materials and Design 30 (2009) 1913–1921

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) 515–521

Friction Spot Stir Welding

Friction Spot Stir Welding

Friction Stir Processing

Procesamiento de materiales por fricción agitación

Scripta Materialia 57 (2007) 17–20

Friction Stir Processing

Tratamiento de talones de soldaduras porfusión con FSP

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.

¡Muchas gracias por su atención!

hsvobod@fi.uba.ar