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SOLDADURA POR FRICCION–AGITACION (SFA) DE CHAPAS DE ALUMINIO SERIE 5000

HUGO FREDY CÁRDENAS CEBALLOS

UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE OCCIDENTE FACULTAD DE INGENIERÍA

DEPARTAMENTO DE ENERGÉTICA Y MECÁNICA PROGRAMA INGENIERÍA MECÁNICA

SANTIAGO DE CALI 2010

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SOLDADURA POR FRICCION–AGITACION (SFA) DE CHAPAS DE ALUMINIO SERIE 5000

HUGO FREDY CÁRDENAS CEBALLOS

Trabajo de grado para optar al título de Ingeniero Mecánico

Director: FERNANDO FRANCO ARENAS

Ingeniero Mecánico

UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE OCCIDENTE FACULTAD DE INGENIERÍA

DEPARTAMENTO DE ENERGÉTICA Y MECÁNICA PROGRAMA INGENIERÍA MECÁNICA

SANTIAGO DE CALI 2010

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Nota de Aceptación:

Aprobado por el Comité de Grado en cumplimiento de los requisitos exigidos por la Universidad Autónoma de Occidente para optar al título de Ingeniero Mecánico.

___________________________________ Ing. FABER CORREA

Jurado

____________________________________ Ing. NELLY CECILIA ALBA DE SÁNCHEZ

Jurado

___________________________________ Ing. FERNANDO FRANCO ARENAS

Director

Santiago de Cali, Abril 23 de 2010

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DEDICATORIA Dedico este trabajo a mis hijos quienes son la inspiración que mueve mi vida.

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AGRADECIMIENTOS Doy gracias a Dios por darme fortaleza y entendimiento, por permitirme disfrutar la experiencia de la vida y haber puesto en mi camino a las personas que de una u otra forma han contribuido a la culminación exitosa de mi carrera. A mi esposa Sandra y a mis hijos Darlyn y David por su apoyo y colaboración incondicional no solo durante la etapa que duró mi carrera sino durante todo el tiempo que hemos compartido juntos. Al Ingeniero Fernando Franco, por su paciencia, sus enseñanzas y aporte invaluables, sin su guía no hubiera sido posible la realización de esta tesis. A mis compañeros y profesores que aportaron a mi crecimiento tanto personal como intelectual durante todo este proceso. A mi Alma Mater la cual me brindo las herramientas y soporte necesarios para el buen desarrollo de mis estudios profesionales hasta su culminación. A la empresa para la cual trabajo EMCALI E.I.C.E. E.S.P. por brindarme los recursos sin los cuales no hubiera sido posible realizar mis estudios. En general quiero dar las gracias a todas y cada una de las personas que han aportado y compartido conmigo la realización de este trabajo, brindándome su apoyo, cariño y amistad.

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CONTENIDO

Págs. RESUMEN 12

INTRODUCCIÓN 13

1. ANTECEDENTES 15

1.1. HISTORIA DE LA SOLDADURA POR FRICCIÓN 15

1.2. DATO HISTÓRICO SOLDADURA POR FRICCIÓN AGITACIÓN 17

1.2.1. Marco teórico del proceso SFA. 19

1.2.1.1. Herramienta utilizada. 19

1.2.1.2. Máquinas adaptadas al proceso. 21

1.2. ESTADO DEL ARTE 22

2. OBJETIVOS 25

2.1. OBJETIVO GENERAL 25

2.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS 25

3. JUSTIFICACIÓN 26

4.1.1. Serie 2xxx. 28

4.1.2. Serie 3xxx. 29

4.1.3. Serie 4xxx. 29

4.1.4. Serie 5xxx. 29

4.1.5. Serie 6xxx. 30

4.1.6. Serie 7xxx. 30

5. ADECUACIÓN DEL PROCESO 31

5.1. CONSTRUCCIÓN DE LA HERRAMIENTA 31

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5.1.1. Material de la herramienta. 32

5.2 CARACTERÍSTICAS DE LA FRESADORA 33

5.3. PARÁMETROS DEL PROCESO 34

5.4. MATERIAL 35

5.4.1. ALEACIÓN 5052 35

7. PREPARACIÓN DE PROBETAS SOLDADAS PARA ENSAYOS 39

8. CARACTERIZACIÓN MECÁNICA, (TENSIÓN, DUREZAS). 40

8.1. TENSIÓN MECÁNICA 40

8.2. DUREZA 44

8.2.1. Microdureza. 44

9. CARACTERIZACIÓN MACROESTRUCTURAL Y MICROESTRUCTURAL 47

9.1. ANÁLISIS DE LA MACROESTRUCTURA 47

9.1.1. Probeta A (1800rpm/210mm/min). 48

9.1.2. Probeta B (1800rpm/136mm/min). 49

9.1.3. Probeta C (1800rpm/94mm/min). 50

9.1.4. Probeta D (750rpm/105mm/min). 51

9.2. ANÁLISIS DE LA MICROESTRUCTURA 52

CONCLUSIONES 55

PERSPECTIVAS 56

BIBLIOGRAFÍA 57

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LISTA DE CUADROS

Págs. Cuadro 1. Composición química en % Aluminio 5052 36

Cuadro 2. Soldaduras realizadas de acuerdo a los parámetros: velocidad de

rotación y velocidad de soldadura. 38

Cuadro 3. Resultados obtenidos en las pruebas de tensión. 41

Cuadro 4. Datos gráfica figura 16 43

Cuadro 5. Resultados de la prueba de microdureza 45

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LISTA DE FIGURAS

Págs. Figura 1. Esquema del proceso SFA (soldadura por fricción agitación) 14

Figura 2. Herramienta de soldadura por fricción agitación 20

Figura 3. Ilustración esquemática del proceso de soldadura por fricción SFA: 21

Figura 4. Series del aluminio 28

Figura 5. Plano de la herramienta 31

Figura 6. Esquema de parámetros de proceso 35

Figura 7. Curva esfuerzo-deformación probeta C (1800rpm/94mm/min). 42

Figura 8. Resistencia a tensión vs velocidad soldadura 43

Figura 9. Perfiles de microdureza Vickers en el cordón de soldadura según

tabla 5 46

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LISTA DE FOTOGRAFÍAS

Págs.

Fotografía 1. Proceso SF (soldadura por fricción). 16

Fotografía 2. Imagen del proceso SFA (soldadura por fricción agitación) 18

Fotografía 3. Unión de perfiles ferroviarios mediante SFA 22

Fotografía 4. Herramienta realizada (SFA) 2 pines 32

Fotografía 5. Fresadora Universal Cervinia 2ST 34

Fotografía 6. Ejecucion de soldadura SFA 37

Fotografía 7. Cordón de Soldadura por Fricción-Agitación SFA 38

Fotografía 8. Probeta de tensión 39

Fotografía 9. Máquina Universal de ensayos UTS 200.3 40

Fotografía 10. a: metal base (MB), b: zona afectada térmicamente (ZTA), c: zona

termomecánicamente afectada (ZTMA), d: zona de agitación 47

Fotografía 11. Macroestructura probeta A (1800 rpm/210mm/min) 48

Fotografía 12. Macroestructura probeta B (1800 rpm/136mm/min) 49

Fotografía 13. Macroestructura probeta C (1800 rpm/94mm/min) 50

Fotografía 14. Macroestructura probeta D (750 rpm/105mm/min) 51

Fotografía 15. Microestructura del material base (MB), foto a 500 aumentos,

muestra unos granos grandes y alargados producto de proceso de laminado 52

Fotografía 16. 53

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Fotografía 17. Microestructura de la zona termomecanicamente afectada (ZTMA),

foto a 500 aumentos, muestra una reorientación de los granos originales y cierto

grado de recristalización. 53

Fotografía 18. Microestructura de la zona agitada, foto a 500 aumentos, para todas

las soldaduras la microestructura de la zona agitada dinámicamente recristalizada

se caracteriza por estar formada por granos equiaxiales muy finos. 54

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RESUMEN En el presente trabajo se desarrolló el método de soldadura por Fricción-Agitación (SFA) para la unión de aleación de aluminio 5052, al determinar los pasos a seguir en cuanto al montaje del proceso como son: la máquina herramienta a utilizar, la construcción de la herramienta, los parámetros del proceso (velocidad de rotación y velocidad de soldadura), como marco de referencia se tuvieron en cuenta parámetros utilizados anteriormente en otras investigaciones realizadas en este campo. En este proceso se utilizó una fresadora universal y una herramienta diseñada especialmente para esta investigación, se soldaron láminas de aluminio 5052 a tope de 3mm de espesor variando los parámetros de soldadura y realizando varias pruebas corrigiendo fallas en el montaje, hasta obtener soldaduras de buen aspecto. De las láminas obtenidas después de realizar el proceso de soldadura se fabricaron probetas para pruebas de tensión y metalografía, así se evaluó la resistencia mecánica de las junta que alcanzó un tope máximo de resistencia de 218 MPa, concluyendo que la resistencia aumenta al aumentar la velocidad de la soldadura.

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INTRODUCCIÓN La industria actual que se desarrolla en el área de la mecánica, específicamente en la unión de piezas por soldaduras, debido a su gran crecimiento y la búsqueda de la perfección ha visto necesario crear nuevos procesos y procedimientos que permitan cumplir con los objetivos trazados en cuanto a este tema. Recientemente se han desarrollado nuevos métodos de unión, con el fin de solucionar los problemas presentados durante el proceso de soldadura de materiales sensibles a los sistemas convencionales; un ejemplo de este es la Soldadura por Fricción agitación que se lleva a cabo en estado sólido y no acarrea los problemas típicos por cambio de estado en el material. Los metales unidos mediante este proceso, se ven sometidos a cambios de temperatura y esfuerzos mecánicos localizados de mediano valor (menores que en los procesos por fusión), los cuales cambian la micro estructura y las propiedades mecánicas preexistentes en los mismos manteniendo el estado sólido. El proceso permite lograr soldaduras de buena calidad y buenas propiedades Como no hay fusión, no ocurren defectos de solidificación, ya que el proceso es controlado por la maquinaria, elimina el error humano, por lo que la calidad de la soldadura es independiente de la habilidad o actitud del operario. Las pruebas de flexión y las pruebas de tracción efectuadas han ofrecido unos resultados excelentes en lo relativo a las propiedades de fatiga y rigidez. El proceso de Soldadura por Fricción-agitación que en adelante llamaremos SFA, es un proceso limpio y no presenta problemas medio-ambientales, ya que no genera humos, gases tóxicos, radiación, ni chispas, figura 1. También se presenta baja pérdida de propiedades mecánicas en la unión soldada con una mínima presencia de defectos, lo que genera un mayor control dimensional y menor distorsión de las piezas durante el proceso.

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Este proceso ha sido aplicado en diferentes áreas tales como:1 • Construcción naval • Plataformas petrolíferas marinas • Industria aeroespacial • Vagones de ferrocarril, tranvías, vagones de metro • Industria de la automoción • Industria cervecera • Construcción de puentes • Producción de motores eléctricos • Industria de defensa • Elementos de refrigeración

Figura 1. Esquema del proceso SFA (soldadura por fricción agitación)

Fuente: ESAB FSW friction stir welding. España. 2008

1 RIVERO Asun, LASUEN Eneko, MARTINEZ Leonard, La industrialización del proceso de unión FSW. Fundación factronik, San Sebastián (España) 2002. [Consultado Mayo del 2009] Disponible en Internet: http://www.interempresas.net/MetalMecanica/Articulos/9386-Fatronik-en-la-industrializacion-del-proceso-de-union-Friction-Stir-Welding.html

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1. ANTECEDENTES 1.1. HISTORIA DE LA SOLDADURA POR FRICCIÓN Según la American Welding Society, el origen de la soldadura de fricción fue en 1891, cuando la primera patente sobre el proceso se publicó en los EEUU. Un trabajo más avanzado en toda Europa con más patentes se público desde 1920 hasta 1944, y en la URSS en 1956. En la década de los años de 1960, la soldadura por fricción fue desarrollada aún más en los EEUU por la AMF, Caterpillar, y Rockwell International. Rockwell construyó sus propias máquinas de soldadura de husillos diferencial de camiones, máquinas producidas por AMF para soldar los ejes de dirección gusano, y las máquinas de Caterpillar para soldar turbocompresores y cilindros hidráulicos. En la variación de la impulsión directa de soldadura por fricción, una de las piezas está conectada a un motor, mientras que el otro está restringido de rotación. El motor hace girar la pieza de trabajo impulsado a una velocidad constante predeterminada. Las piezas a soldar se juntan, generando por fricción altas temperaturas entre las piezas. El calor se genera en las superficies de contacto (soldadura de interfaz) debido al roce, esto continúa durante un tiempo predeterminado. Se detiene el motor, y el giro de la pieza de trabajo es detenido por la aplicación de una fuerza de frenado. La fuerza de soldadura por fricción se mantiene o aumenta por un tiempo predeterminado después de que la rotación cesa, quedando unidas las piezas por soldadura de fricción.2

2 NCT. The Friction Welding process, Newington Connectictut, 2001 [Consultado octubre 20 de 2009]. Disponible en Internet: www.nctfrictionwelding.com/process.php, Design and hosting 2001

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Fotografía 1. Proceso SF (soldadura por fricción).

a) Fase 1: inicio de fricción debido al roce entre las piezas; b) Fase 2: unión de las piezas por fricción; c) Fase 3: retiro del sobrante del proceso de unión por fricción. a) Fase 1 b) Fase 2

c) Fase 3

Fuente: NCT. The Friction Welding process, Newington Connectictut, 2001 [Consultado octubre 20 de 2009]. Disponible en Internet: www.nctfrictionwelding.com/process.php, Design and hosting 2001.

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1.2. DATO HISTÓRICO SOLDADURA POR FRICCIÓN AGITACIÓ N El proceso de soldadura por fricción mediante Agitación (Friction Stir Welding, FSW) fue inventado en 1991 y patentado por The Welding Institute Cambridge, Reino Unido. Se trata de un proceso de unión en estado sólido y sin aporte de material, cuyos excelentes resultados de calidad y gran rango de aplicación en diversos materiales, incluso en algunos considerados hasta ahora insoldables, lo convierten en una tecnología muy atractiva para numerosos e importantes sectores industriales. Este proceso constituye un desarrollo del clásico método de soldadura por fricción. La aplicación de este método a aleaciones de aluminio ha sido un gran éxito. Actualmente, las vanguardias de tecnología están evolucionando rápidamente: hay gran interés por extender la tecnología a soldaduras con alto rendimiento y materiales de alta temperatura de fusión. Otras nuevas aplicaciones del proceso están surgiendo, por ejemplo, puede ser usado para procesar termomecánicamente un material para el refinamiento de la microestructura y mejora de propiedades.3 El proceso SFA no es aplicado actualmente en ninguna empresa industrial o centro de investigación nacional, esto ha ocasionado un desconocimiento casi total de los beneficios que este método podría traer para el desarrollo de nuestra industria y en su aplicabilidad a nivel comercial para nuestra región. En la Universidad del Valle, algunos estudiantes han desarrollado el proceso a nivel experimental4, mediante el uso de la fresadora bajo la supervisión del Ingeniero Fernando Franco.

3 Íbid. P. 14. 4 FRANCO, Fernando, Hugo Sánchez, Diana Betancourt, Orlanis Murillo soldadura por friccion-agitacion de aleaciones ligeras – una alternativa a nuestro alcance. Santiago de Cali 2009.

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Fotografía 2. Imagen del proceso SFA (soldadura por fricción agitación)

Fuente: El autor.

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1.2.1. Marco teórico del proceso SFA. El proceso SFA trata de la unión en estado sólido y sin aporte de material, cuyos excelentes resultados de calidad y gran rango de aplicación en diversos materiales, incluso en algunos considerados hasta ahora insoldables, lo convierten en una tecnología muy atractiva para numerosos e importantes sectores industriales. 1.2.1.1. Herramienta utilizada. Antes de pasar a una descripción más exhaustiva del proceso y para un mejor entendimiento del mismo, conviene conocer en primer lugar cómo es una herramienta típica de SFA. La herramienta de SFA, consta básicamente de dos partes: el ‘pin’ o tetón y el ‘hombro’ (Fig. 4). El ‘pin’, que penetra completamente en el material a unir y discurre a lo largo de la línea de unión, puede tener diversas formas, suele estar perfilado de forma similar a una rosca o hélice, facilitando así el transporte del material a su alrededor, y contribuyendo a una mejor calidad de la soldadura. El ‘pin’ está contenido en el ‘hombro’, cuyas tres funciones básicas son: asegurar una perfecta colocación de la herramienta, proporcionar calor friccional a través de su rotación y la presión que ejerce contra la superficie, y evitar que el material plastificado salga a la superficie durante el proceso de soldadura. La soldadura por fricción es un proceso novedoso en nuestro medio que no requiere fusión del material para realizar una unión lo cual es ideal para materiales difíciles de soldar, en SFA el pin rota a velocidades mayores de 300 rpm y su diámetro depende del espesor de las piezas a soldar. El proceso inicia con el posicionamiento de la herramienta sobre la línea de unión, esta empieza a descender, entra en contacto con las piezas a unir aún frías, y aplica fuerza axial hasta que el ‘hombro’ contacta con la superficie de los componentes. La fricción entre la herramienta y las piezas a unir dan origen a la energía de fricción, que conlleva un aumento de la temperatura de las piezas en las proximidades de la herramienta, justo hasta un valor por debajo de la temperatura de fusión de los componentes de la aleación. La máxima temperatura alcanzada está en el orden de 0,8 veces la temperatura de fusión.5

5 RAJIV S, Mishra y Murray W. Mahoney. Friccion stir welding and processing. Ohio: ASM International, 2007. 1-78p. SVOBODA, Hernán G. Innovación en soldadura. Buenos Aires. Hattingh et al, Journal of Materials Processing Technology, 2008, [consultado octubre de 2009]. Disponible en Internet: http://laboratorios.fi.uba.ar/cididi/webcididi/foropdf/innovacion%20en%20soldaduraSvoboda.pdf

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Figura 2. Herramienta de soldadura por fricción agitación

a. Diseño herramienta b. Herramienta realizando la soldadura

Fuente: NANDAN, Raghu. Progress in Materials Science. Santa Ana (USA): 2008 [Consultado Junio 2009]. Disponible en internet: http://pdfebooksreader.com/ebook-nandan-pdf-1.html. En este rango de temperatura, la resistencia de las piezas disminuye hasta tal punto que pasa a un estado plástico. Debido a la rotación de la herramienta, el material “pastoso” se transporta alrededor de él, por una especie de “canal de extrusión” (región que se crea entre el material frío y aún sólido, y la herramienta rotatoria). Así, cuando empieza el movimiento de avance de la herramienta, se produce la mezcla de los dos componentes a lo largo de la línea de unión. Al final de la soldadura, la herramienta asciende y sale de la zona de unión.

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Figura 3. Ilustración esquemática del proceso de soldadura por fricción SFA:

a) Rotación del pin antes de hacer contacto con las placas; b) el pin hace contacto con las placas generando calor; c) el hombro de la herramienta hace contacto, restringiendo la profundidad de penetración mientras se expande la zona caliente; d) la placa tiene movimiento relativo respecto de la herramienta, creando así una micro estructura de grano fino totalmente re-cristalizada.

Fuente: ©TWI and Cedar Metals Ltd. 2005. 1.2.1.2. Máquinas adaptadas al proceso. Los primeros ensayos del nuevo proceso se llevaron a cabo en fresadoras convencionales. Así, se comprobó que este tipo de maquinaria podía realizar correctamente uniones con geometrías sencillas, como soldaduras a tope planas y de longitud y espesor muy limitado. Cuando las uniones son geométricamente más complejas o de mayor espesor surgen problemas relacionados con daños a los rodamientos del cabezal y a las guías, causados por sobrecargas de proceso inesperadas. Desde un primer momento resultó evidente la necesidad de crear máquinas, que siendo muy cercanas estructuralmente a las máquinas fresadoras, ofrecieran prestaciones especificas que las adaptaran al nuevo proceso. El proceso exige máquinas de rigidez elevada, especialmente en el eje axial de la herramienta, con sistemas avanzados de control de la posición de la herramienta, que den medidas veraces de la posición real de la herramienta, con independencia

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de las deformaciones en la máquina y/o en los utillajes que se producen como consecuencia de las elevadas fuerzas del proceso.6

Fotografía 3. Unión de perfiles ferroviarios mediante SFA

Fuente: RIVERO Asun, LASUEN Eneko, MARTINEZ Leonard, La industrialización del proceso de unión FSW. Fundación factronik, San Sebastián (España) 2002. [Consultado Mayo del 2009] Disponible en Internet: http://www.interempresas.net/MetalMecanica/Articulos/9386-Fatronik-en-la-industrializacion-del-proceso-de-union-Friction-Stir-Welding.html. 1.2. ESTADO DEL ARTE Han sido muchas las investigaciones realizadas hasta el momento sobre la SOLDADURA POR FRICCION AGITACION, estudiando las propiedades mecánicas, la metalografía y los parámetros de soldadura.

6 CABOT Pedro, MOGLIONI Alberto, CARELLA Eduardo, Soldadura Por Friccion agitacion (FSW) De AA 6061 T6. Vol 8, Nº 2. Argentina: Matéria, (2003) 187- 195

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En el 2006 Materials Science and Engineering publico un estudio realizado por Tomotake H, T.7, Sobre la influencia de los parámetros de SFA en el tamaño de grano en el aluminio 5083, En el estudio se encontró que en la zona de agitación la microestructura consistía en granos equiaxiales finos ya que el tamaño de grano disminuía con el flujo de calor, la dureza en esta zona aumentó con la disminución del flujo de calor derivado de la fricción. Pedro Cabot, Moglioni, Carella8, en su investigación Soldadura Por Fricción Agitación (FSW) De AA 6061 T6, evaluaron la influencia de la herramienta y de la velocidad de avance sobre las propiedades mecánicas de la unión a tope de chapa AA6061 T6 de 6,25mm de espesor, concluyendo que 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. En estudios realizados a la aleación de aluminio 6261T6a por Murillo, Franco9, en la Universidad del Valle mostraron la viabilidad de utilizar una fresadora universal para desarrollar la SFA al igual concluyó que el aumento de la velocidad de soldadura genera un aumento de la resistencia mecánica de la junta soldada. Sin embargo, para las dos aleaciones estudiadas, se obtuvo mayor resistencia mecánica con mayores velocidades de rotación. Los resultados en la resistencia mecánica de las SFA alcanzaron hasta un 84% de la resistencia del metal base. Caizhi Zhou10, estudió las propiedades de fatiga de uniones realizadas por el método SFA de láminas de aluminio 5083, y dentro de sus conclusiones informó que estas tuvieron una vida por fatiga superior en 9 a 12 veces más que las soldaduras realizadas por el tradicional método MIG y para todas las probetas fracturadas los crujidos comenzaron de la parte de la raíz de la soldadura, y puede haber sido causados por la imperfecciones en la raíz.

7 TOMOTAKE Hirata, OGURI Taizo, HAGINO Hideki, TANAKA Tsutomu, Influence of friction stir welding parameters on grain size and formability in 5083 aluminum alloy. Materials Science and Engineering JAPON 2006. 8 Íbid. P. 21. 9 Íbid. P. 17. 10 ZHOU Caizhi, YANG Xinqi, LUAN Guohong. Fatigue properties of friction stir welds in Al 5083 alloy, China, 2005. [Consultado en Enero 2010]. Disponible en internet: http://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0254058405006413

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En otra investigación realizada por Caizhi Zhou11, y sus colaboradores la microestructura y la resistencia a la fatiga de la SFA de la aleación Al-Mg, y encontró que en el centro cordón de soldadura se veían granos de cristales finos y que en lado de avance se ve un límite más claro que al lado de retorno, y que la vida por fatiga de las soldaduras es mayor entre 6 y 14 veces en comparación con el proceso MIG. Lim12, investigó el comportamiento en tensión de soldaduras FSW de la aleación de magnesio AZ31B-H24 y el mecanismo que explica el deterioro de las propiedades mecánicas. El efecto de la relación de velocidades entre 6 y 16 rev/mm, mostró una tendencia a reducir la resistencia mecánica hasta en un 40% y de la ductilidad hasta en un 90% de las uniones soldadas con respecto al material base original. Lim explicó esta pérdida de propiedades en una aleación AZ31-H24 por la acumulación de partículas de óxido de magnesio en el límite de la ZS y la ZTMA en el lado de avance, donde se produce la falla de las probetas durante el ensayo.

11 ZHOU Caizhi, YANG Xinqi, LUAN Guohong, Investigation of microstructures and fatigue properties of friction stir welded Al.Mg alloy. China: Materials Chemistry and Physics, 2006. 285–290. 12 LIM Sunggon , KIM Sangshik , LEE Chang-Gil, Metall and Materials Transactions. Boston: SpringerLink, 2005, 1609 - 1612.

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2. OBJETIVOS 2.1. OBJETIVO GENERAL Desarrollar y evaluar mecánica y metalúrgicamente las uniones mediante el proceso de soldadura SFA (Soldadura por fricción-agitación) de chapas de aluminio tipo 5052, y establecer los parámetros de velocidad de avance y velocidad de soldadura ideales para este tipo de unión. 2.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS • Obtener uniones soldadas mediante el proceso de soldadura por fricción-agitación. • Determinar las propiedades mecánicas y metalúrgicas de las uniones obtenidas. • Establecer la relación entre las propiedades mecánicas y los parámetros del proceso.

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3. JUSTIFICACIÓN El método de soldadura por fricción-agitación, sin aporte de material SFA, ha supuesto una verdadera revolución en las técnicas de unión de metales y más en concreto, en la unión de aleaciones ligeras. El proceso tiene una gran potencia y se está implementando en un gran número de aplicaciones en sectores industriales diversos. El proceso SFA es una oportunidad para los industriales que pueden encontrar en este método un aliado tecnológico para el desarrollo de soldaduras especiales a un bajo costo. Con el objeto de superar las limitaciones actuales en el uso de las soldaduras por arco (MIG, TIG) para unir metales en cuyos casos la unión se produce mediante la fusión de la intercara y su posterior solidificación. Por ello, la microestructura obtenida no presenta unas propiedades del todo óptimas al solidificar, además los métodos tradicionales tienen altos costos en consumibles como electrodos, gases etc. La técnica denominada Soldadura por fricción agitación (SFA) se puede desarrollar en una fresadora universal que se tiene en cualquier taller y es capaz de unir aleaciones de aluminio consideradas no soldables y además unir las ya soldables de una manera más eficiente. Es un proceso que admite diferentes diseños de unión (en T, a solape, a tope…etc.). El proceso SFA es un proceso seguro, más limpio y no presenta problemas medio-ambientales por ende está dentro del desarrollo sostenible empresarial, ya que no genera humos, gases tóxicos, radiación ni chispas. También se presenta baja perdida de propiedades mecánicas en la unión soldada con una mínima presencia de defectos, lo que genera un mayor control dimensional y menor distorsión de las piezas durante el proceso.

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4. SOLDABILIDAD DEL ALUMINIO La soldabilidad de las aleaciones de aluminio varía significativamente dependiendo de la composición química de la aleación usada. Las aleaciones de aluminio son susceptibles al agrietamiento caliente, y para combatir el problema los soldadores aumentan la velocidad de la soldadura para reducir el aporte de calor. El precalentamiento reduce el gradiente de temperatura a través de la zona de soldadura y por lo tanto ayuda a reducir el agrietamiento caliente, pero puede reducir las características mecánicas del material base y no debe ser usado cuando el material base está restringido. El diseño del empalme también puede cambiarse, y puede seleccionarse una aleación de relleno más compatible para disminuir la probabilidad del agrietamiento caliente. Las aleaciones de aluminio también deben ser limpiadas con un cepillo de alambre o con un desengrasante antes de realizar la soldadura, con el objeto de quitar todos los óxidos, aceites, y partículas sueltas de la superficie a ser soldada. Esto es especialmente importante debido a la susceptibilidad de una soldadura de aluminio a la porosidad debido al hidrógeno y a la escoria debido al oxígeno.13 4.1. SERIES DE ALUMINIOS SEGÚN SUS ALEANTES Las aleaciones de aluminio (tanto las forjadas como las moldeadas) se clasifican en función del elemento aleante usado (al menos el que esté en mayor proporción). A continuación se mencionan los elementos aleantes más usados.14

13 ORTOLÁ, Salvador. Manual-del-aluminio-y-sus-aleaciones. España: 2009, [Consultado en Septiembre del 2009]. Disponible en Internet www.Ingenieriademateriales.wordpress.com, /, 2009. 14 Ídem.

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Figura 4. Series del aluminio

Fuente: ORTOLÁ, Salvador. Manual-del-aluminio-y-sus-aleaciones. España: 2009, [Consultado en Septiembre del 2009]. Disponible en Internet www.Ingenieriademateriales.wordpress.com, /, 2009. 4.1.1. Serie 2xxx. En estas aleaciones el principal elemento aleante es el Cu, pero a veces también se le añade Mg. Las características de esta serie son: buena relación dureza-peso y baja resistencia a la corrosión. En lo referente a la primera característica decir que algunas de las aleaciones de esta serie tienen que ser sometidas a TT de solubilidad y a veces de envejecimiento para mejorar sus propiedades mecánicas. Una vez hecho esto la serie 2xxx tiene unas propiedades mecánicas que son del orden y, a veces superiores, que las de los aceros bajos en carbono. El efecto de los TT es el incremento de la dureza con una disminución de la elongación. En lo referente a la segunda característica estas aleaciones generalmente son galvanizadas con aluminio de alta pureza o con aleaciones de la serie 6xxx para protegerlas de la corrosión y que no se produzca corrosión intergranular. Los usos más frecuentes que se le dan a estos aluminios son (generalmente son usados en lugares donde sea necesario una alta relación dureza-peso) en las ruedas de los camiones y de los aviones, en la suspensión de los camiones, en el fuselaje de los aviones, en

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estructuras que requieran buena dureza a temperaturas superiores a 150 ºC. Para finalizar decir que salvo la aleación 2219 estas aleaciones tienen una baja soldabilidad pero una maquinabilidad muy buena. 4.1.2. Serie 3xxx. En estas aleaciones el principal elemento aleante es el Mn. Estas aleaciones tan solo tienen un 20% más de dureza que el aluminio puro. Eso es porque el Mn solo puede añadirse de forma efectiva en solo un 1.5%. Por ello hay muy pocas aleaciones de esta serie. Sin embargo los aluminios 3003, 3×04 y 3105 son muy usados para fabricar utensilios que necesiten dureza media y que sea necesario buena trabajabilidad para fabricarlos como son botellas para bebidas, utensilios de cocina, intercambiadores de calor, mobiliario, señales de tráfico, tejados y otras aplicaciones arquitectónicas. 4.1.3. Serie 4xxx. En esta serie el principal elemento aleante es el Si que suele añadirse en cantidades medianamente elevadas (por encima del 12%) para conseguir una disminución del rango de fusión de la aleación. El objetivo es conseguir una aleación que funda a una temperatura más baja que el resto de aleaciones de aluminio para usarlo como elemento de soldadura. Estas aleaciones en principio no son tratables térmicamente pero si son usadas en soldadura para soldar otras aleaciones que son tratables térmicamente parte de los elementos aleantes de las aleaciones tratables térmicamente pasan a la serie 4xxx y convierten una parte de la aleación en tratable térmicamente. Las aleaciones con un elevado nivel de Si tienen un rango de colores que van desde el gris oscuro al color carbón y por ello están siendo demandadas en aplicaciones arquitectónicas. La 4032 tiene un bajo coeficiente de expansión térmica y una alta resistencia al desgaste lo que la hace bien situada para su uso en la fabricación de pistones de motores. 4.1.4. Serie 5xxx. Esta serie usa como principal elemento aleante el Mg y a veces también se añaden pequeñas cantidades de Mn cuyo objetivo es el de endurecer el aluminio. El Mg es un elemento que endurece más el aluminio que el Mn (un 0.8 de Mg produce el mismo efecto que un 1.25 de Mn) y además se puede añadir más cantidad de Mg que de Mn. Las principales características de estas aleaciones son una media a alta dureza por endurecimiento por deformación, buena soldabilidad, buena resistencia a la corrosión en ambiente marino y una baja capacidad de trabajo en frío. Estas características hacen que estas aleaciones se usen para adornos decorativos, ornamentales y arquitectónicos, en el hogar, iluminación de las calles y carreteras, botes, barcos y tanques criogénicos, partes de puentes grúa y estructuras de automóviles.

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4.1.5. Serie 6xxx. En estas aleaciones se usan como elementos aleantes el Mg y el Si en proporciones adecuadas para que se forme el Mg2Si. Esto hace que esta aleación sea tratable térmicamente. Estas aleaciones son menos resistentes que el resto de aleaciones, a cambio tiene también formabilidad, soldabilidad, maquinabilidad y resistencia a la corrosión. Estas aleaciones pueden moldearse por un TT T4 y endurecido por una serie de acciones que completen el TT T6. Su uso suele ser el de aplicaciones arquitectónicas, cuadros de bicicletas, pasamanos de los puentes, equipo de transporte y estructuras soldadas. 4.1.6. Serie 7xxx. El Zn añadido en proporciones que van desde el 1 al 8 % es el elemento aleante en mayor proporción en estas aleaciones. A veces se añaden pequeñas cantidades de Mg para hacer la aleación tratable térmicamente. También es normal añadir otros elementos aleantes como Cu ó Cr en pequeñas cantidades. Debido a que la principal propiedad de estas aleaciones es su alta dureza se suele usar en las estructuras de los aviones, equipos móviles y otras partes altamente forzadas. Debido a que esta serie muestra una muy baja resistencia a la corrosión bajo tensión se le suele aplicar levemente un TT para conseguir una mejor mezcla de propiedades.15

15 Ibíd. P. 26.

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5. ADECUACIÓN DEL PROCESO 5.1. CONSTRUCCIÓN DE LA HERRAMIENTA La herramienta desempeña un papel muy importante en el proceso de SFA ya que será forzada a grandes tensiones y temperaturas, elaborada en acero de alta resistencia, ésta se compone principalmente de dos cuerpos cilíndricos concéntricos, el de menor diámetro denominado “pin” es el que actúa en la interface 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 dinámica y coalescencia de las piezas. La forma y tamaño de la herramienta tiene gran influencia sobre la calidad de la unión. Durante el proceso la misma es sometida a altas exigencias 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.16

Figura 5. Plano de la herramienta

Fuente: El autor. Para esta investigación utilizamos una herramienta con las características anteriormente mencionadas, en cuanto a cuerpo y hombro de la herramienta, el

16 Ibíd. P. 21.

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pin será cilíndrico de 4mm de diámetro con una rosca ordinaria para mejorar la agitación y mezcla del material y así producir la plastificación del material17. 5.1.1. Material de la herramienta. La herramienta fue elaborada con acero BOHLER W302 equivalente al AISI/SAE H13 especial para trabajos a altas temperaturas, de gran resistencia al desgaste a estas. De buena tenacidad y resistencia a la formación de fisuras por recalentamiento. Después de maquinada la forma de la herramienta, ésta fue sometida a un tratamiento térmico de recocido a 700-750°C con enf riamiento lento en el horno para disminuir las tensiones, luego se sometió a 1080°C con enfriamiento en aceite para así templar la herramienta y por último se sometió a revenido para que ésta quedara con la dureza de 50RC necesaria para la exigencia del proceso según catalogo de aceros Bohler.

Fotografía 4. Herramienta realizada (SFA) 2 pines

Fuente: El autor.

17 Ibíd. P. 18.

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5.2 CARACTERÍSTICAS DE LA FRESADORA En principio el equipo debe ser capaz de ejecutar cuatro operaciones básicas, para así poder llevar a cabo las pruebas de SFA. • Avance longitudinal de la pieza y/o de la herramienta, • Ajuste vertical del husillo porta herramienta • Giro del husillo sobre su eje • Inclinación del husillo con respecto a la pieza. En esta investigación se utilizó una Fresadora Universal Cervinia 2ST de fabricación Italiana, la cual está instalada en el laboratorio de procesos de manufactura de la Universidad del Valle y se muestra en la figura 10. Las características de dicha fresadora son: • 12 velocidades de rotación del usillo (25, 40, 135, 160, 240, 750-50, 80, 270, 320, 480, 1500) rpm. • 12 velocidades de avance longitudinal automático (10, 25, 30, 47, 68, 105-20. 50, 60, 94, 136, 210) mm/min. • Giro del cabezal vertical: 180. • Carrera vertical de la mesa: 400mm. • Carrera transversal de la mesa: 300mm. • Carrera longitudinal de la mesa: 600mm. • Potencia del motor: 4HP. • Superficie útil de la mesa 1000mm * 300mm. • N° de ranuras en T: 3.

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Fotografía 5. Fresadora Universal Cervinia 2ST

Fuente: El autor. 5.3. PARÁMETROS DEL PROCESO En el proceso de soldadura por fricción agitación se deben tener en cuenta varios parámetros para así lograr una buena soldadura, en el desarrollo de la investigación, algunos de éstos se fueron variando para estudiar el efecto en la soldadura final, estos fueron: velocidad de avance de la soldadura y velocidad de rotación de la herramienta. Los parámetros que gobiernan el proceso son: Figura 11 • Espesor de las chapas a soldar: t • Profundidad de penetración del hombro de la herramienta: z1

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• Ángulo de inclinación de la herramienta respecto a la normal de la superficie: a • Velocidad de avance de la soldadura: Vf • Velocidad de rotación de la herramienta: Vr • Profundidad de penetración del pin: z2 • Diseño del pin y el hombro de la herramienta

Figura 6. Esquema de parámetros de proceso

Fuente: LORTEK, Centro de Investigación en Tecnologías de Unión 20240 Ordizaia (España). 2006. [Consultado en Abril 2009] Disponible en http://www.lortek.es/internet. 5.4. MATERIAL En la soldadura por fricción agitación (SFA) se están desarrollando investigaciones con diversos materiales. El material que usamos para desarrollar estas soldaduras es una aleación de Aluminio de la serie 5000 caracterizada por su resistencia y tratada en frio. 5.4.1. ALEACIÓN 5052 Para el desarrollo de la investigación se utilizó aluminio 5052 siendo esta una de las aleaciones más fuertes no tratables en caliente, el aluminio 5052 ofrece excelente resistencia a la corrosión debido a su composición química como se muestra en la tabla 1, por lo cual es una de las aleaciones más recomendables para aplicaciones marítimas. Tiene facilidad para ser soldada pero no se

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recomienda latonar o soldar con electrodo, se adapta a casi todos los sistemas de maquinado con el propio ajuste. Los productos 5052 se utilizan como tanques de almacenamiento, paneles laterales para camiones y tráiler, cascos de pequeñas embarcaciones y cabinas de tractores.18

Cuadro 1. Composición química en % Aluminio 5052

% Max.

Silicio 0,25

Hierro 0,40

Cobre 0,10

Manganeso 0,10

Magnesio 2,20 - 2,80

Cromo 0,15 - 0,35

Zinc 0,10

Titanio

OTROS 0,15

Aluminio resto

Fuente: GIL MUR, Francisco Javier. Aleaciones Ligeras. Barcelona: Ed. UPC, 2001. P.153. Para la realización de las soldaduras por el método de SFA utilizamos chapas de aluminio 5052 (ver cuadro 1) laminadas en frio con un corte perpendicular al sentido de laminación, de 180mm de largo y 80mm de ancho con un espesor de 3mm.

18 GIL MUR, Francisco Javier. Aleaciones Ligeras. Barcelona: Ed. UPC, 2001. P.153.

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Se cortaron láminas de aluminio serie 5052 laminadas en frio con un corte perpendicular al sentido de laminación, de 180mm de largo y 80mm de ancho con un espesor de 3mm. Estas se unieron en series de 2 láminas a lo largo, trazando cordones de soldadura de 170mm de largo como se muestra en la figura 12 y 13, utilizando para la soldadura la fresadora antes mencionada con una excelente sujeción de las láminas mediante mordazas garantizando que estas quedaran inmóviles, para así lograr un buen cordón de soldadura.

Fotografía 6. Ejecucion de soldadura SFA

Fuente: El autor. Se realizaron un total de 16 soldaduras a tope con las láminas antes mencionadas, variando los parametros de soldadura, Velocidad de soldadura (Vs) y Velocidad de rotacion (Vr), Dos soldaduras por cada variacion de parametros, utilizando la herramienta con pin roscado y una inclinacion de torreta de 1.5° respecto a la pieza.

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Fotografía 7. Cordón de Soldadura por Fricción-Agitación SFA

Fuente: El autor.

Cuadro 2. Soldaduras realizadas de acuerdo a los parámetros: velocidad de rotación y velocidad de soldadura.

En la tabla 2 se muestra la variación de parámetros velocidad de rotación (Vr) y velocidad de soldadura (Vs) realizada en las probetas A,B,C,D,E,F,G y H. En el desarrollo de las pruebas de soldaduras se observó que aquellas que se realizaron a baja velocidad de rotación (Vr) (576rpm), presentaron defectos evidentes como grietas y pérdida de material en el cordón de soldadura. Por tal motivo las soldaduras que se sacaron con esta variable no fueron tenidas en cuenta para sacar probetas y hacer los análisis correspondientes.

Vr(rpm)/Vs(mm/min) 1800 900 576 210 A H 136 B F 105 D 94 C G 68 E

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7. PREPARACIÓN DE PROBETAS SOLDADAS PARA ENSAYOS De las placas soldadas se sacaron 3 probetas para los ensayos de tracción y 2 probetas para metalografía. Las probetas de tensión tienen las siguientes dimensiones: 160 mm de largo por 25 mm de ancho, con 12 mm en la zona reducida y un diámetro de18mm entre la zona reducida y el ancho de la probeta para reducir los concentradores de esfuerzos, de acuerdo a la norma ASTM E-646 como se muestra en la fotografía 8.

Fotografía 8. Probeta de tensión

Fuente: El autor. Las probetas se mecanizan en una fresadora para darles las dimensiones requeridas. Al igual se obtuvieron probetas del material base para tener como referencia.

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8. CARACTERIZACIÓN MECÁNICA, (TENSIÓN, DUREZAS). 8.1. TENSIÓN MECÁNICA El ensayo de tensión se llevó a cabo en una Maquina Universal de Ensayos UTS 200.3 (fot. 9, que maneja una carga de prueba máxima de 200KN la cual se encuentra ubicada en los laboratorios de la Universidad Autónoma de Occidente, de acuerdo a la norma ASTM E8.

Fotografía 9. Máquina Universal de ensayos UTS 200.3

Fuente: El autor.

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Cuadro 3. Resultados obtenidos en las pruebas de tensión.

Probeta Vr

(rpm) Vs

(mm/min) Vr/Vs Carga máx.

▲L (mm)

Resistenc de

tensión Gt (MPa)

Deformación ξt (▲L/Lo)

(N) A1 1800 210 7,1 7441 2,45 206 0,049 A2 1800 210 7,1 7408 2,25 205 0,045 A3 1800 210 7,1 7763 4,19 215 0,084 B1 1800 136 11,0 7787 4,94 216 0,099 B2 1800 136 11,0 7701 1,96 213 0,039 B3 1800 136 11,0 6938 4,66 192 0,093 C1 1800 94 15,9 7294 5,02 202 0,101 C2 1800 94 15,9 5267 2,07 146 0,041 C3 1800 94 15,9 7881 5,31 218 0,106 D1 900 105 7,1 7093 3,48 197 0,070 D2 900 105 7,1 7166 3,45 199 0,069 D3 900 105 7,1 7722 3,23 214 0,065 E1 900 68 11,0 8115 3,01 216 0,060 E2 900 68 11,0 7976 2,97 212 0,059 E3 900 68 11,0 7889 3,21 210 0,064

MB1 10612 3,12 283 0,062 MB2 10698 3,37 285 0,067 MB3 10628 3,06 283 0,061

Los resultados de la prueba de tensión se muestran en la tabla 3, corresponden a las 3 probetas de cada variación de parámetros A, B, C, D y E, mas 3 probetas del metal base (MB) que se tomo como referencia. La máquina de ensayos de tracción arrojo como resultado fuerza máxima, la cual dividiéndola en el área transversal de la probeta en el punto de rotura da la resistencia.

MPa

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La curva esfuerzo-deformación de la probeta c (1800rpm/94mm/min) cuyo punto máximo es 216 MPa se muestra en la figura 16.

Figura 7. Curva esfuerzo-deformación probeta C (1800rpm/94mm/min).

En la figura 7 se observa la tendencia de la resistencia a aumentar conforme aumenta la velocidad de soldadura con la excepción de la soldadura realizada a 94 mm/min probeta D, que presento un descenso considerable respecto a las demás probetas, cada punto de la curva representa el valor promedio de cada serie de probetas y la velocidad de soldadura como se ve en la uadro 4. Los valores mínimos y máximos obtenidos fueron de 146 y 218 MPa respectivamente, considerando que la resistencia medida del metal base empleado es de 283 MPa tomado como el 100%, la eficiencia de junta máxima resultó de 77%.

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Figura 8. Resistencia a tensión vs velocidad soldadura

Cuadro 4. Datos gráfica figura 16

Al revisar las probetas después del ensayo de tracción se observo que la fractura se ubico sin excepción dentro de la soldadura, La fractura presentó una superficie

Probeta σt Vs σt (Metal base)

A 209 210 283 B 207 136 283 C 203 105 283 D 190 94 283 E 207 68 283

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inclinada hacia la raíz formando un ángulo con la vertical de alrededor de 45° y desplazada aproximadamente 5 milímetros del centro de la unión. 8.2. DUREZA De las placas soldadas se sacaron muestras representativas para evaluación de microdureza, macro y microestructura, en el plano transversal al cordón de soldadura. 8.2.1. Microdureza. Se tomó el tipo de ensayo mecánico de dureza Vickers en un microdurometro que emplea un penetrador de diamante en forma de pirámide de base cuadrada. Tal penetrador se aplicó perpendicularmente a la superficie del material, bajo la acción de una carga de 200g, la cual se mantuvo durante un tiempo de 10s, después de que se retiró y midió la diagonal de la impresión que quedó sobre la superficie de la muestra se obtuvo el valor de dureza en escala HV. Para la toma de microdureza se hizo un barrido transversal desde el centro del cordón hasta las zonas del metal base, registrando datos cada 1,25 mm como se ve en la cuadro 5. En general las curvas de dureza siguen un comportamiento similar, figura17. La dureza desciende desde el metal base hacía el cordón, esto debido a que el proceso de laminación le otorga al material acritud y por lo tanto tiene mayor dureza, el aporte de calor en la ZA y ZTMA hace que dicha dureza descienda. De acuerdo a los parámetros de soldadura se puede hacer un análisis más exhaustivo en cuanto a comparación de durezas en las zonas principales o en la zona agitada por ejemplo el efecto de la fricción o la agitación. 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, ver figura 17. En general se observa que la dureza desciende a partir del metal base a la zona afectada térmicamente (ZAT) hasta llegar a un mínimo de dureza (46 a 51 HV) en la zona afectada termo mecánicamente (ZATM) a ambos lados de la soldadura, separadas entre sí por una distancia similar al diámetro del hombro. Sobre la soldadura misma en la zona agitada los valores rondaron entre los 56 y 63 HV.

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La curva se encuentra desplazada en 2.5 mm hacia el lado de retorno de cordón de soldadura. El perfil de dureza es típico del que presentan soldaduras FSW

Cuadro 5. Resultados de la prueba de microdureza

# Dato

Distancia al centro

Probeta A Probeta B Probeta C Probeta D

zona HV zona HV zona HV zona HV 1 -11,25 MB 73,6 MB 84,2 MB 66,3 MB 76,7 2 -10 MB 72,6 MB 83,7 MB 67,1 MB 79,5 3 -8,75 MB 77 MB 82,5 MB 67,6 MB 67,7 4 -7,5 MB 75,4 MB 77 MB 68 MB 69,5 5 -6,25 MB 76,9 MB 72,9 MB 68,3 MB 62,8 6 -5 MB 70,2 MB 64,6 MB 64,3 MB 60,3 7 -3,75 ZAT 60,4 ZAT 58 ZAT 59,9 ZAT 57,4 8 -2,5 ZAT 50,5 ZAT 46,7 ZAT 57,2 ZAT 53 9 -1,25 ZTMA 51,6 ZTMA 56,9 ZTMA 60 ZTMA 62,3

10 0 CORDON 56,3

CORDON 56,4

CORDON 61,2

CORDON 63,1

11 1,25 ZTMA 55,8 ZTMA 55 ZTMA 53,6 ZTMA 58,7 12 2,5 ZAT 56 ZAT 54,3 ZAT 51,5 ZAT 54,8 13 3,75 ZAT 53,9 ZAT 51 ZAT 50,9 ZAT 56,2 14 5 MB 51,5 MB 56,2 MB 54,8 MB 48,9 15 6,25 MB 61,4 MB 63,7 MB 55,6 MB 61,6 16 7,5 MB 63,2 MB 67,7 MB 58,9 MB 65,3 17 8,75 MB 65,5 MB 69,5 MB 62,8 MB 67,2 18 10 MB 70 MB 68 MB 64,5 MB 74,4 19 11,25 MB 71,5 MB 59,2 MB 64,2 MB 74,9 20 12,5 MB 73,9 MB 58 MB 63,1 MB 75 21 13,75 MB 74,4 MB MB MB 22 15 MB 75,3 MB MB MB 23 16,25 MB 74,7 MB MB MB Probeta A: 1800rpm / 210mm/min Probeta B: 1800rpm / 136mm/min Probeta C: 1800rpm / 94mm/min Probeta D: 900rpm / 105mm/min

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HV: Dureza Vicker MB: Metal Base ZAT: Zona afectada térmicamente ZTMA: Zona termomecánicamente afectada Fuente: El autor.

Figura 9. Perfiles de microdureza Vickers en el cordón de soldadura según tabla 5

Fuente: El autor.

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9. CARACTERIZACIÓN MACROESTRUCTURAL Y MICROESTRUCTU RAL En el 2006 Materials Science and Engineering publicó un estudio de la influencia de los parámetros de SFA en el tamaño de grano en el aluminio 5083. En el estudio se encontró que en la zona de agitación la microestructura consistía en granos equiaxiales finos en todas las condiciones, la dureza en esta zona aumentó con la disminución del flujo de calor derivado de la fricción.19 9.1. ANÁLISIS DE LA MACROESTRUCTURA Las fotografías concernientes a éste ensayo corresponden a un microanálisis con la finalidad de conocer la incidencia de las variables del proceso en aspectos como; defectos (la presencia de poros, grietas o falta de llenado), la morfología del cordón y la identificación de las zonas que se definen con éste proceso: una zona central o zona agitada referido a la región de agitación, seguida de una zona clara que es la termomecánicamente afectada(ZTMA), una zona que hace interface con el material base que es la zona térmicamente afectada(ZTA) y por último el metal base(MB), como se ve en la fotografía10.

Fotografía 10. a: metal base (MB), b: zona afectada térmicamente (ZTA), c: zona termomecánicamente afectada (ZTMA), d: zona de agitación

Fuente: SVOBODA, Hernán G. Innovación en soldadura. Buenos Aires. Hattingh et al, Journal of Materials Processing Technology, 2008, [consultado octubre de 2009]. Disponible en Internet: http://laboratorios.fi.uba.ar/cididi/webcididi/foropdf/innovacion%20en%20sold.

19 Ibíd. P. 21.

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Las probetas fueron cortadas y sometidas a un proceso de pulido grueso (papel lija # 100-1200) y pulido fino (discos rotatorios con paños de pelos suaves, con una suspensión de polvo de alúmina de 1 µm y 0,3 µm). Seguido a esto, se les hizo un macroataque (se sumergieron las muestras en una solución química concentrada o reactivo de Keller que contiene HNO3, HCL, HF, y H20, entre 3-5 minutos) con el objetivo de demarcar las zonas aludidas con anterioridad. Las fotos se tomaron con un estereoscopio (advance optical), primero logrando un aspecto superficial del cordón y después mostrando detalles del mismo a mayor resolución. 9.1.1. Probeta A (1800rpm/210mm/min). Se observa claramente en la fotografía 11 la forma del cordón de esta probeta, la región de agitación al igual que algunos poros que pueden corresponder a túneles formados en la base de la soldadura.

Fotografía 11. Macroestructura probeta A (1800 rpm/210mm/min)

Fuente: El autor.

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9.1.2. Probeta B (1800rpm/136mm/min). En esta probeta se puede observar un cordón de buena apariencia, sano y sin poros ni grietas, donde se observan las zonas de la soldadura, fotografía 12.

Fotografía 12. Macroestructura probeta B (1800 rpm/136mm/min)

Fuente: El autor.

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9.1.3. Probeta C (1800rpm/94mm/min). En la foto de esta probeta, fotografía 13 se ve lo que puede ser un poro en la parte inferior derecha de la zona agitada, el resto del cordón se ve sano. Y se puede observar claramente la zona agitada.

Fotografía 13. Macroestructura probeta C (1800 rpm/94mm/min)

Fuente: El autor.

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9.1.4. Probeta D (750rpm/105mm/min). En la fotografía 14 se muestra una soldadura en apariencia sana, pero al observar detenidamente en el lado izquierdo de la base o zona agitada se aprecia un pequeño defecto que puede corresponder a una grieta o túnel.

Fotografía 14. Macroestructura probeta D (750 rpm/105mm/min)

Fuente: El autor. En todas las fotos de las probetas se observaron las tres zonas bien definidas que produce el proceso, observables mediante el macro ataque, la zona central que corresponde al material que es sometido a plastificación y agitación, a continuación otra zona más clara asociada al material que es afectado térmomecánicamente (ZTMA), luego la zona que corresponde al material afectado térmicamente (ZTA). La calidad superficial en todos los casos resultó totalmente aceptable con algunos defectos (grietas) en las probetas A, C y D y con un ondeado superficial muy suave producto del trabajo de la herramienta.

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9.2. ANÁLISIS DE LA MICROESTRUCTURA Para todos los casos la microestructura del metal base, es decir, de la zona que representa el estado inicial de la aleación del aluminio, ver fotografía 14; está constituido por granos grandes alargados producto de un proceso de laminado, en la medida que se acerca a la zona afectada térmicamente los granos son más finos como se ve en la fotografía 15, (debido al aporte de calor y subenfriamiento; además puede haber recristalización y crecimiento de grano en esta zona), como se aprecia en la fotografía 16 en la zona termomecánicamente afectada los granos son sometidos a deformación ó se evidencia flujo de material debido al proceso de fricción, similar a la zona agitada fotografía 17. Sin embargo se pudo apreciar que el efecto de deformación en el cordón es más evidente para unas probetas que para otras, en mayor o menor grado se apreció que los granos en esta zona son equiaxiales y muy finos. La preparación de las muestras se hizo análogo que para el ensayo de macroestructura, con la diferencia de que para microestructura se hizo microataque (inmersión en la solución química aproximadamente 1 minuto). Las microfotografías, fueron tomadas de un microscopio óptico olympus a diferentes aumentos que varían de 100 a 500 aumentos referenciados en cada una de ellas.

Fotografía 15. Microestructura del material base (MB), foto a 500 aumentos, muestra unos granos grandes y alargados producto de proceso de laminado

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Fotografía 16. MIcroestructura de la zona térmicamente afectada (ZTA), foto a 500 aumentos, granos más finos debido al aporte de calor.

Fotografía 17. Microestructura de la zona termomecanicamente afectada (ZTMA), foto a 500 aumentos, muestra una reorientación de los granos originales y cierto grado de recristalización.

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Fotografía 18. Microestructura de la zona agitada, foto a 500 aumentos, para todas las soldaduras la microestructura de la zona agitada dinámicamente recristalizada se caracteriza por estar formada por granos equiaxiales muy finos.

Fuente: El autor. En todas las variables la microestructura de la zona central muestra granos equiaxiales muy finos cuyo tamaño puede variar entre dos y diez micrones según señalan ciertos autores, producto de una recristalización dinámica. La zona termomecánicamente afectada muestra una reorientación de los granos originales y cierto grado de recristalización. En la siguiente zona el efecto térmico no alcanzó a producir cambios observables en la estructura del grano.

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CONCLUSIONES

La soldadura de láminas de aluminio serie 5052 de 3mm de espesor es posible mediante el proceso de soldadura por fricción agitación (SFA). Esto se concluye ya que los resultados obtenidos fueron muy favorables. El mejor resultado de eficiencia obtenido de las soldaduras corresponde a un 77% con respecto al metal base, y se obtuvo con los parámetros de la probeta C (1800rpm/94mm/min). De acuerdo a los resultados obtenidos en la investigación se puede recomendar para la soldadura de aluminio 5052 por el método de SFA los parámetros de la probeta B (1800rpm/136mm/min). Se observó que la eficiencia de la soldadura aumentó directamente proporcional a la velocidad de soldadura.

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PERSPECTIVAS El valor de la resistencia mecánica de la unión soldada por SFA arrojo resultados alentadores, aunque la resistencia haya sido menor que la del metal base, esto quiere decir que hacen falta trabajos e investigaciones que permitan optimizar las variables del proceso para así llegar a un límite más alto de resistencia. Es importante estimular al sector industrial de nuestro país para que apoyen las investigaciones de este proceso para así poder llegar a la implementación de la SFA en la industria.

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