presentación defensa de tesis

ESTUDIO DE LA MICROESTRUCTURA Y LAS PROPIEDADES MECÁNICAS DE

SOLDADURAS POR FRICCIÓN AGITACIÓN DE PLACAS DE ALEACIÓN DE ALUMINIO

AA6061-T651.

TESIS QUE PARA OPTAR EL GRADO DE MAESTRA EN CIENCIAS EN SISTEMAS DE MANUFACTURA

PRESENTA

ALBA INÉS SÁNCHEZ VÁZQUEZ

26 DE ENERO, 2011

COMITÉ DE TESIS

PRESIDENTE: Dr. José Manríquez YépezSECRETARIO: Dr. Alejandro Manzano RamírezVOCAL: Dr. Carlos Rubio GonzálezVOCAL: Dr. José Luis Alejandro Ortiz Rosales

ANTECEDENTES

[1] [2] [3]

¿Es factible generar Soldaduras por

Fricción Agitación utilizando una

fresadora convencional o una

fresadora CNC?

¿Las propiedades resultantes de las

soldaduras generadas son

satisfactorias?

¿Existen aplicaciones viables en la

región a corto o mediano plazo?

¿Hay oportunidades para el

desarrollo de nuevos modelos de

utilidad?

ANTECEDENTES

OBJETIVOS

Determinar las propiedades de tensión y las durezas en diferentes secciones de soldaduras

por fricción agitación longitudinales de placas de aleación de aluminio AA6061-T651 de

6.35 mm de espesor, y relacionarlas con las transformaciones microestrucutrales que

suceden durante el proceso de SFA.

GE

NE

RA

L

OBJETIVOS

1) Obtener tres uniones por SFA bajo las mismas condiciones, sin la presencia de defectos graves,

como poros o agujeros de gusano, utilizando las herramientas diseñadas y producidas dentro del

Tecnológico de Monterrey, Campus Querétaro, y la fresadora CNC Kryle VMC 535F perteneciente a la

celda de manufactura del mismo instituto.

2) A través del análisis metalográfico de las diferentes secciones de las uniones, identificar las

estructuras presentes en las zonas que la conforman: Zona Térmicamente Afectada (o Afectada por el

Calor), Zona Termo-Mecánicamente Afectada y Pepita.

3) Determinar los valores de las propiedades de tensión de las uniones en base a la norma ASTM E8.

4) Determinar la dureza en la sección transversal de las uniones mediante el Ensayo Vickers

ES

PE

CÍF

ICO

S

HIPÓTESIS

Los valores de Resistencia a la Tensión de las Soldaduras por Fricción Agitación obtenidas serán

iguales o mayores a 190 MPa valor promedio obtenido en otros estudios. Los cambios obtenidos

en los valores de Resistencia a la Tensión y las durezas con respecto al material base, se

encuentran vinculados a las variaciones microestructurales que se presentan durante el

proceso de soldadura.

En términos microestructurales, se espera revelar una deformación plástica significativa en la

Zonta Termo-Mecánicamente Afectada.

Resistencia última de tensión

Resistencia a la cedencia (yield

strength)

% Elongación en 50mm

espécimen de 1.6mm de espesor

espécimen de 13 mm de diámetro

MPa MPa

310 276 12 17

ALUMINIO AA 6061-T651

COMPORTAMIENTO MECÁNICO

[4]

SOLDADURA POR SFA

PRINCIPIOS

[5]

SOLDADURA POR SFA

PRINCIPIOS

[6]

EXPERIMENTACIÓN

EXPERIMENTACIÓN

• Generación de las Soldaduras por Fricción Agitación– Herramientas

• Punta cuadrada• Punta triangular

– Sujeción• Amordazamiento directo, placa base.• Ensamble, amordazamiento indirecto

– Parámetros finales

• Segmentación de los cordones por SFA

• Estudio Metalográfico• Ensayo de Microindentación Vickers• Resistencia a la Tensión

GENERACIÓN DE LAS SOLDADURASHERRAMIENTA

MATERIAL: ACERO AISI H13

Tratada con templado y revenido para

obtener una dureza de 46-48 HRC

HOMBRO [mm]Diámetro 18

PUNTA [mm]

Longitud 5.5

Diagonal 6

[5]

GENERACIÓN DE LAS SOLDADURASSUJECIÓN PRELIMINAR

SOLDADURAS PRELIMINARES

PUNTA CUADRADA

PUNTA TRIANGULAR

Soldadura incompleta agitación

insuficiente

Agujero de gusano en todo el

cordón

GENERACIÓN DE LAS SOLDADURASSUJECIÓN FINAL

Backing materialRestricción para desplazamiento lateral

Homogeneizar la presión.

Amordazamiento indirecto. [5]

GENERACIÓN DE SOLDADURAS FINALESPARÁMETROS

RPM

F

Penetración

Longitud del

cordónVelocidad

penetraciónPenetración

hombro Penetración

punta Penetración

total%

[mm/min] [mm/min] [mm] [mm] [mm]   [mm]

1200 60 35 0.1 5.5 5.6 88.2 4901200 60 35 0.1 5.5 5.6 88.2 4901200 60 35 0.1 5.5 5.6 88.2 490

HERRAMIENTA DE PUNTA TRIANGULAR

SOLDADURAS FINALES

[5]

SUPERIOR

HUELLA DEL HOMBRO

REVERSO

BASE DE LA

SOLDADURA

SECCIÓN TRANSVERSALSOLDADURAS FINALES

SEGMENTACIÓN DE LAS SOLDADURAS

ESTUDIO METALOGRÁFICO

Encapsulado

Pulido

REACTIVO CANTIDAD

[ml]

HF (concentrado) 15HCl (concentrado) 45HNO3

(concentrado) 15H2O 25

Reactivo de Tucker

REACTIVOCANTIDAD

[g]

Molibdato de sodioNa2MoO4 ·

2H2O2-3

Bifluoruro de amonio

NH4FHF1-2

  [ml]

Ácido clorhídrico (35%)

HCL5

Agua destilada 100

Reactivo de Beraha

EXPERIMENTACIÓN

ENSAYO DE MICROINDENTACIÓN

VICKERS

Equipo: Future Tech digital modelo F-7 tipo A.

Penetrador: punta de diamante, Vickers

Carga: 200g

Tiempo (dwell) : 10 segundos

La calibración del equipo se llevó a cabo con un patrón de

dureza marca Buehler fabricado en base a las normas ASTM

E-384 e ISO 17025, Número de Serie 065417, cuyos

parámetros de calibración eran 99.78HV, y una diagonal

promedio de 43.11µm

EXPERIMENTACIÓN

RESISTENCIA A LA TENSIÓN

EXPERIMENTACIÓN

CONDICIÓN UNIDAD VALOR

Temperatura oC 23

Humedad relativa

% 40

Velocidad cedencia

MPa/s 9

Velocidad tensión

mm/min 10

Máquina universal INSTRON 4482

Estándar ASTM E8/E8M-08.

Se realizaron 3 meses después de haberse realizado las soldaduras

SECCIÓN DIMENSIÓN [in]

G 1.000 ± 0.003

W 0.250 ± 0.005

T 0.25R 0.25L 4A 1.25B 1.25C 0.375

RESULTADOS

RESULTADOS

• Estudio Metalográfico– Estructuras reveladas con Reactivo de Tucker– Estructuras reveladas con Reactivo de Beraha

• Microindentación Vickers. – Perfil generado en la línea central de la soldadura

• Resistencia a la tensión– Resistencia Última a la Tensión– Esfuerzo de Cedencia– Porcentaje de Alargamiento

RESULTADOS CON ATAQUE CON REACTIVO DE TUCKER (3X)

11

12

14

21

22

23

24

25

31

32

33

34

35

SUPERFICIE ZA

ALTURA ZA

BASE ZA

[mm] [mm] [mm]

17 6.3 7

DIMENSIONES (3X). ATAQUE CON REACTIVO DE TUCKER.

Al centro de la huella del

hombro. Zona de agitación. 5x

Al centro de la huella del

hombro. Zona de agitación. 10x

Al centro de la huella del

hombro. Zona de agitación. 20x

HU

ELLA

DEL H

OM

BR

O

HU

ELLA

DEL H

OM

BR

OFlow arm

Centro de la huella. 50x

“Remolino” al centro de la pepita. 10x

20x

PEP

ITA

PEP

ITA

- O

NIO

N R

ING

S

ON

ION

RIN

GS

Detalle de Kissing Bond. 10x

KIS

SIN

G B

ON

D

RESULTADOS CON ATAQUE CON REACTIVO DE BERAHA

Ligeramente colorea la fase CuAl2

Al-Cu-Fe-Mn script se colorea azul

La fase FeSiAl5 se colorea café-azul

NiAl3 o FeNiAl9 se colorea café

La matriz de aluminio permanece brillante (no se colorea)

MB-ZTA ZTA ZTA - ZTMA

ZTMA

PEPITA

ZONA DE AGITACIÓN

ATA

QU

E C

ON

REA

CTIV

O D

E B

ER

AH

A.

3X

RESULTADOS

ZTM

A-Z

TA

. 10X

RESULTADOS

ZTM

A-Z

TA

. 10X

ZTA

20X

MB

20X

ZTA-ZTMA

20X

MB

-ZTA

-ZTM

ARESULTADOS

PEP

ITA

. 5X

RESULTADOS

MIC

RO

IND

ETA

CIÓ

N V

ICK

ER

SRESULTADOS

RESULTADOSTEN

SIÓ

N

PROBETA

RESISTENCIA A LA TENSIÓN

(σTEN)

ESFUERZO DE CEDENCIA (σCED)

ALARGAMIENTO

[MPa] [MPa] %

11  197.39 123.54  x

12 191.37   113.44 x

14 179.80   103.91 x

15 195.82 120.21 13.7

21 195.97 123.92 13.86

22 193.76 118.6 14.41

23 194.75 118.17 12.83

24 191.87 114.83 15.55

25 193.48 111.65 14.45

31 196.07 119.17 13.07

32 193.62 115.66 17.2

33 193.49 119.65 17.68

34 195.09 121.34 17.28

35 196.57 117.47 11.85

TEN

SIÓ

N

RESULTADOS

ANÁLISIS DE RESULTADOS

Una identificación clara de los Onion Rings en

todas las uniones, es indicación de una “soldadura

fría” [7], es decir, que las temperaturas alcanzadas

en el proceso de unión no fueron muy cercanas al

punto de fusión [5].

ANÁLISIS DE RESULTADOS

SOBRE ESTUDIO DE LA MICROESTRUCUTRA

Por lo general, la dureza depende de la

distribución de los precipitados más que del

tamaño del grano, y la baja dureza en la zona

de agitación se deba a la disolución de los

precipitados durante la SFA, donde las

temperaturas alcanzadas son suficientes

para disolver los precipitados, y el enfriado

que ocurre enseguida de la soldadura es

suficientemente rápido para retener los

elementos aleantes en una solución sólida

saturada. [7]

ANÁLISIS DE RESULTADOS

La fractura en las probetas de tensión siempre se presentó

sobre la ZTA, región donde también se obtuvieron valores

menores de dureza (60HV), y donde se observaron granos

de mayor tamaño y con cambios en su dirección.

Los valores promedio obtenidos en Ensayo de Tensión son:

σced 118.42 MPa

σten 194.52 MPa

% alargamiento 14.72%.

ANÁLISIS DE RESULTADOS

CONCLUSIONES

¿Es factible generar Soldaduras por

Fricción Agitación utilizando una

fresadora convencional o una

fresadora CNC?

¿Las propiedades resultantes de las

soldaduras generadas son

satisfactorias?

¿Existen aplicaciones viables en la

región a corto o mediano plazo?

¿Hay oportunidades para el

desarrollo de nuevos modelos de

utilidad?

CONCLUSIONES

OBJETIVOS CUMPLIDOS

1) Obtener tres uniones por SFA bajo las mismas condiciones, sin la presencia de defectos graves,

como poros o agujeros de gusano, utilizando las herramientas diseñadas y producidas dentro del

Tecnológico de Monterrey, Campus Querétaro, y la fresadora CNC Kryle VMC 535F perteneciente a la

celda de manufactura del mismo instituto.

2) A través del análisis metalográfico de las diferentes secciones de las uniones, identificar las

estructuras presentes en las zonas que la conforman: Zona Térmicamente Afectada (o Afectada por el

Calor), Zona Termo-Mecánicamente Afectada y Pepita.

3) Determinar los valores de las propiedades de tensión de las uniones en base a la norma ASTM E8.

4) Determinar la dureza en la sección transversal de las uniones mediante el Ensayo Vickers

PROPUESTAS DE TRABAJO A

FUTURO

PROPUESTAS DE TRABAJO A FUTURO

1) Análisis Térmico

2) Tratamientos Térmicos Post-soldadura

GRACIAS

[1] http://www.twi.co.uk/content/fswequip.html

[2] http://www.keytometals.com/page.aspx?ID=CheckArticle&site=kts&NM=222

[3] http://www.ask.com/wiki/Friction_stir_welding

[4] ASM Specialty Handbook: Aluminium and aluminium alloys. ASM International. EUA, 1993

[5] “Efecto de la geometría de la punta de la herramienta para soldadura por fricción agitación (SFA) en las propiedades mecánicas de aleación de aluminio AA-T651”;

Santiago Valencia, Víctor Rubén. Tesis de Maestría en Sistemas de Manufactura. Tecnológico de Monterrey Campus Querétaro. Octubre 2010.

[6] Friction Stir Welding and Processing. Rajiv S. Mishra, Murray W. Mahoney. ASM International. EUA, 2007.

[7] “Microscopic Observations of Friction Stir Welded 6061 Aluminum Alloy”. Li Liu, Hideyuki Nakayama, et al. The Japan Institute of Metals. Materials Transactions, Vol. 45,

No. 2 (2004)

[8] “Microstructure, residual stress distribution and mechanical properties of Friction-Stir AA 6061 Aluminium Alloy Weldments”. Madhusudhan, G. et al. Indian Society for

Non-Destructive Testing, Hyderabad Chapter. Procedures of the National Seminar on Non-Destructive Evaluation. India, Diciembre 7-9, 2006.