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INNOVACIÓN EN SOLDADURA
Proceso de Soldadura por Fricción-Agitación (FSW)
Dr. Ing. Hernán. G. [email protected]
INTECIN -FIUBA y CONICET
Buenos Aires - Diciembre de 2009
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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
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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
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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
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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.
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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.
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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
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• 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.
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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
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Aplicaciones
Principales industrias en las que se aplica el proceso FSW:• Aeronáutica y Aeroespacial• Naval• Automotriz• Ferroviaria
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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
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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
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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
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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.).
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Perfiles de temperatura
Perfiles de temperatura (K) calculados en junta de Tî-6Al-4V, (275RPM-96mm/min)
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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Herramientas con pin auto reactivo
R. Edwards et al., 7th Trends in Welding Research, 2005
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Herramientas cónicas sin hombro
D.H. Lammlein et al., Materials and Design 30 (2009) 4012–4022
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Máquinas y Equipos
Máquinas de laboratorio Fresadoras adaptadas
Máquinas de mayor porte Robots
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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
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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
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Evolución microestructural
a: metal base (BM), b: zona afectada termicamente (HAZ), c: zona termomecánicamente afectada (TMAZ), d: zona de agitación (SZ o WN)
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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
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Zona Afectada Termomecánicamente (TMAZ)
R.S. Mishra et al., Materials Science and Engineering R 50 (2005) 1–78
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Evolución microestructural
R.S. Mishra et al., Materials Science and Engineering R 50 (2005) 1–78
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Propiedades mecánicas
R.S. Mishra et al., Materials Science and Engineering R 50 (2005) 1–78
Svoboda et al., SAM/Conamet , 2009
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Comparación con soldadura GMAW
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Vida a la Fatiga y propagación
Superior vida a la fatiga que soldaduras convencionales
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FSW Aceros: Microestructura y propiedades
Propiedades mecánicas del material base y las soldaduras por FSW en materiales de alta temperatura de fusión
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FSW en materiales Compuestos y Disímiles
Valores de resistencia de soldaduras de materiales compuestos
Resistencia de juntas disimilares
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FSW materiales disímiles
Soladura disimilar en Al-Acero
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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
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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
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Friction Spot Stir Welding
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Friction Spot Stir Welding
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Friction Stir Processing
Procesamiento de materiales por fricción agitación
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Scripta Materialia 57 (2007) 17–20
Friction Stir Processing
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Tratamiento de talones de soldaduras porfusión con FSP
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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.