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3 ra sJo rnada sITE- 20 15-Fa cu l tadd eIng en i e r ía-UNLP OPT IM IZAC IÓNDELAS PROP IEDADESDEUNASOLDADURAPORFR ICC IÓNY AG ITAC IÓN(FSW )ENCHAPASDEALUM IN IO. L .E .Fe loy ,D .A .Vuce t ich ( * ),A .C . Gonza lez P ro InTec(enfo rmac ión ) ,Depa r tamen tode Mecán ica ,Facu l taddeIngen ie r ía , Un ive rs idadNac iona ldeLaP la ta ,(UNLP ) ,1900 , BA ,A rgen t ina ( * )Facu l taddeIngen ie r íadeLaP la ta(UNLP ) ,BA ,A rgen t ina ( * ) .Ema i l :dan i lo .vuce t ich@ ing .un lp .edu .a r In t roducc ión Af ina le sde1991fuecon ceb idoyde sa r ro l ladopo rThe We ld ingIn s t i tu te (TW I )unnue vo mé tododeso ldadu ra ,e lcua lsedenom inóF r i c t ionS t i r We ld ing(FSW ) .E s tenue vop ro ce so demo s t róalola rgodees tosú l t imosaño stene rung ranpo ten c ia lpa ralarea l iza c iónde cua lqu ie rt ipodeun iones ,enespec ia lpa raa lea c ione sdea lumin io . Ene lp ro ce soFSWunahe r ram ien tac i l índ r i cacompue s tadedo scue rpo s ,e lhomb roye l p in ,lacua lg i raaunde te rm inadonúme rodere vo lu c ione s ,e sin t rodu c idalen tamen tepo r unafue rzaax ia l ,en t relal íneadeun ióndela sdo schapa sop la ca sauni r ,la scua le sse en cuen t rand i spues ta satopeunacono t ra . F igu ra1:esquemadefunc ionam ien tode lp ro ce sodeso ldadu rapo rf r i c c ión ag i ta c ión . E lca lo r def r i cc ión es gene rado po re lcon ta c to en t re e l homb ro dela he r ram ienta de so ldadu rag i ra to r iaconlasupe r f i c iedela schapa saso lda rylade fo rma c iónde l ma te r ia l p romo v idapo re lp indelahe r ram ien ta .E s teca lo rp ro vo caunab landam ien tode l ma te r ia l , s inl lega ralafus ión ,fa vo rec iendolade fo rma c iónde lm i smo .E l mo vim ien todero ta c ióny a van cedelahe r ram ien tap romue veunf lu joy me z c ladode l ma te r ia lde sdeunbo rdeha c ia e lo t rodelaso ldadu ra , locua lcondu cea laun ión ,ene s tadosó l ido ,en t re la sdo sp ie za s . En t rela sp r in c ipa lesva r iab lesacon s ide ra rene lp ro ce sodeso ldadu raFSW ,la scua le sson fá c i lmen tecon t ro ladas ,sedes tacan : Ve lo c idaddero ta c iónde lahe r ram ien ta . Fue rzaax ia lqueseap l i casob re lahe r ram ien ta . Ve lo c idaddeavan cede lahe r ram ien ta . E ld i señodelahe r ram ien tajuegaunimpo r tan tero lenlaca l idadf ina ldelaso ldadu ra ,como a s ítamb ién ,en lave loc idaddeso ldadu ra . Ene lde sa r ro l lode lp resen tet raba josepe r s igu iólah ipó te s i sdequelaredu c c iónde lca lo r apo r tadoa l ma te r ia lset raduceenunaumen toen la sp rop iedade s me cán i ca sdelazonade l co rdón deso ldadu ra , deb ido a que no se a c t i va r íanlo s me can i smo sté rm i co s quela s 6 3 6 D epa r tam en t od eM e cán i ca Pág ina1de6 20 15-AñoIn t e rna c iona ld elaLu z 3 ra sJo rnada sITE- 20 15-Fa cu l tadd eIng en i e r ía-UNLP redu cen .Lafo rma de con t ro la re l ca lo r apo r tado po rla he r ram ien ta e s med ian tela mod i f i ca c iónde lave loc idaddeg i roydea van cedela m i sma . Desa r ro lloexpe r imen ta l Lap lan i f i ca c ióndelave loc idaddeg i roydea vancedelahe r ram ien tafuede sa r ro l ladasob re laba sedeexpe r ien c iasan te r io res .Larea l i za c ióndela sso ldadu ra spa ralagene ra c iónde la s mue s t rasfuemed ian te unahe r ram ien tanue vaconsusd imen s ione scon t ro lada ssegún e lp ro ced im ien tode med i c ióndelahe r ram ien tade sa r ro l ladoba jolano rmaAWS D17 .3 .La he r ram ien tadenom inadaM4 p resen taund iáme t rodehomb rode12 mmydep inde4 ,5 mm. Se m id ie ronenlasexpe r ien c ias2pa ráme t ro spa r t i cu la re s ,e lto rquegene radopo re l mo to ry latempe ra tu ra de l ma te r ia l en e lp ro ce so de un ión .E lto rque de l mo to rfue ob ten ido d i re c tamen te de l con t ro lado r de l m i smo .E lp ro ced im ien to de med i c ión detempe ra tu ra con s tód elain t roducc ióndeunate rmo cup lat ipoKdea l tasen s ib i l idadene l ma te r ia lba se ha s talal íneadeun ióndelaschapa s ,comose mue s t raenlaf igu ra2,ylare co le c c iónde da to s med ian teunp i róme t rod ig i ta lconda talogge r . Aunquesesabequee l mé todonoe s capa zdeda rlatempe ra tu raexac tade lp ro ce so ,deb idoaquelate rmo cup lain te r f ie reene l f lu joypo rlotan to ,enlatempe ra tu rapun tua l ,seen t iendequee se l mé todoquepuede b r inda r má sa jus tadamen telatempe ra tu radelareg ión . F igu ra2:E squemadepo s i c ióndete rmo cup la . Latab la 1 en e l apa r tado dere su l tado s mue s t rala s med i c ione stomada s du ran tela gene ra c ióndelas mue s t ras .Ene l lasepuedeob se r va runcamb ioimpo r tan teene la spe c to de lto rquede sa r rol ladopo re l mo to rimpu l so rde lu s i l lo ,p romo v idopo re lde s cen sodela tempe ra tu rade l ma te r ia l . Unavezrea l i zadaslas mue s t ras ,seco r robo rósusan idadba jola scond i c ionan te sdela no rma AWS D173yp roced im ien tosdeau to r íap rop ia .E s to sp ro ced im ien to se spe c i f i can que luegodegene radala mue s t ra ,sedebenp ra c t i ca r la ss igu ien te sope ra c ione s : - In specc iónv i sua ldela mue s t ra . - En sa yosdet in taspene t ran tesen lara í zde lco rdón . - M i c rog ra f íade lasecc iónt ran sve r sa lde lco rdón . In spe c c iónv i sua l Toda sla s mue s t rasgene radasenes tatandafue ronap robada spo rlain spe c c iónv i sua l . N inguna mos t rós igno sdefa l tadepene t ra c ión ,ca v idade se c lo s ionada soe x ce s ivof la sho de sa l inea c ión . 6 3 7 D epa r tam en t od eM e cán i ca Pág ina2de6 20 15-AñoIn t e rna c iona ld elaLu z 3 ra sJo rnada sITE- 20 15-Fa cu l tadd eIng en i e r ía-UNLP En sa yo sdet in taspene t ran tesen lara íz . Ap robadalainspecc iónv i sua ldelas mue s t ra s ,sep ro ced ióarea l i za re len sa yodet in ta s pene t ran te s .É s tefuee jecu tadopo rpe rsona len t renadopa ra N i ve l2ba joe lp ro ced im ien to p rop io con e l nomb re de“P roced im ien to pa ralain spe c c ión po rl íqu ido s pene t ran te s so ldadu ra spo rf r i cc ión ag i tac ión ”.E lre su l tadode lp ro ced im ien tofuee x i to so . En sa yo s me ta log rá f i cos Pa racomp le ta rlainspecc ióndelas mue s t ra scone lob je t i vodede te rm ina rsusan idad ,se p ro ced ió area l iza rm i c rog ra f ías dela se c c iónt ran s ve r sa l de l co rdón .E lp ro ced im ien to gene radoba jolano rmaan te r io rmen te men c ionadapa ralarea l i za c ióndee s ta sm i c rog ra f ía s de te rm inaquesedebenob tene rdo sco r te sde lco rdónsegúne le squema mo s t radoenla f igu ra3. E lre su l tado de es te aná l i s i stamb iénfue e x i to so . No se v ie ron mue s t ra s defa l ta de pene t ra c iónene lco rdónylaes t ruc tu radelazonadeba t idono mo s t róde fe c to s .Laf igu ra4 mue s t raunase lecc ióndela s qu incem i c rog ra f ía sob ten ida s F igu ra3:esquemadeco r tedep robe ta spa ra e laná l i s i sm i c rog rá f i co . F igu ra4:Se le c c iónde m i c rog ra f ía s tomada scon50 xdeaumen to . La simágenessone locuen tes . Comosepuedeob se r va r ,noe x i s ten mue s t ra sdede fe c to s , tan todefa l tadepene t ra c ión ,comoin te rno sene lco rdón . En sa yo s mecán i cos . Luegodehabe rdemo s t radolasan idaddela s mue s t ra srea l i zada ssep ro ced ióa med i rla s p rop iedade s mecán i caslog radas po rla s un ione s . Pa ra e s tose p repa ra ron p robe ta s de t ra c c iónsegúnno rmaIRAM766 .Laf igu ra5mue st rae le squemade lap robe ta . F igu ra5:p robe tasubd imen s ionadasegúnno rmaIRAM766 6 3 8 D epa r tam en t od eM e cán i ca Pág ina3de6 20 15-AñoIn t e rna c iona ld elaLu z 3 ra sJo rnada sITE- 20 15-Fa cu l tadd eIng en i e r ía-UNLP Lo sen sa yo sdelasp robe tasdelas mue s t ra sso ldada sserea l iza roncone x ten sóme t roala ro tu ra .E s te mé todope rm i tede te rm ina rde mane ra má se xa c talaten s ióndef luen c ia .Pa ra un me jo rre su l tado ,serea l iza ron4p robe ta spo r mue s t ra .E s toe sdeb idoaquelade s v ia c ión e s tánda r delosresu l tados es s ign i f i ca t i vamen te ma yo r alo s de l ma te r ia l ba se . Lo s re su l tado sse mue s t ranenlatab la1de lase c c iónCo r re spond ien te. Resu l tados Enlatab la 1se mue s t ranlosresu l tado sdela s med i c ione sylo sen sa yo sdee xpe r ien c ia s rea l i zada s . Tab la1:D a to sm e d ido sd elag en e ra c iónd emu e s t ra sd ee s tatanda Mu e s t r a V e lo c id ad V e lo c id ad Co e f i c ien te To rqu e Tempe r a tu r a Ten s iónde Ten s ión d eg i ro d ea v an ce d eapo r te [Nm ] m á x im a f lu en c i a m á x im a 1 [RPM ] [mm /m in ] d eca lo r med id a[ ºC ] [MP a ] [MP a ] 00 1 2900 180 16 , 1 5 ,4 41 6 ,4 18 2 ,2 31 6 ,4 00 2 2800 180 15 , 6 5 ,5 3 39 2 ,1 18 3 ,5 31 9 ,4 00 3 2700 180 15 , 0 5 ,1 36 6 ,5 18 1 ,4 32 9 ,2 00 4 00 5 2600 2500 180 180 14 , 4 5 ,3 5 ,4 39 3 ,4 17 7 ,8 18 5 ,1 32 5 ,5 35 5 ,3 00 6 2300 180 6 ,2 34 3 ,3 2100 1900 1700 1500 1300 1100 1100 1100 1100 180 180 180 180 180 180 195 210 225 37 5 ,3 34 3 ,4 36 1 ,2 34 7 ,5 35 1 ,3 35 5 ,7 35 3 ,7 35 6 ,4 34 9 ,3 34 4 ,4 18 5 ,3 00 7 00 8 00 9 01 0 01 1 01 2 01 3 01 4 01 5 12 , 8 11 , 7 10 , 6 9 ,4 8 ,3 7 ,2 6 ,1 5 ,6 5 ,2 4 ,9 18 3 ,8 18 8 ,1 19 0 ,5 19 3 19 3 18 9 ,8 18 4 19 1 18 0 33 0 33 5 34 6 35 1 34 1 ,1 33 6 30 6 34 5 34 1 13 , 9 6 ,9 7 ,5 8 ,1 9 10 , 2 11 , 7 12 , 5 12 , 7 13 , 8 35 6 ,4 1 E lC o e f i c i en t ed eapo r t ed ec a lo re su n am ed i d ac om p a r a t iv ad e lc a l o ra po r t a d oqu er e l a c i on al av e l o c i d a dd e g i roconl av elo c id add eav an c ed el ah e r r am i e n t a . 6 3 9 D epa r tam en t od eM e cán i ca Pág ina4de6 20 15-AñoIn t e rna c iona ld elaLu z 15 Ten s ión má x im a[MP a ] 450 To rque[Nm ] 400 10 350 300 5 250 200 0 ,0 5 ,0 10 , 0 15 , 0 0 20 , 0 Coe f i c i en tedeApo r tedeC a lo r Temp e r a tu r a To rque F igu ra6:g rá f i codetempe ra tu ra máx ima med idayto rque med idoenfun c ióna l coe f i c ien tedeapo r tedeca lo r . Ten s ión Má x im a[MP a ] 3 ra sJo rnada sITE- 20 15-Fa cu l tadd eIng en i e r ía-UNLP 360 350 340 330 320 310 0 ,0 5 ,0 10 , 0 15 , 0 20 , 0 Coe f i c i en tedeApo r tedeC a lo r F igu ra7:Ten s ión Má x imaenfun c ióna l coe f i c ien tedeapo r tedeca lo r . Comoseob se rva,e lto rque med idofuea s cend iendoin in te r rump idamen tea med idaquese a vanzabaconla p lan i f i cac ión ,tan to enla s mue s t ra sdondese man tu volave lo c idad de a van cecon s tan tecomoenlae tapadondese man tu volave lo c idaddeg i rocon s tan teyse va r ióe lavan ce .E s tádemásde c i rquelacond i c iónopue s taseob se rvóenlatempe ra tu ra med idadu ran tee lp roce sodeb idoa lca lo rapo r tado . P robab lemen telo má simpo r tan tese mo s t róenlosre su l tado sdelo sen sa yo s me cán i co s dondesepuedeob se rva rquea med idaque seredu cee lca lo rapo r tado ,seaumen tanla s p rop iedade s mecán i cas . E s tefenómenonoha ce másquecon f i rma rloquef í s i camen tesesuponesob ree lapo r tede ca lo ra l ma te r ial . Queda de te rm ina r ,como apo r tancada uno delo s pa ráme t ro sae s te e fe c to ,quecomoseexp l i cóan te r io rmen teno loha cende mane rap ropo r c iona l . Loimpo r tan tedees teaspe c toyquecump lecone laná l i s i sp lan teadoene s tet raba joe sque se d i señó la p lan i f i cac ión pa ra d i sm inu i r la tempe ra tu ra de l p ro ce so y e so fue pa r t i cu la rmen telosuced ido . Noso loseen cuen t rademo s t radopo re laumen tode lto rque ap l i cadopo re lus i l lo ,s inoquetamb iénse m id iólatempe ra tu rade lco rdóndeso ldadu ra du ran tee lp roce so . Conc lus iones E lt raba jopl an teado,engene ra l,pudodemo s t ra rlah ipó te s i sp ropue s ta .E sde c i r ,quedó demo s t radoquea med idaqueseapo r ta meno sca lo ralaso ldadu ra ,lae f i c ien c iame cán i ca dela sm i smasaumen ta . La s mue s t rasrea l i zadasresu l ta ronl ib re sdede fe c to s .S ib iensebu s có ,comose men c ionó an te r io rmen te , ba ja rlatempe ra tu ra de l pro ce so , no se e v iden c ia ron in con ven ie nte s re su l tan te s de es to . Lo quetodav ía e s tá quedando pend ien te en e s ta s so ldadu ra se s ana l iza rla m i c roe s t ruc tu radelazonadeba t idopa rave rlae vo lu c ióndelare c r i s ta l i za c ión delo sg rano sylaag lome rac ióndep re c ip i tado s . Todo slo seven tosf í s i cosp rev i s tosfue rondemo s t rado s . A medidaquesea vanzóenla redu c c ión de l ca lo r apo r tado ,latempe ra tu ra d i sm inu yó ylare spue s ta de l ma te r ia l se man tu vo a co rde . Un a spe c tol lamóla a ten c ión de e s tere su l tado . La tempe ra tu ra de l ma te r ia l de scend ió ha s ta un c ie r to va lo r , 350ºC ap ro x imadamente , yf renó suca ída . 6 4 0 D epa r tam en t od eM e cán i ca Pág ina5de6 20 15-AñoIn t e rna c iona ld elaLu z 3ras Jornadas ITE - 2015 -Facultad de Ingeniería - UNLP Mientras que el torque de la herramienta siguió aumentando. No es posible con los análisis realizados en este trabajo determinar la causa real de este fenómeno, con lo que queda pendiente para futuros estudios. Los resultados de los ensayos mecánicos de las muestras en promedio resultan de una eficiencia2 en la unión que supera el 77%, y en algunos casos puntuales por encima del 80%, aumentando más del 10 % sobre valores obtenidos en las primeras tandas. Si bien la tensión de fluencia es baja con respecto a la del material base, con valores máximos que superan el 55 %, esta tensión ya es superior a la obtenida por los métodos convencionales de unión por fusión del material. Bibliografía 1. American Society for Metals. ASM Speialty Handbook, Aluminium and Aluminium Alloys. 1996. 2. International Standard Organization. ISO 25239-2. Friction Stir Welding - Aluminium Part 2: Design of weld joints. 2011. 3. —. ISO 25239-4. Friction Stir Welding - Aluminium - Part 4: Specification and qualification of welding procedures. 2011. 4. International Standard Organisation. ISO 25239-5. Friction Stir Welding - Aluminium Part 5: Quality and inspection requirements. 2011. 5. Adamowski, J. y Szkodo, M. Friction Stir Welds (FSW) of aluminium alloy AW6082-T6. Journal of achievments in Materials and Manufacturing Engineering. 2007, Vol. 20, págs. 403 - 406. 6. Arora, A., y otros, y otros. Strains and strain rates during friction stir welding. Scripta Materalia. 2009, Vol. 61, págs. 863 - 866. 7. Arora, A., De, A. and DebRoy, T. Toward optimun friction stir welding tool shoulder diameter. Scripta Materialia. 2011, Vol. 64, pp. 9 - 11. 8. Elangovan, K. and Blasubramanian, V. Influence of pin profile and rotational speed of the tool on the formation of friction stir processing zone in AA2219 aluminium alloy. Materials Science and Ingineering A. 2007, Vol. 459, pp. 7 - 18. 9. Gerlich, A., Su, P. y North, TH. Peak temperatures and microstrutures in aluminium and magnesium alloy friction stir spot welds. Science and Technology of Welding & Joining. 2005, Vol. 10, 6, págs. 647 - 652. 10. Jata, K. V. and Semiatin, S. L. Continuous dynamic recritalization during friction stir welding of high strength aluminum alloys. Scripta Mater. 2000, Vol. 43, pp. 743 - 749. 11. Mase, Geoge. Mecánica del Continuo. s.l. : MacGraw-Hill, 1983. 12. Mishra, R. S. and Ma, Z. Y. Friction stir welding and processing. Materials Science and Engineering. 2005, Vol. 50, pp. 1 - 78. 2 Eficiencia que se mide en función a la tensión máxima. Tomada con respecto al resultado del ensayo transversal al sentido de laminación debido a la orientación que tienen las chapas con las que se generaron las muestras. 641 Departamento de Mecánica Página 6 de 6 2015 - Año Internacional de la Luz
