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Soldadura por Fricción Agitación en Placas de Aleación de Aluminio AA6061-T651TRANSCRIPT
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.