La soldadura por fricción y agitación diferente (DFSW) es la aplicación de la soldadura por fricción y agitación (FSW), inventada en The Welding Institute (TWI) en 1991, [1] para unir diferentes metales base , incluidos aluminio , cobre , acero , titanio , magnesio y otros materiales. . [2] Está basado en soldadura de estado sólido, lo que significa que no se derrite . DFSW se basa en un calor de friccióngenerado por una herramienta simple con el fin de ablandar los materiales y agitarlos juntos utilizando movimientos de rotación y transversal de la herramienta. En sus inicios, se utiliza principalmente para unir metales base de aluminio [3] debido a la existencia de defectos de solidificación al unirlos por métodos de soldadura por fusión como la porosidad junto con compuestos intermetálicos espesos . [4] DFSW se tiene en cuenta como un método eficaz para unir materiales diferentes en la última década. [5]Hay muchas ventajas para DFSW en comparación con otros métodos de soldadura, incluido el procedimiento de bajo costo, fácil de usar y fácil de usar, lo que da como resultado un uso enorme de la soldadura por fricción y agitación para uniones diferentes. La herramienta de soldadura, los materiales de base, la placa de respaldo (accesorio) y una fresadora son materiales y equipos necesarios para DFSW. Por otro lado, otros métodos de soldadura, como la soldadura por arco de metal blindado (SMAW), generalmente necesitan un operador altamente profesional, así como equipos bastante costosos.
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Principio de funcionamiento
El mecanismo de DFSW es muy simple. Una herramienta giratoria se sumerge en la interfaz de los metales originales y la entrada de calor generada por la fricción entre la superficie del hombro de la herramienta y la superficie superior de los metales base conduce al ablandamiento de los materiales base. En otras palabras, el movimiento de rotación de la herramienta mezcla y agita los metales originales y crea una mezcla pastosa suavizada. Posteriormente, el movimiento transversal de la herramienta a lo largo de la interfaz crea una articulación. Esto da como resultado una unión final que combina la unión mecánica y metalúrgica en la interfaz. Estas dos uniones son críticas para lograr las propiedades mecánicas adecuadas. [6] Los diseños a tope y traslapado son los tipos de juntas más comunes en la soldadura por fricción y agitación diferente (DFSW). Asimismo, un material es generalmente más duro que el otro. En general, los materiales duros y blandos se colocan en los lados de avance y retroceso respectivamente durante la soldadura . [7]
Geometría de la herramienta
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La configuración de la herramienta es un factor importante para lograr una unión sólida. La herramienta consta de dos partes, incluido el hombro de la herramienta y el pasador de la herramienta, como se muestra en la figura siguiente. El hombro de la herramienta genera calor por fricción, mientras que el pasador de la herramienta agita los materiales ablandados. Se pueden usar varias configuraciones de pasador y hombro para DFSW. "Cilíndrico", "rectangular", "triangular" y "cilíndrico roscado" son los perfiles de pasador de herramienta más comunes, [8] mientras que "sin características" y "enrollado" son las configuraciones de hombro de herramienta más comunes. [9] La selección del material de la herramienta depende de los materiales base que se unirán. Por ejemplo, para las uniones de aluminio / cobre , [10] generalmente se usa acero de aleación para trabajo en caliente , mientras que para metales más duros como las uniones de titanio / aluminio , el carburo de tungsteno es común. [11]
Parámetros de soldadura
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En DFSW, las propiedades mecánicas incluyen principalmente resistencia a la tracción , dureza , límite elástico , alargamiento . La selección de los parámetros de soldadura óptimos permite lograr las propiedades mecánicas adecuadas de la junta. La velocidad de rotación de la herramienta (rpm), la velocidad transversal de la herramienta (mm / min), el ángulo de inclinación de la herramienta (grados), la compensación de la herramienta (mm), la penetración de la herramienta (mm) y la geometría de la herramienta son los parámetros de soldadura más importantes en DFSW. El centro de la herramienta se coloca típicamente en la línea central de la junta para juntas similares como juntas de aluminio / aluminio o cobre / cobre; por el contrario, se desplaza hacia los materiales más blandos en DFSW llamados compensación de herramienta . [12] Es un factor significativo para lograr una unión que posea un menor defecto de soldadura y mayores propiedades mecánicas . Generalmente, los materiales más duros y más blandos se colocan en el lado de avance (AS) y el lado de retroceso (RT) respectivamente. [13] Independientemente de la geometría de la herramienta, que juega un papel crítico en las propiedades mecánicas y metalúrgicas finales de la soldadura, el efecto de la velocidad de rotación de la herramienta y la compensación de la herramienta se tienen en cuenta como los parámetros de soldadura más importantes durante la DFSW.
Generación de calor
Una herramienta giratoria no consumible se sumerge en la interfaz de los materiales originales. El calor de fricción que surge del hombro de la herramienta a lo largo de la soldadura plastifica los materiales originales, lo que conduce a una deformación plástica local de los materiales originales. El calor localizado generado por la herramienta es el resultado del siguiente proceso. En la etapa inicial, surge principalmente del calor de fricción entre el pasador sumergido y los materiales originales. [14] Posteriormente, se produce principalmente por el calor de fricción entre la superficie del hombro y la superficie superior de los metales base una vez que el hombro toca la superficie superior. Posteriormente, los materiales ablandados se mezclan mediante el pasador giratorio, lo que da como resultado una unión de estado sólido. Frigaard y col. mostró que la velocidad de rotación de la herramienta y los diámetros de los hombros de la herramienta son los principales factores que contribuyen a la generación de calor. [15]
Flujo de materiales
El mecanismo de vinculación en DFSW se basa en dos conceptos simples. Primero, los materiales agitados, un flujo de mezcla de metales duros y blandos, se forjan en la interfaz de material más duro, lo que genera una fuerte unión mecánica en la interfaz. Además, se forma una unión metalúrgica complementaria en la interfaz que mejora y mejora las propiedades mecánicas de la junta. [16] El flujo de materiales a lo largo de DFSW depende de varios parámetros, incluidos los parámetros del proceso de soldadura, la geometría de la herramienta y los materiales base. La geometría de la herramienta es el factor más importante para lograr un flujo de material adecuado.
Defectos
La aparición de defectos de soldadura en DFSW es bastante común. Los defectos de soldadura en DFSW incluyen defectos de tunelización, defectos de fragmentos, grietas, huecos, cavidades o ranuras superficiales y formación excesiva de rebabas. [17] Entre estos, el defecto de tunelización es el defecto más común en DFSW como resultado de flujos de material incorrectos durante la soldadura. Se atribuye principalmente a una selección inadecuada de los parámetros de soldadura, en particular la velocidad de soldadura, la velocidad de rotación, el diseño de la herramienta y la penetración de la herramienta, lo que provoca una agitación anormal o una entrada de calor insuficiente. [18] La formación de fragmentos gruesos de materiales más duros dentro de la matriz de materiales más blandos es otro defecto típico observado solo en DFSW. [19] Generalmente, durante DFSW, los materiales de pasta se comportan como un compuesto de matriz metálica, de modo que los materiales más duros y más blandos actúan como matriz y refuerzo respectivamente. De hecho, es muy importante mantener el material más duro en un tamaño relativamente pequeño para lograr el mejor flujo de materiales. Por lo tanto, cualquier factor que cause la formación de una gran pieza de material más duro conduce a la aparición de defectos en los fragmentos. El desplazamiento de la herramienta y el diseño del pasador de la herramienta se tuvieron en cuenta como los factores contribuyentes más importantes en la formación del defecto del fragmento en DFSW. Se consideró que perturbaban el flujo de material resultante de la formación de grandes piezas de material más duro dentro de la matriz de material más blando debido al hecho de que es bastante difícil remover y mezclar materiales en pasta cuando uno de ellos no es relativamente fino. Además, los defectos de los fragmentos suelen acompañar a otros defectos como huecos y grietas.
Características típicas
DFSW muestra varias características en términos de distribución de dureza , resistencia a la tracción , microestructura , formación de compuestos intermetálicos así como formación de una estructura compuesta dentro de la zona de agitación. La mayoría de las juntas diferentes fabricadas por FSW muestran resultados similares.
Dureza
Dado que los materiales base tienen diferentes propiedades mecánicas , la distribución de la dureza no es homogénea, lo que puede atribuirse a dos razones diferentes. [20] Primero, las diferentes propiedades mecánicas de los materiales base, incluida la dureza, provocan falta de homogeneidad en las soldaduras. En segundo lugar, diferentes microestructura y tamaño de grano de las zonas de soldadura, incluida la zona de agitación, TMAZ y HAZ, dan como resultado varias durezas. Además, la dureza en la zona de pepitas o zona de agitación es muy heterogénea debido a la formación de anillos de cebolla (estructura compuesta) e IMC. Como resultado, las juntas diferentes muestran una distribución no homogénea en la zona de pepitas o zona de agitación. [21]
Microestructura
Normalmente se observan cuatro zonas de soldadura diferentes, incluida la Zona de agitación (SZ) o la zona de pepitas, la Zona afectada termomecánica (TMAZ), la Zona afectada por el calor (HAZ) y los Metales base (BM) en uniones diferentes fabricadas por FSW . [22] La microestructura de la soldadura demuestra un notable refinamiento del grano en la zona de agitación junto con el alargamiento de los granos en el TMAZ. La intensa deformación plástica provocada por la acción de la herramienta, los movimientos de rotación y de desplazamiento explican el notable refinamiento del grano en la zona de agitación. Además, HAZ presenta un grano relativamente más grueso que se puede atribuir a una menor velocidad de enfriamiento en comparación con otras áreas de soldadura. Algunos fenómenos son típicos en la soldadura por fricción y agitación diferente, incluida la formación de compuestos intermetálicos (IMC) y la aparición de una estructura similar a un compuesto (CS) que apareció en varios patrones, específicamente aros de cebolla que se muestran en la figura siguiente. Los IMC y CS mejoran el comportamiento mecánico de las juntas en función de sus condiciones, como el grosor de los IMC y el patrón de distribución de la estructura de tipo compuesto. La selección adecuada de los parámetros de soldadura optimiza la formación de IMC y CS, lo que da como resultado las propiedades mecánicas más altas . Como se señaló anteriormente, la velocidad de rotación, la velocidad de soldadura y la compensación de la herramienta junto con el pasador de la herramienta son los factores más importantes que afectan las propiedades mecánicas y metalúrgicas durante DFSW. A diferencia de los métodos de soldadura por fusión convencionales que se acompañan de IMC interfaciales sustancialmente gruesos, [23] formar una unión metalúrgica interfacial durante DFSW es esencial para lograr una unión sólida. Sin embargo, debe mantenerse en condiciones óptimas para mejorar y mejorar las propiedades mecánicas, es decir, debe ser delgado, uniforme y polémico. [24]
IMC
Los IMC son otro fenómeno típico en DFSW. Existían algunos criterios para los IMC con el fin de lograr una unión sólida, incluido el grosor, la uniformidad y la continuidad. [25] Los tipos más comunes de IMC que aparecen en las juntas de aluminio / cobre son Al4Cu9, Al2Cu3, Al2Cu. [26] La interfaz y el borde circundante de las partículas dispersas en la zona de la pepita son dos lugares principales en los que se formaron los IMC. Asimismo, dependiendo del tamaño de las partículas de material más duro que se dispersaron en la matriz de material más blando, las partículas gruesas se transforman parcialmente en IMC principalmente alrededor del borde exterior de las partículas, mientras que las partículas finas se transforman completamente en IMC. Vale la pena señalar que el espesor promedio de los IMC es inferior a 2 micrómetros. Por lo tanto, las partículas que están por debajo de 2 micrómetros se transforman completamente en IMC, lo que mejora las propiedades mecánicas de la zona de pepitas.
Fuerza de Tensión
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Otra característica importante en DFSW es la resistencia a la tracción final . La mayoría de las soldaduras diferentes presentaron una tendencia similar en la resistencia a la tracción. Hay dos materiales diferentes en DFSW. Uno es más suave que el otro. Por ejemplo, en la unión de aluminio a cobre, el aluminio es más blando que el cobre. ¿Cuál sería la resistencia a la tracción de la junta? ¿Es más que ambos? ¿Es menos que ambos? ¿Cuál es el requisito para la articulación sana? La respuesta es que la resistencia a la tracción de las juntas en DFSW es una fracción de la resistencia a la tracción del material más blando. Por lo tanto, la resistencia a la tracción final de las soldaduras suele ser menor que la resistencia a la tracción de ambos materiales; sin embargo, para que sea aceptable en la industria, suele ser más del 70 por ciento de la resistencia a la tracción del material más blando. [27] El comportamiento de fractura de las muestras de tracción muestra que la mayoría de las juntas fallaron en la interfaz junto con una fractura frágil . Puede atribuirse a los IMC desarrollados en la interfaz. Aunque podría mejorar con éxito la resistencia a la tracción, las muestras mostraron una fractura frágil, que es uno de los desafíos existentes en las juntas diferentes fabricadas por FSW.
Formación de estructura compuesta
Debido al hecho de que hay dos materiales diferentes en DFSW; La formación de una estructura compuesta dentro de la zona de pepitas es inevitable. Por lo general, aparece en la formación de un anillo de cebolla en la zona de pepitas o en la zona de agitación de la matriz más blanda, como se muestra en la siguiente figura. Es decir, las partículas finas del material en el lado de avance (material más duro) se dispersan por toda la zona de agitación del material en retirada (material más blando). Ésta es la razón principal de la distribución heterogénea de la dureza en la zona de agitación. [28] [29] [30]
Desafío
FSW puede ser un método eficaz para unir materiales diferentes y el resultado en términos de resistencia a la tracción , resistencia al corte y distribución de la dureza es prometedor. Sin embargo, la mayoría de las articulaciones se fracturaron en la interfaz. [31] Además, incluso aquellos que se han roto en los metales base mostraron un comportamiento frágil , es decir, un bajo alargamiento que puede atribuirse a la formación de IMC. Debe haber un equilibrio entre la resistencia a la tracción y la ductilidad de las soldaduras para poder utilizar de manera segura soldaduras diferentes en aplicaciones industriales. En otras palabras, se requieren una ductilidad y tenacidad adecuadas para algunas aplicaciones industriales, ya que deben poseer una resistividad adecuada contra impactos y cargas de choque . La mayoría de las soldaduras fabricadas no son lo suficientemente fuertes para usarse en tales aplicaciones. Por lo tanto, vale la pena enfocar los trabajos actuales y futuros en mejorar la tenacidad de las soldaduras junto con mantener la resistencia a la tracción en un valor adecuado.
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