La unión de juntas aluminio-acero, sin la formación de fases deletéreas del tipo
La reducción de peso en los diferentes sistemas de transporte es una preocupación constante que busca disminuir el consumo de combustible. El empleo de materiales ligeros y tradicionales, como aluminio y acero, hace imprescindible el desarrollo de técnicas que permitan la unión de estos materiales, sin comprometer la integridad estructural de los vehículos. En el caso de la junta en cuestión, las técnicas de soldadura por fusión derivan en la formación de fases deletéreas del tipo
Procesos como la soldadura por láser, difusión, ultrasonido y laminación fueron empleados con resultados prometedores (Chen y Kovacevic,
La SFA produjo resultados inéditos. Autores como Jiang y Kovacevic (
Otro avance en las técnicas de unión por soldadura fue el desarrollo del proceso GMAW
La controversia aún persiste, siendo el trabajo más reciente sobre el asunto el presentado por Wang
Por tal motivo, en el presente trabajo serán presentados y discutidos los parámetros de soldadura utilizados para la unión de juntas aluminio-acero, que permitieron la obtención de juntas soldadas sin la formación de compuestos intermetálicos.
Fueron soldadas chapas a tope de la aleación de aluminio 6063-T5 con chapas de acero AISI SAE 120, ambas con dimensiones de 500x85x2 mm. La
Composición química de la aleación de aluminio 6063-T5 y el acero AISI SAE 1020
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0,46 | 0,39 | 0,13 | 0,04 | 0,03 | 0,02 | 0,01 |
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0,20 | 0,45 | 0,035 | 0,040 | 0,35 |
En estos materiales fueron realizadas juntas soldadas de 400 mm de longitud, utilizando una máquina de soldadura por fricción-agitación, marca RM-1 de Transformation Tecnhnologies Inc., con capacidad de fuerza axial de 67 kN, velocidades de avance de 3000 mm min−1 y de rotación de 3000 rpm. Fue empleada una herramienta metálica con matriz cerámica de carburo de tungsteno (WC-14Co), con hombro convexo –no requiere inclinación (
El aporte térmico durante la soldadura fue calculado con base en el torque y las velocidades de rotación y de avance como proponen Wei y Nelson (
A partir de las juntas soldadas fueron confeccionadas las muestras para la caracterización microestructural tomando como referencia la línea original de la junta. Dicha caracterización fue realizada empleando microscopía óptica (MO), microscopía electrónica de barrido (MEB) y microscopía electrónica de transmisión (MET). Adicionalmente la evaluación de las microestructuras fue completada mediante espectroscopia de dispersión de energía en rayos X (X-EDS) y difracción de rayos X (DRX), empleando un sistema óptico de iluminación puntual o monocapilar, con fuente de cobalto (Kα: 1,789010 Å) a 45 kV y 35 µA, paso de 0,04° y tiempo de conteo de 1000 segundos. La caracterización de las juntas soldadas requirió la preparación de muestras cortadas transversalmente a la línea de la junta, con un ángulo de inclinación de 10° para ampliar la interfase y facilitar la detección de cualquier fase presente. Las muestras fueron lijadas y pulidas de forma convencional, siendo realizado el ataque metalográfico en dos etapas: iniciando con nital 2%, seguido de un ataque con ácido fluorhídrico 1%.
Se obtuvieron juntas soldadas aluminio-acero con aspecto superficial adecuado y penetración total, la cual fue verificada mediante los ensayos de doblado. Los resultados de los ensayos de doblado así como otros detalles relacionados con la realización de las juntas soldadas pueden ser consultados en Santos
Aspecto superficial en las juntas soldadas usando 300 rpm, 150 mm min−1, penetración de la herramienta de 1,6 mm y DE: a) +0,5 y b) +1,5 mm. (Se presentan también los valores de rugosidad (Ra) y aporte térmico (AT)).
Se pudo establecer que AT aumenta con DE, el cual también está relacionado con la temperatura alcanzada en la junta. Esta relación está claramente demostrada en la
Ciclos térmicos medidos (líneas rojas) y calculados por elementos finitos (línea azul) para: a) +0,5 y b) 1,5 mm.
El incremento de la temperatura con DE se explica por el aumento en la cantidad de acero involucrado en la soldadura. Tanto la contribución en la producción de calor por deformación como por fricción son significativos a medida que el área de contacto entre la herramienta y el acero aumenta. La temperatura es claramente mayor en la interfase herramienta-acero, la cual se intensifica a medida que la herramienta se desplaza en dirección al metal más duro. Mediante simulación y medidas de temperatura, fue posible establecer la distribución de temperatura así como el punto de máxima temperatura en la junta, localizado en la interfase hombro-acero, con valores calculados en 386 °C y 443 °C, para desplazamiento de la herramienta de +0,5 y +1,5 mm.
Tanto el aporte térmico como las temperaturas medidas en el desarrollo de las juntas resultan inferiores a los valores establecidos por autores como Jiang y Kovacevic (
Como parte de la caracterización microestructural, la
Macrografías de las juntas soldadas empleando 300 rpm, 150 mm min−1 con desplazamiento de la herramienta de: a) +0,5 y b) +1,5 mm, donde se presentan las diferentes regiones de la soldadura.
Micrografías obtenidas por MEB de juntas aluminio-acero: a) alineamiento de la cementita paralelo a la intercara y b) presencia de cementita en la interfase aluminio-acero.
Múltiples medidas por MEB, utilizando muestras preparadas solo con ataque con nital (
Micrografías obtenidas por MEB de juntas aluminio-acero de muestras atacadas únicamente con nital: a) selección de la región sin presencia de cementita y b) borde blanco resultante del efecto de borde y ausencia de CIM.
El análisis de composición química presentado en la
Perfiles de composición química en las interfases aluminio-acero generados por X-EDS, considerando la distribución de Al (azul) y Fe (rojo) en las juntas soldadas con: a) +0,5; b) +1,5 y c) esquema del perfil de composición química para una interfase con presencia de CIM.
Por otro lado, los resultados de DRX, correspondientes a medidas en juntas disímiles realizadas para DE +0,5 y +1,5 mm, utilizando la óptica mono-capilar, se presentan en el difractograma de la
a) Espectros de difracción de rayos X (DRX) medidos en la interfase aluminio-acero soldadas con +0,5 y +1,5 mm. La fase θ corresponde a cementita (Fe3C). b) Difractograma para diversos CIM; adaptado de Cao
Planos de máxima intensidad (PMI), ángulo de difracción (2θ) y referencias para la identificación de CIM
CIM | PMI | 2θ | Referencia |
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FeAl | (110) | 41° | (Wang |
Fe3Al | (110) | 42° | (Shishkovsky |
Fe2Al5 | (222) | 44° |
Finalmente la polémica sobre la presencia o no de CIM, en las juntas aluminio-acero, se cierra con el análisis por medio de MET. A pesar de las dificultadas generadas por el carácter magnético del acero al momento de ser realizada la caracterización por MET, fue posible la obtención de imágenes de campo claro de ambas regiones de la interfase, el lado del aluminio y el lado del acero, como las presentadas en la
Micrografías de campo claro obtenidas por MET en la interfase aluminio-acero en las juntas soldadas con deslazamiento de la herramienta de: a) +0,5 y b) +1,5 mm.
Agudo
Chen y Kovacevic (
La ausencia de CIM se justifica por la realización de juntas soldadas con parámetros que llevaron a la generación de bajo aporte térmico durante la soldadura. Enayati y Salehi (
Por tal motivo, resulta claro que restringir el aporte térmico reduce o incluso inhibe la formación de CIM, gracias a la disminución significativa de la difusión, retardando la primera etapa de aparición de los CIM: la formación de una región supersaturada de aluminio con hierro.
Por lo tanto la ausencia de compuestos intermetálicos, en las juntas aluminio-acero desarrolladas en este trabajo, se explica por el bajo aporte térmico durante el proceso de soldadura. Esta afirmación se basa en varios elementos presentados a continuación: El ancho del cordón de soldadura para las diferentes juntas soldadas no supera los 15 mm y el desplazamiento de la herramienta es menor a 1,5 mm; esto indica que la mayor cantidad de área de contacto de la herramienta con la junta se produce en el aluminio, haciendo que la temperatura máxima en la junta no supere los 360 °C. Otro elemento de peso se presenta al considerar directamente el valor del aporte térmico. El aporte térmico calculado con base en las velocidades de rotación y avance puede ser aproximado con un parámetro denominado paso de la soldadura; la relación entre el aporte térmico y el paso se presentan en la
siendo
Considerando el paso, es posible realizar una comparación aproximada de los parámetros de soldadura utilizados en este trabajo con los descritos en diferentes referencias; el resultado de esta comparación se presenta en la
Comparación de los parámetros de soldadura y el paso calculado con los parámetros utilizados y el paso resultante en este trabajo
ω (rpm) | υ |
1/P |
Referencias |
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550 | 54 | 10,2 | Chen ( |
800 | 80 | 10,0 | Lee |
250 | 25 | 10,0 | Watanabe |
900 | 100 | 9,0 | Girard |
914 | 140 | 6,5 | Jiang y Kovacevic ( |
400 | 100 | 4,0 | Tanaka |
500 | 130 | 3,8 | Soundararajan y Kovacevic ( |
1600 | 480 | 3,3 | Coelho |
300 | 150 | 2,0 | Parámetros utilizados |
El tamaño de grano observado en la intercara aluminio-acero es muy pequeño: 0,5 a 2,0 µm para el aluminio y 0,2 a 1,5 µm para la ferrita en el acero (
En consecuencia, la ausencia de CIM en las juntas aluminio-acero presentadas en este trabajo se atribuye al bajísimo aporte térmico generado por los parámetros de soldadura bajo los cuales fueron realizadas las uniones soldadas.
A partir del trabajo desarrollado se buscó obtener juntas disímiles aluminio-acero sin la formación de compuestos intermetálicos, por medio del proceso de soldadura por fricción-agitación, donde las conclusiones se describen a continuación. Se obtuvieron juntas soldadas aluminio-acero consolidadas y con buen aspecto superficial por medio del proceso de fricción-agitación, siendo recomendado el uso de 300 rpm, 150 mm min−1, con desplazamiento de la herramienta de +1,5 mm. La caracterización microestructural en la interfase aluminio-acero demuestra que durante la operación de soldadura no se produjeron compuestos intermetálicos en la junta, lo cual se atribuye al bajo aporte térmico introducido durante el proceso, lo que inhibió la nucleación y crecimiento de fases deletéreas. La afirmación del bajo aporte térmico en las juntas realizadas en este trabajo se sustenta en tres elementos: a) las medidas de temperatura verifican que los parámetros de soldadura empleados -velocidades de rotación y avance, penetración y desplazamiento de la herramienta- permitieron la obtención de juntas soldadas donde las temperaturas durante el proceso fueron inferiores a los 360 °C; b) el inverso del paso (1/P) con el que fueron realizadas las juntas es significativamente bajo (2,0 rev mm−1) y c) el tamaño de grano en el aluminio y en el acero, aledaños a la interfase soldada, son inferiores a 2,0 µm, evidenciando que su crecimiento posterior a la recristalización fue truncado.
A los funcionarios y al Centro Nacional de Pesquisa em Energía e Materias (CNPEM) por apoyar y permitir el uso de la infraestructura de los laboratorios de química y procesos de manufactura. A los funcionarios de los laboratorios de DRX, procesamiento y caracterización de materiales y los laboratorios de microscopía electrónica pertenecientes al Laboratorio Nacional de Nanotecnologia (LNNano), por el apoyo técnico y científico para la realización de todo el proyecto.