Este documento describe la caracterización de dos tipos de soldaduras de aleaciones de aluminio de alta resistencia utilizando análisis microestructural y de microdureza. Se analizan soldaduras TIG y por fricción-agitación. El análisis revela cambios en la microestructura, tamaño de grano y precipitados en las zonas afectadas por el calor, lo que afecta las propiedades mecánicas. La caracterización microestructural permite comprender los efectos de los procesos de soldadura a n

1. Caracterización de diferentes tipos de soldaduras usando análisis
microestructural
Lucas Feloy, Ana Laura Cozzarín, Ernesto G Maffía*
ProInTec I&D, Departamento de Mecánica, Facultad de Ingeniería, Universidad
Nacional de La Plata, (UNLP), 1900, BA, Argentina
*ernesto.maffia@ing.unlp.edu.ar
Resumen
Introducción
Las estructuras metálicas de aluminio de alta resistencia se utilizan en el sector industrial
porque tienen excelentes características para la construcción: soportan adecuadamente la
corrosión atmosférica, son livianas y de resistencia comparable a los aceros. Sin embargo,
cuando se fabrican por soldadura, se producen ablandamientos en el área de la junta de
soldadura, ya que el calor del proceso elimina los efectos del trabajo en frío o del
endurecimiento por precipitación que es usualmente utilizado para lograr su resistencia. Así, la
dureza y la resistencia disminuyen en la zona afectada por el calor (ZAC), mientras que la
resistencia del cordón de soldadura depende de la composición química del material de
relleno. Con aluminio puro, pero también con ciertas aleaciones, podemos observar el
crecimiento de grano en la zona afectada por el calor, lo que también produce también un
impactonegativoenlaresistenciay enlaplasticidadde lazona.
La soldadura de aleaciones de aluminio de alta resistencia endurecidas por tratamiento
térmico puede, no solo alterar las propiedades de la zona afectada por el calor, sino también
provocar grietas en esa región. La ZAC en estas aleaciones es afectada de dos formas
diferentes: en la zona donde ocurren las temperaturas más altas, se produce un tratamiento
térmico de solubilizado: el efecto del envejecimiento desaparece y los procesos de
precipitación pueden volver a producirse por envejecimiento natural o artificial y, también los
granos pueden engrosarse en esta zona, lo que puede hacer que sea imposible obtener el
mismo alargamiento a la fractura que antes de la soldadura. También hay una segunda zona
con temperaturas más bajas, donde puede tener lugar el fenómeno de sobre envejecimiento,
esdecir,disminuciónde la resistenciayla durezadel material.
En este trabajo de investigación se caracterizan los cambios de estructura del material que se
producen a causa de dos procesosde fabricación porsoldadurade naturalezadiferente.
Por un lado, se contempla la unión realizada mediante el proceso TIG (soldadura por arco con
electrodo de wolframio), donde se produce la fusión de una pequeña parte de la estructura.
Por otro lado, tenemos el proceso de soldadura por fricción-agitación donde la unión se
produce por el mezclado de los materiales sin fusión pero con recristalización y modificación
del tamaño del grano.
Experimental
Se estudia la microestructura de soldaduras a tope realizadas en unaestructura de aluminio de
alta resistencia (AA 2219) soldada por proceso TIG, con el aporte de alambre de aleación AA
2319 y un cordón de soldadura hecho por el proceso soldadura por fricción (FSW) utilizando
una velocidad de giro de 1000 rpm y un avance de 30 mm/min como parámetros de soldadura,
enchapas de aleaciónAA 2195 T81.

2. Para caracterizar alguna de las propiedades del cordón y la zona afectada por el proceso de
soldadura, se analiza la microestructura del material en estudio por medio de microscopia
óptica (LEICA) y electrónica (SEM-QUANTA 2000) y se toman medidas de micro dureza vicker,
con un microdurómetro Future Tech FM-700 con una carga de 10 g con una duración de 10
segundos. Los reactivos utilizados para la preparación metalográfica fueron Keller y Graff. En el
caso particular de las muestras de las soldaduras hechas por fricción, se prepararon por pulido
y anodizado, utilizándose ácido fluorobórico como electrolito, con una tensión de 24V y una
corriente aproximada de 0,05 A/cm2. Las micrografías de la zona soldada y sus adyacencias se
obtienenconluzpolarizada.
Resultados
Ensayos de micro dureza enuna soldadura por arco (TIG)
En la Figura 1 se presenta un esquema con las regiones de las placas de aleación AA2219
afectadas por la soldadura. Se ven tres zonas diferenciadas: por un lado se tiene el cordón
principal, denominado (ZF o zona de fusión), la zona afectada por el calor, (ZAC), el material
base (MB).
Figura1. Regionesde influenciade una soldaduraTIG
Los ensayos de micro dureza se utilizan para complementar el análisis microestructural y,
además, para conocer la influencia del proceso de soldadura en las propiedades de la
soldadura. Ya que la dureza de un material es un dato empírico que permite correlacionar su
valor con la resistencia, sus resultados pasan a ser relevantes puesto que informan de las
propiedadesdelmaterial.Losresultadosse presentanenlatabla1.
Tabla 1: Valores de micro dureza obtenidos en diferentes zonas de la sección transversal de
placasde AA219 soldadascon aporte de AA2319
Cordón de soldadura ZF [HV] ZAC [HV] Material base MB [HV]
88 – 95 87 - 95 115 - 121
Como puede observarse de los datos anteriores, los valores más bajos de dureza se presentan
en la zona correspondiente al corazón del cordón de soldadura y aumentan gradualmente a
medida que nos alejamos hacia el material base. Ya que la dureza está relacionada
directamente con la deformación plástica, un bajo valor de dureza en el centro del cordón
indica un material más blando, de menor resistencia, convirtiendo a esta regiónen la más débil

3. del ensamble, junto con la ZAC, y la que posiblemente rompa primero ante la aplicación de
cargas externas.
Análisismicroestructural de la soldadura
El estado microestructural del cordón de una soldadura y sus adyacencias se puede estudiar a
través del análisis de micrografías. La microestructura que forma el material de aporte con una
parte del material base y las áreas afectadas por el calor muestran el efecto de las variables del
procesode soldaduraenla microestructuraresultante.
La Figura 2 exhibe la microestructura de la zona de fusión (ZF), la cual tiene granos dendríticos
propios de una aleación que ha sufrido el proceso de fusión y solidificación fuera de equilibrio.
La estructura de granos es equiaxiada, donde cada grano tiene dimensiones similares, con un
diámetro promedio de 3 um. Con estas magnificaciones no se observan los precipitados, pero
se delinea muy bien las dendritas dentro de cada grano, lo cual es un indicador de segregación
y agrupamiento de aleantes en el último líquido a solidificar; este dato micrográfico indica que
el cordón de soldadura tendrá una disminución de propiedades pues estos aleantes no estarán
disponibles para endurecer la aleación. Surge así la necesidad de aplicar un tratamiento
térmico para recuperar las propiedades. Por otro lado, en la Figura 3, se muestra la transición
microestructural entre la zona fundida del cordón de soldadura, la ZAC y el material base. la
microscopia óptica no permite distinguir ninguna característica microestructural relevante,
ademásde observarse untamañode grano de dimensionessimilares entodaestazona.
Soldadura por fricción – agitación
Se realizaron experiencias de soldadura por fricción-agitación en la aleación AA 2219-T81 con
velocidades de 1000 RPM y 1250 RPMmanteniendola velocidad de avance fija en 30 mm/min,
con un grado de inclinación del eje de la herramienta de 3ᵒ con respecto a la perpendicular del
plano del material base, hacia el lado contrario al avance. Se utilizó una chapa de origen
francés de 5 mm de espesor. El trabajo sobre la aleación AA 2219 busca obtener soldaduras
sanas que cumplan los criterios de aceptación de las normas ISO 25239-4, Friction Stir
Figura 3: Región de contacto entre el
material base y el de aporte de
soldadura(zonaB)
Figura2: cordón de soldadura(zonaA)

4. Welding. Aluminium” y “AWS D17.3/D17.3M:2010, Specification for Friction Stir Welding of
AluminumAlloysforAerospace
Ensayos de micro dureza
Se realiza un barrido de dureza, desde el material base hacia la zona de agitación,en el cordón
de soldadura realizado por el proceso fricción-agitación. Se utiliza como material de trabajo,
chapas de aleación AA 2219-T81, termo tratadas. El esquema del barrido se muestra en la
Figura 5.
Figura 4: Medidas de micro dureza en la soldadura de la aleación AA 2219-T81
Como se observa en el esquema superior, se realizaron dos barridos de 49 improntas.
Operativamente se fijóel cero enla posición donde se encontrabala unión de ambas chapas. A
partir de ese punto, se barrieron 12 mm para cada lado del cordón, con un espaciado entre
improntas de 0,5 Uno de los barridos, identificado como superior, se realizó a 1,7 mm desde el
plano superior de las chapas, mientras que el segundo, llamado Inferior, se llevó a cabo a 1,7
mm del anterior.LaFiguraFigura 5 muestrael resultadodel ensayo.
Figura 6: Medidas de dureza HV en función de la distancia en el cordón de soldadura de la
aleación AA 2219-T81
60
70
80
90
100
110
120
-12 -11 -10 -9 -8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Dureza
HV
Distancia desde el centro de la soldadura [mm]
Superior Inferior
Línea de tendencia (Superior) Línea de tendencia (Inferior)

5. El resultado demuestra que a medida que se transita hacia el centro de la soldadura, la dureza
del barrido superior cae antes que la dureza del barrido inferior. La explicación de este
fenómeno radica en dos aspectos básicos, uno es que el aporte de calor en la parte superior de
las chapas es superior y por otro lado la geometría cónica del cordón. Además de la
observación obvia de la caída de dureza dentro del cordón de soldadura, la zona afectada por
el calor (ZAC) noparece tenermásde 2 mm de espesorporfueradel cordónde soldadura.
Análisismicrográfico de la soldadura por friccion-agitacion
El objetivo del análisis micrográfico es valorar algunas características micro estructurales
relacionados con el aporte de calor y la deformación que influyen en las propiedades de la
juntasoldada de la aleaciónAA 2219-T81.
En el esquema de la Figura 6 se observan las zonas que genera una soldadura por fricción-
agitación: por un lado, tenemos la zona agitada (ZA) donde el material sufre una fuerte
recristalización; una zona termo mecánicamente afectada (ZATM) el material sufre
recristalización dinámica y por ultimo una zona solo afectada por el calor (ZAT) donde el
material recristalizade maneraestática.
Figura6: esquemade lazonaafectadapor el procesode soldadurapor friccion-agitacion
En la Figura 7 se muestra una macrografía real de la soldadura aleación AA 2219-T81. Se
observar la estructura de granos y las diferentes zonas. Las micrografías ópticas solo permiten
observar las modificaciones que realizo el proceso en la morfología de los granos asi como las
linesa de flujo del material. En esta micrografia, el cordon se ve sano, sin defectos en la base y
con una profundidad óptima. El analisis con microgafias opticas apenas permite ver la
estructura de granos del material, las lineas de flujo plastico pero no se puede delimitar
claramente lasfronterasde granoy ni distinguir precipitados.
Figura8: Macrografía opticade muestrasoldadapor friccion-agitacionenaleación2219-T81
MB ZAT - ZATM ZA

6. Un estudio metalográfico más profundo del material del cordón, (ZA), revela que el proceso
termo mecánico que ocurre en esta región provoca una estructura de granos recristalizados de
un diámetro medio de aproximadamente entre 1 a 3 µm. Sin la necesidad de ahondar en
detalles, cualquier proceso de recristalización supone una caída en las propiedades mecánicas
del material en términos de resistencia y dureza. Si bien esta caída debería estar compensada
por la disminucióndel tamañode grano,nosucede así.
Es necesario, entonces, comprender que existen otros eventos que justifiquen la caída en la
resistencia y dureza. Además del proceso de recristalización, otro aspecto a tener en cuenta en
la pérdida de propiedades mecánicas son los precipitados generados por el tratamiento
térmico de envejecimiento. Para poder estudiar las partículas de precipitados fue necesario
accederal microscopioelectrónicode barrido.
(a) (b)
Figura 9: micrografías tomadas en material base (a) y en la zona de agitación (b) de la aleación
AA 2219-T81
Los resultados son claros. En el material base se puede ver a los precipitados (puntos de color
blanco) bien distribuidos y de un tamaño muy pequeño (70 nm de promedio). Mientras que en
la zona de agitación, los precipitados se ven significativamente más grandes (0,5 µm) y muy
espaciados. La traducción de lo observado en las propiedades mecánicas significa un claro
descensode lasresistenciastantocomo enla dureza.
Por lo tanto, ya que estos procesos (recristalización y crecimiento de precipitados) son
activados térmicamente, la única solución para evitarlos es bajar la temperatura y acortar los
tiemposde exposiciónaellaparanodar el tiempoaque se desarrollen.
Conclusiones
Se evaluó la eficiencia del procedimiento de caracterización del material depositado en juntas
soldadas conel método soldaduraTIG y el procesofriccion-agitacion.
Este estudio revela que el análisis microestructural es adecuado para revelar los detalles de la
estructura soldada, como ser segregación, forma y distribución de precipitados, tamaño de
grano, líneas de flujo. Las medidas de micro dureza completan la comprensión de los efectos
de estascaracterísticas enlas propiedades
Entonces, la caracterización por análisis microestructural, aparece como una técnica capaz de
valorarla complejidad delmaterial de uniónen cualquierestructurasoldada.

7. Bibliografia