Este estudio evalúa la microestructura, propiedades mecánicas y tensiones residuales en chapones de aleación AA7075 unidos por soldadura por fricción con barrido (FSW). Se caracterizó la microestructura y precipitación en las diferentes zonas, observándose granos más finos y precipitados más pequeños en el nugget recristalizado. Las pruebas mecánicas mostraron una disminución del límite elástico pero un aumento de la deformación en el nugget. Finalmente, se midieron las tensiones

1. ESTUDIO DE LA MICROESTRUCTURA, LAS
PROPIEDADES MECÁNICAS Y LAS TENSIONES
RESIDUALES EN UN CHAPÓN DE ALEACIÓN AA7075
SOLDADO POR FRICTION STIR WELDING
Directores:
Dr. Gaspar González-Doncel
Dr. Ricardo Fernández
Depto. de Metalurgia Física (CENIM-CSIC) Madrid, junio 2012
Máster en Ciencia e Ingeniería de Materiales
Universidad Carlos III de Madrid
Florencia Cioffi

2. ÍNDICE
1. Introducción y objetivos
2. Materiales y procedimiento
3. Resultados
4. Conclusiones y trabajo futuro

3. Introducción y
objetivos
Materiales y
procedimiento
Resultados
Conclusiones y
trabajo futuro
Técnica de Friction stir welding
Principios
Variables
 Velocidad de rotación
 Velocidad de avance
 Esfuerzo vertical
 Ángulo de inclinación del pin
 Geometría y material de la herramienta
Ventajas
• No se produce fusión del material
• Muy buen acabado superficial
• No hay material de aporte, ni líquidos, ni humos tóxicos
• Fácilmente automatizable
Video

4. Introducción y
objetivos
Materiales y
procedimiento
Resultados
Conclusiones y
trabajo futuro
Objetivos
o Evaluar el efecto del proceso de FSW en la microestructura de la aleación AA7075
o Correlacionar las microestructuras obtenidas con las propiedades mecánicas
o Determinar el estado de tensiones residuales resultante
Difracción de neutrones para determinar tensiones residuales en soldaduras
Tensiones
residuales Soldaduras FSW
La ventaja de utilizar difracción de neutrones para la determinación de
las TR es la gran penetración de esta radiación en los materiales
metálicos. Y en particular SALSA* permite realizar movimientos
muestras de gran tamaño con una excelente precisión.
*Institut Laue-Langevin en Grenoble, Francia.

5. Introducción y
objetivos
Materiales y
procedimiento
Resultados
Conclusiones y
trabajo futuro
4 chapones (300x140x10 mm) de la aleación AA7075 obtenidos por laminación (Alustock)
Elemento Si Fe Cu Mn Mg Cr Zn Ti Otros Al
% (masa) 0,4 0,5 1,2-2,0 0,3 2,1-2,9 0,18-0,28 5,1-6,1 0,2 0,15 Resto
Tratamiento
térmico T6:
Solubilización
480ºC durante 90 minutos
Temple
en aceite
Envejecimiento a pico
120º C durante 24 horas
Mecanizado de muestras
metalográficas, para estudio de
texturas, probetas de tracción y
de dureza. Muestra tipo peine
para determinación de d0.
Estudio de tensiones residuales
por difracción de neutrones en
ILL, Grenoble.
Soldaduras por FSW en AIMEN:
• Velocidad de rotación: 750 rpm
• Velocidad de avance: 75mm/min
• Ángulo: 1.5 ˚
• Forja:36 kN
Herramienta
MP159
• Alta resistencia específica
• Aplicaciones en industria
aeronáutica y deportiva

6. Introducción y
objetivos
Materiales y
procedimiento
Resultados
Conclusiones y
trabajo futuro
Caracterización microestructural
MATERIAL BASE
centrosuperficie
Análisis de imagen
• Tamaño de
grano promedio
17 µm
• Relación de
aspecto 4:1
Textura (figuras de polos inversas en dirección normal)

7. Introducción y
objetivos
Materiales y
procedimiento
Resultados
Conclusiones y
trabajo futuro
Caracterización microestructural
MATERIAL BASE
La secuencia de precipitación en las aleación de la serie 7XXX es:
SSS Zonas GP η’ (MgZn2) η (MgZn2)
(Mn,Fe) Al12
Mediante microscopía óptica no
se llegan a observar:
Zonas GP: de unos pocos átomos
a 20 nm [1]
Fase η´ : menor a 75 nm [1]
η
[1] C.G. Rhodes, W. M. Mahoney, W. H. Bingel, R. A. Spurling, C. C. Bampton, Scr. Met 36 (1997) 69

8. Introducción y
objetivos
Materiales y
procedimiento
Resultados
Conclusiones y
trabajo futuro
Caracterización microestructural
Las zonas microestructurales características se observan claramente:
Nugget: zona recristalizada de grano equiaxial fino
TMAZ: zona termomecánicamente afectada con granos deformados
HAZ: zona térmicamente afectada

9. Introducción y
objetivos
Materiales y
procedimiento
Resultados
Conclusiones y
trabajo futuro
Caracterización microestructural
CAMBIO EN LA ESTRUCTURA DE GRANO
MB HAZ TMAZ (A)
TMAZ (R) Nugget
Ataque con HF 0,5% y con Keller

10. Introducción y
objetivos
Materiales y
procedimiento
Resultados
Conclusiones y
trabajo futuro
Caracterización microestructural
CAMBIO EN LA PRECIPITACIÓN
MB HAZ TMAZ (A)
Nugget
Ataque con HF 0,5%

11. Introducción y
objetivos
Materiales y
procedimiento
Resultados
Conclusiones y
trabajo futuro
Caracterización microestructural
NUGGET
0
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
Frecuenciarelativa(ni/nt)
Tamaño de grano (µm)
NuggetAnálisis de imagen
• Tamaño de
grano promedio
4 µm
• equiaxiales
η
η , η’

12. Introducción y
objetivos
Materiales y
procedimiento
Resultados
Conclusiones y
trabajo futuro
Caracterización microestructural
Comparación del estado de precipitación: MB vs. nugget
MB T6: Solubilización Temple Envejecimiento a pico
120ºC durante 24 horas
De acuerdo al
tratamiento de
envejecimiento dado,
se espera que la
precipitación sea
mayoritariamente en
forma de fase η´
[2] N. Saunders, in proceedings of the 9th International Conference on Aluminium Alloys, Brisbane, Australia, 2-5 August, 2004
Diagrama TTT para la aleación AA7075 [2]

13. Introducción y
objetivos
Materiales y
procedimiento
Resultados
Conclusiones y
trabajo futuro
Caracterización microestructural
Comparación del estado de precipitación: MB vs. nugget
Nugget Solubilización
Durante el proceso de FSW
Enfriamiento gradual
La bibliografía
reporta temperaturas
que alcanzan los
480ºC [3]
[3] C.G. Rhodes, W. M. Mahoney, W. H. Bingel, R. A. Spurling, C. C. Bampton, Scr. Met 36 (1997) 69
[4] H. Li, J. Bin, Y. Zhao, X. Wang, Trans. Nonferrous Met. Soc. China 21 (2011) 1944
Diagrama CCT para la aleación AA7075 [4]
Existe una velocidad de
enfriamiento crítica por debajo
de la cual precipitan fases
indeseadas no endurecedoras
(η y Al2CuMg)
La velocidad de
enfriamiento del cordón es
muy inferior a la crítica.
Por lo tanto, se espera que
la precipitación sea
mayoritariamente en
forma de fase η

14. Introducción y
objetivos
Materiales y
procedimiento
Resultados
Conclusiones y
trabajo futuro
Caracterización mecánica
el ancho de la zona
central y su valor
promedio va
disminuyendo a medida
que se atraviesa el
espesor del chapón
Los mínimos
corresponden a las HAZs
y los máximos al nugget
Mínimo corresponde al centro del espesor, en la HAZ de avance y
es un 37% menor a la dureza del MB

15. Introducción y
objetivos
Materiales y
procedimiento
Resultados
Conclusiones y
trabajo futuro
Caracterización mecánica
HV 5
Se observa una excelente concordancia entre los resultados del mapeo de durezas y las zonas
microestructurales características.
• Las durezas máximas corresponden al nugget cuyo tamaño de grano es el más pequeño y la
precipitación es más fina.
• La dureza disminuye en las TMAZs ya que el tamaño de grano es mayor y los precipitados
evolucionan desfavorablemente.
• Es mínima en las HAZs donde los granos permanecen sin deformar y la precipitación también
ha evolucionado desfavorablemente.
R A

16. Introducción y
objetivos
Materiales y
procedimiento
Resultados
Conclusiones y
trabajo futuro
Caracterización mecánica
0
100
200
300
400
500
600
0 0.05 0.1 0.15 0.2
Tensión(MPa)
Deformación plástica
MB transversal 1 MB Longitudinal 1 Soldadura Transversal 1 Soldadura Transversal 2
nugget
Material base
Las propiedades
mecánicas del material
base son muy similares
en dirección longitudinal
y transversal
El limite elástico en el
centro del cordón es un
26 % inferior al del
material base
La elongación a rotura es
de un 30 a 50% mayor

17. Introducción y
objetivos
Materiales y
procedimiento
Resultados
Conclusiones y
trabajo futuro
Caracterización mecánica
Fractura dúctil
Transgranular
Dentro del nugget, centrada levemente hacia el
lado de retroceso

18. Introducción y
objetivos
Materiales y
procedimiento
Resultados
Conclusiones y
trabajo futuro
Tensiones residuales
Tensión (MPa) vs. Posición (mm)
-100
-50
0
50
100
150
-100 -50 0 50 100
centro
-100
-50
0
50
100
150
-100 -50 0 50 100
superior
-100
-50
0
50
100
150
-100 -50 0 50 100
inferior
Forma de los perfiles: “m” para la componente longitudinal y “w” para las componentes
normal y transversal
Los valores máximos se encuentran en la componente longitudinal, en el centro de la
placa, en la HAZ del retroceso. Y alcanzan un 31% del límite elástico del MB.
DN
DL
DT

19. Introducción y
objetivos
Materiales y
procedimiento
Resultados
Conclusiones y
trabajo futuro
Tensiones residuales
La relación entre las tensiones residuales y las zonas microestructurales no es tan
directa como en el caso de las durezas. Esto es debido a que el perfil de tensiones
residuales dependen en mayor medida de las características geométricas del material y
del proceso que de la microestructura.
longitudinal

20. Introducción y
objetivos
Materiales y
procedimiento
Resultados
Conclusiones y
trabajo futuro
CORRELACIÓN: MICROESTRUCTURA - PROPIEDADES MECÁNICAS - TENSIONES RESIDUALES
Los valores de dureza medidos coinciden con las zonas microestructurales.
Se observa una disminución de dureza que alcanza un mínimo (37% menor al MB) en la HAZ del
lado de avance, dónde la precipitación evolucionó desfavorablemente hacia fases poco
endurecedoras (η).
Los ensayos de tracción muestran que el límite elástico disminuye en un 26% en la porción
central del cordón, mientras que la elongación aumenta. Esto se debe a que la precipitación del
nugget es en su mayoría de fase η en lugar de η’ y este efecto pesa más que el refinamiento de
grano.
La fractura del material del nugget es de naturaleza dúctil y transgranular debido a los
precipitados ubicados en borde de grano, su ubicación coincidió con el mínimo de dureza de
esta zona.
Las tensiones residuales presentaron los perfiles característicos de este tipo de soldadura y los
valores se encuentran dentro de los rangos reportados. Los máximos se midieron para la
componente longitudinal, en el centro del espesor, en la HAZ del lado de retroceso (donde el
enfriamiento es más lento) y alcanzando valores de hasta un 31% del límite elástico del material
base.

21. Introducción y
objetivos
Materiales y
procedimiento
Resultados
Conclusiones y
trabajo futuro
TRABAJO FUTURO
Siguiendo en la línea de estudio de la aleación AA7075, se está realizando un estudio del efecto
de distintos tratamientos térmicos, sobre la tenacidad a la fractura de los cordones. El mismo
incluye ensayos de flexión en cuatro puntos y medidas de tensiones locales in-situ en puntos
cercanos a la grieta mediante radiación sincrotrón.
Se extenderá el estudio a materiales compuestos de matriz metálica y refuerzo cerámico
discontinuo.

22. Muchas gracias.
Projecto MAT 2009-09545