ES2327257T3

ES2327257T3 - Elemento de estructura soldado, procedimiento de fabricacion y utilizacion de este.

Info

Publication number: ES2327257T3
Application number: ES05802631T
Authority: ES
Inventors: Jean-Christophe Ehrstrom; Henri Gerard
Original assignee: Alcan Rhenalu SAS
Current assignee: Constellium Issoire SAS
Priority date: 2004-09-14
Filing date: 2005-09-12
Publication date: 2009-10-27
Anticipated expiration: 2025-09-12
Also published as: WO2006030123A2; CN101056736B; US20060054666A1; EP1799391B1; CN101056736A; DE602005014564D1; WO2006030123A3; EP1799391A2; US8420226B2; EP1799391B8; ATE431770T1

Abstract

Elemento de estructura que comprende por lo menos dos partes (11, 12) de aleación de aluminio que presentan compromisos de propiedades diferentes, soldándose las correspondientes por lo menos dos partes, y en el que una de las correspondientes partes se elige en un estado metalúrgico inicial diferente del de la otra de las correspondientes por lo menos dos partes, y en el que por lo menos una de las correspondientes por lo menos dos partes (11, 12) se sometió a un revenido previo a la soldadura, y en el que el correspondiente elemento de estructura se sometió a un revenido post soldadura que confiere un estado metalúrgico final diferente, tal como es el resultado del revenido previo y del revenido post-soldadura, a cada una de las correspondientes por lo menos dos partes.

Description

Elemento de estructura soldado, procedimiento de fabricación y utilización de éste.

La presente invención se refiere a un elemento soldado de aleación de aluminio y más particularmente a un elemento de estructura soldado que comprende dos o más de dos partes en diferentes estados metalúrgicos, un procedimiento de fabricación de un elemento de estructura comprendiendo por lo menos dos partes de aleación de aluminio (véase las reivindicaciones 1 y 20 respectivamente así como US 2003/116608). Dichos elementos de estructura pueden utilizarse para la construcción aeronáutica por ejemplo.

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Estado de la técnica

Por lo general se sabe que durante la fabricación de productos semiacabados y elementos estructurales para la construcción aeronáutica, ciertas propiedades requeridas no suelen poder optimarse simultáneamente, las unas independientemente de las otras. Es lo que ocurre a veces con las propiedades reunidas bajo el término "resistencia mecánica estática" (en particular la resistencia a la rotura R_{m} y el límite de elasticidad R_{p0.2}) por una parte, y con las propiedades reunidas bajo el término "tolerancia a los daños" (en particular la tenacidad y la resistencia a la propagación de grietas) por otra parte. Para cada utilización de un elemento de estructura contemplada, se tiene que buscar un compromiso conveniente entre las propiedades mecánicas estáticas y las propiedades de tolerancia a los daños. Éste se denomina aquí "compromiso de propiedades". Propiedades adicionales, tales como la resistencia a la corrosión, pueden incluirse en el compromiso de propiedades, si fuera necesario, y en ciertos casos, puede ser preciso definir un compromiso entre dos o más de dos propiedades dentro del grupo de propiedades denominado "resistencia mecánica estática" o "tolerancia a los daños", tales como el límite de elasticidad y el alargamiento que tienden a ser incompatibles. La necesidad de optimar el compromiso de propiedades es particularmente importante para ciertas partes o elementos estructurales para los que los mejores resultados podrían obtenerse al optimar la resistencia mecánica estática en un extremo geométrico y al optimar la tolerancia a los daños en el otro extremo geométrico. Típicamente, en la construcción aeronáutica, se optiman los paneles superiores de ala (extradós) para la resistencia mecánica estática y se optiman los paneles inferiores de ala (intradós) para la tolerancia a los daños. Durante los últimos años se desarrollaron nuevas aleaciones para los paneles de extradós e intradós y la diferencia de las propiedades entre estos paneles es cada vez más marcada. En los largueros, unidos tanto al extradós como al intradós, sería muy interesante optimar la parte superior para las propiedades mecánicas estáticas y la parte inferior para la tolerancia a los daños. Sin embargo, en el caso de los largueros fabricados para estructuras integrales no soldadas a partir de una aleación de un estado metalúrgico, se tiene que hacer una elección, y actualmente se elige típicamente la 7040 en el estado T76 o T74 para sacar provecho del compromiso entre el límite elástico y la tenacidad que ofrece dicha aleación. Para optimar por separado por ejemplo la parte superior y la parte inferior de un larguero, se propuso fabricarlo a partir de dos materiales distintos. Puede realizarse una estructura mecánicamente unida pero ésta resulta ser costosa. Se propuso unir la estructura por soldadura. La figura 2 ilustra tal unión para un
larguero.

Entre las técnicas de soldadura se pueden distinguir dos familias principales. En los procedimientos de soldadura por fusión, tales como la soldadura por puntos, la soldadura por chispas, la soldadura por láser, la soldadura por arco, la soldadura por haz de electrones, la soldadura se realiza más allá del punto de fusión de las piezas que han de soldarse, en la fase líquida. En la soldadura por fricción, donde un desplazamiento relativo de las partes que han de soldarse genera calor para la unión, o en la soldadura por fricción agitación, donde una herramienta giratoria no consumible se desplaza a lo largo de la unión entre los dos componentes para generar calor, la soldadura se realiza por debajo del punto de fusión, en fase sólida.

Cualquiera que sea la técnica de soldadura utilizada, se genera calor y la soldadura suele tener un efecto desfavorable sobre las propiedades de los distintos materiales, disminuyendo la resistencia mecánica en la soldadura y en la zona adyacente a la soldadura aquí denominada zona térmicamente afectada (ZAT). Sin embargo las técnicas de soldadura se comportan de manera bastante diferente y numerosas aleaciones, tales como la mayoría de las aleaciones de aluminio de la serie 2XXX y 7XXX, que no pueden soldarse de manera fiable mediante las correspondientes técnicas de soldadura por fusión, pueden unirse mediante una soldadura por fricción o soldadura por fricción
agitación.

El documento WO 98/58 759 (British Aerospace) describe un procedimiento destinado a formar componentes aeronáuticos gracias a la unión de dos elementos mediante una soldadura por fricción agitación. Los componentes estructurales aeronáuticos tales como los paneles de revestimiento de ala, los largueros y las costillas, pueden obtenerse por medio del correspondiente procedimiento. Se describen palanquillas híbridas de aleación de aluminio, que comprenden por ejemplo una aleación de la serie 7000, unidas a una aleación de la serie 2000, una a continuación de la otra, mediante una soldadura por fricción agitación. Sin embargo, en esta solicitud de patente, no se da ninguna indicación acerca de la manera de resolver las dificultades metalúrgicas asociadas a la soldadura por fricción agitación de aleaciones de aluminio de endurecimiento estructural. En particular no se contemplan la baja resistencia mecánica ni la baja resistencia a la corrosión de la zona térmicamente afectada.

El documento US 6 168 067 (McDonnell Douglas Corporation) enseña un procedimiento para reducir la degradación de propiedades de los materiales durante la soldadura por fricción agitación. En particular la operación de soldadura por fricción agitación se realiza después de la disolución y el temple y antes del revenido. Las aleaciones de aluminio y de zinc no se mencionan como ejemplos de aleaciones binarias o terciarias útiles para la invención. La patente no menciona la posibilidad de unir elementos de diferentes aleaciones o elementos de la misma aleación en diferentes estados metalúrgicos. El tratamiento termomecánico realizado antes de la unión es igual para las dos partes que han de unirse. No se menciona el revenido antes de la unión de las piezas mediante una soldadura por fricción agitación, los elementos estructurales están en un estado de no equilibrio durante la operación de soldadura por fricción agitación.

El documento EP 0 995 511 (Alcoa) describe cómo unir capas superpuestas de materiales antes de una deformación combinada. Los medios destinados a unir los materiales tienen por objetivo mantener la posición durante una deformación combinada, lo que es un objetivo diferente de la presente invención.

El documento US 2004/0 056 075 (Universal Alloys) describe un procedimiento para mejorar las propiedades de resistencia mecánica en la zona térmicamente afectada y en la zona de soldadura. Los elementos de aleación de aluminio de endurecimiento estructural destinados a la soldadura se someten a las siguientes etapas: una primera etapa de revenido, una etapa de soldadura y una segunda etapa de revenido. Los elementos que han de unirse están constituidos por la misma aleación de aluminio y se someten al mismo primer tratamiento de revenido antes de la soldadura. La solicitud de patente no aborda los problemas específicos vinculados a la unión de elementos de diferentes aleaciones o de elementos de la misma aleación en estados metalúrgicos diferentes.

En el documento US 6 802 444 (NASA) se propone una solución para mejorar el tratamiento térmico de los materiales unidos mediante una soldadura por fricción agitación. Primero se disuelve la aleación de aluminio y de zinc, después ésta se refrigera con aire hasta la temperatura ambiente, se une mediante una soldadura por fricción agitación, se disuelve por segunda vez, se templa y por último se somete a un revenido.

En el documento JP 2000-237 882 (Sky Aluminium) la soldadura por fricción agitación se utiliza para unir aleaciones de aluminio superplásticas tales como una aleación Al-Mg, una aleación Al-Zn-Mg, una aleación Al-Zn-Mg-Cu, una aleación Al-Cu, una aleación Al-Li, una aleación Al-Mg-Si, una aleación Al-Si, y se obtiene un tamaño de grano limitado, preferentemente inferior o igual a los 30 \mum. Los tratamientos térmicos realizados son específicos de las aleaciones de aluminio superplásticas.

Existe una clara necesidad para un procedimiento apto para ofrecer una solución al problema, a continuación llamado "el problema", que consiste en soldar dos o más de dos partes de aleación de aluminio cuyos compromisos de propiedades son diferentes, tales como las propiedades mecánicas estáticas y/o la tolerancia a los daños y/o la resistencia a la corrosión, sin degradar significativamente dichas propiedades en la soldadura, en la zona térmicamente afectada o en las zonas que no están afectadas por la soldadura.

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Objeto de la invención

Un objeto de la invención consiste en obtener un elemento de estructura que comprende por lo menos dos partes de aleación de aluminio que presentan compromisos de propiedades diferentes. Las correspondientes partes de aleación de aluminio se unen mediante una soldadura. Para evitar la degradación de las correspondientes propiedades de las partes de aleación de aluminio, una de las por lo menos dos partes se sometió a un revenido previo a la soldadura y el elemento de estructura se sometió a un revenido post soldadura que confiere un estado metalúrgico final a cada una de las correspondientes por lo menos dos partes. Según la invención, para obtener por lo menos dos partes que tienen compromisos de propiedades diferentes, una de las correspondientes por lo menos dos partes se elige en un estado metalúrgico inicial diferente del de la otra de las correspondientes por lo menos dos partes, véase la reivindicación 1.

Otro objeto de la presente invención consiste en proponer un procedimiento de fabricación de un elemento de estructura que comprende la soldadura de por lo menos dos partes de aleación de aluminio que presentan compromisos de propiedades diferentes, véase la reivindicación 20.

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Descripción de las figuras

La figura 1 muestra un diseño típico de ala de avión. 1: panel extradós, 2: larguero delantero, 3: panel intradós, 4: extremo de depósito, 5: costilla de tipo placa, 6: larguero trasero, 7: costilla enrejada de celosía, 8: costilla de tipo placa, 9: costilla de extremo de ala externo, 10: costilla forjada.

La figura 2 muestra una sección transversal a través del larguero de la invención. 11: parte superior, 12: parte inferior, 13: soldadura.

La figura 3 muestra la posición típica de una grieta después de la prueba de tracción, en una sección transversal a través de la zona de soldadura, obtenida mediante una soldadura por fricción agitación. 14a: material cuya tensión de límite elástico es la más baja, 14b: material cuya tensión de límite elástico es la más alta, 15: zona plásticamente deformada, 16: zona termomecánicamente afectada, 17: grieta, 18: zona térmicamente afectada, 19: núcleo.

La figura 4 muestra una representación del procedimiento de soldadura por fricción agitación. 13: soldadura, 20: lado avance, 21: lado retroceso, 22: sentido de rotación, 23: sentido de soldadura, 24: herramienta.

Figura 5: chapa soldada en ensayos. 13: soldadura, 23: sentido de soldadura, 25a: primer material, 25b: segundo material.

Figura 6: probeta de tracción. 13: soldadura, 18: zona térmicamente afectada, 25a: primer material, 25b: segundo material.

Figuras 7 a 9: organigramas que ilustran las etapas de fabricación de un elemento de estructura según distintos modos de realización de la presente invención.

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Descripción de la invención a) Definiciones

Salvo indicación contraria, todas las indicaciones relativas a la composición química de las aleaciones se expresan en por ciento másico. La denominación de las aleaciones cumple las reglas de THE ALUMINUM ASSOCIATION. Los estados metalúrgicos se definen en la norma europea EN 515. La composición química de aleaciones de aluminio normalizadas se define por ejemplo en la norma EN 573-3 así como en las publicaciones de THE ALUMINUM ASSOCIATION. Estas reglas, normas y publicaciones son conocidas del especialista. Salvo indicación contraria, las características mecánicas estáticas, es decir la resistencia a la rotura R_{m}, el límite elástico R_{p0.2}, el alargamiento de rotura A y el alargamiento a la fuerza máxima Ag, se determinan gracias a un ensayo de tracción según la norma EN 10002-1, definiéndose el lugar y el sentido de la toma de las probetas en la norma EN 485-1. Salvo indicación contraria, se aplican las definiciones dadas en la norma europea EN 12 258-1.

Aquí se llama "elemento de estructura" de una construcción mecánica, una pieza mecánica cuyo fallo es susceptible de poner en peligro la seguridad de la correspondiente construcción, de sus usuarios o de los demás. Para un avión, estos elementos de estructura comprenden en particular los elementos que componen el fuselaje (tales como la piel de fuselaje (fuselage skin en inglés), los refuerzos o largueros de fuselaje (stringers), los tabiques estancos (bulkheads), los fuselajes circulares (circumferential frames), las alas (tales como la piel de ala (wing skin), los refuerzos (stringers o stiffeners), las costillas (ribs) y los largueros (spars)) y las aletas que comprenden en particular estabilizadores horizontales y verticales (horizontal or vertical stabilisers), así como los perfiles de suelo (floor beams), los carriles de asientos (seat tracks) y las puertas. En la figura 1 se muestra una estructura de ala de aeronave
típica.

En el marco de esta descripción, una "estructura integral" significa la estructura de un elemento de aeronave diseñada para lograr una continuidad de materia en la mayor parte posible con el fin de reducir el número de puntos de unión mecánica. Una estructura integral puede realizarse sea gracias a un mecanizado en profundidad, sea gracias a elementos conformados por ejemplo por extrusión, forja o moldeo, o por soldadura de elementos estructurales constituidos por aleaciones soldables. Una "estructura mecánicamente unida" significa una estructura en la que se fijan, habitualmente por remache, las chapas finas o gruesas, según el destino del elemento de estructura (un elemento de fuselaje o un elemento de ala por ejemplo), en refuerzos y/o marcos (que pueden fabricarse por mecanizado a partir de productos extruidos o laminados).

La resistencia a la corrosión por exfoliación se determinó mediante un ensayo de tipo EXCO según la norma ATSM G34.

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b) Descripción detallada de la invención

Según la presente invención el problema se resuelve al realizar un revenido previo en una de las partes que han de unirse, para obtener un estado metalúrgico inicial, al soldar la correspondiente parte con otras partes que han de unirse y al tratar térmicamente, durante un revenido post-soldadura, el elemento de estructura que comprende las correspondientes partes, para obtener un estado metalúrgico final optimizado para cada parte. Al realizar un revenido previo individual y un revenido post soldadura personalizado, es posible minimizar o incluso evitar la degradación de propiedades mecánicas estáticas y/o de tolerancia a los daños y/o de resistencia a la corrosión en la zona afectada por la soldadura y obtener un estado metalúrgico optimizado en la zona que no está afectada por la
soldadura.

Un elemento de estructura adecuado según la invención comprende por lo menos dos partes de aleación de aluminio que presentan compromisos de propiedades diferentes, estando soldadas las correspondientes por lo menos dos partes, y en el que una de las correspondientes partes se elige en un estado metalúrgico inicial diferente del de la otra de las correspondientes por lo menos dos partes, y en el que por lo menos una de las correspondientes por lo menos dos partes se sometió a un revenido previo a la soldadura, y en el que el correspondiente elemento de estructura se sometió a un revenido post soldadura que confiere un estado metalúrgico final a cada una de las correspondientes por lo menos dos partes.

En un modo de realización de la presente invención, las correspondientes por lo menos dos partes son adyacentes. Cuando se hable de adyacente, se hace referencia a que los por lo menos dos componentes tienen bordes o lados uno a continuación del otro. Las uniones adyacentes comprenden por ejemplo: unión uno al lado del otro, unión uno a continuación del otro, unión por superposición, uno por encima del otro, unión en T, unión en borde, unión en
esquina.

En otro modo de realización de la invención, los correspondientes compromisos de propiedades diferentes entre las correspondientes por lo menos dos partes se logran en virtud de por lo menos uno de (i) la composición química de las correspondientes partes, (ii) los estados metalúrgicos iniciales de las correspondientes partes, y/o (iii) el revenido post-soldadura.

Cuando se hable de estado metalúrgico final, se hace referencia al estado metalúrgico obtenido después del revenido post soldadura, tal como es el resultado del revenido previo y del revenido post-soldadura. Los estados metalúrgicos en el alcance de la presente invención comprenden, sin limitaciones, los estados metalúrgicos T (térmicamente tratados para producir estados metalúrgicos diferentes de F, O ó H), e incluso más precisamente los estados metalúrgicos T6, disueltos y revenidos después, los estados metalúrgicos T7 disueltos y sobrerrevenidos/estabilizados, y en particular los estados metalúrgicos T73, T7351, T74, T7451, T76, T7651, T77, T7751, T79 y T7951, donde los estados metalúrgicos T8 y T851 disueltos, endurecidos en frío y después revenidos presentan un interés particular para la presente
invención.

Cuando se hable de revenido post-soldadura, se hace referencia a un tratamiento térmico de envejecimiento artificial del correspondiente elemento de estructura soldado. El revenido post-soldadura se diseñará con el fin de obtener el estado metalúrgico final deseado de las correspondientes por lo menos dos partes. El revenido post-soldadura puede comprender distintas etapas a diferentes temperaturas. En un modo de realización ventajoso, cuando una parte del elemento de estructura es de aleación 2XXX, la temperatura más alta del revenido post-soldadura está comprendida entre los 150ºC y los 200ºC y preferentemente entre los 170ºC y los 180ºC. En otro modo de realización ventajoso, cuando el elemento de estructura sólo comprende aleaciones 7XXX, la temperatura más alta del revenido post-soldadura está comprendida entre los 110ºC y los 180ºC y preferentemente entre los 140ºC y los 160ºC. Dicho revenido post-soldadura ofrece una mayor resistencia en compresión a la aleación que no ha sido envejecida antes de su soldadura, así como una mayor tenacidad y un mejor comportamiento a la corrosión de la aleación que se sometió a un revenido previo a la soldadura, esta última resultando más envejecida.

Tal como se estableció en la descripción del arte anterior, ciertas propiedades requeridas para los componentes estructurales no se pueden optimar simultáneamente una independientemente de la otra. Esto es particularmente verdad para las propiedades tales como las "propiedades mecánicas estáticas" o "resistencia mecánica" (en particular la resistencia a la rotura R_{m} y el límite de elasticidad R_{p0.2}) y la "tolerancia a los daños" (en particular la tenacidad y la resistencia a la propagación de las grietas).

En otro modo de realización de la invención, por lo menos una parte se elige de modo que el estado metalúrgico final de ésta confiera propiedades de resistencia mecánica al correspondiente elemento de estructura y por lo menos otra parte adyacente se elige de modo que el estado metalúrgico final de ésta confiera una tolerancia a los daños al correspondiente elemento de estructura.

En lo que se refiere a la composición química, las por lo menos dos partes de aleación de aluminio pueden elegirse a partir de aleaciones de aluminio de la misma serie o de diferentes series, tales como las aleaciones 2XXX o las aleaciones 7XXX por ejemplo. Las aleaciones 2XXX, que pueden utilizarse para la presente invención, comprenden, sin limitaciones, las 2014, 2022, 2023, 2024, 2026, 2027, 2050, 2056, 2098, 2099, 2139, 2196, 2224, 2324 y 2524. Las partes de aleación 2XXX suelen presentar buenas propiedades de tolerancia a los daños y, tal cual, se utilizan en partes que requieren mejores propiedades para una tensión en tracción tales como los intradós. Las partes de aleación 7XXX, que pueden utilizarse para la presente invención, comprenden, sin limitaciones, las 7010, 7040, 7050, 7150, 7250, 7055, 7056, 7068, 7049, 7140, 7149, 7249, 7349, 7449, 7075, 7175 y 7475. Las partes de aleación 7XXX presentan una alta resistencia mecánica para estados metalúrgicos cercanos al pico y, tal cual, se utilizan en partes que requieren mejores cualidades para una tensión en compresión tal como en los extradós. En un estado metalúrgico diferente, las partes de aleación 7XXX también pueden presentar buenas propiedades de tolerancia a los daños. En un modo de realización preferente de la presente invención, la correspondiente aleación 7XXX se sometió a un revenido previo a la soldadura. En otro modo de realización de la presente invención, la correspondiente parte de aleación 2XXX se sometió a un revenido previo a la soldadura.

Sin embargo la resistencia mecánica y la tolerancia a los daños no son las únicas propiedades difíciles de optimar simultáneamente, también ocurre en el caso de la resistencia mecánica y de la resistencia a la corrosión bajo tensión y/o exfoliante. En otro modo de realización de la presente invención, por lo menos una parte se elige de modo que la composición química de ésta y/o el estado metalúrgico final de ésta confieran una resistencia mecánica al correspondiente elemento de estructura, y por lo menos otra parte adyacente se elige de modo que la composición química de ésta y/o el estado metalúrgico final de ésta confieran una resistencia a la corrosión bajo tensión y/o a la corrosión exfoliante.

El especialista sabe que la resistencia a la corrosión bajo tensión y/o a la corrosión exfoliante suele vincularse al estado metalúrgico. Más precisamente, en la norma EN515, se describe que se mejoran la resistencia a la corrosión bajo tensión y la resistencia a la corrosión exfoliante, en el orden T79 (y T7951), T76 (y T7651), T74 (y T7451), T73 (y T7351) con T79 (y T7951) que presentan la menos buena resistencia a la corrosión y T73 (y T7351) que presentan la mejor resistencia a la corrosión.

Otro objeto de la presente invención es un procedimiento de fabricación de un elemento de estructura que comprende por lo menos dos partes, las correspondientes por lo menos dos partes estando eventualmente en un estado metalúrgico final diferente, para obtener el mejor compromiso de resultados entre resistencia a la corrosión y resistencia mecánica para cada parte del elemento de estructura.

Entre las técnicas de soldadura conocidas tales como la soldadura por puntos, la soldadura por chispas, la soldadura por láser, la soldadura por arco, la soldadura por haz de electrones, la soldadura por fricción y la soldadura por fricción agitación, la soldadura por fricción agitación se utiliza en el modo de realización más ventajoso de la presente invención.

La soldadura por fricción agitación fue iniciada en los años 1990 por TWI (The Welding Institute) en el Reino Unido y se utilizó para la unión de aleaciones de aluminio. Tiene como principio la obtención de una soldadura sin fundición del metal, mediante una fuerte cizalladura del metal con ayuda de una herramienta giratoria que mezcla los dos materiales que han de unirse. La disminución de la tensión de fluencia se obtiene primero gracias al calentamiento del metal por fricción de una zapata ("shoulder") a la superficie del metal, antes del desplazamiento de la herramienta que conduce poco a poco a la soldadura. La zapata también permite contener el metal y mantener una presión mientras evita la eyección del metal fuera de la zona soldada.

Se sabe que el procedimiento de soldadura por fricción agitación permite evitar los problemas de fisuración en caliente, lo que en particular permite soldar aleaciones consideradas como no soldables por fusión, como las aleaciones 2xxx de magnesio o las aleaciones 7xxx de cobre por ejemplo, que son las aleaciones que suelen utilizarse en la construcción aeronáutica.

Se sabe que la estructura metalúrgica dentro y alrededor de la zona soldada por fricción agitación ofrece un aspecto muy característico y claramente distinto del de una soldadura por fusión. A no ser las zonas situadas lejos de la soldadura que permanecen totalmente no afectadas, se pueden distinguir 3 zonas distintas, tal como se indica en la figura 3:

- 19: la zona afectada por la deformación plástica más severa se llama el "núcleo". Durante la soldadura, la temperatura puede alcanzar los 560ºC en esta zona. La anchura del núcleo suele ser un poco superior al diámetro de la herramienta.

- 16: la segunda zona en cada lado del núcleo es la zona termomecánicamente afectada, deformada en una menor medida y que, según la aleación, puede presentar señales de recristalización.

- 15: la tercera zona por encima del núcleo se llama la "zona plásticamente deformada" y se forma mediante el efecto de rotación de la zapata de la herramienta.

- 18: la zona térmicamente afectada (ZAT) rodea las zonas anteriores severamente deformadas y sufre transformaciones metalúrgicas inherentes a la temperatura creciente.

La figura 4 describe una operación de soldadura por fricción agitación. El lado avance 20 es el lado donde son idénticos el sentido local de la superficie de la herramienta debido a la rotación de la herramienta y el sentido de la soldadura 23. El lado retroceso 21 es el lado donde son opuestos el sentido local de la superficie de la herramienta debido a la rotación de la herramienta y el sentido de la soldadura 23. La velocidad de rotación de la herramienta es la velocidad a la que la herramienta gira en el sentido de rotación 22. La velocidad de soldadura es la velocidad a la que la herramienta se desplaza a lo largo del sentido de la soldadura 23. En la presente invención, se descubrió que ambos lados no son equivalentes, especialmente cuando se sueldan juntas distintas aleaciones, y que la parte situada del lado avance presenta los resultados menos buenos en término de resistencia a la corrosión por exfoliación. En caso de unir una parte de aleación 2XXX a una parte de aleación 7XXX, los mejores resultados en término de propiedades mecánicas estáticas se obtienen si la parte de aleación 2XXX se sitúa del lado avance. En caso de unir una parte de aleación 7XXX a otra parte de aleación 7XXX cuyas propiedades mecánicas estáticas son diferentes, los mejores resultados se obtienen si la parte de aleación 7XXX que tiene la tensión de rotura más elevada se sitúa del lado
avance.

En la figura 7, se muestra una secuencia de etapas que pueden utilizarse para la invención. En este modo de realización, una primera parte revenida previamente y una segunda parte, eventualmente revenida previamente, se sueldan juntas para formar una pieza bruta de elemento de estructura. Esta pieza bruta se mecaniza después hasta su forma final. En otro modo de realización de la invención descrito en la figura 8, se realiza una primera etapa de premecanizado después de un temple y facultativamente de un estirado y antes de un revenido previo, para la por lo menos una parte que se somete a un revenido previo. En aún otro modo de realización de la invención descrito en la figura 9, se realiza una primera etapa de premecanizado después de un revenido previo y antes de una soldadura, para la por lo menos una parte que se somete a un revenido previo.

En un modo de realización ventajoso de la presente invención, el elemento de estructura se utiliza en una construcción aeronáutica, y comprende por ejemplo los elementos de fuselaje (tales como la piel de fuselaje), los refuerzos o largueros de fuselaje, los tabiques estancos, los marcos de fuselaje, los componentes de ala (tales como la piel del ala), los refuerzos, las costillas, los largueros, las aletas (tales como los estabilizadores horizontales y verticales), las vigas de suelo, los carriles de asiento y las puertas. Los elementos de estructura tales como las costillas y los largueros procedentes del procedimiento de la presente invención son particularmente ventajosos. En un modo de realización preferente de la presente invención, una costilla o un larguero comprenden por lo menos una parte superior y una parte inferior, la correspondiente parte superior comprende 7449 en el estado T79 o 7449 en el estado T7951 y la correspondiente parte inferior comprende 7040 en el estado T76 o 7040 en el estado
T7651.

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Ejemplos

Ejemplo 1

En este ejemplo se realizó un elemento de estructura integrando dos partes de la misma aleación que presentan estados metalúrgicos diferentes. Se colaron placas de aleaciones de aluminio 7449 y 7040 y la composición obtenida a partir de dicha colada se presenta en el cuadro 1.

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CUADRO 1 Composición química (por ciento en peso)

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Las placas de 7040 se homogeneizaron a 475ºC, se laminaron en caliente hasta un espesor de 100 mm, se disolvieron a 480ºC, se templaron y traccionaron de un 3%. Este tratamiento lleva a un estado metalúrgico W51. Después se cortaron las chapas resultantes a las medidas deseadas y algunas de las partes obtenidas se sometieron a un tratamiento de revenido previo de 6 h a 120ºC, seguido de 16 h a 155ºC, llegando a un estado metalúrgico T7651. Después se realizó una primera etapa de mecanizado en las partes W51 y las partes T7651 para obtener muestras de 16 mm de espesor listas para su soldadura.

Las placas de 7449 se homogeneizaron a 473ºC, se laminaron en caliente hasta un espesor de 18 mm, se disolvieron a 473ºC, se templaron y traccionaron de un 3%. Este tratamiento lleva a un estado metalúrgico W51. Después se cortaron las chapas resultantes a las medidas deseadas y algunas partes obtenidas se sometieron a un tratamiento de revenido previo de 24 h a 120ºC, seguido de 17 h a 150ºC, llegando a un estado metalúrgico T7951. Después se realizó una primera etapa de mecanizado en las partes W51 y en las partes T7951 para obtener muestras de 16 mm de espesor listas para su soldadura. Un límite elástico típico para esta aleaciones es de 600 MPa para la 7449 T7951 y de 500 MPa para la 7040 T7651.

Se utilizó la soldadura por fricción agitación como procedimiento de soldadura. En los ensayos se variaron dos parámetros asociados a esta técnica de soldadura: la posición relativa de las partes con respecto a la rotación de la herramienta (lados avance y retroceso) y la velocidad de soldadura. La soldadura se efectuó en una máquina SuperStir® de ESAB. Se efectuó el ajuste de los parámetros de soldadura por inspección visual de las soldaduras, en otros términos se consideró como conforme una soldadura sin ningún defecto profundo o de superficie y con un acabado de superficie satisfactorio. Se soldaron con éxito todas las combinaciones, descritas en el cuadro 2, a pesar de la disparidad de tensión de fluencia a alta temperatura.

Los parámetros de soldadura se eligieron a partir de ensayos conducidos durante un estudio preliminar. Todas las combinaciones se realizaron a 230 r.p.m. (revoluciones por minuto) y se intentaron dos velocidades de soldadura: 80 y 100 mm/min. Ya que no se observó ningún defecto visual de las soldaduras, se caracterizaron únicamente las soldaduras a "100 mm/min.". Se hizo esta elección teniendo en la mente que una soldadura realizada a una velocidad más alta sería favorable tanto para las propiedades mecánicas, por minimización del calentamiento, como para la productividad.

CUADRO 2 Descripción de las uniones y condiciones de revenido post soldadura

2

Tal como se describe en el cuadro 2, se aplicó un revenido post soldadura en cada combinación antes de la prueba mecánica. Se probaron en tracción todas las soldaduras en probetas tomadas a un espesor medio y perpendicularmente a la soldadura, tal como se muestra en las figuras 5 y 6.

Se probaron por lo menos tres probetas para cada caso con una buena reproducibilidad. Los grados de resistencia mecánica obtenidos son parecidos para todas las combinaciones probadas: entre 350 y 385 MPa. Los resultados se muestran en el cuadro 3.

CUADRO 3 Propiedades mecánicas de las juntas soldadas

4

Se observa que la rotura se produce principalmente pero no sistemáticamente del lado de la junta donde la aleación tiene el límite de elasticidad más bajo (véase la figura 3). Así la 7040-T7451 cede antes de la 7040-T7651 y la 7449-T7651 cede muchas veces antes de la 7449-T7951. El par 7449-T7651/7449-T7951 (avance/retroceso) tiene el mismo comportamiento que la combinación opuesta 7449-77951/7449-T7651 (avance/retroceso).

Para la evaluación de la corrosión exfoliante, se sumergió cada combinación durante 48 h en una solución preparada con agua desionizada y NaCl (234 g/l), KNO_{3} (50 g/l) y HNO_{3} (6,3 ml/l), y se mantuvo constantemente a 25ºC \pm 3ºC. Se efectuó una evaluación según la norma ASTM G34, con N significando ningún ataque, P significando una picadura, PF significando una picadura por exfoliación, EA significando una exfoliación superficial, EB significando una exfoliación moderada, EC significando una exfoliación severa y ED significando una exfoliación muy severa. El cuadro 4 presenta los resultados de los ensayos de EXCO antes de la limpieza.

Es de notar que después de la limpieza aparece una zona intermedia entre la zona térmicamente afectada y el metal básico. Estos resultados muestran que el núcleo y el metal básico presentan buenos resultados en la prueba EXCO, los resultados siendo PF en cada caso. En lo que se refiere a la zona térmicamente afectada, se obtiene típicamente EB, excepto para la 7449-T7651 (ED) en el caso B.

En el caso de la aleación 7449, la posición de la aleación (avance/retroceso) parece tener una influencia sobre los resultados de corrosión, obteniéndose los mejores resultados cuando la parte de aleación de aluminio, que tiene el sobrerrevenido más bajo (7449-T7951) y las propiedades mecánicas más altas pues (R_{m}, R_{p0,2}), se sitúa del lado avance.

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CUADRO 4 Resultados de la prueba de EXCO

5

Ejemplo 2

En este ejemplo se realizó un elemento de estructura que comprende dos partes constituidas por dos aleaciones diferentes. Se colaron placas de aleación de aluminio 7449, 7040 y 2022 y la composición obtenida a partir de dichas coladas se indica en el cuadro 5.

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CUADRO 5 Composiciones químicas (por ciento en peso)

6

Se transformaron las placas de aleación 7040 y 7449 como se describe en el ejemplo 1. Las placas de aleación 2022 se calentaron a 475ºC, se laminaron en caliente hasta un espesor de 40 mm, se disolvieron a 530ºC, se templaron y traccionaron de un 3%. Este tratamiento lleva a un estado metalúrgico T351. Después se cortaron las chapas resultantes a las medidas deseadas y las partes obtenidas se sometieron a un tratamiento de revenido previo de 16 h a 173ºC, llegando a un estado metalúrgico T851. Después se realizó una primera etapa de mecanizado para obtener muestras de 16 mm de espesor listas para su soldadura. Los revenidos utilizados antes de la soldadura tienden a obtener las mejores propiedades de las aleaciones una vez que éstos se hayan soldado y térmicamente tratado mediante un revenido post soldadura. En el cuadro 6 se presentan las combinaciones elegidas para los ensayos.

Las condiciones de soldadura eran iguales que en el ejemplo 1. Otra vez, ya que no se observó ningún defecto visual en la superficie de las soldaduras, se caracterizaron únicamente las soldaduras obtenidas a la velocidad de "100 mm/min.".

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CUADRO 6 Descripción de las uniones y condiciones de tratamiento térmico post soldadura

7

A pesar de que se hayan observado algunos defectos, se probaron en tracción todas las soldaduras en probetas tomadas a un espesor medio y perpendicularmente a la soldadura, tal como se muestra en las figuras 5 y 6. Las propiedades mecánicas de las juntas soldadas se presentan en el cuadro 7.

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CUADRO 7 Propiedades mecánicas de las juntas soldadas

9

Según la aleación que se sitúa del lado avance, aparece una asimetría en los resultados del par 2022/7040. En efecto, en el caso en el que la aleación 2022 se sitúe del lado retroceso, las propiedades en tracción son significativamente inferiores al caso en el que la aleación 2022 se sitúe del lado avance. Tal como se describe en el ejemplo 1, se efectuaron ensayos EXCO. Los resultados se presentan en el cuadro 8.

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CUADRO 8 Resultados de pruebas de corrosión por exfoliación

10

Estos resultados muestran que el núcleo presenta buenos resultados en el ensayo EXCO, obteniéndose en cada caso P o PF. También se observa un buen resultado para el metal básico, que es PF, excepto para la 7040-T651 en los casos E y F cuando está asociado a la aleación 2022. En lo que se refiere a la zona térmicamente afectada, se obtiene típicamente EB o EB/EC, excepto para la 7040-T7651 (PF/EA) en el caso D y la 2022 (P) en los casos E y F.

Claro está que la invención no se limita a los ejemplos de realización arriba descritos y representados, a partir de los cuales se podrán prever otros modos y otras formas de realización, sin salir del ámbito de la invención, tal como se define en las reivindicaciones.

Claims

1. Elemento de estructura que comprende por lo menos dos partes (11, 12) de aleación de aluminio que presentan compromisos de propiedades diferentes, soldándose las correspondientes por lo menos dos partes, y en el que una de las correspondientes partes se elige en un estado metalúrgico inicial diferente del de la otra de las correspondientes por lo menos dos partes, y

en el que por lo menos una de las correspondientes por lo menos dos partes (11, 12) se sometió a un revenido previo a la soldadura, y

en el que el correspondiente elemento de estructura se sometió a un revenido post soldadura que confiere un estado metalúrgico final diferente, tal como es el resultado del revenido previo y del revenido post-soldadura, a cada una de las correspondientes por lo menos dos partes.

2. Elemento de estructura según la reivindicación 1, en el que las correspondientes por lo menos dos partes (11, 12) son adyacentes.

3. Elemento de estructura según la reivindicación 1 o 2, en el que los correspondientes compromisos de propiedades diferentes entre las correspondientes por lo menos dos partes se logran en virtud de por lo menos uno de (i) la composición química de las correspondientes partes, (ii) los estados metalúrgicos iniciales de las correspondientes partes, y/o (iii) el revenido post-soldadura.

4. Elemento de estructura según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en el que por lo menos una parte (11, 12) se elige de modo que la composición química de ésta (11,12) y el estado metalúrgico final de ésta (11, 12) confiera propiedades de resistencia mecánica al correspondiente elemento de estructura y por lo menos otra parte adyacente se elige (12, 11) de modo que la composición química de ésta (12, 11) y/o el estado final de ésta (12, 11) confieran una tolerancia a los daños al correspondiente elemento de estructura.

5. Elemento de estructura según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en el que por lo menos una parte (11, 12) se elige de modo que la composición química de ésta (11, 12) y el revenido final de ésta (11, 12) confiera una resistencia mecánica al correspondiente elemento de estructura, y por lo menos otra parte (12, 11) adyacente se elige de modo que la composición química de ésta (12, 11) y/o el revenido final de ésta (12, 11) confieran una resistencia a la corrosión bajo tensión y/o por exfoliación.

6. Elemento de estructura según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, en el que las correspondientes partes (11, 12) se sueldan mediante una soldadura por fricción agitación (12).

7. Elemento de estructura según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, en el que por lo menos dos de las correspondientes por lo menos dos partes (11, 12) son de aleación 7XXX.

8. Elemento de estructura según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, en el que por lo menos una de las correspondientes por lo menos dos partes (11, 12) es de aleación 2XXX y otra de las correspondientes por lo menos dos partes es de aleación 7XXX.

9. Elemento de estructura según una cualquiera de las reivindicaciones 7 a 8, en el que la correspondiente aleación 7XXX se elige en el grupo constituido por 7040, 7349 y 7449.

10. Elemento de estructura según una cualquiera de las reivindicaciones 7 a 9, en el que la correspondiente parte de aleación 7XXX se somete a un revenido previo.

11. Elemento de estructura según una cualquiera de las reivindicaciones 8 a 10, en el que la correspondiente parte de aleación 2XXX se somete a un revenido previo.

12. Elemento de estructura según una cualquiera de las reivindicaciones 8 a 11, en el que la parte de aleación 2XXX se coloca del lado avance.

13. Elemento de estructura según una cualquiera de las reivindicaciones 7 a 11, en el que la parte de aleación 7XXX cuya resistencia a la rotura es la más alta, se sitúa del lado avance.

14. Elemento de estructura según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 13, en el que la temperatura más alta de revenido post soldadura está comprendida entre 150 y 200ºC.

15. Elemento de estructura según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 13, en el que la temperatura más alta de revenido post soldadura está comprendida entre 110 y 180ºC.

16. Elemento de estructura según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 15, en el que la temperatura más alta de revenido post soldadura está comprendida entre 170 y 180ºC.

17. Elemento de estructura según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 13 o 15, en el que la temperatura más alta de revenido post soldadura está comprendida entre 140 y 160ºC.

18. Elemento de estructura según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 17, en el que el correspondiente elemento de estructura comprende un larguero o una costilla apropiados para una utilización en la construcción aeronáutica.

19. Elemento de estructura según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 18, en el que el correspondiente elemento de estructura comprende por lo menos una parte superior y una parte inferior, en el que la correspondiente parte superior comprende 7449 T79 o 7449 T7951 y la correspondiente parte inferior comprende 7040 T76 o 7040 T7651 en el estado metalúrgico final.

20. Procedimiento de fabricación de un elemento de estructura que comprende por lo menos dos partes (11, 12) de aleación de aluminio que presentan compromisos de propiedades diferentes, soldándose las correspondientes por lo menos dos partes, y en el que una de las correspondientes partes (11, 12) se elige en un estado metalúrgico inicial diferente del de la otra (12, 11) de las correspondientes por lo menos dos partes (11, 12), y

en el que el correspondiente procedimiento se sometió a un revenido post soldadura que confiere un estado metalúrgico final diferente, tal como es el resultado del revenido previo y del revenido post-soldadura, a cada una de las correspondientes por lo menos dos partes.

21. Procedimiento según la reivindicación 20, en el que las correspondientes por lo menos dos partes (11, 12) son adyacentes.

22. Procedimiento según la reivindicación 20 ó 21, en el que los correspondientes compromisos de propiedades diferentes entre las correspondientes por lo menos dos partes se logran en virtud de por lo menos uno de (i) la composición química de las correspondientes partes, (ii) los estados metalúrgicos iniciales de las correspondientes partes, y/o (iii) el revenido post-soldadura.

23. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 20 a 22, en el que por lo menos una parte (11, 12) se elige de modo que la composición química de ésta (11, 12) y/o el estado metalúrgico final de ésta (11, 12) confieran propiedades de resistencia mecánica al correspondiente elemento de estructura, y por lo menos otra parte (12, 11) adyacente se elige de modo que la composición química de ésta (12, 11) y/o el revenido final de ésta (12, 11) confieran una tolerancia a los daños al correspondiente elemento de estructura.

24. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 20 a 23, en el que por lo menos una parte (11, 12) se elige de modo que la composición química de ésta (11, 12) y/o el revenido final de ésta (11, 12) confieran una resistencia mecánica al correspondiente elemento de estructura, y por lo menos otra parte (12, 11) adyacente se elige de modo que la composición química de ésta (12, 11) y/o el revenido final de ésta (12, 11) confieran una resistencia a la corrosión bajo tensión y/o por exfoliación.

25. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 20 a 24, en el que las correspondientes partes (11, 12) se sueldan mediante una soldadura por fricción agitación.

26. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 20 a 25, en el que por lo menos dos de las correspondientes por lo menos dos partes (11, 12) son de aleación 7XXX.

27. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 20 a 26, en el que por lo menos una de las correspondientes (11, 12) por lo menos dos partes (11, 12) es de aleación 2XXX y otra (12, 11) de las correspondientes por lo menos dos partes es de aleación 7XXX.

28. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 26 a 27, en el que la correspondiente aleación 7XXX se elige en el grupo constituido por 7040, 7349 y 7449.

29. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 26 a 28, en el que la correspondiente parte de aleación 7XXX se somete a un revenido previo.

30. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 27 a 29, en el que la correspondiente parte de aleación 2XXX se somete a un revenido previo.

31. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 27 a 30, en el que la parte de aleación 2XXX se coloca del lado avance.

32. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 26 a 30, en el que la parte de aleación 7XXX cuya resistencia a la rotura es la más alta, se sitúa del lado avance.

33. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 20 a 32, en el que la temperatura más alta de revenido post soldadura está comprendida entre 150 y 200ºC.

34. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 20 a 32, en el que la temperatura más alta de revenido post soldadura está comprendida entre 110 y 180ºC.

35. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 20 a 34, en el que la temperatura más alta de revenido post soldadura está comprendida entre 170 y 180ºC.

36. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 20 a 32 o 34, en el que la temperatura más alta de revenido post soldadura está comprendida entre 140 y 160ºC.

37. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 20 a 36, en el que el correspondiente elemento de estructura comprende un larguero o una costilla apropiados para una utilización en la construcción aeronáutica.

38. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 20 a 37, en el que el correspondiente elemento de estructura comprende por lo menos una parte superior y una parte inferior, en el que la correspondiente parte superior comprende 7449 T79 o 7449 T7951 y la correspondiente parte inferior comprende 7040 T76 o 7040 T7651 en el estado metalúrgico final.