ES2418484T3

ES2418484T3 - Procedimiento de soldadura por fricción-agitación por impulsos con por lo menos dos modos alternados que tienen cada uno una velocidad de avance, en el que las velocidades de avance medias son significativamente distintas

Info

Publication number: ES2418484T3
Application number: ES09784209T
Authority: ES
Inventors: Isabelle Bordesoules; Christian Hantrais; Jean-Pierre Armenio
Original assignee: Constellium France SAS
Current assignee: Constellium Issoire SAS
Priority date: 2008-06-30
Filing date: 2009-06-16
Publication date: 2013-08-14
Anticipated expiration: 2029-06-16
Also published as: CA2728049A1; CA2728049C; US7938309B2; BRPI0913654A2; BRPI0913654B1; CN102076455A; FR2933016B1; CN102076455B; WO2010004109A2; WO2010004109A3; FR2933016A1; US20090324991A1; EP2318173A2; EP2318173B1

Abstract

Procedimiento de soldadura por fricción-agitación de por lo menos una primera pieza (20) de una aleación metálica A con por lo menos una segunda pieza (21) de una aleación metálica B distinta en el que: - se unen las correspondientes primera y segunda piezas (20, 21), - con ayuda de una herramienta (1) en rotación que se desplaza con una velocidad llamada velocidad de avance, se realiza una unión entre las correspondientes primera y segunda piezas (20, 21), caracterizado por lo que la velocidad de avance de la herramienta (1) presenta, en régimen permanente, por lo menos dos modos alternados, un primer modo en el que se usa una primera velocidad de avance media (V1) y un segundo modo en el que se usa una segunda velocidad de avance media (V2), las velocidades (V1, V2) son significativamente distintas, típicamente de por lo menos el 20 % y preferentemente de por lo menos el 30 % de la más alta de las velocidades de avance, y la más baja de las velocidades de avance (V1, V2) puede ser nula.

Description

Procedimiento de soldadura por fricción-agitación por impulsos con por lo menos dos modos alternados que tienen cada uno una velocidad de avance, en el que las velocidades de avance medias son significativamente distintas.

La invención se refiere a un procedimiento de soldadura de por lo menos una primera pieza metálica de una aleación metálica A con por lo menos una segunda pieza de aleación metálica B distinta, según el preámbulo de la reivindicación 1 (véase US 2006/054666 por ejemplo), por fricción-agitación.

Estado de la técnica

Se conoce que por lo general, durante la fabricación de productos semiacabados y elementos estructurales para la construcción aeronáutica, algunas propiedades requeridas no se pueden optimizar simultánea e independientemente unas de otras. A veces es el caso de las propiedades reunidas bajo el término “resistencia mecánica estática” (resistencia a la rotura Rm y límite elástico Rp0,2 en particular) por una parte, y de las propiedades reunidas bajo el término “tolerancia a los daños” (tenacidad y resistencia a la propagación de grietas en particular) por otra parte. Para cada uso de elemento de estructura contemplado, tiene que encontrarse un compromiso adecuado entrepropiedades mecánicas estáticas y propiedades de tolerancia a los daños. Éste se denomina aquí “compromiso de propiedades”. De ser necesario, pueden integrarse propiedades adicionales tales como la resistencia a la corrosión en el compromiso de propiedades y, en algunos casos, incluso puede ser necesario 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 elástico y el alargamiento, que tienden a ser incompatibles. La necesidad de optimizar el compromiso de propiedades es particularmente importante en algunas partes o elementos estructurales donde se pudieran obtener mejores resultados optimizando la resistencia mecánica estática en un extremo geométrico y la tolerancia a los daños en otro extremo geométrico. La soldadura de piezas que presentan características óptimas en cada parte del elemento estructural permite obtener elementos estructurales con propiedades optimizadas.

La solicitud de patente EP1799391 (Alcan Rhenalu) enseña un procedimiento de fabricación de un elemento de estructura que comprende por lo menos dos partes de aleación de aluminio que presentan diferentes compromisos de propiedades, donde se sueldan las correspondientes por lo menos dos partes, y en el que una de las correspondientes partes (i) se elige para que sea de una aleación de aluminio distinta de la otra de las correspondientes por lo menos dos partes y/o (ii) se elige en un estado metalúrgico inicial distinto 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 somete a un revenido previo antes de ser soldada, y en el que el elemento de estructura se somete a un revenido después de la soldadura, lo que proporciona un estado metalúrgico final a cada una de las correspondientes por lo menos dos partes.

La soldadura por fricción-agitación se inició a principios de los años 1990, por TWI (The Welding Institute) en el Reino Unido, y conoció un rápido desarrollo en el campo de la unión de aleaciones de aluminio. Su principio consiste en obtener una soldadura sin fusión mediante fuerte cizalladura del metal con una herramienta giratoria que mezcla ambos materiales que se han de unir. La disminución de la tensión de fluencia se obtiene, en primer lugar, con un calentamiento del metal por fricción de un resalte (“shoulder”) en la superficie del metal, antes del desplazamiento de la herramienta que conduce poco a poco a la soldadura. El resalte también permite contener el metal y mantener una presión, evitando así la eyección del metal fuera de la zona soldada.

El procedimiento permite evitar los problemas de agrietamiento en caliente lo que permite soldar especialmente aleaciones consideradas como no soldables por fusión, como por ejemplo las aleaciones 2XXX con magnesio o las aleaciones 7XXX con cobre, que son las aleaciones generalmente usadas en la construcción aeronáutica.

Los parámetros del procedimiento de soldadura por fricción-agitación son principalmente: elección de la geometría de la herramienta, velocidad de giro y velocidad de avance de la herramienta (también llamada velocidad de soldadura) y fuerza aplicada a la herramienta. Estos parámetros no son independientes y suele ser conveniente aumentar la velocidad de giro conforme aumenta la velocidad de soldadura por ejemplo. Además, la velocidad de soldadura óptima suele ser inversamente proporcional al espesor de la soldadura (véase por ejemplo “Le soudage par friction-malaxage”, R. CAZES, Les Techniques de l'Ingénieur, BM 7 746 1-9).

La solicitud de patente DE 199 53 260 Al describe sistemáticamente posibilidades de variación cíclica de los parámetros velocidad de avance, velocidad de giro, fuerza aplicada a la herramienta, altura de la herramienta, sin especificar qué variación elegir ni en qué circunstancias es ventajosa esta variación.

La solicitud de patente US 2004-046003 describe una variación cíclica de la velocidad de giro de la herramienta para mejorar la mezcla de un metal plastificado. La patente US 6 450 394 describe un procedimiento para formar elementos de estructura de avión con la soldadura por fricción-agitación. Esta patente menciona la posibilidad de variar la velocidad de avance y la velocidad de giro para adaptar las condiciones de soldadura a variaciones de espesor de los productos.

Los parámetros de soldadura tienen que ser adecuados para la aleación que se ha de soldar, en particular para su dureza en caliente o en particular para su tensión de fluencia en caliente. Para cada aleación en un estado metalúrgico dado y un espesor de soldadura dado, se pueden obtener condiciones óptimas de soldadura en términos de velocidad de avance y velocidad de giro de la herramienta. Por lo general, la velocidad óptima de avance es la velocidad más alta que permite una calidad de soldadura satisfactoria, libre de porosidades y defectos de superficie en particular. Por lo general, cuando se sueldan dos materiales metálicos que tienen características mecánicas, y especialmente tensiones de fluencia en caliente, distintas, se usan parámetros de soldadura intermedios entre los parámetros más adecuados, para una y otra de las aleaciones. Sin embargo, resulta difícil e incluso imposible en algunos casos encontrar condiciones intermedias satisfactorias, en particular cuando las tensiones de fluencia en caliente de los materiales que se han de soldar son muy distintas.

Existe la necesidad de un procedimiento capaz de ofrecer una solución al problema que consiste en soldar con soldadura por fricción-agitación dos o más de dos piezas de aleaciones metálicas distintas que tienen, en particular, tensiones de fluencia en caliente muy distintas.

Objeto de la invención

La invención tiene por objeto un procedimiento de soldadura por fricción-agitación de por lo menos una primera pieza de una aleación metálica A con por lo menos una segunda pieza de una aleación metálica B distinta, tal como se define en la reivindicación 1.

Descripción de las figuras

La Figura 1 es un esquema general que describe el procedimiento de soldadura por fricción-agitación. La Figura 2 es un esquema de la herramienta empleada durante las pruebas. Las cotas se indican en mm. La Figura 3 es una vista en sección de la soldadura de la prueba N°l. La Figura 4 es una vista en sección de la soldadura de la prueba N°2 La Figura 5 es una vista en sección de la soldadura de la prueba N°41 La Figura 6 es un extracto del registro de la medida del par y de la velocidad de avance para la prueba 41. La Figura 7 es un extracto del registro de la medida del par y de la velocidad de avance para la prueba 46. La Figura 8 es un extracto del registro de la medida del par y de la velocidad de avance para la prueba 48.

Descripción de la invención

La denominación de las aleaciones cumple con los requisitos de las reglas de The Aluminium Association (AA) conocidas por el especialista. Las definiciones de los estados metalúrgicos están indicadas en la norma europea EN

515.

Salvo indicación contraria, las características mecánicas estáticas, en otros términos resistencia a la rotura Rm, límite elástico convencional al 0,2 % de alargamiento Rp0,2 y alargamiento de rotura A, se determinan con una prueba de tracción según la norma EN 10002-1, definiéndose la toma de muestra y el sentido de la prueba en la norma EN 485-1.

La figura 1 describe una operación de soldadura por fricción-agitación. Se unen dos piezas 20 y 21. Una herramienta 1 sometida a una fuerza aplicada F en la dirección vertical 13 se desplaza con una velocidad de avance V en la dirección horizontal mientras que efectúa un giro en la dirección 12 con una velocidad de giro R. El lado de avance es el lado donde la dirección local de la superficie de la herramienta debida al giro de la herramienta y la dirección de soldadura 11 son idénticas, la pieza 20 se sitúa en el lado de avance. El lado de retroceso es el lado donde la dirección local de la superficie de la herramienta debida al giro de la herramienta y la dirección de soldadura 11 son opuestas, la pieza 21 se sitúa en el lado de retroceso. La velocidad de giro R de la herramienta es la velocidad a la que gira la herramienta en la dirección del giro 12. La velocidad de avance es la velocidad a la que se desplaza la herramienta en la dirección de la soldadura 11. En el marco de la invención, se llama velocidad de avance media, la media de las velocidades de avance instantáneas durante un tiempo dado.

Típicamente, la operación de soldadura por fricción-agitación comprende tres fases, una fase de acercamiento durante la que la herramienta se pone en contacto con las piezas que se han de soldar, una fase permanente durante la que la herramienta avanza con regularidad sobre las piezas que se han de soldar y una fase de alejamiento durante la que la herramienta se aparta de las piezas que se han de soldar. En algunos casos, pueden usarse regímenes específicos en términos de velocidad de giro y velocidad de avance, durante las fases de acercamiento y alejamiento. La presente invención se refiere al régimen permanente, es decir a los parámetros de procedimiento empleados durante la fase permanente.

Para una aleación metálica dada, en un estado metalúrgico dado y un espesor soldado dado, existen parámetros óptimos de soldadura que permiten obtener una soldadura cuya calidad visual es satisfactoria tanto en superficie como en sección, y cuya resistencia mecánica es máxima mientras que se usa la velocidad de soldadura más alta posible. Los parámetros óptimos se definen principalmente por la velocidad de avance, la velocidad de giro y la fuerza aplicada. Se puede considerar que la determinación de dichos parámetros óptimos es precisa al 10 %

aproximadamente. El par medido necesario para el giro de la herramienta en estas óptimas condiciones es una indicación de las características reológicas de la aleación considerada. Aquí, cuando se hable de par medido, se hace referencia al par medido durante la soldadura del que se sustrajo el par medido durante el giro de la herramienta en vacío. A partir de los parámetros óptimos y del par medido, se define una energía de soldadura para una aleación dada en un estado metalúrgico dado y un espesor soldado dado.

Energía de soldadura (J/m) = par medido x velocidad de giro x 2 I / velocidad de avance

El par medido se expresa en N.m, la velocidad de giro en revoluciones por minuto y la velocidad de avance en m por minuto. El cuadro 1 del ejemplo 1 indica los parámetros óptimos para las aleaciones AA2050 en estado T3 y AA7449 en estado T6, para un espesor soldado de 20 mm. La energía de soldadura de la aleación AA7449 en estado T6 es casi tres veces superior a la de la aleación AA2050 en estado T3 para el espesor soldado.

La presente invención permite soldar piezas de aleaciones metálicas distintas. Cuando se hable de aleaciones metálicas distintas, se hace referencia especialmente a aleaciones metálicas para las que la energía de soldadura es significativamente distinta, de un factor 1,5 e incluso 2 o 2,5. Puede tratarse por ejemplo de dos aleaciones de aluminio cuya tensión de fluencia en caliente es muy distinta, o de una aleación de aluminio y de una aleación de titanio o también de acero, o de una aleación de cobre y de una aleación de titanio o de aluminio. Entre las aleaciones de aluminio cuya energía de soldadura es alta, la invención es ventajosa en particular para las aleaciones de las familias 5XXX y 7XXX. El cuadro 7 indica otras energías de soldaduras medidas o estimadas para chapas de aleaciones AA7449, AA2022 y AA7040. Los resultados del cuadro 7 muestran que la energía de soldadura de las chapas unidas tales como se describen en EP1799391 no presentan una energía de soldadura significativamente distinta.

La invención es particularmente ventajosa para la soldadura por fricción-agitación de piezas de aleaciones 7XXX, cuyo límite elástico es superior a los 500 MPa y preferentemente superior a los 530 MPa en el estado metalúrgico final, con otra aleación metálica distinta. Cuando se hable de estado metalúrgico final, se hace referencia al estado metalúrgico de la pieza después de un eventual tratamiento de revenido de la unión soldada.

Entre las aleaciones que tienen una energía de soldadura más baja, la invención es ventajosa en particular para las aleaciones de las familias 2XXX, 6XXX y 8XXX. La invención es particularmente ventajosa para la soldadura por fricción-agitación de piezas de aleación de aluminio de tipo aluminio litio, es decir que contengan por lo menos el 0,8 % en peso de litio, con una pieza de aleación metálica distinta, en particular una pieza de aleaciones 7XXX, cuyo límite elástico es superior a los 500 MPa en el estado metalúrgico final.

En el marco de la presente invención, piezas cuya aleación se eligió dentro del grupo constituido por AA2X39, AA2X24, AA2X98, AA2X95, AA2X96 AA2X50, AA6X56, AA6X82, se pueden soldar con soldadura por fricciónagitación con piezas cuya aleación se eligió dentro del grupo constituido por AA7X49, AA7X55, AA7X50, AA7X75, AA7X85, AA5X82. Cuando se hable de AA7X49, se hace referencia a las aleaciones AA7049, AA7149, AA7249, AA7349, AA7449, mutatis mutandis para las otras aleaciones mencionadas. Una aleación de titanio preferente es la aleación Ti-6A1-4V. Según la invención, se sueldan piezas de aleaciones metálicas distintas por fricción-agitación mediante un procedimiento en el que

-: se unen las piezas,

-: con ayuda de una herramienta en rotación que se desplaza con una velocidad llamada velocidad de avance, se realiza una unión entre las piezas,

la velocidad de avance de la herramienta presenta, en régimen permanente, por lo menos dos modos alternados, un primer modo en el que se usa una primera velocidad de avance media V1 y un segundo modo en el que se usa una segunda velocidad de avance media V2. Las velocidades V1 y V2 son significativamente distintas, típicamente de por lo menos el 20 % y preferentemente de por lo menos el 30 % de la más alta de las velocidades de avance, y la más baja de las velocidades de avance puede ser nula.

Las piezas se pueden unir mediante cualquier geometría que permite realizar una unión de soldadura por fricciónagitación, no siendo crítica la precisión de la unión. La soldadura se ejecuta principalmente en piezas colocadas canto contra canto pero se aceptan otras configuraciones de uniones tales como la soldadura a solape (soldadura en ángulo o en T) o la soldadura por superposición por ejemplo.

De manera asombrosa, los presentes inventores observaron que alternar un tiempo caliente (para el que la velocidad de avance es baja e incluso nula) y un tiempo frío (para el que la velocidad de avance es alta) permite solucionar la importante diferencia de tensión de fluencia de las aleaciones que se han de soldar. Las velocidades V1 y V2 tienen que ser significativamente distintas, típicamente de por lo menos el 20 % y preferentemente de por lo menos el 30 %, para observar el efecto deseado. En un modo de realización ventajoso de la invención, la diferencia entre V1 y V2 es por lo menos igual a 30 mm/min. Preferentemente, el primer y segundo modo alternan durante un ciclo cuyo tiempo T es inferior a los 15 segundos y está comprendido, preferentemente, entre 0,1 y 10 segundos, ventajosamente entre 0,5 y 7 segundos. El número de ciclos realizados por mm de soldadura depende de la velocidad de soldadura empleada, que a su vez depende en particular de la composición de las aleaciones metálicas y del espesor de las piezas, siendo éste típicamente de 15 ciclos para 50 mm de soldadura.

Preferentemente, el primer modo se mantiene durante un tiempo T1 y el segundo modo se mantiene durante un tiempo T2, T1 y T2 siendo por lo menos iguales al 20 % del tiempo T. Efectivamente, los tiempos T1 y T2 representan una proporción suficiente del tiempo del ciclo para que se pueda observar el efecto sobre la calidad de soldadura. En un modo de realización ventajoso de la invención, los tiempos T1 y T2 son sensiblemente iguales, es decir que no difieren de más del 20 %. Preferentemente, los parámetros T1, T2 expresados en segundos y V1, V2

expresados en mm/s, cumplen con la relación: 1 lt; (T1V1 - T2V2)2 lt; 400. Típicamente, el avance realizado durante el tiempo frío (velocidad de avance alta) es del orden de los 3 mm mientras que el avance realizado durante el tiempo caliente (velocidad de avance lenta) es inferior a 1 mm. Los parámetros necesarios para la soldadura se pueden definir en base a los parámetros óptimos determinados para cada pieza tomada por separado. Un parámetro importante es la velocidad de avance media de la soldadura en régimen permanente, es decir la velocidad de avance media durante todo el tiempo del régimen permanente. A modo de ejemplo, cuando se usan únicamente dos modos con velocidades de avance medias V1 y V2 durante tiempos T1 y T2, se obtiene V = (T1 x V1 + T2 x V2) / (T1 + T2). Ventajosamente, se usa como velocidad de avance media V en régimen permanente una velocidad comprendida en el intervalo definido por la velocidad óptima de avance de la pieza que requiere la energía de soldadura más alta, más o menos el 20 %.

Los tiempos caliente y frío se pueden amplificar por combinación de una variación de la velocidad de giro con la variación de la velocidad de avance. Sin embargo, es ventajoso emplear una velocidad de giro de la herramienta sensiblemente constante en régimen permanente. Efectivamente, el motor del equipo de soldadura por fricciónagitación aguanta mal las variaciones de velocidad de giro de la herramienta y estas variaciones provocan una sensible degradación de la vida útil del equipo. Además, los presentes inventores piensan que la calidad de la soldadura y su reproducibilidad son mejores cuando la velocidad de giro de la herramienta es sensiblemente constante en régimen permanente.

Preferentemente, la velocidad de giro de la herramienta está comprendida en el intervalo definido por la velocidad óptima de giro de la herramienta de la pieza que requiere la energía de soldadura más alta, más o menos un 20 %. Los presentes inventores observaron que cuando la velocidad de giro es superior a la velocidad óptima de giro de la herramienta de la pieza que requiere la energía de soldadura más alta más el 20 %, la temperatura alcanzada durante el tiempo caliente puede ser demasiado alta por lo que existe un riesgo de rebaba y asimismo el par medido puede ser inestable, pudiendo traducirse en una calidad de soldadura desigual.

Para algunos pares de aleaciones, la posición relativa de los elementos que se han de soldar puede tener un efecto sobre la calidad de la soldadura. Según una realización ventajosa de la invención, la pieza que requiere la energía de soldadura más alta se sitúa en el lado de retroceso.

La invención se puede aplicar a la soldadura de piezas de cualquier espesor. Sin embargo, la invención es particularmente ventajosa cuando el espesor de soldadura está comprendido entre 1 y 40 mm, preferentemente entre 10 y 30 mm y más preferentemente entre 12 y 20 mm. Las velocidades de soldadura son adecuadas para el espesor soldado. Según un modo de realización ventajoso en el que la primera y la segunda pieza son de aleación de aluminio, la diferencia entre V1 y V2 expresadas en mm/min. es por lo menos igual a 600/e, donde e es el espesor de soldadura expresado en mm.

La invención permite obtener uniones soldadas con soldadura por fricción-agitación que no se hubieran podido obtener con el procedimiento según el arte anterior, porque la calidad de la soldadura y las propiedades mecánicas hubieran sido insuficientes. Así, la invención permite obtener una unión soldada con soldadura por fricción-agitación entre una primera pieza y una segunda pieza de aleaciones metálicas, caracterizada por lo que la energía de soldadura de la primera y segunda pieza difiere de un factor por lo menos igual a 1,5 en el estado metalúrgico empleado durante la soldadura para el espesor soldado.

La unión soldada así obtenida con el procedimiento según la invención presenta ventajosamente un alargamiento de por lo menos 1,5 % y preferentemente de por lo menos 2,5 %, para una longitud del extensómetro L0 = 80 mm y/o una resistencia a la rotura Rm igual a por lo menos 46 % y preferentemente a por lo menos 48 % de la resistencia a la rotura de la pieza que presenta la resistencia a la rotura más alta.

Las uniones soldadas así obtenidas con el procedimiento según la invención son ventajosas, en particular para la realización de paneles o perfiles destinados a la fabricación de vehículos de transporte. En particular, las uniones según la invención son útiles para la fabricación de vehículos ferroviarios, vehículos de transporte público, transporte marítimo, vehículos automóviles y vehículos aéreos. Las uniones soldadas según la invención encuentran aplicaciones particularmente ventajosas en la construcción aeronáutica en lo relativo a la fabricación de elementos de estructura. El término “elemento de estructura” se refiere a un elemento usado en la construcción mecánica para

el que las características mecánicas estáticas y / o dinámicas tienen una importancia particular para la eficiencia e

integridad de la estructura, y para el que se suele prescribir o efectuar un cálculo de la estructura. Típicamente, se

trata de una pieza mecánica cuyo fallo es susceptible de poner en peligro a los usuarios o los demás, así como la

5 seguridad de la correspondiente construcción. 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 10 verticales (horizontal or vertical stabilisers), así como los perfiles de suelo (floor beams), los carriles de asientos (seat

tracks) y las puertas.

Ejemplos

15 Ejemplo 1

En este ejemplo, se realizaron líneas de soldadura por fricción-agitación. Se determinó la velocidad óptima de

soldadura, la velocidad óptima de giro y la energía de soldadura, para chapas de 40 mm de espesor de aleación

AA2050 en estado T351 y de aleación AA7449 en estado T6, para un espesor de soldadura de 20 mm, con ayuda 20 de una herramienta cónica con 3 superficies planas a 120 °, profundas de 0,5 mm, cuyas características geométricas

en sección transversal se indican en la Figura 2 (cotas indicadas en mm), en una máquina MTS Istir®. Se efectuó un

mecanizado de 0,2 mm de una y otra parte de las chapas para eliminar los óxidos superficiales. Las condiciones

óptimas corresponden a la velocidad de soldadura más alta que se pueda alcanzar para obtener una calidad de

soldadura satisfactoria, tanto en sección (en particular sin porosidades, véase Figura 4) como en superficie (en 25 particular sin rebabas, véase Figura 3). Los resultados obtenidos se indican en el Cuadro 1

Cuadro 1. Condiciones óptimas de soldadura por fricción-agitación

Aleación: Esp. chapa (mm) Esp. soldado (mm) Par (N.m) Fuerza aplicada F (kN) Velocidad de giro (rpm) Velocidad de avance (mm/min.) Energía de soldadura (J/m)

2050-T351: 40 20 250 66 230 190 1,9 106

7449-T6: 40 20 170 55 250 55 4,85 106

Ejemplo 2

30 En este ejemplo, se intentó soldar por fricción-agitación, con la misma máquina y la misma herramienta que en el ejemplo 1, chapas de aleación AA2050 en estado T351, con chapas de aleación AA7449 en estado T6. Las chapas se fijaron en la mesa de soldadura con ayuda de 3 bridas de ambos lados. La velocidad de soldadura y la velocidad de giro de la herramienta se mantuvieron constantes en régimen permanente. Los parámetros empleados para las diferentes pruebas se indican en el cuadro 2, así como los resultados obtenidos.

Cuadro 2. Pruebas de soldadura por fricción-agitación a velocidad de avance constante

N° Prueba: Lado de avanc e Lado de retroceso Velocidad de giro de la herramienta (rpm) Velocidad de avance (mm/min.) Fuerza aplicada Aspecto de superficie Compacidad de la unión

1: 2050 7449 350 50 55 Defectuoso Buena

2: 2050 7449 250 50 55 Defectuoso Buena

3: 2050 7449 350 100 55 Defectuoso Buena

4: 2050 7449 200 50 55 Defectuoso Buena

30: 2050 7449 250 100 55 Defectuoso Buena

8: 7449 2050 250 50 50 Bueno Defectuosa

10: 7449 2050 250 70 55 Bueno Defectuosa

19: 7449 2050 300 70 55 Parada – límite máquina

25: 7449 2050 250 70 60 Bueno Defectuosa

26: 7449 2050 250 70 57 Bueno Defectuosa

La Figura 3 es una sección de la soldadura obtenida en la prueba 1. La compacidad de la unión es buena pero se observan numerosos defectos en superficie llamados “rebabas” 30. La Figura 4 es una sección de la soldadura obtenida en la prueba 2. La calidad de superficie es satisfactoria (ausencia de rebabas) pero la compacidad de la unión es defectuosa: se observan numerosas porosidades en la zona 31.

Ejemplo 3

En este ejemplo, se realizaron soldaduras por fricción-agitación según la invención, con la misma máquina y la misma herramienta que en los ejemplos 1 y 2, de chapas de aleación AA2050 en estado T351 con chapas de

10 aleación AA7449 en estado T6.

Las chapas se fijaron en la mesa de soldadura con ayuda de 3 bridas de ambos lados. La chapa de aleación 2050 T3 se colocó del lado de avance y la de aleación 7449 T6 del lado de retroceso.

15 Los parámetros empleados en las distintas pruebas se indican en el cuadro 3, así como los resultados obtenidos. Las figuras 6, 7 y 8 muestran un extracto del registro de la medida del par y de la velocidad de avance de las pruebas 41, 46 y 48, respectivamente.

Cuadro 3. Pruebas de soldadura por fricción-agitación a velocidad de avance por impulsos

N° Prueba: T (s) V1 (mm/min.) T1 (s) V2 (mm/min.) T2 (s) Velocidad de giro de la herramienta (rpm) Aspecto de superficie Compacida d de la unión

41: 3,8 100 1,8 0 2 250 Bueno Buena

46: 3,8 100 1,8 0 2 300 Correcto Correcta

48: 3,8 100 1,65 25 1,5 250 Correcto Buena

20 Los mejores resultados se obtuvieron en la prueba 41. La figura 5 es una sección de la soldadura obtenida en la prueba 41. Se caracteriza por la ausencia de rebabas y una compacidad satisfactoria. En la prueba 46, se observa la presencia de algunas rebabas así como algunos defectos de compacidad, sin embargo estas características se consideran correctas. En la prueba 48, el aspecto de superficie es correcto (presencia de algunas rebabas) y la

25 compacidad de la unión es buena. La Figura 6 muestra que el par medido en la prueba 41 es estable y reproducible para cada ciclo, lo que indica que la soldadura se puede realizar sin dificultades en una gran longitud. Las Figuras 7 y 8 muestran que los pares medidos en las pruebas 46 y 48 son menos estables que en el caso de la prueba 41, lo que indica que se pudieran encontrar dificultades para una soldadura de gran longitud.

30 Las características mecánicas estáticas de las pruebas 2 y 41 se midieron (longitud del extensómetro L0 = 80 mm) después de un revenido realizado después de la soldadura de 18 h a 155 °C y se indican en el cuadro 4. Las características mecánicas de muestras no soldadas de aleaciones 2050 y 7449 en el mismo estado metalúrgico también se presentan en el Cuadro 4. El alargamiento alcanzado es mucho más importante para la unión realizada según el procedimiento de la invención. Además, se observa un aumento significativo de la resistencia a la rotura.

Cuadro 4. Características mecánicas estáticas medidas para las pruebas 2 y 41

N° Prueba: Rp0,2 (MPa) Rm (MPa) A (%) Rm (soldada)/Rm 7449

2050 T8: 520 549 11,58

7449 T79: 602 634 12,02

2: 254 267 0,4 42 %

41: 244 312 2,7 49 %

Ejemplo 4

En este ejemplo, se soldaron por fricción-agitación, en las condiciones definidas en la prueba 41, chapas de aleación 40 AA2050 en estado T8 con chapas de aleación AA7449 en estado T6. Se usaron dos condiciones de revenido para alcanzar el estado T8, las condiciones se indican en el Cuadro 5.

Cuadro 5. Pruebas de soldadura realizadas con distintos revenidos antes y después de la soldadura

N° Prueba: Chapa lado de avance Chapa lado de retroceso Revenido tras soldadura

57: 2050 - T3 7449 - T6 18 h a 155 °C

51: 2050 - T8 (Revenido 8 h a 155 °C) 7449 - T6 10 h a 155 °C

54: 2050 - T8 (Revenido 18 h a 155 °C) 7449 - T6 10 h a 155 °C

En las tres pruebas 51, 54 y 57, las soldaduras obtenidas presentaron un buen aspecto de superficie así como una compacidad satisfactoria.

Las características mecánicas obtenidas (longitud del extensómetro L0 = 80 mm) se presentan en el Cuadro 6.

Cuadro 6. Características mecánicas estáticas medidas para las pruebas 51, 54 y 57

N° Prueba: Rp0,2 (MPa) Rm (MPa) A (%) Rm (soldada)/Rm 7449

2050 T8: 520 549 11,58

7449 T79: 602 634 12,02

57: 248 336 2,55 53 %

51: 243 345 2,88 54 %

54: 244 343 2,99 54 %

Ejemplo 5

10 En este ejemplo, se determinó o estimó, por comparación con otras aleaciones, la velocidad óptima de soldadura, la velocidad óptima de giro y la energía de soldadura para chapas de 13,5 o 16 mm de espesor de aleación AA2022 en estado T851, de aleación AA7040 en estado T6 y de aleación AA7449 en estado T6, para un espesor de soldadura de 13,5 o 16 mm. Las condiciones óptimas corresponden a la velocidad de soldadura más alta que se pueda

15 alcanzar para obtener una calidad de soldadura satisfactoria, tanto en sección (en particular sin porosidades, véase Figura 4) como en superficie (en particular sin rebabas, véase Figura 3). Los resultados obtenidos se indican en el Cuadro 7

20 Cuadro 7: Condiciones óptimas de soldadura por fricción-agitación

Aleación: Esp. chapa (mm) Esp. soldado (mm) Par (N.m) Velocidad de giro (rpm) Velocidad de avance (mm/min.) Energía de soldadura (J/m)

2022-T851: 16 16 185 * 200 * 100 * 2,32 106 *

7040-T6: 16 16 170 * 230 100 2,46 106 *

7449-T6: 13,5 13,5 123 270 90 2,32 106

Claims

*: valor estimado

1. Procedimiento de soldadura por fricción-agitación de por lo menos una primera pieza (20) de una aleación metálica A con por lo menos una segunda pieza (21) de una aleación metálica B distinta en el que:

-

se unen las correspondientes primera y segunda piezas (20, 21),

-

con ayuda de una herramienta (1) en rotación que se desplaza con una velocidad llamada velocidad de avance, se realiza una unión entre las correspondientes primera y segunda piezas (20, 21),

caracterizado por lo que la velocidad de avance de la herramienta (1) presenta, en régimen permanente, por lo menos dos modos alternados, un primer modo en el que se usa una primera velocidad de avance media (V1) y un segundo modo en el que se usa una segunda velocidad de avance media (V2), las velocidades (V1, V2) son significativamente distintas, típicamente de por lo menos el 20 % y preferentemente de por lo menos el 30 % de la más alta de las velocidades de avance, y la más baja de las velocidades de avance (V1, V2) puede ser nula.
2.

Procedimiento según la reivindicación 1 en el que la diferencia entre V1 y V2 es por lo menos igual a 30 mm/min.
3.

Procedimiento según la reivindicación 1 o la reivindicación 2 en el que los correspondientes primer y segundo modos alternan durante un ciclo cuyo tiempo T es inferior a los 15 segundos y está comprendido, preferentemente, entre 0,1 y 10 segundos.
4.

Procedimiento según la reivindicación 3 en el que el primer modo se mantiene durante un tiempo T1 y el segundo modo se mantiene durante un tiempo T2, T1 y T2 siendo por lo menos iguales al 20 % del tiempo T.
5.

Procedimiento según la reivindicación 4 en el que los parámetros los parámetros T1, T2 expresados en

segundos y V1, V2 expresados en mm/s, cumplen con la relación: 1 lt; (T1V1 - T2V2)2 lt; 400.
6.

Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5 en el que se determina una velocidad óptima de avance para cada una de las correspondientes piezas (20, 21), y en el que la velocidad de avance media de soldadura V en régimen permanente está comprendida en el intervalo definido por la velocidad óptima de avance de la pieza (20, 21) que requiere la energía de soldadura más alta, más o menos el 20 %.
7.

Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6 en el que la velocidad de giro de la herramienta (1) es sensiblemente constante en régimen permanente.
8.

Procedimiento según la reivindicación 7 en el que se determina una velocidad óptima de giro de la herramienta (1) para cada pieza (20, 21) tomada por separado, y en el que la velocidad de giro de la herramienta (1) está comprendida en el intervalo definido por la velocidad óptima de giro de la herramienta (1) de la pieza que requiere la energía de soldadura más alta, más o menos el 20 %.
9.

Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8 en el que la pieza (20, 21) que requiere la energía de soldadura más alta se sitúa en el lado de retroceso.
10.

Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9 en el que la correspondiente primera pieza

(20) es de aleación de aluminio.
11.

Procedimiento según la reivindicación 10 en el que la correspondiente segunda pieza (21) es de aleación de aluminio.
12.

Procedimiento según la reivindicación 11 en el que la diferencia entre V1 y V2 expresados en mm/min. es por lo menos igual a 600/e, donde e es el espesor de soldadura expresado en mm.
13.

Procedimiento según la reivindicación 11 o la reivindicación 12 en el que la correspondiente primera pieza

(20) es de aleación 7XXX y su límite elástico es superior a los 500 MPa en el estado metalúrgico final.
14.

Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 11 a 13 en el que la correspondiente segunda pieza (21) es de aleación aluminio-litio.
15.

Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 14 en el que el espesor de soldadura está comprendido entre 1 y 40 mm y preferentemente entre 10 y 30 mm.