Estudio y optimización del proceso de soldadura por fricción batida (FSW) de materiales compuestos de matriz metálica (MMC) con elevado contenido de refuerzo

Abstract

La soldadura por fricción batida (FSW, del inglés Friction Stir Welding) es una técnica que, por ser en estado sólido, resulta interesante para unir compuestos de matriz metálica (MMC, del inglés Metal Matrix Composite). Especialmente aquellos que presentan excelentes propiedades mecánicas pero se consideran «no soldables» por técnicas tradicionales de fusión. La principal aplicación de la soldadura por FSW se encuentra en aleaciones de aluminio. A pesar de que en la última década se ha extendido el uso a otros materiales (aceros, aleaciones de titanio, polímeros, etc.) la principal fuente de conocimiento sobre el proceso de FSW sigue siendo el campo de las aleaciones de aluminio. En la implementación del proceso de FSW en los MMC con alto contenido de refuerzo surgen nuevas dificultades relacionadas con la presencia de partículas cerámicas en el material. Por un lado, la mayor resistencia al flujo plástico de estos materiales dificulta la deformación plástica severa que ocurre durante la soldadura por FSW. Por otro lado, la presencia de partículas cerámicas abrasivas hace que la resistencia al desgaste de las herramientas de FSW utilizadas en aleaciones de aluminio no sea suficiente para realizar el proceso de manera reproducible. Por lo tanto, se deben utilizar herramientas con formas simples y fabricadas en materiales resistentes al desgaste (e. g. WC-Co). A su vez, los parámetros del proceso se ven condicionados por la utilización de dichas herramientas; de tal manera que se reduce la ventana de condiciones que permite obtener uniones sin defectos macroscópicos. Además, muchas de las estrategias comúnmente utilizadas para la eliminación de defectos en uniones de aleaciones de aluminio pierden validez cuando se aplican a los MMCs. Por lo tanto, las dificultades que surgen de la aplicación de la soldadura por FSW a los compuestos de este trabajo requieren de un estudio específico. Ya que éstas no pueden ser superadas simplemente aplicando los conocimientos adquiridos para aleaciones de aluminio. En este trabajo se proponen estrategias de eliminación de defectos basadas en la utilización de herramientas no roscadas y resistentes al desgaste. Inclusive, una de estas estrategias saca provecho de la asimetría del flujo de material característico del FSW, para hacer que las zonas críticas de la soldadura reciban mayor nivel de deformación...Metal matrix composites (MMC) with high content of reinforcing particles have excellent specific mechanical properties. Therefore, they are an alternative to traditional metal alloys in structural applications in which weight is a key factor. The industrial production of these materials has been improved, to the point that, nowadays, producing flawless plates or blocks with homogeneous distribution of ceramic particles is a fact. However, the use of these materials is not as broad as it could be expected from their outstanding mechanical properties. This is mainly due to the difficulty of the second processing operations, specially the joining. When applying traditional fusion welding techniques to MMC, several problems arise: the particles react with the molten metal producing brittle compounds, and, also, they move in the liquid forming agglomerates. Both of these changes deteriorate the mechanical properties of the material. This is why MMC are considered unweldable by fusion methods. Friction stir welding (FSW) is a solid-state process that, by severe plastic deformation, can join a number of different materials. In particular, the initial and main use of this technique is in aluminum alloys. Therefore, after more than twenty years since its invention, the process is in a very advance stage for these materials. Applications can be found in the transport, aerospace, automotive and electronics markets...