Mejora de la resistencia a las fisuras mediante técnicas de soldadura innovadoras

Por Lynn Munroe

Proteger las piezas de los aviones con técnicas de soldadura innovadoras

Los pasajeros frecuentes suelen subestimar la ingeniería necesaria para garantizar que los componentes soldados del avión en el que viajan se mantengan unidos. Las aleaciones de aluminio utilizadas en la mayoría de las aplicaciones aeroespaciales están diseñadas específicamente para soldarse de forma fiable, y se han inventado diferentes técnicas de soldadura para mejorar la fiabilidad de las soldaduras. En este artículo, destacaremos los métodos que Yanan Hu et al. utilizaron para investigar el rendimiento de una técnica de soldadura híbrida en aleaciones de aluminio de la serie 7000,1 junto con las mejoras de diseño resultantes para una técnica de soldadura híbrida.

 

Cómo y dónde medir la formación de grietas de soldadura

Este estudio se centró principalmente en el comportamiento de la zona equiaxial fina (FQZ), que mostraba una reducción de la resistencia con el uso prolongado del material. Para observar la formación de daños en la región de interés y evaluar la cristalografía del material tras la soldadura, se utilizó una amplia gama de técnicas:

• La tomografía microcomputarizada (µCT) y las imágenes de radiación sincrotrón proporcionaron datos visuales de la región de interés.
• La difracción de electrones retrodispersados (EBSD) y el microanálisis por sonda electrónica (EPMA) se utilizaron para caracterizar la cristalografía de la región.
• La microscopía electrónica de transmisión (TEM) proporcionó imágenes de los precipitados en la
• FQZ.
• Se utilizó software de procesamiento de imágenes para identificar y medir las características de interés.

Para observar claramente el mecanismo de daño, se extrajeron dos microcilindros de material de la muestra del núcleo, que se sometieron a una tensión aplicada de 270 MPa. Los cilindros tenían un diámetro de ~40 micrómetros, lo que permitió obtener imágenes de alta resolución con nano-TC de rayos X de sincrotrón; las muestras de este tamaño requerían fresado con haz de iones enfocado por plasma (PFIB) para su preparación.

La nano-TC de rayos X permitió observar nanoporos de entre 100 y 500 nm de diámetro equivalente. Estos poros se nuclean y crecen preferentemente perpendiculares a la tensión a lo largo de la dirección de la soldadura. A continuación, se utilizaron herramientas de procesamiento de imágenes para identificar y medir los poros, así como para crear una malla de superficie. A continuación, los modelos pudieron transferirse a un software multifísico para la modelización de la respuesta a la tensión del material. Las regiones de la muestra que no pudieron soportar la transformación plástica se inspeccionaron con técnicas espectroscópicas para evaluar su composición química. Se observó un gran número de fases MgCuAl, que se caracterizaban por una mayor fragilidad en comparación con las zonas vecinas. Esto es lo que finalmente provocó el agrietamiento cuando se aplicó tensión. En la actualidad, no existe ningún método para eliminar por completo la FQZ, pero sí hay formas de mitigar sus efectos negativos.

Una nueva técnica de soldadura

Se ha desarrollado una nueva técnica de soldadura que utiliza un rayo láser oscilante seguido inmediatamente de un campo magnético pulsado (OSHW + m). Esto produce una FQZ más fragmentada, con piezas individuales que muestran una forma curvada. Se observó un aumento del 20% en la resistencia a la tracción de este nuevo material soldado en comparación con los métodos HLAW. Se trata de un aumento del 60% en comparación con los métodos GMAW. La soldadura puede resistir hasta 470 MPa, lo que es ligeramente mejor que la resistencia de la soldadura por agitación moderna comparable (a 450 MPa) cuando se somete a tratamientos de envejecimiento comparables (3.000 horas).

Flujo de trabajo de tomografía correlativa multiescala utilizado para detectar la nucleación del daño y su evolución en el interior de la FQZ.1

Imagen cortesía de Hu, Y, et al.

De los datos de imágenes a las conclusiones numéricas

 

 

 

La combinación de múltiples técnicas de imagen y espectroscopia produce grandes volúmenes de datos diferentes. El software de procesamiento de imágenes suele ser crucial para dar sentido a toda esta información, proporcionando una visión más clara del panorama general.

El software Avizo de Thermo Scientific ofrece una gama de herramientas de visualización y análisis de datos para correlacionar múltiples tipos de datos, generando una imagen completa del material analizado. Yanan Hu et al. utilizaron las herramientas de segmentación del software Avizo para identificar y medir sus características de interés (poros, partículas, fibras, grietas, capas, etc.) de una manera eficaz en términos de tiempo, en múltiples dimensiones y utilizando múltiples fuentes de datos como entrada.

Más información: Introducción al software Avizo para la caracterización de metales y aleaciones >>

Referencias y lecturas complementarias

1. Inhibición del agrietamiento en soldaduras de aleaciones de aluminio de alta resistencia. Nature Communications 13(1), 1-9 (2022). doi: 10.1038/s41467-022-33188-x
2. Procesos de soldadura basados en la fricción: soldadura por fricción y soldadura por agitación de fricción. Journal of Adhesion Science and Technology 34(24), 2613-2637 (2020). doi: 10.1080/01694243.2020.1780716
3. Lohwasser, D y Chen, Z. (Editores). Friction Stir Welding: From Basics to Applications. Elsevier (2009). https://www.elsevier.com/books/friction-stirwelding/lohwasser/978-1-84569-450-0
4. Yanan Hu, et al. Revisión de los comportamientos de fallo de las aleaciones de Al de alta resistencia soldadas por fusión debido a la zona equiaxial fina. Engineering Fracture Mechanics 208, 45-71 (2019). doi:

10.1016/j.engfracmech.2019.01.013

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