Considering a temperature gradient near the pin for a Friction Stir Welding (FSW) thermophysical model using scaling analysis

Abstract

La soldadura por fricción y agitación (FSW) es un proceso de soldadura en estado sólido. Se caracteriza por su capacidad de soldar materiales que son considerados no soldables y por las excelentes propiedades mecánicas de la unión. Actualmente, las aplicaciones de FSW están limitadas a un nicho de ciertos tipos de aleaciones y rangos de espesores. Dichas aplicaciones incluyen principalmente soldadura especializada de aluminio en barcos, cohetes, trenes y aviones, mas no en el área nuclear (debido a los espesores y materiales), petróleo y gas, minería u otros. Un obstáculo para ampliar las aplicaciones de FSW es el debate que aún existe en torno a la física involucrada en el proceso, por lo que no existen reglas de diseño para la selección de parámetros del proceso. Este trabajo busca llenar parte del vacío teórico y ofrecer una manera de predecir una correcta soldadura. Una iteración del modelo de Mendez et al. es presentada. El modelo considera transferencia de calor y deformación plástica del material durante el proceso y usa el análisis de escala para resolver algunas de las ecuaciones. En esta iteración, un gradiente de temperatura cerca del pin es considerado para tomar en cuenta las pérdidas de calor por la herramienta. Estimaciones de máxima temperatura y torque se comparan con resultados teóricos y numéricos de la literatura. Un total de 280 valores de diferentes materiales incluyendo aleaciones de aluminio, magnesio, titanio y aceros al carbono son puestos a prueba. Las estimaciones capturan valores correctos cercanos a los reportados. La máxima temperatura fue subestimada por cerca del 7% y el torque entre un 9% y un 14%.