Estudio de modificación de propiedades mecánicas tras reparaciones de soldadura en Titanio

Abstract

El fin del presente documento es el de introducirnos en el mundo de la soldadura a través de la realización de un estudio sobre cómo afectan a las propiedades mecánicas del titanio aeronáutico las reparaciones efectuadas en soldadura. La soldadura es uno de las operaciones más críticas y empleadas en el proceso de fabricación de componentes aeronáuticos. Por ello, en primera instancia, se definen a modo introductorio los procesos de soldeo más empleados, entrando en más detalle en la tecnología de soldeo por TIG (tungsten inert gas), la cual es una de las más utilizadas en el sector aeronáutico, y para la que se describen el equipo empleado en el proceso, los parámetros influyentes en la calidad del soldeo y las distintas técnicas operativas. A continuación, estudiaremos en profundidad el material utilizado para realizar nuestros ensayos: el titanio. El titanio es, junto al aluminio, el acero y los composites, uno de los materiales más utilizados en la industria aeronáutica. Su elevado empleo en este sector se debe principalmente a su baja densidad, alta resistencia y a la capacidad para soportar elevadas temperaturas de trabajo, aunque presenta el inconveniente de ser un material con un coste muy elevado. El titanio puede combinarse con otros elementos para formar aleaciones con características muy mejoradas respecto al titanio puro, este es el caso de la aleación Ti 6Al 4V, aleación que representa, debido a sus características bien balanceadas, más del 60% del conjunto de aleaciones de titanio empleadas en el sector aeronáutico, motivo por el cual será utilizada para fabricar las probetas requeridas para llevar a cabo nuestro estudio. También se han mencionado los distintos procesos de soldeo existentes para el soldeo de titanio, añadiendo los parámetros más importantes a controlar en cada uno de los mismos. Por último, se expondrán los resultados de los ensayos de tracción y dureza, los cuales se han utilizado para poder valorar los cambios producidos en las características mecánicas de la unión soldada dependiendo del número de reparaciones a las que se ha visto sometida. Se han utilizado probetas de 1 y 2 mm de espesor, soldadas por TIG en unión tope tope. Se han simulado desde soldaduras óptimas hasta soldaduras con 5 reparaciones, las cuales se han realizado bien a través de todo el cordón de soldadura, simulando una reparación completa, o bien a través de una parte del mismo, simulando reparaciones parciales. Se puede apreciar en los resultados como disminuyen las propiedades de resistencia y ductilidad del material conforme aumenta el número de reparaciones de forma aproximadamente lineal, siendo este efecto el doble de pronunciado en las probetas de 1 mm de espesor, apreciándose una caída de 45,94% en la carga de rotura del material desde la soldadura óptima hasta las sometidas a 5 reparaciones. Sin embargo, no se aprecian diferencias significativas en la dureza de la ZAT, ni ningún incremento ni disminución de esta característica conforme se aumentan las reparaciones. Por último, se proponen futuras vías de desarrollo en relación con el tema tratado.

The purpose of this document is to break into the world of welding technologies through the implementation of a survey about how welding repairs affect the mechanical properties of aeronautical titanium. Welding is one of the most critical manufacturing processes used in the production of aeronautical components. Therefore, the most commonly welding processes used are described in first chapters, entering into more detail on TIG (tungsten inert gas) welding technology, which is one of the most used in the aeronautical sector. Furthermore, the equipment used in the manufacturing process, the influencing parameters in welding quality and the different operating techniques are described. Next, will be in depth studied the material used to carry out the tests: titanium. Titanium is, together with aluminum, steel and composites, one of the most used materials in the aviation industry. Its high usage in this sector is mainly due to its low density, high resistance and its ability to withstand high working temperatures. However, it is quite expansive. Titanium can be combined with other elements to form alloys with very improved characteristics in relation to pure titanium, this is the case for Ti 6Al 4V alloy, which represents, due to its well balanced characteristics, up to 60% of the total of Titanium alloys used in the aeronautical sector. That is the reason why it shall be used to manufacture the specimens required to carry out our survey. The different welding processes for titanium welding have been mentioned. Moreover, the most important parameters to be controlled in any one of them have been described. Finally, the results of the tensile and hardness tests will be shown, which have been used to analyse changes in mechanical characteristics of the solder joint depending on the number of repairs that have taken place. 1 And 2 mm thick specimens have been used, joined by butt welding TIG. They have been simulated from optimal welds to welds with 5 repairs, which have been done either through the entire weld bead, simulating a complete repair, or through a part of it, simulating partial repairs. It can be seen in the results how the strength and ductility properties of the material decrease as the number of repairs increase, this effect is twice more pronounced in the 1 mm thick specimens, showing a drop of 45,94 % in the breaking load of the material from the optimal welding to those under 5 repairs. However, there are no significant differences in the hardness of the HAZ, not any increase or decrease in this characteristic as repairs increase. Finally, future paths of development are proposed in relation to the topic discussed.