Post-weld heat treatment of AA7075 friction stir welded joints manufactured under various tool rotation speeds and cooling conditions

Imagina que estás intentando pegar dos piezas de metal, pero en lugar de usar pegamento, usas una herramienta giratoria que las frota hasta que se calientan y se ablandan lo suficiente como para fusionarse. Esto se llama Soldadura por Fricción-Agitación (FSW, por sus siglas en inglés), y es un truco favorito para unir aluminio, el metal ligero utilizado en aviones y latas de refresco. El problema es que este proceso calienta tanto el metal que desordena los diminutos e invisibles cristales en su interior que lo hacen fuerte. Es como tomar una estantería perfectamente organizada y sacudirla hasta que todos los libros terminen en un montón desordenado. Para solucionar esto, los científicos suelen darle al metal un "baño" de calor llamado Tratamiento Térmico Post-Soldadura (PWHT). Piensa en esto como un botón de reinicio que intenta reorganizar los cristales y restaurar la resistencia del metal. Sin embargo, hay un truco: a veces, cuando presionas el botón de reinicio, los cristales no solo se ordenan, sino que crecen hasta convertirse en cristales gigantes que pueden, de hecho, hacer que el metal sea más débil o quebradizo. Este artículo explora una aleación de aluminio específica (AA7075) para ver si podemos controlar estos cristales gigantes cambiando la velocidad a la que gira la herramienta y sumergiendo el metal caliente en diferentes líquidos como agua o aceite para enfriarlo más rápido.

Los investigadores de la Universidad Militar de Tecnología de Polonia decidieron jugar al "qué pasaría si" con este aluminio. Tomaron láminas de AA7075 y las soldaron usando una herramienta giratoria a diferentes velocidades, que iban desde unas lentas 600 revoluciones por minuto (rpm) hasta unas rápidas 1400 rpm. Para ver si la velocidad de enfriamiento importaba, no se limitaron a dejar que el metal reposara en el aire; intentaron soldar el metal mientras estaba sumergido en agua, en aceite de enfriamiento o en un fluido de enfriamiento especial. Después de terminar la soldadura, sometieron cada una de las uniones a un tratamiento térmico específico: hornearlas a 470 °C durante dos horas y luego envejecerlas a 120 °C durante 24 horas. Este fue el momento del "botón de reinicio".

Los resultados fueron una mezcla de buenas noticias y una sorpresa obstinada. Primero, el tratamiento térmico hizo maravillas para endurecer y fortalecer el metal. Para las uniones que no tenían agujeros o grietas desde el principio, el tratamiento térmico aumentó la capacidad del metal para resistir la flexión (límite elástico) en más del 70% y su capacidad de romperse antes de la fractura (resistencia a la tracción máxima) en aproximadamente un 35%. De hecho, las uniones reparadas más fuertes fueron incluso más resistentes que la lámina de aluminio original sin soldar. El metal que fue soldado en el aire y luego tratado térmicamente fue la superestrella; no solo se volvió más fuerte, sino que también fue casi el doble de elástico, rompiéndose fuera del área de la soldadura en lugar de romperse justo en medio.

Sin embargo, los investigadores descubrieron que sus mejores planes para detener a los "monstruos de cristales gigantes" (un fenómeno llamado Crecimiento Anormal de Grano, o AGG) no funcionaron del todo bien. Sin importar qué tan rápido giraran la herramienta o si usaban agua, aceite o aire para enfriar el metal, los cristales gigantes seguían apareciendo en la parte superior de la soldadura (la zona impulsada por el hombro). En muchos casos, también invadieron la parte inferior de la soldadura (la zona impulsada por el pin). Resulta que simplemente enfriar el metal más rápido o girar la herramienta más rápido no fue suficiente para detener el crecimiento descontrolado de estos cristales durante el tratamiento térmico.

También hubo un lado oscuro en el experimento. Cuando los investigadores usaron aceite de enfriamiento, el aceite quedó atrapado dentro de las capas del metal. Cuando hornearon el metal más tarde, el aceite atrapado intentó escapar, creando burbujas y grietas que arruinaron la unión. Estas uniones defectuosas eran débiles y quebradizas, sin importar cuánto intentara el tratamiento térmico hacerlas fuertes. Del mismo modo, cuando giraron la herramienta demasiado rápido (1200 o 1400 rpm), el metal desarrolló agujeros y vacíos, lo que nuevamente hizo que el producto final fuera débil.

Cuando observaron cómo se rompía el metal, vieron una historia caótica. El metal no solo se partió limpiamente; mostró una mezcla de ruptura a lo largo de los límites de los cristales (fisuración intergranular) y desgarro a través de los propios cristales (fractura dúctil o de hoyuelos). A veces, las diminutas partículas dentro del metal actuaron como pequeños anclajes que ayudaron a formar huecos, provocando una rotura. El estudio sugiere que, si bien el tratamiento térmico hace que el metal sea más fuerte, no soluciona el problema subyacente de estos cristales gigantes creciendo, y tampoco sana mágicamente los agujeros o grietas creados durante el proceso de soldadura. La conclusión es que, aunque podemos hacer que el aluminio sea muy fuerte de nuevo, todavía no hemos encontrado una forma sencilla de evitar que los cristales gigantes tomen el control de la parte superior de la soldadura, y definitivamente no podemos usar aceite para enfriar el metal si queremos una unión perfecta.