Friction stir welding technology for advanced manufacturing of aircraft structures

Abstract

Uno de los principales retos en el sector aeronáutico es la reducción del consumo energético con el fin de incrementar la eficiencia, reducir emisiones, así como reducir costes operacionales de los aviones. Con el fin de abordar este reto, son necesarias estructuras cada vez más ligeras, más eficientes y respetuosas con el medioambiente. Desde el punto de vista de los procesos de fabricación, la soldadura por fricción-agitación o ¿Friction Stir Welding¿ (FSW) es una innovadora tecnología de unión con potencial para reemplazar la tecnología de remachado empleada tradicionalmente para estructuras aeronáuticas. Desde el punto de vista de materiales, el desarrollo de aleaciones de aluminio-litio de tercera generación ha generado nuevas oportunidades para la introducción de aleaciones de aluminio de baja densidad y altas prestaciones. La exitosa implementación de ambas innovaciones, es decir, la tecnología de soldadura FSW y aleaciones de aluminio de tercera generación abre nuevas perspectivas para el desarrollo de estructuras avanzadas para aeronaves. Sin embargo, es necesario desarrollar las apropiadas condiciones de proceso de soldadura FSW con el fin de maximizar la calidad de las uniones y estructuras que cumplan con los exigentes requisitos del sector aeronáutico. Esta tesis se centra en el desarrollo del proceso de soldadura FSW para su implementación en la fabricación de paneles reforzados integrales caracterizados por uniones tipo larguero-piel empleando aleaciones de aluminio-litio de tercera generación. Aunque se han investigado varias aleaciones de este tipo, el trabajo está principalmente centrado en las aleaciones AA2060-T8E30 y AA2099-T83. Se investigan factores críticos para el desarrollo del proceso de soldadura FSW tales como diseños de herramientas, parámetros de soldadura y efectos introducidos por técnicas innovadoras de protección contra la corrosión (tratamientos superficiales libres de Cr, sellantes). El impacto de estos factores en la calidad de las uniones soldadas mediante FSW se investiga mediante examen metalográfico y ensayos mecánicos incluyendo microscopía óptica y electrónica, ensayos estáticos de arrancamiento, tracción y ensayos de fatiga. Como resultado del trabajo realizado, se han definido condiciones de soldadura FSW optimizadas incluyendo un diseño de herramienta alternativo capaz de producir uniones soldadas mediante FSW de gran calidad en configuraciones de junta a solape. La tesis se ha desarrollado en el marco del proyecto ecoTECH, que es un proyecto de la iniciativa ¿Clean Sky 2¿ para la investigación y desarrollo de nuevas tecnologías para futuras aeronaves. Se ha realizado un excelente trabajo colaborativo entre los socios del proyecto y el desarrollo de demostradores de paneles-fuselaje innovadores se encuentra en curso en el momento en el que se deposita la tesis. Las conclusiones obtenidas en la tesis se están aplicando en la fabricación mediante soldadura FSW de los demostradores de fuselaje con el objetivo de incrementar el nivel de madurez tecnológica de este tipo de estructuras. Esto permitiría introducir la soldadura FSW como tecnología habilitadora para la fabricación avanzada de estructuras aeronáuticas mostrando beneficios tales como la reducción de peso, la reducción de consumo energético, la reducción de tiempos y costes de fabricación, así como avances hacia una fabricación más digitalizada. Con el fin de presentar el trabajo de la forma más clara posible, la tesis menciona 11 artículos presentados de forma cronológica que representan el trabajo realizado en el desarrollo de la tecnología de soldadura FSW para distintos tipos de aleaciones aluminio y uniones en configuraciones de juntas a solape. En cualquier caso, los artículos esenciales que llevan a completar la tesis son los artículos 9, 10 y 11, los cuales deben ser considerados para la tesis por compendio de publicaciones.