Evaluación del efecto del calor de aporte en las propiedades mecánicas de una aleación Al-Si (4047) fabricadas con WAAM

Abstract

En el Centro Integrado de Manufactura y Automatización (CIMA), se implementó el sistema WAAM para fabricar componentes de aleación aluminio-silicio 4047, utilizando un equipo de soldadura MIG/GMAW acoplado a un robot industrial KUKA. Se produjeron tres piezas con diferentes niveles de aporte térmico: bajo (212.6 J/mm), medio (235.4 J/mm) y alto (267.1 J/mm), las cuales se analizaron mediante curvas de calentamiento y enfriamiento, caracterización metalográfica, cálculos de parámetros de solidificación y mediciones de dureza. Durante el proceso, fue necesario realizar ajustes manuales para regular la temperatura y corregir irregularidades en los cordones, aspectos que podrían optimizarse mediante automatización en futuras investigaciones. El objetivo de este trabajo es evaluar el efecto del calor de aporte en las propiedades mecánicas de una aleación Al-Si (4047) fabricadas con WAAM. El voltaje más alto (16V) proporcionó una distribución térmica más uniforme, mejorando la calidad del cordón. Se observó una evolución microestructural desde estructuras columnares en los primeros cordones hasta estructuras equiaxiales en los superiores debido a cambios en el gradiente térmico y velocidad de solidificación. El SDAS aumentó progresivamente con el número de cordón y el voltaje aplicado, mientras que la velocidad de enfriamiento disminuyó. Se evidenció una correlación inversa entre SDAS y la velocidad de enfriamiento, donde 14V presentó la mayor velocidad de enfriamiento y el menor SDAS, mientras que 16V mostró la tendencia opuesta. Los mapas de solidificación indicaron que un mayor gradiente térmico (G) y velocidad de solidificación (R) favorecen estructuras equiaxiales, mientras que valores más bajos de G y R promueven un crecimiento columnar más marcado. En cuanto a dureza, los valores de macrodureza fueron similares en todas las muestras, mientras que la microdureza mostró mayores valores en 14V (85.4 HV), en concordancia con su menor SDAS. Se concluye que un menor SDAS mejora la resistencia y dureza, mientras que un mayor SDAS (16V) favorece la ductilidad. At the Integrated Manufacturing and Automation Center (CIMA), the WAAM system was implemented to manufacture 4047 aluminum-silicon alloy components using a MIG/GMAW welding machine coupled to a KUKA industrial robot. Three parts were produced with different heat input levels: low (212.6 J/mm), medium (235.4 J/mm), and high (267.1 J/mm). These parts were analyzed using heating and cooling curves, metallographic characterization, solidification parameter calculations, and hardness measurements. During the process, manual adjustments were required to regulate the temperature and correct irregularities in the weld beads, aspects that could be optimized through automation in future research. The objective of this work is to evaluate the effect of heat input on the mechanical properties of an Al-Si (4047) alloy manufactured with WAAM. The higher voltage (16 V) provided more uniform heat distribution, improving weld bead quality. A microstructural evolution was observed from columnar structures in the first beads to equiaxed structures in the upper beads due to changes in the thermal gradient and solidification rate. The SDAS progressively increased with bead number and applied voltage, while the cooling rate decreased. An inverse correlation was evident between SDAS and cooling rate, with 14V having the highest cooling rate and the lowest SDAS, while 16V showed the opposite trend. The solidification maps indicated that a higher thermal gradient (G) and solidification rate (R) favor equiaxed structures, while lower G and R values promote more pronounced columnar growth. Regarding hardness, macrohardness values were similar in all samples, while microhardness showed higher values in 14V (85.4 HV), consistent with its lower SDAS. It is concluded that a lower SDAS improves strength and hardness, while a higher SDAS (16V) favors ductility.