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Aporte energético e soldabilidade das juntas alumínio-aço

Controle de posição Controle de força

6 RESULTADOS DA CARACTERIZAÇÃO MICROESTRUTURAL

7.1 Soldagem de juntas consolidadas alumínio-aço

7.1.2 Aporte energético e soldabilidade das juntas alumínio-aço

Na seção 5, foram apresentados diferentes desafios associados à obtenção de juntas alumínio-aço em chapas de 2,0 mm de espessura. O aspecto irregular das superfícies soldadas, assim como a falta de penetração da junta, a aderência de alumínio na ferramenta e a perda de controle durante o processo foram recorrentes. No entanto, também foram obtidas juntas com melhoras em vários aspectos: como aparência e penetração, o que levou a considerar viável a obtenção de juntas consolidadas, com acabamento adequado.

A obtenção de juntas consolidadas está restrita à obtenção de superfícies soldadas adequadas e penetração total das juntas. O acabamento superficial depende diretamente da aderência de alumínio à ferramenta, a qual gera uma camada de alumínio que durante a soldagem permanece em contato com a junta. A mudança no modo de contato, de ferramenta-junta para alumínio-junta, muda completamente as condições de atrito, além de facilitar o desprendimento adicional de material da junta, tornando irregular a superfície final do cordão de solda.

Por outro lado, a penetração total é controlada por dois fatores primordiais: a aderência de alumínio à ferramenta e o comprimento do pino da ferramenta. Apesar da penetração da

ω υ υ/ω Referência 1 550 54 0,098 (CHEN, 2009) 2 800 80 0,100 (LEE, 2006) 3 250 25 0,100 (8WATANABE, 2006) 4 900 100 0,111 (GIRARD, 2010) 5 914 140 0,153 (JIANG, 2004) 6 400 100 0,250 (TANAKA, 2009) 7 500 130 0,260 (SOUNDARARAJAN, 2006) 8 1600 480 0,300 (COELHO, 2008) 9 300 150 0,500 (TORRES, 2011)

ω: Vel. Rotação [RPM]; υ: Vel. Avanço [mm.min-1]

υ/ω: [mm.rev-1] (9) (8) (7) (6) (5) (4) (3) (2) (1)

ferramenta ser controlada pela sua posição, o alumínio aderido à ferramenta gera uma camada que limita sua penetração na junta, reduzindo a profundidade atingida pelo pino.

Já, considerando o efeito do comprimento do pino, se este fosse menor que o necessário para misturar o material na raiz da junta, então o preenchimento nesta região estaria seriamente comprometido.

Por isso, é de extrema importância determinar a causa da aderência do alumínio na ferramenta, pois ela compromete não só o aspecto e a penetração, mas também a estabilidade do processo de soldagem.

Apesar da aderência de alumínio na ferramenta ser comum durante a SAPNC de ligas de alumínio, não existem referências que abordem o assunto diretamente. A aderência do alumínio à ferramenta é descrita quando se analisa a interação tribológica do material e a ferramenta durante a soldagem, considerando que ela pode ocorrer por duas formas: deslizamento ou aderência. No caso da aderência, semelhante ao caso em discussão, forma-se uma zona morta de material ao redor da ferramenta, a qual, durante a execução das soldas, interage com o material em torno da ferramenta (THREADGILL, 2009).

Nenhuma das referências na Tabela 3.3 considera o aspecto da junta e a formação de defeitos como elementos a serem discutidos. Watanabe (82006) e Fukumoto (2004) produziram juntas com superfícies irregulares, mas este fato não é discutido. Em seu trabalho, Galvão (2010) evidencia o efeito da posição das chapas e a geometria do ombro da ferramenta na formação de CIM e no fluxo de material. No entanto, não foram propostas soluções ou definidas hipóteses sobre o acontecido durante a soldagem, embora fossem esboçadas ideias sobre uma relação entre a ferramenta, a configuração da junta, o aspecto superficial e a formação de CIM. Uma conexão entre a penetração, o aspecto e a largura da junta com o aporte térmico são tratados no estudo desenvolvido em SAPNC de juntas dissimilares de aço com diferentes teores de carbono (CHOI, 2010).

A relação entre a aderência do alumínio e o aspecto da junta é evidente na Figura 5.2. Também é claro que o aumento do aporte térmico (Figura 5.3) e da temperatura máxima (Figura 5.11) são consequência do aumento da penetração e do deslocamento da ferramenta (DT). Com base em todos estes elementos, não é absurdo considerar que a maior parte dos desafios enfrentados durante a soldagem estão relacionados, de alguma forma, com o aporte térmico (AT).

Podes-se considerar que, à medida que a quantidade de calor depositado no sistema aumenta, o alumínio plastificado se torna cada vez mais pastoso e instável. Esta condição favorece a formação de rebarba e em casos mais severos, a aderência do alumínio ao ombro da ferramenta, quando o alumínio plastificado em demasia é arrastado pela rotação da ferramenta. O alumínio aderido ao ombro da ferramenta muda completamente as condições tribológicas entre a ferramenta e o material da junta, o que acarreta no comprometimento do controle do processo, o aspecto irregular da superfície soldada e a falta de penetração na junta.

Elementos que confirmam esta hipótese vieram da soldagem de juntas apresentadas na Figura 5.3, com controle do AT por meio da redução na área de contato entre a ferramenta e a junta, assim como da realização de juntas com DT pequeno. Estas providências evitaram a aderência de alumínio à ferramenta, o que contribuiu para a melhora do aspecto superficial (rugosidade Ra) e para a estabilidade do processo, embora mantendo a falta de penetração na junta soldada.

Definida a relevância do aporte térmico no aspecto das juntas soldadas, foram tomadas ações para corrigir a penetração nas juntas soldadas, como descrito na seção 5.2. A Figura 5.4 retrata como o aumento no DT permite corrigir a penetração efetiva da junta, condicionado ao controle no aporte térmico para evitar a aderência de alumínio ao ombro da ferramenta. Este último foi realizado através do monitoramento da largura do cordão de solda na superfície, mantendo-o inferior a 15 mm.

A importância da largura do cordão de solda para o controle do aporte térmico está embasada nos mecanismos para a geração de calor durante a soldagem: atrito e deformação. Em juntas alumínio-alumínio, o efeito da deformação no aporte térmico começa a ser importante em espessuras superiores a 6 mm (MISHRA, 2007). Este valor depende do tipo de material soldado, diminuindo a espessura com o aumento da dureza dos materiais de base.

Graças à simulação computacional dos ciclos térmicos das juntas alumínio-aço, verificou- se que ambos os mecanismos operam na geração de calor nas juntas estudadas. Apesar do contato da ferramenta com o aço ser menor, este contribui com 43 e 53 % do calor gerado na junta soldadas usando DT de +0,5 e + 1,5 mm, respectivamente. No lado do alumínio, o mecanismo predominante para a geração de calor é a deformação plástica (δAl ≈ 15), enquanto, no aço, o atrito é responsável por 85 % do calor gerado (IDAGAWA, 2011). No total, o calor gerado por

deformação nas juntas soldadas com DT +0,5 e+1,5 mm corresponde a 51 e 52 %, respectivamente.

Para a ferramenta empregada, o aumento na área de contato é de aproximadamente 2 mm a cada 0,1 mm de penetração, o que levaria a um aumento no aporte térmico de 0,037 kJ.mm-1, usando um mesmo valor de DT de +0,2 mm (valores obtidos ao comparar as imagens da Figura 5.3a-b).

A relevância do atrito como mecanismo de geração de calor nas juntas alumínio-alumínio é bem conhecido. O papel preponderante da deformação como fonte de calor na SAPNC das juntas alumínio-aço foi posto em evidência. Ambos são fundamentais para o controle do processo de soldagem no caso de juntas de 2 mm de espessura. O aumento na espessura soldada tornaria maior a quantidade de calor gerada pela deformação. O aporte térmico é definido pela penetração da ferramenta, pela velocidade de rotação e pela velocidade de avanço.

O controle de qualidade da junta e do aporte térmico pode ser realizado através da largura do cordão de solda. Este critério é utilizado atualmente durante a execução de juntas soldadas de aço API X80 e aço inoxidável supermartensítico. Para as juntas alumínio-aço em questão, a largura no cordão de solda deve ser inferior a 15 mm.