Aporte energético e história térmica

Na seção anterior foi discutida a influência dos parâmetros de soldagem na obtenção de juntas alumínio-aço consolidadas, tomando como base o aporte térmico e a temperatura máxima para gerenciar o processo. Foram citadas as medidas de temperatura como prova da influência do DT no aumento do aporte térmico a da temperatura máxima na junta durante a soldagem. Porém, apenas os resultados apresentados na seção 5.4 não são suficientes para serem avaliados. A interpretação destes dados deve ser feita à luz de outros resultados que permitam contrastar os valores aqui determinados.

A bibliografia de SAPNC em alumínio-aço é bastante limitada; contudo dois trabalhos envolvem a medição da temperatura durante o processo. Um deles determinou a relação dos parâmetros de soldagem com o fluxo de material, a formação de vazios na junta e o aporte

térmico (YASUI, 2004). Porém, a localização do termopar longe da junta somente permite verificar o aumento da temperatura com os parâmetros de soldagem. Outra referência (JIANG, 2004) realizou medidas de temperatura na região afetada pelo processo, obtendo valores máximos de 491 e 631 °C no alumínio e no aço, respectivamente. Estas medidas foram obtidas na soldagem de chapas de 6,0 mm de espessura, com velocidades de rotação até três vezes superiores às utilizadas neste trabalho. Durante a SAPNC de juntas convencionais da liga 6063, a temperatura máxima reportada oscila entre 400 e 500 °C, dependendo da velocidade de rotação utilizada (SATO, 2002). Em chapas finas de alumínio, as temperaturas alcançadas se encontram entre 200 e 300 °C, com aporte térmico entre 0,026 e 0,059 kJ.mm-1 (1SHEIKHI, 2007). Em aço, dependendo dos parâmetros de soldagem, a temperatura máxima varia entre 650 e 1000 °C (CUI, 2007; SANTOS, 2010), com aporte térmico de 1,6 kJ.mm-1 (LIENERT, 2003).

Comparando os valores anteriores com o aporte térmico e as temperaturas medidas na soldagem das juntas alumínio-aço, resumidos na Tabela 5.3 e na Tabela 5.4, os valores obtidos durante a SAPNC destas juntas é relativamente baixo.

O aporte térmico expressa a quantidade de calor por unidade de comprimento da junta inserido no sistema, o que repercute no volume de material de base que será afetado pelo processo de soldagem. Igualmente, é responsável pela taxa de aquecimento e resfriamento, assim como pelo tempo de permanência em temperatura elevada. O aporte térmico define a temperatura máxima na junta, que implica na fluidez do material plastificado, responsável pelo preenchimento adequado da junta. Contudo, temperaturas elevadas tornam o alumínio plastificado instável, desprendendo-o da junta e depositando-o na ferramenta.

Portanto, atribui-se a aderência do alumínio ao elevado aporte térmico durante a soldagem. O AT determina o volume de material sobreaquecido, o que se reflete na espessura da camada de alumínio aderida à ferramenta. Por esse motivo, qualquer providência tomada para o controle do AT deve considerar a fiscalização rigorosa da velocidade de rotação, da área de contato entre a ferramenta e a junta, e do deslocamento da ferramenta.

No entanto, durante a determinação de parâmetros de soldagem e a realização das próprias juntas soldadas, existem duas formas de controlar quanta energia está sendo introduzida na chapa. A primeira envolve a obtenção de parâmetros de soldagem adequados por meio do controle da temperatura máxima, o que requer medição de temperatura, empregando, por exemplo, o sistema

apresentado na Figura 4.3, o que tornaria o processo caro e dispendioso. A segunda é através da medição da largura do cordão de solda, sugerido na seção anterior. Este procedimento simples e versátil permite controlar, indiretamente, o aporte térmico e, portanto, a temperatura máxima da junta, durante a execução da soldagem.

Do ponto de vista da resposta mecânica das juntas alumínio-aço, deve-se considerar que a temperatura máxima (405 °C, para DT +0,5 mm) é tão baixa para o aço, que o processo se assemelha mais à laminação a frio do que com a SAPNC de aços. Isso confere ao aço um aumento significativo na resistência à tração.

Todavia, no alumínio, essas temperaturas geram mudanças microestruturais importantes como o superenvelhecimento e/ou dissolução dos precipitados ”. Esta fase é a responsável pela resposta mecânica da liga 6063, resposta que se vê comprometida ao submeter o material a temperaturas acima de 300 °C (EDWARDS, 1998). Nas juntas convencionais de ligas de alumínio endurecidas por precipitação, esta temperatura se localiza em uma região específica da ZTA denominada a zona de menor dureza (ZMD). Como consequência, a fratura durante a tração acontece nesta região (LUI, 2008), seguindo exatamente o contorno definido pela zona enfraquecida como indicado na Figura 7.2.

Figura 7.2. Aparência da fratura seguindo o contorno da ZMD na SAPNC de juntas da liga 6061-T6, obtidas com ferramenta de aço de 24 e 8 mm de diâmetro de ombro e pino, a 1400 RPM, a 200 e 400 mm.min-1, respectivamente. Adaptado de Lui (2008).

Nas juntas alumínio-aço elaboradas neste trabalho, as fraturas decorrentes do teste de tração aconteceram sempre na ZM (Figura 5.12), o que leva a admitir que esta seja a região de menor resistência na junta. A diferença entre o comportamento mecânico das juntas convencionais alumínio-alumínio a das juntas alumínio-aço claramente correspondem a mudanças a nível microestrutural. Os resultados apresentados no capítulo 6 da caracterização microestrutural na ZTAAl do projeto em andamento mostram a presença dos precipitados Mg2Si. Porém, a discussão sobre este assunto é feita em maiores detalhes na seção 7.2.1.

a)

5 mm b)

Apesar da boa reprodutibilidade observada nos testes, um ponto que preocupa é a validade dos resultados obtidos nos testes mecânicos, pois foram comprometidos pelo local da fratura nas amostras soldadas com DT de +1,5 mm. O fato da fratura, para essa condição, ter acontecido fora da seção útil muda o valor tanto da resistência, quanto da deformação. Claramente a região central deve ser aumentada, como as amostras apresentadas na Figura 7.4a, o que permitiria que toda a região afetada pelo processo fosse avaliada.

Contudo, é importante salientar o fato de que todas as fraturas aconteceram na ZM e que a história térmica e a caracterização microestrutural explicam este resultado.