SUMÁRIO
4.2 Efeito do processo de soldagem na microestrutura das juntas
4.2.1 Caracterização microestrutural
A caracterização microestructural foi dividida em duas etapas: a caracterização do metal de base e a caracterização das juntas soldadas.
A primeira foi focada na identificação dos precipitados na liga 6063, sendo utilizando o microscópio óptico (MO) Olympus BX51M com câmera PAX-it, e os microscópios eletrônicos de varredura (MEV) JEOL JSM 5900 LV e Supra-55VP, e de transmissão (MET) JEOL JEM 2100. Para melhor identificação dos precipitados, foram empregadas amostras de MET para medições de composição química por espectroscopia de raios X dispersiva em energia (X-EDS). Para finalizar a identificação das fases na liga de alumínio, foram realizadas medidas de difração de
Transversal
Geometria do corpo de prova
raios X (DRX) empregando luz síncrotron com energia do feixe de 9999,3 eV (comprimento de onda de 1,2399 Å), passo 0,01° e contagem de 400.000 fótons.
Na segunda parte, a caracterização microestrutural das juntas soldadas começa com a análise via MO e MEV realizada em duas direções da junta: vista frontal e vista superior, mostradas na Figura 4.6b. As amostras foram preparadas usando lixas com granulometria de 100 a 1500, seguidas de polimento com partículas de diamante de 1,0 m e alumina de 0,3 m. Para revelar a microestrutura, inicialmente as mostras foram atacadas com Nital 2%, seguido de ataque com ácido fluorídrico (HF) 1%. A determinação e distribuição de fases e tamanhos de grãos foram realizados através de MEV acoplado com um sistema de EBSD e software HKL Channel 5. Para as amostras de EBSD, foi realizado um polimento fino com sílica coloidal de 0,25 µm por 3 horas.
Figura 4.6. a) Esquema da SAPNC da junta dissimilar e b) seções das amostras para a caracterização microestrutural por MEV e MET. As linhas tracejadas na vista frontal e a topo correspondem as posições de corte das amostras.
Foi realizado o estudo da interface alumínio-aço e as microestruturas nas diferentes regiões da junta, usando MEV e MET em amostras preparadas por seção transversal (cross-section) e vista de topo (plain view), respectivamente.
a)
b)
Vista frontal Vista de topo Al Aço Aço Al LR LA Amostras MET Vista de topo Amostras MET Vista frontalPara confirmar os resultados destas medidas, amostras adicionais da seção transversal cortadas a 10° da linha da junta foram preparadas. Este corte torna mais larga a interface alumínio-aço, facilitando a observação e identificação das fases nesta região. Nestas amostras foram realizadas medidas pontuais por DRX para identificação das fases tanto na interface, quanto no aço e no alumínio. A medição foi realizada utilizando um difratometro PANalytical®, com fonte de cobalto (Kα: 1,789010 Å) a 45 kV e 35 A, e sistema de iluminação monocapilar com comprimento de 230 mm e área de 100 m de diâmetro, passo de 0,04° tempo de contagem de 1000 s.
4.2.2 Simulação computacional
Nesta etapa foram calculados os diagramas de fase para a liga 6063, foi gerado um modelo de distribuição de temperatura na junta soldada e foram reproduzidos os ciclos térmicos de soldagem na liga 6063.
Diagramas de fase da liga 6063
Nesta seção foram construídos os diagramas de fase para a liga 6063 usando o programa de simulação termodinâmica Thermo-Calc® versão S. Para o calculo foram usados as bases de dados termodinâmicas Al-data® v-2, a composição química reportada na Tabela 4.1, e a formação das seguintes fases: liquido (L), αAl, αAlFeSi, βAlFeSi e Mg2Si.
Estes diagramas serão comparados com a caracterização microestrutural do metal de base.
Simulação computacional dos ciclos térmicos
Foi utilizado um modelo térmico 3D por elementos finitos do processo SAPNC desenvolvido no LNNano (IDAGAWA, 2011). O modelo permite determinar a distribuição de temperatura na junta durante a soldagem, considerando a transferência de calor para ambas as chapas da junta, para a chapa de apoio e para a ferramenta. Igualmente assume a condição quase- estacionaria do processo, o que permite usar um modelo de transferência com deslocamento da fonte de calor. O processo foi simulado usando o software COMSOL®, considerando a geração
de calor tanto por atrito quanto pela deformação plástica, ambas condensadas na Equação 1.
s NA
F
r
r
q
1
Equação 1Nesta δ corresponde ao porcentual de geração de calor por atrito (slip factor), µ é o coeficiente de atrito, τ é a tensão limite de resistência ao cisalhamento, e As é a área de contato entre a ferramenta e a junta. Os parâmetros usados no modelo são apresentados na Tabela 4.3.
Tabela 4.3. Parâmetros para simulação da história térmica e distribuição da temperatura durante a SAPNC de juntas alumínio-aço (IDAGAWA, 2011).
Parâmetro Valor Parâmetro Valor
Coeficiente de convecção no topo, h1 15 W.m-2.K-1 Raio da ferramenta, rF 12,50 mm Coeficiente de convecção na raiz, h2 2500 W.m-2.K-1 Raio do ombro, rO 6,50 mm Coeficiente de convecção no topo da ferramenta, h3 5000 W.m-2.K-1 Raio do pino, rP 2,55 mm Coeficiente de convecção no lado da ferramenta, h4 15 W.m-2.K-1 Comprimento do pino, CP 1,40 mm Resistência térmica de contato, hwb 5000 W.m-2.K-1 Coeficiente atrito, μ 0,30
As histórias térmicas derivadas da simulação são comparadas com os resultados dos ciclos térmicos medidos durante a soldagem das chapas finas.
Simulação térmica do processo de soldagem
Um dos mecanismos para a formação de CIM em tempos mais curtos é o crescimento a partir do líquido. Uma das fontes de líquido seria a microfusão dos precipitados presentes na liga 6063. Porém, determinar a formação de líquido na ZM é quase impossível, uma vez que todo rastro microestrutural é apagado durante a agitação do metal. Por isso, para simular o fenômeno de liquação constitucional na liga de alumínio 6063, foi empregado o simulador termomecânico Gleeble® apresentado na Figura 4.7a.
O objetivo é determinar a provável ocorrência de liquação constitucional na liga 6063 e quais as condições para que este fenômeno ocorra.
Foram realizados dois tipos de teste: um com aquecimento da amostra e outro com aquecimento e deformação da amostra, ambos empregando o módulo de tração do simulador com morsas de aço inoxidável (Figura 4.7b). O aquecimento foi realizado a duas temperaturas 400 e
450 °C, aplicando três taxas de aquecimento 20, 100, 200 °C.s-1.
Adicionalmente, foram realizados três testes em condições extremas de aquecimento a 500 °C a 580 °C.s-1, com deformação de 2,0 mm, na tentativa de forçar a ocorrência de liquação constitucional. O tempo de permanência a alta temperatura foi de 2,0 segundos, a deformação induzida de 2,0 mm a uma taxa de 2,0 mm.s-1, com resfriamento livre. Para estes testes, foram utilizadas duas amostras para cada condição, segundo o formato mostrado na Figura 4.7c. O controle da temperatura foi realizado por meio de termopares tipo K.
Figura 4.7. a) Simulador termomecânico Gleeble®, b) modulo de tração com sistema de morsas de aço e c) corpo de prova para realização dos ensaios.
Módulo de tração
Termopar