DCEEng - Departamento de Ciências Exatas e Engenharias
Curso de Engenharia Mecânica – Campus Panambi
DIEGO TOLOTTI DE ALMEIDA
ESTUDO DOS PARÂMETROS NO PROCESSO DE SOLDAGEM DE
MISTURA POR ATRITO (FSW) DA LIGA DE ALUMÍNIO 5083-O
Panambi
2013
DIEGO TOLOTTI DE ALMEIDA
ESTUDO DOS PARÂMETROS NO PROCESSO DE SOLDAGEM DE
MISTURA POR ATRITO (FSW) DA LIGA DE ALUMÍNIO 5083-O
Trabalho de conclusão de curso apresentado à banca avaliadora do curso de
Engenharia Mecânica da Universidade
Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul – UNIJUÍ, como requisito parcial para a obtenção do título de Engenheiro Mecânico.
Orientador: João Henrique Correa de Souza, Dr. Ing.
Panambi/RS 2013
ESTUDO DOS PARÂMETROS NO PROCESSO DE SOLDAGEM DE
MISTURA POR ATRITO (FSW) DA LIGA DE ALUMÍNIO 5083-O
Monografia defendida e aprovada em sua forma final pelo professor orientador e pelo membro da banca examinadora
Banca examinadora
________________________________________ João Henrique Correa de Souza, Dr. Eng - Orientador
________________________________________ Prof. Gil Eduardo Guimarães, Dr. Eng.
À família e amigos, pela paciência, apoio e compreensão em todos os momentos; Ao meu orientador, Professor João Henrique, pela sóbria orientação e importante participação;
À empresa Bruning Tecnometal, pelo suporte financeiro e pela oportunidade de trabalho durante este período.
Ao pessoal da programação de Usinagem da Bruning, Alcione Zamberlan, Charles Schimidt, Jorge Prado e Luciano.
Ao amigo, Eng. Arnoni Leal e Augusto César dos Santos pelo auxilio fundamental na usinagem e testes dos corpos de prova.
Enfim, a todos que fazem parte da UNIJUÍ – Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul.
A minha família, especialmente aos meus amados pais, Jorge Osmar e Maria Solange, pelo amor, dedicação e constante apoio para seguir em busca de meus objetivos.
consumo de combustível dos veículos automotores e aeronaves, tem proporcionado um crescimento constante na utilização do alumínio e suas ligas nos diversos setores da indústria de manufatura, porém a dificuldade de união em juntas de alumínio que atendam alta resistência à fratura e à fadiga, tem intensificado as pesquisas por novas tecnologias em seu processo de soldagem. Neste contexto, o processo de soldagem denominado Friction Stir Welding (FSW), vem ganhando espaço nas pesquisas e também na indústria. Neste processo, uma ferramenta não consumível é projetada especialmente para ser introduzida nas juntas das chapas a serem soldadas, gerando calor e misturando mecanicamente o material da junta, consolidando a solda. Este trabalho teve como objetivo avaliar os efeitos dos parâmetros de soldagem FSW, na consolidação das propriedades mecânicas das soldas produzidas. Para tanto, três geometrias de ferramentas foram projetadas, fabricadas e testadas, de forma a definir-se os parâmetros ideais para obtenção de juntas soldadas sem defeitos. Uma máquina fresadora CNC foi utilizada para a execução dos testes. Uma vez definidos os parâmetros, as diversas soldas produzidas em chapas de alumínio da liga Al 5083-O com espessura 6,35mm foram submetidas a uma série de ensaios destrutivos e não destrutivos caracterizando cada teste realizado. Além disso, soldas obtidas pelo processo MIG foram obtidas e sujeitas às mesmas avaliações. Com os resultados obtidos procurou-se identificar quais aspectos das soldas foram modificados para cada variação dos parâmetros de soldagem FSW e fazer uma comparação qualitativa com o processo de soldagem MIG.
Palavras chaves: Parâmetros de solda, soldagem por fricção (FSW), soldadura no
fuel consumption of motor vehicles and aircraft , has provided a steady growth in the use of aluminum and its alloys in various sectors of the manufacturing industry , but the difficulty in joining together aluminum that meet high fracture resistance and fatigue , has intensified the research for new technologies in the process of welding. In this context , the welding process called Friction Stir Welding ( FSW ) has been gaining ground in research and also in industry . In this process , non-consumable tool is specially designed to be inserted in the joints of the plates to be welded , generating heat and mechanically mixing the gasket material , consolidating the weld. This study aimed to evaluate the effects of welding parameters FSW , the consolidation of the mechanical properties of the welds produced . For this purpose, three geometries tools have been designed , manufactured and tested in order to determine the parameters suitable for obtaining defect-free welds . A CNC milling machine was used for the tests . Once defined the parameters , the various welds produced in plates of aluminum alloy Al 5083 - The thickness 6.35 mm were subjected to a series of destructive and nondestructive tests characterizing each test performed . Furthermore , MIG welds obtained were produced and subjected to the same test . With the results we sought to identify which aspects of the welds were modified for each variation of the welding parameters FSW and make a qualitative comparison with the MIG welding process.
Keywords: Parameters for welding, friction stir welding (FSW), welding a solid, FSW
1. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ... 15
1.1. ALUMÍNIO E SUAS LIGAS ... 15
1.1.1. CLASSIFICAÇÃO DAS LIGAS DE ALUMÍNIO ... 17
1.1.2. SISTEMA DE CLASSIFICAÇÃO DE TÊMPERAS ... 19
1.2. SOLDAGEM DO ALUMÍNIO E SUAS LIGAS ... 20
1.2.1. SOLDABILIDADE DAS LIGAS DE ALUMÍNIO ... 23
1.3. PROCESSO DE SOLDAGEM TIG ... 24
1.4. PROCESSO DE SOLDAGEM MIG/MAG... 26
1.5. PROCESSO DE SOLDAGEM FSW ... 27
1.5.1. RETROSPECTO E OUTRAS INFORMAÇÕES SOBRE O PROCESSO FSW ... 29
1.5.2. CARACTERIZAÇÃO MICRO ESTRUTURAL DA SOLDA FSW ... 33
1.5.3. PARÂMETROS DA SOLDAGEM FSW... 35
1.5.4. PROJETO DE JUNTAS ... 36
1.5.5. PROPRIEDADES MECÂNICAS ... 37
1.5.6. FLUXO DE MATERIAL E ASSIMETRIAS DO PROCESSO ... 39
1.5.7. GEOMETRIA DA FERRAMENTA ... 41
1.5.8. MÁQUINAS PARA SOLDAGEM FSW ... 43
1.5.9. DEFEITOS DE SOLDAGEM,CLASSIFICAÇÃO E REPAROS ... 44
1.6. VANTAGENS E DESVANTAGENS DO PROCESSO FSW ... 48
2. OBJETIVOS E METODOLOGIA ... 50
3. MATERIAIS E MÉTODOS ... 51
3.1. MATERIAIS ... 52
3.1.1. METAL BASE ... 52
3.1.2. PREPARAÇÃO DOS CORPOS DE PROVA PARA SOLDAGEM FSW ... 53
3.1.3. PREPARAÇÃO DOS CORPOS DE PROVA PARA SOLDAGEM MIG ... 53
3.1.4. FERRAMENTA DE SOLDAGEM FSW ... 54
3.2.3. BASE DE SOLDAGEM FSW ... 59
3.3. PARÂMETROS EXPERIMENTAIS ... 60
3.3.1. INFORMAÇÕES BÁSICAS ... 60
3.4. MÉTODOS DE DESENVOLVIMENTO DOS EXPERIMENTOS ... 60
3.5. PARÂMETROS FIXOS PARA SOLDAGEM MIG ... 61
3.6. MODOS DE AVALIAÇÃO DAS SOLDAGENS ... 62
4. RESULTADOS E DISCUSSÃO ... 65
4.1. CARACTERIZAÇÃO DO METAL BASE ... 65
4.2. SOLDAGEM PROCESSO FSW ... 66
4.2.1. TESTES PRELIMINARES –PARÂMETROS E DOMÍNIO DE SOLDAGEM ... 66
4.3. PARÂMETROS FIXOS PARA SOLDAGEM FSW ... 68
4.3.1. INSPEÇÃO VISUAL DAS SOLDAS FSW ... 69
4.3.2. SOLDAGEM FSW COM PARÂMETROS FIXOS ... 71
4.3.3. DETECÇÃO DE DEFEITOS E CARACTERIZAÇÃO DA SOLDA... 73
4.3.4. ENSAIO DE TRAÇÃO ... 75
4.3.5. ENSAIO DE DOBRAMENTO ... 79
4.3.6. MICROGRAFIA ... 84
4.3.7. PERFIL DE DUREZA ... 87
4.4. SOLDAGEM PROCESSO MIG ... 88
4.4.1. INSPEÇÃO VISUAL SOLDA MIG ... 88
4.4.2. ENSAIO DE TRAÇÃO ... 89
4.4.3. ENSAIO DE DOBRAMENTO ... 91
CONCLUSÃO ... 93
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ... 95
ANEXO I – DESENHO DA BASE DE SOLDAGEM E CHAPA DE FIXAÇÃO ... 99
ANEXO II – TABELA GERAL DOS RESULTADOS ... 102
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 – Participação dos Principais Segmentos Consumidores no Brasil em 2010 ... 15
Figura 2 – Fluxograma de Produção do Alumínio ... 16
Figura 3 – Solubilidade do Hidrogênio no Alumínio ... 22
Figura 4 – Equipamento para soldagem TIG... 24
Figura 5 – Equipamento para soldagem MIG/MAG ... 27
Figura 6 – Desenho Sistemático do Processo de Soldagem FSW – “Friction Stir Welding” .. 28
Figura 7 – Diagrama esquemático da microestrutura das soldagens FSW em alumínio ... 34
Figura 8 – Configuração de juntas para o processo de FSW: (a) junta topo, (b) topo em L, (c) topo em T, (d) sobreposição, (e) sobreposição múltipla, (f) sobreposição em T e (g) junta filete ... 37
Figura 9 – Fotografia da superfície de uma solda FSW que dá indicações da assimetria intrínseca do processo por meio da diferença de quantidade de rebarbas nos lados da solda ... 39
Figura 10 – Imagem da tomografia computadorizada do fluxo de material na soldagem FSW ... 40
Figura 11 – Exemplificação das ferramentas, ombro e pino em detalhe ... 41
Figura 12 – Imagem das ferramentas WhorlTM e MX TrifluteTM desenvolvidas no TWI... 42
Figura 13 – Equipamento dedicado para FSW ... 44
Figura 14 – Defeitos do tipo vazio, totalmente interno ou aparente à superfície ... 45
Figura 15 – Defeitos de raiz, remanescente da linha de interface das peças na base da solda . 46 Figura 16 – Defeito de superfície, excesso de rebarbas principalmente no lado do recuo ... 46
Figura 17 – Reparo de soldas FSW, primeiro e segundo passe ... 48
Figura 18 – Aparato experimental montado na fresadora Integrex e1060V. ... 51
Figura 19 – Corpo de prova utilizado no processo FSW e acabamento da junta. ... 53
Figura 20 – Detalhe da dimensão do chanfro utilizado no processo de soldagem MIG ... 54
Figura 21 – Corpo de prova utilizado no processo MIG e acabamento da junta ... 54
Figura 22 – Ferramentas para soldagem FSW e detalhes do ombro e pino. ... 55
Figura 23 – Máquina Multitarefa INT_J200, utilizada para usinagem das ferramentas. ... 56
Figura 24 – Máquina fresadora CNC Integrex e1060V. ... 57
Figura 25 – Aparato utilizado no processo de soldagem MIG ... 58
Figura 26 – Dispositivo montado na mesa da máquina Integrex e1060V. ... 59
Figura 27 – Representação esquemática do posicionamento dos corpos de prova na chapa base ... 64
Figura 28 – Aparência da superfície das chapas soldadas com excesso de rebarba ... 69
Figura 29 – Aparência da superfície das chapas soldadas com presença de sulcos ... 69
Figura 30 – Aparência da superfície das chapas soldadas que resultou na quebra da ferramenta ... 70
Figura 31 – Aparência da superfície das chapas soldadas com presença de semicírculos ... 70
Figura 32 – Aparência da superfície das chapas soldadas, assimetria da solda ... 71
Figura 33 – Aparência dos cordões de solda – Ferramenta Cônica Lisa ... 72
Figura 34 – Aparência dos cordões de solda – Ferramenta Cônica com Rosca ... 72
Figura 35 – Aparência dos cordões de solda – Ferramenta Roscada ... 73
Figura 36 – Junta soldada com ferramenta cônica lisa. ... 74
Figura 37 – Junta soldada com ferramenta de pino roscado... 74
Figura 42 – Dobramento de raiz – Ferramenta Cônica Lisa... 80
Figura 43 – Defeito observado no dobramento transversal de raiz – Ferramenta Cônica Lisa 80 Figura 44 – Dobramento de face – Ferramenta Cônica Lisa ... 81
Figura 45 – Dobramento de face – Ferramenta Roscada... 81
Figura 46 – Defeito observado no dobramento transversal de face – Ferramenta Roscada ... 82
Figura 47 – Dobramento transversal de raiz – Ferramenta Roscada ... 82
Figura 48 – Dobramento de face e raiz – Ferramenta Cônica com Rosca ... 83
Figura 49 – Micrografia do metal base. ... 84
Figura 50 – Micrografia da zona termicamente afetada ... 85
Figura 51 – Micrografia da transição entre ZTA e ZTMA... 86
Figura 52 – Micrografia da ZTMA ... 86
Figura 53 – Perfil de dureza – Ferramenta Cônica com Rosca ... 87
Figura 54 – Aparência do cordão de solda – Processo MIG ... 88
Figura 55 – Distorção encontrada nos corpos de prova através do processo MIG ... 89
Figura 56 – Local da fratura dos corpos de prova de tração, processo MIG ... 90
Figura 57 – Dobramento de face – Processo MIG ... 91
Figura 58 – Dobramento de raiz – Processo MIG ... 92
Tabela 2 – Soldabilidade das liga de alumínio mais comuns ... 23
Tabela 3 – Benefícios da Soldagem por Fricção ... 29
Tabela 4 – Propriedades mecânicas de amostras de alumínio soldadas por FSW ... 38
Tabela 5 – Composição química e propriedades mecânicas da liga Al 5083-O ... 52
Tabela 6 – Detalhes dimensionais das ferramentas de soldagem. ... 55
Tabela 7 – Parâmetros testados nos ensaios preliminares, etapa I. ... 61
Tabela 8 – Parâmetros de soldagem MIG - Passe de Raiz ... 61
Tabela 9 – Parâmetros de soldagem MIG – Segundo Passe... 62
Tabela 10 – Resultados dos ensaios mecânicos da liga Al 5083-O ... 65
Tabela 11 – Parâmetros testados nos ensaios preliminares, etapa I. ... 67
Tabela 12 – Parâmetros testados nos ensaios preliminares, etapa II. ... 68
Tabela 13 – Parâmetros de soldagem utilizados nos testes finais ... 68
Tabela 14 – Ensaio de Tração – Ferramenta Geometria Cônica Lisa ... 76
Tabela 15 – Ensaio de Tração – Ferramenta Geometria Roscada ... 77
Tabela 16 – Ensaio de Tração – Ferramenta Geometria Cônica com Rosca ... 78
ASME – American Society of Mechanical Engineers ASTM – American Society for Testing Materials ABNT – Associação Brasileira de Normas Técnicas FSW – Friction Stir Welding
GMAW – Gas Metal Arc Welding HV – Dureza Vickers
MAG – Metal Active Gas MIG – Metal Inert Gas NBR – Norma Brasileira
TWI – The Welding Institute (Instituto de Soldagem, Inglaterra) TIG – Tungsten Inert Gas
ZAC – Zona Afetada pelo Calor ZTA – Zona Termicamente Afetada
INTRODUÇÃO
A utilização do alumínio e suas ligas têm crescido constantemente nos diversos setores da indústria de manufatura, devido ás características apresentadas por este metal. Desta forma, o baixo peso específico, aliado à alta resistência mecânica de algumas ligas, faz com que o alumínio seja a primeira escolha em termos de material para atender às exigências de determinadas aplicações.
Com relação à autonomia, a substituição de componentes de aço por componentes de alumínio e aços de alta resistência (HSS e AHSS) é uma tendência que pode ser observada nos veículos automotores hoje em dia, podemos citar: motores com blocos de alumínio, parte da carroceria, radiadores, rodas e protótipos de escapamentos. Deve-se considerar também, o fato desse material ser altamente (90%) reciclável [1].
Processos de união que não envolvem fusão, como rebitagem ou mesmo colagem, despontam como alternativas em se tratando da união de alumínio. Neste sentido a soldagem por fricção (FSW – Friction Stir Welding) tem seu uso intensificado, por se tratar se um processo de soldagem em estado sólido. Está técnica de soldagem é eficientemente energética e favorável ao meio ambiente, pois não gera gases nocivos, como os processos convencionais de soldagem [15]. Outro grande aspecto importante da soldagem FSW é que para sua realização não é necessário nenhum material de adição, consequentemente toda a liga de alumínio pode ser unida sem a preocupação com a compatibilidade de sua composição, que é uma grande preocupação com a solda por fusão [15].
Embora a técnica tenha merecido destaque, sendo considerado um dos mais importantes desenvolvimentos de junção de metais dos últimos anos, sendo objeto de estudo em diversos centros de pesquisas tecnológicas e universidades no exterior, poucos estudos nas universidades brasileiras tem se proposto a investigar o mesmo. Um dos motivos para isto certamente reside na necessidade de um alto investimento para a obtenção dos equipamentos específicos para soldagem FSW.
Diante do exposto, esse trabalho teve como objetivo a partir de uma aproximação experimental, obter juntas sem defeitos através do processo FSW, avaliar a influência dos parâmetros e comparar o desempenho das mesmas com o processo de soldagem MIG.
1. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 1.1. Alumínio e suas Ligas
O alumínio, apesar de ser o terceiro elemento mais abundante na crosta terrestre, é o metal mais jovem usado em escala industrial [1]. Devido a suas notáveis propriedades, como excelente resistência à corrosão, baixa densidade, elevada condutividade térmica e elétrica, além da facilidade de processamento através de diversos métodos de fabricação fazem com que ele ocupe posição de destaque no cenário industrial mundial.
A resistência mecânica de algumas ligas de alumínio, em certos casos superiores à de alguns aços com baixo teor de Carbono, aliada à excelente resistência à corrosão e a um peso específico de 2,7g/cm³ (equivalente à 1/3 do peso específico do aço), fazem com que estas ligas apresentem-se como uma alternativa na substituição de componentes ou partes estruturais, visando a redução de peso e o consequente aumento de carga útil. Tais características tornam as ligas de alumínio um material atraente aos mais diversos segmentos industriais, com destaque ao setor de transporte, mundialmente o maior consumidor dentre os demais [2]. No Brasil, o setor de embalagens lidera o consumo, como pode ser visto na Figura 1.
Figura 1 – Participação dos Principais Segmentos Consumidores no Brasil em 2010
A obtenção do alumínio é toda baseada no processo Hall-Heroult. Neste processo, a
alumina (Al2O3) refinada da Bauxita é dissolvida em um banho de criolita e sais de fluoreto.
Eletrodos de carbono são utilizados para aplicar elevada corrente elétrica, provocando a dissociação da alumina, de modo que o alumínio deposita-se no cátodo, de onde é periodicamente removido para posterior processamento e fabricação de lingotes. As principais impurezas do processo são: Ferro e Silício, embora Gálio, Titânio e Vanádio também sejam encontrados. Na Figura 2, podemos ver um fluxograma da produção do alumínio [4].
Figura 2 – Fluxograma de Produção do Alumínio
Fonte: Associação Brasileira do Alumínio [1]
A produção do alumínio divide-se na obtenção do alumínio primário e secundário. O alumínio primário é aquele obtido através do processo de redução da alumina, e caracteriza-se pelo elevado consumo de energia elétrica. O alumínio secundário é aquele obtido através do reprocessamento de sucata, em grande parte proveniente da reciclagem, e de sobras de processos de transformação. Devido à questões ambientais e ao baixo custo de reprocessamento, a produção do alumínio secundário tem crescido em importância. Apenas 5% da energia elétrica que é consumida na obtenção do alumínio primário é necessária na sua reciclagem [1].
O Brasil ocupa posição de destaque entre os produtores mundiais de alumínio. Atualmente o país é o sexto maior produtor de alumínio primário, e possui a terceira maior reserva de bauxita do mundo [1]. As maiores jazidas brasileiras encontram-se em Minas Gerais e no Pará.
1.1.1. Classificação das Ligas de Alumínio
A designação das diferentes ligas de alumínio é feita através de sistemas internacionais propostos por algumas associações como a Aluminum Association (AA), International Organization for Standardization (ISO) e Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT). Na sequencia será apresentado a nomenclatura proposta pela ABNT NBR 6834 – 2006.
As ligas de alumínio podem, segundo sua composição, ser divididas em duas categorias, cada qual com seu próprio sistema de classificação: composições para fundição e composições para trabalho mecânico [5]. As composições para trabalho mecânico, são classificadas em séries de quatro dígitos, de acordo com o principal elemento adicionado, conforme ilustra a Tabela 1.
O significado dos 4 dígitos diferem-se entre a série 1xxx e demais séries. Na série 1xxx, o segundo algarismo, se igual a zero, indica que as impurezas presentes são as naturais do processo de fabricação. Se diferente de zero, indica que há controle especial na concentração de determinada impureza. O terceiro e quarto dígitos indicam o percentual de alumínio, além dos 99% existentes. Por exemplo, no caso de um alumínio 1045, o percentual de alumínio presente será 99,45%, sendo o restante, impurezas naturais do processo [5].
Tabela 1 – Principais elementos de liga das séries de alumínio
Fonte: Adaptada da Norma ABNT NBR 6834 [5]
Para as séries de 2xxx a 9xxx, o primeiro dos dígitos indica a série a qual a liga pertence e, por conseguinte o principal elemento de adição. O segundo dígito irá indicar se a composição da liga é igual à liga desenvolvida originalmente (se igual à zero) ou se a liga
original sofreu alteração na sua composição química (algarismos de 1 a 9). O terceiro e quarto dígitos apenas diferenciam as ligas dentro de uma mesma série.
Dentre estas séries, é ainda possível fazer-se uma subdivisão quanto ao mecanismo de endurecimento aos quais as ligas respondem e que promovem o aumento da dureza e da resistência mecânica. As ligas das séries 2xxx, 6xxx e 7xxx são classificadas como tratáveis termicamente, enquanto as ligas das séries 3xxx, 4xxx e 5xxx são denominadas de endurecíveis por deformação. A seguir descreve-se as características gerais de cada uma das séries de ligas de alumínio, bem como suas mais frequentes áreas de aplicação.
Série 1xxx: Com teor de pureza igual ou superior à 99%, encontra aplicação principalmente nas áreas elétricas e química. Possui excelente resistência à corrosão, elevadas condutividade térmica e elétrica, elevada ductilidade e baixa resistência mecânica. Respondem moderadamente à processos de endurecimento por deformação devido ao alto teor de pureza.
Série 2xxx: Tendo o Cobre como principal elemento de liga, as propriedades mecânicas desta série podem ser superiores às de alguns aços com baixo teor de Carbono. São largamente utilizadas em aplicações estruturais. Possui boa usinabilidade, baixa soldabilidade e baixa resistência a corrosão. Normalmente as características à corrosão são melhoradas por meio de recobrimento com alumínio de alta pureza ou por ligas da série 6xxx.
Série 3xxx: As ligas desta série são de moderada resistência mecânica, encontrando aplicações nos mais diversos segmentos, desde utensílios domésticos, trocadores de calor e placas de trânsito até latas de bebidas. O principal elemento de liga é o Manganês, embora apresente solubilidade máxima de apenas 1,5%. A máxima resistência mecânica é obtida por meio de trabalho mecânico.
Série 4xxx: O principal elemento de liga desta série é o Silício, em teores de até 12%. Sua função é baixar a temperatura de fusão destas ligas sem que ocorra fragilização. Por fundir-se em temperaturas mais baixas que as demais séries, estas ligas são utilizadas principalmente como arames de solda e ligas de brasagem.
Série 5xxx: O Magnésio, principal elemento de liga desta série, em combinação com o Manganês resulta em ligas de média-alta resistência mecânica. De boa soldabilidade e com destacada resistência à corrosão (principalmente em atmosfera salina), esta série encontra aplicação em diferentes setores. A gama de produtos varia desde navios e embarcações, tanques criogênicos e latas, até estruturas automotivas.
Série 6xxx: Nesta série Magnésio e Silício são adicionados em proporções suficientes
para formação de Silicato de Magnésio (Mg2Si). As ligas desta série possuem elevadas
resistências à corrosão, boa conformabilidade boa soldabilidade e são de fácil usinagem. São utilizadas para uso arquitetônico, quadros de bicicletas e também estruturas soldadas.
Série 7xxx: Em teores de 1 a 8%, o Zinco é o principal elemento de liga, embora Magnésio, Cobre, Cromo e Zircônio também podem estar presentes em menores quantidades. O Zinco combinado ao Magnésio confere às ligas desta série altíssima resistência mecânica, o quê as torna muito utilizadas em aplicações estruturais, principalmente pela indústria aeronáutica.
1.1.2. Sistema de Classificação de Têmperas
Além do sistema de classificação por séries, um sistema adicional é utilizado para especificar a sequência de tratamentos térmicos ou mecânicos ao qual determinada liga de alumínio foi submetida durante seu processo produtivo. A esta condição final baseada na sequência de tratamentos termomecânicos dá-se o nome de têmpera, ou seja, é o estado que adquire o material pela ação das deformações plásticas a frio ou a quente, por tratamentos térmicos ou pela combinação de ambos, que dão aos produtos estruturas e propriedades características, diferentemente ao realizado na têmpera de aço carbono.
A designação das têmperas é feita através de uma letra maiúscula seguida de dois ou três dígitos [6], da mesma forma que para a classificação das ligas de alumínio, a mesma é feita através de sistemas internacionais propostos por algumas associações. Esta sequência é separada do nome da liga por um hífen. Na sequencia será apresentado a nomenclatura proposta pela ABNT NBR 6835-2000. O significado da classificação das têmperas é detalhado a seguir.
F = Como fabricado. Aplica-se a produtos fabricados por deformação à frio, à quente ou fundição onde nenhum controle especial foi empregado sobre as condições térmicas ou endurecimento pelas deformações ocorridas.
O = Recozido. Aplica-se a produtos que passaram por recozimento a fim de obter-se redução da resistência mecânica e a produtos fundidos para aumentar a ductilidade e estabilidade dimensional.
H = Endurecido por deformação (aplicável apenas às ligas para trabalho mecânico). Indica que o produto teve sua resistência mecânica aumentada através de encruamento, com
ou sem tratamento térmico posterior. A letra H é sempre seguida por um ou dois dígitos que indicam a realização ou não de alivio de tensões e o percentual de redução sofrido, respectivamente. É utilizado para as ligas não tratáveis termicamente, ou seja, cujo aumento da resistência mecânica é obtido apenas através de deformação a frio, através dos processos:
H1 – Somente encruado;
H2 – Deformado plasticamente a frio e parcialmente recozido;
H3 – Deformado plasticamente a frio e estabilizado;
H4 – Deformado plasticamente a frio e pintado ou envernizado;
O segundo dígito como foi referido anteriormente está relacionado com a diminuição da espessura na deformação a frio. Um tratamento em que o segundo dígito seja, por exemplo, o H18, corresponde à tensão de cedência obtida com uma diminuição de 75% da seção transversal e corresponde também ao material completamente endurecido. O tratamento H12 corresponde a um quarto desse valor de tensão assim H14 e H16 correspondem a metade e três quartos desse valor, respectivamente.
W = Tratamento térmico de solubilização. Esta têmpera é aplicável às ligas cuja resistência espontaneamente modifica-se em temperatura ambiente durante um período de meses ou mesmo anos após tratamento térmico de solubilização. Esta designação só é válida quando especificar o período de duração do envelhecimento natural (exemplo: W ½ h).
T = Tratamento térmico de solubilização. Aplicável às ligas cuja resistência estabiliza-se em um período de até algumas estabiliza-semanas após a realização de tratamento térmico de solubilização. Se as propriedades estabilizam-se em temperatura ambiente, diz-se que a liga é envelhecida naturalmente. Caso o material seja submetido à temperatura, diz-se envelhecido artificialmente. A letra T geralmente é seguida por um ou dois dígitos, que especificam a sequência de tratamentos termomecânicos realizados.
1.2. Soldagem do Alumínio e suas Ligas
A aplicação das ligas de alumínio torna-se restrita quando os processos de união disponíveis não atendem às necessidades de cada aplicação. Isto é particularmente importante na soldagem devido à sensibilidade que as propriedades de resistência mecânica das ligas endurecidas por envelhecimento ou deformação apresentam ao calor gerado nos processos ao arco elétrico [7].
A soldagem é um dos processos de fabricação que possui maior importância na expansão do uso das ligas de alumínio para os diversos segmentos industriais. Os processos utilizados devem produzir juntas soldadas com resistência similar à do metal base, apresentar bom aspecto visual, bom desempenho à vida em fadiga e resistência à corrosão. Dentre os processos utilizados para atender a estas exigências, os de maior importância atualmente são os que utilizam gás inerte de proteção, como os processos TIG e MIG [8].
O processo de soldagem TIG foi desenvolvido antes que o processo MIG e durante certo período foi utilizado para todas as espessuras de metal e tipos de juntas [9]. Atualmente, o processo TIG é mais voltado para espessura de alumínio de até 6.3mm e na execução de passes de raiz, em aplicações onde elevada qualidade seja indispensável. Por sua vez, a soldagem MIG é a mais utilizada principalmente devido à alta velocidade de soldagem e consequente produtividade.
De acordo com diversos autores [2, 9, 10], dentre as propriedades das ligas de alumínio de maior influência nos processos de soldagem, destacam-se:
Formação de camada de óxido;
Solubilidade do hidrogênio;
Características térmicas;
Características elétricas;
Formação de Camada de Óxido: A formação da camada de óxido (Al2O3),ocorre
devido à alta afinidade química entre o alumínio e o oxigênio. Esta camada constitui uma proteção natural à corrosão que, entretanto, é facilmente removida por processos de soldagem ao arco elétrico. O elevado ponto de fusão deste óxido (2050ºC) aliado a uma camada excessivamente espessa, porém poderá impedir a abertura do arco elétrico ou resultar em falta de fusão. Nestes casos, recomenda-se a redução da espessura desta camada por meios químicos ou mecânicos, como escovamento e/ou usinagem, tanto das superfícies a serem unidas, quanto da região de contato do metal com o cabo terra. O aumento desta camada pode ser associado a processos prévios de anodização, tratamento térmico ou mesmo a condições de estocagem do material em ambientes úmidos [8].
Solubilidade do hidrogênio: A solubilidade quase nula do hidrogênio em alumínio sólido é a principal causa de porosidade na soldagem das ligas de alumínio [8]. Entretanto, em
temperaturas elevadas como a poça de fusão, grandes quantidades de hidrogênio podem ser absorvidas, como indica a Figura 3.
Figura 3 – Solubilidade do Hidrogênio no Alumínio
Fonte: Praveen e Yarlagdda, 2005 [10]
Com a rápida solidificação da poça de fusão, a solubilidade do hidrogênio no alumínio decai rapidamente. O hidrogênio que excede o limite de solubilidade forma então bolhas de gás caso não consiga sair da poça em solidificação. Segundo Paveen e Yarlagadda [10], este é um dos principais problemas na soldagem do alumínio, pois reduz a resistência à fadiga e à tração da junta soldada. Comumente, as principais fontes de hidrogênio na soldagem são umidade nas superfícies a serem soldadas ou no metal de adição, condensação no interior de tochas refrigeradas à água, metal de adição sujo com óleo lubrificante ou ainda impureza do gás de proteção.
Características Térmicas: Embora a temperatura de fusão seja inferior à dos metais ferrosos, um maior aporte de calor é necessário para compensar as perdas devido à elevada condutividade térmica e calor específico das ligas de alumínio. Estas características as tornam sensíveis às variações no aporte de calor, podendo ocasionar variações na fusão e na penetração da solda em processos velozes como MIG. Além disto, o alto coeficiente de expansão térmica (2 vezes maior que nos aços) associado à alta contração na solidificação (6% por volume), resulta em problemas de distorção, que deverão ser controlados através da sequência de passes e da correta fixação das peças [10].
Características Elétricas: Na soldagem com arco elétrico, as características elétricas do alumínio não apresentam grande influência como o fazem na soldagem por resistência elétrica. Neste processo, o calor gerado depende da resistência imposta pelo material ao fluxo de corrente elétrica. Devido à alta condutividade elétrica do alumínio, correntes mais elevadas deverão ser utilizadas para produzir-se o mesmo aquecimento obtido na soldagem de aços. Nos processos com arco elétrico, outro aspecto é a fixação do cabo terra, que pode ser feita em qualquer ponto da peça. Problemas de sopro elétrico são minimizados pelo fato do alumínio ser não magnético [10].
1.2.1. Soldabilidade das Ligas de Alumínio
Define-se soldabilidade como a capacidade de uma material ser soldado sob condições de fabricação impostas por uma específica e adequadamente projetada estrutura, a de desempenhar satisfatoriamente sua função em serviço [11].
Considerando-se os processos TIG e MIG, uma classificação geral quanto à soldabilidadde das ligas de alumínio pode ser proposta. De uma forma geral, as ligas que apresentam melhor soldabilidade, ou seja, são mais fáceis de serem soldadas, são aquelas pertencentes às séries 1xxx, 3xxx, 5xxx e 6xxx. Em seguida, vêm as séries 4xxx e 2xxx que podem ser soldadas, mas requerem técnicas especiais e apresentam perda de ductilidade. Por fim, as ligas de alta resistência mecânica da série 7xxx são classificadas como não recomendadas para soldagem. A esta última, entretanto, deve-se destacar as ligas 7005 e 7039 que foram especialmente desenvolvidas com o intuito de melhorar a soldabilidade [11].
A Tabela 2 mostra em detalhe esta classificação segundo a soldabilidade das diversas ligas de alumínio. Somente estão listadas as ligas para trabalho mecânico.
Tabela 2 – Soldabilidade das liga de alumínio mais comuns
1.3. Processo de Soldagem TIG
O processo de soldagem TIG ou GTAW consiste na união de peças metálicas por meio do seu aquecimento e fusão através de um arco elétrico estabelecido entre um eletrodo de tungstênio puro ou composto por outros metais ou óxidos, não consumível e as peças a unir. A proteção da poça de fusão e do arco elétrico contra a contaminação pela atmosfera é feita por uma atmosfera de gás inerte ou mistura de gases inertes. A soldagem pode ser feita sem metal de adição, no caso, um processo autógeno, ou com uso de metal de adição, diretamente na poça de fusão [4].
O modo de operação mais usual é o manual. A mecanização da operação não apresenta muitas dificuldades, o que permite obter um processo de soldagem TIG com operação semiautomática ou automática.
O equipamento usado na soldagem TIG é constituído de uma fonte de energia elétrica, normalmente um transformador-retificador, uma tocha de soldagem refrigerada a ar ou água, uma fonte de gás de proteção, um dispositivo para abertura do arco, cabos e mangueiras. A Figura 4 mostra esquematicamente uma representação do equipamento do processo de soldagem TIG.
Figura 4 – Equipamento para soldagem TIG
Fonte: Marques et al. [12]
A proteção gasosa da poça de fusão no processo TIG é eficiente, e ocorre através de um fluxo de gás inerte como o argônio ou o hélio, que parte do bocal de soldagem em direção à poça de fusão. Em alguns casos especiais, gases não inertes podem ser utilizados em
pequena quantidade, misturados com o gás inerte [13]. O gás de proteção também impede a oxidação do eletrodo não consumível, pois apesar de o tungstênio fundir-se em alta temperatura, a sua oxidação ocorre em temperaturas mais baixas. Durante a operação, o eletrodo deve se manter na cor prateada, do contrário, há fuga de gás do sistema, o gás é impuro ou o restante de gás que permanece no bocal não se mantém ali até que o eletrodo resfrie [14].
O controle da energia transferida para a peça durante a soldagem é uma das principais características desse processo. Ocorre por meio do controle independente que o operador tem da fonte de calor e do metal de adição, que torna o processo adequado para a soldagem de peças com espessuras reduzidas. A ausência de escória permite uma boa visibilidade ao soldador durante o processo, e não gera fumos nocivos. O arco elétrico é bastante estável, adequado para produzir soldas com boa qualidade e acabamento, se o soldador for habilidoso. Além disso, o arco elétrico não gera salpicos, pois não há transferência de metal [13].
Como desvantagem do processo está a baixa taxa de deposição, que implica numa operação mais demorada, se comparada com outros processos de soldagem. Requer uma maior destreza do operador, se comparado com processo de soldagem por fusão. Não é um processo de soldagem adequado para ambientes turbulentos, com correntes de ar, pois pode interferir na proteção gasosa da poça de fusão e do eletrodo. Devido ao seu auto custo, é aplicado principalmente na soldagem de metais não ferrosos e aços inoxidáveis, na soldagem de peças com menor espessura (1,0 à 2,0mm) e no passe de raiz nas soldagens de tubulações.
A fonte de energia é do tipo corrente constante ou tombante, onde uma grande variação na distância da ponta do eletrodo à peça causa uma pequena variação na corrente de soldagem, comum em processos manuais. A polaridade mais usada é a direta, ou corrente contínua com eletrodo negativo, onde a penetração é mais profunda e a largura do cordão é reduzida [12].
O modo de abertura do arco pode ser feito por meio de um leve toque com a ponta do eletrodo na peça, sem riscar, fechando um curto-circuito, afastando-o em seguida, ou também por injeção de alta frequência, quebrando o comportamento dielétrico do ar e iniciando o processo de soldagem. Riscar o eletrodo na peça pode provocar inclusões de tungstênio no metal de solda e reduz a vida útil do eletrodo [12].
1.4. Processo de Soldagem MIG / MAG
O processo de soldagem MIG/MAG ou GMAW, caracteriza-se pela geração de um arco elétrico entre um eletrodo metálico nu, consumível, e a peça de trabalho. A proteção do arco elétrico e da região da solda contra a contaminação pela atmosfera ocorre por meio de um gás ou mistura de gases inertes ou ativos. O processo é denominado MIG quando o gás utilizado é inerte ou uma mistura rica em gases inertes, e MAG quando o gás utilizado é ativo ou uma mistura rica em gases ativos [12].
O modo de operação é considerado semiautomático, onde o metal de adição tem controle automático, mas o posicionamento da tocha, início e interrupção da soldagem, e o movimento da tocha de soldagem ao longo da junta, são executados por controle manual pelo operador. O processo pode ser mecanizado, com o controle do movimento da tocha de soldagem ao longo da junta pelo equipamento, mas com o posicionamento, acionamento do equipamento e interrupção do processo são à cargo do operador. A automatização desse processo não apresenta grandes dificuldades, com controles automáticos de praticamente todas as operações. De uma forma ampla, os sistemas automáticos de soldagem podem ser divididos em sistemas dedicados, projetados para executar uma operação específica de soldagem, basicamente com nenhuma flexibilidade para mudanças nos processos, e em sistemas com robôs, programáveis e apresentando uma flexibilidade relativamente grande para alterações no processo [12].
O equipamento para soldagem é constituído por uma fonte de energia, normalmente um transformador-retificador, um sistema de alimentação do arame-eletrodo, tocha de soldagem, fonte de gás de proteção, cabos e mangueiras. Posicionadores e sistema de movimentação da tocha são empregados, para o caso de soldagem mecanizada. A Figura 5 mostra esquematicamente uma representação do equipamento do processo de soldagem MIG/MAG.
A alta taxa de deposição, boa penetração, alto rendimento, formação de pouca ou nenhuma escória, facilidade de operação, são algumas das características do processo. O processo é utilizado para fabricação e manutenção de equipamentos e peças metálicas, recuperação de superfícies desgastadas e no recobrimento de superfícies metálicas com materiais especiais.
Figura 5 – Equipamento para soldagem MIG/MAG
Fonte: Marques et al. [12]
A curva característica é do tipo constante ou plana, em que a velocidade de alimentação do arame-eletrodo se mantém constante durante o processo. Devido às variações de distância da ponta do arame-eletrodo à peça, a corrente apresenta variações, de forma que, quando a distância aumenta, a corrente diminui tal qual a taxa de fusão do arame-eletrodo. Quando a distância diminui, ou seja, o soldador aproxima a tocha à peça, a corrente aumenta em relação direta com a taxa de fusão do arame, para proporcionar uma deposição adequada de metal de adição na poça de fusão. Este fenômeno é conhecido como auto ajuste do arco elétrico. No caso de usar curva característica do tipo corrente constante ou tombante, a mesma deverá possuir um sistema tensão sensitivo acoplado, já que existindo variação no comprimento do arco elétrico, a consequente alteração na tensão será rapidamente corrigida [12].
A polaridade inversa ou em corrente contínua com eletrodo positivo é a mais utilizada nos processos de soldagem MIG e MAG. Polaridade direta ou corrente contínua com eletrodo negativo é utilizada para trabalhos de revestimento, pois a taxa de deposição é maior, entretanto a penetração é reduzida e o arco elétrico apresenta menor estabilidade. Corrente alternada pode ser utilizada, mas a estabilidade do arco elétrico não é adequada [12].
1.5. Processo de Soldagem FSW
Todos os processos de soldagem atualmente utilizados envolvem algum tipo de alteração na microestrutura do metal base. Na grande parte dos casos esta alteração é
indesejável, pois traz como consequência uma perda na qualidade das propriedades do material original, principalmente causada pelo ciclo térmico inerente aos processos.
Segundo Mishra et al. [15], a dificuldade de fazer soldas de alta resistência à fadiga e à fratura nas ligas de alumínio aeroespaciais e automobilística tais como a série altamente ligada de alumínio 2XXX e de 7XXX, tem inibido por muito tempo o uso da soldagem para estruturas aeroespaciais e automobilísticas. Estas ligas de alumínio são geralmente classificadas como não-soldáveis devido à microestrutura pobre de solidificação e porosidade na zona de fusão. Também, a perda em propriedades mecânicas em relação à matéria-prima é muito significante. Estes fatores fazem a junta destas ligas por processos convencionais de soldagem desinteressante. Algumas ligas de alumínio podem ter resistência quando soldadas, mas a preparação de superfície é cara, com o óxido de superfície que é um problema grave.
A busca por métodos que impunham um menor nível de deterioração, ou equivalente, uma maior eficiência da junta soldada continua impulsionando diversas pesquisas.
Foi neste contexto que a Soldagem por Fricção (FSW) foi descoberta no Instituto de Soldagem do Reino Unido (TWI) em 1991 como uma técnica de junta no estado sólido, e foi aplicada inicialmente às ligas de alumínio [16]. O conceito básico do processo FSW é notavelmente simples. Uma ferramenta de giro não-consumível com um pino e um ombro especialmente projetados é introduzida nas juntas de topos das chapas ou das placas a ser soldadas e atravessado ao longo da linha da junção, ver Figura 6.
Figura 6 – Desenho Sistemático do Processo de Soldagem FSW – “Friction Stir Welding”
Fonte: Adaptado de Hattingh, D.G. et al. [17]
FSW é considerado o mais significante desenvolvimento na junção de metais da década e uma tecnologia “verde” devido a sua eficiência energética, favorável ao ambiente, e
versatilidade. Em relação aos métodos convencionais de soldagem, FSW consome consideravelmente menos energia. Nenhum gás ou fluido é usado, fazendo desse modo um processo a favor do meio ambiente. A junta não envolve nenhum uso de metal de enchimento, consequentemente toda a liga de alumínio pode ser soldada sem preocupação para a compatibilidade da composição, que é uma preocupação na solda por fusão. Quando desejáveis, as ligas de alumínio e os compostos dissimilares podem ser juntados com facilidade. Em contraste com a soldagem por fricção tradicional, que é executada geralmente nas peças assimétricas pequenas que podem ser giradas e empurradas entre si para formar uma junção, a soldagem de mistura por atrito pode ser aplicada aos vários tipos de junções como junções de extremidade, junções de superposição, junções de extremidade em T e junções de enchimento [15]. Os benefícios chaves da FSW são resumidos na Tabela 3.
Tabela 3 – Benefícios da Soldagem por Fricção
Fonte: Adaptada de Mishra, C. R., et al. [15]
1.5.1. Retrospecto e Outras Informações sobre o Processo FSW
A soldagem por fricção é um processo bastante antigo em que o calor para a união das peças é gerado pela conversão direta de energia mecânica em energia térmica na interface de contato sem a utilização de nenhuma outra fonte de calor ou outro tipo de energia. Normalmente uma peça fica estacionária enquanto a outra é dotada de movimento.
A solda por fricção é considerada um processo de soldagem no estado sólido, uma vez que a temperatura de fusão não é atingida. O material é plastificado na interface das peças e a união ocorre por difusão do material devido ao intenso trabalho mecânico e pelas condições de contato íntimo entra as peças. O processo FSW é uma variação do processo de soldagem por ficção tradicional, e sem dúvida, um dos mais significantes desenvolvimentos da tecnologia de soldagem nos últimos anos [18].
O conceito da soldagem FSW é muito simples. Para realização do processo, ao contrário do que se observa na soldagem por fricção, as duas peças a serem unidas permanecem estacionárias, e um terceiro elemento, a ferramenta de soldagem, realiza a solda.
A ferramenta é fabricada com um material térmica e mecanicamente mais resistente que o metal de base, e que não contribui com o processo sob o ponto de vista da adição de material. É dotada de movimento em relação às peças base, gerando o calor e o trabalho mecânico que possibilitam a realização do processo [18].
Na configuração mais comumente usada a ferramenta possui movimento de rotação e é simultaneamente transladada através da linha de união entre as peças. Sua geometria básica tem o aspecto de um cilindro escalonado, e é composta por duas partes principais.
Ombro - parte que entra em contato íntimo com a superfície das peças a serem unidas, por meio da ação de uma força de contato, responsável pela geração de calor através de atrito, que plastifica o material das peças, ver Figura 6. Além disso, atua no sentido de impedir a expulsão do material plastificado da região da solda, impedindo a formação de defeitos conhecidos como vazios [19]. Na prática sua dimensão situa-se na faixa de 6 a 50mm, dependendo da espessura e material a ser soldado.
Pino – parte que se interpõe às peças, por quase toda a espessura de soldagem, que tem a função de trabalhar mecanicamente o material plastificado das peças base, levando-o para trás e para baixo da ferramenta, conforme esta é transladada, ver Figura 6. O diâmetro do pino é da mesma ordem da espessura da peça a ser soldada, enquanto seu comprimento é cerca de 3 à 5 décimos menor (para soldas com penetração total) [19].
Idealmente os materiais para ferramenta devem ter um longo período de utilização. Eles devem possuir resistência à abrasão a elevadas temperaturas, e aliar dureza e resistência mecânica para que não deformem nem rompam por fratura sob as condições de operação. É da mesma forma importante que o material não reaja com o material da peça base sob as temperaturas de operação. Outro requisito do material da ferramenta é de que ele deve ser mal condutor de calor, no mínimo, menos condutor que o material da peça base [15].
Uma vez que o ombro e o pino desempenham funções diferentes, eles podem ser fabricados de materiais diferentes. Neste caso deve-se ter cuidado no projeto da ferramenta, em relação a consequente diferença de expansão térmica. Na soldagem FSW de ligas de alumínio, têm sido usados comumente aços ferramenta para trabalho a quente como o AISI H13 [20].
As máquinas utilizadas neste processo assemelham-se a máquinas fresadoras adaptadas. Na verdade, algumas são realmente para este fim já que possibilitam o controle dos principais parâmetros e movimento inerentes ao processo [18].
Contudo, assim como no caso da soldagem por fricção, a qualidade do processo é garantida pelo controle da especificação do material e da geometria das peças, além da correta seleção dos parâmetros de soldagem [18].
Segundo Threadgill e Nunn [20], há uma série de importantes variáveis com respeito ao material base e aos parâmetros do processo que podem afetar a qualidade das soldagens FSW. As principais estão listadas a seguir:
Projeto da ferramenta;
Velocidade de rotação da ferramenta;
Velocidade de translação da ferramenta;
Aporte de calor;
Penetração do ombro da ferramenta;
Ângulos de inclinação;
Tempo de espera (aquecimento);
Afastamento das peças a soldar;
Peças com espessuras diferentes;
Variação da espessura das peças;
Embora o processo FSW seja idealmente adaptado à soldagem de juntas longas e lineares, ele pode ser muito flexível e uma variedade de juntas em uma, duas, ou três dimensões já foram demostradas. A restrição ao projeto da junta é que nenhum material de enchimento é adicionado, portanto, soldas de filete não podem ser executadas. Assim, a grande maioria dos trabalhos de soldagem FSW tem sido realizada em juntas de topo lineares e com materiais de mesma espessura. Porém, a soldagem em muitas outras geometrias de junta foi demostrada, entre as quais se destacam [20]:
Juntas de topo em materiais de espessuras dissimilares;
Juntas de topo não lineares;
Juntas sobrepostas;
Juntas circunferenciais sobrepostas;
Juntas circunferenciais de topo em tubos;
Juntas T;
Juntas flange / tubo;
O processo FSW foi desenvolvido e está em fase de desenvolvimento para uma ampla gama de materiais. É notório porém, que em termos de aplicações industriais consolidadas, a soldagem das ligas de alumínio é a principal aplicação do processo FSW. Alguns dos materiais nos quais algumas experiências de soldagem com resultados promissores foram realizadas são o magnésio, cobre, titânio, aço, chumbo, zinco e alguns termoplásticos [20].
Alguns aspectos operacionais que podem influenciar na realização do processo e na qualidade das soldas FSW: em primeiro lugar deve-se tomar cuidado com a espessura do material de base. Se seu valor variar muito, será difícil obter soldas de qualidade e confiabilidade. Espessuras muito superiores a nominal acarretará na formação de muita rebarba e/ou aumento no risco da formação de falhas na raiz da solda devido ao afastamento da ponta do pino. Se a peça tiver pouca espessura pode ocorrer perda de pressão sob o ombro da ferramenta e/ou contado do pino com o suporte. Normalmente, para peças com espessuras da ordem de 6,0 mm uma tolerância da ordem de ± 0,1 a 0,2 mm é considerada aceitável, embora se tenha conhecimento de soldagens realizadas com variações na ordem de ± 0,4 mm [20].
O processo é razoavelmente tolerante em relação à necessidade de limpeza das peças, apesar de ser muito difícil quantificar os níveis máximos aceitáveis. Porém, se a soldagem for submetida a tratamentos térmicos posteriores, a limpeza é importante para evitar o ingresso de materiais que podem se gaseificar ou decompor durante o tratamento levando a formação de defeitos. A limpeza da ferramenta pode ser importante para evitar o ingresso de contaminantes na raiz da solda. A ferramenta é normalmente coberta por uma fina camada de alumínio após o início de sua utilização, e a experiência tem mostrado que não há vantagens na remoção desta camada entre as soldagens [20].
A soldagem FSW não utiliza materiais de adição, de forma que qualquer afastamento das peças leva a uma redução da espessura na área de soldagem. Em situações extremas, pode levar a formação de defeitos ou ao excessivo afinamento da região soldada. Dawes apud Threadgill [21] recomenda que a distância máxima entre as peças não seja maior que 10% da espessura (dados gerados para peças de 6,0 mm). Entretanto, Christner e Sylva apud Leonard [22] demostraram que soldagens com distâncias de até 36% da espessura podem ser toleradas em alguns casos.
Forças elevadas são aplicadas durante o processo FSW e é necessária boa fixação para impedir o movimento das peças durante a soldagem. Á medida que a ferramenta é empurrada ao longo da linha de soldagem há uma forte tendência de separação das peças, e uma tendência de elevação no caso de placas finas. A fixação correta das peças acarreta numa menor formação pós-soldagem, muito menores do que nos processo por fusão [20].
Sistemas de fixação pneumáticos, hidráulicos e a vácuo provaram ser eficientes. Em alguns casos, a força de fixação necessária apenas deve ser suficiente para posicionar as peças, enquanto em outros casos, elas precisam ser rigidamente fixadas sob altas forças. Quanto à soldagem de materiais mais espessos, a força aplicada pela ferramenta e espessura do material normalmente são suficientes para evitar qualquer tipo de movimentação e distorção [20].
Quando se soldam materiais espessos, duros ou com alto ponto de fusão, um furo pode ser usinado para facilitar a penetração da ferramenta no início da operação de soldagem. A função deste furo é de minimizar o desgaste da ferramenta e possibilitar o uso de máquinas menos potentes. O estágio de penetração gera um elevado torque reativo que não está presente durante o restante do processo de soldagem. A força vertical que deve ser aplicada pode também ser reduzida quanto à utilização dos furos pilotos [20].
1.5.2. Caracterização Micro Estrutural da Solda FSW
Desde os primeiros anos que foram dedicados esforços para o estudo da soldagem FSW, o aspecto da caracterização micro estrutural da junta soldada tem sido explorado e debatido. Esta é uma área de grande interesse quando se trata de qualquer tipo de soldagem e uma extensa teoria e dados de experimentos estão disponíveis atualmente quando se trata principalmente dos métodos de soldagem por fusão local do material.
Um dos primeiros modelos sugeridos para a morfologia da região afetada pela solda FSW foi o de Threadgill [23] apresentado na Figura 7 (idealizado para soldagem FSW de ligas de alumínio e adotado pelo TWI – “The Welding Institute”).
A zona A, afastada da solda, representa o material não afetado pelo processo de soldagem [23].
A zona B é descrita como a ZTA (Zona Termicamente Afetada), e nesta região as propriedades e microestruturas do material são afetadas pelo ciclo térmico imposto pelo processo, embora não haja nenhuma deformação mecânica. Nesta região a dureza de ligas
envelhecidas ou endurecidas tipicamente irá decrescer rapidamente conforme se aproxima do centro da solda. Embora não haja mudança óbvia na microestrutura das ligas de alumínio, existem mudanças a níveis microscópios. Os precipitados envelhecidos ou super-envelhecidos possivelmente passam parcialmente à solução sólida [23].
Figura 7 – Diagrama esquemático da microestrutura das soldagens FSW em alumínio
Fonte: Adaptado de Threadgill [23]
A zona C é a parte da ZTMA (Zona Térmo -Mecanicamente Afetada) e os efeitos do ciclo térmico são mais pronunciados, uma vez que as temperaturas atingidas durante a soldagem são mais elevadas e é provável que estas sejam suficientes para dissolver a maior parte dos precipitantes. Adicionalmente, o material experimenta significante deformação mecânica como é demostrado pela reorientação das estruturas laminadas do metal base, nas quais os grãos alongados podem ser reorientados em até 90º. Contudo, há pouca evidência de recristalização, embora alguns grãos equiaxiais sejam formados nas regiões mais quentes. No resfriamento há um aumento da dureza nas ligas tratáveis termicamente nas regiões mais quentes, possivelmente devido à precipitação [23].
A zona D é o centro da solda, ou núcleo, que é uma parte restrita da ZTMA na qual o material é dinamicamente recristalizado durante a operação de soldagem. A fronteira entre o núcleo e o resto da ZTMA é, em geral, razoavelmente identificável (quando se utiliza grandes ampliações a identificação pode ser mais difícil). A microestrutura do núcleo sempre consiste de grãos equiaxiais muito finos, tipicamente da ordem de 2 a 5 mícrons de diâmetro. A temperatura atingida nesta região para o alumínio é tal que qualquer precipitado é dissolvido, e em ligas que contêm grandes partículas de inclusões intermetálicas, estas são quebradas e
finamente dissolvidas devido à intensa deformação cisalhante. No resfriamento alguns precipitados irão nuclear e crescer, levando ao aumento de dureza. Contudo, o equilíbrio não é atingido devido às taxas de resfriamento, e em algumas ligas pode ocorrer envelhecimento natural. Precipitações futuras podem ser induzidas por tratamentos de envelhecimento a baixas temperaturas [23].
Há ainda outra formação presente na área do núcleo chamada de “onion rings”, que é uma série de elipsoides concêntricos observados dentro do núcleo. Às vezes estes anéis correspondem a mudanças no tamanho dos grãos do material, porém eles podem não ser vistos a grandes ampliações. Existem fortes evidencias de que a formação dos “onion rings” esteja ligada às variações de velocidades de avanço e de rotação da ferramenta, assim como a sua geometria [24, 25].
1.5.3. Parâmetros da Soldagem FSW
Para FSW, dois parâmetros são muito importantes: a relação de rotação da ferramenta no sentido horário ou anti-horário e a velocidade transversal da ferramenta ao longo da linha de junção. A rotação da ferramenta conduz à agitação e a mistura do material em torno do pino de giro e a translação da ferramenta move o material agitado da parte dianteira para a parte traseira do pino e finaliza o processo de soldagem. As elevadas taxas da rotação da ferramenta geram uma elevada temperatura devido ao aquecimento da fricção e conduzem a uma agitação da mistura mais intensa do material. Contudo, deve-se notar que o acoplamento da superfície da ferramenta de fricção com o objeto a soldar irá comandar o aquecimento. Assim, um aumento monótono no aquecimento com taxa crescente da rotação da ferramenta não é esperado porque o coeficiente da fricção na relação mudará com taxa crescente da rotação da ferramenta [15].
Além da taxa da rotação da ferramenta e a velocidade transversal, outro parâmetro de processo importante é o ângulo da inclinação do eixo ou da ferramenta no que diz respeito à superfície do objeto a soldar. Uma inclinação apropriada do eixo para o sentido de arrasto assegura-se de que o ombro da ferramenta assegure o material agitado pelo pino rosqueado e o pino faz o movimento eficientemente do material da parte dianteira à parte traseira. Mais, a profundidade da inserção do pino no objeto a soldar (igualmente chamado de profundidade do alvo) é importante para produzir soldas sadias. A profundidade da inserção do pino é associada com a altura do pino. Quando a profundidade da inserção é demasiadamente rasa, o
ombro da ferramenta não tem contato à superfície original do objeto a soldar. Assim, o ombro de giro não pode mover eficientemente o material agitado da parte dianteira para a parte traseira do pino, tendo por resultado a geração de soldas com sulco interno no canal da junta ou da superfície. Quando a profundidade da inserção é demasiadamente grande, o ombro da ferramenta mergulha no objeto a soldar causando rebarba excessiva. Neste caso, uma solda significativamente côncava é produzida [15].
Segundo Mishra et al. [15] pré-aquecer ou refrigerar pode ser importantes para alguns processos específicos do FSW. Para materiais com ponto de fusão alto como do aço e o titânio ou a alta condutividade do cobre, o calor produzido pela fricção e a agitação podem não ser suficientes para amaciar e plastificar o material em torno da ferramenta de giro. Assim, dificulta uma junção livre de defeitos. Nesses casos, pré-aquecer ou ter uma fonte de calor externa adicional podem ajudar o fluxo do material. Por outro lado, os materiais com ponto mais baixo de temperatura de fusão tal como o alumínio e o magnésio, refrigerar pode ser usado para reduzir o crescimento extensivo de grãos recristalizados e a dissolução de precipitantes em volta da zona agitada.
1.5.4. Projeto de Juntas
As mais convenientes configurações de juntas para o processo FSW são as juntas de topo e sobreposição. Uma junção de topo simples é mostrada na Figura 8a. Duas placas ou chapas com a mesma espessura são colocadas em uma placa de sustentação e fixadas firmemente para impedir que as juntas de topo encontradas estejam distante. Durante o mergulho inicial da ferramenta, as forças são razoavelmente grandes e o cuidado extra é exigido para assegurar-se de que as extremidades das placas não se separem. Uma ferramenta de giro é mergulhada na linha comum e atravessada ao longo desta linha quando o ombro da ferramenta está em contato com a superfície das placas, produzindo uma solda ao longo da linha de continuidade. Por outro lado, para uma junção de superposição simples, duas chapas sobrepostas são apertadas em uma placa de sustentação. Uma ferramenta de giro é mergulhada verticalmente através da placa superior e na placa mais baixa e atravessada ao longo do sentido desejado, juntando-se às duas chapas (Figura 8d). Muitas outras configurações podem ser produzidas pela combinação de junções de topo e sobreposição. Independentemente das configurações da junção de topo ou sobreposição, outros projetos de
juntas, tais como as junções em ângulo (Figura 8g), são possíveis e necessárias para algumas aplicações da engenharia [15].
É importante notar que nenhuma preparação especial é necessária para junções de topo ou sobreposição no processo de FSW [15]. Duas placas de metal limpas podem facilmente ser unidas sob a forma de junções de topo e sobreposição sem muitas preocupações sobre as condições de superfície das placas.
Figura 8 – Configuração de juntas para o processo de FSW: (a) junta topo, (b) topo em L, (c) topo em T, (d) sobreposição, (e) sobreposição múltipla, (f) sobreposição em T e (g) junta
filete
Fonte: Mishra et al. [15]
1.5.5. Propriedades Mecânicas
A caracterização das estruturas macro e micro gráficas dão pistas importantes sobre o comportamento mecânico, químico e elétrico do material. É comumente mencionado na literatura que o processo FSW pode produzir soldas de alto desempenho com propriedades muitas vezes iguais ou superiores às do metal base [21]. Entretanto esta é uma afirmação que depende fortemente das condições de soldagem (que devem ser otimizadas) e do tipo de material que se está soldando (inclusive tratamento térmico ou condições de deformação mecânica), e normalmente para fins de engenharia precisa ser considerada com cuidado e bastante atenção às particularidades de cada aplicação.
O perfil transversal de dureza das soldas FSW no regime permanente difere das soldas por fusão fundamentalmente por apresentarem a forma de um “W”, e não de “U” [26].
Na soldagem de ligas de alumínio recozidas, fundidas e forjadas a soldagem FSW geralmente não produz perdas nas propriedades do material em relação ao material base (na ausência de defeitos de soldagem). Na verdade, na região do núcleo da solda há algum
aumento de dureza e resistência devido ao trabalho mecânico a quente e consequentemente refinamento na estrutura granular, dispersão de compostos intermetálicos, quebra da estrutura dendrítica original e a reduzida probabilidade de formação de vazios [27]. Isso é confirmado pelo fato das falhas por tração, quanto a realização de testes, ocorrem no material base, bastante afastado da região da solda.
A Tabela 4 mostra uma comparação entre valores de resistência à ruptura para diversas ligas de alumínio na condição inicial e após soldado.
Tabela 4 – Propriedades mecânicas de amostras de alumínio soldadas por FSW
Fonte: Kallee, Nicholas et al. [28]
O trabalho de Russel [29], indica que a eficiência da junta pode variar consideravelmente dependendo dos parâmetros de soldagem, material base e ferramenta utilizados. Os maiores valores de eficiência da resistência ao escoamento em relação ao material base encontrados foram de até 105% para as ligas Al 2024-T4 e Al 5083-H11 em espessuras de 1.2mm e 6.4 respectivamente, enquanto os valores mais baixos foram cerca de 50% para a liga Al 7075-T7 com espessura de 25mm.
A mesma referência supramencionada, assim como outras [30, 31], revelam ainda que as soldas FSW apresentavam bom desempenho em relação à fadiga. Resultados comparáveis aos do metal base são indicados e desempenho igual ou superior ao atingido com soldas por fusão são repostados, com a vantagem de apresentarem menor dispersão estatística.
É interessante notar que em grande parte dos casos a condição inicial do material parece não influenciar a dureza da região soldada. Isto é, níveis de dureza no núcleo da solda são os mesmos tanto para um liga endurecida quanto para uma recozida [19]. A menor dureza
parece ocorrer a uma pequena distância do núcleo da solda e as falhas por torção costumam ocorrer nesta região.
1.5.6. Fluxo de Material e Assimetrias do Processo
É possível verificar que a solda realizada pelo processo FSW produz uma estrutura assimétrica em relação à linha da junta quanto à morfologia e propriedades mecânicas, conforme pode ser visto na Figura 9. Isso se dá devido à relação entre os movimentos de rotação e translação da ferramenta durante o processamento [19].
Figura 9 – Fotografia da superfície de uma solda FSW que dá indicações da assimetria intrínseca do processo por meio da diferença de quantidade de rebarbas nos lados da solda
Fonte: Daniel J.H. [18]
Essa característica da assimetria e outras condições de processo nas propriedades e morfologia da solda podem ser utilizadas para identificar o efeito que as variações impostas que o método tem na união soldada [32].
Alguns trabalhos que procuraram determinar as características do fluxo de material ao redor da ferramenta durante a soldagem mostraram que o material base plastificado abaixo do ombro e ao redor do pino da ferramenta flui de uma forma bastante assimétrica, especialmente nas camadas mais próximas a superfície da solda, devido a pronunciada influência da rotação do ombro [32].
Schmidt et al. [33] realizou um trabalho em que foram executadas soldas pelo processo FSW em juntas de topo com chapas de alumínio adjacentes entrepostas por um material marcados. A soldagem era iniciada e então subitamente interrompida, sendo a ferramenta de soldagem retirada e a porção de material contendo a solda incluindo o ponto de parada, submetida à tomografia computadorizada, ver Figura 10.
