Soldagem por atrito com pino não consumível de chapas finas do aço 1020 e da liga de alumínio 6063-T5

Edwar Andrés Torres López

Soldagem por atrito com pino não consumível

de chapas finas do aço 1020 e da liga de

alumínio 6063-T5

Materiais e Processos de Fabricação

Orientador: Antonio José Ramirez Londono

Campinas 2012

Tese apresentada ao Curso de Doutorado da Faculdade de Engenharia Mecânica da Universidade Estadual de Campinas, como requisito para a obtenção do título de Doutor em Engenharia Mecânica.

FICHA CATALOGRÁFICA ELABORADA PELA

BIBLIOTECA DA ÁREA DE ENGENHARIA E ARQUITETURA - BAE - UNICAMP

T636s

Torres López, Edwar Andrés

Soldagem por atrito com pino não consumível de chapas finas do aço 1020 e da liga de alumínio 6063-T5 / Edwar Andres Torres Lopez. --Campinas, SP: [s.n.], 2012.

Orientador: Antonio José Ramirez Londono. Tese de Doutorado - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica.

1. Recristalização. 2. Compostos intermetálicos. 3. Caracterização de materiais. I. Ramirez, Antonio Jose. II. Universidade Estadual de Campinas. Faculdade de Engenharia Mecânica. III. Título.

Título em Inglês: Friction stir welding of thin plates of steel 1020 and aluminum alloy 6063-T5

Palavras-chave em Inglês: Recrystallization, Intermetallic compounds, Materials characterization

Área de concentração: Materiais e Processos de Fabricação Titulação: Doutor em Engenharia Mecânica

Banca examinadora: Sergio Tonini Button, João Batista Fogagnolo, Sinésio Domingues Franco, Haroldo Cavalcante Pinto

Data da defesa: 27-02-2012

Foram seis anos no Brasil, podem ser mais, não sei. Esta foi minha casa, sempre acreditei nisso, pois foi tratado como tal. Por isso, dedico este trabalho às pessoas que, durante seis anos, me acompanharam, tanto aqui no Brasil quanto na Colômbia. São muitos os nomes que guardo com carinho. Porém, sempre estarão comigo e dedico este trabalho à minha Gordinha Viviana Torrres López, à minha família e ao Tiago Felipe, o membro mais recente da minha casa.

Agradecimentos

Em primeiro lugar, quero agradecer aos membros do Laboratório de Microscopia Eletrônica - LME, associado ao Laboratório Nacional de Nanotecnologia - LNNano, pelo apoio técnico e cientifico, pela paciência, pela companhia e pelo carinho oferecidos, especialmente por parte de meu amigo Fabiano Montoro.

Agradeço ao meu orientador, Professor Dr. Antonio Ramirez, pela confiança no meu trabalho e por me permitir a realização tanto do projeto de mestrado quanto do doutorado.

A Tahiana Hermenegildo, Eduardo Bertoni da Fonseca, Jimy Unfried e Johnnatan Rodríguez, e Victor Ferrinho pela força no desenvolvimento deste trabalho. À Hugo Sakai Idagawa pela valiosa colaboração na simulação computacional. A os sempre atenciosos técnicos da oficina mecânica.

Aos meus amigos colombianos e brasileiros; pelas muitas recordações, pelos convites, pelas conversas e pela companhia.

Com grande carinho para aqueles foram minha família em Campinas, Juan Carlos Agudelo, Rafael Tovar e Patrícia Lora.

À equipe de corrida da UNICAMP, conduzida por Tiago Russumanno e com especial carinho a minha japonesa preferida Jackeline Honda.

À Unicamp por me abrir as portas de suas salas tanto como aluno quanto como docente. Á FAPESP (Processo 2008/02832-5) pela concessão generosa da bolsa de doutorado. E ao Brasil, por me presentear com sua língua, sua musica e, em geral, com seu generoso e caloroso acolhimento.

São todos maus descobridores, os que pensam que não há terra quando conseguem ver apenas o mar.

Pois um homem acredita mais facilmente no que gostaria que fosse verdade

Resumo

TORRES, Edwar Andrés, Soldagem por atrito com pino não consumível de chapas finas de aço e

da liga de alumínio 6063-T5, Campinas: Faculdade de Engenharia Mecânica, Universidade

Estadual de Campinas, 2012. 184 p. Tese (Doutorado).

Neste trabalho foram realizadas juntas soldadas dissimilares de aço carbono AISI SAE 1020 e a liga de alumínio AA6063-T5, com 2 mm de espessura, empregando o processo de soldagem por atrito com pino não consumível (SAPNC). As juntas soldadas a topo foram realizadas empregando ferramenta de WC-14Co, com diâmetro de ombro e pino de 25,0 e 5,7 mm, respectivamente, e comprimento de pino de 1,35 mm. Foram empregadas velocidades de rotação e avanço de 300 RPM e 150 mm.min-1, respectivamente, para três deslocamentos da ferramenta: +0,5, +1,0 e +1,5 mm. A caracterização microestrutural foi realizada por meio de microscopia óptica e eletrônica de varredura e de transmissão, difração de elétrons retroespalhados (EBSD), espectrometria de raios X dispersiva em energia (X-EDS) e difração de raios X (DRX). Para relacionar os parâmetros de soldagem com a microestrutura das juntas soldadas, foram elaborados os perfis da história térmica durante a soldagem. Juntas soldadas consolidadas foram obtidas para deslocamentos tangenciais da ferramenta (DT) de +1,0 e +1,5 mm, sendo descartado o DT de +0,5 mm por resultarem em penetração heterogênea ao longo da junta. As juntas realizadas no presente trabalho podem ser consideradas como de baixo aporte térmico. Esta condição evitou a formação da denominada zona de menor dureza na zona termicamente afetada (ZTA) do lado do alumínio e de compostos intermetálicos AlxFey na

interface alumínio-aço. Na zona misturada, foram obtidas evidências da presença de dois mecanismos de recristalização dinâmica diferentes. No lado de avanço da zona misturada foi identificado o mecanismo de recristalização dinâmica geométrica, enquanto no lado de retrocesso o mecanismo ativo foi recristalização dinâmica continua.

Abstract

TORRES, Edwar Andrés, Friction stir welding of thin plates of steel and aluminum alloy

6063-T5, Campinas: School of Mechanical Engineering, University of Campinas, 2012. 184 p.

Theses (Doctorates).

In this work dissimilar AISI SAE 1020 mild steel and aluminum alloy AA6063-T5 joints, with 2 mm thickness, were friction stir welded (FSW). The welded joints were conducted employing WC-14Co tools, with shoulder and pin diameter of 25.0 and 5.7 mm respectively, and pin length of 1.35 mm. Rotation and weld speeds of 300 RPM and 150 mm.min-1 were employed, for three tool offsets: 0.5, 1.0 and 1.5 mm. The microstructural characterization was performed through optical, scanning and transmission electron microscopy, electron backscatter diffraction (EBSD), energy dispersive X-ray spectroscopy (X-EDS) and x-ray diffraction (DRX). In order to correlate the welding parameters with the final microstructure of the joints, thermal history profiles were collected during welding. Consolidated welded joints were obtained for tool offsets (DT) of +1.0 and +1.5 mm, being discarded the +0.5 mm offset by to produce heterogeneous penetration along the welded joint. The joints made in this work can be considered as low-heat input. This condition prevented the formation of the so-called low hardness zone in heat affected zone (HAZ) aluminum side, and the formation of intermetallic compounds AlxFey in the

aluminum-steel interface. In the stir zone evidences of the presence of two different dynamic recrystallization mechanisms were observed. In the advance side of the stir zone, the geometric dynamic recrystallization was identify as working mechanism, while in retreating side of the stir zone, the active mechanism is the so-called continuous dynamic recrystallization.

Lista de Ilustrações

Figura 3.1. a) Representação da ferramenta utilizada no processo de soldagem por atrito com pino. Adaptado de (MISHRA, 2005). b) Esquema do processo de soldagem por atrito com pino: lado de avanço (LA), lado de retrocesso (LR). Adaptado de (MOCHIZUKI, 2006). ... 5 Figura 3.2. Macrorregiões observadas em uma junta convencional soldada utilizando o processo

SAPNC. ... 6 Figura 3.3. Seção transversal de junta soldada por SAPNC da liga de alumínio 2519. a)

Imagem de microscopia óptica, b) mapa de dureza Vickers por microindentação, c) imagem sobreposta das figuras a e b (FONDA, 2004). ... 7 Figura 3.4. Mapa de orientação de imagem por figura de polo inversa evolução dos grãos e da

textura durante a soldagem por SAPNC em monocristal de alumínio (FONDA, 2007). ... 8 Figura 3.5. b) Ciclos térmicos de soldagem medidos utilizando termopares durante a soldagem

por SAPNC (SWAMINATHAN, 2010), a) representação da junta mostrando diferentes pontos para avaliação da evolução microestrutural (estado transitório). Adaptado de (J-Q SU, 2005). ... 9 Figura 3.6. a) Imagem de MEV da zona misturada produzida por SPAPNC na liga de alumínio

7075. b) Detalhe da microestrutura evidenciando a presença de películas fundidas, ponto A na imagem. (GERLICH, 2007). ... 10 Figura 3.7. Evolução microestrutural na liga fundida AZ91E-Mg durante SPAPNC. a) Seção

transversal da junta soldada, evidenciando as diferentes regiões, b) metal de base, c) fusão parcial, d) deformação e fusão parcial, e) trinca, f)-g) fusão parcial. Evolução da fusão parcial em diferentes pontos. h) Esquema da junta, i) diagrama de fase Al-Mg, j) fusão parcial no ponto P, k) fusão parcial no ponto Q, l) fusão parcial no ponto R (YANG, 2008). ... 11 Figura 3.8. Imagens da SAPNC da liga AA7050-T651. a) Arranjo celular de discordâncias na

ZTMA, b) recuperação dinâmica com formação de subgrãos. Figuras adaptadas de (J-Q SU, 2003). c) Mapa de orientação de imagem por figura de polo inversa da ZTMA em AA5251-H14, d) medida da fração e tamanho de subgrão na ZTMA (linha continua) e na zona misturada (linha tracejada). Figuras adaptadas de (ETTER, 2007). ... 15 Figura 3.9. Sequência de GDRX em alumino de alta pureza deformado a 5 x 10-4 s-1, 371 °C: a)

sem deformação, b) deformado 1,26; c) 4,05 e d) 16,3. e) Esquema da formação de CAA serrilhados e a junção dos extremos para a formação de novos grãos. Adaptado de Doherty (1997). ... 15

Figura 3.10. Mapas de orientação de imagem por figura de polo inversa da SAPNC de ferro puro evidenciando a) a mudança da microestrutural desde a ZTA até a ZM, com detalhes na b) ZTA, c) ZTMA e d) começo da ZM. Adaptado de Mironov (2009). ... 16 Figura 3.11. Mapas de orientação de imagem por figura de polo inversa em diferentes regiões da

junta obtida por SAPNC para: a) a liga AA5251-O e b) a liga AA5251-H14. Adaptado de Etter (2007). ... 17 Figura 3.12. a) Imagens de MET de amostras 1, 2 e 4 obtidas ao longo da zona misturada na liga

7075, evidenciando diferenças na forma e na densidade de defeitos. b) Grão super fino obtido na amostra 1. c) Grãos da amostra 1 exibindo a presença de discordâncias. d) Grãos da amostra 4, com claras evidências de recuperação. e) Grão de amostra 5 exibindo alta densidade de discordâncias. Adaptado de J-Q Su (2005). ... 19 Figura 3.13. Mapas de orientação de imagem por figura de polo inversa da SAPNC na liga

AA2129. a) Zona misturada, b) interface ZM/ZTMA do lado de retrocesso, c) ZTA (THREADGILL, 2009). ... 20 Figura 3.14. Distribuição de precipitados e dureza por microindentação (HV1,0/15) nas diferentes

regiões da junta. a) no MB, b) na ZTA+ZTMA, c) interface ZM/ZTMA, d) na ZM. Adaptado de Sato (1999). ... 22 Figura 3.15. Deslocamento da ferramenta (offset) a) positivo e b) negativo (WATANABE,

2006). O deslocamento é medido a partir da interface alumínio-aço (linha vermelha) e a tangente do pino, sendo positivo se o pino entra no aço e negativo se permanece no alumínio. ... 26 Figura 3.16. Relação entre o deslocamento da ferramenta e a resistência mecânica da junta

soldada aço (SS400) - alumínio (ADC12). a) A curva corresponde ao limite de ruptura (σf) de cada junta (pontos vermelhos) para os diferentes deslocamentos da ferramenta representados na figura b). (FUKUMOTO, 2004). ... 28 Figura 3.17. Relação entre os parâmetros de soldagem (velocidade de avanço e rotação) e o tipo

de fluxo de material produzido na zona misturada. Todas as condições correspondem aos parâmetros apresentados na Tabela 3.2 (YASUI, 2004). ... 29 Figura 3.18. Efeito combinado das velocidades de avanço e rotação na formação de defeitos na

soldagem da junta dissimilar S45C e 6063 obtidas por SAPNC (YASUI, 2004). .. 29 Figura 3.19. Relação entre limite de resistência à tração da junta com: a) espessura de CIM e b)

aporte térmico, empregando três ligas de alumínio 1100, 5250 e 7075. Os símbolos vazios correspondem a juntas soldadas que fraturaram na interface alumínio-aço, enquanto os símbolos cheios indicam as amostras que fraturaram no lado do alumínio (TANAKA, 2010). ... 30 Figura 3.20. Mapas de orientação de imagem por figura de polo inversa da seção transversal da

corresponde à intensidade do fluxo de material. Os números (1-5) correspondem às diferentes regiões na junta (COELHO, 2008). ... 31 Figura 3.21. Imagem de MEV dos locais preferenciais para a formação de CIM em juntas

dissimilares alumínio-aço. a) Rebarba de aço entrando no alumínio onde os números indicam o valor de dureza HV por microindentação; b) detalhe da figura anterior exibindo a camada de CIM e duas medidas de composição química para alumínio e ferro, indicados nos pontos C e D, sendo que em C os teores são 98,6 % de Al, 1,4 % de Fe; enquanto em D os teores medidos são 65,7 % de Al, 28,8 % de Fe (LIYANAGE, 2009). ... 32 Figura 3.22. Diagrama de equilibro de fases Al-Fe. ... 34 Figura 3.23. Imagens de CIM em soldagem por difusão formados a 550 °C e pressão de 31,5

MPa com tempo de a) 100 s e b) 3600 s. c) Imagem da interface com presença dos CIM Al5Fe2 e Al3Fe; as setas vermelhas indicam regiões ricas em ferro típicas na formação de Al5Fe2. d) Esquema do estado inicial e final da sequência da formação dos CIM. Adaptado de Rathod (2004). ... 36 Figura 3.24. a) Imagem no modo STEM de interface alumínio-aço soldada usando GMAW-CTM. b) Esquema das fases presentes: grãos trapezoidais de Al5Fe2 e grãos elípticos de Al3Fe com alta densidade de micromaclas; as setas vermelhas correspondem a locais de baixa difusão de átomos de alumínio, semelhante ao apresentado na Figura 3.23d. Adaptado de Agudo (2007). ... 38 Figura 4.1. a) Equipamento para soldagem FSW, b) ferramenta de WC-14Co e com o anel para

medida de temperatura, c) apoio (backing) com depósito cerâmico. ... 41 Figura 4.2. a) Esquema da montagem da junta - adaptado de (YASUI, 2004). b)

Posicionamento da ferramenta para determinação do deslocamento real (DR) e tangente (DT). As setas vermelhas e os sinais positivo e negativo indicam a posição da ferramenta com respeito à linha da junta. ... 42 Figura 4.3. Montagem para medida de temperatura: a) Vista superior das chapas de alumínio e

aço fixas na montagem; b) localização dos termopares na chapa de apoio; c) esquema da seção transversal da montagem (perpendicular à linha da junta), d) Tabela com a distância do termopar à linha da junta, sendo que valor negativo indica que o termopar está inserido no lado do alumínio. ... 44 Figura 4.4. Montagem para medida de temperatura durante a soldagem empregando o sistema

de aquisição da máquina de SAPNC (SAM) e o sistema de aquisição externo (SAE). ... 45 Figura 4.5. a) Geometria do corpo de prova e b) esquema da junta soldada e a posição de

extração das miniamostras transversais, para a realização de testes de tração. ... 46 Figura 4.6. a) Esquema da SAPNC da junta dissimilar e b) seções das amostras para a

frontal e a topo correspondem as posições de corte das amostras. ... 47 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. ... 50 Figura 5.1. a) Estado final das ferramentas com aderência de alumínio, b) diferenças no

acabamento da superfície, indicando possível fusão durante a soldagem de juntas a usando parâmetros de soldagem de 900 RPM, 200 mm.min-1 e DT de 0,5 mm. ... 51 Figura 5.2. a) Superfícies de soldagem, testes de dobramento e macrografias da seção

transversal de juntas soldadas preliminares para três condições. O estado das superfícies também pode ser comparado com a rugosidade Ra. b) Esquema do efeito da penetração do pino e o DT na área de contato e penetração atingida durante a soldagem. c) Curva de penetração da ferramenta; o quadro vermelho indica aderência e posterior desprendimento de alumínio na ferramenta; como o DT foi mudado durante a soldagem a cada 150 mm, no local da mudança são formados picos aparentes de penetração indicados pelas setas vermelhas. As linhas tracejadas tanto nas macrografias como no esquema correspondem à linha original da junta. 52 Figura 5.3. a)-b) Imagens das superfícies de soldagem c)-d) gráficos de força axial (vermelho)

e profundidade do pino (azul) e valores calculados de AT e o valor de rugosidade (Ra) para DT de -0,2; 0,0 e +0,2 mm. ... 54 Figura 5.4. Junta dissimilar alumínio-aço de chapas com 2,0 mm de espessura soldada

mediante SAPNC, empregando PF 1,8 mm, DT -0,3; +0,5, +1,3; +2,0 mm, e chapa de apoio de alumínio. A linha tracejada (verde) corresponde à linha original da junta, a linha de centro (azul) ao eixo da ferramenta, a pontilhada (laranja) ao deslocamento da ferramenta, e a vermelha a profundidade da soldagem. ... 56 Figura 5.5. Aspecto da superfície, da raiz e testes de dobramento das juntas sem defeitos

soldadas com deslocamentos de: a) +0,5; b) +1,0; c) +1,5 mm. ... 57 Figura 5.6. Imagens do teste de líquido penetrantes para determinar o efeito do modo de

soldagem no estado final da junta. a) Junta soldada com controle de força a 22 kN, b) junta soldada com controle de posição a 1,6 mm. ... 58 Figura 5.7. Aspecto superficial e curvas de força em Z (Fz) e penetração da ferramenta (PF)

para as juntas finais soldadas usando parâmetros de 300 RPM, 150 mm.min-1, controle de posição com penetração de 1,6 mm e deslocamentos de a) +0,5, b) +1,0 e c) +1,5 mm. ... 59 Figura 5.8. Medidas de temperatura registrada pelo sistema SAE e pela máquina de soldagem

(SAM), durante a soldagem de junta com DT de +1,5 mm. Os números dentro dos parênteses (na tabela) correspondem ao número do termopar na montagem ilustrada na Figura 4.3. ... 60 Figura 5.9. Comparação da temperatura máxima medida em diferentes regiões da junta

e +1,5 mm. ... 61 Figura 5.10. a) Imagem durante o processo de soldagem das juntas alumínio-aço por SAPNC

com 300 RPM e 150 mm.min-1; distribuição de temperatura durante a soldagem com DT de b) +0,5 e c) +1,5 mm. ... 62 Figura 5.11. Comparação da temperatura máxima e da taxa de aquecimento medida na ZM das

juntas soldadas usando 300 RPM, 150 mm.min-1 e deslocamento de +0,5 e +1,5 mm. ... 63 Figura 5.12. a) Resultados dos testes de tração na direção transversal na liga 6063 e nas juntas

soldadas com DT de +0,5, +1,0 e +1,5 mm; b) imagens da raiz das amostras transversais fraturadas, sendo a linha vermelha a linha da junta. ... 64 Figura 5.13. a) Fratura das amostras evidenciando falta de redução de área na seção transversal.

b) Superfície de fratura de junta soldada com DT +1,5 mm evidenciando como a deformação acontece no alumínio, entanto que o aço permanece inalterado. ... 65 Figura 6.1. Estrutura do aço AISI SAE 1020. a) Imagem de MO da microestrutura na direção

de laminação sendo que a fase clara corresponde à fase  (ferrita) e a escura ao microconstituinte perlita. b) Imagem de MEV de uma colônia de perlita sendo possível diferenciar claramente em c) cada constituinte. ... 66 Figura 6.2. Microestrutura da liga de alumínio 6063-T5. a) Micrografias obtidas por MO

evidenciando a matriz αAl com precipitados. b)-c) Imagens de MEV por elétrons secundários mostrando, em detalhe, as partículas de segunda fase. ... 66 Figura 6.3. Metal de base da liga 6063-T5. a) Amostra de lâmina fina (MET) observada no

MEV, Imagem de elétrons secundários. b) Espectro de X-EDS e composição química do bastonete, c) difratograma da liga 6063-T5 obtido mediante luz síncrotron para identificação das fases, sendo que os planos das fases α e  correspondem à matriz de alumínio e a precipitado AlFeSi, respectivamente. ... 67 Figura 6.4. Identificação de precipitados AlFeSi por meio de MET. a) imagem do precipitado e

b) padrão de difração da fase AlFeSi orientada no eixo de zona [331]. c) Imagem de campo claro e d) campo escuro da matriz orientada na direção [100] mostrando a presença dos precipitados Mg2Si (β’ e β”). ... 68 Figura 6.5. Identificação dos precipitados Mg2Si na liga 6063 por meio de MET. a) Imagem de

dois grãos da matriz um deles orientado na direção [100] tornando visíveis os precipitados do tipo  no contorno de grão, assim como a formação da zona livre de precipitados (ZLP). b) Detalhe do precipitado Mg2Si no contorno de grão. ... 68 Figura 6.6. Macrografias das juntas finais soldadas usando 300 RPM, 150 mm.min-1 com

deslocamento de a) +0,5; b) +1,0 e c) +1,5 mm. A linha tracejada (verde) corresponde à linha original da junta, a linha de centro (azul) ao eixo da ferramenta e a linha pontilhada (laranja) ao DT. ... 69

Figura 6.7. Mapas de dureza HV0,2/15 por microindentação nas juntas soldadas correspondentes a DT de a) +0,5, b) +1,5 mm. As linhas verde, azul e laranja, correspondem à linha original da junta, ao eixo da ferramenta e ao DT, respectivamente. A linha pontilhada vermelha indica a posição de onde foram extraídos os dados para a construção do perfil de durezas da Figura 6.8b. Detalhe do mapa de dureza com escala diferente para realçar o contraste das regiões: para a junta com c) DT +0,5, d) +1,5 mm. ... 70 Figura 6.8. a) Perfil de dureza HV0,2/15 para as juntas soldadas finais obtidas no meio da

espessura. No detalhe, o gráfico da dureza entre a ZTA e a ZM. b) Perfil de dureza HV1,0/15) obtido por Sato (1999); no destaque a zona de menor dureza (ZMD) na junta. ... 71 Figura 6.9. a) Macrografia da seção transversal de junta final soldada com deslocamento de

+0,5 mm, onde as linhas verde, azul e laranja, correspondem à linha original da junta, ao eixo da ferramenta e ao DT, respectivamente. Sequência de imagens obtidas por MO e MEV (elétrons secundários) da b) ZTA, c) ZTMA e d) ZM. Os vazios nas imagens de MEV correspondem a locais onde ouve dissolução do precipitados βAlFeSi devido ao ataque químico com HF. ... 72 Figura 6.10. a) Macrografia da seção transversal de junta final soldada com deslocamento de

+1,5 mm, onde as linhas verde, azul e laranja, correspondem à linha original da junta, ao eixo da ferramenta e ao DT, respectivamente. Sequência de imagens obtidas por MO e MEV (elétrons secundários) da b) ZTA, c) ZTMA e d) ZM. ... 73 Figura 6.11. Mapas de orientação de imagem por ângulos de Euler da ZTAAl em duas regiões na

junta: a) a 1,4 mm e b) a 1,0 mm do topo da junta. As imagens revelam a diferença no tamanho de grão entre ambas as regiões. ... 74 Figura 6.12. a) Medida de tamanho de grão no metal de base AA6063 e na ZTAAl das juntas

finais soldadas por meio de SAPNC para deslocamento da ferramenta (DT) de +0,5, +1,0 e +1,5 mm. b) Ciclos térmicos medidos na ZTA com o cálculo da diferença de temperatura (T) e o tempo a alta temperatura (tA), para as condições de soldagem de DT igual a +0,5 e +1,5 mm. ... 75 Figura 6.13. Imagens de campo claro de MET da zona termicamente afetada a) confirmando a

presença dos precipitados ” e ’ na matriz e b) imagem de alta resolução do precipitado  no contorno de subgrão. ... 76 Figura 6.14. a) Mapa de orientação de imagem por ângulos de Euler (AE) da transição entre a

ZTA e a ZTMA, evidenciando grãos parcial e completamente alongados. Mapas de orientação de imagem por figura de polo inversa da ZTMAAl: b) região de grãos deformados perto da ZTA, c) região intermediária com grãos deformados e recristalizados, c) região na interface com a ZM com grãos recristalizados. ... 77 Figura 6.15. Imagens da zona termomecanicamente afetada do lado do alumínio a) grãos

locais com dissolução dos precipitados βAlFeSi; b) imagens de MET da matriz, evidenciando a ausência de todos os precipitados ” e ’; c) imagem da alta densidade de discordâncias e sua aglomeração em forma de nós; d) eliminação da zona livre de precipitados (ZLP), e) acúmulo de discordâncias nos contornos de grão e presença da fase . ... 78 Figura 6.16. a) Mapas de orientação de imagem por figura de polo inversa na zona misturada

obtida por EBSD acoplado ao MEV-FEG. b) Medida do tamanho de grão na ZM. Distribuição dos grãos na ZM: c) perto da interface alumínio-aço, d) no centro da ZM. ... 79 Figura 6.17. Imagens de MET da zona misturada, perto da interface alumínio-aço. a) Grãos com

diferenças significativas no tamanho e na densidade de discordâncias. b) Grãos com alta densidade de discordâncias evidenciando deformação após a recristalização. . 80 Figura 6.18. a) Grãos micrométricos na ZM com baixo número de discordâncias indicando

recristalização total nesta região, b) grão micrométrico com baixo número de discordâncias, e c) formação de contornos de subgrão pelo acúmulo de discordâncias de linha. ... 81 Figura 6.19. Imagens de MET na condição de dois feixes para identificação de discordâncias nos

grãos da ZM perto da ZTMAAl. a)-b) Grãos com baixo número de discordâncias indicando recristalização total nesta região, e c) formação de contornos de subgrão pelo acúmulo de discordâncias de linha. ... 81 Figura 6.20. a) Precipitado AlFeSi observado próximo à interface alumínio-aço, b) grão

micrométrico com baixa densidade de discordâncias e presencia esporádica de Mg2Si (fase β). ... 82 Figura 6.21. Medidas de composição química nas interfaces alumínio-aço mediante X-EDS,

usando 20 kV, sendo avaliada a distribuição de Al, Fe, Si para as condições de soldagem com a) DT +0,5 e b) DT +1,5 mm. ... 83 Figura 6.22. Perfis de composição química nas interfaces alumínio-aço obtidas mediante X-EDS, sendo avaliadas a distribuição de Al (azul) e Fe (vermelho) nas juntas a) com DT de +0,5 e b) com DT de +1,5. ... 84 Figura 6.23. Esquema explicativo da convolução entre o volume de interação do feixe de

elétrons e o perfil real da composição química, modificado de Ganguly (1988). ... 84 Figura 6.24. a)-c) Sequência de imagens da simulação do volume de interação com feixe a 20

kV, amostra alumínio-aço, a -300, 0, e 300 nm da interface. A linha azul indica o volume para elétrons com 25 % da energia do feixe, a vermelha, 10 %, e a verde, 5 %. d) Curvas do diâmetro do volume de interação com a distância à interface para três níveis de energia dos elétrons: 5, 10 e 25 % da energia do feixe. ... 85 Figura 6.25. Curva da distância difundida de ferro no alumínio usando a segunda lei de Fick para

tempo durante o qual a junta permanece acima de 150 °C durante o processo de soldagem. ... 87 Figura 6.26. Espectro de difração de raios X (DRX) medidos na interface alumínio-aço para as

condições de soldagem com DT a) +0,5 e b) +1,5 mm. A fase  corresponde a Fe3C (cementita). ... 88 Figura 6.27. a)-b) Imagens de MET da microestrutura e os padrões de difração na interface

alumínio-aço para as condições de soldagem com DT a) +0,5 e b) +1,5 mm. ... 89 Figura 6.28. Diferentes regiões na junta soldada do lado do aço. a) ZTMA com deformação

severa da estrutura, b) região adjacente à ZTMA que corresponderia à ZTA, c) metal de base com cementita contornando os grãos ferríticos. ... 90 Figura 6.29. a) Imagem de MEV de grãos equiaxiais micrométricos na interface alumínio-aço, b)

imagem de MET da interface apresentando os grãos recristalizados identificados como ferrita pelo padrão de difração de elétrons apresentado na figura c). ... 91 Figura 6.30. Sequência de imagens de MET da interface alumínio-aço mostrando grãos de ferrita

a) deformados com alta densidade de defeitos, b) grãos recristalizados. ... 91 Figura 6.31. a) Imagens de MEV da ZTMA do lado de aço, b) estrutura fina na interface, c)

estrutura fina contornando a cementita (Fe3C) altamente deformada. ... 92 Figura 6.32. a) Micrografia obtida por MEV da região considerada como a ZTAAço típica, b)

medida do tamanho de grão ferritico para o MBAço e a ZTAAço nas condições de +0,5; +1,0 e +1,5 mm de deslocamento da ferramenta (DT). Os valores do gráfico podem ser observados na tabela na parte inferior, sendo que TG e σ correspondem ao tamanho de grão médio e o desvio padrão, respectivamente. ... 92 Figura 6.33. Macrografias a topo das juntas finais com deslocamento de a) +0,5; b) +1,0 e c)

+1,5 mm. Os quadros em amarelo mostram a formação de vórtices, evidenciados pelos fragmentos de aço. ... 94 Figura 6.34. Medidas da quantidade e da área dos fragmentos de aço depositados na parte

superior da ZM, para as juntas finais mostradas na Figura 6.33. ... 95 Figura 6.35. Distribuição dos fragmentos de aço na ZM em juntas soldadas com DT a) +0,5 e b)

+1,5 mm. As imagens foram obtidas com amostras a topo polidas a 0,5; 1,0 e 1,5 mm de profundidade da superfície da junta. ... 95 Figura 6.36. Imagens de MEV da junta final soldada com DT de +1,5 mm. a) Formação de

protuberâncias na interface, b) ingresso de alumínio no aço e c) abertura de trincas e separação da protuberância. ... 96 Figura 6.37. Diagrama pseudobinário para a liga 6063 em função dos teores de a) Fe e b) Mg. A

linha pontilhada indica o conteúdo de Fe e Mg da liga 6063 estudada. ... 97 Figura 6.38. Ciclos térmicos medidos (linhas vermelhas) e calculados por meio de elementos

finitos (linha azul) para DT a) +0,5 e b) 1,5 mm. ... 98 Figura 6.39. Simulação por elementos finitos da distribuição de temperatura na seção transversal

das juntas finais soldadas com deslocamento tangente de a) +0,5 e b) +1,5 mm. A linha de centro azul corresponde ao eixo da ferramenta, enquanto a linha verde tracejada indica a interface alumínio-aço. A distância entre elas corresponde ao deslocamento real (DR). ... 99 Figura 6.40. Simulação por elementos finitos da distribuição da temperatura na superfície das

juntas finais soldadas com deslocamento tangente de a) +0,5 e b) +1,5 mm. A linha tracejada corresponde à linha original da junta. ... 100 Figura 6.41. Imagens de MEV das amostras testadas usando o simulador termomecânico

Gleeble®, com valores de temperatura máxima e taxa de aquecimento de: a) 400 °C e 200 °C.s-1, b) 500 °C e 580 °C.s-1; com tempo de permanência a alta temperatura de 2 s. Imagens obtidas da amostra sem ataque químico. ... 101 Figura 7.1. Relação do Ps (/) com os parâmetros de soldagem das juntas finais e alguns dos

parâmetros usados por outros autores (ver Tabela 3.3). ... 105 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). ... 110 Figura 7.3. Superposição das macrografias e dos mapas de distribuição de temperatura nas

juntas soldadas, usando 300 RPM, 150 mm.min-1 e DT de a) +0,5 e b) +1,5 mm. As linhas tracejadas e de centro correspondem à linha original da junta e o eixo da ferramenta, respectivamente. ... 113 Figura 7.4. a) Amostras de tração de juntas alumínio-aço evidenciando a fratura na ZTAAl, b)

perfis de microdureza na junta soldada para o mesmo sistema. Os detalhes da soldagem são descritos na Tabela 3.3. Imagens adaptadas de Fukumoto (2004). . 114 Figura 7.5. Representação da sequência de precipitação nas diferentes regiões na junta durante

a soldagem por SAPNC. Adaptado de Sato (1999). ... 116 Figura 7.6. Mapas de orientação de qualidade de imagem da distribuição de CAA em preto

(>15°) e CBA em marrom (5-15°) em diferentes regiões da junta soldada. a) Imagens da zona misturada, b) macrografia da junta soldada com DT + 1,5 mm, c) evolução da microestrutura desde a ZTAAl até a ZM. ... 120 Figura 7.7. a) Distribuição dos diferentes tipos de contornos de grão para as regiões

apresentadas na Figura 7.6, sendo que os eixos verticais correspondem à frequência de distribuição de CBA e CAA (eixo vermelho). b) Distribuição de tamanho de grão para as mesmas regiões. ... 121 Figura 7.8. a) Imagem de MO da zona misturada perto da interface alumínio-aço; b) imagem de

MEV da estrutura de bandas observada nessa região da junta. c) Imagem de MO da raiz da junta exibindo a alta deformação dos grãos de alumínio na interface com o aço; d) detalhe da figura anterior obtida por MEV apresentando grãos alongados com CAA com aspecto serrilhado. ... 123 Figura 7.9. Sequência de formação da ZALR e a ZALA segundo as condições termomecânicas de

cada região e os mecanismos de recristalização dinâmica ativados. ... 124 Figura 7.10. Compostos intermetálicos formados na SAPNC de juntas alumínio-aço. CIM

identificado como: a) Al5Fe2 (CHEN, 2004), b) Al4Fe (LEE, 2006). ... 125 Figura 7.11. a) Ciclos térmicos medidos no alumínio e no aço a 4,5 e 3,5 mm da linha da junta,

respectivamente. b) Simulação da distribuição de temperatura máxima na junta para DT 1,0 mm. Adaptado de Chen (2004). ... 126 Figura 7.12. Juntas alumínio-aço obtidas por SAPNC. Imagens da junta de maior AT: a) no topo

da junta, com presença de CIM espessa; b) na raiz da junta, com uma camada fina de CIM. Imagens da junta de menor AT: c) imagem de MEV da interface aparentemente livre de CIM, d) imagem de MET da mesma amostra com presença de uma camada fina e heterogênea de CIM. Imagens adaptadas de Girard (2010). ... 127 Figura 7.13. Microestrutura na interface alumínio-aço após soldagem mediante MIG

empregando três velocidades de soldagem diferentes: a) 200, b) 400 e c) 600 mm.min-1. Adaptado de Murakami (2003). ... 128 Figura 7.14. Curva (com detalhe) da relação entre a espessura do CIM e a temperatura, calculada

por meio da equação definida por Nicholas (1982) em juntas alumínio-aço soldadas por difusão empregando pressão de 50 MPa por 30 min. ... 129 Figura 7.15. a) Evidência de fusão parcial do alumínio em junta soldada AA7075-7451 obtida

por SAPNC. Adaptado de Threadgill (2009). b) Formação de filme e eutético pela liquação dos precipitados Al2CuMg da liga 2024. Adaptado de Gerlich (2011)... 131

Lista de Tabelas

Tabela 3.1. Informação dos precipitados típicos presentes nas ligas de alumínio da família 6XXX (WARMUZEK, 2004; ZHANG 2010). ... 21 Tabela 3.2. Relação entre os parâmetros de soldagem e o tipo de fluxo de material durante a

SAPNC de juntas alumínio-aço (YASUI, 2004). ... 29 Tabela 3.3. Diferentes parâmetros empregados para a soldagem em juntas dissimilares alumínio-aço. ... 33 Tabela 4.1. Composição química da liga de alumínio 6063-T5 medida mediante ICP-OES e o aço

AISI SAE 1020. ... 40 Tabela 4.2. Parâmetros de soldagem AA 6063 - aço 1020 para a soldagem nas diferentes etapas. ... 43 Tabela 4.3. Parâmetros para simulação da história térmica e distribuição da temperatura durante

a SAPNC de juntas alumínio-aço (IDAGAWA, 2011). ... 49 Tabela 5.1. Relação entre aporte térmico com o deslocamento tangente (DT), a penetração da

ferramenta (PF) e o aspecto das juntas soldadas. ... 53 Tabela 5.2. Parâmetros de soldagem, condições na junta soldada, na ferramenta e no processo

durante a SAPNC de juntas dissimilares alumínio-aço em chapas de 2,0 mm de espessura. ... 55 Tabela 5.3. Resumo dos parâmetros de soldagem e resultados obtidos nas juntas finais da

SAPNC das juntas alumínio-aço em chapas de 2,0 mm de espessura. ... 60 Tabela 5.4. Resultados das medidas de temperatura durante a SAPNC em juntas alumínio-aço

para duas condições de soldagem: DT de +0,5 e +1,5 mm. ... 63 Tabela 5.5. Relação entre a resistência e a deformação com base no metal de base, para as

juntas soldadas neste projeto, por Fukumoto (2004) e por Sato (2001). ... 64 Tabela 6.1. Resultados da contribuição da deformação na geração de calor na junta durante a

soldagem, e o calor gerado pelo aço e pelo alumínio. ... 98 Tabela 7.1. Tamanho de grão médio nas diferentes regiões da junta apresentadas na Figura 7.6,

Lista de Abreviaturas e Siglas

Letras Latinas Unidades

A1 - Temperatura de austenitização [°C]

As - Área de contato [mm2]

AT - Aporte térmico [J.mm-1]

AlxFey - composto intermetálico da família alumínio-ferro

C - Composição química [%p]

D - Coeficiente de difusão [mm2.s-1]

d - Distância difundida [µm]

DF - Deslocamento da ferramenta [mm]

DT - Deslocamento tangente da ferramenta [mm]

DR - Deslocamento real da ferramenta [mm]

EFE - Energia de falha de empilhamento [mJ.m-2]

FZ - Força normal [N]

HV - Dureza Vickers [HV]

K - Termopar tipo Chromel /Alumel

Lc - Largura do cordão de solda [mm]

P - Potência térmica [W] PE - Penetração efetiva [mm] PF - Penetração da ferramenta [mm] Ps - Passo [mm.rev-1] q - Potência térmica [W] r - Raio da ferramenta [mm] Ra - Rugosidade média [µm]

t - Tempo à alta temperatura [s]

T - Torque [N.m] TA - Taxa de aquecimento [°C.s-1] tA - Tempo acima de 150 °C [s] TG - Tamanho de grão [µm] Tmáx - Temperatura máxima [°C] TR - Taxa de resfriamento [°C.s-1]

X - Espessura da camada de composto intermetálico [µm]

Letras Gregas

α - Fase cúbica de corpo centrado (Ferrita, para o ferro)

αAlFeSi - Precipitado metaestável do tipo AlFeSi com estrutura hexagonal β” - Precipitado do tipo Mg2Si com estrutura monoclínica

β’ - Precipitado do tipo Mg2Si com estrutura hexagonal

β - Precipitado mais estável do tipo Mg2Si com estrutura cúbica βAlFeSi - Precipitado do tipo AlFeSi com estrutura monoclínica γ - Fase cúbica de face centrada (Austenita, para o ferro)

∆T - Diferença de temperatura [°C]

t8-5 - Tempo de resfriamento de 800 para 500 °C [s]

δ - Fator de escorregamento/adesão (slip/stick factor)

 - Taxa de deformação [s-1]

ε - Deformação [%]

 - Fase Zeta Al2Fe

 - Fase Eta Al5Fe2

 - Fase Theta Al3Fe

σLRT - Limite de resistência à tração [N.m-2]

τ - Tensão limite de resistência ao cisalhamento [N.m-2] µ - Coeficiente de atrito

 - Velocidade de avanço [mm.mim-1]

 - Velocidade de rotação [RPM]

Subscritos

x - Número de átomos de alumínio y - Número de átomos de ferro

Al - Referente ao lado da junta ou ao alumínio Aço - Referente ao lado do aço na junta

Fe - Referente ao ferro Sim - Simulação

Ex - Externo

Abreviações

AA - Aluminum alloy

CIM - Compostos intermetálicos

CDRX - Recristalização dinâmica continua (Continuous Dynamic Recrystallization)

CMT - Transferência por curto-circuito (Cold Metal Transfer)

DDRX - Recristalização dinâmica descontinua (Discontinuous Dynamic Recrystallization)

DRX - Difração de raios X (X-Ray Difraction)

CAA - Contornos de alto ângulo

CBA - Contornos de baixo ângulo

EBSD - Difração de elétrons retroespalhados (Electron Backscatter Difraction)

FSW - Friction Stir Welding

FSP - Friction Stir Processing

FCAW - Soldagem com arame tubular (Flux-cored arc welding)

GDRX - Recristalização dinâmica geométrica (Geometric Dynamic Recrystallization)

GMAW - Soldagem por arco elétrico com proteção gasosa (Gas Metal Arc Welding)

GP - Zonas Guinier-Preston

ICP-OES - Espectrometria de emissão óptica com plasma indutivamente acoplado L - Fase líquida

LR - Lado de retrocesso

MB - Metal de base

MET - Microscopia eletrônica de transmissão

MEV - Microscopia eletrônica de varredura

MO - Microscopia óptica

PAPNC - Processamento por atrito com pino não consumível

SAE - Sistema de aquisição de dados externo

SAM - Sistema de aquisição de dados da máquina de SAPNC

SAPNC - Soldagem por atrito com pino não consumível

T5 - Tratamento térmico de ligas de alumínio para envelhecimento artificial

X-EDS - Espectrometria de raios X dispersiva em energia (Energy Dispersive X-Ray)

ZMD - Zona de menor dureza (Low hardness zone)

ZM - Zona misturada

ZTA - Zona termicamente afetada

ZTMA - Zona termomecanicamente afetada

Siglas

AWS - American Welding Society

AISI - American Iron and Steel Institute

LNLS - Laboratório Nacional de Luz Síncrotron

LNNano - Laboratório Nacional de Nanotecnologia

SUMÁRIO

Resumo ... vii Abstract ... viii Lista de Ilustrações ... ix Lista de Tabelas ... xix Lista de Abreviaturas e Siglas ... xx 1 Introdução ... 1 1.1 Considerações iniciais ... 1 1.2 Motivação ... 2 2 Objetivos e metas ... 4 2.1 Objetivo ... 4 2.2 Metas ... 4 3 Revisão bibliográfica ... 5 3.1 Soldagem por Atrito com Pino não Consumível ou SAPNC ... 5 3.1.1 Evolução microestrutural durante a soldagem por SAPNC ...7 3.1.2 Microfusão durante a soldagem por SAPNC ...9 3.1.3 Defeitos e tensões residuais ...12 3.2 Recuperação e recristalização na SAPNC ... 13 3.2.1 Conceitos sobre recristalização ...13 3.2.2 Mecanismos de restauração nas diferentes zonas da junta ...16 3.2.3 Recristalização dinâmica na zona misturada ...18 3.3 Características e SAPNC da liga de alumínio 6063 ... 20 3.3.1 Microestrutura da liga 6063...20 3.3.2 SAPNC da liga 6063 ...21 3.4 SAPNC de aços ... 23 3.5 Soldagem por SAPNC em juntas dissimilares ... 25 3.6 Soldagem por SAPNC em juntas dissimilares alumínio-aço ... 27 3.7 Mecanismos para a formação de CIM no sistema alumínio-aço ... 34 3.7.1 Formação de CIM em estado sólido ...35 3.7.2 Formação de CIM a partir do líquido ...37 3.8 Pesquisa em soldagem por atrito com pino no Brasil. ... 39 4 Materiais e procedimento experimental ... 40

4.1 Desenvolvimento de parâmetros de soldagem ... 40 4.1.1 Materiais ...40 4.1.2 Realização de juntas soldadas ...41 4.1.3 Seleção de parâmetro e execução das juntas soldadas ...43 4.1.4 Medidas de temperatura ...44 4.1.5 Propriedades mecânicas na junta soldada...45 4.2 Efeito do processo de soldagem na microestrutura das juntas ... 46 4.2.1 Caracterização microestrutural ...46 4.2.2 Simulação computacional ...48 5 Resultados do processo de soldagem ... 51 5.1 Soldagem das juntas preliminares ... 51 5.2 Soldagem das juntas sem defeitos ... 55 5.3 Soldagem das juntas finais ... 58 5.4 História térmica ... 60 5.5 Propriedades mecânicas das juntas soldadas ... 63 6 Resultados da caracterização microestrutural ... 66 6.1 Caracterização microestrutural do metal de base ... 66 6.2 Macroestrutura das juntas soldadas ... 69 6.3 Caracterização microestrutural das juntas soldadas ... 71 6.3.1 Microestrutura na zona termicamente afetada do alumínio ...74 6.3.2 Microestrutura da zona termomecânicamente afetada do alumínio ...76 6.3.3 Microestrutura na Zona Misturada ...79 6.3.4 Interface alumínio-aço ...82 6.3.5 Microestrutura do lado do aço ...89 6.4 Fluxo de material ... 93 6.5 Resultados de Simulação ... 97 6.5.1 Simulação termodinâmica da liga 6063 ...97 6.5.2 Simulação computacional da história térmica ...97 6.5.3 Simulação térmica do processo de soldagem ...101 7 Discussão ... 103 7.1 Soldagem de juntas consolidadas alumínio-aço ... 103 7.1.1 Relação entre aporte térmico e os parâmetros de soldagem ...103 7.1.2 Aporte energético e soldabilidade das juntas alumínio-aço ...105 7.1.3 Aporte energético e história térmica ...108 7.1.4 Considerações finais para a SAPNC de juntas alumínio-aço de chapas finas ...111 7.2 Relação entre os parâmetros de soldagem, história térmica, microestrutura e

desempenho da junta soldada ... 112 7.2.1 Microestrutura, história térmica e resistência mecânica das juntas ...113 7.2.2 Recuperação e recristalização nas juntas soldadas ...119 7.2.3 Estudo da interface alumínio-aço e a ausência de compostos intermetálicos ...125

8 Conclusões ... 135 8.1 Desenvolvimento de parâmetros para a obtenção de juntas soldadas consolidadas ... 135 8.2 Caracterização microestrutural ... 136 9 Trabalhos futuros ... 138 Referências ... 139

1 INTRODUÇÃO

1.1 Considerações iniciais

O consumo de energia é hoje um fator preponderante no projeto de novos sistemas de transporte; por isso, a redução de peso dos veículos sem comprometer a integridade da estrutura é alvo de frequentes estudos visando o desenvolvimento de novos materiais ou processos de fabricação (SHEIKHI, 2007).

Entre os materiais mais amplamente explorados se encontram os polímeros, os compósitos e as ligas metálicas de baixa densidade, como as ligas de Al e Mg. Porém, dada a excelente relação entre resistência mecânica e custo dos aços, este material continua sendo amplamente utilizado na fabricação de veículos de transporte terrestre.

Apesar disto, atualmente, há um grande interesse pela mudança de alguns componentes fabricados em aço, por outros, que resultem na substituição total ou parcial por ligas de alumínio. No entanto, isto requer a junção dos diferentes componentes, no qual a primeira alternativa a ser considerada é a soldagem por fusão.

Diferentes autores mostraram com altos níveis de detalhes como a realização de juntas soldadas alumínio-aço resultam na formação de compostos intermetálicos frágeis. Além disso, são descritas as dificuldades técnicas na execução da soldagem devido às diferenças nas propriedades mecânicas e físicas dos materiais. Os métodos de união mecânica, como rebites e parafusos, terminam em muitos casos inviabilizando técnica e/ou economicamente a aplicação conjunta de alumínio e aço em componentes estruturais.

Desta forma, existe hoje uma demanda pelo desenvolvimento de tecnologias que permitam a união destas duas famílias de materiais. Com o desenvolvimento do processo de soldagem por atrito com pino não consumível (SAPNC) em 1991 pelo TWI (The Welding Institute) abriu-se a possibilidade de implementar este processo na união de materiais dissimilares.

As principais aplicações para esta técnica estão na indústria automobilística, (COLLIGAN, 2003; POSADA, 2003), naval (COLLIGAN, 2004), aeronáutica (WILLIAMS, 2001) e aeroespacial (BROOKER, 2000; DING, 2006).

Os primeiros trabalhos em SAPNC de juntas Alumínio-aço (WATANABE, 2006; CHEN, 2004; JIANG, 2004) destacam a obtenção de juntas consolidadas, apesar da avaliação microestrutural e o desempenho mecânico serem preliminares.

Os trabalhos subsequentes concentram-se na caracterização microestrutural e avaliação das propriedades mecânicas, sem entrar em detalhes sobre o processo de soldagem, a relação dos parâmetros com a evolução microestrutural, a formação de defeitos e a ductilidade da junta soldada.

1.2 Motivação

Espera-se que o uso da técnica de soldagem por atrito com pino não consumível (SAPNC) na união de juntas alumínio-aço, permita a obtenção de uniões soldadas consolidadas, o que significa: com bom aspecto superficial, livres de defeitos e sem a formação de compostos intermetálicos.

Este objetivo tem sido alcançado parcialmente por diversos pesquisadores. Apesar de alguns destes trabalhos terem resultados superiores aos obtidos com o uso de técnicas tradicionais de soldagem por fusão, não são os esperados em termos de qualidade, desempenho mecânico e ausência de fases deletérias. O panorama retrata a SAPNC como um processo imaturo para este tipo de junções, além de se mostrar mais científico que técnico, já que as juntas apresentadas na literatura se encontram muito distante de qualquer aplicação industrial.

Outro ponto interessante é o fato que este tipo de juntas está claramente orientado à aplicação na indústria automotiva, o que restringe a geometria da junta tanto na sua espessura como na sua configuração: a topo ou sobreposta. Para a indústria automotiva uma configuração interessante corresponde à junta a topo de chapas com espessura inferior a 1,0 mm. Os estudos disponíveis na literatura utilizaram chapas acima de 2,0 mm de espessura quando soldadas a topo; sendo que o uso de chapas inferiores a 1,0 mm é restrito à configuração sobreposta.

As anteriores observações demonstram como na realização de juntas soldadas alumínio-aço por meio do processo SAPNC existem diversas lacunas a nível técnico e cientifico sendo identificadas: 1) A falta de uma abordagem concisa que permita a identificar a fonte dos

problemas de soldabilidade de este tipo de juntas, 2) a definição de parâmetros robustos de soldagem para este sistema visando sua futura aplicação na industria e 3) uma explicação clara dos mecanismos envolvidos na possível formação dos compostos intermetálicos.

Uma das hipóteses consideradas durante a realização deste trabalho foi considerar a formação de liquido durante a soldagem como a causa da aderência de alumínio à ferramenta durante a soldagem e possível responsável da formação de compostos intermetálicos.

Deste trabalho pode-se afirmar que seu diferencial radica na obtenção de juntas soldadas com acabamento e qualidade adequados, evitando a formação de compostos intermetálicos. Os parâmetros de soldagem se encontram em um estado tal que se pode considerar a sua aplicação em nível industrial. A identificação de um elemento específico - o aporte térmico elevado - como o agente promotor dos problemas de soldabilidade neste tipo de sistema foi fundamental para alcançar os diferentes objetivos. As medidas e a simulação computacional da história térmica associada ao processo permitem relacionar o efeito que os parâmetros de soldagem têm na microestrutura e no desempenho mecânico das juntas soldadas. Finalmente, a identificação de vários mecanismos de recristalização envolvidos na geração da zona misturada na junta soldada é igualmente importante neste trabalho.

2 OBJETIVOS E METAS

2.1 Objetivo

Estudar o efeito dos parâmetros de soldagem nas reações metalúrgicas, formação de defeitos e no desempenho mecânico de juntas dissimilares alumínio-aço, obtidas mediante o processo SAPNC. A configuração estudada é a junta a topo de chapas de aço de baixo carbono do tipo AISI SAE 1020 e liga de alumínio 6063-T5, ambas de 2,0 mm de espessura.

2.2 Metas

 Desenvolver parâmetros adequados para a obtenção de juntas a topo consolidadas alumínio-aço, em chapas de 2,0 mm de espessura mediante SAPNC.

 Determinar a relação entre parâmetros de soldagem, configuração da junta e tipo de ferramenta com a formação de defeitos.

 Avaliar a resposta mecânica das juntas soldadas por meio de ensaios de tração e dureza.

 Identificar as macrorregiões da junta soldada e as diferentes fases presentes decorrentes do processo de soldagem.

 Determinar a existência ou não de microfusão do alumínio e sua relação com a estabilidade do processo de soldagem e a formação de fases frágeis na junta soldada.

 Estabelecer a relação entre o processo de soldagem, a história térmica e a evolução microestrutural durante o processo SAPNC de juntas alumínio-aço em chapas finas.

3 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

3.1 Soldagem por Atrito com Pino não Consumível ou SAPNC

O processo de soldagem por atrito com pino não consumível (SAPNC) conhecido como "Friction Stir Welding" (FSW), desenvolvido em 1991 no TWI (THOMAS, 1991), é uma técnica de união e processamento de materiais a qual surgiu do conceito da soldagem convencional por atrito.

A SAPNC utiliza uma ferramenta (Figura 3.1) para produzir calor ao mesmo tempo em que gera deformação plástica severa do material, resultando em uma mistura mecânica do material plastificado (MISHRA, 2005; NANDAN, 2008).

Figura 3.1. a) Representação da ferramenta utilizada no processo de soldagem por atrito com pino. Adaptado de (MISHRA, 2005). b) Esquema do processo de soldagem por atrito com pino: lado de avanço (LA), lado de retrocesso (LR). Adaptado de (MOCHIZUKI, 2006).

A ferramenta, formada por um pino e um ombro, como apresentado na Figura 3.1a, tem duas funções principais: aquecer localmente a peça e movimentar o material para obter a junta soldada. Durante a soldagem, o pino, no extremo da ferramenta, penetra no material até o ombro entrar em contato com a superfície da junta.

Ombro

Pino

a)

A rotação da ferramenta gera calor por atrito, necessário para plastificar o metal ao redor do pino, seguido do deslocamento da ferramenta ao longo da junta, o que promove a mistura dos materiais e consolida a junta na parte posterior.

As vantagens do processo SAPNC, em relação aos processos de soldagem por fusão, para o caso específico de ligas de alumínio e ligas de baixo ponto de fusão, são bem conhecidas (MISHRA, 2007): 1) excelente reprodutibilidade; 2) eliminação de defeitos produzidos durante a fusão e a solidificação do metal; 3) menor aporte térmico e temperatura máxima associada ao processo; 4) eliminação das dificuldades relacionadas com a fragilização por hidrogênio em aços; 5) redução ou eliminação dos fumos de soldagem.

Outras vantagens, para estes mesmos materiais, são (DEFALCO, 2006): 1) a alta produtividade, 2) o menor custo de produção para algumas aplicações e 3) a união de ligas de alumínio de limitada soldabilidade como as séries, 2000, 7000 e 8000.

O movimento combinado de rotação e translação da ferramenta gera diferentes velocidades de deslocamento relativo entre a ferramenta e as peças a serem unidas. Essas diferenças se traduzem em assimetria na geração de calor e deformação, no fluxo de material, na microestrutura e nas propriedades de ambos os lados da junta. Tais fatores promovem a formação dos denominados lados de avanço e de retrocesso. Quatro diferentes regiões (J-Q SU, 2003) são diferenciadas na junta, dependendo do material soldado (Figura 3.2): o metal de base (BM), a zona termicamente afetada (ZTA), a zona termomecanicamente afetada (ZTMA) e a zona misturada (ZM).

Figura 3.2. Macrorregiões observadas em uma junta convencional soldada utilizando o processo SAPNC.

Zona Misturada (ZM) Metal de Base (MB) Zona Termomecanicamente Afetada (ZTMA) Lado de avanço (LA) Lado de retrocesso (LR) Zona Termicamente Afetada (ZTA)

3.1.1 Evolução microestrutural durante a soldagem por SAPNC

Múltiplos esforços têm sido dedicados ao estudo das mudanças microestruturais geradas durante o processo de SAPNC, principalmente no caso de ligas de alumínio. Um dos primeiros é apresentado por Murr (1998) na liga 6061, junto com outros trabalhos (DIXIT, 2007; ATTALLAH, 2007). Nestes estudos, o indicador comum é a dependência da microestrutura final e o desempenho mecânico da junta com fatores como a composição química e a condição inicial da matéria-prima, as temperaturas atingidas no processo (OZEKCIN, 2004). Além destes parâmetros, nas ligas endurecidas por precipitação, a taxa de resfriamento afeta o tamanho e distribuição dos precipitados, junto com o tamanho de grão da matriz. A temperatura máxima (Tmáx) diminui com o aumento da velocidade de avanço e a redução da velocidade de rotação. A taxa de resfriamento aumenta com a velocidade de avanço e a temperatura máxima, sendo que a combinação de velocidade de avanço elevada e rotação baixa produzem taxas de resfriamento maiores.

Figura 3.3. Seção transversal de junta soldada por SAPNC da liga de alumínio 2519. a) Imagem de microscopia óptica, b) mapa de dureza Vickers por microindentação, c) imagem sobreposta das figuras a e b (FONDA, 2004).

LA

LR

Um elemento fundamental durante a soldagem por SAPNC é a recristalização, que acontece principalmente na ZM. Esta foi evidenciada durante a soldagem por SAPNC empregando monocristais com orientações específicas (FONDA, 2007). O estudo permitiu identificar como a deformação provocada pelo processo cria novos grãos em regiões com características diferentes. Algumas regiões exibem textura típica de estruturas severamente deformadas a alta temperatura, com mudanças drásticas de textura de uma região para outra (Figura 3.4). No entanto, não pode ser descartada a condição do material de base, pois como foi mostrado por Etter (2007), a recristalização dinâmica depende significativamente da microestrutura inicial do material, particularmente da energia de deformação armazenada nesta.

Figura 3.4. Mapa de orientação de imagem por figura de polo inversa evolução dos grãos e da textura durante a soldagem por SAPNC em monocristal de alumínio (FONDA, 2007).

Os efeitos dos parâmetros de soldagem por SAPNC na história térmica e a evolução microestrutural são variados. Para poder relacionar parâmetros de soldagem, temperaturas nas diferentes regiões da junta, microestrutura e propriedades, é necessário conhecer a história térmica à qual a junta foi submetida.

Recristalização dinâmica

Recristalização estática

Formação de novos grãos

por rotação local do cristal Monocristal

Eixo da rotação Textura de cisalhamento Monocristal com grãos rotacionados Rotação do monocristal Monocristal

A Figura 3.5a apresenta um exemplo, cujas medidas foram obtidas perpendicularmente à linha da junta (J-Q SU, 2005). Curvas semelhantes devem ser obtidas ao longo da junta soldada (pontos A1, A2, A3 e A4 da Figura 3.5b).

Figura 3.5. b) Ciclos térmicos de soldagem medidos utilizando termopares durante a soldagem por SAPNC (SWAMINATHAN, 2010), a) representação da junta mostrando diferentes pontos para avaliação da evolução microestrutural (estado transitório). Adaptado de (J-Q SU, 2005).

A informação permite prever as microestruturas no estado transitório do processo, mas as estruturas devem ser preservadas para correlacioná-las com os ciclos térmicos. Para isto, o processo de soldagem deve ser interrompido de forma súbita visando o congelamento da microestrutura.

Na região central ao longo da junta, e equidistante do início e final da soldagem, a microestrutura observada em uma seção transversal pode ser considerada como resultado do estado quase estacionário do processo, ou seja, como o produto final do processo de soldagem em uma junta com comprimento razoável.

3.1.2 Microfusão durante a soldagem por SAPNC

Existem na literatura diferentes trabalhos sobre fusão local durante a soldagem de ponto por atrito com pino não consumível (SPAPNC) em ligas de alumínio (GERLICH, 2007; ROBSONA, 2010). Estes estudos destacam como taxas de aquecimento elevadas (entre 210 a 400 °C.s-1) durante a penetração da ferramenta inibem a dissolução de alguns compostos, favorecendo a

b) a)

fusão localizada da estrutura eutética nas ligas AA2024 e AA7075 (GERLICH, 2008). Outros casos interessantes são os relacionados à formação e retenção de películas de líquido durante SPAPNC em ligas Al-Mg (P. SU, 2007; YANG, 2008), como mostrado na Figura 3.6.

Figura 3.6. a) Imagem de MEV da zona misturada produzida por SPAPNC na liga de alumínio 7075. b) Detalhe da microestrutura evidenciando a presença de películas fundidas, ponto A na imagem. (GERLICH, 2007).

Yang et al. (2008) discutem o processo de fusão localizada durante a SPAPNC em três ligas de Mg: AZ91E-Mg, AM60-Mg e AZ31-Mg. A comprovação da fusão se explica a partir da identificação de estruturas eutéticas na junta soldada, ausente no metal de base.

A Figura 3.7 apresenta a sequência da evolução microestrutural durante o processo de soldagem da liga AZ91E-Mg. A formação do líquido foi explicada com base nos compostos MgAl (), presentes nesta liga, que reagem com a fase  rica em Mg, causando fusão a baixa temperatura (< 437 °C) pela reação eutética  +  L.

Uma forma alternativa de evidenciar a presença de líquido durante a SPAPNC é pela formação de uma superfície espelhada no orifício de saída da ferramenta. Este tipo de acabamento é atribuído ao deslizamento da ferramenta sob o filme líquido, resultando também na queda súbita da força axial durante o processo de soldagem, e o consequente aumento na penetração da ferramenta. Também é sugerido que a fusão parcial dificulta a deformação plástica e enfraquece a ZM causando trincamento durante a soldagem (YANG, 2008).

Apesar do mesmo fenômeno poder acontecer durante a SAPNC, em geral se aceita a não existência de fusão parcial durante a soldagem ou no processamento por atrito com pino não consumível (PAPNC) - Friction Stir Processing - (FSP) (ROBSONA, 2010).

Figura 3.7. Evolução microestrutural na liga fundida AZ91E-Mg durante SPAPNC. a) Seção transversal da junta soldada, evidenciando as diferentes regiões, b) metal de base, c) fusão parcial, d) deformação e fusão parcial, e) trinca, f)-g) fusão parcial. Evolução da fusão parcial em diferentes pontos. h) Esquema da junta, i) diagrama de fase Al-Mg, j) fusão parcial no ponto P, k) fusão parcial no ponto Q, l) fusão parcial no ponto R (YANG, 2008).

O trincamento durante o processo de soldagem envolvendo filme líquido não é um fenômeno novo; ele já foi reportado e estudado em detalhe devido ao trincamento durante a soldagem por fusão em ligas de alumínio, níquel e aços inoxidáveis (KUO, 2003; LIPPOLD, 2005; LIPPOLD, 2005; DUPONT, 2009). Este tipo de falha é conhecido como trincamento de liquação. Uma das possíveis causas da formação de trincas de liquação na ZTA é a fusão de partículas ou precipitados durante a soldagem, pelo fenômeno de liquação constitucional.

a)

f)

e)

g)

d)

b)

_c)

h)

i)

j)

k)

l)

3.1.3 Defeitos e tensões residuais

Os defeitos possíveis de serem encontrados em juntas soldadas por SAPNC são defeitos superficiais, vazios e falta de preenchimento na raiz da junta. Estes dois últimos são o resultado do aumento na velocidade de soldagem gerando baixa plasticidade do material e perda da capacidade de preenchimento. O passo (Ps ou /) é uma variável importante para o controle das linhas remanescentes de vazio (kissing bond) já que Ps maiores aumentam a probabilidade de formação deste tipo de defeito. Outra imperfeição recorrente é a formação de rebarbas, as quais se originam devido ao aquecimento excessivo do metal de base. Para muitas ligas de Al, a formação de defeitos é preferencial no lado de avanço, onde acontece uma mudança abrupta da microestrutura entre a ZM e a ZTMA. No lado de retrocesso, esta transição é gradual tornando essa região menos sensível à formação de descontinuidades. Uma medida sugerida para o controle na formação de defeitos durante o processo de soldagem é o acompanhamento da força na direção de soldagem, tendo em vista que grandes forças são originadas pela baixa fluidez do material.

Em SAPNC, como nos processos convencionais de soldagem, os esforços residuais se originam devido à restrição imposta à peça a ser soldada, e à contração do material aquecido e plastificado durante o resfriamento. Porém, uma característica única da SAPNC são as tensões adicionais causadas pela rotação e deslocamento da ferramenta, as quais aliviam parcialmente as tensões residuais dentro da ZTMA. Em estudo in situ por difração de nêutrons, na liga de alumínio 6061-T6, foi estabelecida a condição de esforços durante e posterior à soldagem por SAPNC, além de ser medida a temperatura na região soldada (WOO, 2007). Os testes registraram a geração de tensões residuais de compressão em volta da ferramenta durante a soldagem, e temperaturas máximas de 361 °C. No resfriamento, as tensões de compressão se transformam em tensões residuais de tração ao longo da junta, enquanto a zona misturada permanece predominantemente em condição de baixa tensão. O estudo provou que as tensões de compressão aumentam com  devido ao maior gradiente térmico e ao pouco tempo para relaxação; entanto se mostram pouco suscetíveis à velocidade de rotação.

3.2 Recuperação e recristalização na SAPNC

3.2.1 Conceitos sobre recristalização

A formação das diferentes regiões na junta soldada por SAPNC é determinada pelo grau de deformação e a Tmáx atingida. Porém, outro elemento importante é a energia de falha de empilhamento (EFE) do material a ser soldado, já que esta determina a tendência do metal de recuperar ou recristalizar dinamicamente.

Entende-se por recristalização a geração de novos grãos, a partir do metal deformado, pela formação e migração de contornos de alto ângulo (CAA), promovida pela energia armazenada no material durante a deformação, em forma de discordâncias.

A recuperação é todo processo de amaciamento ocorrido no metal deformado sem envolver a migração de CAA; a força motriz para esta transformação é a redução da energia acumulada durante a deformação, redução fruto do rearranjo das discordâncias, o qual leva à formação de contornos de baixo ângulo (CBA). Os CBA e os CAA são aqueles que limitam grãos cuja desorientação (θ) está entre θ<10-15° e θ>15°, respectivamente (PORTER, 1992).

O alumínio, por se tratar de um material com alta EFE, 200 mJ.m-2 (DIETER, 1988), tem maior propensão a se recuperar dinamicamente. Por outro lado, para aços baixo carbono, com baixa EFE, entre 20 e 30 mJ.m-2 (BROFMAN, 1978), sua recristalização é favorecida quando deformado a alta temperatura. Para o alumínio, sabe-se que o refinamento de grão acontecido na ZM é produzido pela recristalização dinâmica derivada da deformação e temperatura intensas impostas durante a SAPNC.

As pesquisas apontam em direção a vários mecanismos como os responsáveis do refinamento de grão na ZM em ligas de alumínio e aços. A sequência e número de mecanismos envolvidos dependem do estado inicial do material, sendo estes: 1) recristalização dinâmica descontínua (DDRX), 2) recristalização dinâmica contínua (CDRX) e 3) recristalização dinâmica geométrica (GDRX). Para avançar no entendimento destes mecanismos, serão resumidas suas principais características, definições descritas criteriosamente em Doherty (1997) e Humphreys (2004).