SOLDAGEM EM ESTADO SÓLIDO DA LIGA DE ALUMÍNIO AA2024 PELO PROCESSO "FRICTION STIR WELDING": MICROESTRUTURA E PROPRIEDADES MECÂNICAS
Claudemiro Bolfarini*, André Itman Filho***(Unimar), Jorge Fernandez dos Santos** (GKSS) e Nelson Guedes de Alcântara*(DEMa/UFSCar)
*cbolfa@power.ufscar.br
*-DEMa/UFSCar
**GKSS Forschungszentrum Geesthach ***Universidade de Marília-UNIMAR
Resumo
O processo "friction stir welding" foi desenvolvido recentemente, ainda não tem tradução adequada em português, e é basicamente um processo de soldagem em estado sólido, que tem se revelado extremamente promissor para a soldagem de ligas de alumínio. Neste processo as chapas a serem soldadas são unidas mecanicamente e a solda é provocada pelo deslocamento de uma ferramenta giratória, semelhante a uma fresa, ao longo da região a ser soldada. O processo de união ocorre apenas no estado sólido e com isso se evitam os principais problemas da soldagem de ligas de alumínio por processos de fusão: porosidade e inclusões de óxidos. Neste trabalho foram soldadas chapas da liga AA2024 ,estudadas as microestruturas resultantes, via microscopia ótica, eletrônica de varredura e de transmissão, e avaliadas as propriedades mecânicas, via ensaios de dureza e de tração, transversais ao cordão de solda. Os resultados mostraram que as juntas soldadas são isentas de trincas e de porosidades. Como resultado da ação mecânica da rotação da ferramenta ocorre significativo refino de grão na região soldada em relação ao material de base, sendo que a região da solda mostra uma estrutura recuperada. Observou-se dissolução parcial dos precipitados devido ao calor provocado pelo atrito , sendo que não ocorre recuperação da dureza inicial na região de solda, cujos valores permanecem abaixo do metal de base. O limite de resistência das juntas ficou em torno de 84% da do material de base e a fratura ocorreu na zona termicamente afetada, que representa a região mais fraca da junta soldada.
Friction Stir Welding- FSW is a relative new solid state welding process, particularly suitable for joining aluminum alloys. It can produce weld joints with lower distortion and higher strength when compared with other techniques. To date the majority of research has focussed on tool optimization, mechanical properties of the weld joints and procedures to make sound welds. This paper addresses an investigation about the microstructural evolution of the aluminum alloy AA2024 during FSW processing and related mechanical properties of the weld joints. The FSW was performed on the alloy 2024 in the T351 heat treatment condition (plate thickness being 5 mm). In addition to extensive hardness measurements, transverse tensile properties of the FSW joints were determined at room temperature. Microstructures were analyzed by using scanning-SEM and transmission-TEM electron microscopy. The FSW welds were void and crack free in both alloys. Moreover, the results showed that the weld and the heat affected zones presented a finer, recovered grain structure and partial dissolution of the strengthening precipitates. Due to the fact that the alloy 2024 doesn't present aging at room temperature the weld zone presented lower hardness values when compared to the parent metal.
The mechanical tests showed a joint efficiency around 84% and fractures occurred in the heat affected zone, which is the weakest zone of the weld.
Palavras-chave: friciton stir welding, liga AA2024, microestrutura, propriedades
INTRODUÇÃO
O processo de soldagem "Friction Stir Welding", FSW, é particularmente adequado na união de ligas de alumínio, pois é efetuado em estado sólido e consequentemente evita em grande parte a formação de porosidade e de óxidos, defeitos típicos dos outros processos onde ocorre a fusão do material. FSW é um processo alternativo da soldagem por fricção, especialmente desenvolvido para ligas de alumínio e patenteado pela TWI (The Welding Institute)(1). A princípio duas peças do material são colocadas em contacto. Em seguida são submetidas ao atrito e à deformação, provocados pelo movimento rotacional de uma ferramenta cilíndrica girando com velocidade e avanço controlados. Durante o processo ocorre o aquecimento com movimentação do material similar ao processo de extrusão. A união da junta ocorre no estado sólido e apresenta menor distorção e tensões residuais que os outros processos de soldagem por fusão(2). Outra vantagem é a ausência de materiais para
nos últimos anos, poucos são os trabalhos que apresentam resultados das propriedades mecânicas e da microestrutura das juntas soldadas(3-5). Estes trabalhos mostram evidências que o processo provoca recristalização dinâmica, que produz um tamanho de grão muito fino , abaixo de 1um, promovendo fluxo super-plástico. Este comportamento super-plástico , caracterizado por altas deformações e taxas de deformação associadas à rotação da ferramenta, produz aquecimento adiabático da junta soldada induzindo o processo de recristalização. As temperaturas na região central do cordão de solda podem atingir até 80% do valor da temperatura Solidus da liga. Porém, mesmo a 2 cm da linha central do cordão de solda, em chapas com 1mm de espessura, a temperatura pode atingir 573K ( aprox. 60% de TSOLIDUS das ligas de alumínio. Estas temperaturas podem provocar fortes alterações na
microestrutura das ligas endurecíveis por precipitação como a AA2024, sendo que as propriedades mecânicas originais só podem ser restauradas por tratamentos térmicos de pós-soldagem. Neste trabalho, chapas da liga de alumínio AA2024 tratadas termicamente, foram soldadas pelo processo FSW. Posteriormente, análises das microestruturas, medidas de dureza e ensaios em tração foram realizados com o objetivo de avaliar as propriedades mecânicas e microestruturas no metal base e na junta soldada da liga.
PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL
A liga de alumínio 2024, na condição T351 , na forma de chapas e com 5 milímetros de espessura, foi soldada pelo processo FSW pela firma ESAB, na Suécia, com parâmetros otimizados de maneira a produzir-se cordões de solda sem defeitos detectáveis por ultra-som. Foram feitas medidas de microdureza Vickers nas regiões superior, média e inferior das juntas soldadas para determinar a variação de dureza das amostras. Esta medidas foram feitas ao longo de uma linha imaginária , transversal ao cordão de solda e partindo do meio do mesmo, incluindo o cordão de solda, a zona termicamente afetada e o material de base. O mesmo procedimento foi realizado para a liga AA7020. Microscopia ótica, eletrônica de varredura e de transmissão foram utilizadas para investigar as mudanças microestruturais provocadas pelo processo de soldagem na liga 2024. As propriedades mecânicas foram determinadas para a duas ligas através de ensaios em tração à temperatura ambiente de corpos de prova convencionalmente preparados conforme a norma ASTM E328.
Análise microestrutural
Ao contrário das ligas soldadas pelos processos convencionais de fusão, a soldagem pelo processo FSW apresenta uma superfície limpa e lisa com as marcas de movimento do material nas juntas, próprias da rotação da ferramenta. As observações através do microscópio ótico não revelaram a presença de trincas ou poros, confirmando os resultados do ultra-som. As juntas soldadas podem ser divididas em 4 zonas: material base não afetado pelo processo, zona afetada termicamente (ZAT), zona afetada termo-mecanicamente (ZATM) e região central(nugget), altamente deformada, com a forma aproximada de uma pepita ovalada e que aparece nitidamente nas macrografias, sendo uma característica marcante do processo . A microestrutura da região central da solda mostra um aspecto de recuperação dinâmica, característico de um material com alta energia de falha de empilhamento como as ligas de alumínio. Os grãos não estão nitidamente definidos como seria de se esperar se houvesse havido recristalização dinâmica. A presença das fases constituintes a base de ferro atrapalha as medidas, mas, observa-se que os valores do tamanho de grão, se houvesse ocorrido recristalização estariam abaixo de 10um, mostrando a forte redução provocada pelo processo. , quando compara-se estes valores com os do material de base. As observações realizadas através da microscopia eletrônica de varredura mostram este resultado, figura 1, onde observa-se a enorme diferença entre os grãos do material de base(foto esquerda) e da região soldada(foto direita). Na figura 2, obtida por microscopia eletrônica de transmissão, comprova-se a estrutura de sub-grãos típica de materiais recuperados dinâmicamente. Observa-se ainda uma fina precipitação, provocada pelo processo de soldagem. Estes precipitados, conforme será mostrado nos resultados de dureza, foram responsáveis pela recuperação parcial dos valores originais de dureza do material de base. Outra importante característica destes precipitados é a morfologia e a distribuição não uniforme, como pode ser observado na figura 2.
Provavelmente, os precipitados pré-existentes coalesceram durante o processamento termo-mecânico, enquanto que os mais finos precipitaram no estado sólido durante o resfriamento Isso indica que um processo de solubilização e precipitação desses precipitados esteja ocorrendo durante o processo. A exata determinação do que ocorre dependeria de uma série exaustiva de análises por TEM que escapa ao escopo deste trabalho, se é que seria possível esta determinação considerando-se os limites desta técnica.
Figura 1: Microscopia eletrônica de varredura-MEV, 1000X, imagem obtida com elétrons retro-espalhados. Esquerda: material de base, grãos grosseiros e alongados, com largura e comprimento superiores a 48um e 420um, respectivamente. Direita: região central da solda: estrutura de grãos típica de materiais recuperados, fortemente refinada em relação ao material de base . Observar que a estrutura dos grãos tende a equiaxial, com tamanho médio inferior a 10um, sendo destruida completamente a estrutura alongada. . Este material continha uma grande quantidade de fases estáveis constituintes, identificadas qualitativamente como Al3Fe, representadas pelas regiões mais claras na micrografia. Observar que a ação da ferramenta de soldagem provocou quebra e redistribuição destas fases.
Figura 2: TEM, imagem em campo claro. Precipitação na região central da solda na liga 2024. Observa-se tanto uma precipitação grosseira, aparentemente formada pelo coalescimento de precipitados já existentes, e uma precipitação mais fina, ocorrida pelo aquecimento da junta soldada.
A evolução microestrutural durante a FSW depende de uma série de fenômenos complexos ocorrendo simultâneamente e interagindo entre si. No caso de uma liga endurecível por precipitação como a 2024, os resultados mostrados nas figuras 1 e 2 sugerem que o calor provocado pelo atrito da ferramenta com a peça promove, além do coalescimento dos precipitados já existentes, uma precipitação adicional à ocorrida durante tratamento térmico. Esta precipitação, em conjunto com a já existente, tem um papel importante na formação da microestrutura final. À medida que a ferramenta é deslocada ao longo da junta a ser soldada e vai deformando o material, esta deformação de uma região rica em precipitados promove um grande aumento na densidade de discordâncias, o que por sua vez promove um endurecimento adicional da liga e cria condições propícias para início de um processo de recuperação dinâmica, imediatamente após a passagem da ferramenta e da união da junta. O crescimento adicional de grão não ocorre porque os precipitados ancoram os contornos de grão, resultando no final uma estrutura de grãos recuperados. Resultados de Liu et al (6) para a liga 6061, que tem baixos teores de elementos de liga e consequentemente uma capacidade muito menor de precipitação em relação às ligas 2024 , mostram uma estrutura totalmente recristalizada na região central. Neste caso, a baixa capacidade de precipitação da liga 6061, não é capaz de impedir de maneira eficiente o movimento dos contornos de grão e o processo de recuperação ou então de recristalização ocorre na sua totalidade. Tais resultados suportam as hipóteses levantadas acima sobre a influencia do processo de precipitação na formação da microestrutura final.
Dureza
Os resultados estão apresentados na figura 3, que apresenta adicionalmente os resultados para a liga AA7020 e que foi soldada em condições similares às utilizadas para a liga 2024 . Na liga 2024 houve uma diminuição sensível da dureza na região da solda, ao contrário da liga 7020 .Nas regiões termicamente afetadas (ZTA), para ambas as ligas, foram encontrados os menores valores de dureza, provavelmente, em razão do super envelhecimento, já que nestas regiões não ocorre deformação plástica. Na região dos nuggets foram encontrados os maiores valores de dureza, porém, menores que os do metal base . A figura 2 pode contribuir , em parte , para explicar estes resultados. Aparentemente, no caso da liga 2024 o efeito do amolecimento provocado pelo coalescimento dos precipitados pré-existentes foi superior ao efeito de endurecimento dos finos precipitados formados durante a soldagem. No caso da liga 7020 a recuperação dos níveis de dureza na região central da solda
7020 envelhece à temperatura ambiente e este comportamento deve ter influenciado de forma decisiva os resultados finais.
-20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 Distância, mm HV 0.2 serie 1 serie 2 serie 3 serie 1 serie 2 serie 3 Meio da solda Probe 2024-5mm GW GW 3a -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 Distância ao centro, mm HV 0.2 serie 1 serie 2 serie 3 Rserie 1 serie 2 serie 3 Meio da solda Liga 7020-5mm GW GW 3b
Figura 3: Resultados de microdureza Vickers para as juntas soldadas. a): liga 2024, b): liga 7020. GW mostra a região do material de base. As medidas de dureza estão mostradas em relação ao centro geométrico da solda.
Propriedades mecânicas
As propriedades mecânicas foram obtidas em corpos de prova convencionais para ensaios em tração de chapas e estão apresentados na tabela 1, onde foram acrescentados os resultados obtidos na soldagem da liga 7020. São apresentados os valores percentuais de eficiência do processo de soldagem FSW com relação aos valores encontrados na junta e no metal base, sendo esta eficiência representada pela razão entre os valores dos limites de resistência na solda e no metal de base, assim como também dos valores de alongamento. Esta quantificação é muito importante pois mostra a perda de resistência e de ductilidade provocada pelo processo. Deve-se lembrar que não foi feito tratamento térmico pós-soldagem. A ruptura das amostras ocorreu na região da junta soldada, sempre na ZTA.
Tabela 1 – Valores médios (ensaio de tração em 3 corpos de prova) para limite de escoamento (σ0,2), limite de resistência (σmax) e alongamento (Al). MB: resultados para o
metal de base; FSW: resultados para a junta soldada.
Liga σ0,2 (MPa) σmax (MPa) Al (%) Efic. σmax (%) Efic. Al (%) 2024 MB 2024 FSW 350 268 493 410 19,0 5,1 83,2 26,8 7020 MB 7020 FSW 326 242 385 325 13,6 4,5 84,4 33,1
Através dos resultados encontrados, conclui-se que as resistências mecânicas das juntas soldadas são suficientes para suportar solicitações típicas das ligas comerciais de alumínio. Apesar da diminuição dos valores representativos para os limites de escoamento e de resistência nas juntas soldadas, a eficiência para o limite de resistência assume valores da ordem de 84%, o que pode ser considerado muito bom se for considerado que não houve qualquer tratamento térmico pós-soldagem. Um controle adequado do processo, para garantir refino de grão das microestruturas, poderia criar condições mais favoráveis à obtenção de valores ainda mais altos para aplicação do material. Todavia, lembrando-se que trata-se de uma solda autógena e mais a característica intrínseca das ligas de alumínio endurecíveis por precipitação, que conseguem suas melhores propriedades através de rígidos tratamentos
material de base. Considerando, porém, que no caso da utilização de outros processos de soldagem a situação é mais desfavorável , pois tem-se os mesmos problemas de super-envelhecimento nas ZTAs acrescidos de porosidade e óxidos na junta soldada, os resultados aqui mostrados representam um grande avanço em termos de tecnologia de soldagem de ligas de alumínio. Apesar de sempre indesejáveis do ponto de vista econômico, tratamentos térmicos pós-soldagem, se possíveis, poderiam até elevar as propriedades mecânicas da junta soldada a valores acima do material de base, tendo em vista o refino de grão que o processo provoca.
CONCLUSÕES
As alterações das microestruturas das amostras soldadas, dependem de uma série de fatores metalúrgicos que ocorrem simultaneamente no processo FSW. Os resultados deste trabalho sugerem uma grande influência do fenômeno de precipitação na liga 2024. A forte deformação e o aquecimento provocados pelo processo implicam em modificação no tamanho dos precipitados endurecedores e na densidade das discordâncias durante a soldagem favorecendo o endurecimento das ligas, promovendo uma grande força motriz para provocar a recuperação dinâmica nas regiões soldadas. No caso da liga aqui estudada este processo de recuperação mostra uma estrutura de sub-grãos. O comportamento para esta liga é essencialmente diferente do que os resultados apresentados na literatura para a liga 6061, que apresenta estrutura completamente recristalizada.
Referências Bibliográficas
1. International Patent Classification B23K 20/12, B29C 65/06, Improvements Relating to Friction Welding, Applicant: The Welding Institute (TWI), Abington, Cambridge, UK., 1993.
2. Midling, O.T., Oosterkamp, L.D. and Bersaas, J., “Friction Stir Welding Aluminium – Process and Applications”, Proceedings of the 7th International Conference Joints in Aluminium (INALCO ’98), Cambridge, England, Volume 2, 161-171, 1998.
3. Dawes C., “Friction Stir Welding in Aluminium Joining”, Shipbuilding Congress, Odensee,Holanda, 1995
4. Dietzel, P. and Lippold, J.C., “Microstructural Evolution During Friction Stir Welding of Aluminium Alloy 6061-T6”, To be published in the Welding Journal.
5. Svensson, J. Karlsson, Karlsson, B., Larsson, H. and L. Karlsson “Microstructure and Properties of Friction Stir Welded Aluminium Alloys”, Proceedings of the 7th International Conference Joints in Aluminium (INALCO ’98), Cambridge, England, Volume 2, 221-231, 1998.
6. Liu, G., Murr, L.E., Niou, C.-S., McClure, J.C. and Vega, F.R., “ Microstructural Aspects of the Friction Strir Welding of 6061-T6 Aluminium, Scripta Materialia, Vol. 37, No. 3, pp. 355-361, 1997.
Agradecimentos
Ao CCDM/DEMa/UFSCar/Brasil e GKSS-Forschunszentrum Geesthacht/Alemanha que apoiaram a realização deste trabalho.
