tcc mariana dos reis

I

MINISTRIO DA EDUCAO

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL

Escola de Engenharia

Departamento de Metalurgia

OTIMIZAO DE PARMETROS DE PROCESSO DE SOLDAGEM POR FRICO E

MISTURA MECNICA DA LIGA DE ALUMNIO-LTIO AA 2198-T851

Mariana dos Reis

Trabalho de Diplomao

Orientador: Professor Dr. Telmo Roberto Strohaecker

Porto Alegre

2009

II

Dedico esta dissertao minha Me Ana Maria e ao meu Pai Douglas, bem como toda

minha famlia, por terem sempre acreditado em meus sonhos. Ao Ser Superior, pela coragem

e iluminao onipresente.

III

AGRADECIMENTOS

Ao Professor Dr. Telmo Roberto Strohaecker pela orientao durante a execuo deste

trabalho e pelas oportunidades de aprimoramento pessoal e profissional, proporcionadas no

perodo da graduao.

Ao Professor Dr. Jorge dos Santos, pela oportunidade de desenvolver este trabalho

junto ao Instituto GKSS Forschungzentrum.

famlia Lamefiana pelos momentos de convvio inesquecveis, amizade e auxlio

tcnico durante meu perodo de estgio no LAMEF.

Ao Professor Afonso Reguly, pelas orientaes e conselhos sempre quando

necessrios, bem como pela amizade e disponibilidade sempre demonstrada.

Aos colegas da Gerdau Riograndense, pelos momentos em que disponibilizaram

tempo e pela compreenso durante a concluso deste trabalho.

Ao colega Joo Vitor Mokan, pelo apoio incondicional na formatao deste

documento.

Aos colegas Luiz Henrique Choma, Marcus Vinicius Steffenon, Henrique Jos

Bortollotti Martins e Guilherme Vieira Braga Lemos, pelos momentos de dificuldades,

alegrias e auxlio compartilhados no perodo da faculdade, bem como por sua amizade.

Aos meus pais, pelo apoio moral, financeiro e espiritual e por seu amor, que me

proporcionaram a base necessria para chegar at aqui.

IV

SUMRIO

I

LISTA DE FIGURAS ..................................................................................................... VI

LISTA DE TABELAS .................................................................................................... XI

LISTA DE ABREVIATURAS E SMBOLOS ............................................................... XII

RESUMO ..................................................................................................................... XIII

ABSTRACT ................................................................................................................. XIV

1.0 INTRODUO ...........................................................................................................1

2.0 REVISO BIBLIOGRFICA .....................................................................................3

2.1 Soldagem por Fricoe Mistura Mecnica ................................................................3

2.1.1 Etapas do Processo de Soldagem por Frico e Mistura Mecnica ................6

2.1.2 Caractersticas Microestruturais da SFMM..................................................6

2.1.3. Parmetros de Soldagem .............................................................................8

2.1.4 Relaes entre energia e entrada de calor ....................................................8

2.2 Ligas de Alumnio ..............................................................................................9

2.2.1 Ligas de Alumnio-Ltio ............................................................................ 10

2.2.2 Estrutura e Propriedades ........................................................................... 12

2.2.3. Ligas Comerciais ...................................................................................... 13

3.0. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL ..................................................................... 14

3.1. Material ............................................................................................................ 14

3.2. Procedimento de Soldagem ............................................................................... 14

3.3. Ensaio de Dobramento ...................................................................................... 17

3.4 Anlise Metalogrfica ....................................................................................... 18

3.5 Ensaios de Microdureza .................................................................................... 19

3.6 Ensaios de Trao ............................................................................................. 20

4. 0. RESULTADOS ........................................................................................................ 22

4.1 Procedimento de Soldagem ............................................................................... 22

4.2 Ensaio de Dobramento ...................................................................................... 26

4.3. Anlise Metalogrfica ....................................................................................... 27

4.3.1. Microscopia tica e Microscopia Eletrnica de Varredura ........................ 27

4.4 Caracterizao Mecnica .................................................................................. 38

V

4.4.1. Ensaio de Microdureza.............................................................................. 38

4.3.2 Ensaios de Trao ..................................................................................... 40

5.0 DISCUSSO DOS RESULTADOS ..................................................................... 44

6.0 CONCLUSES.................................................................................................... 46

7.0 REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS .................................................................. 47

VI

LISTA DE FIGURAS

Figura 2.1 Ferramenta utilizada no processo de SFMM. Esta constituida de um ombro e

um pino. .............................................................................................................................4

Figura 2.2 Ilustrao do princpio de funcionamento do processo de Soldagem por Frico e

Mistura Mecnica (SFMM).(THREADGILL 1999) ...........................................................4

Figura 2.3 Geometrias onde o processo SFMM pode ser utilizado. (THREADGILL 1999)

..........................................................................................................................................5

Figura 2.4 Figura ilustrativa das etapas do processo de Soldagem por Frico e Mistura

Mecnica. ...................................................................................................................6

Figura 2.5 Esquema ilustrando as regies microestruturais da SFMM, onde: A o

material de base no afetado; B a zona termicamente afetada (ZTA); C a zona

termomecanicamente afetada (ZTMA) e D, zona de mistura (ZM). (THREADGILL 1999)

...................................................................................................................7

Figura 2.6 Desenho esquemtico mostrando as diferentes sries de ligas de alumnio

(RAMOS 2008) ............................................................................................................... 10

Figura 3.1 Neos Robotics Tricept 805 Robot e sistema de aquisio de dados. 15

Figura 3.2 Perfis do ombro em A e do pino em B, utilizados durante os procedimentos de

soldagem. O ombro apresenta duas ranhuras e o pino trifacetado. .................................. 16

Figura 3.3 Disposio dos termopares nas chapas soldadas. Foram utilizados 12

termopares para a observao da temperatura durante o processo de SFMM. ................... 17

VII

Figura 3.4 Esquema ilustrando o ensaio de dobramento realizado aps a soldagem para

todas as amostras. ............................................................................................................ 18

Figura 3.5 Figura mostrando o perfil de microdureza realizado nas amostras soldadas,

abrangendo o material de base, o lado de avano (esquerda) e o lado de recuo (direita). ... 19

Figura 3.6 Geometria dos corpos de prova utilizados nos ensaios de trao. As dimenses

esto em milmetros. ........................................................................................................ 21

Figura 4.1 Grfico da fora axial e torque versus tempo, obtidos durante a soldagem da

amostra J (3000 rpm 1000 mm/min 9,5 kN) ............................................................... 22

Figura 4.2 Grfico da fora axial e torque versus tempo obtidos durante a soldagem da

amostra K (2400 rpm 1000 mm/min 9,5 kN) .............................................................. 23


amostra L (1800 rpm 1000 mm/min 9,5 kN) ............................................................... 23


amostra M (1200 rpm 1000 mm/min 9,5 kN).............................................................. 24

Figura 4.5 Perfil de temperaturas medido durante a soldagem da amostra J (3000 rpm

1000 mm/min 9,5 kN) ................................................................................................... 24

Figura 4.6 Perfil de temperaturas medido durante a soldagem da amostra K (2400 rpm

1000 mm/min 9,5 kN) ................................................................................................... 25

Figura 4.7 Perfil de temperaturas medido durante a soldagem da amostra L (1800 rpm

1000 mm/min 9,5 kN) ................................................................................................... 25

Figura 4.8 Perfil de temperaturas medido durante a soldagem da amostra M (1200 rpm

1000 mm/min 9,5 kN) ................................................................................................... 26

Figura 4.9 Amostras submetidas aos ensaios de dobramento. Nenhuma apresentou

defeitos visualmente detectveis. ...................................................................................... 26

VIII

Figura 4.10 Micrografia obtida da seo longitudinal do material de base. possvel

observar gros alongados devido deformao imposta pela laminao. Ataque qumico:

Barker. ............................................................................................................. 27

Figura 4.11 Micrografia obtida de topo do material de base. Ataque qumico: Barker. 28

Figura 4.12 Micrografia obtida da seo transversal do material de base. Gros totalmente

deformados devido laminao. Ataque qumico: Barker. ............................................... 28

Figura 4.13 Macrografia das soldas realizadas sem pino (Bead on Plate BOP) para os

diferentes parmetros adotados, que esto explicitados nas imagens. Ataque qumico: Barker.

............................................................................................................. 30

Figura 4.14 Macrografia das soldas realizadas de topo, para os diferentes parmetros

adotados, que esto explicitados nas imagens. Nota-se na amostra soldada com 600 rpm e 500

mm/min a presena de um vazio formado durante o processo de SFMM. Ataque qumico:

Barker. 31

Figura 4.15 Macrografia das soldas realizadas de topo com uma velocidade

translacional adotada constante, de 1000 mm/min e velocidades de rotao acima de 1200

rpm (amostras J,K,L e M). Ataque qumico: Barker. ........................................................ 32

Figura 4.16 Fractografia da Zona de Mistura (ZM) da amostra C (1200 rpm 500 mm/min

9,5 kN). Gros equiaxiais e a presena de partculas grosseiras de Al3Li dispersas podem ser

observados. Ataque: Barker. Aumento: 2000X. ................................................................ 33

Figura 4.17 Fractografia da Zona Termomecanicamente Afetada (ZTMA) da amostra C,

(1200 rpm 500 mm/min 9,5 kN). Quase no pode ser notada a presena de partculas de

Al3Li. Ataque: Barker. Aumento: 1000X.......................................................................... 33

Figura 4.18 Fractografia da Zona de Mistura (ZM) da amostra M (1200 rpm 1000

mm/min 9,5 kN). Pode ser observada a presena de finas partculas de Al3Li dispersas e

gros equiaxiais. Ataque: Barker. Aumento: 2000X. ........................................................ 34

IX

Figura 4.19 Fractografia da Zona Termomecanicamente Afetada (ZTMA) da amostra

M, (1200 rpm 1000 mm/min 9,5 kN). Nota-se a presena de partculas de Al3Li dispersas

e grosseiras e gros alongados. Ataque: Barker. Aumento: 500 X..................................... 34

Figura 4.20 Fractografia da Zona de Mistura (ZM) da amostra L (1800 rpm 1000

mm/min 9,5 kN). Nota-se a presena de partculas grosseiras de Al3Li dispersas e gros

equiaxiais. Ataque: Barker. Aumento: 1000X................................................................... 35

Figura 4.21 Fractografia da Zona Termomecanicamente Afetada (ZTMA) da amostra L,

(1800 rpm 1000 mm/min 9,5 kN). Pode ser visto a zona de transio entre a ZTMA e a

ZM. Nota-se a presena de partculas de Al3Li dispersas. Ataque: Barker. Aumento: 500X.35

Figura 4.22 Fractografia da Zona de Mistura (ZM) da amostra K, soldada com 2400 rpm

1000 mm/min 9,5 kN. Nota-se a presena de partculas de Al3Li dispersas e gros

equiaxiais. Ataque: Barker. Aumento: 1000X................................................................... 36

Figura 4.23 Fractografia da Zona Termomecanicamente Afetada (ZTMA) da amostra K,

soldada com 2400 rpm 1000 mm/min 9,5 kN. Nota-se a presena de finas partculas de

Al3Li dispersas. Ataque: Barker. Aumento: 1000X........................................................... 36

Figura 4.24 Fractografia da Zona de Mistura (ZM) da amostra J (3000 rpm 1000

mm/min 9,5 kN). Nota-se a presena de finas partculas de Al3Li dispersas

preferencialmente nos contornos dos gros equiaxiais. Ataque: Barker. Aumento: 2000X. ..

................................................................................................................. 37

Figura 4.25 Fractografia da Zona Termomecanicamente Afetada (ZTMA) da amostra J,

(2400 rpm 1000 mm/min 9,5 kN). Nota-se a presena de partculas mais grosseiras de

Al3Li dispersas. Ataque: Barker. Aumento: 1000X........................................................... 37

Figura 4.26 Fractografia evidenciando a presena de uma partcula, onde foi realizada a

anlise qumica em microssonda EDS. Abaixo o resultado da anlise, comprovando tratar-se

de uma partcula (Al3Li)................................................................................................ 38

X

Figura 4.27 Perfis de dureza das soldas realizadas sem pino (BOP). ........................... 39

Figura 4.28 Perfis de dureza das soldas realizadas de topo. ......................................... 40

Figura 4.29 Diagrama tenso deformao para o material de base AA 2198 T851. ... 41

Figura 4.30 Diagrama tenso deformao para a amostra M (1200 rpm-100 mm/min-

9,5kN). ................................................................................................................. 41

Figura 4.31 Diagrama tenso deformao para a amostra L (1800 rpm-100 mm/min-

9,5kN). ................................................................................................................. 42

Figura 4.32 Diagrama tenso deformao para a amostra K (2400 rpm-100 mm/min-

9,5kN). ................................................................................................................. 42

Figura 4.33 Diagrama tenso deformao para a amostra J (3000 rpm-100 mm/min-9,5kN)

................................................................................................................. 43

Figura 4.34 Regio de fratura dos corpos de prova ensaiados por trao. Pode ser

observado que a fratura no ocorreu na regio da solda. ................................................... 43

XI

LISTA DE TABELAS

Tabela 3.1 Composio qumica da liga AA 2198-T851 utilizada nos testes 16

Tabela 3.2 Parmetros utilizados nos procedimentos de soldagem. ............................. 16

XII

LISTA DE ABREVIATURAS E SMBOLOS

FSW Friction Stir Welding

SFMM Soldagem por Fico e Mistura Mecnica

AA Aluminum Association

TWI The Welding Institute

MB Material de Base

ZTA Zona Termicamente Afetada

ZTMA Zona Termomecanicamente Afetada

ZM Zona de Mistura

Fase Al2Cu

T1 Fase Al2CuLi, contm cerca de 52,8 % de cobre e 5,4 % de ltio

TB Fase Al7Cu4Li, contm 56,5 % de cobre e 1,5 % de ltio.

T2 Tem composio qumica prxima de AlCuLi3 (26,9 % de cobre e 8,8 % de ltio)

E Fase AlMg

Fase AlLi

Fase Al3Li

S Fase AlLiMg

S Fase Al2CuMg

BOP Solda realizada sem pino (bead on plate)

MO Microscopia tica

MEV Microscopia Eletrnica de Varredura

XIII

RESUMO

O desenvolvimento de materiais estruturais de maior resistncia mecnica vem

sendo buscado pelas indstrias automotiva e aeroespacial. O aumento de resistncia

mecnica implica em problemas referentes a soldagem de materiais. Embora a

dificuldade resida na combinao de parmetros para a obteno de um material

soldado que apresente propriedades mecnicas apreciveis, a Soldagem por Frico e

Mistura Mecnica (SFMM) um processo de soldagem no estado slido que

proporciona excelente desempenho ao material, conferindo-lhe boa combinao entre

propriedades mecnicas e metalrgicas e atendendo s condies solicitadas em

campo.

Este estudo busca compreender o comportamento da liga do sistema Al-Li

frente ao processo de SFMM, otimizando os parmetros de processo mais relevantes.

A combinao destes parmetros, incluindo a velocidade de rotao e de avano da

ferramenta e fora axial aplicada, essencial para produzir uma solda de qualidade. As

direes da extrao e fluxo de calor variam com a resistncia deformao plstica

dos materiais e aparatos utilizados durante o processo.

As soldas foram conduzidas em chapas laminadas da liga AA 2198 T851 na

mquina Neos Tricept TR 805 robot. Foram avaliadas as combinaes: da variao do

ngulo da ferramenta de 0 e 0,5, velocidade de rotao entre 600 e 3000 rpm e

velocidade de avano da ferramenta de 500 e 1000 mm/min, utilizando fora axial de

9,5 kN.

Durante os ciclos de solda, foram implantados termopares ao longo das chapas

soldadas para avaliao do comportamento da temperatura ao longo do processo. Um

constante nvel de temperatura necessrio para determinar as condies

microestruturais finais do material.

XIV

ABSTRACT

The development of structural materials has been largely driven by the automotive and

aerospace industries. Although the difficulty lies in the combination of parameters to obtain a

material welded to submit appreciable mechanical properties, Friction Stir Welding (FSW) is

a welding process in a solid state that provides an excellent performance to the material,

giving it a good combination of mechanical and metallurgical properties and with conditions

required in the field.

The aim of this study are: a better understanding of the heat transfer during FSW

resulting from different process parameters and correlate the influence of the process

parameters on the resulting mechanical and metallurgical properties of AA2198 T851 joints.

The welds were conducted in rolled plates of in a machine weld Neos Tricept TR 805.

Combinations were evaluated: the change in the angle tool at 0 and 0.5 , rotation speed

between 600 and 3000 rpm and feed rate of 500 and 1000 mm / min, using axial force of 9.5

kN.

During the welding cycle, were implanted thermocouples along the plates welded to

evaluate the behavior of the temperature throughout the process. A constant level of

temperature is needed to determine the conditions of the final microstructure in the material.

1

1.0 INTRODUO

A utilizao de ligas de alumnio nas indstrias automobilstica e aeronutica vem

sendo amplamente explorada, principalmente por reduzir o peso de veculos e aeronaves

uma vez que a massa especfica do alumnio cerca de 1/3 da massa especfica do ao, sem

que propriedades mecnicas e estruturais sejam comprometidas. O intenso uso de alumnio,

por exemplo, pode reduzir o peso mdio de um veculo em torno de 300 kg (European

Aluminum Association 2004). Pesquisas mostram que a reduo de 100 kg no peso total de

um automvel representa em mdia, uma economia de 0,6 L a cada 100 km (European

Aluminum Association 2004).

Ainda, questes ambientais so fundamentalmente visadas diante da produo de ligas

mais leves, econmicas e que geram menor quantidade de poluentes para a atmosfera. No

entanto, por diversas vezes o emprego destas ligas torna-se invivel em funo da dificuldade

de unirem-se tais materiais.

Dado seu potencial de aplicao, novas alternativas de processamento e fabricao

vm se desenvolvendo, dentre os quais est o processo de soldagem no estado slido,

conhecido por Friction Stir Welding (FSW), em portugus denominado como Soldagem por

Frico e Mistura Mecnica (SFMM). O processo apresenta bons resultados em ligas de

alumnio, inclusive naquelas at ento consideradas no soldveis como no caso das ligas

2000 e 7000. Uma ferramenta cilndrica no consumvel, constituda por pino e ombro de

geometrias definidas, caracteriza a solda por SFMM. A solda concretizada por esforos

termomecnicos aplicados pela ao rotacional da ferramenta em contato e no interior da

pea, em temperaturas abaixo do ponto de fuso do material. A rotao da ferramenta e o

contato do ombro com a pea promovem a gerao de calor necessrio para plastificar o

material, que movimentado ao redor do pino de modo que a solda seja consolidada na parte

posterior da ferramenta. O ombro, cuja direo tipicamente normal ao eixo de rotao da

ferramenta, est conectado ao pino de menor dimetro, promovendo a maior parte do calor

gerado e a concentrao de material na superfcie da junta. Esta tcnica, trabalhando a baixas

temperaturas e no fundindo o material, evita problemas de porosidade, contrao na

solidificao, entre outros.

2

A combinao dos parmetros de processo, incluindo a velocidade de rotao e de

avano da ferramenta e fora axial aplicada, essencial para produzir uma solda de qualidade.

Os efeitos combinados entre a aplicao da fora axial e a ao rotacional de frico da

ferramenta com o material do origem quase totalidade do calor gerado durante o processo

de soldagem. Porm, devido ao elevado grau de deformao imposta pelo processo, regies

imediatamente adjacentes ao campo de atuao da ferramenta no centro da junta soldada

tambm contribuem para gerao e consequente transferncia de calor. A condio de

deformao plstica imposta pelo processo influencia na direo e no fluxo de calor gerado

durante o escoamento do material.

O objetivo deste estudo um melhor entendimento dos efeitos dos parmetros de

controle no processo de SFMM, avaliando-os e correlacionando a influncia destes nas

propriedades mecnicas e metalrgicas de juntas da liga de alumnio-litio AA 2198 T851,

utilizando tcnicas de microscopia tica, microscopia eletrnica de varredura ensaios de

microdureza, trao e flexo nas chapas soldadas e com a instrumentao com termopares na

pea durante o processo de SFMM.

3

2.0 REVISO BIBLIOGRFICA

Neste captulo sero abordados alguns aspectos fundamentais sobre a metalurgia das

ligas de alumnio. Tambm ser feita uma breve discusso sobre o processo de soldagem por

frico e mistura mecnica, apresentando suas caractersticas.

2.1 Soldagem por Frico e Mistura Mecnica

O Processo de Soldagem por Frico e Mistura Mecnica (SFMM) foi desenvolvido

na Inglaterra, patenteado pelo instituto TWI (The Welding Institute) em 1991.

A ferramenta e o princpio do processo so mostrados nas figuras 2.1 e 2.2. um

processo de soldagem linear que atravs do calor gerado por uma ferramenta rotativa (pino)

inserida numa junta provoca a plastificao do material, possibilitando assim a mistura de

ambos os lados da junta. O ombro da ferramenta, alm de produzir calor por atrito, tem a

funo de conter o material plastificado, que forado para trs da ferramenta. Pelo fato de

no haver fuso do material, este processo caracterizado como um processo de unio no

estado slido. Assim sendo, a soldagem obtida sem qualquer fuso do material. Devido ao

este fato de temperatura ambiente a plasticidade dos metais nem a resistncia de qualquer

material ser suficientes para promover as tenses e resistncias necessrias para o bom

desempenho da SFMM, necessria a introduo de calor no metal. A temperatura deve ser

alta para possibilitar a recristalizao dinmica e fornecer ductilidade suficiente, mas em

qualquer caso esta deve ser menor que o ponto de fuso do material soldado.

4

Figura 2.1 Ferramenta utilizada no processo de SFMM. Esta constituda de um ombro e um pino.

Figura 2.2 Ilustrao do princpio de funcionamento do processo de Soldagem por Frico e Mistura Mecnica (SFMM).(THREADGILL 1999)

5

O processo apresenta muitas vantagens quando comparado com mtodos de soldagem

convencional (por arco), algumas so listadas a seguir:

o Soldagem no estado slido, evitando problemas de trincas de solidificao ou

porosidades;

o Baixa porosidade;

o No usa metal de adio nem proteo gasosa;

o possvel trabalhar em qualquer posio;

o No provoca respingos nem a gerao de fascas, fumos e radiao;

o Processo totalmente automatizado, utilizando robs sofisticados para a execuo

da solda, evitando assim, a necessidade de soldadores habilidosos;

o Proporciona boas propriedades mecnicas.

o Algumas limitaes devem ser citadas:

o Foras elevadas so necessrias no processo;

o No to flexvel quanto processos manuais de soldagem.

A possibilidade de realizar soldas de boa qualidade, at ento consideradas no

soldveis, como as ligas Al-Cu (2000), Al-Mn (7000) e Al-Li (8090, 2090 e 2195) fez com

que o processo de SFMM se desenvolvesse rapidamente desde 1991 at a atualidade. A

indstria aeroespacial, principal usuria das ligas acima citadas, passou a aceitar o conceito de

juntas soldadas em aeronaves, propiciando assim mais estmulo para o desenvolvimento. A

possibilidade de realizar soldas em linha reta percorrendo grandes distncias fez com que

perfis de difcil extruso pudessem ser produzidos pelo processo SFMM a partir de perfis

planos ou chapas, como mostrado na figura 2.3.

Figura 2.3 Geometrias onde o processo SFMM pode ser utilizado. (THREADGILL 1999)

6

O processo de SFMM amplamente utilizado e de fato foi desenvolvido para

soldagem de ligas de alumnio. Outras ligas tambm apresentam resultados satisfatrios

quando se utiliza SFMM, como ligas fundidas de magnsio, cobre, titnio, chumbo e zinco e

ligas de ao.

2.1.1 Etapas do Processo de Soldagem por Frico e Mistura Mecnica

O procedimento seguido no processo de SFMM mostrado na figura 2.4 e brevemente

descrito abaixo. (THREADGILL 1999)

Unio das placas ou chapas a serem soldadas firmemente uma contra a outra, evitando

que as mesmas se separem ou se desloquem uma em relao outra durante o procedimento;

Uma ferramenta cilndrica com um pino no meio (figura 2.1) gira constantemente e

inserida na linha da junta at que o pino penetre completamente e o ombro toque a superfcie

das chapas. A posio final da ponta do pino deve ser bem prxima da face inferior que est

sobre a placa de apoio.

A ferramenta em rotao deslocada transversalmente na linha de solda. Neste

momento, aplicada a fora de translao e tambm h um aumento na fora de soldagem

(recalque). Ao final do percurso a ser soldado a ferramenta para e ainda em rotao, retirada

da junta, como mostra a figura 2.4.

Figura 2.4 Figura ilustrativa das etapas do processo de Soldagem por Frico e Mistura

Mecnica.

2.1.2 Caractersticas Microestruturais da SFMM

As soldas produzidas pelo processo de SFMM so divididas em quatro zonas

visualmente distintas, como visto na figura 2.5. (RENCK 2005)

A zona distante da solda (zona A), que no sofreu nenhuma influncia da temperatura,

possui ainda as caractersticas do metal de base (MB).

7

A zona B descrita como a zona termicamente afetada (ZTA). Nesta regio as

propriedades e microestrutura so afetadas pela temperatura oriunda da soldagem, porm no

se verifica deformao mecnica. Nesta regio normalmente a dureza apresentar um

decrscimo medida que se aproxima da solda. Embora macroscopicamente no seja possvel

observar claras mudanas na estrutura dos gros, microscopicamente estas mudanas podem

ser detectadas.

A zona C faz parte da zona Termomecanicamente Afetada (ZTMA). Nesta regio, o

efeito da temperatura mais severo e provvel que a temperatura alcanada seja suficiente

para dissolver precipitados, possivelmente os menores (THREADGILL 1999). O material

tambm sofre deformao mecnica considervel, como visto em estruturas laminadas, onde

os gros deformados podem ser girados em at 90. So observados sinais de recristalizao e

alguns gros equiaxiais formados nas regies de maiores temperaturas.

A zona D zona de mistura (ZM). Ela est inserida na ZTMA, porm apresenta

diferenas marcantes. Na regio ZM o material dinamicamente recristalizado durante o

processo de soldagem. Normalmente o contorno entre a ZM e o resto da ZTMA bastante

distinto, porm quando examinado em altas magnificaes, pode no ser to pronunciado. O

gro sempre bem refinado e equiaxial. Em ligas de alumnio a temperatura tal que h

dissoluo de precipitados e em casos de ligas com partculas intermetlicas, estas so

quebradas devido aos altos esforos cisalhantes, dissolvidas ou dispersas homogeneamente.

Durante o resfriamento, a nucleao e crescimento de alguns precipitados podem ocorrer,

acarretando um aumento de dureza. O fenmeno de envelhecimento natural pode ocorrer em

algumas ligas.

Figura 2.5 Esquema ilustrando as regies microestruturais da SFMM, onde: A o material

de base no afetado; B a zona termicamente afetada (ZTA); C a zona

termomecanicamente afetada (ZTMA) e D, zona de mistura (ZM).

(THREADGILL 1999)

8

2.1.3. Parmetros de Soldagem

Os processos de solda por frico e mistura mecnica (SFMM) envolvem complexa

deformao e fluxo de material. Diversos parmetros influem no fluxo de material e na

formao de perfis de temperatura que, deste modo, afetam a microestrutura da solda e,

consequentemente, as propriedades mecnicas da mesma. Partindo-se desta premissa, pode-

se determinar desta maneira, que a qualidade final obtida na solda e seu desempenho quanto

s propriedades mecnicas podem ser controlados atravs do controle rigoroso dos parmetros

de soldagem. Os principais parmetros de soldagem so: velocidade de rotao da ferramenta,

velocidade de soldagem, tempo de mistura e fora de penetrao. (RAMOS 2008)

A velocidade de rotao um parmetro de processo extremamente importante, j que

est fortemente associado ao aporte trmico durante a soldagem. Entretanto o aporte trmico

diretamente dependente da condio de rotao da ferramenta, ou seja, se o processo est em

condio de stick (adeso) ou de slip (deslizamento). Na condio de deslizamento ocorre

uma queda drstica no torque durante o processo, ou seja, a rotao da ferramenta est em

uma velocidade muito maior do que a do material adjacente, enquanto que na condio de

adeso uma quantidade maior de material movida. O aumento na velocidade de rotao

implica no aumento do aporte trmico, entretanto este efeito no tem relevncia quando

estamos em uma condio de deslizamento. Esta condio de deslizamento da ferramenta

possvel devido fuso localizada nas regies adjacentes ferramenta devido a ocorrncia de

picos de temperatura, o que acarretaria na ocorrncia destes fenmenos. (RAMOS 2008)

2.1.4 Relaes entre energia e entrada de calor

Os estudos realizados at agora sobre SFMM esto focados na otimizao dos

parmetros de soldagem. Esta no uma tarefa fcil, porque o aumento da velocidade de

avano da ferramenta provoca uma diminuio da entrada de calor. Como resultado, a

plasticidade e consequentemente o fluxo de material ficam dificultados, produzindo uma

solda com defeitos e propriedades mecnicas insatisfatrias (solda fria).

Para melhorar a entrada de calor, possvel usar maiores velocidades de rotao da

ferramenta, aumentando o atrito entre esta e a pea a ser soldada. No entanto, altas

velocidades de rotao implicam em calor excessivo. O material at pode derreter, (fundir)

resultando em propriedades mecnicas inferiores s desejadas comprometendo a qualidade da

solda (solda quente).

9

O valor ideal de temperatura alcanado prximo a temperatura euttica de cada liga,

onde alta conformabilidade sem fuso local pode ser obtida. (THOMAS 1998)

2.2 Ligas de Alumnio

As ligas de alumnio so divididas em duas categorias: Ligas fundidas e Ligas

trabalhadas. As ligas de alumnio so divididas em duas grandes sries, os materiais

pertencentes mesma srie apresentam em comum o principal elemento de liga utilizado. A

figura 1 mostra as diferentes espcies de ligas trabalhadas de alumnio (RAMOS 2008).

A classificao do alumnio e suas ligas feita segundo a especificao AAH35.1-

2000, da Aluminum Association (Aluminum Association 2000.). constituda de 4 dgitos,

sendo que o primeiro define o grupo da liga e indica seu principal elemento. O segundo dgito

indica se a liga a original (quando zero) ou se foi modificada (quando de 1 a 9). O grupo

2XXX compreende as ligas que tm o cobre como principal elemento de liga. Elas podem

apresentar corroso intergranular e, para minimizar este problema so utilizados, no caso de

chapas, revestimentos superficiais de alumnio (clad), que conferem uma proteo galvnica a

essas ligas. As principais aplicaes das ligas da srie 2XXX so na confeco de estruturas

primrias e secundrias de fuselagens e asas de avies, nas quais necessria a combinao

de elevados valores de tenacidade fratura e resistncia fadiga.

O estado de uma liga de alumnio designado como tmpera. O sistema de

nomenclatura da tmpera feito por meio de letras, e a letra T, seguida por um nmero de 1 a

10, aplica-se s ligas que sofreram tratamento trmico. A tmpera T8 indica que o material foi

Solubilizado, encruado e depois envelhecido artificialmente. As designaes T1 a T10 podem

ser seguidas de dgitos adicionais, que indicam uma variao no tratamento bsico. Assim, a

designao Tx51 aplica-se aos produtos submetidos a alvio de tenses por estiramento. No

estudo conduzido por Srivatsan e colaboradores (SRIVATSAN 2002.), observou-se que, em

todas as temperaturas testadas (-54, 27 e 94C), a resistncia fadiga dos corpos-de-prova

transversais ao sentido de laminao foi inferior quando comparada aos corpos-de-prova

longitudinais ensaiados mesma amplitude de tenso. O procedimento de pr-deformao ou

estiramento consiste em deformar plasticamente as chapas do material antes do uso em

servio, visando principalmente a elevao do seu limite de escoamento. Contudo, o

endurecimento obtido pode ter, em alguns casos, efeito adverso na resistncia fadiga ou

corroso por fadiga.

10

Figura 2.6 Desenho esquemtico mostrando as diferentes sries de ligas de alumnio

(RAMOS 2008)

2.2.1 Ligas de Alumnio-Ltio

Alm das ligas classificadas pela Aluminum Association como ligas das sries 1XXX

a 7XXX, existem outras ligas de alumnio, cujo principal elemento de liga diferente dos

elementos de liga mais significativos das ligas dessas sries. Entre estas esto as ligas

alumnio-ltio, desenvolvidas nos anos 80 como possveis alternativas s ligas da srie 7XXX

(Al-Zn) e que receberam a numerao da srie 8XXX, como as ligas 8090 e 8091, por

exemplo, alm de diversos outros tipos de liga, cujos principais elementos de liga so outros

que no o ltio, algumas dessas nem mesmo numeradas oficialmente pela AA. Estas ligas

constituem o tema do presente captulo.

As ligas binrias Al-Li esto entre as de mais baixa densidade entre as ligas de

alumnio, uma vez que a densidade do ltio ainda mais baixa do que a do alumnio: apenas

0,534 g/cm3, contra 2,70 g/cm3 no caso do alumnio, enquanto a maioria dos principais

elementos de liga geralmente adicionados ao alumnio tm densidade muito mais alta: 8,92

g/cm3 no caso do cobre, 7,14 g/cm3 no caso do zinco, 7,20 g/cm3 nos casos do mangans e

do cromo. Sendo assim a adio destes elementos de liga tem o efeito de aumentar a

densidade da liga de alumnio, ao contrrio do ltio. E, como se sabe, uma das principais

vantagens do uso das ligas de alumnio a sua baixa densidade, que aliada a uma boa

resistncia mecnica que pode ser obtida por meio de diferentes tipos de tratamentos trmicos

e mecnicos, as torna o tipo de material mais indicado para vrias aplicaes industriais. Nas

11

ligas Al-Li o teor de ltio que corresponde composio euttica de 9,9 % de ltio e a

temperatura euttica 600 C. O ltio possui elevada solubilidade no alumnio (mximo de 5,2

%) e as ligas binrias mostram aprecivel capacidade de endurecimento por precipitao, o

qual se deve formao da fase metaestvel e ordenada delta' (Al3Li) sob a forma de

precipitados finos e dispersos na matriz (HATCH 1990).

Alm das ligas binrias Al-Li surgiram com certa presena no mercado outras ligas

mais complexas que contm Li como um de seus principais elementos de liga, como as ligas

ternrias Al-Cu-Li e Al-Mg-Li. A adio de cobre s ligas do sistema binrio alumnio-ltio

reduz significativamente a solubilidade do ltio, para cerca de 1,5 % a 515 C. Para teores

mais baixos de ltio, h 3 fases em equilbrio com o alumnio: a TB, a T1 e a T2. A fase TB

a de composio Al7Cu4Li, correspondendo composio de 56,5 % de cobre e 1,5 % de ltio.

A estrutura semelhante da fase (precursora da fase : Al2Cu), formada nas ligas Al-Cu

endurecveis por precipitao. A fase T1 (Al2CuLi) contm cerca de 52,8 % de cobre e 5,4 %

de ltio. A fase T2 tem composio qumica prxima de AlCuLi3 (26,9 % de cobre e 8,8 % de

ltio). Dependendo da variao de temperatura e de composio qumica, podem ser variadas

as propores das fases TX e ', obtendo-se diferentes nveis de propriedades mecnicas.

Entre as liga Al-Cu-Li encontra-se a liga 2090 (HATCH 1990).

A adio de magnsio (densidade: 1,74 g/cm3) s ligas Al-Li, formando as ligas Al-

Mg-Li, reduz ainda mais a densidade, mas tem um efeito pouco significativo no mdulo de

elasticidade. A adio de magnsio tambm reduz a solubilidade do ltio no alumnio. A

presena do ltio restringe o domnio das fases Al8Mg5 e E (AlMg), expandindo porm o

campo de existncia da fase Al12Mg17 a 470 C. Sendo assim, o alumnio est em equilbrio

com ambas as fases Al8Mg5 e Al2Mg17, assim como com as fases Al2LiMg e AlLi. A fase

ternria Al2LiMg forma-se com aproximadamente 8,5 % de ltio e 28,2 % de magnsio. Ao se

envelhecer uma liga com 5 % de magnsio e 2 % de ltio na faixa de temperaturas de 130 a

180 C, surgem as fases (Al3Li) e Al2LiMg. Nas ligas Al-Mg-Li o magnsio contribui para

o aumento da resistncia mecnica de dois modos: atravs de endurecimento por soluo

slida e pelo decrscimo da solubilidade do ltio no alumnio, o que resulta em aumento na

frao volumtrica de delta' (SANDERS 1983).

12

2.2.2 Estrutura e Propriedades

No desenvolvimento de ligas de baixa densidade, a abordagem mais simples para

reduzir o peso de uma liga adicionar elementos com baixo peso atmico como elementos de

liga. No caso das ligas de alumnio, os elementos ltio e berlio so as adies metlicas mais

eficazes para a reduo da densidade. O ltio o elemento metlico mais leve, e a cada 1% de

ltio (acima do limite de solubilidade de 4,2% Li) reduz a densidade da liga em cerca de 3% e

o mdulo aumenta em torno de 5%. (STARKE et al 1981).

Alm disso, o ltio em pequenas quantidades permite o aumento do endurecimento por

precipitao do alumnio quando h uma distribuio homognea e coerente de precipitados

esfricos da fase Al3Li, formados durante o tratamento trmico. As caractersticas da

combinao entre reduo de densidade e endurecimento por precipitao, observadas na

presena do ltio, foram as principais razes para sua escolha como elemento de liga no

desenvolvimento de ligas a base de alumnio com baixa densidade.

Assim como outras ligas de alumnio endurecidas por precipitao, ligas de alumnio-

ltio conseguem obter este fenmeno aps um tratamento trmico de solubilizao. A

estrutura do precipitado sensvel a uma srie de variveis de processamento, incluindo mas

no limitados a taxa de resfriamento aps a solubilizao, o grau de deformao a frio antes

do envelhecimento e a temperatura e tempo de envelhecimento. Pequenos elementos de liga

podem tambm ter um efeito significativo sobre o processo de envelhecimento, alterando a

energia de interface do precipitado, aumentando a concentrao de vacncias e / ou atravs do

aumento da temperatura crtica para a precipitao homognea. Alm disso, a precipitao

heterognea nas interfaces de precipitados e contornos de gros (o que ocorre alm da

precipitao homognea da fase de reforo) pode ter um efeito adverso no comportamento

fratura. Dependendo da composio e temperatura, o tamanho relativo e frao de volume de

diferentes precipitados podem ser sistematicamente variados.

O endurecimento por precipitao de ligas de alumnio-ltio envolve a contnua

precipitao da fase (Al3Li) de uma soluo slida supersaturada. O alumnio e o ltio nos

precipitados so posicionados em locais especficos. Os oito cantos da clula unitria so

ocupados pelo alumnio. Isto d origem composio alumnio-ltio nos precipitados. A

semelhana geomtrica entre o retculo cristalino do precipitado e o reticulado cbico de face

centrada (CFC) da soluo slida facilita a observao da dependncia entre as orientaes

das duas fases. (NOBLE 1971), (WILLIAMS 1980)

13

Os parmetros de rede do precipitado esto estritamente alinhados aos da matriz.

Consequentemente, a microestrutura de uma liga de alumnio-ltio que passou por um

tratamento de solubilizao e envelhecimento por curto espao de tempo, caracterizada por

uma distribuio homognea de precipitados coerentes e esfricos da fase .

As ligas base de alumnio-ltio so microestruturalmente nicas. Elas diferem das

demais ligas de alumnio uma vez que os precipitados so homogneos e coerentes, mesmo

aps intenso envelhecimento. Embora a estrutura e a composio destes precipitados em

contornos de gro ainda no sejam exatamente compreendidos e a zona livre de precipitados,

perto das fronteiras de gros, podem desempenhar um papel importante no processo de

fratura.

A baixa ductilidade e tenacidade de ligas binrias de alumnio-ltio podem ser

resultantes, pelo menos em parte, natureza heterognea do seu deslizamento, resultando em

endurecimento por precipitao das partculas coerentes e esfricas de '. A presena de

precipitados em equilbrio (AlLi) nos contornos de gros tambm pode causar zonas livres

de precipitados, o que pode induzir a localizao de tenses e promover falha de natureza

intergranular. Por conseguinte, para o desenvolvimento de ligas comerciais, esta regio de

deslizamento pode ser homogeneizada atravs da introduo de dispersides (mangans,

zircnio) e precipitados semicoerentes / incoerentes, como T1 (Al2CuLi), (Al2Cu) ou S

(AlLiMg), atravs de adies de cobre ou magnsio .Desenvolvimentos em processamentos

termomecnicos vm otimizando as microestruturas de alumnio-ltio, obtendo melhores

combinaes de resistncia e tenacidade. (VENKATES et al 1998)

2.2.3. Ligas Comerciais

Classificao

As ligas de Alumnio-Ltio podem ser divididas em dois grupos: ligas ternrias

Alumnio-Ltio-Magnsio (Liga AA 01420) e ligas quaternrias Alumnio-Ltio-Cobre-

Magnsio. No segundo grupo encontra-se a maioria das ligas comercias utilizadas, dentre elas

as ligas: AA 8090, AA 2090, AA 2190, AA 2195 e AA 2198. Alm dos efeitos da adio de

ligas no endurecimento por soluo slida, importantes fases de reforo (Al3Li),

S(Al2CuMg) e T1 (Al2CuLi) so formadas aps envelhecimento e so dependentes da

composio de cada liga (QUIST 1989).

14

3.0. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL

3.1. Material

As chapas utilizadas neste trabalho pertencem liga AA 2198-T851. Sua composio

qumica segue na tabela 3.1. As caractersticas das ligas da srie 2XXX submetidas

condio T851 foram citadas anteriormente.

Tabela 3.1 Composio qumica da liga AA 2198-T851 utilizada nos testes.

Elemento Porcentagem em massa (%)

Al 97

Fe 0,046

Cu 3,2

Li 1

Mg 0,31

Mn 0,05

Ag 0,27

Si 0,03

Zn 0,014

Zr 0,076

3.2. Procedimento de Soldagem

As soldas por frico foram produzidas no instituto alemo GKSS, em juntas de topo e

bead on plate (BOP), que consiste em uma solda sem pino, somente ombro. Foi utilizado um

rob Neos Tricept TR 805 (Figura 3.1), capaz de mover-se em cinco eixos centrais,

controlado por um sistema CNC de comando Siemens Sinumeric 840D. Ainda, a fora axial e

15

a velocidade de rotao da ferramenta foram controladas por um sistema integrado,

desenvolvido no prprio instituto.

Figura 3.1 Neos Robotics Tricept 805 Robot e sistema de aquisio de dados.

A ferramenta utilizada consiste em um ombro com duas ranhuras (2Scr) com um pino

cnico com trs superfcies planas (figura 3.2). o dimetro do ombro 13 mm enquanto o

dimetro do pino de 5 mm. O sentido de rotao se torna importante para ombros

produzidos com as ranhuras, no sentido de levar o material em direo ao pino. O pino com

trs superfcies planas um perfil que deve gerar uma maior remoo de material e

deslocamento de um stio para outro.

16

Figura 3.2 Perfis do ombro em A e do pino em B, utilizados durante os procedimentos de

soldagem. O ombro apresenta duas ranhuras e o pino trifacetado.

Os procedimentos de soldagem esto divididos em seis velocidades de rotao da

ferramenta, combinados com trs diferentes velocidades de translao da mesma. A fora

axial da ferramenta utilizada foi de 9,5 kN e o ngulo, 0 ou 0,5. A tabela 3.2 indica os

parmetros adotados para cada amostra.

Tabela 3.2 Parmetros utilizados nos procedimentos de soldagem.

AmostraVelocidade de

Rotao (RPM)

Velocidade de Translao

(mm/minFora axial (kN) ngulo da Ferramenta

070518 A 1200 500 9,5 0

070518 B 1200 1000 9,5 0

070518 C 1200 500 9,5 0

070518 D 600 500 9,5 0

070518 E 600 250 9,5 0

070518 F 600 500 9,5 0

070518 G 2400 1000 9,5 0

070503 J 3000 1000 9,5 0

070503 K 2400 1000 9,5 0,5

070503 L 1800 1000 9,5 0,5

070503 M 1200 1000 9,5 0,5

Conforme descrito anteriormente, o objetivo deste trabalho a comparao das

propriedades das juntas soldadas frente s diferentes velocidades de rotao e translao e a

definio destes parmetros baseada na repetibilidade do processo.

As juntas soldadas foram realizadas em chapas de 3,2 mm (soldas de topo) e 4 mm

(sem pino) de espessura, com 395 mm de comprimento e 110 mm de largura. As chapas

foram confeccionadas de forma que o cordo de solda fosse paralelo ao sentido de laminao.

17

A qualidade de um cordo de solda verificada primeiramente atravs de anlise

visual. Ambos os lados do cordo deve estar isento de defeitos como porosidades ou falta de

penetrao. No sendo detectado nenhum defeito, so extrados os corpos de prova para a

realizao de ensaios de dobramento.

Ainda dentro do quesito repetibilidade, foram avaliadas tambm as temperaturas

envolvidas no processo atravs da medio por termopares. A figura 3.3 ilustra a posio

destes nas chapas. Foram utilizados 12 termopares, posicionados a partir de uma distncia

prxima ao ombro da ferramenta, de tal forma que no fossem destrudos durante o

procedimento de soldagem.

Figura 3.3 Disposio dos termopares nas chapas soldadas. Foram utilizados 12

termopares para a observao da temperatura durante o processo de SFMM.

A ausncia de defeitos (verificada pela metalografia) e por fim boa resistncia

mecnica (ensaios de trao e dureza) completam a inspeo para comprovao de um

procedimento confivel e repetvel.

3.3. Ensaios de Dobramento

O ensaio de dobramento um ensaio simples e rpido, realizado logo aps a

soldagem. Seu objetivo detectar defeitos no cordo de solda, como a falta de penetrao,

visto que este no visualmente detectado. Caso os resultados deste ensaio apresentem

resultados insatisfatrios, os parmetros so revisados a fim de aprimorar o processo. O

ensaio realizado fixando-se um dos lados da chapa soldada, atravs de um dispositivo

18

conforme ilustrado na figura 3.4, e aplicando uma fora no outro lado da chapa, fazendo com

que o cordo de solda sofra um dobramento.

Figura 3.4 Esquema ilustrando o ensaio de dobramento realizado aps a soldagem para

todas as amostras.

3.4 Anlise Metalogrfica

As anlises metalogrficas consistem na terceira parte da caracterizao de um cordo

de solda, seguindo uma ordem simples de realizao dos testes. Foram realizados ensaios

metalogrficos tanto para verificar a qualidade dos cordes de solda experimentais como as

condies de soldagem definitivas, para assegurar as boas condies.

Todos os corpos de prova foram preparados de acordo com o seguinte procedimento

metalogrfico:

o Corte transversal ao cordo de solda nas regies inicial e final em disco abrasivo

adequado espessura e dureza do material; para o material de base, corte nas trs

direes principais do material;

o Embutimento a frio em resina plstica;

o Lixamento automtico (lixas de granulometria 320, 500, 800, 1000,1200, 2400 e

4200) com rotao da lixa de 300 rpm, carga de 10N por corpo de prova, tempo de

lixamento de 1 minuto;

o Polimento inicial com pano de polimento trident Buehler e soluo com pasta

de diamante de 3 m de dimetro;

o Polimento final com pano de polimento mcroclot Buehler com soluo OPS

(SiO2 com dimetro mdio de 0,05 m);

o Limpeza em banho ultrassnico para remoo de possveis partculas aderidas;

19

o Ataque eletroltico com reagente Barkers (HBF e gua) por aproximadamente 2

minutos;

o Observao e documentao fotogrfica em microscpio tico Olympus PMG 3,

com luz polarizada.

o Observao e documentao fotogrfica em microscpio Eletrnico de Varredura.

o Foram realizadas macrografias para observao geral das regies abrangendo o

material de base do lado de avano e lado de recuo. Micrografias e fractografias

com distintas magnificaes foram realizadas nas diferentes regies da solda e do

material de base, com o objetivo de identificar e detalhar as transformaes

microestruturais impostas pelo processo.

3.5 Ensaios de Microdureza

Com o objetivo de avaliar as variaes de dureza resultantes do processo de soldagem,

foram realizados perfis de microdureza. Estes possibilitam uma avaliao das propriedades

mecnicas a partir do material de base, passando pelas zonas de solda e finalizando no

material de base do lado oposto. Estes perfis foram efetuados nas mesmas amostras utilizadas

para metalografia, conforme mostra a figura 3.5.

Figura 3.5 Figura mostrando o perfil de microdureza realizado nas amostras soldadas,

abrangendo o material de base, o lado de avano (esquerda) e o lado de recuo

(direita).

Os resultados dos ensaios so mostrados na forma de grficos. Os perfis de 50 mm de

comprimento foram iniciados no material de base do lado de recuo a aproximadamente 25

mm do centro da solda, passando por todas as regies da solda e finalizando no material de

base do lado de avano.

O equipamento utilizado foi um microdurmetro ultrassnico UT-100 com passo de

0,5 mm entre as indentaes, utilizando carga de 0,2 kg.

O procedimento est descrito a seguir:

o Pr-calibrao realizada em microdurmetro mecnico Zwick 3212;

o Levantamento de um valor mdio na regio do material de base;

20

o Posicionamento do corpo de prova paralelo a um dos eixos do microdurmetro

ultrassnico;

o Calibrao do microdurmetro ultrassnico realizando-se um perfil de 5

indentaes e ajustando o resultado de acordo com os dados obtidos da pr-

calibrao.

o Ajuste das cargas, passo e nmero de indentaes;

o Incio do teste;

o Leitura do resultado em planilha eletrnica, formato de grfico.

3.6 Ensaios de Trao

Para obteno dos dados de resistncia mecnica foram realizados ensaios de trao no

material de base e nas amostras soldadas A, E, H e F.

No material de base os corpos de prova foram confeccionados no sentido de laminao

(0) e transversais ao mesmo (90) seguindo a norma DIN 10002-130

como pode ser visto na

figura 3.6. Os corpos de prova soldados foram confeccionados na direo transversal

direo de soldagem, consequentemente transversal ao sentido da laminao, de forma que o

centro de solda esteja sempre situado no centro de l0

Os ensaios foram conduzidos em uma mquina universal de trao Zwick 1484, com

capacidade de 200 kN e velocidade de deslocamento transversal de 1 mm/min. A medio da

elongao foi realizada via sensor de deformao clip gauge, conectado ao corpo de prova

em um l0 de 60 mm.

21

Figura 3.6 Geometria dos corpos de prova utilizados nos ensaios de trao. As dimenses

esto em milmetros.

22

4. 0. RESULTADOS

4.1 Procedimento de Soldagem

Durante o processo de soldagem foram monitorados os dados de fora de soldagem,

rotao da ferramenta, velocidade de translao, torque, etc. A anlise destes dados permite

verificar a repetibilidade do processo. As figuras 4.1, 4.2, 4.3 e 4.4 so apresentados os

grficos da fora axial (N) e torque (Nm) em funo do tempo para as amostras J, K, L e M

(as maiores velocidades de rotao da ferramenta, de 3000, 2400, 1800 e 1200 rpm,

respectivamente).


amostra J (3000 rpm 1000 mm/min 9,5 kN)

23

Figura 4.2 Grfico da fora axial e torque versus tempo obtidos durante a soldagem da

amostra K (2400 rpm 1000 mm/min 9,5 kN)


amostra L (1800 rpm 1000 mm/min 9,5 kN)

24


amostra M (1200 rpm 1000 mm/min 9,5 kN)

Foram realizadas medidas de temperatura em algumas juntas, para avaliar seus nveis

atingidos. A anlise aprofundada das temperaturas no do escopo deste trabalho, porm

interessante uma breve observao de seu comportamento. Foram consideradas as medidas

das amostras J,K,L e M. As figuras 4.5 a 4.8 mostram os resultados obtidos.

Figura 4.5 Perfil de temperaturas medido durante a soldagem da amostra J (3000 rpm 1000 mm/min 9,5 kN)

25

Figura 4.6 Perfil de temperaturas medido durante a soldagem da amostra K (2400 rpm 1000 mm/min 9,5 kN)

Figura 4.7 Perfil de temperaturas medido durante a soldagem da amostra L (1800 rpm 1000 mm/min 9,5 kN)

26

Figura 4.8 Perfil de temperaturas medido durante a soldagem da amostra M (1200 rpm 1000 mm/min 9,5 kN)

4.2 Ensaios de Dobramento

As amostras foram testadas na regio de incio, meio e final do cordo de solda,

apresentando resultados satisfatrios , como mostrado na figura a seguir. Este o requisito

primordial para prosseguir com as prximas anlises.

Figura 4.9 Amostras submetidas aos ensaios de dobramento. Nenhuma apresentou

defeitos visualmente detectveis.

27

4.3. Anlise Metalogrfica

4.3.1. Microscopia tica e Microscopia Eletrnica de Varredura

A microestrutura do metal de base nas trs direes: transversal, longitudinal e de topo

so mostradas nas figuras de 4.10 a 4.12. possvel observar deformao nos gros, oriunda

da laminao.

Figura 4.10 Micrografia obtida da seo longitudinal do material de base. possvel

observar gros alongados devido deformao imposta pela laminao. Ataque

qumico: Barker.

28

Figura 4.11 Micrografia obtida de topo do material de base. Ataque qumico: Barker.

Figura 4.12 Micrografia obtida da seo transversal do material de base. Gros totalmente

deformados devido laminao. Ataque qumico: Barker.

As figuras esquemticas a seguir mostram a macroestrutura de todas a juntas soldadas

por SFMM utilizando Microscopia tica (MO). Em todas as figuras, o lado de avano da

junta est localizado no lado esquerdo de cada captura. Nestas macrografias possvel

observar as trs regies caractersticas de juntas soldadas por SFMM: zona de mistura (ZM),

29

zona termicamente afetada (ZTA) e zona termomecanicamente afetada (ZTMA). A zona de

mistura a zona central (cinza escuro), enquanto as outras duas zonas representam as regies

de transio entre a ZM e o material de base (MB). possvel observar a diferena no fluxo

de material, uma vez que no lado de avano h uma ntida transio que aparece mais

delineada do que no lado de recuo.

Primeiramente, as macrografias das soldas executadas apenas com ombro e em chapas

de 4 mm de espessura, sem pino (bead on plate - BOP), so mostradas para analisar a zona de

fluxo induzido pelo ombro para diferentes parmetros, citados nas figuras. Foi observado que

aumentando a velocidade de rotao, h uma diminuio na zona de fluxo de material

induzido pelo ombro, como mostra a figura 4.13.

As macrografias para as soldas de topo com diferentes velocidades de translao e

rotao da ferramenta so mostradas na figura 4.14. Pde-se observar que aumentando a

velocidade de translao, houve uma reduo da zona de mistura. Na micrografia referente

condio de 600 rpm - 500 mm/min - 9,5kN possvel observar a formao de uma pequena

cavidade, perto da regio inferior da zona de mistura, no lado de avano.

Usando uma velocidade de translao constante e aumentando a velocidade de

rotao, pode ser observada uma diminuio na zona de mistura (figura 4.15). Defeitos no

foram observados.

30

Figura 4.13 Macrografia das soldas realizadas sem pino (Bead on Plate BOP) para os diferentes parmetros adotados, que esto explicitados nas imagens. Ataque

qumico: Barker.

31

Figura 4.14 Macrografia das soldas realizadas de topo, para os diferentes parmetros

adotados, que esto explicitados nas imagens. Nota-se na amostra soldada com

600 rpm e 500 mm/min a presena de um vazio formado durante o processo de

SFMM. Ataque qumico: Barker.

32

Figura 4.15 Macrografia das soldas realizadas de topo com uma velocidade translacional

adotada constante, de 1000 mm/min e velocidades de rotao acima de 1200

rpm (amostras J,K,L e M). Ataque qumico: Barker.

O microscpio eletrnico de varredura (MEV) foi utilizado para investigar a

distribuio das partculas na ZM e na ZTMA nas amostras onde foi executada a solda com

velocidade de translao constante e velocidades de rotao acima de 1200 rpm. Uma

microssonda EDS acoplada ao MEV foi utilizada para determinar a natureza destas partculas

presentes.

A investigao atravs da microssonda EDS acoplada ao MEV mostra que as

partculas so (Al3Li), como mostra a figura 4.26. Uma diferena na distribuio destas foi

observada. Aumentando-se a velocidade de rotao, pde-se notar uma diminuio no

33

tamanho das partculas da fase devido a maior agitao. Para o parmetro de 3000 rpm,

possvel observar estas partculas distribudas preferencialmente nos contornos de gros.

Figura 4.16 Fractografia da Zona de Mistura (ZM) da amostra C (1200 rpm 500 mm/min 9,5 kN). Gros equiaxiais e a presena de partculas grosseiras de Al3Li dispersas podem ser observados. Ataque: Barker. Aumento: 2000X.

Figura 4.17 Fractografia da Zona Termomecanicamente Afetada (ZTMA) da amostra C,

(1200 rpm 500 mm/min 9,5 kN). Quase no pode ser notada a presena de partculas de Al3Li. Ataque: Barker. Aumento: 1000X.

34

Figura 4.18 Fractografia da Zona de Mistura (ZM) da amostra M (1200 rpm 1000 mm/min 9,5 kN). Pode ser observada a presena de finas partculas de Al3Li dispersas e gros equiaxiais. Ataque: Barker. Aumento: 2000X.

Figura 4.19 Fractografia da Zona Termomecanicamente Afetada (ZTMA) da amostra M,

(1200 rpm 1000 mm/min 9,5 kN). Nota-se a presena de partculas de Al3Li dispersas e grosseiras e gros alongados. Ataque: Barker. Aumento: 500

X.

35

Figura 4.20 Fractografia da Zona de Mistura (ZM) da amostra L (1800 rpm 1000 mm/min 9,5 kN). Nota-se a presena de partculas grosseiras de Al3Li dispersas e gros equiaxiais. Ataque: Barker. Aumento: 1000X.

Figura 4.21 Fractografia da Zona Termomecanicamente Afetada (ZTMA) da amostra L,

(1800 rpm 1000 mm/min 9,5 kN). Pode ser visto a zona de transio entre a ZTMA e a ZM. Nota-se a presena de partculas de Al3Li dispersas. Ataque:

Barker. Aumento: 500X.

36

Figura 4.22 Fractografia da Zona de Mistura (ZM) da amostra K, soldada com 2400 rpm 1000 mm/min 9,5 kN. Nota-se a presena de partculas de Al3Li dispersas e gros equiaxiais. Ataque: Barker. Aumento: 1000X.

Figura 4.23 Fractografia da Zona Termomecanicamente Afetada (ZTMA) da amostra K,

soldada com 2400 rpm 1000 mm/min 9,5 kN. Nota-se a presena de finas partculas de Al3Li dispersas. Ataque: Barker. Aumento: 1000X.

37

Figura 4.24 Fractografia da Zona de Mistura (ZM) da amostra J (3000 rpm 1000 mm/min 9,5 kN). Nota-se a presena de finas partculas de Al3Li dispersas preferencialmente nos contornos dos gros equiaxiais. Ataque: Barker.

Aumento: 2000X.

Figura 4.25 Fractografia da Zona Termomecanicamente Afetada (ZTMA) da amostra J,

(2400 rpm 1000 mm/min 9,5 kN). Nota-se a presena de partculas mais grosseiras de Al3Li dispersas. Ataque: Barker. Aumento: 1000X.

38

Figura 4.26 Fractografia evidenciando a presena de uma partcula, onde foi realizada a

anlise qumica em microssonda EDS. Abaixo o resultado da anlise,

comprovando tratar-se de uma partcula (Al3Li).

4.4 Caracterizao Mecnica

4.4.1. Ensaios de Microdureza

As figuras N e O apresentam os perfis de microdureza, para as soldas

realizadas sem pino (BOP) e as soldas de topo, respectivamente, para a investigao das

condies de soldagem. Os perfis foram realizados conforme citado anteriormetne na seo

3.5. Aqui possvel observar o comportamento da dureza das juntas soldadas da srie 2XXX

em relao aos parmetros de soldagem e o material de base. evidente atravs das medies

que as propriedades de dureza de todas as soldas da liga 2198-T8 so menores do que o

material de base. Cada perfil de microdureza mostra uma grande queda na dureza quando

39

passa da zona afetada pelo calor (em cada lado da junta) para o centro de cada solda. Os

resultados podem ser acompanhados nas figuras abaixo.

A temperatura apenas um fator influencivel na ZTA e, consequentemente, a

condio T8 revenida perde suas vantagens, isto , sofre uma queda de resistncia comparada

ao metal de base. Apesar de no ser investigado especula-se que as partculas foram

dissolvidas ou cresceram (sobre-envelhecimento) no interior dos gros, devido entrada de

calor gerado pelo processo causando, assim, uma diminuio substancial na dureza.

Figura 4.27 Perfis de dureza das soldas realizadas sem pino (BOP).

40

Figura 4.28 Perfis de dureza das soldas realizadas de topo.

4.3.2 Ensaios de Trao

Foram ensaiadas as amostras do material de base e as soldadas com velocidade de

translao constante de 1000 mm/min e velocidade rotacional acima de 1200 rpm, e para cada

condio, foram testados no mnimo trs corpos de prova. Os resultados esto mostrados nos

grficos a seguir.

41

Figura 4.29 Diagrama tenso deformao para o material de base AA 2198 T851.

Figura 4.30 Diagrama tenso deformao para a amostra M (1200 rpm-100 mm/min-

9,5kN).

42

Figura 4.31 Diagrama tenso deformao para a amostra L (1800 rpm-100 mm/min-

9,5kN).

Figura 4.32 Diagrama tenso deformao para a amostra K (2400 rpm-100 mm/min-

9,5kN).

43

Figura 4.33 Diagrama tenso deformao para a amostra J (3000 rpm-100 mm/min-9,5kN)

Atravs da anlise dos grficos, foi possvel observar um pequeno acrscimo nos

valores de tenso de escoamento para as amostras soldadas em relao ao material de base,

sendo que um decrscimo foi observado na amostra J, que sofreu ruptura antes de entrar no

regime plstico.

Em termos de alongamento, possvel observar um grande decrscimo nos valores

obtidos nas juntas soldadas.

No houve fratura em nenhum corpo de prova na regio do centro da solda,

demonstrando que o processo de soldagem no apresenta descontinuidades. A localizao da

fratura foi junto ZTA (figura 4.34), o que denota uma degradao nas propriedades

mecnicas nesta regio, confirmando os resultados obtidos dos perfis de microdureza.

Figura 4.34 Regio de fratura dos corpos de prova ensaiados por trao. Pode ser

observado que a fratura no ocorreu na regio da solda.

44

5.0 DISCUSSO DOS RESULTADOS

O objetivo principal das anlises realizadas caracterizar as propriedades mecnicas

das juntas soldadas pelo processo de frico e mistura mecnica. A comparao entre os

materiais originais e os soldados por determinadas condies de soldagem, realizada em

todo procedimento experimental envolvendo o assunto em questo.

O primeiro passo para obter uma solda de boa qualidade o procedimento adequado

de soldagem. Por tratar-se de um processo robotizado foi possvel fazer a leitura e controle

das variveis envolvidas no processo. Como o processo de soldagem com altas velocidades

no ainda muito difundido, o controle, anlise e possibilidade de repetio dos parmetros

foi de suma importncia.

A temperatura de soldagem se apresenta bem abaixo dos nveis conhecidos dos

processos convencionais, pois este d-se totalmente sem fuso do material. A influncia da

velocidade fica clara ao observar que, aumentando-se seus valores, a temperatura mxima

atingida aumenta, fato que est diretamente ligado quantidade de energia absorvida pelo

material.

O aumento da velocidade provoca uma diminuio do torque da ferramenta, devido

predominncia da condio de deslizamento citada na seo 2.1.3.

Os ensaios de dobramento, cujos resultados so requisito para seguir adiante com o

procedimento de soldagem, ajudaram a detectar defeitos como falta de penetrao do pino,

causados por dimenso inadequada ou fora de soldagem insuficiente nas primeiras tentativas.

Porm, os procedimentos foram aperfeioados e apresentaram resultados satisfatrios nos

testes iniciais.

Os aspectos macrogrficos observados indicam uma diferena aparente entre as

velocidades de soldagem. O cordo de solda assume um formato trapezoidal para baixas

velocidades de translao e um estreitamento da superfcie para as altas velocidades. Isto

deve-se ao fato de o tempo de interao entre o pino e o material adjacente diminuir medida

que a velocidade de soldagem aumenta, sendo a quantidade de material misturada pelo pino

menor, formando assim uma regio menor de gros recristalizados e refinados.

45

Fica clara a influncia da velocidade tambm nas zonas caractersticas de solda,

embora sejam difceis de ser identificadas via microscopia tica.

As anlises realizadas via Microscpio Eletrnico de Varredura mostram os gros

recristalizados e equiaxiais na zona de mistura, bem como uma mistura de gros equiaxiais e

alongados na zona termomecanicamente afetada. A natureza destas partculas fica evidenciada

como sendo Al3Li atravs da anlise em microssonda EDS acoplada ao MEV. A distribuio

destas fica em maior parte nos contornos de gros quando altas velocidades de rotao so

adotadas, acima de 1200 rpm, e seu tamanho menor devido a maior agitao. Quando

adotadas menores velocidades de rotao (abaixo de 1200 rpm) as partculas apresentam-se

dispersas e grosseiras.

Os perfis de microdureza mostram uma queda da dureza na regio termicamente

afetada.

As tenses de escoamento e ruptura para as amostras soldadas quando comparadas ao

metal de base apresentam valores satisfatrios, uma vez que os resultados esto acima da

faixa de 90% da resistncia do material de base. Exceto para a amostra J, soldada a uma

velocidade de rotao de 3000 rpm, onde o valor destas tenses ficaram abaixo da faixa

especificada. Esta queda deve-se a precipitao das partculas darem-se preferencialmente

nos contornos de gro, fragilizando assim o material.

Dos ensaios de trao, foram identificadas as posies de fratura e esta identifica uma

regio de degradao das propriedades mecnicas, que esto de acordo com as quedas nos

perfis de microdureza exatamente nestas posies de ruptura, junto zona termicamente

afetada.

46

6.0 CONCLUSES

Os ensaios de dobramento, cujos resultados so requisito para seguir adiante com o

procedimento de soldagem, foram satisfatrios.

As soldas realizadas com velocidade constante de translao de 1000 mm/min e com

altas velocidades de rotao, exceto com 3000 rpm, apresentaram resultados satisfatrios

quanto s propriedades mecnicas e metalrgicas.

O aumento da velocidade de rotao diminui o torque da ferramenta, resultado da

condio de deslizamento entre a ferramenta e a pea de trabalho.

O cordo de solda assume um formato trapezoidal para baixas velocidades de

translao e um estreitamento da superfcie para as altas velocidades.

A natureza destas partculas fica evidenciada como sendo Al3Li atravs da anlise em

microssonda EDS acoplada ao MEV. A distribuio das destas ficam em maior parte nos

contornos de gros quando altas velocidades de rotao so adotadas, acima de 1200 rpm, e

seu tamanho menor devido a maior agitao. Quando adotadas menores velocidades de

rotao (abaixo de 1200 rpm) as partculas apresentam-se dispersas e grosseiras.

Os perfis de microdureza mostram uma queda da dureza na regio termicamente

afetada.

As tenses de escoamento e ruptura para as amostras soldadas quando comparadas ao

metal de base apresentaram valores satisfatrios.

Aumentando-se os valores de velocidade de rotao da ferramenta, a temperatura

mxima atingida aumenta, fato que est diretamente ligado quantidade de energia absorvida

pelo material.

47

7.0 REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS

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p.1337-1371, USA, 1993

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