Sobreposição e Cruzamento de Soldas por Fricção Linear FSW

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1 (Double and Cross Friction Stir Welding) Márcio Rogério dos Santos 1, Marcelo Pavan Kuri 1, Nelson Guedes de Alcântara 1, Jorge Fernandez dos Santos 2 1 UFSCar, Departamento de Engenharia de Materiais / Laboratório de Soldagem, São Carlos, São Paulo, Brasil. marcior.santos@gmail.com, nelsong@power.ufscar.br 2 GKSS Forchungszentrum, Joining Technology Group, Geesthacht, Alemanha. jorge.dos.santos@gkss.de Resumo O processo de soldagem por fricção linear - FSW Friction Stir Welding, por ser um processo no estado sólido está sendo cada vez mais utilizado na indústria aeronáutica, principalmente nas ligas de alumínio 2024 e 7075, já que as mesmas usualmente apresentam defeitos ao serem soldadas pelos processos convencionais envolvendo fusão. Na indústria aeronáutica, especificamente para a fabricação das asas dos aviões, estes materiais são utilizados e, além disto, é inevitável a sobreposição e cruzamento de soldas, cujas propriedades e características finais são pouco conhecidas. Este trabalho apresenta resultados de um estudo da sobreposição de soldas de topo obtidas por FSW da liga de alumínio 2024-T351, incluindo análise dos ciclos térmicos e ensaios de microdureza e tração. Neste trabalho também será apresentado um estudo metalográfico de cruzamentos de soldas em juntas dissimilares sobrepostas das ligas de Alumínio 2024-T351 e 7075-T351. Com a sobreposição de soldas em juntas de topo, a resistência à tração se manteve praticamente igual a da junta com passe simples, não comprometendo a qualidade final das juntas soldadas. O cruzamento de soldas FSW em juntas sobrepostas produz juntas de boa qualidade do ponto de vista microestrutural. Palavras-chave: Soldagem por fricção linear;sobreposição de soldas;cruzamento de soldas. Abstract: Friction Stir Welding process FSW is being widely used by the aircraft industry, mainly to weld Al 2024 and Al 7075 alloys, as it does not present the usual defects showed by the conventional fusion welding processes. To produce aircraft wings, usually is required double and cross welds in aluminum alloys. The properties of these welds still are not known. This work presents the results of the study of a double weld made by FSW in Al 2024 T-351 through thermal cycles, tensile and microhardness tests; and a metallographic study of the Al 2024 T-351 and Al 7075 T-351 alloys cross overlap FSW. Mechanical properties of double FSW showed similar to simple welds. Cross overlap FSW produced joints without microstructural defects. Key-words: Friction stir welding; Double welding; Cross welding 1 - Introdução No setor aeronáutico a busca por redução de peso das aeronaves e, um consequente aumento na autonomia de vôo, redução no gasto de combustíveis, além da diminuição na emissão de gases poluentes é desejada. Uma possível solução para redução do peso seria a diminuição da utilização de rebites, já que o peso dos mesmos, dependendo do tamanho do avião, pode representar até 10% do peso total [1]. Tipicamente estes rebites são aplicados na fixação da fuselagem na estrutura do avião. A utilização de processos de soldagem em substituição aos rebites tem sido objeto de pesquisa principalmente com (Recebido em 28/04/2005; Texto Final em 06/10/2005) Trabalho baseado em versão apresentada no 59º Congresso Anual Internacional da ABM 19 a 22 de julho de 2004 São Paulo SP - Brasil. o processo de soldagem por fricção linear FSW Friction Stir Welding [2]. Este processo é realizado sem a fusão dos materiais envolvidos, minimizando os possíveis problemas metalúrgicos, tais como porosidade e defeitos volumétricos [3]. Como exemplo, um protótipo de aeronave comercial fabricado conseguiu reduzir 60 % dos rebites através da utilização do processo de soldagem FSW [1]. Em especial, este processo FSW tem uma aplicação potencial para a fabricação de asas de aviões, visto que os materiais utilizados nestas partes, as ligas de alumínio 2024 (fuselagem) e 7075 (estrutura da asa), geralmente apresentam defeitos quando soldados por processos convencionais por fusão [4,5]. Na produção das asas dos aviões, por possuírem design não convencional, dois tipos de soldas são inevitáveis: sobreposição (realização de um cordão de solda se sobrepondo exatamente sobre outro realizado 155

2 Santos, M. R.; Kuri, M. P.; Alcântara, N. G.; Santos, J. F. Figura 1 Ilustração da utilização do FSW para solda em asas de aeronaves; (a) e (b) são diferentes estruturas da asa e (c) e (d) mostram as estruturas cobertas com fuselagem eos cordões de solda de de FSW (cortesia GKSS). anteriormente), e cruzamento (intersecção entre dois cordões de solda) de soldas cujas propriedades são muito pouco conhecidas. Isto também é importante quando se pensa em realizar reparos em cordões de solda de FSW. O estudo da sobreposição e cruzamento de soldas por FSW em ligas de alumínio aplicadas na indústria aeronáutica é o objeto de estudo deste trabalho. Este trabalho foi desenvolvido em parceira com uma indústria aeronáutica, já que a intensão desta empresa é fabricar asas de aviões com os processos FSW. Os principais materiais utilizados para a fabricação de asas de aviões são as ligas de alumínio 2024 (fuselagem) e 7075 (estrutura da asa), sendo que a Figura 1 ilustra a utilização do FSW para unir a fuselagem à estrutura da asa de uma aeronave. Convém salientar que o lado cujo sentido da velocidade tangencial da ferramenta está no mesmo sentido que a direção de soldagem é denominado lado de avanço, enquanto que o lado cujo sentido da velocidade tangencial é oposto ao sentido de soldagem é denominado lado de retrocesso [3]. 2 - Revisão Bibliográfica Soldagem por Fricção Linear FSW O processo de Soldagem por Fricção Linear FSW Friction Stir Welding foi desenvolvido e patenteado pelo TWI The Welding Institute, Cambrigde - Inglaterra [6]. Este é um processo de soldagem no estado sólido, no qual uma ferramenta cilíndrica, com um pino rebaixado, é rotacionada e introduzida nas partes a soldar. A rotação da ferramenta dentro das peças promove o aquecimento do metal ao redor do pino, produzindo uma região plastificada. O calor gerado é resultado da alta velocidade de rotação e a força axial aplicada, devido ao contato de fricção entre a ferramenta com pino rebaixado. Este material é deslocado da parte posterior da ferramenta para a anterior. O princípio de funcionamento é ilustrado na Figura 2 [7]. Figura 2 Ilustração do processo FSW [7]. O alumínio e suas ligas tem sido o alvo inicial para o desenvolvimento e aperfeiçoamento do processo de soldagem FSW. Entretanto, este processo de soldagem também pode ser aplicado em outros materiais tais como, cobre, titânio, magnésio, zinco e chumbo, e mesmo em chapas de aço e de materiais dissimilares tais como, magnésio fundido e ligas de alumínio extrudadas [8]. 156

3 2.2 - Soldas Sobrepostas por FSW A metalurgia do material soldado por FSW em juntas sobrepostas é similar à de juntas de topo de acordo com Cederqvist e Reynolds [9]. Para produzir uma penetração total nas juntas de topo, a ponta do pino da ferramenta deve estar próxima à superfície inferior da chapa. Geralmente para se realizar uma junta sobreposta, a ponta do pino da ferramenta deve atravessar a chapa superior até a metade da chapa inferior, criando a união entre as duas chapas [9]. A Figura 3 mostra uma representação geral da junta sobreposta soldada por FSW, com a distribuição de tensões. Figura 3 Distribuição de tensões nas juntas sobrepostas [9]. 3 Métodos Utilizados O processo de soldagem utilizado foi o de Soldagem por Fricção Linear FSW, sendo que as soldas foram realizadas utilizando uma ferramenta com pino rebaixado, fixado ao robô TRICEPT 805 (Figura 4), em juntas de topo e em juntas com chapas sobrepostas, como descrito na Tabela 1. Figura 4 Robô TRICEPT 805, campo de trabalho e valores máximos de parâmetros atingidos (propriedade do instituto alemão GKSS). Tabela 1 Condições de soldagem utilizadas 157

4 Santos, M. R.; Kuri, M. P.; Alcântara, N. G.; Santos, J. F. 3.1 Sobreposição de Soldas em Juntas de Topo O estudo da sobreposição de cordões de solda é importante, pois caso o segundo cordão de solda não afete significativamente as propriedades da solda, reparos poderiam ser feitos caso haja algum defeito no primeiro cordão de solda. A sobreposição de cordões de solda está mostrada na Figura 5, para a avaliação da influência do segundo cordão de solda nas propriedades finais destas juntas. Para realização de soldas sobrepostas em juntas de topo utilizando chapas da liga Al 2024-T351, utilizou-se os parâmetros descritos na Tabela 1 (melhor combinação de parâmetros obtida com soldas simples). 4 Resultados e Discussões 4.1 Sobreposição de Soldas Visando estudar a influência do segundo passe de solda nas propriedades mecânicas finais das juntas, foram realizadas soldas de topo por FSW na liga de alumínio 2024 T-351 com um único passe. Posteriormente, com os mesmos parâmetros utilizados anteriormente, foram realizadas soldas com dois passes, sendo o segundo sobreposto ao primeiro. O resultado destas soldas simples com um único passe e sobrepostas com dois passes foram comparados através do monitoramento dos ciclos térmicos e de ensaios de tração e microdureza Ciclos Térmicos Os resultados dos ciclos térmicos obtidos durante o processo de soldagem por FSW nas juntas de topo com passe simples e sobrepostos da liga de alumínio 2024 T-351 são apresentados na Figura 7 e Figura 8, respectivamente. Figura 5 Esquema de sobreposição para soldas em juntas de topo, 1º cordão de FSW (já realizado) e 2º cordão (sobreposto ao primeiro, sendo realizado), os pontos com as identificações mostram onde foram colocados os termopares para captação da temperatura durante a soldagem Essas amostras soldadas foram analisadas através dos ciclos térmicos, ensaios de microdureza, tração bem como análise microestrutural através de microscopia ótica e microscopia eletrônica de varredura. 3.2 Cruzamento de Soldas em Juntas Sobrepostas Os cruzamentos de cordões de soldas em juntas sobrepostas foram realizados com chapas das ligas Al T351 (chapa superior) e Al 7075-T351 (chapa inferior), utilizando-se os parâmetros descritos na Tabela 1 (melhor combinação de parâmetros obtida com soldas simples). O esquema de como foram realizados os cordões de solda está mostrado na Figura 6, e tem como objetivo avaliar a influência do cruzamento dos cordões de solda na qualidade microestrutural destas juntas. Figura 6 Esquema do cruzamento de soldas em juntas sobrepostas, cordões de FSW e a ferramenta. Figura 7 Ciclos térmicos obtidos das amostras com passe simples: (a) lado de retrocesso, (b) lado de avanço 158

5 Comparando os dois ciclos térmicos do lado de retrocesso da amostra simples (Figura 7 (a)) e o mesmo lado da amostra com cordões sobrepostos (Figura 8 (a)), nota-se que a temperatura máxima atingida pelo ciclo térmico na solda simples chegou a 396ºC, temperatura esta mais elevada que a temperatura máxima obtida pelo ciclo na amostra com sobreposição de soldas, que foi de 355 ºC. Já no lado de avanço da amostra simples (Figura 7(b)) e sobreposta (Figura (b)), observa-se que a temperatura máxima obtida pelo ciclo na amostra com sobreposição de soldas, que foi de 395 ºC, é mais elevada que a temperatura máxima atingida pelo ciclo térmico na solda simples que chegou a 383 ºC, Smith et al [10] relatam um maior aquecimento da região do lado de avanço da ferramenta em relação à região do lado de retrocesso, entretanto, no presente trabalho este efeito foi verificado somente para as amostras com passes sobrepostos Microdureza Figura 8 Ciclos térmicos obtidos das amostras com passes sobrepostos: (a) lado de retrocesso, (b) lado de avanço. O resultado dos ensaios de microdureza em juntas de topo soldadas por FSW com passe simples e sobrepostos da liga de alumínio 2024 T-351 são apresentados na Figura 9. Nota-se por estes perfis de microdureza apresentados na Figura 9 que a amostra com sobreposição de soldas apresenta valores de microdureza, na região da Zona Afetada Termicamente (ZAT), ligeiramente inferiores aos apresentados pela solda simples. Esta perda de dureza na amostra feita com a sobreposição dos cordões frente a Figura 9 Microdurezas obtidas nas soldas simples e sobrepostas. 159

6 Santos, M. R.; Kuri, M. P.; Alcântara, N. G.; Santos, J. F. amostra simples se deve principalmente ao coalescimento das partículas endurecedoras (no caso da liga Al 2 Cu), perdendo coerência com a matriz e provocando o superenvelhecimento. Isto ocorreu devido à amostra com sobreposição de cordões de solda ter sido afetada tanto pela temperatura imposta pelo ciclo térmico da primeira solda, como da segunda. Entretanto as perdas de resistência nessa região não devem ser muito significativas, já que a diminuição de dureza não é foi tão acentuada. Na região do centro da solda, também chamada de nugget ou lente de soldagem, as soldas simples e com sobreposição não apresentaram diferenças significativas nos valores de dureza encontrados, provavelmente porque as temperaturas atingidas na região foram suficientes para recolocar os precipitados em solução sólida e precipitá-los novamente durante o resfriamento da peça Tração Os resultados dos ensaios de tração em juntas de topo soldadas por FSW com passe simples e sobrepostos, da liga de alumínio 2024 T-351, são apresentados na Figura 10. A partir da Figura 10, observa-se que a amostra com sobreposição de cordões de solda (b) apresentou uma deformação ligeiramente maior durante o ensaio de tração que a solda simples (a) (9,6% comparado a 8,4%). A lente de soldagem é a região que sofre maior grau de deformação e as maiores temperaturas e, devido a isso, ocorre o processo de recristalização dinâmica contínua. Durante o processo de FSW os contornos de grão originais são substituídos por grãos finos, equiaxiais e recristalizados no nugget em um processo similar ao trabalho a quente. Evidências microestruturais mostram que os núcleos recristalizados formados e o movimento dos contornos de grão não ocorrem por um processo de recristalização descontinua, mas sim de forma contínua. O grau de recristalização ocorrido na região é fortemente dependente da temperatura e do grau de deformação imposto na região. O aumento da deformação evidenciada nos ensaios de tração indica que pode ter havido um incremento no grau de recristalização já iniciado na solda simples. A resistência à tração apresentada pela amostra com sobreposição de cordões de solda foi praticamente a mesma que a apresentada pela amostra simples, com isto pode-se afirmar que a sobreposição de cordões de soldas não é tão influente na resistência mecânica final da junta com sobreposição de cordões de solda. 4.2 Cruzamento de Soldas Com o objetivo de estudar a influência do cruzamento de soldas na microestrutura final de juntas sobrepostas, foram realizados cruzamentos de soldas por FSW em juntas sobrepostas dissimilares com ligas de alumínio 2024 T-351 (chapa superior) e 7075 T-351 (chapa inferior). Para a análise metalográfica dos cruzamentos das soldas foram retiradas as amostras segundo o esquema mostrado na Figura 11. Figura 10 Ensaios de tração para a amostra simples (a) e sobreposta (b), pra cada tipo de solda foram realizados dois ensaios, sendo os resultados obtidos semelhantes. Figura 11 Esquema dos cruzamentos de soldas e indicação dos locais de onde foram retiradas as amostras para metalografia. 160

7 Figura 12 Metalografia das amostras 3 e 4 indicadas na figura 11, apresentando em destaque os sentidos da primeira e segunda solda. Na Figura 12 são apresentadas as amostras: (a) retirada longitudinalmente da 1º solda e, (b) retirada longitudinalmente da 2º solda. Os círculos indicados na Figura 12 (a) mostram que não acorreu o principal problema encontrado em soldas com juntas sobrepostas, que é o defeito de raiz, resultante de uma geometria pontiaguda na interface entre as duas chapas, prevista por Cederqvis e Reynolds [9]. Além disto, a geometria da lente de soldagem foi bem uniforme mostrando que houve uma boa mistura dos materiais e uma homogeneidade final da solda, conforme mostrado na Figura 12 (b). Portanto, não foi constatado que o movimento dos materiais do lado de retração da ferramenta e, consequentemente, a mistura dos mesmos tenha sido menor do que a ocorrida do lado de avanço da ferramenta, como que previa Reynolds [11]. Além das amostras transversais, para que se pudesse fazer uma análise metalográfica mais completa, foram também retiradas as amostras paralelas às chapas como mostradas no esquema na Figura 11 (amostras 1 e 2). Para a obtenção da amostra 1, o procedimento adotado foi o lixamento da superfície paralela às chapas até a metade da chapa superior. Na Figura 13 apresenta-se uma macrografia e alguns detalhes da amostra 1. Figura 13 Metalografia da amostra 1 (metade da espessura da chapa superior). 161

8 Santos, M. R.; Kuri, M. P.; Alcântara, N. G.; Santos, J. F. Figura 14 Metalografia da amostra 2 (0,5 mm abaixo da superfície da chapa inferior). O procedimento adotado para obtenção da amostra 2 foi o lixamento da superfície paralela às chapas até a 0,5 mm abaixo da superfície da chapa inferior. A figura 14 apresenta uma macrografia e alguns detalhes da amostra 2. Da análise destas imagens, nota-se que na metade da chapa superior (Figura 13), os cantos da intersecção das duas soldas não são muito nítidos devido à movimentação do material durante a realização dos segundo cordão de solda, Figura 13 (a), (d), (g) e (i). Já a 0,5 mm da superfície da chapa inferior (Figura 14), isto não é tão acentuado, visto que os cantos da intersecção das soldas são bem nítidos, Figura 14 (a), (c), (e) e (g). Além disto, um aumento no refino dos grãos pode ser observado na região de intersecção das soldas, tanto na metade da chapa superior (Figura 13 (h)), assim como a 0,5mm da superfície da chapa inferior (Figura 14 (f)). Isso era esperado já que o processo FSW promove refino de grão no centro do cordão de solda [7]. Também era esperado um maior refino de grão nos cantos do cruzamento dos dois cordões de solda, fato este representado pela Figura 13 (a), (d), (g) e (i) e Figura 14 (a), (c), (e) e (g). Isto demonstra que o cruzamento de solda produz uma microestrutura mais refinada na região, com boa geometria da lente de soldagem, evitando o defeito de raiz, resultando em uma boa qualidade das soldas do ponto de vista microestrutural. Como resultado tem-se que o cruzamento de solda não comprometeu a qualidade das soldas do ponto de vista microestrutural. 5 - Conclusões Com a sobreposição de soldas FSW na liga Al 2024 T- 351 em juntas de topo, o lado da solda que atinge uma temperatura mais elevada é o lado de avanço, e apesar disso a resistência à tração se manteve praticamente igual a da junta com passe simples, não comprometendo a qualidade final das juntas soldadas. O cruzamento de soldas FSW nas ligas Al 2024 T-351 (superior) e 7075 T-351 (inferior) em juntas sobrepostas, produz uma microestrutura mais refinada na região do cruzamento, com boa geometria da lente de soldagem, sem defeito de raiz, e resultando em soldas de boa qualidade do ponto de vista microestrutural. 6 - Agradecimentos Os autores agradecem a CAPES, FAPESP, PPG-CEM / DEMa e ao Joining Technology Group do Instituto de pesquisa alemão GKSS pelo apoio ao presente trabalho. 162

9 7 - Referências [1] HANSEN M. A. Cooler Weld, Mechanical Engineering Design. p [2] KNISTROEM, K.E. Friction stir welding process goes commercial. Welding Journal, p [3] DAWES, C. J. Friction stir joining of aluminium alloys. Bulletin 6 TWI In: International Symposium on Friction Stir Welding, 1, 1999, California. p [4] TALWAR, R., BOLSER, D, LEDERICH, J, BAUMANN, J. Friction Stir welding of airframe structures. In: 2 nd International Symposium on Friction Stir Welding. Gothenburg, Sweden, p [5] PEDWELL R., DAVIES H., JEFERSON A. The Aplication of Friction Stir Welding to Aircraft Wing Structures. California. p [6] TWI. UK Patent Application - Friction Stir Welding. p [7] KALLE, S., NICHOLAS, D., Friction Stir Welding at TWI. Disponível em: < Acesso em: 12 janeiro [8] KALLEE, S.; MISTRY, A. Friction Stir welding in automotive body in white production. In: International Symposium on Friction Stir Welding, 1, 1999, California. p [9] CEDERQVIST. L., REYNOLDS. A.P. Factors Affecting the Properties of Friction Stir Welded Aluminum Lap Joints. 1 st International Symposium on Friction Stir Welding, Thousand Oaks, CA. p [10] SMITH C. B., BENDZSAK G. B., NORTH T. H., HINRICHS J. F., NORUK J. S., HEIDMAN R. J. Heat and Material Flow Modeling of the Friction Stir Welding Process, 9 th International Conference on Computer Technology in Welding. Mi. US. p [11] REYNOLDS A. P., SEIDEL T. U., SIMONSEN M. Visualization of Material Flow in an Autogenous Friction Stir Weld. 1 st International Symposium on Friction Stir Welding, Thousand Oaks, CA. p