Caracterização de materiais soldados com base na medição de campos de condutividade elétrica

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1 Workshop: Técnicas avançadas nos processos de ligação e consolidação Caracterização de materiais soldados com base na medição de campos de condutividade elétrica Telmo G. Santos Rosa Miranda Pedro Vilaça Pamies Teixeira F. Braz Fernandes Teses MSc na FCT-UNL: João Faria, 2010 Gonçalo Bernardo, 2012 Gonçalo Sorger, 2013 a UNIDEMI, Departamento de Engenharia Mecânica e Industrial, Faculdade de Ciências e Tecnologia, Universidade Nova de Lisboa, Caparica, Portugal * do autor correspondente: telmo.santos@fct.unl.pt Lisboa, 1 de Outubro de 2013 Estrutura da Apresentação 1) Introdução: problema e motivação 2) Medição de condutividade elétrica - Correntes Induzidas; - Sondas de 4 pontos; - Dispositivos automatizados de medição. 3) Propriedades que afetam a condutividade - Limites de grão, forma e distribuição de precipitados; - Deformação plástica. 4) Caracterização do perfil de condutividade - Ligas de alumínio; - Ligas de aço 5) Conclusões - Processamento no estado sólido (SFL e PFL); - Processamento por fusão (MAG e TIG) 2 1

2 Processamento de Materiais no Estado Sólido Processamento por Fricção Linear (PFL); Friction Stir Hydro Pillar Processing (FHPP); Friction Stir Surface (FSS); Objectivo: Alterar as propriedades do material (Dureza, ductilidade, desgaste) Soldadura por Fricção Linear (FSP); Soldadura por Fricção (SF); Friction Spot Welding (FSpW); Soldadura por Ultra-Sons (SUS); Processamento de Matérias no Estado Sólido. Alteração de propriedades: - Mecânicas - Metalúrgicas - Físicas e Químicas Objectivo: Ligar materiais -> As alterações do material são uma consequência acidental do processo. 3 Motivação e Objectivos Em todos estes processos a condutividade eléctrica também é alterada, em alguns casos significativamente! 1. Este fenómeno não é explorado como mais valia industrial ou tecnológica; 2. A caracterização das alterações de condutividade não está devidamente compreendida e descrita; 3. Este conhecimento é fundamental p.e. para a aplicação de END por métodos eléctricos; 4. Utilizar como método de caracterização de juntas soldadas. O objectivo: Caracterizar e compreender as variações dos campos de condutividade eléctrica em diferentes materiais processadas no estado sólido e por fusão. 4 2

3 Aplicação a caracterização de materiais AA7075-T6 5 Aplicação a caracterização de materiais Macro AA7075-T6 Condutividade eléctrica Dureza 6 3

4 Aplicação a caracterização de materiais AA6013-T6 Variação de ~3%IACS 7 Aplicação a caracterização de materiais AA5083-H

5 Condutividade vs Dureza Dureza Condutividade Elétrica Área medida μm 3-5 mm Fenómeno envolvido Macro (Dislocations and Precipitates) Micro (Electronic Mobility) Condutividade: Não destrutiva e sem necessidade de preparar amostras (em alguns casos); Medição entre pontos tão próxima quanto se quiser; Muito mais rápido. 9 3) Medição de condutividade elétrica 10 5

6 Medição de condutividade elétrica Condutividade elétrica (σ) - Medida da capacidade de um material para conduzir corrente elétrica; - Unidades SI: [S m 1 ] - Unidade mais usada em END: [%IACS] (International Annealed Copper Standard); (100 %IACS = 5.8x10 7 S m 1 ) - É o inverso da resistividade elétrica (ρ) [Ω m]: σ = 1/ ρ; E J Definição exata E [V/m]: Campo elétrico J [A m 2 ]: Densidade de corrente Variação com a temperatura ( T ) 0 0 ( T T0 ) ρ 0 : Resistividade intrinseca ρ l: Rede cristalina; ρ i: Impurezas e defeitos; ρ S: Deformação pástica; 0 Regra de Matthiessen l i s 11 Medição de condutividade elétrica 0 ( T T )

7 Medição de condutividade elétrica Medição de Condutividade elétrica (σ) Ensaios por Correntes Induzidas Ensaios de queda de potencial (Sondas de 4 pontos) 13 Medição de condutividade elétrica Medição com correntes induzidas (CI) 14 7

8 Medição de condutividade elétrica Medição com correntes induzidas (CI) Profundidade de penetração ( f,, ) 1 f 15 Medição de condutividade elétrica Medição com correntes induzidas (CI) Sonda helicoidal cilíndrica Circulação das CI na superfície do material Sonda espiral plana 16 8

9 Medição de condutividade elétrica Medição com sonda de 4 pontos s Material semi-infinito (t>>s) t V ln(2) I t Chapa fina (t<s) V 2 d I N. Bowler, Theory of four-point direct-current potential drop measurements on a metal plate, Research in Nondestructive Evaluation, vol. 17, no. 1, pp , Medição de condutividade elétrica Medição com sonda de 4 pontos Vantagens relativamente aos ensaios por correntes induzidas: Aumento de resolução espacial (reduzindo a distância entre pontos); Medições segundo uma direção. Permite avaliar a anisotropia dos materiais. Geometria da sonda: Alinhamento linear dos pontos de contacto. 18 9

10 Medição de condutividade elétrica 19 Medição de condutividade elétrica 20 10

11 Medição de condutividade elétrica Simplesmente apoiado Ventosas 21 3) Propriedades do material que afetam a condutividade 22 11

12 Propriedades que afetam a condutividade A condutividade eléctrica de materiais metálicos depende de vários factores: Factores de origem mecânica (M): ε Extensão (mm / mm) S Tensões (MPa) D Defeitos Macro = f (,S, D, P,G) Factores de origem térmica (T): P Precipitados (Quantidade e morfologia) G Grão (Forma e dimensão) M T Existem factores que são concorrentes, isto é, que contribuem directa ou inversamente para o aumento da condutividade; Estas variáveis estão acopladas, ou seja, não são independentes umas das outras. É difícil avaliar a contribuição de cada um dos factores independentemente Avaliação do efeito da extensão (ε): Propriedades que afetam a condutividade f S, D, P, G Constante Provetes de diferentes Ligas de Al Forma paralelipipédica Deformação na prensa Hidráulica Ensaio de compressão entre pratos planos com diferentes níveis de extensão 24 12

13 Propriedades que afetam a condutividade Condutividade eléctrica Dureza f S, D, P, G Constante A condutividade elétrica não se mostra muito dependente da extensão. 25 Propriedades que afetam a condutividade 2. Avaliação do efeito da extensão e do tamanho de grão (G): f, G S, D, P Constante Material: Laminated plates AA1100 with 10 mm thick Processamento por Fricção Linear Quente 1120 Frio Material Al Cr Cu Fe Mg Mn Si Ti Zn AA v v 355 Base 19 8 Tipo Plana com 2 estrias com p=2 Pino Cónico Roscado M8 triflute 26 13

14 Propriedades que afetam a condutividade Liga AA100 Processamento realizado a quente f, G S, D, P Constante Processamento realizado a Frio A condutividade elétrica é mais alterada em processamentos a quente: em que o grão é menor 27 4) Caracterização do perfil de condutividade 28 14

15 Caracterização do perfil de condutividade 3. Avaliação da condutividade em função da extensão, dos precipitados e do tamanho de grão: Ligas: AA5083-H111 AA6061-T6 AA7075-T6 AlScMg Processamento por Fricção Linear Quente v 180 Frio v 355 f, G, P S, D Constante 29 Caracterização do perfil de condutividade Liga AA7075-T6 Processamento realizado a quente f, G, P S, D Constante Processamento realizado a Frio A condutividade elétrica é mais alterada em processamentos a quente 30 15

16 Caracterização do perfil de condutividade Liga AA5083-H111 Processamento realizado a quente f, G, P S, D Constante Processamento realizado a Frio A condutividade elétrica é menos alterada nas ligas não tratáveis termicamente 31 Caracterização do perfil de condutividade Liga AA6061-T6 Processamento realizado a quente f, G, P S, D Constante Processamento realizado a Frio A condutividade elétrica é sensível a heterogeneidades nos cordões de soldadura 32 16

17 Caracterização do perfil de condutividade Liga AlScMg Processamento realizado a baixa pressão f, G, P S, D Constante Processamento realizado com maior pressão 33 Caracterização do perfil de condutividade AlMgSc Ω [rev/min] V [mm/min] Ratio Ω/V [rev/mm]

18 Caracterização do perfil de condutividade Comparação relativa entre todas as ligas Processamento realizado a quente Processamento realizado a Frio 35 Caracterização do perfil de condutividade 36 18

19 Caracterização do perfil de condutividade 5. Análise da variação da condutividade em profundidade. Maquinação em rampa ou em degraus ao longo do cordão 37 Caracterização do perfil de condutividade 38 19

20 Caracterização do perfil de condutividade Liga AA7075-T6 - variação da condutividade em profundidade f, G, P S, D Constante Processamento realizado a quente 39 Caracterização do perfil de condutividade 4. Avaliação do efeito da sobreposição de cordões de SFL; 40 20

21 Caracterização do perfil de condutividade Definition: Overlap Ratio, OR 1 probe Where: d probe Mean probe diameter S d Step distance between runs d S d 1 full overlap 0 contact with no overlap < 0 no overlap 4 different overlap ratios OR = [ -1 ; 0 ; 0.5 ; 1 ] OR = 1 OR = 0 Note: all runs have same direction OR = 0.5 OR = 1 41 Caracterização do perfil de condutividade Processamento realizado a quente OL = 1/

22 Caracterização do perfil de condutividade Liga AA1100 Processamento realizado a Quente com OL = 1 43 Caracterização do perfil de condutividade Processamento realizado a quente OL = 1 f, G S, D, P Constante 44 22

23 Caracterização do perfil de condutividade OL = 0Ø Liga AA1100 X 4 Processamento realizado a Quente com 4 passagens (na mesma direcção) f, G S, D, P Constante 45 Caracterização do perfil de condutividade Aço Inox 304 Processamento: TIG Profundidade de medição: 1 mm; Frequência de inspeção: 250 khz. 2,9 %IACS 1 %IACS 46 23

24 Caracterização do perfil de condutividade Chumbo Processamento por Fricção Linear (PFL) Profundidade de medição: 1 mm; Frequência de inspeção: 400 khz. 8,8 %IACS 8,6 %IACS 47 Caracterização do perfil de condutividade 48 24

25 Caracterização do perfil de condutividade 49 Caracterização do perfil de condutividade 50 25

26 5) Conclusões 51 Conclusões (1) 1) A medição da condutividade elétrica (CE) demonstra ser uma técnica expedita para fornecer informação relevante acerca da microestrutura de materiais processados quer no estado sólido, quer por fusão. 2) Na maior parte da condições (materiais e processos) o perfil de CE pode relacionar-se com o perfil de dureza de uma forma compreensível e intuitiva. 3) Por se basear em fenómenos físicos diferentes a condutividade eléctrica fornece, em alguns casos, informação mais útil e pertinente do que a dureza, sendo o procedimento mais simples e rápido. (p.e. liga AA5083-H111 com SFL a quente) 4) A CE não apresenta variações significativas em função da extensão, mesmo para extensões em que a dureza aumenta consideravelmente

27 Conclusões (2) 5) No processamento no estado sólido a condutividade elétrica decresce tipicamente no nugget e aumenta na zona afetada termicamente. 6) liga AA7075-T6 processada por SFL a quente apresentou a maior variação de condutividade (7 % IACS). Para esta liga o máximo da condutividade ocorre na ZAC. O perfil de condutividade é qualitativamente inverso ao perfil de dureza. 7) As ligas não tratáveis termicamente (AA5083-H111, AlMgSc) apresentam uma variação de condutividade muito reduzida, mesmo quando processada a quente. 8) Um dos principais factores que afecta a CE no processamento no estado sólido é o tamanho dos limites de grão. 9) A CE permite caracterizar a morfologia da ligação brasada, a sua extensão axial e a secção transversal. 53 Publicações Internacionais (ISI) Telmo G. Santos, F. Braz Fernandes, G. Bernardo, R. M. Miranda, Analyzing mechanical properties and nondestructive characteristics of brazed joints of NiTi shape memory alloys to carbon steel rods, The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 66(6-8), pp , DOI: /s y. Telmo G. Santos, R. M. Miranda, Pedro Vilaça, J. Pamies Teixeira, Jorge dos Santos, Microstructural Mapping of Friction Stir Welded AA7075-T6 and AlMgSc Alloys Using Electrical Conductivity, Science and Technology of Welding and Joining, 16(7), pp , DOI: / Y Telmo G. Santos, R. M. Miranda, Pedro Vilaça, Pamies Teixeira, Modification of Electrical Conductivity by Friction Stir Processing in Aluminium Alloys, The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 57(5), pp , DOI: /s T. G. Santos P. Vilaça, R. M. Miranda, Electrical conductivity field analysis for evaluation of FSW joints in AA6013 and AA7075 alloys, Journal of Materials Processing Technology 211, 2011 pp DOI: /j.jmatprotec