ALTERNATIVA À SOLDAGEM DE LIGAS LEVES: SOLDAGEM POR FRICÇÃO

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1 ALTERNATIVA À SOLDAGEM DE LIGAS LEVES: SOLDAGEM POR FRICÇÃO Camilo Bento Carletti Dr. Nelson Guedes de Alcântara Dr. Claudemiro Bolfarini Dr. Jorge Fernandez dos Santos GKSS - Research Centre, Max Planck Strasse 21502, Geesthacht, Alemanha jorge.dos.santos@gkss.de Christoph Schilling GKSS - Research Centre, Max Planck Strasse 21502, Geesthacht, Alemanha christoph.schilling@gkss.de Resumo O desenvolvimento da indústria automobilística e aeronáutica está relacionado com novas aplicações de materiais de engenharia e o desenvolvimento de técnicas inovadoras de manufatura para os mesmos. A crescente utilização de ligas leves na área de transportes, principalmente as ligas de alumínio, e seu vasto potencial de aplicações motivaram o desenvolvimento do processo de Soldagem por Fricção - Friction Stir Welding FSW - que até o momento é a alternativa mais viável para união destes materiais justamente por ser um processo de soldagem do estado sólido, ou seja, sem fusão do material, e que supera todas a dificuldades de união apresentadas pela ligas leves. Serão apresentados resultados de propriedades mecânicas e caracterização microestrutural das juntas soldadas, suas vantagens, aplicações e uma de suas implementações, o processo de Soldagem por Fricção por Ponto - Friction Stir Spot Welding FSSW - que foi desenvolvido como alternativa à substituição de rebites e soldas por resistência por ponto. Palavras chave: Ligas Leves, Soldagem, Fricção, Estado Sólido

2 1. INTRODUÇÃO Seguindo a tendência mundial para a produção de veículos que tenham um maior desempenho com uma menor emissão de gases poluentes há um grande interesse por parte dos fabricantes de automóveis, melhor dizendo, da indústria de modo geral, no desenvolvimento de novas técnicas de manufatura aplicadas a materiais alternativos. Segundo Carle et al (1999) o chassi dos automóveis, por exemplo, contribui com cerca de 25% do peso do veículo e a aplicação de ligas leves, tais como alumínio, constitui uma promissora alternativa à redução de peso, ou seja, menor consumo de combustível e menor emissão de poluentes, além de outras vantagens subseqüentes. A redução de peso em estruturas também é assunto de primeira ordem na indústria aeroespacial, já que a utilização de rebites é responsável por um aumento considerável no peso da aeronave. A crescente utilização de alumínio e suas ligas deve-se principalmente as características do material, como baixa densidade (2,7 g/cm 3 ), que é cerca de 1/3 da densidade do aço, e boas propriedades mecânicas. ( 2000) Substituindo materiais mais pesados por alumínio o peso médio de um automóvel pode vir a ser reduzido em 300 kg, o que significa uma economia de 3000 l de combustível durante a vida útil do veículo e a emissão de gases poluentes é reduzida em 20%. ( 2000) A figura 1, a seguir, indica a quantidade de alumínio presente nos modelos norte americanos fabricados em 1999 pelas 3 maiores montadoras dos EUA. Figura 1 Quantidade de Al utilizada por montadoras dos EUA em Luo et al (2000) Apesar da aplicação de alumínio e suas ligas na estrutura dos automóveis ser uma solução viável a redução de peso dos mesmos, este tipo de material apresenta características, tais como, alta refletividade e a presença de camada de óxido na superfície do material, que dificultam sua união por processos de soldagem convencionais. Assim sendo, foi desenvolvido no TWI - The Welding Institute o processo de soldagem Friction Stir Welding - FSW, que é um processo de soldagem por fricção e até o momento é uma das melhores soluções encontradas para a soldagem de alumínio e suas ligas. Os resultados obtidos pela caracterização das soldas FSW são tão promissores que o processo vem sofrendo algumas implementações, dentre as quais, Friction Stir Spot Welding FSSW, que de modo geral, são soldas realizadas por FSW em pequenas extensões com o intuito de substituir soldas por ponto e rebites O Processo FSW FSW é um processo de soldagem no estado sólido relativamente simples, derivado do processo de soldagem por fricção, no qual uma ferramenta cilíndrica, com um pino rebaixado, é rotacionada e introduzida nas partes a soldar. O processo opera em temperaturas abaixo do ponto de fusão do material e pode ser aplicado desde as ligas alumínio lítio, que geralmente não são soldadas pelo processo convencionais de

3 fusão, até ligas dissimilares. Outro aspecto importante do processo é a possibilidade de soldar chapas com espessuras que variam desde 1,2mm a 75mm, segundo Kalle et al (1999). A figura 2 ilustra a operação do processo FSW. A seguir éá apresentada a descrição do seu princípio de funcionamento. Figura 2 - Ilustração do processo FSW A ferramenta rotativa é acoplada entre as duas partes a serem soldadas, que estão fixas pelo sistema de fixação de garras a um suporte; O movimento de avanço da ferramenta é iniciado. O calor utilizado no processo é decorrente do movimento relativo entre a ferramenta e as peças a serem soldadas, havendo contato íntimo entre os mesmos e aplicação de alta pressão. O material em contato com a parte posterior do rebaixo é aquecido e seu esforço de deformação plástica é reduzido. O contínuo avanço da ferramenta comprime o material aquecido entre o pino e o material "frio" que não está em contato com o pino, ou seja, conforme há o avanço da ferramenta, o material aquecido é extrudado ao redor do pino. A parte anterior da ferramenta rebaixada passa sobre a parte extrudada do material forjando-o e alcançando a consolidação, conforme Reynolds et al (1999). A figura 3 ilustra com mais detalhes a ferramenta utilizada no processo FSW. Figura 3 Ferramenta utilizada no processo FSW Variáveis do Processo Dentre as variáveis do processo estão: a) Velocidade de soldagem: têm forte influência no aporte térmico/unidade de comprimento interferindo no escoamento do material e produzindo soldas com defeito, segundo Threadgill et al (1999) b) Velocidade de rotação: Para proporcionar melhores aportes térmicos utilizam-se altos valores de velocidade de rotação, que acarretam no aumento da fricção entre a ferramenta e a peça, aumentando assim a geração de calor. Entretanto, as altas velocidades de rotação podem produzir calor excessivo e deteriorar a qualidade da solda, assim como, o "efeito" de fricção ser substituído pelo polimento, segundo Threadgill et al (1999).

4 c) Projeto de ferramenta: A ferramenta é a essência do processo FSW e pode ser divida em duas partes, rebaixo e pino. O rebaixo foi desenvolvido para aplicar uma força de compressão vertical que é responsável pela geração de calor - cerca de 90% do calor utilizado no processo é gerado pelo rebaixo - e para conter o movimento vertical do material plasticizado, forjando-o. Quanto ao pino, o mesmo tem como principal função promover o movimento do material plasticizado, sendo que seu perfil tem forte influência nas propriedades mecânicas e metalúrgicas da solda obtida. d) Profundidade de penetração: A profundidade de penetração não sendo adequada aumenta a probabilidade de surgimento de defeitos volumétricos, sendo que um dos principais defeitos encontrados nas soldas é o chamado kissing bond, que se trata de uma região abaixo do pino fracamente ligada. e) Diferença de espessura entre as chapas: Avaliando a influência da espessura das chapas e tendo como controle de qualidade o limite de resistência, com a tecnologia disponível, a máxima diferença permitida entre as espessuras é de 20% sem que haja detrimento das propriedades mecânicas das soldas Vantagens e Desvantagens Uma das principais vantagens do processo é a possibilidade quase ilimitada de operação em todas as posições e tipos de juntas, conforme é mostrado na figura 4. Figura 4 - Possíveis geometrias de juntas usando FSW A: Junta de topo; B: Junta sobreposta e de topo; C: Junta sobreposta em passe único; D: Multi passe; E : 3 Juntas de ângulo em T; F : 2 peças em junta sobreposta; G: Junta de ângulo; H : Junta de ângulo. Dawes et al (1999) Outras vantagens são: Baixa distorção das peças; Não há porosidade; Eficiência energética; O processo é susceptível a automação; Não requer consumíveis, metal de adição ou gás de proteção; Não requer tratamento prévio das juntas a serem soldadas; Defeitos relacionados a fusão do material são eliminadas; A composição química das ligas de alumínio é preservada; Baixo custo de equipamentos, as soldas podem ser feitas em uma fresadora. Contudo, o processo apresenta algumas desvantagens e limitações: Baixa velocidade de soldagem comparada com os processos convencionais por fusão; As peças devem ser rigidamente presas; A utilização de equipamento portátil é limitada devido ao sistema de fixação das peças; Presença de um furo no final do cordão de solda após término do processo de soldagem.

5 1.4. Aplicações Como uma das principais alternativas a soldagem de ligas leves, FSW encontra aplicação nos mais diversos setores de produção, conforme é mostrado na tabela 1. Indústria Aeroespacial Produção de Alumínio Automotiva Construção Ferroviária Refrigeração Construção Naval Vasos de Pressão Tabela 1 - Aplicações de FSW Aplicações Estruturas, tanques de combustível, foguetes Tubos soldados e peças de grandes dimensões Chassis, rodas, chapas sobrepostas, tanques de combutível e estruturas Pontes e plataformas de petróleo Vagões e chassis Tubos criogênicos e trocadores de calor Estruturas internas e casco Recipientes para gases líquidos 2. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL No presente trabalho foram soldadas chapas sobrepostas de 1,5mm e 3,0mm, respectivamente superior e inferior, da liga de alumínio 6061-T4. A composição química da liga é indicada na tabela 2, a seguir. Tabela 2 - Composição Química Composição Química (% em peso) Si Cu Mg Cr Al 0,56 0,31 1,16 0,25 97,72 Considerando-se que as soldas FSSW são potenciais substitutos de soldas de resistência por ponto e rebites, baseando-se na equação (1) desenvolvida por Schilling et al (2000) foi possível converter o comprimento do cordão de solda em um diâmetro equivalente de uma solda de resistência por ponto. Assim, soldas com comprimentos de 8, 10 e 18mm foram transformados em diâmetros equivalentes de 6, 7 e 8mm, respectivamente. L = π D 2 + 2,5 (1) 4d Onde: L - Comprimento do cordão de solda; D Diâmetro da solda por ponto (por resistência) d Diâmetro do pino.

6 Neste trabalho as soldas com diâmetro equivalente de 6, 7 e 8mm são designadas respectivamente pelas letras D, E e F. As soldas foram realizadas por uma fresadora, na qual foi acoplada uma ferramenta com pino de 5mm de diâmetro, diâmetro do rebaixo de 15mm e velocidade de soldagem de 400mm/min. A caracterização das soldas envolveu análise microestrutural, ensaio de microdureza e ensaio de tração. Para a análise microestrutural foram utilizadas amostras retiradas transversalmente ao cordão de solda com comprimento de 30mm e 10mm de largura. A seguir foram submetidas a sequência convencional de preparação, lixamento e polimento com pasta de diamante e solução de OPS (SiO 2 ). Para o ataque químico utilizou-se o reagente Flick (90 ml H 2 O + 15mL HCl + 10 HF) para a observação da macro e microestrutura. As medidas de microdureza foram realizadas pelo equipamento Shimadzu HV50, sendo que a distância entre cada identação foi de 0,5mm. O ensaio de tração foi realizado no equipamento da marca Zwick com capacidade carga de 100 KN, utilizando uma distância entre as garras de 40mm e velocidade de afastamento entre as garras de 0,1 mm/s 3. RESULTADOS E DISCUSSÃO 3.1. Caracterização das Soldas Todas as soldas obtidas apresentaram superfície uniforme, livre de defeitos superficiais ou qualquer descontinuidade, como é apresentada na figura 5. A presença de semicírculos na superfície é devido ao movimento de avanço da ferramenta e o furo remanescente indica o final da solda. Figura 5 Aspecto superficial da solda obtida. Com relação à análise macroestrutural da área de secção transversal, as soldas analisadas não apresentaram nenhuma descontinuidade ou defeito, como pode ser observado na figura 6. Isto sugere que os parâmetros de soldagem adotados, como velocidade de rotação da ferramenta e velocidade de soldagem foram apropriados para variação de diâmetro equivalente.

7 Figura 6 Análise macrográfica das soldas obtidas por FSSW em chapas sobrepostas. Deste modo, a diferença de comprimento entre os cordões, ou melhor, os vários valores de diâmetro equivalente não afetam a forma da lente de soldagem. Outro aspecto importante revelado pela análise macroestrutural é o paralelismo da superfície entre as chapas soldadas, pois este é mais um indicativo de que os parâmetros de soldagem adotados foram apropriados para o tipo de junta e variáveis utilizados. Com relação à microestrutura apresentada pelas amostras, há a presença de quatro regiões bem definidas na junta soldada: a lente de soldagem nugget, a zona afetada termomecanicamente (ZATM), a zona afetada termicamente (ZAT) e o metal de base. Assim, a figura 7, a seguir, indica com mais clareza as regiões presentes e sua distribuição para o tipo de junta utilizado neste trabalho. Figura 7 - Regiões microestruturais formadas em chapas sobrepostas pelo processo FSSW. A lente de soldagem apresenta microestrutura recristalizada com grãos equiaxiais, enquanto que na ZATM há grãos parcialmente recristalizados, que é resultado das taxas de deformação e temperaturas aplicadas. Um ponto importante na ZATM é a mudança abruta na orientação dos grãos devido a as taxas de deformação aplicadas. Na ZAT devido aos efeitos dos ciclos térmicos há o fenômeno de superenvelhecimento, que promove uma diminuição de dureza nesta região. A formação das microestruturas na junta soldada está intimamente ligada com a geração de calor, ou seja, temperaturas desenvolvidas e ação dos ciclos térmicos. Assim como na análise macroestrutural, todas a amostras apresentaram a mesma microestrutura, isto é, novamente o fato haver soldas com comprimentos diferentes, diferentes valores de diâmetro equivalente, indica que não há nenhuma influência desta variável quanto à formação da lente de soldagem e regiões microestruturais Microdureza A figura 8, a seguir, ilustra o perfil de microdureza para a série E, diâmetro equivalente de 7mm.

8 Figura 8 - Perfil de microdureza para a série E (chapa superior 1,5 mm) A análise da figura acima indica, como já era de se esperar, a diminuição de microdureza através da junta soldada em comparação com o metal de base, que apresentou um valor de dureza de 90 Hv. A delimitação de cada região microestrutural é uma função das dimensões da ferramenta, isto é, segundo Threadgill et al (1999) as dimensões da lente de soldagem são ligeiramente maiores do que o diâmetro do pino e, o tamanho da ZTMA é semelhante ao valor do diâmetro do rebaixo. Deste modo é possível identificar as regiões que apresentam menor valor de microdureza e futuramente correlacioná-las com as propriedades mecânicas do material. Todas as amostras analisadas apresentaram os menores valores de dureza situados na ZTMA, ou seja, na região mais afetada pela taxa de deformação imposta pela ferramenta. Os efeitos na ZTMA causados pela taxa de deformação aplicada e temperaturas desenvolvidas indicam que nesta região há recristalização parcial, com reorientação dos grãos em 90 0 (análise metalográfica) e coalescência com redistribuição dos precipitados endurecedores responsáveis pelo endurecimento efetivo do material. Os efeitos dos parâmetros de processo também podem ser notados nas outras regiões, por exemplo, os valores de microdureza na ZAT indicam que esta região foi sujeita ao superenvelhecimento, enquanto que, na lente de soldagem os valores de microdureza indicam a recristalização da região Ensaio de Cisalhamento O ensaio de cisalhamento é um meio de quantificar a qualidade da solda e o grau de repetibilidade do processo de soldagem. Assim sendo, os resultados obtidos para os diferentes valores de diâmetro equivalente são apresentados na tabela 3, a seguir. Tabela 3 - Resultados experimentais envolvendo carga máxima (F M ), carga na ruptura (F R ) e alongamento até a ruptura ( L ) Série F M (KN) F R (KN) L (mm) D(6mm) 6,2 5,3 1,01 E(7mm) 7,6 6,4 1,12 F(10mm) 11,0 10,8 1,17 A análise dos dados da tabela 3 indica que não houve uma grande variabilidade quanto aos valores de F R, F M e L, ou seja, isto é um indicativo do grau de repetibilidade do processo, além disso, como praticamente todas séries apresentaram a mesma microestrutura, há o indicativo que a resistência ao cisalhamento de chapas sobrepostas soldas por FSSW depende do valor do diâmetro equivalente.

9 A figura 9 mostra graficamente os resultados apresentados pela tabela 3. Figura 9 - Variação de força e alongamento para diferentes valores de diâmetro de ponto. Analisando-se a figura 9 acima nota-se que para uma mesma série os resultados são uniformes, ou seja, isto é um indício do grau de repetibilidade do processo. Além disso, o aumento da carga máxima atingida é proporcional ao aumento do diâmetro equivalente, ou seja, o aumento nas dimensões no diâmetro equivalente proporciona um aumento de área útil a qual será submetida ao cisalhamento necessitando assim de maiores cargas. 4. CONCLUSÕES Os parâmetros de soldagem adotados foram ideais para a produção de soldas livres de defeitos; O processo FSSW produz soldas com um alto nível de repetibilidade; A resistência à tração das chapas sobrepostas é proporcional ao tamanho do diâmetro equivalente das soldas; Os efeitos dos ciclos térmicos são diferentes para cada região da junta soldada. 5. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem ao corpo técnico do instituto GKSS e a FAPESP pelo apoio e concessão da bolsa de mestrado. 6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS Carle, D., Blount, G., 1999, The suitability of aluminum as an alternative material for car bodies, Materials and Design, pp World-aluminum, URL European Aluminum Association, 1998, consultado em Abril/2000. Luo, A., 2000, Magnesium Current and Potential Automotive Applications, JOM, pp Kalle, S., Mistry, A., 1999, A Friction Stir Welding in Automotive Body in White Production, Proceeding of 1 st International Symposium on Friction Stir Welding, California, USA, pp Reynolds, A., Seidel, P., Simonsen, T., S., 1999, Visualization of Material Flow in Autogenous in Friction Stir Weld, Proceeding of 1 st International Symposium on Friction Stir Welding, California, USA, pp Threadgill, P., 1999, Friction Stir Welding The State of the Art, TWI Report.

10 Dawes, J., 1999, Friction Stir Joining of Aluminum Alloys, Proceeding of 1 st International Symposium on Friction Stir Welding, California, USA, pp Schilling, C., von Strombeck, A., dos Santos, J., F., 2000, A Preliminary Investigation on the Static Properties of Friction Stir Spot Welds, Proceeding of 2 nd International Symposium on Friction Stir Welding, Gotemburgo, Suécia, pp1-12. Friction Welding: An Alternative to Lightweight Alloys Welding Camilo Bento Carletti pcamilo@iris.ufscar.br Dr. Nelson Guedes de Alcântara nelsong@power.ufscar.br Dr. Claudemiro Bolfarini cbolfa@power.ufscar.br Dr. Jorge Fernandez dos Santos GKSS - Research Centre, Max Planck Strasse 21502, Geesthacht, Alemanha jorge.dos.santos@gkss.de Christoph Schilling GKSS - Research Centre, Max Planck Strasse 21502, Geesthacht, Alemanha christoph.schilling@gkss.de Abstract. The development of the automotive and aerospace industry is related with new materials applications and the development of new manufacturing processes. The use of lightweight alloys in transportation area, mainly aluminum alloys, is motivating the development of the welding process known as Friction Stir Welding FSW, which is nowadays the most viable alternative to join this material. In this work it will be shown an evaluation of mechanical properties and microstructural characterization of FSSW welds, which is an adoption of FSW process for overlap joints. Keywords: Lightweight Alloys, Welding, Friction, Solid State.

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