COMPORTAMENTO MECÂNICO DE FIOS DE LIGA COM MEMÓRIA DE FORMA NI-TI SOLDADOS POR PULSOS DE TIG: INFLUÊNCIA DO TRATAMENTO TÉRMICO DE PRÉ-SOLDAGEM

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1 COMPORTAMENTO MECÂNICO DE FIOS DE LIGA COM MEMÓRIA DE FORMA NI-TI SOLDADOS POR PULSOS DE TIG: INFLUÊNCIA DO TRATAMENTO TÉRMICO DE PRÉ-SOLDAGEM L. F. A. Rodrigues, F. A. Amorim, J. V. Q. Marques, C. J. de Araújo Universidade Federal de Campina Grande (UFCG) Av. Aprígio Veloso, 882, Bairro Universitário, CEP: , Campina Grande PB. RESUMO Neste trabalho foi realizada uma análise experimental da influência de tratamentos térmicos a diferentes temperaturas sobre o comportamento mecânico de fios de liga Ni-Ti com efeito de memória de forma soldados por pulsos de TIG. Para isso, fios de Ni-Ti com diâmetro de 1,5 mm, no estado como recebidos, foram previamente tratados termicamente a 45 C, 55 C e 65 C por 2 min. Parte dos fios foram cortados e unidos por pulsos de solda TIG. A partir da obtenção das juntas soldadas foram realizados testes de tração para verificar os níveis de tensão e deformação máximos alcançados pelas juntas em comparação com o material integro. Também foi realizada microscopia ótica das juntas para verificar o aspecto da região soldada. Além disso, amostras dos fios foram submetidas a ensaios de calorimetria diferencial de varredura (DSC) para verificar a influência da soldagem nas temperaturas de transformação de fase dos fios de LMF. Foi observado que a temperatura do tratamento térmico tem influência direta nas propriedades mecânicas dos fios Ni-Ti contendo as juntas de solda, alterando consideravelmente os níveis de tensão e deformação máxima além de promover alterações na transformação de fase do material. Palavras-chave: Soldagem TIG, Ligas com Memória de Forma, Ni-Ti, Comportamento Mecânico. 4716

2 INTRODUÇÃO As ligas com memória de forma (LMF) são materiais metálicos que podem sofrer grandes deformações (até 8 %) de maneira reversível, quando submetidas a variações de temperatura ou simples carregamento e descarregamento mecânico. Portanto, são materiais avançados, funcionais, considerados elementos sensoatuadores por natureza. O processamento destas LMF através de processos de soldagem pode promover o desenvolvimento de atuadores com formatos mais complexos (1). O método que tem se mostrado mais eficaz, e que por isso vem sendo mais estudado, é a soldagem a laser, devido a sua alta precisão e reduzida dimensão da zona afetada pelo calor (ZAC) (2,3,4). Por outro lado, a união de LMF de Ni-Ti utilizando o processo TIG (Tungsten Inert Gas), que é mais simples e barato em comparação com a soldagem laser, é muito pouco estudado (5,6). Sendo assim, nesse trabalho foi realizada uma análise experimental para identificar a influência de tratamentos térmicos de pré-soldagem (ou seja, antes da operação de soldagem), em juntas de Ni-Ti soldadas por pulsos de TIG. Para esse estudo foram usadas técnicas de calorimetria diferencial de varredura (DSC), microscopia ótica (MO) e ensaios de tração uniaxial. MATERIAIS E METÓDOS Para o desenvolvimento deste trabalho foram empregados fios de Ni-Ti com diâmetro de 1,5 mm, adquiridos junto a empresa Nimesis (França). O fluxograma da Fig. 1 descreve resumidamente a metodologia adotada. Os fios inicialmente brutos de fabricação (encruados a frio) não apresentam qualquer transformação de fase que possa dar origem aos fenômenos de memória de forma. Assim, estes fios foram tratados termicamente a 45 ºC, 55 ºC e 65 ºC por 2 minutos em um forno de resistência elétrica da marca EDG, modelo Titan Platinium Quartz. Esse tratamento visa eliminar o encruamento oriundo do processo de fabricação e liberar a transformação martensítica reversível que origina os comportamentos especiais deste material. Após os tratamentos térmicos, uma amostra de cada fio Ni-Ti tratado termicamente foi separada para ser mantida integra e outra foi cortada, utilizando 4717

3 uma cortadeira metalográfica de precisão, para ser submetida ao processo de soldagem TIG. Tratamento térmico (45 C) Tratamento térmico (55 C) Tratamento térmico (65 C) Fio Integro Corte e lixamento Tração Fio Soldado DSC MO Figura 1. Fluxograma da metodologia empregada no trabalho. A soldagem de topo, autógena, sem qualquer metal de adição, foi realizada utilizando uma soldadora por pulsos de TIG fornecida pela EDG Equipamentos e Controles, modelo MicroMelt. A potência máxima desse equipamento é de 3kW. Os parâmetros de tempo e profundidade de pulso usados na soldadora foram regulados em 3-3. Foram necessários 2 pulsos TIG, aplicados em 18 um do outro para se obter uma junta soldada completa. Os fios Ni-Ti íntegros e soldados foram então submetidos a ensaios de tração até a ruptura a temperatura ambiente em uma máquina universal de ensaios Instron, modelo A taxa de deslocamento durante os testes foi de,5 mm/min e o comprimento útil usado foi de 3 mm. Análises térmicas em um Calorímetro Diferencial de Varredura (DSC), marca TA Instruments, modelo Q2, na faixa de temperatura de - 6 C a 1 o C foram realizados nos fios Ni-Ti íntegros e soldados, com o intuito de verificar a influência da união soldada e dos tratamentos térmicos nas temperaturas de transformação de fase do fio Ni-Ti. Além disso, foram obtidas imagens das juntas soldadas através de microscópio ótico (MO) com aumento de 5 vezes. 4718

4 RESULTADOS E DISCUSSÃO Comportamento Mecânico A Fig. 2 mostra os resultados de ensaios de tração até a ruptura dos fios de LMF Ni-Ti íntegros e soldados, após os diferentes tratamentos térmicos antes da operação de soldagem. De uma forma geral, observa-se que o aumento das temperaturas de tratamento térmico leva a uma redução da tensão limite de ruptura e aumento significativo do alongamento até a ruptura. Isto ocorre devido a continua restauração da estrutura do fio causada pelos tratamentos de recozimento, principalmente considerando que 65 o C corresponde a temperatura de recristalização da LMF Ni-Ti. Portanto, verifica-se que o fio Ni-Ti integro tratado termicamente a 45 C tem uma tensão máxima ( máx ) na ruptura de aproximadamente 15 MPa e deformação máxima ( máx ) da ordem de 23,2 %. Já o fio Ni-Ti submetido ao mesmo tratamento e posteriormente submetido a soldagem por pulsos TIG apresenta uma tensão máxima de 37 MPa, o que corresponde a apenas 24,7 % da tensão máxima do fio integro e uma deformação máxima de 9,2 %, o que representa 39,4 % daquela verificada para o fio integro. O fio Ni-Ti integro tratado termicamente a 55 C apresenta uma tensão máxima na ruptura de aproximadamente 13 MPa e deformação máxima de 48,2 %. O fio Ni-Ti submetido a esse mesmo tratamento e depois soldado apresenta uma tensão máxima de 44 MPa, o que corresponde a 42,7 % da tensão máxima do fio integro e uma deformação máxima de 12, %, o que representa 25, % da do fio integro. Para o fio Ni-Ti integro, tratado termicamente a 65 C, correspondente a temperatura de recristalização da LMF Ni- Ti (7), foi observada uma tensão máxima na ruptura de aproximadamente 89 MPa e deformação máxima de 97, %, enquanto o fio soldado tem uma tensão máxima de 41 MPa, o que corresponde a 46,1 % da tensão máxima do fio integro e uma deformação máxima de 14,5 %, o que representa 15, % da do fio integro. A Tab. 1 resume os resultados dos testes de ruptura para os fios Ni-Ti íntegros e soldados. Em todos os casos, conforme revela a Fig. 2, mesmo os fios Ni-Ti soldados apresentando menor resistência mecânica e alongamento, o processo de orientação de variantes de martensita representado pelos patamares de tensão que ocorrem a 2 MPa e 1 MPa para os fios Ni-Ti tratados a 45 o C e 55 o C/65 o C, respectivamente, não é impedido pelo processo de soldagem. Na prática, isso 4719

5 Tensao (MPa) Tensao (MPa) Tensao (MPa) 21º CBECIMAT - Congresso Brasileiro de Engenharia e Ciência dos Materiais significa que todos os fios de LMF Ni-Ti soldados podem apresentar efeito de memória de forma por deformação pseudo plástica até 8 % seguida de aquecimento (a) (b) Integro 45 C Soldado 45 C 4 2 Integro 55 C Soldado 55 C Deformaçao (%) Deformaçao (%) 1 (c) Integro 65 C Soldado 65 C Deformaçao (%) Figura 2. Comportamento tensão deformação até a ruptura de fios Ni-Ti íntegros e soldados após tratamentos térmicos por 2 minutos. (a) 45 C, (b) 55 C e (c) 65 C. Tabela 1. Parâmetros de ruptura de fios Ni-Ti íntegros e soldados. Tratamento Térmico máx (MPa) Integro máx (MPa) Soldado máx (%) Integro máx (%) Soldado ,2 9, ,2 12, , 14,5 A Fig. 3 mostra, respectivamente em (a) e (b), a superposição dos comportamentos até a ruptura dos fios Ni-Ti íntegros e soldados após os diferentes tratamentos térmicos empregados. 472

6 Tensao (MPa) Tensao (MPa) 21º CBECIMAT - Congresso Brasileiro de Engenharia e Ciência dos Materiais (a) Integro 45 C Integro 55 C Integro 65 C (b) Soldado 45 C Soldado 55 C Soldado 65 C Deformaçao (%) Deformaçao (%) Figura 3. Superposição dos comportamentos tensão deformação até a ruptura de fios Ni-Ti tratados a 45 C, 55 C e 65 C por 2 minutos. (a) Fios íntegros. (b) Fios soldados. Conforme é possível observar a partir das Figs. 3(a) e 3(b), os fios Ni-Ti íntegros e soldados após tratamentos a temperaturas mais baixas são menos dúcteis do que aqueles tratados a temperatura mais altas. Porém, considerando que o fenômeno de memória de forma é potencializado pela imposição de deformações plásticas entre 6 e 8 %, seguidas de aquecimento, verifica-se que todos os fios soldados podem apresentar esse fenômenos sem romper no primeiro ciclo termomecânico. Comportamento Térmico A Fig. 4 mostra os resultados dos ensaios de análise térmica via DSC de fios Ni-Ti íntegros e soldados após tratamentos térmicos a 45 C, 55 C e 65 C durante 2 minutos. Verifica-se claramente da Fig. 4 que o processo de soldagem por pulsos TIG gera uma perturbação no comportamento da transformação de fase dos fios de LMF Ni-Ti, além de alterar ligeiramente as temperaturas de transição de fase do material. Esse comportamento está de acordo com o observado em trabalhos recentes da literatura (1). Para os fios de LMF Ni-Ti íntegros, observa-se que os tratamentos de recozimento (45 C e 55 C) levam ao aparecimento de dois picos de transformação durante o resfriamento. O primeiro pico corresponde a transformação da austenita em uma martensita romboédrica (fase R) enquanto o segundo corresponde a conversão da martensita romboédrica em martensita monoclínica (B19 ) (7). Por outro lado, o tratamento de recristalização a 65 C elimina completamente essa transformação em 2 etapas no resfriamento. Em todos os 4721

7 Fluxo de Calor (W/g) Fluxo de Calor (W/g) Fluxo de Calor (W/g) 21º CBECIMAT - Congresso Brasileiro de Engenharia e Ciência dos Materiais casos, a reversão martensita austenita durante o aquecimento ocorre em uma única etapa, levando ao aparecimento de um único pico de transformação. Observase também que as temperaturas de transformação do fio Ni-Ti aumentam com o aumento das temperaturas de tratamento térmico. Por exemplo, observando o pico de transformação no aquecimento, verifica-se que a temperatura de pico aumenta de aproximadamente 58 o C para o recozimento a 45 o C para 73 o C no caso da recristalização a 65 o C, o que corresponde a um incremento de 15 o C na transformação reversa (martensita austenita) A Fig. 4 revela também, qualitativamente, que o processo de soldagem origina perturbações nas transformações de fase dos fios Ni-Ti, representadas pela presença de múltiplos picos tanto na transformação direta (resfriamento) quanto na reversa (aquecimento). Esse comportamento pode ser atribuído à introdução de defeitos de soldagem na região da união (a) Aquecimento Temperatura ( C) Integro 45 C Soldado 45 C Resfriamento (b) Aquecimento Temperatura ( C) Integro 55 C Soldado 55 C Resfriamento (c) Aquecimento Temperatura ( C) Integro 65 C Soldado 65 C Resfriamento Figura 4. DSC de fios Ni-Ti íntegros e soldados tratados termicamente. (a) 45 C. (b) 55 C. (c) 65 C. 4722

8 Análise Microestrutural As Figs. 5, 6 e 7 mostram as imagens obtidas por microscopia ótica para as juntas soldadas de fios LMF Ni-Ti. É possível observar, conforme representado na Fig. 5, que os grãos colunares das juntas se iniciam no centro da solda partindo da extremidade e tentem a se direcionar para dentro do fio. Os grãos colunares centrais tendem a ser paralelos ao centro da solda. Além disso, a região de encontro dos pontos de solda apresenta forma de cunha, o que pode induzir concentrações de tensão na região. Esses fatos podem estar relacionados a ruptura da junta que ocorreu no centro da solda. Nas micrografias também é possível verificar a presença de poros. Centro da solda Grãos colunares Formato de cunha Figura 5. Micrografia ótica da junta obtida para o fio tratado a 45 C. Poros Figura 6. Micrografia ótica da junta obtida para o fio tratado a 55 C. 4723

9 Poros Figura 7. Micrografia ótica da junta obtida para o fio tratado a 65 C. CONCLUSÕES De acordo com os resultados obtidos, é possível concluir que: A deformação máxima e a tensão máxima dos fios Ni-Ti são reduzidas pelo processo de soldagem, para a mesma temperatura de tratamento térmico; O procedimento de soldagem gera uma perturbação no comportamento da transformação de fase do fio Ni-Ti, além de alterar as temperaturas de transição de fase do material; A região de encontro dos pontos de solda apresenta forma de cunha, podendo induzir concentrações de tensão na região durante os ensaios de tração. A forma como ocorreu a ruptura, que se deu no centro da solda, pode estar relacionada a maneira como ocorre o crescimento dos grãos colunares e ainda a concentração de tensão associada a formação da região em cunha. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem ao CNPq pelo financiamento dos projetos: INCT de Estruturas Inteligentes em Engenharia (Processo n o 5741/28-5), Casadinho UFCG-UFRJ-ITA (Processo n o /211-7), Bolsa de Doutorado CNPq Petrobrás (Processo n o 5382/211-2) e ao Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia da Paraíba (IFPB) pelo financiamento da participação do autor principal no evento. 4724

10 REFERÊNCIAS 1 - DELOBELLE, V.; DELOBELLE, P.; LIU, Y.; FAVIER, D.; LOUCHE, H.; Resistance welding of NiTi shape memory alloy tubes. Journal of Materials Processing Technology. v. 213, p , SONG, Y.; LI, W.; LI, L.; ZHENG, Y.; The influence of laser welding parameters on the microstructure and mechanical property of the as-jointed NiTi alloy wires. Materials Letters. V. 62, p , CHAN, C.; MAN, H.; CHENG, F.; Fatigue behavior of laser-welded NiTi wires in small strain cyclic bending. Materials Science & Engineering A. v. 559, p , MIRSHEKARI, G.; SAATCHI, A.; KERMANPUR, A.; SADRNEZHAAD, S.; Laser welding of NiTi shape memory alloy: Comparison of the similar and dissimilar joints to AISI34 stainless steel. Optics & Laser Technology. v. 54, p , IKAI, A.; KIMURA, K.; TOBUSHI, H.; TIG welding and shape memory effect of TiNi shape memory alloy. Journal of Intelligent Material Systems and Structures, v. 7, p , FOX, G.; HAHNLEN, R.; DAPINO, M.; TIG welding of nickel-titanium to 34 stainless steel. Anais do ASME 211 Conference on Smart Materials, Adaptive Structures and Intelligent Systems, Volume 1, Arizona, USA, 18-21, OTSUKA, K.; WAYMAN, C.M,. Shape memory materials. Cambridge, UK: Cambridge University Press, MECHANICAL BEHAVIOUR OF Ni-Ti SHAPE MEMORY ALLOY WIRES WELDED BY TIG PULSES: INFLUENCE OF PRE-WELDING HEAT TREATMENTS ABSTRACT In this work an experimental analysis of the influence of thermal treatment on the mechanical behavior of shape memory Ni-Ti wires welded by TIG pulse was performed. For this, Ni-Ti wires with 1.5 mm in diameter were pre-annealed at 45 C, 55 C and 65 C for 2 min. From the obtained welded joint tensile tests to obtain strength levels and maximum deformation reached by the joints compared to the asreceived material were performed. Some wires were cut, sanded and welded by TIG. Optical Microscopy of the joints areas to show its aspects were performed. In 4725

11 addition, DSC tests to check the influence of the weld joint at phase transformation temperatures of SMA NiTi wires were carried out. It was observed that the heat treatment temperature has a direct influence on the joints properties, considerably changing strength levels and maximum deformation and promote changes in the phase transformation temperature of the material. Keywords: TIG Welding, Shape Memory Alloys, NiTi, Mechanical Behavior. 4726