Escola Politécnica da USP

118 Pages·2009·5.06 MB·Portuguese

by  Sergio Brand

FLÁVIO GIL ALVES PAIVA.

CARACTERIZAÇÃO DE JUNTA SOLDADA
POR ATRITO LINEAR COM MISTURA (FSW)
DA LIGA Al-Mg-Si AA 6063.

Dissertação apresentada à Escola
Politécnica da Universidade de São Paulo
para obtenção do Título de Mestre em
Engenharia.

São Paulo
2009
FLÁVIO GIL ALVES PAIVA.
Tecnólogo Mecânico - Faculdade de Tecnologia de São Paulo, 2002.

CARACTERIZAÇÃO DE JUNTA SOLDADA
POR ATRITO LINEAR COM MISTURA (FSW)
DA LIGA Al-Mg-Si AA 6063.

Dissertação apresentada à Escola Politécnica da
Universidade de São Paulo como requisito para
obtenção do Título de Mestre em Engenharia

Área de concentração:
Engenharia Metalúrgica e de Materiais

Orientador:
Prof. Dr. Sérgio Duarte Brandi

São Paulo
2009
Este exemplar foi revisado e alterado em relação a versão original, sob

responsabilidade única do autor e a anuência de seu orientador.

São Paulo, 30 de novembro de 2009.

Flávio Gil Alves Paiva

Prof. Dr. Sérgio Duarte Brandi

Paiva, Flávio Gil Alves

CARACTERIZAÇÃO DE JUNTA SOLDADA POR ATRITO LINEAR COM MISTURA (FSW) DA LIGA
Al-Mg-Si AA 6063.
São Paulo, 2009.
109 pg
Dissertação de Mestrado – Escola Politécnica da Universidade de São Paulo.
Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais.

1. Soldagem por atrito linear com mistura 2. Alumínio 3. Caracterização da junta
I. Universidade de São Paulo. Escola Politécnica. Departamento de Engenharia
Metalúrgica e de Materiais. II. t.
ii
DEDICATÓRIA

Dedico esta dissertação aos meus pais que muito contribuíram para meu
crescimento pessoal.
Ofereço esta dissertação à minha esposa, presente em todos os
momentos de minha vida.
iii

AGRADECIMENTOS

Agradeço ao meu orientador Prof. Dr. Sérgio Duarte Brandi pela orientação deste
trabalho, feita com dedicação e interesse na conduta do mesmo.
Agradeço pela soldagem dos corpos de prova, em especial a Prof. Dra. Luisa Quintino e
ao Prof. Dr. Pedro Vilaça.
Aos amigos da pós-graduação do Departamento de Engenharia Metalúrgica e de
Materiais da USP, pela amizade sadia criada neste período. Agradeço em particular ao
Dr. Freddy Poestcher pela ajuda durante a execução deste trabalho.
À empresa CBA pelo fornecimento dos materiais e suporte nos ataques metalográficos,
em especial aos Srs. Miguel Borodiak, Alex Sandro Felipe de Moraes e Ivan
Menegueço pelo auxílio nas preparações das amostras.
A CAPES pela bolsa de Mestrado.
A Proact pela realização dos ensaios mecânicos.
Agradeço finalmente a todos aqueles que direta ou indiretamente deram a sua
colaboração para que este trabalho fosse concluído.
iv

RESUMO

O processo de soldagem por atrito linear com mistura (SALM), ou Friction Stir
Welding, surgiu do desejo de se aplicar os princípios e vantagens da soldagem em
estado sólido do processo por atrito tradicional em outras geometrias que não fossem
axi-simétricas. Assim, foi acrescentada uma velocidade de translação e uma ferramenta
rotativa especial, sendo possível realizar cordões de solda em ligas antes com
soldabilidade bem ruim. O fator chave para se ter uma solda por atrito linear com
mistura sã é a combinação correta entre o a geometria da ferramenta, os parâmetros de
soldagem e o fluxo de material durante a soldagem. O lado do avanço, em relação à
velocidade de translação da ferramenta, está sob tração, enquanto que o lado do
retrocesso está sob compressão. Cada um destes lados possui características
diferenciadas, tanto microestruturais como de propriedades mecânicas. O objetivo deste
trabalho é caracterizar o cordão de solda feito em liga AA6063T6 com 3 mm de
espessura. O material foi soldado com uma ferramenta tipo “Three flats”, com rotação
de 1120 rpm e velocidade de soldagem de 5,3 mm/s. Os corpos de prova foram
caracterizados por microscopia óptica, microdureza e ensaio de tração. Os resultados
mostraram que o cordão de solda é assimétrico, sendo 20% maior do lado do avanço da
ferramenta. Além disto, houve um refino de grão e, na transição entre a zona
termomecanicamente afetada (ZTMA) e a zona afetada pelo calor (ZAC), os grãos
alongados apresentaram fator de forma maior no lado do avanço (entre 1,73 e 2,74) do
que no lado do retrocesso (entre 1,40 e 1,59). As extensões da zona
termomecanicamente afetada e da zona afetada pelo calor são maiores do lado do
avanço que do lado do retrocesso.
v
ABSTRACT

Friction Stir Welding process arose from a desire to apply the principles and benefits of
traditional solid state friction welding friction in non axi-symmetric geometries. Thus, it
was added a traveling speed and a special rotating tool that allows welding aluminum
alloys with bad weldability. The key factor to have a linear friction welding with sound
bead is a combination of tool geometry, welding parameters and material flow during
welding, which is under tension stress in the advancing side and in compression in the
retrieving side. Thus, each side has different microstructures and mechanical properties.
The objective of this work is to characterize the 3,0 mm weld bead of an alloy 6063 T6.
This material was welded with a tool type "Three flats" with a rotation speed of 1120
rpm and welding traveling speed of 5.3 mm/s. The samples were characterized by
optical microscopy, microhardness testing and tensile test. The results showed that the
weld bead is asymmetric, with an area 20% higher in the advancing side. Moreover, a
grain refining process occurred in the weld bead and, in the transition region between
thermomechanically affected zone (TMAZ) and heat affected zone (HAZ) the elongated
grains presented a shape factor higher in the advancing side (1,73 to 2,74) than in the
retrieving side (1,40 to 1,59). Also, the thermomechanically affected zone and the heat
affected zone presented a larger width in the advancing side than in the retrieving side.
vi
SUMÁRIO:

DEDICATÓRIA ........................................................................................................... ii
AGRADECIMENTOS ................................................................................................ iii
RESUMO .................................................................................................................... iv
ABSTRACT ................................................................................................................. v
1 Revisão Bibliográfica: ................................................................................................... 1
1.1 Introdução: .............................................................................................................. 1
1.2 Princípio de operação[4]: ......................................................................................... 2
a) ................................................................................................................................... 4
1.3 Vantagens e limitações do processo: ...................................................................... 6
1.3.1 Vantagens: ....................................................................................................... 6
1.3.2 Limitações: ...................................................................................................... 7
1.4 Aplicações do processo SALM (FSW): ................................................................. 8
1.4.1 Aplicações da SALM (FSW) para indústria naval: ......................................... 9
1.5 Ferramenta de soldagem por atrito linear com mistura: ....................................... 12
1.5.1 Funções das partes da ferramenta: ................................................................. 13
1.5.2 Materiais para a ferramenta: .......................................................................... 13
1.6 Desenvolvimentos da ferramenta SALM (FSW) para a soldagem de juntas
sobrepostas: ................................................................................................................ 14
1.6.1 Pino de ferramenta Flared-triflute (cônico invertido estriado). ..................... 17
1.6.1.1 Características do perfil de pino Flared-triflute: ........................................ 18
1.6.1.2 Características da soldagem feita pela a ferramenta Flared-triflute: .......... 20
1.6.1.3 Variantes dos pinos Flared – triflute: ......................................................... 22
1.6.2 Técnica Skew-stir [33]: .................................................................................... 23
1.6.2.1 Características da soldagem feita pela técnica skew - stir: ......................... 26
1.6.3 Soldagem por atrito linear com reversão (Re-stir) [34]: .................................. 28
1.7 Desenvolvimentos da ferramenta SALM (FSW) para o aumento da espessura em
juntas topo: ................................................................................................................. 31
1.7.1 Relação entre a espessura e a velocidade de soldagem: ................................ 31
1.7.2 Desenvolvimento do ombro da ferramenta: .................................................. 33
1.7.3 Desenvolvimento do pino da ferramenta: ...................................................... 34
1.7.4 Características dos pinos para soldar juntas de chapas grossas: .................... 37
1.8 Usos com duas ou mais ferramentas SALM (FSW) simultaneamente [37]: .......... 39
1.8.1 Uso de duas ferramentas nas faces opostas das peças: .................................. 39
1.8.2 Uso de várias ferramentas simultâneas ao longo de uma junta: .................... 40
1.8.3 Técnica Twin – strir:...................................................................................... 41
1.8.4 Twin – stir paralelo: ....................................................................................... 44
1.8.5 Twin – stir Tandem: ...................................................................................... 44
1.8.6 Twin – stir escalonado: .................................................................................. 45
1.9 As regiões da junta soldada e suas características: ............................................... 47
1.10 A soldagem da liga de alumínio AA6063: ......................................................... 49
1.10.1 Microestrutura e propriedades mecânicas da liga de alumínio AA6063: .... 50
2 Objetivos. ..................................................................................................................... 58
3 Materiais e métodos. .................................................................................................... 59
3.1 Material: ............................................................................................................... 59
3.2 Elaboração do cordão de solda: ............................................................................ 59
3.3 Elaboração dos corpos de prova para análise metalográfica: ............................... 60
3.4 Preparações dos corpos de prova para metalografia:............................................ 63
vii
3.5 Ensaios de micro dureza: ...................................................................................... 64
3.6 Ensaios de tração: ................................................................................................. 65
4 Resultados e discussão ................................................................................................ 67
4.1 Composição da liga de alumínio .......................................................................... 67
4.2 Caracterização dimensional do cordão de solda ................................................... 67
4.3 Caracterização metalográfica ............................................................................... 68
4.3.1 Metal base ...................................................................................................... 68
4.3.2 Cordão de solda. ............................................................................................ 70
4.3.2.1 Vista frontal. ............................................................................................... 71
4.3.2.2 Face do cordão: ........................................................................................... 73
4.3.2.3 Meio da espessura da chapa: ...................................................................... 74
4.3.2.4 Raiz do cordão: ........................................................................................... 75
4.4 Propriedades mecânicas ........................................................................................ 82
4.4.1 Microdureza ................................................................................................... 82
4.4.1.1 Metal base ................................................................................................... 82
4.4.1.2 Junta soldada - Vista frontal: ...................................................................... 83
4.4.1.3 Junta soldada - Face do cordão: .................................................................. 84
4.4.1.4 Junta soldada - Meio da espessura: ............................................................ 85
4.4.1.5 Junta soldada - Raiz: ................................................................................... 86
4.4.2 Ensaio de tração ............................................................................................. 93
4.4.2.1 Propriedades mecânicas .............................................................................. 93
4.4.2.2 Medidas dos alongamentos: ....................................................................... 94
4.4.2.3 Redução de área: ......................................................................................... 96
4.5 Fractografia dos corpos de prova de tração. ......................................................... 97
5 Conclusões. .................................................................................................................. 99
6 Referências Bibliográficas. ........................................................................................ 101
Sugestões de trabalhos futuros ..................................................................................... 109
1
1 Revisão Bibliográfica:

1.1 Introdução:

A ação de se produzir calor por atrito para ser empregado em soldagem é uma técnica
utilizada há muitos anos [1]. A soldagem por atrito convencional é feita através do calor
produzido ao se atritar os componentes, um contra o outro, com a aplicação de uma
tensão. Ao ser atingida a temperatura de deformação do material, a ação de atrito é ou
não extinta, dependendo da variante do processo, e a carga é mantida ou aumentada. A
soldagem por atrito linear com mistura surgiu do desejo de se aplicar os princípios e
vantagens da soldagem por atrito tradicional em outras formas de componentes que não
fossem redondos ou cilíndricos, como em juntas lineares topo a topo e juntas
sobrepostas [2]. A figura 1 mostra o processo convencional de soldagem por atrito e sua
variante linear com mistura.

Figura 1: Processo de soldagem por atrito para componentes cilíndricos (a) e a
soldagem por atrito linear com mistura para componentes planos (b) [1].

O processo de soldagem por atrito linear com mistura (SALM) ou Friction Stir
Welding (FSW), semelhante ao processo de soldagem por atrito, é um processo que