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FREDDY POETSCHER
EFEITO DO NMERO DE PASSES E DO TRATAMENTO TRMICO
PS-SOLDAGEM DE LIGA DE ALUMNIO AA 6063 SOLDADA POR
ATRITO LINEAR COM MISTURA (FSW).
So Paulo 2009
FREDDY POETSCHER
EFEITO DO NMERO DE PASSES E DO TRATAMENTO TRMICO
PS-SOLDAGEM DE LIGA DE ALUMNIO AA 6063 SOLDADA POR
ATRITO LINEAR COM MISTURA (FSW).
Tese apresentada Escola Politcnica da Universidade de So Paulo como requisito para obteno do ttulo Doutor em Engenharia
rea de Concentrao: Engenharia Metalrgica e de Materiais
Orientador: Srgio Duarte Brandi
So Paulo 2009
FICHA CATALOGRFICA
Poetscher, Freddy
Efeito do nmero de passes e do tratamento trmico ps-soldagem de liga de alumnio AA 6063 soldada por atrito linear com mistura (FSW) / Freddy Poetscher; orientador Srgio Duarte Brandi. ed.rev. -- So Paulo, 2009.
163 p. Tese (Doutorado) Escola Politcnica da Universidade de So
Paulo. Departamento de Engenharia Metalrgica e de Materiais. 1.Soldagem por FSW 2.Soldagem no estado slido 3.Soldagem
por atrito linear com mistura (SALM) 4.Alumnio I. Universidade de So Paulo. Escola Politcnica. Departamento de Engenharia Metalrgica e de Materiais II.t.
Este exemplar foi revisado e alterado em relao verso original, sob responsabilidade nica do autor e com a anuncia de seu orientador. So Paulo, de Junho de 2009. Assinatura do autor __________________________________ Assinatura do orientador ______________________________
Que eu queira o que Deus quer que eu queira. So Tomaz de Aquino
minha amada esposa Sylvia, minha alma gmea companheira.
Aos meus filhos Erich e Johann, minha eternidade.
iii
AGRADECIMENTOS
Agradeo ao meu orientador Prof. Dr. Srgio Duarte Brandi pelo acolhimento,
convivncia e uma orientao livre, precisa e sempre presente.
Ao Departamento de Engenharia Metalrgica e de Materiais da Escola Politcnica
pela estrutura de apoio tcnica e administrativa para a conduo deste trabalho.
empresa CBA pelo fornecimento dos materiais e suporte nos ensaios, em especial
aos Srs. Miguel Borodiak, Alex Sandro Felipe de Moraes e Ivan Menegueo pelo
auxlio nas preparaes das amostras e ao Mestre Eng. Rodrigo Camargo Campana
pelo suporte na CBA.
Ao IST-Lisboa-Portugal pela soldagem dos corpos de prova, em especial a Prof. Dra.
Luisa Quintino e ao Prof. Dr. Pedro Vilaa.
Ao aluno de intercmbio Jean-Baptiste Chesnot da cole Nationale Suprieure de
Chimie de Lille Frana pela ajuda na preparao e conduo dos ensaios iniciais
de calorimetria.
Ao Laboratrio de Fenmenos de Superfcie (LFS) pela ajuda na preparao de
amostras e medidas de microdureza.
Ao Prof. Alberto do Dema UFSCar pelas orientaes e ensaios de EBSD.
Ao IPT pelo suporte nos ensaios e preparaes de amostras, em especial ao Sr.
Jos Belotti.
Ao Prof. Dr. Ricardo H.R. Castro da FEI pela ajuda nos ensaios de calorimetria.
Aos Tcnicos Vincios, Aline, Luan, Lvio e Cludio que ajudaram na preparao de
amostras.
Aos colegas de Ps Drio, Eduardo, Maria, Flvio, Riccardo, Franco pela
convivncia e ajuda nos momentos de dificuldades.
Aos colegas da Testmat, Eng. Cristiano Lagatta e Eng. Joo Alves, que ajudaram na
realizao dos ensaios e na minha ausncia na empresa.
Aos colegas da Voith que direta ou indiretamente ajudaram na realizao deste
trabalho.
iv
RESUMO
O processo de soldagem por atrito linear com mistura (FSW) uma tcnica recente
para a soldagem no estado slido de materiais, em particular para o alumnio e suas
ligas. O processo foi inventado na Inglaterra em 1991. Neste processo, as partes a
serem soldadas so fixadas e uma ferramenta especial realiza a soldagem de forma
contnua. A ferramenta possui uma velocidade de rotao e, durante a sua
translao, o material misturado no estado slido e, conseqentemente, soldando
as duas partes. A junta soldada por FSW de alumnio AA 6063-T6, com espessura
de 3 mm foi caracterizada. A soldagem foi realizada com uma rotao da ferramenta
de 710 rpm e com uma velocidade de translao de 5,3 mm/s. A ferramenta
empregada do tipo three flats, com dimetro do ombro de 14 mm, dimetro do
pino de 3 mm e com ngulo de 90o com relao horizontal. Os corpos de prova
foram soldados em trs condies: um passe, dois passes e dois passes com
inverso de rotao do pino. Aps a soldagem foram realizados os seguintes
tratamentos trmicos: solubilizao, envelhecimento e recozimento. A junta soldada
foi caracterizada por macrografias, micrografias, microdureza, ensaios de
calorimetria diferencial e EBSD. Os resultados mostraram que existem ZTMAs
diferentes conforme a condio dos de passes. O nmero de passes tem influncia
nas componentes da textura alterando de Cubo para Lato e para Goss + Cobre. Os
tratamentos trmicos de envelhecimento e recozimento produziram as maiores e
menores durezas do cordo, respectivamente. Foi observada a sinergia entre os
fatores nmero de passes e regio do cordo no tamanho de gro do cordo. O lado
de retrocesso, aps o tratamento trmico, apresentou os gros mais finos.
Palavras-chave: Soldagem por FSW. Soldagem no estado slido. Soldagem por
atrito linear com mistura (SALM). Alumnio.
v
ABSTRACT
Friction stir welding (FSW) is a recent process for aluminium welding in solid state.
This process was invented in England in 1991. The welding process is done with a
special rotating tool that travels along the joint while the parts are fixed. The tool has
a speed and a rotation and during its translation the material mixtures in solid state
and the joint occurs. The objective of this paper is to show the metallurgical and
mechanical characteristics of a 3 mm thick Aluminum AA 6063 T6 plate welded joint.
The tool rotation speed was 710 rpm and the translation speed was 5.3 mm/s. The
type of the tool used was three flats, with a shoulder diameter of 14mm and pin
diameter of 3mm and perpendicular to the plate. The samples were welded in three
conditions: one pass, two passes and two passes with pin rotation inversion in the
second pass. The welded samples were also submitted to solution heat treatment,
solution heat treatment followed by aging and annealing heat treatments. The welded
joint was studied with these main experimental techniques: optical and scanning
electron microscopy, microhardness, differential scanning calorimetry and electron
backscatter diffraction for texture analysis. The results showed different TAZs
according to the welding conditions. The number of passes has influence over the
texture components changing from Cube to Brass and to Goss + Copper. The aging
and solution heat treatments showed the highest and the lowest hardness,
respectively. Synergy between the welding conditions and weld region was observed
for the grain size results. The retreating side produced the finest grains after heat
treating.
Key-words: Friction stir welding (FSW). Solid state welding. Aluminium.
vi
LISTA DE ILUSTRAES
Figura 1 Soldagem por atrito rotacional (10). ............................................................. 3
Figura 2 Processo de soldagem por atrito linear com mistura (10). ........................... 4
Figura 3 Ensaio de Fadiga. Nmero de ciclos at a ruptura para
alumnio srie 6000. a) Comparao MIG, SALM e Material
de Base, b) Comparao SALM, Cordo de solda obtido por
SALM polido e Material de Base (16, 17). .................................................. 8
Figura 4 Comparativo de trs processos para a soldagem de juntas topo
a topo de ligas de alumnio da srie AA 6000 (27). .................................. 9
Figura 5 Esquema do processo SALM. Adaptado das referncias (28, 29). .............. 10
Figura 6 Exemplos de ferramenta: (a) convencional, (b) tipo WhorlTM e
(c) MX TrifluteTM, desenvolvidas pelo TWI (33). ..................................... 11
Figura 7 SALM duplo. Realizado com duas ferramentas em ambos os
lados de um perfil tpico (34). ................................................................. 11
Figura 8 SALM na fabricao de tubos no ferrosos (34). ....................................... 12
Figura 9 SALM Hbrido: (a) Vista lateral e (b) Vista superior (34)............................. 12
Figura 10 Coordenadas do modelo de McClure (45). ............................................... 14
Figura 11 Ciclos trmicos para a condio 2D em uma distncia de
8,185 mm do centro do cordo para AA 6056-T4 com 3,9
mm de espessura, representando de (a) at (c) o melhor
ajuste entre os valores medidos experimentalmente e os
previstos pelo modelo analtico. Potncia do processo 745W (47). ........................................................................................................ 16
Figura 12 Resultados da interao do pino da ferramenta Triflat com
velocidade translao de 1 mm/s e velocidade de rotao de
120 rpm para liga de alumnio AA 7449 com 20 mm de
espessura. (a) contornos dos valores da velocidade (m/s);
(b) vetores velocidade (mostrando uma superfcie com taxa
de deformao de 1 s-1); (c) taxa de deformao em s-1
(observar que a escala logartmica); (d) contornos de
temperatura (oC) (48). ............................................................................ 18
vii
Figura 13 Contornos de presso (Pa) do pino da ferramenta Triflat com
velocidade translao de 1 mm/s e velocidade de rotao de
120 rpm para liga de alumnio AA 7449 com 20 mm de
espessura (48). ...................................................................................... 19
Figura 14 Ciclo trmico para uma liga AA6082 obtido na regio logo
abaixo do ombro da ferramenta (42, 49). ................................................. 20
Figura 15 Medidas de dureza experimentais e calculadas pelo modele
em liga de alumnio AA6082-T6. Parmetros de soldagem:
velocidade de 5 mm/s; velocidade de rotao do pino de
1500 rpm e fora de 7 kN (42, 49). ........................................................... 21
Figura 16 Efeito do tratamento trmico na microestrutura da junta
soldada por SALM da liga AA6082-T6. Em (a) na condio
como-soldada e em (b) tratada a 510oC por 15 min (42, 49). .................. 22
Figura 17 a) Diagrama de Ashby. b) Diagrama de Ashby para a regio
do cordo de solda (40, 43)...................................................................... 24
Figura 18 Definio das regies de deformao na soldagem SALM, na
parte de trs do pino (50). ...................................................................... 27
Figura 19 Efeito da velocidade de avano e de rotao nas regies de
deformao de material durante a soldagem por SALM de
uma liga de alumnio (55). ...................................................................... 28
Figura 20 Representao esquemtica do crescimento (a) normal (b)
anormal de gros de tamanho mdio D ao longo do tempo t (58). ........................................................................................................ 32
Figura 21 Zona termo-mecanicamente afetada pelo calor: A- Material
no afetado; B- Termicamente afetado; C- Termo-
mecanicamente afetado - plasticamente deformado, com
reas recristalizadas; D- Dinamicamente recristalizado (19).................. 35
Figura 22 Perfil de dureza para cordo de Al 6063 soldado por SALM (68). ........................................................................................................ 38
Figura 23 TEM da solda SALM com precipitados em diferentes regies (54, 68). .................................................................................................... 38
Figura 24 Curva do fluxo de energia obtida por calorimetria diferencial
em amostras de cordo de solda AA 6005 em diferentes
regies do cordo e material de base(71). ............................................. 39
viii
Figura 25 (a) Padres de fluxo de material. Seo longitudinal da
ferramenta, junta e cordo. (b) regies desenvolvidas
durante o processo SALM (82). .............................................................. 41
Figura 26 a) Componentes de textura de laminao de metais CFC no
espao de Euler em 3D: a fibra entre a componente cobre
e lato e a fibra entre a componente do tipo lato e Goss.
b) As sees constantes 2. ................................................................. 44
Figura 27 Mapas EBSD e figuras de plo na condio como
soldado, a) b) e c) referem-se a trs regies no centro do
cordo na regio do onion ring (83). ...................................................... 45
Figura 28 a) Fotografia do cordo soldado com um passe. As setas
indicam a direo e rotao da ferramenta. b) Detalhe do
tipo da ferramenta utilizada. ................................................................. 48
Figura 29 Diferentes condies de soldagem. a) 1 passe b) 2 passes na
mesma direo c) dois passes com direo inversa de
rotao do pino. ................................................................................... 48
Figura 30 Regies de anlise do cordo de solda por SALM................................. 49
Figura 31 Esquema das medidas das reas da zona
termomecanicamente afetada na vista frontal do cordo de
solda. A soma das reas indicadas corresponde a rea total
do cordo. As reas 1 e 2 correspondem a ZTMA. .............................. 53
Figura 32 Matriz de experimentos com dois fatores: Presso e Lote e
dois nveis por fator. Os nmeros dentro da matriz indicam a
seqncia de ensaios. .......................................................................... 57
Figura 33 Arranjo fatorial de dois fatores com dois nveis (99). ................................ 58
Figura 34 Grfico dos efeitos de interao. Os smbolos + e indicam o
nvel do fator no mximo e no mnimo. (a) Fator A sem
interao com Fator B (b) Fator A com interao com Fator
B (99). .................................................................................................... 60
Figura 35 Matriz de experimentos de dois fatores com a e b nveis e n
replicaes, y = resposta (99). ............................................................... 60
ix
Figura 36 Microestruturas frontais das sees dos cordes. (a) 1 passe
Como Soldado (b) 2 passes sem inverso Como Soldado (c)
2 passes com inverso Como Soldado. Ataque: Barker
1,8%. .................................................................................................... 64
Figura 37 Microestruturas da vista superior dos cordes. (a) 1 passe
Como soldado (b) 2 passes sem inverso Como soldado (c)
2 passes com inverso Como soldado. Ataque: Barker 1,8%. ............. 65
Figura 38 Microestruturas da vista da raiz dos cordes. (a) 1 passe
Como Soldado (b) 2 passes sem inverso Como Soldado (c)
2 passes com inverso Como Soldado. Ataque: Barker
1,8%. .................................................................................................... 66
Figura 39 Microestrutura da zona termomecanicamente afetada do
cordo da condio de um passe, lado do avano, vista
frontal. .................................................................................................. 71
Figura 39 Grfico dos efeito das condies de soldagem no tamanho de
gro mdio na regio de gros alongados. .......................................... 72
Figura 40 Efeito das interaes no tamanho de gro alongado. ............................ 73
Figura 42 Microestrutura do centro do cordo mostrando os gros
equiaxiais.. ........................................................................................... 75
Figura 43 Efeito da condio de soldagem no tamanho de gro
equiaxial. .............................................................................................. 75
Figura 43 Microestrutura do metal de base na condio como-recebido..
Ataque: Barker 1,8%. ........................................................................... 77
Figura 44 Microestruturas frontais das sees dos cordes. (a) 1 passe
Solubilizado (b) 2 passes sem inverso Solubilizado (c) 2
passes com inverso Solubilizado. Ataque: Barker 1,8%. ................... 79
Figura 45 Microestruturas frontais das sees dos cordes. (a) 1 passe
Envelhecido (b) 2 passes sem inverso Envelhecido (c) 2
passes com inverso Envelhecido. Ataque: Barker 1,8%. ................... 80
Figura 46 Microestruturas frontais das sees dos cordes. (a) 1 passe
Recozido, 2h (b) 2 passes sem inverso Recozido 2h (c) 2
passes com inverso Recozido 2h. Ataque: Barker 1,8%. ................... 81
x
Figura 47 Microestruturas frontais das sees dos cordes. (a) 1 passe
Recozido, 8h (b) 2 passes sem inverso Recozido 8h (c) 2
passes com inverso Recozido 8h. Ataque: Barker 1,8%. ................... 82
Figura 48 - Microestruturas da vista superior dos cordes. (a) 1 passe
Solubilizado (b) 2 passes sem inverso Solubilizado (c) 2
passes com inverso Solubilizado. Ataque: Barker 1,8%. ................... 83
Figura 49 Microestruturas da vista superior dos cordes. (a) 1 passe
Envelhecido (b) 2 passes sem inverso Envelhecido (c) 2
passes com inverso Envelhecido. Ataque: Barker 1,8%. ................... 84
Figura 50 Microestruturas da vista superior dos cordes. (a) 1 passe
Recozido 8h (b) 2 passes sem inverso Recozido 8h (c) 2
passes com inverso Recozido 8h. Ataque: Barker 1,8%. ................... 85
Figura 51 Microestruturas da vista da raiz dos cordes. (a) 1 passe
Solubilizado (b) 2 passes sem inverso Solubilizado (c) 2
passes com inverso Solubilizado. Ataque: Barker 1,8%. ................... 86
Figura 52 Microestruturas da vista da raiz dos cordes. (a) 1 passe
Envelhecido (b) 2 passes sem inverso Envelhecido (c) 2
passes com inverso Envelhecido. Ataque: Barker 1,8%. ................... 87
Figura 53 Microestruturas da vista da raiz dos cordes. (a) 1 passe
Recozido 8h (b) 2 passes sem inverso Recozido 8h (c) 2
passes com inverso Recozido 8h. Ataque: Barker 1,8%. ................... 88
Figura 54 Grfico de frao recristalizada ao longo do tempo para o
recozimento. Curvas para frao recristalizada total. Os
smbolos indicam os valores medidos. ................................................. 89
Figura 55 Recristalizao secundria avanando da superfcie para o
centro do cordo. Soldagem com um nico passe, lado do
avano. Ataque: Barker. ....................................................................... 90
Figura 56 Efeito das condies de soldagem, tratamento trmico
posterior e localizao na rea de recristalizao secundria
do cordo. ............................................................................................ 91
Figura 57 Anlise de ANOM indicando os efeitos significativos na
alterao da rea recristalizada secundariamente durante o
recozimento dos cordes de solda. ...................................................... 92
xi
Figura 58 Efeitos do tratamento trmico de recozimento, condio do
cordo e localizao no tamanho de gro equiaxial. ........................... 95
Figura 60 Efeitos do tratamento trmico e localizao no tamanho de
gro da ZTMA. ..................................................................................... 97
Figura 61 Efeitos das interaes entre localizao no cordo e condio
de soldagem. ........................................................................................ 98
Figura 62 Mapa de orientao do gro. Material de base apresentando
uma textura na direo . .......................................................... 100
Figura 63 Mapa de ndice de qualidade de ensaio (IQ). Material de
Base. .................................................................................................. 101
Figura 64 Diferena de orientao entre gros do material de base. ................... 101
Figura 65 Diferena de orientao entre gros do material de base. ................... 102
Figura 66 FDO (EBSD) obtida para o material de base. ...................................... 103
Figura 67 Tamanho de gro do metal de base. .................................................... 103
Figura 68 Porcentagem acumulada da distribuio dos tamanhos de
gro obtidos por EBSD do Material de Base. ..................................... 104
Figura 69 Mapa de orientao de gro para a condio de um passe.
Regio de avano da ferramenta. ...................................................... 105
Figura 70 Diferena de orientao dos gros para a condio de um
passe. Regio de avano da ferramenta. ........................................... 106
Figura 71 FDO (EBSD) obtida para a condio de um passe. Regio de
avano da ferramenta. ....................................................................... 107
Figura 72 Tamanho de gro para a condio de um passe. Regio de
avano da ferramenta. ....................................................................... 107
Figura 73 Mapa de orientao de gro para a condio de um passe.
Regio de retrocesso da ferramenta. ................................................. 108
Figura 74 Diferena de orientao dos gros para a condio de um
passe. Regio de retrocesso da ferramenta. ..................................... 109
Figura 75 Comparao entre as diferenas de orientao dos gros do
cordo de solda com um passe, no lado do avano e do
retrocesso, comparado com o metal de base. ................................... 109
Figura 76 FDO (EBSD) obtida para a condio de um passe. Regio de
retrocesso da ferramenta. .................................................................. 111
xii
Figura 77 Tamanho de gro para a condio de um passe. Regio de
retrocesso da ferramenta. .................................................................. 111
Figura 78 Comparao entre as porcentagens acumuladas da
distribuio dos tamanhos de gro obtidos por EBSD do
cordo com um nico passe nos lados de avano e
retrocesso e do metal de base. .......................................................... 112
Figura 79 Mapa de orientao de gro para a condio de dois passes.
Regio de avano da ferramenta. ...................................................... 113
Figura 80 Diferena de orientao dos gros para a condio de dois
passes. Regio de avano da ferramenta. ......................................... 114
Figura 81 FDO (EBSD) obtida para a condio de dois passes. Regio
de avano da ferramenta. .................................................................. 114
Figura 82 Tamanho de gro para a condio de dois passes. Regio de
avano da ferramenta. ....................................................................... 115
Figura 83 Mapa de orientao de gro para a condio de dois passes.
Regio de retrocesso da ferramenta. ................................................. 116
Figura 84 Diferena de orientao dos gros para a condio de dois
passes. Regio de retrocesso da ferramenta. .................................... 117
Figura 85 Comparao entre as diferenas de orientao dos gros do
cordo de solda com dois passes sem reverso, no lado do
avano e do retrocesso, comparado com o metal de base. ............... 118
Figura 86 FDO (EBSD) obtida para a condio de dois passes. Regio
de retrocesso da ferramenta. ............................................................. 119
Figura 87 Tamanho de gro para a condio de dois passes. Regio de
retrocesso da ferramenta. .................................................................. 119
Figura 88 Comparao entre as porcentagens acumuladas da
distribuio dos tamanhos de gro obtidos por EBSD do
cordo com dois passes sem reverso nos lados de avano
e retrocesso e do metal de base. ....................................................... 120
Figura 89 Mapa de orientao de gro para a condio de dois passes
com inverso. Regio de avano da ferramenta. ............................... 121
Figura 90 Diferena de orientao dos gros para a condio de dois
passes com inverso. Regio de avano da ferramenta.................... 122
xiii
Figura 91 FDO (EBSD) obtida para a condio de dois passes com
inverso. Regio de avano da ferramenta. ....................................... 122
Figura 92 Tamanho de gro para a condio de dois passes com
inverso. Regio de avano da ferramenta. ....................................... 123
Figura 93 Mapa de orientao de gro para a condio de dois passes
com inverso. Regio de retrocesso da ferramenta. .......................... 124
Figura 94 Diferena de orientao dos gros para a condio de dois
passes com inverso. Regio de retrocesso da ferramenta. ............. 124
Figura 95 Comparao entre as diferenas de orientao dos gros do
cordo de solda com dois passes com reverso, no lado do
avano e do retrocesso, comparado com o metal de base. ............... 125
Figura 96 FDO (EBSD) obtida para a condio de dois passes com
inverso. Regio de retrocesso da ferramenta. ................................. 126
Figura 97 Tamanho de Gro para a condio de dois passes com
inverso. Regio de retrocesso da ferramenta. ................................. 127
Figura 98 Comparao entre as porcentagens acumuladas da
distribuio dos tamanhos de gro obtidos por EBSD do
cordo com dois passes sem reverso nos lados de avano
e retrocesso e do metal de base. ....................................................... 128
Figura 99 Diferena de orientao dos gros para a condio de dois
passes com tratamento trmico de recozimento por 8 horas.
Regio de avano da ferramenta. ...................................................... 129
Figura 100 Diferena de orientao dos gros para a condio de dois
passes com tratamento trmico de recozimento por 8 horas.
Regio de retrocesso da ferramenta. ................................................. 129
Figura 101 - Tamanho de Gro para a condio de 2 passes sem inverso
com tratamento trmico de recozimento por 8 horas. a)
Regio de avano da ferramenta b) Regio de retrocesso da
ferramenta. ......................................................................................... 130
Figura 102 - Diferena de orientao dos gros para a condio de 2
passes sem inverso com tratamento trmico de
recozimento por 8 horas. a) Regio de avano da ferramenta
b) Regio de retrocesso da ferramenta. ............................................. 130
xiv
Figura 103 Comparao entre as diferenas de orientao dos gros do
cordo de solda com dois passes sem reverso e com
tratamento trmico de solubilizao, no lado do avano e do
retrocesso, comparado com o metal de base. ................................... 131
Figura 104 Curva de energia obtida por calorimetria diferencial em
amostra do metal de base(AA 6063T6) aps tratamento de
solubilizao. Velocidade de aquecimento 0,17 Ks-1. ........................ 134
Figura 105 Perfis de Microdurezas de cordo de solda SALM de um
passe nas condies tratadas CS, S, E e R. As impresses
foram realizadas no corte frontal do cordo. Ataque Barker
1,8%. .................................................................................................. 139
Figura 106 Perfis de Microdurezas de cordo de solda SALM de dois
passes, sem inverso de rotao no segundo passe, nas
condies tratadas CS, S, E e R. As impresses foram
realizadas no corte frontal do cordo. ................................................ 140
Figura 107 Perfis de Microdurezas de cordo de solda SALM de dois
passes, com inverso de rotao no segundo passe, nas
condies tratadas CS, S, E e R. As impresses foram
realizadas no corte frontal do cordo. ................................................ 141
Figura 108 Perfis de Microdurezas de cordo de solda SALM de um
passe nas condies tratadas CS, S, E e R. As impresses
foram realizadas na regio superior do cordo. ................................. 142
Figura 109 Perfis de Microdurezas de cordo de solda SALM de dois
passes, sem inverso de rotao no segundo passe, nas
condies tratadas CS, S, E e R. As impresses foram
realizadas na regio superior do cordo. ........................................... 143
Figura 110 Perfis de Microdurezas de cordo de solda SALM de dois
passes, com inverso de rotao no segundo passe, nas
condies tratadas CS, S, E e R. As impresses foram
realizadas na regio superior do cordo. ........................................... 144
Figura 111 Perfis de Microdurezas de cordo de solda SALM de um
passe nas condies tratadas CS, S, E e R. As impresses
foram realizadas na raiz do cordo. ................................................... 145
xv
Figura 112 Perfis de Microdurezas de cordo de solda SALM de dois
passes, sem inverso de rotao no segundo passe, nas
condies tratadas CS, S, E e R. As impresses foram
realizadas na raiz do cordo. ............................................................. 146
Figura 113 Perfis de Microdurezas de cordo de solda SALM de 2
passes, com inverso de rotao no segundo passe, nas
condies tratadas CS, S, E e R. As impresses foram
realizadas na raiz do cordo. ............................................................. 147
xvi
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 Fumos emitidos pelo processo SALM e MIG/MAG (2) ............................ xxii
Tabela 2 Comparativo entre o processo SALM e MIG/MAG na soldagem
de perfil de alumnio de 50 mm de espessura (5). ................................... 7
Tabela 3 Energias de Ativao (kJ/mol) para liga AlMgSi, adaptado de
Afify et al. (70) e Temperaturas (oC) de precipitao e
dissoluo de precipitados da liga AA 6005, adaptado das
referncias (50, 71, 72). ............................................................................. 36
Tabela 4 Composio qumica dos corpos de prova .............................................. 47
Tabela 5 Tempos e Temperaturas de Tratamento Trmico ................................... 51
Tabela 6 Tabela de Anlise de Varincia ANOVA. Adaptado de (99, 101) ................. 61
Tabela 7 Caracterizao da geometria do cordo de solda na condio
como-soldado. Vista Frontal. ................................................................ 67
Tabela 8 Razo entre larguras de topo e de raiz tendo como referncia
as dimenses do cordo com um passe para o cordo de
solda na condio como-soldado e vista frontal. .................................. 68
Tabela 9 Razo entre as reas da ZTMA no avano e no retrocesso
tendo como referncia a rea total em cada condio de
soldagem para o cordo de solda na condio como-soldado
e vista frontal. ....................................................................................... 69
Tabela 10 Medidas dos tamanhos de gro (m). Vista frontal. Condio
como soldado. ...................................................................................... 71
Tabela 11 ANOVA para os efeitos condio de soldagem, localizao e
sua interao para os gros alongados. .............................................. 74
Tabela 12 ANOVA para os efeitos condio de soldagem, localizao e
sua interao para os gros equiaxiais. ............................................... 76
Tabela 13 Medidas de fraes recristalizadas secundariamente dos
cordes soldados. ................................................................................ 89
Tabela 14 Medidas dos tamanhos de gro (m). Vista frontal. Condio
Solubilizado. ......................................................................................... 93
Tabela 15 Medidas dos tamanhos de gro (m). Vista frontal. Condio
Solubilizado e Envelhecido. ................................................................. 93
xvii
Tabela 16 Medidas dos tamanhos de gro (m). Vista frontal. Condio
Recozido por 2 horas. .......................................................................... 93
Tabela 17 Medidas dos tamanhos de gro (m). Vista frontal. Condio
Recozido por 8 horas. .......................................................................... 93
Tabela 18 Clculo de ANOVA para os fatores tratamento trmico,
condio de soldagem do cordo e localizao. .................................. 96
Tabela 19 Tabela de ANOVA para os fatores Tratamento Trmico,
Condies de Soldagem e Localizao, para gros
alongados na ZTMA. ............................................................................ 99
Tabela 20 Dados de textura para as diferentes condies de soldagem
sem tratamento trmico e com tratamento de recozimento
por 8 horas. ........................................................................................ 132
Tabela 21 Temperaturas de dissoluo para diferentes velocidades de
aquecimento. Cordo com 1 passe na condio como
soldado. .............................................................................................. 136
Tabela 22 Energia de ativao calculada atravs da inclinao da reta
obtida por interpolao linear. Uma estimativa do erro da
interpolao tambm fornecida. Cordo com 1 passe na
condio como soldado. ..................................................................... 136
Tabela 23 Temperaturas de dissoluo para diferentes velocidades de
aquecimento. Cordo com 2 passes sem inverso, na
condio como soldado. ..................................................................... 137
Tabela 24 Energia de ativao calculada atravs da inclinao da reta
obtida por interpolao linear. Uma estimativa do erro da
interpolao tambm fornecida. Cordo com 2 passes sem
inverso, na condio como soldado. ................................................ 137
Tabela 25 Temperaturas de dissoluo para diferentes velocidades de
aquecimento. Cordo com 2 passes com inverso, na
condio como soldado. ..................................................................... 138
Tabela 26 Energia de ativao calculada atravs da inclinao da reta
obtida por interpolao linear. Uma estimativa do erro da
interpolao tambm fornecida. Cordo com 2 passes com
inverso, na condio como soldado. ................................................ 138
xviii
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
6XXX Ligas de alumnio da srie 6000 tambm denominada Al-Mg-Si
ANOM Analysis of Medians
ANOVA Analysis of Variance
EBSD Electron Backscattered Diffraction
ECAE Equal Channel Angular Extrusion
ECAP Equal Channel Angular Pressing
EDE Energia de Falha de Empilhamento
FDO Funo Distribuio De Orientao
FSW Friction Stir Welding
GP Guinier-Preston
iSTIR Modelo Trmico E Analtico Para O Processo SALM
LASER Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation
MAG Metal Active Gas
MIG Metal Inert Gas
ODF Orientation Distribution Function
RPM Rotaes Por Minuto
SALM Soldagem por Atrito Linear com Mistura
SPD Severe Plastic Deformation
T4
Tratamento trmico de liga de alumnio: Solubilizado e
envelhecido naturalmente at uma condio estvel
T6
Tratamento trmico de liga de alumnio: Solubilizado e
envelhecido artificialmente
Triflat Modelo de ferramenta patenteado para o processo SALM
TWI The Welding Institute
ZAC Zona Afetada pelo Calor
ZTMA Zona Termomecnicamente Afetada
xix
LISTA DE SMBOLOS
Smbolo Descrio Unidade
A e B produtos de solubilidade
A constante do material
coeficiente de atrito
b constante do material
c constante do material
C concentrao dos componentes dos precipitados (% em peso)
D tamanho de gro (m)
d tamanho de subgro (m)
f frao volumtrica disponvel para dissoluo
g tamanho de gro final (m)
g0 tamanho de gro inicial (m)
Hn Dureza da fase n (Hv)
k1 constante cintica
k constante do material
m constante do material
NL nmero de interceptos por crculo teste (m-1)
P presso da ferramenta Pa
q potncia transmitida para o cordo (W)
Q energia de ativao (J mol-1)
R constante do gs 8,314 (J mol-1 K-1)
R' rotao da ferramenta (rpm)
rB raio da fonte de calor (m)
s velocidade de aquecimento (K s)
T temperatura (K)
t tempo (s)
T temperatura (K)
t0 instante inicial (s)
T2
temperaturas abaixo da solubilizao e acima da
temperatura de tratamento com tempo comum para o
incio da recristalizao e precipitao
(K)
Tc temperatura mnima (K)
Tf temperatura de fuso (K)
Ts temperatura de solubilizao (K)
xx
v velocidade da fonte de calor (ms-1)
Vn frao volumtrica da fase n
Vv
frao volumtrica de recristalizao secundria
velocidade de translao da ferramenta (ms-1)
x distncia no eixo x
y distncia no eixo y
Z parmetro Zener - Hollomon (s-1)
Precipitado Mg2Si para ligas Al-Mg-Si
' Precipitado semi-coerente tipo bastonete para ligas Al-
Mg-Si
" Precipitado coerente tipo agulha para ligas Al-Mg-Si
condutividade trmica (W/mK)
densidade de discordncias (m-2)
desvio padro
taxa de deformao (s-1)
tamanho de gro mdio (m)
xxi
JUSTIFICATIVA
Invenes podem ser classificadas genericamente em duas categorias: aquelas que
procuram solues e aquelas que fornecem solues. A soldagem por atrito linear
com mistura (SALM), conhecida tambm por seu nome em ingls friction stir welding
(FSW), foi inventada numa poca que a comunidade envolvida com juno de
materiais procurava uma soluo para soldar ligas de alumnio de alta resistncia,
obtendo juntas com propriedades mecnicas superiores (1, 2).
A soldagem pelo processo SALM permite a juno de materiais dissimilares e no
dissimilares de ligas de alumnio, ao, nquel, cobre e titnio. Com o SALM as juntas
obtidas so de melhor qualidade quando comparadas com as obtidas por processos
de soldagem convencional por arco. As principais caractersticas positivas destas
juntas so a alta resistncia, maior vida em fadiga, menor distoro, menor tenso
residual, menor susceptibilidade corroso e menor quantidade de defeitos
volumtricos (2, 3).
Alm das vantagens na qualidade da junta, o SALM tem outras vantagens
relacionadas com o meio ambiente (4). Arbegast (2) estimou que se 10% do mercado
americano de juno fosse trocado pelo processo SALM, iria ocorrer uma reduo
anual de energia da ordem de 1,35 x 1016 J e uma reduo anual de 227 x 106 Kg de
emisso de gases relacionados com o efeito estufa. As emisses de fumos nocivos
a sade tambm so reduzidos neste processo, a tabela 1 apresenta um
comparativo das emisses para o SALM e a soldagem MIG/MAG (5).
xxii
Tabela 1 Fumos emitidos pelo processo SALM e MIG/MAG (5)
Processo Cr (mg/mm3) Cu (mg/mm3) Mn (mg/mm3) Cr6+ (mg/mm3)
MIG / MAG 0,25 0,11 1,88 0,02
SALM
xxiii
SUMRIO
AGRADECIMENTOS ................................................................................................. III
RESUMO................................................................................................................... IV
ABSTRACT ................................................................................................................ V
LISTA DE ILUSTRAES ....................................................................................... VI
LISTA DE TABELAS .............................................................................................. XVI
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS ............................................................... XVIII
LISTA DE SMBOLOS ............................................................................................ XIX
JUSTIFICATIVA ...................................................................................................... XXI
SUMRIO ............................................................................................................. XXIII
1 INTRODUO ..................................................................................................... 1
2 REVISO BIBLIOGRFICA ................................................................................ 3
2.1 PROCESSO DE SOLDAGEM POR ATRITO LINEAR COM MISTURA (SALM) DE LIGAS
DE ALUMNIO .............................................................................................................. 3
2.2 MODELOS DO PROCESSO SALM .................................................................... 13
2.3 RECUPERAO E RECRISTALIZAO ............................................................... 29
2.4 CRESCIMENTO DE GROS E RECRISTALIZAO SECUNDRIA ............................ 31
2.5 PRECIPITAO DURANTE A RECRISTALIZAO .................................................. 34
2.6 CARACTERSTICAS DA SOLDA POR SALM ........................................................ 34
2.7 TEXTURA NO SALM ....................................................................................... 42
3 OBJETIVOS ....................................................................................................... 46
4 MATERIAIS E MTODOS ................................................................................. 47
4.1 METAL DE BASE ............................................................................................. 47
4.2 SOLDAGEM DOS CORPOS DE PROVA ................................................................ 47
4.3 PREPARAO DAS AMOSTRAS PARA MICROSCPIO TICO ................................. 49
4.4 PREPARAO DAS AMOSTRAS PARA CALORIMETRIA DIFERENCIAL ....................... 50
4.5 PREPARAO DAS AMOSTRAS PARA EBSD E MEV .......................................... 50
4.6 TRATAMENTO TRMICO NOS CORDES (1 PASSE E 2 PASSES) ........................... 51
xxiv
4.7 CARACTERIZAO DOS CORDES SOLDADOS ................................................... 52
4.8 EXPERIMENTAO ESTATSTICA ..................................................................... 55
5 RESULTADOS E DISCUSSO ......................................................................... 63
5.1 CARACTERIZAO METALOGRFICA ................................................................ 63
5.2 DIFRAO DE ELTRONS RETROESPALHADOS (EBSD) ................................... 100
5.3 DETERMINAO DAS ENERGIAS DE ATIVAO ................................................. 133
5.4 ENSAIOS DE MICRODUREZAS ........................................................................ 139
6 CONCLUSES ................................................................................................ 149
7 SUGESTES DE TRABALHOS FUTUROS ................................................... 153
8 REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS ................................................................ 154
1
1 INTRODUO
O processo de soldagem por atrito, denominado soldagem por atrito linear com
mistura (SALM), ou em ingls friction stir welding (FSW), foi concebido em 1991 pelo
The Welding Institute (TWI) na Inglaterra. A aplicao deste processo na soldagem
de alumnio na indstria aeronutica da Europa, Amrica do Norte e Amrica do Sul
considerada como um diferencial tcnico competitivo.
As vantagens resultam do fato que o SALM, como todos os outros processos de
soldagem por atrito, realizado na fase slida, abaixo do ponto de fuso do material
a ser unido. O processo, por ser automatizado, tambm permite ser controlado com
preciso, tendo uma boa repetibilidade na qualidade da junta.
As ligas de alumnio, endurecveis por precipitao, muito utilizadas na indstria
aeronutica, sofrem uma perda das propriedades mecnicas na regio da solda
devido ao ciclo trmico que a regio submetida, alm de possveis tratamentos
trmicos posteriores. Nesta regio ocorrem simultaneamente diversas
transformaes de fase, como a recristalizao, crescimento de gro e crescimento
e solubilizao de precipitados.
As propriedades mecnicas resultantes da junta so importantes na determinao
da eficincia da junta, que uma caracterstica de projeto na construo mecnica.
A eficincia da junta soldada reduzida com o amolecimento da regio central do
cordo, que limita a utilizao de materiais endurecveis por precipitao e pode
inviabilizar a utilizao do prprio processo SALM.
Os tratamentos trmicos posteriores so utilizados para melhorar esta eficincia,
porm apresentam um custo elevado de manufatura e controle.
Assim, para a aplicao deste processo na fabricao de juntas de alta eficincia em
ligas endurecveis por precipitao preciso, alm de obter um cordo livre de
2
defeitos volumtricos e de interface, determinar as condies de soldagem para
minimizar as transformaes que prejudicam as propriedades mecnicas da junta
soldada.
3
2 REVISO BIBLIOGRFICA
2.1 Processo de Soldagem por Atrito Linear com Mistura (SALM) de Ligas de
Alumnio
A soldagem por atrito ocorre no estado slido e a fonte de energia de natureza
mecnica. No processo desenvolvido nas dcadas de 1950 e 1960, o aquecimento
para a ligao entre as partes obtido atravs da rotao de uma das partes,
mantida sob presso contra a outra. Como no ocorre a fuso do metal, defeitos
associados fuso e solidificao, como por exemplo, poros e respingos, no
esto presentes. Esta soldagem por atrito rotacional, apesar de ser capaz de soldar
diversos materiais e, materiais dissimilares, est limitada aos tipos de junta de topo,
planas ou angulares, que devem ser perpendiculares e concntricas com o eixo de
rotao (9). A figura 1 ilustra este processo de soldagem.
Figura 1 Soldagem por atrito rotacional (10).
No SALM uma ferramenta cilndrica rotatria introduzida na junta de topo, ou
sobreposta, entre duas peas a uma determinada profundidade. A ferramenta
ento movida ao longo desta junta. O processo caracterizado pelo calor gerado
atravs do atrito interno do material e o atrito entre a superfcie da ferramenta em
rotao e a superfcie do material da junta, pela mistura do material, deformao
4
plstica oriunda da ferramenta em rotao e do avano linear. A soldagem tambm
realizada no estado slido com baixa distoro geomtrica e, com propriedades
mecnicas superiores soldagem por arco (11, 12). A figura 2 ilustra
esquematicamente este tipo de processo.
Figura 2 Processo de soldagem por atrito linear com mistura (10).
Atualmente, para a soldagem de ligas de alumnio, o processo por arco o mais
utilizado, devido a sua flexibilidade e baixo custo alm da boa soldabilidade de
muitas das ligas de alumnio. Nas indstrias aeronuticas e automobilsticas so
freqentes tambm as soldagens de alumnio por TIG, MIG, plasma, feixe de
eltrons, laser, e por difuso (12, 13, 14, 15). A escolha de processos menos
convencionais est associada soldabilidade das ligas empregadas. Em particular,
as ligas das sries 2000 e 7000 utilizadas em muitas das aplicaes nestas
indstrias possuem uma soldabilidade muito ruim, caracterizada pela presena de
trincas de solidificao.
Devido ao problema de soldabilidade de algumas ligas de alumnio (sries 2000 e
7000), procura-se desenvolver ligas com soldabilidade melhorada ou processos com
fontes de calor de baixa potncia, eficientes e concentradas, melhorando assim, o
formato do cordo, minimizando a zona afetada pelo calor e reduzindo tanto as
distores como a presena de trinca de solidificao nestas ligas (12). O processo
5
SALM tem todas estas caractersticas, ou seja, uma fonte calor de eficincia trmica
elevada em toda rea da deformao plstica, alm de soldar no estado slido.
O alumnio tem algumas caractersticas fsicas e qumicas que devem ser
consideradas em todos os processos de soldagem. Estas caractersticas tornam os
processos de soldagem, por fuso de alumnio e suas ligas, complexos e com maior
probabilidade de falhas, quando comparados a outros materiais ou ligas metlicas. O
alumnio forma uma camada de xidos superficial, que tem um ponto de fuso
prximo 2050C, muito acima do ponto de fuso da liga de alumnio. O processo
de soldagem deve ser capaz de quebrar esta camada e remov-la continuamente,
para evitar defeitos, como por exemplo, a falta de fuso. Esta camada de xidos
atua como um isolante eltrico, dificultando, na soldagem com fonte de calor de
energia eltrica, a abertura do arco e a fuso do alumnio. Nos processos com fuso
esta camada de caracterstica porosa pode absorver substncias que contm
hidrognio, introduzindo-o na poa de fuso. Este fato, somado grande
solubilidade do hidrognio no estado lquido do alumnio, pode promover a
porosidade do cordo de solda. Assim, so necessrias a preparao e limpeza da
superfcie das juntas, para a soldagem por fuso. Devido alta condutividade
trmica do alumnio, a soldagem muito sensvel a variaes na fonte de calor
durante o processo, podendo levar a variaes no volume de material fundido e na
penetrao do cordo de solda. O alumnio tem uma taxa de contrao de,
aproximadamente, 6% durante a solidificao, necessitando de um balanceamento
da seqncia de soldagem para reduzir a distoro da pea que est sendo soldada.
As tenses residuais da pea associadas a o coeficiente de dilatao trmica linear
tornam o alumnio suscetvel a trincas de solidificao(13, 15).
6
As caractersticas do SALM no o tornam suscetvel aos defeitos oriundos da
camada de xidos, como nos processos com fuso. A baixa potncia obtida a uma
taxa constante torna o processo homogneo, com baixas distores.
O ciclo trmico da zona afetada pelo calor, para ligas de alumnio endurecveis por
precipitao, causa a degradao de suas propriedades mecnicas devido a
modificaes microestruturais (13, 15). Obtm-se na soldagem uma regio, adjacente
ao cordo, solubilizada e com crescimento de gro e, aps esta, uma regio super-
envelhecida, conforme a curva de resfriamento e a reao de formao dos
precipitados. O calor utilizado para a soldagem responsvel pela degradao da
microestrutura (15). A zona afetada pelo calor no SALM de dimenso prxima ao
dimetro da ferramenta, sendo assim relevante para a anlise.
As vantagens do processo SALM esto relacionadas com a baixa energia utilizada
para soldagem e com a ausncia de fuso. A freqncia de defeitos inferior
soldagem por arco, alm de apresentar a facilidade de preparao das juntas,
ausncia da necessidade de gases de proteo e metais de adio (7). A inspeo
da solda pode tambm ser diminuda. Todas estas vantagens reduzem,
consideravelmente, o custo de soldagem (7). A tabela 2 apresenta um comparativo
de custos entre o processo SALM e o processo MIG/MAG na soldagem de um perfil
de uma liga de alumnio de 50 mm de espessura. Esta tabela no considera a
complexidade de fixao das peas, como tambm, os custos de licenciamento e
amortizao do equipamento.
7
Tabela 2 Comparativo entre o processo SALM e MIG/MAG na soldagem de perfil de alumnio
de 50 mm de espessura (5).
Categoria SALM MIG/MAG
Tempo de Soldagem (s) 145 442 Tempo de Movimentao e Fixao (s) 485 191 Tempo de Movimentao Cabeotes (s) 145 313 Remoo de xidos (s) 0 374 Equipamentos de Segurana (s) 0 120 Tempo Total de Preparao (s) 775 1440 Velocidade de Soldagem (m/s) 33,3 12,5 Custos de Investimento (US$) 400 200 Comprimento da solda (m) 2000 2000 Custos fixos por hora Aluguel (US$) 13 13 Amortizao em 4 anos (US$) 52 26 Custos Variveis por hora Mo de Obra (US$) 30 30 Energia 1 3 Consumveis - 2 Gases - 2 Custo Total por hora (US$) 96 76 Cordo por hora (m) 11,40 5,47 Custo por comprimento soldado (US$) 8,38 13,81
Este processo pode soldar ligas de alumnio da srie 2000 (Al-Cu) e 7000 (Al-Zn),
que eram anteriormente consideradas no soldveis por fuso e que possuem uma
grande aplicao em estruturas aeronuticas. A vida, em fadiga, desta solda
comparvel juno de placas de alumnio com rebites, sendo superior ao processo
MIG e prximas ao metal de base (12). A figura 3 ilustra os resultados de testes de
fadiga para ligas de alumnio soldadas por SALM.
8
Figura 3 Ensaio de Fadiga. Nmero de ciclos at a ruptura para alumnio srie 6000. a)
Comparao MIG, SALM e Material de Base, b) Comparao SALM, Cordo de solda obtido por
SALM polido e Material de Base (16, 17).
O SALM, quando comparado com outros processos, considerado robusto e
aplicvel em produes seriadas (18). Outras vantagens so: ausncia de porosidade
e respingos, soldagem em todas as posies, alta eficincia de energia (19).
Devido s vantagens do SALM, este est sendo desenvolvido nas indstrias
aeronutica, espacial e automobilstica, sendo considerado, em alguns casos, um
a)
b)
9
substituto para a soldagem por arco, plasma ou feixe de eltrons (7, 12, 14, 20).
Aplicaes em aos e, em outros materiais tambm esto sendo desenvolvidas (21,
22, 23, 24, 25). As principais desvantagens do processo so: a necessidade de fixao
rgida, o furo remanescente aps a soldagem, velocidade moderadamente inferior a
alguns processos por fuso e a necessidade de placas isolantes (19, 26). A velocidade
de soldagem comparvel aos processos de soldagem por LASER, como ilustra a
figura 4.
Figura 4 Comparativo de trs processos para a soldagem de juntas topo a topo de ligas de
alumnio da srie AA 6000 (27).
O equipamento convencional consiste de uma estrutura rgida, com um cabeote
para uma ferramenta rotativa que se desloca sobre a junta a ser soldada. As peas a
serem soldadas so fixadas sob presso (7). A figura 5 ilustra o equipamento e sua
operao.
10
Figura 5 Esquema do processo SALM. Adaptado das referncias (28, 29).
A operao do equipamento automatizada, no necessitando de um soldador
certificado e sim de um operador qualificado (30). As variveis de operao so:
velocidade de avano da ferramenta (V), rotao da ferramenta (R), geometria da
ferramenta e ombro (Pino, Rosca ou Pino com Anis), presso da ferramenta (P),
temperatura inicial do metal de base. A figura 6 ilustra os trs tipos bsicos de
ferramentas. As ferramentas so responsveis pela mistura do material e o ombro
delas por parte da gerao de calor por atrito. As primeiras ferramentas utilizadas no
processo foram as com rosca, como ilustrado na figura 6a. Com a necessidade de
melhorar as propriedades das juntas soldadas e aumentar a penetrao surgiram
ferramentas mais complexas ilustradas nas figuras 6b e 6c (31). Um desenvolvimento
avanado do SALM a utilizao de uma ferramenta dupla com atuao em ambos
os lados do material (32).
A tcnica para o desenvolvimento de ferramentas, seus desenhos e materiais esto
protegidos por patentes, ou so tratados como segredos industriais (16).
Pino V
P
Placa Isolante
11
Figura 6 Exemplos de ferramentas e pinos: (a) ferramenta convencional, (b) pino tipo WhorlTM e (c) pino MX TrifluteTM, desenvolvidas pelo TWI (33).
As figuras 7 a 9 so ilustraes de diferentes tipos de processos SALM, mostrando a
sua versatilidade de uso na indstria. A figura 7 ilustra o processo duplo onde duas
ferramentas soldam um perfil em ambos os lados, permitindo a soldagem de peas
mais espessas e de geometrias mais complexas.
Figura 7 SALM duplo. Realizado com duas ferramentas em ambos os lados de um perfil tpico (34).
O processo SALM tambm pode ser aplicado na fabricao de tubos com costura,
onde as propriedades mecnicas do cordo permitem a fabricao de tubos de ligas
no ferrosas de qualidade superior como est ilustrado na figura 8.
12
Figura 8 SALM na fabricao de tubos no ferrosos (34).
A soldagem de ligas com alto ponto de fuso, ou que necessitam de adio para
melhorar as propriedades finais da junta podem ser realizadas com processos
hbridos. Um processo conhecido o SALM assistido por LASER ou plasma, que
aquece o material na frente da ferramenta. Este calor adicionado por um processo
secundrio somado ao calor gerado pelo atrito do ombro da ferramenta eleva a
temperatura do material permitindo a sua mistura (35, 36). A figura 9 ilustra este
processo onde ocorre a adio de um terceiro metal na soldagem.
Figura 9 SALM Hbrido: (a) Vista lateral e (b) Vista superior (34).
13
2.2 Modelos do Processo SALM
O conhecimento sobre o processo SALM ainda no completo e os
desenvolvimentos foram realizados, geralmente, atravs do empirismo (1, 37, 38).
O modelamento fenomenolgico de um processo oferece reduo de tempo e de
custos nos programas de desenvolvimento. Os esforos para o conhecimento terico
do processo SALM, como modelos e simulaes, so muito limitados devido sua
complexidade, que envolve: juno termomecnica, aumento de temperatura,
grandes deformaes plsticas, superfcie de contato e coeficiente de atrito (39).
A chave para o modelamento coincidir a complexidade das solues com o nvel
de qualidade desejado das respostas do modelo. Assim, modelos empricos e semi-
empricos, relativamente, simples podem ser utilizados, fornecendo uma ferramenta
de desenvolvimento rpida e flexvel (38). Modelos complexos do processo, como
modelos fenomenolgicos, tambm so teis para desenvolver esta aplicao em
outros materiais e aperfeioar a tecnologia existente (37).
Os modelos revistos (38, 39, 40, 41, 42, 43, 44, 45) do nfase ao fenmeno trmico no
processo de soldagem, pois este de grande importncia para as propriedades
mecnicas e microestruturais resultantes na solda. Os modelos de transferncia de
calor so, normalmente, fenomenolgicos e os que predizem a dureza ou a
microestrutura so empricos, ou semi-empricos. Os modelos seguintes se
destacam por sua aplicabilidade e abrangncia em SALM.
McClure(45) prope um modelo trmico baseado na equao de Rosenthal, que
descreve uma distribuio de temperatura mxima de um meio semi-infinito, na
temperatura To, em funo da distncia. Neste modelo o aquecimento (q) gerado
14
somente pelo atrito da ferramenta na pea (), movendo-se a uma velocidade
constante de rotao (v) e de translao (). Ainda segundo McClure (45), a maior
temperatura atingida inferior a 0,8 Tf. Aumentando-se a presso de soldagem (P) e
a velocidade (v), aumenta-se a temperatura mxima em uma dada distncia como
indicado na equao (1).
( )
++
+= 20
2
002
0
2
0
02
exp2
zrwk
v
zr
qTT
(1)
onde:
coscos0 = rw
)cos(2220 += rrr
ddPdq 22=
a definio das coordenadas est apresentada na figura 10.
Figura 10 Coordenadas do modelo de McClure (45).
ro
r
w
v
15
Este modelo, apesar de prever a temperatura em posies ao redor da fonte de calor
e a extenso da regio afetada pelo aquecimento, no prev a temperatura ao longo
tempo. Isto importante para avaliar cintica de reaes de precipitao,
recristalizao e crescimento de gro.
Dentre os diversos modelos que existem na literatura, o iSTIR(46, 47) um modelo
trmico e analtico para 2D e 3D para a soldagem similar ou dissimilar de materiais
metlicos por SALM. O modelo permite a simulao assimtrica da temperatura
abaixo do ombro da ferramenta, produzida pela ao das velocidades de translao
e de rotao e linear, tanto nas condies a quente e a durante a soldagem. A figura
11 mostra o processo iterativo do melhor ajuste entre um ciclo trmico experimental
e calculado pelo modelo proposto.
16
(a)
(b)
(c)
Figura 11 Ciclos trmicos para a condio 2D em uma distncia de 8,185 mm do centro do
cordo para AA 6056-T4 com 3,9 mm de espessura, representando de (a) at (c) o melhor
ajuste entre os valores medidos experimentalmente e os previstos pelo modelo analtico.
Potncia do processo 745W (47).
17
Colegrove e Shercliff (48), empregaram um modelo bi-dimensional plano para
comparar a energia de soldagem e as foras de arraste da ferramenta com
diferentes geometrias de pinos, velocidades de rotao da ferramenta e
comportamento do material deformao em temperatura elevada. Para
compreender melhor qual o comportamento do material durante a soldagem por
SALM foram feitas anlises da presso em torno da ferramenta; das tenses de
deformao, das taxas de deformao e da temperatura do material durante a
soldagem.
Resultados da interao do pino da ferramenta Triflat com velocidade translao de
1 mm/s e velocidade de rotao de 120 rpm para liga de alumnio AA 7449 com 20
mm de espessura esto mostrados na figura 12. Os valores da velocidade e os
vetores de velocidade esto apresentados nas figuras 12(a) e 12(b),
respectivamente. Observa-se nestas figuras que a deformao maior na regio
prxima do pino, e como o material deformado arrastado no lado de retrocesso da
ferramenta.
O tamanho da regio deformada na figura 12(b) foi determinado com base no
desenho da superfcie onde a taxa de deformao foi de 1 s-1. Esta escolha foi
arbitrria, porm mostra que a escolha deste valor permite comparar este traado
com o campo dos vetores de velocidade ao lado da ferramenta e do material no
deformado. A figura 12(c) mostra a variao da taxa de deformao, que maior na
superfcie de contato entre o pino e o material e vai reduzindo na direo do metal
base. Por ltimo, a figura 12(d) apresenta a distribuio de temperatura, que
bastante uniforme ao redor do pino
18
Figura 12 Resultados da interao do pino da ferramenta Triflat com velocidade translao
de 1 mm/s e velocidade de rotao de 120 rpm para liga de alumnio AA 7449 com 20 mm de
espessura. (a) contornos dos valores da velocidade (m/s); (b) vetores velocidade (mostrando
uma superfcie com taxa de deformao de 1 s-1); (c) taxa de deformao em s-1 (observar que
a escala logartmica); (d) contornos de temperatura (oC) (48).
A representao grfica do campo da presso em diferentes orientaes de uma
ferramenta Triflat est mostrada na figura 13. As presses mais altas e mais baixas
esto no lado do avano. Os valores mximos so obtidos quando o lado plano da
ferramenta est alinhado com o lado do retrocesso, conforme apresentado na figura
13(a). Isto porque a protruso da ferramenta est movendo contra o fluxo de
material, o que origina uma elevada diferena de presso entre os dois locais da
ferramenta. Quando essa parte da ferramenta est no lado do retrocesso, como
indicado na figura 13(c), o fluxo de material na mesma direo da rotao da
ferramenta e, portanto, a diferena de presso muito menor. Desta maneira, para
19
uma dada geometria de ferramenta, conforme sua posio instantnea pode ocorrer
uma diferena de presso dependendo da orientao futura da ferramenta.
Figura 13 Contornos de presso (Pa) do pino da ferramenta Triflat com velocidade translao
de 1 mm/s e velocidade de rotao de 120 rpm para liga de alumnio AA 7449 com 20 mm de
espessura (48).
Frigaard et al. (42, 49), prope um modelo para a zona afetada pelo calor para o
processo que se compe de: modelo de fluxo de calor predizendo o ciclo trmico em
uma dada distncia, modelo da cintica da microestrutura da zona afetada pelo calor
em funo da temperatura e de equaes baseadas na mecnica de discordncias,
que fornecem informao quantitativa sobre a dureza da zona afetada pelo calor. A
figura 14 mostra um ciclo trmico medido experimentalmente e calculado segundo o
a b
c d
20
modelo de Frigaard et al. (42, 49). Os parmetros utilizados foram velocidade de
translao de 5 mm/s, velocidade de rotao da ferramenta de 1500 rpm e fora de
7 kN.
Figura 14 Ciclo trmico para uma liga AA6082 obtido na regio logo abaixo do ombro da
ferramenta (42, 49).
O modelo uma combinao de leis da termodinmica com a teoria da difuso,
descrevendo solubilizao, re-precipitao e a cintica de envelhecimento natural
das ligas, ocorrendo seqencialmente no tempo, que foi proposto por Myhr e Grong
(50, 51). Ele prev a dureza e a resistncia de soldas envelhecidas naturalmente, com
uma correo emprica para velocidades de soldagem altas, onde a zona afetada
pelo calor se sobrepe com a regio deformada plasticamente. Conseqentemente,
o modelo perde sua preciso no clculo da dureza resultante (49). Um exemplo de
previso de dureza esta mostrado na figura 15.
21
Figura 15 Medidas de dureza experimentais e calculadas pelo modelo em liga de alumnio
AA6082-T6. Parmetros de soldagem: velocidade de 5 mm/s; velocidade de rotao do pino de
1500 rpm e fora de 7 kN (42, 49).
O modelo de Frigaard (42, 49) trata como a principal causa para a perda de resistncia
e de dureza dos cordes de solda, os efeitos trmicos da soldagem, porm, o
modelo no inclui no efeito trmico, o fenmeno de recristalizao e de crescimento
de gro.
No trabalho foi feito o tratamento trmico do cordo de solda para avaliar a alterao
da microestrutura. Os resultados esto mostrados na figura 16.
22
(a)
(b)
Figura 16 Efeito do tratamento trmico na microestrutura da junta soldada por SALM da liga
AA6082-T6. Em (a) na condio como-soldada e em (b) tratada a 510oC por 15 min (42, 49).
Para processos de soldagem com fenmenos de precipitao e crescimento de gro
no material de base, os modelos tambm podem ser apresentados na forma de
diagramas. Ashby, Easterling e Ion(40, 43), propem um modelo baseado em
transferncia de calor, teoria da difuso e modelamento semi-emprico para prever a
microestrutura da zona afetada pelo calor da soldagem por fuso. Os resultados do
modelo so diagramas com eixos de tempo de resfriamento, de pico de temperatura
atingido no processo e de distncia do centro do cordo de solda. Os diagramas
23
mostram a extenso do crescimento de gro, solubilizao e crescimento de
precipitados, transformaes de fase e dureza resultante.
possvel, atravs destes diagramas, verificar a dependncia da microestrutura com
o calor fornecido no processo. A figura 17a ilustra um diagrama com eixos de tempo
resfriamento, pico de temperatura e energia fornecida para o processo. Neste
diagrama so estabelecidas as influncias destas variveis sobre tamanho de gro e
solubilizao de precipitados. A figura 17b apresenta um diagrama com eixos de
energia oferecida, tempo de resfriamento e distncia do centro do cordo. Neste
diagrama so estabelecidas as relaes destas variveis sobre o tamanho de gro,
solubilizao de precipitados e dimenso da zona afetada pelo calor.
Grong(52) considera estes diagramas, como uma anlise alternativa s tcnicas de
modelamento que necessitam de muitos clculos em computador e so, devido
complexidade, limitadas a duas dimenses. Apesar de ser uma soluo simplificada
do problema, o valor deste modelo est no fornecimento de uma compreenso maior
dos mecanismos fsicos envolvidos, atravs da transparncia dos diagramas.
24
Figura 17 a) Diagrama de Ashby. b) Diagrama de Ashby para a regio do cordo de solda (40,
43).
a)
b)
25
O modelo de Ashby, Easterling e Ion (40, 43), utiliza as equaes de Rosenthal
para obter o perfil de temperaturas no tempo. O ciclo trmico da soldagem induz
mudanas microestruturais no material da zona afetada pelo calor, que pode estar
relacionada com a difuso durante o aquecimento gerado pelos ciclos trmicos. A
equao (2) necessria para todos os pontos dos diagramas:
=
0 )(exp dt
tRT
QI (2)
A equao (3) permite estimar fenmenos como o crescimento de gro e a
precipitao, considerando-se as devidas constantes cinticas e as energias de
ativao. Para o crescimento de gro g tem-se a seguinte equao:
=
01
2
0
2
)(exp dt
tRT
Qkgg (3)
Ashby, Easterling e Ion (40, 43), utilizam tambm para seus diagramas uma
correo na equao (4), quando ocorre a interao entre o crescimento de gro e o
crescimento de precipitados.
Dependendo da temperatura alcanada durante o ciclo de aquecimento, os
precipitados na zona afetada pelo calor podem se dissolver. A temperatura de
dissoluo Ts dos precipitados, utilizada nos diagramas, dada por:
=
+ba
b
N
a
M
s
f
CCA
BT
log (4)
A dureza da zona afetada pelo calor pode ser obtida atravs do clculo da frao
volumtrica de todos os constituintes que se formam. Com estes dados, e
conhecendo a dureza de cada constituinte, uma regra para a mistura pode ser
26
utilizada, conforme a equao (5), fornecendo um valor mdio de dureza com boa
aproximao (43).
H = H1 V1 + H2 V2 + HnVn. (5)
Anlises indicam uma relao direta entre o ciclo trmico e o mnimo de resistncia
na zona afetada pelo calor (42, 53, 54). Isto significa que todo potencial do SALM no
pode ser utilizado na engenharia de projetos, devido perda de resistncia na zona
afetada pelo calor, desconsiderando a possibilidade de endurecimento por
precipitao.
Com relao ao fluxo de material, Arbegast (55) props que o cordo era dividido em
zonas de deformao. A zona de deformao de avano (zona I) e de retrocesso
(zona II) em volta do pino da ferramenta esto mostradas na figura 18. O material
deformado que atravessa a zona II move-se para baixo e em torno do pino e
converge para o material deformado na zona I. O material da zona II pode mover
para baixo o suficiente para entrar zona IV, abaixo do final do pino e subir
novamente para ser misturado com o material da zona I. O material da zona III surge
pela deformao causada pelo ombro da ferramenta, e se move em direo
superfcie externa do pino. Este fluxo de material forado para baixo e preenche a
zona I tambm. Caso ocorra alguma falha nesta movimentao de material, poder
ocorrer uma srie de descontinuidades no cordo de solda.
27
Figura 18 Definio das regies de deformao na soldagem SALM, na parte de trs do pino
para ferramenta axi-simtrica (50).
Conforme a relao entre a velocidade de translao e a velocidade de rotao pode
ocorrer a interpenetrao de uma regio em outra ou mesmo o excesso ou falta de
material em uma das regies, que produziro descontinuidades no cordo de solda.
A figura 19 mostra a relao entre a velocidade de translao e de rotao e o fluxo
de material deformado entre as diferentes regies.
AVANO RETROCESSO
OMBRO
REGIO DE EXTRUSO
REGIO DE VORTCES
AVANO
REGIO FINAL
DE FORJAMENTO
28
Figura 19 Efeito da velocidade de avano e de rotao nas regies de deformao de material
durante a soldagem por SALM de uma liga de alumnio (55).
Os modelos apresentados so baseados em uma distribuio de temperatura, o
mais prximo possvel dos valores reais. A partir desta distribuio de temperaturas
so acoplados ao modelo as taxas de deformao e o fluxo do material que est
sendo soldado. A partir destes dados consegue-se, como no caso de ligas de
alumnio endurecveis por precipitao, estimar as propriedades mecnicas do
cordo de solda por SALM.
Excesso de material na zona III
O aumento na velocidade de avano
aumenta a interpenetrao da zona
III na zona I
Vel
ocid
ade
de r
ota
o (
rpm
)
Velocidade de avano (mm/s) 1,6 2,2
29
2.3 Recuperao e Recristalizao
Durante a soldagem por atrito linear com mistura podem ocorrer a recuperao e/ou
a recristalizao no cordo de solda e na zona afetada pelo calor, caso o metal de
base esteja deformado plasticamente.
Na recuperao de um material, aps a deformao plstica, este adquire as suas
propriedades mecnicas prximas do material sem deformao. A recuperao
decorrente da aniquilao de defeitos cristalinos (discordncias) em temperaturas de
0,2 a 0,3 Tf e da formao de subgros por poligonizao em temperaturas acima de
0,4 Tf. A cintica da recuperao pode ser descrita pela reduo da densidade de
discordncias ao longo do tempo t, como indicado na equao (6) (56):
kt=0
11
(6)
medida que a temperatura de deformao aumentada, a recuperao mais
intensa, diminuindo o potencial termodinmico para a recristalizao. A recuperao
pode ocorrer de forma esttica, atravs do aquecimento do material, ou
dinamicamente sob tenso e aquecimento durante a deformao.
O alumnio apresenta uma elevada energia de falha de empilhamento (EDE) (0,2
J/m2 ou 200 erg/cm2), tendo assim as suas discordncias parciais prximas umas
das outras e, conseqentemente, facilitando a sua mobilidade. Isto favorece o
fenmeno de recristalizao.
A recristalizao inicia-se com a nucleao de uma regio livre de defeitos atravs
de mecanismos de rearranjo de discordncias. Esta regio delimitada por um
30
contorno de alto ngulo e com alta mobilidade sobre a matriz encruada ou,
previamente recuperada.
O potencial termodinmico para que a reao de recristalizao ocorra a energia
armazenada na deformao, oriunda do processo de soldagem SALM. As
heterogeneidades de deformao so locais preferenciais para a nucleao da
recristalizao (56). As nucleaes da recristalizao em ligas de alumnio, que
apresentam alta EDE, podem ocorrer atravs da migrao de contornos de gro
induzida por deformao e pelo coalescimento de subgros.
A migrao de contornos ocorre entre gros com diferentes taxas de deformao,
onde o contorno cresce sobre os gros deformados. Esta nucleao foi observada
em materiais com menos de 40% de deformao (56).
O coalescimento de subgros consiste do coalescimento de dois subgros vizinhos
resultando em reticulados cristalinos coincidentes atravs da rotao de um deles,
eliminando o contorno de baixo ngulo. Este mecanismo de rearranjo foi observado
no alumnio entre 0,4 Tf e 0,5 Tf.
Aps a nucleao a recristalizao pode ocorrer pela migrao dos contornos de alto
ngulo sobre a matriz encruada, porm em alguns materiais esta migrao
suprimida (56).
A migrao pode ser diminuda em sua velocidade atravs de foras retardadoras
como (56, 57, 58, 59): disperso de precipitados e tomos de soluto. No caso de
disperso de precipitados esta fora retardadora influenciada por dois parmetros:
o dimetro mdio das partculas e espaamento entre as partculas. Quanto maior
for o dimetro mdio das partculas e quanto menor for o espaamento entre elas,
maior ser esta fora retardadora.
31
tomos de soluto como Si, Mn, Mg, Cr e Zr diminuem a EDE e conseqentemente
inibem a recristalizao. Nas ligas da srie AA 6XXX, os elementos Si e Mg so
constituintes do material e formam o precipitado Mg2Si e os elementos Mn, Cr e Zr
tambm inibem a recristalizao, pois precipitam em contorno de gro na forma de
precipitados e aglomerados (60).
Na extruso de ligas de alumnio da srie AA 6XXX no ocorre a recristalizao
durante a deformao a quente, denominada tambm de recristalizao dinmica,
ocorrendo apenas recuperao dinmica (60).
2.4 Crescimento de Gros e Recristalizao Secundria
O crescimento de gro ocorre pela movimentao dos contornos de alto ngulo
sobre os gros termodinamicamente menos estveis. O potencial termodinmico
para esta reao a diminuio dos contornos de alto ngulo.
Quando todos os gros crescem e apresentam no crescimento um tamanho prximo
ao mdio, denomina-se este de crescimento normal de gro. Quando o crescimento
preferencial em alguns gros este se denomina de crescimento anormal, ou
recristalizao secundria. Assim, ir ocorrer uma diferena no perfil da distribuio
de tamanhos de gro ao longo de sua ocorrncia. A figura 20 ilustra as situaes de
crescimento de gro normal e anormal.
32
Figura 20 Representao esquemtica do crescimento (a) normal (b) anormal de gros de
tamanho mdio D ao longo do tempo t (58).
O crescimento anormal de gros tem sido acompanhado experimentalmente de
diferentes formas, como por exemplo, medida de frao volumtrica de gros
grossos, tamanho mdio dos gros com crescimento anormal e distribuio
bidimensional de tamanhos de gro. Com os resultados obtidos de frao
volumtrica de gros com crescimento anormal possvel a descrio do fenmeno
pela equao (7) de Johnson-Mehl-Avrami-Kolmogorov (61):
(7)
O tamanho mdio dos gros que cresceram anormalmente pode ser acompanhado e
descrito pela equao (8) (62):
(8)
onde t0: tempo de incubao.
A recristalizao secundria favorecida por impurezas em soluo slida, presena
de partculas, presena de textura pronunciada e espessura do material (56).
33
Para metais deformados severamente, como no processo ECAP, o crescimento
anormal do gro tambm est relacionado com a presena de fortes texturas, onde
h uma instabilidade elevada dos contornos de subgro, principalmente os
contornos com orientaes inferiores a 5. A instabilidade tambm pode ocorrer se
um gro particular tem uma diferena de orientao na regio onde ele est
presente acima do valor mdio das orientaes da regio (63).
Yu et al. (64), identificaram que para a liga de alumnio AA 1050 deformada
severamente pelo processo de extruso Equal Channel Angular Extrusion (ECAE),
recozida na faixa de temperatura de 275 a 300C, ocorre o crescimento anormal de
gro. Isto porque nesta faixa de temperatura a energia de ativao para a
recristalizao tem uma mudana descontnua no seu valor. Abaixo de 275C, a
energia de ativao para a recristalizao encontrada foi mais baixa, da ordem de 49
kJ/mol, devido alta mobilidade atmica dos contornos de gro fora do equilbrio.
Para temperaturas acima de 300 C a energia de ativao de 84 kJ/mol, prximo a
energia de ativao em contorno do gro do alumnio. Um estudo similar foi
realizado por Lewandowska et al. (65), que alm da temperatura onde esta
transformao ocorre ele conclui tambm que tempos elevados podem levar a
recristalizao secundria de matrias deformados severamente, devido a alta
mobilidade atmica dos contornos gro de no equilbrio (66).
No SALM a recristalizao secundria comum para as ligas de alumnio tratveis
termicamente e est relacionada com a deformao heterognea do processo e a
presena de partculas. A recristalizao secundria pode ser minimizada na
soldagem SALM atravs da escolha ideal de parmetros de soldagem, geometria da
ferramenta, aporte de calor e fluxo de material (67).
34
2.5 Precipitao durante a recristalizao
Uma liga supersaturada e deformada pode recristalizar-se em temperaturas
similares da precipitao de partculas de segunda fase. A temperatura de
tratamento ir determinar a seqncia e ocorrncia dos fenmenos: para
temperaturas acima da temperatura de solubilizao (Ts) da liga ir ocorrer somente
a recristalizao da liga, sem precipitao; para temperaturas abaixo da
solubilizao e acima da temperatura de tratamento com tempo comum para o incio
da recristalizao e precipitao (T2) ir ocorrer a recristalizao seguida da
precipitao; para temperaturas abaixo de (T2) ir ocorrer somente a precipitao
das partculas de segunda fase, influenciando a distribuio das discordncias e o
rearranjo dos subgros na recuperao (56).
Outro modo de precipitao durante a recristalizao a precipitao descontnua
que ocorre junto frente de reao da recristalizao (56). Para temperaturas
prximas a de solubilizao neste modo de precipitao a recristalizao no sofre
influncia. Para temperaturas inferiores a de solubilizao ocorre a precipitao
descontnua junto a recristalizao, e a sua cintica acelerada devido ao aumento
do potencial termodinmico para a migrao de contornos. Em temperaturas mais
baixas a precipitao contnua e descontnua intensa o suficiente para impedir a
migrao dos contornos de alto ngulo, que denominado tambm de
recristalizao contnua (56).
2.6 Caractersticas da Solda por SALM
A seo do cordo resultante no SALM pode ser caracterizada pelo formato
denominado de "onion rings", normalmente, em ligas de Al de alta resistncia e
35
Dimetro da Ferramenta
baixa capacidade de extruso, e pelo formato de taa. O formato da seo tambm
est relacionado com os parmetros de processo (68). A zona termo-mecanicamente
afetada pelo calor est ilustrada na figura 21.
Os gros do material aps a soldagem, conforme mostra a figura 21, so distribudos
em: regio D da solda, que constituda de uma estrutura fina de 2 a 20m, com
baixa densidade de discordncias, recristalizada dinamicamente, devido ao calor
gerado no atrito e alta deformao plstica do fluxo de material; regies C e B, que
so caracterizadas pela recuperao dos gros, e tambm como uma regio afetada
termicamente. A classificao dos gros nem sempre consistente com o perfil de
dureza, pois esta caracterstica mecnica depende das propriedades dos
precipitados (54, 68).
Figura 21 Zona termo-mecanicamente afetada pelo calor: A- Material no afetado; B- Termicamente afetado; C- Termo-mecanicamente afetado - plasticamente deformado, com reas recristalizadas; D- Dinamicamente recristalizado (19).
O SALM, em ligas endurecveis por precipitao, produz uma regio de dureza
inferior a do metal de base, caracterizada pela solubilizao e/ou coalescimento dos
precipitados, conforme o ciclo trmico da regio do cordo. A regio com
precipitados dissolvidos tem um mnimo de dureza na condio soldada. O perfil de
dureza da solda destas ligas apresenta uma queda no centro do cordo (54, 68, 69).
Conforme a curva de resfriamento e a reao de formao de precipitados obtm-se
regies solubilizadas e super-envelhecidas.
36
A tabela 3 apresenta diferentes temperaturas de precipitao de uma liga AlMgSi,
com 1% de Mg, variando a quantidade de Si, como tambm as respectivas energias
de ativao obtidas pelo mtodo de Kissinger.
Tabela 3 Energias de Ativao (kJ/mol) para liga AlMgSi, adaptado de Afify et al. (70) e
Temperaturas (oC) de precipitao e dissoluo de precipitados da liga AA 6005, adaptado das
referncias (50, 71, 72).
GP
Baixa CSi
Energia de Ativao (kJ/mol) 31,26,8 127,45,2 182,33,4 277,95,9
CMg/CSi < 1,7
Energia de Ativao (kJ/mol) 63,46,9 104, 5,5 110,0 5,0 135,4 5,8
Precipitao (C) 160 260 290 a 310 460 a 470
Solubilizao (C) 200 a 220 265 380 a 420 500 a 510
Segundo Pino et al. (73), a energia de ativao da precipitao da fase para a liga
AA 6063 com 0,36% de Si de 85,4 kJ/mol. Myhr e Grong (50), estimaram para a liga
AA 6082 uma energia de 190 kJ/mol para a solubilizao dos precipitados .
Estas energias e temperaturas variam tambm com a deformao do material. Para
deformaes severas as temperaturas de precipitao diminuem e as energias de
ativao tambm, devido ao aumento da difuso do Si no material (74, 75).
Nas ligas endurecveis por precipitao AA 6063 a seqncia de precipitao (54):
soluo slida super-saturada precipitados na forma de agulha precipitados
-Mg2Si
A precipitao da fase pode ser suprimida para altas deformaes (75).
37
A reduo na quantidade dos precipitados finos diminui a dureza do material. O
super-envelhecimento das ligas 6063 forma e coalesce os precipitados e reduz a
densidade de precipitados , ocasionando a queda de dureza na liga. A figura 22
mostra o resultado do efeito trmico no crescimento e solubilizao dos precipitados
atravs de um perfil de dureza transversal ao cordo da solda por SALM, no topo, no
centro e na raiz do cordo.
Na figura 22, na regio SOF, no so encontrados precipitados, na regio MIN h a
presena de somente precipitados super-envelhecidos , na regio LOW h a
presena de precipitados e , e no metal de base BM h a presena de uma
grande quantidade de precipitados e poucos . A quantidade de precipitados
diminui do metal de base para o centro do cordo.
A temperatura de solubilizao dos precipitados inferior dos precipitados ,
que por sua vez inferior do -Mg2Si que prxima de 517,8oC.
Conforme o ciclo trmico resultante da soldagem obtm-se em temperaturas
mximas inferiores a de solubilizao dos precipitados , o crescimento de para
na regio LOW, diminuindo a densidade de e, conseqentemente, reduzindo a
dureza. Em t
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