Friction stir welding de juntas T em ligas de alumínio dissimilares para aplicações navais

Abstract

O processo Friction Stir Welding (FSW) é um processo de soldadura no estado sólido, desenvolvido pelo The Welding Institute, reino Unido, na década de 90 do século passado. O processo foi desenvolvido para a soldadura de ligas de alumínio similares, mas, posteriormente verificou-se que podia ser usado em juntas em ligas dissimilares em alumínio, ou mesmo noutros metais. Embora o processo já esteja muito estudado, há aspetos que não estão esclarecidos, como, por exemplo, a influência da geometria da junta ou das propriedades dos respetivos materiais na qualidade das soldaduras, principalmente em juntas dissimilares. O objetivo desta tese é analisar a soldabilidade de juntas T dissimilares e tridissimilares de ligas de alumínio distintas (AA2017-T4, AA 5083-H111 e AA6082-T6) por FSW. Nas soldaduras dissimilares são consideradas duas preparações de junta, T-Lap e T-Butt, e duas ferramentas com pino de geometria variável, uma com ponta piramidal e outra cónica roscada. Além disso as ligas AA5083-H111 e AA6082-T6, alternam como skin ou como stinger. Nas soldaduras tridissimilares considera-se apenas a junta T-Butt e a ferramenta de ponta cónica roscada. Aqui as ligas AA5083-H111 e AA2017-T4 alternam de posição no skin, entre o lado do avanço e o do recuo. Para todos os casos, estuda-se especificamente a influência da geometria da junta e da ferramenta, dos principais parâmetros do processo e da posição das ligas na junta na morfologia, microestrutura e comportamento mecânico de soldaduras produzidas. É também analisada a influência da geometria da ferramenta e da posição das ligas na força e binário desenvolvidos nas soldaduras. No caso de juntas dissimilares verificou-se que é possível obter soldaduras sem defeitos com qualquer das ferramentas e das preparações de junta utilizadas. As soldaduras em juntas T-butt têm a vantagem de não requer maquinagem posterior. As soldaduras em que a liga AA5083 é localizada no skin requerem velocidade de rotação da ferramenta baixa, mas o rácio entre a velocidade de rotação e a de avanço da ferramenta deve ser elevado para evitar defeitos. Os parâmetros de soldadura influenciam a qualidade das soldaduras, verificando-se a formação de defeitos em soldaduras realizadas com velocidade de avanço elevada. As juntas com a liga 5083-H111 como skin apresentam melhor comportamento à fadiga do que as que usam a liga 6082-T6 nessa posição. O aumento da velocidade de soldadura aumenta a resistência mecânica e o comportamento à fadiga das soldaduras. No caso de juntas tridissimilares verificou-se que é possível produzir soldaduras sem defeitos, independentemente da liga (5083-H111 ou 2017-T4) que se situa do lado do avanço ou recuo. Contudo, a posição das ligas influencia muito a morfologia do nugget. O aumento da velocidade de soldadura aumenta a probabilidade de formação de defeitos no nugget. O posicionamento da liga mais resistente (AA2017-T4) no lado de avanço proporciona soldaduras com melhores propriedades mecânicas e melhor resistência à fadiga. No estudo do comportamento dos binários em soldaduras dissimilares e tridissimilar em junta T, observou-se que, a velocidade de soldadura, a geometria da ferramenta e a posição dos materiais influenciam os valores médios dos binários e das temperaturas máximas alcançadas na soldadura. Finalmente, as ferramentas com pinos progressivos geram ciclos térmicos com temperaturas máximas mais elevadas em comparação com as ferramentas de pino simples.

The Friction Stir Welding (FSW) process is a solid-state welding process, developed by The Welding Institute, United Kingdom, in the 90's of the last century. The process was developed for welding similar aluminum alloys, but later it was found that it could be used in joints in dissimilar aluminum alloys, or even other metals. Although the process has been extensively studied, there are aspects that are still unclear, such as, for example, the influence of the joint geometry or the properties of the respective materials on the quality of the welds, especially in dissimilar joints. The objective of this thesis is to analyze the weldability of dissimilar and tri-dissimilar T joints of different aluminum alloys (AA2017-T4, AA5083-H111 and AA6082-T6) by FSW. In dissimilar welds, two joint preparations are considered, T-Lap and T-Butt, and two tools with variable pin geometry, one with a pyramidal pin tip and the other with a conical thread one. In addition, the AA5083-H111 and AA6082-T6 alloys alternate as skin or as stinger. For tri-dissimilar welds, only the T-Butt joint and the threaded conical pin tip tool are considered. Here the AA5083-H111 and AA2017-T4 alloys alternate their position on the skin, between the forward and the reverse sides. For all cases, the influence of the joint and tool geometry, the main process parameters and the position of the alloys in the joint on the morphology, microstructure and mechanical behavior of the welds produced are specifically studied. The influence of the tool geometry and the position of the alloys in the joint on the axial load and torque developed in the welds is also analyzed In the case of dissimilar joints, it was found that it is possible to obtain welds free of defects with any of the tools and joint preparations used. T-butt welds have the advantage that they do not require further machining. Welds where the AA5083 alloy is located on the skin require a low tool rotation speed, but the ratio between the tool rotation speed and the tool feed speed must be high to avoid defects. The welding parameters influence the quality of the welds, defects occurring in welds carried out with high welding speed. Joints with the 5083-H111 alloy as skin have better fatigue behaviour than those using the 6082-T6 alloy in this position. In the case of tri-dissimilar joints, it was found that it is possible to produce welds without defects, regardless of the alloy (5083-H111 or 2017-T4) which is located on the forward or backward side. However, the position of the alloys greatly influences the morphology of the nugget. Increasing the welding speed increases the likelihood of defects in the nugget. The positioning of the most resistant alloy (AA2017-T4) on the feed side provides welds with better mechanical properties and better resistance to fatigue. In the case of torque analysis at dissimilar and tri-dissimilar T-joints, it was observed that, the welding speed, pin geometry and material position, influence the average values of the torques and peak temperatures reached. Finally, progressive pin tools generate thermal cycles at higher maximum temperatures compared to single pin tools.