Produção de componente híbridos cobre-aço inoxidável para utilização em sistemas de arrefecimento industriais

Abstract

Desde há muito tempo que é importante a ligação de materiais similares e dissimilares na indústria. Em 1991, foi desenvolvida uma nova tecnologia de soldadura em estado sólido, friction stir welding. O desenvolvimento de soldaduras em estado sólido ao longos dos anos tem oferecido inúmeros benefícios em comparação com técnicas mais tradicionais, tendo como vantagem a possibilidade de ligar materiais com composições e propriedades bastante diferentes, a eliminação de fissuras e porosidade, melhores propriedades mecânicas da junta, redução dos custos e da energia e o facto de ser menos prejudicial ao meio ambiente, ao não emitir radiação e gases nocivos. Ao possibilitar a ligação entre materiais dissimilares, é possível tirar partido das melhores propriedades destes materiais. Embora já exista alguma investigação para certos pares de materiais, para outros, como o cobre e o aço inoxidável, a investigação ainda é escassa, tanto em FSW como em FSSW, uma das variantes de soldadura pontual do processo original.O objetivo do presente estudo é realizar e caracterizar soldaduras heterogéneas entre cobre-DHP e aço inoxidável AISI 304, com recurso à tecnologia de soldadura em estado sólido friction stir spot welding. Alguns parâmetros foram mantidos constantes, como a velocidade de rotação (1500 rpm) e a posição dos materiais, tendo-se variado o tempo de soldadura (5, 10, 20 e 60s). Ao nível da ferramenta, foram usadas duas ferramentas planas sem pino com diâmetros de base de 10 e 12 mm. Durante a execução das soldaduras procedeu-se à medição da temperatura, colocando um termopar a 5 mm da extremidade da ferramenta. Após a sua produção, as soldaduras foram testadas mecanicamente, através de testes de microdureza e de tração-corte, e analisadas morfologicamente, através de microscopia ótica, no sentido de determinar a sua resistência mecânica e aferir a existência de micro e macro defeitos.Dos 8 ensaios realizados, foram obtidas com sucesso soldaduras de todos. A temperatura aumentou rapidamente assim que a ferramenta entrou em contacto com a chapa de SS, não se tendo verificado estabilização desta em nenhum dos ensaios. aparência aspeto visual dos ensaios variou consoante os parâmetros usados, tendo-se observado colorações diferentes na zona de atuação da ferramenta, o que está associado à temperatura alcançada durante o processo. Para ambas as ferramentas, verificou-se uma tendência crescente da temperatura com o aumento do tempo de atuação. O aumento do diâmetro de base da ferramenta permitiu obter com sucesso soldaduras usando menor tempo de atuação. Relativamente à macroestrutura, não se observou mistura dos dois materiais. O ataque químico revelou um aumento do tamanho do grão de cobre, que tendeu a aumentar com a temperatura máxima alcançada durante o processo. O tamanho do grão do aço inoxidável diminui devido à recristalização dinâmica. No que respeita às propriedades mecânicas das ligações, observou-se um aumento da microdureza do aço inoxidável, especialmente na zona de atuação da ferramenta. Quanto ao cobre, a microdureza diminui ligeiramente em comparação com o material base, devido ao aumento do tamanho do grão. A dureza média mais elevada para o aço inoxidável foi de 259,54 HV0,2 e a dureza média mínima para o cobre foi 55,57 HV0,2. Relativamente aos ensaios de tração-corte, verificou-se falha interfacial em 7 de 11 ensaios, o que demonstra que ainda existe necessidade de otimização dos parâmetros de soldadura. A força variou entre 2440,6 N e 5540,4 N. A soldadura que obteve melhores resultados em termos de força máxima média foi a soldadura realizado com a ferramenta SP12, com apenas 10s de atuação, ao alcançar 4747,8 N.

The joining of similar and dissimilar materials has long been important in industry. In 1991, a new solid state welding technique, friction stir welding, was developed. The development of solid state welding has offered numerous benefits compared to more traditional techniques, with the advantages being the possibility of joining materials with very different compositions and properties, the elimination of cracks and porosity, better mechanical properties of the joint, reduced costs and energy and the fact that it is less harmful to the environment as it does not emit radiation and noxious gases. By enabling the joining between dissimilar materials, it is possible to take advantage of the best properties of these materials. Although some research already exists for certain material pairs, for others, such as copper and stainless steel, research is still scarce, both in FSW and FSSW, one of the spot welding variants of the original process.The aim of the present study is to perform and characterize heterogeneous welds between copper-DHP and AISI 304 stainless steel, using the solid state friction stir spot welding. Some parameters were kept constant, such as the rotation speed (1500 rpm) and the position of the materials, and the welding time was varied (5, 10, 20 and 60s). Regarding the tools, two flat pinless tools with shoulder diameters of 10 and 12 mm were used. During the execution of the welds, the temperature was measured by placing a thermocouple 5 mm away from the tool tip. After their production, the welds were mechanically tested, through microhardness and tensile-shear tests, and morphologically analyzed, through optical microscopy, in order to determine their mechanical strength and assess the formation of micro and macro defects.Out of the 8 tests performed, all of them were successfully welded. The temperature increased rapidly as soon as the tool came into contact with the stainless-steel sheet, and no stabilization of the temperature was observed in any of the tests. The visual appearance of the tests varied according to the parameters used, with different coloration being observed in the area where the tool performed, which is associated with the temperature reached during the process. For both tools, there was an increasing trend in temperature with increasing the welding time. Increasing the tool shoulder diameter allowed successful welding using shorter welding times. Regarding the macrostructure, no mixing of the two materials was observed. The chemical etching revealed an increase in the copper grain size, which tended to increase with the maximum temperature reached during the process. The grain size of the stainless-steel decreases due to dynamic recrystallisation. An increase in the microhardness of the stainless steel was observed, especially in the zone where the tool performs. In which concerns to the copper, the microhardness decreases slightly compared to the base material due to the increase in grain size. The highest average hardness for stainless steel was 259.54 HV0.2 and the minimum average hardness for copper was 55.57 HV0.2. In tensile testing, interfacial failure was found in 7 out of 11 tests, which shows that some optimization in welding parameters is still required. The maximum load varied between 2440.6 N and 5540.4 N. The weld that obtained the best results in terms of average maximum force was the one performed with the SP12 tool, with a welding time of only 10s, reaching 4747.8 N.