Análise térmica e mecânica do processo Friction Stir Welding

Abstract

A presente dissertação, tem como principal objectivo a análise numérica das condições termomecânicas do processo de soldadura Friction Stir Welding (FSW). Por forma a realizar essa análise, desenvolveram-se dois modelos numéricos, um bidimensional (2D) e outro tridimensional (3D). Aferiu-se a influência do comportamento viscoplástico do material de base nas condições termomecânicas, através da comparação de cinco materiais virtuais distintos, descritos pela lei constitutiva de Norton-Hoff. Avaliou-se também a influência das velocidades de rotação e de avanço da ferramenta nas condições termomecânicas do processo.Os ciclos térmicos, a distribuição da temperatura, o fluxo do material de base e o binário foram analisados na interface entre a ferramenta e o material de base e ao longo da secção transversal do modelo. Deste modo, foi possível relacionar os outputs do processo (temperatura e binário), os parâmetros do processo (velocidades de rotação e avanço da ferramenta) e o comportamento mecânico dos materiais de base.A análise dos resultados permitiu concluir que as condições termomecânicas são fortemente afetadas pelo comportamento mecânico dos materiais de base e pelos parâmetros do processo. De facto, as temperaturas máximas registadas são maioritariamente afetadas pela velocidade de rotação da ferramenta e pelo comportamento mecânico do material de base, enquanto que a velocidade de avanço da ferramenta influencia as taxas de aquecimento e de arrefecimento registadas durante o processo. Verificou-se ainda que as temperaturas máximas mais elevadas resultam em maiores quantidades de fluxo de material devido ao amacimanto do mesmo, e consequentemente, a maiores valores de binário da ferramenta. Também se concluiu que a resistência mecânica dos materiais de base, às temperaturas do processo, tem uma grande influência nas condições termomecânicas do mesmo.

The current dissertation aims the analysis of the thermomechanical conditions during the welding by Friction Stir Welding (FSW) process, using numerical simulation. For this purpose, a two dimensional (2D) and a three dimensional (3D) models were developed. The role of the viscoplastic behaviour of the base material on the thermomechanical conditions was analysed by comparing five distinct virtual materials, described using the Norton-Hoff constitutive law. The influence of tool rotation and welding speeds, on the thermomechanical conditions, were also analysed. Thermal cycles and temperature distribution, on the tool/base material interface and along the model's transverse cross-section, were analysed, as well as the base materials flow and the spindle torque. In this way, it was possible to relate the process outputs (temperature and torque), with the process parameters (tool rotation and welding speeds) and the base materials mechanical behaviour. The results analysis enabled to conclude that the thermomechanical conditions are strongly affected by the base material and the process parameters. In fact, the maximum temperatures registered are mainly governed by the tool rotation speed and the base materials mechanical behaviour, while the welding speed governs the heating and the cooling rates. Higher maximum temperatures lead to higher amounts of material flow due to the material softening, and consequently, to higher spindle torque values. It was also found that the base materials strength, at service temperatures, is the most influencing factor on thermomechanical conditions.