Processamento por Fricção Linear: uma técnica de melhoria da resistência à fadiga de juntas soldadas

Abstract

Elementos ou estruturas soldadas são muito comuns em equipamentos mecânicos, sendo estes bastante suscetíveis a falhas por fadiga dado a presença do acidente geométrico (cordão de soldadura) e de defeitos de soldadura muito comuns sobre tudo em soldaduras de ligas de alumínio que por sua vez são bastante utilizadas na industria em geral, pelo que se torna um objeto de estudo importante encontrar formas e técnicas alternativas das tradicionais (refusão, shootpeening, laserpeening, entre outras) para melhorar a performance à fadiga de juntas soldadas nas ligas de alumínio. Sendo a técnica do processamento for fricção linear (PFL) uma tecnologia recente que já demostrou ser excelente para eliminar defeitos e promover modificações macro e microestruturais em matérias não soldados, foi então pensada a sua adaptação para este trabalho e ser aplicada em duas juntas diferentes (topo a topo e em T) soldadas por MIG/GMAW (processo tradicionalmente utilizado para soldar por fusão ligas de alumínio, em atmosfera de gás inerte) e em duas ligas de alumínio distintas (6082-T651 e 5083-H111). Assim, numa primeira fase, o objetivo principal passou pela análise da influência no comportamento mecânico à fadiga em juntas de liga de alumínio soldadas por MIG/GMAW pós-processadas pelo processamento por fricção linear. Passando este estudo não só pela realização de ensaios de fadiga e a sua análise, mas também por realizar análises complementares como análises metalográficas e morfológicas, análises de durezas, análises de resultados de ensaios estáticos (ensaios de tração), análises fractográficas e medição de tensões residuais. Tanto para as juntas topo a topo como em T soldadas por MIG/GMAW e posteriormente processadas utilizando o PFL registrou-se um incremento da resistência á fadiga de entre 30% a 55% para uma vida de 1000000 ciclos dependendo da razão de tensões (R=0 e R=-1), da junta e da liga de alumínio estudada o que compete perfeitamente com outras técnicas mais complexas como shotpeening, laserpeening, refusão, entre outros. A aplicação do PFL provocou a alteração geométrica que diminuiu a concentração de tensões, a introdução de uma camada fina de material refinado e a eliminação de defeitos deixados pela soldadura MIG/GMAW no pé do cordão de soldadura (zona crítica) o que permitiu aumentar o período de iniciação e de nucleação de fendas por fadiga, sendo o incremento mais influenciado pela introdução de uma camada fina de material refinado e a eliminação de defeitos da soldadura MIG/GMAW. Numa segunda fase surgiu a questão de perceber se seria mais vantajoso utilizar o processo MIG/GMAW para soldar as juntas T e posteriormente processar as zonas críticas das soldaduras conseguidas ou aplicar diretamente a soldadura por fricção linear em juntas T. Assim conseguir um termo comparativo, mas também dar um contributo para o desenvolvimento de soldaduras em T por SFL dado a dificuldade em realizar estas soldadura com raios de concordância bem definidos evitando diminuição de espessura e defeitos. Esta parte também passou por análises semelhantes à da primeira fase. Foram conseguidas soldaduras de junta T utilizando a SFL com raios bem definidos, sem defeitos e sem diminuição de espessura em ambas as ligas de alumínio que revelaram um comportamento à fadiga melhor do que as juntas T soldadas por MIG/GMAW, assim como as juntas T soldadas por SFL que apresentaram defeitos do tipo linha de óxidos tiveram uma performance à fadiga mais baixa. O comportamento à fadiga das soldaduras T soldadas por SFL mostraram estar ligeiramente a cima da performance à fadiga das juntas T soldadas por MIG/GMAW pelo que seria mais económico e simples aplicar a SFL diretamente nas juntas T do que soldas as juntas T por MIG/GMAW e posteriormente processá-las com o PFL.

Welded elements or structures are very common in mechanical equipment, and these are quite susceptible to failures due to fatigue due to the presence of the geometric accident (weld bead) and welding defects very common, especially in aluminium alloy welds which are widely used in industry in general, so it becomes an important subject of study to find alternative forms and techniques of traditional ones (reflow, shootpeening, laserpeening, among others) to improve fatigue performance of welded joints in aluminium alloys. Since the technique of friction stir processing (FSP) is a recent technology that has already proved to be excellent for eliminating defects and promoting macro and microstructural modifications in non-welded materials, its adaptation to this work was then thought to be applied in two different joints (but and T joints) welded by MIG / GMAW (traditionally used for welding by fusion aluminium alloys, in inert gas atmosphere) and two different aluminium alloys (6082-T651 and 5083-H111). Thus, in the first phase, the main objective was to analyse the influence on mechanical fatigue behaviour in post-processed MIG/GMAW welded aluminium alloy joints by friction stir processing. This study was carried out not only by performing fatigue tests and their analysis, but also by performing complementary analyses such as metallographic and morphological analysis, hardness analysis, static test results (tensile tests), fractography analysis and stress measurements residual. For butt and T joints welded by MIG/GMAW and further processed using FSP, was recorded an increase in fatigue strength between 30% to 55% for a life of 1000000 cycles depending on the ratio of stresses (R = 0 and R = -1), joint and aluminium alloy studied, which competes perfectly with other more complex techniques such as shotpeening, laserpeening, refining, among others. The application of the PFL caused the geometric alteration that reduced the concentration of stresses, the introduction of a thin layer of refined material and the elimination of defects left by the MIG/GMAW welding process at the weld toe of the weld bead (critical zone). That led to an increase of crack initiation and nucleation period, being the increment most influenced by the introduction of a thin layer of refined material and the elimination of MIG / GMAW weld defects. In a second phase, the question arose as to whether it would be more advantageous to use the MIG/GMAW process in T welds joints and then process the critical zones of the welds achieved or directly apply the friction stir welding (FSW) to T joints. Thus to achieve a comparative term, but also contribute to the development of FSW given the difficulty in realizing these welding with weld toe radius well defined avoiding thickness reduction and welding defects. This part also underwent analyzes similar to the first phase. T-joint welds with weld toes radius well defined, without welding defects and avoiding thickness reduction were achieved using FSW in both aluminium alloys. These welds showed better fatigue behaviour than T-joints welded by MIG/GMAW as well as T-joints welded by SFL that show oxides line defect had a lower fatigue performance. The fatigue behaviour of welds T welded by SFL showed to be slightly above the fatigue performance of T-joints welded by MIG/GMAW, so it would be more economical and simple to apply the SFL directly to the T joints than to weld T joints by MIG/GMAW and then process them with the PFL.