União de juntas dissimilares alumínio-aço de chapas finas pelo processo de soldagem por atrito com pino não consumível (SAPNC)

1. Introdução


A redução de peso nos veículos é uma preocupação constante na indústria automotiva, visando diminuir o consumo de combustível mantendo os padrões de segurança. Nesta procura, a soldagem de materiais mais leves, como alumínio, representa um desafio importante, já que ainda muitos dos sistemas envolvidos nos veículos são construídos a partir de materiais como o aço. É por isto que o desenvolvimento de uniões dissimilares alumínio-aço se tornou imprescindível para a indústria do transporte. Os processos tradicionais de soldagem por fusão derivam na formação de compostos intermetálicos (CIM) do tipo FexAly, diminuindo significativamente a tenacidade da junta [1]. Outros processos como a soldagem a laser, difusão, ultrassom e laminação já foram empregados com resultados promissores, entretanto persiste a formação dos compostos já citados [2]. A soldagem por atrito com pino não consumível (SAPNC) - Friction Stir Welding (FSW) - vem sendo utilizada na união de sistemas complexos devido à ausência de fusão e excelente reprodutibilidade do processo, sendo aplicada a soldagem de sistemas dissimilares, incluindo a soldagem de alumínio e aço [3,4].

Na SAPNC de juntas dissimilares alumínio-aço, alguns trabalhos simbólicos como Jiang e Watanabe [2,4], reportam o sucesso da SAPNC na junção de ambos os materiais, sendo recorrentes em citar a formação na interface entre os dois metais de uma camada fina de CIM do tipo FexAly. Fukumoto [5] determinou como a resistência da junta soldada aumenta a medida que a ferramenta entra mais no aço. Uzun [6] observou a formação da zona termo-mecanicamente afetada (ZTMA) em ambos os lados da junta ao soldar a liga 6013-T4 e o aço inoxidável X5CrNi18-10. Outro sistema semelhante - liga de alumínio 6053 e aço inox 304 - foi estudado por Lee [7] que determinou a formação de uma banda de grãos ultrafinos e alongados de ferrita e uma camada de compostos intermetálicos Al4Fe de 250 nm de espessura. Chen realizou a seleção da velocidade de avanço e rotação tomando como referência o efeito destes na energia absorvida por impacto Charpy na junta soldada [8,9]. Os mesmos parâmetros foram testados por Yasui [10] para determinar sue efeito no fluxo de material e a formação de defeitos, desta vez usando velocidade de avanço acima de 1000 mm.s-1, usando ferramenta de carbeto de tungstênio (WC-Co). O estudo permitiu determinar parâmetros a partir dos quais era inibida a formação de CIM. Esses resultados contrastam com os obtidos por Tanaka [11] que determinou a existência de CIM para as mesmas condições que o Yasui. Nessa pesquisa o Tanaka relaciona o aumento na espessura do CIM com a entrada de calor, e a conseqüente redução nas propriedades mecânicas. Resultados similares foram obtidos por Soundararajan [12] ao soldar chapas de 6,0 mm de Al 6061-T6 e aço AISI 1018, empregando ferramenta de tungstênio rênio (W-25Re). O fluxo de material durante a soldagem de juntas a topo e sobrepostas foi estudado por Coelho [13,14] usando EBSD de alta resolução, comprovando a assimetria do fluxo, a formação de vórtices no lado de avanço, a não mistura dos materiais e a existência de um processo de recuperação e recristalização heterogêneo na interface.

Apesar da literatura declarar o sucesso na obtenção das juntas soldadas Al-aço, estas se centram na determinação de parâmetros e suas respostas nas propriedades mecânicas e microestruturais. A literatura descarta o aspecto superficial da junta soldada, e o mais crítico, a obtenção de uma junta homogênea livre de defeitos na raiz, como elemento fundamental para avaliar os parâmetros de soldagem. O próximo é um trabalho exploratório para a determinação de parâmetros para a soldagem de juntas dissimilares Al-aço de 2,0 mm de espessura pelo processo SAPNC, usando como critérios de avaliação o aspecto superficial e a obtenção de junta com penetração total.

2. Materiais e Métodos

Os materiais utilizados foram chapas de 500 x 85 x 2,0 mm da liga de alumínio 6063-T5 e de aço AISI SAE 1020. A composição química para a liga 6063 foi medida através de espectroscopia de emissão por plasma (Inductively Coupled Plasma-optical Emission Spectroscopy - ICP-OES). Na Tabela 1 são apresentadas as composições químicas para a liga 6063 segundo a norma UNS No. A96063 e o resultado da composição medida através de ICP-OES.

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A soldagem foi realizada usando uma máquina exclusiva para SAPNC, a qual é mostrada na Figura 1a, e uma ferramenta com matriz metálica e reforço cerâmico (Figura 1b) de carbeto de tungstênio (WC-12Co) com um ombro e pino de 25 e 5,7 mm de diâmetro, respectivamente, e comprimento de pino de 1,35 mm.

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Os parâmetros de soldagem empregados foram 300 rpm de velocidades de rotação (ω) e 150 mm.min-1 de velocidade de avanço (ν). A diferença entre a soldagem de juntas do mesmo metal e juntas dissimilares é que nesta última foi estabelecido um novo parâmetro conhecido como deslocamento da ferramenta (offset), o qual corresponde à distância da tangente do pino à linha da junta, sendo representado esquematicamente na Figura 2 [7]. Todos os parâmetros e variáveis são descritas na Tabela 2. Na soldagem de juntas dissimilares, o lado de avanço corresponde ao material de maior dureza, neste caso, o aço 1020, como mostrado na Figura 2c. A soldagem foi realizada em um único passe de 450 mm de comprimento, sendo modificado o deslocamento da ferramenta a cada 150 mm. As juntas soldadas foram submetidas a dobramento para determinar a profundidade atingida na região da soldagem.

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As juntas soldadas foram avaliadas segundo o aspecto da superfície e a profundidade consolidada na junta soldada. A penetração total da solda foi evidenciada por meio de um teste não convencional de dobramento e de uma medida de penetração. Esta medida e a caracterização microestructural foram realizadas por meio de microscopia ótica (MO); a caracterização microestrutural foi complementada com imagens obtidas por microscopia eletrônica de varredura (MEV). As amostras foram preparadas usando lixa com granulometria de 100 a 1500, seguido de polido com diamante e sílica de 1,0 μm. Para observar a microestrutura inicialmente as amostras foram atacadas com nital 2%, seguido de ataque com ácido fluorídrico (HF) 1%.

3. Resultados e Discussão


A caracterização microestrutural da liga 6063 revela a matriz αAl decorada por partículas - mais claras - como pode ser visto na Figura 3a-b. Estas partículas de comprimento entre 0,2 a 5,0 μm e aparentemente cilíndricas, são na realidade placas como evidencia a Figura 3c. Existe pouca informação acerca destas partículas [15,16] já que os precipitados mais importantes, considerados responsáveis pelas propriedades mecânicas da família 6XXX, correspondem a compostos submicrométricos Mg2Si [171819-20]. No entanto, estes precipitados foram identificados mediante X-EDS como do tipo αAlFeSi (Figura 3d). Os parâmetros de soldagem estudados são o deslocamento e a penetração da ferramenta, os quais foram avaliados considerando três critérios: o aspecto da superfície soldada, a penetração na junta e o estado da ferramenta.

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