Caracterização mecânica e estudo do perfil térmico na soldagem por fricção rotativa de materiais dissimilares

Doctoral thesis Portuguese OPEN
Eder Paduan Alves (2016)
  • Publisher: Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE)
  • Subject: soldagem por fricção | análise térmica | materiais dissimilares | propriedades mecânicas | análise microestrutural | friction welding | thermal analysis | dissimilar materials | mechanical properties | microstructural analysis | Ciência e Tecnologia de Materiais e Sensores

Na busca de processos alternativos utilizados para união de materiais dissimilares, destaca-se o processo de soldagem por fricção rotativa (Rotary Friction Welding), utilizado em tecnologia de ponta na indústria aeroespacial, aeronáutica, nuclear, bélica e automotiva. O processo de soldagem por fricção rotativa (SFR) acontece no estado sólido sem ocorrência de fusão entre as partes, e apresenta como principais mecanismos a difusão e mistura mecânica. Este trabalho tem como objetivo a caracterização mecânica, microestrutural, e estudo do perfil térmico de junções dissimilares envolvendo a liga de alumínio AA 6351-T6 e o aço inoxidável AISI 304L produzidos comercialmente no Brasil, para aplicações no setor aeroespacial. Junções dissimilares foram obtidas utilizando diferentes geometrias e caracterizadas por meio de ensaios de tração, microdureza Vickers (HV), microscopia óptica e eletrônica (MEV, EDX), espectroscopia de fotoelétrons por RX (XPS), e tiveram o seu perfil térmico estudados a partir de trabalhos experimentais de monitoramento da temperatura em tempo real com auxílio de termocâmera, sistemas de termopares, e modelamento analítico 1D. Resultados dos ensaios mecânicos mostraram a grande eficiência do processo na fabricação de junções dissimilares estruturais para aplicações na engenharia. Junções produzidas a partir de pinos com geometria cônica apresentaram maior resistência mecânica em todos os testes realizados. Nas análises microestruturais e por XPS ficou caracterizada a interdifusão entre os principais elementos presentes nos materiais envolvidos no processo. Amostras de junções que tiveram a ruptura na interface de ligação foram analisadas e verificou-se que porcentagens elevadas de Fe combinadas a baixas porcentagens de Ni, melhoram a resistência mecânica da junção. O uso de termocâmera e sistema de termopares no monitoramento da temperatura durante o processo possibilitou a visualização em tempo real dos diferentes gradientes de temperatura na interface de ligação tanto no sentido radial quanto longitudinal. Nas amostra onde se utilizou pinos com geometria cônica ocorreu melhor distribuição da temperatura na interface de ligação, com maior elevação na região central da amostra nos três segundos iniciais do processo. Valores numéricos obtidos a partir do modelamento matemático em 1D apresentaram grande aproximação quando comparados com os dados obtidos experimentalmente. In search of alternative processes utilized for joining dissimilar materials, one of the most relevant process is rotary friction welding, which is being used in hightechnology applications in aerospace industry, aeronautics, nuclear, military and automotive. The rotary friction welding process (RFW) happens in the solid state without occurrence of fusion between the parties, and presents as the main binding mechanisms the diffusion and mechanical mixture. This work has like objective the mechanical and microstructural characterization, and study of the thermal profile of dissimilar joints involving aluminium alloy AA 6351-T6 and stainless steel AISI 304L commercially produced in Brazil, for applications in the aerospace sector. Dissimilar joints were obtained using different geometries and characterized by means of traction mechanical essays, Vickers microhardness (HV), optical and electronic microscopy (SEM, EDX), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), and had its thermal profile studied from experimental works of real time temperature monitoring with the aid of termocâmera, thermocouples, and 1D analytical modeling. Results of mechanical tests showed the great efficiency of the manufacturing process of dissimilar joints for structural engineering applications. Joints produced from pin with conical geometry presented a higher mechanical strength in all tests. In the micro-structural analysis and XPS was characterized the interdiffusion between the main components of the materials involved in the process. Samples of joints that had the rupture in the bonding interface was analyzed and it was found that high percentages of Fe combined at low percentages of Ni, improve the mechanical resistance of the junction. The use of termocâmera and system of thermocouples in temperature monitoring during the process enabled the realtime visualization of different temperature gradients in the bonding interface both in radial and longitudinal direction. In samples where used pins with conical geometry occurred better temperature distribution on the interface, with the highest elevation in the central region of the sample within three seconds of the process. Numeric values obtained from the mathematical modeling in 1D presented great approach when compared with the data obtained experimentally.
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