Les mécanismes dynamiques et de transport mis en jeu dans le plasma d'arc et le bain de fusion d'une opération de soudage à l'arc sont nombreux et fortement couplés. Ils produisent un milieu dont les grandeurs présentent des variations temporelles rapides et des gradients très marqués qui rendent toute analyse expérimentale complexe dans cet environnement fortement perturbé. Dans ce travail, on s'intéresse aux procédés TIG et MIG. Une plateforme expérimentale a été développée pour permettre la mesure synchronisée de différentes grandeurs physiques associées au soudage (paramètres procédé, températures, efforts de bridages, transferts métalliques, etc.). Des librairies numériques dédiées aux études appliquées au soudage à l'arc sont également développées. Elles permettent le traitement de flux important de données (signaux, images) de manière systématique et globalisée. L'intérêt de cette approche pour l'enrichissement de la simulation numérique et le contrôle des procédés à l'arc est illustré dans différentes situations. Enfin, cette approche expérimentale est utilisée, dans le cadre de l'application choisie, pour obtenir des mesures suffisamment riches pour décrire le comportement dynamique du bain de fusion en P-GMAW. Une analyse dimensionnelle de ces mesures expérimentales permet d'identifier les mécanismes prépondérants qui interviennent et de déterminer expérimentalement les temps caractéristiques associés. Ce type d'approche permet notamment de mieux décrire le comportement d'une macro-goutte de métal fondu ou les phénomènes intervenant dans les problèmes de humping.

Este trabalho inova a aplicação de revestimentos duros usando o processo de soldagem SATG (Soldagem ao Arco Tungstênio com Atmosfera Gasosa) utilizando ligas, em forma de pó, incorporadas diretamente à poça de solda. Devido à boa resistência ao desgaste, utilizou-se a liga Stellite 6, no substrato SAE 1020. Dados de microdureza Vickers, taxa de deposição, diluição, análise micrográfica e desgaste foram comparados com resultados do PAT-P (Plasma por Arco Transferido-Pó) e permitiram avaliar a técnica proposta. Os resultados mostraram um revestimento pelo processo SATG-pó livre de poros, sem oxidação na superfície e diluição superior, ao processo PAT-P. Porém, o consumo de gás foi menor, devido à redução da vazão do gás de arraste e da não utilização de gás plasma. A análise microestrutural evidenciou uma microestrutura similar, para ambos os processos, mas o processo PAT-P apresentou uma microestrutura mais refinada. Obteve-se, pelo processo SATG-pó semi-automático, microdurezas entre 400 e 500 HV e uma taxa de diluição de 5%, próximas aos valores do processo PAT-P. Quanto ao desgaste, observaram-se valores também bem próximos para os três processos. / This work innovates the application of hardfacing by using the welding process GTAW (Gas Tungsten Arc Welding) using alloys in the powder form and directly embedded in the weld pool. Due to the good wear resistance it was used Stellite 6 alloy for hardfacing the substrate SAE 1020. Vickers hardness data, deposition rate, dilution, micrographic analysis and wear results were compared with the PTA-P (Plasma Transferred Arc-Powder) in order to evaluate the proposed technique. The results showed a coating produced by the process GTAW-powder free of pores, without surface oxidation and higher dilution in comparison with the PTA-P process. However, gas consumption was lower due to reduced flow of the carrier gas and as it was not used as plasma gas. Microstructural analysis showed a similar microstructure for both processes, but the PTA-P process presented a more refined microstructure. It was obtained, by the semi-automatic GTAW-powder process, micro hardness between 400 and 500HV and rate dilution of 5%, values close to the PTA-P process. As for the wear it was observed values very close too, for the three process.

A microestrutura e a composição química dos aços inoxidáveis duplex são responsáveis pela sua resistência mecânica e sua resistência à corrosão que, geralmente, é superior aos aços inoxidáveis ferríticos e austeníticos convencionais. A soldagem destes materiais causa tanto alteração de microestrutura como de composição química, que podem ser alteradas dependendo dos processos de soldagem, dos parâmetros de soldagem, da utilização ou não de metal de adição e da composição química do gás de proteção, nos processos que utilizam proteção gasosa. No caso dos aços inoxidáveis duplex baixa liga, a solidificação é completamente ferrítica, podendo produzir tamanho de grão exagerado no metal de solda e na ZAC. O objetivo deste trabalho é de avaliar o efeito da freqüência de pulsação do processo TIG autógeno na soldagem de aços inoxidáveis duplex baixa liga. Foram soldadas chapas de aços inoxidáveis duplex baixa liga UNS S32304 e UNS S32101 (lean duplex), sem metal de adição e empregando-se argônio como gás de proteção. A soldagem foi executada com o processo TIG, mantendo-se a energia de soldagem constante, de 340 J/mm, e variando-se a freqüência de pulsação entre 1, 5, 10 e 20 Hz. As microestruturas resultantes tanto no metal de solda, região central e região sem mistura, bem como na zona afetada pelo calor foram caracterizadas através de microscopia ótica. Os resultados mostraram que, na soldagem autógena, independente de ter ou não a pulsação da corrente, ocorre um aumento no tamanho do grão da zona fundida devido a solidificação ferrítica deste aço. Comparando-se os resultados do tamanho do grão e da fração volumétrica de ferrita no metal de solda, notouse um aumento no tamanho de grão e na fração volumétrica da ferrita com o aumento da freqüência de pulsação. / The microstructure and chemical composition of duplex stainless steel are responsible for their mechanical strength and corrosion resistance. The welding of these materials produces a change in the microstructure and chemical composition. These changes depend on: welding processes, welding parameters, the use or absence of filler metal and composition of shielding gas in processes that use shielding gas. In the case of lean duplex stainless steel the solidification is fully ferritic, which may produce an excessive grain size in the weld metal and in the heat affected zone (HAZ). The main goal of this paper is to evaluate the effect of pulse frequency in autogenous TIG welding process of lean duplex stainless steel. In this sense, plates of UNS S32304 and UNS S32101 lean duplex were welded without filler metal and using argon as shielding gas. The welds were made using the GTAW process, keeping the heat input constant at 340 J/mm and varying the pulse frequency between 1,5,10 and 20 Hz. The results showed that, independent of pulse frequency, grain growth in the fusion zone took place since this duplex stainless steel type has a ferritic solidification mode. Comparing the grain size and ferrite volumetric fraction in the weld bead, an increase in the mean value of grain size in the central region and unmixed region of weld beads was related to an increase of pulse frequency.

Orientador: Juno Gallego / Resumo: As superfícies desgastadas são normalmente revestidas com ligas metálicas resistentes ao desgaste abrasivo, nos quais durante a soldagem o metal de solda com matriz ferrosa é reforçado pela formação de carbonetos grosseiros durante a solidificação da poça de fusão. O propósito deste trabalho é investigar a aplicação de micro-ondas para o preparo de cavacos das ligas de titânio ASTM F67 e ASTM F136, visando a sua fragilização pela formação de uma fina camada de carbonetos que facilitam a moagem e a obtenção de pós finos. O pó obtido da reciclagem do titânio foi misturado com grafite, tornando possível a formação de carbonetos de titânio (TiC) durante a fusão da mistura sobre peças de aço-carbono ABNT 1020 com uma tocha a arco elétrico com proteção gasosa (GTAW). A aplicação de micro-ondas foi bem sucedida, permitindo a obtenção da mistura carbonetante com granulometria inferior a 45m. O metal de solda mostrou uma microestrutura ferrítica reforçada por partículas grosseiras TiC, que incrementaram significativamente a dureza do material. Os resultados obtidos indicam que a reciclagem de cavacos de titânio seja potencialmente interessante para o desenvolvimento de um consumível de soldagem para revestimentos resistentes ao desgaste abrasivo, mais econômico e ambientalmente sustentável. / Abstract: The worn surfaces are usually coated with abrasive resistant metal alloys, where the weld metal is reinforced by the formation of coarse hard carbides during the melt pool solidification. The aim of this work is investigate the irradiation of microwaves on scrap (chips) of ASTM F67 and ASTM F136 titanium alloys, becoming easier grinding of the residues for obtaining fine powder due to chips embrittlement by thin TiC coating. The titanium-rich recycled powder was mixed with graphite, making possible the formation of titanium carbides (TiC) during the melting of the mixture by Gas-Tungsten Arc Welding (GTAW) carried out on ABNT 1020 carbon steel pieces. The microwave application was very successful, allowing to obtain a fine carbide-former mixture with granulometry less than 45m. The weld metal have showed a microstructure composed by ferrite (BCC iron) reinforced by coarse dendritic TiC particles, which promoted significantly hardness increasing. The experimental results have indicate that microwave irradiation for titanium alloys chips recycling is potentially interesting for the development of a economical and environmentally sustainable consumables for abrasive wear resistant hardfacing. / Mestre

La nécessité de garantir l’intégrité des structures soudées pousse les industriels à augmenter leur domaine de compétences en matière de simulation numérique du soudage. La solidification est l’étape clé de ce procédé. Dès lors que la sélection des grains est reproduite correctement par les simulations, le comportement mécanique et la réponse aux contrôles non destructifs de l’assemblage peuvent être déduits. Ce travail cherche à définir les phénomènes thermométallurgiques décrivant les mécanismes de formation des microstructures du soudage. Ces mécanismes servent ensuite à valider l’usage d’un nouveau modèle de solidification qui réalise un post-traitement du calcul de thermique avec un automate cellulaire (modèle CAFE_WELD). Pour se faire, des expériences de soudage sont réalisées et caractérisées par EBSD. Ces analyses permettent de suivre la sélection des grains dans la soudure. L’effet de la refusion sur la sélection des grains est bien mis en évidence lors du soudage multi-passes. Ces caractérisations sont complétées par une analyse fine de la solidification du métal d’apport utilisé pour le soudage. Ces résultats permettent la mise en données du modèle nécessaire à la réalisation numérique des mêmes expériences de soudage. Les comparaisons entre les soudures vraies et numériques montrent que les phénomènes physiques intégrés au modèle ne sont pas suffisants pour reproduire les propriétés microstructurales générées par le soudage / Today, industrials want to upgrade their welding numerical simulation knowledge’s in order to be able to guarantee the welded structure integrity. Solidification is the main step of welding process. As soon as the grain selection in welded region is well reproduced by simulation software, mechanical properties and nondestructive test response can be deduced. This work tries to find thermometallurgical phenomena in order to describe the microstructures formation during welding. These mechanisms are used for validating a new solidification model which realizes a thermal calcul post-treatment with a cellular automaton (CAFE_WELD). In this aim, welding experiences were done and characterized with EBSD. These analyses allow following the grain selection into the weld. The refusion effect is clearly seen in the case of multi-pass weld. These results are completed by the fine solidification characterizations on filler metal employed in welding experiences. In this way, the model implementation can be done in order to do numerical simulation of the same experiences. The comparisons between real and numerical experiences show that the physical laws taken into account in CAFE_WELD model are not sufficient to reproduce the microstructural properties occurring in welding

Submitted by Maria Medeiros (maria.dilva1@ufcg.edu.br) on 2018-07-09T12:28:39Z No. of bitstreams: 1 MATHEUS JOSÉ CUNHA DE OLIVEIRA - DISSERTAÇÃO (PPGCEMat) 2016.pdf: 9296942 bytes, checksum: a273053730345dafcd282de1fc0bf6f1 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-07-09T12:28:39Z (GMT). No. of bitstreams: 1 MATHEUS JOSÉ CUNHA DE OLIVEIRA - DISSERTAÇÃO (PPGCEMat) 2016.pdf: 9296942 bytes, checksum: a273053730345dafcd282de1fc0bf6f1 (MD5) Previous issue date: 2016-02-16 / CNPq / As Ligas com Memória de Forma (LMF) foram descobertas nos anos 60 e o desenvolvimento de vários sistemas (NiTi, CuAlNi, CuAlBe, CuZnAl) vem sendo explorado desde então, sendo aquelas do sistema NiTi as mais utilizadas. Devido às suas excelentes propriedades mecânicas, ótima resistência a corrosão e biocompatibilidade, além de apresentarem as melhores propriedades funcionais de efeito de memória de forma e superelasticidade, as LMF NiTi e suas variações ternárias passaram a ser objeto de estudos para várias aplicações nas mais diferentes áreas. Um dos maiores problemas das LMF NiTi ainda está relacionado a dificuldades de conformação mecânica e usinagem. Por esse motivo, o processo de soldagem pode ser uma boa ferramenta alternativa para se conseguir obter peças de geometrias mais complexas, envolvendo a união das LMF NiTi com metais convencionais, como o aço inoxidável. O aço inoxidável é uma opção importante de união com LMF NiTi pois possui igualmente propriedades desejadas de resistência mecânica, biocompatibilidade e resistência a corrosão. A união por soldagem destas duas ligas encontra barreiras diversas, sendo a principal delas a formação de intermetálicos frágeis na junta soldada limitando sua resistência mecânica e consequente aplicação. Nesse contexto, o presente trabalho teve como objetivo geral avaliar a soldabilidade de chapas finas (espessura de 1 mm) de uma LMF NiTi com aço inoxidável (INOX) AISI 304 utilizando o processo micro GTAW e compreender a metalurgia da soldagem na variação das propriedades mecânicas e metalúrgicas das juntas. O processo GTAW foi escolhido por ser mais econômico que os processos usuais de soldagem para estas ligas NiTi, como a soldagem a laser (LBW). As juntas dissimilares NiTi-SS obtidas foram caracterizadas pelas técnicas de MO, MEV, EDS, DSC, ensaios de tração à ruptura e de dureza Vickers. Estas juntas foram soldadas utilizando a própria LMF NiTi e também o Inconel 625 como metais de adição. No geral, constatou-se que as juntas apresentam comportamento frágil, porém ao se utilizar camada intermediária de Inconel 625 na união entre os metais dissimilares e após tratamento térmico para alívio de tensões, é possível aumentar a resistência mecânica da junta para valores da ordem de 150MPa. As juntas apresentaram uma poça de fusão heterogênea devido a formação de elementos fragilizantes ao longo do metal de solda. Observou-se a formação de uma zona parcialmente diluída (ZPD) correlacionada a um aumento excessivo da dureza nesta região e composição química distinta. / Shape Memory Alloys (SMA) were discovered in the 60s and the development of various systems (NiTi, CuAlNi, CuAlBe, CuZnAl) has been explored since then, with those of the NiTi system the most commonly used. Due to its excellent mechanical properties, good corrosion resistance and biocompatibility, in addition to having the best functional properties of shape memory effect and superelasticity, the NiTi SMA and its ternary variations have become the subject of studies for various applications in different areas. One of the main problems of NiTi SMA is also related to difficulties in forming and machining. For this reason, the welding process can be a good alternative tool to achieve more complex geometry parts, involving the union of NiTi SMA with conventional metals, such as stainless steel. Stainless steel is an important option for union with NiTi SMA, since it also has desired properties of mechanical strength, biocompatibility and corrosion resistance. The union by welding between these two alloys find various barriers, the main one being the formation of brittle intermetallic compounds on the welded joint, limiting its mechanical strength and consistent application. In this context, this study aimed to assess the weldability of thin sheet metal (1 mm thick) of a NiTi SMA with AISI 304 stainless steel (SS) using the micro process GTAW, and study the influence of welding metallurgy in mechanical and metallurgical properties of the joints. The GTAW process was chosen because it is more economical than the usual welding processes for these NiTi alloys such as the laser beam welding (LBW). The NiTi-SS dissimilar joints obtained were characterized by optical microscopy techniques, SEM, EDS, DSC, tensile test to rupture and Vickers hardness. These joints were welded using NiTi SMA and also the Inconel 625 as filler metals. Overall, it was found that the joints have brittle behavior, but when using an intermediate layer of Inconel 625 at the junction between dissimilar metals and after heat treatment for stress relief, it is possible to increase the mechanical strength of the joint for values in the order of 150MPa. The joints exhibited a heterogeneous molten weld pool due to formation of elements along the embrittlement of the weld metal. It was observed the formation of a partially diluted zone (PDZ) correlated to an excessive increase of the hardness in that region and different chemical composition.

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Fundação de Amparo a Pesquisa do Estado de Minas Gerais / Atualmente a busca por melhorias de processos e técnicas de soldagem mecanizados/automatizados tem sido intensa devido à escassez de mão de obra qualificada. Nesta linha, a combinação de processos e mesmo de modos operacionais (polaridade e/ou modo de transferência metálica) dentro de um só processo, em adição à possibilidade de combinar níveis de corrente de soldagem, vem ganhando espaço. Por meio dos modos operacionais e/ou dos níveis de corrente, é possível variar a energia do arco (tanto térmica quanto cinética) entregue à peça de trabalho. Combinando este recurso com o movimento do arco, pode-se distribuir a energia do mesmo de forma otimizada para controlar a formação do cordão de solda. Uma forma relativamente simples de controlar o movimento do arco é por meio de oscilação magnética – deflexão do arco elétrico através de um eletroímã. Assim, este trabalho explora a sincronização da oscilação magnética com processos de soldagem a arco de modo a controlar a distribuição da energia do arco sobre a peça. Para tal, foi desenvolvido um sistema de oscilação sincronizada, incluindo hardware e software, para permitir controlar a oscilação magnética e a fonte de soldagem (multiprocesso) de forma sincronizada. Em seguida, foi feita uma caracterização da deflexão (em função da tensão do eletroímã, da corrente e do comprimento do arco de soldagem) baseada em filmagens de alta velocidade. Como forma de explorar a técnica de oscilação magnética sincronizada com diferentes processos de soldagem, foram realizadas duas abordagens, ambas com oscilação do arco transversal à direção de soldagem, e depois comparadas a condições de referência (soldagem sem oscilação e com oscilação não sincronizada). O processo TIG foi sincronizado à oscilação magnética variando o nível de corrente de soldagem de acordo com a posição do arco, tendo como base de análise o efeito sobre o controle da largura dos cordões de solda formados. Já o processo MIG/MAG foi sincronizado à oscilação magnética variando os modos operacionais de soldagem de acordo com a posição do arco, avaliando o efeito sobre o controle da geometria das áreas fundidas dos cordões resultantes. O sistema de oscilação magnética sincronizada demonstrou ser capaz de controlar a formação do cordão tanto na soldagem TIG quanto na MIG/MAG. No caso do TIG sincronizado, foi possível aumentar a largura do cordão do lado com maiores corrente e tempo de parada lateral e vice-versa. Já no caso do MIG/MAG sincronizado, foi possível controlar a geometria da zona fundida formada, podendo-se diminuir a diluição dos cordões resultantes, com pouca variação no reforço superior e ao mesmo tempo com aumento de largura dos cordões e com tendência de maior concentração da penetração nas laterais dos mesmos. Acredita-se que a técnica de oscilação magnética sincronizada com processos de soldagem possa ser explorada visando diversas aplicações, nas quais é importante otimizar a distribuição de energia do arco sobre a peça de trabalho. / Currently the search for improvements in processes and mechanized/automated welding techniques has been intense due to the skilled labor shortage. In this line, the combination of processes and even operational modes (polarity and/or metal transfer mode) within a process, in addition to the possibility of combining welding current levels, has gained attention. Through operational modes and/or current levels, the arc energy (both thermal and kinetic) delivered to the workpiece can be changed. By combining this feature with the arc motion, the arc energy can be optimally distributed to control the formation of the weld bead. A relatively simple way to control the arc motion is by magnetic oscillation - deflection of the electric arc by an electromagnet. Thus, this work exploits the synchronization between the arc oscillation and the welding process to control the arc energy distribution on the workpiece. To this end, a synchronized oscillation system, including hardware and software, was devised to enable to control the magnetic oscillation and a multiprocess welding power source synchronously. Then, a characterization of the magnetic arc deflection was carried out (according to the electromagnet voltage, welding current and arc length) based on high-speed filming. In order to exploit the synchronized magnetic oscillation technique with different welding processes, two approaches were executed, both with arc oscillation transverse to the welding direction, and then compared to reference conditions (welding without oscillation and with unsynchronized oscillation). The TIG process was synchronized to the magnetic oscillation varying the level of welding current according to the arc position, being the effect on the control of the weld beads width the basis for analysis. The MIG/MAG process was synchronized to the magnetic oscillation with different welding operational modes according to the arc position, being the effect on the control of the molten zone geometry the basis for evaluation. The synchronized oscillation system was able to control the formation of the weld beads for the TIG as well as for the MIG/MAG welding. In the case of the synchronized TIG, it was possible to increase the weld bead width on the side with higher current and lateral stop time and vice versa. In the case of the synchronized MIG/MAG, it was possible to control the molten zone geometry, besides reduce the dilution of the resulting beads, with little variation in the top reinforcement and at the same time with increasing in the bead widths and with tendency for more side penetration. It is believed that the magnetic oscillation technique synchronized with the welding processes can be exploited in several applications, where it is important to optimize the arc energy distribution on the workpiece. / Dissertação (Mestrado)

Le procédé de soudage TIG est actuellement le plus utilisé dans l’industrie aéronautique du fait de la qualité des joints de soudure qu’il permet d’obtenir et de sa simplicité d’automatisation. Une opération de soudage provoque des gradients thermiques dus au passage de la source de chaleur sur la pièce qui induisent des déformations et des contraintes résiduelles pouvant impacter la durée de vie de l’assemblage. Ce travail vise à mettre en place un modèle de simulation de ce procédé dans le but d’optimiser les paramètres opératoires.Avant d’envisager un couplage thermomécanique, il convient de représenter convenablement les transferts thermiques au cours du soudage et en particulier l’apport de chaleur lié au procédé. Dans cette étude, on propose une source de chaleur prédictive simplifiée représentative des paramètres opératoires qui permet en particulier d’estimer les dimensions caractéristiques du cordon de soudure et de traduire fidèlement l’évolution thermique dans la pièce. Cette source est définie par un flux de chaleur homogène dépendant d’une puissance P, réparti sur un disque de rayon R, ces 2 paramètres numériques étant liés aux principaux paramètres opératoires de soudage que sont l’intensité I et la hauteur d’arc h.Une campagne d’essais expérimentaux dans laquelle on étudie les variations des dimensions de la Zone Fondue (ZF) pour des cas non pénétrants et pénétrants en fonction des paramètres opératoires (I, h) est présentée. Pour chaque essai, un couple de paramètres d’entrée de la source de chaleur (P, R) permettant de reproduire les dimensions du bain fondu est identifié. La confrontation des résultats obtenus numériquement et expérimentalement permet de mettre en place des relations entre les paramètres opératoires de soudage (I, h) et les paramètres numériques (P, R) conférant un caractère prédictif à la source de chaleur. Ce modèle de source a été validé pour différentes configurations de soudage en termes d’épaisseurs de tôles, de matériaux à assembler, de vitesses d’avance de la torche, ...Notre modèle thermique a ensuite servi de base pour la simulation thermomécanique du procédé. Le modèle est appliqué à l’assemblage de deux composants d’un turbomoteur en superalliage base Nickel. / Gas Tungsten Arc Welding (GTAW) is the most widely used welding process in aeronautics, due to its weld quality. During a welding operation, the thermal source induces thermal gradients causing strains and stresses that could affect assembly’s life duration. The aim of this study is to develop a numerical model of the welding process in order to get optimized process parameters.Before coupling thermal and mechanical phenomena, we must modelize heat transfers during welding. We propose a simplified heat source linked to the process parameters which enables to predict the main dimensions of the weld pool and the thermal evolution in the solid part. This source is defined by an homogeneous heat flux depending on a power P distributed in a R radius disk. These two parameters relate to process parameters, the arc height (h) and the current intensity I.Experiment tests was achieved to study the weld pool dimensions for both cases : incomplete penetration and full penetration weld. For each test, we identified the heat source parameters (P, R) which allow to obtain the experimental weld pool dimensions. The confrontation of numerical and experimental results enables to get links between the heat source parameters (P, R) and the welding parameters (I, h), producing a predictive heat source. The heat source reliability was verified taking into account several welding configurations with various superalloys sheet thickness, welding speed, materials.A coupled thermal-mechanical analysis, based on our thermal model, was applied to an industrial case: a nickel based superalloy components assembly of a gas turbine.

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