The results of this investigation are based on the statistical and visual analyses of the data collected during this experiment / Master of Science

O presente trabalho estuda uniões entre chapas de aço DP600 e chapas das ligas de alumínio AA 6181–T4 e AA 5754–H22, obtidas através do processo Friction Spot Welding (FSpW). A soldagem de materiais dissimilares é um dos grandes desafios para a engenharia, pois as propriedades de distintos materiais são muito diferentes na maioria das vezes, o que dificulta a realização deste tipo de união pelos métodos convencionais de soldagem com fusão. O processo FSpW requer menos energia que os processos de soldagem convencionais, não produz fumos, radiação ou resíduos. Permite obter a união de materiais no estado sólido, sendo, portanto potencialmente indicado para uniões dissimilares. Por ser um processo muito mais “limpo” que os usados convencionalmente, pode contribuir significativamente com uma grande preocupação mundial que é a sustentabilidade. A influência de um revestimento galvanizado nas chapas de aço para a qualidade das uniões resultantes foi avaliada realizando-se as operações de soldagem com as chapas de aço nas condições com e sem a camada galvanizada. O método estatístico de Taguchi foi utilizado para definir os parâmetros de soldagem que maximizassem a resistência das juntas para cada condição de ensaio, sendo a qualidade das juntas obtidas definida pela resistência da união ao ensaio de cisalhamento. Durante a soldagem, a temperatura em pontos específicos foi adquirida e, posteriormente, as juntas foram submetidas à análise metalográfica e de composição química por EDS. A partir da análise das macro e microestruturas dos corpos de prova com melhor resistência ao cisalhamento, foi possível associar diferentes parâmetros de processo e mecanismos de união para cada tipo de junta. O estudo comprovou a possibilidade de obtenção de uniões dissimilares entre o aço e as duas ligas de alumínio através do processo FSpW, especialmente quando utilizou-se o aço com a camada galvanizada que apresentou modo de união mais eficaz. / This work aims at the study of welding DP600 steel to AA6181-T4 and AA5754-H22 aluminum alloys plates by Friction Spot Welding (FSpW). Welding of dissimilar materials is a great challenge for engineering due to the diverse properties of different materials, that difficult welding by conventional methods of fusion. FSpW is a joining method that requires lower energy than conventional welding processes and produces no hazard gases or radiation. It allows solid state joining that is potentially indicated to dissimilar materials joining, and contributes significantly to sustainability, because the process can be considered “cleaner” that those used conventionally. The influence of the galvanized layer on the joint performance with the steel plates on was tested using steel plates with and without this coating. The Taguchi statistic method was employed to define the welding process parameters that produce higher shear stress resistance to each test condition, so the welding joints quality was defined based on the union resistance to shear. During the welding operation the temperature at given positions was acquired and the resulting joints were submitted to metallographic and chemical composition analysis. From the analysis of specimen that showed best stress test performance to each joint condition, it was possible to associate different process parameters and joint mechanisms to each condition. The study demonstrates the feasibility of joining the steel to both aluminum alloys using FSpW. The best shear test results were obtained with the presence of a galvanized layer.

O presente trabalho estuda uniões entre chapas de aço DP600 e chapas das ligas de alumínio AA 6181–T4 e AA 5754–H22, obtidas através do processo Friction Spot Welding (FSpW). A soldagem de materiais dissimilares é um dos grandes desafios para a engenharia, pois as propriedades de distintos materiais são muito diferentes na maioria das vezes, o que dificulta a realização deste tipo de união pelos métodos convencionais de soldagem com fusão. O processo FSpW requer menos energia que os processos de soldagem convencionais, não produz fumos, radiação ou resíduos. Permite obter a união de materiais no estado sólido, sendo, portanto potencialmente indicado para uniões dissimilares. Por ser um processo muito mais “limpo” que os usados convencionalmente, pode contribuir significativamente com uma grande preocupação mundial que é a sustentabilidade. A influência de um revestimento galvanizado nas chapas de aço para a qualidade das uniões resultantes foi avaliada realizando-se as operações de soldagem com as chapas de aço nas condições com e sem a camada galvanizada. O método estatístico de Taguchi foi utilizado para definir os parâmetros de soldagem que maximizassem a resistência das juntas para cada condição de ensaio, sendo a qualidade das juntas obtidas definida pela resistência da união ao ensaio de cisalhamento. Durante a soldagem, a temperatura em pontos específicos foi adquirida e, posteriormente, as juntas foram submetidas à análise metalográfica e de composição química por EDS. A partir da análise das macro e microestruturas dos corpos de prova com melhor resistência ao cisalhamento, foi possível associar diferentes parâmetros de processo e mecanismos de união para cada tipo de junta. O estudo comprovou a possibilidade de obtenção de uniões dissimilares entre o aço e as duas ligas de alumínio através do processo FSpW, especialmente quando utilizou-se o aço com a camada galvanizada que apresentou modo de união mais eficaz. / This work aims at the study of welding DP600 steel to AA6181-T4 and AA5754-H22 aluminum alloys plates by Friction Spot Welding (FSpW). Welding of dissimilar materials is a great challenge for engineering due to the diverse properties of different materials, that difficult welding by conventional methods of fusion. FSpW is a joining method that requires lower energy than conventional welding processes and produces no hazard gases or radiation. It allows solid state joining that is potentially indicated to dissimilar materials joining, and contributes significantly to sustainability, because the process can be considered “cleaner” that those used conventionally. The influence of the galvanized layer on the joint performance with the steel plates on was tested using steel plates with and without this coating. The Taguchi statistic method was employed to define the welding process parameters that produce higher shear stress resistance to each test condition, so the welding joints quality was defined based on the union resistance to shear. During the welding operation the temperature at given positions was acquired and the resulting joints were submitted to metallographic and chemical composition analysis. From the analysis of specimen that showed best stress test performance to each joint condition, it was possible to associate different process parameters and joint mechanisms to each condition. The study demonstrates the feasibility of joining the steel to both aluminum alloys using FSpW. The best shear test results were obtained with the presence of a galvanized layer.

O presente trabalho estuda uniões entre chapas de aço DP600 e chapas das ligas de alumínio AA 6181–T4 e AA 5754–H22, obtidas através do processo Friction Spot Welding (FSpW). A soldagem de materiais dissimilares é um dos grandes desafios para a engenharia, pois as propriedades de distintos materiais são muito diferentes na maioria das vezes, o que dificulta a realização deste tipo de união pelos métodos convencionais de soldagem com fusão. O processo FSpW requer menos energia que os processos de soldagem convencionais, não produz fumos, radiação ou resíduos. Permite obter a união de materiais no estado sólido, sendo, portanto potencialmente indicado para uniões dissimilares. Por ser um processo muito mais “limpo” que os usados convencionalmente, pode contribuir significativamente com uma grande preocupação mundial que é a sustentabilidade. A influência de um revestimento galvanizado nas chapas de aço para a qualidade das uniões resultantes foi avaliada realizando-se as operações de soldagem com as chapas de aço nas condições com e sem a camada galvanizada. O método estatístico de Taguchi foi utilizado para definir os parâmetros de soldagem que maximizassem a resistência das juntas para cada condição de ensaio, sendo a qualidade das juntas obtidas definida pela resistência da união ao ensaio de cisalhamento. Durante a soldagem, a temperatura em pontos específicos foi adquirida e, posteriormente, as juntas foram submetidas à análise metalográfica e de composição química por EDS. A partir da análise das macro e microestruturas dos corpos de prova com melhor resistência ao cisalhamento, foi possível associar diferentes parâmetros de processo e mecanismos de união para cada tipo de junta. O estudo comprovou a possibilidade de obtenção de uniões dissimilares entre o aço e as duas ligas de alumínio através do processo FSpW, especialmente quando utilizou-se o aço com a camada galvanizada que apresentou modo de união mais eficaz. / This work aims at the study of welding DP600 steel to AA6181-T4 and AA5754-H22 aluminum alloys plates by Friction Spot Welding (FSpW). Welding of dissimilar materials is a great challenge for engineering due to the diverse properties of different materials, that difficult welding by conventional methods of fusion. FSpW is a joining method that requires lower energy than conventional welding processes and produces no hazard gases or radiation. It allows solid state joining that is potentially indicated to dissimilar materials joining, and contributes significantly to sustainability, because the process can be considered “cleaner” that those used conventionally. The influence of the galvanized layer on the joint performance with the steel plates on was tested using steel plates with and without this coating. The Taguchi statistic method was employed to define the welding process parameters that produce higher shear stress resistance to each test condition, so the welding joints quality was defined based on the union resistance to shear. During the welding operation the temperature at given positions was acquired and the resulting joints were submitted to metallographic and chemical composition analysis. From the analysis of specimen that showed best stress test performance to each joint condition, it was possible to associate different process parameters and joint mechanisms to each condition. The study demonstrates the feasibility of joining the steel to both aluminum alloys using FSpW. The best shear test results were obtained with the presence of a galvanized layer.

O procedimento de soldagem convencional do aÃo ABNT 4140, devido à formaÃÃo de martensita na zona termicamente afetada pelo calor (ZAC), contempla um tratamento tÃrmico pÃs-soldagem para aliviar as tensÃes e melhorar a tenacidade desta zona. Esse tratamento tÃrmico, muitas vezes, se torna impraticÃvel devido a alguns fatores como tamanho da peÃa, reparo no campo e custo. A tÃcnica da dupla-camada tem sido pesquisada no sentido de se evitar este tratamento tÃrmico e garantir boas propriedades mecÃnicas da peÃa soldada. O emprego da tÃcnica da dupla-camada exige uma relaÃÃo adequada entre as energias de soldagem das camadas, para que a segunda refina e revina a ZAC grosseria da primeira, pois, nesta regiÃo a possibilidade de formaÃÃo de martensita à grande devido a sua maior temperabilidade. Neste trabalho, foi utilizado um ensaio preliminar chamado de teste de Higuchi que permitiu a escolha das energias. Em seguida foram realizadas soldagens em simples depÃsito e camada Ãnica em corpos de prova temperados e revenidos com o objetivo de avaliar o grau de refino e revenimento proporcionado pelos passes laterais. ApÃs este ensaio, foram soldados corpos de prova temperados e revenidos utilizando-se a dupla-camada para depois, atravÃs do ensaio de microdureza e metalografia, avaliar o grau de refino e revenimento porporcionados pelo uso da tÃcnica de dupla camada. A soldagem de uma junta semi-V permitiu a avaliaÃÃo da tenacidade da ZAC da primeira camada atravÃs da realizaÃÃo do ensaio Charpy. Os resultados deste ensaio mostraram que as energias absorvidas por corpos de prova soldados, com as relaÃÃes de energias de soldagem (KJ/cm) da primeira e segunda camada de 5/5 e 5/10, sÃo semelhantes as dos corpos de prova com o tratamento tÃrmico pÃs-soldagem e superior a do metal base temperado e revendido, mostrando a viabilidade de tÃcnica. / The welding procedure of the conventional steel AISI 4140 due to the formation of martensite in the heat affected zone by heat (HAZ), comprises a post-welding heat treatment to relieve stresses and improve the toughness of this zone. This thermal treatment often becomes impractical due to factors such as part size, and field repair cost. The technique of double-layer has been studied in order to avoid this thermal treatment and to ensure good mechanical properties of the welded part. The use of the technique of double-layer requires an appropriate relationship between the energy of welding of the layers, so that the second and refines the HAZ revina coarseness of the first, since in this region the possibility of formation of martensite is large because of its higher hardenability . In this work, we used a preliminary test called Higuchi allowing the choice of energy. Then welds were carried out in simple deposit and single layer in specimens quenched and tempered in order to assess the degree of refining and tempering provided by lateral passes. After this test, the specimens were welded and tempered using the double-layer and then through metallography and microhardness testing, evaluate the degree of refining and tempering porporcionados to use the technique of double layer. The welding together of a semi-V allowed the evaluation of the toughness of HAZ of the first layer by conducting the Charpy test. The results of this test showed that the energy absorbed by welded specimens, with the relations of welding energy (KJ / cm) of the first and second layer of 5/5 and 5/10, are similar to those of specimens with post-weld heat treatment and superior to the base metal and tempered resold, demonstrating the feasibility of the technique.

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Laser technologies have made distinguished contributions to modern industry. These have typically been realised through the important role played by lasers in the advancement of manufacturing technology in many areas such as welding, which has become an important joining technique and thus promoted the use of lasers in a wide variety of applications in the oil, gas, aerospace, aircraft, automotive, electronics and medical industries. A detailed review of previous work in the use of lasers for advanced manufacturing, and in particular, laser beam welding is given. The work reported in this thesis aims to develop a new method of laser welding. This is connected with investigations relating to the production of net shape welds for bead-on-plate welding and butt welding of mild steel plates. Based on the nature of its operation, use of a fibre laser was considered most suitable compared to other solid state lasers. Net-shape welds were demonstrated on mild steel plates using an IPG 1 kW single mode fibre laser with a maximum power output of 1000 W.The thesis shows results from experimental and modelling (based on finite element and computational fluid dynamic modelling) to validate the idea and the understanding of underlying scientific principles. The thesis is presented in the form of a collection of published work generated by the author during the course of this project. In addition, some results that are not yet published are also included. Design of experiments and statistical modelling has been used in the experimental work to understand the process parameter interactions. Microstructural and mechanical testing have been carried out to evaluate the performance of the welds. Net shaped (the weld bead is flat to the parent material surface) welds have been achieved and compared with standard welds. The understanding of net-shape weld formation and the effect of the laser welding parameters was enhanced by the theoretical modelling. The thesis concludes with a summary of scientific findings and an overview of future work.

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Fracture path transition, from interfacial fracture to a pulled button, in peel tests of spot welds in SAE 1039 steel was evaluated to determine the controlling material properties. Welds were tested in the as welded condition and after tempering at various temperatures to develop a range of hardness and strength in the weld metal. Two transitions were found, from complete interfacial fracture to partial interfacial and from partial interfacial fracture to a pulled button. Samples tempered at less than 350 °C exhibited complete interfacial fracture while those tempered at 500 °C or higher pulled full buttons. Each transition was accompanied by a large increase in the energy absorbed during fracture. Both partial and complete interfacial fracture occurred by intergranular fracture along prior austenite grain boundaries. Optical microscopy utilizing a tint etch indicated that austenite existed as films on prior austenite grain boundaries of samples tempered at less than 500 °C and TEM confirmed that these films were austenite. Weld metal toughness was found to control the fracture path. If fracture initiation was delayed until the applied load caused plastic deformation of the coupons pulled button fracture occurred. Fracture initiation prior to plastic deformation of the coupons resulted in interfacial or partial interfacial fractures. A small secondary hardening peak was observed in samples tempered at 450 °C. Secondary hardening, which normally results from alloy carbide precipitation, was due to AlN precipitation in this aluminum killed plain carbon steel. / Ph. D.

Este trabalho foi desenvolvido no programa de Mestrado Interinstitucional - MINTER - entre a UTFPR e o IFAM, com financiamento da Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES - através do projeto ACAM 1379/2006 e da Superintendência da Zona Franca de Manaus - SUFRAMA - através do convênio 084/2005. / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES- através do projeto ACAM 1379/2006 e da Superintendência da Zona Franca de Manaus - SUFRAMA - através do convênio 084/2005. / Esta pesquisa tem por finalidade analisar a influência de parâmetros do processo de soldagem com arame tubular com proteção gasosa (Gás Shielded Flux Cored Arc Welding - FCAW-G) nas características da solda do aço ASTM A-36. Parâmetros como tensão do arco (V), velocidade de alimentação do arame (Valim) e distância bico de contato-peça (DBCP) foram variados a fim de detectar suas influências sobre a largura, a penetração, o reforço do cordão e a dureza do metal de solda. Além disso, foi determinada a influência desses parâmetros na taxa de deposição do material de adição, sendo ensaiadas, as soldas, quanto às resistências à tração e ao impacto (ensaio Charpy criogênico) para determinar a qualidade recomendada por norma. As medições geométricas dos cordões de solda foram realizadas em macrografias obtidas da seção transversal da solda, por meio de microscópio óptico, bem como as análises da microestrutura. As medições de dureza foram realizadas com durômetro na seção transversal dos cordões. A taxa de deposição, em kg/h, foi determinada pela pesagem dos corpos-de-prova antes e depois da deposição da solda. Verificou-se que, de forma geral, a morfologia do cordão (largura, penetração e reforço) foi grandemente influenciada pela velocidade de alimentação do arame, seguida pela tensão de soldagem e pela distância bico de contato-peça. Da mesma maneira, a taxa de deposição foi influenciada diretamente pela velocidade de alimentação, pela tensão e pela DBCP: a primeira, com um acréscimo significativo (24,08%); a tensão de forma não muito intensa (4,17%). Desta maneira é possível afirmar, com base nos valores dos parâmetros utilizados neste trabalho, que a maior taxa de deposição (4,32 Kg/h), a melhor morfologia do cordão de solda e dureza adequada foram obtidas com Valim de 12,5 m/min, tensão de 34 V e DBCP de 16 mm. / This research aims to analyze the influence of the parameters of Gas Shielded Flux Cored Arc Welding (FCAW-G) on the characteristics of welding steel ASTM A-36. Parameters such as arc voltage (V), feed speed of the wire (Valim) and stickout (distance nozzle contact piece - DBCP) were varied to detect their influence on the width, penetration, reinforcement of the cord, and the hardness of metal weld. Furthermore, it was determined the influence of these parameters on deposition rate of filler metal and the welds were tested for resistance to tensile and impact strength (Charpy test) to determine the quality of the recommended standard. The geometric measurements of weld were carried out in macrographs by the obtained from the cross section of the weld, through an optical microscope as well as the analysis of the microstructure. The hardness measurements were carried out with durometer in cross section of the fillets. The deposition rate in kg/h was determined by weighing the specimen before and after the deposition of solder. It was found that in general the morphology of the cord (width, penetration and reinforcement) was greatly influenced directly by the feed speed of the wire, followed by welding voltage, and stickout. Similarly, the deposition rate was directly influenced by the feed speed, voltage and DBCP, the first with a significant increase (24, 08%), and the tension witch a not so intensive effect (4, 17%). Thus it can be said based on the values of the parameters used in this study that the highest rate of deposition (4,32 kg/h), the better morphology of the weld cord and appropriate hardness was obtained with Valim of 12.5 m/min, voltage 34 V and 16 mm DBCP .