Šiame baigiamajame magistro darbe tiriama R65 tipo bėgio kontaktinio suvirinimo jungtis. Supažindinama su pagrindiniais mokslininkų parašytais straipsniais, bėgių kontaktinio suvirinimo tematika. Pateikiama tyrimų metodika, kurią sudaro šios dalys: apžiūrimasis paviršiaus tyrimas, ultragarsinės kontrolės tyrimas, važiuojamasis paviršiaus kiečio bandymas, sulydimo zonos nustatymas, termiškai suminkštintos zonos kiečio matavimas, mikrokietumo matavimas, mikroskopinis jungties matomosios terminio poveikio ir sulydymo zonų tyrimas, smūginio tąsumo bandymas, cheminė analizė, aširačio bandažo ir bėgio sąveikos tyrimas baigtinių elementų metodu (BEM). Išanalizuoti gauti tyrimo rezultatai, kurie įvertina suvirinimo siūlės kokybę. Pateiktos tiriamojo darbo išvados. / In the final thesis of masters degree I analyze the R65 type rail joint that were welded flash butt. Introducing with scientific articles about flash butt welding of rails. Survey methodology of the research, which consists of the following parts: visual surface review of welded joint, ultrasonic rail inspection, hardness test of upper part of the rail, fusion area research, the measurement test hardness of heat-softened area, the measurement test microhardness, microstructure research of the welded joint, impact strenght experiments, chemical analysis of welded joint, wheel-rail interaction research of the finite element method (FEM). Analyzes the results of the research, who assess the quality of weld. The conclusion is based on the results of this research.

Preferential weld corrosion (PWC) remains a major operational challenge that jeopardizes the integrity of oil and gas production facilities. It is the selective dissolution of metal associated with welds, such that the weld metal (WM) and / or the adjacent heat-affected zone (HAZ) corrode rather than the parent metal (PM). Corrosion inhibition is conventionally used to mitigate this problem however several indications suggest that some corrosion inhibitors may increase PWC. Furthermore, it is not possible to detect systems that are susceptible to PWC and or to understand the apparent ineffectiveness of some corrosion inhibitors at high flow rates. Consequently, the aim of this research is to assess the suitability of submerged jet impingement method to study flow accelerated preferential weld corrosion, which is critical to safe and economic operations of offshore oil and gas facilities. In this research, a submerged jet-impingement flow loop was used to investigate corrosion control of X65 steel weldment in flowing brine, saturated with carbon dioxide at 1 bar, and containing a typical oilfield corrosion inhibitor. A novel jet-impingement target was constructed from samples of parent material, heat affected zone and weld metal, and subjected to flowing brine at velocities up to 10 ms- 1 , to give a range of hydrodynamic conditions from stagnation to high turbulence. The galvanic currents between the electrodes in each hydrodynamic zone were recorded using zero-resistance ammeters and their self-corrosion rates were measured using the linear polarisation technique. At low flow rates, the galvanic currents were small and in some cases the weld metal and heat affected zone were partially protected by the sacrificial corrosion of the parent material. However, at higher flow rates the galvanic currents increased but some current reversals were observed, leading to accelerated corrosion of the weld region. The most severe corrosion occurred when oxygen was deliberately admitted into the flow loop to simulate typical oilfield conditions. The results are explained in terms of the selective removal of the inhibitor film from different regions of the weldment at high flow rates and the corrosion mechanism in the presence of oxygen is discussed.

Friction Stir Welding (FSW) was used to perform Bead on Plate (BOP) welds on 6061-T6511 aluminum extrusions. Using a DOE approach, tool rotation speed, clamp spacing, and clamping force were altered to ascertain their effects on distortion in the welded panels. Mechanical forces were monitored during the weld process. Both linear and out of plane distortion were measured on the welded extrusions. The Vickers hardness of the weld nugget was measured. The effect of each parameter on weld distortion was discovered and the mechanism of this link was suggested.

Este trabalho visou entender e avaliar a resistência mecânica da junção de chapas de aço obtidas pelo processo de União de Chapas por Conformação a Frio (UCCF). Esse processo é conhecido no meio industrial pelo termo em inglês: clinching ou press joining. O formato de união cilíndrico, também conhecido como Round, foi selecionado para unir os corpos de provas. As uniões metálicas ensaiadas foram fabricadas com aço de baixo teor de carbono sem camada superficial de proteção (170MPa de limite de escoamento). O material escolhido é de comum utilização na indústria automotiva. Duas espessuras diferentes foram avaliadas: 0,8mm e 1,2mm. Um completo procedimento foi criado para determinar os parâmetros ideais do processo UCCF baseado nos critérios de falha existentes na literatura e na experiência do fornecedor do equipamento. A união em estudo foi submetida, experimentalmente, a cargas multiaxiais com o auxílio de um dispositivo baseado no ensaio de Arcan para possibilitar uma condição de carga combinada, onde foi possível identificar graficamente o comportamento estrutural do corpo de prova em estados de carregamento que variam de tração (normal à superfície do ponto) até cisalhamento (perpendicular à superfície do ponto). Os valores de resistência mecânica encontrados foram de 1,13kN (mínimo) a 2,55kN (máximo) para as chapas de aço com espessura de 0,8mm e de 1,89kN (mínimo) e 3,18kN (máximo) para as chapas de 1,2mm. Um estudo comparativo com Solda Ponto por Resistência Elétrica (SPRE) foi realizado. A UCCF alcançou resultados de 47,68% dos valores obtidos para a SPRE para chapa com espessura de 0,8mm e 37,78% para chapas de 1,2mm. / The purposes of this work were understand and evaluate cold forming sheet metal joining of steel plates mechanical resistance. This process is well known as clinching or press joining. Round clinching element was selected to be used on all tested specimens due to its industry suitability. The metallic specimens were built on mid carbon steel without zinc coat protection (Yield Stress: 170MPa). This is a common material on automotive industry. Two different thicknesses were evaluated: 0.8mm and 1.2mm. A full procedure to determine ideal clinching parameters was created based on available literature information and clinching supplier know-how. All union technology was experimentally submitted to multiaxial loads using device based on Arcan concept. Joining mechanical behavior curves were plotted from traction (normal to element joint surface) to shear (perpendicular to element joint surface) loads. As a result, 0.8mm thickness steel plates achieved load values from 1.13kN (minimum) to 2.55kN (maximum), 1.2mm thickness steel plates achieved values from 1.89kN (minimum) e 3.18kN (maximum). A comparative study was made with Electric Resistance Spot Weld (ERSP). Clinching joining achieved results as 47.68% and 37.78% of ERSP loads for 0.8mm and 1.2mm thickness steel plates respectively.

Neste trabalho foram estudadas as microestruturas, dureza, e resistência ao impacto em aço alta resistência e baixa liga (ARBL) na ZAC. O processo de soldagem foi por arco submerso, utilizando corrente de 600A, tensão de 25V, velocidade de soldagem de 25,5; 24; 20,94; e 19,5 cm/min. Utilizou-se chapa de aço USI-SAC-50. Os quatro aportes de calor produzidos 3,53; 3,75; 4,24; 4,61 kJ/mm, permitiram variações microestruturais na região de granulação grosseira da ZAC, promovendo variações nas medidas de durezas e nos resultados do ensaio de impacto medido à -25ºC e -10ºC. Quando realizado o tratamento térmico de alívio de tensões a 580ºC por 1 hora, as morfologias das microestruturas e medidas de dureza na região grosseira da ZAC, praticamente foram iguais, independente do aporte de calor. Os resultados do ensaio de impacto realizado à -25ºC, com e sem tratamento térmico, não sofreram alterações significativas para os valores das energias absorvidas na ZAC. Já a -10ºC a mudança foi mais significativa. O aspecto da morfologia da fratura na região de granulação grosseira da ZAC, após o ensaio de impacto, foi coerente para os quatro aportes de calor utilizados na soldagem. / It was studied in this report the microstructure, hardness and impact resistance in High Strength Low Alloyed (HSLA) steel in HAZ. The submerged are weld metals were made, using corrent of 600A, are voltage of 25V and travel speed of 25,5; 20,9; 24; and 19,5 cm/min. The USI-SAC-50 steel was used in present report. Four different heat input 3,53; 3,75; 4,24 and 4,61 kJ/mm were used to weld, produced significant changes in the coarse heat affected zone (HAZ) microstructure morphology, and this effect promoted changes on the hardness and the impact results at -25°C and -10°C. Using stress reliev treatment at 580°C for one hour, has changed the microstructure morphology in the coarse heat affected zone and the hardness measurements becames quite similar, therefore independent of the heat input. At -25°C the impact results has shown no variations with the stress reliev heat treatment. However, there were significant changes in the impact results at -10°C. After the impact test, the aspect of morphology facture in the coarse heat affected zone (HAZ), was coherent for the four different heat input, were used to weld.

Foi avaliada a influência da microestrutura na tenacidade à fratura de dois grupos de aços de Alta Resistência e Baixa Liga (ARBL), soldados, com diferentes composições microestruturais. Os metais de solda designados por A1/A2 exibiram uma microestrutura composta por ferrita acicular circundada por ferrita de contorno de grão, com alguma formação de ferrita Widmanstätten e microfases, denominada de microestrutura do tipo clássica. Os metais de solda designados por B1/B2 exibiram um microestrutura composta por bainita, martensita de baixo teor de carbono e microfases, denominada de microestrutura do tipo de ripas. Estes dois tipos de microestruturas são normalmente encontradas nas soldas de alta resistência empregadas em estruturas e componentes de grande responsabilidade. A avaliação da tenacidade à fratura foi realizada pela utilização dos conceitos da integral-J e CTOD. A técnica empregada para a medida do crescimento da trinca, foi a da variação da flexibilidade elástica em corpos de prova SE[B] e C(T). Os valores da tenacidade à fratura dos dois grupos de soldas, para ambas geometrias de corpos de prova, foram determinados e comparados. As análises microestruturais, do metal de solda e das superfícies de fratura dos corpos de prova ensaiados, foram realizadas por meio de microscopia ótica e eletrônica de varredura, com o objetivo de se correlacionar os valores de tenacidade à fratura com a microestrutura dos metais de solda. Foi verificado que os metais de solda A1/A2 que possuem uma microestrutura clássica, apresentaram tenacidade superior aos metais de solda B1/B2, que possuem uma microestrutura do tipo de ripas. / The influence of the microstructure on the fracture toughness behaviour of two groups of multipass High Strength Low Alloy (HSLA) steel weld metals, presenting different microstructure composition, was evaluated. The weld metals A1/A2 exhibited a microstructure composed by acicular ferrite, allotriomorphic ferrite, Widmanstätten ferrite and microphases, and the weld metals B1/B2 presented a microstructure composed by bainite, low carbon martensite and microphases. The fracture toughness evaluation was carried out using J-integral and CTOD concepts and the elastic compliance technique in both SE[B] and CT testpieces. The fracture toughness values for both groups of welds and testpiece geometry were determined and compared. The weld metals microstructures and fracture surfaces analysis were performed using optical and scanning electronic microscope techniques, to correlate the determined fracture toughness values, with the local microstructure around the fatigue crack tip. It was verified that the weld metals A1/A2 exhibited fracture toughness values superior to the ones obtained from weld metals B1/B2.

Neste trabalho foram soldadas 4 amostras de rodas para veículos comerciais pelo processo de soldagem Tandem-MIG. Para cada amostra foram utilizados parâmetros de soldagem diferentes de modo a se obter formatos de cordão de solda distintos. O objetivo do trabalho foi avaliar a influência desses formatos de cordão de solda no desempenho em fadiga. Para os materiais utilizados, SAE1010AA e SAE1015A, foram realizados os seguintes ensaios: análise de composição química, análise micrográfica, levantamento das curvas tensão x deformação, medidas de microdureza Vickers e levantamento das curvas SN pelo método de flexão alternada (R=-1). Através da composição química constatou-se que ambos os aços são de baixo carbono e atendem o especificado pela norma SAEJ403. Através da análise micrográfica foi verificado que as fases presentes foram ferrita e perlita, e o tamanho médio de grão foi de 11,2 ?m para os dois materiais. O aço SAE1010AA apresentou limite de escoamento médio de 265,2 MPa, limite de resistência de 384,8 MPa e alongamento médio de 43,9%. Já o aço SAE1015AA apresentou limite de escoamento médio de 260,1 MPa, limite de resistência de 407,3 MPa e alongamento de 41,9%. Para os dois materiais, o limite de resistência à fadiga (2.10-6 ciclos) foi de 225 MPa. Foi realizada a caracterização das 4 amostras soldadas. Através das curvas SN observou-se que o limite de resistência à fadiga para as amostras soldadas apresentou redução para valores entre 180 e 160 MPa. Com os mapas de microdureza Vickers levantados foi possível perceber as diferenças de microdureza obtidas de acordo com os parâmetros de soldagem utilizados e consequentemente com as microestruturas formadas. Com as imagens obtidas na análise micrográfica observou-se a formação de microestruturas com formatos e tamanhos diversos tanto nas regiões da zona termicamente afetada das amostras como na região de solidificação do cordão de solda. Finalmente, com a realização da análise via MEV, constatou-se que todas as trincas por fadiga iniciaram na superfície dos corpos de prova. Foram observadas estrias de fadiga, com maior e menor intensidade de acordo com cada amostra, ao longo da região de fratura. Além disso, foi observada a geração de múltiplas trincas por fadiga em duas amostras. / In this study four samples of commercial vehicle wheels were welded using the Tandem-MIG process. For each sample different welding parameters were used to get different kinds of weld bead shape. The aim of this study was to evaluate the influence of these weld bead shapes in fatigue performance. For the SAE1010AA and SAE1015AA materials the following tests were performed: chemical composition analysis, microstructure characterization, SN curves by alternating bending method (R=-1). Through analyzing chemical composition, it was found that both materials are low carbon steel and they meet the SAE J403 standard. In microstructure characterization, ferrite and perlite microstructure were found, with an average grain size of 11,2 ?m for both steels. The SAE1010AA showed an average yield strength of 265,2 MPa, an average tensile strength of 384,8 MPa, and alongation of 43,9%. The SAE1015AA showed an average yield strength of 260,1 MPa, an average tensile strength of 407,3 MPa, and alongation of 41,9%. For both materials, the fatigue limit (2.10-6 ciclos) was 225 MPa. The characterization of the four samples was done. In SN curves the fatigue limit for welded samples showed a reduction to values of between 180 and 160 MPa. In the Vickers microhardness test, it was possible to notice the differences between the microhardness obtained in accordance with welding parameters used and, consequently, the microstructure formed. In microstructure analysis, different kinds and sizes of microstructure were observed to have formed in both the heat-affected zone and the welded zone. Finally, through MEV analysis, all fatigue cracks were seen to have begun on the surface of the samples. Fatigue estriaton, with major and minor intensity depending on the sample, was observed along the fracture region. Furthermore, the beginning of multiple fatigue cracks were seen in two samples.

Este trabalho apresenta uma avaliação dos efeitos de juntas soldadas dissimilares sobre forças motrizes de trinca e o desenvolvimento de procedimentos adaptados baseados em critérios mecânicos e micromecânicos para avaliação de defeitos em juntas soldadas incorporando efeitos de dissimilaridades mecânicas. A motivação central reside na forte expansão da indústria nacional de petróleo e a crescente demanda por aumento de produtividade aliado ao aumento na segurança operacional de sistemas dutoviários e estruturas correlatas. Para que tal intento seja atingido, é inicialmente apresentada uma descrição detalhada dos parâmetros de interesse da mecânica da fratura, fundamentos da metalurgia da soldagem e efeitos microestruturais e mecânicos oriundos da presença de soldas dissimilares. São então descritos os principais métodos experimentais de determinação de tenacidade à fratura, detalhados os procedimentos correntes de avaliação de integridade por meio de diagramas FAD e é estudada a teoria da tensão de Weibull. Tais estudos configuram o arcabouço conceitual necessário para o desenvolvimento de uma extensa variedade de ensaios experimentais em juntas soldadas e proposição de correções aos procedimentos correntes de determinação experimental de tenacidade, refinamentos na determinação de cargas limite e o desenvolvimento de um modelo de transferabilidade de tenacidades baseado em tensão de Weibull aplicável a juntas soldadas. Por fim, todas as contribuições são compiladas e incorporadas em um procedimento adaptado do tipo FAD especificamente adaptado à avaliação de estruturas soldadas constituídas de materiais dissimilares. Os resultados experimentais revelam forte e deletéria influência das juntas soldadas na tenacidade e capacidade de carga de estruturas. Por outro lado, o extenso compêndio de fatores eta e rotacionais plásticos rp desenvolvido permite a determinação experimental acurada de tenacidade à fratura para espécimes SE(B) homogêneos e bimateriais. Adicionalmente, a metodologia proposta de determinação de cargas limite incorpora o encruamento dos respectivos materiais e o modelo de transferabilidade baseado em tensão de Weibull permite a estimação acurada da tenacidade de componentes soldados dissimilares a partir dos dados do metal de base e poucas calibrações experimentais. Resultados de uma aplicação exploratória real indicam elevado grau de precisão e corroboram a validade das propostas apresentadas. Assim, os desenvolvimentos do presente trabalho mostram-se como potenciais ferramentas de projeto e avaliação de integridade estrutural. / This work presents an evaluation of weld strength mismatch effects on crack driving forces and proposes an extension of defect assessment procedures for welded structures to include effects of weld strength mismatch. The main motivation is based on the strong expansion of Brazilian petroleum industry and the increasing demand for productivity, safety and reliability of pipelines and correlated structures. In this context, it is initially presented a detailed description of fracture mechanics parameters, welding metallurgy fundamentals and mechanic and microestructural effects due to mismatched welds. Next, the main procedures for experimental evaluation of fracture toughness are addressed followed by a discussion on current integrity assessment standards based on FAD and the Weibull stress methodology. These studies provide the necessary background to conduct a wide variety of experimental tests in welded joints and the proposal of corrections for experimental fracture toughness evaluation in welded joints, corrections for limit load estimation schemes in mismatched structures and a new toughness scaling model based on Weibull stress applicable to welded mismatched joints. Finally, the resulting framework is incorporated into a modified FAD-based procedure specifically designed for integrity assessment of welded mismatched structures. The experimental results reveal strong deleterious effects of mismatched welds on loading capacity and fracture toughness of the analyzed specimens. However, the extensive body of calibrated eta and plastic rotational rp factors allows accurate experimental determination of fracture toughness for homogeneous and bimaterial SE(B) specimens. Additionally, the limit load estimation scheme proposed incorporates the materials hardening capacity while the Weibull-based toughness scaling model incorporating mismatch effects allows accurate estimation of the weldment toughness from base metal data and a simple experimental calibration. Results from an exploratory application indicate a high degree of accuracy and confirm the validity of the proposed methodology as a potential tool for design and integrity assessments of cracked weldments.

Neste trabalho foram soldadas 4 amostras de rodas para veículos comerciais pelo processo de soldagem Tandem-MIG. Para cada amostra foram utilizados parâmetros de soldagem diferentes de modo a se obter formatos de cordão de solda distintos. O objetivo do trabalho foi avaliar a influência desses formatos de cordão de solda no desempenho em fadiga. Para os materiais utilizados, SAE1010AA e SAE1015A, foram realizados os seguintes ensaios: análise de composição química, análise micrográfica, levantamento das curvas tensão x deformação, medidas de microdureza Vickers e levantamento das curvas SN pelo método de flexão alternada (R=-1). Através da composição química constatou-se que ambos os aços são de baixo carbono e atendem o especificado pela norma SAEJ403. Através da análise micrográfica foi verificado que as fases presentes foram ferrita e perlita, e o tamanho médio de grão foi de 11,2 ?m para os dois materiais. O aço SAE1010AA apresentou limite de escoamento médio de 265,2 MPa, limite de resistência de 384,8 MPa e alongamento médio de 43,9%. Já o aço SAE1015AA apresentou limite de escoamento médio de 260,1 MPa, limite de resistência de 407,3 MPa e alongamento de 41,9%. Para os dois materiais, o limite de resistência à fadiga (2.10-6 ciclos) foi de 225 MPa. Foi realizada a caracterização das 4 amostras soldadas. Através das curvas SN observou-se que o limite de resistência à fadiga para as amostras soldadas apresentou redução para valores entre 180 e 160 MPa. Com os mapas de microdureza Vickers levantados foi possível perceber as diferenças de microdureza obtidas de acordo com os parâmetros de soldagem utilizados e consequentemente com as microestruturas formadas. Com as imagens obtidas na análise micrográfica observou-se a formação de microestruturas com formatos e tamanhos diversos tanto nas regiões da zona termicamente afetada das amostras como na região de solidificação do cordão de solda. Finalmente, com a realização da análise via MEV, constatou-se que todas as trincas por fadiga iniciaram na superfície dos corpos de prova. Foram observadas estrias de fadiga, com maior e menor intensidade de acordo com cada amostra, ao longo da região de fratura. Além disso, foi observada a geração de múltiplas trincas por fadiga em duas amostras. / In this study four samples of commercial vehicle wheels were welded using the Tandem-MIG process. For each sample different welding parameters were used to get different kinds of weld bead shape. The aim of this study was to evaluate the influence of these weld bead shapes in fatigue performance. For the SAE1010AA and SAE1015AA materials the following tests were performed: chemical composition analysis, microstructure characterization, SN curves by alternating bending method (R=-1). Through analyzing chemical composition, it was found that both materials are low carbon steel and they meet the SAE J403 standard. In microstructure characterization, ferrite and perlite microstructure were found, with an average grain size of 11,2 ?m for both steels. The SAE1010AA showed an average yield strength of 265,2 MPa, an average tensile strength of 384,8 MPa, and alongation of 43,9%. The SAE1015AA showed an average yield strength of 260,1 MPa, an average tensile strength of 407,3 MPa, and alongation of 41,9%. For both materials, the fatigue limit (2.10-6 ciclos) was 225 MPa. The characterization of the four samples was done. In SN curves the fatigue limit for welded samples showed a reduction to values of between 180 and 160 MPa. In the Vickers microhardness test, it was possible to notice the differences between the microhardness obtained in accordance with welding parameters used and, consequently, the microstructure formed. In microstructure analysis, different kinds and sizes of microstructure were observed to have formed in both the heat-affected zone and the welded zone. Finally, through MEV analysis, all fatigue cracks were seen to have begun on the surface of the samples. Fatigue estriaton, with major and minor intensity depending on the sample, was observed along the fracture region. Furthermore, the beginning of multiple fatigue cracks were seen in two samples.

Weld joint penetration determination is the key factor in welding process control area. Not only has it directly affected the weld joint mechanical properties, like fatigue for example. It also requires much of human intelligence, which either complex modeling or rich of welding experience. Therefore, weld penetration status identification has become the obstacle for intelligent welding system. In this dissertation, an innovative method has been proposed to detect the weld joint penetration status using machine-learning algorithms. A GTAW welding system is firstly built. Project a dot-structured laser pattern onto the weld pool surface during welding process, the reflected laser pattern is captured which contains all the information about the penetration status. An experienced welder is able to determine weld penetration status just based on the reflected laser pattern. However, it is difficult to characterize the images to extract key information that used to determine penetration status. To overcome the challenges in finding right features and accurately processing images to extract key features using conventional machine vision algorithms, we propose using convolutional neural network (CNN) to automatically extract key features and determine penetration status. Data-label pairs are needed to train a CNN. Therefore, an image acquiring system is designed to collect reflected laser pattern and the image of work-piece backside. Data augmentation is performed to enlarge the training data size, which resulting in 270,000 training data, 45,000 validation data and 45,000 test data. A six-layer convolutional neural network (CNN) has been designed and trained using a revised mini-batch gradient descent optimizer. Final test accuracy is 90.7% and using a voting mechanism based on three consequent images further improve the prediction accuracy.