O processo de união entre ligas de alumínio e aços é complexo, devido às suas diferentes propriedades físicas e mecânicas, bem como pela formação de grande quantidade de compostos intermetálicos frágeis, o que dificulta a realização deste tipo de união pelos métodos convencionais de fusão. O processo de Soldagem a Ponto por Fricção (Friction Spot Welding - FSpW) é destinado à soldagem de juntas sobrepostas, adequado para união de materiais leves, e.g. ligas de alumínio e de magnésio para aplicações estruturais. A gama de componentes e materiais para os quais o FSpW pode ser aplicado está em contínua expansão, garantindo ao processo potencial para se tornar uma tecnologia industrial significativa. Por ser um processo que ocorre em estado sólido, apresenta algumas vantagens em relação aos métodos convencionais de fusão. O baixo aporte térmico associado a essas técnicas de soldagem exibe grande potencial para reduzir ou até mesmo inibir a formação da camada de compostos intermetálicos, sendo, portanto potencialmente indicado para união de materiais dissimilares. Neste trabalho foi feito um estudo da viabilidade da soldagem dissimilar entre as ligas de Alumínio AA5454-H22 e aço automotivo HX340-LAD-Z através do processo FSpW. As juntas soldadas foram analisadas mecânica e metalurgicamente, tendo como objetivo avaliar os efeitos dos parâmetros de processo na microestrutura, na geometria e no desempenho mecânico da junta, além de buscar a otimização do processo para os materiais em estudo. A relação entre a qualidade da junta e os parâmetros do FSpW foi estudada utilizando o Método Taguchi, por meio do estudo do comportamento das soldas sob solicitação monotônica de cisalhamento. Os resultados obtidos demonstram que soldas de boa qualidade e reprodutibilidade podem ser produzidas com este processo. Contudo, a presença de um filme intermetálico composto por fases ricas em Al, tais como Fe2Al5 e FeAl3, na interfaces das soldas, afeta significativamente o comportamento em fratura das juntas e, consequentemente, seu desempenho mecânico. / The joining process of aluminium and steel is very complex in view of the differences between their physical and mechanical properties, as well as the formation of great amounts of brittle intermetallic compounds at the joint interface, which make it difficult to join those materials using conventional fusion welding techniques. Friction Spot Welding (FSpW) is a suitable joining process, which produces high quality overlap joints of lightweight materials, e.g., aluminium and magnesium alloys for structural applications. The range of components and materials for which FSpW can be used is continuously expanding, ensuring great potential to the process, which became nowadays a significant industrial technology. As a solid state joining process FSpW offers some advantages relative to conventional fusion welding techniques. The low heat input involved in this process has great potential to reduce, or even to inhibit, the formation of the intermetallic layer, making it, therefore, suitable to join dissimilar materials. In this work a study of feasibility of dissimilar FSpW between the aluminium alloy 5454-H22 and the automotive steel HX340LAD-Z was performed. The welded joints were assessed mechanically and metallurgically aiming evaluate the process parameter effects on the microstructure, geometry and mechanical performance of the joint, besides searching the process optimization for the materials in question. The relationship between the joint quality and the FSpW process parameters was analysed using Taguchi’s Method, studying the behaviour of the joint under shear load. The results revealed that sound welds between AA5454-H22 and HX340LAD-Z with high strength and reproducibility can be produced with using this process. It was found that the presence of an intermetallic film compounded by Al-rich phases, such as Fe2Al5 and FeAl3, at the joint interface, plays a fundamental role on the fracture behaviour of the joints and thus, and on its mechanical behaviour.

O presente trabalho teve como objetivo investigar o comportamento da junta para diferentes parâmetros de soldagem em um processo inovador de soldagem por fricção em tubos utilizando um anel rotativo. O material do tubo utilizado neste trabalho foi o aço inoxidável duplex SAF 2205 (UNS S31803).Utilizou-se o método estatístico Taguchi para reduzir a quantidade de juntas soldadas e verificar quais os melhores parâmetros de soldagem. O processo avaliou 3 parâmetros variando em máximo e mínimo, resultando em 4 condições de soldagem. Três juntas soldadas foram produzidas para cada condição de soldagem, o que acabou gerando 12 juntas. A obtenção da melhor condição de soldagem foi realizada através da análise de “quanto maior melhor” para o resultado de resistência à tração para as amostras. Nesta análise,a condição ótima de soldagem coincidentemente foi a condição de soldagem 4. Paralelamente à análise Taguchi, foram realizados ensaios de qualificação para todas as 4 condições de soldagem de acordo com a norma DNV-OS-F101:2013: teste de tração, dobramento, dureza, porcentagem de ferrita e porcentagem de intermetálicos Adicionalmente aos ensaios exigidos pela norma DNV-OS-F101:2013, foram realizados testes de impacto Charpy-V e EBSD para a melhor condição de soldagem obtida pela método Taguchi (condição 4). Os resultados indicaram que, de acordo com os requisitos da norma DNV-OS-F101:2013, apenas a condição de soldagem quatro (0,10 mm/s; 7,50 kN/s/ 10,0 mm) foi integralmente qualificada. Valores insuficientes de resistência obtidos nos ensaios de tração, bem como divergências nas porcentagens ótimas de fases desqualificaram as outras três condições de soldagem. Como resultado adicional para a condição de soldagem qualificada, testes de impacto Charpy apresentaram valores de energia absorvida superiores àqueles encontrados para processos convencionais de soldagem. / The present work had as objective to investigate the joint behavior for different welding parameters in an innovative process of welding by friction in tubes using a rotating ring. The material of the tube used in this work was duplex stainless steel SAF 2205 (UNS S31803). The Taguchi statistical method was used to reduce the amount of welded joints and to verify the best welding parameters. The process evaluated 3 parameters varying in maximum and minimum, resulting in 4 welding conditions. Three welded joints were produced for each welding condition, resulting in 12 joints. The best welding condition was obtained by the analysis of "the greater the better" for the result of tensile strength for the samples. In this analysis, the optimum welding condition coincidentally was the welding condition 4. Parallel to the Taguchi analysis, qualification tests were performed for all 4 welding conditions according to DNV-OS-F101: 2013: tensile test, bending, hardness, percentage of ferrite and percentage of intermetallics In addition to the tests required by the DNV-OS-F101: 2013, Charpy-V impact tests and characterization by EBSD were performed for the best welding condition obtained by the Taguchi method (condition 4). The results indicated that, according to the requirements of DNV-OS-F101: 2013, only the welding condition four (0.10 mm/s, 7.50 kN/s; 10.0 mm) was fully qualified. Insufficient values of strength obtained in the tensile tests, as well as divergences in the optimal percentages of phases, disqualified the other three welding conditions. As an additional result for the qualified welding condition, Charpy impact tests showed absorbed energy values higher than those found for conventional welding processes.

Os aços inoxidáveis dúplex (AIDs) exibem uma combinação de propriedades mecânicas e de resistência à corrosão atraente que os destaca entre os demais aços inoxidáveis. Isso ocorre devido a sua microestrutura balanceada, consistindo de ferrita e austenita, e também pela sua composição química específica contendo elementos de liga como cromo e molibdênio. Considerando-se estes fatores positivos, os AIDs são amplamente utilizados nas indústrias de óleo e gás, petroquímica, papel e celulose, e de controle de poluição. A aplicação destas ligas usualmente depende de processos de soldagem, e os ciclos térmicos merecem atenção especial para se evitar alterações microestruturais que comprometam o desempenho mecânico e/ou eletroquímico (fundamentalmente a resistência à corrosão). A soldagem por fricção e mistura mecânica ou Friction Stir Welding é uma técnica de união no estado sólido que pode reduzir defeitos, como trincas, porosidades entre outros, frequentemente encontrados em processos de soldagem que envolvem fusão. Além disso, devido ao menor aporte térmico, os processos de união no estado sólido têm o potencial de minimizar alterações microestruturais, mantendo assim, no caso dos aços AIDs, a morfologia, a distribuição e a proporção das fases ferrita e austenita mais próximas do ideal. O presente estudo empregou o processo de FSW para produzir juntas de topo em chapas com 4 mm de espessura do aço inoxidável dúplex UNS S31803, com ferramenta de PCBN inclinada em 1,5º a uma velocidade rotacional de 500 rpm, força axial de 45 kN, e diferentes velocidades de soldagem. Soldas com penetração completa e livres de defeitos foram consolidadas aplicando velocidades de soldagem de 1, 2 e 3 mm/s, enquanto a velocidade de 4 mm/s resultou em defeitos do tipo vazios na zona de mistura (ZM) no lado de avanço. A caracterização através de microscopia óptica na secção transversal das soldas revelou um refino microestrutural que aumentou os valores de dureza na ZM. A técnica de difração de elétrons retroespalhados (EBSD) mostrou um conteúdo apropriado de ferrita, entre 40 e 60%, para todas as condições de soldagem testadas. Ensaios de tração de amostras transversais das juntas soldadas romperam no material de base (MB) para velocidades de soldagem entre 1 e 3 mm/s, e falharam no local onde existiam vazios para a velocidade de soldagem de 4 mm/s. Além disso, as juntas soldadas apresentaram limite de escoamento e limite de resistência à tração similares ao MB, mas com menor alongamento. As soldas produzidas com velocidade de soldagem de 1 mm/s mostraram indícios de fases intermetálicas, que não comprometeram a resistência mecânica das juntas. Uma correlação entre a história térmica associada ao processo de FSW, a microestrutura produzida e o desempenho mecânico das juntas soldas foi estabelecida. / Duplex stainless steels (DSS) exhibit an attractive combination of mechanical properties and corrosion resistance due to their balanced microstructure consisting of ferrite and austenite, and also their chemical composition containing alloy elements like chromium and molybdenum. Considering these positive factors, DSS are widely used in the oil and gas, petrochemical, pulp and paper, and pollution control industries. The application of these alloys usually depends on welding processes, and the thermal cycles deserve special attention in order to avoid microstructural changes that compromise the mechanical and/or electrochemical performance (fundamentally corrosion resistance). Friction Stir Welding is a solid-state joining technique which can reduce flaws, such as cracks and porosities often found on fusion welding processes. Furthermore, due to the lower heat input, solid-state joining techniques have the potential of minimizing microstructural alterations and maintain, in the case of DSS, morphology, distribution and proportion of the phases ferrite and austenite. The present study used FSW to produce butt joints on 4 mm thick sheets of UNS S31803 DSS, with a PCBN tool tilted 1,5º in a rotational speed of 500 rpm, axial force of 45 kN, and different welding speeds. Full penetration and defect free welds were consolidated applying welding speeds of 1, 2 and 3 mm/s, whereas 4 mm/s resulted in voids inside the stir zone (SZ) in the advancing side. Characterization through optical microscopy on transverse section of the welds revealed a microstructural refinement, which increased the microhardness values on the SZ. Electron backscatter diffraction (EBSD) technique showed a proper ferrite content between 40 and 60% for all the tested welding conditions. Transverse tensile tests of the welded joints failed at the base metal for welding speeds between 1 and 3 mm/s, and failed on the location of the voids defects for welding speed of 4 mm/s. Moreover, the welded joints presented similar yield and tensile strength to the base material and reduced elongation. The welds produced with welding speed of 1 mm/s showed evidences of intermetallic phases, which didn’t compromise the strength of the joints. A correlation between the thermal history associated to the FSW process, the produced microstructure, and the mechanical performance of the welded joints has been established.

A estimativa de parâmetros térmicos relacionados à Soldagem por Fricção Linear (também conhecida como Soldagem por Fricção e Mistura Mecânica) de uma placa de alumínio AA 2195- T8 é estudada nesta dissertação. A determinação dos parâmetros é tratada como um problema de otimização, no qual a função objetivo corresponde a uma função erro entre temperaturas medidas numericamente e temperaturas calculadas, para certos valores da taxa de calor gerada pela fricção, do coeficiente de transferência calor por convecção natural e do coeficiente de transferência de calor entre a placa e a base de suporte. A distribuição transiente de temperaturas sobre a placa é determinada pela solução da equação da condução de calor tridimensional transiente, a qual é resolvida pelo método dos volumes finitos. A minimização da função objetivo é realizada com o auxílio do algoritmo Otimização Extrema Generalizada (GEO), um método evolucionário que pode lidar com diversos tipos de problemas de otimização. A avaliação da sensibilidade da leitura de temperatura é feita com relação ao posicionamento dos sensores, com o objetivo de descobrir as melhores posições para aquisição de dados, e também a determinação do parâmetro t (parâmetro utilizado no método GEO que deve ser ajustado para cada tipo de problema) que melhor se adapta para cada um dos conjuntos de medição de temperatura. Além disso, realiza-se um estudo no qual é analisado um caso em que a fonte de calor possui forma de distribuição desconhecida, sem a utilização de equações para a sua descrição, desta maneira mais parâmetros devem ser estimados pela análise inversa, assim o processo de otimização é mais complexo (cinco valores de taxa de calor e dois coeficientes de transferência de calor, ao invés de uma taxa de calor e dois coeficientes). Ainda, para simular medições de dados reais, os valores de temperatura obtidos a partir da solução numérica para valores específicos da taxa de calor e dos coeficientes de transferência de calor são perturbados com ruídos de acordo com desvios-padrão típicos dessa forma de medição. Este trabalho demonstra que a aproximação inversa proposta pode ser um modo muito efetivo para avaliar e predizer os parâmetros que governam o processo de transferência de calor na Soldagem por Fricção Linear, um importante passo para o seu controle em tempo real. / The estimation of thermal parameters related to Friction Stir Welding of a AA 2195-T8 plate is studied in this dissertation. The determination of the parameters is carried out by means of an optimization problem, in which the objective function corresponds to an error function between the numerically measured temperature and the temperature computed for each estimated values of the heat rate input, the heat transfer coefficient on the bottom surface, and the natural convection heat transfer coefficient. The time-dependent temperature distribution on the plate is determined by the solution of the three-dimensional transient state conduction equation, which is solved by the control-volum method. The minimization of the objective function is accomplished with the aid of the Generalized Extremal Optimization (GEO) method, an evolutionary method that can deal with several types of optimization problems. The evaluation of the temperature reading sensitivity is carried out, in relation to the readers locations on the plate, in order to determine the best positions that can be used to acquire datas, and the determination of the t parameter (this parameter is used in the GEO method and it must be adjusted for each type of problem) that best fits with each one of the temperature readers assembly, allowing the determination of the best temperature readers assembly. In addition, it is executed a study that considers a case where the heat rate input has unknown profile distribution, without using equations for its description, in this manner more parameters have to be estimated by the inverse analysis, so the optimization process is more complicated (five heat rate inputs and two heat transfer coefficients, instead of one heat rate input and two heat transfer coefficients). Furthermore, to simulate real-data measurements, the temperature inputs, obtained from a numerical solution for specific values of the heat rate input and the heat transfer coefficients, were perturbed with noises according to the standard deviation of the measurement procedure. This work demonstrates that the proposed inverse approach can be a very effective way to evaluate and predict the parameters that govern the heat transfer process in Friction Stir Welding, an important step to real-time control of this process.

Dissertação de Mestrado apresentada ao Programa de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais da Universidade do Extremo Sul Catarinense - UNESC, como requisito à obtenção do título de Mestre em Ciência e Engenharia de Materiais. / Com a crescente demanda por produtos industrializados, as embalagens plásticas flexíveis ganharam uma posição de destaque por apresentar características que vão desde o acondicionamento adequado do produto até o aumento da vida de prateleira. Para suportar essa demanda, as embalagens devem atender os requisitos de produto relacionados ao desempenho de aplicação. Dentre as várias propriedades das embalagens flexíveis, o Coeficiente de Fricção (COF) é um dos requisitos de grande impacto na sua aplicação em linhas de envase de alto desempenho, interferindo diretamente na sua performance e em muitos casos é o fator responsável por grandes números de rejeições. O COF adequado em embalagens flexíveis é obtido através da utilização de aditivos conhecidos com agentes deslizantes que migram para superfície dos filmes reduzindo o coeficiente de fricção. Quando o aditivo migra rapidamente para a superfície dos filmes utilizados na confecção das embalagens, ocorre perda do agente deslizante para as superfícies de contato do filme nos processos subseqüentes, promovendo a variação no coeficiente de fricção. Esse trabalho se propõe a reduzir a velocidade de migração do aditivo erucamida em filmes de polietileno utilizados na confecção de embalagens flexíveis através da formação de ligações cruzadas entre as cadeias poliméricas durante seu processamento, criando assim uma barreira física para retardar o afloramento do aditivo para a superfície. Para isso, foram produzidos em escala laboratorial, filmes flexíveis de polietileno aditivados com agente deslizante erucamida e filmes de polietileno aditivados com agente deslizante e agente intercruzante. Os filmes foram submetidos a processo de extração contínua por solvente clorofórmio e os extratos obtidos foram caracterizados por análises de deformação mecânica, COF, Índice de Fluidez, FTIR, GPC e microscopia de força atômica. Os resultados indicam que os aditivos extraídos da superfície dos filmes tratam-se de cera de polietileno e a utilização de agente reticulante no filme experimental proporcionou maior controle na migração do agente deslizante pela restrição de mobilidade dos aditivos para a superfície do filme, tendo como conseqüência maior controle no parâmetro COF.

Made available in DSpace on 2014-06-11T19:27:54Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2007-03-28Bitstream added on 2014-06-13T19:56:54Z : No. of bitstreams: 1 azeredo_rg_me_arafo.pdf: 534312 bytes, checksum: c2cb532cb75c5ce52fc1de4b4e44711e (MD5) / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / Desde a introdução dos fios superelásticos a sua utilização baseada na teoria de liberação de forças leves e constantes tem sido indicada. Alguns utilizam os fios superelásticos retangulares desde as fases iniciais de tratamento, mas a utilização de fios de secção retangulares leva a liberação de maiores forças de resistência ao deslizamento. Esta pesquisa teve como objetivo avaliar o comportamento e a força de resistência ao deslizamento, geradas pela utilização de fios superelásticos de NiTi retangulares nos movimentos de rotação e translação em 1ª e 2ª ordens. Foram selecionados sete fios de secção 0.019x0.025 de diferentes marcas comerciais e analisados em uma Temperatura constante de 35°C simulando o ambiente oral. Os fios Copper NiTi 40 (Ormco) e NeoSentalloy 200g (GAC) foram os que apresentaram os menores níveis de força nos movimentos analisados. No inicio do platô de superelasticidade o Copper NiTi 40 gerou forças de 142cN e 120cN em 1ª e 2ª ordens respectivamente no teste de translação e 40cN e 88cN em 1ª e 2ª ordens nos testes de rotação. O Neosentalloy 200g gerou forças de 120cN e 129cN nos testes de translação em 1ª e 2ª ordens respectivamente, e 68cN e 194cN em 1ª e 2ª ordens respectivamente, nos testes de rotação. O fio FORMO-ELASTIC NiTi (Wonder Wire Corporation) apresentou os maiores índices em todos os testes.No teste de translação o fio FORMO-ELASTIC NiTi (Wonder Wire Corporation) gerou, no início do platô de superleasticidade forças de 630cN e 209cN em 1ª e 2ª ordens respectivamente e no teste de rotação 383cN e 334cN em 1ª e 2ª ordens, respectivamente Os momentos máximos nos testes de rotação em 1ª e 2ª ordens foram gerados pelo fio FORMO-ELASTIC NiTi (5136cN/mm - 4269cN/mm) e os menores foram gerados pelo fio Copper NiTi 40 (2716cN/mm-2417cN/mm). Na avaliação da força liberada... / Since the introduction of the superelastic archwires the use based on the theory of applying light continuous force has been indicate. Some authors had use the rectangular superelastic archwire since the initial phases of the treatment. Tridimensional control of the teeth could be range but also, using wires with rectangular cross sections would delivery higher forces of resistance to sliding. The purpose of this research is to evaluate the behavior and the resistance to sliding delivered by using rectangular superelastic NiTi wires in translation and rotation in 1st and 2nd orders. Were selected seven NiTi 0,019x 0,025 wires of different commercial brands, and analyzed in constant temperature of 35°C, simulating the oral environment. The copper NiTi 40° (Ormco) and NeoSen talloy 200g (GAC) delivered the lowest levels of force and the FORMO-ELASTIC (Wonder Wire Corporation) delivered the highest. In the superelastic plateau the Copper NiTi 40° delivered 142cN and 120cN in 1st and 2nd order translation, 40cN and 88cN in the rotation test. The NeoSentalloy 200g (G.A.C.) delivered 120cN and 129cN in 1st and 2nd order translation test and 68cN and 194cN in the rotation test. The FORMO-ELASTIC (Wonder Wire Corporation) delivered 630cN e 209cN in 1st and 2nd order translation tests and 383cN e 334cN in the rotation test. The FORMO-ELASTIC NiTi also delivered the highest moments in the rotation test (5136cN/mm - 4269cN/mm) and the lowest were delivered by the Copper NiTi 40 (2716cN/mm-2417cN/mm) The force delivered by the different cross section of the copper NiTi 40° (Ormco) showed no statistical difference between the two dimensions in the translation displacement. In the rotation the wires delivered highest levels of force when the stress was applied at the small section... (Complete abstract click electronic access below)

Made available in DSpace on 2016-06-02T19:12:41Z (GMT). No. of bitstreams: 1 6492.pdf: 4084307 bytes, checksum: 63c3d8389f9ed39827abea64eedbbd41 (MD5) Previous issue date: 2014-10-24 / Universidade Federal de Minas Gerais / This dissertation addressed the feasibility study of Friction Riveting technique on polycarbonate and 2024-T351 aluminum alloy spot joints. Design of experiments and Artificial Neural Network modelling were used to investigate the influence of process parameters on mechanical and microstructural properties of joints. These joints were produced at the Institute for Research Helmholtz Zentrum Geesthacht (HZG), in Germany, during the undergraduate years of the applicant. Process temperature was measured using an infrared camera. The mechanical properties of the joints were determined by tensile testing. The macro and microstructural characterization were carried out by light optical microscopy (LOM) and Vickers microhardness tests. The fracture mechanisms were investigated by optical and scanning electron microscopy (SEM). The level of PC degradation in the joining area was obtained by viscometry and Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR). The average peak temperatures meausured during joining varied between 52% and 72% of the melting point interval of AA 2024 aluminium alloy. Strong joints with high anchoring efficiency were achieved, with ultimate tensile strength of approximately 90% of metallic rivet, and non-catastrophic ductile fracture at the metallic rivet outside the joined area. This is desirable failure type in riveted polymeric structures and an indication of high-strenght joints. The viscometry and FTIR analysis showed the absence of thermal degradation of the PC in the riveted joint. Statistical and Artificial Neural Networks modeling process showed good repeatability and reproducibility within the conditions studied. These results demonstrated the feasibility of producing spot joints of rivets 2024-T351 and PC by using the FricRiveting process. / Nesta dissertação de mestrado foi realizado um estudo da viabilidade de fabricação de juntas híbridas de Policarbonato (PC) e Alumínio 2024-T351 através do processo de rebitagem por fricção ( Friction Riveting ). Técnicas de planejamento de experimentos aliadas à modelagem por redes neurais foram utilizadas na investigação da influência dos parâmetros de processo, nas propriedades mecânicas e microestruturais das juntas. As juntas foram produzidas no Instituto de Pesquisa Helmholtz Zentrum Geesthacht (HZG), na Alemanha, durante o período de estágio da proponente. A temperatura dos materiais durante o processamento foi medida utilizando-se uma câmera de infravermelho. As propriedades mecânicas das juntas foram determinadas por meio de ensaios de tração. As características macro e microestruturais foram avaliadas por meio de microscopia ótica e ensaios de microdureza Vickers. Os mecanismos de fratura foram investigados por análises em microscópico ótico e de varredura (MEV). O nível de degradação do PC na região da solda foi investigado por viscosimetria e espectroscopia no infravermelho por transformada de Fourier (FTIR). As temperaturas médias atingidas na área friccionada estiveram entre 56% a 72% do intervalo de ponto de fusão da liga AA 2024. Foram produzidas juntas com alta eficiência de ancoramento do rebite metálico, com limites de resistência à tração de aproximadamente 90% da resistência mecânica do rebite, e falha dúctil não catastrófica, ocorrendo no rebite na região externa à placa de PC. As análises de viscosimetria e FTIR demonstraram a ausência de degradação térmica do PC na área de união. A modelagem estatística e via redes neurais do processo demonstraram boa repetitividade e reprodutibilidade dentro das condições estudadas. Tais resultados permitiram demonstrar a viabilidade de produzir juntas de qualidade, com rebites de 2024-T351 e placas de PC, utilizando o processo de Rebitagem por Fricção.

O presente trabalho teve como objetivo investigar o comportamento da junta para diferentes parâmetros de soldagem em um processo inovador de soldagem por fricção em tubos utilizando um anel rotativo. O material do tubo utilizado neste trabalho foi o aço inoxidável duplex SAF 2205 (UNS S31803).Utilizou-se o método estatístico Taguchi para reduzir a quantidade de juntas soldadas e verificar quais os melhores parâmetros de soldagem. O processo avaliou 3 parâmetros variando em máximo e mínimo, resultando em 4 condições de soldagem. Três juntas soldadas foram produzidas para cada condição de soldagem, o que acabou gerando 12 juntas. A obtenção da melhor condição de soldagem foi realizada através da análise de “quanto maior melhor” para o resultado de resistência à tração para as amostras. Nesta análise,a condição ótima de soldagem coincidentemente foi a condição de soldagem 4. Paralelamente à análise Taguchi, foram realizados ensaios de qualificação para todas as 4 condições de soldagem de acordo com a norma DNV-OS-F101:2013: teste de tração, dobramento, dureza, porcentagem de ferrita e porcentagem de intermetálicos Adicionalmente aos ensaios exigidos pela norma DNV-OS-F101:2013, foram realizados testes de impacto Charpy-V e EBSD para a melhor condição de soldagem obtida pela método Taguchi (condição 4). Os resultados indicaram que, de acordo com os requisitos da norma DNV-OS-F101:2013, apenas a condição de soldagem quatro (0,10 mm/s; 7,50 kN/s/ 10,0 mm) foi integralmente qualificada. Valores insuficientes de resistência obtidos nos ensaios de tração, bem como divergências nas porcentagens ótimas de fases desqualificaram as outras três condições de soldagem. Como resultado adicional para a condição de soldagem qualificada, testes de impacto Charpy apresentaram valores de energia absorvida superiores àqueles encontrados para processos convencionais de soldagem. / The present work had as objective to investigate the joint behavior for different welding parameters in an innovative process of welding by friction in tubes using a rotating ring. The material of the tube used in this work was duplex stainless steel SAF 2205 (UNS S31803). The Taguchi statistical method was used to reduce the amount of welded joints and to verify the best welding parameters. The process evaluated 3 parameters varying in maximum and minimum, resulting in 4 welding conditions. Three welded joints were produced for each welding condition, resulting in 12 joints. The best welding condition was obtained by the analysis of "the greater the better" for the result of tensile strength for the samples. In this analysis, the optimum welding condition coincidentally was the welding condition 4. Parallel to the Taguchi analysis, qualification tests were performed for all 4 welding conditions according to DNV-OS-F101: 2013: tensile test, bending, hardness, percentage of ferrite and percentage of intermetallics In addition to the tests required by the DNV-OS-F101: 2013, Charpy-V impact tests and characterization by EBSD were performed for the best welding condition obtained by the Taguchi method (condition 4). The results indicated that, according to the requirements of DNV-OS-F101: 2013, only the welding condition four (0.10 mm/s, 7.50 kN/s; 10.0 mm) was fully qualified. Insufficient values of strength obtained in the tensile tests, as well as divergences in the optimal percentages of phases, disqualified the other three welding conditions. As an additional result for the qualified welding condition, Charpy impact tests showed absorbed energy values higher than those found for conventional welding processes.

Os aços inoxidáveis dúplex (AIDs) exibem uma combinação de propriedades mecânicas e de resistência à corrosão atraente que os destaca entre os demais aços inoxidáveis. Isso ocorre devido a sua microestrutura balanceada, consistindo de ferrita e austenita, e também pela sua composição química específica contendo elementos de liga como cromo e molibdênio. Considerando-se estes fatores positivos, os AIDs são amplamente utilizados nas indústrias de óleo e gás, petroquímica, papel e celulose, e de controle de poluição. A aplicação destas ligas usualmente depende de processos de soldagem, e os ciclos térmicos merecem atenção especial para se evitar alterações microestruturais que comprometam o desempenho mecânico e/ou eletroquímico (fundamentalmente a resistência à corrosão). A soldagem por fricção e mistura mecânica ou Friction Stir Welding é uma técnica de união no estado sólido que pode reduzir defeitos, como trincas, porosidades entre outros, frequentemente encontrados em processos de soldagem que envolvem fusão. Além disso, devido ao menor aporte térmico, os processos de união no estado sólido têm o potencial de minimizar alterações microestruturais, mantendo assim, no caso dos aços AIDs, a morfologia, a distribuição e a proporção das fases ferrita e austenita mais próximas do ideal. O presente estudo empregou o processo de FSW para produzir juntas de topo em chapas com 4 mm de espessura do aço inoxidável dúplex UNS S31803, com ferramenta de PCBN inclinada em 1,5º a uma velocidade rotacional de 500 rpm, força axial de 45 kN, e diferentes velocidades de soldagem. Soldas com penetração completa e livres de defeitos foram consolidadas aplicando velocidades de soldagem de 1, 2 e 3 mm/s, enquanto a velocidade de 4 mm/s resultou em defeitos do tipo vazios na zona de mistura (ZM) no lado de avanço. A caracterização através de microscopia óptica na secção transversal das soldas revelou um refino microestrutural que aumentou os valores de dureza na ZM. A técnica de difração de elétrons retroespalhados (EBSD) mostrou um conteúdo apropriado de ferrita, entre 40 e 60%, para todas as condições de soldagem testadas. Ensaios de tração de amostras transversais das juntas soldadas romperam no material de base (MB) para velocidades de soldagem entre 1 e 3 mm/s, e falharam no local onde existiam vazios para a velocidade de soldagem de 4 mm/s. Além disso, as juntas soldadas apresentaram limite de escoamento e limite de resistência à tração similares ao MB, mas com menor alongamento. As soldas produzidas com velocidade de soldagem de 1 mm/s mostraram indícios de fases intermetálicas, que não comprometeram a resistência mecânica das juntas. Uma correlação entre a história térmica associada ao processo de FSW, a microestrutura produzida e o desempenho mecânico das juntas soldas foi estabelecida. / Duplex stainless steels (DSS) exhibit an attractive combination of mechanical properties and corrosion resistance due to their balanced microstructure consisting of ferrite and austenite, and also their chemical composition containing alloy elements like chromium and molybdenum. Considering these positive factors, DSS are widely used in the oil and gas, petrochemical, pulp and paper, and pollution control industries. The application of these alloys usually depends on welding processes, and the thermal cycles deserve special attention in order to avoid microstructural changes that compromise the mechanical and/or electrochemical performance (fundamentally corrosion resistance). Friction Stir Welding is a solid-state joining technique which can reduce flaws, such as cracks and porosities often found on fusion welding processes. Furthermore, due to the lower heat input, solid-state joining techniques have the potential of minimizing microstructural alterations and maintain, in the case of DSS, morphology, distribution and proportion of the phases ferrite and austenite. The present study used FSW to produce butt joints on 4 mm thick sheets of UNS S31803 DSS, with a PCBN tool tilted 1,5º in a rotational speed of 500 rpm, axial force of 45 kN, and different welding speeds. Full penetration and defect free welds were consolidated applying welding speeds of 1, 2 and 3 mm/s, whereas 4 mm/s resulted in voids inside the stir zone (SZ) in the advancing side. Characterization through optical microscopy on transverse section of the welds revealed a microstructural refinement, which increased the microhardness values on the SZ. Electron backscatter diffraction (EBSD) technique showed a proper ferrite content between 40 and 60% for all the tested welding conditions. Transverse tensile tests of the welded joints failed at the base metal for welding speeds between 1 and 3 mm/s, and failed on the location of the voids defects for welding speed of 4 mm/s. Moreover, the welded joints presented similar yield and tensile strength to the base material and reduced elongation. The welds produced with welding speed of 1 mm/s showed evidences of intermetallic phases, which didn’t compromise the strength of the joints. A correlation between the thermal history associated to the FSW process, the produced microstructure, and the mechanical performance of the welded joints has been established.

O processo de união entre ligas de alumínio e aços é complexo, devido às suas diferentes propriedades físicas e mecânicas, bem como pela formação de grande quantidade de compostos intermetálicos frágeis, o que dificulta a realização deste tipo de união pelos métodos convencionais de fusão. O processo de Soldagem a Ponto por Fricção (Friction Spot Welding - FSpW) é destinado à soldagem de juntas sobrepostas, adequado para união de materiais leves, e.g. ligas de alumínio e de magnésio para aplicações estruturais. A gama de componentes e materiais para os quais o FSpW pode ser aplicado está em contínua expansão, garantindo ao processo potencial para se tornar uma tecnologia industrial significativa. Por ser um processo que ocorre em estado sólido, apresenta algumas vantagens em relação aos métodos convencionais de fusão. O baixo aporte térmico associado a essas técnicas de soldagem exibe grande potencial para reduzir ou até mesmo inibir a formação da camada de compostos intermetálicos, sendo, portanto potencialmente indicado para união de materiais dissimilares. Neste trabalho foi feito um estudo da viabilidade da soldagem dissimilar entre as ligas de Alumínio AA5454-H22 e aço automotivo HX340-LAD-Z através do processo FSpW. As juntas soldadas foram analisadas mecânica e metalurgicamente, tendo como objetivo avaliar os efeitos dos parâmetros de processo na microestrutura, na geometria e no desempenho mecânico da junta, além de buscar a otimização do processo para os materiais em estudo. A relação entre a qualidade da junta e os parâmetros do FSpW foi estudada utilizando o Método Taguchi, por meio do estudo do comportamento das soldas sob solicitação monotônica de cisalhamento. Os resultados obtidos demonstram que soldas de boa qualidade e reprodutibilidade podem ser produzidas com este processo. Contudo, a presença de um filme intermetálico composto por fases ricas em Al, tais como Fe2Al5 e FeAl3, na interfaces das soldas, afeta significativamente o comportamento em fratura das juntas e, consequentemente, seu desempenho mecânico. / The joining process of aluminium and steel is very complex in view of the differences between their physical and mechanical properties, as well as the formation of great amounts of brittle intermetallic compounds at the joint interface, which make it difficult to join those materials using conventional fusion welding techniques. Friction Spot Welding (FSpW) is a suitable joining process, which produces high quality overlap joints of lightweight materials, e.g., aluminium and magnesium alloys for structural applications. The range of components and materials for which FSpW can be used is continuously expanding, ensuring great potential to the process, which became nowadays a significant industrial technology. As a solid state joining process FSpW offers some advantages relative to conventional fusion welding techniques. The low heat input involved in this process has great potential to reduce, or even to inhibit, the formation of the intermetallic layer, making it, therefore, suitable to join dissimilar materials. In this work a study of feasibility of dissimilar FSpW between the aluminium alloy 5454-H22 and the automotive steel HX340LAD-Z was performed. The welded joints were assessed mechanically and metallurgically aiming evaluate the process parameter effects on the microstructure, geometry and mechanical performance of the joint, besides searching the process optimization for the materials in question. The relationship between the joint quality and the FSpW process parameters was analysed using Taguchi’s Method, studying the behaviour of the joint under shear load. The results revealed that sound welds between AA5454-H22 and HX340LAD-Z with high strength and reproducibility can be produced with using this process. It was found that the presence of an intermetallic film compounded by Al-rich phases, such as Fe2Al5 and FeAl3, at the joint interface, plays a fundamental role on the fracture behaviour of the joints and thus, and on its mechanical behaviour.