BR102019028135A2 - produto e processo de soldagem dissimilar por fricção com aquecimento localizado - Google Patents
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Abstract
A presente tecnologia se refere a um processo de obtenção de uma solda de alta resistência mecânica, compreendendo uma cabeça formada por uma área altamente deformada em sua região superior. O processo de obtenção da solda de alta resistência se baseia no método de soldagem por atrito com pino não consumível (SAPNC), conhecido como Friction Stir Welding (FSW), utilizando aquecimento localizado, denominado Hybrid Friction Stir Welding (HFSW). O processo apresentado, além de permitir a obtenção da solda de alta resistência mecânica, proporciona uma redução do desgaste da ferramenta de soldagem e redução dos esforços de soldagem. A tecnologia aplica-se à soldagem entre metais ou ligas metálicas com alta temperatura de fusão, como o aço, e materiais metálicos leves (com baixa temperatura de fusão), como ligas de alumínio e magnésio. Pode ser aplicada nas indústrias aeroespacial e de transporte.
Description
[01] A presente tecnologia se refere a um processo de obtenção de uma solda de alta resistência mecânica, compreendendo uma cabeça formada por uma área altamente deformada em sua região superior (cabeça de solda). O processo de obtenção da solda de alta resistência se baseia no método de soldagem por atrito com pino não consumível (SAPNC), conhecido como Friction Stir Welding (FSW), utilizando aquecimento localizado, denominado Hybrid Friction Stir Welding (HFSW). O processo apresentado, além de permitir a obtenção da solda de alta resistência mecânica, proporciona uma redução do desgaste da ferramenta de soldagem e redução dos esforços de soldagem. A tecnologia aplica-se à soldagem entre metais ou ligas metálicas com alta temperatura de fusão, como o aço, e materiais metálicos leves (com baixa temperatura de fusão), como ligas de alumínio e magnésio. Pode ser aplicada nas indústrias aeroespacial e de transporte.
[02] A soldagem dissimilar por fricção com pino aplicando-se um aquecimento localizado (HFSW) já foi descrita na literatura, conforme comentado a seguir.
[03] O artigo Intitulado "Effect of Preheating on Mechanical Properties of Hybrid Friction Stir Welded Dissimilar Joint" (DOI:https://doi.org/10.1063/1.4975160) de 12/12/2014, apresenta a soldagem dissimilar metais/ligas pelo processo HFSW, em que o aquecimento localizado por plasma é aplicado no material relativamente mais duro e com maior ponto de fusão (cobre) em relação ao outro metal da junta soldada (alumínio). O pino é introduzido perpendicularmente sobre a superfície de soldagem, deslocado de aproximadamente 1 milímetro para o lado do alumínio (offset = 1 mm). A velocidade de avanço utilizada foi de 98 milímetros por minuto (mm/min), a rotação do pino foi de 815 rotações por minuto (rpm), e as temperaturas atingidas no processo foram de aproximadamente 200 graus Celsius (200°C). Nesse artigo, apesar da solda produzida apresentar maior resistência mecânica, as geometrias para a zona misturada não indicam a formação de um elemento de alta resistência mecânica com as características de uma “cabeça de solda”, conforme descrita na presente tecnologia.
[04] O artigo Intitulado "Gas tungsten arc welding assisted hybrid friction stir welding of dissimilar materials AI6061-T6 aluminum alloy and STS304 stainless steer (DOI:10.1016/j.matdes.2011.12.018), de 17/12/2011, apresenta a soldagem dissimilar entre uma liga metálica de alumínio e o aço pelo processo HFSW, em que o aquecimento localizado por plasma é aplicado no material relativamente mais duro e com maior ponto de fusão (aço) em relação ao outro metal da junta soldada (alumínio). O pino é introduzido perpendicularmente sobre a superfície de soldagem deslocado de aproximadamente 8 milímetros para o lado do aço (offset = 8 mm). A velocidade de avanço utilizada foi de 48 milímetros por minuto (mm/min), a rotação do pino foi de no máximo 600 rotações por minuto (rpm), e as temperaturas atingidas no processo foram de até 500 graus Celsius (500°C). Nesse artigo, apesar da solda produzida apresentar maior resistência mecânica, as geometrias para a zona misturada não indicam a formação de um elemento de alta resistência mecânica com as características de uma “cabeça de solda”, conforme descrita na presente tecnologia.
[05] A patente concedida KR101007592B1, intitulada “Friction stir welding with tungsten inert gas welding type hybrid welding apparatus”, com prioridade de 09/11/2009, apresenta um aparato para soldagem e um método de soldagem FSW. O método pode ser aplicado para soldagem de ligas de alumínio e aço e o aparato contém meios para preaquecimento do aço no lado de avanço. O offset proposto é de 1 mm deslocado para o lado do aço. A geometria para a zona misturada não apresenta e um elemento de alta resistência mecânica com as características de uma “cabeça de solda”, conforme descrita na presente tecnologia.
[06] A análise do estado da técnica mais próximo da tecnologia aqui apresentada indica que há um conjunto de elementos técnicos que são exclusivos do processo e do produto ora propostos, a saber: 1) formação de um elemento de reforço na solda denominado “cabeça de solda”; 2) no processo de soldagem HFSW proposto, o pino é inserido diretamente na interface de soldagem (offset = 0); e 3) provoca-se uma inclinação da ferramenta em relação ao plano da superfície de soldagem, a qual é determinante para a obtenção do produto aqui definido.
[07] A figura 1 apresenta macrografias das juntas soldadas com offset igual a zero: (A) sem pré-aquecimento; (B) com pré-aquecimento de 250 °C; (C) com pré-aquecimento de 350 °C; (D) com pré-aquecimento de 450 °C. As macrografias foram feitas a partir de um corte transversal das juntas soldadas. Do lado direito da figura que representa o lado de avanço (LA) da soldagem encontra-se o aço SAE 1020, no lado esquerdo da figura encontra-se o lado de retrocesso do processo de soldagem (LR) que é o lado da liga de alumínio 5052 H34. Ao centro encontram-se as juntas soldadas contendo o elemento de reforço denominado “cabeça de solda” (1), delimitado pelo círculo.
[08] A presente tecnologia se refere a um processo de obtenção de uma solda de alta resistência mecânica, compreendendo uma cabeça formada por uma área altamente deformada em sua região superior. O processo de obtenção da solda de alta resistência se baseia no método de soldagem por atrito com pino não consumível (SAPNC), conhecido como Friction Stir Welding (FSW), utilizando aquecimento localizado, denominado Hybrid Friction Stir Welding (HFSW). O processo apresentado, além de permitir a obtenção da solda de alta resistência mecânica, proporciona uma redução do desgaste da ferramenta de soldagem e redução dos esforços de soldagem.
[09] A solda da presente tecnologia contém um elemento (1) denominado “cabeça de solda”, formado por uma área altamente deformada em sua região superior.
[010] O processo de soldagem HFSW proposto é realizado com as seguintes condições: 1) o pino é inserido diretamente na interface de soldagem (offset = 0); e 2) provoca-se uma inclinação da ferramenta em relação ao plano da superfície de soldagem, a inclinação está compreendida entre 1 a 5 graus.
[011] O tamanho da “cabeça de solda” (1), é diretamente proporcional ao aporte de calor no lado de avanço (LA) que, aliado ao fluxo de material produzido pela rotação da ferramenta, permite uma maior mistura dos materiais e favorece a resistência mecânica da junta soldada.
[012] Na tecnologia, conforme demonstrado na figura 1, a área de contato entre os materiais se torna maior pela transferência angular do material plastificado, partindo do material com maior ponto de fusão para o material com menor ponto de fusão, em função do pré-aquecimento no lado de avanço (LA).
[013] Processo de soldagem dissimilar por fricção com aquecimento localizado, que inclui as seguintes etapas:
- a) pré-aquecer o lado de avanço da soldagem do lado do metal ou liga metálica com maior temperatura de fusão relativamente ao lado do metal ou liga metálica com menor temperatura de fusão;
- b) provocar uma inclinação na ferramenta rotativa relativamente ao plano de soldagem;
- c) introduzir a ferramenta diretamente na interface de soldagem.
[014] Na etapa "a", os meios de aquecimento podem ser plasma, aquecimento indutivo, laser, aquecimento elétrico, por chama, dentre outros.
[015] Na etapa "b", o valor do ângulo de inclinação da ferramenta rotativa relativamente ao plano de soldagem está compreendido entre o intervalo de -1 a 5 graus.
[016] Na etapa "b", o valor da rotação da ferramenta rotativa está compreendido entre o intervalo de 100 a 700 rpm para a soldagem de alumínio e aço, podendo até ser maior (1250 rpm) para materiais com menor ponto de fusão.
[017] Na etapa "c", o valor do offset da ferramenta rotativa está compreendido entre o intervalo de -1 a 10 mm, preferencialmente 0 mm.
[018] Na etapa "b", o metal ou liga metálica com maior temperatura de fusão pode ser aço e o metal ou liga metálica com menor temperatura de fusão pode ser alumínio ou uma liga de alumínio, não limitante.
[019] O produto de soldagem dissimilar por fricção com aquecimento localizado é uma solda. Este produto é definido pelo processo descrito anteriormente e tem como elementos constituintes um metal ou uma liga metálica no lado de avanço (LA) da soldagem, um metal ou uma liga metálica no lado de retrocesso do processo de soldagem (LR) que inclui uma junta soldada localizada entre os lados LA e LR em que a junta soldada inclui um elemento de reforço denominado “cabeça de solda” (1).
[020] O metal ou liga metálica no lado de retrocesso do processo de soldagem (LR) ser alumínio ou uma liga de alumínio ou outro material com baixo ponto de fusão, como o cobre, e pelo metal ou liga metálica no lado de avanço (LA) da soldagem ser aço, ou outro material com maior ponto de fusão.
[021] A presente invenção pode ser mais bem compreendida por meio do exemplo abaixo, não limitante a:
[022] Exemplo 1 - Obtenção de uma Junta soldada a partir de uma liga de alumínio 5052 H34 e aço SAE 1020
Nesta pesquisa, foram realizadas juntas soldadas a topo do aço carbono SAE 1020 e da liga de alumínio 5052 H34 com 3 mm de espessura utilizando um cabeçote desenvolvido especialmente para essa aplicação, que foi adaptado a um robô antropomórfico COMAU NJ5000 de 6 graus de liberdade e capacidade de 500 kg. Foram utilizadas ferramentas com pino cônico para a soldagem das amostras, confeccionadas em AISI H13, com diâmetro do ombro de 18 mm e diâmetro maior do pino de 6 mm. A velocidade rotacional da ferramenta foi mantida em 500 rpm, sendo o ângulo de inclinação da ferramenta de 2°. O pré-aquecimento das amostras foi realizado pela adaptação de uma máquina de corte a plasma, em que a temperatura e a corrente foram variadas em: 0 °C (sem pré-aquecimento), 250 °C (40 A), 350 °C (50 A) e 450 °C (60 A). O deslocamento da ferramenta (offset) foi variado em zero e -2,5 mm. A resistência mecânica das amostras foi identificada por meio dos ensaios de tração e a caracterização microestrutural foi realizada por meio de microscopia óptica e eletrônica de varredura e por difração de raios X (DRX). Foi identificado o aumento da resistência mecânica das juntas com o aumento da temperatura de pré-aquecimento. Quando foi utilizado o offset igual a zero e a temperatura de pré-aquecimento foi de 450 °C houve o aumento de aproximadamente 111% da resistência mecânica quando comparado ao processo sem pré-aquecimento. Durante as análises metalográficas, por sua vez, foi identificada e caracterizada a formação de uma região altamente deformada na parte superior das amostras submetidas ao pré-aquecimento e com offset igual a zero, definida neste trabalho como “cabeça”. Esta região atua como um reforço da solda, e será tão grande quanto maior for o aporte de calor no lado de avanço, favorece aquecimento foi favorável à redução dos esforços de soldagem e do desgaste da ferramenta. As ferramentas usadas para a soldagem das amostras com pré-aquecimento de 250 e 350 °C sofreram redução do volume do pino de aproximadamente 90,47% e 75,39%, respectivamente. Já para a ferramenta usada no teste com pré-aquecimento de 450 °C foi verificada uma redução de apenas 3,44% do volume do pino.
Nesta pesquisa, foram realizadas juntas soldadas a topo do aço carbono SAE 1020 e da liga de alumínio 5052 H34 com 3 mm de espessura utilizando um cabeçote desenvolvido especialmente para essa aplicação, que foi adaptado a um robô antropomórfico COMAU NJ5000 de 6 graus de liberdade e capacidade de 500 kg. Foram utilizadas ferramentas com pino cônico para a soldagem das amostras, confeccionadas em AISI H13, com diâmetro do ombro de 18 mm e diâmetro maior do pino de 6 mm. A velocidade rotacional da ferramenta foi mantida em 500 rpm, sendo o ângulo de inclinação da ferramenta de 2°. O pré-aquecimento das amostras foi realizado pela adaptação de uma máquina de corte a plasma, em que a temperatura e a corrente foram variadas em: 0 °C (sem pré-aquecimento), 250 °C (40 A), 350 °C (50 A) e 450 °C (60 A). O deslocamento da ferramenta (offset) foi variado em zero e -2,5 mm. A resistência mecânica das amostras foi identificada por meio dos ensaios de tração e a caracterização microestrutural foi realizada por meio de microscopia óptica e eletrônica de varredura e por difração de raios X (DRX). Foi identificado o aumento da resistência mecânica das juntas com o aumento da temperatura de pré-aquecimento. Quando foi utilizado o offset igual a zero e a temperatura de pré-aquecimento foi de 450 °C houve o aumento de aproximadamente 111% da resistência mecânica quando comparado ao processo sem pré-aquecimento. Durante as análises metalográficas, por sua vez, foi identificada e caracterizada a formação de uma região altamente deformada na parte superior das amostras submetidas ao pré-aquecimento e com offset igual a zero, definida neste trabalho como “cabeça”. Esta região atua como um reforço da solda, e será tão grande quanto maior for o aporte de calor no lado de avanço, favorece aquecimento foi favorável à redução dos esforços de soldagem e do desgaste da ferramenta. As ferramentas usadas para a soldagem das amostras com pré-aquecimento de 250 e 350 °C sofreram redução do volume do pino de aproximadamente 90,47% e 75,39%, respectivamente. Já para a ferramenta usada no teste com pré-aquecimento de 450 °C foi verificada uma redução de apenas 3,44% do volume do pino.
Claims (6)
- PROCESSO DE SOLDAGEM DISSIMILAR POR FRICÇÃO COM AQUECIMENTO LOCALIZADO, caracterizado por compreender as seguintes etapas:
- a) pré-aquecer o lado de avanço da soldagem do lado do metal ou liga metálica com maior temperatura de fusão relativamente ao lado do metal ou liga metálica com menor temperatura de fusão;
- b) provocar uma inclinação na ferramenta rotativa relativamente ao plano de soldagem, com ângulo de inclinação compreendido no intervalo de 1 a 5 graus;
- c) introduzir a ferramenta diretamente na interface de soldagem, preferencialmente o valor do offset da ferramenta rotativa estar compreendido no intervalo de -1 a 10 mm, preferencialmente 0 mm .
- PROCESSO DE SOLDAGEM DISSIMILAR POR FRICÇÃO COM AQUECIMENTO LOCALIZADO, de acordo com a reivindicação 1, etapa "a", caracterizado pelos meios de aquecimento serem, plasma, aquecimento indutivo, LASER, aquecimento elétrico, por chama, ou variações destes.
- PROCESSO DE SOLDAGEM DISSIMILAR POR FRICÇÃO COM AQUECIMENTO LOCALIZADO, de acordo com a reivindicação 1, etapa "b", caracterizado pelo valor da rotação da ferramenta rotativa estar compreendido no intervalo de 100 a 1250 rpm.
- PROCESSO DE SOLDAGEM DISSIMILAR POR FRICÇÃO COM AQUECIMENTO LOCALIZADO, de acordo com a reivindicação 1, etapa "b", caracterizado pelo metal ou liga metálica com maior temperatura de fusão ser aço ou outro material com mais alto ponto de fusão e o metal ou liga metálica com menor temperatura de fusão ser alumínio ou uma liga de alumínio, ou outro material com mais baixo ponto de fusão, como o cobre.
- PRODUTO DE SOLDAGEM DISSIMILAR POR FRICÇÃO COM AQUECIMENTO LOCALIZADO, formado por um metal ou uma liga metálica no lado de avanço (LA) da soldagem, um metal ou uma liga metálica no lado de retrocesso do processo de soldagem (LR), caracterizado por ser obtido pelo processo descrito na reivindicação 1, e compreender uma junta soldada localizada entre os lados LA e LR em que a junta soldada inclui um elemento de reforço que inclui um cabeça formada por uma área altamente deformada em sua região superior denominado “cabeça de solda” (1).
- PRODUTO DE SOLDAGEM DISSIMILAR POR FRICÇÃO COM AQUECIMENTO LOCALIZADO, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo metal ou liga metálica no lado de retrocesso do processo de soldagem (LR) ser alumínio ou uma liga de alumínio ou outro material com baixo ponto de fusão, como o cobre, e pelo metal ou liga metálica no lado de avanço (LA) da soldagem ser aço, ou outro material com maior ponto de fusão.
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