Análise comparativa de soldaduras em estado sólido e por fusão

Abstract

Nesta tese é realizada uma análise comparativa de soldaduras em juntas topo-a-topo em chapas de 1mm de espessura, em estado sólido, produzidas pelo processo Friction Stir Welding (FSW), e por fusão, produzidas pelo processo Tungsten Inert Gas (TIG). Os materiais base são três aços de baixo teor em carbono. Um aço macio tradicionalmente utilizado na indústria automóvel, o aço DC01, e dois aços galvanizados, tradicionalmente utilizados em construção metálica, o aço DX51 D+Z e o aço DX51D. As soldaduras TIG foram realizadas no aço DC01, utilizando corrente contínua e corrente pulsada. As soldaduras por FSW foram realizadas em ambos os metais base. Para os aços galvanizados foram testadas duas ferramentas com pinos de geometria cónica de diferentes dimensões. A análise comparativa assentou na realização de inspeção visual e de testes de caracterização mecânica e microestrutural. Para a caracterização microestrutural foram preparadas amostras da secção transversal de todas as soldaduras para observação por microscopia ótica. A caracterização mecânica incluiu a realização de ensaios de dureza e de tração uniaxial. De modo a avaliar a resistência local, em tração, das diferentes zonas das soldaduras, a aquisição da deformação foi realizada recorrendo a técnicas de Correlação Digital de Imagem (DIC). A inspeção visual revelou que todas as soldaduras estavam isentas de descontinuidades macroscópicas visíveis, ou seja, isentas de fendas, cavidades ou poros. Apesar disso, as soldaduras por fusão apresentaram deformações importantes junto ao cordão de soldadura, as quais podem ser classificadas como um fator de não-conformidade com vista à aplicação industrial das mesmas. Ao contrário do registado para as soldaduras TIG, as soldaduras em estado sólido não apresentaram deformações importantes. Este resultado está sem dúvida associado à menor quantidade de calor adicionado, durante a soldadura por FSW, e ainda, à utilização de mecanismos de fixação rígidos para o constrangimento dos metais base durante a operação de soldadura. Finalmente, é ainda importante referir que enquanto as soldaduras por fusão apresentavam um aumento de espessura significativo no cordão de soldadura, em resultado da utilização de metal de adição, as soldaduras por FSW apresentavam apenas uma ligeira diminuição de espessura em relação ao metal base adjacente. Importantes diferenças entre as soldaduras por fusão e em estado sólido foram também registadas aquando da caracterização microestrutural. Com efeito, enquanto as soldaduras por fusão apresentavam uma estrutura de grão grosseiro, característico das estruturas de solidificação, e Zonas Termicamente Afetadas (ZTA) extensas, independentemente do tipo de corrente de soldadura utilizada, as soldaduras em estado sólido apresentavam uma estrutura de grão refinado, característico de estruturas recristalizadas, e ZTAs menos extensas do que as registadas nas soldaduras por fusão. Nas soldaduras em estado sólido, com os aços galvanizados, foi ainda registada a presença de alguma heterogeneidade microestrutural, na região do nugget, cuja origem não foi possível clarificar com recurso às técnicas de análise utilizadas no âmbito da tese. Finalmente, os ensaios de dureza revelaram um importante aumento de resistência, nas soldaduras, em relação aos metais base, independentemente do procedimento de soldadura adotado. Em resultado deste aumento de resistência na região da soldadura, a eficiência mecânica em tração, de todas as ligações, foi de 100%, isto é, todas as ligações sofreram rotura no metal base para valores de deformação nulos na região da soldadura. Este tipo de comportamento foi registado tanto para as soldaduras por fusão, que apresentavam um importante aumento de espessura na zona fundida (ZF), como para as soldaduras em estado sólido, que apresentavam uma ligeira diminuição de espessura na zona termo-mecanicamente afetada (ZTMA).

In this dissertation, a comparative analysis of “butt-joint” welds in 1mm thick sheets is performed. These were produced in solid state, by Friction Stir Welding (FSW), and by fusion, using the Tungsten Inert Gas (TIG) process. All base materials are three low-carbon steels. A mild steel, traditionally used in the automotive industry, DC01, and two galvanized steels, traditionally used in mechanical construction, DX51 D+Z and DX51D. The TIG welds were performed in the DC01, using continuous current and pulsated current. The FSW welds were performed in both base metals. For the galvanized steels, two tools with different dimensions and conical geometry were tested. The comparative analysis was executed by visual inspection and mechanical and microstructural characterization tests. For the microstructural comparison, several samples from the transversal section of all the welds were prepared in order to be observed by optical microscopy. The mechanical characterization included hardness and uniaxial tensile tests. In order to evaluate the local resistance, of the different welding zones, the strain acquisition was performed by resorting to Digital Image Correlation (DIC) techniques. The visual inspection revealed that all welds were absent of visible macroscopic discontinuities, i.e., without cracks, cavities or pores. Although, the fusion welds presented considerable deformation near the weld bead, which can be classified as a non-conformity factor when considering industrial applications. Unlike the results of the TIG welding process, the solid state welds did not present considerable deformation. This results is, without doubt, related to the lesser amount of added heat, during the FSW welding, and to the usage of rigid fixing mechanisms to lock the base metals during the welding operation. Finally, it is also important to note that, while the fusion welds presented a significant increase of thickness in the bead, due to the addition metal, the FSW welds presented only a slight decrease of thickness when compared to the adjacent base metal. Important differences between the fusion and solid state welds were also detected when performing the microstructural characterization. In particular, while the fusion welds presented a coarse grain, characteristic of the solidification structures and extended thermically affected zones (TAZ), independently of the type of current used the solid state welds presented a refined grain, characteristic of recrystallized structures and smaller TAZs than the ones from the fusion welds. Also in the solid state welds, with the galvanized steels, some microstructural heterogeneity was also detected, in the nugget region, whose origin was not possible to identify by the analysis techniques in this dissertation. Finally, the hardness tests revealed an increase in mechanical resistance, in the welds, comparing to the base metals, independently of the adopted welding process. In result of this increase, the mechanical efficiency in traction, of all the welds, was 100%, i.e., all connections suffered rupture in the base material for null deformation values in the welding zone. This behaviour was detected for the fusion welds, which presented a considerable increase in the thickness in the fusion zone (FZ), and for the solid state welds, which in turn presented a slight decrease in thickness in the thermo-mechanically affected zone (TMAZ).