Resumo em Português:

Resumo A União Pontual por Fricção (FSpJ) é uma técnica inovadora para união de estruturas híbridas metal-polímero e baseia-se na geração de calor por fricção. Juntas de alumínio 2024-T3 e compósito laminado de poli(sulfeto de fenileno) com fibra de carbono (CF-PPS) foram produzidas com filme intermediário de PPS. Duas espessuras de filme foram investigadas: 100 e 500 µm. Ensaios de cisalhamento sob tração demonstraram que as juntas com filmes de 100 µm são mais resistentes (2093 ± 180 N) em relação às juntas com filme de 500 µm (708 ± 69 N). Adicionalmente, as superfícies de fratura das juntas revelaram áreas de união maiores para as juntas com filmes de 100 µm (53 ± 2 contra 40 ± 1 mm2). Para o filme mais fino, a extensão do amolecimento devido ao calor friccional é maior. Consequentemente, a baixa viscosidade atingida com a fusão do polímero favorece a molhabilidade das superfícies dos componentes da junta pelo PPS amolecido, resultando em melhor adesão entre as partes. Ademais, análises microestruturais demonstraram que a formação do cerne metálico e a interdifusão das moléculas de PPS entre compósito e filme também são favorecidas. Portanto, concluiu-se que a adição do filme mais fino produziu juntas mais resistentes.

Resumo em Inglês:

Abstract Friction Spot Joining (FSpJ) is an innovative friction-based joining technique for metal-polymer hybrid structures. Friction spot joints of aluminum alloy 2024-T3 and carbon-fiber reinforced poly(phenylene sulfide) composite laminate (CF-PPS) were produced with an additional PPS film interlayer. Two different film thicknesses were investigated in this study: 100 and 500 µm. Lap shear testing demonstrated that the joints produced with 100 µm film (2093 ± 180 N) were stronger than the joints with 500 µm (708 ± 69 N). Additionally, the fracture surface analysis revealed a larger bonding area for the joints with 100 µm film (53 ± 2 mm2) as compared to the joints with 500 µm film (40 ± 1 mm2). Considering the low thermal conductivity of PPS, the thinnest film is more likely to soften by the frictional heat during the joining process. Hence, the low viscosity of the molten PPS favors the wettability of the parts’ surface. Microstructural analyses proved that the metallic nub formation and the interdiffusion of PPS chains between film and composite matrix are also favored for thinner film use. Thus, superior adhesion between the partners is achieved. Therefore, it was concluded that the addition of the thinnest film interlayer leads to stronger joints.

Resumo em Inglês:

Abstract Friction Stir Welding has proven its merits for welding of aluminium alloys and is focused in expanding its material database to steel and titanium and also to assess new joint configurations. The use of welded structures in shipbuilding industry has a long tradition and continuously seeks for innovation in terms of materials and processes maintaining, or even, reducing costs. Several studies have been performed in the past years on FSW of steel. However, just recently were reported defect-free welds, free of martensite with stable parameters in steel without Primer. FSW of steel with primer has not been addressed. This work aims to fulfil a knowledge gap related to the use of friction stir for welding shipbuilding steel by analysing the effect of welding parameters on the metallurgical characteristics and mechanical properties of welds obtained with an innovative FSW tool in joining steel plates with a primer. Welds were performed in 4mm thick GL-A36 steel plates painted with a zinc based primer followed by a detailed microscopic, chemical and mechanical analysis. The results that matching fatigue properties are obtained using this technique, in FSW of shipbuilding steel with Primer.

Resumo em Português:

Resumo A Rebitagem por Fricção tem se demonstrado como alternativa para união de perfis de compósito termofixo aplicados na construção civil, frente às necessidades atuais por tecnologias eficientes de união de estruturas multimateriais. Nesse processo, a extremidade de um rebite metálico é plastificada e forjada dentro de um componente polimérico, via calor friccional. Sua viabilidade técnica já foi demonstrada para juntas de Ti-6Al-4V/poliéster termofixo reforçado com fibra de vidro. Este artigo tem como objetivo complementar esse estudo através da análise do efeito da velocidade de rotação do rebite na temperatura do processo, microestrutura e propriedades mecânicas locais e globais das juntas. Foram fabricadas juntas com dois níveis de velocidade de rotação: 9000 rpm e 10000 rpm (os demais parâmetros foram mantidos constantes). Temperaturas do processo (655-765 °C) superiores em 96% da temperatura de início de decomposição da matriz de poliéster (370 °C) foram atingidas, desencadeando degradação polimérica acentuada na região de união. O aumento da velocidade de rotação e, portanto, do aporte térmico, não contribuiu estatisticamente para o aumento na profundidade de penetração e na largura da extremidade deformada do rebite. Porém, a extensão da área polimérica degradada aumentou em 47%, a qual resultou em redução proporcional de 50% da resistência à tração das juntas (de 4,0 ± 1,2 kN para 2,0 ± 0,7 kN). Adicionalmente, mapas de microdureza no rebite evidenciaram possíveis transformações de fase da liga que favoreceram seu endurecimento, com o aumento da velocidade de rotação. Contudo, nenhuma correlação pôde ser evidenciada entre a dureza e o desempenho mecânico das juntas sob tração, já que as amostras falharam majoritariamente por arrancamento completo do rebite da placa de compósito. Portanto, no desenvolvimento de juntas rebitadas por fricção de Ti-6Al-4V/ poliéster termofixo reforçado com fibra de vidro, a otimização da velocidade de rotação é essencial para se obter suficiente deformação plástica do rebite e minimizar a extensão da degradação da matriz de poliéster, garantindo um satisfatório desempenho mecânico sob tração das juntas.

Resumo em Inglês:

Abstract Facing the actual demand for efficient joining technologies for multi-materials structures, Friction Riveting was shown to be an alternative joining technology for thermoset composite profiles in civil infrastructure. This process is based on plasticizing and deforming the tip of a rotating metallic rivet within a polymeric component through frictional heating. The feasibility of friction-riveted hybrid joints of Ti-6Al-4V/glass-fiber reinforced thermoset polyester was already demonstrated in a separate work. This paper complements this study by analyzing the rivet rotational speed effect on the process temperature, joint microstructure and the local and global mechanical properties of the joint. Joints were produced using two different levels of rotational speed: 9000 rpm and 10000 rpm (the other parameters were kept constant). The results showed process temperatures (655-765 °C) up to 96% higher than the onset decomposition temperature of the polyester matrix (370 °C); this led to severe degradation of the composite in the joint area. The increase in rotational speed, and therefore in heat generation, led to a statistically insignificant increase of the rivet penetration depth and the rivet diameter widening. However, the extension of the degraded composite area increased 47% which was responsible to deteriorate in 50% the joint tensile strength (from 4.0 ± 1.2 kN to 2.0 ± 0.7 kN). Moreover, the microhardness map of the joined rivet evidenced possible phase transformations in the alloy, favoring the material hardening by increasing in rotational speed. However, no correlations could be established between the changes in hardness and the joint tensile strength since the joints majority failure by full rivet pull-out. Thereby, for the improvement of friction-riveted Ti-6Al-4V/ glass-fiber reinforced thermoset polyester joints, the optimization of rotational speed is essential. This can guarantee the formation of efficient anchored joints and wider rivet tip deformation, concomitantly with the minimizing of the extension of the matrix degradation and finally leading to better tensile strength of the joints.

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Resumo Distorções em componentes soldados são alterações permanente de forma e dimensões resultantes das deformações plásticas que ocorrem devido as tensões térmicas desenvolvidas durante o processo de soldagem. Em função dos elevados custos para corrigir essas distorções de soldagem, existe grande interesse das indústrias em prever, monitorar e controlar estas distorções. Este trabalho compara as distorções ocorridas durante a soldagem de modelos de anel segmentado em escala reduzida com dois tipos de juntas (“X” e “V”) utilizando a metodologia de monitoramento contínuo da evolução das distorções de soldagem com sensores a laser. Para o monitoramento contínuo são utilizados sensores a laser que são apoiados sobre a peça e os feixes foram projetados em um anteparo translúcido colocado em frente ao mesmo. Com a progressão da distorção durante a soldagem os feixes luminosos se movimentam pelo anteparo proporcionalmente a deformações ocorridas na peça. Os deslocamentos dos pontos luminosos refletidos no anteparo são filmados pelo lado oposto do anteparo. A discretização da filmagem permite analisar as deformações ao longo do processo soldagem e determinar a evolução das distorções em função do tempo. Foi confirmado que as soldagens realizadas em juntas em “X” apresentam menores valores de distorções que as juntas em “V”. Os resultados demostram que para os corpos de prova utilizados neste experimento pelo menos 60% da distorção ocorreu após a extinção do arco. Pelos testes experimentais foi possível afirmar que a técnica de monitoramento com sensores a laser é viável para utilizar na indústria e laboratórios de soldagem, porém faz-se necessário otimizar o processamento dos dados obtidos pela filmagem, permitindo um monitoramento instantâneo. A informação sobre a evolução das distorções durante a soldagem será útil para definir e monitorar de forma mais eficiente o melhor método de controle das distorções. Além disso, poderá auxiliar na calibração experimental de modelos numérico-computacional, ou até mesmo, para realimentar a trajetória de um robô identificando deformações para realizar correções na sequência de soldagem garantindo também menores distorções.

Resumo em Inglês:

Abstract Distortion in welded components is a permanent change of shape and dimensions from plastic deformations that occur due to thermal stresses developed during the welding process. Due to the high costs to correct the welding distortion, there is great interest from industries to predict, monitor and control these distortions. This paper compares the distortions occurring during welding models of segmented ring scaled with two types of joints (“X” and “V”) using the method of monitoring progress of welding distortion with the laser sensors. For continuous monitoring are used laser sensors that are supported on the piece and the beams were projected on a translucent screen placed in front of the same. With the progression of distortion during welding light beams move around the screen in proportion to deformation occurred in the part. The displacements of points of light reflected on the screen are filmed from the opposite side of the bulkhead. The discretization of the film allows to analyze deformations along the welding process and determine the evolution of the distortion in function of time. It was confirmed that the welds performed joints in “X” exhibit distortion values smaller than the joints in “V”. The results demonstrate that for the samples used in this experiment at least 60% of the distortion occurred after arc extinction. By experimental testing was possible to say that the technique of laser sensors monitoring is viable for use in industry and laboratories of welding, although it is necessary to optimize the data processing obtained by filming, allowing the instantaneous monitoring. The information on the evolution of distortion during welding will be useful to define and monitor more efficiently the best method of control. In addition, it may assist in experimental calibration numerical and computational models, or even to feed back the trajectory of a robot identifying deformations to perform corrections in the welding sequence ensuring also minor distortions.

Resumo em Português:

Resumo Os aços inoxidáveis duplex são bem sucedidos em uma variedade de aplicações como a indústria alimentícia, petroquímica e para plantas de dessalinização da água do mar, onde alta a resistência à corrosão e alta resistência mecânica são exigidas. Contudo, durante operações de soldagem por fusão pode haver alteração da microestrutura favorável destes materiais comprometendo seu desempenho. O processo de soldagem por atrito com pino não consumível pode gerar juntas no estado sólido evitando os típicos problemas da solidificação da poça fundida como segregação de elementos de liga, formação de trincas de solidificação e liquação; para o caso de aços inoxidáveis superduplex, pode-se evitar proporções desbalanceadas de ferrita e austenita, formação de fases secundárias deletérias e crescimento de grão ferrítico na zona termicamente afetada. Juntas consolidadas com penetração completa foram obtidas usando chapas de 6 mm de espessura para os aços inoxidáveis duplex UNS S32101 e S32205 e superduplex S32750 e S32760. As amostras foram submetidas a ensaios de tração indicando uma melhoria do desempenho mecânica das juntas soldadas com o aumento da tensão de escoamento e do limite de resistência à tração para todos os casos. Em relação à caracterização microestrutural, um pronunciado refinamento da ordem de 1 μm foi observado na junta soldada. Este refinamento foi associado à combinação de mecanismos de restauração na microestrutura bifásica promovida pela deformação severa junto com a alta temperatura durante o processo de soldagem.

Resumo em Inglês:

Abstract Duplex stainless steels are successful in a variety of applications such as the food industry, petrochemical and plants for desalination of seawater, where high corrosion resistance and high mechanical strength are required. However, the beneficial microstructure may be change during fusion welding steps and it can compromise the performance of these materials. Friction stir welding is a solid state process avoiding typical problems concerning solidification such as solidification cracks, liquation and segregation of alloying elements. For superduplex stainless steels can avoid unbalanced proportions of ferrite and austenite, formation of secondary deleterious phases and grain growth of ferrite in the heat affected zone. Consolidated friction stir welded joints with full penetration of 6 mm thick were obtained for UNS S32101 and S32205 duplex and S32750 and S32760 superduplex stainless steels. The friction stir welds were submitted to tensile tests indicating an improvement of strength in welded joints showing increased of yield and tensile strength for all studied cases. Regarding the microstructural characterization, an outstanding gran refinement was observed in the welded joint achieving grain sizes as small as 1 μm. This refinement was associated with the combination of microstructural restoration mechanisms in the dual phase microstructure promoted by severe deformation associated with a high temperature during the welding process.

Resumo em Português:

Resumo O presente trabalho objetiva o estudo de técnicas de soldagem aplicadas a reparo de componentes fabricados em aço ASTM A387 Gr.11, largamente utilizado em aplicações da indústria do petróleo e gás. Devido ao regime de trabalho e necessidade de utilização de materiais com boa resistência mecânica e à corrosão, utilizou-se como metal de adição a liga UNS N06625 (Inconel 625). O processo de soldagem utilizado foi o MIG/MAG e a técnica de soldagem aplicada foi a dupla camada. A metodologia do presente trabalho foi dividida em etapas, sendo a primeira a realização de ensaios exploratórios para definir a relevância dos fatores de controle estudados. A segunda etapa consistiu na aplicação do critério de dureza e de microestrutura para definir as melhores relações de energia para aplicação da técnica da dupla camada. A técnica da dupla camada se mostrou eficaz na melhora das propriedades da microestrutura da ZAC-GG dos revestimentos, verificou-se intenso refinamento de grão. Houve também redução nas medidas de dureza e microdureza. Para ambos os gases de proteção utilizados (Ar+25%He e Ar+4%CO2) foi possível obter relações de energia com afastamentos positivos. Em todas essas relações a energia da segunda camada foi maior que a energia da primeira camada.

Resumo em Inglês:

Abstract This work aims to study welding techniques applied to repair of components made of ASTM A387 Gr.11 steel, widely used in the oil and gas industry. Due to the working conditions it is needed use materials having good strength and corrosion resistance. UNS N06625 Ni-based alloy (Inconel 625) was used as the filler metal. MIG / MAG welding process was used to apply the temper bead welding technique with two layers. The methodology of this study was divided in stages, in the first one, exploratory trials were carried out to define the relevance of the studied control factors. In the second step, hardness and microstructure criteria were applied for defining the best heat input relations for the application of the double layer technique. The double layer technique was effective in improving the properties of the microstructure in heat affect zone coatings, it was found intense grain refinement. There was also a reduction in microhardness and hardness measurements. For both used shielding gases (Ar + 25% He and Ar + 4% CO2) have been achieved heat input relations with positive deviations. In all these relations the heat input of the second layer is greater than the heat input of the first layer.

Resumo em Português:

Resumo Diversas forças atuam na soldagem MIG/MAG durante a transferência da gota fundida presente na extremidade do arame-eletrodo à poça de fusão, as quais variam de acordo com o modo de transferência adotado. No modo globular, o destacamento da gota ocorre quando a sua força peso supera a tensão superficial produzindo gotas maiores que provocam maior instabilidade durante sua transferência. Já no modo goticular, os altos valores de corrente intensificam a atuação da força de Lorentz. Esta força magnética proporciona o desprendimento da gota ainda em pequenas dimensões, resultando numa maior estabilidade. Entretanto, este modo de transferência caracteriza-se por um relativo grande aporte de energia, o que inviabiliza uniões de chapas finas ou fora de posição. Busca-se então neste trabalho, analisar a viabilidade da utilização de uma força magnética externa que auxilie o processo de destacamento da gota e propor um dispositivo para esta finalidade. O intuito é obter um modo de transferência semelhante ao goticular, porém, com baixos valores de corrente de soldagem sem, entretanto, a necessidade de emprego de fontes eletrônicas. Deste modo, espera-se obter uma maior estabilidade no processo aliada a uma menor quantidade de calor entregue a peça. Contudo, os resultados obtidos mostram a inviabilidade tecnológica quanto à utilização do dispositivo proposto, dada à necessidade de emprego de níveis de correntes extremamente elevados (da ordem de 100.000A) para sensibilizar a gota na ponta do eletrodo.

Resumo em Inglês:

Abstract Several forces act in MIG/MAG welding during the transmission of the molten drop in the end of the wire electrode to the weld pool, which vary according to the transfer mode adopted. In the globular mode, the droplet detachment occurs when its weight overcomes the surface tension forces, thus producing larger droplets causing further instability during the transfer. In spray mode, the high current values intensify the action of Lorentz force. This magnetic force provides the detachment of the droplet even in small dimensions, resulting in increased stability. However, this transfer mode is characterized by a large power supply on, which prevents the union of thin or out of position sheets. This work analyzes the feasibility of using an external magnetic force to assist the drop detachment and propose a device for this purpose. The aim is to obtain a similar transfer mode to the spray, but in lower welding current values without the need of electronic sources. Thus, it is expected to achieve greater stability in the process combined to a smaller amount of heat delivered to the workpiece. Nevertheless, the results show the technological impossibility for the use of the proposed device, due to the need for extremely high current levels (around 100.000A) to sensitize the drop at the electrode tip.

Resumo em Português:

Resumo A introdução dos aços fabricados por processamento termomecânico controlado (TMCP) demandou maiores propriedades mecânicas e metalúrgicas das juntas soldadas sobre eles produzidas. Em função desses fatores, a energia de soldagem é estritamente limitada, e para evitar uma eventual redução da resistência mecânica da zona afetada pelo calor (ZAC), é necessário testar os procedimentos de soldagem próximos daqueles que serão usados na estrutura real. Desta forma, o objetivo deste estudo é obter dados detalhados referentes à eficiência mecânica de juntas soldadas pelo processo MAG e com diferentes energias de soldagem, sobre perfis tubulares quadrados em aço TMCP, formando um conjunto soldado coluna/viga. Portanto, seis distintas energias de soldagem e dois metais de adição foram utilizados (AWS ER80S-G e AWS ER120S-G), com as soldas posicionadas em todo o contorno do perfil. As doze estruturas soldadas foram instrumentadas e submetidas à flexão simples. Comparando-se as juntas soldadas produzidas com mesma energia de soldagem, e apesar dos efeitos similares sobre a zona afetada pelo calor (ZAC), aquelas fabricadas com o consumível AWS ER120S-G apresentaram maior resistência mecânica.

Resumo em Inglês:

Abstract The introduction of steels made by thermomechanical controlled processing (TMCP) demanded higher mechanical and metallurgical properties of the welded joints produced on them. Given these factors, the heat input is strictly limited, and to avoid any reduction in the mechanical strength of the heat affected zone (HAZ), it is required to test welding procedures close to those that will be used in the actual structure. Therefore, the aim of this study is to obtain detailed data on the mechanical efficiency of welded joints by GMAW process and different heat inputs, on square tubular profiles in TMCP steel, disposed as a column/beam weldment. So, six different heat inputs and two filler metals were used (AWS ER80S-G and AWS ER120S-G), with welds located around the profile contour. The twelve welded structures were instrumented and subjected to simple bending. Comparing welded joints produced with same heat input, and despite similar effects on the heat affected zone (HAZ), those made with consumable AWS ER120S-G have shown higher mechanical strength.

Resumo em Português:

Resumo A união de materiais diferentes ou componentes com geometrias complexas muitas vezes requer processos de uniões especiais, como por exemplo, uma fonte de energia de alta densidade como laser ou feixe de elétrons para soldagem por fusão ou mesmo um processo de soldagem no estado sólido. Em particular, este trabalho descreve os experimentos recentes da aplicação da soldagem por difusão no estado sólido (SDES) para diferentes tipos de aços inoxidáveis: austenítico AISI 316L, duplex UNS 31803 e superduplex UNS 327250. A soldagem por difusão foi realizada sob alto vácuo a 1050 °C, durante 60 minutos, empregando uma pressão uniaxial de 18-35 MPa. A qualidade da união foi avaliada por microscopia óptica e testes mecânicos. Os resultados preliminares indicam a necessidade de otimização dos parâmetros de processo para os aços duplex e superduplex. Os resultados positivos alcançados no presente trabalho permitiram a fabricação de protótipos de trocadores de calor compacto em aço inoxidável, utilizando o novo método de fabricação, desenvolvido por LABTUCAL / UFSC, através do qual o processo de corte a jato de água é aplicado para confeccionar com precisão os canais do núcleo do permutador de calor.

Resumo em Inglês:

Abstract The joining of dissimilar materials or components with particular geometry often requires special union procedures, for instance a high density energy source as laser or electron beam for fusion welding or even necessarily a solid state welding process. In particular, this work describes the recent experience on applying the solid-state diffusion bonding (SSDB) to different types of stainless steels: austenitic AISI 316L, duplex UNS 31803 and superduplex UNS 327250. The SSDB was realized under high vacuum at 1050 °C for 60 min, employing uniaxial hydrostatic pressure of 18-35 MPa. The quality of the joints was evaluated by optical microscopy and mechanical tests. The preliminary results indicate the necessity of optimization of the process parameters for the duplex and superduplex steels. The positive results of the present study allowed the fabrication of compact heat exchanger prototype in stainless steel, employing the new manufacturing method, developed by LABTUCAL/UFSC, whereby a water jet is applied to precisely cut the channels of the heat exchanger core.

Resumo em Português:

Resumo Neste trabalho foi avaliada a influência das variáveis de soldagem em cordões de solda, aplicados pelo processo Arco Submerso (SAW) com corrente convencional, visando futura aplicação em revestimentos metálicos contra corrosão. Segmentos de tubo de um aço API 5L Gr B foram utilizados como substrato, além da utilização de um metal de adição de liga de níquel, diâmetro de 1,13mm, classificação AWS ERNiCrMo-4 (Hastelloy C-276), e um fluxo do tipo neutro, básico e aglomerado (EN 760: SA AF 2 DC). Foram analisadas as variáveis tensão, velocidade de alimentação de arame e distância do bico de contato à peça (DBCP) – com o restante dos parâmetros constantes – através de um planejamento fatorial completo em dois níveis e pontos centrais. Os resultados mostraram modelos matemáticos estatisticamente significativos e preditivos para as respostas diluição e corrente média, IM. Porém, para a resposta Reforço/Largura (R/L), o modelo se caracterizou como estatisticamente significativo, não preditivo e contendo uma falta de ajuste. A DBCP, por sua vez, foi a variável que se constituiu como a de maior significância na redução da diluição.

Resumo em Inglês:

Abstract In this work was evaluated the influence of welding variables on weld beads applied by submerged arc process (SAW) with conventional current, aiming future application in overlays against corrosion. Segments of steel API 5L Gr B pipe as substrate, a 1.13mm-diameter electrode wire of nickel alloy, classification AWS ERNiCrMo-4 (Hastelloy C-276) as filler metal, and a flux neutral, basic and crowded were used. The variables voltage, wire feed speed and contact tip to work distance (CTWD) were analyzed, with the remaining parameters constant by a Design of Experiments with full factorial design in two-level and central points. Statistically significant and predictors mathematical models for responses dilution and average current, was obtained. However, for the response reinforcement/width, the model was characterized as statistically significant, but not predictive, and containing a lack of fit. The CTWD was the most significant variable to reducing the dilution.