Solid state similar and dissimilar joining of metallic components : a weldability analysis

Dissertação de Mestrado em Engenharia Mecânica, na especialidade de Produção e Projeto, apresentada à Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de Coimbra.Na presente dissertação é estudada a soldabilidade, em estado sólido, de várias ligas metálicas. Os resultados que se apresentam referem-se ao estudo de ligações similares e dissimilares, produzidas pelas tecnologias Friction Stir Welding (FSW) e Tool Assisted Friction Welding (TAFW). Nomeadamente, são estudadas soldaduras dissimilares em alumínio-cobre e em cobre-latão, fabricadas pelo processo FSW, e soldaduras dissimilares alumínio-cobre e soldaduras similares em aço DC01 e DX51D, fabricadas pelo processo TAFW. Para ambas as tecnologias foram testadas diferentes condições de ligação, ou seja, para a tecnologia FSW foi variada a geometria da ferramenta, para uma gama constante de parâmetros do processo, e para a tecnologia TAFW foram variadas, quer as dimensões da ferramenta, quer os parâmetros do processo. Na ligação dissimilar alumínio-cobre, por TAFW, foi ainda testada a realização de texturização superficial como forma de promover a formação de ligações mecânicas na interface de ligação dos metais base. A caracterização das soldaduras compreendeu a realização de inspeção visual, e análises metalográficas, para todas as soldaduras, assim como a determinação da composição/constituição química, em algumas regiões de um leque pré-selecionado de soldaduras. Foram ainda realizados ensaios de caracterização mecânica, do tipo tração em corte, para testar a resistência mecânica das ligações. Finalmente, os resultados da caracterização mecânica e microestrutural foram complementados com uma análise da sensibilidade do binário e da pressão axial, exercida pela ferramenta, às condições de soldadura. Esta última análise teve como objetivo estabelecer uma relação qualitativa entre as características da ligação, as propriedades dos metais base e os parâmetros dos processos. O estudo efetuado permitiu concluir que será possível produzir soldaduras dissimilares cobre-latão (por FSW) e soldaduras similares DC01 e DX51D (por TAFW), com excelente qualidade, e taxas de produtividade elevadas, através de uma escolha ponderada dos parâmetros de processo. O mesmo não acontece para a ligação dissimilar alumínio-cobre. Para esta combinação de metais base, independentemente da tecnologia de soldadura utilizada, e dos parâmetros/condições do processo, foi registada a formação de uma fina camada de intermetálicos, na interface de ligação, com consequências danosas para a qualidade da ligação.In this dissertation the solid state weldability, of several metallic alloys, is studied. The analysis performed addressed similar and dissimilar welds, produced by the Friction Stir Welding (FSW) and Tool Assisted Friction Welding (TAFW) technologies. In particular, dissimilar aluminium-copper and copper-brass welds, made by FSW process, and dissimilar aluminium-copper and similar DC01 e DX51D steel welds, manufactured by TAFW, are studied. Different joining conditions were tested for both technologies, i.e., for the FSW technology, the tool geometry was varied for a constant range of process parameters, and for the TAFW technology, either the tool size and process parameters were varied. For the dissimilar aluminium-copper welding, by TAFW, the introduction of surface texturing, in the joining area, was also tested in order to promote the mechanical bonding of the base materials. Visual inspection and metallographic analysis was performed for all welds. Chemical composition and phase analysis was also performed for some selected welds. Weld strength was analysed by performing tensile shear tests. The microstructural and mechanical analysis results were complemented with a torque and axial pressure sensitivity analysis to the welding conditions. This enabled to establish a qualitative relation between the characteristics of the joining plates, the proprieties of base metals and the process parameters. The study carried out allowed to conclude that it is possible to produce dissimilar copper-brass (by FSW) and similar DC01 and DX51D (by TAFW) welds, with excellent quality and high productivity, through a right choice of process parameters. The same conclusion cannot be extended to the dissimilar aluminium-copper welding. For this base materials combination, regardless of the process parameters/conditions, it was reported the formation of a thin intermetallic layer, harmful for the welds quality, at the bonding interface