Welding procedure for exotic materials

Dissertação de Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica apresentada à Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de Coimbra.O objetivo deste trabalho é desenvolver um método que viabilize a soldadura fora de câmara de metais reativos e refratários sem que estes sejam contaminados pelo oxigénio e azoto do ar. Por isso, foi desenvolvido na ARSOPI S. A. um sistema de proteção da soldadura que deve permitir realizar soldaduras fora de câmara, sem contaminação. No seguimento de trabalho anterior, foi realizado um estudo acerca do efeito da energia adicionada e do tipo de soldadura utilizado (TIG corrente contínua e TIG corrente pulsada) na microestrutura e resistência mecânica das soldaduras. Para além dos estudos anteriormente referidos, foram realizados ensaios de corrosão de forma a perceber o comportamento das soldaduras em dois meios ácidos, ácido sulfúrico (96%) e hidroclorídrico (37%). No caso das soldaduras em metais refratários, nióbio e tântalo, observou-se que a diminuição da energia adicionada, através do processo TIG com corrente contínua, tinham como efeito diminuição do tamanho de grão na zona fundida e na zona afetada pelo calor, bem como aumento da eficiência das soldaduras à tração, 90% no caso do nióbio e 96% no caso do tântalo. Nestes materiais, verificou-se excelente resistência à corrosão em ambos os meios. Para as soldaduras realizadas em zircónio, metal reativo, também se observou que a diminuição da energia adicionada, neste caso através do processo TIG com corrente pulsada, tinha como efeito a diminuição das agulhas da estrutura de Widmanstätten na zona fundida e zona afetada pelo calor e o aumento da eficiência das soldaduras à tração, que é de 100% para as duas frequências de pulsação utilizadas, 10 e 50 Hz. Nos ensaios de corrosão realizados nas amostras de zircónio, verificou-se excelente resistência à corrosão em ácido clorídrico (37%) e pobre resistência à corrosão em ácido sulfúrico (96%), essencialmente no material base do provete. No entanto, nas soldaduras dos três materiais não é percetível que a frequência de pulsação permita obter melhores resultados, quer ao nível da resistência mecânica quer ao nível da microestrutura.The purpose of this work is to develop a viable method for TIG welding outside chamber reactive and refractory metals free of contamination by oxygen and nitrogen. A new shielding system was designed and manufactured at ARSOPI S. A., in order to do welds free of contamination outside of the chamber. Following the previous work, it was developed a study about the effect of heat input and type of welding current, continuous or pulsed (10Hz or 50Hz), on the microstructure and mechanical properties of the welds. In addition, corrosion tests were performed in order to study the corrosion behavior of the welds in two acid environments, sulfuric acid (96%) and hydrochloric acid (37%). Regarding the welding of the refractory metals niobium and tantalum, it was found that the decrease in heat input, by using TIG with single direct current, improves tensile efficiency of welds, 90% for niobium and 96% for tantalum, and decreases the grain size in weld metal and heat-affected zone. The welds done using these parameters displayed excellent corrosion resistance in both environments. Regarding the welds done in zirconium, a reactive metal, the decrease in heat input, by using pulsed current, reduced the coarsening of the needles of Widmanstätten structure and increased the efficiency of welds up to 100% for both frequencies. Corrosion tests on zirconium showed that welds displayed excellent corrosion resistance in hydrochloric acid and poor corrosion resistance in sulfuric acid, mainly for the base material. The frequency of pulsed current has no effect either on the microstructure or in the tensile strength of welds