Experimental and numerical analysis of the thermal, mechanical and metallurgical phenomena of the friction stir welding process in magnesium alloy AZ31.

A soldagem por atrito com pino não consumível (SAPNC), processo de união no estado sólido, tornou-se conhecido devido à alta resistência das juntas produzidas em comparação ao metal de base e aos métodos convencionais de união. No entanto, o próprio processo apresenta seus desafios, relacionados principalmente à combinação do efeito de geometrias de ferramenta com os parâmetros utilizados. O desenvolvimento de métodos de simulação numérica tem criado a possibilidade de otimização destes efeitos, prevendo as interações entre os materiais, parâmetros e geometrias de ferramenta com menor custo e tempo. O presente trabalho teve como objetivo simular o processo de soldagem por atrito utilizando método dos elementos finitos (MEF) no software DEFORM 3D e avaliar a capacidade do modelo em representar fenômenos presentes do processo, tais como esforços da ferramenta, ciclo termomecânico do material e microestrutura. O estudo foi realizado em amostras de uma chapa de liga de magnésio AZ31B. Para inclusão da evolução mecânica e microestrutural do material de estudo no modelo, dados foram obtidos pelo estudo da compressão isotérmica da liga AZ31 simulador termomecânico Gleeble, em condições típicas às encontradas no processo de soldagem por atrito em. Os dados de tensão, deformação e microestrutura obtidos nos ensaios de compressão foram tratados analiticamente afim de se obter os parâmetros para as equações de deformação à quente e evolução microestrutural do material de estudo. Ademais, na próxima etapa, utilizou-se um pino roscado e não roscado em soldagens dissimilares afim de analisar o efeito da geometria da ferramenta no fluxo de material. Para auxiliar a análise foram utilizadas técnicas de microscopia óptica, microscopia eletrônica de varredura (MEV) e difração de raios X. Por fim, um modelo numérico de soldagem por atrito elaborado no software DEFORM-3D é apresentado. Os resultados do modelo foram comparados com os resultados experimentais com auxílio de técnicas de caraterização microestrutural, EBSD, ciclos térmicos capturados por termopares e torque das ferramentas. Os resultados e conclusões obtidos no projeto permitiram a identificação do ciclo térmico, mecânico e microestrutural do material durante a soldam por atrito, além da demostração do efeito da geometria para distintos parâmetros de processo, indicando um método alternativo eficiente na otimização de geometrias de ferramenta e busca de parâmetro ótimos do processo de soldagem por atrito com tempo e custo reduzidos.Friction stir welding (FSW), a solid-state process, has become known due to the high strength of the produced joints compared to the base metal and the conventional welding methods. However, the friction stir welding has its challenges, related with tools geometry and the process parameters. The development of numerical simulation methods has been able to aid in the process optimization, including the study of different materials, parameters and tool geometries with lower cost and time. The obejective of the present work is propose a friction stir welding numerical model through finite element analysis (FEA) in DEFORM 3D software and evaluated its capacity to represent the process features such as the tool chacteristics, the thermomechanical cycle of the material and its microstructure. The material chosen for the study was a magnesium alloy AZ31B. In order to include the mechanical and microstructural evolution of the study material in the model, data were obtained through isothermal compression of the AZ31 in Gleeble thermomechanical simulator, under typical conditions found in the friction welding process. Stress, strain and microstructure data obtained in the compression tests were analyzed analytically to obtain the parameters for the hot deformation equations and microstructural evolution of the material. Moreover, a threaded and non-threaded pin in dissimilar welds was used to verify the effect of tool geometry in the material flow during the friction stir welding process. The evaluation was made with the support of optical microscopy and scanning electron microscopy (SEM). Then, a numerical model of friction welding developed in the DEFORM-3D software is presented. The results of the model were compared with experimental results supported by microstructural characterization techniques, EBSD, temperature profiles captured by thermocouples and tool torque response. The results and conclusions obtained in the project allowed the identification of the thermal, mechanical and microstructural cycle of the material during the friction stir welding process, besides the demonstration of the effect of the tool geometry for different process parameters, indicating an efficient alternative method in the optimization of tool geometries and optimal parameter for the friction welding process with reduced time and cost