Resumo: Esta pesquisa tratou da aplicação do processo Hybrid Friction Stir Welding na soldagem dissimilar alumínio-aço com a utilização de uma fonte de pré-aquecimento por plasma, com o objetivo de caracterizar o fluxo de material. Foram realizadas juntas soldadas a topo do aço carbono SAE 1020 e da liga de alumínio 5052 H34 com 3 mm de espessura utilizando um cabeçote desenvolvido especialmente para essa aplicação, que foi adaptado a um robô antropomórfico COMAU NJ5000 de 6 graus de liberdade e capacidade de 500 kg. O offset foi mantido em zero, ou seja, a ferramenta foi inserida na interface de soldagem. O pré-aquecimento das amostras foi realizado pela adaptação de uma máquina de corte a plasma, em que a temperatura e a corrente foram variadas em: 0 °C (sem pré-aquecimento), 250 °C (40 A), 350 °C (50 A) e 450 °C (60 A). A caracterização microestrutural foi realizada por meio de microscopia óptica e eletrônica de varredura e por difração de raios X (DRX). Durante as análises metalográficas foi identificada e caracterizada a formação de uma região altamente deformada na parte superior das amostras submetidas ao pré-aquecimento, definida neste trabalho como “cabeça”. Esta região proporciona um aumento na resistência mecânica do material, e será tão grande quanto maior for o aporte de calor no lado de avanço. O fluxo de material foi identificado e foi possível determinar quatro possíveis geometrias para a zona misturada, correlacionado com a resistência mecânica obtida e condições necessárias para se obter cada uma delas.

Abstract: This research dealt with the application of the Hybrid Friction Stir Welding process in dissimilar aluminum-steel welding using a plasma preheating source, in order to characterize the material flow. In this research, welded joints were made on top of SAE 1020 carbon steel and aluminum alloy 5052 H34 with 3 mm thickness using a head specially developed for this application, which was adapted to a COMAU NJ5000 anthropomorphic robot with 6 degrees of freedom and 500 kg capacity. The offset was kept at zero, in which the tool was inserted in the welding interface. The preheating of the samples was carried out by adapting a plasma cutting machine, in which the temperature and current were varied by: 0 ° C (without preheating), 250 ° C (40 A), 350 ° C (50 A) and 450 ° C (60 A). Microstructural characterization was performed using optical and scanning electron microscopy and X-ray diffraction (XRD). During the metallographic analyzes, the formation of a highly deformed region in the upper part of the samples submitted to preheating was identified and characterized, defined in this work as "head". This region offers an increase in the mechanical strength of the material, and will be as large as the greater for the heat input on the forward side. The material flow was determined, and it was possible to determine four possible geometries for the mixed zone, correlated with the mechanical strength obtained and conditions necessary to obtain each one.

Resumo: Esta pesquisa tratou da primeira aplicação do processo Hybrid Friction Stir Welding na soldagem dissimilar alumínio-aço com a utilização de uma fonte de pré-aquecimento por plasma. Um dos benefícios em se utilizar o pré-aquecimento da junta é a possibilidade de coalescer o material e reduzir sua resistência mecânica, viabilizando assim a utilização de ferramentas fabricadas em aço, além de tornar a mistura mais eficiente por meio da introdução da ferramenta diretamente na interface de soldagem (Offset igual a zero). Nesta pesquisa, foram realizadas juntas soldadas a topo do aço carbono SAE 1020 e da liga de alumínio 5052 H34 com 3 mm de espessura utilizando um cabeçote desenvolvido especialmente para essa aplicação, que foi adaptado a um robô antropomórfico COMAU NJ5000 de 6 graus de liberdade e capacidade de 500 kg. O pré-aquecimento das amostras foi realizado pela adaptação de uma máquina de corte a plasma, em que a temperatura e a corrente foram variadas em: 0 °C (sem pré-aquecimento), 250 °C (40 A), 350 °C (50 A) e 450 °C (60 A). O deslocamento da ferramenta (offset) foi variado em zero e -2,5 mm. Foi identificado o aumento da resistência mecânica das juntas com o aumento da temperatura de pré-aquecimento. Quando a temperatura de pré-aquecimento foi de 450 °C houve o aumento de aproximadamente 111% da resistência mecânica quando comparado ao processo sem pré-aquecimento. Foi verificado também a redução dos esforços de soldagem e do desgaste da ferramenta com o aumento da temperatura de pré-aquecimento.

Abstract: This research addressed the first application of the Hybrid Friction Stir Welding process using plasma preheating source in aluminum-steel welding. One of the benefits of using joint preheating is the possibility of coalescing the material and reducing its mechanical resistance, thus making possible the use of tools made of steel, in addition to making the mixing more efficient by introducing the tool directly into the welding interface. In this research, welded joints of SAE 1020 carbon steel and aluminum alloy 5052 H34 with 3 mm thick plates were made using a specially designed head for this application, which was adapted to a COMAU NJ5000 anthropomorphic robot of 6 degrees of freedom and capacity of 500 kg. The samples were preheated by the adaptation of a plasma cutting machine, where the temperature and the current were varied in: 0 °C, 250 °C (40 A), 350 °C (50 A) and 450 °C (60 A). The displacement of the tool (offset) was varied in zero and -2.5 mm. The increase in the mechanical strength of the joints with the increase of the preheating temperature was identified. When the preheating temperature was 450 °C there was an approximately 111% increase in mechanical strength compared to the process without preheating. It has been possible to reduce welding efforts and tool wear by increasing the preheat temperature.

Resumo O processo Friction Stir Welding (FSW) tem sido motivo de intensa pesquisa e tem ganhado relevância no setor produtivo devido às suas vantagens técnicas e econômicas. Inicialmente utilizado pela indústria automotiva e aeroespacial, o processo passou de uma simples técnica de soldagem de chapas finas de ligas de alumínio para um processo adaptável de grande utilização na união de ligas de metais leves, titânio, aço e outros metais duros de pequenas espessuras. Os modelos virtuais são os mais indicados na fase inicial de projetos industriais por minimizarem perdas, tais como: material, mão de obra e tempo. Sendo assim, tem-se como objetivo deste trabalho validar o modelo de soldagem pelo processo de FSW, disponível no software comercial Altair®, definindo as condições iniciais e de contorno de modo a representar o cenário testado. As histórias térmicas derivadas da simulação foram comparadas com os resultados dos ciclos térmicos medidos durante a soldagem de chapas finas, por meio de uma análise estatística dos resultados e desvios relativos. Foram encontrados valores de 0,9311 e 0,9546 para o coeficiente R2 para o lado de avanço e retrocesso respectivamente, o que evidenciou uma boa concordância entre resultados computados e suas contrapartes experimentais.

Abstract The Friction Stir Welding (FSW) process has been the subject of intense research and has gained relevance in the productive sector due to its technical and economic advantages. Initially used by automotive and aerospace industry, the process went from a simple welding technique for thin sheets of aluminum alloys to an adaptable process of extensive use for joining alloys of light metals, titanium, steel and other thin hard metals. The virtual models are the most indicated in the initial phase of industrial projects because it minimizes losses, such as: material, labor and time. Therefore, the objective of this work is to validate the virtual FSW process welding model, available in the commercial software Altair®, defining the initial and boundary conditions in order to represent the tested scenario. The thermal histories derived from the simulation were compared with the results of the thermal cycles measured during the thin sheet welding, by means of statistical analysis of the results and relative deviations. We found values of 0.9311 and 0.9546 for the coefficient R2 for the forward and backward side respectively, which showed a good correlation between the computed results and experimental counterparts.

Resumo Este projeto trata da validação de um sistema recém desenvolvido para a soldagem pelo processo friction stir welding, que foi adaptado a um robô antropomórfico com capacidade de 500 kg e seis graus de liberdade. Para garantir que o sistema projetado é capaz de soldar materiais pelo processo FSW, ou seja, garantir que possui rigidez, resistência e torque suficientes para realizar a operação de soldagem, faz-se necessário realizar a validação do mesmo. Para tanto, foi necessário soldar um material conhecido, com parâmetros já estabelecidos, e utilizar uma ferramenta apropriadamente dimensionada. Dessa forma, escolheu-se a liga 5052 H43 de 3 mm de espessura, usada na produção de navios, embarcações e estruturas automotivas. Para a soldagem das juntas finais foi usada uma ferramenta fabricada em AISI H13, com pino cônico liso e diâmetro do ombro de 18 mm. A velocidade rotacional da ferramenta foi mantida constante em 378 rpm, e a velocidade de avanço em 7,5 mm/min, sendo a inclinação da ferramenta de 2°. Verificou-se após os ensaios que o sistema de soldagem projetado se mostrou eficaz em aplicações de soldagem FSW, apresentando torque e resistência mecânica suficientes para a união de materiais com baixo ponto de fusão. Por meio dos parâmetros utilizados, bem como da geometria da ferramenta, foi possível obter juntas da liga de alumínio 5052 H34 soldadas com: bom aspecto superficial, baixos valores de rebarba, ausência de sulcos ou vazios ao longo da linha de soldagem e com penetração total.

Abstract This project deals with the validation of a newly developed system for a welding by friction welding process, which was adapted to an anthropomorphic robot with a capacity of 500 kg and six degrees of freedom. To ensure that the designed system is capable of soldering materials for the FSW process, that is, make sure that it has sufficient stiffness, strength and torque to perform a welding operation, it is necessary to perform a calibration of the same. To do so, it was necessary to find a known material, with already established parameters, and to use an appropriately sized tool. In this way, the alloy 5052 H43 of 3 mm thickness was used, used in the production of ships, boats and automotive structures. For a welding of the finished joints, it was manufactured in AISI H13, with smooth conical pin and shoulder diameter of 18 mm. The rotational speed of the tool was kept constant at 378 rpm, and an advance speed of 7.5 mm / min, with a tool slope of 2 °. It was verified after the tests that the designed welding system proved to be effective in FSW welding applications, presenting sufficient torque and mechanical strength for a union of materials with low melting point. Through the parameters used, as well as the geometry of the tool, it is possible to obtain 5052 H34 aluminum alloy seals welded with: good surface appearance, low burr values, no grooves or voids along the welding line and with total penetration.

Resumo: A primeira aplicação de um robô de soldagem pelo processo FSW (Friction Stir Welding) foi apresentada ao público em Gotemburgo, Suécia, no ano 2000, durante o Friction Stir Welding Symposium por dois diferentes grupos de pesquisa. Um grupo utilizava um robô antropomórfico modelo ABB IRB-6400 combinado a um motor elétrico de 220W e o outro um robô Neos de hastes paralelas. Apesar do processo FSW estar sendo objeto de estudo em vários centros de pesquisa no mundo, poucos estudam sua aplicação em robôs industriais, em que se destacam os institutos e as empresas: HGZ (Helmholtz-Zentrum Geesthacht), IWB e KUKA (em conjunto com o Grupo Airbus), na Alemanha; a ESAB, na Suécia; Institut Maupertuis e Institut de Soudure, na França; Cewac, na Bélgica; Friction Stir Link, nos Estados Unidos. Este trabalho tem como objetivo apresentar o estado da arte no que diz respeito à utilização do processo de soldagem FSW robotizado, além de evidenciar o processo realizado para o dimensionamento de um sistema completo para a soldagem robotizada utilizando um robô antropomórfico COMAU SMART NJ500, com 6 graus de liberdade e capacidade de 500 kg.

Abstract: The first application of a FSW (Friction Stir Welding) robot was presented to the public in Gothenburg, Sweden, in 2000, during the Friction Stir Welding Symposium by two different research groups. One group used an ABB IRB-6400 anthropomorphic robot combined with a 220W electric motor and the other a Neos robot with parallel rods. Although FSW is worldwide covered by many research groups, only few have been focusing on the implementation of the process on industrial robots. Some of the research groups and companies working on robotic FSW are HZG, Riftec, IWB and KUKA (jointly with Airbus Group) in Germany, ESAB in Sweden, Institut Maupertuis and Institut de soudure in France, Cewac in Belgium and Friction Stir Link in the USA. The objective of this article is to present the state of the art with regard to the use of the FSW welding process, besides evidencing the process carried out for the design of a complete system for robotized welding using a COMAU SMART NJ500 anthropomorphic robot with 6 degrees of freedom and capacity of 500 kg.