Resumo: A interação entre desgaste e corrosão, ou seja, a tribocorrosão, ocorre em diversas aplicações industriais e biomédicas e pode levar a uma degradação acentuada do material. O objetivo do presente trabalho foi comparar a resistência ao desgaste em meio aquoso de juntas similares de um aço martensítico (Hardox 500), e de juntas dissimilares entre o aço Hardox e um aço SAE 1010. As juntas foram obtidas empregando-se o processo de soldagem arco submerso, com energia de soldagem de 7,7 kJ/cm. Ensaios de microdesgaste por deslizamento linear recíproco foram realizados na presença de água artificial (0,05 M NaCl), em amostras de dois conjuntos soldados, um de materiais similares e outro de materiais dissimilares. As regiões ensaiadas foram os metais de solda (MS) e as zonas afetadas pelo calor (ZAC), estas últimas nas sub-regiões que apresentavam o menor valor de dureza, em cada conjunto. Para comparação, também foram ensaiados os metais-base (MB) do aço SAE 1010 e do aço Hardox. Como as chapas de aço Hardox possuíam um revestimento de silicato de zinco, condição na qual o aço era fornecido, para este aço os ensaios de corrosão-desgaste foram efetuados em amostras com o revestimento, e também sem ele. Dentre todas as condições estudadas, a maior resistência em tribocorrosão foi verificada para o aço Hardox com o revestimento. Das amostras ensaiadas sem revestimento, a degradação ocasionada pela tribocorrosão foi menor no MB do aço Hardox. Nos demais casos, foi observada a corrosão intensificada pelo desgaste, principalmente para o MB do SAE 1010, onde houve a dissolução acentuada do material adjacente à borda da trilha, fora da região de desgaste.

Abstract: Tribocorrosion is the interaction between wear and corrosion, which occur in several industrial and biomedical applications, resulting in a pronounced degradation of the material. The aim of this work was to compare the wear resistance in aqueous solution of similar joints of a martensitic (Hardox 500) steel, and of dissimilar joints between the steels Hardox and SAE 1010. The joints were carried out using submerged arc welding, with an energy input of 7.7 kJ/cm. Reciprocating sliding microwear tests were performed in a solution of 0.05M NaCl, in samples of similar and dissimilar joints. The regions analyzed in tribocorrosion were weld metals (WM) and heat affected zones (HAZ), these in the sub-regions which exhibited the lowest hardness value, in each welded joint. For comparison, tests in base materials (BM) of SAE 1010 and Hardox steels were also performed – in Hardox steels, in samples with and without a coating of zinc silicate. Among all tested conditions, the higher tribocorrosion resistance was observed for the coated Hardox. In the group of samples which were tested without any coating, degradation caused by tribocorrosion process was less significative in the BM of Hardox steel. In the other studied conditions, it was observed wear enhanced corrosion, mainly for the BM of SAE 1010 steel in which occurred an intense dissolution of the material in the area adjacent to the wear track, outside the track.

RESUMO O objetivo do presente trabalho foi avaliar o efeito do metal de adição na soldagem, e das microestruturas resultantes, na resistência ao desgaste de juntas soldadas de um aço estrutural ASTM A242, que possui resistência à corrosão atmosférica e é utilizado na fabricação de vagões destinados ao transporte de minério. As amostras foram soldadas através do processo GMAW (Gas Metal Arc Welding), utilizando dois metais de adição que apresentam resistências mecânicas diferentes, AWS ER70S-6 e AWS ER80S-G. A resistência ao desgaste das amostras foi avaliada através de ensaios de microdesgaste por deslizamento linear recíproco, a seco e em uma solução contendo 0,05M NaCl, em três regiões da junta soldada: metal base (MB), metal de solda (MS) e zona afetada pelo calor de grãos grosseiros (ZAC-GG). Após a soldagem, foi observado um aumento nos valores médios de durezas do MS e da ZAC em relação à dureza inicial do metal base. Os resultados dos ensaios de microdesgaste mostraram que o MB apresentou a menor resistência ao desgaste, possivelmente devido à sua microestrutura, que facilitou o desgaste por deformação plástica. A ZAC-GG apresentou a maior resistência ao desgaste entre as três regiões analisadas. Comparando os ensaios realizados nas condições a seco e em solução foi observada uma redução nos valores de coeficiente de atrito quando adicionada uma solução ao sistema, e uma perda de volume das trilhas mais acentuada. Observou-se que a utilização do metal de adição de menor resistência mecânica produziu juntas soldadas com resistência ao desgaste comparável às juntas obtidas com o arame de maior resistência.

ABSTRACT The aim of the present work was to evaluate the effect of the filler material in the welding and its resulting microstructures on the wear resistance of welded joints of a structural weathering steel ASTM A242 used in wagons for mining. The samples were welded using the GMAW (Gas Metal Arc Welding) process using two filler materials which have different mechanical strength, AWS ER70S-6 and AWS ER80S-G. The wear resistance of the samples was evaluated using a linearly reciprocating sliding microwear test, dry and in a solution containing 0.05M NaCl, in three regions of the welded joint: base metal (BM), weld metal (WM) and coarse grained heat affected zone (CGHAZ).After welding, it was observed an increase in the mean hardness values of the MS and ZAC in comparison to the initial hardness of base metal with the use of both filler metals, and the hardness values in each of these regions were similar. The results of the microwear tests showed that BM presented the lowest wear resistance, possibly due to its microstructure, which facilitated wear by plastic deformation. The CGHAZ showed the highest wear resistance. Comparing the tests carried out under the dry and in solution conditions, a reduction in the coefficient of friction was observed when the solution was added to the system, and the volume loss of the tracks was more pronounced. It was observed that the use of the lower mechanical strength filler material produced welded joints with wear resistance comparable to the joints obtained with the higher strength filler material.

Resumo Este trabalho utilizou metodologia proposta por teorias de Projeto de Experimentos para quantificar o efeito da energia de soldagem, espessura da aba e espessura da alma na distorção angular em juntas de filete soldadas pelo processo MIG/MAG com modo de transferência curto-circuito. A Análise de Variância identificou como significativos o efeito da energia de soldagem, da espessura da aba e a interação dos fatores energia de soldagem e espessura da aba. Observou-se menores distorções para a combinação de maior energia de soldagem e menor espessura de aba, e para menor energia de soldagem e maior espessura de aba. Adicionalmente, demonstrou-se que o gradiente de temperatura na aba da junta não determina a máxima distorção angular, e sim a máxima temperatura atingida na superfície inferior da aba, com máxima distorção angular obtida para temperatura atingida de 425 °C em ponto na superfície inferior da aba e paralelo à margem do cordão.

Abstract This work uses a methodology proposed by Experimental Design theories to quantify the effect of heat input, flange thickness and web thickness on angular distortion in welded T- joints by the MIG / MAG process with short-circuit transfer mode. The analysis of Variance identified as significant the effect of the heat input, the thickness of the flange and the interaction of the factors of heat input and thickness of the flange. Minimum distortions were observed for the combination of higher heat input and lower flange thickness, and for lower heat input and higher flange thickness. Additionally, it was demonstrated that the temperature gradient in the flange does not determine the maximum angular distortion, but the maximum temperature reached in the lower surface of the flange, with maximum angular distortion obtained for a temperature reached of 425 °C in point in the lower surface of the flange and parallel to the edge of the weld bead.

Resumo: O principal objetivo do presente trabalho é analisar a influência da vazão de água e da geometria na entrada de um calorímetro de fluxo contínuo sobre a eficiência térmica do arco. O procedimento experimental consiste em testar diferentes vazões de água e três configurações geométricas na região de entrada de água no calorímetro: com rolha reta, com difusor cônico e com obstáculo. Os experimentos foram planejados e os resultados avaliados com base na análise de variância estatística de um único fator, no caso, a vazão de água na entrada do calorímetro. Os cordões de solda foram depositados através do processo Gas Metal Arc Welding – GMAW, sobre tubos de aço baixo carbono, usando os mesmos parâmetros e tempo de soldagem. A maior eficiência térmica média de 80,5% foi obtida para a vazão de 4 l/min, com baixo erro estatístico, utilizando rolha de entrada com geometria de difusor cônico, sendo que para vazões menores ou maiores ocorreu diminuição nos valores da eficiência medida. O modelo em que o fluxo entra diretamente no tubo apresentou todos os valores de eficiência térmica do arco com pequeno decréscimo numérico se comparados com o difusor cônico, enquanto a rolha com obstáculo apresentou elevado erro estatístico.

Abstract: The main aim of the present work is to analyze the influence of water flow rate and inlet geometry on the arc thermal efficiency of a continuous water flow calorimeter. The experimental procedure consists of varying water flow rate and testing three different calorimeter inlet seal geometries: straight seal, conical diffuser seal and seal with water flux obstacle. The experiments were designed and the results evaluated based in a one-factor statistical analysis of variance, in this case the inlet calorimeter water flow. The welding beads were deposited on low carbon steel pipes by Gas Metal Arc Welding – GMAW process, using the same parameters and welding time. The highest average thermal efficiency is 80.5% to water flow of 4 l/min, with a low statistical error, using the conical diffuser seal inlet geometry, whereas for smaller or higher flow rates the measured efficiency values were lower. The inlet with straight seal model shown all the arc thermal efficiency values with slightly lower numerical values compared with conical diffuser, while the seal with flux obstacle exhibited high statistical error.

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.

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.

Neste estudo, um aço TRIP 800 foi soldado através do processo SPFMM usando três diferentes velocidades de rotação da ferramenta, 1600, 2000 e 2400 rpm, e mantendo-se o tempo de mistura fixo em 2s. Foram mostradas as microestruturas resultantes em cada zona formada, assim como a variação de dureza através delas. Maiores valores de dureza foram obtidos na menor velocidade de rotação, 1600 rpm, onde o aporte de energia teoricamente foi menor e, portanto, a taxa de resfriamento foi maior. Porém, nesta velocidade de rotação também houve formação de ferrita alotriomorfa na microestrutura. Nos ensaios de cisalhamento, amostras soldadas nas velocidades de 1600 rpm e 2400 rpm não atingiram o valor de força mínimo recomendado pela norma AWS D8.1M, o que foi atribuído ao menor comprimento da linha de ligação e à menor distância entre a parede do furo deixado pelo pino e a linha de zinco formada na zona de mistura, uma vez que durante a fratura a trinca propaga através desta linha e a microestrutura só possui algum papel no processo de fratura quando ela não existe mais.

A TRIP 800 steel was friction stir spot welded using three different tool rotational speeds, 1600, 2000 and 2400 rpm, and the dwell time was kept constant in 2s. The resultant microstructures formed in each weld zone were analyzed, as well as their hardness. Higher hardness values were observed for the lowest rotational speed, 1600 rpm, where the heat input in theory was lower and, therefore, the cooling rate was faster. However, for this rotational speed allotriomorphic ferrite was also observed in the stir zone. In the lap-shear tests, samples welded at 1600 rpm and 2400 rpm did not reach the minimum value recommended by the AWS D8.1M standard, which was attributed to the lower bonding ligament length and also lower distance between the keyhole left by the pin and the end of the zinc line, which is formed in the stir zone. The fracture of the samples occurred along this line. As a result the influence of the microstructure on the failure process could only be inferred when the zinc line disappeared.

O processo de Soldagem a Ponto por Fricção (FSpW - Friction Spot Welding) caracteriza-se por possibilitar a união no estado sólido de duas ou mais chapas de material sobrepostas sem deixar o furo residual característico do processo FSW. O presente trabalho apresenta os primeiros resultados de estudos visando determinar a resistência mecânica de juntas em ligas de alumínio soldadas por FSpW. Recentemente diversos estudos sobre o modelamento numérico de soldas realizadas por processos de soldagem baseados em fricção têm sido realizados, entretanto a maioria destes estudos está relacionada à física do processo. Alguns trabalhos estabelecem a relação entre as variáveis de processo e as propriedades mecânicas da junta resultante, mas é muito difícil encontrar na literatura resultados quantitativos que possam ser usados diretamente para projeto destas uniões. O presente trabalho objetiva desenvolver um processo de análise baseado nas características do processo que permita avaliar como a geometria e microestrutura das regiões da solda afeta o comportamento mecânico das juntas resultantes. Com este objetivo, os resultados de ensaios mecânicos realizados em juntas de alumínio AA2024-T3 foram usados para validar e calibrar um modelo numérico desenvolvido para prever o modo de falha da união. O modelo numérico reproduz as dimensões e carregamento utilizados nos ensaios de cisalhamento e traçao. As dimensões e propriedades das regiões principais da junta (ZM - zona de mistura, ZTMA - zona termo-mecânicamente afetada, ZAC - zona afetada pelo calor e MB - metal base) foram definidas com base na medição da dureza e análises macrográficas de corpos de prova soldados com diferentes parâmetros. Pode-se comprovar uma ótima correlação entre os resultados obtidos nas simulações e os dados experimentais. O modelamento numérico das juntas pernite a previsão das propriedades mecânicas da junta e auxilia na compreensão da influência da geometria e propriedades de cada região sobre o seu desempenho em serviço. Baseado nos resultados obtidos, o procedimento de análise pode ser facilmente adaptado para o processo de Soldagem a Ponto por Fricção e Mistura Mecânica (FSSW - Friction Stir Spot Welding).

The Friction Spot Welding - FSpW is a solid-state process that allows joining two or more metal sheets in lap configuration with no residual keyhole as occurs in the Friction Stir Welding - FSW process. The present work reports part of the efforts made at GKSS Research Centre to better understand the complex phenomena that take place during FSpW of aluminum alloys and establish the mechanical response of the resulting joints. Over the recent years the research on modeling friction based welding processes has increased considerably. Most of the works related to this subject deal with the process mechanics. On the other hand, some investigations have shown how the process variables affect the mechanical properties of the joints, but it is very difficult to find quantitative results that can be readily used for mechanical design purposes. The aim of this work is to develop an analysis procedure based on the process characteristics that allows evaluating how the resulting geometry and microstructure affect the joint mechanical behavior. For this, the results of the mechanical tests obtained on AA2024-T3 aluminum alloy were used to calibrate and validate a numerical model that was used to predict the joint failure mode. The model reproduced the specimen geometry and load conditions adopted in the lap-shear and cross-tensile tests. The joint was considered as formed by three main regions (SZ - stir zone, TMAZ - thermo mechanically affected zone and HAZ - heat affected zone) whose properties and dimensions were based in microhardness evaluation and macrographic analysis of welded specimens. It was observed a good agreement between the simulation results and experimental data. The numerical modeling of the joints allows the prediction of the joint mechanical properties, as well as to understand how a change in geometry and property of each region affects the final mechanical behavior. Based in the obtained results, the analysis procedure can be easily extended to the related friction based spot processes as Friction Stir Spot Welding - FSSW.

A soldagem de ligas de alumínio sem degradação excessiva das propriedades originais do metal base apresenta-se como um obstáculo a ser superado pelas indústrias em seus processos de fabricação, uma vez que o alumínio tem sido usado cada vez de forma mais intensiva. Neste sentido, o processo de soldagem denominado Friction Stir Welding (FSW) tem recebido atenção por suas potencialidades onde o aporte de calor deve ser minimizado ou quando metais dissimilares devem ser soldados. Neste processo, uma ferramenta de alta resistência mecânica e com um perfil especial é utilizada para, por meio de atrito com as peças a serem soldadas, gerar calor e misturar mecanicamente o material da junta, consolidando a solda. Este trabalho visa implementar o processo FSW utilizando uma fresadora universal de elevada rigidez na soldagem de chapas de alumínio AA 5052-H34 com 6,35mm de espessura. Para tanto, três geometrias de ferramentas de soldagem foram projetadas, fabricadas e testadas, de forma a definir-se parâmetros de soldagem compatíveis com as condições fornecidas pela máquina fresadora, por meio de testes preliminares. Definidos estes parâmetros, juntas foram obtidas com as três geometrias de ferramenta disponíveis e seus desempenhos foram comparados. Ensaios mecânicos de dobramento e tração, medição do perfil de microdurezas e análise macrográfica da seção transversal das soldas foram os métodos empregados na caracterização das propriedades resultantes. Em adição, soldas pelo processo MIG também foram obtidas e sujeitas às mesmas avaliações. considerando-se a tensão de escoamento como parâmetro de comparação, as três geometrias testadas apresentaram desempenho similar (em torno de 80% da tensão de escoamento do metal base). Porém, se comparadas com respeito aos valores de ductilidade ou aos testes de dobramento transversal, observou-se que uma das geometrias testadas tem desempenho inferior às demais devido a presença de uma descontinuidade longitudinal no cordão de solda. O perfil de microdureza das amostras soldadas pelo processo FSW demonstrou homogeneidade entre as diferentes zonas microestruturais existentes ao longo da seção transversal, ao passo que as amostras soldadas através do processo MIG apresentaram variação característica dos processos ao arco elétrico.

Welding of aluminum alloys with no considerable degradation of the properties of the base metal is a problem to be overcomed by industry manufacturing processes. In the aeronautical industry, no-melt joining processes such as adhesive bonding or riveting are often considered when designing aluminum connections. Alternatively, a welding process named Friction Stir Welding (FSW) is receiving crescent attention for its potential applications where heat input shall be minimized or when dissimilar metals must be joined. In this process a high strength rotating tool with a special profile is introduced at the interface of the materials to be joined and translated along the joint at controlled speeds. Heat generated softens the material and allows the tool to stir while traveling along the joint. This work aimed to product welds on AA 5052-H34 plates, 6.35mm (0,25 inches) thickness, using a conventional milling machine. In order to do that, three tool geometries were designed, manufactured and tested so as to define which welding parameters could generate the best results. Once these parameters were chosen, each tool produced three welds and their performance was evaluated. Transversal bending, tensile tests, micro-hardness measurements along the weld cross-section and macrographical analysis were carried out in order to assess weld properties. In addition, MIG welds were produced and subjected to the same test conditions. Considering yield stress as an efficiency parameter, all the tested tools presented similar results (around 80% of the base metal yield stress). However one of these tools showed inferior performance when considering elongation or transversal bending test as a comparison parameter due to the presence of a longitudinal groove, as observed in macrographical analysis. FS welded samples have not showed considerable variation along the different microstructure zones in micro-hardness measurements, while MIG welds presented well defined zones as characteristic to electric-arc processes.