Copper to stainless steel welding in lap joint

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Taborda, Diogo Manuel Freitas
Data de Publicação: 2022
Tipo de documento: Dissertação
Idioma: eng
Título da fonte: Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)
Texto Completo: http://hdl.handle.net/10400.21/16564
Resumo: Master’s final work to obtain the master’s degree in Mechanical Engineering
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spelling Copper to stainless steel welding in lap jointFriction stir spot weldingCobreAço inoxidávelJunta dissimilarInterfaceFriction stir spot weldingCopperStainless-steelDissimilar jointInterfaceMaster’s final work to obtain the master’s degree in Mechanical EngineeringO desenvolvimento ao longo dos últimos 30 anos de soldadura em estado-sólido tem oferecido inúmeros benefícios em comparação com as técnicas mais tradicionais, especialmente para materiais cuja composição e propriedades são muito diferentes. A soldadura de materiais dissimilares permite tirar partido das melhores propriedades de cada material, enquanto a soldadura em estado-sólido permite que esta seja exequível, algo dificilmente obtido ou com piores resultados com o uso de outras técnicas para certos materiais. A ligação entre aço inoxidável e cobre tira partido da elevada resistência do aço inoxidável e da elevada condutividade térmica do cobre. Uma junta dissimilar em que o seu estudo em soldadura em estado-sólido ainda não está muito aprofundado. A revisão da literatura apresenta a relevância da soldadura de cobre com aço inoxidável na indústria e explica o processo de friction stir spot welding, como também a sua variante probe-less friction stir spot welding. Também são apresentados estudos que recorreram a friction stir welding e friction stir spot welding entre ligas de cobre e aço, que permite uma visão geral das ferramentas e parâmetros utilizados, como também quais as técnicas de caracterização usadas e os resultados obtidos para este par numa soldadura em estado sólido. O objetivo do presente trabalho foi estudar as propriedades morfológicas, microestruturais e mecânicas das juntas entre cobre-DHP e aço inoxidável AISI 304, obtidas através de probe-less friction stir spot welding. Os parâmetros de soldadura, incluindo a velocidade de rotação (870–1500 rpm), tempo de estabilização (20 e 60 s) e posição do material, foram variados para encontrar uma janela de parâmetros que permitisse a união desses dois materiais. Foram utilizadas duas ferramentas sem pino, diferindo no diâmetro da base (10 e 12 mm). Durante a execução das soldaduras procedeu-se à medição da temperatura. Após a sua produção, as soldaduras foram submetidas a inspeção visual, análise macro e microestrutural e ensaios de microdureza e tração-corte. O posicionamento do material foi um fator determinante para se alcançarem soldaduras. Nenhum dos ensaios realizados com cobre na chapa superior produziu soldaduras consistentes, muito devido à diferença da condutividade térmica dos materiais. Dos 16 ensaios realizados foram obtidas com sucesso 6 soldaduras. A redução de diâmetro da ferramenta permitiu que as soldaduras fossem também obtidas para valores mais baixos de velocidade e tempo de estabilização. A temperatura registada durante o processo aumentou com o aumento dos parâmetros, estando de acordo com as observações feitas através da inspeção visual sobre a intensificação das alterações morfológicas. A análise da macroestrutura permitiu verificar que não existe mistura entre os dois materiais, isto é, a interface permaneceu muito idêntica quando do início do processo de soldadura. Ainda nesta análise, verificou-se que o tempo de estabilização teve mais impacto no comprimento de ligação do que a velocidade de rotação. A análise microestrutural mostrou que o cobre passou por um processo de recozimento, onde se verifica o crescimento de grão. Ou seja, no cobre apenas se identificou uma zona termicamente afetada que é significativamente afetada pelo tempo de estabilização, quer em dimensão quer no aumento do grão. As micrografias obtidas por microscopia eletrónica de varrimento revelaram descontinuidades micro-dimensionais e o aparecimento do fenómeno de micro-mechanical interlocking. Através da análise por espectrometria de dispersão de energias de raios-X, verificou-se que a ligação foi alcançada por mútua difusão entre a composição elementar (Cu e Fe) dos dois materiais. O aço inoxidável sofreu um aumento de dureza, no entanto com uma tendência de diminuição com o aumento dos parâmetros. Além disso, verificou-se uma maior sensibilidade na variação da dureza para o aço inoxidável do que para o cobre com a variação dos parâmetros, já que este está sujeito aos efeitos da deformação e temperatura. No caso do cobre, a dureza diminuiu em relação ao valor do material base, com uma redução ainda mais acentuada à medida que os parâmetros aumentavam, algo que está de acordo com as observações feitas da microestrutura. 57.16 HV0.2 foi o valor médio mais baixo registado para o cobre e 283.48 HV0.2 a dureza média mais alta para aço inoxidável, correspondente às condições com introdução mais elevada e mais baixa de calor, respetivamente. Foi também observada repetibilidade entre a maioria dos ensaios de tração-corte, com o modo de falha mais comum a ser nugget pull-out. A força registada pelas soldaduras variou de 4.1 a 5.8 kN, sendo a dureza e o comprimento de ligação as duas características que mais influenciaram este valor.The development of solid-state welding over the last 30 years has offered numerous benefits compared to the more traditional techniques, especially for materials whose composition and properties are vastly different. The welded components composed of stainless steel and copper take advantage of the high strength and corrosion resistance of stainless steel and the high thermal and electrical conductivity of copper. The aim of the present work was to study the morphological, microstructural, and mechanical properties of copper-DHP to stainless steel AISI 304 friction stir spot welds. The welding parameters, including rotational speed (870–1500 rpm), welding time (20 and 60 s), and material position, were varied to find a window of parameters allowing sound joining of these materials. Two probe-less tools were used, differing by the shoulder diameter (10 and 12 mm). After their production, the weld trials were submitted to visual inspection, macro and microstructural analysis, and microhardness and tensile-shear testing. All the trials performed with copper as the top plate were not consistent, as no bonding was achieved at the weld interface. The temperature measured, during friction stir spot welding, increased by increasing the welding time, tool diameter, and rotational speed, which agreed with the morphological changes on the weld surface. In addition, the macrostructural analysis of the joints' transverse sections showed no material mixing or macro-defects. The copper’s microstructural analysis only exhibited a heated affected zone, which was significantly affected by the welding time. Micro-discontinuities and micro-mechanical interlocking features were seen on the weld interface, with mutual diffusion occurring between the two materials. The stainless steel showed a microhardness increase compared to the base material but decreased with increments in the welding temperature. For copper, in agreement with the grain size evolution, the microhardness decreased, and the reduction was more intense with the increase in the welding temperature.Galvão, Ivan Rodolfo Pereira Garcia deLeitão, Carlos Miguel AlmeidaMorgado, Teresa LeonorRCIPLTaborda, Diogo Manuel Freitas2023-10-16T11:01:18Z20222022-01-01T00:00:00Zinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisapplication/pdfhttp://hdl.handle.net/10400.21/16564TID:203360532engTABORDA, Diogo Manuel Freitas - Copper to stainless steel welding in lap joint. Lisboa: Instituto Superior de Engenharia de Lisboa, 2022. 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