Durante muitos anos a indústria de manufatura vem mostrando interesse nas oportunidades oferecidas pela soldagem de metais dissimilares. A necessidade de técnicas apropriadas e efetivas para alcançar esse objetivo aumentou nas últimas décadas em função dos esforços para fabricar veículos leves e resistentes, com baixo consumo de combustível. Além disso, a condutividade térmica, resistência à corrosão e reciclabilidade são outras razões para soldar metais não-ferrosos dissimilares. Os primeiros processos de soldagem a arco sob gás de proteção possuíam controle limitado do aporte de calor, um pré-requisito para a soldagem efetiva entre metais dissimilares. Contudo, as versões avançadas desse processo, desenvolvidas nas últimas décadas, oferecem novas perspectivas nesse sentido.

Os processos avançados de soldagem a arco sob gás de proteção possuem potencial significativo na soldagem por fusão de metais não-ferrosos dissimilares de diferentes tipos. O controle preciso do aporte de calor permite uma previsão mais efetiva sobre as características dos compostos intermetálicos formados e melhor controle dos tratamentos térmicos posteriores. Um entendimento mais profundo sobre os processos avançados de soldagem a arco sob gás de proteção permitirá o desenvolvimento de especificações mais precisas de procedimentos de soldagem de metais dissimilares envolvendo a ocorrência de fusão. A flexibilidade e adaptabilidade desses processos para a produção robotizada em massa viabilizará uma variedade maior de aplicações e evitará o uso de métodos alternativos dispendiosos.

A soldagem de metais dissimilares tornou-se um processo crítico em muitas áreas como, por exemplo, no caso das juntas de magnésio e alumínio usadas para reduzir o peso dos motores para veículos (1,2). A integração efetiva de tecnologias de sol-

dagem eficientes e de alta qualidade se tornará um componente-chave para a soldagem bem-sucedida de sistemas de transporte e centrais elétricas no futuro (3,4). A soldagem de metais dissimilares por meio da fusão de um dos metais é eficiente se as condições de processo que determinam a duração da interação entre os metais líquido e sólido forem estritamente controladas (4).

A viabilidade dos processos de soldagem e as propriedades das juntas soldadas são influenciadas por muitos fatores como a migração de elementos de liga, o gradiente de microestrutura e as tensões residuais através das diferentes regiões do metal de soldagem (1,5). Se o processo de soldagem não for bem controlado, poderá ocorrer o desenvolvimento de defeitos no metal de soldagem, tais como diluição excessiva, trincas e tensões residuais que poderão promover uma degradação considerável das suas propriedades. O processo de união de materiais dissimilares é muito sensível, uma vez que reações entre os átomos que constituem os metais podem levar à formação de compostos intermetálicos extremamente frágeis. Os processos híbridos de soldagem por fricção linear (6), a laser (7) e laser/TIG (soldagem a laser/a arco sob gás inerte com eletrodo de tungstênio) (8) podem ser usados para unir metais dissimilares. Infelizmente, tais métodos envolvem o uso de equipamentos caros e complexos procedimentos de soldagem (9).

Este trabalho tem como objetivo investigar e identificar melhorias-chave nas propriedades mecânicas e nas microestruturas de juntas soldadas entre metais dissimilares ferrosos e não-ferrosos. Esta informação ajudará a estabelecer uma situação de referência para as especificações de processos avançados de soldagem e demonstra a contribuição potencialmente significativa que as versões avançadas da soldagem a arco sob gás de proteção podem proporcionar para essa categoria de processo.

O presente estudo compilou dados-chave provenientes de publicações científicas relacionadas com a soldagem de metais dissimilares, tanto usando as versões tradicionais da soldagem a arco sob gás de proteção, como aquelas que incluem as inovações mais recentes feitas nesse processo. Essa análise foi feita pela avaliação do progresso significativo que ocorreu na qualidade das juntas ao longo das últimas décadas, como resultado da implantação dos processos avançados de soldagem a arco sob gás de proteção. Foram discutidos os resultados obtidos, proporcionadas orientações quanto às aplicações e avaliados os benefícios que podem ser obtidos a partir de combinações ainda não exploradas. Este estudo contribui para o desenvolvimento de especificações melhoradas de processos de soldagem para metais dissimilares processados com versões avançadas da soldagem

a arco sob gás de proteção.

Soldagem de metais dissimilares

Esta seção apresenta considerações importantes ao definir especificações para os procedimentos de soldagem por fusão de metais dissimilares, mantendo o seu foco nos processos de soldagem a arco sob gás de proteção. Quatro pontos críticos devem ser analisados cuidadosamente ao ser definida a especificação do procedimento de soldagem: os fundamentos da soldagem dissimilar, condições operacionais, a seleção do metal de adição e o processo propriamente dito. A tabela 1 ilustra os fatores-chave envolvidos.

Os aspectos fundamentais estão associados à soldabilidade do material que está sendo processado e às propriedades da junta soldada que a tornam compatíveis com o metal-base. A seguir, o ambiente onde o serviço será realizado precisa ser levado em consideração, já que as condições em que a soldagem foi realizada podem afetar o tempo necessário para a ocorrência da fratura da junta soldada. E deve ser considerado o material para adição, pois as suas propriedades e composição influenciam diretamente as propriedades da junta soldada. Finalmente, o processo de soldagem deve ser analisado, uma vez que a sua relação com o aporte de calor, o tipo de proteção para a poça de fusão usada na diluição, o efeito dos gases de proteção sobre o plasma e as inclusões podem variar significativamente.

Dificuldades na soldagem de metais não-ferrosos dissimilares

A soldagem dissimilar de metais não-ferrosos pode apresentar di-

ficuldades, uma vez que ela pode resultar na formação de compostos intermetálicos muito frágeis como, por exemplo, através da dissolução e difusão subsequente de metais refratários na área de fusão. Às vezes, para reduzir a difusão, são usadas extensões e insertos (10,11,12 e 13). A tabela 2 apresenta associações comuns de juntas de metais não-ferrosos dissimilares, onde são feitas observações e listadas as dificuldades encontradas na soldagem de seis diferentes combinações principais: alumínio-titânio, titânio-níquel, titânio-cobre, cobre-alumínio, ligas de cobre-níquel, magnésio- alumínio.

As juntas soldadas por fusão entre alumínio e titânio formam compostos intermetálicos (TiAl3, Ti2Al20) que são extraordinariamente frágeis e que reduzem as propriedades mecânicas da junta titânio-alumínio. Os aperfeiçoamentos da tecnologia de soldagem e o uso de metal de adição adequado na forma de fio (alumínio-cobre-lantânio) resultaram em melhorias na resistência à tração (14).

A soldagem por meio de fusão do titânio a ligas de níquel é difícil, uma vez que ele forma compostos intermetálicos frágeis com quase todos os elementos contidos em tais ligas (níquel, ferro, cromo, manganês e silício). Contudo, a aplicação de um depósito superficial preliminar (liga de nióbio ou cobre) e melhor controle dos parâmetros de soldagem podem melhorar as propriedades mecânicas da junta (15,16).

As propriedades físicas do titânio podem ser muito diferentes das do cobre. Além disso, a solubilidade do cobre no titânio-α é baixa. As juntas de cobre puro e liga de titânio (Ti30Nb e Ti3Al-6.5Mo-11Cr) e entre titânio e liga à base de cobre (Cu-0. 8Cr) exibiram os melhores valores de resistência à tração e ductilidade (17).

Juntas soldadas dissimilares de alumínio e cobre também são limitadas devido à formação de compostos intermetálicos frágeis. O uso da soldagem a arco sob gás de proteção pode ser bem-sucedido com a aplicação de um depósito superficial preliminar com liga à base de prata e uso de metal de adição à base de alumínio (18).

O cobre e o níquel são mutuamente solúveis entre si. Portanto, a soldagem desses dois metais e suas ligas não oferece problemas sérios (18,19).

A soldagem por fusão de magnésio e alumínio resulta na formação de compostos intermetálicos (Al3Mg2, Al12Mg17 e Al30Mg23) (20) . Devido à fragilidade desses compostos, sua formação deve ser controlada e minimizada tanto quanto possível durante o processo de soldagem (21).

Estudos de casos

Um grande número de artigos na literatura técnica tem como foco a soldagem a arco sob gás de proteção com eletrodo de tungstênio, com feixe de laser e por fricção linear. Embora a produtividade do primeiro processo seja menor que a da soldagem a arco sob gás de proteção convencional, e a soldagem a laser e a fricção linear sejam caras e não muito versáteis, os trabalhos de pesquisa fornecem indicações sobre as propriedades das juntas confeccionadas por elas e permitem uma análise objetiva, tornando possível uma comparação com a experiência proporcionada pelas versões avançadas da soldagem a arco sob gás de proteção.

Soldagem dissimilar de alumínio e magnésio

A soldagem de alumínio e magnésio na fabricação da estrutura de um

Fig. 1 – Micrografias ópticas de juntas soldadas dissimilares entre magnésio e alumínio. Zona de fusão no lado do (a) magnésio e do (b) alumínio. (Shang e outros 2012) (23)

componente pode reduzir o seu peso e custo. O potencial para redução de massa pode ser usado em aplicações nas indústrias automotiva e de transporte(20,22). Embora a soldagem dissimilar de magnésio e alumínio ainda seja limitada, foram obtidos resultados promissores em investigações recentes. Shang e outros(23) estudaram a soldagem dissimilar de ligas AZ31B Mg (ENMAMgAl3Zn1, de acordo com a norma técnica EN12438), 6061 Al (EN AW-AlMg1SiCu, de acordo com a norma técnica EN573-3) e eletrodo consumível de cobre puro, as quais foram unidas usando um processo avançado de soldagem a arco sob gás de proteção com transferência a frio de metal (CMT, Cold Metal Transfer). Os resultados mostraram que foram obtidas melhores propriedades mecânicas do que quando se usou a versão não-controlada desse processo de soldagem. As figuras 1a e 1b apresentam micrografias ópticas da zona de fusão, respectivamente nos lados do magnésio e do alumínio. Foram observados diversos compostos intermetálicos à base de alumínio e cobre (AlCu, CuAl2 e Cu9Al4), presentes na zona de fusão, e a geração de uma solução sólida à base de cobre na zona de soldagem, enquanto foram formadas estruturas eutéticas ternárias de Cu2Mg e alumínio-cobre-magnésio na zona de fusão do lado do magnésio (8,24).

A distribuição das microdurezas numa amostra (23) é mostrada na figura 2; os valores em ambos os lados aumentaram abruptamente na zona de fusão. Os valores máximos foram iguais a 362 HV no lado do magnésio e a 260 HV no lado do alumínio. O limite de resistência da junta foi igual a 34,7 MPa. Contudo, as fraturas ocorreram no lado do magnésio da zona de fusão, onde o valor da microdureza foi máximo. Ligas trabalhadas de magnésio (AZ31) e alumínio (2B50, ENAWAlCu4SiMg, de acordo com a norma técnica EN 573-3) foram soldadas por fusão usando o avançado processo a frio (CP, Cold Process) de soldagem a arco sob gás de proteção (9). A união de ligas de alumínio e magnésio mostrou-se viável desde que se use uma camada intermediária na forma de uma folha de zinco, cuja presença evita a penetração por queima da junta soldada e o trincamento macroscópico. Constatou-se a ausência de compostos à base de alumínio e magnésio quando a folha de zinco foi usada como camada intermediária. O limite de resistência da junta de sobreposição alcançou 64 MPa. Estes resultados são particularmente importantes, uma vez que eles confirmam a hipótese de que o aperfeiçoamento do processo de soldagem melhorou as propriedades mecânicas de juntas soldadas dissimilares de magnésio e alumínio.

Soldagem dissimilar de ligas de alumínio

A soldagem de diferentes ligas de alumínio é um tópico interessante para várias indústrias de manufatura. Na

Fig. 2 – Distribuição de microdurezas na junta soldada entre ligas de magnésio (AZ31B) e alumínio (6061) (Shang e outros 2012) (23).

fabricação de veículos, por exemplo, ela pode constituir uma alternativa para a soldagem dissimilar de aço e alumínio, cujo objetivo é reduzir o peso da estrutura e o consumo de combustível do veículo (25). Na construção naval, a alta resistência à corrosão e as propriedades específicas do alumínio são consideradas desejáveis. Por exemplo, balsas de alta velocidade, com casco simples e múltiplo, empregam diversasligas de alumínio, na forma de chapas finas e grossas, todas soldadas entre si (26).

Fig. 3 – Limite de resistência sob tração versus velocidade de deslocamento para três diferentes combinações de materiais. Espessura, 5 mm; metais de adição, ER5356 e ER4043 (Luijendijk 2000) (27).

Luijendijk (27) efetuou experimentos nos quais diferentes graus de alumínio foram soldados a arco sob gás de proteção usando diferentes metais de adição. Os resultados em termos de limite de resistência sob tração, apresentados na figura 3, mostraram que as juntas soldadas com materiais dissimilares baseados nas ligas encruadas da série 5XXX (EN AC-AlMg9, de acordo com a norma técnica EM 573-3) não dependem significativamente da velocidade de deslocamento e da espessura da chapa. Foi verificado apenas um pequeno aumento da resistência mecânica à medida que se elevou a velocidade de deslocamento e se diminuiu a espessura da chapa. Menzemer e outros(28) executaram um experimento com as ligas AA6061 e AA5083 (EN AW-AlMg4.5Mn0.7, de acordo com a norma técnica EN 573-3) com eletrodo 5053, confeccionando uma junta dissimilar em ângulo por meio de soldagem manual a arco sob gás de proteção. Os resultados obtidos revelaram que esse processo proporcionou um nível adequado de fusão, ao mesmo tempo em que minimizou defeitos estruturais. Essas duas constatações sugerem que a soldagem dissimilar de alumínio pode ser feita com sucesso por processos envolvendo fusão. O desempenho desse processo manual pode ser significativamente melhorado usando a versão avançada desse método.

A soldagem pulsante a arco sob gás de proteção para a união de ligas de alumínio 6061 e 7075 (EN AW-AlZn5.5MgCu, de acordo com a norma técnica EN 573-3) em várias combinações foi investigada por Sevim e outros (29). Seu estudo empregou um avançado processo pulsante sinérgico que dispõe de fonte digital de potência com controle da operação de soldagem efetuado por programa computacional. Foi mostrado que o tratamento térmico de envelhecimento anterior à soldagem melhorou as propriedades mecânicas da junta soldada.

Os efeitos da corrente pulsante e do tratamento de envelhecimento posterior à soldagem sobre as propriedades determinadas sob tração da liga de alumínio de alta resistência 7075, soldada a arco sob proteção de argônio, foram estudados por Balasubramanian e outros (30). O aumento da resistência mecânica

Fig. 4 – Microestruturas de junta dissimilar entre ligas de alumínio 5083 e 6082: (a) zona ‘a’ vista sob maior aumento; (b) zona ‘c’ vista sob maior aumento; (c) zona ‘b’ vista sob maior aumento; e (d) seção microscópica (Beytullah e outros 2014) (32).

foi de aproximadamente 25% em comparação com as juntas confeccionadas por soldagem a arco sob gás de proteção aplicando corrente contínua. Ocorreu uma melhoria adicional na resistência mecânica entre 8% e 10% com o tratamento de envelhecimento posterior à soldagem. Além disso, o efeito da corrente pulsante sobre a liga de alumínio 6061 foi investigado por Kumar e outros (31), os quais constataram que a melhoria das propriedades mecânicas das juntas soldadas em relação às confeccionadas usando corrente contínua decorre do refino do tamanho de grão que ocorre na zona de fusão.

Beytullah e outros (32) estudaram as características das juntas dissimilares de ligas de alumínio 5083-H11 e 6082-T651. Elas são usadas particularmente na indústria naval devido à sua alta resistência à corrosão e resistência mecânica moderada. Foram confeccionadas juntas de topo em duas placas com 6 mm de espessura, usando soldagem pulsante robotizada a arco sob gás de proteção, com tecnologia de transferência a frio de metal (CMT). O metal de adição foi o ER 281 com 1,2 mm de diâmetro. A figura 4 (pág. 20) mostra imagens obtidas a partir de microscopia óptica para uma seção transversal de um corpo de prova obtido no experimento. Embora foi esperada a formação de Mg2Al3, o qual poderia começar a coalescer e a assumir tamanho grosseiro na zona termicamente afetada, onde a temperatura se elevou até aproximadamente 250oC ou mais,

Fig. 5 – Microestrutura de junta dissimilar soldada por fusão entre cobre e alumínio: (a) junta de topo confeccionada por fusão; (b) zona ‘b’ vista sob maior aumento (Park e outros 2009) (37)

não foi verificado coalescimento ou formação de constituintes grosseiros nessa zona. Na verdade, foram obtidas microestruturas com tamanho de grão refinado, onde ocorreu recristalização estática na zona termicamente afetada, próximo à linha de fusão (33,34). Embora a soldagem convencional a arco sob gás de proteção tenha produzido juntas que apresentaram propriedades mecânicas inferiores em comparação com os resultados obtidos ao usar a versão que utiliza eletrodo de tungstênio ou a soldagem por fricção linear, a versão pulsante e com transferência a frio de metal (CMT) da soldagem a arco sob gás de proteção apresentou resultados similares aos conseguidos pela soldagem por fricção linear.

Soldagem dissimilar de alumínio e cobre

O interesse na soldagem de alumínio e cobre decorre da necessidade de otimizar as características dos sistemas eletrônicos de alta potência. O cobre proporciona condutividade elétrica excelente, apesar do seu alto preço. Já o alumínio apresenta boa condutividade elétrica, custo razoável e é mais leve que o cobre. A as-

Fig. 6 – Micrografias de junta dissimilar de sobreposição de cobre e magnésio: (a) junta direta de cobre e magnésio; (b) zona de fusão entre cobre e magnésio; (c) junta entre cobre e magnésio com interface feita de ferro; (d) lado cobre-ferro; e (e) lado magnésio-ferro (Liu e outros 2008) (39).

 

sociação de ambos os metais poderia resultar em economias significativas. Além disso, seu uso em motores auxiliares de veículos e outros dispositivos eletrônicos está crescendo à medida que vem se expandindo a popularidade dos sistemas híbridos; os cabos e sistemas de cabos em tais aplicações pesam cerca de 15 a 45 kg(35). Até o momento vem sendo dada pouca atenção aos processos de soldagem a arco sob gás de proteção na soldagem de alumínio com cobre, embora novas versões avançadas desse processo ofereçam ganhos significativos potenciais.

Mozhaiskaya e Chekanova (36) investigaram a estrutura e propriedades de juntas soldadas de alumínio e cobre. A confecção de juntas de topo eficientes de alumínio e cobre usando processos envolvendo fusão apresenta interesse prático, por exemplo, nas tubulações de unidades de refrigeração. A figura 5 (pág. 21) apresenta a zona de transição da junta estudada por Park e outros(37). Sua largura varia entre 20 e 25 mícrons (valor médio de microdureza igual a 82 H). A microanálise por raios-X indicou a presença de uma solução sólida hipereutética nesta zona, constituída por 9,3% de cobre e 89,8% de alumínio (em fração atômica). Com base nos resultados desse estudo sobre o efeito do controle do aporte de calor nos processos de soldagem avançado sobre o tamanho dos compostos intermetálicos, é possível reduzir significativamente a espessura desses compostos na junta soldada de cobre e alumínio. Além disso, o uso de depósito superficial preliminar ou de metal de adição constituído de AlSi12 entre o cobre e o alumínio poderia também contribuir para aumentar a ductilidade da junta dissimilar (38). Contudo, deve-se notar que ainda há a necessidade de investigações para especificar, de forma precisa, os eletrodos consumíveis adequados.

Soldagem dissimilar de cobre e magnésio

A união dissimilar de ligas de magnésio e cobre é muito significativa do ponto de vista industrial. Uma junta efetiva de cobre e magnésio não apenas atende aos requisitos em termos de condução de calor e elétrica, e de resistência ao desgaste e corrosão, como também satisfaz a demanda por baixo peso e alta resistência mecânica. Portanto, essa junta pode apresentar amplas perspectivas de aplicação nos campos aeroespacial, naval, de instrumentação, entre outros.

Liu e outros (38) estudaram uma junta dissimilar de sobreposição de magnésio e cobre confeccionada por soldagem a arco sob gás de proteção. Foram estudados dois casos: uma liga soldada de forma direta (figuras 6a e 6b, pág. 22) e com o uso de uma interface de ferro (figuras 6c, 6d e 6e, pág. 22). Foi constatado que o uso de uma camada interfacial de ferro proporcionou melhores propriedades mecânicas para a junta dissimilar. É possível observar na figura 6b uma camada de difusão com espessura de aproximadamente 150 mícrons na região interfacial entre o cobre e a liga de magnésio. Os átomos de cobre e de ferro difundem-se entre si, formando uma solução sólida. A partir da figura 6e é possível ver que, apesar de o ferro não poder se dissolver no magnésio, mesmo em forma líquida, ocorreu uma curta difusão entre os átomos desses dois elementos devido à ação do oxigênio (40). A principal causa da resistência mecânica deficiente das juntas soldadas de cobre e magnésio é a presença de compostos intermetálicos (MgCu2 e Mg2Cu). Contudo, um melhor controle dos parâmetros de soldagem pode contribuir para reduzir a zona onde se formam esses compostos e melhorar a resistência mecânica da junta. Os benefícios do controle de dissolução podem ser conseguidos com o uso de uma interface constituída de ferro.

Soldagem dissimilar de titânio e cobre

Juntas soldadas dissimilares de titânio e cobre possuem ampla aplicação nas indústrias aeroespacial,naval e de instrumentação. Contudo, a solubilidade mútua entre esses dois elementos é limitada. Além disso, em razão das grandes diferenças entre as propriedades termofísicas desses dois materiais e a formação de compostos intermetálicos frágeis à base de titânio e cobre sob temperaturas elevadas, a união desses dois metais constitui um grande desafio.

A confecção de juntas de ligas de titânio e de cobre tem sido investigada empregando diversos processos como, por exemplo, união mecânica, no estado sólido, envolvendo fusão ou por brasagem. Um dos trabalhos desenvolvidos nesse sentido, de autoria de Shiue e outros(41,42), descreve a microestrutura e as propriedades das juntas entre placas de titânio puro comercial e de cobre isento de oxigênio unidas por brasagem usando radiação infravermelha. Após esse processo foi constatado que a junta era basicamente composta por fases Cu4Ti e Cu2Ti e por três camadas interfaciais de reação, CuTi2, CuTi e Cu4Ti3.

A despeito da capacidade dos processos avançados adaptativos de soldagem a arco sob gás de proteção de proporcionar um controle preciso do aporte de calor, seu uso na soldagem de titânio e cobre não foi estudado de forma intensa. Contudo, Cao e outros(43) investigaram a microestrutura e as propriedades de juntas dissimilares desses dois metais confeccionadas por meio de uma versão avançada da soldagem a arco sob gás de proteção com transferência a frio de metal. A confecção de juntas de sobreposição de titânio puro comercial TA2 com cobre puro T2, usando fio de cobre feito de ERCuNiAl, revelou que esse processo permite obter resultados satisfatórios. A figura 7 mostra uma junta dissimilar de sobreposição

Fig. 7 – Seção microscópica e microestruturas de junta de cobre e titânio: (a) zona ‘A’; (b) zona ‘B’; (c) zona ‘C’; (d) junta similar de sobreposição de cobre e titânio; (e) zona ‘E’ vista sob maior aumento; e (f) zona ‘F’ vista sob maior aumento (Cao e outros 2014) (43).

 

obtida por Cao e outros (43), onde é observada a zona de fusão entre o cobre e o titânio. A despeito da presença de constituintes intermetálicos, tais como Ti2Cu e TiCu, e de uma camada de AlCu entre a solda e a peça de titânio, a resistência ao cisalhamento sob tração variou entre 192,5 e 197,5 N/mm para a amostra testada. As camadas de constituintes intermetálicos na interface entre a zona soldada e o titânio apresentaram espessura entre 140 e 160 mícron. Contudo, outro estudo, feito por Aydin e outros (44) sobre juntas dissimilares de titânio e cobre confeccionadas por soldagem por difusão, indicou que a espessura dos compostos intermetálicos situou-se em torno de 125 a 250 mícrons. Pode-se deduzir a partir daí que as propriedades sob tração aumentaram devido ao controle sobre o aporte de calor, reduzindo dessa forma a espessura dos compostos intermetálicos.

Soldagem dissimilar de titânio e níquel

Devido às excelentes características de resistência mecânica, à corrosão, e à fluência, as ligas de titânio são amplamente usadas na indústria. Uma das maiores áreas de aplicação encontra-se na indústria aeroespacial, em itens como componentes estáticos e rotativos em turbinas a jato. As ligas de níquel para uso em altas temperaturas também são amplamente usadas nesse campo. Suas propriedadestornam asligas de níquel adequadas para a fabricação de componentes usados em motores aeronáuticos e turbinas a jato.

Um grande número de investigações foi conduzido sobre a soldagem desses dois metais usando processos baseados em laser (45,46). Contudo, até o momento não foram feitos estudos sistemáticos sobre o uso de processos avançados e adaptativos de soldagem a arco sob gás de proteção, embora já tenha sido registrada a confecção de juntas mal sucedidas usando a versão convencional desse processo(15). O progresso conseguido com a aplicação da soldagem a laser e outros estudos que tiveram como foco a microestrutura das juntas híbridas soldadas de titânio e níquel proporcionam informações pertinentes para a previsão dos possíveis resultados no caso de o aporte de calor ser cuidadosamente controlado.

O estudo feito por Seretsky e Ryba (47) tentou caracterizar a microestrutura de juntas soldadas dissimilares confeccionadas por soldagem a laser. Seu trabalho teve como objetivo promover a formação de fase TiNi na junta soldada, o que é particularmente interessante em razão de sua ductilidade, natureza não-magnética, resistência à corrosão e boa tenacidade sob baixas temperaturas. Além disso, essa fase exibe efeito de memória de forma. Os resultados dos seus experimentos de soldagem a laser foram mal sucedidos devido às más microestruturas formadas. Não foi possível eliminar o trincamento com a alteração da potência do laser. O desenvolvimento de fases

Fig. 8 – Microestrutura da junta soldada próxima à linha de fusão: (a) linha de fusão no lado do níquel, na interface com as bandas ‘A’, ‘B’ e ‘C’; (b) área ‘A’ vista sob maior aumento; e (c) áreas ‘C’ e ‘B’ vistas sob maior aumento (Chatterjee e outros 2006) (45).

 

intermetálicas na junta dissimilar de titânio e níquel também foi estudado por Chatterjee e outros (45), os quais apresentaram e discutiram o desenvolvimento da microestrutura de solidificação numa união binária dissimilar entre titânio e níquel confeccionada por soldagem a laser. A figura 8^a mostra a interface na zona de fusão no lado do níquel. Pode ser visto que há três bandas dispostas paralelamente à interface. A figura 8b mostra a banda ‘A’ com maior aumento, o que revela duas subcamadas distintas (níquel e Ni3Ti). A figura 8c mostra as bandas ‘B’ e ‘C’ com maior aumento, com um eutético (Ni3Ti + NiTi) na banda ‘B’, enquanto uma camada monolítica de NiTi se forma na banda ‘C’. Um estudo mais recente, feito por Chen e outros (46) , logrou unir com sucesso a liga Ti-6Al-4V e Inconel 718 (Special Metals Corporation, New Hartford, NY, EUA) usando soldagem com laser de fibra. Foi sugerido que o feixe de laser deveria ser deslocado em aproximadamente 35 mícrons a partir da interface com o Inconel 718, usando uma combinação de maior potência de laser com velocidade mais alta de soldagem. Em consequência desses ajustes, foi observada uma menor formação de fases intermetálicas frágeis à base de titânio e níquel. Com base nessas constatações, pode-se conjecturar que a soldagem avançada a arco sob gás de proteção poderia ser usada para se obter menor espessura de compostos intermetálicos; além disso, metais de adição adequados poderiam ser usados para melhorar as propriedades das juntas soldadas de titânio e níquel.

Comparação e benefícios

Esta seção compara conceitos avançados da soldagem a arco sob gás de proteção com a versão convencional desse processo na soldagem de metais dissimilares. A tabela 3 (pág. 28) mostra a relação entre as tecnologias para controle da soldagem, combinações entre metais-base e a qualidade esperada para a junta soldada. É possível observar claramente que o modo de controle exerce um efeito muito significativo sobre as propriedades químicas, físicas e mecânicas da junta soldada, regulando o tamanho da zona termicamente afetada, a composição dos compostos intermetálicos, a microestrutura da junta soldada e da zona termicamente afetada e, dessa forma, a qualidade global da junta soldada. A obtenção de propriedades aceitáveis na junta soldada requer a formação de uma camada fina de compostos intermetálicos, diluição suficiente para minimizar a migração de elementos de liga e a supressão de uma zona termicamente afetada excessiva, o que resultaria no amaciamento da região.

Este estudo investigou processos avançados e adaptativos de soldagem a arco sob gás de proteção para a confecção de juntas dissimilares e discutiu a soldagem por fusão de metais não-ferrosos dissimilares do ponto de vista da melhoria das especificações dos procedimentos de união. Com base na revisão feita a partir dos estudos anteriores é possível elaborar as conclusões relatadas a seguir.

A qualidade da junta soldada entre metais não-ferrosos dissimilares é melhorada usando um processo adequado. Metais dissimilares, tais como magnésio e alumínio, podem ser unidos com sucesso usando a soldagem com transferência a frio de metal (CMT) e cobre puro como metal de adição. Foi verificada a formação de uma variedade de

compostos intermetálicos à base de alumínio e cobre, sendo a resistência de união da junta igual a 34,7 Mpa. As fraturas ocorreram no lado do magnésio da junta de fusão, onde o valor da microdureza foi máximo. As fraturas ocorreram em locais onde estavam presentes compostos fragilizantes. Foram confeccionadas juntas bem-sucedidas de ligas de magnésio AZ31 e de alumínio trabalhado 2B50, por fusão, ao adotar um processo avançado de soldagem a arco sob gás de proteção com processo a frio (CP).

A zona de fusão e a zona termicamente afetada das juntas confeccionadas pelo processo de soldagem a arco sob gás de proteção apresentaram diferentes larguras no caso de ligas 6061 e 7071 tratadas termicamente em várias combinações. O valor de dureza dos metais soldados pode aumentar de forma significativa, dependendo da temperatura e do tempo associados ao tratamento

de envelhecimento. Os valores de resistência à tração e dureza da junta soldada aumentaram com a formação de compostos intermetálicos. A união de ligas de alumínio e magnésio é possível usando uma camada intermediária constituída por filme de zinco, cuja presença evita a penetração com queima da junta soldada e o trincamento macroscópico.

A confecção de juntas dissimilares de alumínio e cobre usando processos de soldagem a arco sob gás de proteção não foi estudada intensamente, embora seu potencial para a redução de custos na fabricação de automóveis seja significativo. A ocorrência de fases intermetálicas não pode ser evitada; contudo, o uso de tecnologias avançadas pode reduzir a espessura da camada interfacial. Um eletrodo compatível ou material para interface adequado poderia ser usado para minimizar a ocorrência de constituintes intermetálicos. Os resultados esperados aumentariam a resistência à tração da junta.

A soldagem de juntas de cobre e magnésio pode ser conseguida com sucesso diretamente entre os dois metais; contudo, sua resistência mecânica é reduzida como resultado da presença de fases intermetálicas; quanto maior for a camada de compostos intermetálicos, menos resistente será a junta. As propriedades da junta soldada podem melhorar significativamente se as camadas de constituintes intermetálicos apresentarem espessura mínima. Uma alternativa à soldagem direta do cobre em magnésio é o uso de uma interface de ferro entre ambos os metais, a qual eleva a resistência da junta soldada.

O titânio e o cobre podem ser unidos com sucesso pelo uso de versões avançadas da soldagem a arco sob gás de proteção. Quando aplicado numa junta de sobreposição, esse processo resulta na formação de uma junta aceitável em termos de propriedades mecânicas e da baixa difusão do composto intermetálico. A posição do metal-base afeta a aparência da junta soldada. A união feita com o cobre situado na sua parte superior proporciona melhor aparência ao cordão, enquanto a diluição atravessou a fina seção da placa quando esse metal foi posicionado na parte inferior.

O titânio e o níquel foram soldados com sucesso pelo processo a laser. A experiência disponível não gerou informações suficientes em relação ao processo de soldagem a arco sob gás de proteção que pode ser aplicado em ambos os metais. Estudos efetuados forneceram algumas indicações sobre a evolução da microestrutura das juntas soldadas dissimilares de titânio e níquel, tendo sido mostrado que a fase NiTi apresenta excelente ductilidade. Contudo, a previsão sobre a ocorrência de constituintes intermetálicos durante a soldagem não é direta. O sucesso das juntas de titânio e níquel depende da restrição à difusão intermetálica. Portanto, usando a capacidade dos processos avançados de soldagem a arco sob gás de proteção em controlar o aporte de calor, podese esperar que a camada interfacial de constituintes intermetálicos seja minimizada.

A soldagem por fusão de metais não-ferrosos dissimilares é muito difícil para a maioria das combinações, uma vez que há apenas alguns poucos compostos em solução sólida nos diagramas de fase binários. O processo convencional de soldagem a arco sob gás de proteção produz juntas soldadas pouco consistentes nos metais não-ferrosos devido à máqualidade do controle do aporte de calor e da estabilidade do arco. Esse controle inadequado não permite que o processo alcance a estreita faixa de solubilidade entre os metais não-ferrosos (por exemplo, alumínio/ titânio, titânio/níquel e alumínio/ magnésio). O melhor controle proporcionado pelas versões avançadas da soldagem a arco sob gás de proteção possibilita a definição e o atendimento dos parâmetros de soldagem que se fazem necessários. Os melhores resultados são obtidos por meio de uma redução significativa das camadas de compostos intermetálicos.

A seleção do processo de soldagem é um fator-chave ao soldar metais não-ferrosos dissimilares, uma vez que o aporte de calor afeta a diluição e a migração de elementos de liga. A maior flexibilidade e sensibilidade dos processos adaptativos de soldagem a arco sob gás de proteção permitem uma redução da diluição e das tensões residuais causadas por diferenças nos coeficientes de dilatação térmica.

Conflito de interesses

Os autores declararam não haver conflito de interesses.

Contribuições dos autores

Todos os autores leram, analisaram, aprovaram e escreveram o manuscrito final.

Referências

1. Praveen, P., Y arlagadda, P. Meeting challenges in welding of aluminium alloys through pulse gas metal arc welding. Journal of Materials Processing Technology, 164, 1106-1112, 2005.

2. Aizawa, T., K ashani, M., Okagawa, K. Application of magnetic pulse welding for aluminum alloy and SPCC steel sheet joins. Welding Journal, 86, 119- 124, 2007.

3. Hwan-T ae, K., Sang-Cheol, K.. Research trend of dissimilar metal welding technology. MAS/ASNT. CCIS, 341, 199-204, 2012.

4. Budkin, YV. Welding joints in dissimilar metals. Welding International, 25(7), 523-525, 2011.

5. Sun, Z., Karppi, R. The application of electron beam welding for the joining of dissimilar metals: an overview. Journal of Materials Processing Technology, 59(3), 257, 1996.

6. Aonuma, M., N akata , K. Effect of calcium on intermetallic compound layer at interface of calcium added magnesium-aluminum alloy and titanium joint by friction stir welding. Materials Science and Engineering B, 173(1), 135-138, 2010.

7. Borrisutthekul, R., Miyashita , Y., Mutoh, Y. Dissimilar material laser welding between magnesium alloy AZ31B and aluminum alloy A5052-O. Science and Technology of Advanced Materials, 6(2), 199-204, 2005.

8. Liu, L., L iu, X., L iu, S. Microstructure of laser – TIG hybrid welds of dissimilar Mg alloy and A1 alloy with Ce as interlayer. Scripta Materialia, 55(4), 383-386, 2006.

9. Zhang, H., S ong, J. Microstructural evolution of aluminum/magnesium lap joints welded using MIG process with zinc foil as an interlayer. Materials Letters, 65, 3292-3294, 2011.

10. Fridlyander, I. Current-technology aluminum alloys for aerospace applications. Metal Science and Heat Treatment, 43(7), 297, 2001.

11. Babel, H., Gibson, J., Tarkanian, M., Parrish, C., Prietto, M., O rdonez-C hu, A., Haberl , H., K abisch, J., Clark, R., O gren , J., E. Said , O. 2099 aluminum-lithium with key locked inserts for aerospace applications. Journal of Materials Engineering and Performance, 16(5), 584-591, 2007.

12. M enzemer , C., L am, P., Srivatsan, T., Wittel , C. A study of fusion zone microstructures of arc welded joints made from dissimilar aluminum alloys. Journal of Materials Engineering and Performance, 10(2), 173-177, 2001.

13. L akshminarayanan, A., Balasubramanian, V., Elangovan, K. Effect of welding processes on tensile properties of AA6061 aluminium alloy joints. International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 40, 286- 296, 2009.

14. Korenyuk, Y.. Interaction of liquid aluminium and solid titanium in fusion welding [J]. Welding Production, 22(6), 3-5, 1975.

15. Gorin, L. Welding titanium alloys to nickel-base alloys. Welding Products, 11(12), 46-53, 1964.

16. Lv , S., Jing, X., Huang , Y., X., Y., Z heng, C., Y ang, S. Investigation on TIG arc welding-brazing of Ti/A1 dissimilar alloys with A1 based fillers. Science and Technology of Welding and Joining, 17(7), 519-524, 2012.

17. Mikhailov , A., S lonimaky , E., Senic, A., Sukhorukov, A.. Welding titanium to copper and its alloys, Weld Product, 12(8), 1-6, 1965.

18. C ook, L., S tavish, M. Welding aluminium to copper using the inert gas metal arc process. Welding Journal, 35(5), 348- 355, 1956.

19. Lezovskaya , A., R abkin, D. Fusion welding aluminum to copper Automatic Welding, 19(7), 65-66, 1966.

20. Zeng, R., K e, W., Xu, Y. Recent development and application of magnesium alloys. Acta Metallurgica Sinica, 37(7), 673-685, 2001.

21. O’brien, A. Welding handbook, volume 4 – material and application. Part 1, 9th edn. Doral: American Welding Society (AWS), 2011.

22. P aramsothy , M., Hassan, S., Srikanth, N., Gupta, M. Toughening mechanisms in Mg/Al macrocomposites: texture and interfacial mechanical interlocking. Journal of Physics D, 41, 175402- 175410, 2008.

23. Shang, J., W ang, K., Z hou, Q., Zhang, D., Huang, J., Li, G. Microstructure characteristics and mechanical properties of cold metal transfer. Materials and Design, 34, 559-565, 2012.

24. Li, H., Qian , M., Li, D. The effect of intermetallic compounds on laser weldability of dissimilar metal joint between magnesium alloy AZ31B and aluminium alloy 6061. Laser Journal, 28(5), 61-63, 2007.

25. Hirsch, J. Aluminium alloys for automotive application. Materials Science Forum, 242, 33-50, 1996.

26. Kaufman, J. Introduction to aluminum alloys and tempers. Ohio: ASM International, 2003.

27. Luijendijk, T. Welding of dissimilar aluminium alloys. Journal of Materials Processing Technology, 103, 29-35, 2000.

28. Menzemer, C., L am, S., Wittel, F. An investigation of fusion zone microstructures of welded aluminum alloy joints. Material Letters, 41, 192- 197, 1999.

29. Sevim, I., Hayat , F., Kaya, Y., Kahraman, N., Sahin, S. The study of MIG weldability of heatreated aluminum alloys. International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 66, 1825-1834. doi:10.1007/s00170- 012-4462-z, 2012.

30. Balasubramanian, V., Ravisankar, V., Reddy , G. Effect of pulsed current and post weld aging treatment on tensile.