Seleção de parâmetros na soldadura MIG robotizada de tubos de alumínio para quadros de bicicleta

Abstract

Este estágio curricular foi realizado na Empresa Ciclista MIRALAGO,S.A., uma empresa metalomecânica sediada em Aguada de Cima, Águeda. O trabalho teve como objetivo a caracterização microestrutural e mecânica de tubos de alumínio soldados, antes e após tratamentos térmicos, para avaliação da qualidade de soldaduras MIG robotizada feitas em ambiente industrial. Para o efeito produziu-se provetes com soldaduras em T de tubos de alumínio Al 6063 de 30 mm e 40 mm com 2 mm de espessura de parede para simulação da soldadura de quadros de bicicleta. Para isso utilizou várias sequências de programas, modificando a potência elétrica, a velocidade de alimentação do fio (Al 4043), a trajetória, geometria e velocidade do movimento e também o tipo de transferência do metal de adição para a junta de soldadura (spray pulsado ou por curto-circuito em arco pulsado). As diferentes sequências tiveram uma evolução que se baseou na experiência do soldador/programador e no aspeto visual das soldaduras. Como parte do trabalho foi desenhado e construído um gabari para fixação dos tubos que permitiu fazer a soldadura completa numa só passagem. Como parte de uma análise com relevância industrial para quadros de bicicleta, procedeu-se à verificação da conformidade das soldaduras dos provetes com a norma internacional (ISO 10042:2005), que define a deteção e caracterização de defeitos. Para esta tarefa recorreu-se à seleção e preparação metalográfica de juntas soldadas (secções em cruz relativamente ao tubo de menor diâmetro) e à análise micro e macroestrutural em quatro zonas distintas do cordão de soldadura (no início do percurso de soldadura e a cada 90°) com auxílio de microscópio ótico e lupa binocular. Uma componente importante do trabalho, com relevância industrial, centrou-se no comportamento mecânico dos provetes soldados, que foi avaliado em ensaios de tração a provetes sujeitos a tratamento térmico de solubilização e envelhecimento artificial. Para este ensaio foi desenhado e construído um sistema de fixação dos provetes em T que permite exercer uma tensão de tração sobre o cordão de soldadura, minimizar a deformação dos tubos nas zonas de amarração e fixá-lo à máquina de ensaios mecânicos. Através da análise macrográfica, realizada de acordo com a norma ISO 10042:2005, verificou-se que as soldaduras que utilizaram o sistema de transferência de metal na forma de curto-circuito com arco pulsado (CMT- cold metal transfer) são as que permitem obter melhores resultados. Esta análise mostra também que, em todas as amostras, a parte inicial do percurso da soldadura é uma zona de fragilização devido ao excesso de porosidade e/ou à falta de penetração da soldadura nos tubos. A análise microestrutural revela uma microestrutura típica da zona do banho de fusão liga Al 4043 com poros: dendrites de solução sólida α-Al com fase intergranular de composição eutéctica α-Al/Si. Após têmpera e envelhecimento o constituinte eutéctico passa de filme contínuo para globular, eventualmente com precipitação da fase intermetálica AlFeSi. Na interface fundido/ZTA os cristais de α-Al mostram dendrites com ramificações secundárias, no lado do fundido e grãos equiaxiais de α-Al marcados pela precipitação da fase Mg2Si no lado da liga. Os ensaios mecânicos de tração revelaram que a resistência da junta soldada e tratada termicamente se encontra entre os valores da liga 6063-T6 (tensão de rutura máxima de 245 MPa), e o valor da resistência à tração para a liga 4043 (145 MPa), com valor médio de 197 ± 17MPa. Em mais de 40% dos provetes, as juntas soldadas têm um valor típico de tensão de rutura igual ou superior a 206 MPa, o valor de referência para esta combinação de ligas. Deste modo pode afirmar-se que, apesar dos defeitos detetados, a qualidade mecânica da generalidade das soldaduras realizadas neste trabalho será adequada para aplicação em quadros de bicicletas, com uma tendência para valores mais homogéneos quando se utiliza a tecnologia CMT ou sequências de programas com potências intermédias.

This curricular internship was carried out at Empresa Ciclista MIRALAGO, S.A., a metal working company based in Aguada de Cima, Águeda. The objective of this work was to characterize microstructurally and mechanically welded aluminum tubes, before and after heat treatment, to evaluate the quality of weld joints made by robotized MIG welding in an industrial environment. MIRALAGO produced the welds in aluminum tubes Al 6063 of different dimensions (30 mm and 40 mm in diameter) and with the same wall thickness (2 mm), with a T geometry in a simulation of a bicycle frame welding. For this purpose, it was used several program sequences were used, modifying the power, the wire (Al 4043) feed speed, the welding trajectory, geometry and speed of movement and also the type of transfer of the addition metal to the welding joint (pulsed spray or cold metal transfer-CMT). The different sequences had an evolution that was based on the experience of the welder/programmer and the visual aspect of the welds. As part of the work, a gauge was designed and built to fix the tubes, allowing complete welding in one pass, thus guaranteeing the visual uniformity of the entire weld bead. As part of an industry-relevant analysis for bicycle frames, the welds of the test pieces were checked for compliance with the international standard (ISO 10042: 2005), which defines the detection and characterization of defects. For this task, a metallographic preparation of welded joints (cross-sections relative to the smaller diameter pipe) and micro- and macrostructural analysis were performed in four distinct zones of the weld bead (at the beginning of the welding path and at 90°, 180° and 270°) with the aid of optical microscope and a binocular magnifier. An important component of the work, with industrial relevance, was focused on the tensile strength behavior of welded test specimens, heat treated by solubilization and artificial aging. For this test, a T-tube fastening system was designed to exert a tensile stress on the weld bead, to minimize the deformation of the tubes in the fixing zones and to attach it to the universal mechanical testing machine. The set was designed and built at MIRALAGO for use at the University of Aveiro. Through the macrographic analysis, performed according to ISO 10042: 2005, it was verified that the welds that used the cold metal transfer system are those that allow better results. This analysis also shows that, in all samples, the initial portion of the weld path is a zone of reduced strength due to excess porosity and/or lack of weld penetration into the tubes. X-ray diffraction of the welds only allowed to identify aluminum due to the small amount of second phases and the small welding area relative to the analysis area. Microstructural analysis revealed a typical microstructure of the Al 4043 alloy weld pool with pores: α-Al solid solution grains with intergranular phase of α-Al/Si eutectic composition. After quenching and aging, the eutectic constituent changes from continuous to globular, possibly with precipitation of the intermetallic phase AlFeSi. In the weld/ZTA interface the α-Al crystals show dendrites with secondary branching on the melt side and α-Al equiaxed grains marked by the precipitation of the Mg2Si phase. Mechanical tests showed that the tensile strength of the welded and thermally treated joint is in the range between the values of the 6063-T6 alloy (maximum tensile stress of 245 MPa), and the value for alloy 4043 (145 MPa), with an average value of 197 ± 17MPa. In more than 40% of the test pieces, the welded joints have a typical tensile strength of 206 MPa or greater, the reference value for this combination of alloys. It can thus concluded that, despite the detected defects, the mechanical quality of the welds analyzed in this work are suitable for application in bicycle frames. It is also shown that there is a tendency towards more homogeneous strength values when CMT technology or sequences of intermediate power are used.