Post-weld heat treatment of AA7075 friction stir welded joints manufactured under various tool rotation speeds and cooling conditions

Imagine que você esteja tentando colar duas peças de metal, mas em vez de usar cola, você usa uma ferramenta giratória que as esfrega até que fiquem quentes e moles o suficiente para se fundirem. Isso é chamado de Soldagem por Fricção Agitação (FSW), e é um truque favorito para unir o alumínio, o metal leve usado em aviões e latas de refrigerante. O problema é que esse processo aquece tanto o metal que bagunça os minúsculos cristais invisíveis dentro do alumínio que o tornam forte. É como pegar uma estante de livros perfeitamente organizada e sacudi-la até que todos os livros caiam em uma pilha bagunçada. Para corrigir isso, os cientistas costumam dar ao metal um "banho" de calor chamado Tratamento Térmico Pós-Soldagem (PWHT). Pense nisso como um botão de reset que tenta reorganizar os cristais e restaurar a força do metal. No entanto, há uma pegadinha: às vezes, quando você aperta o botão de reset, os cristais não apenas se arrumam; eles crescem em cristais gigantes que podem, na verdade, tornar o metal mais fraco ou quebradiço. Este artigo explora uma liga de alumínio específica (AA7075) para ver se podemos controlar esses cristais gigantes mudando a velocidade com que a ferramenta gira e mergulhando o metal quente em diferentes líquidos, como água ou óleo, para resfriá-lo mais rápido.

Os pesquisadores da Universidade Militar de Tecnologia da Polônia decidiram jogar um jogo de "e se" com este alumínio. Eles pegaram chapas de AA7075 e as soldaram usando uma ferramenta giratória em diferentes velocidades, variando de uma rotação lenta de 600 rpm até uma rápida de 1400 rpm. Para ver se a velocidade de resfriamento importava, eles não apenas deixaram o metal parado no ar; eles tentaram soldar o metal enquanto ele estava submerso em água, em óleo de resfriamento ou em um fluido de resfriamento especial. Após a soldagem, eles submeteram cada junta a um tratamento térmico específico: assar as juntas a 470°C por duas horas e depois envelhecê-las a 120°C por 24 horas. Este foi o momento do "botão de reset".

Os resultados foram uma mistura de boas notícias e uma surpresa teimosa. Primeiro, o tratamento térmico fez maravilhas para tornar o metal mais duro e forte. Para as juntas que não tinham buracos ou rachaduras para começar, o tratamento térmico aumentou a capacidade do metal de resistir à deformação (limite de escoamento) em mais de 70% e sua capacidade de romper antes de quebrar (resistência à tração máxima) em cerca de 35%. De fato, as juntas reparadas mais fortes foram até mais resistentes do que a folha de alumínio original, não soldada. O metal que foi soldado no ar e depois tratado termicamente foi o superastro; ele não apenas ficou mais forte, mas também se tornou quase duas vezes mais elástico, rompendo fora da área da solda em vez de quebrar bem no meio.

No entanto, os pesquisadores descobriram que seus melhores planos para deter os "monstros de cristais gigantes" (um fenômeno chamado Crescimento anômalo de grão, ou AGG) não funcionaram muito bem. Não importava o quão rápido eles girassem a ferramenta ou se usassem água, óleo ou ar para resfriar o metal, os cristais gigantes ainda apareciam na parte superior da solda (a zona impulsionada pelo ombro). Em muitos casos, eles também invadiram a parte inferior da solda (a zona impulsionada pelo pino). Acontece que simplesmente resfriar o metal mais rápido ou girar a ferramenta mais rápido não foi suficiente para impedir que esses cristais crescessem descontroladamente durante o tratamento térmico.

Houve um lado sombrio no experimento também. Quando os pesquisadores usaram óleo de resfriamento, o óleo ficou preso dentro das camadas do metal. Quando eles assaram o metal mais tarde, o óleo preso tentou escapar, criando bolhas e rachaduras que arruinaram a junta. Essas juntas defeituosas eram fracas e quebradiças, não importava o quanto o tratamento térmico tentasse torná-las fortes. Da mesma forma, quando giravam a ferramenta rápido demais (1200 ou 1400 rpm), o metal desenvolvia buracos e vazios, o que novamente tornava o produto final fraco.

Quando observaram como o metal quebrava, viram uma história caótica. O metal não apenas partiu de forma limpa; ele mostrou uma mistura de quebra ao longo dos limites dos cristais (fratura intergranular) e rasgamento através dos próprios cristais (fratura dúctil/dimpled). Às vezes, pequenas partículas dentro do metal agiam como pequenas âncoras que ajudavam a formar buracos, levando a uma quebra. O estudo sugere que, embora o tratamento térmico torne o metal mais forte, ele não corrige o problema subjacente desses cristais gigantes crescendo, e não cura magicamente buracos ou rachaduras criadas durante o processo de soldagem. O ponto fundamental é que, embora possamos tornar o alumínio muito forte novamente, ainda não encontramos uma maneira simples de impedir que os cristais gigantes tomem conta do topo da solda, e definitivamente não podemos usar óleo para resfriar o metal se quisermos uma junta perfeita.