Estudo da soldagem entre alumínio 2024-T3 e compósito PEI/fibra de vidro para aplicação aeronáutica

Abstract

O aumento da utilização de materiais avançados, como compósitos termoplásticos e ligas de alumínio, em setores vinculados a indústria aeronáutica é atribuído principalmente às suas excelentes propriedades mecânicas associada a sua elevada resistência específica (relação resistência/peso). Em consequência a este panorama, torna-se imprescindível a interação entre esses materiais na estrutura de uma aeronave e, consequentemente um estudo desses materiais visando a união de ambos. A soldagem se destaca, em relação aos métodos de união por rebite e colagem, por proporcionar um método de união efetivo, sem o aumento do peso na estrutura e com tempos reduzidos na produção de juntas. Desta forma, este trabalho tem como principal objetivo a obtenção de juntas soldadas envolvendo o compósito PEI (poli (éter-imida)) reforçado com fibra de vidro e ligas de alumínio 2024-T3 (AA2024-T3) a partir dos processos de soldagem por oxi-combustão (OFW – Oxi-Fuel Welding) e soldagem a laser por Yb: fibra. Neste trabalho foi utilizado o planejamento experimental tipo fatorial completo 22 como variável resposta a tensão de ruptura (MPa) obtida a partir do ensaio mecânico de Lap Shear (LSS). Para a soldagem a laser foram analisadas as variáveis do processo: velocidade e potência do feixe e a soldagem por OFW foram consideradas as variáveis: distância da chama e tempo. Além disso, uma análise da viabilidade do ensaio de ILSS (Resistência ao Cisalhamento Interlaminar) foi realizado para a soldagem por OFW. Para a soldagem por OFW foi obtido um valor otimizado de LSS de 6,32 MPa. Já para os valores otimizados para a soldagem a laser chegou-se a 8,06 MPa. Após os valores obtidos estatisticamente, as amostras da liga AA2024-T3 foram anodizadas com o intuito de aumentar o intertravamento na interface soldada dos materiais. Considerando os resultados obtidos a partir da soldagem por OFW, obteve-se o dobro do valor de LSS (13,80 MPa) com amostras soldadas utilizando a liga anodizada em relação a liga como recebida. Por conseguinte, a partir da soldagem a laser, obteve-se um valor de LSS de 13,85 MPa. A partir desses resultados, o processo a laser foi aprimorado, aplicando-se dois cordões em amostras da liga de alumínio anodizada e obtendo um valor de LSS de 16,02 MPa. Finalmente, foram realizadas caracterizações nos materiais soldados a partir da análise por estereoscópio e microscopia óptica que constituíram junta em condições otimizadas estabelecidas neste estudo. Em ambos os processos foi constatada a influência da soldagem na morfologia da liga de alumínio, convertendo sua estrutura em grãos equiaxiais e formando partículas de segunda fase (dispersóides), a partir da segregação de precipitados, que causaram a redução de sua dureza. Com aplicação correta dos parâmetros e a devida proteção do compósito polimérico frente ao aquecimento de ambos os processos de soldagem, sua morfologia não apresentou mudanças ou a presença de defeitos que pudessem interferir em sua propriedade. Por fim, a análise potenciodinâmica constatou que a liga anodizada apresentou menor densidade de corrente e, consequentemente, uma maior resistência à corrosão se comparado a liga como recebida e após as soldagens.

The increase in the use of advanced materials, such as thermoplastic composites and aluminum alloys, in sectors linked to the aeronautical industry is mainly attributed to its excellent mechanical properties associated with its high specific resistance (resistance / weight ratio). As a consequence of this panorama, the interaction between these materials in the structure of an aircraft becomes essential and, consequently, a study of these materials aiming at the union of both. Welding stands out, in relation to the methods of joining by rivet and gluing, for providing an effective method of joining, without increasing the weight in the structure and with reduced times in the production of joints. Thus, this work has as main objective the obtaining of welded joints involving the composite PEI (poly (imide ether)) reinforced with fiberglass and aluminum alloys 2024 T3 (AA2024-T3) from the oxy-combustion welding processes (OFW - Oxi Fuel Welding) and laser welding by Yb: fiber. In this work, a full factorial type 22 experimental design was used as the response to rupture stress (MPa) obtained from the Lap Shear mechanical test (LSS). For laser welding, the process variables were analyzed: beam speed and power and OFW welding was considered the variables: flame distance and time. In addition, an analysis of the feasibility of the ILSS (Interlaminar Shear Resistance) test was performed for OFW welding. For OFW welding, an optimized LSS value of 6.32 MPa was obtained. The values optimized for laser welding reached 8.06 MPa. After the values obtained statistically, the samples of the alloy AA2024-T3 were anodized in order to increase the interlock at the welded interface of the materials. Considering the results obtained from the welding by OFW, it was obtained twice the value of LSS (13.80 MPa) with samples welded using the anodized alloy in relation to the alloy as received. Therefore, from laser welding, an LSS value of 13.85 MPa was obtained. From these results, the laser process was improved by applying two beams to anodized aluminum alloy samples and obtaining an LSS value of 16.02 MPa. Finally, characterizations were carried out on the welded materials from the analysis by stereoscope and optical microscopy that formed a joint under the optimized conditions established in this study. In both processes, the influence of welding on the morphology of the aluminum alloy was verified, converting its structure into equiaxial grains and forming second phase particles (dispersoids), from the segregation of precipitates, which caused the reduction of its hardness. With correct application of the parameters and the due protection of the polymeric composite against the heating of both welding processes, its morphology did not present changes or the presence of defects that could interfere in its property. Finally, the potentiodynamic analysis found that the anodized alloy had lower current density and, consequently, greater resistance to corrosion when compared to the alloy as received and after welding.