Formação de compostos intermetálicos e mecanismos de fratura em juntas dissimilares AA7004/DP600 produzidas por friction stir welding à aplicação na indústria automotiva

Abstract

A soldagem entre ligas de alumínio e de aço tem despertado grande interesse científico e tecnológico devido ao seu potencial para reduzir o peso de estruturas sem comprometer a integridade estrutural. A tecnologia de soldagem no estado sólido Friction Stir Welding (FSW) destaca-se por mitigar o aporte térmico e o potencial termodinâmico para reações difusivas, sendo teoricamente viável para o controle dimensional e para a obtenção de uma camada uniforme de compostos intermetálicos (CIMs). Contudo, constata-se escassez de pesquisas dedicadas a investigar a influência combinada das velocidades de rotação (ω) e de soldagem (v) sobre o desenvolvimento microestrutural da interface de juntas sobrepostas AA7004- T6/DP600. Este trabalho teve como objetivo preencher essa lacuna por meio da caracterização metalográfica, microestrutural e mecânica dos materiais base e das juntas soldadas, com o intuito de correlacionar os parâmetros com a microestrutura da interface. As análises macrográficas revelaram que baixas velocidades de rotação (400 RPM) induziram a formação de defeitos volumétricos, como túneis e vazios, enquanto o incremento para 600 e 800 RPM eliminou tais descontinuidades e otimizou a geometria das estruturas de intertravamento mecânico, os ganchos de ancoramento mecânico. Os perfis de microdureza evidenciaram fenômenos de superenvelhecimento e amolecimento localizado na zona termomecanicamente afetada (ZTMA) da liga AA7004, em contraste com picos de endurecimento de até 319 HV detectados na interface com o aço DP600. Nos ensaios de cisalhamento, as juntas processadas com maior aporte térmico (800 RPM e 150 mm/min) apresentaram o melhor desempenho mecânico, alcançando resistência média à fratura de 129,3 MPa, com nítida deformação plástica macroscópica prévia à falha, que ocorreu na interface em todas as condições. A análise fractográfica por MEV indicou que, embora o intertravamento mecânico dos ganchos de ancoramento tenha atuado no suporte de carga, o desplacamento final ocorreu por fratura frágil por clivagem na interface, associada à presença da camada não uniforme de compostos intermetálicos detectada por DRX.Dissimilar welding between aluminum alloys and steel has attracted significant scientific and technological interest due to its potential to reduce structural weight without compromising structural integrity. Solid-state friction stir welding (FSW) technology stands out for its ability to mitigate heat input and the thermodynamic potential for diffusion reactions, making it theoretically viable for dimensional control and for achieving a uniform intermetallic compound (IMC) layer. However, there is a scarcity of research investigating the combined influence of spindle speed (ω) and welding speed (v) on the interfacial microstructural development of AA7004-T6/DP600 lap joints. This work aimed to fill this gap by characterizing the base materials and welded joints using metallography, microstructural analysis, and mechanical testing to correlate parameters with the interface microstructure. Macrographic analyses revealed that low rotational speeds (400 RPM) induced volumetric defects, such as tunnels and voids, whereas increasing the speed to 600 and 800 RPM eliminated these discontinuities and optimized the geometry of the mechanical interlocking structures, the hooks. Horizontal microhardness profiles revealed overaging and localized softening in the thermomechanically affected zone (TMAZ) of the AA7004 alloy, in contrast to hardening peaks up to 319 HV at the DP600 steel interface. In shear tests, joints processed with higher heat input (800 RPM and 150 mm/min) exhibited the best mechanical performance, reaching an average fracture strength of 129.27 MPa and showing distinct macroscopic plastic deformation before failure, which occurred at the interface under all conditions. Scanning electron microscopy (SEM) fractographic analysis indicated that although the mechanical interlocking of the hooks contributed to load-bearing capacity, the final debonding occurred via brittle cleavage fracture at the interface, associated with a non-uniform intermetallic compound layer detected by XRD.