Friction hydro-pillar processing of carbon steels : a numerical investigation of joint structure, properties and material flow

Abstract

A Soldagem por Fricção com Pino Consumível (Friction Hydro Pillar Processing - FHPP) é uma técnica inovadora de união em estado sólido utilizada para reparar componentes de parede espessa. Durante o processo, o pino é rotacionado contra uma cavidade usinada no local do defeito para induzir aquecimento por fricção e fluxo do material plastificado para preenchimento adequado. Este trabalho apresenta uma investigação abrangente do FHPP, com foco na relação das variáveis de processo com a microestrutura, propriedades da junta, e fluxo do material. Buscando uma compreensão mais profunda e otimização dessa técnica de soldagem, três estudos foram realizados em diferentes tipos de aço, com uma abordagem conjunta experimental e numérica. No primeiro estudo, foram examinados os efeitos das variáveis do processo na microestrutura e nas propriedades da junta resultante, ou seja, estudou-se como a força, a velocidade de rotação do pino e o tempo de processamento, influenciam na obtenção da junta soldada por FHPP no aço ASTM A36. Um modelo numérico foi desenvolvido para examinar a taxa de geração de calor, o campo de temperatura transiente e sua correlação com as variáveis de processamento. A partir da análise experimental e numérica foi possível desenvolver um método para estimar a distribuição de dureza das juntas. Baseando-se no estudo anterior, o segundo artigo de pesquisa foca no FHPP de aço AISI 4140. Os resultados enfatizam a importância da otimização da taxa de força do pino e do tempo de processamento para obter juntas livres de defeitos e preenchimento adequado de furos de trincas. O terceiro estudo aborda o fluxo de material durante o FHPP, um aspecto pouco relatado na literatura. Por meio de uma combinação de análise teórica e experimentos de tomografia computadorizada por raios-x tridimensionais (XCT), utilizou-se um inserto de liga de titânio para rastrear o fluxo de material durante o FHPP de um substrato AISI 4140. Um modelo numérico termomecânico axissimétrico foi desenvolvido para rastrear o fluxo do material. Os resultados mostraram que a porção central do pino se deforma em uma série de planos de cisalhamento em camadas, enquanto que o material plastificado mais externo radialmente flui pela folga entre o pino e a peça, com o excesso de volume sendo expulso como rebarba.

Friction hydro-pillar processing (FHPP) is a solid-state joint technique employed for repairing thick-walled components using an external stud. During the process, the stud is rotated against a crack-hole to induce friction heating and flow of plasticized material for proper filling. This Ph.D. thesis presents a comprehensive investigation of FHPP, focusing on the determination of joint structure, material flow, and properties while considering the effects of processing variables. Contributing to a deeper understanding and optimization of the technique, three critical studies were carried out on different types of steel substrates with a joint experimental and numerical approach. The first study investigates the effect of processing conditions - such as stud force, rotational speed and processing time - on joint structure and properties in FHPP of ASTM A36 steel. A numerical model was developed. in which the rate of heat generation, transient temperature field, and their correlation with processing variables were examined. From experimental and numerical analyses results, a method to estimate the hardness distribution within the joints was presented. Building upon the previous study, the second research paper focuses on FHPP of AISI 4140 steel. The results emphasize the importance of optimizing stud force rate and processing time to achieve defect-free joints and proper filling of crack holes, offering valuable insights into the systematic and quantitative aspects of the technique. The third study addresses the material flow during FHPP, an aspect that is often underreported in the literature. Through a combination of theoretical analysis and three-dimensional X-ray computer tomography (XCT) experiments, a Ti-alloy tracer material was used to track material flow during FHPP of an AISI 4140 substrate. A thermo-mechanical axi-symmetric numerical model was developed to further investigate and track the material flow. The findings reveal stationary layer-wise shear planes in the central portion of the plug and flow of plasticized material from the tapered interface through the clearance between the plug and the substrate, with excess volume being extruded as flash.