Laser welding of shape memory alloys

Dissertação apresentada na Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade Nova de Lisboa para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Mecânica

A necessidade de desenvolver técnicas avançadas de união para ligas com memória de forma tem-se revelado um assunto da maior importância, uma vez que as suas propriedades funcionais,nomeadamente o efeito de memória de forma e a superelasticidade, se revestem de enorme valor para aplicações actuais ou emergentes. De entre as ligas com memória de forma, o NiTi é a mais aplicada em campos tecnológicos tão diversos como a indústria biomédica, aerospacial e automóvel,o que se deve às suas características, como sejam: as elevadas biocompatibilidade e resistência à corrosão. Por estas razões, tem sido investigadas técnicas de ligação para estas ligas. No entanto, a sua ligação a outros materiais constitui um desafio cada vez maior permitindo explorar novos domínios de aplicação. O principal objectivo deste estudo é compreender o efeito da soldadura laser em aspectos estruturais, mecânicos e funcionais, tanto em ligações similares envolvendo NiTi, como dissimilares. Foram produzidas juntas similares topo a topo utilizando um laser de Nd:YAG em modo contínuo e estudados os efeitos da direcção de laminagem na configuração de junta e dos parâmetros do processo nas caraterísticas das juntas. A soldadura dissimilar de NiTi com Ti-6Al-4V foi realizada com um laser de fibras operando em modo contínuo. Adicionalmente, soldaram-se arames de NiTi com aço inoxidável austenítico utilizando uma fonte laser de Nd:YAG operando em modo pulsado. Foram projectados e produzidos sistemas de fixação e de protecção gasosa específicos para estas aplicações. Foram desenvolvidos e/ou adaptados métodos de ensaio para a avaliação da macro e microestructura, do comportamento mecânico cíclico e da capacidade de memória de forma. Utilizaram-se técnicas de análise como a Calorimetria Diferencial de Varrimento (DSC), a Microscopia Electrónica de Varrimento (SEM), EDS para identificação de espécies químicas e microdureza para avaliar as juntas soldadas. Foram produzidas juntas soldadas sem defeitos de soldadura utilizando parâmetros de processo optimizados, as quais apresentaram elevada tensão de rotura (acima de 400 MPa), patamares superelásticos até níveis de deformação próximos de 8%, comportamento cíclico superior ao material base e fractura dúctil. Foi observada baixa tensão de rotura nas juntas dissimilares sobrepostas com aço inoxidável AISI 316LN, devido à fractura prematura pela zona afectada pelo calor, no lado do NiTi. Nas juntas topo a topo de NiTi com Ti-6Al-4V a zona revela uma estrutura de solidificação rápida do tipo dendrítica na qual se propagaram fissuras com origem em defeitos de soldadura, tais como falta de penetração.