Soldadura por fricção linear assistida por corrente elétrica

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Mecânica

Verification of analog circuits in power-down mode

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Eletrotécnica e Computadores

Characterization of processed materials by electrical currents: development of equipment and applications

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Mecânica

Inspecção de componentes microfabricados com células bacterianas: simulação, instrumentação e validação experimental

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Mecânica

Produção de compósitos Alumínio/NiTi através do processo híbrido de fricção linear

Os compósitos inteligentes de matriz metálica (CIMM) têm sido intensamente explorados nas últimas décadas devido à capacidade destes sistemas poderem alterar as suas propriedades mediante um estímulo externo. As ligas de Níquel-Titânio (Ni-Ti) são materiais inteligentes e desempenham, maioritariamente, funções de atuação ou controlo de vibrações nos sistemas em que se inserem, permitindo que estes apresentem características funcionais. A soldadura por fricção linear (SFL) tem sido uma alternativa aos processos de soldadura por fusão para materiais difíceis de soldar como as ligas de alumínio (AA) ou ainda na ligação de materiais dissimilares. No entanto, devido à ocorrência de defeitos, gerados como consequência do deficiente fluxo visco-plástico produzidos pela SFL, surgiram novas variantes deste processo, como a SFL assistida por corrente elétrica (SFLACE), que, por efeito de Joule, provoca o aquecimento do material processado e, consequente, aumento do fluxo visco-plástico, diminuindo ou eliminando a presença de defeitos. Este trabalho incide na produção de CIMM utilizando chapas de AA1100 reforçadas com Ni-Ti por SFLACE em configuração de junta sobreposta. As interfaces e os fluxos de material resultantes foram analisados recorrendo às técnicas de microscopia ótica (MO), SEM, EDS e difração de raio-x (DRX). O controlo de vibrações do CIMM produzido foi também estudado através de ensaios de vibração à temperatura ambiente, bem como a temperaturas superiores à de fim da formação da fase austenítica, e efetuaram-se ensaios de flexão e pull-out com vista à caracterização mecânica. Observou-se que o compósito produzido apresenta um fator de amortecimento superior quando o reforço se encontra na fase martensítica. O ensaio de pull-out confirmou a existência da ligação entre a matriz e o reforço, igualmente observada por SEM. O compósito produzido apresenta uma forte ligação entre os materiais dissimilares, com franca melhoria no caso das amostras processadas com corrente elétrica, obtendo-se um material com características funcionais.

Transimpedance amplifier for early detection of breast cancer

Breast cancer is the most common type of cancer worldwide. The effectiveness of its treatment depends on early stage detection, as well as on the accuracy of its diagnosis. Recently, diagnosis techniques have been submitted to relevant breakthroughs with the upcoming of Magnetic Resonance Imaging, Ultrasound Sonograms and Positron Emission Tomography (PET) scans, among others. The work presented here is focused on studying the application of a PET system to a Positron Emission Mammography (PEM) system. A PET/PEM system works under the principle that a scintillating crystal will detect a gamma-ray pulse, originated at the cancerous cells, converting it into a correspondent visible light pulse. The latter must then be converted into an electrical current pulse by means of a Photo- -Sensitive Device (PSD). After the PSD there must be a Transimpedance Amplifier (TIA) in order to convert the current pulse into a suitable output voltage, in a time period lower than 40 ns. In this Thesis, the PSD considered is a Silicon Photo-Multiplier (SiPM). The usage of this recently developed type of PSD is impracticable with the conventional TIA topologies, as it will be proven. Therefore, the usage of the Regulated Common-Gate (RCG) topology will be studied in the design of the amplifier. There will be also presented two RCG variations, comprising a noise response improvement and differential operation of the circuit. The mentioned topology will also be tested in a Radio-Frequency front-end, showing the versatility of the RCG. A study comprising a low-voltage self-biasing feedback TIA will also be shown. The proposed circuits will be simulated with standard CMOS technology (UMC 130 nm), using a 1.2 V power supply. A power consumption of 0.34 mW with a signal-to-noise ratio of 43 dB was achieved.

Conceção, simulação e validação experimental de sondas de correntes induzidas para ensaios não destrutivos de geometrias tubulares

Os Ensaios Não destrutivos de (END) por Correntes Induzidas (CI) são uma das principais técnicas utilizadas na inspeção de tubagens, nomeadamente em caldeiras e permutadores de calor. Apesar de ser uma técnica comum e com muitos anos de experiência acumulada, existem algumas condições onde persistem dificuldades, como é o caso da deteção de micro defeitos com orientação tangencial. Por outro lado, assiste-se atualmente a uma exigência cada vez maior do ponto de vista da fiabilidade dos sistemas e sondas de CI. Um exemplo particular dessa exigência é a inspeção de um perfil com geometria tubular em aço inox 316LN (JK2LB), o qual constitui as bobinas poloidais do International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER). O objetivo central deste trabalho foi desenvolver e validar experimentalmente diferentes tipos de sondas de CI para a deteção de micro defeitos no interior de componentes de geometria tubular, com vista a reduzir o limiar de detetabilidade dos defeitos com orientação tangencial, e assim aumentar a fiabilidade de inspeção. Foram concebidas, produzidas e validadas experimentalmente quatro novas sondas de CI e foram replicadas três configurações já existentes. Foram realizadas simulações numéricas das diferentes sondas, sob diferentes condições de inspeção e criaram-se os meios laboratoriais adequados para a realização dos END. Os resultados experimentais mostraram que as novas sondas desenvolvidas permitem detetar com clareza defeitos tangenciais com 2 mm de comprimento e 0.5 mm de profundidade, o que está claramente abaixo do limiar de detetabilidade das sondas convencionais constituídas por bobinas toroidais. As simulações numéricas permitiram descrever e caracterizar com sucesso alguns fenómenos elétricos e magnéticos envolvidos no funcionamento das sondas. Em termos genéricos, foi estabelecido um importante conhecimento processual dos END por CI de geometrias tubulares.

Desenvolvimento experimental e simulação numérica em soldadura por fricção linear assistida por corrente elétrica

A soldadura por fricção linear (SFL) é um processo de ligação no estado sólido com capacidade para soldar materiais dissimilares e ligas metálicas de baixa soldabilidade. Contudo, nas juntas soldadas com uma configuração topo-a-topo é possível o aparecimento de defeitos na raiz do cordão, nomeadamente, de falta de penetração e de alinhamentos de óxidos. Estes defeitos são responsáveis pela diminuição da resistência mecânica das juntas, sobretudo quando sujeitas a esforços de fadiga. Existem variantes do processo para eliminar este tipo de defeitos, no entanto, verificam-se algumas dificuldades tecnológicas e a competitividade do processo é afetada. No âmbito deste trabalho desenvolveu-se uma variante do processo designado soldadura por fricção linear assistida por corrente elétrica (SFLAE). Esta variante consiste em introduzir uma corrente elétrica de elevada intensidade na zona da raiz do cordão, por forma a que o calor gerado por efeito de Joule aqueça o material e aumente o fluxo visco-plástico nessa zona, tendo em vista atenuar ou eliminar os defeitos na raiz. Foram concebidas e produzidas ferramentas de SFL dedicadas, melhorado um modelo analítico do processo, realizadas simulações numéricas para permitir compreender alguns fenómenos físicos envolvidos no processo, e realizados ensaios experimentais de validação. A análise aos cordões permitiu observar uma diminuição da espessura dos defeitos na raiz em três ensaios realizados na liga AA1100 e AA6084-T6 usando intensidades de corrente de 300 A. Dos resultados de microdureza e de medição de condutividade elétrica é possível concluir que a microestrutura do material não é significativamente alterada pela passagem de corrente elétrica.

Simulação, desenvolvimento de equipamento e validação experimental de ensaios não destrutivos com células bacterianas

A técnica de Ensaios Não Destrutivos (END) baseada em células bacterianas (CB) foi proposta recentemente e tem demonstrado viabilidade na identificação de micro defeitos superficiais, com espessuras e profundidades inferiores a 5 μm, em vários materiais de engenharia. O conhecimento processual já é significativo, mas diversos aspectos carecem de desenvolvimentos, nomeadamente, a interacção das bactérias com outros materiais, o limiar de detectabilidade da técnica, a aplicação a defeitos naturais ou o comportamento dinâmico das bactérias sujeitas a campos eléctricos ou magnéticos. Este trabalho pretendeu ser um passo em frente no conhecimento da técnica. Os principais objectivos foram alargar a documentação sobre a interacção bactéria-material, determinar o menor defeito padrão possível de detectar, estabelecer e validar um modelo analítico da dinâmica das bactérias sujeitas a forças exteriores, e comparar o desempenho da técnica com os END por líquidos penetrantes (LP). Foi desenvolvido e testado um protótipo para aplicação de campos magnéticos permanentes triaxiais. A bactéria Rhodococcus erythropolis foi usada na inspecção dos materiais AA1100, AISI 316L, WC, titânio, NiTi, ouro, ABS e lentes oftálmicas, com defeitos padrão por micro e nano indentação e riscagem, assim como os defeitos existentes em soldaduras laser. A técnica foi testada nos padrões de sensibilidade dos LP para efeitos de comparação. Verificou-se que é possível identificar defeitos de nano indentação com largura e profundidades de aproximadamente 5,3 μm e 0,4 μm, respectivamente, e que também são identificados os defeitos dos padrões sensibilidade dos LP, com cerca de 1 μm de espessura.

Caracterização de materiais soldados com base na medição de perfis de condutividade eléctrica

Trabalhos recentes têm demonstrado que a medição de perfis de condutividade eléctrica é uma técnica eficaz, rápida e não destrutiva para a caracterização de materiais metálicos ligados por soldadura por fusão ou no estado sólido. Os resultados referentes às ligas de alumínio mostram que existe uma estreita correlação entre os perfis de condutividade eléctrica e os perfis de dureza, sendo os primeiros determinados sobretudo pelo tamanho de grão. Relativamente às ligas de aço, verifica-se que os perfis de condutividade eléctrica também permitem identificar as diferentes zonas termicamente afectadas devido aos processos de soldadura por fusão, as quais são geralmente descritas por zona fundida (ZF) e zona termicamente afectada (ZTA), sendo a sua extensão dependente sobretudo da Entrega Térmica (ET). Contudo, em algumas ligas, as características metalúrgicas que controlam as variações de condutividade eléctrica não estão devidamente descritas ou compreendidas. Nesse sentido, o objectivo do presente trabalho foi caracterizar os perfis de condutividade eléctrica em diferentes ligas de aço soldadas por fusão, identificando os principais aspectos metalúrgicos que lhes estão subjacentes. Foram realizados cordões de soldadura SER e TIG de aços P11, P22 e não ligado com diferentes parâmetros de soldadura. Os perfis de condutividade eléctrica foram medidos com sondas de correntes induzidas e com sondas de quatro pontos a diferentes profundidades, tendo sido comparados com os respectivos perfis de microdureza Vickers. Os resultados mostram que existe uma boa correlação entre a condutividade e a dureza, sendo que a condutividade é essencialmente determinada pelo tamanho de grão, e pela morfologia da fase ferrítica. A ferrite Witmanstatten facilita a passagem de corrente eléctrica ao contrário da ferrite poligonal que constitui um obstáculo à passagem de electrões. Pode confirmar-se que a medição dos perfis de condutividade é uma técnica com elevado potencial para complementar, ou em alguns casos substituir, a medição de durezas em ligas de aço soldadas por fusão.

Plasma nitriding of AA2011 alloy and surface characterization by NDT techniques

Al-Cu alloys are widely used in the aerospace and automotive industries due to their high specific strength in some tempered conditions. However, due to poor corrosion and wear resistance, they are often anodized and/or painted. Plasma nitriding has been proposed as an alternative, though the developments in this technique are still in a recent stage for Al alloys. Electrical characterization techniques are well implemented NDTs in the industry because of good accuracy associated with lower cost, compared to other methods. Some, like eddy currents and 4-point probe techniques, are often used in coating inspection. The objective of this study was to perform Al nitriding at low temperatures to minimize the tempering initial condition damage and to assess the feasibility of eddy currents technique as a method for evaluating surface properties. The work developed can be divided in two stages. The first one was the process tuning, done at the Shibaura Institute of Technology, in Tokyo; and the second was the electrical characterization done in Faculdade de Ciências e Tecnologia, UNL. Low temperature nitriding of AA2011 alloy specimens was successfully achieved. Electrical conductivity results show that lift-off measurements by eddy currents testing can be related to surface properties.

Produção e caracterização de materiais com gradiente funcional a partir de ligas com memória de forma

O presente trabalho incidiu no estudo da possibilidade de se obter uma variação das propriedades funcionais numa liga de NiTi rica em Ni comercial a partir de um processo de tratamentos térmicos localizados por efeito de Joule. Para tal, foram tratados troços de fitas de NiTi sujeitas a diferentes tratamentos termo-mecânicos prévios, que foram posteriormente sujeitos a análise térmica por DSC (Differential Scanning Calorimetry) para se identificar a influência dos tratamentos térmicos nas temperaturas de transformação. As fitas foram também sujeitas a ciclos de deformação com utilização de um extensómetro para averiguar a influência de cada troço na deformação/recuperação globais. Estes estudos foram complementados por ensaios de resistividade elétrica, identificando-se as variações de resistividade nos diferentes troços, e por ensaios de DRX para complementar a análise térmica de modo a determinar as fases existentes nas fitas às diferentes temperaturas. Questões relacionadas com o processo e os seus diferentes parâmetros de operação foram também identificados e discutidas de modo a se poder adaptar e aperfeiçoar no futuro. Os resultados mostraram que este processo se adequa ao objetivo pretendido, com capacidade superior para se obter uma variação espacial das propriedades funcionais relativamente a outros métodos utilizados.