Soldagem pro fricção e Friction Stir Welding

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SOLDAGEM POR FRICÇÃO (FW) & FRICTION STIR WELDING (FSW) AGOSTO (2013) UNIVERSIDADE FEDERAL DE CAMPINA GRANDE CENTRO DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA Disciplina: Processos de Soldagem e Corte Professor: Theophilo Moura Maciel Aluno PPGEM: Jailson A. da Nóbrega

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Apresentação sobre processos de soldagem desenvolvida durante o mestrado realizado em Engenharia Mecânica pela Universidade Federal de Campina Grande.

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SOLDAGEM POR FRICÇÃO (FW)&

FRICTION STIR WELDING (FSW)

AGOSTO (2013)

UNIVERSIDADE FEDERAL DE CAMPINA GRANDECENTRO DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA

PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA

Disciplina: Processos de Soldagem e Corte

Professor: Theophilo Moura Maciel

Aluno PPGEM: Jailson A. da Nóbrega

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SOLDAGEM POR FRICÇÃO (FW)

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Histórico

• O processo de soldagem por fricção, também conhecido como soldagem por atrito, tem o seu desenvolvimento reivindicado por diversos países.

• Em 1929 foi registrada a primeira patente alemã; de 1939 a 1944 foi registrada uma série de patentes sobre esse processo na Inglaterra.

• Ele foi introduzido na Rússia em 1956, e depois foram feitas diversas inovações nos Estados Unidos da América, sendo modificado e patenteado em 1966.

• Devido a essas patentes existem duas variantes no processo, cujas diferenças estão no modo de geração de energia: a soldagem por atrito convencional (russa) e a soldagem por atrito inercial (americana).

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Características do processo

• Processo de união no estado sólido cuja ligação é produzida em temperaturas menores do que a temperatura de fusão dos materiais bases. ( classificação AWS)

• O aquecimento responsável pela união é gerado mecanicamente por atrito entre as peças a serem soldadas. Esse aquecimento ocorre devido a uma das peças (que está fixa) ser pressionada sobre a outra peça que se encontra em alta rotação.

• O atrito entre as superfícies faz com que a temperatura aumente rapidamente até atingir a temperatura de forjamento a quente da liga, fazendo com que a massa se deforme plasticamente e flua em função da aplicação de pressão e da força centrífuga, gerando uma rebarba (flash).

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Características do processo

• Esse processo de soldagem é realizado em poucos segundos e as propriedades mecânicas das junções são iguais ou superiores às dos materiais envolvidos.

• A ZTA é extremamente pequena.

• Devido ao rápido aquecimento e resfriamento localizado do metal dentro de um volume limitado sob aplicação de elevada pressão, o processo de soldagem por fricção produz junções com estrutura metalúrgica composta por grãos finos e equiaxiais.

• Altas propriedades mecânicas de tração, dobramento e impacto.

• Variação de dureza ao longo da ZTA é muito pequena e a resistência à fadiga é pouco afetada principalmente quando após a soldagem realizado um tratamento de têmpera e revenido.

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Características do processo

• O processo de soldagem por fricção permite soldar a maioria dos materiais e dissimilares como Cu-Ni, Al-Aço, Bronze–Aço, Ti-Al, Cerâmica-Al, Ni-Al, Ag-Cu, Ligas de Mg-Al, etc.

• È possível unir barras cilíndricas com diâmetros dentro da faixa de 3,0 mm a 200 mm (barras de aço ao carbono, sólidas), utilizando um equipamento de soldagem por fricção fornecido comercialmente.

• Os equipamentos de soldagem modernos são automáticos, uma vez a máquina ajustada de acordo com os parâmetros de soldagem estabelecidos, podem ser produzidas milhares de peças com a mesma qualidade.

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Tipos de fornecimento de energia

• Existem dois processos de fornecimento de energia para esta tecnologia, que são:

Processo de Soldagem por Fricção Convencional (Russo)

Processo de Soldagem por Fricção Inercial (Americano)

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Tipos de fornecimento de energia: CONVENCIONAL• A peça é fixada e rotacionada por uma unidade motora a uma velocidade pré-determinada, e

a outra peça é posicionada, alinhada e deslocada por meio de um pistão hidráulico até tocar a peça que está girando.

Duas formas de controlar o fim da soldagem:Terminar a solda no período pré-determinado

pelo projeto através de parâmetros constantes.Levando em consideração a quantidade total de

deslocamento.

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Tipos de fornecimento de energia: INERCIAL• No processo de soldagem por fricção inercial, uma peça é fixada ao volante com

grande momento de inércia e a outra peça é posicionada e alinhada com essa peça por meio de um pistão hidráulico.

• O atrito entre as peças faz com que o material

atinja a temperatura de forjamento do material e

possibilite a junção dos materiais.

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Tipos de fornecimento de energia:

• Caso existam impurezas, inclusões ou defeitos no material serão arrastados pelas linhas de fluxo originadas pela pressão que é aplicada.

Influem na resistência da solda.

Inercial, há um maior entrela-

çamento das linhas de fluxo.

• Convencional elas são radiais porque, quando é aplicada a pressão final sobre a junta, ela está praticamente imóvel. No processo de soldagem por atrito inercial elas são espiraladas, pois a pressão é aplicada com a peça ainda em movimento radial.

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Tipos de fornecimento de energia:

• Ao final do processo de soldagem (método convencional e inercial), forma se o “colar” (uma camada de material abrasivo gerado sobre a região da solda). Após um curto período, a camada é esfriada pela temperatura ambiente, a máquina de soldagem é ligada e faz com que as peças já soldadas girem novamente. Com o auxílio de uma ferramenta de corte (uma lâmina), o colar é facilmente destacável da peça acabada, fazendo com que a superfície da solda fique lisa.

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Comparações entre as duas variações do processo:

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Variáveis do Processo

• Tempo de soldagem convencional

é muito maior.

• Processo inercial, há um maior controle

da temperatura e o torque é muito maior

acarretando em ter garras mais eficientes.

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Variáveis do Processo

• A pressão controla o gradiente de temperatura e influência no torque

e na potência.• Com o aumento de pressão há uma diminuição da ZTA.• Deve se resaltar que a pressão depende do material a ser soldado.

• Variante convencional a duração de aquecimento deve ser controlado. Aquecimento excessivo aumenta o consumo do material. Aquecimento irregular pode gerar inclusões e regiões não unidas.

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Variáveis do Processo

• Ligas com baixo coeficiente de atrito não podem ser soldados. É o caso dos bronzes ou latões com mais de 0,3% de Pb.

• Certos aços com inclusão de sulfetos de manganês também não podem ser soldados devido a formação de fases frágeis da solda.

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Vantagens do processo

• Como as ligações entre os materiais ocorrem através de difusão e não por fusão, a soldagem por fricção é capaz de soldar a maioria dos materiais, inclusive materiais altamente dissimilares que não são possíveis por meio dos processos por fusão até o momento.

• O equipamento de soldagem é automático, de simples operação e permite repetibilidade, o que é extremamente importante para empresas que trabalham com produção em série.

• As junções produzidas por esse processo possuem alta resistência mecânica das soldas, permitindo a sua utilização em aplicações estruturais;

• Não é utilizado metal de adição, fluxo ou gases de proteção, que conciliado ao baixo consumo de energia e rapidez na execução, representam baixo custo;

• O consumo de energia é mínimo se comparado com os processos por fusão, não gera fumos ou vapores tóxicos nocivos ao meio ambiente;

• As junções obtidas por meio desse processo têm alta qualidade e são isentas de defeitos superficiais como mordeduras, falta de fusão, respingos, trincas, porosidades, etc., tão comuns aos processos de soldagem por fusão.

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Vantagens do processo

• Como a soldagem ocorre no estado sólido em baixa temperatura, preserva a microestrutura da maioria dos materiais eliminando a necessidade de tratamento térmico após a soldagem;

• Como o calor gerado por esse processo é pequeno, a temperatura na interface de ligação fica abaixo do ponto de fusão, e não gera distorções na junta soldada.

• A zona termicamente afetada é relativamente estreita, se comparada aos outros métodos. Pode ser ainda menor quando aplicado o método por inércia..

• O processo de soldagem pode ser controlado a distância (atualmente, até 4 km de distância da unidade de soldagem), o que facilita sua aplicação em indústrias de produtos perigosos ou até de grandes dimensões.

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Limitações do processo

• O custo do equipamento é elevado, sendo normalmente produzido em países como India, Alemanha, Inglaterra e exportado para o Brasil;

• Os equipamentos são robustos, não permitem o transporte e manuseio em outros locais de trabalho;

• Apresenta determinadas limitações quanto à geometria e dimensões das peças.• Não permite a soldagem de materiais com baixo coeficiente de atrito, como

determinados ferros fundidos, bronzes, etc.;• Limitado a certos tipos de juntas de topo, planas e angulares, devendo ser

perpendiculares e concêntricas em relação ao eixo de rotação, qualquer desalinhamento das peças a serem unidas poderá comprometer a qualidade estrutural da junção.

• Superfícies de materiais que sofreram tratamentos superficiais de carbonetação, nitretação apresentam dificuldades para serem soldadas por fricção devido ao baixo coeficiente de atrito e apresentarem baixa forjabilidade.

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Aplicação

• Válvula bimetálica:

Ponta e a cabeça fabricadas em material diferente, exposto a grandes esforços, solda ductil e dura sem uma ZTA muito extensa.

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Aplicação

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Friction Stir Welding (FSW)

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• Friction Stir Welding (FSW) foi inventado por Thomas Wayne no TWI (The Welding Institute), Inglaterra no ano de 1991.

• É um processo de estado sólido, a ligação entre os materiais ocorre abaixo do ponto de fusão, com a ajuda de pressão.

• foi inicialmente aplicada às ligas de Alumínio.

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• Uma ferramenta rotativa não consumível é colocada sobre dos materiais a serem soldados, em seguida, o pino central, ou sonda, é posto em contato com as duas peças a serem unidas. A rotação da ferramenta aquece por atrito os materiais que se encontram em contato com a ferramenta, se deslocando ao longo da linha da junta, o material é arrastada em torno deste pino, de modo a eliminar a interface.

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• Durante o processo de FSW, o material sofre uma deformação plástica intensa a uma elevada temperatura resultando na geração de finos e equiaxial recristalizados. A microestrutura conduz a boas propriedades mecânicas.

• Os parâmetros de soldagem, geometria da ferramenta e design de articulação exercem efeito significativo sobre o padrão de fluxo de material e a temperatura de distribuição, de forma a influenciar na evolução da microestrutura do material.

• Soldagem de espessuras variando de 1,2 mm a 50 mm, numa única passagem, a mais de 75 milímetros quando utilizado de ambos os lados.

• Apropriado para a Soldagem de Al e ligas, Mg e ligas, Cu e ligas, Ti e ligas de aço, e união de ligas de matérias dissimilares.

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• A geometria da ferramenta é o aspecto de maior influência do processo de desenvolvimento, ela desempenha um papel crítico no fluxo de material e, por sua vez controla a velocidade de deslocamento no qual FSW pode ser conduzida.

• A rotação da ferramenta resulta na agitação e na mistura de material em torno do pino de rotação, maiores taxas de rotação da ferramenta geram temperatura mais alta por causa do maior aquecimento por atrito.

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VANTAGENS DO PROCESSO

• Processo de alta qualidade com nenhuma porosidade, que resultante da fusão.

• Boas propriedades mecânicas para ligas de alumínio de qualidade igual ou excede as obtidas por processos concorrentes.

• O processo é ecologicamente correta, pois não há geração fumos, respingos, radiação UV, gases de proteção e materiais de adição.

• Utiliza a tecnologia de máquinas-ferramenta, portanto, fácil de automatizar.

• Solda em todas as posições.

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LIMITAÇÕES DO PROCESSO

• Não tem a flexibilidade de processos manuais e ao arco por exemplo, FSW não pode ser utilizada quando é necessária a deposição de metal.

• Alto custo de processo e importação de equipamento.

• Maior controle no alinhamento dos materiais.

• Superfície livre de irregularidades.

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APLICAÇÃO

• Indústria Aeroespacial

• Construção naval

• Indústria ferroviária

• Grandes tanques de combustível e outros recipientes para veículos espaciais, plataformas de carga para balsas de alta velocidade, vagões.

• Indústria automotiva devido o aumento da utilização de alumínio, e soldagem de materiais dissimilares. (painel, chassi e suspensão)

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Bibliografia:

Wainer, E., Brandi, S. D., de melo F.D.H. “ SOLDAGEM PROCESSOS E METALURGIA” pp 317- 334 Editora Blucher.

Bracarense, A. Q “PROCESSO DE SOLDAGEM POR FRICÇÃO – FW “ Universidade Federal de Minas Gerais Grupo de Robótica, Soldagem e Simulação

Mota “TÉCNICA DE SOLDAGEM POR FRICÇÃO”UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ – UFPA INSTITUTO DE TECNOLOGIA FACULDADE DE ENGENHARIA MECÂNICA TECNOLOGIA DE SOLDAGEM.

Alves, Eder Paduan. Junções de materiais dissimilares utilizando o processo de soldagem por Fricção rotativa / Eder Paduan Alves. – São José dos Campos : INPE, 2010.

<http://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=1170> Acesso em: 20 Ago. 2013

<http://fsrl.byu.edu/presentations/Dual%20Phase%20Steel.pdf> Acesso em: 20 Ago. 2013

R.S. Mishra Z.Y. Ma “Friction stir welding and processing” Materials Science and Engineering ed 50 2005

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Obrigado.

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