PSV1 Nome: Lucas de Souza Kort Camp Tema: Soldagem em fase sólida
23/11/2016
RT4
1. Soldagem sólida Soldagem por fase sólida são processos de soldagem onde a união das peças ocorre abaixo da temperatura de fusão e sem adição de m material aterial de adição. Essa união ocorre sob o efeito da temperatura e pressão. pr essão. Esse tipo de soldagem inclui alguns dos processos mais antigos. Os metais unidos mantêm suas propriedades originais sem os problemas decorrentes da zona termicamente afetada comuns nos processos que envolvem fusão Parâmetros como tempo, temperatura e pressão são comuns nos processos desse tipo de soldagem. Entretanto, alguns desses processos, o tempo é extremamente curto, chegando a frações de segundos. Nesse trabalho, será discutido 5 processos de Soldagem em fase sólida: Laminação, Utrassom, Explosão, Forjamento e Fricção. Laminação Forjamento Soldagem por Pressão
Fase Sólida
Ultrassom Fricção Explosão
2. Laminação 2.1. Introdução É um processo de união de matérias metálicos diferentes, gerando um metal personalizado, que usa aquecimento e deformação localizada. Essa deformação se deve a rolos compressores especiais (de laminação) que aplicam uma pressão e promovem uma deformação superficial localizada. Imagem 1 – Processo de laminação
Por exigir tal deformação superficial, os materiais em que esse processo é aplicável devem ser dúcteis, permitindo uma deformação plástica sem que haja propagação de trincas ou fratura.
2.2. Equipamentos Os equipamentos usados na Laminação são os cilindros de laminação, que apesar de geralmente terem o mesmo diâmetro, podem por vezes apresentar diâmetros diferentes. Esse segundo conjuntos de trabalho é chamado de laminação assimétrica, sendo ainda que o menor dos cilindros deve ficar em contado com a chapa de menor resistência, possibilitando uma maior deformação do mesmo durante o processo.
Um detalhe importante ainda sobre os lados de laminação é o controle de temperatura de cada chapa que deve ser individual para se ter um melhor controle da deformação.
2.3. Técnicas de operação Para se realizar o processo de laminação é imperativo que haja o desengraxamento das peças através de detergentes ou soluções, seguindo de escovamento com escova de aço para a remoção de filmes contaminantes. O uso de pré-aquecimento é opcional e possibilita a remoção de contaminantes, graxas, gases e vapores. Tratamento térmico para remoção das tensões também é requerido.
2.4. Aplicações Industriais As principais aplicações da laminação são o revestimento de chapas de aço carbono e aços de baixa liga com um aço ligado, como por exemplo o aço inoxidável. Outra aplicação interessante é a união de chapas de ferro-alumínio empregadas na construção de refletores para aquecedores elétricos e silenciadores de automóveis, tendo em vista que essas chapas são completamente incompatíveis. As chapas de bronze auto lubrificante usadas para fabricar os mancais e eixos automotivos também são fabricadas por laminação e mostram a necessidade da laminação na indústria automotiva. A laminação também é a produção de chapas de aço inoxidável colaminado com cobre, utilizadas na fabricação de panelas domésticas e de equipamentos elétricos. Na indústria bélica, é usada para unir cobre e aço para fabricação de projéteis e várias outras combinações são usadas para produção de moedas.
3. Ultrassom 3.1. Introdução A soldagem por ultrassom é a união de peças por aplicação local de energia vibracional de alta frequência. Para que esse processo de soldagem ocorra, pressão é aplicada perpendicularmente às superfícies da peça enquanto vibração ultrassônica, paralela à superfície da peça (no caso de metais e normal no caso de termoplásticos), induz forças de cisalhamento de alta frequência. Quando tais forças ultrapassam o limite de escoamento do material, deformações locais ocorrem. As forças de cisalhamento de alta frequência quebram e removem os contaminantes superficiais e produzem a ligação superficial dos metais. A união se dá por aquecimento e deformação plástica das superfícies de contato. Imagem 2 – Princípio de funcionamento
Esse processo de soldagem produz uma solda limpa, de alta qualidade, com um baixo consumo de energia e não requer material de adição.
3.2. Equipamentos
Os equipamentos requeridos são uma fonte de energia elétrica, um transdutor, que converte energia elétrica em vibração mecânica e um sonotrodo, para amplificação do ultrassom e um mecanismo para aplicação de pressão. A fonte de potência determina a frequência das vibrações. Um sinal elétrico de alta frequência é aplicado num transdutor e a energia elétrica é convertida em vibrações mecânicas. As vibrações são então ampliadas pelo sonotrodo e transmitidas à peça. Imagem 3 – Equipamentos de soldagem por ultrassom
As peças são colocadas entre o sonotrodo e o suporte da máquina e oscilam superficialmente entre 20 e 40 kHz na soldagem de metais e 20 e 70kHz para plásticos, durante o tempo de soldagem.
3.3. Técnicas de operação O processo possui três variáveis básicas: a amplitude de v ibração, a pressão aplicada e o tempo. Deve-se fornecer energia suficiente para romper as camadas de óxidos e promover deformação superficial, criando condições para a formação de ligações atômicas. A potência é uma função da amplitude da vibração, pressão aplicada e a energia fornecida é proporcional ao tempo de soldagem. As equações (1) e (2) expressam as relações anteriores. = =
Sendo: P a potência; F a força, A a amplitude; T o tempo em segundos e E a energia
3.4. Vantagens Baixo período de tempo Nenhum calor dissipado Nenhum consumível utilizado
3.5. Desvantagens Espessura muito pequena Materiais lubrificantes não recomendados Forma desfavorável da peça pode gerar um ponto e tensão
3.6. Aplicações industriais
Este processo tem sido usado em uniões de metais não ferrosos diferentes sem a utilização de consumíveis, com tempo de soldagem relativamente baixo, chegando até a menos de um segundo, baixo consumo de energia e quase nenhuma dissipação de calor e ainda união de termoplásticos, na fabricação de embalagens herméticas e soldagem de contatos de semicondutores resistentes à temperatura Os metais mais adequados são os não ferrosos. Materiais que atuam como lubrificantes, minimizam a abrasão exigida para a realização da soldagem e por isso não são recomendados para processo. Na indústria, as aplicações mais importantes são a fabricação de juntas de transição cobre-alumínio nas bobinas do motor de arranque automotivo e outras uniões de fios elétricos. No caso de materiais termoplásticos, aplica-se a soldagem por ultrassom na produção de componentes para a indústria de alimentos, de eletrodomésticos, de cosmética e eletrônica.
4. Explosão 4.1. Introdução A Soldagem por explosão é um processo de soldagem que utiliza a energia de uma detonação controlada de um explosivo para promover a união das peças metálicas no estado sólido. A solda é produzida pelo impacto em alta velocidade das peças de trabalho, resultante da detonação, sem que haja necessidade de adição de metal. Esta colisão é muito violenta e libera um jato metálico formado a partir do impacto pontual entre as partes que serão soldadas. O jato retira a película superficial do metal, fazendo uma espécie de decapagem que libera a superfície de óxidos e impurezas. Nesse instante, as superfícies novas são fortemente comprimidas uma contra a outra, pela ação do explosivo. O processo é extremamente rápido e dura uma fração de segundo. Ele ocorre à temperatura ambiente e quase não há aquecimento das peças, embora as superfícies de contato sejam aquecidas pela energia de colisão. A explosão e a soldagem são progressivas, de uma extremidade da junta à outra. As detonações obtidas podem variar com o tipo de material e podem ser imperceptíveis em várias soldas sem perda mensurável de metal. A operação é geralmente executada ao ar livre, mas também pode ser feita em atmosfera controlada ou ainda em vácuo. As soldas são geralmente feitas em áreas relativamente grandes, mas existem aplicações em pequenas superfícies com sucesso. Imagem 4 – Solda por explosão
A interface entre as soldas é geralmente ondulada, chamada de ondas de Bahrani. Isso ocorre a até 105 atm. Nessa pressão, o metal se comporta como um fluido, sem estar fundido. Esse aspecto da soldagem pode ser visto na Imagem 5. Imagem 5 – Ondas de Bahrani
4.2. Equipamentos
Para realizar esse processo de soldagem o principal equipamento são os explosivos. Esses produtos são capazes de provocar energia potencial com instantânea liberação de gás, que exerce alta pressão nas áreas vizinhas após a detonação e por isso deve ser um local afastado. Normalmente possuem baixa resistência à umidade e seu armazenamento e manuseio devem ter cuidados especiais.
4.3. Técnicas de operação Podemos dividir a soldagem por explosão em três componentes: O metal de base, o metal de revestimento e o explosivo. O metal de base deve permanecer estacionário e quando for muito fino, deve ser suportado por uma base capaz de minimizar as distorções durante o processo. Quanto ao metal de revestimento, existem duas montagens possíveis: Montagem em paralelo e Montagem em ângulo. As principais variáveis desse processo são o espaçamento entre as chapas e ângulo (na Montagem em Ângulo), a velocidade da explosão que fica entre 2000 e 3000 m/s e a quantidade de explosivos usada.
4.3.1. Montagem em paralelo A montagem em paralelo é aquela em que, antes da detonação, as chapas são dispostas uma sobre a outra, em paralelo, a uma distância adequada, chamada de distância de afastamento. Este tipo de montagem produz um caldeamento constante, pois suas condições não são alteradas ao longo da soldagem. Nas chapas em paralelo, o ângulo obtido na detonação é pequeno; deste modo, o fluxo do jato de metal é ininterrupto e a interface resultante é praticamente plana. Esta configuração é chamada também de regime laminar. Imagem 6 – Soldagem por explosão: Montagem em paralelo
4.3.2. Montagem em ângulo Na montagem em ângulo, as chapas formam entre si um ângulo pré-determinado, produzindo um caldeamento não constante, pois suas condições são alteradas incessantemente até o término da soldagem. O fluxo do jato de metal líquido é interrompido a todo momento; a interrupção causa uma mudança de direção e faz o jato girar como um rodamoinho, de modo a formar ondas na interface, ao longo do caldeamento e nos pontos de colisão. A alta velocidade do jato remove a película superficial da placa de base e da placa superior, que é levada ao ponto de contato, onde as ondas serão formadas; a placa superior vai sendo lançada contra a placa base e a soldagem é obtida. Esta configuração é chamada também de regime turbulento. Imagem 7 – Soldagem por explosão: Montagem em ângulo
4.4. Vantagens Processo muito rápido Não é necessária limpeza rígida das superfícies
Não é preciso altos investimentos em equipamentos
4.5. Desvantagens Endurecimento superficial de aços carbonos e baixa liga Necessário local adequado e distante dos grandes centros Processo de alta periculosidade Exige treinamento específico Utiliza explosivos, que são controlados rigidamente por órgãos do governo.
4.6. Aplicações industriais A soldagem por explosão tem capacidade de soldar praticamente todos os metais que possuam ductilidade suficiente para suportar a deformação associada a detonação. Em casos especiais, metais com baixa ductilidade podem ser aquecidos à temperatura em que ofereça uma resistência adequada a explosão. A Imagem 8 mostra algumas combinações de materiais. Imagem 8 – Combinações de metais soldáveis por explosão
Em geral metais que apresentam resistência ao impacto Charpy maior que 13,6 J (entalhe em V) e alongamento mínimo de 6% em 51 mm de comprimento de medição, oferecem resistência suficiente para serem utilizados no processo. Por ser uma técnica fundamentalmente utilizada para revestimentos, as chapas revestidas por este método possuem aplicação na fabricação de vasos de pressão, cilindros e r ecipientes que devem conter materiais químicos ou corrosivos, que requerem revestimentos especiais.
5. Forjamento 5.1. Introdução Forjamento é um processo de soldagem que une duas partes de metal pelo aquecimento em alta temperatura e aplicação de pressão ou impacto suficiente para causar deformação superficial. O processo é um dos mais antigos métodos de união de metais e tem sido usado desde a antiguidade.
O processo é versátil e capaz de unir materiais similares e assimilares, mas com a invenção da soldagem por arco e gás durante a Revolução Industrial, o processo manual caiu em desuso, apesar de ser sistemas automatizados serem comuns no processo de manufatura, que garantem grande qualidade.
5.2. Técnicas de Operação Atualmente o processo é utilizado de forma automatizada com prensas hidráulicas e algumas vezes até moldes. Possui como grande qualidade, assim como os outros processos de soldagem em estado sólido, a possibilidade de união de materiais dissimilares. A temperatura para soldagem por forjamento é geralmente da ordem de 50 a 90% da t emperatura de fusão do material. A soldagem requer que as superfícies dos materiais estejam livres de óxidos e de impurezas. Fluxo é utilizado para desoxidar a superfície, se misturando com os óxidos que são formados e reduzindo a viscosidade e temperatura de fusão destes, possibilitando que estes saiam da junta quando esta é pressionada. Em soldagem por forjamento manual com martelo, bórax é utilizado como fluxo por ferreiros.
5.3. Aplicações Industriais A soldagem por forjamento foi muito utilizada pela história para fabricação de objetos de ferro e aço. Durante a idade média era o método utilizado na fabricação de lâminas e ferramentas, e na revolução industrial era o método mais comum de soldagem para caldeiras e vasos de pressão. Posteriormente foi largamente utilizado na fabricação de canos de armas, onde um arame era enrolado em torno de um mandril, aquecido e colocado sob pressão, para formar um cano fino e resistente. Atualmente o processo se encontra em desuso devido a suas grandes limitações frente aos outros processos de soldagem. Peças grandes requerem uma poderosa fonte de calor para que possam ser aquecidos e colocados sob pressão antes que esfriem, o que torna processos de fusão muito mais práticos, por fornecerem concentrado calor localizado.
6. Fricção 6.1. Introdução A soldagem por fricção é um processo de união no estado sólido, no qual a o calor necessário para a soldagem é obtido através do atrito entre as peças metálicas e pela aplicação de pressão. Para que o processo ocorra, uma das peças a serem soldadas gira com velocidade constante enquanto a outra fica parada. Após o contato inicial, o calor é gerado por atrito, aquecendo as superfícies. Esse calor, juntamente com uma força axial, promovem a deformação plástica das peças, à medida que o processo continua. No final do processo, uma força final é aplicada, gerando uma rebarba e a solidificação da união. A Imagem 9 exemplifica o processo. Imagem 9 – Esquematização da soldagem por fricção
Existem duas variações do processo: Arraste contínuo e por inércia.
6.1.1. Arraste contínuo Na Soldagem por arraste contínuo, as peças são fixadas nas garras da máquina e uma delas é acelerada até atingir a velocidades adequada, por intermédio de uma unidade motora. A peça que está parada é deslocada por uma força axial até tocar a peça que está girando. Imagem 10 – Arraste contínuo
Esse contato provoca o aquecimento das superfícies devido ao atrito e quando elas atingem a temperatura de forjamento dos materiais, a unidade motora é desacoplada da peça que está em rotação que é parada. A força axial é aumentada, para obter o forjamento e é mantida até que as peças resfriem e estejam soldadas.
6.1.2. Por Inércia Na soldagem por inércia o processo é semelhante, mas a garra que segura a peça giratória está ligada a um volante, que é acelerado pela unidade motora até atingir a velocidade de soldagem. Quando esta velocidade é atingida, a unidade motora é desacoplada e a peça estacionária é deslocada em direção à peça que está girando. Imagem 11 – Por inércia
6.2. Técnicas de operação As principais variáveis desse processo são a velocidade de rotação, a pressão de aquecimento, pressão de soldagem. Para o processo por arraste contínuo ainda entra o tempo de aquecimento, de frenagem, de forjamento e de espera. Para o processo por inércia, tempos também o momento de inércia do cabeçote. As velocidades de giro ficam em torno de 600rpm e as pressões de aquecimento, apesar de variar com o tipo e material a ser soldado, fica geralmente entre 30 e 60 MPa e pressões de soldagem entre 80 e 155 MPa. O tempo de aquecimento é um parâmetro crítico e varia com a pressão de aquecimento. Tempos muito curtos podem levar a solda
com inclusões de óxidos e porosidade e tempos muitos longos favorecem uma fusão excessiva do material. Em ambos os casos a qualidade da junta é comprometida. A qualidade da solda depende também da escolha correta das variáveis do processo. Por ser uma soldagem no estado sólido e não precisar de metal de adição ou fluxos, não há defeitos como poros, inclusões de escória ou formação de fases frágeis, mas podem ocorrer cisalhamento na zona termicamente afetada e defeitos centrais causados por pequenos orifícios no centro de uma peça. A dureza e a fadiga não são muito afetadas, principalmente se o material passar por uma tempera e revenido após a soldagem. Uma limitação do processo de soldagem por atrito é o tipo de junta, que deve ser de topo planas ou angulares, desde que perpendiculares e concêntricas com eixo de rotação. A pena, no entanto, não precisa ter bom acabamento. Superfícies forjadas, cortadas com tesoura, a gás ou disco abrasivo são aceitas.
6.3. Vantagens Não são necessários cuidados de preparação especiais das superfícies a serem soldadas (exceto para Al, Cu e Inoxidáveis) Junta livre de defeitos comuns aos processos por fusão Não requer metal de adição Fácil controle dos parâmetros de soldagem Junta soldada tão resistente quanto a resistência mínima dos metais participantes Solda metais dissimilares
6.4. Desvantagens Deve haver um eixo de simetria na peça de rotação
6.5. Aplicações Industriais A grande maioria dos metais podem ser soldada por atrito, com exceção do ferro fundido. Isso se deve ao grafite, que trabalha como lubrificante, não permitindo a abrasão necessária para a soldagem. Ligas que possuem baixo coeficientes de atrito, como bronze e latão com mais de 0,3% de chumbo sofrem do mesmo problema. Certos aços com inclusões de sulfetos de manganês também não podem ser soldados por atrito devido a formação de fases frágeis na solda. A soldagem por fricção é aplicada em diversas indústrias, como aeronáutica, metalomecânica, petrolífera (soldagem subaquática, militar, agrícola e automobilísticas.
7. Bibliografia MARQUES, Paulo Villani; MODENESI, Paulo José; BRACARENSE, Alexandre Queiroz. Soldagem: Fundamentos e Tecnologia. 3. ed. Belo Horizonte: Editora UFMG, 2011 http://www.infosolda.com.br/biblioteca-digital/livros-senai/processos/197-soldagem-por-ultra-som.html http://www.infosolda.com.br/biblioteca-digital/livros-senai/processos/195-soldagem-por-explosao.html http://www.totalmateria.com/Article51.htm http://www.infosolda.com.br/artigos/processos-de-soldagem/355-soldagem-por-friccao-frw.html
