Processo de Soldagem por Fricção

 

Friction Welding

 

1.0      Introdução

 

A soldagem por fricção é um processo de soldagem em estado sólido que produz soldas pela rotação ou movimento relativo de duas peças sob forças compressivas produzindo calor e deslocando plasticamente material nas superfícies de atrito [AWS, 1991]. Enquanto considerado um processo em estado sólido, sob algumas circunstâncias um filme fundido pode ser produzido na interface [Wichelhaus, 1975]. Porém, as características finais da solda não devem exibir evidência de um estado fundido por causa do extenso trabalho a quente a que é submetido o material durante a fase final do processo. A figura 01 apresenta a foto de um semi-eixo usado na indústria automobilística soldado por fricção [AWS, 1991].

 

 

Figura 01

Semi-eixo automobilístico soldado por fricção

 

A solda produzida é caracterizada pela ausência de uma zona de fusão, por uma estreita zona termicamente afetada e pela presença de material deformado plasticamente em torno do colar (flash). A qualidade da solda é dependente do tipo de material, das características da junta, dos parâmetros de soldagem e dos tratamentos pós-soldagem.

 

2.0      Métodos de fornecimento de energia

 

De acordo com as normas AWS incluídas no manual de soldagem [AWS, 1987], existem dois métodos gerais de fornecimento de energia em soldagem por fricção:

 

01 -     O método direto, às vezes chamado soldagem por fricção convencional,

02 -     Soldagem por fricção por Inércia, também chamada de soldagem por inércia.

 

2.1      Soldagem por fricção convencional

 

Neste processo, uma das peças é presa a uma unidade motora, enquanto a outra é restringida de rotação. A peça então gira a uma velocidade predeterminada. Para serem soldadas as peças são colocadas em contato e então uma força axial é aplicada. Calor é gerado assim que as superfícies de atrito (superfícies de fricção) entram em contato. Isto continua por um tempo predeterminado, ou até que uma quantidade de deslocamento, também predeterminada, seja atingida. Então, a unidade motora é desacoplada, e a peça é posta em repouso pela atuação de um freio ou por sua própria resistência à rotação. A força de fricção é mantida ou aumentada (força de forjamento) durante um tempo predeterminado depois da rotação cessar. A solda está assim completa. Em soldagem por fricção direta existem dois mecanismos diferentes de controle para determinar o fim do ciclo de soldagem. Por um lado, o processo pode ser finalizado quando um tempo predeterminado de soldagem é atingido. Por outro lado, a quantidade total de deslocamento pode ser usada para determinar o término do processo. Mais adiante um terceiro método para controlar o processo de soldagem, o controle de temperatura, será apresentado [Wichelhaus, 1975].

 

2.2      A soldagem por fricção por inércia

 

Neste processo, uma das peças é conectada a uma roda de inércia, enquanto a outra é restringida de rotação. A roda de inércia é acelerada a uma velocidade rotacional predeterminada, armazenando a energia exigida. O motor de passo é desacoplado e as peças são postas em contato. Este contato gera um atrito entre as superfícies sob forças compressivas. A energia cinética armazenada na roda é dissipada como calor por fricção na interface de solda à medida que a velocidade vai diminuindo. Um aumento da força de fricção pode ser aplicada (força de forjamento) antes da rotação parar. A força de forjamento é mantida por um tempo predeterminado depois da rotação cessar. Neste ponto a solda está então completa. Ambos os processos (por inércia e convencional) produzem soldas de excelente qualidade. Existem diferenças ou vantagens sutis de um processo em relação ao outro dependendo da aplicação (tamanho das peças, combinação de materiais, considerações de geometria, etc.). Como uma revisão de literatura, alguns comentários envolvendo aplicações, vantagens e limitações de ambas das variações serão feitos. Geralmente, máquinas de soldagem por inércia usam duas variáveis (velocidade e pressão) enquanto unidades convencionais usam até sete variáveis (velocidade, três pressões, três temporizadores ou um controle da quantidade de deslocamento). Assim sistemas de controle para soldagem direta são normalmente mais complexos. Como no método por inércia a energia é descarregada em um tempo menor, isto normalmente resulta em tempos de soldagem mais curtos, menos flash e ZTA mais estreita.

 

3.0      Parâmetros relevantes

 

De acordo com a literatura [AWS, 1989; AWS, 1991; Grewe, 1997; Spindler, 1994], existem pelo menos dez parâmetros de processo importantes em soldagem por fricção. Os mais importantes são:

 

01 -     A velocidade relativa das superfícies;

02 -     A pressão normal;

03 -     Tempo de aquecimento;

04 -     Deslocamento e taxa de deslocamento;

05 -     A temperatura das superfícies de fricção; (*)

06 -     A natureza do material;

07 -     A presença de filmes na superfície;

08 -     A rigidez e elasticidade das superfícies de fricção;

09 -     Tempo requerido para parar o fuso;

10 -     A duração da força de forjamento.

 

(*)       Este parâmetro é conseqüência direta dos parâmetros de velocidade, pressão, deslocamento e tempo.

 

Embora todos os parâmetros sejam relevantes, os primeiros quatro são os mais importantes.

 

4.0      Vantagens e limitações

 

Como em todos os processos de soldagem, a Soldagem por Fricção apresenta vantagens e desvantagens. Por ser um processo em estado sólido, esse tipo de operação apresenta mais vantagens que limitações.

 

4.1      Vantagens

 

01 -   Atenção especial com a limpeza da superfície não é necessária, uma vez que a soldagem por fricção tende a romper, deslocar, e finalmente remover os filmes de superfície no flash ("colar") da solda;

02 -   Metal de enchimento, fluxo, e gás protetor não são requeridos. Diferentemente dos processos por fusão, a soldagem por fricção não põe em risco a saúde do operador além de mais seguro, porque não existem faíscas, radiação, fumaça, ou risco de problemas elétricos envolvendo alta tensão;

03 -   Defeitos associados a fenômenos de solidificação, como porosidade e segregação, não estão presentes em soldagem por fricção, uma vez que ele é um processo em estado sólido;

04 -   São possíveis juntas de metais dissimilares que são difíceis ou até impossíveis de serem soldadas por outros processos como, por exemplo: metais refratários e exóticos;

05 -   Baixos custos, simplicidade de operação, instalações simples, baixo consumo de energia, e um curto ciclo de soldagem fazem do processo efetivo para componentes normalmente produzidos por outros processos de fabricação;

06 -   O processo é facilmente automatizado para reproduzir soldas de alta qualidade. O equipamento atual pode ser operado a até 4 quilômetros, sendo adequado para aplicações distantes em ambientes perigosos;

07 -   Baixo calor introduzido e os rápidos ciclos de soldagem fazem com que o processo seja adequado para aplicações em oleodutos operantes, linhas de gás e linhas de metanol;

08 -   Estreita zona termicamente afetada associada ao processo;

09 -   Consumível é adequado para uso dentro de atmosferas explosivas sem risco de ignição. Isto permite que a soldagem seja seguramente executada em áreas de instalações petroquímicas sem necessidade do desligamento do equipamento;

10 -   Habilidades manuais não são exigidas;

11 -   Na maioria dos casos, a resistência da solda é igual ou maior que a dos materiais a serem unidos.

 

4.2      Limitações

 

01 -   A área de pelo menos uma peça deve ser simétrica, de forma que a parte possa girar sobre o eixo do plano de rotação. As geometrias típicas que podem ser soldadas por fricção são: barra com barra, barra com tubo, barra com chapa, tubo com tubo e tubo com chapa;

02 -   O processo é normalmente limitado à soldagem de juntas de topo planas e angulares ou ainda cônicas;

03 -   Material de pelo menos um componente deve ser plasticamente deformável sob as dadas condições de soldagem;

04 -   Preparação e alinhamento das peças podem ser críticas para o desenvolvimento uniforme do atrito e aquecimento;

05 -   Custos do equipamento e custos com ferramentas são altos;

06 -   Ligas usinadas são difíceis de serem soldadas.

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