comunicacao painel 04 ist tecnologia da soldadura prof pedro vilaca

1

Universidade Técnica de LisboaInstituto Superior Técnico

Solid-State Welding

Group @ IST

Tecnologia da SoldaduraTecnologia da SoldaduraConceitos Fundamentais

Evolução HistóricaSoldadura no Estado Sólido

Porquê Soldar Materiais Sólidos por Fusão?... Quando é Mais Eficiente e Produtivo ...

Soldar no Estado Sólido!

Tecnologia d Ad i

Ligações M â i

Enquadramento TecnológicoTécnicas de Ligação

dos Adesivos Mecânicas(Por exemplo:

Epóxidos; Fenólicos;Poliuretanos;Acrílicos; Nitrilos; etc...)

Processos Tecnológicos de

Ligação de Materiais

(Rebites; Parafusos;

Clinching)

Solid State Welding Group @ IST

SOLDADURA

2

Processos Híbridos de Ligação de Materiais

Enquadramento TecnológicoTécnicas Híbridas de Ligação


Enquadramento TecnológicoSoldadura por Fusão – Mecanismos de Ligação

Estado Físico do Cordão de Soldadura Durante o

Material de Base

Material de Adição

Soldadura Durante o Processamento Líquido Líquido

(se existir)

SolidificaçãoEpitaxial


3

Enquadramento TecnológicoSoldadura por Brasagem – Forte e Fraca

Material de Material deEstado Físico do Cordão de

Soldadura Durante o Processamento

Material de Base

Material de Adição

Sólido Líquido

Dif ã S fi i l


Difusão Superficial(ligação atómica)

eEncastramento

Enquadramento TecnológicoSoldadura no Estado Sólido – Mecanismos de Ligação

Estado Físico do Cordão de Material de

BaseMaterial de

AdiçãoSoldadura Durante o

Processamento

ase d ção

SólidoSólido

(se existir)


4


Aproximação aDistâncias InteratómicasDistâncias Interatómicas

de Equilíbrio

Interdifusão

Mi t d M t i i


Encastramento (Clinching)

Mistura dos Materiais com Ligações Atómicas

Enquadramento TecnológicoPrincipais Vantagens da Soldadura no Estado Sólido

Diminuição dos Custos de FabricoRedução do consumo de energiaRedução do consumo de energia

(gasta menos e tem uma eficiência energética superior)Ausência (ou quase) de consumíveis (p.e.: mat. de adição, gases)Equipamentos relativamente simples e facilmente automatizados

que não necessitam de operadores especializadosElevada produtividade, com resultados facilmente reproduzíveisPermitem soldar materiais difíceis ou mesmo impossíveis de

f


soldar por fusão resultando em cordões com excelentes propriedades mecânicas (muito próximas do material de base)

Tipicamente tratam-se de processos ambientalmente limpos(p.e.: sem emissão de fumos ou radiação)

Em meios agressivos para o ser humano, permitirem a operação e controlo do processo de forma remota

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Enquadramento TecnológicoConceitos Fundamentais na Soldadura

Formas de Activação Energética dos Mecanismos de Ligação:Soldad ra por pressão com interface liq idefeita

Aplicação de Pressão

Soldadura por pressão com interface liquidefeita:Alta Frequência; Faiscamento

Fricção;

Pressãoa Frio Fusão com Pressão

(soldadura por pressão com núcleo fundido):

Resistência


Aplicação de Calor

Fricção;Ultra-sons;Explosão;Difusão

Fusão sem Pressão:MIG ; TIG ; Laser ...


Difusão(Interfacial)

Ligação Atómica

(Interfacial)Difusão + Ligação Atómica(Volúmica com Deformação

em Fluxo Visco-Plástico)Aplicação

de Pressão



6


Limpeza

Ultra-Sons

Difusão

Pressãoa Frio

Aplicação de Pressão

Fricção• Convencional• Linear• Stich e Spot

Explosão

FaiscamentoAlta-Frequência

pSuperficial


Difusão


LimpezaSuperficial

Soldadura por Pressão a FrioConceito de Funcionamento, Peças, Máquina e Juntas


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Soldadura por Pressão a FrioInterfaces e Formação de Intermetálicos Frágeis


Soldadura por Pressão a FrioSoldadura Topo-a-Topo: Método Offset-Flash


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Pressão c/Aquecimento OxigásParâmetros e Equipamento


Soldadura por Alta-Frequência…por Contacto e por Indução


9

Soldadura por Alta-FrequênciaDiversas Configurações Possíveis


Soldadura por DifusãoParâmetros e Equipamento

Autoclave (Forno)Autoclave (Forno)


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Soldadura por DifusãoConceito de Funcionamento


Soldadura por DifusãoAplicações e Interfaces de Soldadura


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Soldadura por Ultra-SonsConceito de Funcionamento

Ciclo de Histeresis (em domínio elástico)(em domínio elástico)


Soldadura por Ultra-SonsConceito de Funcionamento – Metalurgia

Interfaces na Soldadura por Ultra-Sons


Interfaces na Soldadura por Ultra-Sons

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Soldadura por Ultra-SonsSoldabilidade, Resistência Mecânica e Parâmetros


Soldadura por Ultra-SonsEquipamentos - Antigos


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Soldadura por Ultra-SonsEquipamentos - Modernos


Robust Table Unit

Easy to Use, Welding according to Standard Values

Sequence Welding

Safe and Easy Processing of Large Cross Sections up to 50 mm²

Soldadura por Ultra-SonsAplicações em Cablagens para Indústria Automóvel


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Soldadura por Ultra-SonsExemplo de Aplicações Industriais


Soldadura por ExplosãoConceito de Funcionamento e Soldabilidade


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Soldadura por ExplosãoInterfaces


Soldadura por ExplosãoAplicações


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Processamento por FricçãoTecnologias de Soldadura Baseadas na Fricção


Soldadura por FricçãoA Origem do Atrito Sólido

partelastplastad μμμμμ +++=


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Soldadura por FricçãoDesenvolvimento Axissimétrico

Patente Internacional

de 2/1956 (A.I.Chudikov)( )


Soldadura por FricçãoDesenvolvimento Axissimétrico – Transmissão Directa


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Variantes no arranjo entre as peças a soldar (juntas)


Com movimento angular alternativo

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Influência dos parâmetros do processo


Soldadura por FricçãoDesenv. Axissimétrico – Transmissão por Roda de Inércia


20




Influênciados

parâmetrosdo

processo


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Soldadura por FricçãoEnsaios de Caracterização dos Cordões

Cordão realizado por Soldadura por Fricção com Transmissão por Roda de Inércia entre: CuOFHC / AA4043Roda de Inércia entre: CuOFHC / AA4043


Acabado de soldar Ensaio de tracção com ruptura bem fora da zona

do cordão

Ensaio de flexão sem precipitação de fissuras

Soldadura por FricçãoCaixas de Retenção p/ a Rebarba Resultante do Processo

... Evita-se assim, o custo e diminuição de produtividade associada ao processo de

extracção da rebarba.


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Soldadura por FricçãoQuestões a Propor para Discussão...

Quais os parâmetros do processo com transmissão directa?Quais os parâmetros do processo com transmissão por roda de inércia?Quais os parâmetros do processo com transmissão por roda de inércia?De que forma é que a preparação das superfícies a soldar influência o processo?Qual a dificuldade na soldadura por fricção de peças com geometria não-axissimétrica?Quais as medidas a tomar na soldadura de peças com diferentes resistência mecânicas?Quais as medidas a tomar na soldadura de peças com diferentes


Quais as medidas a tomar na soldadura de peças com diferentes diâmetros?Quais as medidas a tomar na soldadura de peças de grande diâmetro?Na soldadura de um perno a uma placa, qual a relação entre o diâmetro do perno e a espessura da placa, de forma a obter um fluxo de calor semelhante para ambos os componentes?

... Redução de custos na

Soldadura por FricçãoExemplos de Aplicação na Indústria

çconstrução de um veio de

transmissão, por soldadura por fricção com transmissão

por roda de inércia.


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Fabrico de Varas para Prospecção Terrestre



Fabrico de próteses

Antes...


...Depois

24



Soldadura por FricçãoAplicações na Indústria Automóvel, em detalhe...


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Soldadura por FricçãoVariantes com Simetria Axial


Soldadura por FricçãoAplicações da Variante por Hidro-carga com Simetria Axial


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Soldadura por FricçãoVariantes com Movimento Linear


Soldadura por FricçãoResultados da Variante de Revestimento Superficial


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Soldadura por Fricção LinearO Maior Desenvolvimento da Soldadura na Última Década

Wayne M. Thomas: “Friction Stir Butt Welding”, Patente Internacional de


Patente Internacional de AplicaçãoNº PCT/GB92/02203 de 6 de Dezembro de 1991@The Welding Institute (TWI),

Cambridge, GB

Soldadura por Fricção LinearConceitos Básicos

Processamento no estado sólidoFerramenta não-consumível

Fenómenos tecnológicos:Extrusão

Ferramenta não consumível


ForjagemMistura caótica

Calor dissipado por atrito:Interface ferramenta/materialDeformação visco-plástica

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Soldadura por Fricção LinearCaracterísticas Metalúrgicas


(Exemplo: AA7075 ; espessura=6mm)

Soldadura por Fricção LinearCaracterísticas Metalúrgicas

AvançoRetrocesso


(AA2024-T3 ; espessura=4.8mm)

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Soldadura por Fricção LinearResultados de Ensaios de Resistência Mecânica

AA5083-O

AA6082-T6


AA2014A-T6

AA6082-T6

Soldadura por Fricção LinearParâmetros

Força e tempo de indentação do pino

Aceleração de avanço linear no início e fim do cordão

Material (c/ T.T.) e Geometria da Ferramenta (Base e Pino)

Aceleração de avanço linear no início e fim do cordão

Ângulo de ataque e de concordância (p.e.: tailor-blanks)


TWI®

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Soldadura por Fricção LinearParâmetros (diferentes conceitos para a ferramenta)

A-SkewTM (TWI)

Retracted-Pin Tool (NASA)

Bobin-ToolTM (GKSS)

Retracted Pin Tool (NASA)


Bobin Tool (GKSS)

Soldadura por Fricção LinearConfigurações Possíveis para as Juntas


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Soldadura por Fricção LinearFenómeno Acoplado: Térmico/Estrutural/Metalúrgico

Materials plastic flowand deformationDeformação visco-plástica do material

Heat dissipation byintern friction (viscous)

Movement of the tool

and deformation

Superficial appearanceDefective joints

Mechanical propertiesof the different regionsInterfacial Friction

Aparência superficialDefeitos nas juntas

Propriedades mecânicas das diferentes regiões

Dissipação viscosa do calor (atrito interno)Atrito superficial

Movimento da ferramenta

p


intern friction (viscous)

Metallurgic structurechanges (dynamic

recrystallization of theNuget)

of the different regions(material / tool)

Heat Generation

das diferentes regiões

Alterações da estrutura metalúrgica (p.e., a

formação do Nugget)

Geração de calor

( )p(material/ferramenta)

ConclusõesVantagens Específicas da Soldadura por Fricção Linear

☺ Distorção+Tensões Residuais ≈ Nulas☺ Distorção+Tensões Residuais ≈ Nulas ☺ Baixo-Custo da SFL de Alumínio

☺

☺ Garantia Total de Qualidade


☺ A SFL pode ser utilizada em Ligas de Alumínio com Espessuras compreendidas entre 1 a 75mm, utilizando Velocidades de Soldadura entre 5000mm/min até 5mm/min

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ConclusõesDesvantagens Específicas da Soldadura Fricção Linear

As peças a soldar devem se encontrar rigidamente constrangidasAs peças a soldar devem-se encontrar rigidamente constrangidas contra uma base de apoio, com excepção da utilização de ferramentas portáteis do tipo Bobbin-Tool

No final dos cordões de SFL remanesce um furo, denominado por key-hole que corresponde ao diâmetro do pino, e que necessitando de ser preenchido, pode ser rebitado ou sujeito ao Processamento em Hidro-Carga por Fricção. No entanto, este key-hole é uma garantia da penetração total da espessura a soldar


garantia da penetração total da espessura a soldar

Cada espessura a soldar corresponde a uma geometria precisa do pino e aproximada para o diâmetro da base da ferramenta de SFL

Soldadura por Fricção LinearInvestigação e Desenvolvimento – GKSS ResearchCenter@Germany


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Soldadura por Fricção LinearInvestigação e Desenvolvimento – GKSS ResearchCenter@Germany

DL 522π


mmmmd

L 5.24

+=π

L – Comprimento do ponto

D – Diâmetro do ponto Convencional (por resistência)

D – Diâmetro do pino

Soldadura Fricção por Pontos RIFTEC@GKSS, Hamburgo


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Soldadura por Fricção LinearInvestigação e Desenvolvimento – iSTIR Group@Portugal



Medição Experimental do Campo TérmicoFormulação Analítica/ Empírica

Potência Térmica, Parâmetros de SFL

do Campo Térmico

OUTPUT

Processo Iterativo


qthermParâmetros de SFL

%100qq1F;

v mech

thermztherm ×⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−=⎟

⎠

⎞⎜⎝

⎛ Ωη

35


Potência Térmica do Processo de SFL para Todos os Ensaios

450 %100qq1F;

v mech

thermztherm ×⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−=⎟

⎠

⎞⎜⎝

⎛ Ωη

Correlações para a Eficiência Térmica

y = -0.1864x2 + 1.7264x + 88.138

89 5

90

90.5

91

91.5

92

92.5

ênci

a Té

rmic

a [%

]Entrega Térmica do Processo de SFL para Todos os Ensaios

200

250

mm

]

200

250

300

350

400

Quente Intermédia Fria

Pot

ênci

a Té

rmic

a [w

]

Forging Force, Fz=11kN Forging Force, Fz=14kN

qv mech ⎠⎝⎠⎝


y = -0.198x2 + 1.9928x + 86.036

88

88.5

89

89.5

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

Omega[rpm]/v[mm/min]

Efic

i

Fz=11kN Fz=14kN Correlação (Fz=11kN) Correlação (Fz=14kN)

0

50

100

150

Quente Intermédia Fria

Entre

ga T

érm

ica

[J/m

Forging Force, Fz=11kN Forging Force, Fz=14kN

[ ] [ ][ ]mm/minv

60wqJ/mmE thermt

×=


Modelação NuméricaElastic - Plastic Viscous - Plastic

Analysis of the plates remote from tool

HAZ and Base MaterialAnalysis near the tool

Nugget and TMHAZ

Same nodesat interfaces

Updated at interface :- Temperature- Pressure

AbaqusStructural Mechanics

Approach

FluentFluid Dynamics

ApproachIntegra 3D

FE Mesh

- Pressure- Temperature


Results:• Residual Stress Field• Residual Deformation• Thermal History of the HAZ

Results:• Material Flow for different tool geometries• Thermal History at the vicinity of the tool

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Técnicas de Controlo não destrutivo (NDT):Estado da Arte

Ultra-Sons Correntes de Eddy

ToFD


Acção

Outros Processamentos Baseados no Conceito da SFL


comunicacao painel 04 ist tecnologia da soldadura prof pedro vilaca

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