Soldadura por Fricção Linear

Dulce Rodrigues, Profª Auxiliar, DEM - Universidade de Coimbra

Altino Loureiro, Prof. Auxiliar com Agregação, DEM - Universidade de Coimbra

Rui Leal, .Assistente, ESAD, Caldas da Rainha

Introdução

As novas tendências no sector da construção civil apontam a utilização de

estruturas metálicas como uma solução muito promissora com vista ao desenvolvimento

sustentável. De facto, nos últimos anos houve no País um forte incremento da utilização

de aço em aplicações estruturais, por exemplo nas coberturas de estádios, na construção

do novo terminal do aeroporto F. S. Carneiro e em pontes rodoviárias. Outras grandes

estruturas, como as torres eólicas, recorrem também de forma maciça à utilização do aço.

A vantagem competitiva desta solução estrutural assenta na comprovação da sua

excelência em termos de comportamento físico e ambiental, como ainda, nas vantagens

económicas decorrentes da redução dos custos iniciais de construção e manutenção da

estrutura. A par do aço as ligas de alumínio perfilam-se como materiais concorrenciais

em aplicações estruturais e estéticas, devido à sua leveza e excelente resistência à

corrosão. Exemplo disso é o banco de Nanhai na província de Guang Dong na China

(Fig. 1a) ou um terminal do aeroporto de Gatwick (Fig. 1b).

As Tecnologias de Soldadura, que são já unanimemente aceites como os

procedimentos mais eficientes para a ligação de componentes metálicos, ganham deste

modo um papel cada vez mais preponderante no sector da Construção Civil. No estágio

actual de desenvolvimento das tecnologias de ligação, o processo de Soldadura por

Fricção Linear apresenta-se, talvez, como a solução mais promissora para superar alguns

dos problemas usualmente associados à soldadura por fusão das ligas de alumínio. Este

processo alia as vantagens decorrentes da simplicidade do processo tecnológico e

qualidade das soldaduras obtidas a benefícios ambientais, resultantes da possibilidade de

eliminar emissões nocivas de gases e radiações, características da generalidade dos

processos de soldadura por fusão.

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Figura 1 – a) Banco de Nanhai na província de Guang Dong na China; b) Terminal do

aeroporto de Gatwick (http://twi.co.uk/j32k/unprotected/band_1/imglb004.html)

Características operatórias do processo A Soldadura por Fricção Linear (SFL) é um processo de ligação no estado sólido

desenvolvido pelo Welding Institute (TWI) em 1991 [1]. Tal como a própria designação

indica, a fonte de energia utilizada para gerar o calor necessário ao desenvolvimento do

processo é a fricção entre as peças a unir e uma ferramenta rotativa, que se desloca

linearmente ao longo da linha de soldadura. A energia calorífica resultante da fricção

conduz ao amaciamento dos materiais a ligar, que sofrem deformação plástica intensa sob

a acção da ferramenta rotativa. O escoamento dos materiais em torno do eixo da

soldadura, promove a “mistura” no estado sólido dos materiais a ligar, originando a

soldadura após arrefecimento.

Na Figura 2a) encontra-se representada uma ferramenta típica de Soldadura por

Fricção Linear e na Figura 2b) mostra-se uma fotografia de um equipamento de SFL em

operação. Nesta figura são destacados alguns elementos chave da ferramenta e da

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montagem utilizada para a realização do processo. As ferramentas podem contudo

apresentar uma grande variedade de geometrias [2]. A montagem convencional para este

processo de soldadura obriga a uma fixação rígida das partes a ligar e à utilização de uma

placa de apoio (Figura 2b). Esta última pode ser suprimida em algumas variantes

específicas do processo.

Pino roscado

Base da ferramenta

Corpo da ferramenta

Pino roscado

Base da ferramenta

Corpo da ferramenta

a)

b)

Figura 2 – Ferramenta típica de soldadura por Fricção Linear; a) ferramenta montada; b)

Equipamento de SFL (www.msm.cam.ac.uk/ phase-trans/2003/FSW/aaa.html).

Na figura 3 encontra-se esquematizado o princípio geral de funcionamento do

processo, dando-se ênfase especial à fase inicial da operação de soldadura. Tal como se

mostra na figura, o processo inicia-se posicionando a ferramenta, que se encontra já

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animada de movimento rotacional, na zona da ligação (1). Após o posicionamento, a

ferramenta em rotação é pressionada através de uma força de compressão axial na

direcção da peça (2). Esta força mantêm-se até que o Pino roscado (Fig. 2.a), existente na

extremidade da ferramenta, penetre na zona de junção entre as peças e a Base da

ferramenta entre em contacto com a parte superior das peças (3). Nesta fase do processo,

o atrito que se gera entre a ferramenta giratória e as peças, produz calor em quantidade

suficiente para aquecer o material a uma temperatura, que sendo inferior à temperatura de

fusão, origina um amaciamento significativo do material. Durante o movimento da

ferramenta, os materiais presentes nas duas faces da junta, e localizados à frente da

ferramenta, sofrem deformação plástica intensa em consequência do amaciamento e são

arrastados para a parte de trás da ferramenta, onde, após o arrefecimento, surge a

soldadura. De modo a obter uma ligação contínua, a ferramenta desloca-se linearmente ao

longo da junta (4).

1 2 3 41 2 3 4

Figura 3 – Representação esquemática do princípio geral de funcionamento do processo de Soldadura por Fricção Linear (www.edax.com).

Durante todo o processo de soldadura, o Pino e a Base são as únicas partes da

ferramenta que estão em contacto permanente com as peças a ligar. O Corpo da

Ferramenta (Fig. 2a) tem como função transmitir ao Pino e à Base o movimento de

rotação, a pressão axial de forjagem e o movimento de avanço linear. Para além da

função mecânica de transmissão de movimento à Base e ao Pino, o Corpo da Ferramenta

permite também dissipar o calor transmitido para o interior da ferramenta durante o

processo de soldadura. Com o objectivo de cumprir esta função, este elemento da

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ferramenta pode apresentar alhetas que permitem aumentar a dissipação de calor e deste

modo prolongar a vida útil da ferramenta.

De um modo geral, pode afirmar-se que neste procedimento de soldadura, a

ligação resulta da acção combinada de fenómenos de extrusão, forjagem e mistura de

material. Sendo o processo de Soldadura por Fricção Linear, um método de ligação em

fase sólida, as soldaduras obtidas apresentam composição química semelhante à do metal

a soldar. Esta característica resulta do facto de a soldadura ser realizada a temperaturas

inferiores à temperatura de fusão dos materiais, evitando deste modo os fenómenos de

perda de elementos de liga por vaporização, vulgarmente associados aos processos de

soldadura por fusão. A preservação da composição química, aliada às fortes alterações na

estrutura do grão na zona da ligação, confere normalmente boas características mecânicas

à ligação final. Além disso, como a soldadura se realiza no estado sólido, é possível

soldar materiais com ponto de fusão diferente, por exemplo alumínio a cobre. Uma

selecção adequada dos parâmetros de soldadura e da geometria da ferramenta assegura a

ausência de defeitos de soldadura [3].

Uma outra vantagem deste tipo de ligação, particularmente importante na

aplicação de componentes soldados em elementos decorativos, reside no excelente

aspecto superficial das soldaduras obtidas por este método. Na figura 4 apresenta-se uma

fotografia de uma soldadura realizada numa chapa de alumínio com 1 mm de espessura

[4]. A figura 5 mostra uma fotografia exemplificativa da aplicação arquitectónica de

painéis em alumínio soldados por fricção linear. De realçar que nesta aplicação as linhas

de soldadura foram utilizadas como elemento decorativo.

a) b)

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Figura 4 – Aspecto de uma soldadura obtida numa chapa de alumínio. a) Face da

soldadura; b) Raiz da soldadura.

Figura 5 – Edifício do Welding Institute em Cambridge. O painel em alumínio foi construído pela ESAB utilizando SFL. (http://www.esab.kz/index.asp?item=118944).

Enquadramento Industrial do Processo Este processo de soldadura pode ser utilizado na ligação de todos os tipos de materiais

desde que possam ser concebidas ferramentas e geometrias de ligação capazes de operar

à temperatura de forja dos materiais a ligar. Tendo sido desenvolvido essencialmente para

a soldadura de alumínios, este processo tem sido utilizado na ligação das seguintes ligas:

Série 2000 (Al-Cu), Série 5000 (Al-Mg), Série 6000 (Al-Mg-Si), Série 7000 (Al-Zn),

Série 8000 (Al-Li). Desenvolvimentos posteriores do processo permitiram a sua

aplicação na junção de outros materiais, tais como: ligas de magnésio, aço, titânio, zinco,

cobre, compósitos de matriz metálica e plásticos.

As configurações de juntas possíveis de soldar por Soldadura por Fricção Linear

são as indicadas na Figura 6. Nesta figura: a) Junta Topo a Topo; b) Junta Topo a Topo e

Sobreposta; c) Junta Sobreposta; d) Soldadura Sobreposta de múltiplas peças; e) Junta em

T com três peças; f) Junta em T com duas peças; g) Topo a topo em T; h) Canto.

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Figura 6 – Configurações de junta passíveis de serem soldadas pelo processo de Soldadura por Fricção Linear (www.twi.co.uk).

De realçar ainda que este processo de soldadura não se aplica somente à execução

de soldaduras lineares em chapas planas, podendo também ser aplicado na ligação de

componentes curvos (Figura 7) e tubulares. O leque de espessuras passíveis de ligar

através deste processo pode ir de 1 a 80 mm, tendo-se já obtido ligações de elevada

qualidade em peças de elevada espessura, em apenas duas passagens. Na Figura 8

mostra-se um exemplo deste tipo de aplicação. Este processo permite ainda a realização

de soldaduras extremamente extensas em chapas de pequena espessura (exemplo na Fig.

9), sem que ocorram defeitos resultantes da distorção das peças. Esta funcionalidade

resulta do facto de a soldadura ser realizada em fase sólida envolvendo temperaturas

relativamente baixas.

Figura 7 – Exemplo de um elemento não plano obtido por fricção linear (www.equitekcapital.com).

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a) b)

Figura 8 – a) Soldadura por Fricção Linear de chapas de alumínio de elevada espessura. b) A soldadura foi realizada em duas passagens utilizando um pino cónico roscado (www.wtcm.be).

Figura 9 – Painel pré-fabricado para o convés de um navio. As soldaduras foram realizadas com equipamento de SFL, em chapas de liga de alumínio ( AA6xxx) com espessuras de 1.8 a 15 mm (www.hma.hydro.com).

Prós e contras associados à sua utilização Atendendo às características do processo, as principais vantagens decorrentes da sua

utilização, podem ser assim resumidas:

• Obtenção de soldaduras com boas propriedades mecânicas e composição química similar à do material de base.

• Distorção reduzida nos componentes a ligar, mesmo em soldaduras longas, e tensões residuais pouco significativas;

• O processo de soldadura é extremamente seguro, não produzindo qualquer tipo de fumos, luz ou radiações.

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• Não são utilizados consumíveis, o que torna o processo económico, permite obter componentes extremamente leves e elimina a possibilidade de defeitos e desperdícios resultantes da projecção de material;

• Utiliza ferramentas e procedimentos tecnológicos simples sem necessidade de elevados consumos de energia.

• Soldaduras pouco susceptíveis a fenómenos de fissuração e completamente isentas de porosidades;

• Permite soldar materiais com ponto de fusão diferente;

• Não necessita de mão-de-obra altamente especializada;

• Possível de utilizar em todas as posições de soldadura e diversas configurações de junta.

• O processo é facilmente automatizável.

• Não necessita de cuidados especiais na preparação de junta (juntas topo a topo de bordos direitos) e limpeza e desoxidação das peças;

As principais desvantagens associadas à utilização deste processo, decorrem da

elevada exigência em termos de montagem das peças a ligar. Com efeito, estas devem

estar fixas rigidamente, sendo necessário o recurso a placas de apoio e outros tipos de

montagens especiais de modo a evitar a formação de orifícios nas posições onde termina

a soldadura. Não admite velocidades de soldadura muito elevadas.

1 Bibliografia

[1] W. M. Thomas, E. D. Nicholas, J. C. Needham, M. G. Much, P Templesmith, C. J. Dawes, G. B. patent application No. 9125978.8 (December 1991).

[2] W. M. Thomas, E. D. Nicholas, S. D. Smith, in: S. K. Das, J. K. Kaufman, T. J. Lienert (Eds.), Aluminum 2001 – Proceedings of the TMS 2001 Aluminum Automotive and Joining Sessions, TMS 2001, p. 213.

[3] R. Leal and A. Loureiro; Materials Science Fórum Vols. 455-456 (2004) 299-302.

[4] Rui M. F. Leal, Soldadura de ligas de alumínio pelos processos de fricção linear e laser de díodos, Tese de Mestrado, UC (2004).