UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ – UFPAINSTITUTO DE TECNOLOGIAFACULDADE DE ENGENHARIA MECÂNICATECNOLOGIA DE SOLDAGEM

PROFESSOR: DR. MOTA

TRABALHO DE TECNOLOGIA DE SOLDAGEM – TÉCNICA DE SOLDAGEM POR FRICÇÃO

ALUNO: MARCOS FELIPE MACÊDO CARDOSO – 04021000401 PAULO ROSSI LIMA RODRIGUES – 04021005901

Belém – PAMaio/2010

INTRODUÇÃO

A soldagem por fricção é um processo de soldagem que ocorre para o estado sólido, no qual a junção das peças metálicas (ou outros materiais) ocorre através de aquecimento gerado no atrito entre as duas peças.

Essa modalidade de processo de soldagem possui muitas vantagens operacionais, apesar de ter também as limitações inerentes. Porém, foi um processo que em pouco tempo recebeu grandes investimentos no aprofundamento dos estudos das técnicas de soldagem, e hoje possui diversas aplicações nas várias indústrias do mercado.

A operação das máquinas é bastante simples, e tem sofrido grande avanço na facilitação de operação, em especial com a introdução da robótica a este método, exigindo do soldador cada vez menos capacidade manual devido aos altos investimentos na automatização.

As aplicações desse método estão espalhadas no nosso dia-a-dia. Estruturas que precisam suportar choques mecânicos muito fortes, peças que necessitam de dureza maior e outros fatores são satisfeitas como este método, cuja maioria das aplicações aumentam a resistência mecânica do cordão de solda.

BREVE HISTÓRICO

Apesar da força de fricção (ou atrito) ser conhecida de tempos bastante antigos pela humanidade, a história da soldagem utilizando este recurso é bastante recente. De acordo com a American Welding Society (AWS), a origem do processo de soldagem por fricção é conhecida desde o ano de 1891, quando o primeiro processo desta natureza foi patenteado nos Estados Unidos. Outros processos foram patenteados ao redor da Europa, principalmente na Inglaterra, entre os anos 1920-1944, e na União Soviética em 1956.

Na década de 60, os avanços na soldagem por fricção foram favorecidos pelo interesse de diversas empresas americanas em desenvolver esta técnica, como a AMF, Caterpillar e a Rockwell International, que construiu máquinas para soldar eixos de caixas de engrenagem para caminhões. A AMF produziu máquinas para soldar árvores sem-fim, enquanto a Caterpillar investiu em máquinas para soldar turbocompressores e cilindros hidráulicos.

A partir do crescimento alcançado, outros países com setor industrial desenvolvido começaram a estudar e a aprimorar as técnicas do processo de soldagem por fricção para ampliar e melhorar suas aplicações.

O método de soldagem por fricção não é um processo disseminado na indústria brasileira, chando-se ao ponto de não se encontrar relato algum de uso dessas máquinas no Brasil. Muito desta dificuldade é explicada pelo fato dos equipamentos possuem valores muitos mais elevados do que os equipamentos de soldagem ao arco elétrico (eletrodo revestido, MIG/MAG). O processo de soldagem por fricção se limita a países que possuem avanços na automatização da indústria, como os EUA, Japão, Tigres Asiáticos, etc.

MÉTODOS DE FORNECIMENTO DE ENERGIA PARA SOLDAGEM

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

a) Soldagem por arraste contínuo (ou fricção convencional).b) Soldagem por inércia.

1. Soldagem por arraste contínuo (convencional)

Neste processo, as peças de trabalho são fixadas nas garras da máquina de soldar. Uma das peças é acelerada por uma unidade motora, girando até a velocidade de soldagem pré-determinada pelo projeto. A outra peça, restringida de rotação, é deslocada até tocar a peça girante, aplicando-se uma força axial de atrito a ela.

Quando as superfícies em contato das peças alcançam a temperatura de forjamento, a unidade motora é desconectada e a peça fica em repouso por atuação de um freio. Então, o módulo da força axial é aumentado, atingindo a força axial de forjamento. Quando esta intensidade é alcançada, o regime é mantido até que as juntas estejam soldadas. O processo pode ser ilustrado da seguinte maneira:

Etapa 1: uma peça é posta para girar eoutra é deslocada linearmente até o contato

Etapa 2: a rotação e a força axial geram oaquecimento da superfície de solda.

Etapa 3: rotação é parada, e a força é elevada até o módulo de forjamento, completando a solda.

Existem duas formas de controlar o fim da soldagem por arraste contínuo: o primeiro é terminar a solda no período pré-determinado pelo projeto através de parâmetros constantes; o segundo é levando em

consideração a quantidade total de deslocamento, que determina o fim do processo. Uma alternativa que tem sido aplicado é o controle através da temperatura das junções soldadas.

Fig. 1 – esquema de máquina para soldagem por fricção convencional

2. Soldagem por inércia

Neste processo de fornecimento de energia, as duas peças de trabalho são fixadas às garras da máquina de soldar, mas uma delas é conectada a um volante acumulador de energia, enquanto a outra é restringida de rotação. O volante é acelerado até a velocidade rotacional pré-determinada, armazenando a energia requerida. O motor é, então, desconectado e as peças são postas em contato, gerando um atrito entre as superfícies sob forças axiais de compressão.

A partir daí, a energia cinética acumulada pela inércia do volante é dissipada em forma de calor na junta soldada, de acordo com que a velocidade do volante diminui. Pode-se aplicar um aumento na força de fricção, alcançando o módulo da força de forjamento, que é mantida por um tempo após o repouso do volante, completando o processo de soldagem. As etapas do processo são muito similares ao método convencional, porém a tecnologia do método é diferente.

Fig. 2 – esquema de máquina para soldagem por fricção por inércia

A soldagem por inércia possui vantagens sobre o processo convencional de soldagem por fricção no que diz respeito a:

a) Tempo mais curto de soldagem, podendo ser aplicada em indústrias de produção elevada.b) Devido ao próprio tempo de soldagem ser mais curto, a zona termicamente afetada (ZTA) é mais

estreita.

Esquema da soldagem por fricção inercialcom a presença do volante e os esforços atuantes

Ao final do processo de soldagem nas duas situações (método convencional e inercial), encontra-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.

Camada de material abrasivoao redor da solda

VARIAÇÕES DO MÉTODO CONVENCIONAL

As variações do método convencional de soldagem por fricção convencional podem ter as seguintes configurações:

1. Configuração básica: uma peça é posta em rotação e a outra é restringida de rotação.

2. Rotação contrária: ambas as peças de trabalho são postas em rotação, mas em sentidos contrários.

3. Centre drive: a peça do centro é posta em rotação, enquanto as outras duas são impulsionadas por forças axiais, gerando duas soldas e aumentando a produtividade.

4. Twin weld: geram duas soldas como no caso anterior, porém são as peças das extremidades que são postas em rotação.

5. Soldagem radial: uma peça cilíndrica é soldada por uma combinação de carregamentos de compressão radiais e axiais a duas outras peças cilíndricas de menor diâmetro. É comum este tipo de trabalho no reparo de oleodutos.

CONTROLE DO TEMPO DE SOLDAGEM

Uma atividade que precisa ser bem desenvolvida no âmbito da soldagem por fricção é o controle do tempo de soldagem. Como a taxa de transferência de energia em forma de calor é grande, períodos longos podem gerar zonas termicamente afetadas muito extensas, perdendo a vantagem que este método possui.

Basicamente, existem duas maneiras de controle de tempo da solda por fricção:

1. Controle por comprimento total de deslocamento

O fim do processo é determinado a partir da medição da distância percorrida pela peça submetida diretamente ao esforço axial, tanto no processo convencional quanto no inercial. Quando certa distância pré-determinada pelo projeto de soldagem é percorrida, a máquina provoca o fim da soldagem, não havendo mais fornecimento de energia para a junta soldada. Geralmente, este tempo coincide com o momento em que a força de forjamento é aplicada.

2. Controle por parâmetros constantes

O método mais preciso para controlar o tempo de soldagem é através dos parâmetros constantes, que exige uma especialização maior do operador por ser mais complexo. Na solda convencional, existem muito mais parâmetros para determinar o tempo de soldagem, a saber:

a. Frequência angular do eixo (rpm)b. Pressão de aquecimento / soldagem (MPa)c. Tempo de aquecimento / frenagem / espera / forjamento (s)

Esses parâmetros são aplicados ao sistema KUKA PCD, uma ferramenta de monitoramento do processo de soldagem integrado à máquina que pode ser visualizado na interface da máquina e operado via mouse.

Os limites de tolerância são ajustados pelo monitorador da solda na própria interface de visualização, usando-se o mouse. Além disso, os parâmetros são visualizados após cada ciclo da máquina, arquivando todos os momentos anteriores e visualizando os seguintes, obtendo-se a análise completa do processo de soldagem.

Além deste controle, existe uma ferramenta de diagnóstico de processo instalada na máquina. Com esta ferramenta, qualquer falha que ocorra no sistema pode ser detectada e corrigida diretamente na máquina.

MÁQUINA DE SOLDAGEM POR FRICÇÃO

Máquina de soldagem por fricção

Uma máquina de soldagem por fricção possui os seguintes componentes principais:

1) Unidade central: é o componente responsável por gerar eletricidade para rotacionar o motor de acionamento. Sua função é transformar a corrente alternada da rede em uma forma de corrente que possa atender os parâmetros da máquina, funcionando como um transformador.

2) Motor de acionamento: máquina que gera a rotação do eixo girante durante o processo de soldagem. O eixo girante está acoplado ao motor de acionamento.

3) Painel de controle: possui as opções de função da máquina, podendo-se aumentar ou diminuir a velocidade de rotação, aumentar a força axial, etc.

4) Interruptores: são responsáveis pelo desligamento da máquina, caso uma corrente de curto-circuito seja gerada na alimentação da máquina.

5) Carcaça de aço leve: estrutura que sustenta e abriga os componentes elétricos da máquina. É fabricado em aço leve para facilitar o transporte.

Existem vários tipos de máquinas de soldagem, porém elas se encontram distribuídas em dois grupos principais: as máquinas de soldagem convencionais (onde estão as máquinas de fricção radial) e as máquinas de soldagem por fricção inercial. Eis algumas vantagens para aplicação de uma ou outra:

1. Máquina de soldagem convencional

A máquina de soldagem por fricção convencional possui vantagens consideráveis, como:

a) Pelo fato de utilizar um motor elétrico para rotação da peça, evita os picos de torque instantâneos que são gerados nas máquinas por inércia quando ocorre uma parada abrupta. Tais ocorrências são responsáveis por custos maiores na fabricação das peças da máquina, o que não ocorre na máquina de método convencional.

b) O processo de estabilização da velocidade de rotação é mais rápido do que no processo inercial, exigindo menos esforços devido à ausência do volante.

c) A zona termicamente afetada é bem menor do que nos métodos de soldagem a arco elétrico, mantendo as características do metal de base ao redor da junta soldada.

Máquina de soldagem por fricção (convencional): máquina para soldagem de peças com menores dimensões

2. Máquina de soldagem por fricção inercial

A máquina de soldagem por fricção inercial possui várias vantagens, como:

a) Produz soldas fortes para peças de dimensões muito grandes (barras, tubos, placas, discos, etc.), podendo desenvolver peças que teriam confecção muito complicada e muito mais cara utilizando outra tecnologia.

b) A utilização do volante causa um fluxo de solda helicoidal na junta soldada, fazendo com que a resistência mecânica da solda aumente.

c) O controle de qualidade do processo é muito mais simples do que o processo de soldagem por fricção convencional, pois depende somente de dois parâmetros: a frequência de rotação do volante e a pressão exercida pela peça sem movimento rotativo. Isso exige menos habilidade do operador.

d) É um processo mais curto do que o convencional, produzindo uma área termicamente afetada bem menor, além de favorecer a produção em grande escala.

Máquina de soldagem por fricção (inércia): máquina parasoldagem de peças mais robustas

CARACTERÍSTICAS DOS EQUIPAMENTOS BÁSICOS PARA SOLDAGEM

As faixas de limites abaixo relacionadas foram montadas de acordo com informações disponibilizadas pela INFOSOLDA.

1. Soldagem convencional

a. Rotação do eixo: 1000 – 3000 (rpm)b. Força de forjamento: 60 – 1350 (kN)c. Diâmetro do sólido: 25 – 120 (mm)d. Área tubular: 6690 – 12900 (mm²)

2. Soldagem por inércia

a. Rotação do eixo: 500 – 60000 (rpm)b. Força de forjamento: 2 – 20000 (kN)c. Área tubular: 45 – 150000 (mm²)

Como reparado nos limites de operação das máquinas, verifica-se que o processo inercial possui uma faixa de aplicação bem maior do que o método convencional, que possui uma faixa bem limitada se comparada ao método inercial.

VANTAGENS E DESVANTAGENS DO MÉTODO DE SOLDAGEM POR FRICÇÃO EM RELAÇÃO AOS DEMAIS MÉTODOS

A soldagem por fricção foi um método que pareceu muito atrativa à indústria automobilística, área na qual sua aplicação é mais extensa. Ela apresentava algumas vantagens sobre os outros métodos, especialmente a soldagem a arco elétrico, principal método do mercado de soldagem. Eis algumas vantagens:

a) O processo não exige metal de solda, fluxo e gás de proteção. Além disso, é um processo muito seguro que exige menos dos EPI’s, pois não emite radiação, faísca, fumaça (no nível dos processos ao arco elétrico) e não apresenta riscos de acidentes elétricos para o soldador, que pode até operar a máquina a distância.

b) Por não apresentar o fenômeno da solidificação (os metais não chegam a ser fundidos), os problemas de porosidade e segregação (efeitos ligados à solidificação) não correm risco de ocorrer no cordão de solda.

c) O colar é facilmente removido durante a soldagem com auxílio de uma lâmina automática, não havendo necessidade de limpeza da superfície, característica dos processos ao arco elétrico.

d) É capaz de soldar materiais que são impossíveis de serem soldados por qualquer outro método, como é o caso de metais refratários.

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

f) Por não apresentar dispositivos de ignição, as máquinas de soldagem podem ser usadas livremente em áreas da indústria petroquímica, sem necessitar de que os aparelhos sejam desligados por risco de acidentes.

g) Na maior parte das aplicações, a junta soldada possui propriedades mecânicas iguais ou até superiores às dos metais componentes das peças.

h) O custo de operação é baixo e pode ser facilmente automatizado, exigindo pouca ou nenhuma habilidade manual do soldador.

i) 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.

Apesar das inúmeras vantagens, o processo também possui algumas limitações, tais como:

a) Apesar de produzir peças para usos abrangentes e com certa variedade de geometrias, é obrigatório que uma das peças da solda seja cilíndrica.

b) Limita-se à soldagem de juntas de topo planas, angulares e cônicas.c) Um dos materiais deve ser plasticamente deformável sob as condições de soldagem,

necessariamente.

d) O atrito e aquecimento das peças deve ser preciso, pois é um fator crítico para a distribuição térmica uniforme na junta soldada.

e) O custo das máquinas e das ferramentas é relativamente alto, se comparado aos processos a arco elétrico.

f) As ligas usinadas são difíceis de serem soldadas.g) Não pode soldar peças de ferro fundido, pois o grafite atua como lubrificante. O mesmo efeito é

gerado em peças metálicas com baixo coeficiente de atrito.h) Aços com inclusões de sulfeto de manganês causam formações de áreas frágeis na solda.

APLICAÇÕES DA SOLDAGEM POR FRICÇÃO

A principal aplicação da soldagem por fricção está na indústria automobilística, sendo empregada quando uma peça precisa ser composta por dois componentes de metais diferentes. Assim, quando os componentes são soldados, aproveita-se a propriedade dessa tecnologia de que a zona termicamente afetada é bem menor do que nos processos de soldagem a arco elétrico. Geralmente, essa técnica é empregada para peças que são muito solicitadas, com grande risco de serem afetadas por falhas de fadiga.

1. Válvula bimetálica

Válvulas que possuem a ponta e a cabeça fabricadas em material diferente do corpo são projetadas para terem maior durabilidade através do aumento de dureza. Por ser uma peça muito solicitada nos motores de combustão interna, pois está exposta a esforços gerados pela pressão dentro do cilindro, a força da mola, impactos causados no contato da cabeça do cilindro com os limitadores de movimento, etc, deve-se ter cuidado para que a solda gerada seja dúctil (resiste à deformação plástica) e dura, sendo que a solda não pode gerar uma zona termicamente afetada grande, por isso a escolha da soldagem por fricção.

Por se tratar de peças pequenas, o método usado é a soldagem por fricção convencional, que em alguns segundos é capaz de soldar as partes da válvula bimetálica.

Detalhe do DCL simplificado de uma válvula de MCI; extremos da válvula bimetálica, mais dura do que as convencionais

2. Eixo de pinhão em veículos com MCI dianteiro e tração traseira

O conjunto pinhão-coroa é responsável por reduzir a rotação cedida ao eixo do pinhão (proveniente do volante, que gira a rotações muito altas) para rotações compatíveis aos semi-eixos das rodas, transmitindo a rotação à coroa. O pinhão de ataque é uma engrenagem cônica, responsável pela rotação da coroa, que é uma engrenagem maior cujos semi-eixos rotacionam a velocidades menores devido à redução. Porém, como o eixo do pinhão deve suportar altas rotações do volante (logo, está exposto a tensões muito altas), o processo de soldagem do chanfro e de outras partes soldáveis devem ser executadas por fricção, para que ocorra aumento da resistência mecânica do conjunto.

Esta técnica é mais comumente aplicável no caso de eixos para caminhões, e não para veículos de porte pequeno, pois as dimensões são maiores (peças muito grandes demoram para serem soldadas na maioria das tecnologias convencionais de soldagem), encurtando o tempo de soldagem. Além disso, as tensões geradas na rotação de um eixo de caminhão são bem maiores, justificando a aplicação.

Os semi-eixos das rodas também podem ser soldados por meio de fricção. Para que o tempo de modelagem do eixo seja menor, o diferencial é posicionado estaticamente entre duas máquinas de soldagem, que aproximam os dois semi-eixos animados de movimento rotativo, realizando duas soldas ao mesmo tempo.

Localização do eixo do pinhão

Visão geral do diferencial traseiro de um veículo com MCI dianteiro e tração traseira (caminhões)

3. Eixo Central de Motores Wankel

O motor Wankel é um MCI rotativo com um rotor de três lados, que realiza em uma só rotação a aspiração, compressão, ignição e descarga dos gases da combustão, além de gerar muito menos vibrações na estrutura do motor por causa da sua geometria. Este rotor está acoplado a um eixo central, que também é chamado de eixo excêntrico (devido ao movimento impresso pelo rotor, que possui certa excentricidade), e suporta tensões muito altas devido à rotação dos motores Wankel serem elevadas, bem maiores do que os MCI alternativos de mesmo porte. Para aumentar a resistência mecânica nas regiões de acoplamento do eixo excêntrico, aplica-se a soldagem por fricção destes.

Eixo excêntrico: “a” e “b” são os acoplamentos dos rotores do motor Wankel

Rotor do motor Wankel acoplado ao eixo excêntrico e o eixo fora do motor

4. Tubos de perfuração

Os tubos de perfuração (vazados) são usados como brocas na indústria petrolífera para perfuração de poços. Para que se tornem úteis, é necessário que se forme um cordão de vários tubos, podendo pesar cerca de 3 ton. Como são peças muito robustas e que necessitam de elevada dureza, a soldagem por fricção inércia é excelente para a produção desses tubos. De acordo com as especificações da RDC (Ramde de Colombia Ltda.), os tubos são fabricados em liga aço-cromo-molibdênio 4145, que podem alcançar módulos de dureza na faixa 285-341 Bhn.

Além da soldagem por fricção (que pode ser por método convencional ou por inércia), outros processos de usinagem, conformação plástica (como a laminação a frio) e tratamentos químicos são aplicados para aumentar as propriedades mecânicas dos cordões de tubos, pois precisam ser muito resistentes para suportar as tensões de trabalho.

Processo de soldagem convencional de tubos de perfuração e perfil dos tubos

5. Trem de pouso de aviões

Nos aviões, a estrutura que absorve o impacto do trem de pouso é soldada por fricção. As juntas sofrem cargas muito altas quando o avião pousa, gerando tensões de módulos muito altos. Assim, as peças são forjadas através da soldagem por fricção, proporcionando maior resistência ao impacto do pouso.

Estrutura para absorção de impactosna aterrissagem de aviões.

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

1) www.highperformancepontiac.com/.../photo_02.html - caixa de marcha de alto desempenho Pontiac

2) http://hiltonenterprise.tradeindia.com/Exporters_Suppliers/Exporter15011.240864/Bimetallic-Engine-Valve.html - válvula bimetálica

3) http://www.cj-3a.com/fig27.jpg - eixo de pinhão4) http://www.nctfrictionwelding.com/applications.php# - aplicações da soldagem por fricção

5) www.mme.iitm.ac.in/activities/node/227 - máquina de fricção

6) http://www.mtiwelding.com/equipment/1/Direct-Drive-Friction-Welding - máquina convencional de fricção.

7) http://www.mtiwelding.com/equipment/1/Inertia-Friction-Welding - vantagens da soldagem por fricção inercial.

8) http://www.wnplace.com/index_arquivos/friction01.htm - vantagens e desvantagens de método de soldagem por fricção.

9) www.nctfrictionwelding.com/process.php - histórico de soldagem por fricção.10) Apostila de soldagem por fricção – Autores: Fernanda Laureti T. da Silva e Luiz Gimenes Júnior11) http://www.wnplace.com/index_arquivos/friction02.htm12) http://www.aws.org/wj/may01/feature.html - material de apoio13) http://www.bassoassist.com.ar/portugues/estec05.htm - DCL simplificado de uma válvula de MCI.14) Apostila de Introdução ao projeto de Aernaves – Autor: Luiz Eduardo Miranda15) http://www.oficinaecia.com.br/bibliadocarro/biblia.asp?status=visualizar&cod=97 – teoria do eixo

do pinhão e figuras.16) http://www.prelovac.com/vladimir/wankel-engine - motores Wankel e eixo excêntrico17) http://www.ramdeinternational.com/rdc.htm - tubos de perfuração RDC18) WWW.nartube.com – vídeos de soldagem por fricção