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Especialização em Engenharia de Soldagem
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1
Relevância do tema
Soldagem no estado sólido
Defeitos relacionados com a
fusão do material
Temperaturas mais baixas
Velocidade, Insumos
Bimetais
Qualidade da Junta
Aplicações estratégicas e
complexas
sexta-feira, 8 de outubro de 2010

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Sumário
Fontes de Energia para Soldagem
* Fontes mecânicas *
Atrito rotacional
(Friction Welding - FRW)
Atrito linear com translação e mistura SALM
(Friction Stir Welding-FSW)
Ultra-som (Ultrasonic Welding-USW)
Explosão

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Atrito Interno - Deformação
A. Rusinek, and J.R. Klepaczko, 2008

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Atrito Interno - Deformação
ß = Q’ / W’
onde:
Q’ = Calor
W’ = Deformação Plástica
ß = Taxa de deformação plástica
convertida em calor (Coef. Taylor–
Quinney)
A. Rusinek, and J.R. Klepaczko, 2008

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Atrito Rotacional
Principais características do processo
Um eixo é rotacionado numa determinada velocidade
constante
Ambas as faces são pressionadas com uma determinada
pressão
A velocidade de rotação e a pressão são mantidas constantes
para o atrito aquecer o material (decréscimo do LE)
O eixo é parado e a pressão é mantida por um tempo

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Decréscimo do Limite de Escoamento
Deformação (%)
Tensão
(MPa)
Ensaio de Tração Aço Estrutural S275 em diferentes Temperaturas

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Fonte de Calor
dQ = q�
0dt�
dT =
q�
0dt�
/A
ρc
�
4πa(t − t�)
exp
�
−
x2
4a(t − t�)
�
Energia = µ
�
Fn(x)dx
Fn Fn
Q

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Fonte de Calor
T − T0 =
Q/A
ρc(4πat)
exp(−x2
/4at)
Q / A
Q = energia liberada no instante t = 0
A = área da secção
= capacidade térmica volumétrica
a = difusividade térmica
− T0 =
Q/A
ρc(4πat)
exp(−x2
/4at)

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Soldagem pro Atrito Rotacional
Fases do Processo de Soldagem
Fase 1 - Fricção Inicial
Fase 2 - Aquecimento
Fase 3 - Forjamento
Estas fases estão presentes no processo Direto e por Inércia

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Equipamento FRW Direct Drive
FIG. 1 SCHEMATIC SHOWING RELATION OF WORKPIECES TO KEY COMPONENTS OF A DIRECT-DRIVE FRW
SYSTEM. SOURCE: REF 1
Reference cited in this section
1. INERTIA WELDING: SIMPLE IN PRINCIPLE AND APPLICATION, WELD. MET. FABRIC., VOL 47
(NO. 8), 1979, P 585
Friction Welding
Schillings Tsang, EG&G Rocky Flats
Inertia-Drive Friction Welding
In inertia-drive FRW (Fig. 2), a flywheel and the rotating part are mounted in a spindle, which is driven to the desired
Freio
Eixo
Motor
Cilindro Hidráulico
Peças à Soldar
Embreagem

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Equipamento FRW Direct Drive

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Equipamento FRW Inertia Drive
comes to a stop. A subsequent higher forging force may be used after the flywheel has stopped.
FIG. 2 SCHEMATIC SHOWING RELATION OF WORKPIECES TO KEY COMPONENTS OF AN INERTIA-DRIVE FRW
SYSTEM. SOURCE: REF 1
Reference cited in this section
1. INERTIA WELDING: SIMPLE IN PRINCIPLE AND APPLICATION, WELD. MET. FABRIC., VOL 47
Disco
Eixo
Motor
Cilindro Hidráulico
Faces à Soldar
Guia fixa
Garra
Peças à
soldar

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Equipamento FRW Inertia Drive

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Equipamento FRW Radial
FIG. 1 RADIAL FRICTION WELDING. (A) USING COMPRESSION. (B) USING EXPANSION
The "V" groove for the 108 mm (4
1
4
in.) outside diameter by 9.5 mm (
3
8
in.) wall thickness pipe is typically 100°, while
the internal bevel of the ring is 80°. It is important for the latter angle to be less than that of the groove in order to limit
the initial peak torque and also to promote metal flow from the bottom of the groove in an outward direction toward the
outside diameter. Optimum angles for selected sizes of tubes and pipes are determined experimentally.
Fixação
Tubo
Anel Rotacionado
Luva de
Suporte
Fixação
Anel Rotacionado
Luva de
Suporte
Tubo
Compressão Expansão

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Equipamento FRW Radial

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Comparativo dos Processos
Parâmetro de Processo FRW Direto FRW Inércia
Parâmetros de Soldagem
Velocidade de Rotação Momento de Inércia
Parâmetros de Soldagem Duração da Rotação Velocidade de Rotação
Parâmetros de Soldagem
Força Axial Força Axial
Conversão de Energia em
calor
Energia constante durante o
tempo rotação escolhido
Energia fixa. Duração da
rotação determinada pelos
parâmetros de soldagem
Aporte de Calor Baixo Alto
Taxa de Geração de Calor Baixa Alto
Tempo de Ciclo Similar Similar
ZAC Larga Pequena
Rigidez da Máquina Menor Maior

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SALM - Soldagem por Atrito Linear
com Mistura

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com Mistura
 No processo FSW uma ferramenta
cilíndrica rotatória é introduzida na
junta de topo entre duas peças a uma
determinada profundidade. A
ferramenta é então movida ao longo
desta junta.
 O processo é caracterizado pelo calor
gerado através do atrito entre a
superfície da ferramenta em rotação e
a superfície do material da junta e, pela
deformação plástica oriunda da
ferramenta em rotação. A soldagem é
realizada no estado sólido.
 O processo FSW caracteriza-se por
uma fonte de calor de baixa e
concentrada sob a região de contato
entre a ferramenta e a superfície do
material a ser unido.
 As características do FSW não o
tornam suscetível à camada de óxidos
e contaminantes. A baixa energia
obtida a uma taxa constante torna o
processo homogêneo e com baixas
distorções.
As variáveis de operação citadas na literatura são:
velocidade de avanço da ferramenta (V), rotação da
ferramenta (R), geometria da ferramenta (Rosca,
Pino ou Pino com Anéis), pressão da ferramenta (P),
temperatura inicial do metal de base.

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com Mistura
Zona termo-mecanicamente afetada pelo calor: A- Material não afetado; B- Afetado
pelo calor; C- Termo-mecanicamente afetado - plasticamente deformado, com áreas
recristalizadas; D- Dinamicamente recristalizado.

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com Mistura

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com Mistura
Perfil de microdureza Vickers. Região Frontal.

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com Mistura
Perfil de dureza para o cordão AL 6063 soldado por SALM
38
Figura 22 – Perfil de dureza para cordão de Al 6063 soldado por SALM
(68)
.
A figura 23 mostra uma análise por TEM da evolução dos precipitados nas regiões
BM, LOW, MIN e SOF.

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com Mistura
Mapa de orientação de grãos para o cordão AL 6063 soldado por SALM
A figura 83 apresenta o mapa de orientação de grão para a condição de dois passes
sem inversão no lado de retrocesso da ferramenta.
Figura 83 – Mapa de orientação de grão para a condição de dois passes. Região de retrocesso

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com Mistura
Zona termo-mecanicamente afetada pelo calor: A- Material não afetado; B- Afetado
pelo calor; C- Termo-mecanicamente afetado - plasticamente deformado, com áreas
recristalizadas; D- Dinamicamente recristalizado.

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com Mistura
Energia = µ
�
Fn(x)d
dQ = kµP
Equação de Rosenthal adaptada

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com Mistura
Perfis de Temperatura: Posição Radial
Profundidade
Profundidade
Transversal
Longitudinal
à junta
Perfis de Temperatura: Posição Radial

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com Mistura
No FSW:
• a m a i o r r e g i ã o d e
deformação é a próxima
ao pino
• material deformado é
arrastado no lado de
retrocesso da ferramenta
• a temperatura é uniforme
ao redor do pino (máx.
0,8*Tf)
• influência da deformação
é elevada na temperatura
(a) Velocidades (b) Vetores de velocidades para taxa def. 1s-1
(c) Taxa de deformação s-1 (d) Contornos Temperatura

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SALM - Soldagem por Atrito Linear com Mistura
ferramentas soldam um perfil em ambos os lados, permitindo a soldagem de peças
mais espessas e de geometrias mais complexas.
Figura 7 – SALM duplo. Realizado com duas ferramentas em ambos os lados de um perfil
típico
(34)
.
O processo SALM também pode ser aplicado na fabricação de tubos com costura,
onde as propriedades mecânicas do cordão permitem a fabricação de tubos de ligas
não ferrosas de qualidade superior como está ilustrado na figura 8.
Figura 8 – SALM na fabricação de tubos não ferrosos
(34)
.
A soldagem de ligas com alto ponto de fusão, ou que necessitam de adição para
melhorar as propriedades finais da junta podem ser realizadas com processos
híbridos. Um processo conhecido é o SALM assistido por LASER ou plasma, que
aquece o material na frente da ferramenta. Este calor adicionado por um processo
secundário somado ao calor gerado pelo atrito do ombro da ferramenta eleva a
temperatura do material permitindo a sua mistura (35, 36)
. A figura 9 ilustra este
processo onde ocorre a adição de um terceiro metal na soldagem.
Figura 9 – SALM Híbrido: (a) Vista lateral e (b) Vista superior
(34)
.

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USW - Ultra-som

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USW - Ultra-som
Ultra-som (Ultrasonic Welding-USW)
É o processo mais comum para unir
polímeros, e pode ser utilizado para não
ferrosos
Consiste de um sonotrodo que emite uma
vibração sinoidal da direção perpendicular a
direção de junção
As máquinas são construídas por um
atuador coposto de conversor, amplificador,
emissor e outros controle peneumáticos
A vibração é gerada por cristais
piezoelétricos ligados numa fonte elétrica
transfers the vibratory motion to the workpiece. The converter, booster, and horn must be
frequency.
FIG. 11 SCHEMATIC OF ULTRASONIC-WELDING COMPONENTS
The weldability of any polymer depends on the damping capacity, or attenuation chara
component being joined. Depending on the distance between the sonotrode and the bond
classified as being either near-field (for distances under 6 mm, or 0.24 in.) or far-field (for dis
in.) welding.
It follows that the component geometry has a crucial influence on energy transmission, hea
melting at the joint interface. The transmission of ultrasonic vibrations through the workpi
patterns and regions of maximum and minimum displacements (Ref 34). The material fuses in
Conversor
Amplif.
Fonte Elétrica
Ferram.

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USW - Ultra-som
A geometria do componente tem uma influência crucial na
transmissão de energia, geração de calor e fusão do
polímero na região da junta
A transmissão da vibração ultra-sônica no material causa
deslocamentos máximos e mínimos
O material funde nas regiões de máxima tensão ou
deformação

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USW - Ultra-som
O processo de junção
apresenta 4 fases distintas:
I. Aquecimento até a fusão do
polímero por fricção na
superfície
II. Fusão da região da interface
devido a dissipação da energia
viscoelástica
III.Dissipação de calor
IV.Resfriamento
FIG. 13 TYPICAL PROCESS DATA TRACES-TIME GRAPH OF ULTRASONIC-WELDING PROCESS WHEN
tempo de soldag. resfr.
Penetração
Temperatura
Potência
Tempo, s
Fase
I
Fase
II
Fase
III
Fase
IV

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USW - Ultra-som
Variáveis chave do processo
Amplitude da vibração
Pressão aplicada durante a junção
Geometria da junta (Polímeros amorfos e semi cristalinos
Tempo de soldagem e energia aplicada
Pressão de início de vibração ultra-sônica

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Soldagem por Explosão
1. Inspeção do Material
2. Preparação das superfícies:
Lixamento
3. Montagem: Placa a cladear,
Explosivo
4. Disparo
5. Ajustes e Corte
6. Inspeção: Ultra-som; Ensaios
Mecânicos e Medições Físicas

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Observado por Garl em 1944,
Processo nasceu em 1962, Patente
Dupont: Detaclad, posteriormente
comprado pela Dynamic Materials
Estado sólido através de pressões
da ordem de milhões de PSI
O jato elimina impurezas na
superfície do material
Ligação atômica
Taxa de resfriamento elevada
Soldagem de dissimilares possível

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