Apresentação sobre processos de soldagem desenvolvida durante o mestrado realizado em Engenharia Mecânica pela Universidade Federal de Campina Grande.

1. SOLDAGEM POR FRICÇÃO (FW)
&
FRICTION STIR WELDING (FSW)
AGOSTO (2013)
UNIVERSIDADE FEDERAL DE CAMPINA GRANDE
CENTRO DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA
MECÂNICA
Disciplina: Processos de Soldagem e Corte
Professor: Theophilo Moura Maciel
Aluno PPGEM: Jailson A. da Nóbrega

2. SOLDAGEM POR FRICÇÃO (FW)
Soldagem por Fricção 2

3. Histórico
• O processo de soldagem por fricção, também conhecido como
soldagem por atrito, tem o seu desenvolvimento reivindicado por
diversos países.
• Em 1929 foi registrada a primeira patente alemã; de 1939 a 1944 foi
registrada uma série de patentes sobre esse processo na Inglaterra.
• Ele foi introduzido na Rússia em 1956, e depois foram feitas
diversas inovações nos Estados Unidos da América, sendo
modificado e patenteado em 1966.
• Devido a essas patentes existem duas variantes no processo,
cujas diferenças estão no modo de geração de energia: a soldagem
por atrito convencional (russa) e a soldagem por atrito inercial
(americana).
Soldagem por Fricção 3

4. Características do processo
• Processo de união no estado sólido cuja ligação é produzida em
temperaturas menores do que a temperatura de fusão dos
materiais bases. ( classificação AWS)
• O aquecimento responsável pela união é gerado mecanicamente
por atrito entre as peças a serem soldadas. Esse aquecimento
ocorre devido a uma das peças (que está fixa) ser pressionada sobre
a outra peça que se encontra em alta rotação.
• O atrito entre as superfícies faz com que a temperatura aumente
rapidamente até atingir a temperatura de forjamento a quente da
liga, fazendo com que a massa se deforme plasticamente e flua em
função da aplicação de pressão e da força centrífuga, gerando
uma rebarba (flash).
Soldagem por Fricção 4

5. Características do processo
• Esse processo de soldagem é realizado em poucos segundos e as
propriedades mecânicas das junções são iguais ou superiores
às dos materiais envolvidos.
• A ZTA é extremamente pequena.
• Devido ao rápido aquecimento e resfriamento localizado do metal
dentro de um volume limitado sob aplicação de elevada pressão, o
processo de soldagem por fricção produz junções com estrutura
metalúrgica composta por grãos finos e equiaxiais.
• Altas propriedades mecânicas de tração, dobramento e impacto.
• Variação de dureza ao longo da ZTA é muito pequena e a resistência
à fadiga é pouco afetada principalmente quando após a soldagem
realizado um tratamento de têmpera e revenido.
Soldagem por Fricção
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6. Características do processo
• O processo de soldagem por fricção permite soldar a maioria dos
materiais e dissimilares como Cu-Ni, Al-Aço, Bronze–Aço, Ti-Al,
Cerâmica-Al, Ni-Al, Ag-Cu, Ligas de Mg-Al, etc.
• È possível unir barras cilíndricas com diâmetros dentro da faixa de
3,0 mm a 200 mm (barras de aço ao carbono, sólidas), utilizando um
equipamento de soldagem por fricção fornecido comercialmente.
• Os equipamentos de soldagem modernos são automáticos, uma
vez a máquina ajustada de acordo com os parâmetros de soldagem
estabelecidos, podem ser produzidas milhares de peças com a
mesma qualidade.
Soldagem por Fricção 6

7. Tipos de fornecimento de energia
• Existem dois processos de fornecimento de energia para esta
tecnologia, que são:
Processo de Soldagem por Fricção Convencional (Russo)
Processo de Soldagem por Fricção Inercial (Americano)
Soldagem por Fricção 7

8. Tipos de fornecimento de energia: CONVENCIONAL
• A peça é fixada e rotacionada por uma unidade motora a uma velocidade pré-
determinada, e a outra peça é posicionada, alinhada e deslocada por meio de um
pistão hidráulico até tocar a peça que está girando.
Duas formas de controlar o fim da soldagem:
Terminar a solda no período pré-determinado
pelo projeto através de parâmetros constantes.
Levando em consideração a quantidade total de
deslocamento.
Soldagem por Fricção 8

9. Tipos de fornecimento de energia: INERCIAL
• No processo de soldagem por fricção inercial, uma peça é fixada ao volante com
grande momento de inércia e a outra peça é posicionada e alinhada com essa peça
por meio de um pistão hidráulico.
• O atrito entre as peças faz com que o material
atinja a temperatura de forjamento do material e
possibilite a junção dos materiais.
Soldagem por Fricção 9

10. Tipos de fornecimento de energia:
• Caso existam impurezas, inclusões ou defeitos no material serão arrastados pelas
linhas de fluxo originadas pela pressão que é aplicada.
Influem na resistência da
solda.
Inercial, há um maior entrela-
çamento das linhas de fluxo.
• Convencional elas são radiais porque, quando é aplicada a pressão final sobre a
junta, ela está praticamente imóvel. No processo de soldagem por atrito inercial elas
são espiraladas, pois a pressão é aplicada com a peça ainda em movimento radial.
Soldagem por Fricção 10

11. Tipos de fornecimento de energia:
• Ao final do processo de soldagem (método convencional e inercial), forma 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.
Soldagem por Fricção 11

12. Comparações entre as duas variações do processo:
Soldagem por Fricção 12

13. Variáveis do Processo
• Tempo de soldagem convencional
é muito maior.
• Processo inercial, há um maior controle
da temperatura e o torque é muito maior
acarretando em ter garras mais eficientes.
Soldagem por Fricção 13

14. Variáveis do Processo
• A pressão controla o gradiente de temperatura e influência no torque
e na potência.
• Com o aumento de pressão há uma diminuição da ZTA.
• Deve se resaltar que a pressão depende do material a ser soldado.
• Variante convencional a duração de aquecimento deve ser controlado.
 Aquecimento excessivo aumenta o consumo do material.
 Aquecimento irregular pode gerar inclusões e regiões não unidas.
Soldagem por Fricção 14

15. Variáveis do Processo
• Ligas com baixo coeficiente de atrito não podem ser soldados. É o caso
dos bronzes ou latões com mais de 0,3% de Pb.
• Certos aços com inclusão de sulfetos de manganês também não podem
ser soldados devido a formação de fases frágeis da solda.
Soldagem por Fricção 15

16. Vantagens do processo
• Como as ligações entre os materiais ocorrem através de difusão e não por fusão, a
soldagem por fricção é capaz de soldar a maioria dos materiais, inclusive materiais
altamente dissimilares que não são possíveis por meio dos processos por fusão até o
momento.
• O equipamento de soldagem é automático, de simples operação e permite
repetibilidade, o que é extremamente importante para empresas que trabalham com
produção em série.
• As junções produzidas por esse processo possuem alta resistência mecânica das
soldas, permitindo a sua utilização em aplicações estruturais;
• Não é utilizado metal de adição, fluxo ou gases de proteção, que conciliado ao baixo
consumo de energia e rapidez na execução, representam baixo custo;
• O consumo de energia é mínimo se comparado com os processos por fusão, não
gera fumos ou vapores tóxicos nocivos ao meio ambiente;
• As junções obtidas por meio desse processo têm alta qualidade e são isentas de
defeitos superficiais como mordeduras, falta de fusão, respingos, trincas, porosidades,
etc., tão comuns aos processos de soldagem por fusão.
Soldagem por Fricção 16

17. Vantagens do processo
• Como a soldagem ocorre no estado sólido em baixa temperatura, preserva a
microestrutura da maioria dos materiais eliminando a necessidade de tratamento
térmico após a soldagem;
• Como o calor gerado por esse processo é pequeno, a temperatura na interface de
ligação fica abaixo do ponto de fusão, e não gera distorções na junta soldada.
• A zona termicamente afetada é relativamente estreita, se comparada aos outros
métodos. Pode ser ainda menor quando aplicado o método por inércia..
• 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.
Soldagem por Fricção 17

18. Limitações do processo
• O custo do equipamento é elevado, sendo normalmente produzido em países como
India, Alemanha, Inglaterra e exportado para o Brasil;
• Os equipamentos são robustos, não permitem o transporte e manuseio em outros
locais de trabalho;
• Apresenta determinadas limitações quanto à geometria e dimensões das peças.
• Não permite a soldagem de materiais com baixo coeficiente de atrito, como
determinados ferros fundidos, bronzes, etc.;
• Limitado a certos tipos de juntas de topo, planas e angulares, devendo ser
perpendiculares e concêntricas em relação ao eixo de rotação, qualquer
desalinhamento das peças a serem unidas poderá comprometer a qualidade estrutural
da junção.
• Superfícies de materiais que sofreram tratamentos superficiais de carbonetação,
nitretação apresentam dificuldades para serem soldadas por fricção devido ao baixo
coeficiente de atrito e apresentarem baixa forjabilidade.
Soldagem por Fricção 18

19. Aplicação
• Válvula bimetálica:
Ponta e a cabeça fabricadas em material diferente, exposto a grandes esforços,
solda ductil e dura sem uma ZTA muito extensa.
Soldagem por Fricção 19

20. Aplicação
Soldagem por Fricção 20

21. Friction Stir Welding (FSW)
Friction Stir Welding 21

22. • Friction Stir Welding (FSW) foi inventado por Thomas Wayne no
TWI (The Welding Institute), Inglaterra no ano de 1991.
• É um processo de estado sólido, a ligação entre os materiais
ocorre abaixo do ponto de fusão, com a ajuda de pressão.
• foi inicialmente aplicada às ligas de Alumínio.
Friction Stir Welding 22

23. • Uma ferramenta rotativa não consumível é colocada sobre dos
materiais a serem soldados, em seguida, o pino central, ou sonda, é
posto em contato com as duas peças a serem unidas. A rotação da
ferramenta aquece por atrito os materiais que se encontram em
contato com a ferramenta, se deslocando ao longo da linha da junta,
o material é arrastada em torno deste pino, de modo a eliminar a
interface.
Friction Stir Welding 23

24. • Durante o processo de FSW, o material sofre uma deformação
plástica intensa a uma elevada temperatura resultando na
geração de finos e equiaxial recristalizados. A microestrutura
conduz a boas propriedades mecânicas.
• Os parâmetros de soldagem, geometria da ferramenta e design de
articulação exercem efeito significativo sobre o padrão de
fluxo de material e a temperatura de distribuição, de forma a
influenciar na evolução da microestrutura do material.
• Soldagem de espessuras variando de 1,2 mm a 50 mm, numa
única passagem, a mais de 75 milímetros quando utilizado de
ambos os lados.
• Apropriado para a Soldagem de Al e ligas, Mg e ligas, Cu e ligas,
Ti e ligas de aço, e união de ligas de matérias dissimilares.
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25. • A geometria da ferramenta é o aspecto de maior influência do
processo de desenvolvimento, ela desempenha um papel crítico
no fluxo de material e, por sua vez controla a velocidade de
deslocamento no qual FSW pode ser conduzida.
• A rotação da ferramenta resulta na agitação e na mistura de
material em torno do pino de rotação, maiores taxas de rotação
da ferramenta geram temperatura mais alta por causa do maior
aquecimento por atrito.
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26. VANTAGENS DO PROCESSO
• Processo de alta qualidade com nenhuma porosidade, que
resultante da fusão.
• Boas propriedades mecânicas para ligas de alumínio de
qualidade igual ou excede as obtidas por processos concorrentes.
• O processo é ecologicamente correta, pois não há geração
fumos, respingos, radiação UV, gases de proteção e materiais
de adição.
• Utiliza a tecnologia de máquinas-ferramenta, portanto, fácil de
automatizar.
• Solda em todas as posições.
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27. LIMITAÇÕES DO PROCESSO
• Não tem a flexibilidade de processos manuais e ao arco por
exemplo, FSW não pode ser utilizada quando é necessária a
deposição de metal.
• Alto custo de processo e importação de equipamento.
• Maior controle no alinhamento dos materiais.
• Superfície livre de irregularidades.
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28. APLICAÇÃO
• Indústria Aeroespacial
• Construção naval
• Indústria ferroviária
• Grandes tanques de combustível e outros recipientes para
veículos espaciais, plataformas de carga para balsas de alta
velocidade, vagões.
• Indústria automotiva devido o aumento da utilização de
alumínio, e soldagem de materiais dissimilares. (painel, chassi e
suspensão)
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29. Bibliografia:
Wainer, E., Brandi, S. D., de melo F.D.H. “ SOLDAGEM PROCESSOS E METALURGIA” pp
317- 334 Editora Blucher.
Bracarense, A. Q “PROCESSO DE SOLDAGEM POR FRICÇÃO – FW “ Universidade Federal de
Minas Gerais Grupo de Robótica, Soldagem e Simulação
Mota “TÉCNICA DE SOLDAGEM POR FRICÇÃO”UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ –
UFPA INSTITUTO DE TECNOLOGIA FACULDADE DE ENGENHARIA MECÂNICA
TECNOLOGIA DE SOLDAGEM.
Alves, Eder Paduan. Junções de materiais dissimilares utilizando o processo de soldagem por
Fricção rotativa / Eder Paduan Alves. – São José dos Campos : INPE, 2010.
<http://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=1170> Acesso em: 20 Ago. 2013
<http://fsrl.byu.edu/presentations/Dual%20Phase%20Steel.pdf> Acesso em: 20 Ago. 2013
R.S. Mishra Z.Y. Ma “Friction stir welding and processing” Materials Science and Engineering ed
50 2005
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30. Obrigado.
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