Soldagem por Friction Stir: Um processo de união de metais em estado sólido

 Este artigo explica como ele funciona, por que é preferível à soldagem por fusão, suas principais áreas de uso, como a automobilística e a aeroespacial, uma breve atualização sobre os desenvolvimentos modernos em FSW e vários processos derivados, como a soldagem por fricção e por pontos. O objetivo é cobrir todas as informações essenciais sobre esse importante processo de união de metais.

Friction Stir Welding (Soldagem por Fricção): Um processo de união de metais em estado sólido

Índice

Introdução

Princípios da soldagem por fricção

Vantagens da soldagem por fricção

Projeto da ferramenta e parâmetros do processo

Aplicações da soldagem por fricção

Desafios e últimos avanços na união de metais

Derivados inovadores da soldagem por fricção

Desenvolvimentos futuros na soldagem por fricção

Conclusão

Perguntas frequentes

A soldagem por fricção (FSW) é um novo processo de união em estado sólido inventado em 1991 no The Welding Institute, no Reino Unido. Desde a sua criação, ele transformou muito uma série de setores da indústria metalúrgica que dependem de técnicas de união de metais diferentes dos processos de união por fusão. Na FSW, uma ferramenta rotativa não consumível é usada para gerar calor por atrito abaixo do ponto de fusão dos materiais que estão sendo unidos. Isso aquece e amolece os metais, permitindo que eles sejam forjados juntos, produzindo juntas de alta qualidade e sem defeitos.

Devido à ausência de problemas como rachaduras de solidificação e porosidade, a FSW produz soldas mais fortes e mais consistentes do que as alternativas de fusão. Seu uso não se limita apenas às ligas de alumínio aeroespaciais, mas também é usado nos setores automotivo, marítimo, ferroviário etc. Essas são as discussões básicas deste artigo, que incluem os princípios da soldagem por fricção, as vantagens da soldagem por fricção, a aplicação da soldagem por fricção e os novos desenvolvimentos na soldagem por fricção. Seu escopo inclui todos os aspectos desse importante processo de união de metais.

Princípio de operação

O FSW é um novo processo de união de materiais com menos entrada de calor e sem derreter o material de base. Durante esse processo, um eletrodo não-condusivo aquecido eletricamente com um pino de formato cilíndrico e um ombro cilíndrico é colocado em duas superfícies adjacentes dos membros adjacentes e movido de ponta a ponta da junta de trabalho.

Geração de calor por fricção

À medida que o pino da ferramenta FSW gira e se desloca através do material, é gerado calor por atrito entre as superfícies do ombro e do pino que entram em contato com as peças de trabalho. Esse calor faz com que os materiais das peças de trabalho em contato amoleçam sem atingir seus pontos de fusão. O pino, então, mistura mecanicamente os materiais amolecidos, rompendo a estrutura de ligação original e forjando-os juntos.

Formação de uma solda uniforme

Atrás do pino, o material esfria e se recristaliza rapidamente, resultando em uma ligação de estado sólido entre as duas peças originais. Isso deixa uma pepita de solda uniforme, sem nenhum defeito relacionado à fusão ou solidificação, normalmente visto em soldagem por fusão.

Vantagens em relação à soldagem convencional

Excelentes propriedades mecânicas

A ausência de defeitos associados à fusão e à solidificação proporciona às soldas FSW excelentes propriedades mecânicas, equivalentes ou superiores às do material de base na própria condição de soldagem.

Segurança aprimorada

Em comparação com os processos de soldagem por fusão, como a soldagem a arco de metal a gás, não há fumaça, respingos ou radiação ultravioleta associados à FSW. Isso o torna um processo de soldagem mais seguro.

Não é necessário preenchimento

Como o FSW é um processo de estado sólido, ele não requer nenhum material de preenchimento, como fio ou fluxo, o que simplifica o processo.

Automação fácil

A natureza sequencial automatizada do FSW se presta muito bem a implementações robóticas e automatizadas na fabricação de grandes volumes em vários setores.

Funciona em todas as posições

Diferentemente de alguns processos de soldagem por fusão, a FSW pode ser realizada em materiais em posições planas, horizontais, verticais ou suspensas com a mesma eficácia.

Boa aparência da solda

Normalmente, as soldas por fricção têm uma aparência plana e uniforme com distorção mínima em comparação com as soldas por fusão.

Projeto da ferramenta e parâmetros do processo

Importância do projeto da ferramenta

O projeto da ferramenta desempenha um papel fundamental na determinação da profundidade de penetração, das características de geração de calor e, por fim, da qualidade da solda. Os projetos avançados de ferramentas ajudam a obter maiores profundidades e soldas de seção mais espessa.

Variações da geometria da ferramenta

Os projetos de ferramentas podem variar o perfil da sonda ou do pino (os perfis variam de formas cilíndricas simples a pinos rosqueados ou escalonados), o diâmetro do ressalto e as características para influenciar o fluxo de material.

Efeitos dos parâmetros do processo

Os parâmetros do processo, como rotação da ferramenta e velocidades de deslocamento, profundidade de mergulho, etc., afetam significativamente a geração de calor e o fluxo de material durante a soldagem. A produção de menos energia e torque é preferida em velocidades lentas para que seções mais espessas penetrem profundamente, enquanto uma velocidade alta é aplicável para materiais de bitola fina. No entanto, a soldagem por fricção é uma das técnicas promissoras de união em estado sólido, que apresenta várias vantagens em comparação com outros processos de soldagem por fusão para diferentes setores... Os avanços contínuos nos projetos de ferramentas e nos parâmetros de processo aprimoram ainda mais seus recursos.

Aplicações da soldagem por fricção

Compostos de matriz metálica

União de compósitos de matriz de alumínio

O processo Fsw foi utilizado com sucesso para soldar compósitos de matriz metálica (MMCs) reforçados com partículas de cerâmica dura, como carbeto de silício (SiC) e carbeto de boro (B4C). O método produz juntas sólidas em reforços de matriz de Al, partículas de SiC e B4C com características mecânicas comparáveis ou superiores às dos metais de base.

Microestrutura e resistência aprimoradas

MXY As juntas produzidas com FSW têm uma distribuição mais fina e uniforme de reforços na pepita de solda em comparação com as técnicas de soldagem por fusão. Isso se traduz em uma maior resistência da junta, que se aproxima da resistência do composto de base. A ausência de defeitos de liquefação e ressolidificação na FSW evita problemas de rachaduras e porosidade frequentemente observados em soldas por fusão de MMCs.

Indústrias automotiva e aeroespacial

Painéis de asa e fuselagem de aeronaves

Os principais fabricantes de aeronaves utilizam amplamente o FSW para unir painéis de liga de alumínio para asas, fuselagens e seções de cauda. A Embraer usa a técnica para fabricar as capas das asas e as longarinas de seus E-Jets. A Boeing utiliza a FSW nos painéis do 747-8, fabricando mais de 33 quilômetros de soldas.

Peças automotivas de carroceria e chassi

Componentes estruturais de automóveis, como capôs, portas, painéis traseiros da carroceria e elos de suspensão, são unidos por FSW pelos principais fabricantes. A Mazda usa o processo em vários modelos, incluindo seu grande caminhão Bongo. A Ford emprega o FSW nas carrocerias de alumínio da picape F-150 e do utilitário esportivo Expedition.

Marinha e transporte

Construção naval e embarcações marítimas

O construtor de navios italiano Fincantieri constrói superestruturas, conveses e anteparas de balsas e navios de cruzeiro inteiramente com chapas de alumínio unidas por FSW. A Dockwise usa soldas de topo por fricção para unir mangas de pontões de navios de transporte pesado.

Metrô e trens de alta velocidade

Os trens de metrô em cidades como Delhi, Mumbai e Sydney apresentam painéis de carroceria e estruturas inferiores de alumínio unidos por FSW. Os trens-bala japoneses Shinkansen têm peças estruturais e revestimento externo feitos de ligas de alumínio soldadas por fricção.

Em resumo, a soldagem por fricção permite a união eficiente e sem defeitos de vários metais e ligas em diversos setores, desde o aeroespacial e automotivo até o marítimo, o de transporte e o eletrônico. Suas aplicações continuam a se expandir para novas áreas com o desenvolvimento contínuo de processos.

Desafios e últimos avanços na união de metais

Materiais difíceis de soldar

As técnicas de soldagem por fricção estão sendo exploradas para unir materiais tradicionalmente considerados difíceis de soldar.

União de aços e ligas de titânio

Uma pesquisa considerável examina a viabilidade do FSW para unir aços de alta resistência e ligas de titânio, que são difíceis de soldar por fusão devido a rachaduras. Estudos preliminares mostram que é possível obter resistências desejáveis em soldas dissimilares de aço-alumínio e titânio-alumínio.

Juntas de metais diferentes

A FSW também é investigada para unir combinações diferentes, como alumínio e cobre, magnésio e plásticos reforçados com fibra de carbono. Soldas bem-sucedidas de liga de zircônio com aço demonstram a versatilidade do processo de estado sólido.

Estudos de otimização de processos

Aprimoramento do projeto da ferramenta

Os projetos de ferramentas com rosca, ventilação e recursos avançados de ombro são estudados para melhorar a penetração da junta, o fluxo de calor e a mistura de materiais. Os pinos com contornos ajudam a reduzir os defeitos em soldas de seção espessa.

Otimização de parâmetros

A pesquisa otimiza parâmetros interdependentes, como força de mergulho, velocidade de rotação, velocidade de deslocamento e geometria da ferramenta. Os modelos térmicos, juntamente com os experimentos, fornecem insights sobre a prevenção de defeitos.

Evolução da microestrutura

Estudos examinam os fatores que regem o tamanho e a estrutura dos grãos da zona de agitação. O ajuste da taxa de resfriamento e dos recursos da ferramenta refina a microestrutura e as propriedades mecânicas de combinações de ligas difíceis.

Derivativos inovadores

Soldagem a ponto por fricção

Esse desenvolvimento permite a união por pontos de conjuntos de chapas. Ele encontra aplicações em fechamentos automotivos e painéis de carroceria com vantagens sobre a solda a ponto por resistência.

Processamento por Friction Stir

Essa técnica modifica as propriedades do material por meio de uma ação de agitação cuidadosamente controlada. As aplicações incluem o aprimoramento das propriedades dos compostos de matriz metálica e a fabricação de nanoestruturas gradientes.

Processamento de hidro-pilares de fricção

Um híbrido de FSW e extrusão amplia as opções de fabricação de componentes tubulares e ocos a partir de materiais como alumínio, titânio e aço inoxidável.

Os avanços contínuos estão expandindo as aplicações de soldagem por fricção para novas fronteiras de materiais, projetos e fabricação de grandes volumes em todos os setores.

Conclusão

Em conclusão, a soldagem por fricção revolucionou a união de metais desde sua invenção em 1991. Originalmente desenvolvida como uma alternativa para a soldagem por fusão de ligas de alumínio, ela é agora uma tecnologia madura que está sendo usada em diversos setores para aplicações que antes eram consideradas difíceis usando técnicas convencionais. As vantagens exclusivas da soldagem por fricção, como excelentes propriedades mecânicas, defeitos reduzidos, segurança, capacidade de automação e capacidade de unir uma ampla variedade de ligas metálicas, fizeram dela o método de fabricação preferido. A pesquisa contínua que visa a compreender o comportamento do fluxo de material, otimizar os parâmetros do processo e projetar ferramentas avançadas está aumentando ainda mais o escopo e a produtividade da soldagem por fricção. Derivados inovadores, como a soldagem por pontos por fricção e o processamento por fricção, também estão expandindo seu potencial de aplicação para novos domínios de fabricação. Com os esforços contínuos de desenvolvimento, a soldagem por fricção e suas variantes provavelmente continuarão a perturbar as abordagens tradicionais de fabricação e permitirão a fabricação de combinações avançadas de ligas e projetos de componentes em todos os setores no futuro.

Perguntas frequentes

Quais são as principais vantagens da FSW em relação à soldagem por fusão?

Ela produz soldas mais fortes e de maior qualidade, sem defeitos como porosidade ou rachaduras. Também é mais seguro, mais automatizado, funciona em todas as posições e causa menos distorção.

O FSW está limitado à união de chapas planas ou placas?

Não, os avanços permitem a FSW de formas 3D complexas, componentes tubulares/ ocos e combinações diferentes/multimateriais. As ferramentas de solda a ponto permitem a montagem de painéis.

Quais fatores afetam a qualidade da solda?

Os principais fatores são o projeto da ferramenta (perfil do pino/ombro), as velocidades de rotação/deslocamento, a profundidade do mergulho e a força do pino adaptada ao material e à espessura. O calor, o fluxo de material e a resistência da junta são otimizados.

Outras técnicas de união podem substituir a FSW?

Para muitas aplicações, não há alternativas que ofereçam o mesmo grau de consistência e integridade mecânica. Entretanto, algumas fixações especializadas podem funcionar onde o acesso à ferramenta FSW é limitado.