Estudo de adaptabilidade de um equipamento oficinal ao processo de soldadura por fricção
Abstract
O objetivo principal deste trabalho foi estudar a possibilidade de adaptação de um engenho de furar, como forma de averiguar se este seria capaz de desempenhar satisfatoriamente o processo de soldadura por fricção. Numa fase inicial, começou por ser efetuado um levantamento bibliográfico acerca do processo de soldadura no estado sólido, das suas propriedades e características inerentes. Nesse seguimento, são apresentados alguns exemplos de processos de ligação e introduz-se o conceito de soldadura por fricção como um dos métodos que se insere nas técnicas de soldadura no estado sólido. Ainda sobre a soldadura por fricção, foram analisadas diversas tecnologias utilizadas atualmente na indústria, bem como as diferentes variáveis (tais como a pressão axial, par de materiais utilizados nos provetes e velocidade de rotação, para mencionar alguns) e os seus resultados práticos da sua aplicação no processo. Foram realizadas as primeiras experiências de soldadura por fricção, usando sobretudo a máquina furadora. Com os resultados obtidos da ligação entre provetes de aço, alumínio, bem como entre provetes dos dois materiais (soldadura de pares de materiais dissimilares), o processo foi progressivamente aperfeiçoado e recolhidas as informações relativas ao comportamento do engenho de furar mediante as diferentes solicitações. Com base nos comportamentos insatisfatórios registados pelo engenho de furar nas experiências mencionadas acima, é proposto um novo método de soldadura, desta vez partindo do uso do torno mecânico, que funcionando em simbiose com a criação de um módulo auxiliar, deverão ser capazes de realizar o processo de soldadura por fricção.
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Escola de Engenharia José Duarte Cação de Sousa Estudo de Adaptabilidade de um Equipamento Oficinal ao Processo de Soldadura por Fricção março de 2021
Universidade do Minho Escola de Engenharia José Duarte Cação de Sousa Estudo de Adaptabilidade de um Equipamento Oficinal ao Processo de Soldadura por Fricção Dissertação de Mestrado Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica Especialização em Tecnologias de Manufatura Trabalho efetuado sob a orientação do Professor Doutor José Joaquim Carneiro Barbosa
ii DIREITOS DE AUTOR E CONDIÇÕES DE UTILIZAÇÃO DO TRABALHO POR TERCEIROS Este é um trabalho académico que pode ser utilizado por terceiros desde que respeitadas as regras e boas práticas internacionalmente aceites, no que concerne aos direitos de autor e direitos conexos. Assim, o presente trabalho pode ser utilizado nos termos previstos na licença abaixo indicada. Caso o utilizador necessite de permissão para poder fazer um uso do trabalho em condições não previstas no licenciamento indicado, deverá contactar o autor, através do RepositóriUM da Universidade do Minho. Licença concedida aos utilizadores deste trabalho Atribuição-Não Comercial CC BY-NC https://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0/
iii AGRADECIMENTOS Num percurso académico que culmina com a realização desta dissertação, conta-se, inevitavelmente, com o apoio e incentivo de vários. Por isso, expresso aqui, os meus agradecimentos sinceros a todos eles que, direta e indiretamente, colaboraram na elaboração deste trabalho. Em primeiro lugar, agradeço ao corpo docente da Universidade do Minho que acompanhou a minha caminhada ao longo destes cinco anos e onde tive o privilégio de poder aprender com excelentes profissionais, entre eles, um especial agradecimento ao Professor Doutor Joaquim Barbosa, que prontamente aceitou orientar a minha dissertação, revelando uma disponibilidade total e uma enorme pertinência nas críticas e sugestões. Os seus conselhos e entusiasmo contagiante foram determinantes para o resultado final alcançado. Ao Engenheiro Filipe, das Oficinas do Departamento de Engenharia Mecânica da Universidade do Minho, que candidamente partilhou o seu conhecimento na área e prestou todo o auxílio necessário na realização dos ensaios práticos. Porque o sucesso académico depende de uma sólida base emocional, é inevitável não agradecer a um conjunto de amigos que me acompanharam ao longo destes anos, quer festejando comigo todas as minhas vitórias, quer partilhando o sofrimento nos momentos mais difíceis e dando-me sempre a força que me faltava. Ao Américo, Cláudia, João, Pedro, Mariana, Magna e tantos outros que seria exaustivo mencionar, o meu muito obrigado. Todos eles sabem o quão importantes são para mim, e aqui reforço o agradecimento que lhes devo. Deixo para o fim aqueles a quem todos os agradecimentos nunca serão suficientes e que jamais conseguirei pôr em palavras o quanto os admiro, o quanto me orgulho deles, e o quanto lhes agradeço por tudo o que fazem por mim e por todos os seus ensinamentos. A minha família, em especial aos meus pais e irmão. A eles agradeço por terem estado sempre e incondicionalmente ao meu lado, e por me terem dado a força que precisei para chegar até aqui. A todos vós, o meu muito Obrigado!
iv Declaração de Integridade Declaro ter atuado com integridade na elaboração do presente trabalho académico e confirmo que não recorri à prática de plágio nem a qualquer forma de utilização indevida ou falsificação de informações ou resultados em nenhuma das etapas conducente à sua elaboração. Mais declaro que conheço e que respeitei o Código de Conduta Ética da Universidade do Minho.
v ESTUDO DE ADAPTABILIDADE DE UM EQUIPAMENTO OFICINAL AO PROCESSO DE SOLDADURA POR FRICÇÃO RESUMO O objetivo principal deste trabalho foi estudar a possibilidade de adaptação de um engenho de furar, como forma de averiguar se este seria capaz de desempenhar satisfatoriamente o processo de soldadura por fricção. Numa fase inicial, começou por ser efetuado um levantamento bibliográfico acerca do processo de soldadura no estado sólido, das suas propriedades e características inerentes. Nesse seguimento, são apresentados alguns exemplos de processos de ligação e introduz-se o conceito de soldadura por fricção como um dos métodos que se insere nas técnicas de soldadura no estado sólido. Ainda sobre a soldadura por fricção, foram analisadas diversas tecnologias utilizadas atualmente na indústria, bem como as diferentes variáveis (tais como a pressão axial, par de materiais utilizados nos provetes e velocidade de rotação, para mencionar alguns) e os seus resultados práticos da sua aplicação no processo. Foram realizadas as primeiras experiências de soldadura por fricção, usando sobretudo a máquina furadora. Com os resultados obtidos da ligação entre provetes de aço, alumínio, bem como entre provetes dos dois materiais (soldadura de pares de materiais dissimilares), o processo foi progressivamente aperfeiçoado e recolhidas as informações relativas ao comportamento do engenho de furar mediante as diferentes solicitações. Com base nos comportamentos insatisfatórios registados pelo engenho de furar nas experiências mencionadas acima, é proposto um novo método de soldadura, desta vez partindo do uso do torno mecânico, que funcionando em simbiose com a criação de um módulo auxiliar, deverão ser capazes de realizar o processo de soldadura por fricção. PALAVRAS-CHAVE: ESTADO SÓLIDO; FRICÇÃO; SOLDADURA.
vi EVALUATING THE ADAPTATION OF MECHANICAL EQUIPMENT TO PERFORM THE FRICTION WELDING PROCESS ABSTRACT This work is mainly focused on evaluating the possibility of adapting a drilling machine into correclty performing the friction welding process. Firstly, a bibliographic research about the solid state welding was made, where includes its properties and characteristics. Some examples are mentioned and the friction welding process is introduced as part of a solid state welding process. Some of the friction welding technologies applied in industries nowadays are analysed and its different variables (such as axial pressure, used materials, velocity and others) were also discussed. Having that in mind, the first set of friction welding experiments took place using the EFI-FG drilling machine. With the results obtained from the aluminium samples welding, steel samples and also from these two simultaneously (dissimilar materials welding), the process was continuously optimized and information was gathered regarding the behaviour of the drilling machine and operating under different loads. With the knowledge mentioned above as a starting basis, a new method of friction welding is proposed. However, now using a lathe machine working in symbiosis with a specially designed equipment. KEYWORDS: FRICTION; SOLID STATE; WELDING.
vii ÍNDICE Agradecimentos .................................................................................................................................. iii Resumo............................................................................................................................................... v Abstract.............................................................................................................................................. vi Lista de Figuras .................................................................................................................................. ix Lista de Tabelas ............................................................................................................................... xiii Lista de Símbolos, Abreviaturas e Acrónimos .................................................................................... xiv 1. Introdução .................................................................................................................................. 1 1.1 Breve nota histórica sobre a soldadura ................................................................................ 3 1.1.1 Soldadura por fricção ................................................................................................... 3 1.2 Objetivos ............................................................................................................................. 5 1.3 Estrutura da dissertação ...................................................................................................... 6 2. Estado da Arte ............................................................................................................................ 7 2.1 Soldadura no Estado Sólido ................................................................................................. 7 2.1.1 Coesão nos Metais ...................................................................................................... 8 2.1.2 Contacto entre Superfícies ........................................................................................... 9 2.1.3 Requisitos para a Ligação de duas Superfícies em Estado Sólido ................................ 11 2.1.4 Efeito da Quantidade de Deformação nos Processos de Soldadura no Estado Sólido ... 12 2.1.5 Efeitos dos Filmes Superficiais na Soldadura no Estado Sólido ................................... 14 2.1.6 Exemplos de Diferentes Técnicas de Soldadura no Estado Sólido................................ 14 2.2 Soldadura por Fricção ....................................................................................................... 17 2.2.1 Enquadramento Teórico ............................................................................................. 20 2.2.2 Soldadura por Fricção de Materiais Dissimilares ......................................................... 26 2.2.3 Exemplos de Componentes Soldados usando a Fricção .............................................. 29 2.3 Tecnologias da Soldadura por Fricção ................................................................................ 30 2.3.1 Método Convencional ................................................................................................ 31 2.3.2 Método de Ação por Inércia ....................................................................................... 33 2.3.3 Controlo de Qualidade na Soldadura .......................................................................... 38 2.3.4 Vantagens e Desvantagens do Processo de Soldadura por Fricção .............................. 40
viii 3. Procedimentos Experimentais ................................................................................................... 41 3.1 Seleção do Equipamento a Utilizar ..................................................................................... 42 3.2 Preparação do Material Base para Criação dos Provetes .................................................... 42 3.3 Metodologia do Processo Experimental de Soldadura ......................................................... 44 3.4 Ensaios Preliminares ......................................................................................................... 46 3.5 Evolução dos Ensaios de Soldadura ................................................................................... 50 3.5.1 Soldadura de Materiais Dissimilares: Aço/Alumínio .................................................... 52 3.5.2 Soldadura de Provetes com Interface de Ø6 mm ........................................................ 58 3.6 Súmula ............................................................................................................................. 62 4. Proposta de um Dispositivo de Soldadura por Fricção ................................................................ 64 4.1 Requisitos de um Equipamento de Soldadura por Fricção .................................................. 64 4.2 Módulo Adaptador para o Torno Mecânico ......................................................................... 66 5. Conclusões e Trabalhos Futuros ................................................................................................ 74 5.1 Conclusões ....................................................................................................................... 74 5.2 Trabalhos Futuros ............................................................................................................. 76 Bibliografia ....................................................................................................................................... 77 Anexo I – Especificações Técnicas do Engenho de Furar ................................................................... 79 Anexo II – Dados Técnicos da Máquina Rebarbadora ........................................................................ 80 Anexo III – Imagens microscópicas do provete .................................................................................. 81
1 1. INTRODUÇÃO Atualmente, os produtos manufaturados, desde os mais simples, até aos utilizados em indústrias especializadas, são obtidos por diferentes etapas e métodos de fabrico que lhes conferem as características desejadas: forma, textura, resistência mecânica, etc. Assim sendo, torna-se evidente que a indústria necessita de estar provida de um vasto leque de processos que tornem possível as mais arrojadas das especificações da carteira de clientes. Tome-se o exemplo das indústrias de construção metálica e metalomecânica. Esta indústria depende fortemente de tecnologias de manufatura para atingir os objetivos desejados e assim criar novos produtos. São variados e numerosos os processos de manufatura que permitem atingir os resultados necessários: desde a subtração de material, tal como a maquinagem que, através da remoção de apara, torna possível retirar material até ser atingido o produto final; passando por métodos que não necessitam de alterar a quantidade de material disponível, apenas a sua transformação de forma a que seja conferida a forma desejada, como por exemplo a conformação (forjamento, estampagem e quinagem, para mencionar alguns). Na adição de material, a partir de formas normalizadas, é feita progressivamente a adição e união de formas simples, de onde resulta o produto final com o grau de complexidade desejado. É neste último grupo de processos que a soldadura está inserida e, assim sendo, onde o presente estudo será primariamente focado. A soldadura pode ser classificada tendo em conta o estado do material de base e material de adição, o modo de proteção de proteção da soldadura e a fonte de calor utilizada. Existe uma grande variedade de processos de soldadura capazes de se adequar à maioria dos cenários. Não obstante, estas encontramse sempre condicionadas pelos materiais a unir, pela espessura da ligação e pela geometria da peça. Atualmente, a soldadura representa um importante método de produção e reparação de equipamentos mecânico. Devido ao desenvolvimento das suas técnicas de aplicação, tem sido cada vez mais utilizada, em detrimento de construções rebitadas, fundição e outras. O desenvolvimento dos métodos e técnicas de soldadura têm por objetivo um balanço ótimo entre a qualidade da junção e o custo da mesma, o que, muitas vezes, representam objetivos antagónicos [1]. De facto, é sabido que estes processos representam uma elevada percentagem do custo do produto final e são responsáveis por criar grandes desafios aquando a sua realização, sendo várias as razões que explicam esta quota tão significativa no custo final do produto. O facto de existirem diversas variações de processos de adição/ligação (por parafuso, por união com adesivo, por fusão, brasagem, arco submerso,
2 etc.), implica um profundo conhecimento das várias disciplinas da engenharia para solucionar o problema de forma otimizada. Outro cenário que deverá ser tomado em consideração, reside no facto de maior parte dos processos de ligação serem introduzidos, geralmente, no final do processo de manufatura. Nesta fase final do fabrico, os valores do prejuízo no aparecimento de um componente defeituoso é exponencialmente maior, relativamente ao custo que terá um defeito no início do processo de manufatura. De mencionar, também, a elevada percentagem de falhas estruturais nas zonas de união, por estarem, muitas vezes, localizadas zonas de elevadas concentrações de tensão ou por serem simplesmente localizadas em zonas estruturalmente mais frágeis. Estatisticamente, maior parte dos processos de soldadura efetuada na indústria é realizado com recurso à soldadura por arco elétrico. Existem, porém, vários processos de soldadura no estado sólido que permitem obter soluções otimizadas para certos tipos de aplicações mais restritas e especializadas. De entre elas, quando o produto manufaturado em causa possui pelo menos uma geometria de rotação, é possível que o processo de ligação seja a soldadura por fricção (tal como para o caso de varões, tubos, válvulas de escape e de admissão de um motor de combustão interna, entre outros). Neste caso, uma das peças é colocada a girar sobre a outra, provocando atrito entre as faces em contacto. O calor daí resultante aquece a interface até uma temperatura próxima da fusão. Após ser atingida essa temperatura é exercida uma pressão axial que promove a união das peças. Deste processo, importa salientar o crescente interesse nas várias áreas da indústria (automóvel, ferroviária, naval) justificado por inúmeras mais valias: processo facilmente implementável em chão de fábrica, de fácil automatização, não requer operadores altamente especializados (ao contrário da soldadura convencional), apresenta durações de soldadura baixas, bem como áreas de ZTA muito reduzidas e não utiliza material de adição. Ainda assim, a implementação deste processo força a que sejam devidamente estudados, analisados e compreendidos os diferentes parâmetros, quer a nível metalúrgico, quer as condições de operação dos equipamentos. O processo de soldadura por fricção implica a necessidade de equipamentos que mantenham em posição adequada ambos os componentes (um deles fixo e outro em rotação relativa), capazes de garantir a potência necessária para criar calor e atingir a temperatura adequada e, ainda, com capacidade para exercer a pressão axial necessária a unir as peças. Todas as etapas podem ser automatizadas ou parcialmente automatizadas com pequenos auxílios do utilizador, para assim garantir a execução do processo de uma forma eficaz com um resultado positivo.
3 1.1 Breve nota histórica sobre a soldadura A soldadura começou a ser desenvolvida ainda na época pré-histórica, nomeadamente na Idade do Bronze (de 3300 a.C. – 700 a.C.). Nesta altura, pequenas caixas circulares de ouro eram construídas recorrendo à soldadura por pressão. Posteriormente, durante a Idade do Ferro (1200 a.C. – 700 a.C.) os Egípcios, paralelamente aos povos mediterrâneos, conseguiram, pela primeira vez, ser bem-sucedidos a soldar peças de ferro. Apesar dos progressivos avanços ao longo da história, é apenas no século XIX, alavancada pela revolução industrial, que a soldadura por arco elétrico foi descoberta. Anos depois, este elétrodo, que previamente era constituído por grafite, é substituído por um arame metálico e torna-se desta feita num dos métodos de soldadura mais populares, até aos dias de hoje. Em 1907, foi patenteado o primeiro elétrodo revestido, contribuindo para um processo de soldadura mais estável. Em 1916, foi desenvolvida a primeira versão do processo de soldadura MIG. Com o romper da Primeira Grande Guerra, a procura pelos materiais metálicos, pelas soluções e métodos de ligação aumentou. Este fenómeno contribuiu para um avanço na soldadura: quer nos seus processos, quer no aparecimento de novos tipos de elétrodos. Em 1935, é de sublinhar a importantíssima descoberta do processo de soldadura por Arco Submerso, conhecida pelo seu alto poder de deposição de material. Ainda na primeira metade do século foi desenvolvido o processo de soldadura usando elétrodos de tungsténio em atmosfera de gás inerte, comummente denominado como TIG. Na década de 40, os métodos de soldadura tomaram conta por completo da indústria naval com o aparecimento da soldadura MAG e com os sucessivos progressos na soldadura MIG, que utiliza um arco elétrico em atmosfera inerte [2][3]. 1.1.1 Soldadura por fricção Apesar da soldadura por fricção já ser utilizada para soldar termoplásticos desde o ano de 1945, a primeira patente que descreve o processo de soldadura por fricção de metais foi concebida por A.I. Chudikov na União Soviética, como era conhecida no ano de 1956. usando um torno mecânico e barras de metal cilíndricas como material de base. Após a publicação desta patente e de um trabalho de investigação realizado no ano seguinte pelo Instituto de Investigação de Equipamento de Soldadura da URSS que levou ao desenvolvimento da primeira máquina de soldadura por fricção, a MST-1. Depois desta, houve um aumento considerável do interesse acerca do processo da soldadura por fricção: quer na Europa, mais concretamente no Reino Unido, onde no decorrer do ano de 1958, a BWRA desenvolveu
4 com sucesso um protótipo de uma máquina de soldadura por fricção; quer nos Estados Unidos, onde a AMF Corp., Caterpillar e a Rockwell International também desenvolveram várias máquinas para este processo [3][4]. Figura 1 – Equipamento Americano de soldadura por fricção, com recurso a volante de inércia. Adaptado de [5].
5 1.2 Objetivos Com a elaboração deste projeto, pretende-se integrar e aprofundar o conjunto de conhecimentos adquiridos ao longo do ciclo de estudos do curso do Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica. Adicionalmente, a presente dissertação terá como principal objetivo a aquisição e validação de conhecimento acerca de um tema que se tem revelado de crescente interesse: a soldadura por fricção. Nesse sentido, são isolados vários objetivos que culminarão num todo coerente e bem estruturado, que se pretende que seja este trabalho. Por outras palavras, o escopo é uma apresentação dos capítulos individualmente, cada um com as suas diversas considerações sem que deixe de existir uma ligação lógica entre os vários assuntos. De uma forma geral, os objetivos predefinidos para este trabalho, passaram, numa primeira fase, pela elaboração de uma aprofundada pesquisa bibliográfica sobre metodologias do processo de soldadura por fricção, reunião de dados e parâmetros sobre o processo, elaboração de testes experimentais e conceber/projetar alterações que permitam obter um dispositivo de soldadura por fricção que possa operar num ambiente académico, nas instalações do DEM.
6 1.3 Estrutura da dissertação A presente dissertação apresenta-se dividida em diversos capítulos, sendo que alguns deles apresentam ainda os seus respetivos subcapítulos para uma organização mais eficiente das ideias a expor. No primeiro capítulo, é realizado um enquadramento geral acerca do trabalho: é apresentada a temática que motiva esta dissertação, feita uma introdução ao tema da soldadura por fricção e apresentados os objetivos da mesma. No segundo dos capítulos, é abordado o tema na sua vertente bibliográfica. Recorrendo a autores de renome na área, explicitam-se as ideias fundamentais da soldadura no estado sólido. São apresentados os seus fundamentos, considerações e, ainda, exemplos de técnicas que utilizam a soldadura no estado sólido e, nesse seguimento, é num dos seus subcapítulos que se apresenta, igualmente, a soldadura por fricção. De seguida, no terceiro capítulo, é descrita a atividade experimental da soldadura por fricção usando diversos componentes, de entre eles, componentes de materiais dissimilares. Observam-se e analisamse os resultados. São discutidos alguns requisitos para o dimensionamento do dispositivo de soldadura por fricção. O quarto capítulo apresenta a propostas para a concretização do dispositivo de soldadura, bem como algumas considerações e métodos de funcionamento dos mesmos. Por fim, no quinto capítulo, revelam-se as conclusões a retirar desta dissertação e abordam-se aqueles que serão os trabalhos de interesse para uma realização a posteriori .
7 2. ESTADO DA ARTE Neste capítulo será apresentada uma revisão bibliográfica acerca do processo de soldadura, bem como algumas informações necessárias para uma compreensão mais aprofundada do tema que se apresenta: a soldadura por fricção. Inicialmente será abordado o tema da soldadura com principal foco no seu estado sólido (quadro em que se insere a soldadura por fricção), de forma a posteriormente ser possível perceber melhor alguns dos conceitos relativos à soldadura por fricção. De seguida, apresentam-se exemplos das técnicas empregues para a realização da soldadura no estado sólido. Posto isto, é realizado um estudo mais pormenorizado acerca da soldadura por fricção e desmistificadas as etapas do processo. São, igualmente, introduzidos os conceitos por detrás das tecnologias que têm sido aplicadas no mercado e que são capazes de reproduzir este processo. 2.1 Soldadura no Estado Sólido Para que se dê a soldadura no estado sólido entre dois componentes metálicos, é necessário fazer com que as superfícies (livres de qualquer tipo de resíduos) se aproximem o suficiente para que se crie uma ligação metálica entre ambos. Para isso, existem várias técnicas em que a ideia fundamental passa por pressionar os componentes metálicos a soldar (quer seja a temperatura ambiente, quer a temperaturas mais elevadas), de modo a que haja uma deformação suficiente nas superfícies para garantir um contacto, parcial ou total, que exponha os dois materiais, sem a presença de nenhum filme óxido ou impureza. Apesar de parecer um processo relativamente simples, existem inúmeras considerações mecânicas, metalúrgicas e fenómenos complexos que é necessário ter em atenção, tais como dispersão dos filmes superficiais e difusão [6]. Tais tópicos serão abordados, em separado, mais adiante. Primeiro, contudo, será necessário apresentar algumas breves considerações, acerca da coesão dos metais e dos mecanismos de ligação.
8 2.1.1 Coesão nos Metais A coesão de um sólido com uma rede cristalina resulta da força atrativa entre os seus átomos constituintes. Normalmente, cada átomo ocupa uma posição de equilíbrio, na qual a força resultante sobre cada um deles é nula. Quando o sólido é submetido a cargas externas, os átomos movem-se além das suas zonas de equilíbrio e é criada uma tensão na estrutura cristalina do material. A contrariar esta carga externa, atua a força de atração entre os átomos, que aumenta consoante a sua separação, até que um certo ponto máximo de separação é atingido e a partir do qual a sua força de atração começa a perder intensidade, como demonstrado na Figura 2: Figura 2 – Forças de atrativas e repulsivas entre átomos de cobre. Adaptado de [7] . Para metais que não possuam nenhuma má formação significativa na sua rede cristalina, e uma vez atingido este ponto de afastamento máximo, irá surgir um rompimento no plano cristalográfico onde as forças de interação interatómicas são mais fracas. De uma forma teórica, seguindo este mesmo raciocínio, mas em vez de afastamento, tendo agora em conta uma aproximação superficial a nível interatómico (e assumindo que estas superfícies são desprovidas de qualquer tipo de rugosidades superficiais maiores do que a distância interatómica de
9 ambos os constituintes, livres de contaminantes e perfeitamente paralelas) as ligações metálicas entre ambas poderiam ocorrer espontaneamente, sem nenhum consumo de energia proveniente de uma fonte exterior. Estas ligações atómicas seriam, portanto, suficientes para produzir uma união das peças com a mesma resistência que as os seus dois componentes em separado [7]. Contudo, tais superfícies ideais não existem. De facto, as superfícies metálicas estão sempre cobertas por filmes de óxidos, contaminantes absorvidos (e adsorvidos), gases que impedem a ocorrência destas ligações metálicas e também porque não é possível atingir valores de rugosidade na ordem atómica de grandeza. Mesmo em casos em que as superfícies se encontram cuidadosamente polidas, estes corpos sólidos estão repletos de rugosidades microscópias: significa isto que, mesmo quando duas superfícies com estas características se aproximam uma da outra, na realidade o contacto inicial entre elas irá ocorrer de uma forma descontínua, contactando apenas em pontos dispersos, nos picos do perfil efetivo das superfícies, dependente, portanto, da rugosidade de cada par de superfícies [8]. Assim sendo, importa agora discutir o conceito de rugosidade superficial, abordado no tópico seguinte. 2.1.2 Contacto entre Superfícies A rugosidade de uma superfície engloba as saliências e reentrâncias que nelas se encontram. Por outras palavras, são os desvios numa superfície quando comparada com uma superfície ideal, que seria, portanto, desprovida de rugosidade. Este fator pode ter influência em diversas funcionalidades, tais como na qualidade do deslizamento (atrito seco e viscoso) e nas vibrações do sistema peça-ferramenta, para mencionar algumas.
10 Existem vários parâmetros que quantificam este fenómeno em função de uma linha de referência, disposta na direção do perfil e dividindo-o de tal forma que a soma das áreas acima é igual à soma das áreas abaixo: linha média [8] (Figura 3). Figura 3 – Perfil de uma superfície (imagem à esquerda) e respetiva linha média do perfil, na imagem da direita. Nessa mesma imagem, é visível um contorno a vermelho, que não é mais do que curso obtido pelo apalpador de um determinado instrumento de medição. Adaptado de [8] . Tais perfis são compostos de picos (porções de material localizados acima da linha média do perfil) e por vales (ausência de material localizadas abaixo da linha média do perfil), Figura 3. Com isto em mente, é percetível que quando duas superfícies contactam, esta interação não será feita de um modo uniforme e bem distribuído. Em vez disso, o que acontece na realidade, são contactos pontuais entre os picos e vales do par de superfícies. Importa, por isso, fazer a distinção entre a área de contacto nominal (geométrico) Sn, determinado pelas fronteiras externas da superfície em contacto; e Sk, que representa a área total da superfície que realmente está a efetuar um contacto físico (microprojeções) entre as superfícies [9] (Figura 4). Figura 4 – Modelo de uma superfície irregular. As áreas a traço interrompido representam as áreas de contacto físico (real), Sk; Enquanto a área nominal corresponde a Sn=ab. Adaptado de [9] .
17 2.2 Soldadura por Fricção A Soldadura por fricção é uma técnica de soldadura no estado sólido na qual o calor necessário para a soldadura é originado pelo movimento relativo das duas interfaces. A conversão da energia mecânica em energia térmica, que acompanha sempre os processos de fricção, já é conhecido há muito tempo. Na grande maioria dos casos, esta conversão (que resulta na libertação de calor) é considerado um fenómeno indesejado na soldadura. Exceção feita na soldadura por fricção que é uma das poucas técnicas em que isso não acontece, sendo na verdade esta conversão de energia mecânica em energia térmica o principal agente responsável pela ligação da interface [9]. O método de soldadura por fricção depende, então, da conversão direta da energia mecânica em energia térmica (e do calor gerado por esta segunda) para criar a solda, sem necessidade da aplicação de calor proveniente de nenhuma outra fonte externa ou material de adição. Normalmente, não se verifica a fusão de metal na interface, nem em nenhum outro ponto dos componentes a ligar. Na Figura 10 está esquematizado um caso típico (e tido como convencional) de soldadura por fricção, onde o componente estacionário é mantido em contacto com um outro em rotação. A este contacto é submetida uma determinada pressão, constante ou aumentando gradualmente, até que a interface atinja a temperatura necessária a que ocorra a soldadura[12]. A velocidade de rotação, os valores de pressão axial e os tempos de soldadura são as principais variáveis a ter em consideração para que se forneçam as combinações de pressão e calor que formam a ligação. Estes parâmetros são ajustados de tal forma a que a interface alcance uma temperatura que permita que o material seja mais facilmente maleável, ou seja, num regime de temperatura que torne o metal plástico, onde a soldadura terá lugar. Uma vez fornecido o calor necessário à interface, é aplicada uma pressão axial que provoca um contacto mais íntimo entre a mesma. Durante esta fase do processo de soldadura, enquanto as interfaces estão em contacto, ocorre uma difusão atómica permitindo uma ligação metalúrgica entre os dois materiais [12].
18 Figura 10 -Esquema ilustrativo dos passos fundamentais do processo convencional de soldadura por fricção. (a) Um dos componentes está provido de rotação, enquanto que o outro é mantido estacionário. (b). Os componentes são aproximados. É aplicada força axial para iniciar o processo de deformação. (c) A rotação é cessada e o processo de deformação é finalizado. Adaptado de [12] . Para além deste método, Vill [9] destaca também outros três, sendo cada um deles mais apropriado para diferentes conjuntos de cenários: Figura 11 – Métodos de soldadura por fricção (segundo Vill [9] ).
19 O primeiro método (a) da Figura 11 é usado quando se pretendem valores relativamente altos de velocidade periférica de rotação entre os componentes; O segundo caso (b) é de particular interesse na soldadura de varões ou tubos esbeltos, ou com um comprimento significativo. Pode ainda optar-se por fornecer um movimento relativo lateral entre as superfícies, em vez do movimento rotacional (c) [7]. A soldadura por fricção envolve a geração de calor via abrasão friccional, dissipação de calor, deformação plástica e interdifusão química. A relação que estes fatores têm entre si durante a soldadura por fricção constituem um enorme desafio no desenvolvimento de modelos numéricos computacionais capazes de prever com precisão o processo de soldadura por fricção. Contudo, de um ponto de vista qualitativo, este processo tem vindo a ser explorado e já foram realizados vários estudos, testados numa vasta gama de materiais diferentes. Dos estudos realizados, foram agrupados cinco fatores qualitativos diferentes que influenciam a qualidade da soldadura por fricção, sendo eles: Velocidade relativa das faces; Pressão aplicada entre as faces; Temperatura da interface; Propriedades dos materiais; Presença de filmes nas superfícies e condição das mesmas. Os primeiros três fatores estão relacionados com parâmetros inerentes ao processo da soldadura por fricção, enquanto os últimos dois são dependentes dos materiais a ser soldados. Durante a soldadura por fricção, a velocidade relativa, a pressão aplicada e a duração da mesma são as variáveis a controlar. O efeito destas variáveis na qualidade da soldadura será discutido mais pormenorizadamente adiante, quando forem apresentados os conceitos sobre os métodos principais de aplicação da técnica de soldadura por fricção. Analogamente às outras técnicas de soldadura no estado sólido, a temperatura da interface constitui um parâmetro de grande importância para assegurar uma boa soldadura. Assim sendo, uma ligação de qualidade depende quer das condições do processo, quer dos materiais a serem soldados. Mesmo quando a temperatura da interface não é medida, ou controlada diretamente, os efeitos de uma temperatura insuficiente (ou excessiva) são, geralmente, evidenciados com uma inspeção visual do produto final. As propriedades e condições dos materiais que serão ligados afetam tanto as forças friccionais presentes no processo como os parâmetros da fase de forjamento dos materiais [12] (fatores discutidos adiante).
20 2.2.1 Enquadramento Teórico A teoria da fricção está desde logo ligada à lei de Amonton, na qual é afirmado que a força de fricção, F, é proporcional à carga axial, L: 𝐹=𝜇𝐿 (1) Onde μ corresponde ao coeficiente de fricção, que deveria ser constante sob qualquer carga axial. Contudo, Vill defende que este coeficiente varia, não só, de forma inversamente proporcional ao aumento da carga axial, como também é dependente dos valores da rotação relativos dos componentes. Vill sugere uma expressão do tipo: 𝐹=𝛼𝑆𝑘+𝛽𝐿 (2) Onde Sk, tal como introduzido anteriormente, representa a área de contacto efetiva; 𝛼 e 𝛽 são constantes. Para um contacto ideal, em regime plástico e onde a área nominal, Sn e área contacto efetivo Sk, são iguais, pode ser considerado que: 𝐿 𝑆𝑘(=𝑆𝑛) =𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒 Sendo que, de facto, para altos valores de pressão axial, a lei de Amonton traduz corretamente uma parte da Equação 2, uma vez que 𝛽≃𝜇. Para além deste fenómeno, existem outras fontes na soldadura por fricção que irão gerar calor, tal como a deformação dos pontos de contacto. À medida que a temperatura aumenta, as camadas adsorvidas (ou absorvidas) irão evaporar e a fricção irá ser feita diretamente entre as duas interfaces de metal puro, que resulta num aumento de 𝜇, que, por sua vez, se traduz num aumento da temperatura acompanhado por uma gripagem. Este fenómeno cria forças de resistência tangenciais entre os componentes a soldar, sem que seja necessário aplicar qualquer tipo de força axial (contrariando a Lei de Amonton). Pares de superfícies com grandes rugosidades apresentam um 𝜇 maior, devido a um “interbloqueio” dos picos e vales das superfícies; do mesmo modo, superfícies ideais com rugosidades (extremamente) baixas também apresentariam um 𝜇 elevado, derivado de uma maior presença de forças interatómicas [7].
21 Contudo, como anteriormente discutido, tais superfícies são impossíveis de obter noutro meio que vão além do foro teórico. Na Figura 12, apresentam-se as curvas de velocidade e binário que, de uma forma geral, são características do processo de soldadura por fricção. Como se verá mais adiante, os diferentes métodos, também implicarão curvas ligeiramente diferentes das que apresentam nesta instância. Figura 12 – Curvas de Velocidade de rotação-binário durante as etapas de soldadura por fricção. Adaptado de [7] . Numa primeira fase, é possível observar um pico nos valores do binário. Este traduz o instante em que se dá o primeiro contacto entre os componentes, onde a interface de ambos se encontra à temperatura ambiente (ou perto desses valores), pelo que a plasticidade dos componentes não foi afetada, ainda, pela temperatura. Ocorre então uma fricção estática na interface. No momento em que esta fase inicial termina, maior parte dos óxidos adsorvidos já terão sido destruídos pelo calor e, na eventualidade de ainda existirem algumas quantidades desprezáveis, serão finalmente destruídas na fase de deformação plástica, T2. Com a destruição destas camadas oxidadas, verifica-se um aumento rápido e oscilante nos valores do binário, evidenciados na subida da temperatura da interface. Existe a transição entre as fases da camada fronteira de fricção (onde 𝜇=0,1−0,2) para uma fase de fricção pura (𝜇>0,3).
22 No caso dos aços com baixo teor em carbono, a gama de temperaturas no instante T2 encontra-se num intervalo de temperaturas compreendidas entre os 100 e 200ºC. Sucedido este fenómeno, o processo entra numa fase em que o binário estabiliza em valores relativamente mais baixos, característico do facto de estar a acontecer cisalhamento do material num regime altamente plástico, mas agora com temperaturas de interface em intervalos compreendidos de 900 a 1100ºC, em que o próprio metal amolecido atua como lubrificante. Para o caso da soldadura ser efetuada entre aços, é nesta fase que a interface dos componentes em fricção se encontra ao rubro. A rotação é então interrompida e é aplicada uma pressão de forjamento (ou vice-versa). Durante as primeiras duas fases (T1 e T2), apenas é gerado 13% do calor total relativo à soldadura por fricção, deixando os restantes 87% para a fase final e mais importante, T3. A energia térmica libertada por unidade de área durante o processo de soldadura, pode ser obtida por: 𝐻=2𝑃 𝐾 𝑛𝑅×103 W/mm2 (3) Em que K varia consoante o material (por exemplo, para um aço com baixo teor em carbono, apresenta valores na ordem dos 8×107 mm2/min2), 𝑛 , as rotações por minuto (rpm), R é o raio (mm) e P a pressão em kg/mm2 [7]. A Equação 3 assume a conversão das forças de cisalhamento num fornecimento de calor friccional para a interface e, apesar de ser uma equação útil para uma aproximação da transferência de calor na mesma, existem muitos mais fenómenos que não podem ser traduzidos recorrendo a uma equação linear: é necessário considerar o fenómeno da variação do gradiente de transferência de calor, quer no decorrer das três fases do processo, quer na secção da interface. Outro grande constrangimento está na atribuição do valor usado para o coeficiente de fricção. De facto, existem uma série de fatores que têm peso na atribuição de um valor correto de 𝜇, tais como a temperatura, a geometria de contacto, rugosidade superficial, a magnitude da velocidade de rotação entre outros. Consequentemente, é virtualmente impossível encontrar um valor exato para 𝜇, sobretudo nas condições em que é realizada a soldadura por fricção.
23 A Lei de Amonton previamente mencionada, sendo ela baseada num contacto rígido entre as superfícies, não toma em consideração, portanto, as forças internas ou a deformação plástica. De facto, quando estão envolvidos elevados valores de deformação plástica, esta lei deixa de ser capaz de traduzir o fenómeno que está a acontecer na interface. Assim sendo, passa a ser mais razoável assumir que a fricção entre os dois corpos como função da pressão axial exercida no processo de soldadura, Figura 13. Figura 13 – Caracterização da tensão de corte como função da pressão axial. Neste diagrama, a condição ideal de passagem entre a fase de deformação de asperidades e contacto plástico é mostrada com uma linha contínua, contudo, as condições reais são mais difíceis de definir e são aqui representadas pela curva tracejada. Adaptado de [13] . Num nível microscópio, até a mais bem polida das peças, apresenta inúmeras irregularidades. Na primeira fase, como o contacto real (Sk) é muito inferior ao contacto nominal (Sn), o contacto é efetuado entre as asperidades das duas superfícies e o comportamento do provete obedece à Lei de Amonton (Figura 13 e Figura 14 (a)). Por outro lado, quando os valores de Sk e Sn são aproximadamente iguais, ocorre um contacto puramente plástico na interface (Figura 13 e Figura 14 (b)), onde a pressão axial e a tensão de corte se comportam tal como demonstrado na secção a traço interrompido da Figura 13 [13].
24 Figura 14 – Esquema representativo das duas condições interfaciais que podem surgir na soldadura por fricção. (a) O contacto real é muito inferior ao contacto nominal e a deformação apenas ocorre nas asperidades. (b) Existe um contacto puramente plástico na interface, sendo a deformação igualmente distribuída por toda a sua periferia. Adaptado de [13] . Uma das grandes vantagens associadas à soldadura por fricção está relacionada com o facto de esta gerar uma zona termicamente afetada muito reduzida comparativamente aos restantes métodos de soldadura. A ZTA é um fator que descreve a transferência de energia calorífica, por condução, na zona vizinha da soldadura. Convém que esta zona seja reduzida, pois caracteriza toda a região da vizinhança da soldadura onde as temperaturas atingidas foram superiores às necessárias para ocorrer uma transformação de caráter metalúrgico, podendo fazer com que esta zona se torne num elo mais fraco na soldadura [14] (Figura 15). Figura 15 -Zona termicamente afetada gerada pela soldadura por fricção num provete de aço.
25 Ao contrário da ZTA, que se trata de um fenómeno transversal a todos os processos de soldadura, existe, na soldadura por fricção, um outro fenómeno que é inerente a esta técnica. Como discutido anteriormente, é importante ter em conta que para ser produzida uma boa soldadura entre os componentes, é necessária uma deformação plástica acima de determinados valores (praticamse, por exemplo, deformações entre 37 e 180% [7]). No caso da soldadura por fricção este nível de deformação plástica é comummente referido como “taxa de encurtamento”, (Figura 16). Figura 16 – Deformação plástica quantificada sob a forma de “taxa de encurtamento”. Na medição à esquerda regista-se um comprimento total nos provetes (não soldados) com cerca de 97 mm; na imagem à direita verifica-se um encurtamento em cerca de 4 mm do provete soldado e a formação de um rebordo na periferia da interface. A taxa de encurtamento, traduz-se num aumento da área na interface, em detrimento do comprimento dos componentes. Esta é evidenciada na criação de um rebordo (Figura 16) que pode mais tarde ser removido recorrendo a uma operação de maquinagem. A taxa de encurtamento é tanto mais substancial quanto maior for o módulo da pressão axial e a plasticidade do material. A taxa de encurtamento, 𝑈, para o caso de varões com secção circular é dada pela seguinte expressão: 𝑈=𝑅2−𝑑2 𝑑2×100% (4)
26 Onde os valores geométricos de R e d, podem ser retirados de medições efetuadas a componentes soldados recorrendo à soldadura por fricção, tal como demonstrado na Figura 17: Figura 17 – Geometria de um varão soldado com recurso à fricção (Segundo Dickinson). Adaptado de [7] De salientar que estes valores não expressam o encurtamento nas dimensões longitudinais, mas sim o aumento da área na secção transversal da interface [7]. Para o caso particular apresentado na Figura 16, onde das medições se obtém: 𝑅=15.5 𝑚𝑚 𝑑=11.4 𝑚𝑚 Então, 𝑈=𝑅2−𝑑2 𝑑2×100%=15.52−11.42 11.42100%=85% Para a mesma pressão axial, a quantidade de material deformado varia consoante as propriedades do material em questão e proporcionalmente com as temperaturas em jogo na interface no instante em que a pressão supracitada é aplicada. No caso dos varões em aço, a taxa de encurtamento praticada em maior parte dos casos ronda os 37%, enquanto para tubos do mesmo material são usadas taxas de encurtamento de 180% [7]. 2.2.2 Soldadura por Fricção de Materiais Dissimilares As técnicas de soldadura por fricção são capazes de unir provetes de materiais idênticos, como, de igual forma, também apresentam bons resultados para alguns pares de materiais dissimilares. A soldadura de materiais dissimilares está a ter um interesse crescente em diversas aplicações de várias áreas na engenharia, tais como aeroespacial, naval, automóvel e ferroviária [15].
33 Para os aços ao carbono, é necessária uma pressão de, pelo menos 70 MPa, na interface para formar uma ligação de qualidade. Depois do motor ser desengatado da peça de trabalho, a força de forjamento é aplicada. Para este mesmo tipo de aços, usam-se forças axiais de compressão na ordem dos 140 MPa na interface da soldadura [12]. 2.3.2 Método de Ação por Inércia O método de ação por inércia utiliza uma máquina ferramenta muito semelhante ao método de ação direta, sendo que a principal diferença reside na existência de um volante de inércia ligado à bucha em rotação onde se fixa um dos componentes a soldar (Figura 24). Desta feita, o volante de inércia passa a ser o responsável por controlar o input de energia na soldadura, fazendo dele uma variável de fulcral importância neste tipo de soldadura. É controlado quer adicionando, ou removendo volantes de inércia, alterando assim a massa total do volante. Quando o sistema atinge a velocidade de rotação desejada, a embraiagem desengrena a rotação vinda do motor, deixando a rotação totalmente a cargo da massa do volante de inércia. Uma vez desengrenada, e tal como no método convencional, é aplicada uma força axial constante durante o processo da soldadura. Esta força axial traduz-se numa desaceleração na velocidade de rotação do sistema. Em alguns casos, quando deixa de haver rotação, ou a instantes disso acontecer, é aplicada uma pressão axial superior para efetuar o processo de forjamento [12]. Figura 24 - Esquema representativo de um equipamento de soldadura de fricção, preparado para reproduzir o método de ação por inércia. Adaptado de [12] . A Figura 24 ilustra o processo de soldadura com recurso ao volante inércia.
34 Figura 25 - Comportamento da Velocidade de Rotação, pressão axial e taxa de deformação/encurtamento em função do tempo relativo das três fases de soldadura no processo de ação inércia. Adaptado de [12] . A grande diferença entre o método convencional e o método de ação por inércia reside na velocidade de rotação na fase de fricção. No método de ação por inércia a velocidade de rotação nesta fase diminui continuamente, enquanto no método convencional a velocidade é constante. O calor gerado pela deformação plástica dos materiais na interface é o principal agente na fase de forjamento, uma vez que previne a diminuição rápida da temperatura na interface. As variáveis do processo que controlam as características de uma soldadura por fricção assistida por volante de inércia estão ligadas ao tamanho do volante de inércia e, consequentemente, do momento de inércia que dispõe; a velocidade de rotação do volante e a pressão axial. A energia disponível para produzir a soldadura é predefinida pelas duas primeiras variáveis. É possível calcular a energia cinética no volante de inércia, para um determinado instante durante a soldadura, utilizando a seguinte equação: 𝐸=𝑆2𝐼 𝐶 (5)
35 Onde 𝐸 é a energia (J), 𝐼 é o momento de inércia (kg/m2), 𝑆 a velocidade de rotação do volante de inércia (rotações/min), e 𝐶 é a constante de conversão, correspondente a 182.4 para unidades métricas. A constante de conversão 𝐶 é proveniente da equação: 𝐸=1 2𝑚𝑣2, (6) Onde 𝑚 é a massa (kg) e 𝑣 a velocidade de rotação (m/s). Sendo que, neste caso, 𝑣=𝜔𝑟 e que 𝜔=2𝜋𝑆, sendo 𝜔 a velocidade angular (rad/s) e 𝑟 o raio do volante (m), Então, 𝑣=2𝜋𝑆𝑟. Substituindo na equação acima, temos que: 𝐸=1 2𝑚(2𝜋)2𝑆2𝑟2 𝐸=1 2𝑚𝑟2(2𝜋)2𝑆2 Tendo agora em conta que 𝑚𝑟2=𝐼, então: 𝐸=1 2𝐼(2𝜋)2𝑆2 Para aplicando as unidades do Sistema Internacional, a equação fica com a seguinte forma: 𝐸=[𝑚2.𝑘𝑔 𝑆2]=1 2(2𝜋)2𝑆2[1 𝑚𝑖𝑛2]𝑙[𝑚2.𝑘𝑔][𝑚𝑖𝑛 60𝑠]2 𝐸=1 2(2𝜋)2 602𝑆2𝑙 𝐸=𝐼𝑆2 𝐶 (7)
36 Resolvendo, em ordem a C, a equação anterior: 𝐶=2×602 (2𝜋)2=602 2𝜋2=182,378 A energia armazenada no volante de inércia é proporcional ao quadrado da velocidade de rotação, 𝑆, logo uma vasta gama de quantidades de energia pode ser obtida do mesmo volante, sem que haja necessidade de mudar o volante de inércia, sendo apenas necessário que se faça variar o parâmetro 𝑆. O momento de inércia do volante deve ser selecionado tendo em consideração a quantidade desejada de energia cinética para a soldadura e para a fase de forjamento. O forjamento resulta do aumento do binário que ocorre na interface da soldadura à medida a que o volante de inércia vai reduzindo a velocidade até, eventualmente, parar. Se a este binário se acrescentar também a pressão axial necessária, é produzido um forjamento de qualidade. Contudo, como a fase de forjamento irá começar num determinado ponto crítico de velocidade de rotação, a quantidade de forjamento depende diretamente da quantidade de energia ainda restante no volante de inércia, que pode ser expressa por uma função linear do momento de inércia do volante: volantes com maior massa, ainda que com velocidades de rotação menores, produzem mais energia de forjamento do que um volante de menor massa e velocidade de rotação superiores. Independentemente da massa do volante de inércia, todos produzem uma determinada quantidade de calor, contudo a quantidade de energia presente em cada um afeta em muito o tamanho e a forma da taxa de encurtamento da soldadura, tal como demonstrado na Figura 26(a) para soldadura usando os mesmo par de materiais componentes:
37 Figura 26 – Esquema que traduz o efeito dos parâmetros de soldadura obtido na interface de dois metais similares usando o método de ação por inércia. (a) Energia do volante de inércia. (b) Velocidade periférica inicial. (c) Força axial. Adaptado de [12] . Cada combinação de metais tem um intervalo recomendado de velocidade periférica. Por exemplo, para os aços, a velocidade periférica inicial (recomendada) varia entre os 110 e os 460 m/min. Apesar destes valores recomendados, já é possível efetuar soldadura a 85 m/min. A Figura 26(b) demonstra o efeito da velocidade periférica inicial na forma da soldadura entre metais similares. A variação da pressão axial tem o efeito oposto daquele verificado na variação da velocidade, isto é, soldaduras efetuadas com uma pressão axial baixa possuem semelhanças, com aquelas feitas com velocidades periféricas médias, no que toca à formação da taxa de encurtamento da soldadura e quanto às zonas termicamente afetadas (ZTA), tal como demonstrado na Figura 26(c). Uma força axial excessiva, traduz-se numa soldadura de fraca qualidade na zona próxima ao eixo de rotação da peça; idêntico ao fenómeno observado para uma velocidade periférica baixa [12].
38 2.3.3 Controlo de Qualidade na Soldadura Tal como em qualquer processo de manufatura, mesmo na soldadura por fricção, o controlo, deve ser extremamente apurado. Isto com vista a que os defeitos sejam evitados ou, pelo menos, minimizados, identificados e reparados. Nesse sentido, este controlo deve ser, desde logo, iniciado pela verificação das condições necessárias à soldadura das peças em causa. Estas podem ser divididas em dois grupos: controlo antes e depois de realizada a soldadura. Verificação dos materiais base a utilizar na soldadura; Verificação dos equipamentos da soldadura; Os parâmetros da soldadura; A verificação do estado de limpeza. No segundo grupo, no que toca à análise dos provetes logo após a soldadura, é conveniente também: Verificar o aspeto e dimensões da soldadura (inspeção visual); Acompanhar e registar os tratamentos térmicos após a soldadura; Acompanhar e registar todos os ensaios não destrutivos; Dotar o laboratório das condições necessárias para a realização dos ensaios. Num contexto industrial, deverá existir um laboratório, ou departamento de controlo de qualidade para poder satisfazer alguns dos pontos mencionados. Ainda neste segundo grupo, inserem-se os ensaios destrutivos. De entre eles, destacam-se o ensaio de tração e o ensaio de dobragem. O primeiro, pretende garantir que as propriedades de resistência à tração oferecidas pela junta são iguais (ou se excedem) os valores patenteados pelo material de base. Dependendo da forma como os provetes são preparados e da forma que o ensaio é executado, tais valores deverão cumprir as normas internacionais em vigor, nomeadamente a EN ISO 5178 (no caso de um ensaio longitudinal), EN ISO 4136 (ensaio de tração perpendicular) [20] e EN ISO 9018 (ensaio de tração de juntas sobrepostas ou cruzadas). O ensaio de dobragem é extremamente exigente para o provete, e tem como objetivo garantir que as peças soldadas, mesmo quando fortemente solicitadas não têm tendência a gerar fissuras. Neste teste, os provetes são dobrados conforme ilustrado na Figura 27, fazendo com que a junta fique situada exatamente sobre a zona onde o material é obrigado a fazer um ângulo de 180º. Na dobragem, a parte inferior fica sujeita à compressão, enquanto a parte exterior é tracionada. Assim, e considerando que a
39 junta possui comportamento idêntico ao do material base, apresentará um melhor comportamento à compressão do que à tração. Nesse sentido, e porque se pretende testar a junta nas condições mais adversas, deverá ser respeitado o posicionamento prescrito pela norma para cada situação, obrigando a junta a suportar esforços mais convenientes, tendo em conta a aplicação desejada. Na realização destes ensaios, deverão ser tidas em consideração todas as recomendações e procedimentos referidos na norma EN ISO 5173, nomeadamente os cuidados referentes à extração e preparação das amostras para ensaio. A norma refere ainda todos os procedimentos a efetuar após a dobragem. De facto, a dobragem é efetuada analisar para verificar qualquer rotura ou início de fissuração, não só no material de base, mas também na interface. Posteriormente, ambos devem ser cuidadosamente analisados recorrendo a técnicas não destrutivas [11]. Figura 27 – Provete de Alumínio submetido ao ensaio de dobragem. Sublinhe-se que este não foi obtido em concordância com a norma supracitada.
40 2.3.4 Vantagens e Desvantagens do Processo de Soldadura por Fricção Tal como qualquer outro processo ou método, a soldadura por fricção apresenta vantagens e desvantagens quando comparada com as restantes técnicas de ligação. Na Tabela 2 apresentam-se alguns destes pontos, considerados mais pertinentes para o presente estudo. Tabela 2 – Vantagens e Desvantagens da soldadura por fricção. Adaptado de [11] . Vantagens Desvantagens Não necessita de materiais de adição, fluxos ou gases de proteção; A geometria das peças deve favorecer o processo, permitindo rodar em torno do seu eixo; O processo não é poluente: não gera fumos, projeções ou arcos danosos para o meio ambiente; A preparação e alinhamento das peças poderá ser um fator crítico, sobretudo para diâmetros superiores a 50mm; A zona termicamente afetada (ZTA) é bastante reduzida; O equipamento e acessórios necessários para o processo são dispendiosos; Pode ser utilizada numa grande quantidade de ligas metálicas; Materiais não forjáveis não poderão ser enquadrados neste processo de soldadura; Permite a soldadura de materiais dissimilares; Para peças longas são necessárias máquinas especiais; Não depende da perícia dos soldadores; Ligas facilmente maquináveis ou autolubrificantes são difíceis de soldar por este processo. O processo pode ser facilmente automatizado, para uma eventual produção em massa; O tempo de execução da soldadura é bastante reduzido.
41 3. PROCEDIMENTOS EXPERIMENTAIS Neste capítulo são apresentados os procedimentos e tarefas realizadas para o desenvolvimento dos ensaios experimentais. Todas as decisões, tal como os seus propósitos, foram exploradas de forma a integrar e comprovar o maior número de considerações teóricas apresentadas anteriormente. Nesta vertente prática, com o objetivo de extrair o máximo de informação possível acerca das variáveis do processo, foi estruturado um procedimento experimental, desde a preparação dos componentes, que mais tarde vêm a ser usados para criar os provetes, até ao ensaio das amostras por análise microscópica ou por via de ensaios destrutivos. Todo o procedimento experimental foi realizado no Departamento de Engenharia Mecânica da Universidade do Minho. Para além da avaliação dos provetes em si, todos os ensaios foram minuciosamente acompanhados no que toca à resposta dada pelos equipamentos utilizados: seja pela maior ou menor dificuldade em operar sob certas condições, seja pelo nível de vibrações registado, entre outros. Com esta análise qualitativa, pretendeu-se reunir uma lista de fatores a ter em consideração quando, nos capítulos mais adiante, se abordar o desenvolvimento do equipamento de soldadura por fricção. Assim sendo, o objetivo das experiências realizadas pode ser aglomerado no seguinte conjunto de pontos: Comprovar a viabilidade de implementação do processo; Avaliar a qualidade da soldadura produzida; Averiguar o efeito das variáveis referidas bibliograficamente; Analisar os parâmetros de velocidade, pressão axial e tempo decorrido no processo e observar o seu impacto no componente final; Obter dados que possam auxiliar o desenvolvimento de um equipamento de soldadura por fricção. Nesse sentido, a realização da atividade experimental é dividida em cinco etapas principais: i. Estudo do equipamento a utilizar; ii. Preparação do material de base para criação de provetes; iii. Construção dos provetes por soldadura por fricção; iv. Análise dos provetes; v. Discussão de possíveis melhorias no processo e aplicação das mesmas, quando justificável.
42 As etapas ii, iii e iv são sucessivamente repetidas sempre que, dos provetes anteriores, eram obtidos dados de indicassem possíveis melhorias que pudessem beneficiar o processo e, consequentemente, trazer novos resultados. 3.1 Seleção do Equipamento a Utilizar O equipamento utilizado neste processo é o engenho de furar, EFI-FG, presente nas Oficinas do Departamento de Engenharia Mecânica da Universidade do Minho, cujas especificações podem ser consultadas no Anexo I – Especificações Técnicas do Engenho de Furar. Esta decisão justifica-se pelos valores de rotação necessários para produzir a soldadura em provetes com o diâmetro utilizado neste trabalho (mínimo de 2985 rpm, segundo medições executadas em ensaios anteriores [21]). Em alternativa, é equacionada a possibilidade de o processo de soldadura por fricção ser executado usando um dos tornos mecânicos convencionais disponíveis nas Oficinas do Departamento de Engenharia Mecânica da Universidade do Minho, sobretudo pelos altos valores de binário e pela robustez de construção. Contudo, o facto do contraponto se demonstrar bastante sujeito às vibrações do processo, é eliminatório quanto à sua seleção inicial. Posteriormente, e tal como será mais pormenorizadamente discutido adiante, para que fosse possível diminuir os valores do diâmetro, sem comprometer substancialmente a velocidade de rotação relativa, foi utilizada uma máquina rebarbadora com velocidades de rotação na ordem dos 6000 rpm para executar a soldadura (Anexo II – Dados Técnicos da Máquina Rebarbadora). 3.2 Preparação do Material Base para Criação dos Provetes Com o auxílio da serra de disco (Figura 28) foram cortados, numa primeira instância, componentes com 100 mm de comprimento de dois varões de metais distintos, sendo eles: Varão de alumínio comercial de Ø15,6 mm; Varão de aço macio de Ø11,9 mm.
49 Para analisar a qualidade da soldadura foi realizado um ensaio de dobragem, que demonstrou uma clara falta de soldadura na maior parte da zona de interface, Figura 33. Figura 33 – Interface do provete de aço, após ter sido submetido ao ensaio de dobragem. Evidencia uma clara falta de ligação em grande parte da sua área. Findados os testes preliminares, recorrendo a análises visuais dos provetes e do desempenho do equipamento, foram apontados como principais inconformidades os seguintes fatores: Falta de concentricidade entre os dois componentes do provete soldado; Geração insuficiente de rebordo/ Taxa de encurtamento reduzida; Níveis elevados de vibração do sistema; Binário do engenho de furar insuficiente para a concretização da última etapa da soldadura do provete em aço; Tempos de soldadura elevados; Processo potencialmente danoso para o engenho de furar. O último ponto revelou-se bastante problemático, e chegou mesmo a pôr em causa a continuidade das atividades experimentais: quando ocorria o fenómeno de gripagem nos provetes, o intervalo de tempo desde o momento em que a gripagem acontece até ao instante em que a passagem de corrente elétrica que alimenta o engenho de furar fosse interrompido, provoca folgas nas engrenagens do engenho. A ocorrência deste fenómeno conduziu a várias paragens no processo e a várias intervenções de reparação, que resultaram num elevado de tempo de trabalho não aproveitado.
50 3.5 Evolução dos Ensaios de Soldadura Tendo em conta a experiência adquirida nos ensaios preliminares de soldadura abordados anteriormente, foram realizados novos ensaios como forma de colmatar as inconformidades observadas nas experiências mencionadas anteriormente. Com esse objetivo, e tal como já mencionado em 3.1, os componentes para os provetes foram cortados para um novo comprimento de 50 mm como forma de reduzir (ou, pelo menos, minimizar) os elevados níveis de vibração, Figura 34. Figura 34 – Provetes de Alumínio (imagem da direita) e Aço (à esquerda), produzidos usando componentes com 50 mm de comprimento. Nestes ensaios já foram sentidas melhorias no processo: a taxa de encurtamento observada no alumínio foi superior às denotadas anteriormente, sobretudo devido à melhoria a nível de vibrações registadas. O facto de as vibrações terem sido reduzidas face às experiências anteriores deram mais confiança para
51 que fosse aplicada uma maior força axial por parte do operador. Contudo, no caso do aço voltou a verificar-se o mesmo fenómeno de “gripagem” como no descrito no ensaio anterior. Assim sendo, com este novo conjunto de ensaios, foram atenuadas algumas problemáticas observadas em 3.4, nomeadamente: Redução do nível de vibrações no sistema; Maior geração de rebordo no provete de Alumínio; Maior facilidade em garantir a concentricidade dos provetes. Contudo, alguns dos parâmetros referidos anteriormente como insatisfatórios no processo continuaram a ser observados, sendo eles: Geração insuficiente de rebordo/ Taxa de encurtamento insuficiente no provete de aço; Binário do engenho de furar insuficiente para a concretização da última etapa da soldadura do provete em aço; Tempos de soldadura elevados; Processo potencialmente danoso para o engenho de furar. De forma a obter mais informação sobre o estado da soldadura ao longo do perfil do provete foi efetuado um corte longitudinal que interceta o eixo de rotação do mesmo e procedidas as tarefas de polimento. Foram então evidenciados defeitos na interface que impossibilitaram uma soldadura total e homogeneidade da mesma, no alumínio, mas sobretudo no aço, Figura 35. Figura 35 – Provetes de aço (à esquerda) e alumínio (imagem à direita) depois de cortados longitudinalmente e polidos. As setas indicam os defeitos na interface que impossibilitaram uma ligação total da interface.
52 A soldadura feita no provete de aço revela a importância da taxa de deformação no processo de soldadura por fricção: como estes valores foram insuficientes, é revelada uma clara falta de ligação nas zonas mais afastadas do eixo de rotação; o alumínio, por sua vez, obteve taxas de encurtamento superiores e por esse motivo, aparenta uma ligação de maior qualidade. 3.5.1 Soldadura de Materiais Dissimilares: Aço/Alumínio Os indicadores positivos deixados pela soldadura do alumínio fizeram com que se pensasse, agora, em estudar a soldadura por fricção entre materiais dissimilares. Para esse efeito, foram usados os componentes de alumínio e aço nos seus diâmetros originais e para um comprimento de 5mm, como indicado na Figura 36. A soldadura destes componentes apresentou bons resultados a nível de vibrações e aspeto do provete em geral. O facto do alumínio (Ø15,6 mm) ter um diâmetro superior ao aço (Ø11,9 mm) está relacionado com o facto do rebordo gerado ser muito superior no componente de alumínio do que no aço (devido à diferença nas plasticidades de ambos). Em adição, a condutividade térmica do alumínio é quase 10 vezes superior à do Aço, pelo que se irá verificar um arrefecimento mais rápido do provete quando uma área superior de alumínio (que ocorre durante a formação do rebordo) está exposta à temperatura ambiente. Se o contrário for feito, a transferência calor seria mais significativa na superfície longitudinal do alumínio do que na transversal, o que poderia conduzir a um tempo de soldadura superior e fazer com que a zona termicamente afetada se expanda, ou que migre para zonas mais afastadas da interface de soldadura [18]. Figura 36 – Provetes resultantes do estudo exploratório entre materiais dissimilares Aço/Alumínio.
53 Desta vez, todos os provetes fabricados cumpriram os requisitos mínimos no que toca à inspeção visual. Para averiguar a qualidade da soldadura dos provetes aço/alumínio, analogamente à prática já realizada com os outros provetes, foi selecionado aleatoriamente um dos provetes da Figura 36 e efetuado um corte longitudinal que intercetava o eixo de rotação do mesmo, Figura 37. Figura 37 – Corte longitudinal em provete obtido usando a soldadura de materiais dissimilares Aço (material da porção superior do provete) e Alumínio (material da porção inferior do provete). Depois deste corte, para que fosse possível fazer uma recolha de imagens no microscópio digital, foram realizadas etapas adicionais, e mais cuidadosas, de polimento no polidor do Laboratório de Metalurgia do DEM (Figura 38). Figura 38 – Aspeto final do provete, após realizadas as etapas de polimento no laboratório de Metalurgia.
54 Submetendo a amostra da Figura 38 à inspeção microscópica, o objetivo principal passou por visualizar a zona da interface em todo o seu raio recorrendo à microscopia ótica. Com o auxílio do microscópio eletrónico, a amostra supracitada foi analisada de forma a que possam ser retiradas conclusões acerca da qualidade da soldadura. Nesse sentido, foram captadas várias imagens ao longo do diâmetro do provete, para que fosse analisada a qualidade da ligação obtida, Figura 39. Figura 39 – Excerto da visualização obtida microscopicamente na interface de soldadura entre metais dissimilares, entre aço (porção de material superior) e alumínio (porção de metal mais abaixo). Na zona central da figura é notória uma delaminação na ligação (zona central entre os componentes, a negro), onde não ocorreu a ligação de material. Na zona periférica da peça, apesar de ser onde a velocidade de rotação relativa dos componentes é superior, verifica-se uma falha na ligação entre o alumínio e o aço. Este fenómeno acaba por ir de acordo ao mencionado na bibliografia, quando é referido que a pressão axial assume o papel mais importante de entre as variáveis do processo de soldadura por fricção. Na Figura 40, é demostrada a variação da velocidade relativa desde o eixo de rotação, onde a velocidade relativa de rotação é zero, até à periferia, onde a velocidade de rotação relativa entre os componentes é máxima.
55 Figura 40 – Comportamento da velocidade periférica ( 𝑣 ) ao longo da periferia de um varão. Adaptado de [13] . A delaminação no provete verificada na Figura 39, não é mais do que uma zona onde não ocorreu a ligação entre os metais, quer devido a uma pressão axial insuficiente na fase de forjamento ou a um tempo de soldadura baixo. Existe também a possibilidade dos óxidos/impurezas terem sido centrifugados para estas regiões no exterior do rebordo, acentuando este fenómeno. Figura 41 – Formação de uma possível camada intermetálica, identificada na seta a vermelho, entre o Aço (mais escuro) e o Alumínio (região mais clara).
56 Na Figura 41, é visível uma tonalidade diferente dos metais base na zona da interface que, eventualmente, poderá corresponder a uma camada de compostos intermetálicos que se tenha formado entre o aço e o alumínio. Como mencionado anteriormente, esta camada é responsável por tornar a junta de soldadura frágil e quebradiça e é o fator que requer mais atenção para que seja efetuada uma soldadura de qualidade. Neste caso em concreto, a formação da camada intermetálica está relacionada com os tempos elevados de soldadura. As restantes imagens obtidas pelo microscópio podem ser consultadas no Anexo III – Imagens microscópicas do provete. Apenas foram realizadas imagens de microscopia ótica, pelo que não foi possível caraterizar com precisão o tipo de interface que se obteve. Estava prevista a utilização de microscopia eletrónica para caraterização de fases intermetálicas e respetiva composição química, mas devido às limitações relacionadas com o COVID 19, tal não foi possível. Uma das formas de reduzir o tempo de soldadura entre as duas partes do provete, seria aumentar a quantidade de energia térmica fornecida à interface dos componentes, tal, de acordo com a Equação 3: 𝐻=2𝑃 𝐾 𝑛𝑅×103 W/mm2 (3) Com esse intuito, tentou repetir-se a experiência usando agora uma pressão axial P superior às que tinham sido utilizadas até então, contudo, verificou-se que ao aplicar uma carga axial superior, existe um escorregamento axial dos componentes, quer do estacionário, quer o outro em rotação, fixado na bucha.
57 Terminada a terceira ronda de testes, desta vez realizados num par de materiais diferentes, os resultados devem ser considerados positivos, uma vez que em grande parte da periferia do provete existiu uma ligação de material, Figura 42. Figura 42 – Região do provete que se demonstra bem soldada, tal como visível na intimidade entre os diferentes metais, evidenciada na ampliação microscópica presente na mesma figura. Uma vez mais, voltaram a ser observadas fragilidades conhecidas dos ensaios anteriores e são, adicionalmente, identificados novos pontos fracos no processo: Tempos de soldadura elevados, que geraram uma camada intermetálica extensa; Níveis elevados de vibração do sistema; Sistema de fixação foi insuficiente, evidenciado no escorregamento dos componentes quando se tentava aplicar mais força axial; Níveis elevados de vibração do sistema; Processo potencialmente danoso para o engenho de furar, apesar de desta vez não ter sido registado o fenómeno de gripagem.
58 3.5.2 Soldadura de Provetes com Interface de Ø6 mm Mediante o fator limitativo no momento de exercer uma maior força axial na interface dos provetes sem que houvesse um escorregamento, tal como descrito no final de 3.5.1, foi necessário pensar noutras soluções que permitissem continuar o estudo das técnicas de soldadura por fricção. De facto, quando o operador acionava a alavanca de modo a exercer mais força sobre os componentes, existia um escorregamento dos mesmos. Isto é explicado pelo facto de tanto o componente estacionário, fixado nos grampos da mesa, como o componente em rotação apertado na bucha, terem sido apertados manualmente. Neste cenário, o nível de força axial aplicável sem que existisse escorregamento revelavase muito reduzido, quando comparado a um aperto com acionamento hidráulico, por exemplo. Mesmo que se conseguisse corrigir o fenómeno de escorregamento entre os componentes do provete, a pressão axial continuaria a ser limitada, ainda, pelo facto do acionamento da furadora ter sido efetuado manualmente, com recurso a uma alavanca. Tal como equacionado na Equação 8, uma forma de aumentar a quantidade de energia térmica presente na interface e assim chegar a um tempo de soldadura adequado, seria, ora por um lado, diminuir a velocidade de rotação periférica, ou então, e voltando ao problema supracitado, aumentar a pressão axial na interface. A diminuição da velocidade periférica não será recomendada neste caso, uma vez que a velocidade já se encontra nos níveis mais baixos daqueles que são recomendados para o aço (110 m/s) [7]. Atendendo à equação da tensão normal, dada por: 𝜎=𝐹 𝐴 (8) Sendo que, segundo as Unidades do Sistema Internacional, a tensão, σ, é dada por Pascal (Pa), a força, F, em Newton (N) e a área, A, (m2). Tornou-se então evidente que, procedendo à redução do diâmetro na interface de contacto dos dois componentes (e por relação direta, redução das suas áreas, A) seria possível aumentar os valores da pressão axial P da Equação 3 e, consequentemente, existiria um incremento na transferência de energia térmica para a interface de soldadura.
65 • Sistema de fixação que garanta que os provetes não sofrem nenhum tipo de escorregamento, mesmo sob forças axiais consideráveis. Alguns destes pontos vão de encontro às dificuldades que, efetivamente, se fizeram sentir no decorrer da atividade experimental descrita no terceiro capítulo e serão, obrigatoriamente, parâmetros a corrigir no dimensionamento deste novo dispositivo de soldadura. Para além destes requisitos, será necessário implementar outros adicionais, intrínsecos ao facto deste estudo se realizar num ambiente meramente académico: • A dimensão do equipamento deverá ser reduzida (comparativamente às máquinas ferramenta usadas industrialmente para este propósito), para que se adeque ao espaço que virá a integrar (Oficinas do Departamento de Engenharia Mecânica da Universidade do Minho): de facto, dependendo da dimensão das peças a ligar, os equipamentos industriais para soldadura por fricção poderão comportar grandes envergaduras para suportar as forças centrífugas, vibrações envolvidas e para manter a segurança e integridade física dos operadores e instalações [11]. Figura 45 – Dispositivo da empresa KUKA capaz de exercer uma força de forjagem de 450kN e soldar secções máximas de 3750mm2. Adaptado de [23] . • Os custos de totais de fabrico e implementação, devem, igualmente, apresentar-se reduzidos;
66 Como se verá em seguida, será proposto o recondicionamento de uma das máquinas ferramenta, nomeadamente o torno convencional mecânico para a realização de soldadura por fricção, o que levanta uma outra cláusula: • Qualquer modificação tomada a cabo na máquina ferramenta, ou qualquer módulo que lhe seja adicionado, não deve impossibilitar (ou sequer comprometer) o bom funcionamento na realização das tarefas para qual o equipamento foi originalmente desenhado. 4.2 Módulo Adaptador para o Torno Mecânico Como já foi mencionado, os primeiros ensaios de soldadura por fricção foram realizados por A.I. Chudikov que, usou dois varões de aço com Ø30 mm num torno mecânico convencional, sem que nenhuma modificação lhe tenha sido feita [9]. Podem, então, usar-se os mordentes da bucha para fixar o componente que atuará em rotação e usar o carrinho, onde geralmente se encontra o contraponto, para colocar o componente estacionário. Apesar de parecer uma solução bastante desejável à primeira vista, existem vários fatores eliminatórios (condições de operação inerentes ao processo) que fazem do torno convencional um equipamento desaconselhado para produzir a soldadura por fricção: • Incapacidade de exercer as diferentes forças axiais para as etapas de soldadura distintas, com especiais dificuldades em reproduzir pressões axiais elevadas; • Incapacidade de controlar a elevada vibração radial no início do processo; • Falta de uma embraiagem/travão que permita interromper a transmissão de movimento e parar de imediato o componente móvel. Não obstante, mediante certas adaptações que colmatem estes defeitos, será possível usar o torno mecânico convencional para produção de componentes de soldadura por fricção. Normalmente, um equipamento de soldadura por fricção está munido com um sistema de travagem que lhe permite parar imediatamente a rotação e ainda um sistema hidráulico capaz de fornecer diferentes pressões axiais para as três etapas do processo de soldadura [24], Figura 46.
67 Figura 46 – Diferentes órgãos componentes de um dispositivo de soldadura por fricção. Adaptado de [25] . Na falta de um equipamento dotado de todas estas características, resta então, ter em consideração uma máquina ferramenta que possua o maior número de semelhanças às que se ilustram na Figura 46. Daqui em diante, então será tomado como exemplo o torno mecânico EFI-DU 2515, presente nas oficinas do DEM, que, pela sua robustez, a priori , se admite que será mais capaz no controlo das vibrações inerentes ao processo. Sublinhe-se que apesar de ser apresentada esta máquina ferramenta em específico (Figura 47), não implica que não possa ser adaptado a outro torno paralelo.
68 Figura 47 – Torno convencional mecânico EFI-DU 2515. O mesmo nível de controlo, tal como representado na Figura 46, não se encontra num torno convencional, pelo que será necessário obter forma de contornar tais inconvenientes. De facto, num torno mecânico, existe um travão capaz de cessar o movimento de rotação. O seu grande inconveniente, como já foi mencionado, reside no facto de esta ser uma paragem progressiva, e não de uma forma imediata, como o processo requer. Segundo Vill, é possível resolver este problema, criando um sistema de travagem artificial (travagem eletromagnética). Contudo, segundo o mesmo, este método de travagem provoca um desgaste excessivo no motor. Por esse motivo, é necessário chegar a uma outra solução mais viável. Neste caso, essa solução passará por se proceder ao destravamento do componente, originalmente em regime estacionário, no final da fase T3 (onde se gera maior parte do calor e antes da fase de forjamento), fazendo assim com que o componente em rotação e o outrora estacionário rodem com a mesma velocidade, e, anulando assim, a velocidade relativa entre ambos (Figura 48).
69 Figura 48 - Esquema ilustrativo dos passos fundamentais do processo de soldadura proposto. (a) Um dos componentes está provido de rotação, enquanto que o outro é mantido estacionário. (b) Os componentes são aproximados. É aplicada força axial para iniciar e concretizar parte do processo de deformação. (c) A rotação relativa é cessada, destravando o componente inicialmente estacionário e o processo de deformação é finalizado com a aplicação da pressão de forjamento. Relativamente à Figura 48, a) o componente, apertado na bucha do cabeçote móvel do torno, roda com velocidade de rotação selecionada no volante de mudanças do torno, enquanto que o outro componente se encontra fixo no módulo auxiliar e desprovido de rotação; b), surge a aproximação do componente estacionário e dá-se o contacto sob determinada pressão axial e velocidade periférica de rotação, sendo assim efetuadas as diferentes etapas da soldadura por fricção (T1, T2 e T3 inicial). Na fase c) do processo, o componente originalmente estacionário é destravado, fazendo com que a velocidade relativa, entre este componente e o componente motor, deixe de existir. Pode agora ser aplicada a pressão de forjamento correspondente à etapa T3 final. De forma a que a componente motora do torno não necessite de ser submetida às operações supracitadas, torna-se evidente a necessidade de criar um módulo adicional para a concretização do método de soldadura demonstrado na Figura 48. De facto, nenhum dos componentes móveis a atuar nas guias do torno (carro porta-ferramentas e cabeçote móvel) serão capazes de reproduzir a destravagem do componente na etapa c) da Figura 48: não só pela impossibilidade de criar a força axial requerida para as diferentes etapas, mas também porque não será possível desengrenar o componente estacionário. Assim sendo, será necessário pensar um módulo auxiliar que funcione em simbiose com o torno, mas que confira estas qualidades adicionais ao processo, tal como ilustrado na Figura 49.
70 Figura 49 – Órgãos constituintes do equipamento de soldadura por fricção. À esquerda, demonstram-se os componentes pertencentes ao torno mecânico, do lado direito, os do módulo auxiliar. Devido à robustez do torno mecânico, será expectável que o nível de vibrações que se encontram no processo (comparativamente ao engenho de furar) sejam muito inferiores, facilitando assim a repetibilidade e concentricidade dos provetes soldados. Repare-se que, relativamente à componente motora do sistema mostrado na Figura 49, uma vez que a velocidade máxima de rotação no torno é de apenas 1800 rpm (em contraste com as 2985 rpm do engenho de furar), pela Equação 10, depreende-se que o diâmetro dos provetes terá de ser superior àqueles até então usados no engenho de furar para que se façam respeitar as velocidades de rotação mínimas para que se dê a soldadura. Isto é, a velocidade angular, 𝜔, que o torno mecânico é capaz de obter é dada usando a equação: 𝜔=𝜋×𝑛 30 (9) 𝜔=𝜋×1800 30 Assim sendo, a velocidade angular máxima no torno mecânico é de: 𝜔=188,49 𝑟𝑎𝑑/𝑠
71 Tomando o exemplo do aço utilizado anteriormente, onde a velocidade de rotação recomendada é de, no mínimo 110 m/s[7], o diâmetro do provetes deverá ser de pelo menos: 𝑣=𝜔×𝑟×60 (10) 110=188,49×𝑟×60 𝑟=0,009 𝑚 ∅= 18 𝑚𝑚 Cálculos semelhantes deverão ser realizados para cada par de materiais. Relativamente ao módulo auxiliar, este terá de ser dotado de um cilindro hidráulico que possa ser programado para conferir as pressões axiais necessárias às diferentes etapas do processo. Autores como Bayindir [26] e Nagaraj [27] apresentam vários estudos relativamente às diferentes possibilidades para controlar os cilindros no que toca à aplicação de força axial no sistema. Tal como anteriormente referido, a destravagem do componente estacionário (na etapa c) da Figura 48), irá substituir a necessidade de criar um sistema de travagem eletromagnética (ou de fazer qualquer operação na componente motora do torno que emulasse este sistema) e que desta feita, poderia danificálo ou comprometer o normal funcionamento do mesmo. Um dos mecanismos de travagem passível de ser aplicado para eliminar esta necessidade, encontra-se representado na Figura 50. Figura 50 - Sistema de travagem. Na imagem à esquerda a correia permite a rotação do rolamento, estando, portanto, o sistema destravado. Na imagem da direita, a correia exerce uma pressão numa grande área de rotação da chumaceira, impedindo a sua rotação. Adaptado de [28] .
72 Para que esta solução seja viável, este módulo deverá ser capaz de assegurar a repetibilidade no processo, pelo que o instante de destravagem (apesar de poder ser construído para ser executado manualmente) deverá ser controlado automaticamente. Este mesmo instante de destravagem pode ser controlado, quer pela posição de avanço do cilindro, quer pelo tempo de soldadura decorrido, para isso, é conveniente que o travão esteja conectado na mesma unidade de controlo do cilindro hidráulico. Desta feita, é garantido que o normal funcionamento do torno mecânico não será comprometido, podendo este continuar a efetuar as operações de torneamento para as quais foi originalmente desenhado. Pressupõe-se então que a máquina ferramenta terá de ser capaz de atuar em dois modos diferentes: um modo em que desempenhe as suas funções originais, tal como demonstrado na Figura 47; e um outro onde inclua o módulo para a soldadura por fricção esquematizado na Figura 49 e representado na Figura 51. Figura 51 - Esboço do modo de funcionamento do conjunto (torno EFI-DU 2515/módulo auxiliar) para execução da soldadura por fricção. Repare-se que neste modo de operação, o carro porta ferramentas deverá estar recuado (transversalmente) para que o módulo auxiliar seja montado à frente deste, tal como ilustrado na Figura 51. Desta forma, é possível ajustar a distância das buchas e obter assim uma maior gama de comprimentos para os provetes a soldar.
73 Outro órgão de grande importância nesta operação é o barramento. Este é responsável pela ligação e correto posicionamento de todos os principais constituintes do torno. Por esse motivo, deverá ser tao rígido quanto possível de forma a evitar flexões, não pondo em causa a qualidade da maquinagem (ou soldadura) da peça a ser produzida. Na Figura 52, está representada a modelação do barramento do torno EFI-DU. Figura 52 - Modelação do barramento do torno EFI-DU 2515. É também neste que estão localizadas as guias onde irá assentar o módulo auxiliar e, portanto, onde será pensado o modo de fixação entre estes dois.
74 5. CONCLUSÕES E TRABALHOS FUTUROS Neste capítulo, é relevante tecer as considerações tomadas como pertinentes acerca realização do presente trabalho. Fruto dessas conclusões, são propostas algumas tarefas que poderão ser aplicadas futuramente, de modo a aprimorar o que foi até então apresentado. 5.1 Conclusões Finalizado o estudo, importa agora, não só analisar o que foi conseguido, como também desmistificar as razões pelas quais se verificaram alguns pontos de relativo insucesso, para que possam ser sobre eles retiradas as devidas conclusões. Comparando os resultados obtidos com o desafio proposto no início do projeto, nomeadamente no que toca à adaptação do engenho de furar para realização de soldadura por fricção, resta afirmar que este não apresentou um feedback positivo quando submetido ao processo. Na verdade, tal como mencionado nos capítulos antecedentes, o engenho de furar evidencia vários fatores eliminatórios que o afastam da realidade de poder vir a ser adaptado com vista a dar uma resposta eficaz e reproduzir saudavelmente este processo: apesar de terem sido efetuadas várias ligações de componentes (com qualidade) utilizando a soldadura por fricção, este revela falhas no que toca à fixação dos componentes, gerando assim um elevado nível de vibrações e que é refletido, por exemplo, num elevado grau de incerteza no que diz respeito à concentricidade do provete soldado. Em adição, a falta de potência do engenho traduzse em tempos de soldadura excessivos, provocando fases intermetálicas frágeis entre provetes obtidos por materiais dissimilares. O volume de experiências efetuadas no engenho também é afetado negativamente pelas várias manutenções corretivas que foram necessárias realizar na máquina. Este último deve-se, sobretudo, ao desenvolvimento de folgas entre as engrenagens, muitas vezes sentidas após o fenómeno de gripagem (recorrente na soldadura dos provetes de aço com um diâmetro superior a Ø6 mm). Por outra perspetiva, o somatório dos resultados conseguidos que proporcionam um valor acrescentado a este estudo, ultrapassam, quer em quantidade, quer em qualidade, os problemas mencionados no parágrafo acima. Efetivamente, numa primeira instância foram reunidas considerações teóricas de vários autores com relevância no tema. Estes conhecimentos são mais tarde integrados, com sucesso, nos procedimentos experimentais, onde se verificam progressivas melhorias, traduzidas na qualidade dos provetes soldados: é observada a evolução, desde os primeiros ensaios, nos quais se verificam ligações
81 ANEXO III – IMAGENS MICROSCÓPICAS DO PROVETE Figura 53 - Zona 1. Imagem microscópica da zona mais à esquerda do provete.
82 Figura 54 - Zona 2.
83 Figura 55 - Zona 3.
84 Figura 56 - Zona 4.
85 Figura 57 - Zona 5.
86 Figura 58 - Zona 6.
87 Figura 59 - Zona 7.
88 Figura 60 - Zona 8.
89 Figura 61 - Zona 9.
90 Figura 62 - Zona 10. Imagem microscópia da extremidade direita do provete.