Entendendo os diferentes tipos de soldagem por fricção

1. Soldagem por fricção convencional

A soldagem por atrito é classificada de acordo com a forma de movimento relativo, dividida em soldagem por atrito rotativo e soldagem por fricção.

(1) Soldagem por fricção rotativa

A característica da soldagem por fricção rotativa é que pelo menos uma peça de trabalho (ou anel) gira em torno de um eixo perpendicular à superfície da junta durante o processo de soldagem. Esse tipo de soldagem por fricção é usado principalmente para soldar peças de trabalho de seção transversal circular (e também pode ser usado para peças de trabalho de seção transversal não circular por meio de controle de fase) e, atualmente, é a forma mais amplamente usada e variada de soldagem por fricção.

Com base nas características rotacionais das peças, a soldagem por fricção rotativa pode ser dividida em soldagem por fricção de acionamento contínuo, soldagem por fricção por inércia e soldagem por fricção rotativa híbrida, etc.

1) Soldagem por fricção com acionamento contínuo.

A soldagem por fricção de acionamento contínuo é o tipo de soldagem por fricção mais comumente usado. Sua característica é que a peça de trabalho rotativa é conectada diretamente ao mandril do fuso e a peça de trabalho não rotativa é montada no mandril da placa de apoio do cabeçote móvel hidráulico. Durante a soldagem, a placa de apoio do cabeçote móvel é avançada, colocando as peças em contato sob pressão constante ou crescente.

Quando o fuso rotativo aquece a peça de trabalho até a temperatura de soldagem por atrito, o fuso para de girar e o forjamento começa, concluindo a soldagem. Na soldagem por fricção com acionamento contínuo, a peça de trabalho continua a girar sob a ação do dispositivo rotativo e do acionamento contínuo até um pouco antes do início do forjamento, conforme mostrado na figura 5-166a.

• a) Soldagem por fricção com acionamento contínuo
• b) Soldagem por fricção por inércia
• c) Soldagem por fricção radial
• d) Soldagem por fricção linear
• e) Soldagem por fricção de pista
• f) Soldagem por fricção

 2) Soldagem por fricção por inércia.

O princípio da soldagem por fricção por inércia é semelhante ao da soldagem por fricção de acionamento contínuo, exceto pelo fato de que a solda rotativa não está diretamente conectada ao fuso, mas sim ao fuso por meio de um volante.

No início da soldagem, o volante e a extremidade giratória da solda são primeiramente acelerados até uma determinada velocidade, depois o volante é desengatado do motor principal e, ao mesmo tempo, a extremidade móvel da solda avança. Quando as soldas se tocam, começa o aquecimento por fricção. Durante o processo de aquecimento por atrito, o volante é freado pelo torque de atrito, reduzindo gradualmente sua velocidade até chegar a zero, quando o processo de soldagem termina.

A soldagem por fricção por inércia utiliza o método de armazenamento de energia inercial (como um volante de inércia) para acumular energia para o aquecimento da junta, conforme mostrado na Figura 5-166b, em que a energia cinética do volante de inércia que gira livremente fornece todo o calor necessário para a soldagem.

 3) Soldagem por fricção rotativa híbrida.

A soldagem por fricção rotativa híbrida é uma combinação de soldagem por fricção de acionamento contínuo e soldagem por fricção de inércia. Esse tipo de máquina de solda é caracterizado pela capacidade de aplicar e não aplicar força de frenagem depois de desconectar a fonte de acionamento.

 (2) Soldagem por fricção (FSW)

A soldagem por fricção é uma nova tecnologia de união em estado sólido inventada em 1991, considerada uma conquista científica e tecnológica significativa, desde a pesquisa básica até a aplicação prática. Inicialmente usada para soldar ligas de alumínio, a soldagem por fricção tem sido amplamente aplicada na soldagem de metais não ferrosos. metais como ligas de magnésio e titânio, bem como materiais diferentes.

A Figura 5-166f é um diagrama esquemático da soldagem por fricção. Durante a soldagem por fricção, a peça de trabalho é fixa e a soldagem é realizada principalmente pelo cabeçote de agitação. O cabeçote de agitação consiste em um pino de agitação, um suporte e um cilindro.

No início da soldagem, o cabeçote de agitação gira em alta velocidade, e o pino de agitação perfura rapidamente a costura da placa de solda. O metal em contato com o pino de agitação gera calor devido ao atrito, formando uma camada termoplástica muito fina.

Quando a agulha de agitação penetra abaixo da superfície da solda, um pouco de metal é extrudado da superfície. Devido ao efeito de vedação do ombro dianteiro e da almofada traseira, por um lado, o ombro esfrega contra a superfície da placa soldada, gerando calor auxiliar; por outro lado, o metal termoplástico formado continuamente na frente do cabeçote de agitação é transferido para a parte traseira do cabeçote de agitação, preenchendo a cavidade atrás.

Durante todo o processo de soldagem, a formação e o preenchimento de cavidades são contínuos, e o metal na zona de solda passa por processos como extrusão, aquecimento por fricção, deformação plástica, transferência, difusão e recristalização.

 2. Novo tipo de soldagem por fricção

(1) Soldagem por fricção do tipo trilha

A característica da soldagem por fricção tipo trilha é que cada ponto na superfície da junta da solda se move na mesma trajetória em relação a um ponto na superfície da junta de outra solda. A trajetória do movimento pode ser linear ou não linear.

Durante o processo de soldagem, um lado da solda se move em relação à superfície do outro lado, que está presa, sob a ação de um mecanismo do tipo esteira, e uma pressão axial é aplicada. À medida que o movimento de fricção avança, a superfície de fricção é limpa e gera calor de fricção, o metal na superfície de fricção atinge gradualmente um estado viscoplástico e se deforma, então o movimento é interrompido e a força de forjamento é aplicada para concluir a soldagem.

A soldagem por fricção do tipo trilha rompe a limitação da soldagem por fricção rotativa tradicional, que só pode soldar soldas de seção cilíndrica, e esse tipo de soldagem por fricção pode soldar soldas de seção quadrada, circular e poligonal.

Com base em diferentes trajetórias de movimento, a soldagem por fricção do tipo trilha é dividida em soldagem por fricção linear e soldagem por fricção de trajetória, conforme mostrado nas Figuras 5-166d e e.

 (2) Soldagem por fricção embutida

A soldagem por fricção embutida utiliza o princípio da soldagem por fricção para embutir um material relativamente mais duro em um material mais macio.

A Figura 5-167 mostra o princípio de funcionamento da soldagem por fricção embutida. Durante a operação, o calor de atrito gerado pelo movimento relativo entre os dois elementos de solda causa deformação plástica local no material macio, e o material plástico de alta temperatura flui para os recessos do material duro pré-processado. O ressalto de restrição força o material plástico de alta temperatura a envolver firmemente a junta do material rígido. Quando a rotação é interrompida e as soldas esfriam, forma-se uma junta confiável e os dois lados das soldas são intertravados mecanicamente.

Atualmente, a soldagem por fricção incorporada é usada principalmente em conexões de materiais muito importantes em setores como energia, vácuo e aplicações criogênicas, como alumínio-cobre, alumínio-aço e aço-aço. A soldagem por fricção incorporada também pode ser usada para fabricar assentos de válvulas de motores, extremidades de conexões, tampas de pressão e juntas de transição de chapas de tubos, além de poder ser usada para conectar materiais termofixos e materiais termoplásticos.

 (3) Soldagem por fricção do terceiro corpo

A Figura 5-168 mostra o princípio de funcionamento da soldagem por fricção de terceiro corpo. Um terceiro material com baixo ponto de fusão gera calor e deformação plástica por meio de atrito no espaço entre as peças conectadas sob o torque da pressão axial. O movimento de atrito relativo pode produzir um efeito de limpeza suficiente, sem a necessidade de fluxo e atmosfera protetora controlável. Após o resfriamento, o material do terceiro corpo se solidifica, travando assim as duas peças para formar uma junta confiável.

O método de soldagem por fricção de terceiro corpo é usado principalmente para materiais difíceis de soldar, como cerâmica-cerâmica, metal-cerâmica, compósitos termoplásticos termofixos, etc., e pode ser usado para formar juntas de alta resistência.

 (4) Soldagem por fricção com controle de fase

A soldagem por fricção com controle de fase envolve o controle de fase das soldas após a soldagem durante o processo de aquecimento por fricção, por meio de um pino mecânico síncrono de encaixe ou sistemas de acionamento síncrono, para alinhar as bordas posteriores das soldas, corrigir a direção ou atender aos requisitos de fase. É usado para soldar peças com requisitos de posicionamento específicos, como aço hexagonal, aço octogonal e racks de controle automotivo.

 (5) Soldagem por fricção radial

A soldagem por fricção rotativa mencionada anteriormente envolve pressão axial durante o processo de soldagem, enquanto a soldagem por fricção radial aplica pressão radial. A soldagem por fricção radial envolve o chanfro das extremidades dos dois tubos a serem soldados, a inserção de um mandril no interior, o alinhamento e a fixação dos tubos e a colocação de um anel sólido com composição semelhante à dos tubos no chanfro da junta. Esse anel tem uma superfície cônica interna e, antes da soldagem, a superfície cônica interna deve entrar em contato com a parte inferior do chanfro.

Durante a soldagem, a peça de trabalho permanece estacionária, o anel gira em alta velocidade e aplica pressão de fricção radial em ambas as extremidades dos tubos. Após a conclusão do aquecimento por atrito, a rotação do anel é interrompida e a pressão de forjamento superior é aplicada ao anel para soldá-lo firmemente às duas extremidades dos tubos, conforme mostrado na Figura 5-166c.

(6) Revestimento de fricção

O princípio da surfaçagem por fricção é mostrado na Figura 5-169. A haste metálica de surfaçagem gira em relação à peça de trabalho n, e o material de base também gira na velocidade n2. Sob a ação da pressão P, a haste e o material de base geram calor devido ao atrito. Como o material de base tem um grande volume e esfria rapidamente, o metal de revestimento faz a transição para o material de base, formando uma solda de revestimento.

 1-Revestimento da haste metálica 2-Revestimento da peça de trabalho 3-Revestimento da solda

A surfaçagem por fricção é adequada para unir materiais diferentes, especialmente porque o metal de solda de surfaçagem tem alta distorção de rede, grãos finos e boa tenacidade, o que o torna adequado para a surfaçagem de superfície.

(7) Soldagem por fricção superplástica

A soldagem por fricção superplástica é classificada de acordo com as características do processo de soldagem. Ela envolve medidas de controle para manter a zona de solda em um estado superplástico durante o processo de soldagem. A vantagem é que ela pode evitar a formação de compostos intermetálicos duros e quebradiços em altas temperaturas e manter o estado de tratamento térmico do material soldado. Ele é adequado para unir metais diferentes e difíceis de soldar e também pode ser usado para a conexão eficaz de metais especiais.