Processos

Soldagem por difusão

Características do processo

A soldagem por difusão é um processo que liga materiais por meio de aplicação simultânea de pressão e calor. Quando ocorre deformação plástica por ação de calor, as camadas de átomos que compõem a estrutura cristalina do metal vibram e se movimentam em várias direções, ocupando lugares diferentes nos planos cristalinos; a essa movimentação dá-se o nome de difusão. Uma temperatura definida é aplicada na região de soldagem ou em toda a peça, durante certo tempo, resultando em uma deformação plástica localizada. O contato entre as superfícies provoca difusão dos átomos, que se movimentam pelo interior das superfícies, promovendo a ligação perfeita das partes.

A operação pode ser feita no vácuo, sob proteção de gás ou fluido e, de preferência, sem material de adição. O processo por difusão é utilizado para unir materiais com composição química semelhante ou materiais dissimilares, predominantemente os metálicos, e foi desenvolvido originalmente para ser aplicado na construção de peças para a indústria aeronáutica e espacial; hoje em dia, outras áreas já fazem uso desta tecnologia.

Aplicação

A soldagem por difusão é aplicada preferencialmente nas situações em que a união por processos de soldagem convencionais, notadamente os processos por fusão a arco elétrico, não é possível. Como exemplos, podem-se destacar a soldagem de secções transversais com revestimentos anticorrosivos e a união de materiais diferentes e metalurgicamente incompatíveis, como o aço e o alumínio. A soldagem por difusão confere alta qualidade à junta, podendo alcançar valores de resistência mecânica semelhantes aos do material de base.

vantagens

As vantagens do processo de soldagem por difusão são várias; o processo não modifica o estado do material; permite montagens de grandes superfícies e montagens complexas, próximas ao estágio final; apresenta menores deformações, quando comparado à soldagem por fusão; trabalha com juntas múltiplas em uma só operação e permite união de metais e materiais considerados não soldáveis ou de difícil soldabilidade por fusão, como cerâmicas e ligas refratárias, além da união de metais dissimilares sob o aspecto metalúrgico, a exemplo dos aços austeníticos com liga de alumínio.

A grande maioria dos metais pode ser soldada por difusão; um quadro permite visualizar as combinações mais comuns entre metais. Algumas dessas combinações não foram examinadas ou ainda não existem resultados de testes realizados.

desvantagens

As desvantagens da soldagem por difusão são o custo do investimento inicial e o fato de que o processo não é aplicável na produção em grande escala.

A união entre os materiais segue uma sequencia que inicia com a colocação das peças em contato.

Na primeira etapa (1) pode-se verificar a rugosidade superficial, pois alguns pontos não se tocam.

Na segunda etapa (2) a superfície recebe aplicação de pressão e aumento de temperatura, o que provoca aumento da área de contato e deformações plásticas.

Na terceira etapa (3), a temperatura e a pressão, que podem estar aliadas a uma atmosfera protetora, permanecem por um certo tempo, favorecendo a difusão atômica entre as superfícies.

No estágio final (4), são eliminadas praticamente todas as descontinuidades encontradas no processo inicial e a soldagem é completada.

Parâmetros de soldagem

Os parâmetros de soldagem que devem ser considerados são a temperatura, a pressão, o tempo de soldagem ou contato entre as peças, a deformação das superfícies de contato, a qualidade superficial (rugosidade superficial e condições de limpeza) e a atmosfera protetora.

temperatura

O processo de geração do calor é feito por energia elétrica que pode ser na forma de indução, resistência ou alta frequência. As temperaturas de processo ficam abaixo da linha “solidus” ou acima da temperatura de recristalização da liga, em média 0,7 . Ts (em Kelvin).

A temperatura promove um rompimento das camadas de óxido, causando interferência na estrutura cristalina do material e contribuindo para uma orientação favorável dos íons necessários para a difusão. As temperaturas podem atingir 1000°C ou mais, favorecendo a ligaçáoentre inoxidáveis ou refratários. No entanto, uma temperatura de processo alta demais leva ao aumento do grão e, por conseguinte, à queda das propriedades mecânicas.

pressão

A pressão de soldagem, que pode ser aplicada por processo hidráulico, pneumático ou mecânico, fica pouco abaixo do limite de escoamento na temperatura de soldagem. Em conjunto com o calor, serve para provocar uma deformação plástica nas superfícies rugosas, que faz aumentar o contato das superfícies e possibilita a união dos materiais.

tempo de soldagem

O tempo de soldagem pode variar de 10 minutos até várias horas. Existe uma relação inversa entre tempo e temperatura: quando a temperatura de soldagem aumenta, o tempo de soldagem diminui, e vice-versa.

estado das superfícies

As exigências quanto ao estado de superfície na união, no que diz respeito a qualidade da superfície (Rj = 1 até 6|im), sâo desvantagens do processo.

limpeza das superfícies

A limpeza das superfícies de união, após uma usinagem fina, é feita por decapagem química. Gorduras e óleos são removidos com álcool, acetona ou tricloretileno, com açáo de ultra-som.

atmosfera de proteção

Para a soldagem de materiais metálicos, pode-se usar vácuo como atmosfera de proteção, a qual deve ser mantida durante o processo de união, de baixa a média, entre 103 e 10″6 Torr. Além do vácuo, pode se trabalhar também com gás de proteção, seja argônio ou hélio, ou banho de sal (BaCI2).

Equipamento

Vários equipamentos podem ser utilizados para a soldagem por difusão, dependendo da aplicação específica da soldagem. A exigência maior é que exista um controle rigoroso da temperatura e da pressão aplicadas. Existem quatro tipos de equipamento: o de pressão isostática elevada, as prensas, o equipamento de soldagem por resistência e equipamentos especializados.

O equipamento de pressão isostática elevada apresenta uma autoclave, isto é, um aparelho que funciona por meio de pressão e temperatura; na verdade, o equipamento proporciona uma prensagem a quente, utilizando um gás inerte como fluido.

A autoclave permite a aplicação de pressões acima de 150.000 psi e temperaturas superiores a 1649°C. O aparelho tem um sistema interno de refrigeração para manter baixa a temperatura da parede e um isolamento de alumina ou sílica para reduzir as perdas de calor. Para controlar a temperatura, existem termopares colocados ao longo do forno; para pressurizar o gás usa-se um compressor. Este tipo de equipamento permite fazer uniões entre peças de geometrias complexas e é capaz de soldar, ao mesmo tempo, grandes quantidades de peças relativamente pequenas. No entanto, as desvantagens são os custos e as dimensões do equipamento.

prensas

O método mais comum para soldar por difusão é o que utiliza prensas hidráulicas ou mecânicas. As prensas utilizadas na soldagem por difusão não são normalizadas devido à grande variedade de tais máquinas. Como atmosfera protetora, alguns tipos de prensa utilizam vácuo ou gás inerte; para o aquecimento, podem-se encontrar prensas que trabalham com filamentos entrelaçados de tungstênio, ou também indução e auto-resistência. Embora seja o método mais comum, o emprego de prensas na soldagem de peças de grandes dimensões é limitado.

De modo geral, os equipamentos utilizados na soldagem por resistência podem ser empregados na soldagem por difusão sem que seja preciso modificá-los. Assim como na soldagem por resistência, os eletrodos devem conduzir eletricidade e apresentar elevada resistência às temperaturas de união. É possível fazer uma modificação no processo, que consiste em introduzir um dispositivo de controle da atmosfera de gás inerte ou de vácuo. Este equipamento proporciona grande velocidade de execução das juntas. No entanto, somente podem ser soldadas pequenas áreas, pois a preparação de grandes áreas demanda tempo e muitas operações.

equipamento especializado

Os equipamentos especializados são aqueles que apresentam vasos de destilação, aparelhos de iluminação, contrapesos e aparelhos de expansão diferencial térmica. Os mais utilizados são os vasos de destilação, principalmente na soldagem de peças com geometrias hexagonais.

equipamento de pressão isostática elevada

 Link Relacionado:

Soldagem – Coleção tecnológica SENAI – 1ª ed. 1997

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