COLIPE 2014/2 I Congresso de Ligações Permanentes UFSC – Campus Joinville Joinville – Santa Catarina
SOLDAGEM POR ATRITO NA INDÚSTRIA AUTOMOTIVA Gustavo Marchiori,
[email protected] Marcelo Ramos Amaral,
[email protected] Thiago de Borba,
[email protected] 1
Universidade Federal de Santa Catarina, R. Dr. João Colin, 2700, Bairro Saguaçu, Joinville-SC
Resumo: Este artigo tem o objetivo trazer uma visão geral do emprego da soldagem por atrito na indústria automotiva, pois este processo permite a união de materiais dissimilares, principalmente ligas de alumínio, que possibilitam a redução de peso dos automóveis e consequente melhora na eficiência dos mesmos. A busca por informações se deu em teses e artigos publicados em revistas científicas. As principais conclusões foram de que essa técnica proporciona alta produtividade, redução de custos e melhora nas propriedades mecânicas da solda quando comparada a outros processos de soldagem. Palavras-chave: Soldagem, atrito, automotiva, eficiência.
1. INTRODUÇÃO A soldagem por atrito é um processo de união que ocorre no estado sólido e produz soldas pela rotação ou movimento relativo de duas peças sob ação de forças compressivas, produzindo calor e deformando plasticamente o material nas superfícies de atrito sem a necessidade de utilizar materiais de adição, fluxo e gás de proteção, sendo eficaz na união de materiais dissimilares. As dificuldades na soldagem de aço com ligas de alumínio pelos processos tradicionais não resultam em uniões confiáveis devido à formação de fases intermetálicas que são formadas entre o alumínio e o aço em elevadas temperaturas e que geralmente são duras e frágeis. Diante dessa dificuldade de unir materiais de naturezas diferentes a soldagem por atrito surge como alternativa eficaz aos processos de soldagem tradicionais, principalmente na indústria automotiva onde se visa o aprimoramento das propriedades mecânicas nas soldas, produtividade e redução de peso. 2. SOLDAGEM POR ATRITO A soldagem por atrito começou a ser desenvolvida na URSS na década de 50 [7] e consistem em um processo de união de estado sólido que se utiliza de deformação plástica localizada, usando o calor desenvolvido através do movimento relativo entre peças ou peça e ferramenta em combinação de fricção e carga aplicada induzidas mecanicamente [1]. O atrito gera calor onde a temperatura atinge entre 60 a 80 % da temperatura de fusão do metal de base, fazendo com que o fluxo de material deformado plasticamente promova a união [6]. A Fig. (1) exemplifica o processo de soldagem por atrito linear – Friction stir welding (FSW).
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Figura 1. Representação do fluxo de material no plano yz em FSW [5]. Por ser realizado em temperaturas menores do que a temperatura de fusão do metal de base esse processo gera tensões residuais e distorção menores do que em processos de soldagem convencionais [5], eliminando defeitos como porosidade, bolhas, rebaixos, inclusões e microestruturas indesejáveis, isto é, gerando estruturas com grãos refinados e cristalizados dinamicamente [6]. Além de proporcionar uniões com melhores propriedades mecânicas a soldagem por atrito tem influência na produtividade e no custo, onde a ferramenta utilizada é praticamente não consumível para ligas de alumínio onde realiza soldas de até 1000 metros de comprimento sem que seja necessária a troca de ferramenta por desgaste, possibilita velocidades de soldagem na ordem de 2,5 a 5 metros por minuto [6], ademais não utiliza metal de adição, gás de proteção e não produz arco voltaico diminuindo a energia necessária para realizar o processo [1]. A principal desvantagem do processo é o alto custo do investimento inicial para aquisição do maquinário, pois a maioria das máquinas são automatizadas de 5 eixos e necessitam de softwares específicos. Outras limitações intrínsecas à soldagem por atrito são a necessidade de apoios devido ao alto torque relativo entre peça e ferramenta e não se aplica a todas as configurações de juntas [5]. 2.1.
Aplicações na Engenharia Automotiva
Em busca da redução de peso dos automóveis a indústria visa empregar maior uso de alumínio nas estruturas, possibilitado pela soldagem por atrito, devido ao fato deste ser um processo capaz de unir diversas ligas metálicas, inclusive materiais dissimilares em uma única solda como pode ser observado na Fig (2).
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Figura 2 – Tabela que relaciona as compatibilidades entre diferentes materiais relativos à soldagem por atrito [1]. Normalmente a união das estruturas se dá por elementos mecânicos como rebites que além de adicionar peso ao veículo possuem considerável custo agregado. Soldagem por atrito engloba várias técnicas e seus respectivos usos dependem de suas aplicações. Dentre essas técnicas estão a soldagem por atrito linear (FSW), soldagem por atrito linear a ponto (FSSW), soldagem por atrito linear de dupla rotação (dual-rotation FSW) [5,6]. 2.1.1.
Soldagem por Atrito Linear
Peças extrudadas de uso na indústria automotiva são geralmente unidas por FSW, pois essa é considerada uma tecnologia apta para a geração de grandes perfis extrudados, os quais não podem ser previamente fabricados. Usualmente extrudam-se pequenas partes de uma mesma peça que posteriormente é unida com o uso de FSW [2]. Para a indústria automotiva é aceito que os maiores perfis extrudados sejam entre 200 mm a 300 mm de diâmetro de alcance. Extrusões maiores podem ser fabricadas, porém o custo é maior, além disso, a tolerância de extrusão tornase pior com o aumento do tamanho [2]. Com o FSW duas pequenas peças extrudadas podem ser unidas com várias configurações de solda para geração de peças maiores. Nessa aplicação, o tamanho das soldas lineares são tão longas quando as próprias extrusões. Uma vez soldada a peça passa por uma operação de corte, um exemplo é o componente da suspensão mostrado na Fig. (3). Essa é uma parte do braço da suspensão que foi obtido através do corte de vários metros de sessão soldada. Para esta aplicação, a penetração parcial ou total por solda de topo seria a mais apropriada [2].
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Figura 3. Braço da suspensão de um automóvel soldado por FSW [2]. A Tower Automotiva é uma das empresas que utiliza FSW nos braços de suspensão usados nas limousines da Lincoln Town Cars mostrados na Fig (4) [4].
Figura 4. Processo de soldagem por atrito linear dos braços de suspensão das limousines da Lincoln Town Cars [4]. Outra grande aplicação de FSW no ramo automotivo é a soldagem do front end dos chassis que são constituídos de elementos de alumínio extrudado e fundido [1]. Um protótipo de front end, mostrado na Fig (5), feito recentemente pela empresa Sapa, que na montagem foram unidos por FSW em três dimensões, resultou em um estudo de redução na massa de 23 kg para 16 kg comparado ao mesmo front end em aço, comercializado até o momento [4].
Figura 5. Protótipo de front end unido por FSW produzido pela empresa Sapa [4]. 2.1.2. Soldagem por Atrito a Ponto (FSSW) Derivada do FSW promove a união de chapas sobrepostas, similar a soldagem por resistência a ponto, porém com menor consumo de energia, uma vez que não há corrente atravessando a peça, da mesma maneira que o processo não atinge a temperatura de fusão do material, evitando assim, respingos [3]. Ao avaliar as vantagens do processo, a Mazda começou a produzir as portas traseiras e o capô através da utilização do FSSW [4]. 2.1.3. Soldagem por Atrito com Dupla Rotação (dual-rotation FSW) O desenvolvimento do processo visa reduzir os efeitos da soldagem como a temperatura na região da união e consequentemente a transferência de calor para a liga de alumínio. Este processo derivado inclui em suas variáveis diferentes velocidades de rotação e sentido de giro da sonda e do ombro como mostra a Fig (6). Dependendo do
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material a ser unido, a alta rotação do ombro pode promover a fusão do material próximo a área de soldagem, possivelmente causando defeitos, como a alteração das propriedades mecânicas e de corrosão, quando utilizado o FSW [8]. Para solucionar este problema, no processo com rotação dupla, reduz-se a rotação do ombro para influenciar no comportamento da transferência de calor, ou seja, mantém o material sólido mesmo com uma alta rotação da sonda, a solda possui maior dureza comparada ao resultado da solda por FSW convencional, por sofrer menor amolecimento térmico. Um exemplo é a união de chapas de uma liga de alumínio de espessura 16 mm com velocidade de rotação a sonda em 584 rpm em 219 rpm e velocidade de soldagem de 180 mm/min. Testes comparando o processo convencional ao de dupla rotação indicam menor ataque corrosivo na solda, onde existe maior potencial para as ações da corrosão, no processo não convencional [4].
Figura 6. Esquema mostrando a diferença de rotação entre ombro e sonda [8]. A soldagem por atrito é uma tecnologia emergente que pode ser usada para superar significativamente as limitações dos demais processos de união. Suas vantagens nas propriedades mecânicas e nos custos operacionais a torna ideal para aplicação em automóveis. Devido ao fato das próprias empresas aplicarem a tecnologia, a indústria automotiva pode aproveitar-se de vantagens inerentes do processo e fazer a sua implementação com êxito. Contudo deve-se considerar as limitações e desafios do processo. A primeira consideração é ter certeza de que o processo adequado está sendo usado. A segunda consideração a se fazer são as altas forças requeridas no processo. Este desafio pode ser superado selecionando-se equipamentos projetados especialmente para essa finalidade. Um problema a ser resolvido no setor automotivo é que na maioria dos casos os produtos automotivos são projetados para resistir à soldagem MIG/MAG, mas serão incapazes de resistir às forças do FSW, ou seja, deve-se projetar a peça a ser soldada deve ser apta a resistir altas forças no ponto onde será realizada a solda necessitando assim de um apoio ou otimização da geometria da região.
3. REFERÊNCIAS (Times New Roman, negrito, tamanho 10) [1] MANUFACTURING TECHNOLOGY, INC. Friction Welding, brochure, USA, 1999. [2] SMITH, C.B. et al., Friction Stir Welding In The Automotive Industry, Tower Automotive – Technology Application, Milwaukee, 20[??]. [3] DE BACKER, J.; VERHEYDEN, B. Robotic friction welding for automotive and aviation applications. Master Thesis, Mechanical Engineering Department of Engineering Science, Sweden, Trollahättan, University West, Maio 2009. [4] THOMAS, W.M. Friction stir welding - Process variants and developments in the automotive industry. In: SAE WORLD CONGRESS, Cobo Center, Detroit, Michigan, USA, 3-7 april, 2006. [5] PAIVA, F.G.A. Caracterização de junta soldada por atrito linear com mistura (FSW) da liga Al-Mg-Si AA 6063Dissertação (Mestrado), Escola Politécnica da Universidade de São Paulo, São Paulo, 2009. [6] THOMAS, W. M. , KALLEE, W. W. , STAINES, D. G. Friction stir welding – Process variants and developments in the automotive industry. In: SAE World Congress, 2006. Artigo. Detroit, Michigan, EUA. [7] IZUMI MACHINE MFG. The history of frction welding is the history of Izumi. Disponível em:< http://www.en.izumi-mfg.co.jp/fw/about/history.html>. Acesso em: 20/11/2014. [8] WATTS E.R. Dual Rotation stir welding – preliminary trials
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4. DIREITOS AUTORAIS Os autores desse trabalho são Gustavo Marchoiri, Marcelo Amaral e Thiago de Borba e são os únicos responsáveis pelo conteúdo do material impresso incluídos nesse artigo.
Abstract: This article has the objective to bring an overview about the friction welding in the automotive industry, since this process allow the joint of different natures materials, mainly aluminum alloys, which they make possible to reduce weight of vehicles and consequently improve efficiency. The search for information happened in theories and articles published in journals. The main conclusions were the fact that this technique provides high productivity, reduction of cost and improvement in the mechanical properties on the weld when compared to others welding process. Key-words: Welding, friction, automotive, efficiency.
