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Universidade Técnica de LisboaInstituto Superior Técnico
Solid-State Welding
Group @ IST
Tecnologia da SoldaduraTecnologia da SoldaduraConceitos Fundamentais
Evolução HistóricaSoldadura no Estado Sólido
Porquê Soldar Materiais Sólidos por Fusão?... Quando é Mais Eficiente e Produtivo ...
Soldar no Estado Sólido!
Tecnologia d Ad i
Ligações M â i
Enquadramento TecnológicoTécnicas de Ligação
dos Adesivos Mecânicas(Por exemplo:
Epóxidos; Fenólicos;Poliuretanos;Acrílicos; Nitrilos; etc...)
Processos Tecnológicos de
Ligação de Materiais
(Rebites; Parafusos;
Clinching)
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SOLDADURA
2
Processos Híbridos de Ligação de Materiais
Enquadramento TecnológicoTécnicas Híbridas de Ligação
Solid State Welding Group @ IST
Enquadramento TecnológicoSoldadura por Fusão – Mecanismos de Ligação
Estado Físico do Cordão de Soldadura Durante o
Material de Base
Material de Adição
Soldadura Durante o Processamento Líquido Líquido
(se existir)
SolidificaçãoEpitaxial
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Enquadramento TecnológicoSoldadura por Brasagem – Forte e Fraca
Material de Material deEstado Físico do Cordão de
Soldadura Durante o Processamento
Material de Base
Material de Adição
Sólido Líquido
Dif ã S fi i l
Solid State Welding Group @ IST
Difusão Superficial(ligação atómica)
eEncastramento
Enquadramento TecnológicoSoldadura no Estado Sólido – Mecanismos de Ligação
Estado Físico do Cordão de Material de
BaseMaterial de
AdiçãoSoldadura Durante o
Processamento
ase d ção
SólidoSólido
(se existir)
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Enquadramento TecnológicoSoldadura no Estado Sólido – Mecanismos de Ligação
Aproximação aDistâncias InteratómicasDistâncias Interatómicas
de Equilíbrio
Interdifusão
Mi t d M t i i
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Encastramento (Clinching)
Mistura dos Materiais com Ligações Atómicas
Enquadramento TecnológicoPrincipais Vantagens da Soldadura no Estado Sólido
Diminuição dos Custos de FabricoRedução do consumo de energiaRedução do consumo de energia
(gasta menos e tem uma eficiência energética superior)Ausência (ou quase) de consumíveis (p.e.: mat. de adição, gases)Equipamentos relativamente simples e facilmente automatizados
que não necessitam de operadores especializadosElevada produtividade, com resultados facilmente reproduzíveisPermitem soldar materiais difíceis ou mesmo impossíveis de
f
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soldar por fusão resultando em cordões com excelentes propriedades mecânicas (muito próximas do material de base)
Tipicamente tratam-se de processos ambientalmente limpos(p.e.: sem emissão de fumos ou radiação)
Em meios agressivos para o ser humano, permitirem a operação e controlo do processo de forma remota
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Enquadramento TecnológicoConceitos Fundamentais na Soldadura
Formas de Activação Energética dos Mecanismos de Ligação:Soldad ra por pressão com interface liq idefeita
Aplicação de Pressão
Soldadura por pressão com interface liquidefeita:Alta Frequência; Faiscamento
Fricção;
Pressãoa Frio Fusão com Pressão
(soldadura por pressão com núcleo fundido):
Resistência
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Aplicação de Calor
Fricção;Ultra-sons;Explosão;Difusão
Fusão sem Pressão:MIG ; TIG ; Laser ...
Enquadramento TecnológicoSoldadura no Estado Sólido – Mecanismos de Ligação
Difusão(Interfacial)
Ligação Atómica
(Interfacial)Difusão + Ligação Atómica(Volúmica com Deformação
em Fluxo Visco-Plástico)Aplicação
de Pressão
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Aplicação de Calor
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Enquadramento TecnológicoSoldadura no Estado Sólido – Mecanismos de Ligação
Limpeza
Ultra-Sons
Difusão
Pressãoa Frio
Aplicação de Pressão
Fricção• Convencional• Linear• Stich e Spot
Explosão
FaiscamentoAlta-Frequência
pSuperficial
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Difusão
Aplicação de Calor
LimpezaSuperficial
Soldadura por Pressão a FrioConceito de Funcionamento, Peças, Máquina e Juntas
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Soldadura por Pressão a FrioInterfaces e Formação de Intermetálicos Frágeis
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Soldadura por Pressão a FrioSoldadura Topo-a-Topo: Método Offset-Flash
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Pressão c/Aquecimento OxigásParâmetros e Equipamento
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Soldadura por Alta-Frequência…por Contacto e por Indução
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Soldadura por Alta-FrequênciaDiversas Configurações Possíveis
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Soldadura por DifusãoParâmetros e Equipamento
Autoclave (Forno)Autoclave (Forno)
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Soldadura por DifusãoConceito de Funcionamento
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Soldadura por DifusãoAplicações e Interfaces de Soldadura
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Soldadura por Ultra-SonsConceito de Funcionamento
Ciclo de Histeresis (em domínio elástico)(em domínio elástico)
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Soldadura por Ultra-SonsConceito de Funcionamento – Metalurgia
Interfaces na Soldadura por Ultra-Sons
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Interfaces na Soldadura por Ultra-Sons
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Soldadura por Ultra-SonsSoldabilidade, Resistência Mecânica e Parâmetros
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Soldadura por Ultra-SonsEquipamentos - Antigos
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Soldadura por Ultra-SonsEquipamentos - Modernos
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Robust Table Unit
Easy to Use, Welding according to Standard Values
Sequence Welding
Safe and Easy Processing of Large Cross Sections up to 50 mm²
Soldadura por Ultra-SonsAplicações em Cablagens para Indústria Automóvel
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Soldadura por Ultra-SonsExemplo de Aplicações Industriais
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Soldadura por ExplosãoConceito de Funcionamento e Soldabilidade
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Soldadura por ExplosãoInterfaces
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Soldadura por ExplosãoAplicações
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Processamento por FricçãoTecnologias de Soldadura Baseadas na Fricção
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Soldadura por FricçãoA Origem do Atrito Sólido
partelastplastad μμμμμ +++=
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Soldadura por FricçãoDesenvolvimento Axissimétrico
Patente Internacional
de 2/1956 (A.I.Chudikov)( )
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Soldadura por FricçãoDesenvolvimento Axissimétrico – Transmissão Directa
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Soldadura por FricçãoDesenvolvimento Axissimétrico – Transmissão Directa
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Soldadura por FricçãoDesenvolvimento Axissimétrico – Transmissão Directa
Variantes no arranjo entre as peças a soldar (juntas)
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Com movimento angular alternativo
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Soldadura por FricçãoDesenvolvimento Axissimétrico – Transmissão Directa
Influência dos parâmetros do processo
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Soldadura por FricçãoDesenv. Axissimétrico – Transmissão por Roda de Inércia
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Soldadura por FricçãoDesenv. Axissimétrico – Transmissão por Roda de Inércia
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Soldadura por FricçãoDesenv. Axissimétrico – Transmissão por Roda de Inércia
Influênciados
parâmetrosdo
processo
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Soldadura por FricçãoEnsaios de Caracterização dos Cordões
Cordão realizado por Soldadura por Fricção com Transmissão por Roda de Inércia entre: CuOFHC / AA4043Roda de Inércia entre: CuOFHC / AA4043
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Acabado de soldar Ensaio de tracção com ruptura bem fora da zona
do cordão
Ensaio de flexão sem precipitação de fissuras
Soldadura por FricçãoCaixas de Retenção p/ a Rebarba Resultante do Processo
... Evita-se assim, o custo e diminuição de produtividade associada ao processo de
extracção da rebarba.
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Soldadura por FricçãoQuestões a Propor para Discussão...
Quais os parâmetros do processo com transmissão directa?Quais os parâmetros do processo com transmissão por roda de inércia?Quais os parâmetros do processo com transmissão por roda de inércia?De que forma é que a preparação das superfícies a soldar influência o processo?Qual a dificuldade na soldadura por fricção de peças com geometria não-axissimétrica?Quais as medidas a tomar na soldadura de peças com diferentes resistência mecânicas?Quais as medidas a tomar na soldadura de peças com diferentes
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Quais as medidas a tomar na soldadura de peças com diferentes diâmetros?Quais as medidas a tomar na soldadura de peças de grande diâmetro?Na soldadura de um perno a uma placa, qual a relação entre o diâmetro do perno e a espessura da placa, de forma a obter um fluxo de calor semelhante para ambos os componentes?
... Redução de custos na
Soldadura por FricçãoExemplos de Aplicação na Indústria
çconstrução de um veio de
transmissão, por soldadura por fricção com transmissão
por roda de inércia.
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Soldadura por FricçãoExemplos de Aplicação na Indústria
Fabrico de Varas para Prospecção Terrestre
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Soldadura por FricçãoExemplos de Aplicação na Indústria
Fabrico de próteses
Antes...
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...Depois
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Soldadura por FricçãoExemplos de Aplicação na Indústria
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Soldadura por FricçãoAplicações na Indústria Automóvel, em detalhe...
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Soldadura por FricçãoVariantes com Simetria Axial
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Soldadura por FricçãoAplicações da Variante por Hidro-carga com Simetria Axial
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Soldadura por FricçãoVariantes com Movimento Linear
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Soldadura por FricçãoResultados da Variante de Revestimento Superficial
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Soldadura por Fricção LinearO Maior Desenvolvimento da Soldadura na Última Década
Wayne M. Thomas: “Friction Stir Butt Welding”, Patente Internacional de
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Patente Internacional de AplicaçãoNº PCT/GB92/02203 de 6 de Dezembro de 1991@The Welding Institute (TWI),
Cambridge, GB
Soldadura por Fricção LinearConceitos Básicos
Processamento no estado sólidoFerramenta não-consumível
Fenómenos tecnológicos:Extrusão
Ferramenta não consumível
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ForjagemMistura caótica
Calor dissipado por atrito:Interface ferramenta/materialDeformação visco-plástica
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Soldadura por Fricção LinearCaracterísticas Metalúrgicas
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(Exemplo: AA7075 ; espessura=6mm)
Soldadura por Fricção LinearCaracterísticas Metalúrgicas
AvançoRetrocesso
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(AA2024-T3 ; espessura=4.8mm)
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Soldadura por Fricção LinearResultados de Ensaios de Resistência Mecânica
AA5083-O
AA6082-T6
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AA2014A-T6
AA6082-T6
Soldadura por Fricção LinearParâmetros
Força e tempo de indentação do pino
Aceleração de avanço linear no início e fim do cordão
Material (c/ T.T.) e Geometria da Ferramenta (Base e Pino)
Aceleração de avanço linear no início e fim do cordão
Ângulo de ataque e de concordância (p.e.: tailor-blanks)
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TWI®
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Soldadura por Fricção LinearParâmetros (diferentes conceitos para a ferramenta)
A-SkewTM (TWI)
Retracted-Pin Tool (NASA)
Bobin-ToolTM (GKSS)
Retracted Pin Tool (NASA)
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Bobin Tool (GKSS)
Soldadura por Fricção LinearConfigurações Possíveis para as Juntas
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Soldadura por Fricção LinearFenómeno Acoplado: Térmico/Estrutural/Metalúrgico
Materials plastic flowand deformationDeformação visco-plástica do material
Heat dissipation byintern friction (viscous)
Movement of the tool
and deformation
Superficial appearanceDefective joints
Mechanical propertiesof the different regionsInterfacial Friction
Aparência superficialDefeitos nas juntas
Propriedades mecânicas das diferentes regiões
Dissipação viscosa do calor (atrito interno)Atrito superficial
Movimento da ferramenta
p
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intern friction (viscous)
Metallurgic structurechanges (dynamic
recrystallization of theNuget)
of the different regions(material / tool)
Heat Generation
das diferentes regiões
Alterações da estrutura metalúrgica (p.e., a
formação do Nugget)
Geração de calor
( )p(material/ferramenta)
ConclusõesVantagens Específicas da Soldadura por Fricção Linear
☺ Distorção+Tensões Residuais ≈ Nulas☺ Distorção+Tensões Residuais ≈ Nulas ☺ Baixo-Custo da SFL de Alumínio
☺
☺ Garantia Total de Qualidade
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☺ A SFL pode ser utilizada em Ligas de Alumínio com Espessuras compreendidas entre 1 a 75mm, utilizando Velocidades de Soldadura entre 5000mm/min até 5mm/min
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ConclusõesDesvantagens Específicas da Soldadura Fricção Linear
As peças a soldar devem se encontrar rigidamente constrangidasAs peças a soldar devem-se encontrar rigidamente constrangidas contra uma base de apoio, com excepção da utilização de ferramentas portáteis do tipo Bobbin-Tool
No final dos cordões de SFL remanesce um furo, denominado por key-hole que corresponde ao diâmetro do pino, e que necessitando de ser preenchido, pode ser rebitado ou sujeito ao Processamento em Hidro-Carga por Fricção. No entanto, este key-hole é uma garantia da penetração total da espessura a soldar
Solid State Welding Group @ IST
garantia da penetração total da espessura a soldar
Cada espessura a soldar corresponde a uma geometria precisa do pino e aproximada para o diâmetro da base da ferramenta de SFL
Soldadura por Fricção LinearInvestigação e Desenvolvimento – GKSS ResearchCenter@Germany
Solid State Welding Group @ IST
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Soldadura por Fricção LinearInvestigação e Desenvolvimento – GKSS ResearchCenter@Germany
DL 522π
Solid State Welding Group @ IST
mmmmd
L 5.24
+=π
L – Comprimento do ponto
D – Diâmetro do ponto Convencional (por resistência)
D – Diâmetro do pino
Soldadura Fricção por Pontos RIFTEC@GKSS, Hamburgo
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Soldadura por Fricção LinearInvestigação e Desenvolvimento – iSTIR Group@Portugal
Solid State Welding Group @ IST
Soldadura por Fricção LinearInvestigação e Desenvolvimento – iSTIR Group@Portugal
Medição Experimental do Campo TérmicoFormulação Analítica/ Empírica
Potência Térmica, Parâmetros de SFL
do Campo Térmico
OUTPUT
Processo Iterativo
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qthermParâmetros de SFL
%100qq1F;
v mech
thermztherm ×⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛−=⎟
⎠
⎞⎜⎝
⎛ Ωη
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Soldadura por Fricção LinearInvestigação e Desenvolvimento – iSTIR Group@Portugal
Potência Térmica do Processo de SFL para Todos os Ensaios
450 %100qq1F;
v mech
thermztherm ×⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛−=⎟
⎠
⎞⎜⎝
⎛ Ωη
Correlações para a Eficiência Térmica
y = -0.1864x2 + 1.7264x + 88.138
89 5
90
90.5
91
91.5
92
92.5
ênci
a Té
rmic
a [%
]Entrega Térmica do Processo de SFL para Todos os Ensaios
200
250
mm
]
200
250
300
350
400
Quente Intermédia Fria
Pot
ênci
a Té
rmic
a [w
]
Forging Force, Fz=11kN Forging Force, Fz=14kN
qv mech ⎠⎝⎠⎝
Solid State Welding Group @ IST
y = -0.198x2 + 1.9928x + 86.036
88
88.5
89
89.5
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
Omega[rpm]/v[mm/min]
Efic
i
Fz=11kN Fz=14kN Correlação (Fz=11kN) Correlação (Fz=14kN)
0
50
100
150
Quente Intermédia Fria
Entre
ga T
érm
ica
[J/m
Forging Force, Fz=11kN Forging Force, Fz=14kN
[ ] [ ][ ]mm/minv
60wqJ/mmE thermt
×=
Soldadura por Fricção LinearInvestigação e Desenvolvimento – iSTIR Group@Portugal
Modelação NuméricaElastic - Plastic Viscous - Plastic
Analysis of the plates remote from tool
HAZ and Base MaterialAnalysis near the tool
Nugget and TMHAZ
Same nodesat interfaces
Updated at interface :- Temperature- Pressure
AbaqusStructural Mechanics
Approach
FluentFluid Dynamics
ApproachIntegra 3D
FE Mesh
- Pressure- Temperature
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Results:• Residual Stress Field• Residual Deformation• Thermal History of the HAZ
Results:• Material Flow for different tool geometries• Thermal History at the vicinity of the tool
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Técnicas de Controlo não destrutivo (NDT):Estado da Arte
Ultra-Sons Correntes de Eddy
ToFD
Solid State Welding Group @ IST
Acção
Outros Processamentos Baseados no Conceito da SFL
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