PROCESSO DE SOLDAGEM POR EXPLOSÃO

Transcrição

1 PROCESSO DE SOLDAGEM POR EXPLOSÃO HISTÓRICO Durante a 1ª Guerra Mundial, era observado que partes metálicas de projéteis e de estilhaços quando colidiam com outras superfícies metálicas, em determinadas circunstâncias, eram soldadas. Porém, este processo, foi relatado de forma científica somente 1944, quando em um experimento foi observado que dois discos metálicos ligados a um detonador, após explosão, foram soldados no estado sólido e apresentaram uma interface ondulada. Em 1957, obteve-se a soldagem por explosão de uma chapa de alumínio a um perfil de aço. Então grande interesse foi despertado por este processo e muitos países começaram a pesquisa-lo. FUNDAMENTOS A soldagem por explosão é um processo de soldagem no estado sólido que é obtido a partir da deformação plástica superficial dos metais ocorrida após colisão de uma peça acelerada, lançada em alta velocidade, contra outra através da detonação calculada de um explosivo. É um processo que utiliza a energia de detonação de um explosivo para promover a união das peças metálicas no estado sólido. A solda é produzida pelo impacto em alta velocidade das peças de trabalho, como resultado de uma detonação controlada, sem adição de metal. O processo em si é muito rápido e dura uma fração de segundo. Ele ocorre à temperatura ambiente e quase não há aquecimento das peças, embora as superfícies de contato sejam aquecidas pela energia de colisão e a soldagem conseguida pelo fluxo plástico do metal da camada superficial. Este processo nos oferece duas configurações básicas, sendo a primeira, com arranjo das placas em paralelo, produz um caldeamento constante, pois suas condições são alteradas ao longo da soldagem, enquanto a segunda, com arranjo utilizando um ângulo pré determinado entre as placas, produz um caldeamento não constante, pois suas condições são alteradas incessantemente até o término da soldagem. Arranjo Paralelo Nas placas em paralelo o ângulo obtido na detonação é pequeno, então o fluxo do jato de metal é ininterrupto e a interface resultante é praticamente plana, por isto esta configuração é chamada de regime laminar.

2 Arranjo Angular Nas placas preparadas em ângulo pré determinado, o fluxo do jato de metal líquido é interrompido a todo o momento quando sofre uma mudança de direção e gira como um rodamoinho, assim as ondas na interface vão sendo formadas ao longo do caldeamento nos pontos de colisão, esta colisão é chamada de regime turbulento. A alta velocidade do jato remove a película superficial da placa base e da placa superior que é levada ao ponto de contato, onde as ondas serão formadas como que rodamoinhos. PRINCÍPIOS DO PROCESSO Um típico arranjo dos componentes para soldagem por explosão é mostrado na figura 1. Figura 1 - Arranjo típico dos componentes para soldagem por explosão Fundamentalmente existem três componentes: Metal base Metal primário ou de caldeamento Explosivo O componente base permanece estacionário enquanto o primário é soldado a ele. O componente base pode ser suportado por uma base ou matriz, particularmente quando ele é relativamente delgado. O componente base / apoio (se utilizado) devem possuir massa suficiente para minimizar as distorções durante o processo de soldagem por explosão. O componente primário é posicionado usualmente paralelo ao componente base; porém para aplicações especiais ele pode estar a um pequeno angulo em relação ao componente base. No arranjo paralelo, os dois são separados

3 por uma distancia especificada, que se refere como distancia de afastamento. No arranjo angular o afastamento pode ser ou não utilizado no vértice do angulo. A explosão localizada dobra e acelera o componente primário através do afastamento, a alta velocidade, para que ele colida sob um certo ângulo com o componente base e seja soldado a ele. A frente de colisão e solda progride através da junção conforme a explosão avança. O explosivo, normalmente em forma granular, é distribuído uniformemente sobre a superfície superior do componente primário. A força que a explosão exerce sobre o componente primário depende das características da detonação e da quantidade de explosivo. Um separador de um material tipo neoprene, entre o componente primário e o explosivo, pode ser necessário para proteção do componente da erosão provocada pela detonação do explosivo. Detonação do explosivo As atividades que ocorrem durante a soldagem por explosão estão ilustradas na figura 2. A maneira na qual o explosivo é detonado é extremamente importante. A detonação deve ser efetuada progressivamente através da superfície do componente primário. A velocidade da detonação determina a velocidade na qual a colisão progride através da área de junção. É conhecido que a velocidade de colisão é uma das variáveis importantes do processo. A seleção de um explosivo que produza uma velocidade de detonação requerida é da maior importância para que se consiga por consequência uma boa solda. Além disso, o explosivo deve providenciar uma explosão uniforme para que a velocidade de colisão seja uniforme do início ao fim da solda. Velocidade e ângulo do componente primário Enquanto a detonação se move através da superfície do componente primário, ambas as intensas pressões, a da frente de explosão e a gerada pela expansão dos gases imediatamente abaixo da frente de explosão, aceleram o componente primário a um certo angulo e velocidade. Este angulo e velocidade dependem do tipo e quantidade do explosivo, da espessura de parede e propriedades mecânicas do componente primário, e da distancia de afastamento empregada. Colisão, jato e soldagem As seguintes variáveis interrelacionadas são importantes para o processo de soldagem a explosão: Velocidade de colisão Angulo de colisão Velocidade do componente primário A intensa pressão necessária para se produzir a soldagem é gerada no ponto de colisão quando duas destas variáveis estejam entre limites perfeitamente definidos. Estes limites são determinados pelas propriedades dos materiais a serem soldados. As pressões forçam as superfícies dos dois componentes a um intimo contato e causa um fluxo plástico localizado na área imediatamente próxima ao ponto de colisão. Ao mesmo tempo o jato é formado no ponto de

4 colisão, como visto na figura 2. O jato varre para fora da superfície original de cada componente qualquer filme de contaminação que possa estar presente. Isto limpa o metal como é requerido para se obter uma soldagem metalúrgica forte. Pressões residuais no sistema são mantidas o suficiente após a colisão para permitir a liberação do contato íntimo dos componentes metálicos e para completar a solda. Figura 2 Desenho esquemático mostrando o ponto de colisão Natureza da adesão A interface entre os dois componentes de uma soldagem a explosão é normalmente como uma onda em uma microescala, o tamanho da onda depende das condições de colisão encontradas na soldagem. Uma onda típica de explosão é mostrada na figura 3.

5 Figura 3 Corte transversal de uma junta de soldagem por explosão Muitas soldas com uma interface em onda contém pequenas bolsas de material do jato localizadas normalmente a frente e atrás dos picos das ondas (no declive). Estes materiais são compostos da combinação dos dois metais parentes, e uma parcial ou completa fusão dos materiais geralmente ocorre. As bolsas podem ser dúcteis quando a combinação dos metais formam soluções sólidas, mas podem ser frágeis ou podem conter descontinuidades em suas combinações, formando compostos intermetálicos. Bolsas de outros materiais podem não ser prejudiciais, caso sejam bem pequenas. Uma boa prática de soldagem produzem pequenas bolsas. Grandes bolsas, por outro lado, ocorrem devido a excessivas condições de colisão (velocidade do material primário, velocidade de colisão e angulo de colisão), ou podem produzir falhas contínuas de soldagem. Grandes bolsas e falhas de soldagem contínuas podem conter um substancial número de vazios por enrugamento e outras descontinuidades que reduzem a resistência e ductilidade. Elas são normalmente prejudiciais para sua integridade e utilização da solda. Por estas razões práticas de soldagem que produzam tamanhos excessivos de onda ou falhas contínuas de soldagem devem ser evitadas. Em certas ocasiões, uma interface plana da solda é formada quando a velocidade de colisão está abaixo do valor crítico para a particular combinação dos metais utilizados na solda. Soldas deste tipo normalmente possuem

6 propriedades mecânicas satisfatórias, mas a regra é não utilizar esta prática. Pequenas variações nas condições de colisão podem produzir falta de adesão. Propriedades dos materiais explosivos Os explosivos utilizados para soldagem a explosão São normalmente granulares, e sua composição é normalmente baseada em Nitrato de Amônia como componente principal. Isto permite que sua detonação ocorra em uma faixa de velocidade entre 2000 a 3000 m/s necessária para alcançar no ponto de colisão, as condições necessárias para uma ótima soldagem. Em geral, a velocidade de detonação do explosivo depende da sua composição, espessura e embalagem ou densidade obtida. Afastamentos para arranjos paralelos e angulares Dois tipos de afastamentos podem ser utilizados na soldagem a explosão: paralelo ou angular. O uso de um angulo pré-determinado está normalmente restrito a pequenas áreas ou soldas curtas tais como solda de tubo a espelho (trocadores de calor e caldeiras), soldas em dobra (angulo) entre chapas ou componentes tubulares, ou outras pequenas áreas de soldas especiais. O afastamento paralelo, ou constante, é utilizado para grandes áreas de soldagem, e constituem a maior aplicação da soldagem por explosão. Para outra operações tal como revestimento de chapas planas (cladding), a geometria do afastamento e quantidade de explosivo deve ser previsto no projeto dos componentes para a soldagem. A distancia de afastamento empregada na preparação da soldagem por explosão, vai ter muita influencia no tamanho da onda na interface. Aumentos na distancia de afastamento aumenta o angulo de colisão entre os componentes primário e base (veja figura 2) acima do limite do angulo de dobramento dinâmico no qual o explosivo utilizado é capaz de acelerar o componente de revestimento. O tamanho da onda da interface aumenta com o acréscimo do angulo de colisão. Em termos gerais, a distancia de afastamento em uma soldagem paralela é normalmente entre a metade e uma vez a espessura do componente de revestimento que será acelerado pelo explosivo. No arranjo angular, o angulo está tipicamente entre um e oito graus. Qualidade da adesão A qualidade de uma soldagem a explosão depende apenas da natureza da interface, e dos efeitos que o processo causou nas propriedades dos componentes metálicos. As propriedades dos metais incluem Resistência, maleabilidade e ductilidade. Os efeitos da soldagem nestas propriedades podem ser determinadas por comparação dos resultados de tração, impacto, dobramento e ensaios de fadiga na solda e materiais base. Procedimentos de teste das normas ASTM podem ser utilizados. A qualidade da adesão pode ser determinada por ensaios destrutivos e nãodestrutivos. Caso o tamanho das amostra de teste sejam limitadas pela espessura dos componentes e a solda é plana e na essência não há

7 espessura, teste especiais destrutivos são utilizados para avaliação da Adesão. Os ensaios devem refletir as condições que a solda vai sofrer em serviço. PROCEDIMENTOS DE SOLDAGEM Tipos de juntas Soldas a explosão possuem uma limitação a juntas de superposição ou com superfícies que se ajustam. No caso de revestimento, as superfícies dos dois componentes possuem a mesma geometria, e um dos componentes sobrepõe o outro. Em juntas tubulares de transição e de topo, uma superposição é utilizada normalmente. A superposição e a soldagem nestas juntas devem ser longas o suficiente para se obter uma garantia de não haver falha em serviço por cisalhamento ao longo da interface. Preparação da superfície As superfícies a serem soldadas devem ser limpas e livres de imperfeições grosseiras par se obter soldas homogêneas, resistentes e dúcteis. A rugosidade necessária depende dos metais a serem soldados. Em geral a superfície com acabamento de 0,5 microns ou melhor, é necessário para se obter soldas de alta qualidade. Fixação e preservação Para uma qualidade consistente, as condições de soldagem devem ser uniformes sobre a área total a ser aderida. Isto inclui a distancia de afastamento para componentes paralelos ou ângulo 9 inicial para componentes inclinados e uma rigidez suficiente para suportar o componente base. Para caldeamento em componentes relativamente finos, espaçadores ou suportes para manter a distancia de afastamento exigida, são normalmente posicionados ao longo das arestas externas da chapa a se caldeada, onde normalmente os efeitos de borda são normalmente removidos. Quando o componente primário ou de revestimento é tão fino, e a deflexão nele provocada pelo seu peso combinado com o peso do explosivo no topo, pode provocar problemas em se manter a distancia de afastamento necessária, suportes adicionais de afastamento podem ser exigidos nas áreas centrais. Tipicamente, materiais de pequeno peso tais como blocos de espuma ou de madeira balsa estrategicamente distribuídos abaixo de áreas centrais da chapa de revestimento. Eles são normalmente consumidos no processo de soldagem e tem um efeito mínimo no resultado da solda. Durante o revestimento de chapas com uma base espessa ou de componentes de base, a base é posicionada diretamente no solo. Caso a base seja relativamente fina ou sujeita a excessiva deformação durante o processo de soldagem a explosão, é necessário que seja suportada uniformemente de modo mais rígido, um suporte maciço para minimizar a deflexão. Para revestimento de tubos ou união de tubulações, um mandril interno ou externo é necessário para preservar o componente base.

8 Capacidades e limitações Um atributo do processo de soldagem a explosão é a capacidade da união de grande variedade de metais similares ou não. As combinações de materiais dissimilares que podem ser unidos pelos outros processos de soldagem tal como aço carbono com aço inoxidável, se juntam aos que são metalurgicamente incompatíveis para soldas por fusão, tais como alumínio ou titânio ao aço. O processo pode ser utilizado para juntar componentes de uma grande faixa de tamanhos. Áreas de superfície menores que 6,5 cm2 acima de 37 m2 podem ser soldadas. Desde que o componente base esteja estacionário durante a soldagem, não há limites superiores para sua espessura. A espessura do componente primário pode variar de 0,25 a 31,8 mm ou mais, dependendo do material. Configurações geométricas podem ser soldadas por explosão caso se consiga uma progressão uniforme da frente de explosão. Isto inclui chapas planas tais como estruturas cilíndricas ou cônicas. Soldas podem ser executadas em algumas configurações complexas, mas este trabalho requer um conhecimento completo e um controle preciso do processo. EQUIPAMENTOS Na utilização deste processo são necessários equipamento de proteção e pessoal capacitado. O explosivo é controlado pelo governo e seu armazenamento e manuseio precisam de cuidados especiais. Outro aspecto importante é o local para a realização da solda, geralmente um lugar afastado, em área aberta. APLICAÇÕES As aplicações da soldagem por explosão variam de placas de grandes dimensões até pequenos componentes eletrônicos. Pode ser usada para soldar praticamente todos os metais que possuam resistência e ductilidade suficientes para suportar a deformação em alta velocidade, associada ao processo, em geral os que possuem alongamento mínimo de 5 a 6% em 51mm de comprimento de medição e resistência ao impacto Charpy entalhe em V maior que 13,6J. Metais que sofrem fratura quando expostos a choques associados com a detonação do explosivo e a colisão dos dois componentes não podem ser soldados por explosão. Em casos especiais, metais com baixa ductilidade podem ser soldados com um pré aquecimento do componente a uma temperatura em que se tenha uma resistência ao impacto adequada, o que requer cuidados especiais de segurança. Este processo tem sido utilizado industrialmente para revestimentos. Fabricação de chapas bimetálicas e união de metais metalurgicamente

9 incompatíveis. O revestimento de chapas planas constitui a maior aplicação industrial da soldagem por explosão. O processo pode também ser utilizado para revestir as superfícies internas e externas de cilindros, para fabricação de juntas de tubos com espelhos de trocadores de calor, etc. VANTAGENS E DESVANTAGENS DO PROCESSO Vantagens: É rápido, pois se obtém uma junta entre 10-6 segundos; A camada de intermetálicos gerada é muito pequena; Não é necessária rígida limpeza das superfícies (exceto a carepa em chapas de aço laminadas a quente); Não há necessidade de investimento com equipamentos. Desvantagens: Para aços carbono e baixa liga as superfícies sofrem endurecimento, sendo necessário um alívio de tensões posterior; Há necessidade de um local adequado e distante dos grandes centros para a execução do processo; Em todos os países, os explosivos tem transporte, mercado, uso e armazenamento controlado, o que dificulta a implantação do processo.

10 BIBLIOGRAFIA SOLDAGEM FUNDAMENTOS E TECNOLOGIA Paulo Villani Marques; Paulo José Modenesi e Alexandre Queiroz Bracarense 3ª edição atualizada; Vídeo: Youtube Apostila da Universidade Feral de Minas Gerais, Prof. Alexandre Queiroz Bracarense Grupo Robótica, Soldagem e Simulação.

11 FATEC - FACULDADE DE TECNOLOGIA DE SERTÃOZINHO Curso: Tecnologia em Mecânica: Processos de Soldagem Rua Jordão Borghetti - 480, Bairro São João Sertãozinho - SP PROCESSO DE SOLDAGEM POR EXPLOSÃO Nome dos alunos participantes: Alan Aline Carolina Mariana Nádia Sertãozinho 2013