SOLDAGEM POR TERMOFUSÃO APLICADO EM TUBOS FABRICADOS DE POLIAMIDA 12

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1 SOLDAGEM POR TERMOFUSÃO APLICADO EM TUBOS FABRICADOS DE POLIAMIDA 12 Aluno: Thais Bastos de Castro Orientador: Ivani de S. Bott 1.Introdução A utilização de polímeros na engenharia vem crescendo ao longo dos anos nas áreas de aeronáutica, aeromobilística, eletrônica e eletrotécnica [1]. Este projeto foca no avanço do uso de polímeros nos sistemas de tubulação, especificamente na Poliamida 12 (PA12). Atualmente uma variedade de polímeros como a PA 12 são utilizados nesses sistemas por conta de algumas propriedades desse material como a baixa densidade, menores custos, baixa condutividade, baixa resistência ao calor e alta resistência à corrosão o tornam, em alguns casos, mais vantajosos que os materiais metálicos [2]. Em 2013 iniciou se a substituição das tubulações de aço carbono no transporte em média e baixa pressão (7 bar a 18bar) pela Sulgás no Rio Grande do Sul. Os principais motivos foram a durabilidade nos sistemas com alcance vida útil de 50 anos e a facilidade de manutenção do sistema, devido a maior resistência da PA12 é possível maior espaçamento entre as soldas quando comparada com o aço carbono [3]. O objetivo do estudo é verificar se as soldas de PA12 feitas usualmente na indústria pelo processo de termo fusão ou hot plate welding (soldagem por chapa quente) seguindo a norma alemã DVS 2207 (Deutscher Verband Fur Schweisstechnik e. V. Associação Alemã de Tecnologia e Soldagem) [4] representam a melhor condição para resistência e rigidez da solda. 2.Poliamida

2 A poliamida utilizada para os testes foi inicialmente confeccionada segundo a Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT) NBR ISO e especificações para tubos e conexões usados em sistemas de distribuição de gás, com operação de 18 bar. Os tubos fornecidos foram produzidos com 900 mm de comprimento, 90mm de diâmetro externo, 8,2 mm de espessura e SDR (relação entre o diâmetro do tubo e a espessura da parede) igual a 11. Algumas das características são apresentadas na tabela 2.1 [2]. PA 12 MRS (Tensão circunferencial) [Mpa] 18 Densidade (g/cm 3 ) 1,0 1,04 Viscosidade (ml/g) 180 Temperatura de aplicação máxima ( C) (60 80) C Tensão de Tração no escoamento (Mpa) 40 Alongamento a ruptura (%) > 250 Módulo de Flexão (Mpa) 1300 Temperatura de Fusão ( C) 177 Coeficiente de dilatação Térmica (19 4 K 1) 1,44 Condutividade Térmica W/m.K 0,22 Resistividade superficial (ohm) Teor de umidade no equilíbrio (%) 1,5 Tabela 2.1 :Características da PA 12 VESTAMID NRG 2101, utilizada neste trabalho. Classificado como um termoplástico, isto é, ao ser aquecida a poliamida torna se maleável e retorna sua rigidez quando resfriada. O material tem suas cadeias macromoleculares interagindo por Forças de Van der Waals ou Ligações de Hidrogênio, fazendo com que se quebrem com o calor e se reestabeleçam com o resfriamento, sem afetar as ligações covalentes. Consequentemente, o monômero, molécula fundamental de um polímero, não sofre alterações [4]. Desse modo o material pode ser derretido e moldado, fazendo deste um material reciclável.

3 As poliamidas são resultantes da polimerização por condensação e engloba um dos 3 tipos de monômeros: diaminas e diácidos, lactamas ou de aminoácidos[5 ]. O tamanho da cadeia de carbono entre os grupos funcionais de amida (N H C=O) define as resistências térmicas e mecânicas, isto é quanto maior a distância, menor a resistência, maior a elasticidade e maior absorção de água (devido ao aumento das ligações de hidrogênio). A PA 12 [ (C12H22NO) n] vista na figura 2.1 é formada a partir do petróleo e produzida a partir de laurolactama, possui uma cadeia de 12 carbonos entre os grupos funcionais o que significa que ela seria menos resistente, porém absorve menos água que a PA6 por exemplo. Figura 2.1: Fórmula estrutural completa (a) e condensada linear (b) para a Poliamida Procedimento Experimental 3.1Soldagem das amostras Foram confeccionados 6 conjuntos com 6 réplicas de cada em diferentes condições especificados na tabela Conjunto Temperatura da placa de aquecimento [ C] Tempo de Resfriamento com pressão [min] Tipo de Resfriamento Temperatura Ambiente Ao ar Em água

4 Tabela 3.1.1: Conjunto de parâmetros Para fazer as soldas utilizou se a Máquina de Solda por Termo fusão com controle CNC, na base de fixação dos tubos foram inseridos dois tubos distando aproximadamente 6cm e presos à máquina com auxílio do jogo de casquilhos como demonstrado na figura Figura 3.1.1: Máquina de Solda por Termo fusão com controle CNC com os tubos de poliamida fixados A primeira etapa consiste na regulagem da máquina, onde se aplica a pressão necessária para juntar os tubos (pressão de arraste) indicada para cada conjunto na tabela Após os tubos entrarem em contato soma se a pressão de pré aquecimento no valor de 8 bar e regula se o alinhamento entre eles. Pressão de Arraste [Bar] Réplica Conjunto

5 Tabela 3.1.2: Pressão de Arraste Retira se a pressão total para afastar os tubos, posicionar a faceadora entre eles e aciona se a pressão total iniciando assim o faceamento da superfície até se encontre lisa, isto é, própria para a soldagem. Iguala se a pressão a 0 bar para o afastamento dos tubos e posterior inserção da chapa de aquecimento, ativa se novamente a pressão total que é mantida até a formação do cordão de solda com aproximadamente 1,5 mm de largura. Atingido o tamanho indicado, em uma margem de 6 segundos, retira se a pressão, afasta se os tubos e retira se a placa de aquecimento. Retirada a placa de aquecimento em 7 segundos deve se elevar a pressão para o contato dos tubos por 98 segundos mais o tempo de resfriamento com pressão. Zera se a pressão e os conjuntos 1 e 2 ficam em repouso enquanto os conjuntos 3, 4, 5 e 6 são inseridos num recipiente com água e mantidos submersos por 5 minutos. 3.2Ensaio de Rigidez As soldas produzidas e o tubo original para o ensaio de amassamento foram cortados com 15,0 cm ± 3 de comprimento, com a solda centralizada, de acordo com a norma ASTM D2412. O ensaio foi realizado a temperatura em torno de 23 C e umidade 50% com auxílio da Máquina de Ensaio Universal da MTS com capacidade de 50K apresentado na figura O amassamento foi feito a uma velocidade de 12,5 mm/min até que o material atingisse uma deflexão correspondente a 30% da média do diâmetro interno. A deflexão é obtida pela razão entre a variação do diâmetro interno e o diâmetro inicial e a rigidez é calculada a partir da

6 razão entre a carga aplicada em determinada porcentagem de deflexão e a variação do diâmetro interno. Figura 3.2.1: Máquina de Ensaio Universal 3.3Ensaio de Tração As soldas e o tubo original foram cortados em 25,0 cm ± 3 de comprimento e levados para empresa Imconplast responsável por produzir os corpos de prova com formato e características geométricas tipo III, de acordo com norma ASTM D638, representada esquematicamente na figura

7 Figura 3.3.1: Modelo do corpo de prova Foram confeccionados 10 corpos de prova para cada um dos 6 conjuntos de parâmetros, sendo 5 com rebarba da solda e 5 sem a rebarba, mais 5 do tubo original. O ensaio de tração foi feito com o Sistemas de Ensaio de Bancada com coluna dupla modelo 5966 da Instron. Os corpos de prova foram numerados de acordo com o seu conjunto, sendo as primeiras 5 réplicas com rebarba e as 5 seguintes sem. Os corpos de prova foram posicionados no aparelho de acordo com a figura Sendo fixados com auxílio de garras para minimizar o escorregamento devido à curvatura do material analisado.

8 Figura 3.3.2: Sistemas de Ensaio de Bancada com coluna dupla 4.Resultados e discussão 4.1Ensaio de Rigidez Os resultados do ensaio de Amassamento estão registrados na tabela 4.1 e representados na figura 4.1. Destaca se no gráfico a superioridade de resistência do conjunto 2, com maior temperatura de soldagem, tempo de resfriamento com pressão e resfriamento em temperatura ambiente.

9 Corpo de prova Rigidez Média [Kpa] Desvio Padrão [%] Conj 1 142,45 1,79 (1,26%) Conj 2 164,71 9,04 (5,49%) Conj 3 141,77 4,9 (3,45%) Conj 4 143,78 8,04 (5,59%) Conj 5 137,93 11,29 (8,18%) Conj 6 136,77 4,77 (3,49%) Tabela 4.1: Resultados do ensaio de amassamento Figura 4.1: Curva força versus deslocamento Influência da temperatura Sendo os conjuntos ímpares realizados na temperatura de 220ºC e os pares à 240ºC. A partir dos gráficos da figura pode se constatar que a variação da rigidez devido a alteração de temperatura da chapa é pouco significativa em todas as comparações exceto a comparação entre conj.1 e conj. 2 indicando que a superioridade do conjunto seja proveniente de outro parâmetro ou da mistura de parâmetros.

10 Figura : Influência da temperatura de soldagem na rigidez A ausência de influência da temperatura é resultante de uma variação baixa (20 C) entre as temperaturas de soldagem analisada Influência do tipo de Resfriamento A partir da figura pode se observar novamente a superioridade do conjunto 2 e a superioridade recorrente dos conjuntos resfriados em temperatura ambiente, portanto é admissível que o resfriamento em água afete negativamente a rigidez da solda. Figura : Influência do tipo de resfriamento na rigidez

11 Essa diferença é dada pela ação plastificante da água no material, que provoca uma separação entre as macromoléculas do polímero, promovendo a flexibilidade [6] Influência do tempo de resfriamento com pressão O tempo de resfriamento com pressão se mostrou o principal fator influenciador da rigidez da junta. Como verifica se na figura , a rigidez é maior nos conjuntos com menor tempo de resfriamento com pressão. Figura : Influência do tempo de resfriamento com pressão na rigidez A maior rigidez com o menor tempo significa que o material fundido teve menos tempo para interagir sob pressão, logo ele é mais afetado por possíveis tensões residuais geradas durante o resfriamento da junta [7] que neste caso aumentaram a rigidez da solda. 4.2Ensaio de Tração Os resultados foram comparados entre conjuntos que variavam em apenas um parâmetro: existência de rebarba, temperatura de soldagem, tempo de resfriamento com pressão. As juntas soldadas e o tubo original foram ensaiados até a ruptura. A partir do ensaio foi definido o limite de resistência à tração, conforme os dados mostrados nas tabelas e Neste caso, o limite de escoamento não é avaliado através do ensaio de tração, pois o material de base e o material da região soldada podem apresentar microestruturas diferentes.

12 Corpos de prova com Rebarba Limite de Resistência [MPa] Desvio Padrão Conj 1 37,84 2,56 (6,77%) Conj 2 37,68 0,87 (2,29%) Conj 3 38,64 3,26 (8,43%) Conj 4 37,33 1,11 (2,97%) Conj 5 9,75 42,83 (22,76%) Conj 6 38,97 1,35 (3,46%) Tabela 4.2.1: Limites de resistência dos corpos de prova de Poliamida 12 soldados, com rebarba. Corpos de prova sem Rebarba Limite de Resistência [MPa] Desvio Padrão Conj 1 37,26 5,35 (14,35%) Conj 2 37,20 0,75 (2,02%) Conj 3 36,02 3,90 (10,84%) Conj 4 38,85 0,73 (1,87%) Conj 5 38,66 0,77 (1,98%) Conj 6 40,32 0,77 (1,90%) Tabela 4.2.2: Limites de resistência dos corpos de prova de Poliamida 12 soldados, sem rebarba Influência da Rebarba O limite de resistência foi analisado através da comparação entre as médias dos valores, considerando os mesmos parâmetros de soldagem para as juntas soldadas com e sem rebarba. Pode ser observado nos gráficos da figura que a presença da rebarba não altera significativamente o limite de resistência das juntas soldadas.

13 Figura : Limite de resistência médio entre os corpos de prova com e sem rebarba de todas as condições estudadas Influência da temperatura Visto que as juntas não são influenciáveis pela rebarba, os ensaios com rebarba são suficientes para comparação dos próximos fatores à serem analisados.

14 Sendo os conjuntos ímpares realizados na temperatura de 220ºC e os pares à 240ºC. A partir dos gráficos da figura pode se constatar que a variação devido a alteração de temperatura da chapa é pouco significativa. Figura : Influência da temperatura das amostras com rebarba Influências do tipo de resfriamento Sendo os conjuntos 1 e 2 realizados com resfriamento à temperatura ambiente e os conjuntos 5 e 6 com resfriamento em água. A partir dos gráficos da figura pode se constatar que as soldas feitas em resfriamento à temperatura ambiente são levemente mais resistentes. Figura : Influência do tipo de resfriamento das amostras com rebarba

15 4.2.3Influência do tempo de resfriamento com pressão Sendo os conjuntos 3 e 4 resfriados com pressão em 11 minutos e os conjuntos 5 e 6 resfriados com pressão por 5 min. A partir dos gráficos da figura 11 pode se constatar que as soldas feitas em resfriamento com pressão por 5 min são levemente mais resistentes. Figura : Influência do tempo de resfriamento com pressão das amostras com rebarba 5.Conclusão Conclui se que a rigidez da solda é prejudicada pelo aumento no tempo de resfriamento com pressão e pelo resfriamento em água. Porém a variação de temperatura em 20 C não altera a rigidez do material. Verificou se que o limite de resistência não é influenciado pela presença de rebarba, nem pela temperatura. No entanto, o resfriamento em água e o menor tempo de resfriamento com pressão apresentaram soldas mais resistentes em análises individuais de cada fator. Pode ser identificado como fonte de erro na análise da influência da temperatura a baixa variação de parâmetros aplicados nos testes.

16 6.Referências 1 FACTORI, I. M., Processamento e propriedades de compósitos de poliamida 6.6 reforçadas com partículas de vidro reciclado Disponível <file:///c:/users/g /downloads/dissertacao_irina_marinho_factori.pdf> em: Acesso em:20/03/ PADILHA, A. F., Materiais de engenharia Microestrutura e Propriedades. Editora HEMUS, ABNT NORMATIZA USO DA POLIAMIDA PARA FABRICAÇÃO DE GASODUTOS SITE ENERGIA HOJE, Disponível em: < normatiza uso da poliamida para fabricacao degasodutos site energia hoje.> Acesso em: 22/01/ Danieletto, José Roberto B. Manual de tubulações de Polietileno e Polipropileno: Características, dimensionamento e instalação Incluindo tubos estruturados, tubos PA 12 e dados sobre outros materiais: PEX, PERT, PB, PVDF, PVC. 3ª ed São Paulo: Linha Aberta, D. T. Roda, Nylons/Poliamidas (PA) Estrutura química das poliamidas Disponível em:< Acesso em: 27/03/2016. > 6 U. A. do Nascimento, G. A. V. Timóteo e M. S. Rabello, Efeito de Plastificantes à base de Poliisobutenos nas Propriedades Físicas e Mecânicas do Polipropileno Polímeros Ciência e Tecnologia Scientific and Technical Article., vol. 23, nº 2, pp , M. J. Troughton, Handbook of plastics joining : a practical guide. 2nd ed., Norwich: Plastics desing library, 2008.