Descrição da técnica

A união pontual por fricção, do inglês friction spot joining (FSpJ), é uma tecnologia inovadora para produção de juntas híbridas metal-polímero que foi desenvolvida e patenteada pela HZG [8]. A técnica foi desenvolvida baseada na soldagem pontual por fricção (FSpW) utilizada para soldagem de metais e de polímeros termoplásticos [44]. A principal diferença entre as duas técnicas é que

no caso da união pontual por fricção, a profundidade de penetração da ferramenta se limita a espessura da placa metálica superior, evitando desta forma que a estrutura do reforço fibroso do compósito seja danificada [9]. Adicionalmente os mecanismos de união da junta são diferentes. No FSpJ há uma combinação de ancoragem mecânica do metal no compósito e forças adesivas relacionadas a matriz polimérica fundida consolidada na interface metal-composito [11]. Não há difusão atômica ou macromolecular detectável na região da interface, fenômeno esse responsável pela formação das soldas pontuais obtidas por FSpW [44] [45]. A Seção 2.4.2 irá discorrer em detalhes tais mecanismos de união.

O FSpJ faz uso de ferramentas metálicas não-consumíveis (ver Figura 2.17). O maquinário é constituído basicamente por três ferramentas: pino (‘pin’), camisa (‘sleeve’) e anel de fixação (‘clamping ring’). O pino e a camisa possuem movimentos rotacionais e axiais, controlados por atuadores independentes, e são montados coaxialmente com o anel de fixação. O pino e a camisa são responsáveis pela plastificação do metal (altas temperaturas, mas abaixo da temperatura de fusão da liga) e formação de um filme polimérico oriundo da fusão da camada superficial da matriz termoplástica do compósito durante o processamento das juntas. O anel de fixação tem a função de garantir o contato entre as partes que serão unidas durante o processo e evitar a perda de material na forma de rebarba [46].

Figura 2.17: Ferramentas utilizadas no equipamento de FSpJ com as respectivas dimensões. Adaptado de [9].

As partes a serem unidas são sobrepostas e fixadas utilizando um porta- amostra especial no qual a placa metálica fica sobreposta ao polímero / compósito polimérico. O porta-amostra é projetado de forma que as juntas tenham reprodutibilidade dimensional e que problemas de ângulo entre as superfícies sejam evitados. Esse também tem a função de manter um contato íntimo entre as partes sobrepostas dissimilares, para evitar a separação delas durante a etapa de resfriamento, devido às diferenças de coeficientes de expansão térmico dos materiais.

A técnica possui duas variantes, em função do elemento da ferramenta – pino ou camisa - que penetra a chapa metálica superior. O processo FSpJ na variante penetração da camisa se divide em quatro etapas. Na Etapa 1, as placas são inseridas no porta-amostra e fixadas pelo anel de fixação contra um substrato rígido. Nesta etapa o pino e a camisa rotacionam com uma velocidade pré-determinada e deslocam-se em direção à superfície da placa metálica superior (Figura 2.18-A). Durante a Etapa 2, a camisa penetra a placa metálica até uma profundidade pré-determinada e, simultaneamente, o pino é deslocado no sentido oposto a esta (Figura 2.18-B) formando uma cavidade cilíndrica que é preenchida por metal plastificado pelo calor gerado pela fricção da ferramenta. A profundidade de penetração da ferramenta se limita à espessura da chapa metálica como forma de evitar o seu rompimento por deformação plástica, e evitando a ruptura dos reforços fibrosos no caso da união com compósitos poliméricos, os quais comprometeriam o desempenho mecânico das juntas. Na Etapa 3 ocorre o retorno do pino e da camisa até a superfície superior da chapa metálica e o pino empurra de volta o metal plastificado preenchendo a cavidade gerada pela penetração da camisa (Figura 2.18-C). Na Etapa 4, a pressão aplicada contra o anel de fixação é aliviada e as ferramentas são removidas da superfície da chapa metálica (Figura 2.18-D) [9] [47].

Figura 2.18: Ilustração das fases do processo de união pontual por fricção (FSpJ/ penetração da camisa). A) Pino e camisa deslocam-se em direção à superfície da chapa metálica em velocidade pré determinada; B) A camisa penetra a chapa metálica até profundidade determinada e o pino é deslocado em sentido oposto à esta; C) Pino e camisa retornam à superfície da chapa metálica; D) Pressão aplicada contra o anel de fixação é aliviada e as ferramentas são removidas da superfície da junta. Adaptado de [10].

No modo penetração do pino, o pino penetra a placa metálica superior ao mesmo tempo em que a camisa é retraída, criando uma cavidade anular que é repreenchida pelo material empurrado pelo pino no retorno da ferramenta até a chapa superior [46].

Os dois modos possuem vantagens e desvantagens. No modo penetração do pino, as forças nas quais as ferramentas são submetidas são inferiores em relação ao modo penetração da camisa, exigindo menor potência da máquina de soldagem e aumentando a vida útil das ferramentas. No modo penetração da camisa, a área de soldagem é maior resultando em juntas mais resistentes, sendo assim o método mais utilizado [46].

Os principais parâmetros da FSpJ são: velocidade de rotação da ferramenta (VR), profundidade de penetração (PP), tempo (TU) e força de união (FU). Estes parâmetros de processo influenciam diretamente os mecanismos de

união e, consequentemente, a microestrutura e o desempenho mecânico das juntas. Brevemente, a velocidade rotacional e o tempo de união controlam a geração de calor das juntas (aporte térmico) e a quantidade de polímero fundido assim como sua viscosidade. A profundidade de penetração é responsável pelo formato e profundidade da deformação da chapa metálica endentada no polímero, conhecido como cerne (‘nub’) metálico. A força de união garante o contato íntimo entre as chapas e controla o fluxo do polímero fundido na interface metal-polímero. Outros parâmetros que podem influenciar a formação de uma junta FSpJ são a pressão de fixação do porta-amostra, taxa de resfriamento, a geometria e o acabamento superficial das partes a serem unidas, além das propriedades físico-químicas e térmicas dos materiais a serem unidos.

A técnica FSpJ apresenta como vantagens: a ausência de furos que atuam como concentradores de tensão, como no caso de fixação mecânica, preparação superficial simples, tempos curtos de produção das juntas, equipamento disponível comercialmente, a não necessidade de consumíveis e ausência de emissões de voláteis como no caso de adesivos termofixos. Entretanto, há algumas desvantagens associadas ao processo: limitado ao uso de compósitos com matriz termoplástica (uma exceção ocorre quando se faz uso de pré-tratamentos superficiais específicos que venham a ativar a área a ser unida, tais como uso de filme adesivo ou de primers na superfície metálica), dificuldade na união de chapas metálicas muito finas ao compósito, juntas não desmontáveis e indisponibilidade de informações úteis para design de projeto estrutural, por exemplo, estudos sobre desempenho das juntas sob fadiga e fluência e propriedades sob corrosão.