Geometria e material da ferramenta de soldagem

Segundo MISHRA et al. (2005), apesar do pouco entendimento sobre o fluxo plástico desenvolvido no processo FSW, presume-se que a geometria da ferramenta, bem como a rotação e a velocidade de deslocamento da ferramenta na junta influenciam o comportamento do fluxo. Ferramentas para FSW com diferentes geometrias têm sido desenvolvidas buscando a otimização das velocidades de rotação e de deslocamento da ferramenta, bem como a diminuição das forças de soldagem pela formação facilitada do fluxo plástico em diferentes materiais. Além de objetivar maior produtividade pela otimização dos parâmetros de soldagem, o desenvolvimento de ferramentas também busca obter soldas com propriedades mecânicas melhores, proporcionando desta forma, juntas de maior qualidade CARLETTI et al. (2004).

Uma ferramenta para FSW consiste de um pino e de um suporte, os quais podem assumir várias geometrias, conforme mostrado na Figura 8. Além de promover o aquecimento localizado da peça pela fricção entre o pino e o material de base, a ferramenta de soldagem tem a função de misturar o material e deslocá-lo na extensão de toda a junta (KHALED, 2005).

Segundo GUERRA et al. (2003), ferramentas para FSW devem possuir pinos com comprimento pouco menor que a espessura do material de base (em torno de 5 décimos de mm) e diâmetro próximo da espessura do material de base que se deseja soldar. Outra característica importante é o diâmetro do suporte da ferramenta, o qual deve ser três vezes o diâmetro do pino.

Figura 8 – Representação esquemática de ferramentas rotativas com várias configurações de suporte e pino (KHALED, 2005).

SCIALPI et al. (2006) estudaram os efeitos de três ferramentas com suportes de geometrias diferentes e com pinos roscados de geometrias iguais nas propriedades mecânicas e microestruturais de juntas da liga de alumínio 6082-T6. De acordo com as observações de SCIALPI et al. (2006), diferenças na geometria dos suportes das ferramentas provocaram crescimento dos grãos em regiões que experimentaram grandes deformações plásticas. Segundo os autores, isso ocorreu devido aos diferentes aquecimentos gerados pelos suportes. A influência da geometria dos diferentes suportes também foi observada nos perfis de microdureza das regiões que sofreram grandes deformações plásticas. Segundo SCIALPI et al. (2006), os valores da microdureza na zona misturada foram coerentes com o

tamanho de grão e altos valores de dureza são verificados em locais com uma estrutura composta por grãos finos.

FUJII et al. (2006) investigaram a influência da utilização dos pinos de ferramentas de geometria cilíndrica sem pino roscado, cilíndrica com pino roscado, e com pino prismático triangular sobre as propriedades mecânicas e na microestrutura das ligas de alumínio 1050-H24, 6061-T6 e 5083-O. De acordo com os resultados obtidos, FUJII et al. (2006) concluíram que ferramentas cilíndricas sem pino roscado produzem soldas com propriedades mecânicas melhores em ligas com resistência mecânica baixa como a liga 1050-H24, pois produzem menor quantidade de defeitos (caracterizados por vazios internos) do que as demais geometrias de ferramentas. Já para a liga 6061-T6, as diferentes geometrias das ferramentas não afetaram significativamente as propriedades mecânicas e a microestrutura do material na região soldada. Por outro lado, na soldagem FSW da liga 5083-O, ferramentas cilíndricas com e sem pino roscado produzem facilmente vazios nas juntas soldadas quando altas rotações são utilizadas nas soldagens. Apesar disso, FUJII et al. (2006) relataram que em rotações mais baixas, as ferramentas cilíndricas com pino roscado produzem soldas de qualidade.

Segundo ROSATO (2003), ferramentas para FSW devem apresentar grande durabilidade e os materiais para a fabricação destas ferramentas devem ser escolhidos em função do tipo de junta que se deseja unir, dos parâmetros de processo e do tipo de equipamento que será utilizado para a realização das soldas. Em concordância com ROSATO (2003), KHALED (2005) afirma que os materiais utilizados para a fabricação de ferramentas para FSW são selecionados considerando a espessura, temperatura de fusão e dureza do material de base. Em observação posterior, FUJII et al. (2006) afirmaram que a aplicação do processo FSW na soldagem de materiais que apresentam alto ponto de fusão tem sido limitada devido a falta de materiais apropriados para a fabricação de ferramentas. De acordo com ROSATO (2003), materiais apropriados para ferramentas para FSW devem possuir condutividade térmica menor que a do material que se deseja unir, possuir grande estabilidade dimensional, tenacidade à fratura, boa usinabilidade e baixo custo. Segundo CARLETTI et al. (2004), os materiais para ferramentas utilizadas em FSW devem possuir baixa condutividade térmica, para que as perdas de calor pela ferramenta sejam mínimas, boa resistência à abrasão, resistência às

altas temperaturas desenvolvidas pelo processo e não devem ser susceptíveis a reações com o material que se deseja soldar.

KHALED (2005) relata que ferramentas de nitreto de boro cúbico policristalino (PCBN) têm sido utilizadas com sucesso na soldagem de aços inoxidáveis AISI 316L e AISI 310 por apresentarem boa resistência química e física ao desgaste, resistência a elevadas temperaturas desenvolvidas no processo e por dissiparem com eficiência o calor conduzido para a ferramenta durante a soldagem.

Segundo FUJII et al. (2006) ligas de tungstênio, ligas de molibdênio, carboneto de tungstênio (WC) e nitreto de boro cúbico policristalino são materiais que ocasionam limitações na fabricação de ferramentas quando determinadas geometrias são desejadas, pois suas propriedades mecânicas dificultam a obtenção de geometrias complexas de pino, como, por exemplo, em ferramentas com pinos roscados. Apesar disso, alguns estudos têm relatado a utilização de ferramentas fabricadas em ligas de tungstênio e molibdênio (LIENERT et al., 2003) e em ligas de carboneto de tungstênio e cobalto (LIU et al., 2005).

Para ferramentas fabricadas em aço, alguns estudos relatam a utilização de ferramentas de aço carbono (MURR et al., 1997, MURR et al., 1998, LI et al.,1999, SQUILLACE et al., 2004, DEQING et al., 2004 e ELANGOVAN et al., 2007), de aço AISI H13 (ZENG et al., 2006), e aço rápido (CHEN et al., 2006) na soldagem FSW. De acordo com ROSATO (2003), ferramentas de aço H13 têm sido utilizadas com sucesso na soldagem FSW de ligas de alumínio pelo fato de atenderem aos requisitos de baixo custo, boa condutividade térmica e resistência à fratura, além de apresentarem dureza superior a 45 HRC quando submetidas a tratamentos témicos de têmpera e revenimento. Por outro lado, segundo FUJII et al. (2006), as ferramentas para FSW fabricadas em aço podem ser fragilizadas durante a soldagem de ligas de alumínio da série 7000 devido a estas ligas possuírem zinco como elemento de liga. ROSATO (2003) explica que essa fragilização da ferramenta na soldagem de ligas de alumínio contendo zinco em sua composição química, ocorre devido à migração do zinco para os contornos de grão do material da ferramenta quando temperaturas elevadas são alcançadas. Apesar disso, ROSATO (2003) comenta ainda que este inconveniente pode ser eliminado utilizando-se materiais alternativos para a fabricação de ferramentas, como ligas de titânio e

Inconel ou aplicando-se revestimentos como zircônia ou nitreto de silício em ferramentas de aço.