SOLDAGEM POR TERMOFUSÃO APLICADO EM TUBOS FABRICADOS DE POLIAMIDA 12

SOLDAGEM POR TERMOFUSÃO APLICADO EM TUBOS 

FABRICADOS DE POLIAMIDA 12

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 iniciou­se 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. 

A poliamida utilizada para os testes foi inicialmente confeccionada segundo a        Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT) NBR ISO 16486 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 (19­4 K­1)  1,44  Condutividade Térmica W/m.K  0,22  Resistividade superficial (ohm)  10_​14  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 torna­se        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. 

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       _​(N­H­C=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 12.  3.Procedimento Experimental  3.1Soldagem das amostras 

Foram confeccionados 6 conjuntos com 6 réplicas de cada em diferentes condições        especificados na tabela 3.1.1.  Conjunto  Temperatura da placa  de aquecimento [°C]  Tempo de  Resfriamento com  pressão [min]  Tipo de Resfriamento  1  220  11  Temperatura Ambiente  – Ao ar  2  240  3  220  _{5  Em água} 

4  240  5  220  11  6  240  Tabela 3.1.1: ​Conjunto de parâmetros  Para fazer as soldas utilizou­se 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 3.1.1.  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 3.1.2. Após os  tubos entrarem em contato soma­se a pressão de pré­aquecimento no valor de 8 bar e  regula­se o alinhamento entre eles.  Pressão de Arraste [Bar]      Réplica  Conjunto  1  2  3  4  5  6 

1  5  4  6  5  6  6  2  4  4  4  4  4  5  3  5  4  5  6  6  4  4  5  5  7  7  6  5  5  5  4  5  6  6  4  6  5  5  7  7  6  5  Tabela 3.1.2: ​ Pressão de Arraste 

Retira­se a pressão total para afastar os tubos, posicionar a faceadora entre eles e        aciona­se a pressão total iniciando assim o faceamento da superfície até se encontre lisa, isto        é, própria para a soldagem. 

Iguala­se a pressão a 0 bar para o afastamento dos tubos e posterior inserção da chapa        de aquecimento, ativa­se 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, retira­se a pressão, afasta­se os tubos e retira­se a placa de        aquecimento. Retirada a placa de aquecimento em 7 segundos deve­se elevar a pressão para o        contato dos tubos por 98 segundos mais o tempo de resfriamento com pressão. Zera­se 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 3.2.1. 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       

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 3.3.1. 

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 3.3.2.        Sendo fixados com auxílio de garras para minimizar o escorregamento devido à curvatura do        material analisado. 

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. Destaca­se no gráfico a superioridade de resistência do conjunto 2, com maior        temperatura de soldagem, tempo de resfriamento com pressão e resfriamento em temperatura        ambiente. 

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.  4.1.1Influência da temperatura 

Sendo os conjuntos ímpares realizados na temperatura de 220ºC e os pares à 240ºC. A        partir dos gráficos da figura 4.1.1.1 pode­se 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. 

  Figura 4.1.1.1: ​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.  

4.1.2Influência do tipo de Resfriamento 

A partir da figura 4.1.2.1 pode­se 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. 

Essa diferença é dada pela ação plastificante da água no material, que provoca uma  separação entre as macromoléculas do polímero, promovendo a flexibilidade [6].  

4.1.3Influência do tempo de resfriamento com pressão 

O tempo de resfriamento com pressão se mostrou o principal fator influenciador da        rigidez da junta. Como verifica­se na figura 4.1.3.1, a rigidez é maior nos conjuntos com        menor tempo de resfriamento com pressão.    Figura 4.1.3.1: ​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 4.2.1 e  4.2.24. 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.     

Corpos­de­prova 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  42,83  9,75  (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.  Corpos­de­prova 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.  4.2.1Influência 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 4.2.1.1 que a presença da rebarba não altera  significativamente o limite de resistência das juntas soldadas.   

Figura 4.2.1.1:​ Limite de resistência médio entre os corpos­de­prova com e sem rebarba de todas as condições estudadas. 

4.2.2.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.  

Sendo os conjuntos ímpares realizados na temperatura de 220ºC e os pares à 240ºC. A        partir dos gráficos da figura 4.2.2.1 pode­se constatar que a variação devido a alteração de        temperatura da chapa é pouco significativa. 

Figura 4.2.2.1: ​Influência da temperatura das amostras com rebarba 

4.2.3.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 4.2.3.1 pode­se        constatar que as soldas feitas em resfriamento à temperatura ambiente são levemente mais        resistentes. 

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 pode­se constatar que as        soldas feitas em resfriamento com pressão por 5 min são levemente mais resistentes.    Figura 4.2.3.2: 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.   Verificou­se 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.       

6.Referências 

1­FACTORI, I. M.,     _​Processamento e propriedades de compósitos de poliamida 6.6                reforçadas com partículas de vidro reciclado. _​2009 

Disponível  em: 

<file:///C:/Users/g1312826/Downloads/Dissertacao_Irina_Marinho_Factori.pdf> 

Acesso em:20/03/2016 

2­_​PADILHA, A. F., Materiais de engenharia – Microestrutura e Propriedades.                    Editora HEMUS, 1997. 

3­_​“ABNT NORMATIZA USO DA POLIAMIDA PARA FABRICAÇÃO DE                GASODUTOS ­ SITE ENERGIA HOJE,”  

Disponível em: 

<http://www.ctdut.org.br/blog/noticias/abnt­normatiza­uso­da­poliamida­para­fabricacao­de­ gasodutos­site­energia­hoje.> 

Acesso em: 22/01/2016 

4­_​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, 2014. 

5­D. T. Roda, _​Nylons/Poliamidas (PA) ­ Estrutura química das poliamidas 

 Disponível em:< http://www.tudosobreplasticos.com/materiais/poliamidas.asp.   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. 257­261, 2013.