Soldagem pontual por fricçÃO (FSpW) de poliamida 6 e laminado de poliamida-66 com fibra de carbono



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SOLDAGEM PONTUAL POR FRICÇÃO (FSpW) DE POLIAMIDA 6 E LAMINADO DE POLIAMIDA-66 COM FIBRA DE CARBONO

J. Gonçalves1, S. T. Amancio-Filho2, 3*, J. F. dos Santos2, L. B. Canto4


1 Universidade Federal de São Carlos (UFSCar), Programa de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais (PPG-CEM), Rodovia Washington Luis km 235, 13565-905, São Carlos-SP, Brasil

2 Helmholtz-Zentrum Geesthacht (HZG), Institute of Materials Research, Materials Mechanics, Solid State Joining Processes, Max-Planck-Straße. 1, D-21502 Geesthacht, Germany

3 Helmholtz-Zentrum Geesthacht (HZG), Institute of Materials Research, Materials Mechanics, Advanced Polymer-Metal Hybrid Structures, Max-Planck-Staße. 1, D-21502 Geesthacht, Germany

4 Universidade Federal de São Carlos (UFSCar), Departamento de Engenharia de Materiais (DEMa), Rodovia Washington Luis km 235, 13565-905, São Carlos-SP, Brasil

RESUMO
A Soldagem Pontual por Fricção tem sido empregada com sucesso na união de ligas metálicas e devido à seu bom desempenho esta sendo utilizada para termoplásticos. A técnica utiliza a fricção entre uma ferramenta rotacional e a amostra gerando a energia necessária para ocorrer mistura e interdifusão das cadeias poliméricas resultando na consolidação da solda. Nesse trabalho avaliou-se a viabilidade da técnica na soldagem de poliamida 6 e laminado de poliamida 66 com fibra de carbono por meio de ensaios de resistência ao cisalhamento, da micrografia da região de solda, do acabamento superficial e da avaliação de seu histórico térmico. Resultados preliminares demonstraram a viabilidade da técnica sobre esses materiais. Temperaturas de processo de 272°C forneceram a quantidade adequada de polímero fundido para a interdifusão de cadeias resultando em soldas com uma grande área soldada entre as amostras e ausência de vazios, oque resultou numa resistência ao cisalhamento de 22 MPa.
Palavras-Chave: FSpW, Soldagem, Fricção, Poliamida, Compósito, Fibra de carbono.
INTRODUÇÃO
A Soldagem Pontual por Fricção (“Friction Spot Welding” - FSpW) foi desenvolvida e patenteada pelo centro de pesquisa alemão Helmholtz Zentrum Geesthacht (HZG) (1). A técnica tem sido empregada com sucesso na união de ligas metálicas(2). Essa técnica apresenta como vantagens ciclos rápidos e baixos custos operacionais e resulta em soldas com desempenho mecânico adequado para aplicações na indústria automobilística e aeronáutica. O desenvolvimento dessa técnica para a soldagem de materiais poliméricos e compósitos possibilitaria o aumento da utilização de polímeros na indústria automobilística, ajudando-a a alcançar a meta de redução de emissão de carbono (3).

A FSpW utiliza a fricção entre uma ferramenta rotacional e as amostras para gerar a quantidade necessária de calor para fundir e possibilitar a interdifusão das cadeias poliméricas até que a solda se consolide. A ferramenta do processo é composta por três componentes sendo o pino e camisa responsáveis pela fricção e o anel de fixação responsável por manter as amostras sob pressão (Fig.1).

Foi utilizado nesse estudo o modo camisa penetrante “sleeve-plunge” (4), e suas principais etapas estão representadas na Fig.1. Na primeira, a ferramenta toca a chapa polimérica superior que e é mantida sob determinada pressão durante o processo, enquanto o pino e a camisa rotacionam a uma mesma velocidade angular. Na segunda etapa, a camisa penetra as chapas poliméricas até um limite pré-determinado e a fricção entre a camisa e os materiais gera aquecimento suficiente para amolecer o polímero na região da solda (5) (Fig. 1b). Ao mesmo tempo em que a camisa penetra as chapas poliméricas o pino retrai criando um espaço que é preenchido pelo polímero amolecido. Na terceira etapa a camisa e o pino retornam para sua posição original e o polímero amolecido é realocado no espaço deixado pela ferramenta. No final do ciclo de soldagem a ferramenta é mantida em contato com a chapa superior e a junta é resfriada sobre pressão evitando contração diferencial durante sua consolidação. Esse último parâmetro é chamado de tempo de consolidação. Outros parâmetros podem ser variados como a velocidade de rotação, a profundidade de penetração, a pressão entre a ferramenta e as amostras assim como o tempo de fricção.

A variação desses parâmetros determinará o aporte térmico concedido à junta. Quanto maior o aporte térmico maior a área soldada, porém, deve-se evitar que a temperatura da solda exceda a temperatura de degradação do polímero (6). Quanto menor o aporte térmico menor o entalhe da ferramenta, que deprecia o acabamento superficial, porém, deve-se alcançar uma temperatura mínima que proporcione difusão das cadeias no polímero fundido (Fig. 1-b), para que a solda seja viável.





Figura 1. Ilustração do processo FSpW no modo camisa penetrante aplicado à união de duas chapas poliméricas sobrepostas: a) Ferramenta e etapas do processo. b) Mistura e interdifusão dos polímeros.
Nesse trabalho foi avaliada a viabilidade da técnica de FSpW na soldagem de poliamida 6 (PA6) e laminado compósito de poliamida 66 com fibra de carbono (PA66-CF). A soldabilidade dos materiais foi analisada pela análise microestrutural da região de solda, acabamento superficial, análise do histórico térmico do processo e resistência mecânica ao cisalhamento de uniões sobrepostas.
MATERIAIS E MÉTODOS
Utilizou-se uma chapa extrudada de poliamida 6 (PA6 Erlaton 6 SA) com 4 mm de espessura produzida pela empresa Arthur Kruger (7) e um laminado compósito de poliamida 66 com fibras de carbono (PA66-CF) com 2 mm de espessura (TEPEX Dynalite 201 ,BOND Laminates) com estrutura (0,90)9 e com 49% em volume de fibras tecidas de carbono (8).

As amostras a serem soldadas foram cortadas a partir da chapa de PA6 e do laminado PA66-CF nas dimensões de 25,4 mm de largura e 100 mm de comprimento, baseadas na norma ASTM D3163-01 (9).

Foram produzidas soldas por FSpW na configuração Camisa-Penetrante utilizado um equipamento em escala de laboratório (RPS 100, Harms & Wende) no centro de pesquisa Helmholtz Zentrum Geesthacht (HZG), na Alemanha. As amostras foram sobrepostas com a chapa de PA6 sobre o laminado de PA66-CF. As juntas foram soldadas utilizando-se os seguintes parâmetros de processo, otimizados num estudo prévio: velocidade de rotação de 1250 rpm, tempo de fricção de 8 s, força de fixação de 8,5 kN, tempo de consolidação de 20 s e profundidade de penetração de 3,8 mm.

A microestrutura de secções transversais extraídas do centro das soldas foi analisada em um microscópio Leica Q550IW, acoplado a um computador com software QWIN de visualização fotográfica. Para a preparação das amostras realizou-se um corte seccional na região soldada e em seguida, as amostras foram embutidas em resina epoxi de cura a frio (Buehler Epoxicure). As etapas de lixamento e polimento foram executados em uma politriz automática Buehler Phoenix 4000 para posterior visualização no microscópio.

A medida de temperatura dos materiais durante a soldagem foi realizada utilizando uma câmera de infravermelho (ImageIR 8300, Infratec GmbH) calibrada na faixa de temperatura entre 20-300°C. A temperatura analisada nesse trabalho corresponde à máxima temperatura na superfície da região soldada, coletada a partir do momento em que a ferramenta se afasta da amostra, desconsiderando o tempo de consolidação.

A resistência mecânica das juntas soldadas foi avaliada por ensaio de cisalhamento sob tração de juntas sobrepostas realizado em uma máquina universal de ensaios, de acordo com a norma ASTM D3163-01, com velocidade de travessa de 1,7 mm/min em temperatura ambiente. Uma área nominal circular de 63,6 mm², calculada a partir do diâmetro externo da camisa, foi considerada para os cálculos tensão de cisalhamento das juntas sobrepostas.


RESULTADOS E DISCUSSÃO
A macrografia da secção transversal de uma solda de PA6/PA66-CF produzida com os parâmetros pré-otimizados de soldagem (10) através da técnica FSpW é apresentada na Fig. 2. A zona termicamente afetada e a zona de mistura (11) são apresentadas esquematicamente em sobreposição nessa figura. É possível observar que a região próxima ao caminho percorrido pela camisa possui uma coloração mais escura. Isso se deve ao fato de que a profundidade penetrada pela camisa foi suficiente para atingir a placa do laminado compósito de tal forma que as fibras de carbono que estavam configuradas em uma estrutura de camadas laminares foram desfeitas e reconfiguradas na direção de rotação da ferramenta e se alocaram na zona de mistura.

A Fig.2-b demonstra um bom acabamento superficial que foi resultado da utilização do parâmetro de tempo de consolidação sobre pressão, implementado nesse estudo. Esse parâmetro permite que a região de solda se resfrie a um tempo suficiente para que as cadeias poliméricas se organizem no espaço soldado sem que ocorra contração ou empenamento.





Figura 2. a) Microestrutura típica da secção transversal da solda PA6 / PA66-CF destacando as zonas típicas de soldagem b) Acabamento superficial.
A temperatura máxima da superfície da região de solda das juntas PA6 / PA66-CF produzidas por FSpW pode ser observada na Fig.3-a, sendo que área utilizada para o monitoramento da temperatura é mostrada na Fig.3-b. A fricção entre a ferramenta e a amostra produziu aquecimento suficiente para que a temperatura máxima na região da solda (272ºC) ultrapassasse a temperatura de fusão cristalina da poliamida 6 (Tm = 220ºC) (7) e da poliamida 66 (Tm = 260ºC) (8). A temperatura interna da região de solda, cujo monitoramento experimental não é possível devido à dinâmica do processo, foi demonstrada ser maior que a obtida na medida por infravermelho (10), garantindo assim a plastificação do polímero durante a soldagem. Devido à baixa condutividade térmica dos polímeros o aquecimento gerado é localizado formando um gradiente de temperatura na zona termicamente afetada (Fig.2) de forma que quanto mais afastado da interface ferramenta/amostra, onde ocorre a fricção, o material estará a menores temperaturas como demonstrado em outros estudos envolvendo a união pontual de juntas híbridas compósito-metal(12).


Figura 3. a) Histórico Térmico na região soldada das juntas PA6/PA66-CF produzidas por FSpW. b) Área utilizada para o monitoramento da temperatura.
Essa condição de soldagem resultou numa solda com boa área soldada na interface de contato entre as amostras, com ausência de vazios e com resistência ao cisalhamento de (22  1,4) MPa, como demonstrado na Figura 4A. As soldas falharam por cisalhamento através da solda (Figura 4B), com trinca nucleando na interface das placas no inicio da área soldada e propagando para o centro da solda. Esse nível de resistência ao cisalhamento é comparável a outras juntas pontuais em termoplásticos(13) o que demonstra o potencial dessa técnica para juntas pontuais em PA6/PA66-CF soldadas por FSpW. Estudos de otimização de processo com auxilio de ferramentas estatísticas estão sendo realizados, com a função de melhorar o desempenho mecânico dessa junta.


Figura 4. a) Ensaio Mecânico de cisalhamento sob tração para as réplicas testadas. b) Foto de fratura mostrando a interface polímero/ compósito.
CONCLUSÕES
A viabilidade da técnica de soldagem pontual por fricção (FSpW) foi demonstrada na solda PA6 com PA66-CF. O histórico térmico mostrou que as temperaturas de fusão das poliamidas são ultrapassadas durante a soldagem (temperatura máxima de 272ºC) o que permite uma boa mistura e interdifusão das cadeias poliméricas. A análise microestrutural demonstrou uma solda com bom acabamento superficial e zona de soldagem com área soldada entre as amostras sem vazios conferindo à solda boa resistência média ao cisalhamento de 22 MPa.
AGRADECIMENTOS
Os autores gostariam de agradecer a Helmholtz Association na Alemanha (programa “Helmholtz Young Investigator Groups”) pelo suporte financeiro e à Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível superior (CAPES) pela bolsa de mestrado do Joel Gonçalves.
REFERÊNCIAS
1. SCHILLING C., SANTOS J.F., Method and Device for Linking at Least Two Adjoining Work Pieces by Frictional Welding. International Patent WO/2001/036144, Alemanha, Maio, 2005.

2. AMANCIO S.T; CAMILO A.P.C; BERGMANN l.; SANTOS J.F; KURY S.E; MACHADO N.G.A, Preliminary Investigation of the Microstructure and Mechanical Behaviour of 2024 Aluminium Alloy Friction Spot Welds. Materials Transactions, Vol. 52, No. 5, p.985-991, Japão, Setembro, 2010

3. GIANNOULI. G; KALOGNOMOU E.A; MELLIOUS G; MOUSSIPOULOS N; SAMARAS Z; FIALA J.., Impact of European emission control strategies on urban and local air quality. Atmospheric environment, Atmos. Environ; V.45: p.4753-4762, 2011.

4. SILVA, A.A.M.; TIER, M.A.D.; ROSENDO T., RAMOS, F.D.; MAZZAFERRO, C.C.P.; MAZZAFERRO, J.A.E.; STROHAECKER; T.R., SANTOS, J.F., Performance Evaluation of 2-mm thick alclad AA2024 T3 Aluminium Alloy Friction Spot Welding. Buletin de Informare Documentara (I.S.I.M), V.3, p.36-44, 2007.

5. SETH R.S. Effects of friction stir welding on polymer microstructure. Tese de doutorado defendida em 13-20-2004, Brigham Young University. Dept. of Mechanical Engineering, 2004.

6. OLIVEIRA P.H.G; AMANCIO-FILHO S.T; DOS SANTOS J.F; HAGE JR. Preliminary study on the feasibility of friction spot welding in PMMA. Materials Letter, 2010; 64: 2098-2101

7. PA6 Erlaton 6, Folha de dados de propriedades técnicas da empresa Arthur Krüger, Alemanha, 2011.

8. TEPEX Dynalite 201, Folha de dados de propriedades técnicas da empresa BOND Laminates, Alemanha, 2011.

9. ASTM D3163 - 01(2008) Standard Test Method for Determining Strength of Adhesively Bonded Rigid Plastic Lap-Shear Joints in Shear by Tension Loading, 2008.

10. GONÇALVES J., Friction Spot welding of polyamide 6 and its composites with carbon fibers, Relatório interno feito na empresa Helmholtz-Zentrum Geesthacht, março, 2012.

11. GONÇALVES J.; AMANCIO S.A; SANTOS J.F; CANTO L.B, Aperfeiçoamento da técnica de soldagem pontual por fricção (FSpW) para união de poliamida 6 e laminado de poliamida 66 com fibra de carbono através da otimização de parâmetros de processo e do tamanho da ferramenta. 38º CONSOLDA, outubro, 2012.

12. AMANCIO S.A; BUENO C; SANTOS J.F; HUBER N.; HAJE Jr. E., On the feasibility of friction spot joining in magnesium/fiber reinforced polymer composite hybrid structures



13. OLIVEIRA P.H.F, Estudo das propriedades e desempenho mecânico de juntas soldadas por fricção pontual de poli (metacrilato de metila) (PMMA). Dissertação de mestrado defendida em 05-10-12, UFSCar, outubro, 2012.


FRICTION SPOT WELDING (FSpW) OF POLYAMIDE 6 AND CARBON FIBER REINFORCED POLYAMIDE 66 LAMINATES
ABSTRACT
The friction spot welding is a relatively new technique that has been successfully employed in metallic joints. Due to its good performance, it has been recently investigated to weld thermoplastics. The technique uses friction between a rotational tool and the samples to generate the necessary heat energy to melt the polymeric matrix and induce the mixture and interdiffusion of the polymer chains resulting in a consolidate weld. This study evaluates the feasibility of the technique for welding polyamide 6 and carbon fiber reinforced PA 66 laminates. Microstructural characterization, temperature analysis and mechanical testing (lap shear) were performed. Preliminary results demonstrated the feasibility of the technique on these materials. Average process temperatures of 272 oC were responsible to adequate amount of polymer melting and chain interdiffusion resulting in joints with good surface finishing, large welded area between the samples without voids, which lead to ultimate lap shear strength of 22 MPa.
Key-words: FSpW, Friction, Weld, Polyamide, Composites, Carbon fibers.

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