Como controlar a distorção na soldagem de alumínio de grande espessura

Os setores aeroespacial, de construção naval, de transporte ferroviário, de veículos especiais e de equipamentos de grande porte exigem, cada vez mais, estruturas leves com alta resistência, longa vida útil e resistência à corrosão. As ligas de alumínio são importantes materiais estruturais, pois combinam alta resistência, baixo peso, boa ductilidade e boa resistência à corrosão.

As pesquisas nos Estados Unidos sobre alumínio de alta resistência tiveram início na década de 1940. Em 1956, foi produzida uma chapa experimental de liga 5083 Al-Mg-Mn endurecida por deformação. Como seu desempenho combinado era limitado em algumas aplicações de alta resistência, a liga 7039 de Al-Zn-Mg, passível de tratamento térmico, surgiu no início da década de 1960. Sua forte suscetibilidade à corrosão sob tensão, no entanto, tornava inadequada a exposição prolongada à água do mar ou à névoa salina. Durante a década de 1980, os Estados Unidos, a antiga União Soviética e outros países desenvolveram uma nova geração de ligas de alta resistência. A liga 2519-T87 Al-Cu, desenvolvida nos EUA, oferece alta resistência, propriedades mecânicas equilibradas, resistência à corrosão sob tensão e soldabilidade.

As ligas de alta resistência de nova geração, particularmente as ligas Al-Cu 2xxx, proporcionam maior resistência estrutural e melhor resistência à corrosão sob tensão para grandes estruturas em ambientes exigentes. A soldagem ainda causa amolecimento da junta e um baixo coeficiente de resistência da junta. Além disso, grandes estruturas de precisão exigem que a distorção da solda seja mantida abaixo de um terço daquela produzida pela soldagem convencional.

Desafios relacionados a produtos e processos

As principais dificuldades são o forte amolecimento das juntas e um baixo coeficiente de resistência; uma camada superficial refratária de Al₂O₃ com ponto de fusão de 2.060 °C; o alto consumo de energia exigido por materiais espessos e de alta resistência; a suscetibilidade a trincas a quente e poros; e a distorção causada pela alta condutividade térmica e por um grande coeficiente de expansão linear. A distorção torna-se especialmente difícil de controlar em espessuras superiores a 20 mm; portanto, as medidas devem ser tecnicamente sólidas e práticas para a produção em chão de fábrica.

Medidas de controle de distorção

1. Selecione o processo de soldagem

A chapa grossa de alumínio conduz o calor rapidamente e favorece um processo com alta densidade de potência. Testes com soldagem MIG de fio único e duplo, soldagem por feixe de elétrons, soldagem por fricção e agitação e soldagem híbrida a laser-MIG identificaram a soldagem de fio duplo como o processo de produção.

A soldagem MIG com fio único utilizou pulsos compostos de baixa frequência. A vibração da poça intensificou a agitação, promoveu a nucleação heterogênea durante a solidificação, refinou a estrutura da solda e melhorou a resistência e a ductilidade por meio da agitação eletromagnética. A junta atingiu ou superou a meta de resistência à tração. Os testes estabeleceram uma combinação favorável entre velocidade de avanço, corrente e pulso de modulação de baixa frequência.

A soldagem com fio duplo em alta velocidade produziu uma junta de alta resistência. A comparação entre a soldagem MIG com fio duplo de duas passadas em alta corrente e de quatro passadas em baixa corrente levou à definição de parâmetros de múltiplas passadas em alta corrente, combinando as vantagens de ambas. A resistência à tração da junta foi de 296 MPa, ou 62% do metal-base, e a tenacidade ao impacto foi de 13 J/cm², ou 42% do metal-base.

Foram comparadas três abordagens: soldagem convencional com ranhura em Y, soldagem com ranhura em X e soldagem por vibração com ranhura em X. A ranhura em X reduziu a distorção a um quinto do resultado obtido na soldagem convencional, enquanto a soldagem por vibração a reduziu ainda mais.

2. Calcular e otimizar a sequência de soldagem

Para uma estrutura grande com muitas juntas, numere cada solda e defina uma sequência inicial com base nas características estruturais. Uma estrutura com 16 soldas principais, por exemplo, utilizava inicialmente 1, 3, 4, 2, 5, 6, 7, …, 16. A análise de elementos finitos permite comparar sequências candidatas e identificar aquela com menor distorção e uma distribuição de tensões mais favorável.

Primeiro, analise a sequência de passadas dentro de uma costura de múltiplas passadas, pois ela altera tanto a magnitude quanto a distribuição da tensão residual. Estabelecer uma sequência de passadas de baixa tensão antes da soldagem na oficina ajuda a limitar a tensão residual final.

Em seguida, otimize a ordem geral das costuras. A alteração da sequência de abertura de 1, 3, 4, 2 para 1, 3, 2, 4 alterou substancialmente a distribuição de tensão. A segunda sequência reduziu a área com tensão superior a 300 MPa, o que pode melhorar a resistência à fissuração por corrosão sob tensão.

3. Utilizar o alívio vibratório de tensões para estabilizar as tensões e as dimensões

A tensão dinâmica é um parâmetro fundamental no alívio de tensões por vibração. O excitador aplica uma tensão dinâmica correspondente a uma carga cíclica alternada. Quando essa tensão se combina com a tensão residual original e provoca deformação plástica local ou global, a tensão residual pode se relaxar, tornar-se mais uniforme e diminuir, enquanto a matriz metálica se torna mais resistente à deformação.

Os critérios gerais são σ_dinâmico + σ_residual ≥ σ_s, onde σ_s é a tensão de escoamento necessária para que a deformação plástica se propague e produza uma deformação macroscópica; σ_dinâmico/σ_residual = 0,1–0,3; e a amplitude da tensão dinâmica deve atingir entre um terço e dois terços da tensão de serviço do componente. Dentro de uma faixa adequada, uma tensão dinâmica maior libera mais deformação e alivia a tensão de forma mais eficaz. Uma tensão dinâmica excessiva pode danificar a peça ou reduzir a vida útil à fadiga.

Os testes utilizaram uma unidade vibratória de alívio de tensão WZ-86A, fabricada pela Hailun Vibratory Stress Relief Equipment Co., Ltd. O processo manteve a tensão residual da solda dentro de 0,3σ_s.

Os testes estabeleceram e implementaram os parâmetros específicos para cada produto relativos ao alívio de tensões por vibração.

Resultado do controle

Um processo de soldagem compatível com a produção, ensaios comparativos de formas de ranhuras, parâmetros e sequências, além do alívio vibratório de tensões, reduziram as tensões residuais e a distorção sem comprometer o desempenho mecânico ou a resistência à corrosão. O processo otimizado manteve a distorção em um terço do valor observado na soldagem convencional, atendendo aos requisitos de projeto e fabricação para grandes estruturas de alta resistência.

Além dos setores aeroespacial, naval, ferroviário e de maquinário de grande porte, o método pode ser aplicado a determinados veículos especiais, estruturas de proteção leves e outros componentes de alumínio de alta resistência.