Como funciona a deposição de fio por feixe de elétrons para ligas de alumínio?

A deposição por feixe de elétrons é utilizada como processo de impressão 3D de ligas de alumínio. As ligas de alumínio combinam baixo peso e alta resistência com boa ductilidade, condutividade elétrica e térmica e resistência à corrosão. Essas propriedades físicas, químicas e mecânicas possibilitam aplicações nos setores aeroespacial, automotivo, de transporte ferroviário, de armamento, de tanques de armazenamento, de eletrodomésticos, de construção civil e de materiais de construção. Desde a década de 1960, as ligas de alumínio têm sido amplamente utilizadas na produção em grande escala de veículos ferroviários e automotivos.

As ligas de alumínio podem ser classificadas de várias maneiras. De acordo com o método básico de processamento, são ligas fundidas ou forjadas. De acordo com a finalidade de uso, incluem o alumínio puro, o alumínio resistente à corrosão, o duralumínio, o superduralumínio e o alumínio para fins especiais. De acordo com a resposta ao tratamento térmico, são ligas tratáveis termicamente ou não tratáveis termicamente. De acordo com os principais elementos de liga, elas são divididas em oito séries. Uma referência separada aborda as oito séries de ligas de alumínio.

Propriedades do material e soldabilidade

Como a deposição por feixe de elétrons adiciona material na forma de fio, o comportamento desse processo se assemelha ao da soldagem, especialmente à soldagem com fio de adição. A soldabilidade deve, portanto, ser avaliada antes da deposição. As ligas de alumínio são, em geral, soldáveis, mas várias características podem comprometer a soldagem e a deposição por fio.

Oxidação intensa

O alumínio reage facilmente com o oxigênio do ar e durante a soldagem, formando uma camada de Al₂O₃ filme. A alumina possui um alto ponto de fusão, é química e fisicamente estável, é difícil de remover e absorve fortemente a umidade. O filme superficial torna o metal-base mais difícil de fundir e pode causar inclusões de escória, falta de fusão e penetração incompleta. A umidade absorvida pode penetrar na solda e causar porosidade.

Antes da soldagem, a superfície deve ser cuidadosamente limpa por meio de esmerilhamento mecânico ou métodos químicos para remover o Al₂O₃. A zona de soldagem também requer proteção eficaz. A soldagem TIG geralmente utiliza corrente alternada para que a limpeza catódica remova a película de óxido.

Comportamento termofísico

As ligas de alumínio apresentam maior condutividade térmica e maior capacidade térmica específica do que o aço. O calor é conduzido rapidamente para o substrato e afastado da zona de soldagem, pelo que pode ser necessário realizar um pré-aquecimento. Seu alto coeficiente de expansão linear também favorece a formação de trincas a quente e a distorção. A composição do fio pode ser ajustada para suprimir a formação de trincas a quente, enquanto o pré-aquecimento pode ajudar a controlar a distorção.

Porosidade

O alumínio líquido pode dissolver muito mais hidrogênio do que o alumínio sólido; a solubilidade do hidrogênio difere em um fator de 17,5 entre os estados líquido e sólido. O baixo ponto de fusão e a alta condutividade térmica do alumínio fazem com que a poça de fusão se solidifique rapidamente, não deixando tempo suficiente para que o hidrogênio escape e favorecendo a formação de poros de hidrogênio. O Al₂O₃ A película se reforma quase instantaneamente após a limpeza, e a umidade adsorvida se torna uma importante fonte de hidrogênio. As fontes de hidrogênio devem, portanto, ser rigorosamente controladas.

Formação do cordão de solda

A formação de gotículas é difícil por dois motivos. O alumínio não apresenta nenhuma mudança de cor evidente antes de derreter, o que dificulta a avaliação das condições de moldagem, e sua baixa resistência a altas temperaturas oferece pouco suporte ao metal fundido, aumentando o risco de perfuração.

Alterações nas propriedades das juntas

1. A evaporação e a perda por combustão de Mn, Mg e Zn em temperaturas de soldagem reduzem a quantidade desses elementos disponíveis para formar fases de reforço e diminuem as propriedades mecânicas da solda.
2. A recristalização na zona afetada pelo calor reduz a resistência das ligas endurecidas por deformação ou envelhecidas por solução.
3. O alumínio possui uma rede cúbica de faces centradas e não apresenta alótropos; portanto, o ciclo térmico não produz nenhuma transformação de fase que possa refinar os grãos; assim, os grãos de solda permanecem relativamente grossos.

A soldagem por feixe de elétrons é realizada no vácuo, eliminando o contato entre o alumínio e o ar durante a soldagem. É necessária uma limpeza minuciosa antes da soldagem para remover o Al₂O₃ continua sendo essencial, e a limpeza do fio de alumínio antes da deposição é particularmente importante. A escolha da composição do fio também pode prevenir rachaduras a quente e defeitos relacionados. O fio de soldagem da liga 2219 é amplamente utilizado para a deposição por feixe de elétrons.