BR102016014426B1 - processo de solda por fricção e mistura mecânica para união de tubos bimetálicos - Google Patents

Abstract

PROCESSO DE SOLDA POR FRICÇÃO E MISTURA MECÂNICA PARA UNIÃO DE TUBOS BIMETÁLICOS A presente invenção trata-se de um processo de solda por fricção e mistura mecânica para união de tubos bimetálicos em que a solda é realizada com um único passe com penetração total da ferramenta na espessura do tubo. A ferramenta é introduzida pelo lado externo do tubo bimetálico, sendo esse o lado da liga de material estrutural, oposto ao lado bimetálico com material resistente a corrosão.

Description

jCAMPO DA INVENÇÃO

[001] A presente invenção refere-se a processos de solda para tubos. É apresentado um processo de solda por fricção e mistura mecânica para união de dois tubos bimetálicos por junta de topo. Esse processo é realizado em um sistema de soldagem compreendendo uma ferramenta rotatória de solda por fricção, um sistema de controle e atuação e uma pluralidade de elementos de fixação dos tubos.

ESTADO DA TÉCNICA

[002] O segmento de óleo e gás necessita da conjugação adequada de propriedades mecânicas dos materiais empregados na fabricação de componentes, geralmente associadas ao limite de escoamento e resistência ao meio de exposição. Entretanto, construir equipamentos e componentes que conciliem ambos os atributos consiste em um desafio de natureza técnica e econômica. Atualmente, para fabricação de tubos aplicados a condições agressivas, como exemplo a aplicação submarina, adota-se a combinação de um material estrutural com propriedades mecânicas satisfatórias, com outro material resistente à exposição ao meio corrosivo, que isola o material estrutural deste meio.

[003] A proteção do material estrutural ou substrato é feita por meio de revestimentos com ou sem interação metalúrgica, como os obtidos por processos de soldagem com fusão e no estado sólido, e em laminação conjunta ou colaminação. As terminologias tipicamente utilizadas para designar os materiais com tais características são “material cladeado” e “material lineado”, dependendo respectivamente da presença ou não de interação metalúrgica com o substrato.

[004] A união metalúrgica de peças cladeadas é tipicamente realizada por processos de soldagem por fusão. Esse processo demanda o uso de materiais de adição compatíveis metalurgicamente com o material do revestimento. Em consequência disto, a resistência mecânica da união pode ser inferior à resistência mecânica do material estrutural, o substrato.

[005] Outra prática comum na indústria é o amanteigamento, que tem o propósito de tornar compatível a união por soldagem de materiais metalurgicamente incompatíveis. No amanteigamento é realizada a deposição de um material, tipicamente por processos de soldagem, entre as partes a serem unidas. Essa deposição tem por objetivo permitir a junção de materiais em que a simples união direta, isto é, sem amanteigamento, comprometeria a integridade da junta soldada. A utilização do amanteigamento pode ser indicada em casos em que a união entre as partes, com ou sem uso de um material de adição, não seria metalurgicamente compatível, como, por exemplo, pela formação de fases frágeis, trincas ou incompatibilidade entre os ciclos térmicos requeridos para as partes após a soldagem.

[006] Dessa forma, a união de materiais bimetálicos pode compreender diversas etapas adicionais além daquelas relacionadas com soldagem de união propriamente dita, como a realização do amanteigamento e ciclos de tratamentos térmicos. Outro aspecto a ser considerado refere-se à restrição para a seleção do material de adição, já que este deve ser compatível metalurgicamente com o material do revestimento, e, alguns casos pode apresentar resistência mecânica inferior ao material de base, o substrato.

[007] Com base no exposto acima, os problemas associados à união de materiais bimetálicos poderiam ser solucionados se a soldagem fosse realizada sem a utilização de material de adição e preservasse as propriedades do material de base e do revestimento.

[008] Neste contexto, vem sendo utilizado o processo de solda por fricção e mistura mecânica (aqui denominado pelo acrônimo da língua inglesa FSW, para friction stir welding), o qual apresenta as seguintes vantagens: facilidade de automatização, boa reprodutibilidade e, principalmente, possibilidade de se realizar juntas dissimilares autógenas, ou seja, sem a adição de outro material.

[009] Quando aplicado à fabricação de equipamentos, o processo FSW permite eliminar as etapas de amanteigamento e de tratamento térmico durante a fabricação de certos componentes, além de apresentar uma solução para a resistência mecânica de juntas cladeadas.

[010] O documento de patente WO201505173641 apresenta um processo de solda de topo em tubos cladeados. É descrita uma solda feita pelo processo FSW em que a ferramenta de solda avança na superfície interna do tubo e, em seguida, na superfície externa ao tubo, ou vice-versa. Na modalidade preferida é realizada a soldagem interna e externa simultaneamente. A solda revelada apresenta penetração parcial da ferramenta em cada um dos lados interno e externo do tubo. É descrito como uma vantagem particular desse processo a possibilidade de soldar tubos bimetálicos com uma camada interna de liga resistente a corrosão (doravante denominado pelo acrônimo CRA, para Corrosion-Resistant Alloy).

[011] O documento de patente WO2015053258 descreve um método de união de duas peças laminadas cladeadas em que a união das peças é realizada por solda do tipo FSW com penetração total da ferramenta. O documento revela ainda uma geometria de ferramenta utilizada para operação de soldagem, que possibilita menor mistura entre os materiais da peça cladeada. Consta nos ensinamentos desse documento que esse efeito de redução de mistura é obtido quando a ferramenta é introduzida na peça pelo lado da camada de CRA, ou seja, pelo lado oposto ao material de aço-carbono. Uma seção rosqueada na extremidade da ferramenta faz com que o fluxo de material de aço-carbono não seja direcionado para cobertura de material bimetálico durante a operação de solda por fricção, diminuindo a mistura de materiais. Em uma modalidade do método descrito é previsto que as referidas peças cladeadas podem ser dutos com a liga de aço-carbono em sua superfície exterior.

[012] Mahoney e colaboradores, 2013 (Mahoney, M., Sanderson, S., Feng, Z., Steel, R., Packer, S., & Fleck, D. (2013). Friction stir welding of pipeline steels. Friction Stir Welding and Processing VII, p. 59-69) estudaram abordagens para obter penetração total da ferramenta de FSW na soldagem de tubos com penetração da ferramenta pela parede externa. Dadas as dificuldades de obter penetração total, foram propostas duas soluções para tubos de um único material: realizar solda à arco pela parede interna seguida de processo FSW pela parede externa com penetração parcial da ferramenta até atingir o cordão de solda; ou, realizar processo FSW pela parede externa do tubo, com penetração total da ferramenta na peça até atingir um elemento “cobre- junta” de sacrifício, que apoia a superfície interna dos tubos. Essa cobre-junta é uma pequena placa que é unida aos tubos ao final do processo, podendo ou não ser removida do produto final, dependendo de especificações de uso.

[013] Os desenvolvimentos atuais em soldagem ainda não atendem requisitos necessários à fabricação de equipamentos bimetálicos, requisitos tais como resistência mecânica adequada e viabilidade de fabricação de tubos de pequeno diâmetro, uma vez que as técnicas anteriores não ensinam as etapas e parâmetros envolvidos no processo FSW em tubos bimetálicos com um passe único pelo lado externo do tubo e penetração total da ferramenta (em que a parede externa é de material estrutural e a interna, de CRA).

BREVE DESCRIÇÃO DA INVENÇÃO

[014] A presente invenção trata-se de um processo para união de tubos bimetálicos, preferivelmente tubos lineados ou cladeados, para aplicação em contato com meio corrosivo de alta pressão, conforme as condições encontradas na exploração de óleo e gás. Este processo é particularmente vantajoso para realizar a união de tubos bimetálicos apresentando pequenos diâmetros internos, e.g., diâmetros internos menores que 160 mm, e podendo possuir na superfície interna uma liga resistente a corrosão (CRA).

[015] O objetivo da presente invenção é alcançado por um processo de solda por fricção e mistura mecânica (FSW) para união de tubos bimetálicos. Esse processo é realizado em um sistema de soldagem que compreende pelo menos uma ferramenta rotatória de solda por fricção, um sistema de controle e atuação e uma pluralidade de elementos de fixação dos tubos que restringem movimentos axiais, radiais e deflexões dos tubos durante o processo.

[016] As etapas essenciais para realização do processo são as seguintes: (i) posicionar os tubos alinhados coaxialmente sobre os elementos de fixação do sistema, colocando as superfícies de topo que serão unidas em interface uma com a outra, os elementos de fixação compreendendo, pelo menos, uma pinça expansível e uma pluralidade de placas de alta dureza, em que as placas de alta dureza são posicionadas entre a pinça expansível e a superfície interna adjacente à região de interface dos tubos; (ii) fixar os tubos no sistema, restringindo seus movimentos devido ao tensionamento dos elementos de fixação contra as superfícies dos tubos e contra as placas de alta dureza; (iii) posicionar a ferramenta em contato com a superfície externa dos tubos na região de interface entre os mesmos, estando o eixo de rotação da ferramenta normal à superfície dos tubos; (iv) deslocar linearmente a ferramenta uma determinada distância na direção tangencial à superfície do tubo, sendo a distância determinada em função do diâmetro do tubo; (v) acionar a ferramenta com velocidade de rotação, avanço e força de penetração predeterminados; (vi) aproximar a ferramenta da superfície dos tubos para pré-aquecimento do material, até obter penetração total da ferramenta na parede do tubo; (vii) avançar a ferramenta na superfície dos tubos na extensão entre 365° e 380° da circunferência dos tubos, com velocidade de avanço predeterminada; (viii) afastar a ferramenta da superfície dos tubos.

[017] Elementos de fixação adicionais podem ser utilizados em modalidades aqui previstas. Esses elementos serão selecionados de acordo com as possibilidades de aplicação em indústria, em campo ou offshore do presente processo.

[018] As medidas e parâmetros técnicos específicos de cada uma das etapas do processo da presente invenção serão selecionados em função das dimensões e dos materiais dos tubos bimetálicos. A determinação desses parâmetros, bem como a seleção da ferramenta e dos elementos de fixação, será detalhada adiante, constituindo o passo inventivo auferido pela presente invenção no sentido de superar as deficiências das técnicas anteriores.

BREVE DESCRIÇÃO DAS FIGURAS

[019] A presente invenção será, a seguir, descrita com referência às modalidades representadas nas figuras.

[020] A figura 1 é uma vista esquemática lateral em corte de um sistema que realiza uma modalidade do processo da presente invenção.

[021] As figuras 2A e 2B são vistas esquemáticas de frente em corte de sistemas que realizam duas modalidades do processo da presente invenção.

[022] As figuras 3A e 3B são vistas laterais de ferramentas rotativas de soldagem por fricção e mistura mecânica usadas em duas modalidades do processo da presente invenção.

[023] A figura 4 é uma vista de topo do tubo mostrando a posição relativa da linha de centro da ferramenta em relação ao centro do tubo, de acordo com uma modalidade da presente invenção.

[024] A figura 5A é uma micrografia apresentando um corte transversal de uma junta soldada circunferencial obtida pelo processo da presente invenção.

[025] A figura 5B é uma micrografia apresentando um corte transversal de uma junta soldada circunferencial obtida pelo processo com parâmetros diferentes daqueles do processo da presente invenção.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

[026] A presente invenção trata-se de um processo de solda por fricção e mistura mecânica (FSW) para união de tubos bimetálicos. Esse processo é realizado em um sistema de soldagem constituído de elementos comuns aos sistemas para processos de FSW.

[027] A figura 1 é uma representação esquemática dos principais elementos do sistema de soldagem 10, sendo eles: uma ferramenta rotatória 20 de solda por fricção; um sistema de controle e atuação 30 do sistema de soldagem; um par de tubos 40a,40b, sujeitos ao processo de soldagem; e um conjunto de elementos de fixação dos tubos. Na representação é ilustrado um eixo principal 50 dos tubos 40a,40b, em relação ao qual os tubos 40a,40b são dispostos colinearmente. Uma superfície de topo do tubo 40a é disposta em interface com uma superfície de topo do tubo 40b. Essas superfícies em interface serão unidas durante o processo de solda.

[028] Em uma modalidade da presente invenção, o conjunto de elementos de fixação de tubos compreende: uma pinça expansível 2, uma pluralidade de placas de alta dureza 3 e uma pluralidade de rodízios de suporte à flexão 4. Em outra modalidade da presente invenção, não ilustrada, os elementos de fixação incluem adicionalmente uma tampa e um batente, dispostos a jusante e a montante dos tubos, em suas extremidades livres, extremidades essas que não serão sujeitas ao processo de solda. Esses elementos adicionais são postos em contato com as extremidades livre dos tubos e pressionados contra as mesmas, restringindo os movimentos axiais dos tubos, ao longo do eixo principal 5, durante o processo de solda.

[029] Em uma modalidade preferencial da invenção, a pinça expansível 2 é um mandril acionado por parafusos que promovem seu deslocamento radial, evitando o colapso do tubo quando submetido às elevadas forças radiais inerentes ao processo FSW. Em uma modalidade alternativa, a pinça expansível 2 possui atuadores ligados ao sistema de controle e atuação 30, que promovem sua expansão radial, pressionando internamente os tubos.

[030] Na modalidade preferida da presente invenção, um eixo mecânico rotatório é provido no referido eixo principal 50, no qual é fixa a pinça expansível 2 e, opcionalmente, é fixa a tampa e o batente. Esse eixo mecânico gira solidário aos tubos 40a,40b durante o processo, sendo responsável pelo avanço da ferramenta 20 na circunferência do tubo soldado. O eixo mecânico possui atuadores conectados ao sistema de controle e atuação 30, promovendo seu deslocamento angular.

[031] Em uma modalidade alternativa, o avanço da ferramenta 20 é devido a um sistema de soldagem orbital, que rotaciona a ferramenta 20 e os rodízios 4 em torno do eixo principal 50 dos tubos 40a,40b. O sistema orbital dessa modalidade é controlado pelo sistema de controle e atuação 30.

[032] O sistema de controle e atuação 30 é uma unidade programável conectada aos diversos atuadores do sistema de soldagem 10. Esse sistema de controle e atuação 30 compreende: um motor, responsável por transmitir potência mecânica e/ou hidráulica para os atuadores; e uma pluralidade de sensores de força, temperatura e/ou velocidade conectados ao sistema de controle e atuação 30, responsáveis por realimentar o sistema de controle; e uma interface de programação e controle, que recebe os dados de entrada dos parâmetros do processo de soldagem e os dados dos sensores e envia comandos para o motor, a fim de transmitir potência aos atuadores. Esses atuadores têm várias funções de movimentação, como controle da rotação da ferramenta e do avanço.

[033] Em quaisquer modalidades, placas de alta dureza 3 são dispostas entre a pinça expansível 2 a superfície interna dos tubos 40, durante as etapas de preparação do sistema para soldagem. As referidas placas de alta dureza 3 são fabricadas de material de alta resistência e dureza, podendo ser um material metálico, cerâmico ou um compósito.

[034] Em uma modalidade preferencial da invenção, as placas de alta dureza 3 são constituídas de um aço ferramenta, como exemplo o aço ABNT API 01 DIN W1.25.10. As propriedades mecânicas desse aço permitem a proteção da pinça expansível 2 e minimizam as deformações da mesma durante o processo, contribuindo para um bom resultado da solda.

[035] Em uma modalidade representada na figura 2A, são dispostos no sistema dois rodízios 4 diametralmente afastados da ferramenta 20. Esses rodízios 4 apoiam os tubos 40,40a,40b e suportam esforços radiais e fletores inerentes do processo de FSW.

[036] Em uma modalidade representada na figura 2B, não são dispostos rodízios em oposição à ferramenta 20. Nessa modalidade, esforços radiais são suportados pela expansão da pinça expansível 2, pressionando as placas de alta dureza 3 em contato com os tubos 40,40a,40b.

[037] Durante as etapas de preparação do sistema de soldagem 10, os tubos 40a,40b são dispostos coaxialmente em relação ao referido eixo principal 50 dos tubos 40a,40b, sendo os tubos 40 apoiados sobre as placas de alta dureza 3. Em uma modalidade, uma superfície de topo livre de um primeiro tubo 40a é colocada em contato com o batente. A superfície de topo livre deste primeiro tubo 40a é colocada em contato com uma superfície de topo de um segundo tubo 40b. Em seguida, a superfície de topo livre deste segundo tubo 40b é pressionada pela tampa, que por sua vez é fixada mecanicamente no eixo mecânico disposto no eixo principal 50, sendo presa por elementos comuns de fixação, por exemplo, porcas e parafusos. Em uma modalidade mais apropriada para aplicações offshore, na qual os tubos são geralmente longos e preferivelmente é utilizado o sistema de soldagem orbital, pode ser dispensada a fixação do batente e da tampa.

[038] Em uma modalidade preferida, os rodízios de suporte à flexão 4 são posicionados na superfície externa dos tubos 40, próximos a região de interface entre os tubos 40, sendo essa posição diametralmente afastada da posição da ferramenta 20. Essa contraposição dos rodízios em relação a ferramenta 20 equilibra os esforços de penetração da ferramenta 20 nos tubos 40, evitando a flexão do sistema 10 durante o processo de soldagem.

[039] A seleção da ferramenta 20 é um parâmetro essencial no processo de soldagem da presente invenção. Ferramentas de geometria cônica são adequadas à soldagem de tubos bimetálicos quando o passe da ferramenta é dado pela superfície de material estrutural.

[040] Devido à geometria cônica, as velocidades lineares são menores próximas à ponta da ferramenta, quando comparadas àquelas da base da ferramenta. Isso permite que a região da CRA seja submetida a velocidades inferiores às da região de material estrutural, quando o processo ocorre com a introdução da ferramenta pelo lado externo do tubo.

[041] A CRA se comporta de maneira diferente do material estrutural quando submetido ao processo de FSW, sendo necessário trabalhar com velocidades inferiores para a CRA. Portanto, a ferramenta cônica possibilita boas condições de soldagem para ambos os materiais.

[042] Em uma modalidade preferencial da invenção, a composição da ferramenta 20 compreende de 50 a 90% em volume de nitreto cúbico de boro policristalino em um material ligante metálico ou cerâmico.

[043] As geometrias de duas modalidades de ferramenta utilizadas na presente invenção são ilustradas nas figuras 3A e 3B. As figuras apresentam uma ferramenta cônica com uma variação de diâmetro 20a e um ferramenta cônica com duas variação de diâmetro 20b, respectivamente.

[044] A primeira ferramenta 20a, conforme visto na figura 3A, possui uma variação de diâmetro que define uma seção rosqueada de diâmetro maior próxima a base e uma seção rosqueada de menor diâmetro se estendendo até a ponta da ferramenta.

[045] A segunda ferramenta 20b, conforme figura 3B, apresenta uma variação de diâmetro a mais que a ferramenta 20a, variação esta que define um pino na ponta da ferramenta, com diâmetro substancialmente menor que a seção central.

[046] As etapas em que ocorre a soldagem propriamente dita são controladas pela programação do sistema de controle e atuação 30. Além dos parâmetros usuais de processos de soldagem, como velocidade de rotação da ferramenta e velocidade de avanço da soldagem, o processo da presente invenção apresenta um parâmetro de “offset” que se refere o deslocamento do eixo central da ferramenta 20 em relação ao centro dos tubos 40, conforme mostrado na Figura 4. Esse parâmetro varia de acordo com o raio dos tubos e geralmente é calibrado a cada início do processo.

[047] Em uma modalidade da invenção, para tubos de diâmetro externo entre 148 a 153 mm o parâmetro de deslocamento do eixo varia de 6 a 10 mm.

[048] Outra etapa essencial ao processo da presente invenção é a aproximação inicial da ferramenta 20 à superfície do tubo. É importante garantir que os parâmetros de velocidade de rotação e força de penetração sejam adequados para aquecer suficientemente o material e obter penetração total antes da ferramenta 20 avançar para soldagem.

[049] O exemplo descrito a seguir é uma modalidade do processo reivindicado na presente invenção, não restringindo, contudo, o escopo de proteção a esse exemplo específico, estando a matéria reivindicada definida no quadro reivindicatório, tendo o relatório descritivo como fundamento e ilustração de algumas modalidades de execução. Um técnico no assunto poderá compreender e reproduzir as diferentes variações e modalidades da invenção com base no exemplo a seguir.

EXEMPLO DE EXECUÇÃO

[050] As etapas do processo de solda deste exemplo serão divididas em três partes: (i) preparação dos tubos; (ii) montagem do sistema; e (iii) programação do sistema. Preparação dos tubos

[051] Os tubos bimetálicos deste exemplo são tubos cladeados constituídos de aço ASTM A335 grau P22 com uma camada interna de liga Inconel® 625. O diâmetro interno dos tubos usados é de 144 mm, com espessuras variando entre 8 e 18 mm, sendo cerca de 3 mm da espessura de CRA.

[052] As extremidades dos tubos são mantidas sem chanfro. A ausência de chanfro é necessária em processos que não utilizam material de adição na junta, como é o caso do processo da presente invenção.

[053] Os óxidos presentes nas extremidades dos tubos a serem unidas são removidos através de lixamento. Toda região de interface entre os dois tubos foi lixada e, pelo menos, 50 mm a 100 mm das superfícies em relação à extremidade. Em seguida, é efetuada limpeza para eliminar resíduos de óleo. Montagem do sistema

[054] Um primeiro tubo 40b é posicionado num sistema 10, em que um eixo mecânico rotativo é provido no eixo principal 50 do tubo 40b. O eixo mecânico compreende uma pinça expansível 2 fixa ao mesmo. Uma pluralidade de placas de alta dureza 3 são providas entre a superfície interna do tubo 40b e a pinça expansível 2, na região da extremidade lixada. A outra extremidade do tubo é encostada em um batente fixo no eixo mecânico. Esse batente restringe os movimentos axiais do tubo 40b, ao longo do eixo principal 50.

[055] Um segundo tubo 40a é posicionado no sistema 10, sobre as placas de alta dureza 3 e as pinças expansíveis 2. Verifica-se se a interface dos tubos 40a,40b, onde ocorrerá a soldagem, está posicionada na região da pinça 2 recoberta pelas placas de alta dureza 3. Caso contrário, corrige-se a posição axial dos tubos. As placas de alta dureza 3 utilizadas são de aço ABNT API 01 DIN W1.25.10.

[056] Uma tampa é instalada no eixo mecânico, em contato com a extremidade livre do segundo tubo 40a, e é fixa no eixo mecânico por meio de porcas e parafusos, garantindo a restrição dos movimentos axiais dos tubos 40a,40b em relação ao sistema 10.

[057] São apertados parafusos que acionam o sistema de expansão de uma pinça 2. A expansão da pinça 2 garante o contato das placas de alta dureza 3 com a superfície interna dos tubos 40,40a,40b, evitando o colapso dos tubos quando submetidos as forças decorrentes do processo de soldagem.

[058] Um rodizio de suporte à flexão 4 é posto em contato com a parede externa dos tubos próximo a região de interface, para evitar a flexão do sistema durante o processo de soldagem. Programação dos parâmetros e etapas de soldagem

[059] O primeiro parâmetro ajustado no processo de soldagem é o deslocamento do eixo da ferramenta 20 em relação à linha de centro dos tubos 40a,40b, como mostrado anteriormente com vista à figura 4. Esse parâmetro determina em que posição a ferramenta 20 estará ao se aproximar dos tubos 40a,40b para o aquecimento. Para os diâmetros dos tubos deste exemplo, o parâmetro de deslocamento foi selecionado entre 6 e 10 mm.

[060] Na etapa de aproximação da ferramenta 20 para aquecimento dos tubos 40,40a,40b o parâmetro de velocidade de rotação é selecionado entre 100 e 400 rpm, preferencialmente 170 rpm. A rotação da ferramenta é acionada e a ferramenta penetra no tubo com força de penetração entre 55 e 70 kN, garantindo a penetração total.

[061] A ferramenta inicia o avanço em relação a extensão radial dos tubos, com velocidade de avanço entre 25 e 65 mm/min, preferencialmente 50 mm/min, sendo a extensão do avanço entre 365° e 380°, preferencialmente 375°. A velocidade de rotação da ferramenta é mantida entre 100 e 400 rpm durante todo o avanço.

[062] Após a ferramenta percorrer toda extensão de avanço, é programada o afastamento da ferramenta em relação aos tubos. A velocidade de rotação durante a saída da ferramenta é mantida entre 100 e 400 rpm.

[063] A figura 5A se trata de uma micrografia de um corte do tubo soldado pelo presente processo. Com vistas a essa figura pode ser observado o resultado obtido pela modalidade do processo com parâmetros descritos nesse exemplo particular e selecionando uma ferramenta cônica com duas variações de secção 20b. Essa ferramenta é ilustrada na figura 3B. A seleção dessa ferramenta 20b resultou em uma baixa mistura entre o aço-carbono e o Inconel 625.

[064] A figura 5B se trata de uma micrografia de um corte do tubo soldado por um processo usando parâmetros semelhantes ao processo da presente invenção, porém com uma ferramenta cônica sem variação de seção e sem profundidade para penetração completa na peça. Como pode ser observado na figura, a seleção dessa ferramenta resultou em uma considerável mistura entre o aço-carbono e o Inconel 625.

Claims (8)

1. Processo de solda por fricção e mistura mecânica para união de tubos bimetálicos, em que dois tubos (40a,40b) bimetálicos compreendendo um material estrutural revestido internamente de um material resistente a corrosão são soldados usando um sistema de solda (10) compreendendo uma ferramenta (20,20a,20b) rotatória, um sistema de controle e atuação (30) e um conjunto de elementos de fixação, os elementos de fixação compreendendo pelo menos uma pinça expansível (2) e uma pluralidade de placas de alta dureza (3), o processo compreendendo: posicionar os tubos (40a,40b) no sistema (10), alinhando-os coaxialmente entre si, de modo que duas extremidades adjacente dos tubos estejam em interface uma com a outra, sendo as superfícies internas adjacentes à interface apoiadas sobre as placas de alta dureza (3), e as placas de alta dureza apoiadas dobre a pinça expansível (2); fixar os tubos (40a,40b) no sistema (10), restringindo seus movimentos devido ao tensionamento da pinça expansível (2) contra as placas de alta (3), e consequentemente das placas de alta dureza (3) contra as superfícies internas dos tubos (40a,40b); posicionar a ferramenta (20,20a,20b) em contato com a superfície externa de interface dos tubos (40a,40b), estando o eixo da ferramenta (20) normal à superfície dos tubos (40a,40b); o processo de solda caracterizado por compreender deslocar linearmente a ferramenta (20,20a,20b) de 6 a 10 mm na direção tangencial à superfície externa dos tubos (40a,40b); acionar a ferramenta (20,20a,20b) com velocidade de rotação de 100 a 400 rpm; aproximar a ferramenta (20,20a,20b) da superfície dos tubos para aquecimento do material, com força de penetração normal entre 55 e 70 kN; avançar a ferramenta (20,20a,20b) na superfície dos tubos com velocidade de avanço entre 25 e 65 mm/min, na extensão de 365 a 380° da circunferência dos tubos; e afastar a ferramenta (20,20a,20b) da superfície dos tubos.

2. Processo de solda, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por incluir etapas iniciais de preparação dos tubos (40a,40b), compreendendo: lixar uma região de uma extremidade de cada tubo (40a,40b), compreendendo toda a superfície de topo e a superfície interna e externa entre 50 e 150 mm a partir da extremidade; verificar visualmente a eliminação de óxidos da região da extremidade lixada, repetindo o lixamento caso sejam observados óxidos remanescentes.

3. Processo de solda, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que a ferramenta (20,20a,20b) é selecionada de um grupo compreendendo ferramentas cônicas rosqueadas, ferramentas cônicas rosqueadas com uma variação de seção (20a) e ferramentas cônicas rosqueadas com duas variações de seção (20b).

4. Processo de solda, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que a ferramenta (20,20a,20b) é constituída de 50 a 90% m/m de nitreto cúbico de boro policristalino em material ligante metálico ou cerâmico.

5. Processo de solda, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato de que o material que constitui a placa de alta dureza (3) é selecionado de um grupo que compreende: material metálico, cerâmico ou compósito.

6. Processo de solda, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que o material que constitui a placa de alta dureza é o aço ABNT API 01 DIN W1.25.10.

7. Processo de solda, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizado pelo fato de que os elementos de fixação que suportam os tubos (40a,40b) compreendem ainda uma tampa e um batente, em que a extremidade livre do primeiro tubo (40a) é apoiada no batente e a tampa é pressionada contra a extremidade livre do segundo tubo (40b), restringindo os movimentos axiais de ambos os tubos (40a,40b) durante o processo de solda.

8. Processo de solda, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, caracterizado pelo fato de que os elementos de fixação que suportam os tubos (40a,40b) compreendem ainda pelo menos um rodízio de suporte à flexão dispostos em contato com superfície externa dos tubos (40a,40b) próximo a região de interface, sendo essa posição diametralmente afastada da posição da ferramenta (20), restringindo os movimentos de flexão dos tubos (40a,40b) durante o processo de solda.

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