BRPI0913654A2

BRPI0913654A2 - processo de soldagem por fricção de mistura de vibração

Info

Publication number: BRPI0913654A2
Application number: BRPI0913654-1A
Authority: BR
Inventors: Isabelle Bordesoules; Christian Hantrais; Jean-Pierre Armenio
Original assignee: Alcan Rhenalu
Priority date: 2008-02-07
Filing date: 2009-06-16
Publication date: 2020-09-15
Also published as: CA2728049A1; CA2728049C; US7938309B2; BRPI0913654B1; CN102076455A; ES2418484T3; FR2933016B1; CN102076455B; WO2010004109A2; WO2010004109A3; FR2933016A1; US20090324991A1; EP2318173A2; EP2318173B1

Abstract

PROCESSO DE SOLDAGEM POR FRICÇÃO DE MISTURA DE VIBRAÇÃO. A invenção refere-se a um processo de soldagem por fricção de mistura de pelo menos uma primeira peça em uma liga metálica A com pelo menos uma segunda peça em uma liga metálica B dissemelhante, no qual se colam essa primeira e essa segunda peças ; com o auxílio de uma ferramenta em rotação que se desloca com uma velocidade denominada velocidade de avanço, se realiza uma junta entre essa primeira e essa segunda peça, caracterizado pelo fato de essa velocidade de avanço da ferramenta apresentar em regime permanente pelo menos dois modos alternados, um primeiro modo no qual se utiliza um primeira velocidade de avanço média V1, e um segundo modo no qual se utiliza uma segunda velocidade de avanço e média V2, as velocidades V1 e V2 sendo significativamente diferentes, tipicamente de pelo menos 30 % da mais elevada das velocidades de avanço, a mais fraca das velocidades de avanço podendo ser nula. As ligações soldadas, de acordo com a invenção, são vantajosas em particular para a realização de painéis ou de perfilados destinados à fabricação de veículos de transporte.

Description

Relatório Descritivo da Patente de lnvenção para "PROCESSO DE SOLDAGEM POR FRICÇÃO DE MISTURA DE VIBRAÇÃO". Domínio da lnvenção A presente invenção refere-se à soldagem das peças metálicas, 5 segundo o processo de fricção de mistura.

Mais precisamente ela se refere à soldagem entre elas de peças que apresentam características mecânicas muito diferentes.

Estado da Técnica É geralmente conhecido que, quando da fabricação de produtos 10 semiacabados e de elementos estruturais para a construção aeronáutica, certas propriedades requeridas não podem geralmente ser otimizadas simul- taneamente independentemente umas das outras.

Esse é, às vezes, o caso kj das propriedades reunidas sob o termo "resistência mecânica estática" (no- tadamente a resistência à ruptura Rm e o limite de elasticidade RpO,2), por 15 um lado, e propriedades reunidas sob o termo "tolerância aos danos" (nota- damente a tenacidade e a resistência à propagação das fissuras), por outro lado.

Para cada utilização considerada de um elemento de estrutura, um compromisso apropriado entre as propriedades mecânicas estáticas e as propriedades de tolerância aos danos deve ser buscado.

Este é designado 20 no caso por "compromisso de propriedades". Propriedades adicionais, tais como a resistência à corrosão, podem ser incluídas no compromisso de propriedades, se necessário, e, em certos casos, pode mesmo ser necessá- rio definir um compromisso entre duas ou mais de duas propriedades no grupo de propriedades designado por "resistência mecânica estática"ou "to- 25 lerância aos danos", tais como o limite de elasticidade e o alongamento que tendem a ser incompatíveis.

A necessidade de otimizar o compromisso de propriedades é particularmente importante para certas partes ou elementos estruturais para os quais os melhores resultados poderiam ser obtidos, caso a resistência mecânica estática fosse otimizada sobre uma extremidade ge- 30 ométrica e a tolerância aos danos fosse otimizada sobre a outra extremidade geométrica.

A soldagem de peças, apresentando características ótimas para cada parte do elemento estrutural, permite obter elementos estruturais com características otimizadas. - O pedido de patente EP1799391 (Alcan Rhenalu) ensina um processo de fabricação de um elemento de estrutura que compreende pelo menos duas partes em liga de alumínio que apresentam diferentes compro- 5 missos de propriedades, pelo menos duas partes sendo soldadas e no qual uma dessas partes é (I) escolhida em uma liga de alumínio diferente das outras pelo menos duas partes e/ou (ll) escolhida em um estado metalúrgico inicial diferente das outras pelo menos duas partes, e no qual pelo menos uma dessas duas partes foi pré-revenida antes de ser soldada, e no qual o 10 elemento de estrutura sofreu um revenido pós-soldagem, conferindo um es- tado metalúrgico final a cada uma pelo menos dessas duas partes.

A soldagem por fricção de mistura foi iniciada, no início dos anos 90, por TWl (The Welding lnstitute) no Reino Unido, e conheceu um desen- volvimento rápido no domínio da ligação das Iigas de alumínio.

Seu princípio 15 consiste em obter uma soldagem sem fusão por um forte cisalhamento do metal por meio de uma ferramenta rotativa que mistura os dois materiais a ligar.

A diminuição do esforço de escoamento é obtida inicialmente por um aquecimento do metal por fricção de um rebordo ("Shoulder") na superfície do metal antes do deslocamento da ferramenta que leva cada vez mais à 20 soldagem.

O rebordo permite também conter o metal e manter uma pressão, evitando a ejeção do metal fora da zona soldada.

O processo permite evitar os problemas de fissuração a quente, o que permite notadamente soldar ligas consideradas como não soldáveis por fusão, como, por exemplo, as ligas 2XXX ao magnésio ou as ligas 7XXX 25 ao cobre, que são as ligas utilizadas habitualmente na construção aeronáuti- ca.

Os parâmetros do processo de soldagem por fricção de mistura são principalmente: a escolha da geometria da ferramenta, a velocidade de rotação e a velocidade de avanço da ferramenta (também denominada ve- 30 locidade de soIdagem) e a força aplicada à ferramenta.

Esses parâmetros não são independentes, convém, por exemplo,, em geral aumentar a veloci- dade de rotação, quando a velocidade de soIdagem aumenta.

Por outro la-

do, a velocidade de soldagem ótima é, em geral, inversamente proporcional à espessura de soldagem (ver, por exemplo, "A soldagem por fricção-de mistura", R.CAZES, As técnicas do Engenheiro, BM 7746 1-9). O pedido de patente DE 199 53 260 Al descreve sistematica- 5 mente possibilidades de variação cíclica dos parâmetros velocidade de a- vanço, velocidade de rotação, força aplicada à ferramenta, altura da ferra- menta sem precisar que variação selecionar e em que circunstâncias essa variação é vantajosa.

O pedido de patente US 2004 -046003 descreve uma variação 10 cÍclica da velocidade de rotação da ferramenta, de forma a melhorar a mis- tura de um metal plastificado.

A patente US 6.450.394 descreve um processo para formar ele- mentos de estrutura de avião, utilizando a soldagem por fricção de mistura.

Essa patente menciona a possibilidade de fazer variar a velocidade de avan- - 15 ço e a velocidade de rotação para adaptar as condições de soldagem a vari- ações de espessura dos produtos.

Os parâmetros de soldagem devem ser adaptados à liga a sol- dar, em particular à sua dureza a quente ou em particular ao seu problema de escoamento a quente.

Para cada liga em um estado metalúrgico determi- 20 nado, pode-se obter para uma espessura de soIdagem determinada das condições de soldagem ótimas em termos de velocidade de avanço e de velocidade de rotação da ferramenta.

A velocidade de avanço ótima é em geral, a velocidade a mais elevada, permitindo uma qualidade de soldagem satisfatória, em particular isenta de porosidades e de defeitos de superfície. 25 Quando se soldam dois materiais metálicos que têm características mecâni- cas, e em particular que têm problemas de escoamento a quente diferentes, utilizam-se, em geral, parâmetros de soldagem intermediários entre os pa- râmetros os mais adaptados para uma e para a outra das ligas.

Todavia, torna-se difícil, até mesmo impossível, encontrar condições intermediárias 30 satisfatórias em certos casos, em particular quando os problemas de esco- amento a quente são muito diferentes entre os materiais a soldar.

Existe uma necessidade para um processo capaz de fornecer uma solução para o problema que consiste em soldar por soldagem por fric- " ção de mistura duas ou mais de duas peças em ligas metálicas disseme- lhantes, tendo, em particular, dificuldades de escoamento a quente muito diferentes. 5 objeto da lnvenção A invenção tem por objeto um processo de soldagem por fricção de mistura de pelo menos uma primeira peça em uma liga metálica A com pelo menos uma segunda peça em uma liga metálica B dissemelhante, na qual: 10 - se colam essas primeira e segunda peças; - com o auxílio de uma ferramenta em rotação que se desloca com uma velocidade denominada velocidade de avanço se realiza uma junta entre essas primeira e segunda peças; caracterizado pelo fato de essa velocidade de avanço apresen- 15 tar em regime permanente pelo menos dois modos alternados, um primeiro modo no qual se utiliza uma primeira velocidade de avanço média Vl e um segundo modo no qual se utiliza uma segunda velocidade de avanço média V2, as velocidades Vl e V2 sendo significativamente diferentes, tipicamente de pelo menos 20 °/0 e, de preferência, pelo menos 30 °/) da mais elevada 20 das velocidades de avanço a mais baixa das velocidades de avanço poden- do ser nula.

Um segundo objeto da invenção é uma ligação soldada entre uma primeira peça e uma segunda peça em ligas metálicas, capaz de ser obtida pelo processo de soldagem por fricção de mistura, de acordo com a 25 invenção, caracterizada pelo fato de a energia de soldagem dessas primeira e segunda peças diferir de um fator pelo menos igual a 1,5 no estado meta- lúrgico utilizado quando da soldagem e para a espessura soldada.

Um outro objeto da invenção é um elemento de estrutura para a construção aeronáutica, compreendendo uma ligação, de acordo com a in- 30 venção.

Descrição das Figuras A figura 1 representa um esquema geral que descreve o proces-

so de soldagem por fricção de mistura. A figura 2 representa um esquema da ferramenta utilizada quan- do dos testes. As cotas indicadas estão em mm. A figura 3 representa uma vista em corte da soldagem do teste 5 no 1 .

A figura 4 representa uma vista em corte da soldagem do teste no 2.

A figura 5 representa uma vista em corte da soldagem do teste n° 41. A figura 6 representa um extrato do registro da medida do biná- rio e da velocidade de avanço para o teste 41. A figura 7 é um extrato do registro da medida do binário e da ve- locidade de avanço para o teste 46. A figura 8 é um extrato do registro da medida do binário e da ve- locidade de avanço para o teste 48. Descrição da lnvenção A designação das Iigas é feita em conformidade com os regula- mentos de The Aluminium Association (AA), conhecidos do técnico. As defi- nições dos estados metalúrgicos são indicadas na norma europeia EM 515. Salvo menção contrária, as características mecânicas estáticas, em outros termos a resistência à ruptura Rm, o limite de elasticidade con- vencional a 0,2 °/) de alongamento RpO,2 e o alongamento à ruptura A, são determinadas por um teste de tração, segundo a norma EM 10002-1, a reti- rada e o sentido do teste sendo definidos pela norma EM 485-1. A figura 1 descreve uma operação de soldagem por fricção de mistura. Duas peças 20 e 21 são coladas. Uma ferramenta 1 submetida a uma força aplicada F na direção vertical 13 se desloca com uma velocidade de avanço V na direção horizontal, efetuando uma rotação no sentido 12 com uma velocidade de rotação R. O lado avanço é o lado no qual o sentido local da superfície da ferramenta devido à rotação da ferramenta e o sentido de soldagem 11 são idênticos, a peça 20 fica situada do lado avanço. O La- do retirada é o lado no qual o sentido ferramenta devido à rotação da ferra-

menta e o sentido de soldagem 11 são opostos, a peça 21 fica situada do " lado retirada.

A velocidade de rotação R da ferramenta é a velocidade à qual a ferramenta gira no sentido de rotação 12. A velocidade de avanço é a ve- locidade à qual a ferramenta se desloca no sentido de soldagem 11. No âm- 5 bito da invenção, denomina-se velocidade de avanço média a média das velocidades de avanço instantâneas durante um período determinado.

A operação de soldagem por fricção de mistura comporta tipica- mente três fases, uma fase de encaixe durante a qual a ferramenta é COIo- cada em contato com as peças a soIdar, uma fase permanente durante a 10 qual a ferramenta progride de forma regular sobre as peças a soIdar e uma fase de encaixe durante a qual a ferramenta é afastada das peças a soIdar.

Regimes específicos em termos de velocidade de rotação e de velocidade de avanço podem ser, em certos casos, utilizados durante as fases de en- caixe e de desencaixe.

A presente invenção se refere ao regime permanen- - 15 te, isto é, os parâmetros de processo utilizados durante a fase permanente.

Para uma Iiga metálica determinada, em um estado metalúrgico determinado e para uma espessura soldada determinada, existem parâme- tros de soldagem ótimos, permitindo obter uma soldagem, cuja qualidade visual tanto na superfície quanto em corte é satisfatória e cuja resistência 20 mecânica é máxima, utilizando a velocidade de soldagem a mais elevada possÍvel.

Os parâmetros ótimos são definidos essencialmente pela velocida- de de avanço, pela velocidade de rotação e pela força aplicada.

Pode-se estimar que a determinação desses parâmetros ótimos é precisa a mais ou menos 1O°/o.

O binário medido necessário à rotação da ferramenta nessas 25 condições ótimas é uma indicação das características reológicas da Iiga considerada.

Por binário medido, entende-se no caso o binário medido, quando da soIdagem à qual se subtraiu o binário medido, quando da rotação da ferramenta a vácuo.

A partir dos parâmetros ótimos e do binário medido se define para uma liga determinada em um estado metalúrgico determinado 30 e uma espessura soldada determinada uma energia de soldagem.

Energia de soldagem (J/m) = binário medido x velocidade de ro- tação x 2 tt / velocidade de avanço.

O binário medido é expresso em N.m, a velocidade de rotação " em rpm e a velocidade de avanço em m por minuto.

A tabela 1 do exemplo 1 dá os parâmetros ótimos para as ligas AA2050 no estado T3 e AA7449 no estado T6 para uma espessura soldada 5 de 20 mm.

A energia de soldagem da liga AA7740 no estado T6 é aproxima- damente de três vezes superior àquela da liga AA2050 no estado T3 para a espessura soldada.

A presente invenção permite soIdar peças em Iigas metálicas dissemelhantes.

Por ligas metálicas dissemelhantes, entendem-se em parti- lO cular Iigas metálicas para as quais a energia de soIdagem é significativa- mente diferente, de um fator 1,5 até mesmo 2 ou 2,5. Pode tratar-se, por exemplo, de duas ligas de alumínio, cuja dificuldade de escoamento a quen- te é muito diferente, ou de uma liga de alumínio e de uma liga de titânio, ou ainda de aço ou de uma liga de cobre e de uma liga de titânio ou de alumí- 15 nio.

Dentre as ligas de alumínio que têm uma energia de soIdagem elevada, a invenção é vantajosa em particular para as ligas das famílias 5XXX e 7XXX.

A tabela 7 indica outras energias de soldagens medidas ou estimadas para chapas em liga AA7449, AA2022 e AA7040. Os resultados da tabela 7 mostram que a energia de soldagem das chapas ligadas, tais como descritas 20 em EP1799391 não apresentavam uma energia de soldagem significativa- mente diferente.

A invenção é particularmente vantajosa para a soldagem por fricção de mistura de peças em ligas 7XXX tendo limite elástico superior a 500 MPa e, de preferência, superior a 530 MPa no estado metalúrgico final 25 com uma outra liga metálica dissemelhante.

Por estado metalúrgico final, entende-se o estado metalúrgico da peça após um eventual tratamento de revenido da liga soldada.

Dentre as ligas que têm uma energia de soldagem mais fraca, a invenção é vantajosa em particular para as ligas das famílias 2XXX, 6XXX e 30 8XXX.

A invenção é particularmente vantajosa para a soldagem por fricção de mistura de peças em liga de alumínio de tipo alumínio lítio, isto é, conten- do pelo menos 0,8 °/) em peso de lítio, com uma peça em liga metálica dis-

semelhante, em particular uma peça em ligas 7XXX tendo um limite elástico superior a 500 MPa no estado metalúrgico final.

Peças em liga selecionada no grupo constituído de AA2X39, AA2X24, AA2X98, AA2X95, AA2X96, AA2X50, AA6X56, AA6X82 podem ser 5 soldadas por soldagem por fricção de mistura com peças em liga seleciona- da no grupo constituído de AA7X49, AA7X55, AA7X50, AA7X75, AA7X85, AA5X82 no âmbito da presente invenção.

Por AA7X49, entendem-se as li- gas AA7049, AA7149, AA7249, AA7349, AA7449, Mutatis mutandis para as outras ligas citadas.

Uma liga de titânio preferido é a liga T1-6A1-4V.

De acordo com a invenção, peças em ligas metálicas disseme- lhantes são soIdadas por fricção de mistura por um processo no qual: - se colam as peças; - com o auxílio de uma ferramenta em rotação que se desloca com uma velocidade denominada velocidade de avanço se realiza uma junta entre as peças, a velocidade de avanço da ferramenta apresentando em regime permanente pelo menos dois mQdos alternados, um primeiro modo no qual se utiliza um primeira velocidade de avanço média Vl e um segundo modo no qual se utiliza uma segunda velocidade de avanço média V2, as veloci- dades Vl e V2 sendo significativamente diferentes, tipicamente de pelo me- nos 20 °/) e de preferência pelo menos 30 °/) da mais elevada das velocida- des de avanço, a mais fraca das velocidades de avanço podendo ser nula.

As peças podem ser coladas por qualquer geometria que permi- te realizar uma junta de soldagem por fricção de mistura, a precisão da cola- gem não sendo crítica.

A soldagem é executada essencialmente sobre pe- ças colocadas borda a borda, mas aceita outras configurações de juntas, tais como, por exemplo, a soldagem com piscadela (soldagem de ângulo ou em T) ou a soldagem por superposição.

De forma surpreendente, os presentes inventores constataram que a alternância de um tempo quente (para o qual a velocidade de avanço é baixa e até nula) e de um tempo frio (para o qual a velocidade de avanço é elevada) permite solucionar a diferença importante de dificuldade de escoa-

mento das ligas a soldar.

As velocidades Vl e V2 devem ser significativa- - mente diferentes tipicamente de pelo menos 20 °/) e, de preferência, de pelo menos 30 °/) para observar o efeito buscado.

Em um modo de realização vantajoso da invenção, a diferença entre Vl e V2 é pelo menos igual a 30 5 mm/min.

De maneira preferida, os primeiro e segundo modos são alterna- dos no meio de um ciclo, cuja duração T é inferior a 15 segundos e, de pre- ferência, compreendida entre 0,1 e 10 segundos e, de forma vantajosa, entre 0,5 e 7 segundos.

O número de ciclos realizados por mm de soIdagem de- lO pende da velocidade de soldagem utilizada, ela própria dependente, em par- ticular da composição das ligas metálicas e da espessura das peças, ele é tipicamente de 15 ciclos para 50 mm de soldagem.

De maneira preferida, o primeiro modo é mantido por uma dura- ção Tl e o segundo modo é mantido por uma duração T2, Tl e T2 sendo 15 pelo menos igual a 20 °/) da duração T.

As durações Tl e T2 representam com efeito uma proporção suficiente da duração do ciclo para que o efeito sobre a qualidade de soldagem seja observado.

Em um modo de realização vantajoso da invenção, as durações T1 e T2 são sensivelmente iguais, isto é, não diferem de mais de 20 °/). De uma forma preferida os parâmetros Tl, 20 T2, expressos em segunda e Vl, V2, expressos em mm/s obedecem à rela- ção: 1 " (T1V1 - T2V2)' < 400. Tipicamente, o avanço realizado durante o tempo frio (velocidade de avanço elevada) é da ordem de 3 mm, enquanto que o avanço realizado durante o tempo quente (velocidade de avanço len- tO) é inferior a 1 mm. 25 Os parâmetros a utilizar para a soldagem podem ser avaliados sobre a base dos parâmetros ótimos determinados para cada peça conside- rada isoladamente.

Um parâmetro importante é a velocidade de avanço mé- dia de soldagem em regime permanente.

A título de exemplo, quando se utilizam unicamente dois modos que têm por velocidades de avanço média 30 Vl e V2 no decorrer das durações Tl e T2, tem-se V = (Tl x Vl + T2 x V2) / (Tl + T2)., De maneira vantajosa, utiliza-se como velocidade de avanço mé- dia V em regime permanente uma velocidade compreendida na faixa defini-

da pela velocidade de avanço ótimo da peça que requer a energia de solda- . gem a mais elevada mais ou menos 20 °/). Os tempos quente e frio podem ser amplificados, combinando uma variação da velocidade de rotação à variação da velocidade de avanço. 5 Todavia, é vantajoso utilizar uma velocidade de rotação da ferramenta sen- sivelmente constante em regime permanente.

Com efeito, o motor da apare- lhagem de soldagem por fricção de mistura suporta mal as variações de ve- locidade de rotação da ferramenta e essas variações acionam uma degrada- ção sensível da duração de vida da aparelhagem.

Os presentes inventores 10 pensam, por outro Iado, que a qualidade de soldagem e sua reprodutibilida- de são melhores quando a velocidade de rotação da ferramenta é sensivel- mente constante em regime permanente.

De maneira preferida, a velocidade de rotação da ferramenta es- tá compreendida na faixa definida pela velocidade de rotação da ferramenta 15 ótima da peça que requer a energia de soldagem a mais elevada mais ou menos 20 °/). Os presentes inventores constataram que, quando a velocida- de de rotação é superior à velocidade de rotação da ferramenta ótima da peça que requer a energia de soIdagem a mais elevada mais 20 °/), a tempe- ratura atingida durante o tempo quente pode tornar-se muito elevada e um 20 risco de flash existe e, por outro lado, o binário medido pode ser instável, o que pode se traduzir por uma qualidade de soldagem irregular.

A posição relativa dos elementos a soldar pode,para certos biná- rios de ligas, ter um efeito sobre a qualidade da soldagem.

Em uma realiza- ção vantajosa da invenção a peça que requer a energia de soIdagem a mais 25 elevada é colocada do lado retirada.

A invenção pode ser aplicada à soldagem de peças de qualquer espessura.

Todavia, a invenção é particularmente vantajosa, quando a es- pessura de soldagem está compreendida entre 1 e 40 mm, de preferência entre 10 e 30 mm e de maneira ainda mais preferida entre 12 e 20 mm.

As 30 velocidades de soldagens são adaptadas à espessura soIdada.

Em um mo- do de realização vantajoso, no qual as primeira e segunda peças são em liga de alumínio, a diferença entre Vl e V2 expressa em mm/min é pelo menos igual a 600/e, na qual e é a espessura de soIdagem expressa em mm. . A invenção permite obter Iigações soldadas por soldagem por fricção de mistura que não teriam podido ser obtidas pelo processo, segundo a técnica anterior, pois a qualidade da soldagem e as propriedades mecâni- 5 cas teriam sido insuficientes.

Assim, a invenção permite obter uma ligação soldada por soldagem por fricção de mistura entre uma primeira peça e uma segunda peça em ligas metálicas caracterizada pelo fato de a energia de soldagem das primeira e segunda peças difere de um fator pelo menos igual a 1,5 no estado metalúrgico utilizado, quando da soldagem para a espessura 10 soldada.

A ligação soIdada, de acordo com a invenção, apresenta vanta- josamente um alongamento de pelo menos 1,5 °/) e, de preferência, de pelo menos 2,5 °/) para um comprimento de extensômetro LO = 80 mm e/ou uma resistência à ruptura Rm igual a pelo menos 46 °/) e, de preferência, a pelo 15 menos 48 °/) da resistência à ruptura da peça que apresenta a resistência à ruptura a mais elevada.

As ligações soldadas, segundo a invenção, são vantajosas em particular para a realização de painéis ou de perfilados destinados à fabrica- ção de veículos de transporte.

Em particular, as Iigações, de acordo com a 20 invenção, são úteis para a fabricação de veículos ferroviários, de veículos de transporte público, de transporte marítimo, de veículos automóveis e de veí- culos aéreos.

As ligações soldadas, segundo a invenção, encontram aplica- ções particularmente vantajosas na construção aeronáutica, no que se refere à fabricação de elementos de estrutura.

O termo "elemento de estrutura" se 25 refere a um elemento utilizado em construção mecânica para o qual as ca- racterísticas mecânicas estáticas e/ou dinâmicas têm uma importância parti- cular para o desempenho e a integridade da estrutura, e para o qual um cál- culo da estrutura é geralmente prescrito ou efetuado.

Trata-se tipicamente de uma peça mecânica cuja falha é capaz de colocar em perigo a segurança 30 dessa construção, de seus usuários, ou de terceiros.

Para um avião, esses elementos de estrutura compreendem notadamente os elementos que com- põem a fuselagem (tais como o revestimento de fuselagem (fuselagem skin,

em inglês), os enrijecedores ou longarinas de fuselagem (stringers), as divi- " sórias estanques (bulkheads), as armações de fuselagem (circunferencial frames), as asas (tais como o revestimento de velame (wing skin), os enrije- cedores (stringers ou stiffeners), (as nervuras (ribs) e longarinas (spars) e a 5 empenagem composta notadamente de estabilizadores horizontais e verti- cais (horizontal ou vertical stabilisers), assim como os perfis de piso (floor beams), os trilhos de bancos (seat tracks) e as portas.

EXEMPLOS Exemplo 1 10 Nesse exemplo, realizaram-se linhas de soldagem por fricção de mistura. Determinou-se a velocidade de soldagem ótima, a velocidade de rotação ótima e a energia de soldagem para chapas de espessura 40 mm . em liga AA2050 no estado T351 e em liga AA7449 no estado T6, para uma espessura de soldagem de 20 mm, como auxílio de uma ferramenta cônica 15 com 3 superfícies planas na parte superior a 120 ° profundos de 0,5 mm, cujas características geométricas em corte transversal são dadas na figura 2 (cotas indicadas em mm), sobre uma máquina MTS lstir®. Uma usinagem de 0,2 mm foi feita de ambos os lados das chapas para eliminar os óxidos de superfície. As condições ótimas correspondem à velocidade de solda- 20 gem a mais elevada que pode ser atingida, obtendo uma qualidade de SoI- dagem satisfatória tanto em corte (em particular sem porosidades, ver a figu- ra 4), quanto em superfície (em particular sem flashs, ver a figura 3)- Os re- sultados obtidos são dados na tabela 1. Tabela 1: condições de soldagem por fricção de mistura ótimas Liga Esp. Esp. Biná- Força Velocida- Velocida- Energia Cha- Sol- rio aplica- de de ro- de de a- de sol- pa dada (N.m) da F tação vanço dagem (mm) (MM) (KN) (rpm) (mm/min) (j/m) 2050- 40 20 250 66 230 190 1,9 10' T351 7449- 40 20 170 55 250 55 4,85 10' T6

EXEMPLO 2 Nesse exemplo, tentaram-se soldar por fricção de mistura com a mesma máquina e a mesma ferramenta que no exemplo 1 chapas em liga AA2050 no estado T351 com chapas em liga AA7449 no estado T6. As cha- pas estavam fixadas sobre a mesa de soldagem como auxílio de 3 flanges de cada lado. A velocidade de soldagem e a velocidade de rotação da fer- ramenta foram mantidas constantes em regime permanente. Os parâmetros utilizados para os diferentes testes são fornecidos na tabela 2, assim como os resultados obtidos. Tabela 2. Testes de soldagem por fricção de mistura à velocidade de avan- ço constante. n° Lado Lado Velocida- Velocida- Força Aspecto Compaci- tes- avan- retira- de de de de aplica- de super- dade da te ço da rotação avanço da ficie junta da ferra- (mm/min) menta (rpm) 1 2050 7449 350 50 55 Defeituoso Boa 2 2050 7449 250 50 55 Defeituoso Boa 3 2050 7449 350 100 55 Defeituoso Boa 4 2050 7449 200 50 55 Defeituoso Boa 30 2050 7449 250 100 55 Defeituoso Boa 8 7449 2050 250 50 50 Bom Defeituosa 10 7449 2050 250 70 55 Bom Defeituosa 19 7449 2050 300 70 55 Parada - Parada - limite má- limite má- quina quina 25 7449 2050 250 70 60 Bom Defeituosa 26 7449 2050 250 70 57 Bom Defeituosa A figura 3 representa um corte da soldagem obtida para o teste

1. A compacidade da junta é boa, mas são observados numerosos defeitos em superfície denominados "flashs" 30. A figura 4 é um corte da soldagem obtida para o teste 2. A qualidade de superfície é satisfatória (ausência de flashs), mas a compacidade da junta é defeituosa: observam-se numerosas porosidades na zona 31.

Exemplo 3 b

Nesse exemplo, realizaram-se soldagens por fricção de mistura, de acordo com a invenção, com a mesma máquina e a mesma ferramenta que nos exemplos 1 e 2 de chapas em liga AA2050 no estado T351 com 5 chapas em liga AA7449 no estado T6. As chapas estavam fixadas sobre mesa de soldagem como auxí- lio de 3 flanges de cada lado.

A chapa em liga 2050 T3 estava disposta do lado avanço e aquela em liga 7449 T6 do lado retirada.

Os parâmetros utili- zados para os diferentes testes foram fornecidos na tabela 3, assim como os 10 resultados obtidos.

As figuras 6, 7 e 8 mostram um extrato do registro da medida do binário e da velocidade de avanço para os testes 41, 46 e 48, respectivamente.

Tabela 3: testes de soldagem por fricção de mistura à velocidade de avanço pulsada. n° i T Vl Tl i V2 T2 Vel. de Aspec- Com- tes- i (seg) (mm/min) (sec) I (mm/min) (sec) rotação to de paci- te I I da fer- super- dade ramenta fície da jun- (rpm) ta 41 I 3,8 100 _ 1,8 J 0 2 250 Bom Boa 46 l 3,8 100 1,8 )0 2 300 Correto Correta 48 I 3,8 110 1,65 I 25 1,5 250 Correto Boa

15 Os melhores resultados foram obtidos para o teste 41. A figura 5 é um corte da soldagem obtida para o teste 41. Ela é caracterizada pela ausência de flashs e por uma compacidade satisfatória.

Para o teste 46, a presença de alguns flashs foi observada, assim como alguns defeitos de compacidade, todavia essas características são julgadas corretas.

Para o 20 teste 48, o aspecto de superfície é correto (presença de alguns flashs) e a compacidade da junta é boa.

A figura 6 mostra que o binário medido para o teste 41 é estável e reprodutível para cada ciclo, o que indica que a solda- gem pode ser realizada sem dificuldade em um comprimento considerável.

As figuras 7 e 8 mostram que os binários medidos para os testes 46 e 48 25 são menos estáveis que no caso do teste 41, o que indica que dificuldades poderiam ser encontradas para uma soldadura de grande comprimento.

As características mecânicas estáticas dos testes 2 e 41 foram " medidas (comprimento de extensômetro LO = 80 mm), após um revenido pós-soldagem de 18 horas a 155 °C e são reportadas na tabela 4. As carac- terísticas mecânicas de amostras não soldadas em liga 2050 e 7449 no 5 mesmo estado metalúrgico são também apresentadas na tabela 4. O alon- gamento atingido é muito mais elevado do que para a ligação realizada se- gundo o processo da invenção. ObseNa-se também um aumento significati- vo da resistência à ruptura.

Tabela 4. Características mecânicas estáticas medidas para os testes 2 e 41.

| n° Teste I RpO.2 (MPa) I Rm (MPa) |A(%) I Rm(soldado) I / Rm 7449 2050 T8 520 549 11,58 7449 T79 602 634 12,02 2 254 267 0,4 42 °/, 41 244 312 2,7 49 °/, Exemplo 4 Nesse exemplo, soldaram-se por fricção de mistura nas condi- ções definidas no teste 41 chapas em Iiga AA2050 no estado T8 com chapas em liga A,A7449 no estado T6. Duas condições de revenido foram utilizadas 15 para atingir no estado T8, as condições indicadas na tabela 5. Tabela 5. Testes de soldagem realizados com diferentes revenidos pré- e pós-soldagem n° Teste Chapa lado avanço Chapa lado retirada Revenido pós-soldagem 57 7449 - T6 18horasa155°C 51 2050 - T8 (revenido 7449 - T6 1Ohorasa155°C 8horasa155°C) 54 2050 - T8 (revenido 7449 - T6 1Ohorasa155°C 8horasa155°C) Para os três testes 51, 54 e 57, as soldagens obtidas apresenta- 20 ram um bom aspecto de superfície, assim como uma compacidade satisfatória. As características mecânicas obtidas (comprimento de extensô-

metro LO = 80 mm) são apresentadas na tabela 6. Tabela 6. Características medidas para os testes 51, 54 e 57.

n° teste RpO,2 (MPa) Rm (MPa) A (%) Rm(soldado)/ Rm 7449 2050 T8 520 549 11,58 7449 T79 602 634 12,02 57 248 336 2,55 53 °/, 51 243 345 2,88 54 °/, 54 244 343 2,99 54 °6 Exemplo 5 Nesse exemplo, determinou-se ou estimou-se por comparação com outras Iigas a velocidade de soldagem ótima, a velocidade de rotação ótima e a energia de soldagem para chapas de espessura 13,5 ou 16 mm em liga AA2022 no estado T851, em liga AA7040 no estado T6 em liga A- A7749 no estado T6, para uma espessura de soldagem de 13,5 ou 16 mm. As condições ótimas correspondem à velocidade de soldagem a mais eleva- da que pode ser atingida, obtendo-se uma qualidade de soldagem satisfató- ria tanto em corte (em particular sem porosidades, ver a figura 4), quanto em superfície (em particular sem flashs, ver a figura 3). Os resultados obtidos são dados na tabela 7 Tabela 7: condições de soldagem por fricção de mistura ótimas Liga Esp Cha- Esp Binário Velocidade Velocidade Energia de pa (mm) soldada (N-m) de rotação de avanço soldagem (mm) (rpm) (mm/min) (j/m) 2022- 16 16 185* 200* 100* 2,32 10'* T851 7040-T6 16 16 170* I 230 100 46 106* 7449-T6 13,5 13,5 123 r270 90 32 106* *: valor estimado.

Claims

REIVINDICAÇÕES +

1. Processo de soldagem por fricção de mistura de pelo menos uma primeira peça em uma liga metálica A com pelo menos uma segunda peça em uma Iiga metálica B dissemelhante, no qual: 5 - se colam essas primeira e segunda peças; - com o auxílio de uma ferramenta em rotação que se desloca com uma velocidade denominada velocidade de avanço se realiza uma junta entre essa primeira e essa segunda peça; caracterizado pelo fato de essa velocidade de avanço apresen- lO tar em regime permanente pelo menos dois modos alternados, um primeiro modo no qual se utiliza uma primeira velocidade de avanço média Vl e um segundo modo no qual se utiliza uma segunda velocidade de avanço média V2, as velocidades Vl e V2 sendo significativamente diferentes, tipicamente de pelo menos 20 °/) e, de preferência, pelo menos 30 °/) da mais elevada 15 das velocidades de avanço a mais baixa das velocidades de avanço poden- do ser nula.

2. Processo, de acordo com a reivindicação 1, no qual a diferen- ça entre Vl e V2 é pelo menos igual a 30 mm/min.

3. Processo, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, no qual esse 20 primeiro e esse segundo modos são alternados no meio de um ciclo cuja duração T é inferior a 15 segundos e, de preferência, está compreendida entre 0,1 e 10 segundos.

4. Processo, de acordo com a reivindicação 3, no qual o primeiro modo é mantido por uma duração Tl e o segundo modo é mantido por uma 25 duração T2, Tl e T2 sendo pelo menos igual a 20 °/) da duração T.

5. Processo, de acordo com a reivindicação 4, no qual os parâ- metros Tl, T2 expressos em segundo e Vl, V2, expressos em mm/s obe- decem à relação: 1 ", (T1V1 - T2V2)' " 400.

30 6. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, no qual se determina para cada uma dessas peças uma velocidade de avanço ótima e no qual a velocidade de avanço médio de soldagem V em regime permanente está compreendida na faixa definida pela velocidade de + avanço ótima da peça que requer a energia de soldagem a mais elevada mais ou menos de 20 °/,.

7. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 5 a 6, no qual a velocidade de rotação da ferramenta é sensivelmente constan- te em regime permanente.

8. Processo, de acordo com a reivindicação 7, no qual se deter- mina para cada peça considerada isoladamente uma velocidade de rotação da ferramenta ótima e no qual a velocidade de rotação da ferramenta está 10 compreendida na faixa definida pela velocidade de rotação da ferramenta ótima da peça que requer a energia de soIdagem a mais elevada mais ou menos de 20 °/,.

9. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 8, no qual a peça que requer a energia de soldagem a mais elevada é co- 15 locada Lado retirada.

10. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 9, no qual essa primeira peça é em liga de alumínio.

11. Processo, de acordo com a reivindicação 10, no qual essa segunda peça é em liga de alumínio. 20

12. Processo, de acordo com a reivindicação 11, no qual a dife- rença entre Vl e V2 expressos em mm/mn é pelo menos igual a 600/e, na qual e é a espessura de soldagem expressa em mm.

13. Processo, de acordo com a reivindicação 11 ou 12, no qual essa primeira peça é em liga 7XXX e seu limite elástico é superior a 500 25 MPa no estado metalúrgico final.

14. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 11 a 13, no qual essa segunda peça é em liga alumínio-lÍtio.

15. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 14, no qual a espessura de soldagem está compreendida entre 1 e 40 mm, 30 e de preferência entre 10 e 30 mm.

16. Ligação soldada entre uma primeira peça e uma segunda peça em ligas metálicas, capaz de ser obtida pelo processo de soIdagem por fricção de mistura, como definido em qualquer uma das reivindicações 1 a " 15, caracterizada pelo fato de a energia de soldagem dessa primeira e des- sa segunda peças diferir de um fator pelo menos igual a 1,5 no estado meta- lúrgico, utilizado quando da soldagem e para a espessura soldada. 5

17. Ligação soldada, de acordo com a reivindicação 16, caracte- rizada pelo fato de seu alongamento ser de pelo menos 1,5 °/) e, de prefe- rência, de pelo menos 2,5 °/) para um comprimento de extensômetro LO = 80 mm e/ou sua resistência ser igual a pelo menos 46 °/) e, de preferência, a pelo menos 48 °/) da resistência à ruptura da peça, apresentando a resistên- lO cia à ruptura a mais elevada.

18. Ligação soldada, de acordo com a reivindicação 16 ou 17, caracterizada pelo fato de essa primeira peça ser em liga 7XXX e seu limite clássico ser superior a 500 MPa no estado metalúrgico final.

19. Ligação soldada, de acordo com qualquer uma das reivindi- . 15 cações 16 a 18 , caracterizada pelo fato de essa segunda peça ser em liga alumínio4ítio.

20. Elemento de estrutura para a construção aeronáutica, com- preendendo uma ligação, como definida em qualquer uma das reivindica- ções 16 a 19.