O processo de Friction Stir Welding (FSW), ou a solda por fricção linear, sempre foi considerado lento demais para a produção em larga escala. Mas parece que o jogo virou. Recentes desenvolvimentos do Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) alcançaram uma técnica dez vezes mais rápida do que as atuais de FSW, correspondendo – pela primeira vez – aos requisitos de uma linha de montagem de grande volume.
A pesquisa foi feita em uma parceria com a TWB Company LLC, General Motors e Alcoa, esta responsável por fornecer as chapas de alumínio necessárias para os testes. A técnica pode ser usada para unir chapas de alumínio de diferentes espessuras, chave para a produção de autopeças que são leves e retêm a força onde ela é mais necessária. “Aqui no PNNL nós
aumentamos o processo de FSW de menos de um metro por minuto para três e além”, informa Yuri Hovanski, engenheiro da PNNL responsável pelo projeto e especialista em FSW.
Como exemplo prático, ele sinaliza que os resultados alcançados no laboratório apresentaram que seria possível uma montadora economizar cerca de 6 dólares ao fabricar o painel interno de uma porta. “Em uma Ford F-150, por exemplo, que tem duas ou quatro portas. Entre 12 e 24 dólares de economia por modelo, em 750 mil veículos por ano, é uma economia incrível em um carro que, ainda por cima, é mais leve e tem melhor performance do que as outras opções. Essa é uma das situações em que a montadora realmente economiza dinheiro ao fazer a escolha pelo veículo mais leve”, aponta o pesquisador.
VANTAGENS
Desenvolvida em 1991, pelo britânico The Welding Institute, a solda por fricção linear é um processo aplicável à indústria aeroespacial, construção naval, aviões e indústrias automotivas. Trata-se de um processo de união no estado sólido, que une duas superfícies através de uma ferramenta cilíndrica,com uma cavilha de forma adequada, que é rotacionada e vai lentamente imergindo na área da junta entre duas peças metálicas.
O material é amolecido abaixo da temperatura de fusão e permite o avanço da ferramenta ao longo da linha de soldagem. “É um processo que nos permite unir dois materiais sem a necessidade de fundi-los, apenas deixando-os ‘amolecidos’. Dessa forma fica mais fácil para unir os materiais, que podem ser dissimilares. No caso do alumínio, evitamos a complexidade de trabalhar com ele derretido”, explica Hovanski.
Doug Richman, presidente do comitê técnico do grupo de transporte de alumínio, da Aluminum Association, reforça as vantagens da aplicação da técnica: “É um processo de união particularmente adequado para ligas de alumínio. Consequentemente, este método de união tem ganhado um interesse significativo na indústria automotiva”, afirma.
Resultados da técnica de FSW do PNNL demonstraram que seria possível uma montadora economizar cerca de 6 dólares ao fabricar o painel interno de uma porta
Em longo prazo, o investimento nesses novos processos pode garantir economia para as montadoras e veículos feitos a partir de diferentes materiais, garantindo melhor desempenho. “O trabalho para melhorar essas práticas de soldagem é de extrema importância para a indústria. Os resultados têm sido positivos e ainda há muito a ser aprimorado”, afirma Yuri Hovanski, engenheiro no Pacific Northwest National Laboratory, nos EUA, e especialista em Friction Stir Welding (FSW).
A KUKA Systems, empresa alemã especializada em processos de união e fornecedora de soluções, reforça a opinião de Hovanski, apontando que “comparado com os sistemas TIG ou laser, a FSW é o sistema mais barato para soldar, economizando de 20% a 200% em custos. A principal oportunidade é reduzir o número de peças de montagem e simplificar as geometrias nas peças fundidas ou brutas feitas sob medida”.
SAINDO NA FRENTE
Yuri Hovanski, do PNNL, participou de pesquisas relacionadas a solda por fricção linear por mais de uma década, estudando a formação da solda, o crescimento anormal de partículas e a influência de microestruturas e textura pós-solda nas propriedades mecânicas.
Em longo prazo, o investimento nesses novos processos pode garantir economia para as montadoras e veículos feitos a partir de diferentes materiais, garantindo melhor desempenho. “O trabalho para melhorar essas práticas de soldagem é de extrema importância para a indústria. Os resultados têm sido positivos e ainda há muito a ser aprimorado”, afirma Yuri Hovanski, engenheiro no Pacific Northwest National Laboratory, nos EUA, e especialista em Friction Stir Welding (FSW).
A KUKA Systems, empresa alemã especializada em processos de união e fornecedora de soluções, reforça a opinião de Hovanski, apontando que “comparado com os sistemas TIG ou laser, a FSW é o sistema mais barato para soldar, economizando de 20% a 200% em custos. A principal oportunidade é reduzir o número de peças de montagem e simplificar as geometrias nas peças fundidas ou brutas feitas sob medida”.
Como surgiu a pesquisa?
Os livros já mostravam que isso era possível, mas ninguém tinha aplicado. Antes de 2010, a Audi trabalhava com um processo de FSW que produzia cerca de meio metro por minuto, em uma escala de produção menor. Pensamos em elevar esse volume em até dez vezes. Tecnicamente, já observamos a possibilidade de chegar a uma velocidade de solda de 15 metros por minuto.
Qual o próximo passo agora?
Agora estamos trabalhando com ligas de espessuras e forças diferentes – demonstrando a possibilidade de unir ligas como as 7xxx e as 5xxx ou 6xxx. Por exemplo, unindo uma liga 5xxx de 1 mm soldada em uma liga 7xxx de 2mm. Outra etapa é demonstrar a habilidade de fazer isso em soldas não apenas lineares, mas também curvilíneas, para trabalhar em painéis curvos.
Qual o cenário para o futuro da indústria?
Veremos o aumento de veículos com materiais híbridos, nos quais o alumínio será usado onde faz sentido. Com o alumínio conseguimos reduzir o peso, sem prejudicar a performance, pelo contrário. Além disso, acredito que no próximo ano empresas especializadas, como a TWB Company, estarão em condições de fornecer soluções em multiligas. Neste sentido, estamos
muito adiantados.
INVESTIMENTO
No Brasil, o IPT (Instituto de Pesquisas Tecnológicas) investiu, recentemente, em um equipamento de solda por fricção e passou a desenvolver projetos junto a entidades como a Embraer e também players do mercado automotivo, analisando a aplicação da tecnologia no mercado. Por não envolver fusão do material, é possível unir materiais dissimilares, como ligas distintas de alumínio, ou até mesmo alumínio e aço ou titânio.
“Além disso, a necessidade de inspeção final é bastante reduzida em relação a processos tradicionais de soldagem, uma vez que não existem contaminantes e nem fusão do material”, aponta Hugo Borelli Resende, diretor do Núcleo de Estruturas Leves do IPT. Para realizar os testes, é utilizado um equipamento específico de 5-eixos, eixo-ferramenta de 30 kW e força axial máxima de 80 kN, a única máquina deste porte no Brasil dedicada para pesquisa. “Esse é na verdade o diferencial do núcleo no que diz respeito à sua infraestrutura laboratorial”, explica Borelli, pois todas as máquinas são de produção, mas focadas em pesquisa. “Com isso, é possível as empresas desenvolverem protótipos em escala real, em um ambiente real de produção, e com isso avaliarem a viabilidade da produção em série”, conta.
LASER
Uma das marcas que firmaram o uso do alumínio em busca de excelência é a Audi. Recentemente, o modelo A8 passou a ser soldado duas vezes mais rápido graças ao investimento da empresa na solda remota a laser. Em parceria com a Trumpf, a marca apresentou as vantagens do processo durante o fórum Laser World of Photonics. Jan-Philipp Weberpals, representante da Audi em Sttutgart, revelou que a solda remota a laser, de partes de alumínio usando uma fonte de diodo 4kW da Laserline, foi capaz de completar nove soldagens de costura em apenas 12 segundos – metade do tempo gasto pela convencional soldagem a laser táctil. Não somente dobrou a velocidade da solda, e também é 25% mais eficiente energeticamente.
Outra vantagem, segundo a KUKA Systems, acontece ao soldar materiais de parede mais grossa, pois a tecnologia de solda a laser híbrida contribui para estabilidade, a velocidade e os custos do processo. Com isso não há, virtualmente, peças de desgaste, dado que é um processo de solda sem contato. Sendo assim, é possível um trabalho de funcionamento contínuo sem tempo adicional de limpeza, mudança do arame de solda, entre outros. “A interação perfeita entre os componentes de automatização e o controle da instalação supõe vantagens competitivas enormes para os clientes”, assegura a fabricante.
SOLDA A VAPOR
Uma equipe da Universidade de Ohio, comandada pelo professor de engenharia Glenn Daehn, desenvolveu uma técnica de solda por vaporização (Vaporized Foil Actuator) que usa 80% menos energia e cria uniões de metais 50% mais fortes. O processo ocorre pela alta tensão gerada por um banco de capacitores, que cria pulsos elétricos no interior da folha de alumínio e a faz se vaporizar em milissegundos. Com esta técnica, são os átomos dos metais que se ligam e, portanto, não criam uma “costura” na peça unificada. Até agora, a equipe já conseguiu soldar diferentes combinações de cobre, alumínio, magnésio, ferro, níquel e
titânio, além de uma solda entre aço e alumínio. A técnica já está disponível para licenciamento pela Universidade, mas os pesquisadores afirmam que é preciso desenvolver ainda mais o processo para torná-lo industrial.
FUTURO
De olho nas possibilidades, a Novelis investe em projetos iniciais de soldagem MIG da 6xxx com o Swiss Welding Institute (SWI) e também atua com a Trumpf no processo de união alu-alu para aplicações de chapas de calibre mais espesso. Nesta última, a parceria, que contou também com o trabalho da Sierre, inclusive, rendeu o prêmio Aluminium Awards em 2014 pelo trabalho com a solda remota a laser: uma aplicação para chapas de alumínio para automóveis com o objetivo de aumentar a produtividade.
“Uma das particularidades deste procedimento é em relação ao processo de união da liga 6xxx no que se refere à possibilidade de fissuras, o que geralmente acontece com esse tipo de liga quando soldada”, explica Hany Ahmed, líder de projetos para especialidades da Novelis, do Centro Global de Pesquisa e Tecnlogia de Kennesaw, nos EUA. A solução encontrada neste trabalho foi o desenvolvimento de uma liga de fusão (revestindo o núcleo da liga 6xxx) para evitar tais defeitos.
Fernando Wongtschowski, gerente de marketing, ressalta que essa postura estreita a relação com as montadoras “a fim de buscar parcerias para trazer para o país o know-how que a empresa já possui com o setor automotivo na Europa e EUA. O que consiste não só em técnicas de soldagem, mas no uso intensivo de laminados de alumínio a fim de que a indústria nacional possa alcançar melhores resultados em termos de emissões atmosféricas, consumo e economia de combustível”.
Por enquanto, as montadoras ainda não possuem a tecnologia em mãos para aplicar nos modelos de baixo custo, mas, com o aprimoramento dos processos, este futuro está cada vez mais próximo, como analisa Luiz Eduardo Lopes, responsável pelo Laboratório de Mecânicos e Estruturas do IPT: “A viabilidade será em função da redução de peso pretendida e das oportunidades para se compensar o custo do material com o uso de tecnologias de união mais simples e mais baratas, tais como soldagem por fricção”.
Solda remota a laser da Audi foi capaz de completar nove soldagens de costura em 12 segundos – metade do tempo gasto pela convencional soldagem
Analisando as vantagens que ambas as tecnologias oferecem para o setor automotivo, um dos caminhos que podem ser traçados no futuro é a junção do potencial da solda a laser com aquela feita por fricção. “Esta visão é sempre possível. Os clientes deveriam tentar”, apoia a KUKA Systems, que comprova a eficiência dos processos.
Da mesma forma, Yuri Hovanski acredita que a indústria terá apenas a lucrar com o investimento nas diferentes formas de soldagem. “Vemos as montadoras usarem o laser para processos de montagem, o que é barato e rápido, mas no caso de soldar partes que serão estampadas depois, o FSW é, de fato, mais recomendável. Então, o que acontece agora é o que veremos as montadoras fazendo: unindo essas duas forças”, diz.
