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Métodos de união de materiais para ligas de alumínio automotivas

Pesquisador brasileiro da Universidade de Aachen (RWTH), na Alemanha, avalia as opções de processos já disponíveis e em estudo
Escrito por Pedro Bamberg

Nos últimos anos, a tendência de redução de peso dos veículos vem sendo discutida em diversos países. O debate inclui a maior aplicação de ligas de alumínio em estruturas veiculares, viabilizando o alcance de melhores índices de consumo de combustível e emissões de gases poluentes, além de maior autonomia da bateria dos veículos elétricos.

Nos mercados que são referência na indústria automotiva, como Alemanha, Estados Unidos e, atualmente, China, já é possível encontrar veículos cujas estruturas são 100% construídas com ligas alumínio, substituindo as ligas de aço. Entre os exemplos estão o body in white (BIW) – etapa da fabricação em que a carroceira é unida – painéis, reforços, entre outros. No entanto, vale perguntar: o quão complexa é essa transição?

Opções de mercado
Há diversos tipos de alumínio disponíveis no mercado. As ligas laminadas a frio são as mais utilizadas nessas aplicações, sendo classificadas entre as famílias 1000 e 8000, de acordo com os elementos químicos que as compõe.

Algumas características são comuns entre elas e bem conhecidas, como a baixa densidade, alta resistência à corrosão salina e alta versatilidade. Soma-se a isso a possibilidade de tratamentos térmicos e mecânicos.

No entanto, há propriedades físico-químicas que podem representar grandes desafios para as aplicações estruturais automotivas, principalmente no que tange a soldabilidade e união de materiais. Atualmente, as ligas de alumínio utilizadas neste contexto se limitam às famílias 5000 e 6000. A primeira série inclui as ligas de alumínio-magnésio não tratáveis termicamente, cuja resistência mecânica pode chegar aos 290 MPa. A segunda contempla ligas de alumínio-magnésio-silício tratáveis termicamente, cuja resistência mecânica pode chegar aos 350 Mpa.

Características da soldagem
Em geral, as ligas de alumínio apresentam alta condutividade térmica e elétrica. Nos processos de união por fusão, é necessário um aporte térmico maior para concentrar calor o suficiente nas regiões a serem unidas.

Além disso, as ligas de alumínio possuem um alto coeficiente de expansão/dilatação, possibilitando o surgimento de trincas de solidificação, sendo necessário rotinas de soldagem mais complexas, em alguns casos; ou impossibilitando a uniãopor processos de fusão, em outros.

Outra característica importante é a baixa solubilidade de alguns elementos ligantes nas fases sólidas do alumínio em temperatura ambiente, após a solidificação, como o zinco, o silício e o magnésio, em alguns casos. Como consequência, algumas ligas tendem a apresentar micro segregação de elementos nos interstícios dendríticos, ao invés de formar fases eutéticas. Isso ocorre após determinados processos de soldagem, como a solda a arco, a laser ou por resistência elétrica, o que fragiliza a união e desenvolve trincas de corrosão sob tensão.

Por fim, a soldagem de diferentes ligas de alumínio pode resultar em fases microestruturais complexas, cujas características necessitam de estudo e validação.

Estado da arte
Apesar das características elencadas quanto à inclusão das ligas de alumínio em estruturas veiculares, há processos de união de materiais que conseguem lidar com os desafios e vêm sendo aplicados na linha de produção automotiva com sucesso. Veja abaixo alguns exemplos:

  • Soldagem a laser: esse processo é considerado o mais rápido, preciso e de alta qualidade na união de chapas estruturais de alumínio na indústria automotiva. Esses fatores se devem a diversos motivos, como a alta potência disponível e o controle preciso tanto do arco elétrico, quanto do aporte térmico. Na soldagem de componentes de pequena espessura, os processos a laser conseguem gerar calor suficiente para a fusão do material restrito ao local de união desejado, evitando o superaquecimento de regiões vizinhas e estabelecendo uma distribuição de temperatura adequada, evitando distorções e trincamentos. Os cordões de solda gerados são de alta qualidade microestrutural. As desvantagens incluem altos custos de implementação e manutenção, além de exigir mão de obra especializada e, por fim, em alguns casos, a necessidade de criação de vácuo.
  • Rebites auto-penetrantes (self-piercing rivets – SPR): trata-se de um processo a frio que consiste na inserção de rebites auto penetrantes através de duas ou mais chapas metálicas, fixando-as. Uma vez que possui poucas restrições quanto ao tipo de material utilizado como substrato, a união por SPR é, atualmente, um dos principais processos na fabricação de estruturas veiculares para a união de ligas de alumínio e MMD (juntas de materiais mistos, da sigla em inglês, multi material design). As características positivas incluem a dispensa de pré-furos nas chapas, ausência de aporte térmico, simplicidade da operação e fácil automatização. Como desvantagem, há o custo e peso adicional associado aos rebites inseridos, a dificuldade de unir substratos de alta resistência por danos aos componentes e possível propagação de trincas, bem como a tendência ao relaxamento da junta no longo prazo.
  • Solda a ponto por resistência (resistance spot welding – RSW): esse processo é conhecido por sua agilidade, facilidade de automatização e alta robustez, seja para replicar pontos de solda com qualidade altamente controlada ou sobrepor problemas de tolerância geométrica da produção, como gaps e desalinhamentos. Graças ao desenvolvimento das fontes de corrente contínua de frequência média (1000 Hz MFDC) e de unidades de força com cargas superiores, a soldagem por resistência de ligas de alumínio tornou-se bastante viável. Por conta da alta condutividade elétrica e térmica, a corrente necessária para gerar calor na interface de união das chapas de alumínio é cerca de três vezes maior do que na soldagem do aço. Por este motivo, o tempo de soldagem é menor (aço: de 300 a 400 ms; alumínio: aproximadamente 150 ms). Por conta do calor elevado e de reações eutéticas entre os componentes das ligas de alumínio (Al, Mg, Si) e o cobre dos eletrodos, a vida em serviço deste último é significativamente reduzida. Se comparada com a soldagem do aço, o tempo médio requerido pelas normas para a troca das capas dos eletrodos na soldagem por resistência de ligas de alumínio é de, no mínimo, 60 pontos de solda, enquanto para o outro material é de, no mínimo, 300. Esse fator tem impacto direto no tempo na linha de produção, visto que as capas dos eletrodos precisam ser fresadas ou lixadas após esses intervalos informados. O último ponto trata-se da força aplicada pelos eletrodos nas chapas, que é cerca de duas vezes maior para o alumínio do que para o aço, com o intuito de conter a maior expansão térmica do primeiro, evitando trincas.
  • Adesivos estruturais: essa aplicação utilizada na união de ligas de alumínio é muito interessante, visto que se trata de um processo sem adição de calor. Os adesivos estruturais são reforços importantíssimos, podendo ser aplicados sozinhos ou em combinação com outros processos, como solda por resistência e SPRs. Grandes vantagens são obtidas com relação à resistência mecânica atingida pela junta na solicitação por cisalhamento, no isolamento químico e acústico do flange, além da alta resistência à fadiga mecânica. Na outra direção, a necessidade prévia de preparação das superfícies e o tempo de cura dos adesivos o tornam um processo mais lento. Adicionalmente, a baixa resistência dos adesivos estruturais ao esforço de peeling (descascamento) limita as áreas e tipos de juntas em que podem ser aplicados. Por fim, pelo fato de as propriedades mecânicas das juntas unidas por adesivos estruturais serem bastante sensíveis aos seus parâmetros geométricos, como espessura da camada adesiva e comprimento de sobreposição das chapas, o processo exige um controle avançado de deposição, não sendo possível, em muitos casos, a aplicação manual, bem como um posicionamento geométrico bastante preciso das peças a serem unidas.

Tanto a união de ligas leves, como as de alumínio, quanto os processos de união desses materiais nas estruturas veiculares têm grande relevância no planejamento de novos veículos mais eficientes, com menor consumo de combustível e emissão de gases poluentes. Apesar da maior complexidade, se comparadas às ligas de aço, as de alumínio já conseguem ser integradas nos designs de estruturas veiculares, uma vez que há métodos de união aptos para tal e em desenvolvimento para não só inovar, como também melhor atender os requisitos automotivos em cenários de curto, médio e longo prazo.

O que está por vir
Depois de conhecer o cenário atual dos mercados que são referência com relação a BIW e a fabricação de estruturas leves, veja abaixo o que ainda está em desenvolvimento neste setor:

  • Juntas híbridas de aço/alumínio (MMD): a união dissimilar de ligas de alumínio às de aço é uma importante aplicação que vem sendo constantemente pesquisada e discutida. As principais necessidades e interesses se dão por conta da possibilidade tanto de migração gradual do aço para o alumínio, quanto de combinação de propriedades mecânicas avançadas de aços de alta resistência com o baixo peso e melhor resistência à corrosão das ligas de alumínio. Podendo, desta maneira, compor combinações veiculares importantes, como barras e reforços estruturais de aço com painéis externos de alumínio. Essa união dissimilar já é efetuada por meio de métodos a frio ou de baixo aporte térmico, como a soldagem por fricção (encontrada na literatura inglesa como friction stir welding – FSW), a união por adesivos estruturais, SPR, dentre outros. No entanto, por meio dos processos de alto aporte térmico (soldagem a laser, a arco elétrico, a ponto) utilizados na indústria automotiva, são encontrados desafios por conta das relevantes diferenças dos dois materiais quanto a ponto de fusão, condutividade e dissimilaridades químicas, levando a formação de fases intermetálicas frágeis (diversas variações de Al-Fe). Os estudos atuais propõem o controle das dimensões dessas fases intermetálicas por meio de processos híbridos, parametrizações especiais ou componentes adaptados, ou mesmo a inserção de elementos especiais, como o silício, a fim de criar compostos atómicos não frágeis, reduzindo ou mesmo eliminando as fases mencionadas.
  • Reforços com compósitos poliméricos de fibra de carbono (CFRP): componentes e placas de CFRP já são conhecidas por oferecerem a veículos da Fórmula 1 e aeronaves, propriedades mecânicas estruturais mais elevadas do que as do aço associadas a um peso inferior ao das ligas de alumínio. Por se tratar de compósitos poliméricos, a sua união se limita aos processos de baixo aporte térmico ou a frio.
  • Integração de componentes estruturais de alumínio fundido: seguindo a mudança experimentada pelas carcaças de transmissão, blocos e cabeçotes de motores, alguns componentes fundidos também estão começando a serem feitos com alumínio, como componentes estruturais da suspensão, estruturas dos eixos (front, cross and side member)e invólucro dos amortecedores (spring house). Tal medida representa uma nova e grande redução do peso veicular. No entanto, alumínio fundido e alumínio conformado a frio tratam-se de materiais dissimilares, tanto por sua constituição e características químicas, quanto por suas características microestruturais. A união de componentes de alumínio fundido convencionais é feita por aparafusamento, como as mencionadas carcaças de transmissão e bloco de motor. No entanto, nas aplicações em questão trata-se da união dos novos componentes fundidos com itens estruturais do veículo, como o BIW, barras de reforço, paralamas etc. Deste modo, os processos de soldagem devem unir além de materiais dissimilares, componentes de espessuras significativamente diferentes. Atualmente, encontram-se na literatura ou em estudo validações da aplicação com soldagem a laser, a arco e por resistência.
  • Ligas de Alumínio – Zinco: a série 7000 das ligas de alumínio é conhecida pela sua elevada resistência mecânica, chegando a ser comparada com aços de alta resistência, como os dual phase (DP), por exemplo. A sua aplicação como componentes estruturais das fuselagens de aeronaves é encontrada na literatura desde a década de 70. A inserção das ligas AW-7075 como reforços das estruturas veiculares amplia ainda mais o leque de possibilidades das estratégias de redução de peso por meio do alumínio, além oferecer elevada rigidez estrutural. No entanto, é sabido que essas ligas apresentam grandes desafios para os processos de soldagem de alto aporte térmico, por conta de ocorrências de microssegregação, corrosão sob tensão, formação de trincamento a quente e fragilização da estrutura, sendo unidas por FSW, SPR e rebitagem aeronáutica. Atualmente, já é possível encontrar as primeiras investigações e trabalhos de validação através da soldagem a laser e a ponto.
Pedro Bamberg, pequisador da área de união e soldagem de materiais com foco em inovacões para o desenvolvimento de novas estruturas leves de alumínio. Atua no instituto de pesquisa ISF, vinculado à Universidade de Aachen (RWTH), na Alemanha.

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