Um dos muitos processos a vácuo para se tomar nota atualmente é a soldagem por difusão (também conhecido como ligação por difusão ou ligação por termocompressão). Esta tecnologia, ainda que altamente especializada, continua a ganhar popularidade com engenheiros de projetos e está encontrando mais aplicações por toda a cadeia de produção. Vamos aprender mais um pouco.
Processos
Existem muitos tipos de soldagem por difusão exigindo uma variedade de perfis térmicos (Fig. 1). Estes podem ser caracterizados como apresentado a seguir.
Soldagem por Difusão em Estado Sólido
Uma soldagem em estado sólido pode ser definida como um método no qual duas ou mais peças combinadas são unidas sem o uso de uma camada de interface (sem a aplicação de um material entre as peças aplicado por chapeamento, deposição de íons (sputtering), implantação de íons ou brasagem, ou na forma de lâmina). A interface resultante deve ser ligada no ponto de fusão ou abaixo de cada material base ou qualquer resultante eutético que possa se formar (Tligação<Tponto de fusão).
Tipicamente, pode-se reparar em um aumento de 50% ou mais no tamanho do grão. A deformação total da peça deve ser da ordem de 2-4% para atingir a maior qualidade de selagem hermética. A especificação da deformação significa que cargas consideráveis (isto é, unidade de força normal) devem ser aplicadas às superfícies de soldagem de maneira a alcançar os resultados apropriados.
Soldagem por Difusão Ativada
No método de soldagem por difusão, as superfícies a serem conectadas são revestidas por um material sólido, tipicamente com um diâmetro atômico menor e uma maior pressão de vapor do que a do material base. A ligação resultante é alcançada pela presença da difusão/taxa de transporte de massa do material secundário. O processo ocorre abaixo ou no ponto de fusão de cada material base ou de qualquer resultante eutético que pode se formar (Tligação<Tsolubilidade do segundo material).
A soldagem por difusão ativada é normalmente executada em materiais que sofrem desvantagens em tensão devido ao crescimento de grão ou estruturas que não podem ser extremamente deformadas. Peças que possuem acabamentos de superfície inadequados, materiais que são degradados por crescimento de grão (por exemplo, superligas a base de níquel e cobalto) ou ligações que exigem valores de selagem hermética extremamente baixos, são tipicamente ligados por este método. Isto é particularmente verdade quando a estrutura contém passagens muito pequenas embutidas que podem se conectar ou bloquear o método se baseando em líquido gerado durante a operação.
Soldagem por LID (Liquid Interface Diffusion, Difusão com Interface Líquida)
Neste método de soldagem, um material secundário é propositadamente colocado na interface com a intenção de que se fundirá e produzirá um líquido durante a operação (similar à brasagem convencional), mas deve ser enfatizado que existem diferenças significativas entres os dois processos.
Especificamente, a interface inicial no processo é normalmente muito fina – na ordem de 3,81 microns de espessura. Por comparação, uma junta brasada típica normalmente possui 38,1 microns de espessura no mínimo. Porque a espessura inicial é tão fina, é também normal que o segundo material seja quase completamente difundido para a rede do material base durante o processo. O líquido flui por entre as asperezas da superfície, ajudando a minimizar os vazios que podem ser causados pelas partes com mau acabamento de superfície ou defeitos menores (como rebarbas).
Em uma junta brasada (Fig. 2), a microestrutura costuma mostrar uma camada definida da química da liga brasada e possui filetes nas interfaces exteriores em cada camada. A resistência resultante da junta brasada por difusão e a produzida por LID podem variar em quantidades substanciais. Isso se deve a quantidade relativa da verdadeira superfície base-base a ser ligada. E também, a camada adiciona por LID pode ser selecionada para promover a formação de um eutético com o metal base de modo que a temperatura da ligação possa ser diminuída para um pouco acima do eutético do sistema resultante (Tligação>Teutético ou Tliquidus do segundo material).
A taxa de difusão resultante ocorre a 3 a 5 vezes a ordem de magnitude mais rápido do que a soldagem por difusão em estado sólido. Portanto, a LID pode ser aplicada mais rapidamente em menor energia de deformação do que os processos no estado sólido ou por difusão ativada. O processo LID é usado para peças grandes com geometrias contendo grandes passagens internas – além de 3,175 mm. O processo LID é também aplicado quando o risco das passagens se conectarem for uma preocupação ou quando a peça possui um tamanho que não haja força mecânica suficiente disponível de uma ferramenta de expansão diferencial ou sistemas hidráulicos/carneiro hidráulico para alcançar uma boa ligação.
Uma junta formada por LID pode ser bem fina e produzir excelentes interfaces de difusão com o material base. Este tipo de soldagem pode ser usado diretamente junto a passagens que são muito pequenas, como 0,16 mm x 0,16 mm, com um risco muito menor de se conectarem. A verdadeira quantidade de líquido que é gerada pode ser controlada usando taxas de rampa devagares – 18°C/hora, por exemplo. Mesmo em pressões até 2.760 kPa (400 psi) em unidades normais de tensões ocorre muito pouca deformação do metal base (menos que 0,1%) , e apenas uma pequena porcentagem da liga é deslocada.
Soldagem por Difusão com TLP/TLID (Transient Liquid Phase, Fase Líquida Transiente)
TLP envolve superfícies que podem ser parecidas em qualidade e química com a camada fina do processo LID, mas o processo evita que o líquido seja realmente formado em uma quantidade significante (isto é, retarda a formação de fundido da liga brasada ao controlar o eutético formado in-situ). Como resultado, o risco das passagens menores se conectarem pode ser substancialmente reduzido enquanto permite uma soldagem bem sucedida das peças que podem ter um acabamento superficial inadequado.
Taxas de aquecimento menores podem ser contínuas acima da temperatura solidus do segundo material até temperaturas bem acima da temperatura liquidus do sistema de interface fornecido de modo que a máxima temperatura nunca exceda o ponto de fusão incipiente do metal base.
Resumo
Soldagem a vácuo pode ter feito grandes avanços nos últimos anos e é uma tecnologia que engenheiros de projeto e responsáveis por tratamento térmico necessitam conhecer mais. Limitações do passado como materiais impuros, superfícies de contato não homogêneas e um projeto de equipamento insuficiente (como pressão de produção não homogênea) foram superados, e o resultado é um processo robusto merecedor de consideração.
Referências
[1] Herring, Daniel H., Vacuum Heat Treatment, Volume II, BNP Media, 2016;
[2] Hubele, Norm, Refrac Systems (www.refrac.com), technical and editorial contributions and private correspondence.
