O Doutor sempre esteve intrigado pela inovação e capacidade de projetar dos engenheiros. Em nenhum outro lugar isso é melhor ilustrado quanto nos equipamentos utilizados para aplicações de soldagem por difusão. Estes esquemas mostram engenhosidade tão bem quanto habilidade para adaptar unidades de vácuo convencionais em uma tecnologia com desempenho comprovado. Vamos aprender mais.
Camadas de componentes empilhados multiplamente (Fig. 1) são comuns em aplicações para prensas quentes a vácuo (Fig. 2) que utilizam soldagem por difusão. Como muitos metais são facilmente oxidados, o processo acontece normalmente em fornos a vácuo especializados operando na faixa de 10-4 a 10-6 Torr ou em uma atmosfera com pressão parcial de hidrogênio. Sistemas de fornos para prensa a quente operam em temperaturas de 400-1230°C com até 30 toneladas de força de compactação ou maior. Sistemas especializados são capazes de estender a temperatura máxima de operação, pressão e níveis de vácuo.
O que nós sabemos de nossa discussão anterior sobre o processo é que a soldagem por difusão pode ocorrer não intencionalmente a qualquer momento em que as peças são mantidas em contato íntimo entre si em uma temperatura suficientemente alta que permita que a difusão Interatômica possa acontecer entre as superfícies. Soldagem por difusão em prensa quente a vácuo, no entanto, é um processo intencional e auxiliado tanto pela aplicação de temperatura quanto de pressão.
Geralmente, níveis de vácuo podem ser reduzidos aproximadamente, ou abaixo, do ponto de ebulição de qualquer um dos constituintes principais da liga presentes nos materiais que serão processados. Isso pode ser previsto por Diagramas de Ellingham (Industrial Heating do EUA, Abril 2011). A taxa de transporte de massa para o constituinte de maior pressão de vapor é utilizada para auxiliar na determinação de taxas de soldagem e controlar a sua qualidade.
Muitas operações de soldagem por difusão são conduzidas pela utilização de pesos mortos simples colocados em cima da carga de trabalho, a qual é então colocada dentro do forno em uma placa de base. Isso assegura que todas as superfícies de soldagem estejam em contato íntimo. Para mais espessas ou empilhadas onde a tensão residual pode estar presente desde operações anteriores de fabricação, contudo, um alívio de pressão natural ocorre sob aquecimento e frequentemente resulta em distorção não controlada. Nestas circunstâncias força, adicional é exigida para manter a planeza, tornando o uso de pesos mortos uma atividade impraticável.
Ao longo dos anos, a necessidade para maiores quantidades resultou no maior uso de métodos de usinagem que fazem uso de uma incompatibilidade de expansão diferencial ou de algum tipo de sistema de ativação de carga, como sistemas para diminuir a pressão ou pneumáticos/hidráulicos que podem ser usados para aplicar a quantidade de força necessária.
Com expansão diferencial ou assim chamado projeto de caged-tooling, as peças quase sempre sofrem do fato de que a carga máxima é aplicada antes de alcançar e temperatura máxima de soldagem. Isso pode resultar em distorção da peça (devido a deformação).
Como as peças estão sob tensão significante também durante o aquecimento, a degradação da superfície e o dobramento/envergamento (frequentemente referido como “potato chipping”) podem acontecer. Isso acontece pela expansão diferencial (tensão de cisalhamento trabalhando contra as camadas da superfície que crescem externamente) durante o aquecimento e o resfriamento. Uma indicação de que isso está acontecendo é a presença de rastros de descamação nas superfícies das peças.
Uma necessidade para um melhor controle do nível do vácuo e da tensão de carga aplicada levou ao desenvolvimento de mais sistemas avançados de prensa quente a vácuo. Estes são fornos a vácuo convencionais com adição de pistões hidráulicos (Fig. 3) e uma mesa de prensa quente dentro do forno. O arranjo é similar ao de uma prensa de assentamento de mandris. Placas de base distribuem a carga uniformemente por toda a peça. As vantagens da força uniforme são significativas da perspectiva mecânica e metalúrgica.
Uma pequena prensa quente comum (Fig. 4) teria características como:
- 300×300 mm (11.8 x 11.8 polegadas) mesas de metal refratário;
- 150kN (33,720 lbf) força de compressão;
- 1350°C (2460°F) temperatura máxima;
- Mid-10-6 Torr (10-6 mbar) vácuo máximo.
Recentes avanços na indústria de soldagem por difusão levaram ao desenvolvimento de sistemas de prensa quente a vácuo que incluem capacidades para resfriamento de gás de têmpera com trocadores de calor externos de formas que as peças possam soldar por difusão e então temperadas para otimizar o tratamento térmico pós soldagem (recozimento em solução, envelhecimento ou endurecimento) e resultar em propriedades do material. Características típicas destes sistemas especializados podem conter:
- 2.275-kg (5000-lb) capacidade de carga;
- 914×1.220 mm (36×48 polegadas) footprint de compressão da placa base;
- 890 kN (200.000 lbf) força de compressão;
- 1455°C (2.650°F) máxima temperatura;
- Mid-10-6 Torr (1×10-6 mbar) vácuo máximo;
- Controle de pressão parcial para o hidrogênio;
- 2-bar resfriamento de gás de têmpera.
Resumo
Métodos muito diferentes de usinagem e preparação das juntas soldadas podem ser usados em soldagem por difusão. Finalmente, o usuário final deve decidir qual é o melhor método para empregar de modo a diminuir o custo de produção da peça. Essa decisão é normalmente influenciada por fatores como geometria, tensão permitida, microestrutura resultante ou simplesmente o número total de peças que devem ser produzidas.
A soldagem por difusão a vácuo deu passos largos recentemente e superou muitos problemas que dificultaram a tecnologia no passado (por exemplo, materiais sujos, superfícies de contato não niveladas, limitações de projeto de equipamento e falhas). Dado isso, se tornou uma tecnologia robusta e digna de consideração por engenheiros de projeto.
