O que é soldagem por difusão?

Referência

A soldagem por difusão (DFW) é uma técnica de soldagem no estado sólido que produz uma ligação forte por meio de facilitando a difusão e a coalescência sob condições controladas usando calor e pressão. Por poder prevenir dificuldades metalúrgicas comuns observadas em procedimentos de soldagem convencionais, esta tecnologia especializada é vital na área de metalurgia. Mantém intacta a resistência à corrosão das juntas e possibilita a fabricação de componentes com dimensões exatas, principalmente em titânio e zircônio. O DFW é ótimo para algumas aplicações de alto desempenho porque pode produzir seções robustas com qualidades consistentes, como laminados de titânio. Para que as juntas DFW sejam bem-sucedidas, os componentes precisam ser cuidadosamente projetados e usinados.

Processo de soldagem por difusão

No processo de soldagem por difusão em estado sólido, as superfícies que foram adequadamente preparadas são reunidas sob pressões precisas, temperatura e restrições de tempo. O contato uniforme com a superfície é garantido pela pressão aplicada, o que evita deformações macroscópicas. Para evitar deformações plásticas severas nas superfícies, a temperatura utilizada é normalmente 50% do ponto de fusão dos metais. Um metal de adição, que pode ser revestido ou utilizado como inserto, é freqüentemente usado. Este metal de adição permite a soldagem em um ambiente menos dispendioso ou reduz a temperatura, pressão ou tempo de soldagem necessários.

Referência

A pressão pode ser fornecida através de carga de peso morto, prensas, pressão diferencial de gás ou expansão térmica diferencial de componentes ou ferramentas. Os métodos de aquecimento para soldagem por difusão incluem fornos, retortas e abordagens de resistência. Um conjunto especial de ferramentas para conjuntos de soldagem com superfícies planas que se cruzam são autoclaves de alta pressão e métodos de pressão diferencial de gás. Contudo, para soldar superfícies planas paralelas e perpendiculares à direção da carga, os métodos de pressão uniaxial são apropriados. Equipamentos especializados são necessários para esses processos altamente mecanizados. É vantajoso usar enlatamento ou encapsulamento de peças para métodos diferentes de abordagens de pressão diferencial.

Etapas do processo de soldagem por difusão

• Alinhe as superfícies correspondentes das placas para garantir que estejam no mesmo plano, um requisito crítico para a difusão.

• Usine, dê polimento e limpe bem as superfícies para remover quaisquer impurezas químicas que possam impedir a difusão.

• Empilhe as placas usando grampos para mantê-las no lugar.

• Aplique alta pressão e calor à montagem para iniciar o processo de difusão.

• Mantenha essas condições por um período prolongado para permitir que ocorra uma difusão adequada.

• Inicialmente, pode ocorrer deformação local na interface devido a processos de fluência e escoamento.

• À medida que a difusão avança, a interface transforma-se e as superfícies misturam-se, formando uma ligação forte.

• Eventualmente, a linha de interface desaparece, resultando em uma junta com as mesmas propriedades e resistência do material base.

Princípios e Mecanismos de Difusão

A difusão envolve o movimento e a redistribuição dos átomos, que ocorre em taxas dependentes da velocidade da migração dos átomos.

Referência

A difusão em sistemas metálicos é frequentemente classificada em três processos: difusão de volume, difusão de contorno de grão e difusão de superfície, de acordo com a rota que os átomos em difusão percorrem. Diferentes constantes de difusividade se aplicam a cada um desses processos; a difusão superficial e de contorno de grão acontece mais rapidamente do que a difusão volumétrica.

Difusão por volume: ocorre na maior parte da substância. Devido à necessidade de ultrapassar as barreiras energéticas impostas pelos átomos pouco espaçados na rede, a migração dos átomos através da rede cristalina é frequentemente um processo mais lento.

Difusão nos limites dos grãos: ocorre nas interfaces entre cristais ou grãos distintos em um material policristalino ou ao longo das bordas dos grãos. Comparado ao volume, há menos ordem no arranjo atômico nessas fronteiras, o que facilita uma difusão mais rápida.

Difusão de Superfície: Isso acontece nas superfícies do material. A difusão de superfície ocorre mais rapidamente porque os átomos ali estão menos firmemente ligados do que aqueles dentro do bulk.

Difusão segundo a Primeira Lei de Fick

De acordo com a Primeira Lei de Fick, a fórmula subjacente que controla a difusão em metais é a seguinte:

Onde:

• dm/dt é a taxa de fluxo do metal através de um plano perpendicular à direção de difusão (g/s),

• D é o coeficiente de difusão (cm²/s), que varia com o sistema metálico, temperatura, concentração e estrutura cristalina,

• A é a área do plano através da qual ocorre a difusão (cm²),

• &x/&x​ é o gradiente de concentração no plano em questão (g/cm³).

O sinal negativo indica que a difusão ocorre de regiões de maior concentração para regiões de menor concentração.

Coeficiente de difusão e fatores de influência

Os seguintes fatores afetam o coeficiente de difusão D, que não é constante:

Temperatura: A taxa de difusão aumenta com o aumento da temperatura. Como regra geral, a constante de difusão dobra com um aumento de temperatura de 11°C (20°F).

Concentração: A constante de difusão pode ser bastante afetada por variações na concentração. Por exemplo, a 930°C (1700°F), a constante de difusão do carbono no ferro triplica com um aumento na concentração de carbono de 0 a 1.4%.

Estrutura Cristalina: formas cristalinas variadas têm taxas de difusão variadas. Por exemplo, o ferro se difunde 100 vezes mais rapidamente na ferrita do que na austenita.

Direcionalidade e distorção do cristal: A orientação do cristal, bem como quaisquer distorções provocadas pela deformação plástica, têm impacto nas taxas de difusão.

Mecanismos de Difusão

Referência

As duas principais maneiras pelas quais os átomos se dispersam nos metais são através dos mecanismos de vacância e intersticiais, embora existam também outros mecanismos.

O movimento de átomos menores através dos vazios, ou interstícios, na rede cristalina é conhecido como mecanismo intersticial. Esses átomos são capazes de migrar de um interstício para outro sem causar grandes perturbações aos átomos da matriz porque possuem raios atômicos menores que os átomos da matriz.

Mecanismo de Vacância: Este mecanismo refere-se a átomos maiores que são incapazes de caber nos espaços intersticiais, como matriz ou átomos substitucionais. Ao saltar para espaços de rede desocupados, esses átomos migram. O menor número de locais vagos disponíveis faz com que a taxa seja mais lenta, embora a energia necessária para esses movimentos seja comparável à da difusão intersticial.

Variáveis ​​que afetam a soldagem por difusão

Um fator importante na soldagem por difusão é o tempo. A temperatura tem um grande impacto em quanto tempo a difusão leva. Durações mais longas perdem sua eficácia ao longo do tempo. O período necessário precisa ser determinado empiricamente, pois não pode ser previsto com antecedência. Após a soldagem ser concluída, mais tempo não melhora as propriedades da ligação.

A pressão tem um efeito direto nos resultados da soldadura por difusão, particularmente nas fases iniciais. Está associado ao ponto de escoamento dos componentes constituintes, embora seja difícil descobrir um valor preciso em teoria. Para melhores resultados, a pressão deve ser exercida o suficiente, mesmo que a deformação local no ponto de ligação seja uma parte natural do processo. Para formar ligações fortes com sucesso, é crucial equilibrar o calor e a pressão porque a alta compressão está correlacionada com altos custos de equipamento.

Na soldagem por difusão, a temperatura é a variável mais importante. Para evitar alterações no material e proporcionar uma ligação sólida e estável, deve-se escolher a temperatura ideal. Para que o processo de soldagem seja bem-sucedido, é necessária uma manutenção adequada da temperatura.

Equipamentos e materiais adequados usados ​​na soldagem por difusão

Ferramentas especializadas são necessárias para soldagem por difusão, incluindo acessórios especialmente projetados, fontes de calor, prensas e autoclaves. Para estabelecer a atmosfera ideal, estas ferramentas são frequentemente combinadas com componentes cerâmicos. Esta técnica é perfeita para unir materiais como ligas de titânio, alumínio e níquel, que são difíceis de unir usando técnicas tradicionais. Embora existam formas menos dispendiosas de soldar aço, a soldagem por difusão pode ser uma abordagem econômica para soldar superfícies grandes e planas de aço de baixo carbono, sem a necessidade de metal de adição, quando as circunstâncias adequadas forem atendidas.

Vantagens da soldagem por difusão

A soldagem por difusão tem várias vantagens.

As características químicas e físicas da junta resultante são comparáveis ​​às do metal original. Ela garante uma solda impecável, isenta de porosidade e fraturas. Esse processo é perfeito para componentes de precisão porque oferece alta precisão dimensional. Ao contrário da soldagem a arco, ela pode combinar materiais semelhantes ou diferentes sem a necessidade de material de enchimento. A soldagem é uma tecnologia de baixo custo que pode ser usada para unir formas e materiais complexos de forma eficaz. Ela contorna as dificuldades associadas à soldagem por fusão e é fácil de usar. A soldagem por difusão também é muito eficiente e automatizada, exigindo pouco trabalho especializado porque pode unir várias peças em uma única configuração.

Desvantagens e Limitações da Soldagem por Difusão

A soldagem por difusão oferece várias vantagens, mas também tem algumas desvantagens. O equipamento é caro, principalmente para grandes soldagens, e necessita de uma configuração específica com limpeza e preparação de superfície rigorosas. Não é ideal para altas taxas de produção porque requer uma atmosfera protegida ou vácuo e leva tempo. Apesar dos custos operacionais modestos, a configuração inicial é cara. A preparação da peça de trabalho é importante, mas pode ser difícil. O maquinário restringe o tamanho das soldas, e não há muitas opções para inspeção. Devido à sua grande dependência de parâmetros exatos de soldagem (temperatura, pressão, acabamento de superfície e materiais utilizados), o processo não é apropriado para fabricação em massa. Consideração especial também deve ser dada às várias expansões térmicas dos materiais.

Aplicações de soldagem por difusão

A soldagem por difusão (DFW) é amplamente utilizada em indústrias como aeroespacial e nuclear para unir metais refratários e de alta resistência. Um exemplo notável do uso generalizado de DFW na indústria aeroespacial é o suporte do motor do ônibus espacial, que é composto de 28 peças de titânio soldadas por difusão para gerenciar três milhões de libras de empuxo. O DFW também é utilizado na fabricação de tubos com tamanho máximo de 203 mm por 255 cm por 457 cm. Utilizando DFW pela primeira vez em um componente rotativo de motor, a indústria de turbinas a gás é capaz de criar componentes Ti-6%Al-4%V para motores avançados de alto empuxo. Para essas aplicações difíceis, o DFW possibilita as estruturas fortes e de alto desempenho necessárias.