O alumínio, apesar de ser o elemento metálico mais abundante na crosta terrestre, é o metal mais jovem usado em escala industrial. Sua baixa densidade, elevada condutividade elétrica e térmica, elevado coeficiente de dilatação térmica, elevada resistência à corrosão e baixo ponto de fusão lhe conferem uma multiplicidade de aplicações, especialmente nas soluções de engenharia aeronáutico e naval.
Pode-se citar como exemplo, entre 75 e 80% de um avião comercial é produzido a partir do alumínio.
Devido sua elevada funcionalidade em todos os setores da indústria e por sua elevada facilidade de processamento industrial, é produzido em uma escala colossal, cerca de 58.000.000 toneladas por ano.
Enquanto o processamento industrial do alumínio é, dependendo da aplicação, favorecido por suas características mecânica-metalúrgicas, a soldagem desse material se torna um processo extremamente complexo, exigindo um rigoroso controle sobre todos seus parâmetros.
Quais são as peculiaridades do alumínio e como podemos contornar esses desafios para proporcionar uma soldagem de qualidade para aplicações de alto desempenho.
O alumínio possui um elevado coeficiente de condutividade térmica (237 W(m*K)). Essa propriedade afeta principalmente os processos de soldagem que devem ser realizados com maiores comprimentos de cordão de solda. Ao início da soldagem, a chapa se encontra ainda fria, e rapidamente é aquecida e tem seu calor transmitido por todo seu volume. No decorrer da soldagem, se os parâmetros forem mantidos, o cordão, anteriormente tido como satisfatório, apresentará uma energia excessiva, resultando em excessiva molhabilidade e penetração. Para se contornar esse desafio, pode-se utilizar do pré-aquecimento do material a ser soldado, ou de um controle dos parâmetros eletrônicos durante a soldagem.
Ainda, pode-se correlacionar o seu elevado coeficiente de dilatação térmica com a formação de trincas de solidificação na zona fundida, geradas pela contração do metal líquido em solidificação. No processo de solidificação da poça de fusão, há uma significativa contração do metal. Enquanto isso, nas regiões adjacentes (Zona Termicamente Afetada e Metal de Base), a contração ocorre de forma muito menor, pois as temperaturas atingidas não foram tão elevadas, não havendo nem mesmo transformação líquido-sólido. Devido a estes fatores, no metal de solda se desenvolvem tensões trativas, cuja magnitude aumenta com vários fatores, como a espessura das peças e a restrição da junta. Esse tipo de trincas ocorre em forma intergranular, no final da solidificação, quando as tensões trativas colapsam o líquido remanescente.
A porosidade é um elemento de descontinuidade normalmente encontrado nas soldas de alumínio. Esse fato deve-se, principalmente, à baixa solubilidade de hidrogênio no alumínio em baixas temperaturas.
Durante a soldagem, a solubilidade de hidrogênio se torna muito elevada devido à alta temperatura do processo. Com o resfriamento rápido durante a solidificação da poça de fusão, o hidrogênio, agora não mais solúvel em grande volume, não consegue se movimentar em tempo hábil em direção à atmosfera, e permanece preso dentro do material em forma de poros. Para se evitar esse defeito, aconselha-se o uso de resfriamento controlado após o término do processo de soldagem.
Em processos de soldagem com alimentação dinâmica de arame, a elevada ductilidade do alumínio se torna um obstáculo para a sua execução, já que é comum esforços de tração e compressão do material durante o movimento dinâmico de alimentação do arame, podendo resultar até mesmo na ruptura do material dentro do alimentador de arame.
A característica mais crítica do alumínio em relação aos processos de soldagem é, talvez, a existência da camada de passivação, constituída de óxido na superfície do material, de elavada estabilidade, baixa condutividade elétrica e alta temperatura de fusão. O alumínio no seu estado puro apresentar um ponto de fusão de 660 ºC, enquanto o seu óxido, a alumina (Al2O3), apresenta um ponto de fusão de 2072 ºC. Dessa forma se faz necessária uma limpeza prévia da superfície a ser soldada para se retirar o excesso do óxido existente. Ainda, em processos de soldagem a arco, é altamente recomendado o uso da corrente na polaridade inversa (ou alternada) para se realizar a limpeza catódica durante o próprio processo.
Em processos de soldagem a laser, devido ao processo não necessitar de um fluxo elétrico no material a ser soldado, e ao calor gerado pelo feixe ser muito mais elevado e concentrado do que nos processos a arco, essa limpeza se faz desnecessária, já que o óxido é fundido instantaneamente.
Outros processos de soldagem que não utilizam o arco elétrico também são amplamente utilizados na indústria, como a solda a ponto e a solda por fricção.
Referência:
Peter Nielsen, Jonas Beermann, Ole Albrektsen, Søren Hassing, Per Morgen, and Sergey I. Bozhevolnyi, “Two-photon luminescence microscopy of large-area gold nanostructures on templates of anodized aluminum,” Opt. Express 18, 17040-17052 (2010) Haboudou,P. Peyre,A.B. Vannes,G. Peix, “Reduction of porosity content generated during Nd:YAG laser welding of A356 and AA5083 aluminium alloys”, Materials Science and Engineering, 20 December 2003 Brown, T. J.; Idoine, N. E.; Raycraft, E. R.; et al. (2018). World Mineral Production: 2012–2016