Módulo: 1.17. – Processos de Soldadura de Plásticos
Formador: Eurico Assunção
Apresentação preparada por David Pereira
Pós Graduação em Engenharia da Soldadura
2014/2015
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Objectivo
“Entender os princípios básicos da soldadura de plásticos, incluindo as técnicas mais utilizadas, os equipamentos, os processos assim como os problemas mais comuns”
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Temas a discutir
Informação geral sobre materiais poliméricos;
Estudo dos princípios de cada processo de soldadura:
– Soldadura com prato quente (Hot-plate welding); Soldadura por electrofusão (Electro-fusion welding); soldadura por extrusão (Extrusion welding); Soldadura com gás quente (Hot gas welding); Soldadura por Indução; Soldadura por Resistência; Soldadura por implantes; Soldadura por Alta frequência; Soldadura por Fricção; Soldadura por ultra-sons; Soldadura por vibração.
Controlo dos parâmetros de soldadura, dos equipamentos e do tipo de junta;
Vantagens e inconvenientes dos vários processos;
Aplicações
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Resultados esperados
Conhecimento dos fundamentos dos vários processos de soldadura de plásticos;
Conhecimento das precauções necessárias a ter em conta para obter soldaduras em boas condições para cada uma das técnicas a aplicar;
Conhecimento das diferentes aplicações dos vários processos.
Conhecimento dos potenciais riscos assim como das melhores práticas de cada processo.
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Informações gerais sobre materiais poliméricos
Materiais Plásticos
Todos os materiais plásticos são constituídos por macromoléculas designadas por polímeros. A origem desta designação vem do grego “Poly” que designa muitos e de “Meros” que indica partes ou unidades
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Materiais Plásticos
Os polímeros são formados através de reacções químicas sob a acção de calor, pressão, luz ou recorrendo a um catalisador.
Para facilitar esta reacção e controlar a formação do polímero são introduzidos alguns elementos, controlando assim o comprimento desejado da molécula de modo a obter as propriedades requeridas.
O mecanismo de polimerização poderá ser classificado em duas categorias distintas:
Polimerização por adição;
Polimerização por condensação.
Informações gerais sobre materiais poliméricos
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Polimerização por adição
Neste tipo de polimerização a criação da macromolécula é originada pela rotura das ligações duplas entre átomos de carbono do monómero (produto de base do polímero), formando-se, em sua substituição, ligações simples carbono/carbono, sem a formação de subprodutos.
Informações gerais sobre materiais poliméricos
Polimerização do Polietileno
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Polimerização por Condensação
Contrastando com as reacções de adição, as quais são principalmente uma soma de moléculas individuais para formação do polímero, as reacções de condensação formam uma macro-molécula com várias ramificações (não linear) e um subproduto. Este poderá ser água ou alguma outra molécula simples tal como HCl ou CH3OH.
Informações gerais sobre materiais poliméricos
C6H5OH - Fenol CH2O - Formaldeído
Polimerização do Fenol-Formaldeído – “Durez”
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Estrutura dos polímeros
Informações gerais sobre materiais poliméricos
Polimerização por adição Polimerização por condensação
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Classificação dos polímeros
O comportamento dos polímeros quando sujeitos ao calor (soldadura, por exemplo) depende, em grande medida, da sua molécula, ou seja, do processo da sua formação – formação por adição ou por substituição.
Neste sentido poderemos ter:
1. Polímeros Termoendurecíveis
2. Polímeros Termoplásticos
3. Outros (Elastómeros)
Informações gerais sobre materiais poliméricos
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Informações gerais sobre materiais poliméricos
Polímeros Termoendurecíveis
Estes polímeros são obtidos por reacção de substituição, entre moléculas iguais ou diferentes, dando origem a uma macromolécula de natureza mais complexa, eliminando, nesta operação, água, álcool ou outros compostos simples. Esta reacção altera profundamente a composição das moléculas que nela participam, resultando num polímero com cadeias não lineares reversíveis.
Quando reaquecidos não voltaram a ter propriedades plásticas, podendo mesmo deteriorar as suas moléculas – Não são soldáveis.
Como exemplo temos o caso do poliester.
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Informações gerais sobre materiais poliméricos
Polímeros Termoplásticos
São materiais que polimerizam por adição, formando cadeias lineares que fluem umas sobre as outras quando aquecido a temperatura conveniente, sem rompimentos significativo das suas moléculas.
Se forem novamente aquecidos as suas cadeias moleculares voltam a adquirir o grau de liberdade necessário para obter uma boa plasticidade, podendo, por isso, ser moldado ou soldado sem problemas.
São subdivididos em duas categorias: Amorfos e Semi-cristalinos.
Exemplos de polímeros amorfos: Polimetacrilato de metilo (Acrílico), Poliestireno, Acrilonitrilo butadieno estireno (ABS), etc.;
Exemplos de polímeros semi-cristalinos: Polietileno, Polipropileno, Poliamida (Nylon)
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Informações gerais sobre materiais poliméricos
Polímeros Termoplásticos amorfos
As cadeias poliméricas destes termoplásticos estão aleatoriamente orientadas.
Quando são aquecidos não se verifica verdadeiramente a existência de um ponto de fusão. Quando a temperatura passa um determinado valor (“Glass transition temperature” – Tg ) eles começam a fluir, permitindo a soldadura.
Polímeros Termoplásticos semi-cristalinos
Devido a sua estrutura cristalina, estes termoplásticos apresentam já uma fusão quando a temperatura é superior a “Tg”. No entanto, mesmo quando fundidos, eles formam um “banho” viscoso que permite a sua soldadura.
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Informações gerais sobre materiais poliméricos
Polímeros Elastómeros
Pela sua estrutura os elastómeros situam-se entre os termoplásticos e os termoendurecíveis. As suas fibras alongam-se sob o efeito de forças externas voltando ao seu estado inicial após retirar estas forças.
Desta forma os elastómeros possuem a elasticidade da borracha, sendo por isso utilizados como elementos de vedação.
O aquecimento deste polímero origina a perca de propriedades, razão pela qual não são soldáveis.
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Os polímeros são vulgarmente conhecidos pela sua designação abreviada.
Informações gerais sobre materiais poliméricos
Abreviatura Designação
PEAD Polietileno de Alta densidade
PEBD Polietileno de Baixa densidade
PP Polipropileno
PVC Policloreto de Vinilo
PS Poliestireno
PC Policarbonato
PA Poliamida (Nylon)
PMMA Polimetacrilato de metilo (Acrílico)
PTFE Politetrafluretileno (Teflon)
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Processos para ligação de polímeros:
1. Ligação mecânica;
2. Ligação por adesivos;
3. Ligação por soldadura.
Soldadura de Plásticos
Vantagens da soldadura compara aos outros processos:
1. Grande produtividade – soldadura realizada em poucos minutos;
2. Juntas com boa resistência mecânica – semelhante ao polímero;
3. Soldadura sem grande necessidade de preparação da junta;
4. Junta extensível a toda a secção do material – Na ligação mecânica ou por adesivos somente existe uma ligação parcial.
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Soldadura de Plásticos
Soldadura dos termoplásticos
Contrariamente aos metais, que têm banhos de fusão líquidos, a soldadura dos termoplásticos formam um líquido viscoso que permita a fluência de material para formar o cordão de soldadura.
A pressão e temperatura desenvolvida origina que as cadeias poliméricas são orientadas preferencialmente em determinadas direcções, originando propriedades anisótropas.
Nos termoplásticos semi-cristalinos, verifica-se a formação de uma “Zona Termicamente Afectada” onde a pressão desenvolvida na soldadura poderá dar origem à formação de diferentes microestruturas cristalinas. Nestas zonas enfraquecidas poderá ocorrer corrosão sob tensão ou ataque por determinados solventes.
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Soldadura de Plásticos
Classificação dos processo de soldadura
Fonte de energia
Mecânica (Movimento)
Fonte externa Radiações
Electromagnéticas
Fricção
Vibração Linear
Ultra-sons
Prato Quente
Electrossoldadura
Gás Quente
Extrusão
Implantes
Indução
Alta Frequência
Infravermelhos
Laser
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Neste processo de soldadura o material a soldar é aquecidos por contacto com um “prato quente” até à temperatura de soldadura, que é estabelecida em função do tipo de polímero a soldar.
Após atingir e estabilizar esta temperatura, o “prato quente” é retirado e os bordos do material a soldar pressionados um de encontro ao outro.
O processo é fundamentalmente dividido em três fases:
1. Fase de aquecimento;
2. Fase de remoção do “prato quente”;
3. Fase de soldadura e arrefecimento após soldadura.
Soldadura com prato quente (Hot-plate Welding)
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Soldadura com prato quente (Hot-plate Welding)
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Parâmetros do processo
Preparação, posicionamento/alinhamento do material ;
Temperatura do prato quente (temperatura da soldadura);
Distância de esmagamento por “forjamento” devido à formação do “Rebordo” (quantidade de material deslocado nestas fases);
Tempo de passagem da fase de aquecimento para a fase de soldadura (tempo necessário para retirar o prato quente e dar início à soldadura);
Pressões exercidas tanto na fase de Pré-aquecimento, aquecimento e soldadura.
Soldadura com prato quente (Hot-plate Welding)
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Sequência de trabalho
Colocação do tubo no chassi (listas desencontradas e tubos tamponados)
Calcular pressão de arrasto e somar pressão de soldadura;
Rectificar faces dos tubos;
Verificar alinhamento, limpeza da faces dos tubos e da placa;
Colocar placa e fazer rebordo (controlar pressão, temperatura e tempo);
Baixar pressão e fazer aquecimento (controlar temperatura e tempo);
Retirar placa e fazer soldadura (controlar pressão);
Arrefecimento (controlar tempo e pressão);
Inspecção visual e identificação da soldadura.
Soldadura com prato quente (Hot-plate Welding)
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Equipamento para soldadura de tubos de polietileno
Soldadura com prato quente (Hot-plate Welding)
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Soldadura com prato quente (Hot-plate Welding)
Sistema de fixação e montagem dos tubos
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Soldadura com prato quente (Hot-plate Welding)
Rectificação dos tubos para garantir bom encosto e correcto
alinhamento
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Soldadura com prato quente (Hot-plate Welding)
A verificação do alinhamento e centragem dos tubos é
fundamental para garantir boa qualidade da soldadura.
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Soldadura com prato quente (Hot-plate Welding)
Fases de aquecimento e
soldadura
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Soldadura com prato quente (Hot-plate Welding)
Após soldadura o cordão deverá arrefecer lentamente e sem esforços.
O registo dos parâmetros indicam se o processo foi devidamente
executado.
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Soldadura com prato quente (Hot-plate Welding)
A largura do cordão é um dos
parâmetros fundamentais a
controlar para verificar se a
soldadura foi bem executada.
Controlo da dimensão da soldadura
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Soldadura com prato quente (Hot-plate Welding)
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Soldadura com prato quente (Hot-plate Welding)
O controlo do alinhamento deverá ser sempre efectuado antes de iniciar a soldadura.
Caracterização de irregularidades e Critério de aceitação
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Soldadura com prato quente (Hot-plate Welding)
A largura do cordão é um dos parâmetros fundamentais a controlar para verificar se a soldadura foi bem executada. Ela indica-nos se a temperatura (tempo de aquecimento) e a pressão de soldadura foram as mais apropriadas.
Caracterização de irregularidades e Critério de aceitação
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Soldadura com prato quente (Hot-plate Welding)
Os entalhes na soldadura são devido: 1. Temperatura de soldadura inferior ao especificado; 2. Pressão de soldadura inferior ao especificado.
A assimetria da soldadura tem como origem uma incorrecta preparação.
Caracterização de irregularidades e Critério de aceitação
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Soldadura com prato quente (Hot-plate Welding)
1. Cordão de soldadura lustroso
Temperatura acima do especificado.
2. Porosidade
Defeito de fabrico dos tubos;
Limpeza deficiente das superfícies dos tubos.
3. Fissuras
Tempo de arrefecimento insuficiente.
4. Inclusões
Deficiente limpeza (são causadas por areia, terra, pelos ou fibras)
Caracterização de irregularidades e Critério de aceitação
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Soldadura com prato quente (Hot-plate Welding)
Ensaio de tracção de
uma soldadura de
polietileno.
(A rotura dá-se fora do
cordão de soldadura)
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Electrossoldadura (Electro-fusion welding)
A eletrossoldadura ou o método de soldadura por electrofusão consiste na ligação de tubos a acessórios eletrossoldáveis por fusão do material nas zonas de contacto destes com uma resistência eléctrica.
O aquecimento da resistência eléctrica é efectuado por intermédio de uma máquina própria ligada aos terminais dos acessórios que controla todos os parâmetros do processo.
Fundamentos do processo
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Electrossoldadura (Electro-fusion welding)
Fundamentos do processo – esquema
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Electrossoldadura (Electro-fusion welding)
Exemplo de aplicação
David Pereira 39
Electrossoldadura (Electro-fusion welding)
Acessório para soldadura de derivações em “T”
David Pereira 40
Electrossoldadura (Electro-fusion welding)
Exemplo de acessórios
David Pereira 41
Electrossoldadura (Electro-fusion welding)
David Pereira 42
Electrossoldadura (Electro-fusion welding)
Fases de preparação para soldadura
Corte do tubo Marcação do tubo Posicionamento do tubo
e do acessório
David Pereira 43
Electrossoldadura (Electro-fusion welding)
Fases de preparação para soldadura
Leitura óptica dos parâmetros de soldadura
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Electrossoldadura (Electro-fusion welding)
Electrossoldadura de
acessórios de uma
derivação T
Aplicações
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Electrossoldadura (Electro-fusion welding)
Aplicações
Electrossoldadura de
acessórios - Flange Electrossoldadura de
acessórios – curva a 90º
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Soldadura com gás quente (Hot gas welding)
É um processo de soldadura manual onde um jacto de ar quente (eventualmente de azoto) é orientado para ajunta de soldadura “fundido” ou amolecendo os bordos do chanfro e o material de adição.
A temperatura de soldadura depende do tipo de termoplástico e é da ordem de 200-400°C.
O material de adição deve ser semelhante ao de base para evitar problemas de ligação.
Podem-se soldar polímeros tais como polietileno, polipropileno e alguns fluoropropileno.
Fundamentos do processo
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Soldadura com gás quente (Hot gas welding)
Os parâmetros do processo são:
1. Tipo de gás;
2. Débito de gás (16 e 60 litros/minuto);
3. Temperatura do gás (200 e 400ºC – 80 a 100º abaixo do ponto de “fusão” do polímero);
4. Ângulo entre o material de adição e o metal de base (vulgarmente 90º);
5. Pressão sobre o consumível;
6. Velocidade de soldadura (0,1 a 0,3 m/min.);
7. Posicionamento da tocha;
Fundamentos do processo
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Soldadura com gás quente (Hot gas welding)
Existem duas técnicas de
soldadura:
1. Round nozzle welding
2. Speed welding
David Pereira 49
Soldadura com gás quente (Hot gas welding)
Aplicações da soldadura com gás quente numa junta topo a topo com
a técnica de “round nozzle welding”.
David Pereira 50
Soldadura com gás quente (Hot gas welding)
Aplicações da soldadura com gás quente numa junta topo a topo e
de ângulo com a técnica de “Speed welding”.
David Pereira 51
Soldadura com gás quente (Hot gas welding)
Preparação e montagem
A preparação dos chanfros para soldadura topo a topo deverá ser feita escolhendo o chanfro apropriado.
Para chapas de espessura inferior a 6 mm um chanfro em “V” com 60º será recomendado.
Para espessuras superiores recomenda-se um chanfro em “X” com 60º.
Em chanfros de bordos rectos (juntas de ângulo) é recomendável fazer raspar as arestas por forma a remover material contaminado.
Para efectuar a montagem existem bicos especiais para “pingar”
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Soldadura por Extrusão (Extrusion Welding)
• A soldadura por extrusão é semelhante à soldadura por gás quente, tendo, por isso, muitas das mesmas vantagens e inconvenientes.
• O material de adição é “fundido” a partir de uma barra e colocado na junta a soldar, aderindo a esta. Para garantir a boa ligação ao metal de base, o equipamento deve conter também um sistema de gás quente, que faça o pré-aquecimento do metal de base.
• Este processo é tipicamente utilizado para grandes construções soldaduras tais como reservatórios de pressão de espessuras até 50 mm.
Fundamentos do processo
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Soldadura por fricção (friction Welding)
Na soldadura por fricção o calor é desenvolvido pela rotação da(s) peça(s) em juntas circulares.
Os parâmetros dos processos são:
Velocidade de rotação;
Pressão na fase de rotação;
Pressão na fase de soldadura após paragem;
Tempo decorrida nas fases de rotação e de soldadura.
As juntas são sempre circulares.
Fundamentos do processo
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Soldadura por vibração (vibration Welding)
Fundamentos do processo
Neste processo as partes a soldar são colocadas em contacto (com pressão) sendo o aquecimento estabelecido pelo atrito originado pelo seu movimento vibratório.
Poderemos ter dois tipos de vibração:
1. Alta frequência – vibração com amplitude da ordem de 0,07 a 1,80 mm e uma frequência de 200 Hz;
2. Baixa frequência – vibração com amplitude da ordem de 2 a 4 mm e uma frequência de 100 Hz;
Este processo substitui o de ultra-sons quando as juntas a soldar são muito longas.
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Soldadura por ultra sons (ultrasonic Welding)
Fundamentos do processo Neste processo as partes a soldar são colocadas em contacto
(com pressão) sendo o aquecimento estabelecido pela energia mecânica de alta frequência – ultra-sons com uma frequência da ordem de 10 a 40 kHz e amplitudes de 20 a 80 µm
É um processo muito rápido, com tempo de soldadura vulgarmente inferior a um segundo
É um processo facilmente automatizavel, porém somente aplicável a juntas de pequena dimensão. Soldaduras longas poderão ser feitas por troços ou utilizando outro processo – soldadura por vibração
É aplicado em componentes da indústria automóvel, em medicina, electrónica, etc.. A soldadura de disquetes de computador é um bom exemplo de aplicação
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Soldadura por ultra sons (ultrasonic Welding)
Fundamentos do processo
Poderemos ter várias variantes ao processo de ultra-sons:
1. Soldadura por pontos;
2. Rebites de soldadura;
3. Inserções.
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Soldadura implantes (implant Welding)
Fundamentos do processo
Na soldadura de implantes o aquecimento é originado por um elemento resistente que aquece pela passagem da corrente, colocado entre os materiais a soldar, que permanece no meio da soldadura após a sua execução. Este elemento poderá ter a forma de fios ou tranças.
Uma aplicação particular deste processo é o de electrossoldadura para aplicação um tubagem de água ou de gás. Foi considerado anteriormente como um processo autónomo e classificado como tendo uma fonte externa uma vez que neste caso o próprio implante é também um elemento resistente mecanicamente.
David Pereira 58
Soldadura indução (Induction Welding)
Fundamentos do processo
Este processo é semelhante ao de implantes, porém o aquecimento é desenvolvido pelo campo electromagnético induzido num elemento electrocondutor. A corrente utilizada é de alta frequência – 500 kHz a 8 MHz.
Dado que os polímeros não são condutores eléctrico, para desenvolver a soldadura recorre-se a um elemento adicional, condutor eléctrico, envolvido numa matriz de termoplástico, que é colocado na junta. Quando este elemento origina a “fusão” do termoplástico, a junta é pressionada para que o material escoe e preencha toda a junta.
David Pereira 59
Soldadura alta frequência (High frequency Welding)
Fundamentos do processo
A soldadura por alta frequência (também designada por radio frequência ou soldadura dieléctica) ocorre devido ao aquecimento motivado pela rápida alteração do campo eléctrico que interage com a estrutura de alguns materiais.
As peças a soldar são colocadas entre duas barras metálicas que também funcionam como elementos de pressão da soldadura. Este campo eléctrico dinâmico causa a oscilação das moléculas de alguns polímeros e assim o seu aquecimento.
Os polímeros que melhor se adapta a esta soldadura é o PVC (Cloreto de polivinilo) ou o poliurtano, por exemplo. Não é possível soldar o polietileno ou o polipropileno.
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Soldadura Infravermelhos (Infrared Welding)
Fundamentos do processo
Esta técnica é muito semelhante à do prato quente, porém aqui não se verifica o contacto entre o prato e as peças a soldar. Usa também uma placa eléctrica aquecida de metal, que em alguns casos é revestida com um material cerâmico, que é aquecida a uma temperatura entre 310°C e 510°C, dependendo do termoplástico a ser soldado.
As peças a ser soldadas são colocadas na proximidade da placa quente (tipicamente 0.2mm) mas sem tocar (em alternativa poderemos ter um conjunto de lâmpadas de infravermelhos de onda curta) aquecendo e derretendo o material a soldar. A placa é então retirada e as peças são forçadas para dar origem à soldadura.
Os tempos da soldadura são significativamente mais curtos, quando comparados com a soldadura de prato quente.
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Soldadura Laser (Laser Welding)
Fundamentos do processo
O processo Laser é utilizado tanto para a soldadura de filmes, chapas ou peças compactas. Poderemos ter dois tipos de Laser:
1. Soldadura Laser de CO2
2. Soldadura Laser de transmissão: Laser Nd: YAG, Laser de Díodos e Laser de Fibras.
Dada a absorção do Laser de CO2 por maior parte dos plásticos os Laser utilizados são normalmente os laser de Fibras, Diodos ou Nd:YAG.
Soldadura laser de CO2
de um Filme de
polietileno com 100µm
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Soldadura Laser (Laser Welding)
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Conclusões
A soldadura de plásticos restringe-se aos termoplásticos uma vez que a sua molécula forma cadeias lineares que não se deterioram com a temperatura;
Na escolha do processo de soldadura teremos que ter em conta não só o tipo de plástico assim como o tipo de soldadura (dimensão, geometria, etc.);
A certificação do soldadores deverá ser feita tendo em conta a norma europeia EN 13067 – Plastics Welding Personal – Qualification Testing of Welders – Thermoplastics Welded Assembles.
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Bibliografia
1. Fundamentos de Ciência dos Materiais, Van
Vlack
2. Welding Handbook, volume 1, Chapter 6
3. WWW.twi.co.uk
4. EN 13067 – Plastics welding personal –
qualification testing of welders – thermoplastics
welded assembles
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