Soldagem das madeiras de pinus, eucalipto e itaúba por fricção rotativa

Abstract

A soldagem da madeira por fricção rotativa produz ligações sólidas, unindo elementos por meio da inserção de cavilhas em pré-furos usinados nos substratos de madeira, com rotação e avanço determinados. Essa técnica apresenta potencial para aplicação na indústria moveleira e de madeira engenheirada. Os estudos relativos à soldagem por fricção rotativa (SFR) de madeiras nativas ou plantadas no Brasil, de florestas tropicais, são incipientes. Portanto, esta pesquisa exploratória teve como objetivo avaliar o potencial da soldagem por fricção rotativa das madeiras de pinus, eucalipto e itaúba, de florestas nativas ou plantadas no Brasil. Cavilhas de eucalipto e itaúba (10 mm de diâmetro) foram inseridas com 300, 400 e 500 mm·min-1 de avanço em pré-furos de 1 (8 e 8 mm de diâmetro) e 2 (8 e 7 mm de diâmetro) estágios, usinados nos substratos de pinus, eucalipto e itaúba, compostos de 1 ou 2 peças. Foram avaliadas as alterações físico/químicas, macro e microestruturais na interface soldada, a taxa de conicidade das cavilhas e o desempenho mecânico das ligações soldadas em função dos parâmetros adotados. A avaliação do processo de SFR foi organizada em 2 fases. A Fase I consistiu na avaliação das modificações físico/químicas da interface soldada, a partir dos ensaios de espectroscopia no infravermelho com transformada de Fourier (ATR-FTIR), difração de raios- X (DRX), termogravimetria (TG), calorimetria de varredura diferencial (DSC), e microestrutural, a partir do ensaio de microscopia eletrônica de varredura (MEV). A Fase II consistiu na avaliação macroestrutural dos corpos de prova e microestrutural da superfície das cavilhas, a partir da análise visual e do ensaio de MEV, respectivamente. Também foram avaliadas a taxa de conicidade das cavilhas e a resistência mecânica das ligações soldadas, obtida a partir dos ensaios de tração, com posterior determinação dos parâmetros ótimos de soldagem. Os resultados permitiram concluir que as interfaces soldadas apresentaram redução dos grupos funcionais químicos, maiores índices de CCS, menor perda de massa e temperatura e intensidade do fluxo de calor inferiores, quando comparadas às madeiras de referência. Na macroestrutura, foi observado a presença de excesso de material fundido na superfície do corpo de prova, o escurecimento da interface soldada e o desgaste da cavilha e do pré-furo. Na microestrutura, foi observada a presença de material intercelular fundido aderido às fibras da madeira (composto fibra-matriz), o qual é responsável por unir as superfícies da cavilha e do substrato. A taxa de conicidade média das cavilhas variou entre 3,54% e 6,46% e as maiores taxas foram obtidas para eucalipto-itaúba, pré-furos de 2 estágios e 300 mm·min-1 de avanço. Os melhores resultados de resistência mecânica, de 3,82 MPa, foram obtidos para pinus- eucalipto com pré-furo de 2 estágios e 300, 400 ou 500 mm·min-1 de avanço.

Abstract: Rotary friction wood welding produces solid connections, joining elements by inserting dowels into pre-drilled holes machined in wood substrates, with specific rotation and feed rate. This technique has potential for application in the furniture and mass timber industry. Studies on the rotary friction welding (RFW) of Brazilian woods, from tropical forests, are incipient. Therefore, this exploratory research aimed to evaluate the potential of rotary friction welding for pine, eucalypts and itauba woods, from native or planted forests in Brazil. Eucalypts and itauba dowels (10 mm in diameter) were inserted with a feed rate of 300, 400 and 500 mm·min- 1 into pre-drilled holes of 1 (8 and 8 mm in diameter) and 2 (8 and 7 mm in diameter) stages, machined on pine, eucalypts and itauba substrates, composed of 1 or 2 pieces. The physicochemical, macro and microstructural changes in the welded interface, the taper rate of the dowels and the mechanical performance of the welded joints were evaluated depending on the parameters adopted. The evaluation of the RFW process was organized into 2 phases. Phase I consisted of evaluating the physicochemical modifications of the welded interface, based on Fourier transform infrared spectroscopy (ATR-FTIR), X-ray diffraction (DRX), thermogravimetry (TG), scanning calorimetry differential (DSC), and microstructural, from the scanning electron microscopy (SEM) test. Phase II consisted of evaluating the macrostructure of the specimens and the microstructure of the surface of the dowels, based on visual analysis and the SEM test, respectively. The taper rate of the dowels and the mechanical strength of the welded joints, obtained from the tensile tests, were also evaluated, with subsequent determination of the optimal welding parameters. The results revealed that the welded interfaces showed a reduction in chemical functional groups, higher CCS levels, lower mass loss and lower temperature and heat flux intensity, when compared to the reference woods. The presence of excess molten material on the surface of the specimen, the darkening of the welded interface and the wear of the dowel and the pre-drilled hole were observed in the macrostructure. The presence of molten intercellular material adhered to the wood fibers (fiber- matrix composite), which is responsible for joining the dowel and the substrate surfaces, was observed in the microstructure. The average dowel taper rate varied between 3.54% and 6.46% and the highest taper rates were obtained for eucalypts-itauba, 2 stage pre-drilled holes and 300 mm·min-1 of feed rate. The best mechanical strength results of 3.82 MPa were obtained for pine-eucalypts with 2 stage pre-drilled holes and 300, 400 or 500 mm·min-1 of feed rate.