A presente invenção trata de um equipamento para solda por fricção em elementos tubulares utilizando movimento alternado de um disco provido de um canal com diâmetro semelhante ao do elemento tubular e largura semelhante à da parede do elemento tubular, disco este que fica posicionado entre as extremidades dos dois elementos tubulares a serem soldados. O equipamento é constituído de dois conjuntos bipartidos de fixação do equipamento sobre os elementos tubulares, conjuntos estes que são acionados por cilindros hidráulicos transversais ao eixo dos elementos tubulares para a produção de força de aperto sobre o elemento tubular e por cilindros hidráulicos dispostos longitudinalmente ao eixo dos elementos tubulares para a produção da força de recalque nos elementos tubulares, servido estes mesmos cilindros hidráulicos para a união dos dois conjuntos de fixação entre si. Além dos conjuntos de fixação, o equipamento é composto de um conjunto para a realização do movimento alternado de fricção para realização da solda. Este conjunto é composto de um anel bipartido que fixa o anel de fricção, de um cilindro hidráulico para o aperto e de um cilindro hidráulico para produção do movimento alternado do anel.

O método de solda por fricção consiste basicamente em friccionar dois elementos a serem soldados entre si, através de movimento relativo de rotação, de translação ou linear. Concomitante com o movimento é também aplicada uma força chamada de força de fricção para produzir o atrito adequado, o qual produz o aquecimento das faces pela geração do calor de atrito e, devido a este aquecimento e aplicação da força ocorre um encurtamento dos elementos com a consequente formação de rebarba, o que é conhecido como "burnoff '. Depois de aquecidas as faces até a temperatura adequada, a qual depende do tipo de material, é aplicada uma chamada pressão de recalque, a qual produz a soldagem por forjamento dos dois elementos. Como as temperaturas e as pressões utilizadas são relativamente altas, ocorre a formação de uma rebarba que deve, na maioria dos casos, ser retirada para o bom funcionamento dos elementos soldados. Existem vários métodos de solda por fricção, sendo os mais comuns o método de solda por fricção linear, solda por fricção orbital, solda por fricção circunferencial e, mais recentemente a solda conhecida por "friction stir welding". Para a união de elementos tubulares o método mais utilizado é o método de solda por fricção circunferencial, embora também esteja sendo estudada a aplicação do método de "friction stir welding". No método de solda por fricção circunferencial a fricção para gerar o aquecimento é feita através da rotação relativa entre os elementos a serem soldados, sendo aplicada uma pressão de topo durante a fase de aquecimento e após esta para que ocorra a união através de caldeamento das superfícies. Neste caso, dependendo das dimensões dos elementos a serem soldados, pode ser utilizado um anel intermediário que rotaciona, permitindo que os elementos fiquem estáticos. No método de solda por "friction stir welding" uma ferramenta em movimento de rotação percorre circunferencialmente a região de união entre os elementos tubulares produzindo o aquecimento e promovendo a mistura do material das regiões adjacentes do topo dos elementos tubulares permitindo a união dos mesmos. Estes dois métodos tem se mostrado os mais eficientes até hoje, principalmente pelo fato de terem sido desenvolvidos equipamentos funcionais para tal fim. Existem várias patentes depositadas relacionadas com solda a fricção, mas poucas tratam especificamente de solda de elementos tubulares. Dentre estas pode ser citada a patente EP 1181128B1 "Method and Device for Welding Elongated Elements", também registrada sob o PCT na WIPO com o número WO00/73012A1, nos Estados Unidos com o número 6634540B1 e na Rússia com o número RU2257985C2, que trata de um método de solda por fricção que utiliza um anel em rotação colocado entre as extremidades de dois elementos longos a serem soldados e trata também do dispositivo para aplicação do método. A referida patente trata apenas de um disco que gira para a realização do aquecimento, disco este que tem as suas faces de contato planas, o mesmo acontecendo com os elementos a serem soldados. Esta configuração faz com que surja uma maior quantidade de rebarba, que representa maior trabalho para remoção posterior, além de não oferecer nenhum guiamento para as extremidades a serem soldadas, principalmente no caso de elementos tubulares. Além disso, o sistema de aplicação da carga de fricção e da carga de recalque prevê a realização de um cordão de solda para sua ancoragem, o que não é permitido em muitas aplicações como, por exemplo, na indústria do petróleo, pois dito cordão altera as propriedades do material na região sem possibilidade de recuperação destas propriedades. Mais ainda, o sistema de fixação do guiamento do citado dispositivo pode acarretar dano às superfícies dos elementos, o que também não é permitido, ou ainda causar dano ao revestimento de proteção como é o caso das tubulações na indústria do petróleo. A patente dos Estados Unidos 3678566 "Friction Welding" trata de um sistema de controle de velocidade de rotação para ajuste do aquecimento durante a etapa de fricção. Esta patente atualmente está desatualizada devido à evolução dos sistemas de controle que passaram de puramente elétricos para controles totalmente eletrônicos de alta precisão e velocidade de realimentação. O mesmo pode ser dito da patente dos Estados Unidos 6102272 "Frictional Welding Apparatus" que usa uma barra de torção como elemento acumulador de energia para diminuir as forças inerciais durante a solda por fricção alternada. Embora tecnicamente válido, os sistemas atuais sevocontrolados permitem um controle melhor e já possuem acumuladores a gás que minimizam as forças inerciais. Além disso, a presente invenção não possui o mesmo conceito que esta. As patentes dos Estados Unidos 6003752 "Multiple Synchronized Linear Friction Welding Oscilators" e 5853119 "Friction Welding Apparatus" tratam de um sistema de aplicação da força através de múltiplos cilindros atuando em conjunto, com um movimento linear produzido a partir de um movimento de rotação acoplado a um sistema biela-manivela. Nestes casos o movimento somente pode ser aplicado a processos de fricção linear, não sendo aplicados para a soldagem de elementos tubulare s.

A presente invenção tem a vantagem de permitir a solda de elementos tubulares através de movimentos alternados e pressão controlados por sistemas de servocontrole, gerando um aquecimento que permite uma solda de alta qualidade. Diferentemente de outros sistemas, este é compacto propiciando facilidade de transporte e montagem podendo ser utilizado com qualquer sistema servocontrolado hidráulico ou pneumático. Além disso, pelo fato do método utilizar um anel com canaleta, permite o guiamento das extremidades dos elementos tubulares minimizando as deformações radiais. Nenhum dos métodos citados anteriormente tem estas características e nenhum dos equipamentos desenvolvidos permite o controle preciso de todas as variáveis do processo de solda por fricção. Todo o sistema é baseado em sistemas comerciais hidráulicos ou pneumáticos servocontrolados, que acionam cilindros responsáveis pela fixação dos elementos a serem soldados a fricção e pelas cargas utilizadas no processo. A figura 1 apresenta o equipamento preparado para ser montado em um par de elementos tubulares. A figura 2 apresenta este mesmo equipamento como montado em um par de elementos tubulares. Este equipamento é constituído de um conjunto de fixação e carga longitudinal (1) e de um conjunto de fricção (2) que são fixados sobre um par de elementos tubulares (3). A figura 3 apresenta o conjunto de fixação e de carga longitudinal, o qual é composto de dois pares de placas ocas bipartidas (4), um par de cilindros para dar força de aperto (5), um par de braçadeiras articuladas (6) e quatro cilindros longitudinais (7) para dar força de fricção e de recalque. A figura 4 apresenta o conjunto de fricção composto de um cilindro (8) para fazer o movimento alternado, um conjunto circular bipartido e articulado (9) que prende e movimenta o disco de fricção. A figura 5 apresenta o disco de fricção (14) com canaleta aplicável ao equipamento projetado.

Por questões de ordem prática a soldagem por fricção a topo de elementos tubulares longos deve ter como premissa básica um sistema que seja de fácil montagem. Desta maneira é imperativo que os conjuntos que fazem parte do sistema sejam bipartidos para facilitar a sua montagem. Além disso, estes sistemas devem ser dotados de elementos que produzam certo carregamento para fixação, sem possibilidade de deslocamento sobre os elementos a serem soldados e também devem ser compostos de elementos que produzam um carregamento longitudinal que permita a aplicação das forças de fricção e de recalque. Como pode ser visto nas figuras 1 a 5, o equipamento é composto de dois conjuntos principais, um destinado à fixação de todo o sistema sobre o um par de elementos tubulares (3) e também para aplicação das forças de fricção e de recalque, chamado de conjunto de força (1) e outro destinado ao movimento do disco intemediário de fricção, chamado de conjunto de fricção (2). Estes conjuntos são solidários entre si e possuem uma articulação (8 e 12) em um ponto que permite a abertura dos mesmos para a montagem sobre o um par de elementos tubulares (3). Inicialmente são montadas as duas braçadeiras (6) articuladas sobre o um par de elementos tubulares (3) e são montados a seguir os dois conjuntos abertos, acoplando as duas partes do conjunto de força (1) às braçadeiras (6) e o conjunto de fricção (2) ao disco de fricção (10). Uma vez acoplados os conjuntos de força (1) e de fricção (2), ambos são unidos por pinos de fixação (9 e 13) para garantir que não abram durante o processo de soldagem. Também são fixados por pinos (9) os cilindros de aperto (5) e então é aplicada uma carga de aperto adequada ao processo de soldagem. Esta carga de aperto deve ser suficiente para a braçadeira articulada fique impedida de se movimentar sobre o um par de elementos tubulares quando da aplicação das forças longitudinal de fricção e de recalque. Uma vez fixados os conjuntos e aplicada a força de aperto inicia- se, através de um sistema servocontrolado, o movimento de oscilação do cilindro (10) acoplado ao sistema de fricção (2) e a seguir é aplicada a força de fricção através dos cilindros longitudinais (7). Decorrido o tempo adequado de acordo com a frequência de oscilação, da amplitude de oscilação e da força longitudinal aplicada, aplica-se a força de recalque com os mesmos cilindros longitudinais (7) que unem os dois pares de placas bipartidas (4) do conjunto de força (1).