Um adesivo é definido conforme a norma técnica DIN 16920, como um material não-metálico que pode unir componentes por meio de agarramento superficial (adesão) e resistência interna (coesão) (figura 1). O uso da colagem como processo de união aumenta as opções de configuração de componentes, em razão da possibilidade de unir materiais diversos como, por exemplo, combinações de metal e plástico, ou componentes de aço com alumínio. Além de proporcionar a união, o adesivo tem de atender a outros requisitos: suprimir a corrosão metálica, propiciar uniões isentas de distorção, compensar os diferentes coeficientes de dilatação térmica dos materiais envolvidos, amortizar ruído e vibração, reduzir o peso do conjunto confeccionado, não formar cores de revenido e suprimir os picos de tensão mecânica.

Uma comparação entre uma união soldada e outra colada mostra que a primeira apresenta distribuição heterogênea de tensões em função das sobreposições de tensões induzidas pela soldagem, o que leva à introdução não-homogênea de solicitações mecânicas durante a vida útil do componente, como

Fig. 1 – Adesão é a força de ligação entre o adesivo e o material do componente a ser unido; coesão é a força que atua entre as moléculas do adesivo e mantém coesa a massa de partículas.

pode ser visto no gráfico à direita na figura 2 (pág. 15): 1) metal depositado por soldagem; 2) zona submetida a superaquecimento; 3) zona enfraquecida (zona termicamente afetada, ZTA); e 4) metal-base. A distribuição homogênea de tensões nas juntas coladas implica o fato de que a introdução de cargas mecânicas também será homogê-

Fig. 2 – Evolução das tensões ao longo de uma junta de topo soldada

nea. A figura 3 mostra um corpo de prova fotoelástico de um modelo feito com material transparente e opticamente ativo. A distribuição homogênea de tensões é visível ao aplicar luz polarizada ao corpo de prova.

Um exemplo de aplicação de juntas coladas no processamento de metais é a confecção de guarnições que revestem aparatos, equipamentos e máquinas. Elas são, geralmente, muito espessas, o que possibilita que sejam soldadas, rebitadas ou parafusadas. Devido a isso, os componentes assim manufaturados apresentam maior peso e altos custos. Além disso, as uniões em forma de ponto aplicadas mecanicamente promovem o surgimento de picos de carga mecânica. As vibrações aplicadas nas uniões do conjunto construtivo promovem maior geração de ruído e distorções no componente. Amplas superfícies constituídas por chapas finas frequentemente têm sua construção reforçada com perfis ômega. Dessa forma é possível poupar material. Entretanto, este caso levanta questões no que diz respeito à viabilidade dos processos de união mecânica, uma vez que a chapa poderá sofrer distorção ou se romper. A isso são somadas as etapas de processo relativamente trabalhosas de furação, rebarbação e/ou aplicação de proteção contra ferrugem. A colagem proporciona uma distribuição homogênea de tensões e viabiliza reforços construtivos que poupam os materiais e as dispendiosas operações de preparação ou acabamento. Uma vantagem do adesivo monocomponente de poliuretano em relação ao feito à base de silicone é que a união colada pode ser pintada, no caso, por exemplo, de inserção em superfícies externas.

Vantagens para o cálculo

A colagem é um processo econômico de união quando são consideradas todas as suas etapas e os materiais envolvidos. O reduzido trabalho de preparação e o menor número de etapas permitem alto grau de automatização. Geralmente é possível reduzir os tempos de produção, mesmo sem a utilização de equipamentos.

As vantagens do uso de colagem na produção de componentes consistem em um campo de aplicações geralmente amplo, com alta consistência de processo e possibilidade de integração com os processos de fabricação já existentes. A colagem permite a combinação de várias etapas de trabalho, otimizando dessa forma o processo de manufatura; por exemplo, é possível montar e vedar numa mesma etapa de trabalho, com poucas atividades de preparação (figuras 4 (pág. 16) a 6, pág. 18). Além disso, as tolerâncias tanto dos componentes como da fabricação podem ser obtidas por meio do ajuste das camadas de adesivo depositadas. Um dos objetivos principais é a obtenção de tempos reduzidos de manufatura pelo aproveitamento do alto potencial de automatização, uma vez que a tecnologia de colagem já se encontra estabelecida em muitos segmentos industriais.

A quantidade quase incontável de tipos de adesivos disponíveis pode ser classificada de acordo com diversos critérios. Muito frequentemente é estabelecido como critério a base química do adesivo. As seguintes designações decorrem desse critério: poliuretano (geralmente identificado pela abreviação PU), resina epóxi, polímero modificado com silano, acrilato, cianoacrilato e silicone, sendo esses considerados os mais importantes. Uma diretriz adicional pode proporcionar uma indicação das características finais do adesivo. As propriedades mecânicas, ou seja, resistência, módulo de elasticidade, tempo de cura ou o tipo de processamento podem ajudar a selecionar um sistema de adesivos. Na prática, analisar o tipo de aplicação do componente, o seu processo de produção e os materiais a serem unidos constitui a melhor forma de encontrar um adesivo adequado.

Fig. 3 – Evolução das tensões ao longo de uma junta de sobreposição colada

Fig. 4 – Soldagem e vedação combinadas da estrutura de uma cabine para veículo automotor

Respondendo a perguntas específicas

Um cliente, fabricante de guindastes móveis, usa exclusivamente um adesivo de poliuretano monocomponente, cuja cura ocorre por umidade ou calor, para a fabricação de cabines para motoristas ou operadores, e para a união de chapas com guarnição – mas não para a confecção de componentes usados para suportar cargas mecânicas, feitos com aço estrutural, com grão fino de alta resistência, que apresentam limite de escoamento de até 1.300 MPa. Este tipo de aplicação fez com que fosse levantada uma série de dúvidas a serem respondidas:

Fig. 5 – Soldagem e colagem de um grupo construtivo para piso de veículo automotor

• A quais solicitações mecânicas o produto final é exposto?

R: A vida útil de uma união é definida essencialmente pelas solicitações mecânicas que ocorrem tanto durante a sua confecção quanto pelas que surgem durante a utilização do produto final. Os tópicos abaixo deverão ser apropriadamente considerados no que diz respeito à seleção do adesivo e da configuração construtiva da junta colada (superfície para colagem, espessura da junta e do adesivo). Neste caso, é necessária a diferenciação entre:

– Solicitações mecânicas (o produto final é exposto a forças dinâmicas ou estáticas tais como tração, esfoliação, pressão, dobramento, cisalhamento, torção?);

– Ataques químicos (o adesivo e os componentes a serem unidos resistem a ataque químico?); e

– Solicitações térmicas (o adesivo e os componentes a serem unidos são resistentes à temperatura?

Onde a peça será usada – em regiões muito frias, sob temperaturas de até -50oC, ou em regiões muito quentes, com temperaturas acima de70°C –? Também deve ser considerado, por exemplo, se o guindaste móvel será limpo com jato de vapor aquecido.

• Quais são os valores do coeficiente de dilatação térmica dos componentes a serem unidos (por exemplo, alumínio, aço altamente ligado com cromo e níquel)?

• Como o processo de produção está configurado? Qual o número de peças fabricadas (produção manual ou automatizada)? Quais materiais deverão ser colados? Os materiais ou suas superfícies são compatíveis com a colagem? Eventualmente, a adesividade dos diferentes materiais varia significativamente. Desengraxamento e limpeza cuidadosos são pré-requisitos para uma adesão consistente.

Agentes de limpeza adesivos (ativadores) e camadas para recobrimento contribuem para a consistência do processo. Camadas de óxido ou soltas precisam ser removidas mecanicamente.

Muitos plásticos podem ser colados somente após terem sido submetidos a pré-tratamento físico (chama, processos de plasma). Isso é muito viável do ponto de vista técnico, mas é necessário considerar os investimentos que terão de ser feitos em equipamentos.

Projeto orientado para a colagem

Na prática as juntas soldadas são expostas a numerosos tipos de força (tração, pressão, cisalhamento e descascamento). A resistência da junta depende da superfície de colagem, da resistência interna do adesivo e das peças unidas, bem como da distribuição de tensões no interior da junta. Uma junta mal dimensionada pode levar a altos picos de tensão e, dessa forma, levar à sua ruptura. Portanto, durante o dimensionamento da junta, devem ser consideradas a aplicação simples do adesivo e a geometria orientada para o processo de colagem. Dessa forma se consegue uma longa vida útil para a junta sob as condições requeridas.

As vantagens (compensação de movimento, tenacidade, amortização de vibração e ruído) de um adesivo elástico somente poderão ser comprovadas se for feito um dimensionamento correto da geometria da junta colada. Uma típica aplicação de adesivos elásticos é a colagem de vidros para janelas em todos os tipos de veículos, tanto automóveis como ônibus, caminhões e veículos ferroviários. Nas modernas carrocerias automotivas, por exemplo, o para-brisa é um elemento que deve suportar carga mecânica.

Fig. 6 – Moldura de alumínio para um ônibus rodoviário projetada especificamente para aplicação de uniões por colagem (foto fornecida pela Sika).

Os chamados absorvedores de colisões (crash box) feitos atualmente são unidos não apenas por soldagem a ponto, como também, de forma preponderante, pelo uso de adesivos especiais com cura a quente. Na verdade, os pontos de solda são usados apenas para fixar os componentes.

A cura do adesivo ocorre sob temperaturas da ordem de 180^oC. Ao mesmo tempo é feita a secagem/ cura da pintura. O aço estrutural com grão fino com ultra alta resistência mecânica (somente temperado) utilizado, por exemplo, na fabricação das colunas A e B de um automóvel, o qual apresenta resistência mecânica de até 1.800 MPa, também é simultaneamente revenido nesse tratamento a 180°C, levando à obtenção de efeitos positivos sobre a sua microestrutura e tenacidade.

Preparação e planejamento da sequência de trabalho

A preparação e o planejamento corretos da sequência de trabalho asseguram uma ordem de produção rápida e fluida. A definição adequada do material e o conhecimento sobre a qualidade da superfície (por exemplo, sem tratamento, com camada de primer, ou pintada) possibilitam uma definição cuidadosa dos tipos adequados de adesivo e das etapas de pós-tratamento que se fazem necessárias. Solventes, óleos para estampagem e aditivos semelhantes influenciam negativamente a capacidade de colagem do material. Em caso de dúvida devem ser feitos testes preliminares com os materiais originais.

Pode ser requerido um ambiente de trabalho limpo que disponha de estações de trabalho com boa iluminação e que apresente boa ventilação. Durante a confecção das juntas não deverão ser ultrapassados os limites em termos de temperatura (15^oC) e de umidade mínima do ar (30%). As atividades de preparação (limpeza grosseira e polimento) devem ser executadas em local separado da área de pré-tratamento/ limpeza da superfície de colagem. É preciso assegurar que cada área de trabalho disponha de ferramentas auxiliares e de materiais necessários e adequados.

A limpeza, a primeira fase da preparação, é a etapa de trabalho mais importante do processo de colagem. A superfície a ser colada precisa estar limpa, seca e livre de pó e gordura, bem como livre de qualquer camada solta (por exemplo, ferrugem, carepa, óxido, resíduos de tinta). O pré-tratamento com agente limpante adesivo efetua simultaneamente a limpeza e ativação da superfície. Dessa forma, a adesão ocorre sobre uma base lisa e não-absorvente, cuja qualidade foi significativamente melhorada. É necessário observar que o papel absorvente (não devem ser usados trapos, é melhor um fluxo especial) deve ser substituído de forma regular e frequente, para que possa ser eliminada de forma eficaz a sujeira, ao invés de apenas distribuí-la homogeneamente sobre a superfície de colagem. No caso de presença intensa de sujeira é necessário, primeiramente, proceder a uma limpeza grosseira usando solvente puro (não utilizar thinner de celulose, thinner para pintura ou removedor de silicone, uma vez que eles não estão completamente isentos de gordura).

Um número crescente de instituições oferece treinamentos certificados sobre o processo de colagem. O certificado de “Operador de Colagem”, da Associação Alemã para Soldagem e Processos Aplicados (Deutscher Verband für Schweiβen und verwandt Verfahren, DVS), é concedido após a conclusão de um curso com duração de uma semana. Um curso em tempo integral com três semanas de duração – ou o número equivalente em horas-aula – nomeia o concluinte como “Especialista em Colagem”, também concedido pela DVS. Para conseguir o título de “Engenheiro Especialista em Colagem”, ou “Engenheiro Europeu de Adesivos” (European Adhesive Engineer, EAE), é necessário realizar um curso cuja duração atualmente é de oito semanas, além de obter aprovação no exame final. Outros cursos são ministrados em institutos autorizados como, por exemplo, DVS Instituto Fraunhofer de Tecnologia de Manufatura e Pesquisa Aplicada em Materiais (Fraunhofer-Institut für Fertigungs- technik und Angewandte Materialforschung, IFAM), em Bremen, Alemanha; Universidade Técnica de Munique (Technische Universität München); e Escola Superior de Ulm/Donau (Hochschule Ulm/Donau), sob direção do Prof. Dietrich. De forma complementar, a empresa Sika Deutschland GmbH, localizada em Stuttgart, Alemanha, oferece regularmente aos seus clientes seminários especializados sobre colagem para os profissionais dessa área.