Parâmetros de soldadura óptimos para a soldadura de geomembranas

Autores: Eddie Weiser, Engenheiro Técnico de Vendas, Leister Technologies AG

Dr. John Scheirs, Consultor Principal, ExcelPlas Polymer Testing Services

Attila Marta, Engenheiro Principal, Red Earth Engineering

A importância dos parâmetros de soldadura

O processo de soldadura térmica de plástico baseia-se no equilíbrio preciso de três parâmetros-chave: Temperatura/energia, velocidade e pressão. Se estes parâmetros estiverem corretamente equilibrados, a zona soldada tem a mesma resistência elevada que o material de base. Qualquer desvio da gama de parâmetros óptima pode levar a cordões de soldadura fracos. A monitorização e o controlo destes parâmetros são, por isso, cruciais para obter soldaduras de geomembranas consistentes e de alta qualidade. Como mostra o diagrama abaixo, o processo de soldadura de geomembranas depende da combinação dos três parâmetros seguintes num equilíbrio correto.

O objetivo deste gráfico é ilustrar o "ponto ideal" dos parâmetros de soldadura para otimizar a qualidade da soldadura. A área em que a cor vermelha é mais intensa indica o ponto em que os três parâmetros de soldadura têm maior probabilidade de estar na proporção correcta ou em equilíbrio ideal. Os três parâmetros são interdependentes e qualquer alteração num deles afecta os outros. Quanto mais um ou mais parâmetros se afastarem deste intervalo ideal, mais fraca será a resistência do cordão de soldadura. Os diferentes termoplásticos têm diferentes propriedades de soldadura. Por conseguinte, o equilíbrio dos três parâmetros pode variar em função da composição do termoplástico.

Os parâmetros de soldadura típicos que conduziram a bons resultados com geomembranas de polietileno são os seguintes

• Temperatura = 280-420 graus Celsius com cunha de aquecimento (cunha combinada de ar quente 380-560°C)
• Pressão = 30-40 N/mm, ou seja, por/mm de largura do rolo de pressão
• Velocidade = 0,8-2,5 m/min

Para uma reprodutibilidade consistente do processo de soldadura, é necessário que a máquina de soldar tenha um controlo e uma visualização precisos e reprodutíveis dos três parâmetros.

O "squeeze-out" e o seu significado

O squeeze-out (ver figura abaixo) é a extrusão lateral da massa fundida que ocorre durante a soldadura e é um indicador importante do processo de soldadura. Isto significa que ocorreu uma plastificação suficiente da massa fundida para uma boa soldadura. No entanto, uma compressão excessiva pode indicar parâmetros de soldadura inadequados, tais como sobreaquecimento ou pressão excessiva.

Além disso, o sobreaquecimento e a compressão excessiva na sutura podem reduzir o conteúdo antioxidante ou causar alterações morfológicas que tornam a sutura mais suscetível à degradação oxidativa e à fissuração por esforço. A compreensão e o significado do squeeze-out ajudam na avaliação profissional da qualidade dos cordões de soldadura.

Parâmetros de soldadura precisos garantem a reprodutibilidade

Para garantir uma soldadura uniforme e reprodutível, os três parâmetros de soldadura devem ser controlados com precisão: Temperatura/energia, velocidade e pressão. Quanto mais estes parâmetros se aproximarem das definições ideais, mais forte será o cordão de soldadura. A resistência do cordão de soldadura deve ser comparável à resistência do material de base, o que pode ser verificado com um tensiómetro.

Outros critérios de influência

Os parâmetros de soldadura devem ser adaptados às condições específicas do local, tendo em conta critérios como o tipo de material, o índice de fluxo de fusão (MFI), o estado da superfície e as influências climáticas externas. Recomenda-se, por conseguinte, que as soldaduras de ensaio sejam efectuadas antecipadamente em conformidade com normas reconhecidas, tais como B. GRI-19a, GRI-19b, DVS 2225-3 ou 4, ASTM D6392 ou ASTM D7747. Também é importante conhecer os limites destas normas e aplicar parâmetros de soldadura específicos do projeto, se necessário. Esta última tornou-se cada vez mais importante nos últimos anos, à medida que foram surgindo no mercado geomembranas com novas composições.

A soldadura abaixo do ponto de orvalho não é geralmente recomendada, uma vez que afecta negativamente a qualidade da soldadura.

Princípios de conceção dos equipamentos de soldadura

Para garantir resultados de soldadura consistentes e fiáveis, o equipamento de soldadura deve respeitar determinados princípios de conceção. Estes princípios incluem um circuito de controlo fechado para manter a temperatura de soldadura, um circuito de controlo fechado para regular a velocidade de soldadura e um sistema de pressão calibrado com uma célula de carga ou sistema de medição para garantir uma pressão de soldadura reproduzível. A integração de um sistema de aquisição de dados em conformidade com a norma ASTM D8468*, DVS 2225-4 permite a aquisição automática de dados, a criação de protocolos de cordões de soldadura e a análise pós-soldadura.

* ASTM D8468-23 - Procedimento normalizado de registo de dados para dispositivos de soldadura para a produção de cordões de soldadura em sistemas de geomembranas

Todas as partes da máquina de soldar que entram em contacto com o material a soldar devem estar livres de arestas vivas. As arestas vivas podem entalhar o material soldado e afetar negativamente a resistência a longo prazo do cordão de soldadura devido a defeitos como linhas de entalhe e ranhuras e à sensibilidade do entalhe resultante. O raio mínimo de todas as arestas que entram em contacto com a geomembrana não deve ser inferior a 2,0 mm.

Inspeção final de acordo com normas reconhecidas

Os parâmetros finais de soldadura devem ser testados de acordo com as normas reconhecidas que se aplicam aos materiais a soldar. Esta é a única forma de garantir a qualidade do cordão de soldadura.

Conclusão e recomendação

A soldadura correcta baseia-se na penetração mútua e no entrelaçamento das moléculas de polímero das duas folhas de vedação a unir na junta.

Um aquecimento insuficiente, um tempo de contacto demasiado curto entre a membrana e a cunha de aquecimento ou uma pressão de união insuficiente conduzem a uma falta de mobilidade das cadeias e, por conseguinte, a uma penetração insuficiente das cadeias de polímero através do cordão de soldadura, resultando numa fraca resistência da união.

Inversamente, o sobreaquecimento, os longos tempos de contacto (devido a um calor excessivo e/ou a uma velocidade de soldadura demasiado lenta) e uma pressão de junção excessiva levam a que a fusão seja espremida lateralmente, resultando numa compressão acima da média e, por conseguinte, numa fraca resistência do cordão de soldadura. Estas condições podem também conduzir a reduções excessivas de espessura no cordão de soldadura, a uma geometria abrupta de cordão de soldadura espesso-fino e à formação de uma forte zona afetada pelo calor diretamente junto ao cordão de soldadura.

Tendo em conta a natureza multifatorial da soldadura de geomembranas, o desempenho ótimo da soldadura é, portanto, uma função do equilíbrio entre os três parâmetros críticos de soldadura.

Recomenda-se a instalação de um sistema de aquisição de dados nas máquinas de soldadura que permita o registo dos parâmetros de soldadura relevantes ao longo de todo o comprimento do cordão de soldadura em intervalos fixos durante todo o processo de soldadura. A monitorização de todos os parâmetros de soldadura durante a soldadura de geomembranas é crucial para garantir procedimentos óptimos. Ao manter um equilíbrio entre temperatura/energia, velocidade e pressão, é possível obter cordões de soldadura de alta qualidade. A importância do squeeze-out, o cumprimento das normas de ensaio e a utilização de sistemas de aquisição de dados aumentam ainda mais a qualidade e a fiabilidade do processo de soldadura.

Principais conclusões

1. Interpenetração e interdependência: O sucesso da soldadura depende da interpenetração e do entrelaçamento das moléculas de polímero das duas geomembranas na interface. É este entrelaçamento molecular que cria uma ligação forte.
2. Aquecimento e tempo de contacto: O aquecimento correto e um tempo de contacto adequado são cruciais. Com um aquecimento insuficiente e um tempo de contacto curto, as cadeias de polímero podem não ter mobilidade suficiente para se interpenetrarem eficazmente, resultando numa ligação fraca.
3. Sobreaquecimento: Por outro lado, o sobreaquecimento do material ou uma velocidade de soldadura lenta (tempo de contacto prolongado) pode levar a uma fusão excessiva e à expulsão do material fundido. Isto pode levar a uma fraca resistência do cordão de soldadura e a uma redução excessiva da espessura do cordão de soldadura.
4. Pressão de união: A pressão de união refere-se à pressão exercida entre os dois rolos de pressão durante o processo de soldadura. Uma pressão demasiado baixa pode impedir que as moléculas se liguem corretamente, enquanto uma pressão demasiado elevada pode fazer com que o material fundido seja espremido e enfraqueça a soldadura.
5. Resistência do cordão de soldadura e zona afetada pelo calor: A resistência do cordão de soldadura pode ser prejudicada se não for alcançado um equilíbrio ótimo dos parâmetros. Além disso, condições desfavoráveis podem levar a uma redução excessiva da espessura da área soldada e à formação de uma zona afetada pelo calor junto ao cordão de soldadura. Este pode apresentar propriedades materiais alteradas devido ao efeito do calor e envelhecer mais rapidamente do que o cordão de soldadura, o que leva a um maior potencial de fissuras por tensão.
6. Óptima qualidade dos cordões de soldadura: Para obter a melhor qualidade do cordão de soldadura, é necessário encontrar o equilíbrio certo entre os três parâmetros, nomeadamente a temperatura, a velocidade e a pressão de junção. Este ajuste é importante para criar um cordão de soldadura forte e fiável entre as geomembranas.
7. Exame: Os parâmetros finais de soldadura devem ser verificados de acordo com as normas reconhecidas que se aplicam aos materiais a soldar.