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Milton Correia dos Santos Junior

Introduo a Soldagem por Resistncia

Curitiba 2007

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LISTAS

LISTA DE FIGURAS

Figura 1- Esquema do procedimento de unio pelo processo de soldagem

por resistncia - 03

Figura 2- Resistncias tpicas - 04

Figura 3- Resistncias tpicas no processo - 05

Figura 4- Resistncias tpicas ao final do processo - 05

Figura 5- Ciclo de soldagem tpico - 06

Figura 6- Controlador para corrente alternada monofsica - 07

Figura 7- Controlador para corrente trifsica - 07

Figura 8- Controlador para corrente com inversor de freqncia - 08

Figura 9- Curva de soldabilidade - 09

Figura 10- Diviso do tempo no processo - 10

Figura 11- Gradiente de temperatura na chapa - 12

Figura 12- Mquina de soldagem a ponto - 16

Figura 13- Pinas para soldagem manual - 17

Figura 14- Pinas para soldagem com rob - 17

Figura 15- Montagem tpica de eletrodo e capa - 18

Figura 16- Formato das capas de soldagem - 20

Figura 17- Preparao do tubo de alimentao - 21

Figura 18- Queda da dureza x aumento da temperatura - 22

Figura 19- Curva de corrente e stepper de corrente - 24

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Figura 20- Curva de corrente combinada com fresagem - 24

Figura 21- Equipamento de fresagem automtica - 25

Figura 22- Acesso do eletrodo - 27

Figura 23- Soldagem de espessuras diferentes - 28

Figura 24- Efeito Shunt - 28

Figura 25- Acesso do eletrodo - 28

Figura 26- Ilustrao de ensaios - 31

Figura 27- Ilustrao do processo - 32

Figura 28- Armrio de comando de rob KUKA e comando de solda DRING - 41

Figura 29- Placa de distribuio de ar e gua RIP FESTO - 42

Figura 30- Fresadora de capas LUTZ - 43

Figura 31- Rob com pina X completa - 44

Figura 32- Detalhe da fixao na flange do rob - 44

Figura 33- Tela de programao de parmetros principais - 46

Figura 34- Tela de programao de stepper e fresagem - 46

Figura 35- Correo de corrente pelo nmero de pontos soldados - 47

Figura 36- Ajuste de corrente de soldagem x expulso de material - 48

Figura 37- Comparao entre ponto com baixa e alta densidade de corrente - 49

Figura 38- Furo e porosidade, falhas causadas pelo excesso de corrente - 49

Figura 39- Ponto com geometria irregular, falha causada pelo desalinhamento - 50

Figura 40- Ciclo de trabalho programado - 50

Figura 41- Mquina hidrulica para ensaio de rasgamento - 52

Figura 42- Medio do ponto de solda - 52

Figura 43- Pontos de solda resultantes - 53

Figura 44- Relao fora e programao da vlvula proporcional para pina X - 54

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Figura 45- Relao fora e programao da vlvula proporcional para pina C - 54

Figura 46- Recomendao Dring para unio de duas chapas

(0,8 mm + segunda espessura) - 55

Figura 47- Resistncia de contato e fora de fechamento - 56

Figura 48- Ilustrao da superfcie de contato em escala microscpica - 56

LISTAS DE TABELAS

Tabela 1- Propriedades fsicas dos materiais da RMWA - 19

Tabela 2- Especificao tcnica das chapas - 45

Tabela 3- Especificao das juntas - 45

Tabela 4- Programao inicial - 51

Tabela 5- Programao stepper - 51

Tabela 6- Dimetro dos pontos de soldagem para cada junta - 53

Tabela 7- Programao das foras com base na espessura da junta - 57

Tabela 8- Programao da fora para junta 1 - 57

Tabela 9- Programao da fora e corrente de soldagem para junta 1 - 57

Tabela 10- Parametrizao final - 58

Tabela 11- Dimetro dos pontos aps parametrizao - 58

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SUMRIO

1. INTRODUO - 01

2. REVISO BIBLIOGRFICA - 03 2.1. Fundamentos do Processo - 03

2.2. Parmetros de Soldagem por Resistncia - 06

2.2.1. Corrente de Soldagem - 07

2.2.2. Fora de Fechamento dos Eletrodos - 09

2.2.3. Tempos na Soldagem - 10

2.2.4. Fatores que influenciam a Resistncia e a Gerao de Calor - 13

2.3. Mquinas de Soldagem por Resistncia -15

2.4. Eletrodos - 18

2.4.1. Geometria - 20

2.4.2. Refrigerao - 21

2.4.3. Desgaste e suas implicaes - 22

2.5. Aos Galvanizados - 25

2.5.1. Processos de Galvanizao - 26

2.5.2. Soldabilidade de Chapas Galvanizadas - 26

2.6. Problemas Operacionais - 27

2.7. Controle da Qualidade da Solda e Mtodos Aplicados - 29

REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS - APENDICES

MSCARA DE FMEA

MSCARA DE PLANO DE CONTROLE

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2- REVISO BIBLIOGRFICA 2.1 Fundamentos do processo

A unio de chapas metlicas no processo de soldagem por resistncia (Resistence Spot

Welding) ocorre num processo que as peas so sobrepostas e por meio de eletrodos so

pressionadas eliminando folgas entre elas, posteriormente um curto pulso de baixa tenso e

grande corrente passa pelos eletrodos que esto em contato com o material base. Devido

resistncia do material de base passagem da corrente eltrica, por efeito Joule gerada uma

quantidade de calor nas superfcies das peas que dever ser suficiente para que o material

atinja seu ponto de fuso na regio de interesse gerando uma regio fundida denominada

ponto de solda. Esta quantidade de calor gerada proporcional resistncia eltrica total,

quadrado da intensidade de corrente e ao tempo de corrente.

A fora de contato entre os eletrodos e o material de base mantida aps cessada a corrente

de soldagem por um tempo suficiente para que o ponto de solda se resfrie e solidifique. Os

eletrodos saem do contato com o material em seguida. A regio fundida por onde passou a

corrente de soldagem forma uma lentilha que limitada pela face e dimetro do eletrodo

(VARGAS, 2006).

Figura 1 Esquema do procedimento de unio pelo processo de soldagem por resistncia Fonte: Dring do Brasil

Ponto de solda

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A resistncia eltrica de um circuito de soldagem a somatria de algumas resistncias que

so associadas em srie e medida que o processo ocorre, as influncias delas se modificam.

Inicialmente as resistncias so de contato entre as superfcies, e prximo ao final de cada

ponto, estas resistncias so provenientes do material. As figuras 2, 3 e 4 podem exemplificar.

Figura 2 Resistncias tpicas Fonte: Dring do Brasil

Exemplo para R2 at R6 Grandezas na entrada do Fluxo

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Figura 3 Resistncias tpicas no processo Fonte: Dring do Brasil

Figura 4 Resistncias tpicas ao final do processo Fonte: Dring do Brasil

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O ciclo de soldagem tpico deste processo combina corrente de soldagem, fora nos eletrodos

e tempos de aplicao, a correta seleo destes parmetros implicar numa solda com

qualidade adequada.

Figura 5 Ciclo de soldagem tpico Fonte: Dring do Brasil

2.2 Parmetros de soldagem a ponto por resistncia

Parmetros de soldagem so as grandezas que devem ser associadas adequadamente para se

obter um ponto de soldagem de boa qualidade. De maneira simplista, h trs parmetros que

determinam a qualidade da solda: Corrente de soldagem (I), Fora de fechamento dos

eletrodos e Tempo de corrente de soldagem (t). A resistncia total (R) presente no circuito no

um parmetro e sim conseqncia do material empregado e das condies de aplicao,

porm de grande relevncia porque atravs dela que o calor gerado para a fuso do

material a ser soldado. A seguir a equao fundamental do processo:

tRIE = 2

10

2.2.1 Corrente de soldagem

fornecida pela rede de alimentao, passa pelo circuito primrio do transformador e

posteriormente pelo circuito secundrio, chegando at a pea de trabalho. Podem ser usadas

correntes AC e DC, o valor adequado da corrente ser obtido pelo controlador de corrente

acoplado ao circuito.

A soldagem com corrente alternada monofsica aplica controladores que trabalham

sincronizados com a rede, o tempo de solda selecionado mantido dentro de uma preciso

desejada. O tiristor limita a corrente de solda atravs do corte de fase.

Figura 6 Controlador para corrente alternada monofsica Fonte: Dring do Brasil

A soldagem com tecnologia de retificao secundria trifsica tem aplicao na fabricao de

peas de pequeno porte, geralmente trata-se da unio de materiais dissimilares.

Figura 7 Controlador para corrente trifsica Fonte: Dring do Brasil

Pode-se ainda soldar aplicando-se um inversor de freqncia mdia que fornece um impulso

dosado para modo de funcionamento com corrente constante, tenso constante ou potencia

constante. Os controladores trabalham na faixa de freqncias de 1kHz a 25kHz com

correntes de soldagem at 150 kA. A aplicao de um retificador no circuito secundrio

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diminui a resistncia resultante da pina, porque elimina a resistncia indutiva dos braos do

eletrodo.

Figura 8 Controlador com inversor de freqncia Fonte: Dring do Brasil

Como pode ser verificado na equao fundamental, o parmetro de maior influncia na

gerao de calor a corrente de soldagem, pois a energia gerada varia com o seu quadrado.

Para se obter solda de boa qualidade, a corrente deve estar situada numa faixa adequada para

evitar grandes flutuaes na densidade de corrente na interface da solda. A densidade de

corrente deve ser suficiente para gerar calor de maneira a compensar perdas por conduo,

para o metal de base adjacente, e para os eletrodos. De maneira anloga h um limite superior,

pois alm desse o material das chapas aquecido diminuindo a resistncia mecnica

localmente, ao se aplicar a fora atravs dos eletrodos, estes penetram na chapas provocando

deformaes plsticas no metal de base, expulso de material, aumentando o desgaste dos

eletrodos e causando baixa qualidade de soldagem.

A expulso de material um fenmeno comum nos processos de soldagem, consiste na

eliminao de metal lquido durante a formao do ponto, esta perda de material

frequentemente causa uma diminuio na resistncia da junta e grande desgaste nos

equipamentos devido ao acmulo deste metal em mangueiras, partes mveis e sobre o local de

alimentao do produto a ser soldado. Alm da corrente de soldagem a fora de fechamento

dos eletrodos e o tempo so fatores que tm grande influncia sobre a probabilidade de

ocorrncia do fenmeno. A parametrizao adequada obtida atravs de ensaios que mantm

a fora de fechamento constante e varia-se a corrente e tempo. Haver uma regio delimitada

por limites superior e inferior dentro da qual a soldagem apresentar nvel de qualidade

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satisfatrio. Alm destes limites poder ocorrer um ponto de baixa resistncia e pequeno

dimetro ou expulso do material.

Figura 9 Curva de soldabilidade Fonte: Branco - 2004

Como pode ser observado, uma corrente de maior intensidade deve ser acompanhada de um

tempo de soldagem menor para que o resultado do processo esteja na regio aceitvel, e

quanto maior for a distncia entre as duas curvas, maior ser a soldabilidade do material. O

tempo de solda com corrente alternada medido em ciclos e cada ciclo corresponde a 0,0166

segundos nos pases em que a rede de alimentao de 60 Hertz.

2.2.2 Fora de Fechamento dos Eletrodos

Para que a densidade de corrente soldagem seja adequada para execuo de um ponto de boa

qualidade necessrio que a rea de contato metal/metal seja mantida conforme

especificaes de projeto, o que no ocorre sem intervenes, pois o material apresenta

rugosidade superficial (picos e vales), contaminantes e imperfeies de conformao que

impedem o perfeito contato entre as chapas. Estas imperfeies causam variaes na

densidade de corrente e consequentemente na qualidade da soldagem.

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Para minimizar estes efeitos aplicada uma fora de fechamento entre os eletrodos afim de

garantir a continuidade da corrente eltrica na regio de interesse. Esta fora aplicada antes,

durante e depois da corrente de soldagem.

2.2.3 Tempos na Soldagem

O tempo de soldagem no ciclo est subdividido em cinco partes e cada uma delas tem

influncia sobre o processo de soldagem.

Figura 10 Diviso do tempo no Processo Fonte: KMAB

Tempo de Pr-presso

Este tempo composto pelo tempo de acostamento e tempo de pr-presso propriamente dito.

O tempo de acostamento aquele necessrio para que os eletrodos saiam de sua posio

inicial (afastados das chapas) at tocar nelas, deve ser o suficiente para evitar impactos dos

eletrodos sobre as superfcies das chapas. O Tempo de pr-presso o intervalo desde o

contato dos eletrodos at a presso de trabalho, um atraso para que a corrente de soldagem

somente seja aplicada somente aps as chapas estarem em contato real e com uma fora de

compresso determinada.

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Caso a sincronizao entre o tempo de pr-presso e o inicio de corrente no esteja adequada

podero ocorrer alguns problemas. Se a corrente for acionada antes de atingir a fora de

fechamento ocorrer a expulso de material e a solda ser de m qualidade, porm se a

corrente for acionada antes dos eletrodos entrarem em contato com as chapas, quando o

contato ocorrer, haver uma forte expulso de material e possibilidade de danos ao

ferramental. H de se pensar que um excesso no tempo de pr-presso (a favor da segurana

de processo) demandar num tempo ciclo maior que o necessrio, logo este tempo deve ser

otimizado para evitar falhas e custos desnecessrios. (BRANCO, 2004, VARGAS, 2006)

Tempo de subida de corrente

o tempo de aumento gradual de corrente at o valor de corrente mxima. aplicado para

prevenir o sobreaquecimento e expulso do metal no inicio do tempo de soldagem, quando a

resistncia na interface do metal de base ainda elevada. Porm, se o material a ser soldado

tiver um revestimento de zinco por imerso a quente, as resistncias eletrodo/chapa e

chapa/chapa sero muito pequenas durante a parte inicial do perodo de aquecimento da

soldagem e nesse caso no se aplicaria um aumento gradual da corrente, e sim uma alta

corrente para remover a camada de zinco na interface das chapas. (VARGAS, 2006)

Tempo de soldagem ou tempo de corrente mxima

o curto intervalo de tempo em que a aplicao da corrente de soldagem mxima. Neste

intervalo de tempo a corrente eltrica flui atravs do material aquecendo-o at o ponto de

fuso na regio de contato entre as duas chapas formando o ponto de soldagem.

A determinao do valor adequado do tempo de corrente mxima muito importante para a

boa qualidade do ponto, pois um tempo prolongado causar aumento da temperatura e, por

conseguinte, um aumento da resistncia que causar maior gerao de calor. Com isso os

pontos 3 e 5 da figura 11 tornar-se-o plsticos permitindo o afundamento dos eletrodos que

causar a alta indentao. Outra conseqncia ser a expulso de material, possibilidade do

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eletrodo aderir chapa ou fuso na interface do eletrodo/chapa causando um furo nas chapas.

Caso o tempo no seja suficiente pode ser formado um pequeno ponto de solda ou nenhuma

soldagem. (BRANCO, 2004, VARGAS, 2006)

Figura 11 Gradiente de Temperatura na Chapa Fonte: Vargas - 2006

Tempo de descida de corrente

o intervalo de tempo em que o valor da corrente decresce do valor mximo at cessar. Este

perodo utilizado para controlar a solidificao do ponto de solda e prevenir a rachadura em

metais endurecidos por tmpera ou sujeitos a fissurao em quente. (VARGAS, 2006)

Tempo de ps-presso

Neste intervalo, a corrente j foi cessada e apenas fora de compresso est presente. A

funo deste tempo garantir a solidificao do ponto at o momento em que este tenha

adequada resistncia mecnica para suportar os esforos de trao que sero aplicados pelas

chapas contra ele. Caso este tempo seja inferior ao adequado o ponto ser puxado podendo

causar a diminuio de seu dimetro ou at mesmo a ruptura do ponto devido aos esforos de

trao. Caso haja uma falha na programao dos tempos e os eletrodos forem retirados do

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contato com as chapas enquanto ainda tiver um fluxo de corrente, haver a formao de

fagulhas de soldagem. (BRANCO, 2004, VARGAS, 2006)

Tempo de Intervalo entre Pontos

o tempo necessrio para que os braos da pina de soldagem se desloquem entre os pontos

que devero ser executados. Este tempo ser muito influenciado pelo processo de soldagem

que ser empregado, pois para aplicaes com robs a velocidade de deslocamento muito

superior a aplicaes manuais, podemos ter deslocamentos com robs da ordem de 20 mm/s o

que equivale a 1,2 m/min. (BRANCO, 2004, VARGAS, 2006)

2.2.4 Fatores que Influenciam a Resistncia e a Gerao de Calor

A resistncia de contato entre as chapas a principal fonte para o aquecimento por efeito

Joule para as chapas metlicas, depende da resistividade intrnseca da camada de revestimento

e da dureza, do contorno e da limpeza das superfcies de contato. Ainda a diminuio da fora

dos eletrodos e a presena de materiais estranhos nas superfcies das chapas aumentam o valor

da resistncia de contato.

A Influncia da Condio da Superfcie do Material de Base

A presena de corpos estranhos na superfcie do material base como: sujeiras, xidos, leos,

graxas e etc, fazem com que a resistncia de contato da chapa e a face do eletrodo aumente.

Porm, se a resistncia de contato entre o eletrodo e a chapa for elevada causar uma

temperatura to grande como nas faces de contato de soldagem, causando desgaste prematuro

dos eletrodos e variaes na qualidade de soldagem.

Influncia do material e revestimento do material de revestimento

A resistividade eltrica do metal de base influncia diretamente no aquecimento causado pelo

efeito Joule, metais de alta condutibilidade tais como Prata e Cobre geram baixo calor mesmo

sob a ao de altas correntes eltricas. Alguns elementos de liga ou combinaes deles podem

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favorecer propriedades desejveis solda em aos baixo-carbono e aos baixa-liga de alta

resistncia. Alguns elementos como fsforo, enxofre, titnio, nitrognio e oxignio quando

em excesso facilitam a ruptura interfacial da solda quando ela submetida ao ensaio de

rasgamento.

As chapas revestidas por zinco (galvanizadas) apresentam como problema principal o fato de

que o ponto de fuso do ao e do zinco serem bastante distintos, alm disso, o ponto de

ebulio do zinco inferior ao ponto de fuso do ao. Quando do processo de soldagem, a

temperatura atingida superior a de ebulio do zinco e somado a este fator tem-se ainda a

fora de fechamento dos eletrodos, justos estes dois fatores promovero a retirada do zinco

presente na camada de revestimento. Este zinco se depositar nas faces dos eletrodos

causando um efeito negativo de desgaste.

Ainda como a resistncia de contato reduzida de chapas revestidas por zinco menor faz-se

necessrio um acrscimo no tempo e corrente de soldagem quando comparadas as chapas sem

revestimento.

Influncia dos eletrodos

Os eletrodos so corpos fabricados em ligas de cobre e responsveis pela conduo da

eletricidade para a gerao de calor no processo de soldagem. A rea de contato do eletrodo

com a chapa responsvel pela densidade de corrente e foras dos eletrodos, medida que o

eletrodo se desgasta aumenta-se a rea de contato e por conseqncia diminui-se a densidade

de corrente e tambm a fora de fechamento dos eletrodos. A soma do aumento da resistncia

de contato e diminuio da densidade de corrente provavelmente causar uma soldagem de

qualidade inferior desejada.

Para minimizar as conseqncias decorrentes do desgaste do eletrodo, dois mtodos aplicados

de maneira simultnea trazem bons resultados no que concerne manuteno da qualidade de

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soldagem em relao ao desgaste do eletrodo, so eles a aplicao do Steper e fresagem dos

eletrodos. (sero abordados mais adiante).

Dissipao do Calor

Calor dissipado por conduo para o metal de base e para os eletrodos formando um

gradiente de temperatura conforme pode ser verificado na figura 3. A dissipao de calor

ocorre numa taxa varivel durante a soldagem devido aos ciclos de soldagem at que o ponto

de soldagem tenha se solidificado completamente.

Ainda, quanto mais tempo os eletrodos ficarem em contato com o ponto de solda depois de

concluda a corrente de soldagem, mais rpido ocorrer o resfriamento do ponto. Porm,

deve-se considerar que a somatria de tempos maiores de ps-presso aumentar o tempo de

ciclo, o que na maioria das aplicaes algo indesejvel.

2.3 Mquinas de Soldagem por Resistncia

A determinao da mquina de soldagem a ser utilizada, geralmente definida na fase de

projeto da linha de soldagem, fatores como qualidade exigida, demanda contratada, condies

ergonmicas para trabalho so adicionadas s consideraes econmicas que em grande parte

dos casos tem o maior peso na tomada de deciso.

De amaneira geral as mquinas de soldagem por resistncia apresentam trs conjuntos

fundamentais: sistema mecnico, circuito eltrico e sistema de controle.

O sistema mecnico o responsvel pela aplicao de fora nos eletrodos e pelos movimentos

dos braos que sustentam os porta-eletrodos;

O circuito eltrico formado por um circuito primrio que envolve a linha de alimentao at

o tiristor, e o circuito secundrio composto pelo transformador, cabos de comunicao, braos

ou barramentos, porta-eletrodos, capas de soldagem e a pea a ser soldada;

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O sistema de controle o responsvel pelo controle do processo de soldagem e tem como

funo o controle completo da corrente aplicada e tambm da fora dos eletrodos. Sistemas de

controle avanados permitem ainda a parametrizao da freqncia de fresagem dos

eletrodos, controlam a periodicidade da troca das capas aps certo nmero de fresagens e para

o caso de aplicao em clulas robotizadas permitem uma interface de comunicao bastante

eficaz na deteco e correo de falhas de soldagem.

As figuras 12, 13, e 14 ilustram aplicaes usuais de sistemas de soldagem por resistncia.

Figura 12 Mquina de soldagem a ponto Fonte: Dring do Brasil

20

2.4 Eletrodos

A finalidade dos eletrodos e capas de eletrodos transmitir corrente de soldagem para

formao do ponto de soldagem, fora para aproximar os materiais da junta e refrigerao

para solidificao do ponto de soldagem. A qualidade da soldagem depende diretamente do

desempenho das capas no processo de soldagem, conforme descrito no tpico sobre a

influncia dos eletrodos.

Figura 15 Montagem tpica eletrodo e capa Fonte: Dring do Brasil

Os materiais aplicados a construo devem reunir as seguintes propriedades mecnicas: alta

condutividade trmica e eltrica, baixa resistncia de contato e elevada resistncia mecnica e

ao desgaste na temperatura de trabalho. Basicamente, os eletrodos so fabricados em ligas de

cobre que tem um incremento de sua resistncia mecnica por diferentes mecanismos que

causam mudanas na estrutura cristalina do metal. Estas ligas so classificadas pela RWMA

Resistence Welder Manufactures Association conforme composio qumica e

propriedades mecnicas, os eletrodos apresentam a melhor combinao entre resistncia

mecnica, desgaste, condutibilidade eltrica e trmica (MACHADO, 1996)

21

Classe RWMA Dureza (HB) Condutibilidade (%I ACS) Material 1 65 80 Cobre-Cdmio

2 75 75 Cobre-Cromo

3 90 45 Cobre-Cobalto-Berlio

20 75 75 Cobre-Al2O3 Tabela 1 Propriedades fsicas dos materiais da RWMA (Intermachinery, 2002)

Classe 1: Composta de materiais no tratveis termicamente e endurecidos por trabalho a frio,

que no afeta as altas condutibilidades trmica e eltrica Aplicado para a soldagem de

alumnio, ligas de magnsio, materiais revestidos, lato e bronze.

Classe 2: Composta por materiais com propriedades mecnicas mais altas e condutibilidade

eltrica e trmica mais baixas em relao aos eletrodos da Classe 1. As propriedades

mecnicas e fsicas requeridas so conseguidas por tratamento trmico ou por uma

combinao de tratamento trmico e trabalho a frio. Os eletrodos da Classe 2 so os mais

utilizados e podem se adequar a uma ampla faixa de metais e condies. Aplicados para a

soldagem de aos laminados a frio e a quente, aos inoxidveis e lato e bronze de baixa

condutividade.

Classe 3: Composta por materiais com propriedades mecnicas mais elevadas e menores

condutibilidade trmica e eltrica, quando comparados com os eletrodos da classe 1 e 2.

Aplicados na soldagem de materiais de alta resistncia como aos inoxidveis e aos ao

nquel-cromo.

Classe 20: Composta por materiais com capacidade de resistir a altas taxas de calor e presso

quando comparado com os materiais das classes 1 e 2. So fabricados com ligas de cobre e

material refratrio. Aplicados na soldagem de materiais com revestimento metlico como aos

galvanizados e aos baixo carbono. (INTERMACHINERY, 2002, BRANCO, 2004,

VARGAS, 2006)

22

2.4.1 Geometria

A forma da superfcie de um eletrodo deve ser aquela que fornea a maior rea de contato

prximo a regio de soldagem para facilitar a dissipao de calor, oferea a resistncia

mecnica adequada para a transmisso de fora e corrente necessrias para cada espessura de

material. Um fator limitante o acesso, pois componentes de geometria mais complexa

exigem capas de desenho especial. Porm, mesmo no desenho de capas especiais, devero ser

previstos dimetros suficientes para que haja livre circulao de gua de refrigerao.

Superfcies esfricas no so consideradas satisfatrias porque aps alguns pontos de

soldagem o formato esfrico perdido e a qualidade de soldagem afetada. Quando o

formato da regio a ser soldada necessita de formatos esfricos devido aos acessos, dever ser

previsto um fresamento para alterar o contato esfrico em planar.

Um perfil do tipo cone truncado recomendado, sendo que o ngulo de inclinao do cone

deve ser aproximadamente de 30 para um bom desempenho. (RMWA, 2002,

INTERMACHINERY, 2003, TECNOWELDING, 2004) Fato comprovado qualitativamente

em levantamentos de consumveis na indstria KMAB CTBA.

Figura 16 Formato de capas de soldagem Fonte: Dring do Brasil

23

2.4.2 Refrigerao

Para uma refrigerao otimizada dos eletrodos recomendado que o fluxo de gua seja no

mnimo de 4 l/min para a soldagem de chapas de ao sem revestimento e com espessuras de

at 3 mm, para a soldagem de chapas mais espessas ou com revestimentos recomenda-se uma

vazo entre 6 e 7 l/min.

Recomenda-se que a temperatura de entrada da gua seja em torno de 20 C e sada de 30 C,

para uma velocidade de soldagem de 20 a 30 pontos/min. Outro fator importante que o

circuito de refrigerao dos eletrodos seja independente do circuito do tiristor e

transformador, tambm dever ter circuitos independentes para os braos superiores e

inferiores. (VARGAS, 2006) Pode se observar que para instalaes que tm compartilhado o

mesmo circuito de refrigerao para o tiristor e eletrodos, por algumas vezes o comando de

soldagem apresentou interruooes devido a elevao da temperatura do conjunto.

O tubo de alimentao dever ser adequadamente preparado para garantir uma refrigerao de

boa qualidade.

Figura 17 Preparao do tubo de alimentao Fonte: Dring do Brasil

24

2.4.3 Desgaste e suas implicaes

Durante a soldagem o eletrodo fica exposto a altas temperaturas e elevadas presses em um

ciclo de trabalho intermitente, esta exposio provoca alteraes nas caractersticas originais

do eletrodo e provocam a diminuio da dureza e deformao na rea de contato. A esta perda

das caractersticas iniciais denomina-se desgaste do eletrodo.

Figura 18 Queda da dureza x aumento de temperatura Fonte: Dring do Brasil

Outro fator a formao da liga Cu-Zn (lato) que inerente ao processo de soldagem em

chapas zincadas. O lato tem uma resistncia maior ao fluxo de corrente eltrica do que o

cobre dos eletrodos, fazendo com que um calor excessivo seja gerado nessa regio,

superaquecendo e recozendo o cobre do eletrodo, podendo resultar tambm na colagem do

eletrodo na chapa. Desta forma, o cobre com dureza menor se deforma numa taxa maior,

fazendo com que o dimetro do eletrodo aumente.

A aplicao de corrente em diferentes estgios pode ser uma das formas para minimizar os

problemas de desgaste de eletrodos na soldagem de chapas galvanizadas. A tcnica consiste

25

na eliminao da camada de zinco atravs da aplicao de um pulso de corrente com menor

intensidade e menor tempo de aplicao do que a corrente principal, seguida de um

resfriamento e posteriormente a aplicao da corrente de soldagem propriamente dita. O

resultado uma solda de boa qualidade e vida til de eletrodo maior. (BRANCO, 2004).

Para evitar que o desgaste do eletrodo afete a qualidade do ponto de solda, pode-se aplicar

alguns procedimentos, tais como: troca do eletrodo, programao de curvas de compensao

de corrente (Steper), fresagem dos eletrodos ou combinao de alguns destes procedimentos.

A troca dos eletrodos para minimizar as conseqncias decorrentes do desgaste deve ser a

ltima alternativa a ser adotada, devido aos custos envolvidos: reposio, maior estoque,

parada de mquina, entre outros.

A programao de curvas de compensao da corrente em funo do nmero de pontos

executado prtica comum e est disponvel nos comandos de soldagem.

Esta tcnica consiste no incremento da corrente a partir do valor mximo programado, a taxa

de aumento da corrente deve ser encontrada de forma emprica na parametrizao da

soldagem para cada junta, pois muitos fatores influenciam no desempenho dos eletrodos. De

forma geral pode-se dizer que pelo menos dois fatores tm grande influncia na programao

do Stepper:

01 A quantidade de pontos que a mquina ir executar antes que a corrente seja aumentada;

02 Valor de subida da corrente para cada incremento (% do valor em relao ao inicial);

Ambos os fatores so influenciados pela existncia ou no do processo de fresagem dos

eletrodos. Pois, conforme observado, para os casos onde se tem a fresagem dos eletrodos, a

taxa de aumento de corrente pode ser menor o que benfico para o eletrodo, pois caso a taxa

seja muito grande, os nveis de corrente sero muito altos e o processo de desgaste do eletrodo

ser acelerado.

26

Figura 19 Curva de Corrente e Stepper de Corrente Fonte: Branco, 2004

Figura 20 Curva de corrente combinada com fresagem Fonte: Branco, 2004

A fresagem dos eletrodos recomendada, pois um processo rpido e o custo dos

equipamentos aplicados teve seus custos bem reduzidos, trazendo uma relao custo x

benefcio bastante favorvel. Basicamente o processo consiste em promover a limpeza da

superfcie do eletrodo eliminando o material deformado e a camada de impurezas resultantes

do processo de soldagem, desta forma a geometria inicial da capa mantida e a densidade de

corrente e fora de soldagem tm sua variao minimizada.

De acordo com (TECNOWELDING, 2004) existem duas formas de fresagem: a lateral e a

topo e lateral, com impactos diferentes sobre a soldagem. Ainda a fresagem pode ser manual,

automtica e off-line. Aqui ser abordado apenas sobre a fresagem automtica. Processo no

qual o equipamento de fresar instalado numa posio em que o rob de soldagem tenha

acesso, a fresagem do eletrodo feita de forma a no parar a produo em perodo de carga ou

descarga dos produtos e o ciclo de fresagem demandar ao total entre 1 e 2 segundos. Os

intervalos para a fresagem so definidos de forma emprica pela melhor combinao entre

27

qualidade de solda obtida, estado do eletrodo antes da fresagem e desgaste do eletrodo durante

o processo. Conforme o fabricante de fresadoras LUTZ, o intervalo entre as fresagens mais

adequado ao tipo de material e eletrodos deste trabalho deve estar entre 200 e 250 pontos.

Figura 21 Equipamento de fresagem automtica Fonte: Lutz, 2007

2.5 Aos Galvanizados

A aplicao de chapas com revestimento na indstria automobilstica tem larga aplicao

devido aos altos ganhos em resistncia a corroso. Conforme citao de Vargas (2006), testes

mostraram que juntas em ao carbono unidas por solda a ponto sofreram grande corroso em

ambiente martimo em 12 meses enquanto que as galvanizadas e soldadas no mesmos

processo e exposta a ambiente martimo e rural tiveram uma corroso desprezvel num

perodo de 24 meses.

28

2.5.1 Processo de Galvanizao

A galvanizao por processo eletroltico aquela na qual zinco transferido de um nodo

para a chapa de ao que est carregada negativamente, uma das faces da chapa recebe a

camada de zinco que pode ser controlada adequadamente.

A galvanizao por imerso a quente aquela em que a chapa de ao mergulhada em banho

de zinco a uma temperatura aproximada de 450 C. Ao introduzir o material no banho, h uma

reao imediata formando uma camada de F-Zn e ao ser retirado do banho o material leva

por arraste sobre a superfcie revestida uma camada de zinco que se solidifica e permanece

sobre a camada anterior.

2.5.2 Soldabilidade de chapas galvanizadas

A soldabilidade das chapas galvanizadas considerada inferior as chapas sem revestimento,

isto porque h reao entre o zinco presente na chapa e o cobre do eletrodo formando uma

liga na ponta do eletrodo que aumenta seu consumo e, por conseguinte, diminui seu

rendimento.

Quando se compara a soldabilidade das chapas galvanizadas, verifica-se que as

eletrogalvanizadas tm soldabilidade superior porque os revestimentos so mais finos e

uniformes. Ainda os mesmos parmetros de soldagem usados para chapas sem revestimento

podem ser aplicados a chapas eletrogalvanizadas, porque a fina camada de revestimento

(menos de 20g/m2) no afeta de maneira significativa o processo de soldagem, porm caso um

filme de fosfato estiver presente, a fora de soldagem dever ser aumentada para que o efeito

isolante da camada seja minimizado.

Na soldagem de chapas galvanizadas a quente, temperaturas entre 500C e 800C so obtidas

nas interfaces eletrodo/chapa e conforme descrito anteriormente, isto promover a remoo do

zinco na regio do ponto de solda. Durante a formao do ponto entre duas chapas

29

galvanizadas, o zinco presente na interface sobreposta ir se fundir e deslocar-se radialmente

da zona de solda para uma regio circular que envolver o ponto e esta zona desviar parte da

corrente diminuindo assim a energia disponvel para a formao do ponto. Neste caso para

que a qualidade do ponto possa ser mantida, dever ser programada uma corrente maior.

2.6 Problemas Operacionais

O projeto da pea a ser soldada tem grande influncia sobre a qualidade do ponto de solda, o

local da solda deve ser acessvel de ambos os lados, porm, com freqncia so encontradas

geometrias apertadas com soldas em bordas e cantos que exigem posicionamento de eletrodos

preciso que na maioria dos casos somente alcanado com a aplicao de robs.

A soldagem de materiais dissimilares tambm exige cuidados especiais nas definies do

processo, para chapas de maior condutividade eltrica ser necessrio escolher um eletrodo de

menor dimetro e tambm menor condutividade trmica e eltrica. As chapas muito finas

diminuem a vida dos eletrodos. E os eletrodos devem estar perpendiculares superfcie das

peas a serem soldadas e sem contato secundrios com o corpo da pina.

Figura 22 Acesso do eletrodo Fonte: Dring do Brasil

30

A soldagem de materiais de espessuras diferentes exige tambm uma escolha dos eletrodos

adequada, pois caso contrrio, a formao do ponto de soldagem no ocorrer na interface

entre as chapas.

Figura 23 Soldagem de espessuras diferentes Fonte: Intermachinery, 2002

No processo de soldagem, os pontos so feitos em seqncia e a uma distncia determinada,

caso esta distncia no esteja adequada, parte da corrente ser desviada lateralmente podendo

causar pontos de menor qualidade. (Efeito Shunt)

Figura 24 Efeito Shunt Fonte: Intermachinery, 2002

Outras falhas de produto decorridos de projeto ou deformaes.

Figura 25 Acesso do eletrodo Fonte: Dring do Brasil

31

Alm dos problemas citados tem-se ainda o problema de desalinhamento dos eletrodos e

indentao, esta ltima ocorre quando a resistncia compressiva do material em contato com o

eletrodo diminui medida que a fuso avana, permitindo que o eletrodo se movimente para

dentro da superfcie da pea que est sendo soldada. Ainda caso o dimetro de eletrodo seja

pequeno e a grande fora de fechamento e corrente de solda forem elevados a formao da

indentao ser muito favorecida.

2.7 Controle da Qualidade de Soldagem e Mtodos Aplicados

De maneira geral, o controle da qualidade da soldagem a ponto por resistncia baseada na

anlise do ponto de solda e na reprodutibilidade dos resultados obtidos. As dimenses do

ponto de solda tm sido largamente relacionadas resistncia mecnica da junta, h vrias

recomendaes de pesquisadores quanto ao dimetro do ponto, porm, ele ser determinado

com base no projeto de produto e experincia prtica adquirida com a manufatura daquele

tipo de produto. Ainda outros pesquisadores fazem abordagem sobre a profundidade de

indentao e tamanho da ZAC.

Para a avaliao da soldagem por resistncia pode-se aplicar tcnicas destrutivas e no

destrutivas. A aplicao de ensaio no destrutivos tem alto custo e apresenta dificuldade na

determinao dos resultados apresentados pelos aparelhos, ainda a determinao da

freqncia de inspeo no simples, pois no h garantia de que todos os produtos

fabricados entre as inspees apresentem a qualidade de soldagem especificada.

O melhor mtodo para a garantia da qualidade do ponto de solda o monitoramento dos

parmetros de soldagem aliados a testes destrutivos numa freqncia determinada conforme a

experincia adquirida na fabricao do produto. uma pratica comum na indstria

automotiva o ensaio destrutivo na liberao de linha para a produo e aps interveno em

32

equipamentos que tenham interferncia sobre o processo de soldagem. Por exemplo: aps a

coliso do rob ou manuteno nos braos da pina de soldagem.

Inspeo Visual

O ponto de solda dever ter uniformidade de forma, relativamente plano, sem indentaes,

sem trincas e outras caractersticas que demonstram a necessidade de manuteno na pina de

soldagem. Porm, somente este aspecto visual no apresenta confiabilidade quanto

qualidade do ponto de soldagem, pois desvios de corrente que podem causar o aquecimento

insuficiente no deixam nenhuma marca visvel na superfcie do ponto.

Outro fator de grande relevncia que deve ser considerado a fadiga visual do operador (na

maioria das vezes o responsvel pela inspeo), para minimizar este impacto, algumas

empresas fazem que seus operadores troquem de estao de trabalho, por exemplo, a cada

duas horas, esta prtica traz bons resultados, pois exige do operador um novo ciclo mental.

Porm, exige que o processo seja planejado de forma que todos os operadores daquela linha

tenham o mesmo nvel de conhecimento. Deve-se esclarecer que um processo que conta

apenas com a inspeo visual para garantia da qualidade do processo no tem condies de

oferecer produtos com qualidade e reprodutibilidade de resultados.

Ensaio No Destrutivos

As tcnicas aplicadas nos ltimos anos na indstria so o ensaio por ultra-som e raios

infravermelhos, desvantagem destes tipos de ensaios so o elevado custo, difcil interpretao

das ondas observadas e tempo prolongado para a obteno dos resultados, o que no

desejado em linhas de produo.

Ensaios Destrutivos

A qualidade de solda obtida mediante informaes verificadas no corpo de prova ensaiado,

dentre eles pode-se citar: Tenso Cisalhante, Trao Longitudinal, Toro e Arrancamento. A

figura 26 ilustra os mtodos prticos aplicados.

33

Figura 26 Ilustrao de ensaios Fonte: Dring do Brasil

PROCEDIMENTO DE OTIMIZAO

O processo ser considerado como otimizado para fins industriais quando a expulso de

material atual for minimizada de maneira considervel e mantida os critrios de qualidade do

produto.

A grandeza de maior influncia sobre a expulso de material a densidade corrente de

soldagem que afetada pela corrente programada, rea de contato da capa de soldagem e rea

de contato das superfcies a serem soldadas.

Superfcies no planares apresentam uma maior dificuldade de acoplamento porque as peas a

serem unidas so provenientes de equipamentos de estampagem diferentes e com isso a rea

34

inicial de contato menor do que se as chapas fossem planas causando uma maior densidade

de corrente.

Propem-se inicialmente buscar a otimizao do processo atravs do ajuste da corrente de

soldagem em nveis em que a expulso seja mnima e o dimetro do ponto de solda seja maior

que o mnimo necessrio.

Figura 36 Ajuste da corrente de soldagem x expulso de material Fonte: Adaptado de Volkswagen do Brasil

A fora de fechamento dos eletrodos determinante para o comportamento das resistncias de

contato, conforme ilustrado na figura 2, ela o fator de maior influncia na gerao de calor.

Se a fora de fechamento for insuficiente, teremos uma resistncia maior porque a interface

chapa / chapa o contato ser apenas em alguns picos, medida que a fora aumenta os picos

se deformam e aumenta-se a rea de contato diminuindo assim a resistncia.

Outro fato relevante que se a fora de fechamento for baixa, poder ocorrer a expulso de

material na superfcie externa da chapa, na interface chapa / chapa e desgaste prematuro do

eletrodo. J uma fora muito alta pode causar indentao excessiva, pontos de solda com

dimetro abaixo do especificado ou at mesmo falta de fuso (BRANCO, 2004).

EXPULSO DE MATERIAL

PONTOS DE SOLDAGEM PEQUENOS

PRIMEIRO AJUSTE DA CORRENTE DE SOLDAGEM DEVE SER FEITO 0,2 kA ABAIXO DO LIMITE DE RESPINGOS

35

As figuras 47 e 48 apresentam o comportamento tpico da resistncia de contato e deformao

na interface das chapas.

Figura 47 Resistncia de contato e fora de fechamento Fonte: Branco, 2004

Figura 48 Ilustrao da superfcie de contato das chapas escala microscpica Fonte: Branco, 2004

Foram feitas algumas tentativas de reduo de expulso de material, a primeira tomamos

como base a reduo da corrente de soldagem nas regies de maior expulso de material.

Para a pina C partiu-se de uma corrente de 10,7 kA chegou-se a 10,3 kA com uma reduo

significativa da expulso, porm para valores inferiores a este a qualidade da solda comeou a

se deteriorar e ainda havia a expulso de material.

Para a pina X partindo-se da corrente de 9,0 kA chegou-se a 8,6 kA, com as mesmas

caractersticas observadas na pina C.

Tomou-se ento outra linha de raciocnio, com base na fora de fechamento dos eletrodos,

pois a pina X estava com um valor inferior ao recomendado e a pina C com valor superior.

36

7- REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS

Wainer, Emlio, Mello; Fbio D. H. de; Brandi, Srgio Duarte. Soldagem Processos e

Metalurgia. So Paulo: Edgar Blchcher, 1992

Intermachinery Comrcio Ltda. Manual de Treinamento do Z-Trode e Nitrode. 2002

Intermachinery Comrcio Ltda. Soldagem por resistncia. 2001

Intermachinery Comrcio Ltda. Eletrodos e ferramentas. 2002

Intermachinery Comrcio Ltda. Fundamentos da soldagem por resistncia. 2002

Harms und Wende Schweisstechnik. Soldagem por resistncia.

Harms und Wende Schweisstechnik. Manual da superfcie operacional PEGASUS.

Dring do Brasil Ltda, Soldagem por resistncia.

Volkswagen AG. VW 01105-1: Resistande Spot Welding: Dessign, Calculation Uncoated and

Coated Sheets. 2007

Krupp Mdulos Automotivos do Brasil Ltda. Catlogo de modelos limite. 2006

37

Machado, Ivan Guerra. Soldagem & Tcnicas Conexas: Processos. Porto Alegre: Ed. Pelo

Autor, 1996.

Branco, H. L. O. (2004). Avaliao de capas de eletrodos utilizadas na soldagem por

resistncia de chapas galvanizadas automotivas. Dissertao de Mestrado, Departamento

de Engenharia Mecnica, Setor de Tecnologia da Universidade Federal do Paran, Curitiba,

Brasil..

JOS ENRIQUE VARGAS AURES (2006). Estudo da formao, geometria e resistncia

do ponto de soldagem por resistncia: uma abordagem estatstica. Dissertao de

Mestrado em Sistema Mecatrnicos. Setor de Tecnologia da Universidade de Braslia

ANFAVEA. Manual de referncia anlise de modos e efeitos de falha potencial (FMEA),

terceira edio.

ANFAVEA. Manual de referncia planejamento avanado da qualidade do produto e

plano de controle (APQP)

1

FMEA de Processo

Fornecedor N Pea (Fornecedor) Nome da Pea Elaborado por: FMEA N Data incio FMEA Data de Reviso Rev. n

00

Cliente N Desenho Cliente Data Desenho

_

NPR 100 NECESSRIA AO CORRETIVA

Equipe:

Resultados da Ao

Funo & Requisitos do

Processo

Modo de Falha Potencial

Efeito Potencial da Falha

S

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C

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Causa Potencial da Falha

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Controles Atuais do Processo Preveno

Controles Atuais do Processo Deteco

D

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N

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Aes Recomendadas

Responsvel / Prazo Aes Tomadas

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Estao 10 Soldagem chapa A e chapa B

Formao de zinco na capa de soldagem

Ponto de solda de m qualidade 10 -

Zinco presente na chapa reage com o cobre do eletrodo e forma camada de lato na superfcie da capa

10

Programao de dois picos de corrente: 1 para quebra do zinco e 2 para soldagem. Programao de stepper para correo de corrente.

Visual 1 100 - - - - - -

-

2

Plano de Controle ESTAO 10 Prottipo () Pr-Srie () Produo (x) Contato Principal:

Plano N.:

Data Incio:

Data / Reviso:

Nmero do Conjunto:

Descrio do Conjunto:

Fornecedor/Planta:

Cdigo:

OBS.: Aprovao Cliente / Data:

Amostra Descrio da Operao Caractersticas

Classif. (Caract. Espec.) Tolerncia

Meio utilizado

Tamanho Freqncia

Mtodo de Controle Plano de Reao

Soldagem da chapa A e chapa B

Quantidade de pontos feitos pela

capa de solda - Ok / NOK

Software de controle de

solda 100% 100%

Software faz a contagem dos pontos feitos por cada pina e controla a freqncia de fresagem e stepper de corrente

1-Parar a mquina; 2-Segregar peas; 3-Acionar manuteno para realizar ajustes;

Elaborado: Aprovado: