Solda ponto

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Uma máquina que realiza a solda ponto
Um robô realizando solda ponto

A Solda ponto (RSW, do inglês resistance spot welding)[1] é um processo no qual pontos de contato da superfície do metal são unidos pelo calor obtido a partir da aplicação de uma corrente elétrica. É um subconjunto de solda por resistência elétrica.

As peças de trabalho são encaixadas entre os eletrodos, que exercem pressão. Normalmente, as chapas de aço tem entre 0,5mm a 3mm de espessura. O processo utiliza dois eletrodos feitos de cobre ligado que concentram corrente em um pequeno "ponto" e, simultaneamente, prendem as chapas juntas. Atravessar o ponto com uma grande corrente vai derreter o metal e formar a solda. A característica atrativa da solda ponto é que uma grande quantidade de energia pode ser concentrada em um tempo muito curto (cerca de 10 a 100 milissegundos).[2] Isso permite que a soldagem ocorra sem aquecimento excessivo do restante da chapa.

A quantidade de calor (energia) entregue no ponto é determinada pela resistência entre os eletrodos e a magnitude e duração da corrente.[3] A quantidade de energia é escolhida para ser compatível com as propriedades do material, a espessura da junta e o tipo de eletrodo. Aplicando-se pouca energia, o metal não irá derreter ou será obtida uma solda de má qualidade. Aplicando-se muita energia, ocorrerá a ejeção de metal fundido, e se obterá um buraco em vez de uma solda.[4] Outra característica da solda ponto é que a energia entregue pode ser controlada para produzir soldas confiáveis.

História[editar | editar código-fonte]

Invenção de Elihu Thomson

Essa técnica foi inventada em 1877 por Elihu Thomson, [5]. e registada em 1886, mas desenvolveu-se só a partir do ano de 1925.

Aplicações[editar | editar código-fonte]

Solda ponto normalmente é usada durante a soldagem de determinados tipos de chapas de aço e malhas de arame. Quanto mais grossa a chapa, mais difícil se torna o processo, porque o calor flui mais facilmente para dentro do metal. A solda ponto pode ser facilmente identificada em muitos produtos feitos de chapas metálicas, tais como baldes de metal. As ligas de alumínio podem ser soldadas, mas as suas condutividades térmica e elétrica requerem correntes mais elevadas na soldagem. Isso requer transformadores mais potentes e caros.

Fábrica da BMW em Leipzig, na Alemanha: Solda Ponto do BMW série 3. KUKA robôs industriais.

Talvez a aplicação mais comum da solda ponto é na indústria automobilística, onde é usada quase que universalmente para soldar chapas de metal para formar um carro mas também na construção aeronáutica. Os soldadores também podem ser automatizados, e muitos dos robôs industriais encontrados em linhas de montagem são soldadores de ponto (sendo a pintura o outro grande uso destes).

Boas práticas de design devem sempre permitir uma acessibilidade adequada à junta soldada. As superfícies das chapas devem estar livres de contaminantes, tais como óleo e sujeira, para garantir a qualidade da solda. A espessura do metal geralmente não é o fator que irá determinar a qualidade final da solda.

Controle da qualidade da soldadura[editar | editar código-fonte]

O controle da qualidade da soldadura é em principio destrutivo, destruição da peça se for uma opção barata ou duma amostra (2 pequenos pedaços de chapa com as mesma características que a peça a controlar) no caso contrario. É feito com um martelo e um ponteiro, a peça bem presa num torno abrindo entre as duas peças e batendo numa delas até que a mais fraca se recortar duma forma cilíndrica a volta do ponto de soldadura. É o diâmetro efetivo do ponto de soldadura , que nunca deve ser inferior ao diâmetro imposto pela norma em função do diâmetro dos elétrodos e da classe de qualidade do ponto. Se as peças separam-se, sem rutura de metal duma delas, o ponto é dito “colado” e é recusado. Um controle mais fino pode ser obtido em laboratório numa maquina de tração. Por exemplo, para duas chapas de aço de 2 mm e um diâmetro de 4 mm para os elétrodos o resultado num ensaio de tração dá um valor de 500 daN, como óbvio para um diâmetro de elétrodos superior, de 6 mm o valor aumenta para os 700 daN.[6]. Outra opção é o controle não destrutivo por ultra-sons dito ecografia.

Principio da soldagem por resistência por pontos[editar | editar código-fonte]

Widerstandsschweißmaschine in Betrieb1.gif

No caso mais clássico da soldagem de duas chapas (essas chapas podem ser de de aço, aço galvanizado ou de alumínio, cobre fino, latão, zinco, ouro, prata, chumbo….e de espessura diferente). As duas chapas são colocadas uma sobre a outra e apertadas pela maquina de soldagem entre os elétrodos, em antes que uma forte corrente elétrica as atravesse, criando um núcleo de aço em fusão entre as duas chapas. Depois dum breve instante, que permite o arrefecimento desse núcleo as chapas são libertadas e unidas definitivamente por um ponto de soldadura. Como podemos ver, a soldadura é feita por si próprio sem nenhum metal exterior, por isso esse modo de soldagem é dito autogéneo. É feito sobre pressão e as chapas são aquecidas por uma forte corrente elétrica. A lei na base desse fenómeno é a lei de Joule: W=RI² t Produção de calor W em Joule, resistência elétrica R em Ohms, intensidade da corrente I em Amperes e tempo t em secundo. A fusão tem lugar entre as duas chapas porque é o ponto que apresenta mais resistência elétrica.

Processamento[editar | editar código-fonte]

Ciclo de soldagem

A solda ponto envolve três fases, a primeira das quais envolve trazer os eletrodos para a superfície do metal e aplicar uma pequena quantidade de pressão. A corrente é então aplicada nos eletrodos por um breve período, após o qual a corrente é removida, mas os eletrodos permanecem no local enquanto o material esfria. O tempo de soldagem dura entre 0,01 a 0,63 segundos.

Os dois materiais a serem soldados devem conduzir eletricidade. A largura das peças é limitada pelo braço do aparelho e normalmente varia entre 13 e 130 centímetros. A espessura da peça pode variar de 0,2 a 32 milímetros.[7]

Equipamento[editar | editar código-fonte]

  • Transformador de soldagem.
  • Painel de dois tiristores para a regulação da corrente de soldagem .
  • Autómato de soldagem (autómato especifico que regula a intensidade da corrente de soldagem como os tempos do ciclo, avisa da mudança dos elétrodos...)
  • Circuito elétrico de soldagem em cobre.
  • Circuito pneumático (cilindro, detendor, filtro, EV..)
  • Circuito de arrefecimento por agua do transformador, dos tiristors, e do circuito em cobre de soldagem.

Parâmetros de soldagem[editar | editar código-fonte]

A força de compressão (F) em Newton N ou daN (convertível em pressão do circuito pneumático em bar duma determinada maquina em função dum gráfico): É a força aplicada pelo cilindro, entre os elétrodos, que induz o valor da resistência do contacto elétrico entre as duas chapas, e a qualidade da soldadura. Demasiada fraca, a um risco de ter muitas projeções de metal em fusão, demasiada forte a qualidade da soldadura pode ficar prejudicada. Essa força é medida por um aparelho especifico chamado U de esforço que deve ser anualmente controlado por uma empresa certificada.

O tempo de acostagem em períodos da rede elétrica : É um tempo mecânico especifico a cada maquina e a distancia de abertura entre os elétrodos (essa deve ser mínima sem estorvar o funcionário, no caso de pequenas peças chatas de 2 a 3 cm). É o tempo do fecho da maquina e da subida em pressão do cilindro, até atingir a pressão certa (antigas maquinas funcionando ainda sem controlo de pressão). É essa temporização que autoriza a soldagem a não ser que a maquina seja equipada com um controlador de pressão ou melhor com uma electro-valvula regulada. Esse tempo é contado, como todos os outros, em períodos elétricos(~): aqui para uma rede de frequência (f) de 50 Hertz, t em segundos =1/f então t= 1/50 de s seja 20 ms. Por exemplo, um tempo de acostagem de 10 períodos (~) (seja 10 vezes 20 ms) é de 200 ms. Um tempo muito curto pode danificar o material (na falta de um controlador de pressão), um tempo demasiado cumprido prejudica a produtividade. Nota: Em muitas maquinas esse tempo é dividido em primeiro acostagem e acostagem (para fazer vários pontos seguidos), no entanto os tempos são adicionados, por isso é como se fosse só um.

O tempo de soldagem em períodos da rede elétrica: É o tempo de passagem da corrente elétrica, demasiado curto a soldadura não é boa, comprido demais o ponto pode ficar queimado ou mesmo furado.

A intensidade de soldagem (I) em kA: É a intensidade da corrente de soldagem em quilo-Amperes (kA). Ela é regulada pelo autómato de soldagem, que abre mais ou menos os tiristores pela ação da corrente de comando. Muito baixa a soldadura não fica boa, muita forte o ponto é queimado ou furado. Atenção na afinação, I é o quadrado (ver equação de Joule).

O tempo de maintien (ou de forjagem em algumas maquinas): É o tempo dado para o arrefecimento do núcleo em fusão, a corrente elétrica já não passa, no entanto a maquina mantenha-se fechada e em pressão. Esse tempo é chamado de forjagem em algumas maquinas que permitem obter uma força de compressão maior durante este tempo. Se esse tempo for demasiado curto, no limite as peças podem não ficar soldadas. Demasiado longo, penaliza a produtividade.

Ordem de grandeza dos parâmetros (soldagem de duas chapas de aço de 1 mm com elétrodos de 6 mm de diâmetro): F = 270 daN, I = 10 kA, tempo de soldagem = 10 ~ (períodos), tempo de acostagem variável por cada maquina, tempo de maintien = 10 ~.

Nota : Para melhorar a qualidade duma soldadura devemos em primeiro aumentar I em função das capacidades da maquina, ou então aumentar o tempo de soldagem com uma perca de produtividade, ou enfim diminuir a força de soldagem no limite possível pelo controlo das projeções.

Efeitos[editar | editar código-fonte]

O processo de soldagem ponto tende a endurecer o material, fazendo com que a chapa fique empenada. Isso reduz a resistência à fadiga do material e pode provocar uma têmpera localizada. Os efeitos físicos da solda ponto incluem trincas internas, trincas superficiais e uma má aparência. As propriedades químicas afetadas incluem a resistência interna do metal e suas propriedades corrosivas.

Notas elétricas[editar | editar código-fonte]

É complicado para o soldador analisar as resistências elétricas envolvidas no processo.[8] Existem a resistência interna do equipamento e a dos eletrodos de solda. Há também a resistência de contato entre os eletrodos de solda e a peça de trabalho. E existem ainda a resistência das próprias peças de trabalho, e a resistência de contato entre essas peças.

A resistência da solda ponto sofre alterações conforme a chapa se liquefaz. Equipamentos de solda modernos podem monitorar e ajustar a solda em tempo real para garantir uma solda consistente. O equipamento pode procurar controlar diferentes variáveis durante a solda, tais como corrente, tensão e potência.

Física[editar | editar código-fonte]

Fixação[editar | editar código-fonte]

Tempos de soldagem são normalmente muito curto, o que pode causar problemas com os eletrodos—eles não podem se mover rápido o suficiente para manter o material fixado. Soldagem controladores de usar um duplo impulso para contornar este problema. Durante o primeiro pulso, o eletrodo de contato pode não ser capaz de fazer uma boa solda. O primeiro pulso vai amolecer o metal. Durante a pausa entre os dois pulsos, os eletrodos irão se aproximar e fazer o melhor contato.

Campo magnético[editar | editar código-fonte]

Durante a solda ponto, a grande corrente elétrica induz um grande campo magnético, e estes interagem para produzir um grande campo de força magnética, o que impulsiona o metal derretido para mover-se muito rapidamente, com uma velocidade de até 0,5 m/s. Assim, a distribuição de calor no ponto da soldagem pode ser drasticamente alterada pelo movimento rápido do metal derretido.[9][10][11] O movimento rápido no ponto de soldagem pode ser observado com fotografias de alta velocidade.[12]

Solda projeção[editar | editar código-fonte]

Projection welding 1.png

É uma modificação do processo de solda ponto. Neste processo, a solda é localizada na média das seções, ou projeções, em uma ou ambas as peças a serem unidas. O calor é concentrado nas projeções, o que permite a soldagem de seções maiores ou um menor espaçamento entre as soldas. As projeções também podem servir como um meio de posicionamento de peças. A solda projeção é muitas vezes usada para soldar parafusos prisioneiros, porcas, e outras peças roscadas de máquinas em placas de metal. Ela também é freqüentemente usada para unir fios cruzados e barras. Este é um processo de alta produtividade, e várias soldas podem ser organizadas pela adequada concepção do processo.[13]

Segurança[editar | editar código-fonte]

É comum que gotas de metal fundido (faíscas) sejam expulsas da região de soldagem durante o processo. O soldador deve por isso usar obrigatoriamente óculos de proteção, luvas e botas de segurança assim como um avental (de pele ou algodão grosso) ou uma bata em algodão (menos inflamável que tecidos sintéticos) [14].

Referências

  1. Larry F. Jeffus (2002). Welding: Principles and Applications. [S.l.]: Cengage Learning. p. 694. ISBN 9781401810467. Consultado em 18 de abril de 2014 
  2. robot-welding.com Arquivado em janeiro 17, 2010[Erro data trocada], no Wayback Machine.
  3. Joule effect, see Joule's laws
  4. US Patent 4456810, Adaptive Schedule Selective Weld Control, June 1984. "The weld process is stopped ... before the melt exceeds the electrode diameter. Otherwise, an impressive but totally undesired shower of sparks and hot metal will issue from the weld spot."
  5. Le soudage électrique par résistance de Jean Nègre Publications de la soudure autogène Paris
  6. Le soudage électrique par résistance de Jean Nègre Publications de la soudure autogène Paris
  7. Robert H. Todd; Dell K. Allen; Leo Alting (1994). Manufacturing Processes Reference Guide. [S.l.]: Industrial Press. ISBN 0831130490 
  8. Geoff Shannon, "Advances in Resistance Welding Technology Offer Improved Weld Quality and Reliability for Battery Manufacturers", Battery Power Products & Technology, July/August 2007, Vol 11, Issue 4, [1].
  9. YB Li, ZQ Lin, SJ Hu, and GL Chen, "Numerical Analysis of Magnetic Fluid Dynamics Behaviors During Resistance Spot Welding", J. Appl. Phys., 2007, 101(5), 053506
  10. YB Li, ZQ Lin, Q Shen and XM Lai,Numerical Analysis of Transport Phenomena in Resistance Spot Welding Process, Transactions of the ASME, Journal of Manufacturing Science and Engineering, 2011, 133(3), 031019-1-8
  11. YB Li, ZY Wei, YT Li, Q Shen, ZQ Lin, Effects of cone angle of truncated electrode on heat and mass transfer in resistance spot welding, International Journal of Heat and Mass Transfer, 2013, 65(10), 400-408
  12. A. Cunningham, M. L. Begeman, "A Fundamental Study of Project Welding Using High Speed Photography Computer", Welding Journal, 1965, Vol. 44, 381s-384s
  13. Kugler, A. N. (1977). Fundamentals of Welding. [S.l.]: International Correspondence Schools. LCCN 77360317 
  14. Julie Copeland (9 de outubro de 2003). «Selecting the best lens for welders' eye protection». The Fabricator. Fabricators and Manufacturers Association, Intl. Consultado em 18 de abril de 2014