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I
Caracterização de Materiais e Desenvolvimento de Nova
Ferramenta para a Soldadura por Projecção de
Chassis de Fornos Microondas
Gonçalo Abreu Rosa
Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em
Engenharia de Materiais
Júri
Presidente: Professor Doutor Luís Manuel Guerra da Silva Rosa
Orientador: Professor Doutor Pedro Miguel dos Santos Vilaça da Silva
Vogais: Professor Doutor Vítor Manuel Martins Gonçalves
Novembro de 2008
I
AGRADECIMENTOS
Gostaria em primeiro lugar de agradecer o apoio técnico e financeiro que me foi prestado pelo IDMEC
e pela Gonvarri-Portugal para a realização deste projecto.
Devo agradecer também ao meu orientador, o Professor Pedro Vilaça, pelo tempo, paciência,
disponibilidade e principalmente pelo apoio que revelou no decorrer da dissertação. Tal auxílio
revelou-se indispensável na elaboração desta mesma dissertação.
Gostaria de agradecer e muito à Ana, pelos inúmeros momentos de apoio, bem, por tudo, não existe
forma de descrever a importância que teve para a conclusão deste trabalho.
Devo deixar também uma palavra de agradecimento ao Sr. João Luís da empresa JL Tornearia pelo
apoio, disponibilidade e entusiasmo que mostrou no exigente desenvolvimento do protótipo da
ferramenta GISTeka.
Para os meus colegas e amigos Joana Lima, Sérgio Silva, Rodrigo Santos, Bruno Nunes, Vítor Costa,
Ricardo Réfega, Bruno Emílio, Jorge Balula, Luís Aires, Filipe Nascimento e Gonçalo Monteiro,
obrigado pela ajuda que me prestaram, nem que tenha sido apenas um incentivo.
Claro que não podia deixar de referenciar a minha família por todo o seu apoio, que mesmo em
situações difíceis, nunca deixou que me faltasse disponibilidade para a conclusão desta dissertação.
Ao meu avô João dedico-lhe este trabalho, por pouco que seja, sei que ele gostaria de o ir festejar
comigo.
II
RESUMO
Este trabalho enquadra-se no âmbito de um projecto de prestação de serviço de investigação e
desenvolvimento do IDMEC-Pólo IST à empresa Gonvarri-Portugal, no desenvolvimento de soluções
tecnológicas que permitam a uma das suas empresas clientes a utilização de chapas finas de aço
galvanizado, electrozincado e aluminizado, na produção de chassis de fornos microondas. Uma das
tecnologias de fabrico utilizadas é a soldadura por resistência na variante de projecção, que permite
uma fácil automatização e dessa forma dar resposta às elevadas cadências de produção que
caracterizam estes produtos. Actualmente, estes materiais que se pretendem introduzir, ao contrário
do que acontece com os aços inoxidáveis, tipicamente utilizados, apresentam dificuldades devido à
sua baixa soldabilidade impedindo a sua utilização.
O actual relatório incide sobre a 2ª fase de trabalhos, que foi planeada após o trabalho da 1ª fase em
que se procedeu à caracterização detalhada de um grupo de características físicas, químicas e
mecânicas de chapas potencialmente utilizadas na produção de fornos microondas. Como resultado
da primeira fase de trabalho, concluiu-se que o problema tecnológico que surgiu inerente a esta
substituição de materiais deve-se à dificuldade em soldar estes materiais, devido aos baixos valores
de resistência eléctrica de contacto, derivados do revestimento superficial. Assim, a sensibilidade à
variação de qualquer parâmetro de soldadura é amplificada, principalmente do parâmetro: força de
contacto entre as peças. Pelo que nesta 2ª fase do trabalho, desenvolveu-se uma solução tecnológica
que permite uniformizar a força aplicada em todos os pontos soldados em simultâneo. Foi construído
um protótipo e testada a sua principal função de uniformizar a força aplicada.
Tendo em vista determinar os parâmetros de soldadura a implementar para os novos materiais, foi
utilizado o software SORPAS, de simulação computacional com base no método numérico de
elementos finitos, especialmente dedicado à soldadura por resistência.
Por solicitação da empresa para quem este trabalho está a ser desenvolvido, esta 2ª fase iniciou-se
com a caracterização de um 2º grupo de materiais, em termos das suas características morfológicas,
dureza, composição química, propriedades mecânicas e eléctricas.
PALAVRAS-CHAVE
Caracterização de materiais;
Revestimento superficial de aços;
Soldadura por resistência na variante de projecção;
Sistema fechado de uniformização de carga;
Simulação computacional numérica.
III
ABSTRACT
This work is part of a research and technological development project of IDMEC-IST, in the support of
the company Gonvarri-Portugal focusing the development of technological solutions improving the
weldability of galvanized, electrogalvanized and aluminized steel sheets, applied in the production of
chassis of microwave ovens. Currently, the low weldability of these materials presents difficulties, and
thus, limits their application mainly when compared to the typically used stainless steel sheets. The
technology used for welding is a variant of resistance welding – projection welding, which allows easy
automation and thus meet the high production rates that characterize these products.
The current report focus stage 2 of the project which was implemented after the work held in stage 1,
during which it was conducted a detailed physical, chemical and mechanical, characterization of a
group of potential materials to apply in the production of microwave ovens. As result of the first phase
of the project it was concluded that the main technological problem that arose inherent in this
replacement of materials (the difficulty in welding these materials), is related with the low values of
electrical resistance at the contact interface derived from its surface coating. Thus, the sensitivity to
change of any welding parameter is increased, with emphasis for the contact force between the pieces.
During stage 2 it was developed a technical solution that allows the force, applied simultaneously at all
weld spots, to be uniform. A prototype of the new system was produced and its main function was
tested (to homogenize the force applied in all the weld spots).
In order to determine the welding parameters to implement industrially, a simulation software
dedicated to the resistance welding process, was used – SORPAS. The numerical method of
SORPAS is the finite element method.
Answering to a Gonvarri-Portugal’s request, stage 2 began with the characterization of a second
group of materials of their interest to apply in the production of microwave ovens chassis, regarding
material surface morphological characteristics, hardness, chemical composition, mechanical and
electrical properties.
KEYWORDS
Materials characterization;
Surface coating of steels;
Projection resistance welding;
Homogenize force close system;
Numerical computacional simulation.
IV
ÍNDICE
Agradecimentos ........................................................................................................................................ I
Resumo ................................................................................................................................................... II
Palavras-chave ........................................................................................................................................ II
Abstract................................................................................................................................................... III
Keywords ................................................................................................................................................ III
Índice ...................................................................................................................................................... IV
Lista de figuras ...................................................................................................................................... VII
Lista de tabelas ...................................................................................................................................... IX
I. Introdução ........................................................................................................................................ 1
I.1 Enquadramento e Objectivos .................................................................................................. 1
I.2 Apresentação das entidades envolvidas ................................................................................. 2
I.2.1 Grupo Gonvarri .................................................................................................................... 2
I.2.2 Grupo Teka .......................................................................................................................... 3
I.2.3 IDMEC – Pólo Instituto Superior Técnico ............................................................................ 4
I.3 Estrutura do relatório ............................................................................................................... 5
II. Pesquisa bibliográfica ...................................................................................................................... 6
II.1 Aspectos de soldadura na produção de fornos microondas ................................................... 6
II.1.1 Componentes estruturais ................................................................................................ 6
II.1.2 Sequência de estações de soldadura dos chassis dos fornos na Teka ......................... 8
II.2 Materiais aplicados em chassis de fornos microondas ......................................................... 10
II.3 Revestimentos superficiais aplicados em chassis de fornos microondas ............................ 11
II.3.1 Revestimentos superficiais de zinco ............................................................................. 11
II.3.2 Revestimentos superficiais de alumínio ........................................................................ 15
II.4 Aspectos tecnológicos do processo de soldadura por resistência na variante de projecção 16
II.4.1 Fundamentos do processo de soldadura por resistência na variante de projecção ..... 17
II.4.2 Vantagens e particularidades desta variante do processo de soldadura por resistência
22
II.4.3 Soldabilidade de aços com revestimentos de zinco ...................................................... 23
II.5 SORPAS® ............................................................................................................................. 25
II.5.1 Método de elementos finitos .......................................................................................... 26
II.5.2 Simulações no SORPAS® ............................................................................................ 27
II.5.3 Aplicações do software .................................................................................................. 27
III. Caracterização dos novos materiais a introduzir na construção de chassis de fornos
microondas ............................................................................................................................................ 28
III.1 Nota introdutória .................................................................................................................... 28
III.2 Caracterização metalográfica ................................................................................................ 28
III.2.1 Morfologia superficial por SEM e composição química via EDS .................................. 28
V
III.2.2 Ensaios de dureza e microdureza ................................................................................. 33
III.2.3 Medição da espessura dos revestimentos .................................................................... 35
III.3 Ensaio de resistência mecânica ............................................................................................ 36
III.4 Ensaio de resistência eléctrica de contacto .......................................................................... 39
IV. Desenvolvimento de uma nova ferramenta para a soldadura dos chassis .............................. 43
IV.1 Nota introdutória .................................................................................................................. 43
IV.2 Identificação dos problemas da actual solução .................................................................... 43
IV.3 Estabelecimento da nova solução ......................................................................................... 46
IV.4 Desenvolvimento do conceito da nova ferramenta .............................................................. 49
IV.4.1 Sub-sistemas .................................................................................................................. 50
IV.4.2 Componentes individuais .............................................................................................. 53
IV.5 Comentário final .................................................................................................................... 58
V. Simulação computacional numérica ............................................................................................. 59
V.1 Nota introdutória .................................................................................................................. 59
V.2 Geometria dos elementos ..................................................................................................... 59
V.2.1 Elemento máquina ........................................................................................................ 60
V.2.2 Canal de refrigeração .................................................................................................... 61
V.2.3 Chapa superior e inferior ............................................................................................... 61
V.2.4 Revestimento superficial ............................................................................................... 62
V.2.5 Eléctrodo inferior .......................................................................................................... 62
V.2.6 Eléctrodo superior ......................................................................................................... 64
V.3 Aproximações adoptadas para efectuar a simulação no SORPAS® ...................................... 64
V.3.1 Forma dos eléctrodos .................................................................................................... 64
V.3.2 Material das chapas a utilizar ........................................................................................ 66
V.4 Resultados obtidos com o SORPAS® ..................................................................................... 67
V.4.1 Desenvolvimento da malha ........................................................................................... 67
V.4.2 Propriedades físicas consideradas................................................................................. 69
V.4.3 Estabelecimento dos parâmetros de simulação do ciclo de soldadura no SORPAS® .... 71
V.4.4 Resultados da análise final I e II .................................................................................... 73
V.4.5 Análise de resultados .................................................................................................... 76
VI. Ferramenta GISTeka ................................................................................................................. 77
VI.1 Nota introdutória .................................................................................................................... 77
VI.2 Esquema de montagem / desmontagem da ferramenta ....................................................... 77
VI.3 Procedimento experimental dos ensaios de carga ............................................................... 79
VI.4 Resultados obtidos ................................................................................................................ 82
VI
VI.5 Análise de resultados ............................................................................................................ 83
VII. Conclusões ................................................................................................................................ 84
VIII. Desenvolvimentos futuros ......................................................................................................... 85
Bibliografia ............................................................................................................................................. 86
Anexos ................................................................................................................................................... 88
Anexo 1 – Desenhos de fabrico dos componentes da ferramenta Gisteka ...................................... 88
Anexo 2 – Resultados de soldabilidade finais obtidos no SORPAS® .............................................. 89
VII
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 - Evolução do volume de negócios do grupo, em milhões de euros [1]. .................................. 2
Figura 2 – Alguns equipamentos produzidos pelo Grupo Teka [2]. ........................................................ 3
Figura 3 - Perspectiva da zona de tecnologia de soldadura nas instalações laboratoriais do IDMEC no
IST ............................................................................................................................................................ 5
Figura 4 – Componentes electrónicos de um forno microondas [3]. ...................................................... 6
Figura 5 - Alguns componentes estruturais de um forno microondas [4]. ............................................. 6
Figura 6 – Chassis completo de um forno microondas, em aço inox. ..................................................... 7
Figura 7 – Perspectivas das partes que compõe a guia de onda............................................................. 7
Figura 8 – Reflector do grill. .................................................................................................................... 7
Figura 9 – Cavidade do forno. ................................................................................................................. 8
Figura 10 – Tampa da cavidade com o reflector já soldado. ................................................................... 8
Figura 11 – Painel frontal do chassis. ...................................................................................................... 8
Figura 12 – Painel traseiro do chassis. .................................................................................................... 8
Figura 13 – Estação de escovagem dos chassis dos fornos microondas. .............................................. 10
Figura 14 – Diagrama do processo de galvanização por imersão a quente [7]. ................................... 12
Figura 15 – Diferentes camadas formadas durante a galvanização por imersão a quente [6]............. 13
Figura 16 - Compostos do ácido crómico, H2Cr2O7 e H2CrO4 [8]. .......................................................... 14
Figura 17 – Fotomicrografia das diferentes fases presentes num material galvanizado por imersão a
quente [6]. ............................................................................................................................................. 14
Figura 18 – Primeira máquina patenteada de soldadura por resistência [9]. ....................................... 16
Figura 19 – Robot de soldadura por resistência [10]. ........................................................................... 16
Figura 20 - Zona denominada por nugget [11]. .................................................................................... 17
Figura 21 – Resistências eléctricas desenvolvidas no processo de soldadura por resistência [12]. ..... 17
Figura 22 – Relação da resistividade eléctrica com a temperatura para materiais condutores. .......... 18
Figura 23 – Evolução gráfica das diferentes resistências ao longo do ciclo de soldadura [5]............... 19
Figura 24 – Formação do nugget, com evidência do cadinho plástico [14]. ......................................... 20
Figura 25 – Variação da resistência eléctrica à passagem da corrente em função da força de aperto
[14]. ....................................................................................................................................................... 21
Figura 26 – Evolução gráfica da corrente eléctrica e da força de contacto durante os quatro
momentos da soldadura. ...................................................................................................................... 22
Figura 27 – Ligação “colada”, defeito comum na soldadura de chapas galvanizadas [5]. .................... 25
Figura 28 - Comparação da resolução entre o microscópio óptico e o electrónico [17]. ..................... 29
Figura 29 – Microscópio FEG-SEM: JEOL 7001F com Oxford EDS detector e EBSD, utilizado nos ensaios
realizados. ............................................................................................................................................. 30
Figura 30 – Imagens da topografia das amostras obtido por SEM. ...................................................... 30
Figura 31 - Zonas onde foram realizadas a análises por EDS na chapa 1, galvanizado 1. ..................... 31
Figura 32 - Zonas onde foram realizadas as análises por EDS na chapa 2, galvanizado 2. ................... 31
Figura 33 - Zonas onde foram realizadas as análises por EDS na chapa 3, aluminizado 1. ................... 32
Figura 34 - Zonas onde foram realizadas as análises por EDS na chapa 4, aluminizado 2. ................... 32
Figura 35 - Zonas onde foram realizadas as análises por EDS na chapa 5, electrozincado. .................. 33
Figura 36 – Equipamento utilizado e esquema do respectivo identador (pirâmide de diamante com
um ângulo de 136° entre as fases opostas). ......................................................................................... 34
VIII
Figura 37 – Gráfico comparativo dos valores médios das durezas e microdurezas bem como os
respectivos desvios padrões dos materiais ensaiados. ......................................................................... 34
Figura 38 – Equipamento utilizado na medição de espessuras dos revestimentos e gama de precisão.
............................................................................................................................................................... 35
Figura 39 - Pormenor do extensómetro da máquina de ensaios de tracção. ....................................... 37
Figura 40 – Valores comparativos da tensão limite de elasticidade. .................................................... 37
Figura 41 - Valores comparativos da tensão máxima. .......................................................................... 38
Figura 42 - Valores comparativos da tenacidade. ................................................................................. 38
Figura 43 – Aparelho de medição de resistência de contacto. ............................................................. 39
Figura 44 – Pormenor do ensaio de medição de resistências de contacto. .......................................... 39
Figura 45 – Prensa e matrizes utilizadas na enformação das bossas, com forma semi-esférica e cónica,
utilizadas no ensaio de determinação da resistência de contacto do grupo de materiais. .................. 40
Figura 46 – Gráfico dos valores médios das resistências de contacto medidas em todas as diversas
condições. .............................................................................................................................................. 41
Figura 47 – Gráfico dos valores médios das resistências de contacto entre chapas planas, no estado
original. .................................................................................................................................................. 41
Figura 48 – Gráfico dos valores médios das resistências de contacto com bossa semi-esférica, no
estado original. ...................................................................................................................................... 42
Figura 49 – Ponto forte, soldadura bem consolidada. .......................................................................... 46
Figura 50 – Ponto fraco, más propriedades mecânicas e metalúrgicas. ............................................... 46
Figura 51 – Exemplo de um eléctrodo em mau estado, com desgaste e contaminação evidentes. .... 46
Figura 52 – Sistema mecânico fechado de uniformização da carga aplicada por múltiplos eléctrodos
adaptável a equipamentos convencionais de soldadura por resistência – ferramenta GISTeka ......... 47
Figura 53 – Cavidade interna estanque visível no corte do plano frontal da ferramenta. ................... 47
Figura 54 – Vista explodida dos componentes da ferramenta GISTeka................................................ 48
Figura 55 – Representação da ferramenta GISTeka já instalada. ......................................................... 49
Figura 56 – União dos reservatórios superior e inferior ....................................................................... 50
Figura 57 – Montagem de alguns componentes no reservatório superior. ......................................... 51
Figura 58 – Pormenor do isolamento eléctrico da ferramenta GISTeka. .............................................. 51
Figura 59 – Pormenores do sub-sistema de refrigeração dos eléctrodos. ........................................... 52
Figura 60 – Representação do sub-sistema de alimentação eléctrica dos eléctrodos. ........................ 53
Figura 61 – Representação dos elementos que formam os eléctrodos da ferramenta GISTeka e
respectivo esquema de montagem ....................................................................................................... 54
Figura 62 – Corte representativo do ponto morto superior e inferior do eléctrodo. ........................... 55
Figura 63 – Pormenor das ferragens de constrangimento da rotação dos eléctrodos colocadas no
reservatório inferior. ............................................................................................................................. 55
Figura 64 – Perspectivas do reservatório inferior ................................................................................. 56
Figura 65 – Perspectivas do reservatório superior................................................................................ 57
Figura 66 – Perspectiva do êmbolo de nivelamento da posição vertical dos eléctrodos. .................... 57
Figura 67 – Perspectiva da flange de suporte. ...................................................................................... 57
Figura 68 – Perspectiva da base de alimentação eléctrica. .................................................................. 58
Figura 69 – Visualização gráfica de um corte da montagem (ferramenta + eléctrodos + chapas). ...... 60
Figura 70 – Janela de inserção de dados. .............................................................................................. 60
Figura 71 – Elemento máquina superior ............................................................................................... 60
Figura 72 – Elemento máquina inferior................................................................................................. 60
IX
Figura 73 – Representação do canal de refrigeração ............................................................................ 61
Figura 74 – Chapa superior.................................................................................................................... 61
Figura 75 – Montagem pormenor da bossa em resina ......................................................................... 62
Figura 76 – Pormenor da bossa utilizadas na simulação. ...................................................................... 62
Figura 77 – Chapa inferior ..................................................................................................................... 62
Figura 78 – Representação esquemática dos eléctrodos da ferramenta GISTeka e do eléctrodo
inferior. .................................................................................................................................................. 62
Figura 79 – Eléctrodo inferior real......................................................................................................... 63
Figura 80 – Eléctrodo inferior na simulação. ......................................................................................... 63
Figura 81 – Eléctrodo superior sem furo de alinhamento .................................................................... 64
Figura 82 – Eléctrodo superior com furo de alinhamento .................................................................... 64
Figura 83 – Geometria do eléctrodo real. ............................................................................................. 65
Figura 84 – Aproximação da zona de contacto do eléctrodo ................................................................ 65
Figura 85 – Aproximação efectuada ao canal de refrigeração dos eléctrodos ..................................... 65
Figura 86 – Detalhe do furo de alinhamento na base do eléctrodo ..................................................... 66
Figura 87 – Aproximação do furo de alinhamento no software ........................................................... 66
Figura 88 – Representação da malha utilizada...................................................................................... 68
Figura 89 – Representação dos pontos de controlo de densidade. ...................................................... 68
Figura 90 – Janela de introdução de dados para as especificações da máquina. ................................. 72
Figura 91 – Regulação do factor de interface. ...................................................................................... 72
Figura 92 – Janela do SORPAS Simulation Watcher. ............................................................................. 73
Figura 93 – Distribuição final de temperaturas e visualização do nugget para o grupo de análise I.... 75
Figura 94 - Distribuição final de temperaturas e visualização do nugget para o grupo de análise II. .. 76
Figura 95 – Representação do encosto entre chapas fora da zona das bossas. ................................... 78
Figura 96 – Célula de carga utilizada nos ensaios. ................................................................................ 79
Figura 97 – Barra receptora da força aplicada pelos eléctrodos com suporte/encaixe da célula de
carga, de forma possível de posicionar sob todos os eléctrodos.......................................................... 79
Figura 98 – Aparato experimental do ensaio de carga à ferramenta GISTeka. .................................... 80
Figura 99 – Pormenores da preparação experimental dos ensaios de carga. ...................................... 80
Figura 100 – Preparação da máquina de soldadura para a determinação da relação pressão-força. . 81
Figura 101 – Gráficos comparativos dos valores da força de aperto a diferentes alturas de
funcionamento. ..................................................................................................................................... 83
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 – Sequência de estações de soldadura dos chassis dos fornos microondas. ........................... 9
Tabela 2 – Tabela de potenciais galvânicos dos metais [6]. .................................................................. 11
Tabela 3 – Propriedades térmicas e eléctricas dos materiais utilizados na soldadura [5]. ................... 24
Tabela 4 – Identificação e nomenclatura atribuída ao grupo de materiais fornecido pela Gonvarri-
Portugal. ................................................................................................................................................ 28
Tabela 5 - Composição química e propriedades mecânicas expectáveis segundo as normas, do grupo
de materiais fornecido pela Gonvarri-Portugal. .................................................................................... 28
Tabela 6 – Composição química obtida via EDS para a chapa 1, galvanizado 1. .................................. 31
Tabela 7 – Composição química obtida via EDS para a chapa 2, galvanizado 2. .................................. 31
X
Tabela 8 – Composição química obtida via EDS para a chapa 3, aluminizado 1. .................................. 32
Tabela 9 – Composição química obtida via EDS para a chapa 4, aluminizado 2. .................................. 32
Tabela 10 – Composição química obtida via EDS para a chapa 5, electrozincado. ............................... 33
Tabela 11 – Valores da espessura do revestimento obtido para todas as amostras. ........................... 35
Tabela 12 – Gama de operação do medidor de resistências de contacto. ........................................... 39
Tabela 13 - Valores médios das resistências de contacto medidas em todas as diversas condições. .. 40
Tabela 14 – Legenda da vista explodida da ferramenta GISTeka (Figura 54). ...................................... 48
Tabela 15 – Propriedades físicas da liga de cobre AMPCO 95 [18]. ...................................................... 63
Tabela 16 – Comparação entre os dois tipos de aços [19] e [20]. ........................................................ 67
Tabela 17 – Intervalos de tempo utilizados entre cálculos no SORPAS®. ............................................. 68
Tabela 18 – Propriedades físicas dos materiais considerados pelo software durante a simulação. .... 70
Tabela 19 – Resultados finais obtidos no SORPAS® para o grupo de análise I. ..................................... 74
Tabela 20 – Resultados finais obtidos no SORPAS® para o grupo de análise I. ..................................... 75
Tabela 21 – Variação dos resultados finais obtidos no SORPAS® entre os grupos de análise I e II. ...... 76
Tabela 22 – Relação pressão-força da máquina de soldadura. ............................................................. 81
Tabela 23 – Valores registados nos ensaios de carga para as quatro posições do eléctrodo em teste.
............................................................................................................................................................... 82
1
I. INTRODUÇÃO
I.1 ENQUADRAMENTO E OBJECTIVOS
O trabalho desenvolvido integra-se na prestação de serviço de colaboração científica e
desenvolvimento tecnológico do IDMEC pólo Instituto Superior Técnico à empresa Gonvarri Portugal
(designada daqui em diante simplesmente por Gonvarri), visando apoiar um dos seus clientes, a Teka
Portugal (designada daqui em diante simplesmente por Teka) no contínuo desenvolvimento da sua
actividade produtiva.
A Teka, utiliza no fabrico do chassis dos fornos microondas vários tipos de chapa fina de aço, entre
os quais os aços inoxidáveis são os mais utilizados, substituídos por vezes pelos aços
electrozincados e incluindo os aços aluminizados em zonas com exigência de boa reflexibilidade
superficial. No entanto, devido a variações profundas das disponibilidades no mercado é por vezes
difícil encontrar estes materiais, o que faz com que os preços sejam muitas vezes inflacionados.
Assim sendo, torna-se necessário encontrar novas soluções para conseguir ultrapassar este facto, e
manter os elevados níveis de produtividade associados à garantia de qualidade característica desta
reputada empresa. Uma das formas possíveis é através da procura e introdução de novos materiais
que apresentem vantagens para todas as entidades envolvidas no processo de produção.
A base deste trabalho tem como finalidade desenvolver o conhecimento de forma a permitir a
introdução de um novo material no fabrico dos chassis dos fornos microondas, com principal ênfase
para o aço galvanizado. O problema inerente à introdução deste material no processo produtivo,
prende-se com os actuais baixos níveis de soldabilidade por resistência na variante por projecção, ou
por bossas.
O trabalho agora apresentado vem no seguimento de uma primeira fase onde foram caracterizados
uma gama representativa de materiais fornecidos pela Gonvarri à sua cliente Teka, e identificadas as
principais causas das dificuldades tecnológicas resultantes da aplicação da soldadura por resistência,
na variante por bossas, a estes novos materiais. Pretende-se assim, nesta segunda fase do trabalho,
o desenvolvimento de novas soluções tecnológicas que permitam soldar por resistência os chassis
dos fornos microondas incluindo aço galvanizado e electrozincado, com um nível de qualidade e
fiabilidade semelhante às ligações obtidas actualmente com os aços inoxidáveis. Assim, os principais
objectivos deste trabalho são os seguintes:
Caracterizar a composição química, dureza, resistência mecânica, resistência eléctrica e
morfologia da superfície de um segundo grupo de materiais que a Gonvarri seleccionou para
fornecer à Teka tendo em vista a sua aplicação no fabrico dos fornos microondas;
Desenvolver o conceito de um novo sistema mecânico fechado de actuação dos eléctrodos
de soldadura que permita uniformizar a carga aplicada pelos diversos eléctrodos nas chapas
a0 soldar por resistência na variante de projecção;
2
Simulação computacional numérica das condições de soldadura com o novo sistema
desenvolvido, tendo em vista o apoio tecnológico na transferência para a aplicação real da
nova solução tecnológica focando o estabelecimento dos parâmetros de soldadura;
Acompanhamento do processo de produção de um protótipo e ensaio da sua funcionalidade
mecânica.
I.2 APRESENTAÇÃO DAS ENTIDADES ENVOLVIDAS
I.2.1 GRUPO GONVARRI
O Grupo Gonvarri fundado há mais de 45 anos em Espanha, dedica-se à comercialização de aço,
tendo iniciado um processo de internacionalização que o levou à criação de unidades em Portugal,
Itália, Polónia e Brasil.
O seu desenvolvimento está assente em importantes taxas de crescimento (Figura 1) que o
consolidaram como líder espanhol de centros de serviço de aço e como uma das principais
referências no mercado europeu e brasileiro.
Figura 1 - Evolução do volume de negócios do grupo, em milhões de euros [1].
O grupo desenvolve uma estratégia de procura de produtos e serviços, que conferem um valor
acrescentado aos seus clientes, os quais confiam na capacidade e experiência do grupo para
fornecer tanto produtos como serviços logísticos e/ou de desenvolvimento de produtos. Esta relação
privilegiada complementa-se com a relação desenvolvida ao longo dos anos com os principais
siderúrgicos mundiais. Com um consumo de aço bastante significativo no panorama mundial grandes
fabricantes são fornecedores habituais do Grupo Gonvarri, o que lhes permite contar constantemente
com a qualidade que precisam e propor aos seus fornecedores o desenvolvimento de características
específicas.
Esta capacidade no aprovisionamento de aço, juntamente com a versatilidade e flexibilidade que
oferece o facto de contar com linhas próprias de decapagem, galvanização, laminagem,
electrozincagem e skin-pass tornam a Gonvarri o fornecedor de referência dos principais
consumidores de aço nos nossos mercados e a sua melhor alternativa na procura de materiais. Na
sua carteira de clientes estão representados todas as áreas consumidoras de aço, como o sector
automóvel, sistemas de armazenamento, segurança rodoviária, electrodomésticos e construção. Esta
3
diversificação de clientes e sectores fortalece a evolução da companhia que, desta forma, não se vê
afectada pelos movimentos de um único sector, dando grande estabilidade aos resultados do grupo.
I.2.2 GRUPO TEKA
A Teka é um grupo industrial com cerca de 5.600 colaboradores, em todo o mundo, com um volume
anual de negócios de mais de 800 milhões de euros e 80 anos de experiência. As áreas de negócio
do Grupo Teka abrangem equipamento doméstico e profissional para cozinha e casa de banho,
contentores em aço inoxidável e componentes electrónicos.
No que respeita a cozinhas, a Teka encontra-se entre as marcas líder de lava-louças e equipamentos
encastráveis, fabricando utensílios domésticos de alta qualidade e equipamento comercial (Figura 2).
O sector de cozinhas da Teka dispõe de onze fábricas na Europa, duas na América e uma na Ásia.
Figura 2 – Alguns equipamentos produzidos pelo Grupo Teka [2].
A Teka Portugal é uma das principais subsidiárias do Grupo Teka, grupo multinacional de origem
alemã, fundado em 1924. Com um capital social de 7,5 milhões de euros, mais de 200 colaboradores,
e uma facturação que ultrapassou em 2004 os 46,5 milhões de euros, a Teka Portugal é uma das
maiores empresas da região centro, ocupando uma área fabril e comercial de 20.500 metros
quadrados no Concelho de Ílhavo.
4
A Teka Portugal fabrica actualmente microondas, placas de encastrar, chaminés decorativas, tampas
de vidro para placas e esterilizadores de ar. Fabrica ainda equipamentos industriais tais como,
depósitos em aço inoxidável para a indústria química e alimentar.
I.2.3 IDMEC – PÓLO INSTITUTO SUPERIOR TÉCNICO
Criado no âmbito do “Programa Ciência”, o IDMEC é uma associação privada, científica, tecnológica
e de formação, sem fins lucrativos, cujos membros fundadores são o Instituto Superior Técnico (IST)
e a Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto (FEUP). O IDMEC, no seu âmbito de
actuação, desenvolve a sua actividade assente em cinco objectivos estratégicos:
Promover de acções de Investigação e Desenvolvimento;
Desenvolver programas de formação avançada;
Promover a transferência tecnológica;
Avaliar e auditar novos processos nas empresas;
Desenvolver programas de gestão integrados nas áreas energética, logística e tecnológica.
Enquadrado nestes objectivos, o IDMEC aposta no desenvolvimento de acções específicas e
especializadas no domínio da Engenharia Mecânica, verificando-se a nível nacional um papel
relevante na coordenação da investigação e do desenvolvimento nesta área.
Apresenta-se em dois Pólos, IDMEC/IST em Lisboa e o IDMEC/FEUP no Porto. Cada Pólo está
organizado em Centros de Investigação apoiados por laboratórios de elevada capacidade tecnológica.
O Pólo IDMEC/IST engloba os seguintes Centros: Projecto Mecânico, Sistemas Inteligentes,
Tecnologias Avançadas de Produção e Tecnologias de Energia.
Em particular, o grupo de soldadura do Centro de Tecnologias Avançadas de Produção do
IDMEC/IST, tem uma longa tradição no desenvolvimento de trabalho de investigação e
desenvolvimento tecnológico na área das tecnologias de ligação por soldadura e adesivos há mais de
3 décadas. Como resultado deste esforço, o seu trabalho experimental e computacional é hoje
reconhecido a nível nacional e internacional, conforme se pode comprovar através dos vários
projectos em que participou e que se encontra actualmente envolvido, muitos dos quais na
transferência tecnológica e serviço/apoio à indústria.
Para além de promover uma cooperação permanente com os agentes económicos nacionais, o
IDMEC mantém relações privilegiadas com a comunidade empresarial, através da participação em
projectos nacionais e internacionais de I&DT, redes de formação transnacional e acordos de
colaboração bilateral.
É política estratégica do IDMEC a prossecução e alargamento de conhecimentos científicos e
tecnológicos, a inovação, produtividade e flexibilidade, a qualidade e o baixo custo energético e
ambiental, processos fundamentais para o crescimento consistente e sustentado da indústria
Portuguesa.
Para um conhecimento mais aprofundado do instituto recomenda-se o endereço internet da mesma:
http://www.dem.ist.utl.pt/IDMEC/
5
Figura 3 - Perspectiva da zona de tecnologia de soldadura nas instalações laboratoriais do IDMEC no IST
I.3 ESTRUTURA DO RELATÓRIO
O relatório está dividido em oito capítulos, cuja ordem e conteúdo se apresentam de seguida:
Capítulo I – Enquadramento do trabalho no projecto global de cooperação em I&D
envolvendo a Gonvarri, a Teka e o IDMEC;
Capítulo II – Abordagem bibliográfica aos temas estudados durante o relatório,
nomeadamente os aspectos de soldadura na produção de microondas, materiais e
revestimentos utilizados, aspectos tecnológicos do processo de soldadura e software de
análise numérica utilizado;
Capítulo III – Caracterização metalúrgica, mecânica e eléctrica dos materiais seleccionados
pela Gonvarri para aplicação na construção de fornos microondas;
Capítulo IV – Desenvolvimento da nova ferramenta para a soldadura dos chassis dos fornos
microondas, como resultado da identificação do problema actual, estabelecimento de um
plano de solução e respectivo desenvolvimento do conceito de um novo sistema de actuação
dos eléctrodos;
Capítulo V – Simulação computacional numérica num software apropriado de modo a avaliar
a eficácia do conceito desenvolvido e o desenvolvimento dos respectivos parâmetros de
funcionamento a serem transferidos para ambiente de produção industrial;
Capítulo VI – Características e ensaios de funcionalidade da ferramenta GISTeka;
Capítulo VII – Conclusões coligidas do trabalho realizado;
Capítulo VIII – Proposta de desenvolvimentos futuros.
6
II. PESQUISA BIBLIOGRÁFICA
II.1 ASPECTOS DE SOLDADURA NA PRODUÇÃO DE FORNOS MICROONDAS
Como a maioria dos electrodomésticos os fornos microondas são constituídos por vários
componentes os quais estão invisíveis num primeiro contacto. Nesta secção, pretende-se mostrar os
vários componentes que se podem encontrar num forno deste género e qual a sua função no produto
final.
Figura 4 – Componentes electrónicos de um forno microondas [3].
Figura 5 - Alguns componentes estruturais de um forno microondas [4].
Como se pode observar na Figura 4 e na Figura 5 é possível distinguir dois tipos de componentes
num forno microondas: os electrónicos e os estruturais (chassis). A seguinte descrição centra-se nos
componentes estruturais uma vez que o objectivo deste trabalho envolve apenas estes.
II.1.1 COMPONENTES ESTRUTURAIS
A produção de um chassis de um forno microondas envolve a soldadura de vários componentes
estruturais, nomeadamente: cavidade do chassis, tampa da cavidade, os painéis frontal e traseiro do
chassis, a guia de onda e o reflector.
7
Figura 6 – Chassis completo de um forno microondas, em aço inox.
A guia de onda é composta por duas partes distintas, que serão soldadas e colocadas na parte lateral
do microondas, numa cavidade existente. Tem como função direccionar a radiação desde a fonte até
à cavidade do forno.
Figura 7 – Perspectivas das partes que compõe a guia de onda.
Caso o forno a ser produzido tenha a função grill é colocado na tampa superior do chassis um
reflector a separar a resistência do grill da restante cavidade. Dada a especificidade da sua função,
esta peça tem algumas características próprias, por exemplo tem um revestimento aluminizado de
modo a garantir a reflectividade necessária.
Figura 8 – Reflector do grill.
8
Além destes componentes mais específicos temos o “esqueleto” do chassis do forno microondas, a
cavidade, respectiva tampa e os painéis frontais e traseiros.
Figura 9 – Cavidade do forno. Figura 10 – Tampa da cavidade com o reflector já
soldado.
Figura 11 – Painel frontal do chassis. Figura 12 – Painel traseiro do chassis.
II.1.2 SEQUÊNCIA DE ESTAÇÕES DE SOLDADURA DOS CHASSIS DOS FORNOS NA TEKA
Os chassis dos fornos microondas passam por sete estações de soldadura antes da etapa final de
escovagem.
9
Na estação de soldadura nº 1 é soldado o
reflector na tampa da cavidade do chassis.
Na estação nº 2 é estabelecida a ligação entre a
tampa da cavidade e a cavidade do chassis do
forno.
O painel frontal do chassis é colocado na
estação de soldadura nº 3.
A estação nº 4 é constituida por duas máquinas
de modo a soldar as duas peças que compõem a
guia de onda.
Na estação nº 5 é soldada a guia de onda à
cavidade fechada do chassis.
Por fim nas estações 6 e 7 é ligado o painel
traseiro completando o chassis do forno
microondas.
Tabela 1 – Sequência de estações de soldadura dos chassis dos fornos microondas.
10
Ao sair da estação de soldadura nº 7, os chassis são encaminhados à etapa final de escovagem, de
modo a limpar o painel frontal de qualquer vestígio da soldadura e a melhorar o acabamento
superficial.
Figura 13 – Estação de escovagem dos chassis dos fornos microondas.
II.2 MATERIAIS APLICADOS EM CHASSIS DE FORNOS MICROONDAS
As características do aço fazem com que este seja amplamente utilizado em vastas aplicações de
engenharia. As suas excelentes propriedades mecânicas (como resistência mecânica e ductilidade),
bem como as suas boas performances no que respeita à enformabilidade e soldabilidade fazem deste,
um material de eleição. Abundância, as propriedades ferromagnéticas, a possibilidade de reutilização
e custo são outros factores positivos deste material.
Mais de 80% das soldaduras por resistência são realizadas em aços de baixo carbono, ou seja, ligas
de Fe-C com percentagens em peso de carbono inferior a 0,25% e de outros elementos de liga
inferior a 1%.
Existe apenas um cuidado a ter no que respeita à composição química dos aços utilizados em
soldadura por resistência, a percentagem em peso de Fósforo e Enxofre deve ser inferior a 0,045%.
Estes elementos têm influência marcante no comportamento mecânico, produzindo soldaduras
frágeis.
No entanto este material é susceptível à corrosão em ambientes húmidos e a oxidação a
temperaturas elevadas, o que o torna vulnerável em algumas situações, sendo por isso necessário
fornecer-lhe algum tipo de protecção.
A actual ênfase na protecção contra a corrosão tem sido dirigida para uma gradual substituição do
aço carbono por aço revestido, o qual confere uma maior resistência à corrosão, com grande
aplicação, por exemplo, nas indústrias dos electrodomésticos, automóvel e construção civil [5].
11
II.3 REVESTIMENTOS SUPERFICIAIS APLICADOS EM CHASSIS DE FORNOS MICROONDAS
Existem alguns métodos de protecção contra a corrosão do aço, entre eles podem destacar-se:
Alteração do metal pela adição de elementos de liga;
Controlo do potencial electroquímico pela aplicação de correntes anódicas ou catódica;
Utilização de revestimentos orgânicos ou metálicos.
Um dos métodos mais utilizados para a protecção do aço é a aplicação de revestimentos metálicos.
II.3.1 REVESTIMENTOS SUPERFICIAIS DE ZINCO
A utilização do zinco como revestimento ocorreu pela primeira vez em 1741, quando o químico
francês Melouin descobriu que um revestimento de zinco poderia proteger o aço contra a corrosão.
Em 1837, o engenheiro Sorel patenteou o processo utilizando o termo galvanização (do nome de
Luigi Galvani, 1737-1798) uma vez que é uma corrente galvânica que protege o aço, quando se dá o
contacto do zinco com o aço num meio húmido (devido a criação de uma diferença de potencial entre
os metais).
Como se pode observar na tabela de potenciais galvânicos, o zinco é mais anódico do que o
elemento ferro pelo que quando em conjunto, será o zinco o primeiro a iniciar a corrosão originando
uma protecção catódica, ou seja, o zinco sacrifica-se para proteger o ferro.
Tabela 2 – Tabela de potenciais galvânicos dos metais [6].
Mesmo que uma pequena área de aço fique exposta, o metal base não sofre (ou sofre pouco) os
efeitos da corrosão, pois o zinco aumentará a sua taxa de corrosão de modo a atingir um novo
equilíbrio, protegendo assim a área descoberta.
A espessura do revestimento é um factor importante na performance dos produtos revestidos. Pode
dizer-se que revestimentos mais espessos promovem maior protecção contra a corrosão, no entanto
revestimentos mais finos possibilitam melhores propriedades de enformabilidade e soldabilidade. A
quantidade de revestimento é expressa em termos de massa por unidade de área [6].
12
II.3.1.1 Processos de aplicação de revestimentos de zinco
Quando se realiza uma galvanização existem vários factores que podem influenciar a qualidade do
revestimento, entre os quais se destacam: o tipo de material base, o estado superficial das peças, as
velocidades de imersão/remoção do banho, a temperatura do banho, o tempo de imersão, e a
composição do banho. A influência de cada um desses factores é determinante no revestimento final
obtido, por isso o seu controle é fundamental.
- GALVANIZAÇÃO POR IMERSÃO A QUENTE
A galvanização por imersão a quente é um processo perfeitamente definido, sendo basicamente o
mesmo para qualquer produto, podendo variar na espessura da camada, na geometria da peça e na
composição química do material base (aço).
É o processo mais económico, contudo os metais e ligas propensos à aplicação de revestimentos por
este método estão limitados àqueles que apresentam pontos de fusão suficientemente baixos para
permitir que a chapa metálica passe pelo banho de metal fundido sem que ocorram deformações ou
empenamentos.
Este processo ocorre basicamente em três etapas: limpeza superficial, galvanização e
arrefecimento/passivação da camada de zinco, ilustradas na Figura 14.
Figura 14 – Diagrama do processo de galvanização por imersão a quente [7].
Para se obter um acabamento perfeito das peças zincadas é necessário que as peças estejam
completamente limpas. Assim a eliminação de óleos, graxas, óxidos, tintas ou qualquer outro tipo de
substância que existam na superfície do metal base é um requisito básico.
O procedimento do tratamento é descrito abaixo, no entanto, entre cada uma das etapas deve
proceder-se à lavagem das chapas com água corrente, na qual se deve proceder a um controlo de
pH, de forma a remover qualquer resíduo que resulte de passos anteriores.
Desengorduramento - esta etapa tem como objectivo garantir a remoção de substâncias
orgânicas, da superfície do material, pois a sua presença afecta não só o processo em si,
mas também a acção dos ácidos de decapagem. É utilizado um desengordurante alcalino
numa solução aquosa, a quente ou a frio para remover qualquer resíduo de contaminantes;
Decapagem - de forma a remover da superfície das chapas, óxidos presentes nomeadamente
óxido de ferro, faz-se a imersão das chapas em ácido clorídrico ou em ácido sulfúrico. A
13
escolha de um ou outro método deve ser realizada a partir de considerações de ordem
técnica e/ou económica. A decapagem clorídrica realiza-se à temperatura ambiente, com uma
solução aquosa de 1 a 17% HCl. Utilizam-se frequentemente inibidores para que só os óxidos
e outros aditivos que reduzam a tensão superficial entre o líquido decapante e a peça sejam
removidos. A decapagem com ácido sulfúrico utiliza uma solução aquosa de 7,5 a 15% de
H2SO4, a uma temperatura entre os 70 e os 90°C;
Fluxagem - utiliza-se ZnCL2 3NH4CL à temperatura de 60 a 80°C, para dissolver os resíduos
salinos que restam na superfície da peça e promover a cristalização de uma camada de sal, a
qual impede a oxidação até à imersão no banho de zinco fundido;
Galvanização - após realizada a primeira etapa, inicia-se a fase de galvanização
propriamente dita, que consiste na imersão das chapas numa cuba com no mínimo 98% de
zinco puro fundido, a uma temperatura entre 445 e 460°C, onde o ferro vai reagir com o zinco
iniciando a formação de camadas distintas (Figura 15) que vão formar o revestimento
protector.
Figura 15 – Diferentes camadas formadas durante a galvanização por imersão a quente [6].
O tempo de permanência das peças no banho tem de ser o suficiente para que as chapas alcancem
a temperatura do banho. O tempo médio de imersão é aproximadamente de 3 a 4 minutos.
Posteriormente as chapas são retiradas lentamente e o zinco em excesso é removido através de
drenagem com auxilio de métodos de vibração e/ou centrifugação.
A temperatura exterior, a humidade e a qualidade do ar não afectam a qualidade do revestimento
galvanizado.
Arrefecimento e passivação da camada de zinco - a reacção do aço com o zinco pode
prolongar-se após a extracção, uma vez que a chapa retém o calor fornecido durante a
galvanização. A velocidade de arrefecimento imposta deve ser seleccionada tendo em conta
os coeficientes de dilatação térmica do aço e do zinco, pois podem criar-se tensões internas
na chapa durante o arrefecimento a ponto de fragilizar a matéria.
14
Para que o revestimento de zinco adquira ao longo de toda a superfície uma capa protectora,
procede-se a sua passivação em soluções cromatantes à base de ácido crómico (conjunto de aniões
cromato e dicromato).
Figura 16 - Compostos do ácido crómico, H2Cr2O7 e H2CrO4 [8].
As reacções metalúrgicas promovidas entre o Zn e o Fe durante a galvanização fazem com que o
revestimento possua excelente aderência ao material base, muito maior que a apresentada pelos
revestimentos produzidos por processos mecânicos ou químicos.
A secção transversal esquemática do revestimento zinco - ferro encontra-se ilustrada na
fotomicrografia da Figura 17, onde é possível distinguir as três camadas da liga e uma camada de
zinco metálico puro.
Figura 17 – Fotomicrografia das diferentes fases presentes num material galvanizado por imersão a quente [6].
- ELECTROZINCAGEM OU GALVANIZAÇÃO ELECTROLÍTICA
A electrozincagem consiste numa deposição electrolítica de sais de zinco sobre o metal base. O zinco
é utilizado como ânodo numa cuba electrolítica à temperatura ambiente, dissolvendo-se no electrólito
constituindo uma solução de sais de zinco e precipitando-se no cátodo, que é constituído pelo metal
base. O processo é descrito em seguida:
O primeiro passo consiste na limpeza das chapas. Para que o acabamento do metal seja
perfeito, é preciso que a superfície esteja completamente limpa, tal como no processo de
galvanização a quente;
No ânodo coloca-se o zinco que se diluirá na solução electrolítica e será conduzido até o
material que se encontra em contacto com o cátodo. Devido a alta corrente aplicada este
zinco é depositado na superfície e permanecerá mesmo sob severas deformações.
15
Trata-se de uma técnica especialmente útil quando a aplicação de altas temperaturas às peças de
aço a podem danificar. No caso da galvanização electrolítica, não existem variações dimensionais de
origem térmica nem se alteram as propriedades mecânicas do aço.
Estes revestimentos são compostos apenas por zinco “puro”, ou seja apresentam uma estrutura
completamente homogénea. Com a electrozincagem obtém-se geralmente um revestimento muito
fino, liso e uniforme, constituído por zinco depositado numa ou em ambas as faces da chapa de aço.
O revestimento é simultaneamente denso e de excelente aderência. A espessura da película e as
suas propriedades dependem da densidade de corrente aplicada, da concentração de sais do banho,
da presença de aditivos e do tipo de aço.
Caracterizado por uma superfície microfacetada representativa do aspecto característico dos cristais
hexagonais de zinco, o aço electrozincado não promove a formação de intermetálicos, a sua estrutura
é muito mais simples do que as estrutura dos aços galvanizados.
A electrozincagem confere uma protecção adequada para inúmeras aplicações. Estes revestimentos
são geralmente tratados com soluções de cromatos, para promover uma melhor aparência, reduzir
manchas e de forma a retardar a formação de produtos de corrosão branca (criados sob condições
de extrema humidade).
O revestimento de zinco puro que se obtêm é muito deformável, por isso ideal para estampagem.
Com uma fosfatação posterior, o revestimento encontra-se preparado para pintura, assim a
electrozincagem é utilizada quando se pretende uma superfície de extrema qualidade, sendo utilizada
numa grande panóplia de aplicações [6].
II.3.2 REVESTIMENTOS SUPERFICIAIS DE ALUMÍNIO
O uso de revestimentos de alumínio tem como finalidade a utilização em solicitações onde seja
necessário bons resultados à resistência a corrosão, oxidação, boa condutividade eléctrica, alta
reflectividade e receptividade para se poderem realizar acabamentos superficiais.
Quando se pretende realizar revestimentos deste tipo, é necessário ter em atenção dois factores de
extrema importância para que se consigam obter os melhores resultados:
É necessário realizar uma boa preparação da superfície do aço;
No caso do processo se realizar a alta temperatura, o controlo da formação e crescimento do
intermetálico produzido é crucial.
Basicamente o processo de obtenção de aços aluminizados por imersão a quente ocorre em três
etapas sendo o procedimento semelhante com o que ocorre nos aços galvanizados. Primeiro efectua-
se uma preparação da superfície do material base, seguido da imersão num banho de alumínio
líquido puro (tipo II) ou alumínio com 10% Si (tipo I) durante um determinado período de tempo e
posterior arrefecimento.
Os banhos de alumínio podem ter várias composições, no entanto, quando se pretende uma boa
aderência e enformabilidade, é costume utilizar um banho com uma composição de 4% a 10% de
16
silício de forma a retardar a formação da liga entre o banho metálico e o material base. Estes banhos
geralmente contêm ainda 0.1 a 3.0% de ferro.
Este processo, como já foi referido, forma um composto intermetálico entre o material base (aço) e o
alumínio da superfície. A fase do intermetálico varia consoante a composição do banho, o tempo de
imersão e a temperatura. O revestimento resultante é muito fino e apresenta na sua composição
partículas discretas de silício, resultante do processo [6].
II.4 ASPECTOS TECNOLÓGICOS DO PROCESSO DE SOLDADURA POR RESISTÊNCIA NA VARIANTE
DE PROJECÇÃO
O conceito em que se baseia o processo de soldadura por resistência foi introduzido em 1877 por
Elihu Thomson (Figura 18), cuja patente data de Abril de 1891 (U.S. Patent 451345) e começou a ser
utilizado para produção de pequenos electrodomésticos em 1898.
Desde 1933, o processo de soldadura por resistência, principalmente na variante por pontos, tem sido
aplicada a uma larga escala na indústria, nomeadamente em indústrias que produzem séries grandes
com elevados requisitos de qualidade, tais como: automóvel (carroçaria, radiadores), eléctrica
(contactos eléctricos, relés, lâmpadas) e de electrodomésticos (chassis principal e estruturas de
suporte de componentes).
Figura 18 – Primeira máquina patenteada de soldadura por resistência [9].
Figura 19 – Robot de soldadura por resistência [10].
A variante de projecção do processo de soldadura por resistência, embora não seja tão utilizada
como a soldadura por pontos, tem várias vantagens sobre as restantes variantes sempre que a forma
das peças a soldar o permita. Esta variante necessita de um investimento inicial superior, uma vez
que o custo associado aos equipamentos e à preparação das peças é superior, mas o investimento é
facilmente recuperável com produções médias ou elevadas [5].
17
II.4.1 FUNDAMENTOS DO PROCESSO DE SOLDADURA POR RESISTÊNCIA NA VARIANTE DE PROJECÇÃO
Tal como no processo de soldadura por resistência na variante de pontos, este é um processo
autógeno em que as chapas são ligadas entre si por zonas denominadas por nuggets. Estes nuggets
são as zonas onde se desenvolve a fusão e o posterior forjamento das chapas.
Figura 20 - Zona denominada por nugget [11].
De seguida irá abordar-se detalhadamente alguns parâmetros importantes do processo de soldadura
por resistência.
II.4.1.1 Resistência eléctrica de contacto
O nugget é formado pelo calor gerado através da circulação da corrente eléctrica entre os dois
eléctrodos, o superior e o inferior. A corrente ao atravessar as chapas a soldar vai encontrar diversas
resistências ao seu movimento, que causa a dissipação de energia sob a forma de calor.
O calor produzido pelas resistências à passagem da corrente eléctrica pode ser determinado a partir
da Lei de Joule:
(1)
em que: E – energia dissipada [J];
R – resistência [Ω];
I – intensidade da corrente eléctrica [A];
t – tempo [s].
Tal como na variante por pontos, existem dois tipos de resistência eléctrica envolvidos no processo: a
resistência intrínseca dos materiais utilizados (chapas e eléctrodos) e a resistência de contacto
desenvolvida nas interfaces dos componentes.
Figura 21 – Resistências eléctricas desenvolvidas no processo de soldadura por resistência [12].
18
A resistência de contacto (Rc) entre duas superfícies metálicas com apenas um constituinte, é dada
pela seguinte equação [13]:
(2)
Sendo: ρ – resistividade eléctrica [Ω.m];
H – dureza Vickers do material do material menos duro;
F – força de contacto [N].
A Rc varia inversamente com a raiz quadrada da força aplicada, portanto no processo de soldadura, a
resistência de contacto de maior valor será a da interface que se situa entre as chapas (Rc2 - Figura
21) uma vez que a força de contacto será menor. Será na interface entre as chapas que, durante a
passagem da corrente eléctrica, se irá produzir mais calor, dando origem à zona fundida. O valor
desta resistência vai diminuindo desde o inicio da soldadura atingindo zero quando se inicia a fusão,
sendo responsável pela formação do nugget.
As resistências intrínsecas dos materiais das chapas (Rs2 e Rs3 - Figura 21) são de pouca importância
para a formação do nugget, mas após a formação da zona fundida tornam-se as principais fontes do
calor desenvolvido na soldadura. Este facto deve-se ao aumento da temperatura, tal como em todos
os materiais condutores, a resistividade eléctrica aumenta linearmente com a temperatura (Figura 22).
Figura 22 – Relação da resistividade eléctrica com a temperatura para materiais condutores.
De modo a prolongar a vida útil dos eléctrodos, a energia dissipada pelas resistências de contacto
das interfaces entre os eléctrodos e as chapas (Rc1 e Rs3 - Figura 21) deveria ser a menor possível.
Além de provocar desgaste aos eléctrodos o calor produzido por estas resistências de contacto irá
danificar as chapas junto dos eléctrodos, provocando o aspecto “queimado” da soldadura.
Optimizando o contacto entre os eléctrodos e as chapas, reduz-se o valor destas resistências.
Resis
tivid
ade (
Ω.m
)
Temperatura (K)
19
Figura 23 – Evolução gráfica das diferentes resistências ao longo do ciclo de soldadura [5].
Até agora tem-se partido da premissa que o valor das resistências é simétrico em relação ao plano de
soldadura, mas quando se está perante situações que envolvam chapas com espessuras e/ou
materiais diferentes, deve-se garantir que o centro de calor se situa entre as chapas a soldar. O novo
equilíbrio térmico pode ser conseguido variando o valor das resistências referidas, através da forma e
materiais dos eléctrodos e da pressão aplicada durante a soldadura [5].
II.4.1.2 Corrente eléctrica
Praticamente todas as redes domésticas e indústrias utilizam redes eléctricas com corrente alterna. A
fácil aplicação de transformadores permite o transporte da corrente com elevado rendimento. Na
Europa as redes de baixa tensão são trifásicas, três condutores mais o neutro, com uma tensão entre
fases de 380V para aplicações industriais e de 220V para aplicações domésticas e iluminação com
uma frequência de 50Hz.
O uso deste tipo de corrente na soldadura por resistência tem vantagens, uma vez que é fácil e
económica, contudo apresenta problemas com grandes potências. Em soldaduras realizadas com
tempos muito curtos, o caso do alumínio, ocorrem elevadas variações de intensidade na corrente.
O objectivo da utilização da corrente eléctrica nesta soldadura é, segundo a Lei de Joule, introduzir
calor de modo a alcançar a temperatura de fusão do material e promover o posterior forjamento da
zona do nugget na fase de arrefecimento. Portanto, como parâmetro de soldadura utiliza-se a
intensidade de corrente [A] ou a densidade de corrente [A/mm2] [5].
A corrente de soldadura atravessa o circuito formado pelo secundário do transformador, os
condutores, os eléctrodos e as peças a soldar aquecendo-as à temperatura desejada. Os
equipamentos de soldadura por projecção, as chamadas “prensas de soldadura por resistência”
podem produzir correntes muito variáveis chegando a atingir os 100 kA.
Em soldadura por resistência é por vezes difícil de conhecer com exactidão a corrente de soldadura,
não podendo os equipamentos ser regulados directamente como as fontes de corrente utilizadas em
20
soldadura por arco eléctrico. Estas têm uma característica particular que é o facto de a corrente variar
pouco com tensão do arco. Esta característica é normalmente obtida juntando ao transformador um
shunt magnético o qual separa o primário do secundário. Como se sabe o órgão de regulação do
shunt é regulado directamente em corrente eléctrica.
Procura-se sempre construir transformadores que tenham uma baixa impedância interna, não
existindo um shunt magnético entre o primário e o secundário. Assim pode-se dizer que a corrente do
secundário (I2) depende unicamente da impedância total (Z2) do circuito secundário e da tensão
secundária em vazio (V20) do transformador [14].
(3)
Por vezes devido a um excesso de corrente utilizada, ou por um tempo de soldadura demasiado
longo, ocorre fusão fora da zona pretendida, normalmente na zona entre o eléctrodo e as chapas.
Dado o forte campo magnético que se forma entre os eléctrodos o material fundido é expelido dando
origem a projecções metálicas (faíscas), o que além do risco de segurança para o operador acarreta
danos aos eléctrodos e na qualidade da soldadura (soldadura queimada).
II.4.1.3 Pressão
O efeito da pressão aplicada no processo de soldadura por resistência deve ser cuidadosamente
considerado. A continuidade do meio é garantida pela pressão exercida pelo que esta deverá ser
suficientemente elevada para que o encosto entre as peças a soldar e os eléctrodos seja perfeito.
A força de aperto tem as seguintes funções:
Encostar as peças a soldar;
Manter fechado o cadinho plástico bem como opor-se à deformação resultante da dilatação
de material que ocorre na passagem do estado sólido ao estado liquido;
Fechar o circuito eléctrico e manter constante a resistência de contacto entre os materiais a
soldar;
Após o corte da corrente, forjar o material durante o seu arrefecimento.
O metal em fusão é contido no nugget por uma zona de material deformada plasticamente formando
um “cadinho plástico”. A deformação plástica deve-se a dois factores: ao aumento de volume da zona
em fusão e à propagação de calor pelo material junto da zona fundida.
A zona adjacente ao nugget está sujeita a temperaturas elevadas, ≥ 0,5 Thomóloga, o que reduz a
resistência mecânica do material facilitando o forjamento.
Figura 24 – Formação do nugget, com evidência do cadinho plástico [14].
21
Embora a pressão não influencie directamente a produção de calor responsável pela formação da
soldadura, esta desempenha um papel fundamental na quantidade de calor produzido por efeito de
Joule.
Figura 25 – Variação da resistência eléctrica à passagem da corrente em função da força de aperto [14].
Tal como indicado na equação 2, a resistência de contacto diminui quando a força de aperto dos
materiais a soldar aumenta (Figura 25) pelo que em termos práticos se substitui o parâmetro
resistência de contacto pelo parâmetro “Força exercida pelo eléctrodo” ou “Força de aperto”.
No arrefecimento a manutenção da pressão aplicada aumenta a velocidade de arrefecimento
provocando o afinamento de grão do material fundido.
II.4.1.4 Tempo de soldadura
O tempo necessário de passagem de corrente depende de vários factores, nomeadamente, do tipo
de materiais a soldar, da sua espessura, do acabamento superficial e da força de aperto. Este
parâmetro é medido em milisegundos (ms) ou em ciclos, sendo 1 ciclo igual a
.
Consoante o tipo de equipamento a utilizar, o tempo de passagem da corrente pode ser regulado pelo
operador ou por temporizador incorporado no equipamento. Em determinados equipamentos as
quedas de tensão podem também ser compensadas por variações no tempo de soldadura [14].
A soldadura divide-se em quatro momentos distintos:
Squeeze - este é o tempo necessário para atingir e estabilizar a pressão de soldadura pela
máquina e estabilizar as deformações nos materiais;
Weld - é o tempo em que existe passagem de corrente eléctrica entre as chapas e
consequente geração de calor;
Hold - é o tempo necessário para o arrefecimento da zona da soldadura e solidificação dos
materiais e consequente forjamento da zona fundida. Durante este momento os eléctrodos
continuam em contacto com as peças de modo a facilitar o arrefecimento.
Off - é o tempo após retirar o eléctrodo, onde o arrefecimento da peça e do próprio eléctrodo
ocorre separadamente. Este momento é mais utilizado na variante automatizada por pontos,
que consiste no tempo de operação entre os diversos robots da linha de produção.
22
Figura 26 – Evolução gráfica da corrente eléctrica e da força de contacto durante os quatro momentos da soldadura.
II.4.2 VANTAGENS E PARTICULARIDADES DESTA VARIANTE DO PROCESSO DE SOLDADURA POR
RESISTÊNCIA
Na variante de projecção o local onde o nugget se desenvolve é determinado por uma indentação
produzida artificialmente na chapa superior designada por bossa. Nesta variante o ponto de ligação é
então determinado pela posição destas bossas nas chapas e não como na variante por pontos pela
posição dos eléctrodos.
II.4.2.1 Consumo de cobre
Quando comparado com a variante por pontos o processo de soldadura por resistência na variante de
projecção apresenta taxas de desgaste dos eléctrodos inferiores. Sendo as gamas de intensidade de
corrente semelhantes, na variante de projecção a superfície de contacto do eléctrodo com a chapa é
muito superior, o que implica temperaturas de trabalho mais baixas nos eléctrodos.
O custo e a implementação em funcionamento do par peça/eléctrodo acarreta maiores custos
inicialmente, mas os custos de manutenção inferiores e o tempo de vida dos eléctrodos
substancialmente superior, tornam-se uma vantagem da variante por projecção [5].
II.4.2.2 Realização simultânea de várias soldaduras
Com esta variante é possível a realização de vários pontos de soldadura tendo apenas como limite a
capacidade da máquina utilizada. Teoricamente todos os pontos seriam realizados com os mesmos
valores de pressão e densidade de corrente.
A distância entre pontos é menor, pois a soldadura realiza-se simultaneamente eliminando as
correntes de fuga que se formam quando comparado com a variante por pontos. O facto de se obter
um maior número de soldaduras na mesma peça permite valores de resistências mecânicas
superiores [5].
23
II.4.2.3 Qualidade e precisão da soldadura
Ao colocar na máquina de soldadura, as peças são orientadas até à sua posição, garantindo uma
elevada estabilidade dimensional.
Quando devidamente optimizados os parâmetros deste processo é possível eliminar correntes de
fuga, pontos quentes na superfície das peças e outros defeitos, obtendo soldaduras com elevada
qualidade sem depender do operador [5].
II.4.2.4 Aplicabilidade do processo
Com peças devidamente projectadas para serem soldadas nesta variante, apresenta diversas
vantagens, algumas já referenciadas, quando comparada com a variante por pontos, por exemplo
peças de geometrias complexas com difícil acesso para os eléctrodos individuais.
Tem como principal aplicação peças de grandes dimensões ou com elevados pontos de ligação, esta
variante permite soldar chapas lisas ou rugosas, materiais sinterizados, peças com diferentes
composições, aço/latão ou outros bronzes (excepto cobre) e é raramente utilizada para a soldadura
de alumínios, dada as características da camada superficial de alumina que cobre este metal.
Esta variante é bastante adequada para a soldadura de aços com revestimentos (galvanizados,
alumizados, etc.), necessitando apenas de especial cuidado com a pressão de soldadura aplicada de
modo a evitar a deformação da bossa antes da formação do nugget e subsequente má ligação [5].
II.4.3 SOLDABILIDADE DE AÇOS COM REVESTIMENTOS DE ZINCO
A soldabilidade de um metal (para o processo de soldadura por resistência) é controlada por três
factores:
Resistividade eléctrica;
Condutividade térmica;
Temperatura de fusão.
Os metais com elevada resistividade eléctrica, com baixa condutividade térmica e uma temperatura
de fusão relativamente baixa são todos facilmente soldáveis (exemplo: materiais ferrosos). Os metais
que apresentam baixas resistividades eléctricas e elevadas condutividades térmicas serão mais
difíceis de soldar (como é o caso das ligas de magnésio). Estas três propriedades podem ser
combinadas numa expressão empírica que indicia a soldabilidade, W, de um metal pelo processo de
soldadura por resistência:
(4)
em que: W – Índice de soldabilidade;
ρ – resistividade eléctrica [ .cm];
Tf – temperatura de fusão [°C];
Krel – condutividade térmica relativamente ao cobre [KCu=49.8w/(m.K)].
24
Se o índice de soldabilidade for inferior a 0,25 a dificuldade em obter ligações de qualidade é
bastante elevada, caso o W se situe entre 0,26 e 0,75 a dificuldade é média. Entre 0,75 e 2 a
soldabilidade é boa e para valores de W superiores a 2 é excelente. Utilizando esta expressão
empírica, o aço carbono comum teria W =10, para aço inoxidável o valor do índice de soldabilidade é
superior a 35 e o alumínio apresenta valores entre 0,75 e 2, dependendo da liga em questão. Para
ligas de cobre este índice é muito baixo [15].
O objectivo a atingir é a produção de soldaduras de elevada qualidade com custo de produção
reduzido mantendo as funções do revestimento superficial nas zonas soldadas. Para tal são
efectuados ajustes aos parâmetros de soldadura tendo em conta os efeitos do revestimento na:
resistência de contacto; na miscibilidade do revestimento com o metal base na zona do cadinho
plástico; contaminação dos eléctrodos, etc.
Na soldadura de chapas galvanizadas pode ser complicado obter nuggets com percentagens
satisfatórias de material fundido de ambas as chapas, embora a soldadura possa parecer perfeita. Os
problemas que surgem na soldadura de chapas com revestimentos derivam do facto de se inserir na
zona de contacto um outro metal que possui resistividades eléctricas e pontos de fusão distintos.
Zinco Aços Carbono
Propriedades térmicas
Temperatura de fusão [°C] 418 ± 5% 1530 ± 5%
Temperatura de ebulição [°C] 918 ± 5% 2450 ± 5%
Propriedades eléctricas
Resistividade eléctrica [µΩ.m] 0.059 ± 10% 0.11 – 0.16 ± 10%
Tabela 3 – Propriedades térmicas e eléctricas dos materiais utilizados na soldadura [5].
Caso os parâmetros de pressão, intensidade de corrente e tempo utilizados não sejam os adequados
é possível que durante a soldadura ocorra apenas a fusão das camadas superficiais dando lugar a
uma ligação “colada”, ou seja, de baixa resistência mecânica.
Com o aumento da temperatura na interface entre as bossas e a chapa inferior e caso a pressão de
soldadura aplicada não for a suficiente para quebrar o revestimento superficial de zinco, ocorre a
fusão da camada de zinco dando lugar a uma ligação colada. Este defeito de soldadura surge devido
a dois factores relacionados com o revestimento:
Resistividade eléctrica do zinco é menor (Tabela 3). A corrente é desviada do trajecto previsto
percorrendo o material que oferece menor resistência à sua passagem, neste caso será o
revestimento. Sem atravessar as duas chapas de aço a corrente não produz a energia
necessária para a produção do nugget no local estabelecido;
Temperatura de fusão do zinco é substancialmente menor (Tabela 3). Embora não se atinja a
temperatura de fusão de aço, a passagem de corrente através do revestimento produz
energia suficiente para fundir o zinco. A ligação formada entre os revestimentos das duas
chapas dá origem a uma soldadura fraca.
25
Figura 27 – Ligação “colada”, defeito comum na soldadura de chapas galvanizadas [5].
Outro dos problemas da soldadura de peças com revestimentos metálicos é a contaminação dos
eléctrodos de cobre. No decorrer da soldadura atingem-se temperaturas superiores à temperatura de
fusão do aço, o que significa que na zona do nugget já se atingiu a temperatura de ebulição do zinco
(Tabela 3). A difusão de átomos de zinco nos eléctrodos irá promover a formação de uma liga de
latão (Cu + Zn) à superfície, o que irá alterar as propriedades dos eléctrodos, nomeadamente a
resistividade eléctrica e as propriedades mecânicas.
De modo a reduzir a deterioração dos eléctrodos por contaminação, deverá dificultar-se a difusão do
zinco, ou seja, diminuir a temperatura no eléctrodo. O que pode ser assegurado com uma
refrigeração adequada dos eléctrodos e utilizar pressões elevadas para reduzir a resistência de
contacto e reduzir a energia dissipada nessa zona e de tempos de soldadura o mais curtos possível,
de modo a diminuir a taxa de difusão do zinco para os eléctrodos.
II.5 SORPAS®
O SORPAS® (Simulation and Optimization of Resistance Projection And Spot welding processes) é
um software especializado em soldadura por resistência. Tem sido utilizado directamente na indústria
automóvel, metalúrgica, electrónica, na produção de equipamentos de soldadura e outras indústrias
metalúrgicas de transformação.
É utilizado na indústria para avaliar a soldabilidade de materiais, estudar novos designs e novas
selecções de eléctrodos, bem como para optimizar os parâmetros de controlo do processo. Com a
ajuda de funções para determinar algumas propriedades das zonas soldadas após a soldadura, este
software tem sido utilizado também na área da Qualidade.
O SORPAS® parte de uma plataforma simples e intuitiva permitindo a sua aplicação directamente na
indústria. Este software foi desenvolvido com base no método de elementos finitos (MEF) e na
experiência adquirida pela Engenharia de soldadura. As principais características deste programa
podem ser resumidas da seguinte forma:
Profissional, validado e especializado em soldadura por resistência;
Objectivo, criado especificamente para aplicações industriais;
Simples, desenvolvido por engenheiros para uso directo na indústria [16].
26
II.5.1 MÉTODO DE ELEMENTOS FINITOS
No SORPAS® todas as simulações numéricas são efectuadas através do método de elementos
finitos (MEF). O MEF é um método numérico com uma vasta gama de aplicações em engenharia, que
aborda um problema complexo dividindo-o num número de elementos mais simples. Quando o
problema é resolvido num elemento, a solução para o problema inteiro pode ser obtida pela
integração das soluções de todos os elementos que o compõem. Devido a este procedimento o MEF
pode ser utilizado para resolver quase todos os problemas de engenharia envolvendo geometrias
complexas e diversas combinações de materiais.
Após anos de pesquisa e desenvolvimento, tendo em vista as aplicações industriais, todos os
procedimentos numéricos foram desenvolvidos e automatizados dentro do software de modo a que
os utilizadores não necessitem de conhecimento prévio do MEF para funcionar com o SORPAS®.
Embora um conhecimento básico prévio do MEF facilite a compreensão do software produzindo
simulações mais coerentes.
De seguida serão apresentados dois conceitos relacionados com o MEF que têm bastante influência
nas simulações [16].
II.5.1.1 Densidade da malha
A densidade da malha, ou o tamanho dos diferentes elementos, tem uma contribuição essencial na
precisão dos cálculos do MEF no que respeita à distribuição das variáveis na geometria do problema
ou nos materiais.
O procedimento de dividir o domínio do problema (geometria e materiais) em vários elementos
menores é denominado por geração de malha. No SORPAS® são utilizados elementos quadriláteros.
Os cálculos do MEF são baseados nos valores das variáveis nos pontos nodais e nas interpolações
entre os pontos nodais dentro dos elementos. Quantos mais pontos nodais, ou seja, quanto mais
divididos os elementos, mais precisos são os resultados da distribuição geométrica das variáveis,
contudo, apesar de melhorar a precisão dos resultados em determinadas zonas, irá aumentar
igualmente o número de cálculos a efectuar e consequentemente o tempo da simulação. Um modo
de aumentar a eficiência da simulação é regular o número de elementos de acordo com as
características da zona em análise, ou seja, em zonas com gradientes elevados, aumentar
efectivamente o número de elementos, e em zonas com menos variações diminui-lo, mantendo assim
um número total razoável. Este software permite aos utilizadores definir onde introduzir novos
elementos e a densidade destes, bem como o número total de elementos [16].
II.5.1.2 “Time step”
De modo a calcular as variações dinâmicas e não lineares, o tempo do processo de soldadura é
dividido em pequenos intervalos durante a simulação. Os cálculos realizados pelo MEF serão
efectuados sequencialmente de modo a simular as variações dinâmicas de acordo com o momento
da soldadura que está a ocorrer (squeeze, weld, hold ou off). No SORPAS® é possível modificar os
intervalos de tempo utilizados em cada fase individualmente, bem como suprimir alguns.
27
Tal como a densidade da malha, os intervalos de tempo têm uma grande influência na precisão das
simulações do MEF. Quanto menor for o intervalo de tempo em que se divide a análise, maior será a
precisão dos resultados obtidos para as variações dinâmicas que ocorrem durante o ciclo de
soldadura. Mas ao aumentar o número de intervalos vamos aumentar o número de cálculos a
efectuar, aumentando necessariamente o tempo total da simulação [16].
II.5.2 SIMULAÇÕES NO SORPAS®
No SORPAS® as simulações são um processo de soldadura por resistência virtual. A única diferença
para com o processo de soldadura real é que no software todo o processo, desde o design dos
componentes até à soldadura ocorre num computador sem o recurso a materiais reais, o que permite
aos utilizadores avaliar a soldabilidade e eficácia dos materiais, dos componentes e optimizar os
parâmetros do controlo do processo, antes de efectuar testes reais.
O procedimento da simulação pode ser dividido em três etapas:
Preparação dos dados – são definidos os materiais e geometrias dos eléctrodos e das
chapas a soldar, o tipo de máquina utilizada e os parâmetros de controlo do processo;
Simulação – as chapas são soldadas de acordo com os dados inseridos anteriormente.
Podem-se efectuar três tipos de simulações: simulação simples, simulações em conjunto e
optimizações automáticas;
Avaliação dos resultados – podem-se avaliar os resultados através dos: gráficos dos
parâmetros de controlo, animações do desenvolvimento do nugget de soldadura, distribuições
de temperaturas nos materiais, etc.
Os dados de cada simulação serão gravados de acordo com o especificado na etapa de preparação
[16].
II.5.3 APLICAÇÕES DO SOFTWARE
Ao permitir testar e optimizar os parâmetros de controlo do processo de soldadura, o design dos
componentes e a soldabilidade dos materiais sem realizar testes reais, é possível reduzir custos e
tempo no desenvolvimento de novas soluções. São apresentadas, de seguida, algumas aplicações
deste software:
Avaliação da soldabilidade de novos materiais e designs;
Optimização dos parâmetros de controlo do processo de soldadura;
Previsão da qualidade do ponto de soldadura e propriedades metalúrgicas na ZAC;
Manutenção de equipamentos;
Formação [16].
Este software será utilizado no trabalho com o âmbito de avaliar a soldabilidade de um novo design
dos eléctrodos para o processo de soldadura por resistência na variante de projecção, e dos
componentes a soldar.
28
III. CARACTERIZAÇÃO DOS NOVOS MATERIAIS A INTRODUZIR NA CONSTRUÇÃO
DE CHASSIS DE FORNOS MICROONDAS
III.1 NOTA INTRODUTÓRIA
A apresentação dos diversos resultados da caracterização metalográfica e das respectivas
propriedades mecânicas e eléctricas será dividida nos vários ensaios realizados. O grupo de
materiais fornecido pela Gonvarri tinha a seguinte constituição:
Designação IST
Galvanizado 1 Chapa 1
Galvanizado 2 Chapa 2
Aluminizado 1 Chapa 3
Aluminizado 2 Chapa 4
Electrozincado Chapa 5
Designação Gonvarri
7094263 XSG 10/10
6247478 DX 51D+Z200
5744503 DX 51D+S120
7265090 DX 51D+S120
7381831 DC 01 ZE 25/25
Revestimento Superficial
Galvanizado Galvanizado Aluminizado Aluminizado Electrozincado
Espessura [mm]
0.6 0.6 0.5 0.5 0.8
Tabela 4 – Identificação e nomenclatura atribuída ao grupo de materiais fornecido pela Gonvarri-Portugal.
As condições técnicas normalizadas previstas para estes aços são descritas pela norma portuguesa
NP 10152 e pela norma europeia EN 10327. Segundo estas, as composições e características
mecânicas expectáveis dos materiais encontram-se na Tabela 5.
Material Norma Composição Química Propriedades Mecânicas
C Si Mn P S Ti σ0,2 [MPa] σMáx. [MPa] Amin [%]
XSG - - - - - - - - - -
DX 51 EN10327:2004 0.12 0.5 0.6 0.1 0.045 0.3 - 270/500 22
DC 01 EN10152:1998 0.12 - 0.6 0.045 0.045 - 140/280 270/410 28
Tabela 5 - Composição química e propriedades mecânicas expectáveis segundo as normas, do grupo de materiais fornecido pela Gonvarri-Portugal.
III.2 CARACTERIZAÇÃO METALOGRÁFICA
III.2.1 MORFOLOGIA SUPERFICIAL POR SEM E COMPOSIÇÃO QUÍMICA VIA EDS
O microscópio electrónico de varrimento (SEM) produz imagens de alta ampliação (até 300000x) e
resolução. As imagens fornecidas possuem um carácter virtual, uma vez que o que é visualizado no
monitor do aparelho é a transcodificação da energia dos electrões. O meio de transporte da
informação é determinante na ampliação e resolução que se pretende, na Figura 28 é representado
uma comparação da resolução (ρ) entre o microscópio óptico e o electrónico.
29
Figura 28 - Comparação da resolução entre o microscópio óptico e o electrónico [17].
O princípio de funcionamento do SEM consiste na emissão de um feixe de electrões por um filamento
capilar de tungsténio (eléctrodo negativo), mediante a aplicação de uma diferença de potencial entre
o filamento e a amostra (eléctrodo positivo), que pode variar de 0,5 a 30 kV.
Variando a diferença de potencial altera-se a velocidade/energia com que os electrões embatem na
amostra. A correcção do percurso do feixe de electrões é realizada por lentes electromagnéticas
condensadoras que alinham o feixe em direcção à abertura da objectiva. A objectiva ajusta o foco do
feixe de electrões antes de estes atingirem a amostra a analisar.
Da interacção entre a amostra e o feixe de electrões resultam três tipos de sinais:
Electrões secundários, este tipo de sinal produz contraste topográfico. Como este tipo de
electrões provem da superfície da amostra, nas elevações a libertação de electrões é em
maior número dando origem a zonas mais claras enquanto depressões (menos electrões
secundários) são zonas mais escuras;
Electrões retrodifundidos, dão origem a informação qualitativa acerca dos elementos que
compõem a amostra (contraste químico: zonas claras elementos com número atómico alto,
zonas escuras com número atómico baixo);
Raios-X característicos, são fotões que resultam de transições electrónicas específicas de
cada elemento, fornecendo informação quantitativa acerca da composição química da
amostra. Este tipo de sinal pode ser captado por duas técnicas, WDS (Wavelenght Dispersive
Spectroscopy) e EDS (Energy Dispersive Spectroscopy).
O EDS é um acessório essencial na caracterização microscópica dos materiais. Quando o feixe de
electrões incide sobre a amostra, os electrões mais externos dos átomos e iões constituintes são
excitados, mudando de níveis energéticos. Ao retornarem para sua posição inicial libertam a energia
adquirida, a qual é característica do elemento e da transição, sob a forma de fotões.
Um detector instalado na câmara de vácuo do SEM mede a energia associada a esse fotão. Como os
fotões libertados de um determinado átomo possuem energias distintas, é possível, no ponto de
incidência do feixe, determinar quais os elementos químicos estão presentes naquele local e assim
identificar em pouco tempo que elemento está presente na amostra.
O diâmetro reduzido do feixe de electrões permite a determinação da composição em amostras de
tamanhos muito reduzidos permitindo uma análise química quase que pontual.
30
- RESULTADOS OBTIDOS
O equipamento de microscopia electrónica de varrimento utilizado foi um SEM de emissão de campo
térmico da marca: JEOL, de modelo: JSM-7001F, que produz imagens de alta ampliação (até
300.000 X) e com uma resolução de 1.4nm.
Figura 29 – Microscópio FEG-SEM: JEOL 7001F com Oxford EDS detector e EBSD, utilizado nos ensaios realizados.
Foram retiradas imagens da superfície de cada uma das 5 chapas sendo bem visível a diferença na
topologia decorrente do tipo de revestimento utilizado. Desde o início que a análise morfológica
destacou a existência de cavidades na camada de revestimento superficial, que implicaram a análise
da composição química via EDS no interior das cavidades e nas zonas mais exteriores da camada de
revestimento superficial.
Chapa 1 – Galvanizado 1 Chapa 2 – Galvanizado 2
Chapa 3 – Aluminizado 1 Chapa 4 – Aluminizado 2 Chapa 5 - Electrozincado
Figura 30 – Imagens da topografia das amostras obtido por SEM.
31
As composições químicas obtidas através da análise EDS são apresentadas em seguida.
Figura 31 - Zonas onde foram realizadas a análises por EDS na chapa 1, galvanizado 1.
Galvanizado 1
Cavidade [%pond.] Superfície [%pond.]
Elemento C O Al Zn Elemento C O Al Zn
Composição 23.50 1.48 0.67 74.35 Composição 14.12 1.25 0.55 84.09
Tabela 6 – Composição química obtida via EDS para a chapa 1, galvanizado 1.
Figura 32 - Zonas onde foram realizadas as análises por EDS na chapa 2, galvanizado 2.
Galvanizado 2
Cavidade [%pond.] Superfície [%pond.]
Elemento C O Al Cr Fe Zn Elemento C O Al Fe Zn
Composição 9.40 4.65 0.67 0.63 0.58 84.07 Composição 13.32 0.93 0.38 0.17 85.21
Tabela 7 – Composição química obtida via EDS para a chapa 2, galvanizado 2.
32
Figura 33 - Zonas onde foram realizadas as análises por EDS na chapa 3, aluminizado 1.
Aluminizado 1
Cavidade [%pond.] Superfície [%pond.]
Elemento C O Al Si Cr Elemento C O Al Si
Composição 17.92 12.09 59.75 8.79 1.45 Composição 16.55 3.79 56.53 23.13
Tabela 8 – Composição química obtida via EDS para a chapa 3, aluminizado 1.
Figura 34 - Zonas onde foram realizadas as análises por EDS na chapa 4, aluminizado 2.
Aluminizado 2
Cavidade [%pond.] Superfície [%pond.]
Elemento C O Al Si Cr Elemento C O Al Si
Composição 32.83 5.10 60.69 1.00 0.38 Composição 26.92 1.15 70.85 1.08
Tabela 9 – Composição química obtida via EDS para a chapa 4, aluminizado 2.
33
Figura 35 - Zonas onde foram realizadas as análises por EDS na chapa 5, electrozincado.
Electrozincado
Cavidade [%pond.] Superfície [%pond.]
Elemento C O P Fe Zn Elemento C O P Fe Zn
Composição 4.26 24.48 7.89 3.68 59.69 Composição 11.15 17.28 6.33 4.44 60.80
Tabela 10 – Composição química obtida via EDS para a chapa 5, electrozincado.
- ANÁLISE DE RESULTADOS
Da caracterização morfológica realizada à superfície dos diversos materiais via SEM é possível
concluir que existem nas chapas electrozincadas cavidades de dimensões relevantes resultantes da
forma como o revestimento “por agulhas” se orienta localmente. Nos revestimentos galvanizados a
dimensão das cavidades é relativamente menor do que nas electrozincadas e tem uma aparência
ondulada característica do banho em que é formada. No caso dos revestimentos aluminizados apesar
de mais uniforme do que os restantes revestimentos analisados existem pequenos poros
relativamente profundos.
Da análise química via EDS das superfícies e cavidades é possível observar maior quantidade de Zn
nos revestimentos galvanizados, relativamente aos electrozincados e que, tipicamente, o nível de Fe
aumenta e o Zn diminui nas cavidades. Também merece relevo a existência de vestígios de
elementos químicos (estranhos à composição do aço e do revestimento) que possivelmente são
resíduos de produtos do processo de limpeza, realizado na preparação da aplicação do revestimento
superficial.
III.2.2 ENSAIOS DE DUREZA E MICRODUREZA
A dureza é a propriedade característica dos materiais no estado sólido, que expressa a resistência a
deformações permanentes e está directamente relacionada com a força de ligação entre os átomos.
Este tipo de ensaios mecânicos é realizado com grande frequência devido aos seguintes factores:
Simplicidade e baixo custo – não é necessária a preparação de outro material e o
equipamento é relativamente pouco dispendioso;
34
Ensaios não destrutivos – o material não é fracturado ou excessivamente deformado, sendo
apenas efectuada uma pequena impressão;
Outras propriedades mecânicas podem ser obtidas através dos ensaios de dureza, como a
tensão limite de elasticidade (Lei de Tabor).
O ensaio de dureza realizado foi o ensaio Vickers, que se caracteriza por um identador de base
piramidal com um ângulo de 136º entre as faces opostas. Os ensaios foram realizados num
equipamento Struers Duramin ½, cuja capacidade de medição é de 250µm para uma ampliação de
40x, e respectiva resolução de 0.01 µm.
Figura 36 – Equipamento utilizado e esquema do respectivo identador (pirâmide de diamante com um ângulo de 136° entre as fases opostas).
O objectivo final destes ensaios é obter uma relação entre a força aplicada e a área impressa no
material, estes valores são obtidos através da medição da diagonal para o ensaio Vickers.
Obviamente, quanto menor for a identação maior será a dureza do material.
- RESULTADOS OBTIDOS
Foram realizados dois tipos de ensaios, um ensaio de dureza HV1, ao qual corresponde uma força
aplicada de 9,807N e um ensaio de microdureza, HV03, de 2,942N. O tempo de identação foi igual
tanto num ensaio com no outro, mais concretamente 15s.
Figura 37 – Gráfico comparativo dos valores médios das durezas e microdurezas bem como os respectivos desvios
padrões dos materiais ensaiados.
83.3 86.2100.8
201.0
106.1
0,0
50,0
100,0
150,0
200,0
250,0
Dureza [HV1]
Valor médio
73.6 78.7100.4
125.3 117.9
0,0
20,0
40,0
60,0
80,0
100,0
120,0
140,0
160,0
Dureza [HV03]
Valor médio
35
- ANÁLISE DE RESULTADOS
O nível de dureza Vickers pode ser estabelecido hierarquicamente para os três tipos de revestimento
da seguinte forma: a dureza obtida para o aço galvanizado é inferior à dos revestimentos
electrozincado e aluminizado, enquanto estes alternam entre si os valores mais altos.
III.2.3 MEDIÇÃO DA ESPESSURA DOS REVESTIMENTOS
A espessura dos revestimentos é uma condição importante tendo em conta a aplicação em vista para
estes materiais. Assim, após a recepção das chapas, foi-se verificar se os valores das espessuras
das chapas recebidas correspondiam aos valores mencionados nas respectivas normas de condições
técnicas de fornecimento deste tipo de materiais.
- RESULTADOS OBTIDOS
Para a realização deste ensaio utilizou-se um medidor de espessura, Elcometer 355, com uma
capacidade de resolução dos 0 aos 1500mm. A sua precisão é distinta consoante a gama de leitura,
assim entre:
Espessura do
revestimento [mm] Precisão [mm]
0 - 200 0.1
200 – 500 0.5
500 - 1500 1.0
Figura 38 – Equipamento utilizado na medição de espessuras dos revestimentos e gama de precisão.
Os valores obtidos neste ensaio são resultado do tratamento estatístico da medição nove vezes
consecutivas dos valores da espessura do revestimento.
Normas: *EN 10327:2004; **EN 10142; ***EN 10154;
****EN 10152:1998
Ensaio (Número de Medições = 9)
Média [µm]
Desvio Padrão [µm]
Valor Expectável [µm]
Intervalo Admissível [µm]
Chapa 1 10.5 3 7* [5;12] *
Chapa 2 10.9 1 - [13;14] **
Chapa 3 21.4 4.9 - [19;20] ***
Chapa 4 18.2 3.4 - [19;20] ***
Chapa 5 2.5 0.3 2.5 **** -
Tabela 11 – Valores da espessura do revestimento obtido para todas as amostras.
36
- ANÁLISE DE RESULTADOS
Existem algumas discrepâncias entre as espessuras das camadas de revestimento do grupo de
materiais e o valor admissível, onde a maior ocorre no caso da chapa 2 com uma espessura cerca de
2 µm inferior ao mínimo especificado em norma. De uma forma geral a espessura da camada de
revestimento do aço aluminizado ( 20 µm) é maior que a espessura do aço galvanizado ( 10 µm) que
se apresenta superior a espessura do aço electrozincado ( 2.5 µm).
III.3 ENSAIO DE RESISTÊNCIA MECÂNICA
Num ensaio de tracção uniaxial é possível retirar informação sobre: módulo de elasticidade,
resiliência, tenacidade, tensão limite de elasticidade, tensão máxima, coeficiente de estricção, tensão
de fractura e extensões correspondentes.
Geralmente, o ensaio é realizado num provete de formas e dimensões padronizadas, para que os
resultados obtidos possam ser comparados/reproduzidos. O provete é colocado numa máquina de
ensaios que com velocidade de deformação constante aplica força na sua direcção axial, sendo
medidas as deformações correspondentes. Normalmente, o ensaio ocorre até a fractura do material.
Os pares de valor (deformação, força), obtidos no decorrer dos ensaios de tracção realizados, foram
tratados de forma adequada, para se poderem estabelecer as curvas de Tensão nominal (S) versus
Extensão nominal (e), e posteriormente transformados nas curvas de Tensão verdadeira (σ) versus
Extensão verdadeira (ε), com base nas relações estabelecidas em seguida:
1
1lnln1
00
0
0
00
0
eSlA
lF
A
F
el
l
l
dld
A
Fs
l
l
l
lle
(5)
Existem vantagens na utilização das tensões/extensões verdadeiras em detrimento das
tensões/extensões nominais:
As extensões verdadeiras são aditivas, enquanto as extensões nominais não o são;
A curva tensão verdadeira/extensão verdadeira é idêntica em tracção e em compressão;
A condição de incompressibilidade, característica da deformação plástica dos materiais
metálicos, pode escrever-se em termos do somatório das extensões verdadeiras,
0321
.
- RESULTADOS OBTIDOS
A partir das curvas de Tensão verdadeira (σ) versus Extensão verdadeira (ε), foram obtidos os
valores de tensão máxima, tensão limite de elasticidade e tenacidade na direcção de laminagem e na
direcção perpendicular a esta.
Para uma boa estimativa da tensão limite de elasticidade e do valor da tenacidade, as curvas Tensão
verdadeira (σ) versus Extensão verdadeira (ε), foram separadas nas suas componentes elástica e
37
plástica, tendo então cada uma destas componentes, sido aproximada pelas leis de Hooke e de
Ludwik, respectivamente.
Figura 39 - Pormenor do extensómetro da máquina de ensaios de tracção.
Procede-se de seguida a uma análise comparativa para os dois grupos de materiais fornecidos pela
Gonvarri.
Figura 40 – Valores comparativos da tensão limite de elasticidade.
70.76
342.04391.98 389.96
178.85162.7
383.9 392.5 388.1
183.6
0
100
200
300
400
500
Galvanizado 1 Galvanizado 2 Aluminizado 1 Aluminizado 2 Electrozincado
Tensão Limite de Elasticidade [MPa]
Direcção de Laminagem Perpendicular à Direcção de Laminagem
38
Figura 41 - Valores comparativos da tensão máxima.
Figura 42 - Valores comparativos da tenacidade.
- ANÁLISE DE RESULTADOS
Através dos resultados dos ensaios de tracção podemos constatar que o comportamento dos aços
aluminizados é diferente do comportamento dos aços revestidos com Zn. Nos gráficos da tensão
limite de elasticidade, é possível observar valores mais elevados na direcção perpendicular a
direcção de laminagem do que na direcção de laminagem. No que respeita a tensão máxima, o
material que apresenta o valor mais alto é o aço aluminizado. Os revestidos a zinco, não atingem
valores de tensão máxima tão elevados. Os valores de tenacidade apresentados pelos diferentes
materiais são muito próximos, no entanto o aço aluminizado apresenta valores mais baixos quando
comparado com os outros materiais. Os aços revestidos com zinco apresentam um comportamento
muito semelhante, com excepção da chapa 2, cuja resistência mecânica apresenta valores bem
próximos dos aluminizados.
295.5
493.3 508.7 511.1419.9413.1 483.6 514.3 505.4
421.8
0
100
200
300
400
500
600
Galvanizado 1 Galvanizado 2 Aluminizado 1 Aluminizado 2 Electrozincado
Tensão Máxima [MPa]
Direcção de Laminagem Perpendicular à Direcção de Laminagem
85.3 83.4 76.9 85.5116.3120.1 110.2
82.5 73.3
122.0
0
20
40
60
80
100
120
140
Galvanizado 1 Galvanizado 2 Aluminizado 1 Aluminizado 2 Electrozincado
Tenacidade [J/mm3]
Direcção de Laminagem Perpendicular à Direcção de Laminagem
39
III.4 ENSAIO DE RESISTÊNCIA ELÉCTRICA DE CONTACTO
O aparelho de medição da resistência eléctrica de contacto funciona pelo método de Kelvin (alteração
à ponte de Wheatstone para medição de resistências de baixo valor). Este equipamento deve
trabalhar dentro da gama de temperatura entre os 0 e os 40°C, e a uma humidade relativa máxima de
80%, a que corresponderam as condições de ensaio deste trabalho.
Efectua medições em aproximadamente 0,5 segundos e utiliza uma pressão de trabalho de 4 bar. As
gamas de operação são dadas na Tabela 12.
Corrente imposta
Limite máximo da resistência a medir
1 mA 600 µΩ
10 mA 6 mΩ
100 mA 60 mΩ
1 A 600 mΩ
10 A 6 Ω
10 A 60 Ω
Figura 43 – Aparelho de medição de resistência de contacto.
Tabela 12 – Gama de operação do medidor de resistências de contacto.
Colocam-se as chapas entre dois eléctrodos de cobre (similares aos utilizados na soldadura por
resistência na variante por pontos). Os eléctrodos possuem um diâmetro de 15 mm num eixo, e são
truncados a 10 mm noutro. A pressão aplicada nos eléctrodos foi de 4 bar. Lateralmente, existem dois
contactos (opostos entre eles) que vão contactar a superfície de cada uma das chapas superior e
inferior (estes contactos encontram-se identificados na Figura 44 pelas setas a vermelho).
Figura 44 – Pormenor do ensaio de medição de resistências de contacto.
O valor de resistência medido é o da junção entre chapas (não entrando para o valor obtido a
resistividade das chapas envolvidas no contacto). Como curiosidade, este teste foi realizado nas
OGMA (Alverca), e está definido na norma de soldadura por resistência na variante por pontos da
empresa Lockeed.
40
- RESULTADOS OBTIDOS
Para a realização deste ensaio utilizaram-se 6 pares de amostras de cada chapa para cada tipo de
condição. As condições que se impuseram foram: chapa original, ou seja, tal como nos foi fornecida
pela Gonvarri e chapa lixada superficialmente na zona de medição, com lixa de granulometria 600.
Avaliou-se ainda a resistência de contacto entre materiais em estado original, mas em que uma das
chapas do par tinha uma bossa enformada. A geometria das bossas enformadas tem uma altura
aproximadamente igual à das bossas enformadas pela Teka na produção dos seus chassis (cerca de
0.5mm). As geometrias consideradas para estas bossas foram uma semi-esférica e cónica.
Figura 45 – Prensa e matrizes utilizadas na enformação das bossas, com forma semi-esférica e cónica, utilizadas no ensaio de determinação da resistência de contacto do grupo de materiais.
Não lixado
[μΩ] Lixado
[μΩ] Bossas Cónicas
[μΩ] Bossas Semi-Esféricas
[μΩ]
Chapa 1 (galvanizado 1)
21.88 2.08 17.98 11.25
Chapa 2 (galvanizado 2)
552.57 1.15 570 142.25
Chapa 3 (aluminizado 1)
809.14 204.59 112.63 59.55
Chapa 4 (aluminizado 2)
685.29 74.44 89.8 32.4
Chapa 5 (electrozincado)
3185 62.27 2138.5 522.5
Tabela 13 - Valores médios das resistências de contacto medidas em todas as diversas condições.
41
Figura 46 – Gráfico dos valores médios das resistências de contacto medidas em todas as diversas condições.
Figura 47 – Gráfico dos valores médios das resistências de contacto entre chapas planas, no estado original.
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
Galvanizado 1 Galvanizado 2 Aluminizado 1 Aluminizado 2 Electrozincado
Resistência de contacto [µΩ]
Não lixado Lixado Bossas Cónicas Bossas Esféricas
21.9
552.6809.1 685.3
3185.0
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
Galvanizado 1 Galvanizado 2 Aluminizado 1 Aluminizado 2 Electrozincado
Resis
tên
cia
elé
ctr
ica [
µΩ
]
Resistência de contacto entre chapas planas
42
Figura 48 – Gráfico dos valores médios das resistências de contacto com bossa semi-esférica, no estado original.
- ANÁLISE DE RESULTADOS
Todas as resistências eléctricas medidas sob diferentes condições superficiais para os três tipos de
revestimentos foram coerentes. As interfaces entre materiais com revestimento galvanizado
apresentam uma resistência eléctrica significativamente inferior, com excepção, mais uma vez, da
chapa 2, cujos valores se aproximam dos revestimentos aluminizados.
11.3
142.3
59.632.4
522.5
0
100
200
300
400
500
600
Galvanizado 1 Galvanizado 2 Aluminizado 1 Aluminizado 2 Electrozincado
Resis
tên
cia
elé
ctr
ica [
µΩ
]
Resistências de contacto entre chapas com bossas esféricas
43
IV. DESENVOLVIMENTO DE UMA NOVA FERRAMENTA PARA A SOLDADURA DOS
CHASSIS
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57
V. SIMULAÇÃO COMPUTACIONAL NUMÉRICA
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77
VI. FERRAMENTA GISTEKA
VI.1 NOTA INTRODUTÓRIA
A ferramenta GISTeka foi produzida de acordo com os conceitos apresentados no capítulo IV, e
seguindo os elementos dos desenhos técnicos de conjunto e fabrico (incluindo acabamentos e
tolerância geométricas) que se encontram no Anexo 1.
Neste capítulo destaca-se a apresentação dos resultados dos ensaios mecânicos realizados sobre o
protótipo produzido.
A avaliação de funcionalidade do conceito que serve de tese deste projecto, ou seja, a uniformização
da carga aplicada, foi testada do ponto de vista mecânico. Embora a inovação inerente neste conceito
seja do funcionamento mecânico, a avaliação de funcionamento eléctrico e mecânico era desejável.
No entanto, os equipamentos de soldadura disponíveis no IST não permitiam atingir os níveis de
corrente eléctrica necessária (cerca de 6 kA x 7 eléctrodos = 42 kA) para aplicar na simulação da
aplicação da ferramenta GISTeka. Desta forma a avaliação de funcionalidade eléctrica ficará de ser
realizada nas instalações da empresa fabricante dos chassis dos fornos microondas.
VI.2 ESQUEMA DE MONTAGEM / DESMONTAGEM DA FERRAMENTA
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confidencial abrangida pelo dever de sigilo.
79
VI.3 PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL DOS ENSAIOS DE CARGA
Com o intuito de averiguar a funcionalidade mecânica do conceito do novo sistema de uniformização
da carga aplicada pelos diferentes eléctrodos, tese que sustentou o desenvolvimento deste projecto,
realizaram-se ensaios de carga com monitorização da força por via de uma célula de carga comercial
com avaliação digital de marca: Tecna; Modelo: Force analizer TE1460; com capacidade de medição
de força máxima de 2000 daN e precisão: +/-1% da força máxima (20 daN).
A aplicação da carga de aperto foi realizada com uma máquina de soldadura por resistência (marca
Tecna; modelo: Resistance welder) programada para funcionar sem aplicação de corrente eléctrica.
Efectuaram-se diversos ensaios testando a força aplicada por cada eléctrodo a diversas alturas.
Figura 49 – Célula de carga utilizada nos ensaios.
Figura 50 – Barra receptora da força aplicada pelos eléctrodos com suporte/encaixe da célula de carga, de forma possível de posicionar sob
todos os eléctrodos.
80
De modo a realizar o ensaio com a ferramenta, foi necessário desenvolver uma barra auxiliar que
permitisse a colocação do equipamento de medição (célula de carga) junto do eléctrodo a testar, sem
alterar o funcionamento dos eléctrodos adjacentes. Foi então fabricada uma barra que permite o
encosto de todos os eléctrodos da ferramenta quando aplicada a carga (ver Figura 50). O desenho de
fabrico da barra auxiliar encontra-se no Anexo 1.
Figura 51 – Aparato experimental do ensaio de carga à ferramenta GISTeka.
A ferramenta GISTeka foi colocada sobre uma plataforma de alumínio que permitia a ligação da
ferramenta por meio de dois parafusos M12 à plataforma de fixação inferior. A barra auxiliar contendo
a célula de carga foi então colocada sobre os eléctrodos individualmente, sendo a carga aplicada pela
plataforma de fixação superior sobre a barra auxiliar (ver Figura 51 e Figura 52).
Figura 52 – Pormenores da preparação experimental dos ensaios de carga.
- ESTABELECIMENTO DA RELAÇÃO PRESSÃO-FORÇA APLICADA PELA MÁQUINA DE SOLDADURA
Porque no equipamento de soldadura a aplicação da força de aperto é realizada por via da prescrição
do parâmetro de pressão, houve necessidade de determinar a relação entre a pressão aplicada pela
máquina de soldadura e as forças aplicada na célula de carga (sem presença da ferramenta
GISTeka). Para tal, utilizou-se a célula de carga e a barra auxiliar referidas anteriormente, bem como,
81
dois blocos de madeira dispostos como exemplificado na Figura 53, de modo a permitir uma completa
transmissão à célula de carga da força aplicada por parte da máquina de soldadura.
Figura 53 – Preparação da máquina de soldadura para a determinação da relação pressão-força.
Pressão aplicada pela
máquina [bar]
Força medida na célula de
carga [N]
Média do valor de
força [N]
0.5
2660
2734
2840
2710
2640
2840
2760
2690
1
3700
3803
3770
3800
3870
3780
3910
3790
1.1
4010
4057
4040
4100
4130
4050
4060
4010
1.2
4420
4340
4320
4310
4310
4340
4330
4350
Tabela 14 – Relação pressão-força da máquina de soldadura.
82
De acordo com as simulações efectuadas a força de aperto a utilizar durante o ciclo de soldadura
seria de 600 N por eléctrodo, o que perfaz uma força total a aplicar na ferramenta de 4200 N.
Analisando os resultados obtidos pela célula de carga foi decidido usar uma pressão de 1.2 bar na
máquina de soldadura, uma vez que esta é a mais próxima da força de aperto obtida através da
simulação numérica (ver Capítulo V).
VI.4 RESULTADOS OBTIDOS
No decorrer dos ensaios adoptou-se para o eléctrodo em teste quatro posições diferentes: com os
eléctrodos todos alinhados (Δh = 0); com uma altura adicional para o eléctrodo em teste de 1.2 mm
(Δh = 1.2); com uma altura adicional de 2 mm (Δh = 2) e com uma altura adicional de 2.4 mm (Δh =
2.4). Desta forma, foram medidas as forças desenvolvidas em todos os eléctrodos, alinhados e
desalinhados, sendo para cada condição realizadas 3 medições (para efeito de análise estatística).
Os resultados obtidos encontram-se na Tabela 15 e Figura 54.
Força registada nos eléctrodos [N] Força total
experimental [N]
Nº do eléctrodo
1 2 3 4 5 6 7
Δh = 0
575 558 597 571 571 573 576 4040
569 568 583 582 575 578 579 4110
568 572 572 600 582 597 579 4040
Valor médio 571 566 584 584 576 583 578 4063
Δh = 1.2
585 580 574 579 578 607 605 4110
593 594 592 562 587 602 599 4130
579 595 591 574 586 608 577 4100
Valor médio 586 590 586 572 584 606 594 4113
Δh = 2
576 569 600 575 579 588 587 4090
581 599 595 577 587 613 593 4130
583 592 594 578 588 592 596 4140
Valor médio 580 587 596 577 585 598 592 4120
Δh = 2.4
564 588 562 597 577 599 591 4070
585 610 585 592 593 615 613 4130
560 612 579 611 574 602 580 4110
Valor médio 570 603 575 600 581 605 595 4103
Tabela 15 – Valores registados nos ensaios de carga para as quatro posições do eléctrodo em teste.
83
Figura 54 – Gráficos comparativos dos valores da força de aperto a diferentes alturas de funcionamento.
VI.5 ANÁLISE DE RESULTADOS
Observando os resultados obtidos nos diferentes ensaios constata-se que:
Analisando os ensaios individualmente, a força aplicada por cada eléctrodo é uniforme.
Tomando na pior situação uma diferença, entre os valores máximos e mínimos de força, igual
a 36 N o que em percentagem equivale a cerca de 6% para um Δh de 2.4 mm. Na melhor
situação apresenta uma diferença de 18 N, equivalendo em percentagem a 3%, para o caso
em que os eléctrodos se encontram todos alinhados (Δh=0). Tais diferenças são
desprezáveis pois estão totalmente dentro da precisão da célula de carga e devem-se
também aos meios de ensaio, pois a aplicação da força por parte da máquina de soldadura
apresentou uma variação máxima de 110 N para a pressão utilizada;
Analisando os resultados os resultados obtidos para cada eléctrodo, a força aplicada nas
diferentes posições de teste é também uniforme. Tomando no pior caso, valores de variação
máxima da força de aperto de 37 N, ou seja de 6%, para o eléctrodo 2 e na melhor situação
de 9 N, equivalendo a 1%, para o eléctrodo 5;
Desta forma é possível concluir que o conceito de funcionamento da ferramenta GISTeka,
segue a tese que suporta este projecto, ou seja, a contribuição para a uniformização das
forças aplicadas pelos múltiplos eléctrodos.
84
VII. CONCLUSÕES
De entre as diversas conclusões que foram sendo estabelecidas ao longo deste relatório, que reflecte
o resultado das tarefas de investigação e desenvolvimento no âmbito do presente trabalho,
destacam-se as seguintes:
As dificuldades de soldabilidade por resistência dos novos materiais que se pretendem
introduzir na produção dos chassis dos fornos microondas (aços galvanizados e
electrozincados), está principalmente associada com o facto da resistência eléctrica de
interface entre as chapas ser muito baixa quando comparada com a existente nos aços
inoxidáveis. Este facto é principalmente crítico para os revestimentos galvanizados;
De entre as chapas galvanizadas fornecidas pela Gonvarri, como potenciais materiais a
fornecer ao seu cliente Teka para o fabrico dos chassis dos fornos microondas, o material
com a designação: 6247478 - DX 51D+Z200, apresentou o melhor potencial de utilização, ou
seja, a maior resistência eléctrica de interface entre as chapas;
Foi desenvolvido um conceito de ferramenta para contribuir para a melhoria de soldabilidade
por resistência dos novos materiais que se pretendem introduzir na produção dos chassis dos
fornos microondas (aços galvanizados e electrozincados), que uniformiza a força de aperto
entre as chapas aplicada nos diferentes pontos de soldadura, minimizando a influência dos
baixos valores de resistência eléctrica de interface entre as chapas. Ao novo sistema de
funcionamento dos eléctrodos foi atribuído o acrónimo GISTeka;
Foi produzido um protótipo do novo sistema de funcionamento dos eléctrodos - ferramenta
GISTeka;
O conceito subjacente ao funcionamento da ferramenta GISTeka, e que serviu de principal
tese neste trabalho, foi testado com êxito do ponto de vista de funcionalidade mecânica;
A simulação computacional do processo de soldadura por resistência na variante de
projecção, ou por bossas, foi realizada com base nas propriedades físicas e metalúrgicas
determinadas experimentalmente, nas características geométricas da nova ferramenta
GISTeka e das chapas em aço galvanizado 6247478 - DX 51D+Z200, sendo o
desenvolvimento dos parâmetros da análise realizado com base em valores obtidos
experimentalmente sob condições reais. Foi possível encontrar um grupo de parâmetros que
permitiu obter juntas soldadas com condições aceitáveis.
85
VIII. DESENVOLVIMENTOS FUTUROS
Face ao trabalho desenvolvido, seria interessante como desenvolvimento futuro, abordar algumas
questões importantes em áreas particulares, tais como:
Na implementação das soluções em ambiente industrial, avaliar a funcionalidade eléctrica,
térmica e mecânica da ferramenta acoplada, a precisão e estanquicidade dos vedantes
utilizados e executar de alinhamento das chapas nos eléctrodos;
Introduzir melhorias ao conceito desenvolvido neste trabalho, nomeadamente, na posição do
furo de purga e no sistema de refrigeração dos eléctrodos;
Avaliação da eficiência de funcionamento do sistema (resistência mecânica, metalúrgica e
reprodutibilidade) e comparação com a solução actualmente utilizada;
Análise financeira de todo o conceito desenvolvido;
Aplicação deste novo conceito nas restantes estações de soldadura na linha de produção dos
chassis dos fornos microondas.
86
BIBLIOGRAFIA
1. Gonvarri Portugal; disponível em: Gonvarri, http://www.gonvarri.com/po/inicio/home.asp;
consultado em Agosto/2008.
2. Teka Portugal; disponível em: Teka Portugal, http://www.teka.com/html/pt/; consultado em
Agosto/2008.
3. Microtech; disponível em: Gallawa web site, www.gallawa.com/microtech/data4.html;
consultado em Agosto/2008.
4. AppliancePartsPros; disponível em:
http://www.appliancepartspros.com/bd_whirpool_micr_oven_parts.aspx; consultado em
Agosto/2008.
5. Abad, F. e J.M. Bisbe, Manual de Soldadura por Resistência: Junta de Castilla y León.
6. Oliveira, A.M.; Desenvolvimento da Tecnologia de Soldadura por Projecção de Chassis de
Fornos Micro-Ondas; tese para obtenção de:Mestrado em Engenharia de Materiais; Instituto
Superior Técnico; Novembro 2007.
7. Hot-Dip Galvanizing Process; disponível em: Galvanized Rebar resource center
http://www.galvanizedrebar.com/galvanizing_process.htm; consultado em Agosto/2008.
8. Ácido crómico; disponível em: Wikipédia,
http://pt.wikipedia.org/wiki/%C3%81cido_cr%C3%B4mico; consultado em Agosto/2008.
9. THOMSON, E.; 1891; Method of Electric Welding;USA; patente nº 451345.
10. Resistance welding; disponível em: Reis ROBOTICS,
http://www.reisrobotics.de/us/APPLICATIONS/Welding+technique/Resistance+welding.html;
consultado em Agosto/2008.
11. Resistance spot welding; disponível em: TWI, http://www.twi.co.uk/content/kssaw001.html;
consultado em Agosto/2008.
12. Resistance Welding Technology; disponível em: Miyachi Europe B.V,
http://www.unitekeapro.com/pages.php?id=26; consultado em Agosto/2008.
13. Timsit, R.S. Electrical Contact Resistance: Review of Elementary Concepts; disponível em:
Connector Supplier,
http://www.connectorsupplier.com/tech_updates_Timron_ElectricalContactResistance_1-23-
07.htm; consultado em Agosto/2008.
14. Quintino, L. e J.F. Oliveira Santos, Processos de Soldadura volume II: ISQ edições
técnicas.
15. Pereira, M.N. e S. Vidal; Análise da influênca do revestimento de zinco na soldadura por
pontos do aço; tese para obtenção Instituto Superior Técnico; 2000.
16. SORPAS®, User Manual. 2008, SWANTEC Software and Engineering ApS
17. Lesson 1 -series 3, Observation Techniques in the Nanoworld:MicroscopiesI; criado por:
Colaço, R., para Materiais Nanoestruturados e Nanotecnologias 2007/2008, IST disponível
em: https://dspace.ist.utl.pt/bitstream/2295/152597/1/Lesson5MicroscopyIRC.pdf; consultado
em Agosto/2008.
87
18. Technical Data Sheet - AMPCOLOY 95; disponível em: AMPCO METAL,
http://www.ampcometal.com/common/datasheets/en/A95_EX_E.pdf; consultado em
Setembro/2008.
19. AISI 1010 Steel, cold drawn; disponível em: MatWeb - Material Property Data,
http://www.matweb.com/search/DataSheet.aspx?MatGUID=025d4a04c2c640c9b0eaaef28318
d761&ckck=1; consultado em Setembro/2008.
20. AISI 1012 Steel, cold drawn; disponível em: MatWeb - Material Property Data,
http://www.matweb.com/search/DataSheet.aspx?MatGUID=f1b9fbe9b7874617992ef04445a2
9ffd; consultado em Setembro/2008.
88
ANEXOS
ANEXO 1 – DESENHOS DE FABRICO DOS COMPONENTES DA FERRAMENTA GISTEKA
O conteúdo das páginas 88 não pode aqui ser reproduzido por se tratar de informação confidencial
abrangida pelo dever de sigilo.
89
ANEXO 2 – RESULTADOS DE SOLDABILIDADE FINAIS OBTIDOS NO SORPAS®
O conteúdo das páginas 89 a 96 não pode aqui ser reproduzido por se tratar de informação
confidencial abrangida pelo dever de sigilo.
