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MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO

INSTITUTO FEDERAL SUL-RIO-GRANDENSE

CAMPUS DE SAPUCAIA DO SUL

CURSO SUPERIOR DE ENGENHARIA MECÂNICA

PROJETO DE TCC

ANÁLISE DE CAUSA DE QUEDA DE PINO LARGE FLANGE SOLDADO EM

CHAPAS AUTOMOTIVAS

VANDERLEI EDUARDO DE VARGAS DA COSTA

Orientador: Prof. M.Sc. Vinicius Martins

Co-orientador: Prof. Dr. Pedro C. Hernandez Júnior

Sapucaia do Sul

2015

II



CHAPAS AUTOMOTIVAS

Trabalho de conclusão de Curso apresentado ao

departamento de Engenharia Mecânica do Instituto

Federal Sul-Rio-Grandense Campus de Sapucaia do

Sul, como parte dos requisitos para obtenção do

diploma de Engenheiro Mecânico.


Co-orientador: Prof. Dr. Pedro C. Hernandez Junior

Sapucaia do Sul

2015

III



CHAPAS AUTOMOTIVAS

Trabalho de conclusão de Curso apresentado ao

departamento de Engenharia Mecânica do Instituto

Federal Sul-Rio-Grandense Campus de Sapucaia do

Sul, como parte dos requisitos para obtenção do

diploma de Engenheiro Mecânico.


Co-orientador: Prof. Dr. Pedro C. Hernandez Junior

Aprovado em 25 de Junho de 2015 por:

IV

SUMÁRIO

LISTA DE FIGURAS ............................................................................................................ VI

LISTA DE TABELAS ........................................................................................................ VIII

ABREVIATURAS ................................................................................................................. IX

SIMBOLOGIA ........................................................................................................................ X

RESUMO ................................................................................................................................ XI

1 INTRODUÇÃO ................................................................................................................... 1

2 OBJETIVOS ........................................................................................................................ 3

2.1 Objetivo Geral ................................................................................................................. 3

2.2 Objetivos Específicos ....................................................................................................... 3

3 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA...................................................................................... 4

3.1 Soldagem de Pinos por Arco Elétrico ............................................................................ 4

3.1.1 Histórico ...................................................................................................................... 5

3.2 Pino Large Flange – Aço SAE 1524 com Camada Superficial de Cobre ................... 6

3.4 Parâmetros de Solda ....................................................................................................... 7

3.4.1 Energia (E) .................................................................................................................. 8

3.4.2 Intensidade de Corrente (I) .......................................................................................... 9

3.4.3 Tensão (U) ................................................................................................................... 9

3.4.4 Tempo de Solda (ms) .................................................................................................. 9

3.5 Propriedades Mecânicas ............................................................................................... 10

3.5.1 Cisalhamento (τ) ........................................................................................................ 10

3.5.2 Torque (T) ................................................................................................................. 11

3.6 Compatibilidade de Metais para Soldagem ................................................................ 12

4 METODOLOGIA ............................................................................................................. 13

4.1 Materiais ......................................................................................................................... 13

4.2 Métodos .......................................................................................................................... 13

4.3 Ensaio de Soldagem ....................................................................................................... 14

4.3.1 Unidade de Comando e Energia DCE-1500 .............................................................. 16

4.3.2 Pistola de Solda de Pinos LM310 .............................................................................. 17

4.4 Ensaios Mecânicos: Torque e Cisalhamento ............................................................... 18

4.5 Ensaios Metalográficos ................................................................................................. 19

V

5 RESULTADOS E DISCUSSÃO ...................................................................................... 22

5.1 Ensaio de Soldagem ....................................................................................................... 22

5.1.1 Variação da Intensidade de Corrente ......................................................................... 22

6 CONCLUSÕES ................................................................................................................. 36

7 LIMITAÇÕES E DIFICULDADES DO TRABALHO ................................................. 37

REFERÊNCIAS ..................................................................................................................... 38

APÊNDICE I ........................................................................................................................... 40

VI

LISTA DE FIGURAS

Figura 1 – Sequência de operações SW (PCI Journal, Precast/Prestressed Concrete Institute,

2001). .................................................................................................................................. 5

Figura 2 – Projeto Ted Nelson - Pistola de solda (PEASE, 2008). ............................................ 6

Figura 3 – Pino Large Flange (EMHART, 2010). ...................................................................... 7

Figura 4 – Estrutura sofrendo Cisalhamento (CALLISTER, 1999, pag. 81). .......................... 11

Figura 5 – Estrutura sofrendo Torque (CALLISTER, 1999, pag. 81). .................................... 11

Figura 6 – Fluxograma dos testes. ............................................................................................ 14

Figura 7 – Unidade de comando e energia DCE-1500 (EMHART, 2010). ............................. 17

Figura 8 – Pistola de solda de pinos LM310 (EMHART, 2010). ............................................. 17

Figura 9 – Chave de torque/ângulo Freedom³ (MSHIMIZU, 2015). ....................................... 18

Figura 10 – Torquímetro de estalo T50-25 (TORK, 2015). ..................................................... 19

Figura 11 – Exemplo de amostras já cortadas. ......................................................................... 20

Figura 12 – Amostras embutidas. ............................................................................................. 20

Figura 13 – Parâmetros de solda típicos de processo com intensidade de corrente de 1150 A.

.......................................................................................................................................... 22

Figura 14 – Parâmetros de solda com intensidade de corrente alterada (1250 A). .................. 23

Figura 15 – Parâmetros de solda teste alterando tempo de contato. ......................................... 24

Figura 16 – Amostras soldadas conforme Configuração de Parâmetros (Tabela 3). ............... 24

Figura 17 – Inspeção visual de aparência de pinos soldados (modificado a partir de

CHAMBERS, 2001). ........................................................................................................ 25

VII

Figura 18 – Resultados Freedom³. ............................................................................................ 26

Figura 19 – Amostras obtidas com parâmetros adicionais. ...................................................... 28

Figura 20 – Gráfico Intensidade de Corrente X Torque. .......................................................... 31

Figura 21 – Tempo de Contato X Torque................................................................................. 31

Figura 22 – Metalografia do metal base (chapa) e do pino antes do ataque químico. ............. 33

Figura 23 – Microestrutura - Temperatura x Composição %p C (CALLISTER, 1999). ......... 34

Figura 24 – Junta de solda - Amostra corrente: 600 A e tempo de contato: 52ms. .................. 35

VIII

LISTA DE TABELAS

Tabela 1 – Características do processo SW (EMHART, 2010). ................................................ 4

Tabela 2 – Relação de compatibilidade pino x metal base que resulta em uma solda de sucesso

(ASM, 1993, pág. 2100). .................................................................................................. 12

Tabela 3 – Configuração de Parâmetros Tempo e Corrente. .................................................... 15

Tabela 4 – Combinação Adicional de Parâmetros Tempo e Corrente. .................................... 16

Tabela 5– Resultados do Ensaio de Torque.............................................................................. 27

Tabela 6 – Resultados do Ensaio de Torque – Amostras Adicionais. ...................................... 29

Tabela 7 – Resultado do ensaio de Cisalhamento – Todas as amostras. .................................. 30

IX

LISTA ABREVIATURAS

ASM – American Society for Metals

ASTM – American Society for Testing and Materials

AWS – American Welding Society

CDA – Copper Development Association

PCI – Precast/Prestressed Concrete Institute

SAE – Society of Automotive Engineers - EUA

SW – Stud Welding

ZTA – Zona termicamente afetada

X

LISTA DE SIMBOLOGIA

A – Ampére (unidade de corrente elétrica)

Ao – Área inicial

E – Energia

F – Força

I – Intensidade de Corrente Elétrica

ms – Milissegundos (unidade de tempo de contato)

N.m – Newton-metro (unidade de torque)

T – Torque

U – Tensão

V – Volt (unidade de Tensão)

γ – Gama

η – Eta

θ – Teta

ν – Nu

τ – Tau

XI

RESUMO

Este trabalho foi realizado com o objetivo de analisar a causa de falha de solda de pino large

flange em chapas automotivas relacionado com os parâmetros de soldagem. Tais parâmetros

foram identificados para a realização de testes. Nestes testes foram variados alguns

parâmetros de soldagem e foram realizados ensaios de resistência mecânica como torque e

cisalhamento com o objetivo de identificar dados qualitativos e quantitativos em relação à

resistência mecânica da solda. Também foi realizado estudo metalográfico das juntas soldadas

feitas a partir de diversas combinações de parâmetros de solda. Todos os testes e ensaios

foram realizados utilizando equipamentos e instrumentos de medição presentes em indústria

automotiva, enquanto que a análise metalográfica foi realizada no laboratório de ensaios e

materiais do IFSUL, campus Sapucaia do Sul. Os resultados obtidos indicaram que os

parâmetros de produção existentes atendem as exigências de resistência mecânica do produto,

porém foi verificado que os mesmos estão superdimensionados. A combinação de parâmetros

de intensidade de corrente de 600A e tempo de contato de 52ms, valores menores que os

utilizados em produção, são suficientes para suportar os esforços na solda do pino large

flange soldado. Parâmetros tais como a redução de tempo de produção e o consumo de

energia foram evidenciados neste trabalho, uma vez que os parâmetros de intensidade de

corrente e tempo de contato foram identificados como as variáveis mais importantes na solda.

Palavras-chave: Stud Welding, Parâmetros de soldagem, Corrente, Tempo de Contato,

Resistência Mecânica.

1

1 INTRODUÇÃO

A pesquisa aborda uma análise das possíveis causas de falha de solda por arco

elétrico de pino large flange em chapas automotivas. Foram avaliados os principais fatores

que ocorrem no processo de soldagem e que influenciam diretamente na qualidade da solda

entre o pino large flange e a chapa de aço da peça automotiva denominada “assoalho”.

Conforme Chambers (2001), o processo de soldagem de pinos por arco elétrico foi

inventado próximo ao inicio da Segunda Guerra Mundial. Este processo foi desenvolvido a

partir da necessidade de prender tábuas de madeira no porta-aviões da marinha Americana.

Depois disso o mesmo se mostrou uma alternativa rápida e eficiente para todos os processos

industriais com essa necessidade, com isso aumentou enormemente sua utilização na indústria

automotiva e de construções. Na indústria automotiva, principalmente, a situação do mercado

atual não demanda somente produção ágil, como também tem de estar alinhada com a

qualidade. A falha da solda deste pino é uma situação recorrente em linha de produção, é

causadora de um dos principais problemas de qualidade.

Além disso, este problema gera perdas de produção por paradas de manutenção. Com

o conceito de produção puxada, qualquer perda de produção ou retenção de lote para análise

de qualidade pode ser irreversível para alcançar as metas diárias de fornecimento, ou mesmo

direcionamento como sucata a fim de evitar que o problema chegue ao cliente.

Priorizando sempre a redução de utilização de recursos naturais, as soluções destes

problemas trabalham diretamente com os pilares financeiro, ambiental e social da

sustentabilidade. A questão financeira pode ser sintetizada como a busca pela redução de

sucata gerada devido aos problemas de não qualidade, ou seja, com menos geração de sucata

há menor dispêndio com matéria prima. O pilar ambiental é sustentado e ligado ao pilar

financeiro, pois ao reduzir a sucata, se reduz a necessidade de matéria prima adicional para

gerar o produto e também se reduz a sucata para ser reciclada. Por último, mas não de menor

importância o pilar social está ligado à qualidade de vida dos profissionais de operação e

manutenção dessas linhas de montagem do produto. Qualquer parada de produção atinge-os

diretamente, pois são os primeiros a receber a carga adicional de trabalho para recuperar a

produção e a carga adicional emocional por exigência de solução eficiente o mais breve

possível.

2

Cabe ao engenheiro mecânico buscar melhorias a fim de minimizar os problemas de

produção e qualidade com foco em sustentabilidade.

3

2 OBJETIVOS

2.1 Objetivo Geral

Analisar as causas de incidência de falha de solda por arco elétrico do pino large

flange em peça “assoalho” relacionadas aos parâmetros de solda e identificar soluções para os

principais modos de falhas causadores deste problema.

2.2 Objetivos Específicos

- Identificar a compatibilidade e as características do material do pino large flange

(aço carbono SAE 1524 com camada superficial de cobre) e da chapa de aço;

- Identificar a influência nos parâmetros de solda para o pino large flange, como:

energia, corrente, tensão e tempo de solda;

- Determinar a resistência mecânica da solda associada aos parâmetros de solda.

4

3 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA

3.1 Soldagem de Pinos por Arco Elétrico

Chambers (2001) cita que a soldagem de pinos em inglês é designada por stud

welding (SW). É um processo de soldagem que ocorre por arco elétrico, no qual, este é

realizado pelo afastamento entre o pino e o material base. O processo ocorre, com um breve

arco que é introduzido entre a base do pino e a peça a ser soldada, e desta forma, estas regiões

de ambas as peças fundem e são unidas sob uma leve pressão.

Segundo Chambers (2001), a soldagem de pinos por arco elétrico envolve os mesmos

princípios elétricos, mecânicos e metalúrgicos encontrados em qualquer outro processo de

arco elétrico. No processo SW, a fonte de alimentação e o sistema de controle de soldagem de

pinos são ajustados para controlar a corrente e o tempo ou duração do arco elétrico.

Na Tabela 1 apresenta-se o descritivo das principais características, vantagens e

particularidades do processo SW.

Tabela 1 – Características do processo SW (EMHART, 2010).

Não é necessário o uso de eletrodos Há maior parte da fusão está no pino de solda.

Sem a necessidade de furar (no Hole) o material base, sem

infiltrações, sem corrosão

A secção da área de solda da chapa deve ser maior que a do pino

de solda.

Acesso a um único lado

Os índices de carbono na composição do pino de solda deve ser

menor que 0,20%, de preferência menor que 0,08%.

É possível soldar em chapas a partir de 0,6mm

A superfície a ser soldada deve estar limpa, isenta de sujeira, óleos,

graxas, tinta, oxidação, isenta de materiais não soldáveis ou que

dificultem a soldagem.

O uso de gás é opcional

Para soldagem com um tempo de solda muito curto aconselha-se

que a superfície a ser soldada esteja bem limpa.

O ciclo de solda é realizado em ms Sistema de fácil automação industrial

Soluções para aplicações específicas Segurança e tecnologia de montagem eficiente

A Zona Termicamente Afetada (ZTA) é estreita

Características do processo SW

A Figura 1 apresenta segundo Chambers (2001) de forma sequencial em quatro

etapas o processo SW. Essas etapas exemplificam bem as principais fases do processo. O

material utilizado, assim como o detalhamento de como ocorre este processo será explicado

na sequência da Figura 1.

5

Figura 1 – Sequência de operações SW (PCI Journal, Precast/Prestressed Concrete

Institute, 2001).

Chambers (2001) explica que na sequencia da Figura 1, que o pino e arruela estão

carregados na pistola de solda e a mesma está corretamente posicionada contra o metal base

(A). Após a etapa (B) ocorre o pressionamento da pistola contra a chapa. A contra-pressão da

mola criará uma distância entre a chapa e o pino. O botão de disparo (gatilho) é pressionado, o

qual aciona a solenoide que por sua vez inicia a corrente de solda. A distância criada entre o

pino e a chapa promove o surgimento de um arco elétrico. Na etapa (C) a duração de tempo

do arco elétrico é completa e o pino é imerso na poça de fusão por meio de uma mola que, ao

retornar a posição original, desliga a solenoide e finaliza o fluxo de corrente no final do ciclo

da solda. Na etapa final D na qual a pistola e a arruela cerâmica são retiradas, o pino é

apresentado soldado na chapa.

3.1.1 Histórico

Segundo Brandi (1992), o processo de soldagem teve seu impulso durante a II

Guerra Mundial, devido à fabricação de navios e aviões soldados, apesar do arco elétrico ter

sido desenvolvido no século XIX.

Pease (2008), afirma que Ted Nelson foi quem desenvolveu pela primeira vez o

processo de soldagem de pinos por arco elétrico. Isso ocorreu em 1934, ao soldar parafusos

prisioneiros para fixar placas de madeira no convés de um porta-aviões em um estaleiro naval

americano.

Conforme Pease (2008) descreve, Ted Nelson segurou o pino prisioneiro com sua

cabeça virada contra a chapa do convés do porta-aviões e com isso executou um filete de

Mandril

Pino

Metal Base

Arruela Cerâmica

6

solda em volta da cabeça do prisioneiro na chapa. Porém, como esse processo foi muito lento,

teve-se a ideia de utilizar um porta-pinos para executar a soldagem. Desta forma após criar o

arco elétrico na chapa, formou-se a poça de fusão. Com a posterior pressão do pino contra

essa poça, o arco elétrico foi extinto e o processo foi executado de uma forma mais rápida.

Porém, para obter resultados mais consistentes de soldagem foi necessário manter o pino a

uma distância constante da chapa, a fim de ter um comprimento de arco e um tempo de solda

constantes. Foram realizadas algumas alterações no projeto, como segurar o pino por um

mandril e colocar um solenoide temporizado por um período pré-determinado, criando assim

uma pistola de solda para o processo. Desta forma, foi garantida a consistência de processo

demandada na soldagem.

Na Figura 2, Pease (2008) apresenta o projeto da primeira pistola criada por Ted

Nelson que garantiu a consistência buscada na soldagem de pinos.

Figura 2 – Projeto Ted Nelson - Pistola de solda (PEASE, 2008).

Pease (2008), a Figura 2 mostra uma visão interna dos componentes utilizados para

confeccionar a pistola do processo SW.

3.2 Pino Large Flange – Aço SAE 1524 com Camada Superficial de Cobre

Segundo CDA (1998), dentre os materiais disponíveis atualmente no mercado, o

cobre é o único que tem uma valiosa combinação de alta condutividade aliada com boa

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/b/b1/Ted_nelson_stud_welding_machine_patno_2413189.png

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/b/b1/Ted_nelson_stud_welding_machine_patno_2413189.png

7

resistência, ductilidade, usinagem, soldabilidade e durabilidade juntamente com boa

resistência a oxidação, corrosão, deformação e fadiga.

CDA (1998), a camada de cobre depositada neste aço é realizada por um tratamento

térmico conforme ASTM B734 classe X – Especificação padrão para uso de engenheiros para

eletro depositados de cobre. Esse tratamento promove um aumento de soldabilidade e

condutividade ao produto aplicado, pois o cobre possui condutividade térmica de 394 W/m.K.

Emhart (2010), a Figura 3 apresenta o pino large flange com o diâmetro de rosca

métrica de 6 milímetros, comprimento do corpo roscado de 20 milímetros, passo de 1

milímetro e sua base com 13 milímetros de diâmetro.

Figura 3 – Pino Large Flange (EMHART, 2010).

Este pino representado na Figura 3, segundo Emhart (2010) é caracterizado por

chanfros agudos na extremidade oposta à da solda que auxiliam a alimentação automática e

facilita o processo de montagem de porcas apropriadas. Sua aplicação é preferida em fixações

que requerem alta retenção de torque, pois sua maior superfície de solda garante maior torque

admissível mesmo em chapas finas (um torque de aperto seguro de 10 N.m é recomendado).

3.4 Parâmetros de Solda

Conforme Machado (1996), os principais parâmetros a se mensurar para uma solda

de qualidade são: resistência, intensidade de corrente e tempo de soldagem, e dentre estes, a

intensidade de corrente possui maior influência. Para análise das causas da queda do pino no

processo SW outros parâmetros como energia e tensão também devem ser avaliados.

8

3.4.1 Energia (E)

Segundo Zeemann (2003), um parâmetro de grande importância é a energia de

soldagem, pois, juntamente com as características geométricas da junta e com o nível de pré-

aquecimento, este é determinante nos ciclos térmicos impostos ao material e, portanto nas

possíveis transformações microestruturais e no comportamento da junta.

Conforme Founderburk (1999), a energia é transferida no arco de solda do eletrodo

de solda para o metal base por arco elétrico. Quando esse se inicia, o metal base e o eletrodo

são fundidos para criar a solda. Essa fundição só é possível por causa da grande quantidade de

energia transferida por unidade de tempo fornecida pelo eletrodo.

Chambers (2001) observa que no caso do processo SW a energia é transferida por

arco voltaico gerado pela diferença de potencial entre o pino e o metal base e pela distância

criada entre eles.

Zeemann (2003) cita que de acordo com a própria definição de energia de soldagem,

a energia elétrica produzida pelo arco deve ser corrigida para a energia térmica que

efetivamente foi introduzida na peça. A fração de energia térmica perdida é função das

particularidades de cada processo de soldagem. Por isso, para corrigir a energia de soldagem é

definido a constante adimensional η que é chamado eficiência térmica do processo de

soldagem (Equação 1).

E= (η*U*I)/ν

Onde η= eficiência de transferência, U= tensão em Volts (V), I= intensidade de

corrente elétrica em Ampéres (A) e ν = velocidade linear de soldagem (mm/s).

Zeemann (2003) afirma que processos de elevada energia são aqueles processos onde

grande quantidade de calor é adicionada, geralmente devido a faixas de corrente e tensão

elevadas.

9

3.4.2 Intensidade de Corrente (I)

Chambers (2001) cita que a corrente medida em Ampères (A) é gerada e controlada

pela fonte de energia e flui através do vazio de ar criado pela distância do pino e do metal

base. Quanto maior a intensidade de corrente maior será a temperatura de solda. Com o tempo

definido de soldagem, uma maior intensidade de corrente deve ser aplicada para soldar pinos

com área de contatos maiores.

Conforme ASM (1993), a intensidade de corrente de soldagem é o principal fator no

controle do volume da poça fusão e da penetração no metal de base. Deste modo, o volume e

a largura da poça de fusão, bem como a penetração, tendem a aumentar quando o valor da

intensidade de corrente aumenta.

Segundo ASM (1993), em comparação feita com todos os outros processos de solda

por arco elétrico, o processo SW é o que possui maior intensidade de corrente de entrada e

curto tempo de solda.

3.4.3 Tensão (U)

De acordo com Gussow (1997), a tensão elétrica é a força que movimenta as cargas

elétricas através de um corpo e que tem, como unidade de medida, o Volt (V).

Chambers (2001) relata que na solda, a tensão faz com que a intensidade de corrente

elétrica prossiga circulando mesmo depois que o eletrodo é afastado da peça, fazendo com

que o arco elétrico se mantenha. O arco produz alta temperatura, fundindo o material do

eletrodo e da peça, formando a solda. É destacado ainda que no processo SW a tensão é

considerada baixa e só é gerada após ocorrer a distância entre o pino e o metal base, abrindo

assim o arco voltaico.

3.4.4 Tempo de Solda (ms)

De acordo com AWS (1998), durante a operação de soldagem, um tempo mínimo é

requerido para atingir a temperatura de fusão, dependendo da densidade de corrente. A taxa

10

de geração de calor se deve ser tal que possibilite a obtenção de soldas com resistência

mecânica adequada.

Segundo Chambers (2001), em metal base (chapa) de espessura fina, um tempo curto

de solda e uma alta intensidade de corrente pode ser suficiente para gerar calor e prevenir que

a poça de fusão atravesse o metal base (chapa). Em outros materiais base um tempo maior e

uma baixa corrente melhora a ductilidade da zona de solda.

Chambers (2001) ainda cita que no processo SW esse tempo é medido em

milissegundos entre o inicio e o fim da soldagem, o que o habilita para produção

automatizada e rápida.

3.5 Propriedades Mecânicas

Callister (1999) observa que as propriedades mecânicas devem ser entendidas de

forma que se realize a escolha correta do material para o projeto a ser utilizado. O trecho em

sequência evidencia bem o que o autor cita:

“É de obrigação dos engenheiros compreender como as várias propriedades mecânicas são

medidas e o que essas propriedades representam: elas podem ser necessárias para o projeto

de estruturas/componentes que utilizem materiais predeterminados, a fim de que não

ocorram níveis inaceitáveis de deformação e/ou falhas CALLISTER (1999, pag. 79).”

3.5.1 Cisalhamento (τ)

Callister (1999) explica que cisalhamento ou tensão tangencial é um tipo de tensão

gerada por forças aplicadas em sentidos opostos, porém em direções semelhantes no material

analisado. A tensão tangencial pode ser calculada pela da Equação 2.

τ = F/Ao

Onde F representa a carga ou força imposta paralelamente às faces superior e

inferior, cada uma com uma área de Ao. As unidades para a tensão e a deformação cisalhantes

são as mesmas de seus componentes de tração correspondentes. A Figura 4 apresenta esta

representação, Callister (1999).

11

Figura 4 – Estrutura sofrendo Cisalhamento (CALLISTER, 1999, pag. 81).

Segundo CALLISTER (1999), a deformação de cisalhamento γ é definida como

sendo a tangente do ângulo de deformação θ, conforme indicado na Figura 4.

3.5.2 Torque (T)

Callister (1999) define que a torção é uma variação do cisalhamento puro, onde um

membro estrutural é torcido da maneira como apresentado na Figura 5, onde as forças

torcionais produzem um movimento de rotação em torno do eixo longitudinal de uma das

extremidades do membro em relação à outra extremidade.

Figura 5 – Estrutura sofrendo Torque (CALLISTER, 1999, pag. 81).

Conforme observa Callister (1999), a Figura 5 é uma representação esquemática da

deformação torcional com ângulo de torção θ produzido pela aplicação de um torque T.

12

3.6 Compatibilidade de Metais para Soldagem

Foi realizado estudo bibliográfico de compatibilidade de soldagem do material do

pino large flange e de chapa de aço carbono.

Conforme ASM (1993), os pinos de aço de baixo carbono, aço inoxidável, alumínio

e bronze são os materiais mais utilizados comercialmente com o método SW. A base de solda

do pino preferido deste processo é redonda, e a haste pode ser de quase qualquer forma: rosca,

sem rosca, redondo, quadrado, retangular, cônico ou ranhuras. O diâmetro máximo da base do

pino que está sendo soldado comercialmente com o processo SW é de 13 milímetros. É

observado ainda que para obter uma solda resistente o metal base deve ter espessura de pelo

menos 1/3 do diâmetro do pino, isso evita que em um teste de torção o pino rompa antes

mesmo de romper a solda e deixar um furo no metal base ou até mesmo que no momento da

solda o pino atravesse o metal base. Chapas de espessuras mais finas em relação ao diâmetro

do pino podem ser utilizadas onde força de torque não é característica necessária para o

processo.

Na Tabela 2, pode-se observar a relação de compatibilidade dos materiais

constituintes do metal base e do material do pino.

Tabela 2 – Relação de compatibilidade pino x metal base que resulta em uma solda

de sucesso (ASM, 1993, pág. 2100).

Aço Baixo

Carbono (A)

Aço Inoxidável

(Série 300) (B)

Liga de Cobre

sem Chumbo

Com liga de Alumínio (Série

1100, 300, 5000, 6000)

Titânio ou Liga

de TitânioAço de baixo Carbono

(1006-1025) X X X ... ...

Aço Inoxidável (Série

300, 400) X X X ... ...

Com liga de Alumínio

(Série 1100, 300, 5000,

6000) ... ... ... X ...

Liga de Cobre sem

Bronze X X X ... ...

Liga de Zinco (fundido) ... ... ... X ...

Titânio ou Liga de

Titânio ... ... ... ... X

(A) Composição: C: 0,23% (max), Mn: 0,60 (max), P: 0,04 (max), S: 0,05 (max)

(B) Com exceção de aço inoxidável tipo 303

Metal do Pino

Metal Base

Conforme se observa na Tabela 2, a relação de soldabilidade entre ligas de baixo

carbono utilizadas neste processo possuem uma excelente compatibilidade.

13

4 METODOLOGIA

4.1 Materiais

Para a realização deste trabalho foram utilizados os materiais descritos a seguir.

Conforme a norma ASM (1990), o aço SAE 1524 é o utilizado como material do

pino large flange. Este é um aço carbono com teor elevado de manganês de média resistência

à tração. É um aço apropriado para a soldagem devido a sua elevada soldabilidade. Sua

composição química é a seguinte: C: 0,19%, Si: 0,10%, Mn: 1,35%, Ni: 0,40%, Cr: 0,25%, S:

0,06%, P: 0,06%. A resistência ao escoamento por tração mínima deste aço é de 283 MPa e

máxima de 510 MPa. Possui também uma condutividade térmica ideal para a soldagem de 52

W/m.K.

A composição química do aço da chapa é C: 0,0676%, Si: 0,0040%, Mn: 0,54%, P:

0,0170%, S: 0,0073%, Al: 0,0360%, Cu: 0,0130%, Ni: 0,0050%, Cr: 0,0190%, Mo: 0,0010%,

Nb: 0,0268%, N: 0,0026% e Ti: 0,0010%. A resistência ao escoamento por tração mínima

deste aço é de 363 MPa e máxima de 458 MPa.

A chapa de aço utilizada nos ensaios possuía espessura de 1 mm e o diâmetro da base

do pino large flange que está foi soldado com o processo SW foi de 13 milímetros.

Conforme se observa na Tabela 2, a relação de soldabilidade entre ligas de baixo

carbono utilizadas neste processo possuem uma excelente compatibilidade. Mesmo o aço do

pino sendo com alto teor de Manganês (Mn) que lhe garante maior resistência mecânica e

limite de escoamento. Com isso pode-se afirmar que as características e propriedades dos dois

materiais utilizados no processo de soldagem são excelentes no critério de compatibilidade

para formar uma junta de satisfatória qualidade.

4.2 Métodos

Foram realizados ensaios com a variação de parâmetros no processo de soldagem

(energia, intensidade de corrente, tensão, tempo de contato) destes materiais. Desta forma,

pode-se avaliar a influência destes parâmetros na qualidade da solda por realização de ensaios

14

de resistência mecânica: ensaio de torque e ensaio de cisalhamento, e adicionalmente foi

executada a análise da estrutura metalográfica da solda entre o pino large flange e a chapa de

aço.

A Figura 6 apresenta o fluxograma que foi utilizado para a condução dos ensaios.

Figura 6 – Fluxograma dos testes.

4.3 Ensaio de Soldagem

Foram utilizados inicialmente os parâmetros típicos de produção para realizar os

testes, sendo esses considerados os ideais para o processo. Desta forma, foi feita a análise da

solda com o foco em dois parâmetros (intensidade de corrente e tempo de contato). Foi

descartada a variação de energia e tensão, uma vez que estas não possuem influência direta na

soldabilidade, pois a energia é resultante da relação de intensidade de corrente e tensão.

Conforme Chambers (2001), a tensão é responsável pela abertura e continuação do arco

voltaico, tornando-se assim um dos parâmetros essenciais para ocorrer o processo, porém não

15

significativo para a análise da solda. Ambos foram registrados e acompanhados, mas sem

testes e alterações.

A partir da identificação destes dois parâmetros para estudo foram definidas

combinações para que, posteriormente, fossem realizados ensaios nas amostras soldadas de

resistência ao torque, resistência ao cisalhamento e análise metalográfica. Assim, para cada

combinação de parâmetros foram feitos 3 (três) corpos de prova.

Em relação ao parâmetro tempo de contato, este foi alterado em 20% do valor típico

de produção padrão de 65 ms. Portanto foram realizados ensaios com tempos de contato de 78

e 52 ms. Em relação ao parâmetro intensidade de corrente, o valor típico de produção padrão

de 1150 A foi alterado para realizarem-se os ensaios de soldagem para valores de 800 e 1250

A. Isso resultou em sete combinações diferentes de parâmetros de tempo de contato e

intensidade de corrente, totalizando vinte e uma amostras.

A Tabela 3 apresenta as combinações realizadas desses dois parâmetros: tempo de

contato e intensidade de corrente partindo da referência dos parâmetros típicos de produção.

Tabela 3 – Configuração de Parâmetros Tempo e Corrente.

Corpo de Prova/Parâmetros Corrente 800A Corrente 1250ACorrente 1150ATempo de contato 65 ms Tempo de contato 52ms (-20%) Tempo de contato 78 ms (+20%)

Pino 1 (Metalografia) x x

Pino 2 (Torque) x x

Pino 3 (Cisalhamento) x x


Pino 5 (Torque) x x



Pino 8 (Torque) x x



Pino 11 (Torque) x x











Padrão de Produção

Configuração de parâmetros (Tempo x Corrente)

16

Os resultados obtidos inicialmente com a aplicação destes parâmetros, nos quais foi

observado que a resistência da solda, foi maior que a resistência do pino, determinou a

confecção de corpos de prova adicionais para que se fizessem ensaios de resistência mecânica

a fim de dimensionar os limites mínimos dos parâmetros de soldagem sem resultar em queda

do pino.

A Tabela 4 apresenta a combinação de parâmetros adicional de tempo de contato e

intensidade de corrente determinados a partir dos ensaios iniciais.

Tabela 4 – Combinação Adicional de Parâmetros Tempo e Corrente.

Corpo de Prova/Parâmetros Corrente 700A Corrente 600A Corrente 500A Corrente 400A Corrente 300A Corrente 200A Corrente 100A Tempo de contato 52ms (-20%)

Pino 1 (Torque) x x



Pino 4 (Torque) x x



Pino 7 (Torque) x x















Configuração de parâmetros (Tempo x Corrente)

4.3.1 Unidade de Comando e Energia DCE-1500

Os parâmetros do processo de soldagem (energia, intensidade de corrente, tensão,

tempo de contato) foram todos informados e parametrizados através da unidade de comando e

energia DCE-1500 (controlador de solda). Este equipamento é responsável pelo setup,

controle e monitoração (gráfica) de parâmetros como: intensidade de corrente, tensão,

energia, tempo de solda e movimento do pino (penetração).

O núcleo da Unidade de DCE é uma fonte de corrente de solda controlada

digitalmente, que devido a sua alta frequência de operação pode intervir na corrente de

17

soldagem, até mesmo em caso de correntes extremamente baixas (Figura 7). Além disso, a

tensão do arco elétrico pode ser influenciada de forma técnica e o conjunto com o motor

linear pode ser digitalmente controlado da pistola de solda. Pode ainda compensar, em curto

prazo, as interrupções na alimentação da rede elétrica, bem como por alterações na resistência

de solda e as flutuações de tensão do arco em um milissegundo.

Figura 7 – Unidade de comando e energia DCE-1500 (EMHART, 2010).

4.3.2 Pistola de Solda de Pinos LM310

Pistola responsável pela execução da soldagem dos pinos nas chapas conforme

parâmetros selecionados da DCE-1500, com seu motor linear identificado como LM-310

(Figura 8) pode especificar com precisão a movimentação do pino, bem como informar o

DCE-1500 a profundidade de imersão do pino na chapa.

Figura 8 – Pistola de solda de pinos LM310 (EMHART, 2010).

Pino, pronto para soldar.

Alimentação do Pino.

Alimentação elétrica,

pneumática.

18

Este equipamento mantém a mesma ideia da pistola de 1944, porém modificado e

atualizado com tecnologia que garante melhor precisão e qualidade no processo, utilizado em

linhas automatizadas devido sua capacidade de execução de solda de pino em 38

milissegundos.

4.4 Ensaios Mecânicos: Torque e Cisalhamento

Para os ensaios de resistência mecânica foram utilizados dois equipamentos distintos:

uma chave de torque/ângulo (Freedom³) para o ensaio de torque e um torquímetro de estalo

para o ensaio de cisalhamento. Estes indicaram os valor de toque e de cisalhamento em

unidade de N.m para cada corpo de prova.

A ferramenta de medição também é conhecida como chave dinamométrica, usada

para ajustar precisamente o torque. A força rotacional (força de torque) é medida através de

dispositivo dinamométrico e ainda pode ser dimensionada a fim de garantir que ocorra o

máximo aperto sem o risco de danificar o material e também impede de deixar a peça solta.

Para executar os testes de torque foi utilizada a ferramenta chave de torque/ângulo

(torquímetro) Freedom³ (Figura 9) com capacidade de leitura de até 100 N.m. Sua precisão é

de ± 0,5% de desvio entre 20% e 100% do fundo da escala, ±1% de desvio entre 10% e 20%

do fundo da escala e ± 0,1° de desvio do ângulo de exibição.

Figura 9 – Chave de torque/ângulo Freedom³ (MSHIMIZU, 2015).

Display touch screen.

Medição de Torque/Ângulo.

Manopla com sinal vibratório.

19

Este equipamento mostrado na Figura 9 possui diferentes estratégias de testes

disponíveis onde é possível detectar facilmente o torque residual. A chave mostra diretamente

em seu display os dados estatísticos assim como as curvas de cada valor, essa curva

apresentada oferece todas as informações para uma completa análise de juntas. O

comportamento das articulações e sua rigidez são dados muito importantes em ordem da

definição da correta estratégia de aperto e definição de resistência mecânica do material a ser

testado. Com esta ferramenta foi executado os ensaios de torque nos corpos de prova.

Para o ensaio de cisalhamento foi utilizado um torquímetro do tipo estalo T50-25 da

marca Tork, representado na Figura 10. Esta ferramenta possui um elemento sensor tipo mola

e mecanismo de estalo com roldana que oferece máxima exatidão e repetibilidade nos testes.

Sua capacidade de leitura é de até 25 N.m, sendo sua operação simples, ao aplicar o torque

desejado ouve-se um “clic” e ao retornar o torquímetro rearma-se automaticamente pronto

para nova aplicação.

Figura 10 – Torquímetro de estalo T50-25 (TORK, 2015).

4.5 Ensaios Metalográficos

Inicialmente foi realizado o corte das amostras ao meio com uma serra para

visualizar-se a junta de solda entre a chapa de aço e o pino large flange. A Figura 11

apresenta um exemplo do corte dessas amostras.

20

Figura 11 – Exemplo de amostras já cortadas.

A Figura 11 demonstra também a área em que foi realizado o estudo metalográfico

das amostras. Essa área marcada em vermelho na figura é a junta de solda citada

anteriormente.

Após o corte das amostras, foi realizado o embutimento com resina polimérica das

mesmas, a fim de manter a integridade desta junta de solda quando exposta ao tratamento da

superfície como lixamento e polimento. A Figura 12 apresenta as amostras embutidas.

Figura 12 – Amostras embutidas.

Todas as doze amostras passaram pelos seguintes tratamentos de superfície:

lixamento com as seguintes granulometrias de lixas d’água: #100, #400, #800 e #1000. Após

esse lixamento foi realizado em todas as amostras o polimento com alumina.

21

Após o polimento foi realizada a análise microscópica das amostras antes e depois

do ataque químico com Nital 2% com o Microscópico Metalográfico Kontrol. Este

microscópico possui capacidade de ampliação de 100x, 400x e 1000x, pois possue objetivas

de 10x, 40x e 100x e oculares de 10x. Nas análises realizadas, foram somente utilizadas as

objetivas de 10x e 40x.

22

5 RESULTADOS E DISCUSSÃO

5.1 Ensaio de Soldagem

Inicialmente, foram utilizados os parâmetros padrões de produção para realizar os

ensaios de soldagem. A Figura 13 apresenta os parâmetros típicos de processo utilizados

(tensão, intensidade de corrente, energia e tempo de contato) e a imagem do resultado visual

da solda em ambos os lados da chapa.

Figura 13 – Parâmetros de solda típicos de processo com intensidade de corrente de

1150 A.

5.1.1 Variação da Intensidade de Corrente

De acordo com o verificado em referencial teórico foi alterado o parâmetro de

intensidade de corrente e, por essa modificação, foi possível perceber diferença visual na

solda.

A Figura 14 apresenta a imagem do pino soldado à chapa após alteração do parâmetro

típico de processo no qual a intensidade de corrente aplicada foi aumentada para 1250 A.

Observa-se uma grande modificação visual no aspecto da solda em relação à amostra soldada

23

com os parâmetros típicos de soldagem (Figura 13), principalmente do lado oposto ao pino

soldado na parte traseira da chapa. Pode-se observar que a ZTA (zona termicamente afetada) é

maior na solda que teve a intensidade de corrente aumentada para 1250 A comparada com a

de 1150 (Figura 14).

Figura 14 – Parâmetros de solda com intensidade de corrente alterada (1250 A).

Por esse teste inicial foi possível comprovar que, conforme Machado (1996), a

intensidade de corrente é um importante parâmetro a ser considerado no processo de

soldagem.

A Figura 15 apresenta a imagem de solda com a modificação de tempo de contato

com acréscimo de 38,46% neste parâmetro, mantendo a corrente fixa em 1250A exatamente

como na Figura 14. Comparando as Figura 14 e 15, percebe-se que a imagem da Figura 15

apresenta um maior volume na poça de fusão, pois a temperatura gerada pela corrente neste

caso ficou mais tempo exposta, gerando assim uma ZTA bem maior na parte traseira da

chapa.

24

Figura 15 – Parâmetros de solda teste alterando tempo de contato.

Na Figura 16 é apresentada a imagem das amostras soldadas segundo a Configuração

de Parâmetros apresentada na Tabela 3. Nesta imagem observam-se as 21 (vinte e uma)

amostras do pino large flange já soldado com as alterações de parâmetros na chapa de aço.

Verificou-se visualmente, como já mencionado anteriormente, que naquelas amostras em que

o tempo de contato e a intensidade de corrente são maiores, a ZTA é bem mais evidente na

parte frontal e traseira da chapa.

Figura 16 – Amostras soldadas conforme Configuração de Parâmetros (Tabela 3).

25

Na comparação feita entre os resultados visuais obtidos e o que é descrito na

literatura por Chambers (2001), pode-se verificar se a soldagem foi realizada com qualidade

por quatro aparências possíveis no processo SW conforme exemplificado na Figura 17.

Figura 17 – Inspeção visual de aparência de pinos soldados (modificado a partir de

CHAMBERS, 2001).

Chambers (2001) caracteriza as quatro aparências apresentadas na Figura 17 da

seguinte forma:

A Solda Normal é caracterizada por um filete de solda completo e simétrico em volta

do pino sem cortes, além de um ligeiro fluxo de solda ou curvatura do pino no material base e

boa altura de solda. Na Solda Fria tem-se má formação do filete de solda ou com cortes, baixa

altura de solda, e todas essas imperfeições devido a pouco tempo de contato, intensidade de

corrente ou ainda ambos. A Solda Quente pode apresentar: ondulações excessivas no filete de

solda, excesso de solda, perfuração do pino e queima através do material base (com

perfuração da chapa). Esses problemas podem ser causados por excesso de tempo de contato,

intensidade de corrente ou ambos. O Pino Solto se distingue dos demais por apresentar pouco

ou não apresentar filete de solda, ou ainda alguns cortes nesse filete quando existir, pouca

poça de fusão ou não ocorrer penetração do pino na poça de fusão criada no material base.

Todos esses defeitos podem ser gerados por muita elevação entre o pino e o material base no

momento da abertura do arco voltaico ou ainda mal alinhamento entre eles.

26

Nas amostras ensaiadas foi possível verificar os quatro tipos de aparência presentes

na inspeção visual. Mesmo sendo uma forma de inspeção de qualidade, ela é somente visual.

Desta forma, somente por estes testes de resistência mecânica (toque e cisalhamento) é

possível quantificar sua qualidade.

5.1.1.1 Ensaio de Torque

No ensaio de torque realizado nas amostras foi utilizada a ferramenta chave de

torque/ângulo Freedom³. Essa ferramenta apresenta a curva de torque e ângulo em seu

display, indicando por gráfico e tabelas os resultados do ensaio realizado.

Para possibilitar a aplicação de torque, utilizou-se uma porca sextavada rosca interna

6 mm e uma contra porca nas mesmas dimensões. A chave utilizada para esta porca sextavada

foi a do padrão M10, sendo a mesma utilizada no cachimbo da ferramenta Freedom³. O torque

aplicado na porca com a ferramenta foi o mesmo recebido pelo pino. Por meio deste ensaio

foi possível mensurar a resistência ao torque da solda de cada corpo de prova.

Na Figura 18 pode-se ver o display do equipamento em momento de um ensaio,

assim como este gráfico gerado em formato .pdf.

Figura 18 – Resultados Freedom³.

27

A Figura 18 apresenta o gráfico do comportamento do pino em relação ao torque e

ângulo executado, assim como seus valores no momento da ruptura, ou seja, na imagem

apresentada: 13,93 N.m em um ângulo de 108.901 °.

Nas amostras ensaiadas verificou-se o rompimento do pino antes do rompimento da

solda. Para todas as amostras, obteve-se um valor de torque diferente para o rompimento do

pino, como verificado na Tabela 5.

Tabela 5– Resultados do Ensaio de Torque.

Pode-se analisar na Tabela 5 que, independente do valor de intensidade de corrente e

tempo de contato, o rompimento ocorreu no pino mesmo na combinação de parâmetros

considerada mais fraca (Pino 9) com corrente de 800A e tempo de contato de solda de 52ms.

Ainda é possível afirmar que para essas amostras a resistência mecânica média dos pinos ao

torque é de 13,12 N.m. Desta forma, concluiu-se que com esses parâmetros a resistência da

solda é maior que a resistência do pino, ou seja, antes de ocorrer à queda do pino soldado o

mesmo se romperá quando aplicado torque.

Assim, foi necessária a confecção de corpos de prova adicionais para ensaios de

resistência mecânica ao torque a fim de dimensionar o limite mínimo de parâmetro aceitável

para soldagem sem resultar em queda do pino.

A combinação de parâmetros com valores mais baixos, de intensidade de corrente de

800A e de tempo de contato 52 ms, que apresentou resistência da solda superior a resistência

28

do pino, serviu como referência para a determinação de parâmetros adicionais de soldagem.

Na Tabela 4 foi apresentada a combinação de parâmetros adicionais de tempo de contato e

intensidade de corrente determinados a partir dos ensaios iniciais.

A partir do verificado na revisão de literatura e pelos ensaios realizados inicialmente,

nos quais verificou-se que a intensidade de corrente é um dos parâmetros que mais impacta na

qualidade da solda, optou-se por alterar somente este parâmetro nas amostras adicionais. A

Tabela 4 também apresenta o tempo de contato fixado no valor mais baixo (pior situação) 52

ms e decréscimo de 100A em cada grupo de três amostras (para análise de torque,

cisalhamento e metalografia). Totalizando assim novamente vinte e uma amostras em sete

diferentes combinações de parâmetros.

A Figura 19 apresenta essas amostras soldadas na chapa conforme combinações de

parâmetros informados na Tabela 4.

Figura 19 – Amostras obtidas com parâmetros adicionais.

Pode-se analisar na Figura 19 que a combinação de parâmetros de 100A e tempo de

contato 52 ms não foi suficiente para soldar os três pinos na chapa, assim como um dos pinos

na combinação 200A e 52ms também não foi suficiente. Nos demais parâmetros é possível

verificar o aumento da ZTA, principalmente na parte traseira da chapa, onde conforme cresce

o valor da corrente mais visível ela fica.

29

Com as novas amostras, novamente os testes de resistência mecânica foram

aplicados da mesma forma como anteriormente descrito, porém desta vez obteve-se um

resultado satisfatório conforme Tabela 6.

Tabela 6 – Resultados do Ensaio de Torque – Amostras Adicionais.

Analisando-se os resultados, pode-se observar que quando é aplicado torque nas

amostras de até 400 A, estas romperam a solda abaixo de 1 N.m, e assim, não foi possível

mensurar o valor correto devido a faixa de medição do equipamento Freedom³. Com a

aplicação de corrente de 500 A, a solda apresentou uma resistência maior, no valor de 8,856

N.m, porém abaixo do desejável que é 10 N.m.

Os parâmetros restantes de 600A e 700A já apresentam uma resistência da solda

superior à resistência do pino, como ocorrido com todas as amostras anteriores. Com isso,

pode-se concluir que o ponto de partida para uma solda com resistência desejada para o

processo SW quanto ao torque, é a soldagem com o parâmetro de intensidade de corrente em

600 A e tempo de contato de 52 ms. Destes valores em diante é possível garantir que não

ocorrerá à falha da solda do pino em função deste parâmetro.

5.1.1.2 Ensaio de Cisalhamento

Com todas as amostras disponíveis foi possível iniciar o segundo teste de resistência

mecânica, o ensaio de cisalhamento. Para este ensaio, utilizou-se o Torquímetro de estalo

30

T50-25. O ensaio consistia em encaixar o pino soldado no torquímetro e aplicar força angular

de 30° nesta ferramenta, e quando atingido o torque selecionado na ferramenta a mesma

emitia um som de “click” retornando a sua posição inicial. A Tabela 7 apresenta os resultados

obtidos neste ensaio para as amostras.

Tabela 7 – Resultado do ensaio de Cisalhamento – Todas as amostras.

Conforme apresentado na Tabela 7, com o teste do cisalhamento foi possível analisar

que na maioria dos casos, quanto maior o valor de combinação de parâmetros maior foi à

resistência da solda.

5.1.1.3 Análise dos Resultados dos Ensaios de Torque e Cisalhamento

Os parâmetros de intensidade de corrente de 100A e 200A não apresentam

resultados, pelo fato que o pino soldado com intensidade de corrente de 100 A não soldou

adequadamente na chapa como já relatado anteriormente e no caso do pino soldado com

intensidade de corrente de 200 A, pela formação de uma solda muito fraca, ao encaixar-se o

torquímetro para executar o ensaio, a mesma rompia-se. Para os parâmetros do grupo de

amostras adicionais com tempo fixo de 52 ms e intensidade de corrente variando de 100 A

ficou evidente o crescimento da resistência mecânica da solda em função do aumento da

intensidade de corrente, conforme pode-se verificar na Figura 20.

31

Figura 20 – Gráfico Intensidade de Corrente X Torque.

Tanto nos ensaios de torque quanto nos ensaios de cisalhamento podemos

comprovar, conforme Machado (1996) também observa que a intensidade de corrente é o

principal parâmetro na solda, tanto em aspecto visual, comprovado anteriormente, como na

resistência mecânica desta (Figura 20).

Porém, observa-se que neste ensaio ao contrário do ensaio de torque, o parâmetro de

tempo de contato apresenta influência direta na resistência da solda. Tal fato pode ser

evidenciado ao analisar entre os dois grupos de amostras a corrente de 800 A, na qual ocorrem

três variações de tempo de contato: 52 ms, 65ms e 78 ms. Os três valores de resistência desta

solda são diferentes, sendo que a combinação de parâmetro com maior valor (800A e 78 ms)

possui uma resistência superior a 25 N.m. A Figura 21 exemplifica melhor esses resultados.

Figura 21 – Tempo de Contato X Torque.

32

Não foi possível quantificar exatamente o valor da combinação dos parâmetros de

intensidade de corrente de 800 A e o tempo de contato de 78 ms quanto a sua resistência

mecânica ao cisalhamento, devido ao limite de medição da ferramenta que é de 2 N.m até 25

N.m. Por isso pode se afirmar, conforme Figura 21, que para esta combinação de parâmetros

sua resistência mecânica ao cisalhamento é superior a 25 N.m, pois no momento do teste o

pino flambou e não houve rompimento da solda.

Para todas as demais combinações de parâmetros com corrente superior a 800 A

(1150 A e 1250 A) independente do tempo de contato (52 ms, 65 ms e 78 ms) a solda resistiu

ao limite superior de medição máximo da ferramenta, ou seja, todas as amostras apresentaram

resistência mecânica ao cisalhamento superior a 25 N.m.

O ensaio de cisalhamento possibilitou a comprovação que o tempo de contato

também possui influência direta na solda. O mesmo fortalece a afirmação que a partir do

parâmetro de 600 A e tempo de contato de 52 ms, é possível obter-se uma solda de qualidade

e de quanto a resistência mecânica apreciável.

5.1.1.4 Ensaios Metalográficos

A análise metalográfica foi realizada nas amostras compostas por combinações de

parâmetros de intensidade de corrente de 500 A, 600 A e 700 A com tempo fixo de 52ms,

assim como todas as demais combinações do primeiro grupo de amostras, uma somente do

pino e outra somente da chapa. Totalizando assim doze amostras.

A Figura 22 apresenta a metalografia do metal base (chapa) e do pino Large Flange

antes do ataque químico com ampliação de 100x.

33

Figura 22 – Metalografia do metal base (chapa) e do pino antes do ataque químico.

É possível verificar na Figura 22 que mesmo sendo aços de baixa liga de carbono

(chapa: 0,0676% e pino: 0,19% de C) e sem passar pelo ataque químico já se nota diferenças

visuais na aparência de suas estruturas metalográficas.

Callister (1999) define que ligas com composição química entre 0,022% e 0,76% de

C são conhecidas como ligas hipoeutetóides. Dentro dessas, as possíveis microestruturas são:

austenita, austenita + ferrita, ferrita + perlita. A Figura 23 apresenta a relação da

microestrutura em função da temperatura x composição (% C).

34

Figura 23 – Microestrutura - Temperatura x Composição %p C (CALLISTER,

1999).

Segundo Callister (1999), a Figura 23 demonstra o ponto (c) onde a temperatura é de

875°C a microestrutura presente neste ponto é de austenita (γ), ao resfriar a temperatura ponto

(d), 775°C, essa estrutura se altera para austenita (γ) + ferrita (α), quanto maior esse

resfriamento, maior será a proporção de ferrita (α) na estrutura, como se pode verificar no

ponto (e). Já no ponto (f) abaixo da temperatura eutetóide temos a estrutura de ferrita (α) +

perlita.

Os aços utilizados para fabricação da chapa e do pino são processados por laminação

a frio e normalmente este processo é realizado abaixo da temperatura de recristalização.

Cruzando as informações da análise metalográfica dos núcleos da Figura 24 com a da Figura

23 pode-se afirmar que ambas as microestruturas são formadas por ferrita + perlita.

Para as demais dez amostras foi possível verificar que todas demonstram o mesmo

padrão, a Figura 24 exemplifica este padrão.

a

f

e

d

c

35

Figura 24 – Junta de solda - Amostra corrente: 600 A e tempo de contato: 52ms.

Na Figura 24, pode-se notar claramente a presença bem distinta do material base

(chapa) abaixo da linha escura horizontal formada pela junta de solda (poça de fusão). A zona

mais clara abaixo dessa junta de solda é a zona termicamente afetada (ZTA) da chapa, assim

como o material do pino que fica acima desta junta de solda.

Independente da combinação de parâmetro utilizada, no caso das demais amostras, o

mesmo se repetiu. Ou seja, fica sempre evidente a microestrutura do pino (aparência mais

porosa) acima da junta de solda e a microestrutura da chapa abaixo da junta de solda.

Por meio das análises metalográficas não foi possível verificar a microestrutura

presente na junta de solda (poça de fusão).

Com isso não foi possível afirmar se os parâmetros de solda como intensidade de

corrente e tempo de contato influenciam também na microestrutura desta junta.

Pino

Chapa

ZTA Junta de solda

36

6 CONCLUSÕES

O primeiro objetivo específico proposto foi de análise entre a compatibilidade de

solda entre os dois materiais em questão (pino e chapa). Como esperado comprova-se, por

meio de análise bibliográfica que as características e propriedades dos dois materiais

utilizados no processo de soldagem, aços-carbono de baixa liga, são excelentes no critério de

compatibilidade para formar uma junta de qualidade satisfatória. Com isso pode-se afirmar

que materiais utilizados não são um fator causador do problema de falha de solda do pino na

chapa.

Com os resultados obtidos, foi evidenciado que a intensidade de corrente é o

principal parâmetro que influencia na resistência mecânica da solda.

Conforme comprovado visualmente, também é possível afirmar que o tempo de

contato também possui influência direta na resistência desta solda.

Parâmetros de soldagem com intensidade de corrente a partir de 600 A e 52 ms de

tempo de contato apresentam resistência da solda superior a resistência do pino quando

exposto ao torque e ainda acima de 10 N.m quando exposto ao cisalhamento.

Portanto, pode-se afirmar que, baseado nos resultados obtidos, é possível ajustar os

parâmetros de produção utilizados. Este estudo possibilita reduzir tempo de produção ao

baixar o tempo de contato e também reduzir o consumo de energia elétrica ao baixar a

intensidade de corrente.

37

7 LIMITAÇÕES E DIFICULDADES DO TRABALHO

Ao longo deste trabalho, foi possível evidenciar um segundo forte potencial de falha

de solda do pino na chapa, o desgaste dos componentes da pistola de solda (LM310) que

aplica este pino. Com o desgaste de seus componentes, essa pode causar o mau alinhamento

do pino com a chapa e realizar a soldagem conforme os parâmetros, porém com o pino

desalinhado essa resistência mecânica tende a diminuir.

38

REFERÊNCIAS

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ASM HANDBOOK, Properties and Selection: Irons, Steels, and High-Performance

Alloys Vol. 1, ASM Internacional, 1990.

AWS, Welding Handbook. Vol. 2: Welding Process, 8° ed, International Standard Book,

American Welding Society, 1998.

ASTM, Standard Specification for Electrodeposited Copper for Engineering Uses,

American Society for Testing and Materials, 2013.

CALLISTER, William D. Jr., Ciência e Engenharia de Materiais: Uma introdução, 5ª

edição, LTC, Salt Lake City, 1999.

COPPER DEVELOPMENT ASSOCIATION, High Conductivity Coppers for Electrical

Engineering, CDA Publication 122, 1998.

CHAMBERS, Harry A., Principles and practices of stud welding, PCI Journal,

Precast/Prestressed Concrete Institute, 2001.

EMHART Teknologies TUCKER GMBH. Manual DCE1500, Manual LM310, Pinos Solda

2010. Disponível em: <www.emhart.eu/wAssets/Downloads/Documents/Manuals/SWS/BTA-

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40

APÊNDICE I - Processo

Robô ABB

IRB6640

Pistola de solda LM310 Assoalho