VINICIUS CASTANHEIRA DO NASCIMENTO

SELEO DE PARMETROS DE SOLDAGEM A PONTO POR RESISTNCIA, BASEADO NA MEDIO

DA RESISTNCIA ELTRICA ENTRE CHAPAS

UNIVERSIDADE FEDERAL DE UBERLNDIA

FACULDADE DE ENGENHARIA MECANICA 2008

VINICIUS CASTANHEIRA DO NASCIMENTO

SELEO DE PARMETROS DE SOLDAGEM A PONTO POR

RESISTNCIA, BASEADO NA MEDIO DA RESISTNCIA ELTRICA ENTRE CHAPAS

Dissertao apresentada ao Programa de Ps-graduao em Engenharia Mecnica da Universidade Federal de Uberlndia, como parte dos requisitos para obteno do ttulo de MESTRE EM ENGENHARIA MECNICA. rea de concentrao: Materiais e Processos de Fabricao. Orientador: Prof. Dr. Amrico Scotti.

UBERLANDIA-MG 2008

FICHA CATALOGRFICA

N244a

Nascimento, Vinicius Castanheira do, 1978- Seleo de parmetros de soldagem a ponto por resistncia, baseado na medio da resistncia eltrica entre chapas/ Vinicius Castanheira do Nascimento. - 2008. 130 f. : il. Orientador: Amrico Scotti. Dissertao (Mestrado) Universidade Federal de Uberlndia, Progra- ma de Ps-Graduao em Engenharia Mecnica. Inclui bibliografia. 1. Soldagem - Teses. I. Scotti, Amrico. II. Universidade Federal de Uberlndia. Programa de Ps-Graduao em Engenharia Mecnica. III. Ttulo. CDU: 621.791

iii

VINICIUS CASTANHEIRA DO NASCIMENTO

SELEO DE PARMETROS DE SOLDAGEM A PONTO POR RESISTNCIA, BASEADO NA MEDIO DA RESISTNCIA ELTRICA

ENTRE CHAPAS

Dissertao APROVADA pelo Programa de Ps-graduao em Engenharia Mecnica da

Universidade Federal de Uberlndia.

rea de concentrao: Materiais e Processos

de Fabricao.

Banca Examinadora:

______________________________

Prof. Dr. Amrico Scotti UFU Orientador ______________________________

Prof. Dr. Gilmar Ferreira Batalha Poli-USP ______________________________

Prof. Dr. Valtair Antonio Ferraresi - UFU ______________________________

Prof. Dr. Louriel Oliveira Vilarinho - UFU

Uberlndia, ___ de __________ de 2008

iv

Aos meus pais, Edson e Llia. s minhas irms, Flvia e Ludmilla.

v

"Se fecharmos a porta a todos os erros, a verdade ficar de fora".

(Rabindranath Tagore - pensador indiano)

S algumas pessoas se interessam pelo que voc tem a dizer, mas no faz mal. No se julga

a qualidade do Mestre pelo tamanho do seu pblico.

(Richard Bach)

vi

AGRADECIMENTOS

Universidade Federal de Uberlndia e Faculdade de Engenharia Mecnica, pela

oportunidade de realizar este Curso;

Aos meus pais, por todos os ensinamentos, exemplo de vida e pelo apoio especial nas

horas de maior dificuldade;

A CAPES pelo suporte financeiro, atravs de uma bolsa de estudo;

Ao Prof. Scotti pelos ensinamentos, a orientao, as discusses, por sua grande

colaborao e ateno, e por sua amizade;

Aos professores do Laprosolda, Valtair e Louriel, pelos ensinamentos, ajuda tcnica e por

sua amizade;

Ao coordenador Mrcio Bacci, sua colaboradora Kelly e ao Colegiado do Programa de

Ps-graduao;

Aos colegas do Laprosolda Daniel, Diandro, Andr, Marco Antonio, Alexandre Saldanha,

Mrcio Andrade, Rmulo, Jos Enrique, Douglas, Demostenes, Ricardo, Thiago, Elias, Adalto

entre outros, pela colaborao no dia-a-dia.

vii

NASCIMENTO, V.C. Seleo de Parmetros de Soldagem a Ponto por Resistncia, Baseado na Medio da Resistncia Eltrica entre Chapas. 2008. 130f. Tese de Mestrado, Universidade Federal de Uberlndia, Uberlndia.

Resumo

A aplicao da solda a ponto por resistncia eltrica em produo em srie pode vir a

requerer uma programao prvia de variao da regulagem de parmetros, em funo da

demanda por mudana seqencial, tanto devido ao tipo de material como a de sua

espessura. Caso a operao seja manual, o operador quem ter de fazer a troca de

programa sempre que identificar diferentes condies numa mesma seqncia de pontos.

Por se tratar de uma operao on-line, torna-se uma fonte de erro em potencial. Dessa

forma, a principal motivao deste trabalho foi a verificao da possibilidade de se regular

os parmetros de soldagem para soldas a ponto em produo, baseado na medio da

resistncia eltrica das combinaes entre chapas. Uma srie de experimentos foi realizada

para verificar os parmetros e o nmero mnimo de ciclos ideal para se medir a resistncia

eltrica entre chapas de ao com e sem revestimentos com diferentes combinaes de

espessura. Verificou-se que possvel se determinar a resistncia eltrica de uma

combinao de espessuras de chapas com apenas seis ciclos e que a variao da

resistncia era suficientemente repetitiva e diferenciada para justificar o uso deste princpio

na separao de combinaes por regies definidas pela resistncia eltrica, tanto pela

diferena de espessura das combinaes, como pelo tipo de revestimento da superfcie. No

trabalho tambm foi definida a tcnica conhecida como Queima do Zinco (burn-zinc) e

apresentado um procedimento experimental para se conseguir os parmetros timos para a

realizao da tcnica para combinaes entre chapas galvanizadas.

Palavras Chave: Soldagem a Ponto por Resistncia. Resistncia Eltrica. Resistncia

Dinmica. Auto-regulagem. Queima do Zinco (Burn-Zinc).

viii

NASCIMENTO, V.C. Selection of Resistance Spot Welding Parameters, Based on the Measurement of the Electrical Resistance between sheets. 2008. 128f. MSc. Dissertation, Federal University of Uberlandia, Uberlandia.

Abstract

Resistance Spot Welding applied in production lines may demand previous programming for

welding parameter settings as a function of demanded sequential changes, due to as much as

material type as thickness. In the case of a manual operation, the operator is the one in charge

of changing the program when different welding conditions is identified in a same sequence of

spots. Considering being an online operation, this is a potential source of error. Thus, the main

motivation for this work was to verify the possibility of parameter regulation in a spot welding

production line, based on measurement of the electrical resistance between the sheets. A series

of experiments was carried out to verify the minimum number of cycles and the ideal electrical

power needed to measure the electrical resistances between carbon steel and galvanized steel

and between a different thickness sheets. The results showed that the electrical resistance can

be determined from only six cycles and that it is possible to differentiate sheet combinations.

They also reveal that the resistances variation amongst sheet combinations were repetitive and

distinguished enough to claim the use of this principle to classify the material combinations by

regions of electrical resistance, both by the difference in thickness and type of superficial

coating. In this work, it was also defined the technique known as the Burn Zinc and presented

an experimental procedure to achieve optimal parameters to use this technique.

Key words: Resistance Spot welding. RSW. Electrical Resistance. Dynamic Resistance. Burn-

Zinc.

ix

Lista de Figuras

FIGURA 2.1 EVOLUO DOS PROCESSOS DE SOLDAGEM AO LONGO DO TEMPO ........................................... 6 FIGURA 2.2 MR. ELIHU THOMSON ............................................................................................................ 6 FIGURA 2.3 ESBOO DO PROCESSO DE SOLDAGEM A PONTO POR RESISTNCIA ......................................... 6FIGURA 2.4 RESISTNCIAS PASSAGEM DE CORRENTE NO PROCESSO DE SOLDAGEM A PONTO .................. 8FIGURA 2.5 TRANSFORMADOR PARA ELEVAR O VALOR DE CORRENTE ........................................................ 8FIGURA 2.6 FORMATO DE ONDA GERADO; A CIMA, CORRENTE ALTERNADA; EM BAIXO, CORRENTE CONTNUA 9FIGURA 2.7 REPRESENTAO ESQUEMTICA DO TEMPO DE SOLDAGEM .................................................. 11FIGURA 2.8 MLTIPLOS IMPULSOS NO PROCESSO DE SOLDAGEM ............................................................. 12FIGURA 2.9 CURVA DE FORA APLICADA NO PROCESSO DE SOLDAGEM .................................................... 14FIGURA 2.10 CARACTERSTICA DINMICA DA FORA EM UMA SOLDAGEM SEM EXPULSO .......................... 14FIGURA 2.11 CARACTERSTICA DINMICA DA FORA EM UMA SOLDAGEM COM EXPULSO .......................... 15FIGURA 2.12 DISTRIBUIO DO CALOR NO PROCESSO DE SOLDAGEM A PONTO ........................................ 15FIGURA 2.13 REFRIGERAO DO ELETRODO .......................................................................................... 17FIGURA 2.14 PERFIL DE TEMPERATURA (C) ESTIMADA DURANTE A SOLDAGEM ........................................ 18FIGURA 2.15 CAMADAS DE ZINCO DIFUNDIDAS NO COBRE DO ELETRODO .................................................. 19FIGURA 2.16 TIPOS MAIS UTILIZADOS DE ELETRODO NA SOLDAGEM A PONTO ........................................... 19FIGURA 2.17 POSSVEIS PROBLEMAS NA REALIZAO DO PONTO DE SOLDA ............................................. 24FIGURA 2.18 CURVA CARACTERSTICA DA RESISTNCIA DINMICA SEGUNDO CHIEN E KANNATEY ............. 26FIGURA 2.19 - REPRESENTAO ESQUEMTICA DOS PARMETROS ELTRICOS NA SOLDAGEM DE AO DOCE 27FIGURA 2.20 RESISTNCIA DINMICA SEGUNDO DICKINSON, FRANKLIN E STANYA .................................... 28 FIGURA 3.1 FONTES PRESENTES NO LAPROSOLDA: (A) CORRENTE ALTERNADA E BAIXA FREQNCIA

(LF/AC); (B) CORRENTE CONTNUA E MDIA FREQNCIA (MF/DC). .................................................. 30FIGURA 3.2 PLACA DE AQUISIO E ADAPTADOR.................................................................................... 31FIGURA 3.3 TELA PRINCIPAL DO PROGRAMA AQUISIO.VI ................................................................... 32FIGURA 3.4 TELA PRINCIPAL DO PROGRAMA VISUALIZADOR DE DADOS.VI. ............................................ 32FIGURA 3.5 TOMADA DE TENSO PARA MONITORAO DO SINAL DE TENSO ............................................ 33FIGURA 3.6 SINAL DE TENSO COM ACOPLADOR TICO COM PICOS ANMALOS. ....................................... 34FIGURA 3.7 SINAL DE TENSO SEM ACOPLADOR TICO, SINAL ESPERADO. ............................................... 34FIGURA 3.8 BOBINA DE ROGOWSKI ........................................................................................................ 35FIGURA 3.9 BOBINA FLEXVEL ................................................................................................................ 35FIGURA 3.10 BOBINA RGIDA ................................................................................................................ 36FIGURA 3.11 BOBINA FLEXVEL UTILIZADA PARA MEDIR O SINAL DE CORRENTE NOS EXPERIMENTOS .......... 36FIGURA 3.12 BOBINA RGIDA UTILIZADA PARA MEDIR O SINAL DE CORRENTE NOS EXPERIMENTOS .............. 37FIGURA 3.13 MONTAGEM DAS BOBINAS NA PINA DE SOLDAGEM ............................................................. 37FIGURA 3.14 SINAL DE CORRENTE OBTIDO ATRAVS DE UMA BOBINA DE ROGOWSKI SEM A INTEGRAO DO

SINAL .............................................................................................................................................. 38FIGURA 3.15 FORMAS DE ONDA IDEAL NO CONTROLE DE FASE CA PARA NGULOS DE RETARDO VARIANDO DE

ENTRE 30 E 150 ............................................................................................................................ 38FIGURA 3.16 SINAL DE CORRENTE OBTIDO ATRAVS DE UMA BOBINA DE ROGOWSKI COM A INTEGRAO DO

SINAL. ............................................................................................................................................. 39FIGURA 3.17 CALIBRAO DA FORA APLICADA PELA PINA. ................................................................... 40FIGURA 3.18 CURVA DE CALIBRAO DA FORA APLICADA PELA PINA, NA FAIXA TIL DE TRABALHO (LINHA

DE TENDNCIA LINEAR FORADA A PASSAR PELO ZERO) ..................................................................... 41

x

FIGURA 3.19 CURVA DE CALIBRAO DA FORA APLICADA PELA PINA, NA FAIXA TIL DE TRABALHO (SEM FORAR A PASSAGEM PELO ZERO) .................................................................................................... 41

FIGURA 3.20 CURVA DE CALIBRAO DA FORA APLICADA PELA PINA, NA FAIXA TIL DE TRABALHO, COM LINHA DE TENDNCIA DO TIPO POTNCIA ........................................................................................... 42

FIGURA 3.21 CURVA DE RESDUOS EM TORNO DA NORMAL PARA AS CURVAS DE AJUSTES ......................... 43FIGURA 3.22 (A) APARELHO MITUTOYO DIGI-DERM MODELO 979-745. (B) BLOCO PADRO E LAMINAS DE

PLSTICO PARA CALIBRAO. ........................................................................................................... 44FIGURA 3.23 (A) LOCAL DAS MEDIES NA PLACA DE TESTE. (B) REALIZAO DA MEDIO. ...................... 44FIGURA 3.24 DIMENSES (MM) DOS ELETRODOS UTILIZADOS NA SOLDAGEM ............................................ 47FIGURA 3.25 (A) SUPORTE PARA FERRAMENTA DE USINAGEM DO ELETRODO; (B) APARNCIA DO ELETRODO.

....................................................................................................................................................... 48 FIGURA 4.1 PINA DE SOLDAGEM APOIADA SOBRE BANCADA E CHAPAS DE TESTE FIXADA NO SUPORTE COM

ISOLANTE ELTRICO ......................................................................................................................... 50FIGURA 4.2 MDIA E DESVIO PADRO DE 24 DOS 25 CICLOS (ELIMINADO O PRIMEIRO) DAS 3 REPETIES DE

CADA ENSAIO ................................................................................................................................... 53FIGURA 4.3 PERFIL DE DESVIO PADRO DOS ENSAIOS ENTRE CHAPAS GALVANIZADA X GALVANIZADA ... 54FIGURA 4.4 PERFIL DE DESVIO PADRO DOS ENSAIOS ENTRE CHAPAS NO GALVANIZADO X NO

GALVANIZADO ................................................................................................................................. 55FIGURA 4.5 PERFIL DE DESVIO PADRO DOS ENSAIOS ENTRE GALVANIZADO X NO GALVANIZADO ........ 55FIGURA 4.6 RESISTNCIA MDIA ENTRE DUAS CHAPAS (3 AO 6 CICLOS) ................................................. 56FIGURA 4.7 RESISTNCIA MDIA DE APENAS UMA CHAPA (3 AO 6 CICLOS) .............................................. 57FIGURA 4.8 COMPARAO DA RESISTNCIA ENTRE DUAS CHAPAS E APENAS UMA (3 AO 6 CICLOS) .......... 58FIGURA 4.9 RESISTNCIA MDIA (3 AO 6 CICLOS) ENTRE DUAS CHAPAS COM PRESENA DE LEO ........... 60FIGURA 4.10 RESISTNCIA MDIA (3 AO 6 CICLOS) ENTRE DUAS CHAPAS COM PRESENA DE XIDO ........ 60FIGURA 4.11 COMPARAO DAS RESISTNCIAS ELTRICAS (3 AO 6 CICLOS) NAS CONDIES

OPERACIONAIS ENTRE CHAPAS NO GALVANIZADAS COM NO GALVANIZADAS E GALVANIZADAS E GALVANIZADAS .............................................................................................................................. 62

FIGURA 4.12 COMPARAO DAS RESISTNCIAS ELTRICAS (3 AO 6 CICLOS) NAS CONDIES OPERACIONAIS ENTRE CHAPAS GALVANIZADAS COM NO GALVANIZADAS ........................................ 62

FIGURA 4.13 MDIA E DESVIO PADRO DA RESISTNCIA ELTRICA DAS TRS REPETIES DE CADA ENSAIO COM CHAPAS LIMPAS, CALCULADA ENTRE O 3 AO 6 CICLO ................................................................ 63

FIGURA 4.14 MDIA E DESVIO PADRO DA RESISTNCIA ELTRICA DAS TRS REPETIES DE CADA ENSAIO COM CHAPAS COM PRESENA DE LEO, CALCULADA ENTRE O 3 AO 6 CICLO ...................................... 63

FIGURA 4.15 MDIAS E DESVIOS PADRO DA RESISTNCIA ELTRICA DAS TRS REPETIES DE CADA ENSAIO COM CHAPAS COM PRESENA DE XIDO, CALCULADA ENTRE O 3 AO 6 CICLO ......................... 64

FIGURA 4.16 RESISTNCIA DINMICA ENTRE CHAPAS GALVANIZADAS. ..................................................... 65FIGURA 4.17 RESISTNCIA DINMICA ENTRE CHAPAS NO GALVANIZADAS. .............................................. 65FIGURA 4.18 RESISTNCIA DINMICA ENTRE CHAPA NO GALVANIZADA E GALVANIZADA ........................... 66FIGURA 4.19 RESISTNCIA MDIA (17 AO 25) ENTRE DUAS CHAPAS LIMPAS ........................................... 67FIGURA 4.20 RESISTNCIA MDIA (17 AO 25) ENTRE DUAS CHAPAS COM PRESENA DE LEO ................. 67FIGURA 4.21 RESISTNCIA MDIA (17 AO 25) ENTRE DUAS CHAPAS COM PRESENA DE XIDO ............... 68FIGURA 4.22 MDIA E DESVIO PADRO DA RESISTNCIA ELTRICA DAS TRS REPETIES DE CADA ENSAIO

COM CHAPAS LIMPAS, CALCULADA ENTRE O 17 AO 25 CICLO ............................................................ 70FIGURA 4.23 MDIA E DESVIO PADRO DA RESISTNCIA ELTRICA DAS TRS REPETIES DE CADA ENSAIO

COM CHAPAS LIMPAS, CALCULADA ENTRE O 17 AO 25 CICLO COM PRESENA DE LEO ...................... 70FIGURA 4.24 MDIA E DESVIO PADRO DA RESISTNCIA ELTRICA DAS TRS REPETIES DE CADA ENSAIO

COM CHAPAS LIMPAS, CALCULADA ENTRE O 17 AO 25 CICLO COM PRESENA DE XIDO ..................... 71

xi

FIGURA 5.1 PARMETROS FSICOS DO AO E ZINCO ............................................................................... 74 FIGURA 5.2 DIREO LINEAR PARA MEDIO DA CAMADA DE ZINCO ......................................................... 76FIGURA 5.3 ESPESSURAS DA CAMADA DE ZINCO [M] NA REGIO DO PONTO DE SOLDA, ENSAIO BZ01 ....... 78FIGURA 5.4 ESPESSURAS DA CAMADA DE ZINCO [M] NA REGIO DO PONTO DE SOLDA, ENSAIO BZ02 ....... 78FIGURA 5.5 PARMETROS EXCESSIVOS PARA A ESPESSURA DA CHAPA (0,7 MM), ENSAIO BZ03 ................ 78FIGURA 5.6 ESPESSURAS DA CAMADA DE ZINCO [M] NA REGIO DO PONTO DE SOLDA, ENSAIO BZ05 ....... 79FIGURA 5.7 NO HOUVE FORMAO DE PONTO NEM FUSO DE ZINCO, ENSAIO BZ06 ............................... 79FIGURA 5.8 ESPESSURAS DA CAMADA DE ZINCO [M] NA REGIO DO PONTO DE SOLDA, ENSAIO BZ07 ....... 79FIGURA 5.9 ESPESSURAS DA CAMADA DE ZINCO [M] NA REGIO DO PONTO DE SOLDA, ENSAIO BZ08 ....... 80FIGURA 5.10 ESPESSURAS DA CAMADA DE ZINCO [M] NA REGIO DO PONTO DE SOLDA, ENSAIO BZ10 ..... 80FIGURA 5.11 MACROGRAFIA DO ENSAIO BZ01 (ATAQUE NITAL 10%) ....................................................... 81FIGURA 5.12 MACROGRAFIA DO ENSAIO BZ07 (ATAQUE NITAL 10%) ....................................................... 82FIGURA 5.13 ENSAIO BZ09, FORMAO DA LENTE DE SOLDA PARA EFEITO DE COMPARAO ................... 82FIGURA 5.14 MACROGRAFIA DA LENTE DE SOLDA PARA UNIO DE CHAPA DE 2,5 MM COM 2,0 MM, UTILIZANDO

PARMETROS REAIS DE SOLDAGEM, PARA EFEITO DE COMPARAO ................................................... 83FIGURA 5.15 QUADROS SEQENCIAIS (A) E (B) ILUSTRANDO O COMPORTAMENTO DA INTERFACE CHAPA-

CHAPA DURANTE A APLICAO DA TCNICA BURN-ZINC POR 5 CICLOS, MAS COM PARMETROS (CORRENTE E/OU PRESSO) INSUFICIENTES PARA SE OBTER A QUEIMA DO REVESTIMENTO .................. 84

FIGURA 5.16 QUADROS SEQENCIAIS (A), (B) E (C) ILUSTRANDO O COMPORTAMENTO DA INTERFACE CHAPA-CHAPA DURANTE A APLICAO DA TCNICA BURN-ZINC POR 5 CICLOS, MAS COM PARMETROS (CORRENTE E/OU PRESSO) ADEQUADOS PARA SE OBTER A QUEIMA DO REVESTIMENTO. ..................... 86

FIGURA 5.17 FILMAGEM DO PROCESSO DE SOLDAGEM UTILIZANDO DEZ CICLOS........................................ 90FIGURA 5.18 FILMAGEM DO PROCESSO DE SOLDAGEM COM A TCNICA DE BURN-ZINC ............................ 90 FIGURA 6.1 DIVISO DOS GRUPOS DE CHAPAS POR TIPO DE REVESTIMENTO ............................................ 94

Figuras do Anexo

FIGURA A 1 VALORES DE RESISTNCIA DOS ENSAIOS (24 CICLOS) ......................................................... 101FIGURA A 2 VALORES DE RESISTNCIA DOS ENSAIOS COM PRESENA DE XIDO (24 CICLOS) .................. 101FIGURA A 3 VALORES DE RESISTNCIA DOS ENSAIOS COM PRESENA DE LEO (24 CICLOS) ................... 102

xii

Lista de Tabelas TABELA 2.1 CLASSIFICAO DOS ELETRODOS DE SOLDAGEM A PONTO PELA RWMA ............................... 20TABELA 3.2 VALORES DE ENTRADA NA MQUINA E FORA MEDIDA ........................................................... 41TABELA 3.3 CARACTERIZAO DAS CHAPAS DE TESTE ............................................................................ 46TABELA 3.4 RESULTADOS DA MEDIO DA ESPESSURA DA CAMADA DE ZINCO .......................................... 47TABELA 4.1 COMBINAES DAS CHAPAS DE TESTE ................................................................................. 51TABELA 4.2 DIFERENA ENTRE VALORES DE RESISTNCIA MDIA ENTRE CHAPAS GALVANIZADAS X

GALVANIZADAS ............................................................................................................................... 68TABELA 4.3 DIFERENA ENTRE VALORES DE RESISTNCIA MDIA ENTRE CHAPAS NO GALVANIZADAS X

NO GALVANIZADAS ....................................................................................................................... 69TABELA 4.4 DIFERENA ENTRE VALORES DE RESISTNCIA MDIA ENTRE CHAPAS GALVANIZADAS X NO

GALVANIZADAS ............................................................................................................................... 69TABELA 4.5 DIFERENA ENTRE VALORES DE DESVIO PADRO ENTRE CHAPAS GALVANIZADAS X

GALVANIZADAS ............................................................................................................................... 71TABELA 4.6 DIFERENA ENTRE VALORES DE DESVIO PADRO ENTRE CHAPAS NO GALVANIZADAS X NO

GALVANIZADAS ............................................................................................................................... 71TABELA 4.7 DIFERENA ENTRE VALORES DE DESVIO PADRO ENTRE CHAPAS GALVANIZADAS X NO

GALVANIZADAS ............................................................................................................................... 72TABELA 5.1 PARMETROS DOS ENSAIOS BURN ZINC ............................................................................ 77TABELA 5.2 PARMETROS DE SOLDAGEM ............................................................................................... 87TABELA 5.3 PARMETROS PARA REALIZAR O BURN-ZINC COM 5 CICLOS ................................................. 88TABELA 5.4 PARMETROS PARA REALIZAR O BURN-ZINC COM 3 CICLOS ................................................. 88TABELA 5.5 PARMETROS PARA REALIZAO DA SOLDAGEM COM BURN-ZINC ........................................ 89 Tabelas do Anexo TABELA A 1 DADOS EXPERIMENTAIS COM RESISTNCIA ELTRICA CALCULADA COM 25 CICLOS ENTRE

CHAPAS GALVANIZADAS X GALVANIZADAS .................................................................................. 102TABELA A 2 DADOS EXPERIMENTAIS COM RESISTNCIA ELTRICA CALCULADA COM 25 CICLOS ENTRE

CHAPAS NO GALVANIZADAS X NO GALVANIZADAS ................................................................... 103TABELA A 3 DADOS EXPERIMENTAIS COM RESISTNCIA ELTRICA CALCULADA COM 25 CICLOS ENTRE

CHAPAS GALVANIZADAS X NO GALVANIZADAS .......................................................................... 103TABELA A 4 RESISTNCIAS ELTRICAS CALCULADAS COM 24 CICLOS (ELIMINANDO-SE O 1) ENTRE CHAPAS

GALVANIZADAS X GALVANIZADAS ............................................................................................... 104TABELA A 5 RESISTNCIAS ELTRICAS CALCULADAS COM 24 CICLOS (ELIMINANDO-SE O 1) ENTRE CHAPAS

NO GALVANIZADAS X NO GALVANIZADAS ................................................................................ 105TABELA A 6 RESISTNCIAS ELTRICAS CALCULADAS COM 24 CICLOS (ELIMINANDO-SE O 1) ENTRE CHAPAS

GALVANIZADAS X NO GALVANIZADAS ....................................................................................... 105TABELA A 7 RESISTNCIAS ELTRICAS CALCULADAS ENTRE O 3 E 6 CICLOS COM CHAPAS GALVANIZADAS

X GALVANIZADAS LIMPAS ............................................................................................................. 106TABELA A 8 RESISTNCIAS ELTRICAS CALCULADAS ENTRE O 3 E 6 CICLOS COM CHAPAS NO

GALVANIZADAS X NO GALVANIZADAS LIMPAS ............................................................................. 107TABELA A 9 RESISTNCIAS ELTRICAS CALCULADAS ENTRE O 3 E 6 CICLOS COM CHAPAS GALVANIZADAS

X NO GALVANIZADAS LIMPAS ...................................................................................................... 107TABELA A 10 RESISTNCIAS ELTRICAS CALCULADAS ENTRE O 3 E 6 CICLOS COM CHAPAS GALVANIZADAS

X GALVANIZADAS COM FILME DE LEO .......................................................................................... 108TABELA A 11 RESISTNCIAS ELTRICAS CALCULADAS ENTRE O 3 E 6 CICLOS COM CHAPAS NO

GALVANIZADAS X NO GALVANIZADAS COM FILME DE LEO .......................................................... 109TABELA A 12 RESISTNCIAS ELTRICAS CALCULADAS ENTRE O 3 E 6 CICLOS COM CHAPAS GALVANIZADAS

X NO GALVANIZADAS COM FILME DE LEO ................................................................................... 109TABELA A 13 RESISTNCIAS ELTRICAS CALCULADAS ENTRE O 3 E 6 CICLOS COM CHAPAS GALVANIZADAS

X GALVANIZADAS COM PRESENA DE XIDO ................................................................................. 110TABELA A 14 RESISTNCIAS ELTRICAS CALCULADAS ENTRE O 3 E 6 CICLOS COM CHAPAS NO

GALVANIZADAS X NO GALVANIZADAS COM PRESENA DE XIDO ................................................. 111TABELA A 15 RESISTNCIAS ELTRICAS CALCULADAS ENTRE O 3 E 6 CICLOS COM CHAPAS GALVANIZADAS

X NO GALVANIZADAS COM PRESENA DE XIDO .......................................................................... 111

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Lista de Smbolos Q Calor por efeito Joule; I Corrente; U Tenso; R Resistncia eltrica total; t Tempo; RB1 Resistncia eltrica do eletrodo; RB2 Resistncia eltrica da chapa; RB3 Resistncia eltrica da chapa; RB4 Resistncia eltrica do eletrodo; RC1 Resistncia de contato eletrodo-chapa; RC2 Resistncia de contato chapa-chapa; RC3 Resistncia de contato eletrodo-chapa; Micro (10-6); Ohm; A Ampre; kA Quilo Ampre (106); V Volts; kVA Quilo Volts Ampre; D Corrente mxima; e Neperiano (e = 2,7182818284590452353602874....); t1 espessura da chapa mais fina; Asec rea da seo transversal; N Newton; F Fora; P Presso; J Joule; s Segundos; Qliq. Calor lquido da soldagem, usado na formao da lente; Qent Quantidade de calor inserido no sistema; Qperdas Calor perdido; Qamb. Perda de calor para o ambiente; QCond.Mat. Perda de calor devido condutividade do material a ser soldado; QResf.Elet. Perda de calor devido condutividade e resfriamento do eletrodo; kg Quilograma; mm Milmetros; m Metros; C Graus Celsius; % - Porcentagem; Zn Zinco; Hz Hertz; Rmat Resistncia do material da chapa ao longo da espessura; resistividade do material; L comprimento do percurso da corrente; Rpel Resistncia do revestimento ou pelcula; t resistividade do revestimento ou da pelcula ; fator presso (0,2 para superfcie consideravelmente elstica, 1,0 para totalmente plstica e 0,7 uma aproximao razovel) ; H dureza do material; Rcon Resistncia de constrio; n nmero de pontos de contato; Somatrio;

xiv

g Gramas; C Carbono; Si Silcio; Mn Mangans; P Fsforo; S Enxofre; Al Alumnio; Cu Cobre; Nb Nibio; V Vandio; Ti Titnio; Cr Cromo; Ni nquel; Diferena (delta);

xv

Sumrio Agradecimentos ...................................................................................................................... VI Resumo ................................................................................................................................. VII Abstract ................................................................................................................................. VIII Lista de Figuras ...................................................................................................................... IX Lista de Tabelas .................................................................................................................... XII Lista de Smbolos ................................................................................................................. XIII

CAPTULO I ............................................................................................................................ 1 INTRODUO ......................................................................................................................... 1

CAPTULO II ........................................................................................................................... 5 REVISO BIBLIOGRFICA .................................................................................................... 5

2.1 INTRODUO SOLDAGEM POR RESISTNCIA ................................................................................ 5 2.2 PARMETROS DE REGULAGEM E VARIVEIS DO PROCESSO ............................................................ 7

2.2.1 Resistncia Eltrica ............................................................................................................. 7 2.2.2 Corrente............................................................................................................................... 8 2.2.3- Tempo de Soldagem ........................................................................................................... 10 2.2.4- Fora (presso) ................................................................................................................... 12 2.2.5 Refrigerao pelos eletrodos ............................................................................................ 15 2.2.6 Eletrodos ........................................................................................................................... 18 2.2.7 Espessura e tipo de material das chapas ......................................................................... 21

2.3 - EQUIPAMENTOS DE SOLDAGEM A PONTO POR RESISTNCIA .......................................................... 22 2.4 - DESAFIOS TECNOLGICOS NA SOLDAGEM A PONTO POR RESISTNCIA .......................................... 23 2.5 RESISTNCIA DINMICA ............................................................................................................... 24

CAPTULO III ........................................................................................................................ 30 EQUIPAMENTOS, TCNICAS E MATERIAIS ...................................................................... 30

3.1 FONTES DE SOLDAGEM A PONTO POR RESISTNCIA ..................................................................... 30 3.2 MONITORAO DOS PARMETROS ELTRICOS DE SOLDAGEM ....................................................... 31

3.2.1 Sistema de aquisio e tratamento de dados ................................................................... 31 3.2.2 Medio da tenso de soldagem ...................................................................................... 33 3.2.3 Medio da Corrente ......................................................................................................... 34 3.2.4 Clculo de potncia e resistncia eltrica ......................................................................... 39

3.3 CALIBRAO DA FORA APLICADA PELAS PINAS ......................................................................... 40 3.4 MEDIO DA ESPESSURA DA CAMADA DE ZINCO .......................................................................... 43 3.5 CHAPAS ...................................................................................................................................... 45 3.6 ELETRODOS ................................................................................................................................ 47

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CAPTULO IV ........................................................................................................................ 49 METODOLOGIA, ENSAIOS E RESULTADOS ..................................................................... 49

4.1 FASES METODOLGICAS ............................................................................................................. 49 4.2 DETERMINAO DOS PARMETROS E DEFINIO DAS COMBINAES DE CHAPAS UTILIZADOS NOS ENSAIOS ............................................................................................................................................. 50 4.3 DEFINIO DO NMERO MNIMO DE CICLOS E DIFERENCIAO DAS CLASSES DE CHAPAS PELOS VALORES DE RESISTNCIA ELTRICA .................................................................................................... 52 4.4 AVALIAO DAS RESISTNCIAS ELTRICAS DE FORMA INDEPENDENTES ........................................ 57 4.5 AVALIAO DA INFLUNCIA DE CONDIES OPERACIONAIS SOBRE AS RESISTNCIAS ELTRICAS ... 58 4.6 OUTRA ABORDAGEM PARA O CLCULO DA RESISTNCIA ELTRICA ............................................... 64

CAPTULO V ......................................................................................................................... 73 BURN-ZINC ......................................................................................................................... 73 (QUEIMA DA CAMADA DE ZINCO DO REVESTIMENTO) .................................................. 73

5.1 O ZINCO E A SOLDABILIDADE DOS AOS GALVANIZADOS POR SOLDA A PONTO POR RESISTNCIA ... 73 5.2 O BURN-ZINC, COMO MTODO DE MINIMIZAR OS PROBLEMAS CAUSADOS PELA PRESENA DO ZINCO ................................................................................................................................................. 74 5.3 PROCEDIMENTO PARA DETERMINAO DOS PARMETROS PARA BURN-ZINC ................................. 75 5.4 ILUSTRAO DA TCNICA DE BURN-ZINC .................................................................................... 83 5.5 VERIFICAO DA EFICINCIA DA TCNICA BURN-ZINC ................................................................. 86 5.6 CONCLUSES SOBRE A TCNICA BURN-ZINC ............................................................................... 91

CAPTULO VI ........................................................................................................................ 92 DISCUSSO GERAL ............................................................................................................ 92

CAPTULO VII ....................................................................................................................... 95 CONCLUSO ........................................................................................................................ 95

CAPTULO VIII ...................................................................................................................... 97 SUGESTES PARA TRABALHOS FUTUROS .................................................................... 97

CAPTULO IX ........................................................................................................................ 98 REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS ...................................................................................... 98

ANEXO 1 ............................................................................................................................. 101

1

CAPTULO I

INTRODUO

A indstria automobilstica vem sendo registrada na histria do Brasil desde o final do

sculo XIX. Documentao coletada e publicada (Portal do Governo do Estado de So

Paulo, 2007) mostra que foi em novembro de 1891 que o primeiro carro motorizado chegou

em solo brasileiro; um nico exemplar de um Peugeot, importado por um jovem de dezoito

anos chamado Alberto Santos Dumont (que viria a ser o Pai da Aviao). A partir de ento,

figuras ilustres da sociedade paulistana ficaram tentadas em adquirir este novo bem de

consumo e mais importaes comearam a se realizar. De olho nesse mercado, a empresa

Ford decidiu em 1919 trazer uma unidade fabril para o Brasil. O prprio Henry Ford

sentenciava: "O automvel est destinado a fazer do Brasil uma grande nao". Em 1925,

foi a vez da General Motors do Brasil abrir sua fbrica no bairro paulistano do Ipiranga.

Ainda de acordo com a descrio histrica (Portal do Governo do Estado de So

Paulo, 2007), houve, neste momento, um aumento surpreendente na frota de veculos no

Brasil. Porm as fbricas s montavam seus automveis em territrio brasileiro e no

produziam suas peas (as mesmas tinham que ser importadas). Surgiu, ento, a vontade

poltica de se desenvolver um parque automotivo brasileiro. O ento presidente da

Repblica, Getlio Vargas, proibiu a importao de veculos montados e criou obstculos

importao de peas. Mas foi seu sucessor, Juscelino Kubitschek, quem deu o impulso

necessrio implantao definitiva da indstria automotiva brasileira, ao criar o Geia -

Grupo Executivo da Indstria Automobilstica. J em 1956, foi inaugurada, em So Bernardo

do Campo, no ABC Paulista, a primeira fbrica de caminhes com motor nacional, com

tecnologia da Mercedes-Benz. A indstria automobilstica se transformaria, ento, na maior

mola propulsora da economia brasileira, em coerncia ao que acontecia com a economia

mundial

Em consonncia com a globalizao da produo, o Brasil hoje um dos pases que

2

mais sediam unidades fabris das chamadas montadoras de automveis de passeio e

utilitrios. So atualmente 24 montadoras de carros e comerciais leves, caminhes, nibus,

tratores e outras mquinas agrcolas, com 45 fbricas montadas, principalmente no sul e

sudeste brasileiro. Mesmo sendo fruto de investimento de capital essencialmente externo,

em 2006 o faturamento lquido da indstria automobilstica brasileira foi de 41,147 bilhes de

dlares, o que representou 14,5% do PIB do Brasil (ANFAVEA, 2007). Para alcanar tais

cifras, muita tecnologia de ponta vem sendo introduzida nos processos de fabricao, o que

requereu (e vem requerendo) anos de pesquisa e desenvolvimento em todas as fases de

fabricao que esto presentes na montagem de um veculo. Mesmo que a maioria destas

pesquisas e desenvolvimentos seja feito principalmente nas matrizes, muito tem sido feito

pelas unidades nacionais.

Em especial, a unio em alta produo e sem defeitos entre chapas de ao um

desafio constante para projetistas e engenheiros. Mesmo j existindo concorrncia

(principalmente pela Soldagem a Laser), ainda hoje, o processo de Soldagem a Ponto por

Resistncia (RSW Resistance Spot Welding) o mais utilizado na indstria automobilstica

(como tambm na fabricao de eletrodomsticos). Este processo de fabricao tem grande

aceitao na indstria porque um processo utilizado para unir chapas finas, de alta

confiabilidade, muito rpido de ser executado, no existe adio de metal e no

necessrio um alto grau de experincia do operador.

Algumas caractersticas acima citadas do processo de soldagem a ponto por

resistncia podem dar a impresso de tratar-se de um processo quase sem custo, o que no

justificaria aprimor-lo. Se adicionarmos os custos totais, incluindo equipamentos, eletrodos

e manuteno, o custo de cada ponto de solda de apenas cerca de cinco centavos de

dlar. Contudo, para se ter uma idia, existem cerca de 3000 a 4000 pontos de solda em um

veculo de passageiro (Relatrio Interno, 2007). Desta forma, o custo somente do processo

de soldagem de uma carroceria em ao de cento e cinqenta a duzentos dlares por

automvel, que bem razovel considerando o custo total gasto na fabricao de um

veculo. Entretanto, dependendo das taxas e da capacidade de produo e das prticas de

soldagem, uma planta de montagem do setor automobilstico pode consumir mais do que

um milho de dlares com eletrodos de soldagem a ponto em um ano (Relatrio Interno,

2007).

Apesar da simplicidade operacional do processo de soldagem a ponto por

resistncia, quando comparado a outros processos de soldagem, nem sempre possvel

estabelecer condies paramtricas de soldagem que sejam genricas ou que possam ser

mantidas ao longo de uma produo em alta escala. Esta limitao se deve a diferentes

fatores ou condies operacionais nas diversas regies de um mesmo veculo, como as

3

variaes energticas necessrias para formao do ponto devido ao efeito da corrente

derivativa (conhecido como Efeito Shunt), mudana nas espessuras, composio e/ou

nmero das chapas, solda prxima s bordas das chapas, variao do tipo ou espessura do

revestimento e pelculas no homogneas entre chapas. Todos esses inconvenientes

podem dar origem a um ponto de solda no satisfatrio, ocorrendo a expulso de material

da regio da lente de solda e ainda podendo desgastar excessivamente o eletrodo

(MATUSCHEK; POELL, 2005).

A maneira de evitar que estas particularidades afetem a qualidade do ponto de solda

otimizando os parmetros de soldagem para cada condio. Na prtica, as indstrias de

maior porte utilizam programas de soldagem inseridos nos controladores das fontes, no qual

so definidos os parmetros de soldagem para cada grupo de pontos a serem realizados.

Esta seqncia determinada atravs de ensaios com garantia de repetibilidade. Porm,

nem sempre as condies de trabalho no cho de fbrica so as mesmas o tempo todo, ou

seja, podem ocorrer intempries, como pequenos desalinhamentos entre as chapas,

presena no programada de pelculas de leo, p ou outro tipo de material entre as

chapas, desgaste prematuro ou protelado em relao ao previsto pelo programa de

soldagem, troca de fornecedores de matrias-prima, entre outros. Com isso, mesmo pontos

otimizados de solda podem no se manter satisfatrios ao longo de um processo de

fabricao.

Devido a estes limitadores, vrias pesquisas esto sendo desenvolvidas para se ter

um controle adaptvel ou controle inteligente como forma de se garantir uma formao

adequada do ponto de solda independente de intempries. Algumas empresas j

desenvolveram algumas unidades que ajustam automaticamente o nvel de corrente em

uma base contnua (Relatrio Interno, 2007). A Medar Inc. tem uma unidade que percebe a

formao do ponto e efetua controles baseados no fator de potncia, enquanto que a

Square D Co. est desenvolvendo um sistema de combinao pina de soldagem/controle

de soldagem baseado no monitoramento da expulso de material fundido. A GM Corp.

tambm desenvolveu um sistema de combinao de ajustador inteligente/retorno adaptvel.

A considerao da GM baseada na alterao da resistncia eltrica dinmica devido

expulso. Alm de funcionar como um ajustador automtico, estes sistemas podem tambm

desempenhar seu papel em modo de retorno em tempo real de forma a controlar cada ponto

de solda. Porm, mesmo que estes sistemas tenham sido testados em produo, ainda no

so confiveis, precisam de aprimoramentos.

Uma outra abordagem que pode ser utilizada para desenvolver um controle

adaptativo, e que ainda no foi desenvolvida nos equipamentos, a medio da resistncia

do conjunto eletrodos interfaces de contato chapas. Aparentemente existe uma forma

4

de se qualificar a resistncia de uma solda antes de inici-la, atravs da monitorao da

tenso e corrente no incio da operao. Esta resistncia depende das espessuras das

chapas, das interfaces de contato, do tipo de material a ser utilizado, do ajuste de montagem

entre as chapas, desgastes dos eletrodos, etc. Se houver uma relao entre esta resistncia

e os parmetros de soldagem que devem ser usados para se conseguir uma solda em

conformidade, poder-se-ia usar este princpio para que as soldagens manuais ou

automticas pudessem ter uma regulagem de parmetros independentes e automticos

para cada ponto, reduzindo ao mximo o nmero de pontos refugados.

Desta forma, proposto neste trabalho verificar a possibilidade do desenvolvimento

de um sistema de auto-regulagem dos parmetros de soldagem por resistncia a ponto,

aplicado em produo em srie que demande trocas freqentes de parmetros de

soldagem. Visa-se com isso uma regulagem automatizada e rpida, sem interferncia do

operador, o que permite obter pontos de solda com qualidade em todo o processo de

fabricao sem que aumente o tempo no processo de soldagem, tendo um sistema

confivel, robusto e que possa em um futuro prximo estar comercialmente disponvel.

Para se alcanar esse objetivo necessrio, ento, a realizao de ensaios de

simulao, para se definir os melhores parmetros para o clculo da resistncia eltrica,

tentando utilizar o menor tempo possvel, e verificar se os valores de resistncias eltricas

calculadas definem grupos especficos que diferenciem a unio a ser soldada por diferentes

espessuras de chapas e/ou tipo de material de que so constitudas (materiais diferentes ou

mesmo presena de revestimento na superfcie).

5

CAPTULO II

REVISO BIBLIOGRFICA

2.1 Introduo Soldagem por Resistncia A evoluo dos processos de soldagem ao longo do tempo apresentada na Fig.

2.1, onde nota-se que a soldagem por resistncia desenvolve-se quase que

concomitantemente com o desenvolvimento dos fundamentos que levaram aos processos

de soldagem a arco. Bernardos, em 1885, um dos pais do arco de soldagem, usou o

eletrodo de carvo para fuso localizada do ao, realizando a primeira soldagem a ponto por

resistncia com o eletrodo de carvo.

Porm, o processo de soldagem por resistncia na forma em que atualmente

utilizado foi inventado nos EUA em 1877 por Mr. Elihu Thomson (Fig. 2.2). Thomson foi

projetista e fabricante de motores e transformadores e sua primeira demonstrao prtica da

soldagem por resistncia foi relaizada em 1879 e a primeira mquina de solda produzida em

1886; uma mquina Thomson-Gibb. O Laboratrio Thomson veio a ter grande sucesso mais

tarde j como Edison General Electric Company, se tornando finalmente General Electric

Co. onde Thomson foi vice-presidente e diretor de pesquisas.

6

Figura 2.1 Evoluo dos processos de soldagem ao longo do tempo (SOLDAGEM

INDUSTRIAL, 2007)

Figura 2.2 Mr. Elihu Thomson

No processo de solda a ponto por resistncia, chapas metlicas so unidas pelo

coalescimento localizado das mesmas (fuso e posterior solidificao), devido ao calor

gerado pela resistncia do material passagem de corrente eltrica (Efeito Joule). Uma

presso aplicada pelo prprio eletrodo durante certo perodo de tempo para garantir que

as chapas fiquem na posio enquanto se d a solidificao. Com isso, uma lente de solda

formada, garantindo a unio entre as chapas, conforme ilustrado no esboo da Fig. 2.3.

Figura 2.3 Esboo do processo de soldagem a ponto por resistncia

7

Atualmente, a soldagem a ponto por resistncia amplamente usada na indstria,

principalmente na automobilstica, em virtude da simplicidade, alta confiabilidade, rapidez de

execuo, no utilizao de metal de adio e relativamente fcil controle. Obtm-se uma

solda de qualidade e resistncia satisfatrias quando comparado a outros processos de

soldagem, no necessitando alto grau de experincia do operador (VARGAS, 2006).

2.2 Parmetros de Regulagem e Variveis do Processo

A resistncia eltrica no circuito da corrente o fator governante da soldagem. Ela que vai determinar os valores demandados para outros parmetros. Os principais

parmetros de regulagem do processo para uma formao adequada da lente de solda

entre as partes metlicas (chapas) a serem soldadas so intensidade de corrente, tempo de fluxo de corrente e fora entre os eletrodos. Alm disto, existem variveis de extrema importncia para o desempenho do processo, muitas vezes negligenciadas, como

refrigerao, material e forma dos eletrodos, espessura e material das chapas.

2.2.1 Resistncia Eltrica

A unio das chapas no processo de solda a ponto por resistncia se d pelo calor

gerado por efeito Joule (Q = I2.R.t), o qual depende diretamente da corrente (I), da

resistncia eltrica e do tempo em segundos (t). Observa-se na Fig. 2.4 que esta resistncia

(R) a soma de todas as resistncias no circuito onde a corrente passa, como as

resistncias dos eletrodos (RB1 e RB4), as resistncias das chapas (RB2 e RB3) e as

resistncias de contato (RC1, RC2 e RC3). Entretanto, o local onde se quer obter a maior

temperatura onde se deseja que ocorra a solda (lente), ou seja, no contato entre as duas

chapas (RC2). Para isso, os eletrodos so fabricados com materiais de baixa resistncia

eltrica, em sua maioria com ligas a base de cobre. So tambm fabricados de um material

que se deforma facilmente, assentando melhor na superfcie da chapa. Os dois fatos fazem

diminuir as resistncias eltricas RC1 e RC3, minimizando o calor gerado nestas regies.

8

Figura 2.4 Resistncias passagem de corrente no processo de soldagem a ponto

A resistncia eltrica na interface entre as peas se situa geralmente no intervalo de

50 a 500 , mas pode alcanar valores to baixos quanto 20 para o caso do alumnio.

Quanto menor o valor da resistncia, maior deve ser a intensidade de corrente. Mas

importante frisar que a resistncia eltrica varia com o tempo durante a soldagem, como

ser visto no Item 2.5.

2.2.2 Corrente

As correntes de soldagem utilizadas pelo processo variam entre valores bem baixos,

no caso de soldas de componentes eletrnicos, at valores bastante elevados (indstria

automobilstica) podendo atingir nveis superiores a 15 kA. Um alto valor de corrente pode

ser conseguido atravs de um transformador, como o mostrado na Fig. 2.5. A ttulo de

exemplo, esse transformador contm 100 espiras no primrio e duas no secundrio (razo

de 50:1), ou seja, com uma corrente de 200 A no primrio , ento, transformada (elevada)

para 10.000 A no secundrio.

Figura 2.5 Transformador para elevar o valor de corrente (RWMA modificado, 1989)

9

Os formatos de onda gerados, CA e CC, por estas fontes esto apresentados na Fig.

2.6. A corrente contnua gerada por transformadores especiais, como ser visto no Item

2.3.

Figura 2.6 Formato de onda gerado; a cima, corrente alternada; em baixo, corrente

contnua

To importante quanto a corrente em si, a densidade de corrente na regio de

passagem de corrente na chapa tambm deve ser observada. Os limites superior e inferior

para a densidade de corrente dependem da sua intensidade e do dimetro e forma da ponta

do eletrodo. Se a intensidade e densidade de corrente forem insuficientes, nunca ocorrer

fuso, mesmo com um longo tempo. Entretanto, sendo as mesmas excessivas, o eletrodo

penetrar na pea, pois grande parte das chapas ou toda sua espessura estar na fase

plstica. Assim, para uma dada fora de aplicao dos eletrodos, h uma corrente mxima,

acima da qual o metal sob os mesmos expulso violentamente provocando soldas com defeito (PODRAJ e KARI, 2005). Machado (1996) sugere como regra prtica, para que o

processo possa ocorrer no menor tempo possvel e produzir pontos com a mais alta

resistncia mecnica, determinar a densidade de corrente mxima (D) exatamente anterior

quela que provocaria expulso, a qual pode ser estimada pela equao 2.1 deduzida

empiricamente:

D = 192 + 480 x e-t1 (A/mm) (2.1)

onde t1 (mm) a espessura da chapa mais fina. Ou seja, ao se calcular a densidade de

corrente limite, possvel a partir do dimetro de ponto desejado calcular a corrente mxima

(ou a partir da corrente, se achar o dimetro mnimo do ponto).

10

Em geral, uma rampa de subida da corrente utilizada para evitar sobre-

aquecimento e expulso do metal no incio do tempo de soldagem, quando a resistncia da

interface do metal base ainda alta. J uma rampa de descida da corrente normalmente

usada para controlar a caracterstica do resfriamento na regio da solda. Essa caracterstica

inclui a solidificao e a taxa de resfriamento no estado slido, mas Vargas (2006) mostra

que tais rampas tm pouco efeito sobre o tamanho do ponto.

2.2.3- Tempo de Soldagem

O tempo de soldagem outro parmetro muito importante no processo e pode ser

dividido em fraes conforme mostrado na Fig. 2.7. O tempo de acostamento o perodo

que se leva do comeo do movimento da pina at quando os eletrodos encostam-se s

chapas, quando garantem o assentamento das mesmas, atingindo o valor programado para

a presso no sistema. Em seqncia, o tempo de pr-presso quando a fora j aplicada

cria, em um dado tempo, as condies para que o conjunto chapas-eletrodos se acomode

mecanicamente (sem passagem de corrente). Por outro lado, o tempo de subida da corrente

(slope-up) seria o intervalo que se leva para que a corrente atinja o valor programado

(esse tempo s existe caso seja utilizado rampa de subida de corrente no processo de

soldagem). J o tempo de corrente (no confundir com o tempo total de soldagem) quando

realmente ocorre a passagem de corrente e ocorre o processo de soldagem, pelo

aquecimento por efeito Joule principalmente no contato entre as chapas.

O tempo de corrente no processo deve ser mantido a menor possvel (1/4 s em

mdia), apesar de se demandar tempos mais longos para correntes mais baixas. Vargas et

al. (2007) concluiram que mais altas correntes e tempos mais curtos favorecem a resistncia

e acabamento do ponto (resistncia ao rasgamento e indentao). Quando se utiliza a

rampa de descida, existe ainda o tempo de descida da corrente (slope-down), o qual seria

aquele que se leva para o nvel de corrente cair do valor programado at zero. A seguir, o

tempo de reteno o perodo em que a corrente j parou de passar pelo sistema, porm,

ainda se mantm a presso aplicada pelos eletrodos. nesse perodo que o material que foi

fundido (ou coalescido) se solidifica completando a unio das chapas. Por fim, o tempo de

abertura (cadncia) aquele que leva os eletrodos a descarregarem a fora aplicada e se

afastar das chapas at ficarem na posio inicial.

11

Presso CorrenteP I

TempodeAcostamento

TempodePrPresso

TempodeSubidadaCorrente

TempodeCorrente

TempodeDescidadaCorrente

TempodeReteno

TempodeAbertura

TempodeSoldagem Figura 2.7 Representao esquemtica do tempo de soldagem

Quando se solda chapas espessas pelo processo a ponto por resistncia

necessrio a aplicao de maior energia (aumento do valor da corrente e/ou tempo de

soldagem) e maior fora. Maior energia representa maior calor a ser dissipado pela chapa.

Por um lado, uma maior espessura facilita a dissipao do calor de forma mais

tridimensional (tambm na direo Z). Por outro lado, este aquecimento na direo da

espessura da chapa faz aumentar a resistncia eltrica da mesma, conseqentemente

aquecendo-a mais ainda. A chapa aquecida torna-se mais dctil e, como necessria a

aplicao de uma maior fora, ocorre uma maior deformao, ou seja, maior indentao.

Uma prtica que pode ser utilizada para soldar chapas espessas a programao de

mais de um tempo de soldagem para produzir um nico ponto. Cada tempo destes

normalmente denominado de impulso. De acordo com a RWMA (1989 - Resistance

Welders Manufacturers Association), na soldagem dessas chapas, ao invs de se deixar

um tempo mais longo para a formao da lente, ou se usa uma corrente maior, ou mltiplos

impulsos so freqentemente usado. Esse mltiplo impulso nada mais que a incorporao

de mais um tempo de corrente (com subida e descida caso seja necessrio) ao final do

tempo de reteno, como apresentado na Fig. 2.8. A utilizao dessa tcnica minimiza as

causa de indentao relatados no pargrafo acima quando se solda chapas espessas, pois,

no intervalo entre um impulso e outro, ocorre o resfriamento, minimizando o problema.

12

Presso CorrenteP I

TempodeAcostamento

TempodePrPresso

TempodeSubidadaCorrente

TempodeCorrente

TempodeDescidadaCorrente

TempodeReteno

TempodeAbertura

TempodeSoldagem

TempodeSubidadaCorrente

TempodeCorrente

TempodeDescidadaCorrente

Impulso 1 Impulso 2

Presso CorrenteP I

TempodeAcostamento

TempodePrPresso

TempodeSubidadaCorrente

TempodeCorrente

TempodeDescidadaCorrente

TempodeReteno

TempodeAbertura

TempodeSoldagem

TempodeSubidadaCorrente

TempodeCorrente

TempodeDescidadaCorrente

Presso CorrenteP I

TempodeAcostamento

TempodePrPresso

TempodeSubidadaCorrente

TempodeCorrente

TempodeDescidadaCorrente

TempodeReteno

TempodeAbertura

TempodeSoldagem

TempodeSubidadaCorrente

TempodeCorrente

TempodeDescidadaCorrente

Impulso 1 Impulso 2Impulso 1 Impulso 2

Figura 2.8 Mltiplos impulsos no processo de soldagem

2.2.4- Fora (presso)

Uma varivel no apresentada diretamente na equao do calor, mas de elevada

influncia na resistncia eltrica do conjunto a fora exercida pelos eletrodos sobre a

chapa. Numa mquina de soldagem a ponto por resistncia, essa fora exercida, seja por

sistemas mecnicos (equipamentos de baixa capacidade e manuais), pneumticos (mais

rpidos) ou sistemas hidrulico-pneumtico (maior fora). A fora (F) exercida pela ponta do

eletrodo resultante da aplicao de uma presso (P) num pisto (mbolo) de uma dada

rea (Asec) de seo transversal (F = Asec/P). Sendo assim, nos equipamentos industriais, ao

se tentar regular a fora, se est regulando na verdade a presso do sistema (pneumtico).

Equipamentos mais modernos possuem controladores de presso (controle proporcional

integral derivativo - PID) para manter as foras constantes na ponta do eletrodo, no caso de

variao da presso da linha. Tambm permitem, com estes controladores, regulagem

remota da fora atravs do painel de controle. Lembra-se que a fora aplicada pelo eletrodo

se transforma novamente em presso sobre as chapas, em funo da rea de contato dos

eletrodos. Assim, o leitor deve estar atento que ele regula no equipamento a presso do

pisto e no a fora aplicada ou a presso do eletrodo sobre as chapas.

A resistncia eltrica aumenta quando a fora nos eletrodos pequena, devido ao

contato incompleto entre as superfcies. Alta resistncia eltrica entre eletrodos-chapas no

desejvel, apesar de benfico para a gerao de calor entre as chapas. Uma elevada

13

fora do eletrodo, por outro lado, deforma as asperezas e aumenta a rea de contato

(KAISER et al. 1982), reduzindo a resistncia eltrica, mas podendo ocasionar marcas

superficiais ou deformao excessiva no material de base (prejudicando o acabamento

superficial). Assim, a fora exercida pelos eletrodos caracteriza-se por limites inferior e

superior, portanto, dentro de valores operacionais timos, a fora do eletrodo se comporta

de forma inversamente proporcional resistncia eltrica (MACHADO, 1996).

Com isso, no processo de soldagem a ponto por resistncia, a resistncia na

interface chapa-chapa deve ser alta para que se possa gerar mais calor na regio

possibilitando a fuso (ou coalescimento) do metal, sendo ideal a aplicao de uma menor

fora. Porm, durante o incio da soldagem (no incio do tempo de corrente, onde comea a

passagem de corrente), seria importante a aplicao de uma fora maior para permitir que

ocorra o caldeamento entre as chapas (ligao fsica atravs da aplicao de uma grande

presso a um metal aquecido). Por outro lado, esse caldeamento iria reduzir a resistncia

eltrica, razo pela qual o tempo de corrente no pode ser longo, pois se torna pouco

efetivo. Mas como a corrente alta suficiente para sobre-aquecer a regio da solda nos

tempos iniciais da passagem de corrente, ocorreria fuso (ou coalescimento) do metal e

uma fora entre as chapas ao final do tempo de corrente requerida para evitar que as

mesmas se separem, devido a tenses trmicas, e a regio da lente de solda no se forme.

Ento, controlando-se a fora, pode-se evitar a ocorrncia de expulso ou soldagens sem

ligao.

Mas a fora, mesmo assumindo ser a presso mantida constante, pode variar com o

tempo durante uma soldagem. Fonseca e Bracarense (1999) verificaram que a fora

exercida pelo eletrodo, medida por uma clula de carga posicionada no sistema mecnico

de acionamento da pina, varia ao longo da soldagem, como mostra a Fig. 2.9. A fora parte

de um valor inicial e cresce at o incio do tempo de soldagem, quando se mantm

praticamente constante. Durante o tempo de soldagem, estes autores acreditam que a fora

tenha sofrido uma pequena queda, creditadas por eles expanso trmica do material.

Concludo o tempo de soldagem, ela cresce subitamente no momento em que a corrente

para de circular, atingindo um valor mximo. Finalmente a fora vai reduzindo e cai a zero

com o retorno do eletrodo posio inicial, conforme ilustra a Fig. 2.9.

14

Figura 2.9 Curva de fora aplicada no processo de soldagem (FONSECA;BRACARENSE

1999)

J Gedeon et al. (1984) monitoraram a fora aplicada na chapa pelos eletrodos

atravs de clulas de carga (strain gauge) em funo do tempo e obtiveram as curvas da

fora dinmica apresentadas na Fig. 2.10 e na Fig. 2.11. Nota-se que quando ocorre uma

expulso a fora cai rapidamente (Fig. 2.11) caracterizando este efeito, podendo este

distrbio (caracterstica) ser utilizado em um sistema de controle. Porm, o sinal apresentou

rudos e os autores citam que o mtodo de medio utilizado no to acurado e um melhor

mtodo seria uma medio utilizando uma clula de carga piezo-eltrica ou um

acelermetro.

Fora(Libras)

Tempo(Segundos) Figura 2.10 Caracterstica dinmica da fora em uma soldagem sem expulso (GEDEON

et al., 1984 traduzida)

15

Fora(Libras)

Tempo(Segundos) Figura 2.11 Caracterstica dinmica da fora em uma soldagem com expulso (GEDEON

et al., 1984 traduzida)

2.2.5 Refrigerao pelos eletrodos

Como j especificado, o calor neste processo de soldagem se d por efeito

Joule e a maior parte do calor deve ser gerada na regio da lente de solda. Porm,

necessrio que o calor seja dissipado para se concretizar a solda, pelo resfriamento do

ponto. Como o ponto se forma na interface interior das chapas, este calor, como mostra a

Figura 2.12, tem que se dissiparem pelas regies menos quente das chapas.

Figura 2.12 Distribuio do calor no processo de soldagem a ponto

16

O balano do calor no processo de soldagem regido matematicamente por

(BOTHFELD, 2005):

Qliq. = Qent. - Qperdas (2.2)

Pela Lei de Joule:

Qent. = I.R.t (2.3)

Perda de calor no sistema:

Qperdas = Qamb. + QCond.Mat. + QResf.Elet. (2.4) Onde: Qliq. Calor lquido da soldagem [J], usado na formao da lente. Qent Quantidade de calor inserido no sistema [J]. Qperdas Calor perdido [J]. I Corrente eltrica [A]. R Resistncia total no circuito [Ohms]. t Tempo de passagem da corrente eltrica [s]. Qamb. Perda de calor para o ambiente [J]. QCond.Mat. Perda de calor devido condutividade do material a ser soldado [J]. QResf.Elet. Perda de calor devido condutividade e resfriamento do eletrodo [J].

Mas o aquecimento da regio entre a lente de solda e os eletrodos vai fazer com que

a resistncia mecnica da chapa se reduza, facilitando sua deformao (amassamento),

caracterizando um defeito denominado de indentao (alm do aspecto visual ruim, h

reduo da rea da seo das duas chapas). Mas h ainda outro efeito importante como

conseqncia do aquecimento entre a lente de solda e os eletrodos. que maior se torna a

resistncia eltrica neste trecho e mais aquecimento gerado nesta regio, dificultando a

dissipao de calor pela lente de solda e facilitando ainda mais o amassamento

(indentao).

Por isto, muito importante a refrigerao dos eletrodos, ou seja, no para manter o

eletrodo no aquecido pela passagem de corrente por ele (devido a grande rea transversal

e pequena resistividade eltrica, o aquecimento por efeito Joule pequeno), mas

principalmente para refrigerar as chapas e absorver o calor gerado entre chapas e eletrodos.

Pode-se assumir que a perda de calor para o ambiente pequena. Assim, uma

caracterstica muito importante e comum a todos os eletrodos nas operaes de soldagem

por resistncia a refrigerao a gua (Fig. 2.13).

17

Figura 2.13 Refrigerao do Eletrodo (Intermachinery, 2002 modificado)

Porm, por mais eficiente que seja a refrigerao, a interface eletrodos e chapas vai

ficar sempre aquecida. Esta a razo para que a vida til dos eletrodos esteja diretamente

relacionada com uma refrigerao adequada. Como recomendao complementar deve-se

manter as mangueiras de gua esticadas, a fim de evitar a formao de bolsas de vapor e

no conectar a gua de refrigerao em srie com outros eletrodos, evitando com isto o

superaquecimento do eletrodo.

Wolff e Scotti (2005) verificaram que o sistema de refrigerao (o mesmo utilizado

nos ensaios deste trabalho) funciona com eficincia, uma vez que estabiliza as temperaturas

no eletrodo em um valor no muito elevado, garantindo uma boa vida til tanto ao

equipamento quanto aos eletrodos e uma refrigerao eficiente para a realizao de uma

bateria de soldas em seqncia. Eles Mostraram ainda que o sistema trabalhando com a

vlvula by-pass fechada (com uma presso maior 0,579 MPa, conseqentemente, maior

vazo, melhora a refrigerao), comparativamente com a vlvula by-pass aberta (menor

presso na refrigerao 0,186 MPa), a temperatura mxima alcanada no corpo de eletrodo

foi sempre menor no caso da vlvula fechada, sendo que para uma corrente de 5 kA a

temperatura diminuiu de 86,75C para 56,21C. Destas informaes pode-se dizer que se o

eletrodo aquece mais, menor a sua capacidade de troca de calor, afetando o desempenho

da soldagem. Ou seja, a vazo da gua, consequentemente a refrigerao pelo eletrodo,

de extrema importncia neste processo.

18

2.2.6 Eletrodos

Os eletrodos tm uma fundamental importncia no processo de soldagem a ponto

por resistncia, pois so neles que se d os contatos mecnico e eltrico entre as peas a

serem soldadas. tambm atravs deles que se aplica a fora necessria para a formao

do ponto de solda e onde flui a corrente de soldagem necessria para unir os materiais.

Alm disso, os eletrodos absorvem calor atravs da superfcie da pea de trabalho.

Mas, por outro lado, os eletrodos devem manter a sua forma e caractersticas

originais de condutividade trmica e eltrica sob severas condies de trabalho (GEDEON

et al., 1984). As dificuldades para manter o bom desempenho do eletrodo se devem aos

grandes gradientes de temperatura a que eles esto sujeitos (Fig. 2.14), alm das grandes

foras compressivas. Como conseqncia, os eletrodos esto constantemente mudando as

geometrias de suas pontas (deformao elstica e plstica), levando ao desgaste e/ou

alterao de forma.

Figura 2.14 Perfil de temperatura (C) estimada durante a soldagem (RWMA, 1989)

Alm disto, principalmente no caso da soldagem de chapas galvanizada, h ainda a

difuso qumica na superfcie do eletrodo. Guedes (2004), em seus ensaios, observou o

depsito de zinco na superfcie do eletrodo. Ento, fez um estudo mais aprofundado e

confirmou que em alguns casos, aps o eletrodo ser utilizado vrias vezes, surgiam trs

camadas distintas de material na superfcie do eletrodo, sendo o metal de base (cobre),

zinco depositado na superfcie e, entre estas duas camadas, uma camada de lato (a Fig.

2.15 mostra as trs camadas com marca das indentaes que diferenciou o tipo de

material). Em outros casos apareciam duas camadas, a do metal base (cobre) e a de lato.

Essas camadas presentes na superfcie dos eletrodos fazem com que tanto a resistividade

eltrica quanto a resistncia deformao da ponta eletrodo sejam aumentadas, fazendo

com que esta regio aquea alm do projetado (previsto).

19

Figura 2.15 Camadas de zinco difundidas no cobre do eletrodo (GUEDES, 2004)

Por ter um papel muito importante na soldagem, os eletrodos so construdos com

diferentes geometrias, cada qual com sua finalidade e aplicao. Os mais utilizados so

mostrados na Figura 2.16. Nota-se que existe uma grande diferena entre as geometrias da

ponta do eletrodo, sendo que no eletrodo plano o contato se d pela rea total definida pelo

dimetro do corpo do eletrodo, enquanto que em outras configuraes a rea bem menor

que uma seo do corpo do eletrodo, como o caso do truncado. Essa geometria define a

densidade de corrente que vai passar pelas peas a serem soldadas.

Figura 2.16 Tipos mais utilizados de eletrodo na soldagem a ponto (Intermachinery, 2002)

20

Os materiais para eletrodos em soldagem por resistncia so classificados pela

RWMA (Resistance Welders Manufacturers Association - 1989) da seguinte forma:

GRUPO A Ligas de cobre GRUPO B Materiais refratrios e compsitos GRUPO C Materiais especiais

Dentro de cada Grupo, os eletrodos ainda so classificados por classes, ou seja:

Classe 1: composta de materiais no tratveis termicamente e endurecidos por trabalho a frio, que no afeta as altas condutibilidades trmica e eltrica;

Classe 2: composta por materiais com propriedades mecnicas mais altas e condutibilidades eltrica e trmica mais baixa em relao aos eletrodos da Classe 1. As

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

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

mais utilizados e podem se adequar a uma ampla faixa de metais e condies;

Classe 3: composta por materiais com propriedades mecnicas mais altas e menores condutibilidades trmica e eltrica, quando comparadas com aquelas dos eletrodos da

Classe 1 e 2. A Tab. 2.1 resume a classificao dos eletrodos por grupo e classes.

Tabela 2.1 Classificao dos eletrodos de soldagem a ponto pela RWMA (1989)

GRUPO CLASSE Rockwell (HBR mn.) Condutividade (% IACS mn.)

Material do eletrodo Material a ser soldado

A

1 65 80 Cobre - Zircnio

ligas de alumnio, ligas de magnsio, materiais revestidos (galvanizados), lato e bronze.

2 75 75 Cobre - Cromo

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

3 90 45

Cobre - Cobalto - Berlio - Nquel

materiais de alta resistncia como aos inoxidveis, aos nquel-cromo.

B

10 72 45 Cobre - Tungstnio materiais altamente condutores como ligas de Cu e Ag, eletro-conformao, eletro-forjamento. Materiais pouco condutores como os aos inoxidveis, onde altas foras devem ser aplicadas.

11 94 40 Cobre - Tungstnio

12 98 35 Cobre - Tungstnio 13 69 30 Tungstnio 14 85 30 Molibdnio

C 20 75 75 Materiais especiais CuAl2O3

metais com revestimento metlico como aos galvanizados, aos doces e aos baixo carbono

21

Segundo Gedeon et al. (1984), em relao a eletrodos tipo tronco-cnico, a faixa de

soldabilidade aumentada em chapas galvanizadas. J com eletrodos circunfernciais

(esfricos), no h mudana na faixa de soldabilidade quando se utiliza chapas com ou sem

revestimentos. Esses eletrodos (esfricos) tambm utilizam menores faixas de corrente

quando comparados com os eletrodos truncados (tronco-cnico).

2.2.7 Espessura e tipo de material das chapas

Em princpio, a soldagem a ponto por resistncia foi desenvolvida para soldar chapas

de ao ao carbono sem adio de ligas ou revestimentos. Os parmetros de soldagem eram

menos evoludos, tanto pela falta de tecnologia da poca quanto pelo grande campo de

soldabilidade deste tipo de material, o que no demandava parmetros mais sofisticados.

Porm, com o desenvolvimento de novos materiais com adio de ligas para melhoria das

propriedades mecnicas das chapas, ou mesmo pelo uso de revestimentos para

proporcionar maior resistncia corroso das mesmas, os campos de soldabilidade ficaram

restritos e a soldagem ficou mais difcil de ser realizada, demandando o desenvolvimento

tecnolgico do processo.

A composio de um metal determina seu calor especfico, temperatura de fuso,

calor latente de fuso e condutibilidade trmica. Estas propriedades governam a quantidade

de calor requerida para fundir o metal e produzir uma solda (AWS, 1998). Em metais de alta

condutibilidade trmica, tais como cobre, pouco calor desenvolvido mesmo sob altas

densidades de corrente. A pequena quantidade de calor gerado rapidamente transmitida

para dentro do material circundante e para os eletrodos. Como enfatizado por Machado

(1996), no caso do alumnio e suas ligas, tambm se tem a dependncia marcante da

condutividade trmica, exigindo uma maior intensidade de corrente para a realizao da

solda. Esses altos valores so limitados pelo equipamento de soldagem, j que aumentar o

tempo de corrente no tem efeito significante. Estas caractersticas so as principais

dificuldades de se soldar chapas de maiores espessura ou de alta condutividade.

A adio de ligas e/ou revestimentos no material das chapas influencia diretamente a

resistividade eltrica do material e essas modificaes afetam diretamente o aquecimento

por resistncia durante a soldagem. De acordo com a AWS (1998), para o caso de adio

de alguns elementos de liga, ou combinaes destes, na soldagem em aos baixo-carbono

e aos baixa-liga de alta resistncia os mesmos podem fornecer propriedades tanto

indesejveis quanto desejveis, dependendo do elemento e de sua quantidade. Por

exemplo, o fsforo, o enxofre, o titnio, o nitrognio e o oxignio, quando em excesso,

favorecem a ruptura interfacial da solda quando esta submetida ao ensaio de

22

arrancamento. O titnio, quando em quantidade superior a 0,18%, reduz o dimetro mximo

da lente de solda, a resistncia trao axial e cisalhante e a faixa de corrente. J o efeito

negativo do nitrognio pode ser diminudo ou mesmo eliminado com a introduo de

alumnio, como nos aos acalmados ao Al.

Em chapas galvanizadas, a camada de zinco presente na superfcie do material faz

com que a resistncia eltrica diminua, pois o zinco apresenta uma resistividade menor

quando comparado ao ao ao carbono. Devido a este fato (resistncias de contato serem

mais baixas nos aos galvanizados), para se produzir dimetros satisfatrios de pontos de

solda, tempos e nveis de corrente de soldagem so necessariamente mais altos, quando

comparados aos aos no revestidos (BRANCO, 2004). Alm disso, durante a formao de

uma solda a ponto entre duas chapas de ao revestidos com Zn, o zinco na interface

sobreposta se funde e radialmente deslocado da zona de solda para formar uma aurola

que circunda a solda (Intermachinery, 2002). De acordo com esta referncia, esta aurola

desvia a corrente para passar ao redor da zona de solda, deixando menos corrente

disponvel para a formao de lente. Com isso, necessrio aumentar o valor da corrente

para gerar a solda. J Gedeon et al. (1984) dizem em seu trabalho que pequenas variaes

na espessura do revestimento hot-dipped no afetam significantemente a faixa de

soldabilidade aceitvel.

Outro fator que influencia diretamente na resistncia do conjunto a ser soldado a

espessura das chapas. Chapas mais espessas dissipam mais o calor e tenderia apresentar

o mesmo efeito de um material com alta condutividade trmica. Porm, quanto maior a sua

espessura, maior ser a resistncia total passagem de corrente no incio do processo

(devido resistncia RB2 e RB3 da Fig. 2.4). Um aquecimento significativo ao longo da

espessura da chapa, de forma concorrente com o mencionado acima, dificulta a dissipao

de calor durante o tempo de corrente (t menor), facilitando a formao da lente. Por outro

lado, faz diminuir a resistncia mecnica das chapas, facilitando a indentao. O aumento

da espessura em si tambm tem influncia sobre o efeito mecnico, ou seja, quanto maior a

espessura e/ou a resistncia mecnica da chapa, maior ser a fora aplicada pela pina

para que se consiga o efeito de caldeamento, os efeitos conjuntos acima apontados levam

maior indentao.

2.3 - Equipamentos de Soldagem a Ponto por Resistncia

Segundo Grunzel (2004) at o fim dos anos 80, a corrente em soldagem a ponto por

resistncia era gerada por um transformador na mesma freqncia da rede eltrica (50/60

Hz). Esta freqncia considerada baixa e designada por LF, do ingls Low Frequency.

23

Transformadores monofsicos produzem corrente alternada (no caso, representada por AC,

do ingls alternating current), ento as fontes que utilizam a freqncia da rede e

produzem uma corrente alternada recebe a designao de LF/AC. Porm, esse tipo de

transformador no atendia a maiores demandas de potncia quando requeridas. Com isso

transformadores trifsicos com pontes retificadoras gerando um uma corrente constante

(CC) foram desenvolvidos para conseguir suprir a maior demanda. Entretanto, devido alta

induo dos transformadores trifsicos, a regulagem da corrente era dificultada no

apresentando resultados apropriados, alm disso, estes transformadores eram grandes e

pesados.

Com a introduo de novos materiais na indstria automobilstica (ao de alta

resistncia mecnica, alumnio, etc.), uma maior energia de soldagem passou a ser

necessria, com modelagem e controle mais exato dos parmetros de solda. O uso de

robs na soldagem exigiu a construo de pistolas de solda com transformadores

integrados, a fim de superar os problemas de perda de energia pelos cabos secundrios.

Passou a ser necessrio tornar o conjunto pistola-transformador o mais compacto e leve

possvel.

Como os transformadores trifsicos apresentavam os problemas citados, no

conseguiam atender os avanos tecnolgicos. Surgiu assim a idia de operar o

transformador a uma freqncia mais alta do que os 60 Hz da rede, para reduzir seu peso e

dimenses e alcanar um melhor controle do processo. Essa freqncia foi sendo

aumentada e descobriu-se que com 1 kHz tem uma otimizao da relao rendimento e

perda de potencia (GRUNZEL, 2004). Com isso, os transformadores puderam ser fabricados

com menor quantidade de ferro-silcio necessrio no ncleo do transformador, alm de

melhorar o controle do processo de soldagem. Utilizando-se uma corrente contnua em

mdia freqncia (1 kHz) e produzindo na sada um sinal de corrente praticamente

constante, esses transformadores so conhecidos como MF/DC (do ingls Medium

Frequency combinado com Direct Current).

2.4 - Desafios Tecnolgicos na Soldagem a Ponto por Resistncia

Apesar da simplicidade do processo de soldagem a ponto por resistncia quando

comparado a outros processos de soldagem, alguns distrbios podem ocorrer no ponto de

solda realizado. A Fig. 2.17 mostra possveis dificuldades ou defeitos que podem aparecer

durante a realizao do ponto de solda.

24

Figura 2.17 Possveis problemas na realizao do ponto de solda (MATUSCHEK; POELL,

2005, traduzida)

Com o intuito de evitar ou minimizar os distrbios que possa ocorrer durante o

processo de soldagem, melhorias tecnolgicas tm sido implantadas nas mquinas de solda

a ponto, como novas fontes controladas eletronicamente; transformadores que trabalham

com altas freqncias e com maior potncia; transformadores que esto sendo colocados

nos braos dos robs, em automao; melhores sistemas de controle de fora, etc

(VARGAS, 2006).

Uma outra abordagem para melhorar o produto final em solda a ponto controlar os

parmetros de solda, procurando compreender os efeitos destes sobre a geometria e

resistncia mecnica do ponto formado. Neste sentido, a literatura cientfica tem sido

direcionada para pesquisas sobre a formao e crescimento da lentilha de solda e a

influncia dos parmetros neste crescimento.

2.5 Resistncia Dinmica

Uma caracterstica muito importante a ser monitorada na soldagem a ponto a

resistncia dinmica, podendo ser utilizada como parmetro em um sistema de controle.

Kaiser et al. (1982) e Fonseca e Bracarense (1999) usam a definio de que e a resistncia

dinmica a razo entre os valores de pico da tenso e da corrente tomados em cada meio

ciclo. Traando-se esses valores em funo do tempo, obtm-se uma curva caracterstica

para uma determinada aplicao. J Tan et al (2004) dizem que o estudo das mudanas da

resistncia eltrica durante a soldagem (resistncia dinmica) pode ajudar a entender os

mecanismos do processo, otimizar os parmetros do processo e desenvolver estratgias

para controle de qualidade da solda realizada. Ainda mostram que a resistncia dinmica

pode ser calculada pela equao 2.5, variando ao longo do tempo:

25

Rdinmica = Rmat + Rpel + Rcon (2.5)

Onde, de acordo com os autores:

Rmat Resistncia do material da chapa ao longo da espessura, calculada, por: RMat = . L / A (2.6) resistividade do material L comprimento do percurso da corrente A rea transversal do percurso da corrente Rpel Resistncia do revestimento ou pelcula (contaminante na superfcie), calculada por: RF = t . . H / F (2.7) t resistividade do revestimento ou da pelcula

fator presso (0,2 para superfcie consideravelmente elstica, 1,0 para totalmente plstica e 0,7 uma aproximao razovel)

H dureza do material F fora compressiva

Rcon Resistncia de constrio

RC = 0,89 . (H/nF)1/2 (2.8)

resistividade do ponto de contato n numero de pontos de contato

Esses ltimos autores (TAN et al. 2004) ainda citam, de uma forma no muito

esclarecedora da definio das resistncias que apresentam, que a resistncia de contato

igual resistncia de constrio para metais com superfcie limpa. Por outro lado, definem

no incio do artigo que as resistncias eletrodo-chapa e chapa-chapa so as resistncias de

contato.

Segundo Chien e Kannatey (2003), a curva de resistncia dinmica, calculada pela

razo do pico de corrente pelo pico de tenso correspondente. Para uma chapa

galvanizada, apresenta os pontos indicados na Fig. 2.18 e definidos na lista abaixo:

26

Figura 2.18 Curva caracterstica da Resistncia Dinmica segundo Chien e Kannatey

(2003)

1 A resistncia do primeiro pico de corrente do primeiro meio ciclo; 2 A menor resistncia, quando a camada de zinco totalmente fundida (no caso de uma

chapa galvanizada);

3 O pico de resistncia, ou seja, o valor mais alto alcanado pela resistncia (a faixa de crescimento da resistncia entre o 2 e o 3 ponto usado como indicao do

crescimento da temperatura entre as chapas);

4 A resistncia ao final do ciclo de solda (o tempo relativo entre o 3 e o 4 ponto muito utilizado como indicao de um bom tamanho do ponto de solda).

Dickinson et al. (1980) calculam de forma um pouco diferenciada a resistncia

dinmica, ou seja, eles assumem que a resistncia dinmica deve ser computada dividindo-

se os valores instantneos de tenso pelos valores instantneos de corrente

correspondentes. Na reviso bibliogrfica de seu artigo, citam que vrios autores reportam

variao dos parmetros eltricos durante a soldagem de aos. E apresentam, pela Fig.

2.19, uma outra curva para a resistncia dinmica (um pouco diferenciada da apresentada

na Fig. 2.18). Observa-se pelos oscilogramas de corrente e tenso que inicialmente a

corrente diminui e a tenso comea a aumentar.

27

S em E xpuls o

C om E xpuls o

Tempo (c ic los )

S em E xpuls o

C om E xpuls o

Tempo (c ic los ) Figura 2.19 - Representao esquemtica dos parmetros eltricos na soldagem de ao

doce (DICKINSON; FRANKLIN; STANYA, 1980 traduzida)

De acordo com os autores, o comportamento acima pode ser melhor representado

por uma curva de tpica de resistncia dinmica esquematizada, mostrada na Fig. 2.20.

Nota-se que no incio da soldagem (primeiro ciclo de soldagem) a resistncia ainda alta

devido a fatores isolados ou em conjunto, tais como asperezas da superfcie do material,

possvel filme (pelcula) de leo (que utilizado para evitar oxidao no armazenamento das

chapas), camada de oxidao e outros contaminantes que possam estar aderidos na

superfcie. Depois, a resistncia cai rapidamente, quando a camada de zinco fundida, e

aumenta novamente para um maior valor. Aps atingir esse mximo, a resistncia vai

caindo ao longo do tempo. Caso ocorra a expulso de material, a resistncia cai

repentinamente a um valor bastante baixo.

Aps o primeiro ciclo de soldagem, essa resistncia comea a diminuir devido

quebra da superfcie, tanto pela aplicao da fora dos eletrodos sobre as chapas como

pelo incio da passagem de corrente (momento caracterizado no incio da curva de

resistncia da Fig. 2.19 e pela regio I da Fig. 2.20). Aps essa quebra, ocorre o contato

direto metal-metal na regio onde se formar a lente de solda. Porm, a resistncia ainda

diminui um pouco devido ao amolecimento das asperezas e ao aumento da rea de contato

com os eletrodos. Concomitantemente, ocorre o aumento da temperatura, apesar da

reduo na resistividade da regio de solda. A competio entre esses efeitos determina o

mnimo da resistncia no processo (Fig. 2.19 e regio II da Fig. 2.20).

28

Quebradas uperfc ie

Aumento daTemperatura

1 F us o

C res c imento daL enteC olaps oMecnico

E xpuls o

TempoRes

istncia

A lis amento das as perezas

Quebradas uperfc ie

Aumento daTemperatura

1 F us o

C res c imento daL enteC olaps oMecnico

E xpuls o

TempoRes

istncia

A lis amento das as perezas

Figura 2.20 Resistncia dinmica segundo Dickinson, Franklin e Stanya, (1980 traduzida)

Logo aps, a resistncia volta a aumentar continuamente, como co