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Faculdades Integradas Torricelli Adriano da Silva
Caroline Ludgero da Silva Cleosomil Medeiros Torres Junior
Paulo Tomé da Silva Luciano Travalon
Análise de substituição de
processo de soldagem MIG
Guarulhos 2013
Faculdades Integradas Torricelli Adriano da Silva RA: 0000019654
Caroline Ludgero da Silva RA: 0000020486 Cleosomil Medeiros Torres Junior RA: 0000020768
Paulo Tomé da Silva RA: 0000020487 Luciano Travalon RA: 0000019706
Análise de substituição de
processo de soldagem MIG
Monografia apresentada as Faculdades Integradas Torricelli apresentada a titulo de graduação do curso de Engenharia Elétrica .
Orientador : Luiz Vasco Puglia
Guarulhos 2013
Agradecimentos
Agradecemos primeiramente a Deus, por ter
derramado suas benções sobre nós, dando-
nos força e sabedoria para que
completássemos, com sucesso, mais está
etapa de nossa caminhada.
Ao amigo Luiz Vasco Puglia, pela atenção,
apoio e amizade durante o processo de
definição e orientação.
Ao Doutor Mestre José Luis Alves de Lima
pela realização do trabalho de conclusão.
Ao Mestre Professor Rogério Camilo, pela
contribuição em conhecimento dedicado para
desenvolvimento do presente trabalho.
As Faculdades Integradas Torricelli, pela
oportunidade de realização do curso de
graduação.
Aos nossos familiares, pela paciência e
compreensão por dispor de tempo e local
para o desenvolvimento do trabalho.
Resumo
Indústrias Metalúrgicas são grandes usuárias de processos de soldagem.
Convencionalmente a união de metais por solda elétrica se faz por alguns
processos conhecidos como solda por eletrodo, Material Inertial Gás (MIG),
Tungstênio Inertial Gás (TIG) e arco submerso, que é apenas uma derivação do
processo MIG. Uma nova técnica, não recente, mas ainda pouco aplicada, tem
sido agora utilizada principalmente na indústria automobilística, que recebe o
nome soldagem por resistência elétrica, ou solda a ponto. O processo de solda
ponto apresenta diversas vantagens sobre outros métodos. Utilidades como gás
de proteção, material a ser depositados, cabos de contatos e terminais de fixação
não são necessários neste processo que o torna mais econômico. A mão de obra
para sua produção não necessita de especialização também, outro fator a ser
considerado. A união entre dois metais ocorre pela formação de um poço de fusão
causado pela passagem de uma corrente elétrica de alto valor em uma área de
dimensões reduzidas, impondo desta forma uma perda Joule de valor elevado e
resultando na fusão destes materiais. Este estudo de caso propõe a analise de
emprego alternativo de método de produção em uma indústria metalúrgica
localizada na cidade de Guarulhos, na produção de grades separadoras metálicas.
Estas grades apresentam durante o processo de montagem duas fases distintas,
uma de estampagem de um encaixe mecânico na peça base e uma segunda
etapa de soldagem de um separador na mesma. Através da solda por resistência
elétrica, obtém-se em uma única operação o recravamento do separador a peça
base com ganho de tempo e mão de obra, além da qualidade da soldagem final
que por não apresentar respingos característicos do uso inadequado de outros
processos, dispensando assim a mão de obra de preparação e de acabamento.
Palavras chave: Solda ponto, solda MIG, qualidade.
Abstract
Metalworkers are big users of welding processes. Conventionally the union of
metals by welding is done by some process known as welding electrode material
Inertial Gas (MIG), Tungsten Inertial Gas (TIG) and submerged arc, which is just a
derivation of MIG. A new technique, not recent, but still little used, now has been
mainly used in the automobile industry, which is called electrical resistance welding
or spot welding. The process of spot welding has several advantages over other
methods. Utilities such as shielding gas, the material to be deposited, contacts and
cables terminal fixing are not needed in this process that makes it more
economical. The labor for their production does not require specialization also
another factor to be considered. The union between two metals occurs through the
formation of a well melting caused by the passage of an electric current of high
value in an area of reduced dimensions, thus imposing a loss Joule high value,
resulting in the fusion of these materials. This case study aims to analyze
employment alternative production method in a metallurgical industry in the city of
Guarulhos, in the production of metal grates. These grids have during the
assembly process two distinct phases, one embossing of a latching mechanism in
the base part, and a second step of welding a tab on it. Through electric resistance
welding, obtained in a single operation of grip on the separator base part with a
gain of time and manpower, besides the quality of final welding spatter that by not
showing characteristic inappropriate use of other process, eliminating so the labor
of preparation and finishing.
Keywords: Spot welding, MIG welding, quality
Sumário
1 Introdução ........................................................................................................ 11
1.1 Estado da arte ............................................................................................. 12
1.2 Objetivo ....................................................................................................... 13
1.3 Estrutura do trabalho ................................................................................... 14
2 Fundamentação teórica ................................................................................... 15
2.1 Solda MIG .................................................................................................... 15
2.2 Solda por resistência elétrica ou solda ponto ............................................... 17
2.3 Capacitor ...................................................................................................... 25
3 Metodologia ..................................................................................................... 30
3.1 Estudo da aplicação de capacitores na realização da solda ponto .............. 30
4 Estudo de caso ................................................................................................. 41
4.1 Estudo da aplicação de maquina de solda ponto para realização da
soldagem ........................................................................................................... 43
4.2 Adaptações e melhorias .............................................................................. 45
4.2.1 Adição de pressão ................................................................................ 45
4.2.2 Ajuste mecânico e elétrico dos eletrodos .............................................. 46
4.2.3 Circuito controlador ................................................................................ 48
4.3 Funcionamento e testes .............................................................................. 51
5 Conclusões e projetos futuros ....................................................................... 59
6 Bibliografia ...................................................................................................... 61
7 Anexos ............................................................................................................ 62
Lista de siglas U= tensão de soldagem (V);
I= corrente de soldagem (A);
V= velocidade de soldagem ( mm/s);
r= rendimento térmico (perdas por radiação e condução);
J= constante (4,185J);
I= corrente de soldagem, ou corrente no secundário (A);
t= Tempo que a corrente circula (s);
R= Resistências do circuito (Ω);
MIG= Metal Inert Gas;
MAG= Metal Active Gas;
Q= Quantidade de energia (Coulomb);
Ep= Equação primária;
Es= Equação secundária;
Ip= Corrente primária (A);
Is= Corrente secundária (A);
Pentrada= Potência de entrada(W);
Psaída= Potência de saída(W);
D= Densidade da corrente;
A= Aréa;
CA= Corrente Alternada (A);
CC= Corrente Continua (A);
C= Campo elétrico (Farads);
F= Força (N);
E= Intensidade do campo elétrico;
d= Distância (m);
€= Permissividade;
µ= Micro ( ;
Kg= Quilograma (10³);
MPa= Mega Pascal ( ;
Ø= diâmetro;
mm= milímetros;
mm²= milímetros quadrado;
CLP=Circuito Lógico Programável
Lista de figuras
1. Processo básico de soldagem MAG / MIG ................................................. 15
2. Ciclo de solda ............................................................................................ 17
3. Relação de resistências no secundário ..................................................... 18
4. Capacitor ................................................................................................... 26
5. Dipólos de um Capacitor ........................................................................... 28
6. Ligação de capacitores em paralelo .......................................................... 29
7. Layout do protótipo da máquina de solda por descarga capacitiva ............ 31
8. Protótipo da máquina de solda por descarga capacitiva ........................... 32
9. Circuito resistivo para limitação de corrente .............................................. 33
10. Cavalete de madeira ................................................................................. 34
11. Associação de capacitores ....................................................................... 35
12. Chapa de aço dobrada para testes ........................................................... 37
13. Parte superior da chapa de aço após teste. .............................................. 38
14. Parte inferior da chapa de aço após teste ................................................ 38
15. Eletrodo inferior desgastado após teste .................................................... 39
16. Barras portantes com chanfro ................................................................... 42
17. Máquina de solda ponto ............................................................................ 43
18. Peça resultado da solda sem chanfro e sem adição de pressão ............... 44
19. Chassi da máquina com adaptação de pistão pneumático ........................ 46
20. Eletrodos adequados para aplicação da solda do gradil ........................... 47
21. Disposição dos conectores entre o secundário da máquina e eletrodos. .. 48
22. Circuito dos comandos ............................................................................... 49
23. Visão interna do painel de controle ............................................................ 50
24. Máquina de solda e painel de controle ...................................................... 51
25. Acoplagem dos pesos para maior tensão no ponto da solda .................... 53
26. Adição de peso com maior impacto sobre o ponto da solda ...................... 53
27. Ponto de solda e tensão ocasionada pelo teste de tração ........................ 54
Lista de tabelas
1. Testes de soldagem por descarga capacitiva ............................................ 36
2. Análise de variação de pressão ................................................................. 55
3. Análise da variação de tempo de descarga de corrente ............................. 56
4. Análise de variação de pressão na posição dois de funcionamento da
máquina de solda ...................................................................................... 56
5. Análise da variação do tempo de descarga na posição 2........................... 57
6. Análise de repetibilidade ............................................................................. 58
11
1- Introdução
Existem três grandes grupos de processos de utilizados para a união de
materiais, a soldagem, a abrasagem e solda branda, sendo que cada um desses
possui aplicações distintas. Desses grupos pode-se destacar principalmente a
soldagem devido ao seu largo emprego na indústria. Nesse caso, a união de dois
materiais é realizada, ou através da fusão dos mesmos por contato, ou pela fusão
de ambos e adição de outro material fundido ou ainda pelo contato dos materiais
nas fases sólidas ou semi-sólidas. Esse é o processo que provoca maior distorção
no seu material base, sendo que a grande área de atuação é entre os metais e
suas ligas devido sua versatilidade e boas propriedades mecânicas que se obtém
através dele.
Existem fortes indícios de que a prática de unir matérias tenha começado a
mais de quatro mil e oitocentos anos, nos vales do Nilo e Tigre-Eufrates, muito
embora a união dos matérias como é concebida hoje apenas se desenvolveu no
final do século XIX, ganhando impulso nos últimos 60 anos.
Entre os marcos na história pode-se aliar as duas grandes guerras como
pontos de grande desenvolvimento de técnicas de soldagem, sendo que durante a
1ª Guerra Mundial foi fabricado na Inglaterra o primeiro navio totalmente soldado
(HMS Fulagar) e as técnicas de solda por arco Elétrico com eletrodo revestido,
oxigás e oxicorte foram estabelecidas.
Outro marco importante que caracteriza o processo industrial de soldagem
como nós conhecemos hoje foi a disposição de fontes com transistores de
potência que utilizam tecnologia inversora. Isso possibilitou controlar os
parâmetros de soldagem e demais operações através de (micro) computadores.
Daí a expansão de uso de robôs para soldagem.
Assim como as técnicas de soldagem o conceito de soldagem também se
modificou bastante, em 1987 o “WELDING HANDBOOK” (8ª edição) definiu:
“Solda: uma coalescência localizada de metais ou não-metais, produzida ou pelo
aquecimento dos materiais até a temperatura de soldagem, com ou sem a
12
aplicação de pressão, ou pela aplicação de pressão somente, com ou sem o uso
de metal de adição. ”
A união de materiais, como outras tecnologias, é dinâmica e depende de
diversos fenômenos correlatos como calor, magnetismo, eletricidade, luz, som,
além de propriedades dos materiais, físicas, mecânicas, químicas,
eletro/eletrônica e outras.
Em uma analise atômica, a união entre dois materiais para ser realizada,
depende do espaçamento interatômico, pensando-se simplesmente na atração
entre átomos de corpos distintos. Uma solda seria espontânea se as superfícies
estivessem convenientemente próximas, mas isso ainda não foi possível devido a
necessidade de superfícies planas a nível atômico e também a inexistência de
camadas oxidadas e gás absorvido pela superfície. Os processos de soldagem
visam contornar esses problemas, por isso todo processo de união preenche no
mínimo os requesitos:
Fornecer energia para realizar a união (fusão, pressão, difusão, etc.);
Possuir mecanismos para remover contaminação das superfícies a serem
unidas;
Prevenir a contaminação atmosférica, ou seus efeitos;
Permitir que os mecanismos e fenômenos envolvidos sejam controlados.
1.2 -Estado da arte
Autores citados que embasam o trabalho e sua estrutura teórica estão
relacionados a seguir, bem como seus principais conceitos apresentados.
A Sociedade Americana de Soldagem (1987) descreve em seu livro o que
caracteriza uma solda e todas as suas possíveis variações de métodos aplicados,
diferenciando e classificando soldagem de outros processos de ligação entre
metais.
No livro de Soldagem e Técnicas Conexas de Ivan Guerra Machado (1996)
descreve-se os variados tipos de soldagem e técnicas de junção de ligas, onde
são apresentadas características especificas de cada tipo de processo de
13
soldagem, sendo os principais conceitos de MIG, TIG, Eletrodo, Arco Submerso,
apresentados com grande profundidade.
Já Hiraldo Luiz Osório Branco (2004) apresenta em sua dissertação
características e estudos específicos aplicados a solda ponto, mas apenas em
soldagem de chapas de pequena espessura, não aplicada com profundidade
necessária ao nosso processo.
Robert L. Boylestad, em seu livro Introdução á Analise de Circuitos (1997) 8ª
edição, apresenta as teorias usadas para analisar eletricamente o funcionamento
do transformador de uma máquina de solda ponto. Boylestad apresenta também
uma descrição e analise de circuitos capacitivos que foram fundamentais para
aplicação de disposição dos capacitores no estudo de solda por descarga
capacitiva.
A associação destes conceitos acima adquiridos com a necessidade do
desenvolvimento de um processo produtivo que é utilizado como base deste
trabalho, resulta no estudo de caso a seguir.
1.3 Objetivo
O objetivo geral deste trabalho é realizar a analise e aumento de qualidade na
produção do ponto de solda em material de confecção de gradil de proteção com
barras metálicas.
O projeto visa apresentar uma alternativa para o meio já existente e aplicado
na qual a base é a união dos materiais utilizando solda MIG. A alternativa que foi
estudada se baseia na solda por resistência elétrica.
Os objetivos específicos são:
Resistência do ponto de solda semelhante ou superior a obtida por
solda MIG
Produzir uma solda limpa que não gere respingos que possam
comprometer posteriormente o material sendo pontos de fácil oxidação.
Diminuir o tempo de trabalho por ponto de solda eliminando a parte de
estampo da barra portante.
14
1.4 Estrutura do trabalho
A primeira parte do trabalho apresenta a fundamentação teórica necessária
para estruturar e embasar cálculos e conclusões descritas e desenvolvidas
com esse estudo. Sendo apresentado com foco especial no trabalho, uma
analise de capacitores e circuitos de associação de capacitores. Dedicado
também estudo especial para a técnica de soldagem por resistência elétrica,
também conhecida como solda ponto, onde foram apresentadas também
estudos sobre transformadores.
A seguir são apresentados os desenvolvimentos e aplicações do trabalho,
onde dedicada boa parte do tempo com desenvolvimento de um protótipo de
máquina de solda por descarga capacitiva. Demonstrado também um estudo
da adaptação de uma máquina de solda ponto para obtenção dos objetivos
iniciais.
A terceira parte apresenta as conclusões e estudos futuros que visam
melhorias para a aplicação industrial da adaptação do método de solda ponto.
15
2- Fundamentação teórica
Esse capítulo tem como objetivo apresentar os estudos que possibilitaram
embasar esse projeto. Além de dissertações e livros, foram citadas também
apostilas de fabricantes devido a sua fácil abordagem o que permitiu maior clareza
na análise.
2.1- Solda MIG/MAG
O processo utilizado como base de análise a ser substituído, MIG /MAG, ou
soldagem ao arco elétrico com gás de proteção, onde é estabelecido um arco
elétrico entre a peça e o consumível na forma de arame. O arco funde
continuamente o arame à medida que este alimenta a poça de fusão. O gás (ou
mistura de gases) que pode ser ativo ou inativo é utilizado para proteger a solda
da atmosfera.
A figura 1 (ESAB) demonstra o processo de soldagem.
Fig. 1- Processo básico de soldagem MAG / MIG
16
O processo de soldagem MIG/MAG funciona com corrente contínua (CC)
normalmente com arame no polo positivo, configuração conhecido como
polaridade reversa. A polaridade direta é raramente utilizada por causa da
transferência deficiente do metal fundido do arame de solda para a peça.
Comumente são empregadas correntes de soldagem de 50A até mais de 600A e
tensões entre 15 V a 32 V. Nesse processo, para se obter um arco elétrico
autocorrigido e estável é necessário o uso de uma fonte de tensão constante e
com alimentador de arame de velocidade constante.
O método de soldagem MIG/MAG é bastante simples em escolha de
equipamentos, arame, gás de proteção e condições de soldagem sendo capaz de
produzir soldas de alta qualidade e baixo custo.
2.2- Solda por resistência elétrica ou solda ponto
O princípio do processo de solda por resistência elétrica reside na
passagem de corrente elétrica entre dois eletrodos não consumíveis que
comprimem peças distintas. Devido a maior resistência ser apresentada entre as
peças em contato, ocorre a fusão nesse local, formando a solda.
Usualmente a sequência do processo de soldagem por solda ponto é:
Os eletrodos pressionam as peças
Há passagem de corrente durante tempo suficiente para que ocorra a
fusão, formando o “ponto”.
A passagem de corrente para, porém os eletrodos continuam pressionando
as peças até que o metal de solda se solidifique.
Os eletrodos então são retraídos.
Essa sequência trata do ciclo mais simples que pode ser utilizado. Ciclo da
solda ponto pode ser visualizado na figura 2 (VOLKSWAGEN, 2000), onde Fe é à
força de soldagem e Is à corrente de soldagem.
17
Fig. 2 – Ciclo de solda
Podem ser utilizadas fontes de potência de corrente alternada CA ou
corrente contínua CC, ambas operando em uma ou três fases. Além desses tipos,
podem ser usados dispositivos para acumular e liberar energia em um curto
espaço de tempo (tais dispositivos podem ser bancos de capacitores).
As tensões empregadas variam de 1V a 20V, podendo raramente alcançar
30V. O tempo de aplicação da corrente pode variar de 0,01 segundo para alguns
segundos dependendo da espessura do material.
A energia para a fusão e formação do ponto de solda é gerada nos contatos
elétricos e nas peças. Essa energia pode ser definida pela equação segundo a lei
de joule apresentada na fórmula abaixo descrita por Ivan (Soldagem e Técnicas
Conexas) em seu livro:
Onde:
Q= representa a quantidade de energia;
r= rendimento térmico (perdas por radiação e condução);
J= constante (4,185J);
18
I= corrente de soldagem ou corrente no secundário – Is (A);
T= tempo que a corrente circula (s);
R = somatório de resistências do sistema (Ω)
No esquema de resistências no secundário apresentado na figura 3 é possível
verificar os pontos de resistência no secundário da máquina, sendo os pontos de
maior resistência os dos materiais a serem soldados (Osório, 2004)
Fig. 3 - Relação de resistências no secundário
Como mencionado por Osório, o correto controle da solda ponto é realizado
através da regulagem de três parâmetros:
Corrente;
Tempo;
Pressão.
A máquina de solda ponto como mencionada, por utilizar um transformador,
pode-se aplicar os mesmo parâmetros de um transformador elétrico comum,
seguido os mesmos cálculos para obtenção de valores. Como descrita nas
equações 1, 2 e 3 apresentadas no Boylestad (8ª Ed., 1997), a relação em um
transformador a núcleo de ferro ideal pode então ser mensurada:
19
(equação 1)
Ou
(equação 2 )
E
(equação 3 )
Sendo que tais fórmulas consideram apenas condições ideais.
Soldagem por resistência elétrica, os materiais normalmente soldados por
resistência elétrica são aços, aço carbono, inclusive os zincados, baixa liga e
inoxidáveis, além de cobre, níquel, alumínio, magnésio, titânio e suas ligas.
A energia de fusão dos materiais é a formação do ponto que gera nos contatos
elétricos (eletrodos) nas peças. Parte do calor produzido é perdido para os
eletrodos, ambiente e o restante na peça. Se a intensidade da corrente for
insuficiente, nunca ocorrerá fusão, mesmo num longo tempo.
Para determinar a densidade da corrente em um processo de soldagem
como descrita nas equações apresentadas na Soldagem e Técnicas Conexas
Processos (1ª Ed., 1996), a relação da densidade da corrente pode então ser
mensurada:
D=192+480.EXP (A/mm²)
A força do eletrodo e resistência elétrica, os picos e vales existentes entram
em contato, diminuindo a resistência elétrica e aumentando a circulação de
corrente nessa interface. Como não é estática é na realidade, dinâmica e
depende, na sua aplicação das características, mecânicas dos equipamentos de
solda.
20
A corrente e tempo de soldagem, o fato da corrente atuar elevada ao
quadrado faz com que a mesma seja considerada na taxa com que a solda é
realizada, em geral o mínimo de alcance do ponto é de 20% da espessura.
O ciclo de soldagem é determinado da seguinte maneira 1/x, onde x é a
frequência da corrente de soldagem.
Na taxa de aplicação da corrente, o crescimento gradual da corrente
previne a expulsão do metal no início da operação e é conveniente para soldagem
de peças com carepa, ou que tenha sofrido algum tipo de recobrimento protetor.
Superaquecimento dos eletrodos, em peças com espessuras iguais ou
maiores do que 4 mm, a realização das soldas pode necessitar de grande geração
de energia, o que normalmente superaquece os eletrodos.
O forjamento e pós-aquecimento em aços temperáveis e ligados, podem
ser necessários operações para refino de grão da junta, as quais não são
normalmente empregadas em aço baixo carbono, a interrupção desta corrente, há
uma fase de manutenção, na qual a força continua a ser aplicada até o ciclo estar
completo.
O acabamento das superfícies para que soldas rigorosamente consistente
em qualidade e dimensões sejam obtidas, é fundamental que as superfícies
sempre apresentem a mesma rugosidade e nível de limpeza, deve ser salientado,
que o jateamento com areia não é recomendado, pois algumas partículas podem
ficar engastadas na superfície. A interface entre eletrodo e a peça deve apresentar
a menor resistência possível, pois caso contrário, a mesma aquecerá numa taxa
quase tão grande quanto naquela das peças.
As chapas com recobrimento metálicos- entre as diversas soluções
possíveis para proteção contra corrosão e outros tipos de desgaste o recobrimento
das superfícies é cada vez mais utilizado. Com a utilização do zinco corrente será
mais intensa no processo de soldagem.
Aços carbono e baixa liga- soldas envolvendo aços baixo carbono não
apresentam dificuldades de produção.
Aços inoxidáveis- possuem a seguinte particularidade, as quais devem ser
consideradas no planejamento da soldagem.
21
A condutividade térmica e elétrica- a pequena condutividade elétrica
provoca uma alta taxa de geração de energia, sendo as soldas realizadas mais
rápidas.
Alterações microestruturas- deve ser cuidadosamente equilibrada a
necessidade de alcançar alta temperatura e manter durante algum tempo para
realizar a solda.
O acabamento das superfícies e resistência- os aços inoxidáveis requerem
especial precaução com relação á camada de óxido de cromo, aliada a sua
relativamente alta resistência mecânica, faz com que seja necessário aplicar uma
maior força no eletrodo.
A expansão térmica e temperatura de fusão- os inoxidáveis autênticos
fundem entre 1350 °C e 1450 °C.
O alumínio e suas ligas- apresentam uma maior dificuldade para serem
unidas por resistência elétrica.
A condutividade térmica e elétrica- como consequência desses dois
coeficientes físicos serem muito maiores do que dos aços, é necessária uma mais
elevada densidade de corrente.
A resistência mecânica e estado plástico- o alumínio e suas ligas
apresentam baixa resistência mecânica em altas temperaturas. Como
consequência, o método por projeção não é geralmente empregado nesse
material.
Camada superficial de óxido- quando expostas a atmosfera estas ligas
desenvolvem uma tenaz camada de óxido a qual possui resistência elétrica
variável, a superfície deve ser limpa com decapantes químicos e a solda realizada
logo após.
A temperatura de fusão e contração na solidificação- a grande contração
que ocorre na solidificação dessas ligas pode provocar porosidade e trinca na
solda.
O cobre e suas ligas- a maior aplicação desse processo se encontra nas
ligas com relativamente baixa condutividade elétrica, espessuras de até 1,5mm.
De uma forma geral, o cobre e suas ligas são materiais difíceis de serem soldados
22
por resistência elétrica, pois o intervalo de temperatura que as ligas de cobre
exibem no estado plástico é bastante reduzido.
As ligas a base de níquel- são aquelas que sofrem tratamento térmico de
envelhecimento, como o Monel K-500, também são suscetíveis a trincas, quando
submetidos à tensão de tração numa temperatura em torno de 600°C.
Materiais dissimilares- devem ser gerada mais energia no lado do material
que possuir maiores condutividade térmica e elétrica, ou em materiais com esses
coeficientes físicos similares. Sendo apreciável a diferença de condutividade, duas
ou mais dessas técnicas devem ser utilizadas em conjunto.
Materiais para eletrodos- um importantíssimo componente do equipamento
da soldagem por resistência elétrica é aquela que mantém contato com peças, ou
seja, o eletrodo. As classes 1 a 3 do Grupo A são disponíveis trabalhadas a frio,
em varas redondas, ou em barras com seções quadradas, retangulares e
hexagonais, além de forjadas e fundidas. As Classes 10 a 14 do Grupo B podem
ser fornecidas em varas e barras.
Ligas de cobre:
Classe1- composição química nominal de 1% cádmio e restante cobre, não
tratável termicamente. Apresenta alta condutividade elétrica e térmica, sendo
recomendada para soldar por ponto e costura aços baixo carbono revestido com
estanho.
Classe2- composição química de 0,8% cromo e o restante cobre. Apresenta
menor condutividade elétrica e térmica do que a Classe 1.
Classe 3- composição química nominal de 0,5% berílio, 1,0% níquel, 1,0% cobalto
e o restante cobre. Esse material que possui alta resistência ao desgaste,
apresenta também alta resistência elétrica.
Metais Refratários- esses materiais são produzidos por metalurgia do pó,
pois os mesmos apresentam alta resistência à deformação. As Classes 10 a 12
são principalmente empregadas na soldagem por projeção e em incertos.
Classe 10- composto cobre-tungstenio, com alto ponto de fusão.
Classe 11- composto por 58% de tungstênio em volume do cobre.
Classe 12- composto cobre-tungstenio.
23
Classe 13- Tungstênio puro.
Classe 14- molibdênio puro.
Uma máquina para soldagem por resistência elétrica possui vários
componentes, sendo que será mais facilmente entendido seu funcionamento.
Os circuitos elétricos dos equipamentos de soldagem basicamente
consistem em um transformador, contator e circuito secundário, incluindo os
braços de eletrodos. A solda pode ser realizada através da corrente tipo CA, com
transformadores mono ou trifásicos, operando em frequência igual ou diferente
daquela da rede, em CC de polaridade contínua, pulsada com polaridade
alternada, ou ainda com picos de corrente.
O ciclo de trabalho está diretamente ligado com a vida útil do equipamento,
geralmente o fabricante indica a potência máxima de trabalho do equipamento,
para o ciclo de 50%.
A impedância da corrente com uma mínima demanda de potência depende
de uma pequena impedância do circuito.
A maioria das máquinas de soldagem por resistência elétrica é do tipo
energia direta, ou seja, empregam alta corrente e baixa tensão transformada da
corrente alternada e tensão da rede. A escolha de um transformador mono ou
trifásico depende do custo do projeto.
Equipamento monofásico- os transformadores mono são populares, devido
ao menor custo e reduzida manutenção. As desvantagens desse tipo de fonte
residem no seu baixo fator de potência e alta demanda de carga elétrica.
Comparando uma mesma aplicação entre CA e CC, essa última apresentará muito
menor demanda de potência.
Equipamentos trifásicos- os transformadores trifásicos tem um conversor de
frequência que possui três espiras no primário cada uma conectada a uma fase.
Essas máquinas tanto podem ser estacionárias quanto portáteis, o
movimento dos eletrodos é realizado através da alavanca, o motor ou cilindro
hidráulico, com a dimensão influência substancialmente a corrente disponível para
soldagem.
24
A máquina ainda pode ser do tipo prensa mais utilizada para solda por
projeção, por sua vez os contatores são os elementos responsáveis pela
interrupção e abertura da corrente para o transformador. O contator magnético
utiliza um eletromagneto para interromper a corrente, podendo a conexão também
ser de um ou dois polos, ou ainda, abrindo o circuito quando a CA se aproxima da
inversão.
O tempo de aplicação da corrente nesse processo é geralmente medido em
relação aos ciclos da onda, portanto é mantida constante a energia fornecida por
cada ciclo. Não ocorrendo esse sincronismo, a corrente deixa de fluir em qualquer
ponto sobre a sua forma de onda. Isso acarreta variação na energia de soldagem
e resulta na produção de soldas com dimensões variáveis.
A soldagem por resistência elétrica por ponto apresenta diversas vantagens
sobre outros meios mecânicos de união, em menor tempo, é necessária a
sobreposição das peças para realizar os pontos. O investimento no equipamento,
geralmente mais alto do que naquelas para soldagem ao arco elétrico com
eletrodo revestido.
Grande parte dos desgastes dos eletrodos é devido à alta temperatura de
trabalho e tempo de permanência na mesma, sendo que a vida útil dos eletrodos
depende, principalmente, das corretas especificações de material e geometria
para uma dada aplicação.
Um conceito básico, o qual deve sempre estar presente, é que o aumento não
controlado da área de contato do eletrodo com a peça diminui a densidade da
corrente e a pressão aplicada. Deve ser lembrado que o furo para refrigeração não
deve afetar a resistência do eletrodo.
A corrente direta é aplicada sobre a peça por eletrodos diretamente
opostos, a corrente indireta as peças ficam afastadas do local exato da solda.
Na soldagem em série a corrente circula através da peça, nessa conexão
as resistência envolvida nos diferentes pontos devem ser muito próximos. A
soldagem em paralelo geralmente os eletrodos estão diretamente opostos e cada
par utiliza parte da corrente do circuito.
25
A soldagem por projeção é o método utilizado numa grande variedade de
peças, geralmente com geometria mais complexas do que podem ser soldados
por ponto. A soldagem por projeção é muito similar a por ponto, principalmente a
fonte de potência e demais dispositivos de controle, sendo que a intensidade da
corrente utiliza é geralmente menor.
As soldas por projeção apresentam menos intensas marcas superficiais do
que aquelas por ponto além de serem posicionadas com maior precisão e
realizadas com menor corrente.
A soldagem por costura é o método dos eletrodos em forma de discos que
transmitem corrente e pressionam as peças. Apesar de ser possível produzir
soldas continuas pelo método por ponto, a operação é muito menos prática.
Também podem ser realizadas soldas por vários pares desses eletrodos operando
lado a lado, ou com dois discos eletricamente conectados em série. Outro
emprego deste método é para a produção de pontos espaçados na junta.
Para resfriamento é adotado para soldas submersas, ou um jato diretamente para
junta da solda. A solda pode ser realizada com discos em movimentos contínuo
ou intermitente.
O ciclo da soldagem por costura é geralmente determinada pela razão entre
os períodos em que circula e de resfriamento, conforme aumenta a velocidade de
soldagem, também deve ser elevada a razão entre os períodos de aquecimento e
resfriamento, para que a sobreposição e a penetração dos pontos se mantenham
aproximadamente constantes.
2.3 Capacitores
Dois condutores quaisquer, separados por um isolante, formam um
capacitor. Na maioria dos casos de interesse prático, os condutores possuem
cargas de iguais valores e sinais opostos, de modo que, a carga resultante no
capacitor como um todo, é nula. O campo elétrico na região entre os condutores é
proporcional a esta carga; a diferença de potencial, vab, entre os condutores
também é proporcional á carga Q.
26
Michael Faraday (22 de setembro de 1791á 25 de agosto de 1867) foi
um físico e químico inglês, sendo considerado um dos cientistas mais influentes
de todos os tempos. Suas contribuições mais importantes e seus trabalhos mais
conhecidos foram-nos intimamente conectados fenômenos da
eletricidade, eletroquímica e do magnetismo, e diversas outras contribuições muito
importantes na física e na química. Em homenagem a Michael Faraday
representa-se a simbologia do capacitor como na figura 4.
Fig.4 Capacitor
Tipos de capacitores:
Cerâmica
Papel
Plástico
Mica
Vidro
Eletrolítico
O capacitor de cerâmica consiste de um tubo ou disco de cerâmica de
constante dielétrica na faixa de 10 a 10.000. Uma fina camada de prata é aplicada
a cada lado do dielétrico. Este tipo de capacitor é caracterizado por baixas perdas,
pequeno tamanho e uma conhecida característica de variação de capacitância
com a temperatura.
O capacitor de papel consiste de folhas de alumínio e
papel Kraft (normalmente impregnado com graxa ou resina) enroladas e moldadas
formando uma peça compacta.
27
O capacitor de filme plástico é bastante similar ao capacitor de papel, na
sua forma construtiva. Dielétricos de filme plástico, com poliéster ou polietileno,
separam folhas metálicas usadas como placas. O capacitor é enrolado e
encapsulado em plástico ou metal.
O capacitor de mica consiste de um conjunto de placas dielétricas de mica
alternadas por folhas metálicas condutoras. O conjunto é então encapsulado em
um molde de resina fenólica.
O capacitor de vidro é caracterizado por camadas alternadas de folhas de
alumínio e tiras de vidros, agrupadas até que seja obtida a estrutura do capacitor
desejado. A construção é então fundida em um bloco monolítico com a mesma
composição do vidro usado como dielétrico.
O capacitor eletrolítico consiste de duas placas separadas por um eletrólito
e um dielétrico. As correntes de fuga são geralmente maiores do que aos demais
tipos de capacitores.
Por definição, a intensidade do campo elétrico em um ponto é a força a que
está submetida uma carga unitária positiva neste ponto, ou seja, como descrita na
equação apresentada no Boylestad (8ª Ed.), a relação em uma força exercida na
carga pode então ser mensurada:
E=F/Q (newtons/coulomb)
Estudado neste trabalho os capacitores com diferentes tensões aplicadas
entre as placas adiquirirem cargas diferentes, cargas maiores para os que
possuem maior capacitancia e vice-versa.Nas bordas das placas do capacitor, as
linhas de campo apresentam uma deformação para fora, um fenomeno conhecido
como efeito de borda. Este efeito, reduz a capacitância.
Se a diferença de pontencial de volts (V) é aplicada entre as duas placas
separadas por uma distância (d), a intensidade do campo elétrico (E) na região é
demonstrada atravez da relação:
E=V/d (volts/metro, V/m)
28
Quando estudado que o material de isolação, os elétrons não conseguem
deixar seus átomos migrar para a placa positiva. Os prótons e elétrons de cada
átomo se readequa, formando dipólos. Quanto maior for a área dos dipólos maior
é a capacidade de carga que o capacitor armazenar.
Podemos dizer que os dipólos são chamados de dielétrico, portanto é
criado um campo elétrico com sentido oposto ao do campo elétrico criado pelas
cargas das placas. Se a diferença de pontencial entre as placas for mantida
constante e a distância entre elas não mudar, o campo elétrico total, que é
determinado pela equação de campo elétrico, deverá permanecer inalterado.
Como descrita na figura 5 apresentada no Boylestad (8ª Ed )
Fig.5 - Dipólos de um Capacitor
Se colocarmos diferentes materiais entre as placas do mesmo capacitor,
diferentes quantidades de carga serão depositadas nas placas.
A razão entre a densidade de fluxo e a intensidade de campo elétrico no
dielétrico é chamado de permissividade do dielétrico. Como descrita na equação
apresentada no Boylestad (8ª Ed.), a relação em uma força exercida na carga
pode então ser mensurada:
€=D/E (farads/metro. F/m)
29
A permissividade é uma medida da facilidade com que o dielétrico permite o
estabelecimento de linhas de campo no seu interior. Quanto maior o valor da
permissividade, maior a quantidade de carga depositada nas placas e maior a
densidade de fluxo para área constante.
Ao estudarmos a associação dos capacitores em parelelo para obtenção de
maior carga para efetuar a solda da chapa com a barra. A ligação em paralelo de
capacitores aumenta a capacitância total porque aumenta a área de placas
recebendo cargas, como descrita e apresentada na figura 6 pelos professores
Fernando Luiz Rosa e Marco Valério Miorim.
Fig.6 - Ligação de capacitores em paralelo
30
3 Metodologia:
Inicialmente foi estudado o desenvolvimento de um processo de soldagem
por descarga capacitiva, onde através de um banco de capacitores, havia o
acúmulo de energia que possibilitava, durante o fluxo de corrente da descarga dos
capacitores, fundir os metais em contato.
Foram realizados testes iniciais com esse processo desenvolvido, onde
esses testes mostraram alta eficiência para ligação entre peças de pequenas
espessuras, porém apresentaram baixa qualidade em soldagem de metais com
maior espessura.
Testes nos materiais das amostras geraram apenas soldas superficiais e de
baixa resistência mecânica. Apesar do grande fluxo de corrente, a descarga
capacitiva se mostrou inviável devido ao pequeno tempo de passagem da
corrente.
O estudo foi alterado para a adaptação de uma máquina de solda ponto
manual de baixa potência
Para coleta de dados para o estudo foram realizados testes em laboratório
das Faculdades Integradas Torricelli.
3.1-Estudo da aplicação de capacitores na realização da solda ponto
A primeira opção a ser utilizada foi a confecção do protótipo de uma
máquina de solda alimentada com um banco de capacitores eletrolíticos
visualizado na figura 7.
31
Fig. 7 – Layout do protótipo da máquina de solda por descarga capacitiva
Diferente da máquina de solda ponto, esse processo utiliza a solda com
descarga em corrente contínua, para realizar a alimentação do protótipo optou-se
por uma ponte retificadora.
A soldagem é realizada durante o arco de descarga do banco de
capacitores, onde a descarga trate-se do curto circuito, realizado pelo contato dos
bicos com os metais a serem soldados, como acontece em máquinas de solda
ponto.
32
Fig. 8 - Protótipo da máquina de solda por descarga capacitiva
O circuito conta com uma alimentação do primário realizada por fonte AC
variável, sendo empregados valores entre 0 V a 220 V
Para a alimentação do banco de capacitores foi necessário o emprego de
uma ponte retificadora para a devida alimentação DC. Foi utilizada a ponte KBPC
5010, que possibilitou atingir tensões DC entre 0 V a 200 V.
Foi confeccionado ainda, compondo o circuito de alimentação, um circuito
resistivo com o intuito de limitar a corrente de carga DC do banco de capacitores e
33
também uma chave que possibilita a interrupção do circuito e impede que a
correte reversa gerada durante a descarga dos capacitores danifique algum
componente ou reflita sobre a fonte de alimentação. Tal sistema se fez necessário,
pois o equipamento de variação de tensão AC possuía limitação de corrente
estimada de 2A.
Fig. 9 - Circuito resistivo para limitação de corrente
Foram utilizados capacitores de diferentes características e fabricantes,
sendo que o primeiro objetivo dos testes constava do dimensionamento correto o
banco de capacitores.
O primeiro protótipo contava com dois eletrodos não consumíveis de cobre,
fixados em uma estrutura de metal como demonstrado na figura 8, onde o eletrodo
superior é acionado por um pistão pneumático e inferior é fixo servindo com base
de apoio para a peça portante. Para auxiliar no apoio da peça portante e do fio de
ligação, foi confeccionado um cavalete de madeira, figura 10, que auxiliava no
correto posicionamento das amostras a serem soldadas.
34
Fig.10 - Cavalete de madeira
Foram realizados vários testes de caráter experimental, associados
capacitores que somavam entre 10000 μF até 40000 μF.
A ligação entre capacitores e eletrodos foi feita por cabos solda premer
Ø25 mm² capilar, próprios para serem utilizados em máquinas de solda.
As perdas geradas pelas conexões foram consideradas desprezíveis sendo
medidas resistências na ordem de 0,05 Ω/m.
Os testes foram realizados com diferentes posicionamentos dos
capacitores, sendo a acoplagem mecânica um grande problema, pois as grandes
dimensões dos equipamentos e componentes vão de encontro com a necessidade
de concentração de energia em uma pequena área e da corrente de descarga
percorrer uma distância o mais curta possível.
A figura 11 mostra a principal associação mecânica de capacitores, sendo
eles posicionados eletricamente em paralelo.
35
Fig. 11 – Associação de capacitores
A tabela 1 apresenta a analise dos testes iniciais e finais:
36
Total de capacitância
de capacitores na
ligação
Tensão de carga
CC dos capacitores
Efeito observado
Testes iniciais
10000 μF
0,5 V Nenhum
2,8 V Nenhum
5,2 V Nenhum
9,9 V Nenhum
25 V Faíscas
28 V Faíscas
35 V Faíscas
40 V União superficial
48 V Faíscas, fusão
superficial.
56 V União superficial
63 V Faíscas
Testes finais
28200 μF
156 V Soldagem inicial
com chanfro
176 V Maior resistência
da solda com
chanfro
29000 μF
192 V Sem muita
resistência de
soldagem
150 V Solda no bico,
pequeno desgaste
da parte inferior
da barra
Tabela 1 – Testes de soldagem por descarga capacitiva
37
Os testes não apresentaram os resultados esperados com o material das
amostras, foram realizados testes com outras ligas de dimensões reduzidas, com
menor espessura, sendo utilizadas chapas de aço que foram dobradas para se
adaptarem a altura suporte, apresentando uma espessura de aproximadamente
1mm, como mostrado na figura 12.
Fig 12 – Chapa de aço dobrada para testes.
Realizado testes de solda com um banco de capacitores que somavam 29
mil μF na chapa de aproximadamente 2 mm de espessura, porém, usando
variados níveis de tensão, que chegaram a 200V CA, não houve solda.
Como observado na figura 13 houve a marcação no material, mas apenas
fusão superficial.
38
Fig. 13 – Parte superior da chapa de aço após teste.
Como mostra a figura 14 da mesma peça, durante os testes houve também
desgaste da peça na parte inferior, gerado pelo acúmulo de corrente no contato
com o eletrodo inferior.
Fig. 14 - Parte inferior da chapa de aço após teste.
39
A figura 15 mostra como teste citado danificou o eletrodo inferior, desgaste
não previsto para uso tradicional.
Fig. 15 - Eletrodo inferior desgastado após teste
Os testes finais realizados com as amostras, sendo elas barras portantes
de 25 mmX 2 mm e fios de ligação, contavam com um banco de capacitor com um
total de capacitância de 40.000 μF e uma diferença de potencial de 200 VCC,
porém tais testes não atingiram os resultados esperados, ocorrendo, como
observado em somas menores de associação de capacitores, apenas a fusão
superficial.
Além da baixa qualidade do ponto de solda que apresentou pouca
resistência mecânica, o impacto da descarga causava desgaste excessivo nos
eletrodos, sendo observada também, a fusão entre as peças e os eletrodos,
causados tipicamente pelo baixo fluxo de corrente.
A soldagem por descarga capacitiva se mostra viável e com qualidade
comercial em metais de pequenas espessuras, porém, para o objetivo desse
trabalho, devido à necessidade de um banco de capacitor maior, maiores riscos e
40
outros fatores como limitações nas ligações mecânicas do circuito, foi
inviabilizado.
41
4 Estudo de caso
O presente estudo teve como objetivo o desenvolvimento de um protótipo de
máquina de solda por resistência elétrica capaz de realizar solda de ligas
metálicas em uma linha de produção de gradil de proteção com a mesma
qualidade do processo já existente. O processo de produção usado na confecção
atual e que serve como base de análise é a soldagem Metal Inert Gas (MIG),
porém ambos os processos, analisado e o desenvolvido nesse estudo, tratam-se
de processos por fusão, onde há a formação do que se denomina poça de fusão,
que ocorre a cada deslocamento da fonte de energia e possui como fronteira a
isoterma dada pela temperatura de solidificação do metal envolvido. Nos casos
citados a energia disponível é principalmente devida aos parâmetros de soldagem,
corrente tensão e velocidade dada pela equação abaixo descrita como fórmula
geral no livro de Ivan:
Onde:
U=tensão de soldagem
I= corrente de soldagem
V= velocidade de soldagem.
O processo atual adotado utiliza barras portantes com chanfros onde são
fixados os fios de ligação. A soldagem MIG acrescenta eletrodo consumível em
fusão para a formação do ponto solda. Como é característica, devido ao grande
número de variáveis, como qualidade dos eletrodos, variação da fonte de
alimentação, preparação do material a ser soldado com anti-respingo adequado,
velocidade de alimentação do eletrodo, ajuste da corrente elétrica adequada
definida pela espessura do material a ser soldado e alguns outros fatores
externos, o processo de soldagem por MIG, gera respingos em quantidade maior
ou menor que resultam da associação de tais variáveis.
42
Tais respingos que se acumulam sobre o produto, devem ser retirados para
a preparação do material contra oxidação, pois são pontos onde as intemperanças
ambientais vão afetar com maior facilidade, diminuindo a durabilidade do produto.
A figura 16 mostra o posicionamento das barras portantes já com chanfros,
para que sejam colocados os fios de ligação e então sejam soldados.
Fig. 16 – Barras portantes com chanfro
Além do material adicionado, o processo por solda MIG exige a etapa de
estampagem e uma etapa para retiro dos respingos. A retirada dos respingos gera
um atraso considerável na produção, pois tal processo é realizado manualmente já
que o uso de esmerilhadeiras manuais, além de difícil manuseio em pequenas
áreas, o uso desse equipamento pode danificar o produto final.
43
4.1 Estudo da aplicação de máquina solda ponto para realização da
soldagem
Devido não ter atingido os objetivos com a descarga capacitiva, optou-se
pelo uso de uma máquina de solda ponto manual tradicional mostrada na figura
17.
Fig. 17 - Máquina de solda ponto
A máquina possui uma potência média de 1,5K VA, sendo a mesma 220 V,
foi utilizada para realizar testes iniciais com o objetivo soldar as amostras
utilizadas na produção do gradil de proteção. Os testes foram feitos com materiais
sem chanfro, com o objetivo de recravar a barra na chapa apenas através da
fusão.
Os primeiros testes de soldagem atingiram o objetivo de fusão do material,
produzindo um ponto sem o cravamento total do fio de ligação na barra portante
sem chanfro. Nos testes iniciais não houve adição de pressão para a realização da
44
soldagem. Como observado na figura 18, foi obtida uma solda de qualidade com
resistência mecânica:
Fig 18- Peça resultado da solda sem chanfro e sem adição de pressão
A peça analisada apresentou a parte inferior danificada, devido à pequena
área de contato do eletrodo inferior, que gerou maior acúmulo de corrente
produzindo maior aquecimento no contato com o material.
Após os testes com a máquina comercial, mostrou-se necessário adaptações
para a obtenção da qualidade do ponto de solda desejado, sendo os pontos de
melhorias observados:
Adição de pressão para o correto cravamento do fio de ligação na barra
portante, deixando o fio paralelo a parte superior da barra portante.
Adaptação do bico inferior para melhor distribuição de fluxo decorrente com
a intenção de eliminar o dano causado na parte inferior de contato da barra
portante.
45
Mensuração correta do tempo de descarga para evitar o acúmulo de
tensões na barra portante e no fio de ligação, gerados pelas altas
temperaturas e pressão sobre os materiais.
É necessário que as peças a serem soldadas não estejam oxidadas, pois
não havendo contato elétrico para a passagem de corrente, não há solda.
4.1 Adaptações e melhorias
Como mencionado, se fez necessário à adaptação mecânica e ajustes
elétricos para a obtenção do ponto de solda com os parâmetros observados no
produto final, que são o fio de ligação soldado em paralelo com a barra portante e
sem resíduos para evitar pontos expostos que geram maior índice de corrosão.
Sendo o objetivo mecânico obter pontos de ligação com resistência física a 100
Kg.
4.1.1 Adição de pressão
Durante a fase de transição física sólido/líquido dos materiais, chamado
estado plástico, que possibilita a fusão, foi necessária a adição de pressão sobre
as peças para a correta acomodação dos corpos. A pressão nesse durante a
passagem de corrente e durante o resfriamento da peça é de vital importância
para que haja o cravamento completo do fio de ligação na barra portante. Para tal
adição foi utilizado o pistão pneumático SIVIC C95SDB40/40, com máxima
pressão estipulada de 1 MPa. Para a alimentação do pistão é necessária a
utilização de um compressor de ar.
Para a correta fixação do pistão foi efetuada uma adaptação mecânica no
chassi da máquina original, onde apenas o eletrodo superior é móvel, sendo essa
ação realizada pelo pistão pneumático. As modificações para a adaptação podem
ser observadas na figura 19.
46
Fig. 19 – Chassi da maquina com adaptação de pistão pneumático
4.1.2 Ajuste mecânico e elétrico dos eletrodos
Foi observada durante testes iniciais, como a forma física dos eletrodos
influencia na passagem de corrente pela peça, efeito que pode ser mensurado
pela lei de joule, onde a área de contato entre as peças e os eletrodos esta
inversamente relacionada com a temperatura. Devido esse fato foram produzidos
eletrodos para possibilitar maior qualidade de ponto de solda e menor dano final
no material.
O eletrodo inferior que serve como contato base das peças possui um
diâmetro de Ø18 mm² que possibilita maior passagem de corrente e diminui o
dano causado por aquecimento na parte inferior da peça.
O eletrodo superior possui um diâmetro de Ø8 mm² e gera um ponto de
menor contato físico aumentando o fluxo de corrente na peça em contato e sendo
47
assim maior temperatura. A figura 20 mostra o aspecto físico da adaptação dos
eletrodos.
Fig. 20 – Eletrodos adequados para aplicação da solda do gradil
Para a ligação entre o secundário da máquina de solda e os eletrodos se
fizeram necessários contatos que possibilitem a menor perda joule possível
causada pela grande fluxo de corrente. No eletrodo inferior foi mantido um contato
rígido semelhante ao original, sendo o diâmetro de Ø20 mm².
No eletrodo superior que foi fixado com o pistão foram usadas seis
cordoalhas de cobre de 20 mm de largura para garantir a mobilidade, pois o
eletrodo se movimenta verticalmente em relação as peças.
A figura 21 mostra a disposição dos conectores em relação aos bicos.
48
Fig. 21 – Disposição dos conectores entre o secundário da máquina e eletrodos.
4.1.3 Circuito controlador
Como definido, a solda por resistência elétrica depende de corrente,
pressão e principalmente a associação desses fatores ao tempo. Foi associado
um circuito de controle de tempo do acionamento dos pistões e da corrente para
que se pudesse ter um controle adequado do processo.
A figura 22 mostra a linha de comandos e ligações.
49
Fig. 22 – Circuito dos comandos
50
Sendo o funcionamento do comando:
F1→ DISJUNTOR DE 6 A ALIMENTA O COMANDO PRINCIPAL.
F2 → DISJUNTOR DE 16 A ALIMENTA O COMANDO DE POTÊNCIA.
BO → ACIONAMENTO DE EMERGÊNCIA, CORTA A ALIMENTAÇÃO DO
COMANDO PRINCIPAL.
B1 → BOTÃO DE PULSO ACIONA INÍCIO DE CICLO.
K1 → CONTATOR AUXILIAR, FUNÇÃO DO CICLO ATRAVES DOS CONTATOS
N⁄A ACIONADOS PERMITE ENERGIZAR V1.
V1 → VÁLVULA ELETROPNEUMÁTICA, ATUA O PISTÃO PARA PRECIONAR O
BICO DE SOLDAGEM.
T1 → TEMPO GERAL DO CICLO, APÓS 10 SEGUNDOS INTERROMPE O
CICLO VOLTANDO A POSIÇÃO INICIAL.
T2 → TEMPO RETARDADO APÓS 0,5 SEGUNDOS ACIONA T3 E K2.
T3 → TEMPO DE SOLDAGEM DA PEÇA 5SEGUNDOS.
K2 → CONTATOR DE POTÊNCIA, LIGA O TRANSFORMADOR (MÁQUINA DE
SOLDA) E SAI APÓS A CONTAGEM DE T1.
A foto (figura 23) abaixo mostra a disposição dos componentes dentro do
painel.
Fig 23 – Visão interna do painel de controle
51
4.2 Funcionamento e testes
O protótipo final da máquina de solda ponto tem um controle tanto de tempo
de descarga quanto de quantidade de pressão, o que possibilita uma adequação
do sistema para aplicação com diferentes materiais além das amostras utilizadas.
Ao variar-se o tempo de acionamento do circuito, permite-se maior fluxo de
corrente. O maior fluxo de corrente aumenta o efeito joule entre as peças a serem
soldadas fazendo com que ocorra a correta fundição delas sem que haja aquisição
de material ou produção de respingos que são comuns em soldagem com
eletrodos consumíveis.
A figura 24 mostra a máquina montada sobre a mesa junto ao painel
controlador.
Fig 24 – Máquina de solda e painel de controle
O funcionamento da máquina com o controle de tempo apresenta divisão
de etapas como à descrita na figura 2 do ciclo de soldagem de chapas em um
processo de produção de automóveis no manual da VOLKSWAGEN.
Sendo assim as etapas do processo ficaram divididas em:
1. Posicionamento das peças
2. Decida dos pistões pressionando as peças
3. Acionamento de corrente
52
4. Fim da circulação de corrente
5. Fim da pressão sobre as peças
6. Subida dos pistões para retirada da peça
Sendo por segurança mantido um intervalo constante de entre o tempo em que
as peças são mantidas pressionadas de 10 segundos, correspondentes ao
intervalo entre os tempos 2 ao 5.
O controle de pressão é efetuado por um regulador de pressão que possibilita
variação entre 1 Bar e 7 Bar.
Foram efetuados testes com variação de pressão e tempo de descarga para se
descobrir a combinação ideal que possibilite a solda com maior resistência e
qualidade.
Primeiros testes nos mostraram que o tempo de e a pressão com melhor
aparência e qualidade de soldagem, onde o fio de ligação ficava em paralelo com
a barra portante ocorre com um tempo de descarga de 5 segundos e uma pressão
de 5 Bar.
Foi selecionado um ponto de solda com a melhor qualidade estética para se
verificar sua resistência mecânica. A peça que foi gerada com tempo de descarga
de 5 segundos em uma pressão de 5 Bar mantidas durante um intervalo de 10
segundos foi submetida a testes de tração onde foram adicionados pesos que
somaram um valor de 96 quilos. O ponto de solda não apresentou qualquer sinal
de fadiga, porém a barra portante começou a apresenta distorções devido ao
acumulo de tensões geradas pelo peso excessivo. A figura 25 e 26 mostra a peça
sendo submetida ao teste de tração onde foram fixados os pesos.
53
Fig. 25 – Acoplagem dos pesos para maior tensão no ponto de solda.
Fig. 26 - Adição de peso com maior impacto sobre o ponto de solda
54
Como descrito à parte da peça a sofrer desgaste devido ao acúmulo de
tensões foi a barra portante e não o ponto de solda. Essa característica é
observada também em soldas com adição de material como a MIG que garante
pontos com resistência a tração de até 100 quilos. Outro fator de qualidade é a
garantia de que o ponto a sofrer distorções devido ao acúmulo de tensões não
será o ponto de solda e sim as regiões próximas à peça.
A figura 27 mostra como o acúmulo de tensões ocasionado pela tração
estafou a barra portante, gerando a deformação sem ocasionar a ruptura do ponto
de solda.
Fig. 27 – Ponto de solda e tensão ocasionada pelo teste de tração.
Como citado, com uma pressão exercida de 5 Bar durante o tempo de 10
segundos onde está incluso o tempo de acionamento de corrente de 5 segundos,
foi observada a qualidade desejada do ponto de solda, resistindo ao teste de
tensão sem sofrer dano.
Com a intenção de analisar dados com amostras físicas, foram realizados
testes com variação de pressão e tempo de acionamento de corrente. Tais testes
possibilitaram uma melhor visualização de como esses fatores influenciam na
qualidade do ponto de solda.
55
A tabela 2 mostra testes realizados com variação de pressão e mantido
tempo de acionamento de corrente de 2,5 segundos. A leitura de temperatura foi
efetuada termômetro digital com limite de 300° Célsius, sendo que o termômetro
só possibilitou uma leitura superficial, podendo não referenciar de fato a
temperatura de soldagem dos materiais.
A característica mecânica esta relacionada à quantidade de penetração do
fio de ligação na barra portante, sendo que 0 (zero) mm significa que as duas
peças estão paralelas, valores positivos indicam o quanto acima o fio de ligação
se encontra da parte superior da barra portante e valores negativos representam
o quanto o fio de ligação passou da parte superior da barra portante.
Pressão Tempo de
descarga
Característica
mecânica
Temperatura Corrente no
primário
1 Bar 2,5 segundos 4,3 mm 180°C 9,7 A
2 Bar 2,5 segundos 4,3 mm 181°C 9,5 A
3 Bar 2,5 segundos 3,8 mm 118°C 10 A
4 Bar 2,5 segundos 3,6 mm 136ºC 10 A
5 Bar 2,5 segundos 3,3 mm 114°C 10 A
6 Bar 2,5 segundos 3,5 mm 155°C 11,1 A
Tabela 2 – Análise de variação de pressão
A tabela 3 mostra a analise de variação de tempo de acionamento de
corrente mantida uma pressão constante de 5 Bar.
56
Pressão Tempo de
descarga
Característica
mecânica
Temperatura Corrente no
primário
5 Bar 1 segundo 4,2 mm 50°C 3 A
5 Bar 2 segundos 3,6 mm 84°C 7 A
5 Bar 3 segundos 2,8 mm * 113°C 10 A
5 Bar 4 segundos 2,7 mm 156ºC 9 A
5 Bar 5 segundos 2,2 mm 137°C 10 A
5 Bar 6 segundos 1,9 mm 151°C 9 A
Tabela 3 – Análise da variação de tempo de descarga de corrente.
Os testes analisados nas tabelas 2 e 3 foram realizados com a máquina de
solda na posição 1 (um) de funcionamento, sendo que nesta posição a potência
máxima observada foi de 2442 VA. As tabelas 4, 5 e 6 a seguir apresentam
analises feitas com a máquina de solda na posição 2 (dois) de funcionamento.
A tabela 4 apresenta os testes com variação de pressão e tempo de
descarga constante na posição 2:
Pressão Tempo de
descarga
Característica
mecânica
Temperatura Corrente no
primário
1 Bar 2,5 segundos 3,4 mm 105°C 11 A
2 Bar 2,5 segundos 3 mm 100°C
10 A
3 Bar 2,5 segundos 2,3 mm 139°C 11 A
4 Bar 2,5 segundos 2,2 mm 175ºC 14 A
5 Bar 2,5 segundos 2,2 mm 159°C 14 A
6 Bar 2,5 segundos 1,4 mm 109°C 12 A
Tabela 4- Análise de variação de pressão na posição dois de funcionamento da
máquina de solda.
57
A tabela 5 apresenta a variação do tempo de acionamento da corrente na
posição 2 da máquina mantendo-se uma pressão constante de 5 Bar.
Pressão Tempo de
descarga
Característica
mecânica
Temperatura Corrente no
primário
5 Bar 1 segundo * 49°C 9 A
5 Bar 2 segundos 2,5 mm 127°C 11 A
5 Bar 3 segundos 0 mm 120°C 12 A
5 Bar 4 segundos 0,4 mm 117ºC 13 A
5 Bar 5 segundos -0,3 mm 207°C 14 A
5 Bar 6 segundos 0,4 mm 220°C 16 A
Tabela 5 – Análise da variação do tempo de descarga na posição 2
Com o tempo de descarga superior a 5 segundos na posição 2 foram
observadas distorções tanto na barra portante quanto no fio de ligação, que alem
do estrangulamento das peças também houve maior cravamento do fio de ligação
na barra portante, sendo tal característica considerada um defeito.
Como analisado nos testes iniciais e verificado novamente nos estudos de
variação de pressão e tempo, o resultado desejado é adquirido aplicando-se uma
pressão de 5 Bar e mantendo-se um tempo de descarga de corrente de 5
segundos. A fim de verificar a repetibilidade do processo foram efetuadas mais
analises em duas peças aplicando-se os 5 Bar de pressão e tempo de descarga
de 5 segundos. A tabela 6 apresenta os valores das analises.
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Peça Pressão Tempo de
descarga
Característica
mecânica
Temperatura Corrente no
primário
1
5 Bar 5 segundos 0,7 mm 268°C 16,1 A
5 Bar 5 segundos - 0,1 mm 204°C 16 A
5 Bar 5 segundos 0 mm 183°C 15,4 A
2
5 Bar 5 segundos 0,4 mm 141ºC 16,6 A
5 Bar 5 segundos 0,6 mm 200°C 16,1 A
5 Bar 5 segundos 0,8 mm * 136°C 16,1 A
3 5 Bar 7 segundos -1,9 mm 261°C 17,7 A
Tabela 6 – Análise de repetibilidade
Na tabela 6 podem ser observados os resultados e verificada a capacidade
de repetibilidade do sistema, sendo observada uma potência média de 3531 VA
(potência aparente igual ao produto da tensão de rede pela média dos valores
obtidos nos testes, sendo considerada a tensão da rede uma constante de 220
Volts).
Os testes na posição 2 da máquina de solda apresentaram uma potência
máxima de 3894 VA, sendo medida uma diferença de potencial entre os bicos de
1,7 volts em média, aplicando-se a equação 2 é encontrada uma corrente máxima
no secundário de 2290 A. Sendo que essa potencia mantida durante 7 segundos
acabou gerando maior penetração do fio de ligação na barra portante o que, como
já citado é considerado defeito.
Os valores representados por asterisco (*) representam testes em que
houve inclinação do fio de ligação impossibilitando a leitura. Em um processo de
fabricação com esse sistema esse defeito dificilmente aconteceria devido a
extensão do fio de ligação e ao fato de o mesmo sofrer pressão em outros pontos
simultaneamente, onde o fio será ligado a outras barras portantes.
59
5 CONCLUSÕES E PROPOSTAS DE CONTINUIDADE
Este trabalho discutiu sobre a aplicação de um método diferente da solda
MIG que atualmente utilizado como base da produção de gradil de proteção por
uma indústria metalúrgica da região de Guarulhos. O estudo propõe uma
alternativa para obter uma redução de insumos na produção do gradil, tais como:
- aquisição de material para realizar a solda
-necessidade de estampagem
-preparação do produto contra respingos
-retirada dos respingos característicos pelo processo
O trabalho iniciou-se com um estudo experimental de soldagem a partir de
descarga capacitiva, onde a soldagem acontecia ao liberar-se a carga
armazenada em um banco de capacitores. Foram realizados diversos testes para
o dimensionamento de um banco de capacitores capaz de produzir o ponto de
solda com a característica e qualidade obtidas através da soldagem com MIG,
porém foram obtidas apenas soldas superficiais, sendo que o pouco tempo de
descarga mesmo com alto fluxo de corrente não permitia a completa soldagem do
material. A soldagem por descarga capacitiva se mostrou viável para chapas de
ligas metálicas de pequenas espessuras, porém para peças com maiores
espessuras, como as amostras de materiais utilizados na produção de gradil, se
mostrou com baixíssima qualidade e nenhuma resistência mecânica.
Foram realizados testes para verificar se uma máquina de solda ponto
tradicional seria capaz de realizar o ponto de solda. Após analise foram realizadas
melhorias como controle de tempo de acionamento de corrente e ajuste de
pressão durante o período de soldagem possibilitando uma solda com qualidade
igual a produzida pela MIG. Com o controle de tempo e pressão foram ainda
efetuadas analises para se descobrir quais condições eram aceitáveis e quais não
respondiam ao objetivo para a solda nos materiais de amostra.
Como resultado ideal foi concluído, comprovado por testes de
repetibilidade, que a condição corresponde a aplicação de uma potência de 3531
60
VA durante 5 segundos sofrendo uma pressão constante durante o processo de
soldagem de 5 Bar.
Como propostas de continuidade seguem alguns pontos a serem tratados
para possibilitar a implantação:
-dispor os bicos paralelamente, de modo que uma máquina faça dois pontos de
solda, eliminando assim problemas como perdas por cabos de conexão muito
extensos e permitir mobilidade do produto a ser soldado.
-controle de parâmetros por CLP que possibilita um ajuste mais fino e adequado
ao tipo de material a ser soldado;
-estudo sobre aplicabilidade em outros produtos com características químicas e
mecânicas diferentes;
-estudo da viabilidade de aplicação em comparação com o processo atual;
61
Bibliografia
Soldagem e Técnicas Conexas de Ivan Guerra Machado (1996)
Robert L. Boylestad, livro Introdução á Analise de Circuitos (1997) 8ª edição
Welding handbook, 4º Ed, American welding Society, Miami Fl.
Hiraldo Luiz Osorio Branco - Curitiba – (2004). Avaliação de Capas de Eletrodos
Utilizadas na Soldagem por Resistência de Chapas Galvanizadas
Automotivas.
Volkswagen do Brasil Ltda. Soldagem por Resistência a Ponto. 2000, 25 p.
Apostila de Aplicação de Capacitores do CEFET – RJ -Professores Fernando
Luiz Rosa e Marco Valério Miorim.
Física 3 Eletricidade e Magnetismo, autor Sears, Zermansky e Young 2º edição
62
Anexos: Tabela de componentes do painel controlador, estimativa de preço:
DISJUNTOR BIPOLAR SIEMENS 6 A CURVA C R$ 21,00
DISJUNTOR BIPOLAR STECK 16 A CURVA C R$ 36,00
TEMPORIZADOR ELETRÔNICO 30S
COEL AEG 242 VAC⁄24 VAC R$ 60,00
CONTATOR AUXILIAR SIEMENS 220 V R$ 35,00
TEMPORIZADOR DIGITAL 30S COEL LKD 331 220 V R$ 125,00
CONTATOR LC1D18 TELEMECANIQUE 220 V R$ 40,00
PAINEL DE METAL CEMAR 30X30X15 R$ 102,00
VÁLVULA PNEUMÁTICA NORGREN 3⁄2 VIAS R$ 49,00
PISTÃO PNEUMÁTICO
SIVIC C95SDB40⁄40 1MPASCAL R$ 190,00
REGULADOR DE PRESSÃO PARKER 10 BAR R$ 60,00
BOTÃO DE EMERGÊNCIA C⁄ TRAVA TIPO SOCO
TELEMECANIQUE 22mm R$ 20,00
BOTÃO PULSO LIGA⁄ DESLIGA TELEMECANIQUE 22mm R$ 15,00
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Layout do painel controlador:
