PROCESSOS DE SOLDAGEM POR ULTRA-SOM (USW)

PROCESSOS DE SOLDAGEM POR ULTRA-SOM (USW)
Prof. Alexandre Queiroz Bracarense, PhD
Universidade Federal de Minas Gerais
Grupo de Robótica, Soldagem e Simulação
1. Introdução
A energia do ultra-som tem se mostrado uma ferramenta útil em uma larga
variedade de aplicações. A união de metais, especificamente metais não
ferrosos usados em conexões elétricas, é uma aplicação particularmente útil
desta tecnologia. As técnicas comumente usadas soldam os metais através da
geração de calor em combinação com fluxos e metais de adição, mas as
características destes processos e dos materiais a serem unidos estão em
conflito uns com os outros. A soldagem por ultra-som de metais não ferrosos,
em conexões elétricas, tem demonstrado eliminar a maioria, se não todos, os
problemas associados a soldagem por fusão. De fato, a soldagem por ultrasom
de metais está se tornando rapidamente o processo escolhido por
engenheiros industriais. Aplicações atuais e comparações de custos
operacionais ilustram o grau de aceitação e as vantagens inerentes da
soldagem por ultra-som de fios e uniões elétricas.
Histórico
Desde que a primeira máquina de soldagem por ultra-som para metais foi
desenvolvido e patenteado em 1960 houve avanços tecnológicos significantes
que agora fazem do processo uma ferramenta prática de produção. É
interessante a nota do primeiro processo de patente solicitada em 1952/53 em
que o examinador de patente e seu supervisor não acreditaram que pudessem
ser feitas soldas no estado sólido sem o uso de calor, metal de adição, super
cola ou similar e pediram permissão para visitar e testemunhar este processo.
No começo, materiais aplicados na tecnologia do tubo a vácuo não seriam
capazes de produzir altos níveis de energia de ultra-som. Além de serem
ineficientes eram caros. O trabalho foi limitado à pesquisa e ao
desenvolvimento que demonstraram a promessa do processo e alavancaram
sua evolução técnica.
Resumo
A tecnologia da soldagem de metais por ultra-som pode ser usado para
diferentes aplicações utilizando adequadamente sua onda de som e as
características da energia mecânica de alta freqüência. As vantagens das
vibrações de onda curtas são as excelentes características direcionais e a alta
repetibilidade do sinal. Estas combinações garantem uma perfeita capacidade
de localizar uniões defeituosas, determinar as características dos materiais, a
espessura e as estruturas das camadas.
Figura 1: Típicas aplicações da soldagem por ultra-som.
A energia do ultra-som é usada para melhorar a estrutura metalúrgica dos
materiais. A irradiação acústica na massa fundida conduz a uma melhora na
degasification e refinamento das estruturas do grão durante o processo de
endurecimento. Vibrações mecânicas de alta-frequência têm um efeito
altamente depurador. Os picos de pressão (até 1000 bar) não só ajudam a
remover as partículas da superfície como também o óleo e a graxa, e
destacam também as camadas sólidas de verniz dos corpos dos metais, com a
ajuda de vibrações de baixa freqüência. Quando combinado com instrumentos
abrasivos, a perfuração ultra-sônica pode ser usada como uma técnica de
acabamento por moldar materiais que são frágeis e duros de trabalhar como o
vidro, cerâmica, etc. A soldagem ultra-sônica é um processo metalúrgico que
utiliza vários materiais com diferentes temperaturas de fusão. A tecnologia da
soldagem por ultra-som tem provado ser extremamente bem sucedida em
várias aplicações acima de tudo em eletrônica (figura 1), indústria elétrica,
indústria automotiva, ensaios não destrutivos, limpeza industrial e em alguns
outros campos. A vantagem do custo e as melhorias de qualidade obtidas pelo
uso desta tecnologia são notáveis.
Figura 2: Equipamento de soldagem por ultra-som com controle de qualidade
eletrônico.
O único resultado da soldagem de metais por ultra-som é a baixa radiação de
calor sem fusão da massa. O processo é determinado por alguns parâmetros
de soldagem que podem ser facilmente monitorados e controlados
eletronicamente, que é um pré-requisito para um processo seguro e de
qualidade (figura 2).
2. Descrição do Processo
2.1. Tipos de soldagem
Os diferentes processos para união de metais podem ser subdivididos em
diferentes categorias dependendo do seu princípio de ação. Estas ligações
podem ser em forma fechada, por fricção ou com adição de material (figura 3).
Freqüentemente, não é possível fazer uma distinção clara entre a forma
fechada e a ligação por fricção.
Figura 3: Classificação dos tipos de soldagem pelo princípio de ação.
Uma ligação com adição de material é geralmente inseparável e somente
acontece, conforme a denominação, se usar material de adição ou consumível.
Os tipos mais freqüentes de junções desta categoria são os adesivos,
estanhagem, brazagem e uniões soldadas. Quando há soldagem de materiais,
tem que distinguir entre soldagem por fusão e soldagem sob pressão.
2.1.1. Soldagem por fusão e sob pressão
A soldagem por fusão ocorre devido a aplicação de calor no ponto de união
dos metais. Ao contrario, a soldagem sob pressão depende da aplicação de
altas pressões e/ou altas temperaturas, resultando em uma maleabilidade e
deformação na região da solda para que a ligação entre as peças seja feita. A
energia requerida para a soldagem é diferente para os dois tipos de processo.
Figura 4: Princípios d os processos de soldagem metálica por pressão baseado
em movimento.
A origem da energia, na soldagem por fusão, provem do gás, do arco elétrico,
da luz e do arco plasma. A soldagem por ultra-som pertence a categoria da
soldagem sob pressão e utiliza o deslocamento e a energia cinética para a
união das peças. Dependendo do tipo de deslocamento, uma distinção da
soldagem de metais pode ser feita entre a soldagem sob pressão a frio,
soldagem por fricção e soldagem por ultra-som. Todos os três processos
mostram ser muito similares. A soldagem por ultra-som é uma combinação de
soldagem sob pressão a frio e soldagem por fricção, por causa do modo da
ação. A figura 4 mostra os diferentes princípios dos processos de soldagem. A
soldagem sob pressão a frio ocorre a temperatura ambiente. Aplicando alta
pressão em ambas as peças, os materiais se soldarão. Uma forte deformação
do material na região da solda explica o processo.
2.1.2. Baixa pressão de soldagem
Durante a soldagem de metais por ultra-som, o movimento de rotação é
substituído pela vibração mecânica linear. As superfícies de soldagem são
esfregadas periodicamente durante o processo. Isto reduz a pressão exigida
se comparada a soldagem por fricção, e o valor final é somente cerca de
somente 1% do que é requerido para a soldagem sob pressão a frio.
2.2. Fundamentos e características
2.2.1. Soldagem por ultra-som
Quando se une completamente um material por ultra-som, a energia requerida
vem em forma de vibrações mecânicas. A ferramenta de soldagem (sonotrode
ou horn) junta-se a uma das partes a serem soldadas e move-se na direção
longitudinal. A outra parte permanece imóvel. Agora as partes a serem unidas
são simultaneamente pressionadas. A ação simultânea das forças estáticas e
dinâmicas causam a fusão das partes sem ter que usar um material de adição.
Este procedimento é usado em escala industrial para união de plásticos e
metais (figura 5).
Figura 5: Diferenças do processo de soldagem por ultra-som de plásticos e
metais.
2.2.1.1. Soldagem por ultra-som de plásticos
As oscilações são introduzidas verticalmente (figura 5a). A soldagem ultrasônica
de plásticos é uma tecnologia que tem sido usada a vários anos.
Quando se solda termoplásticos, a elevação térmica na região da solda é
produzida pela absorção das vi brações mecânicas, da reflexão das vibrações
na área da solda e da fricção das superfícies. As vibrações são introduzidas
verticalmente. Na área de contração, o calor da fricção é produzido assim que
o material é plastificado, forjando uma conexão insolúvel (que não se pode
separar) entre as partes, dentro de um curto período de tempo.
O pré-requisito é que ambas as partes trabalhadas tenham pontos de fusão
equivalentes. A qualidade da união é mais uniforme porque a transferência de
energia e o calor interno liberado permanecem constantes e está limitado à
1.Bigorna
2.Partes a serem soldadas
3.Ferramenta (sonotrode ou
horn)
4.Oscilação do ultra-som
área de união. A fim de obter um ótimo resultado, as superfícies das peças são
preparadas para serem adequadas a união por ultra-som. Além da soldagem
de plásticos, o ultra-som também pode ser usado para rebitar ou embutir peças
de metal em plástico.
2.2.1.2. Soldagem de metais por ultra-som
Direção horizontal da oscilação (figura 5b). Enquanto que na soldagem de
plástico, vibrações verticais de alta freqüência (20 a 70kHz) são usadas para
aumentar a temperatura e plastificar o material, a junção de metais é um
processo completamente diferente. Ao contrário de outros processos, as partes
a serem soldadas não são aquecidas até o ponto de fusão, mas são unidas
aplicando pressão e vibrações mecânicas de alta -frequência. Em contraste
com a soldagem de plásticos, as vibrações mecânicas usadas durante
soldagem de metais são introduzidas horizontalmente. A ferramenta (sonotrode
ou horn) não martela o material para elevar sua temperatura e plastifica-lo,
mas esfrega as partes a serem soldadas, uma sobre a outra, sob pressão.
2.2.2. Os mecanismos durante a soldagem de metais por ultra-som
Figura 6: Componentes da soldagem de metais por ultra-som.
Durante a soldagem por ultra-som, um complexo processo é iniciado
envolvendo forças estáticas, forças de cisalhamento e um moderado aumento
de temperatura na área de soldagem. O valor destes fatores depende da
1.Ferramenta (sonotrode ou horn)
2, 3.Partes a serem soldadas
4.Bigorna
5.Área de soldagem
espessura da peça, da estrutura da superfície e de suas propriedades
mecânicas. As peças são colocadas entre os suportes da máquina, isto é, a
bigorna e a ferramenta (sonotrode ou horn), que oscila horizontalmente a altas
freqüências (usualmente 20, 35 ou 40 kHz) durante o processo de soldagem
(figura 6). É muito comum utilizar a freqüência de oscilação (freqüência de
trabalho) de 20 kHz. Esta freqüência está acima da audição humana e, além
disso, permite o melhor uso possível da energia. Para processos de soldagem,
que requerem somente uma pequena quantidade de energia, podem ser
usadas as freqüências de trabalho de 35 ou 40 kHz.
2.2.3. Superfícies irregulares evitam o deslizamento
As superfícies da ferramenta (sonotrode ou horn) e da bigorna, ferramentas de
soldagem, são usualmente irregulares ou têm uma estrutura frisada ou
estriada para segurar as peças a serem soldadas e evitar o indesejável
deslizamento (figura 7).
Figura 7: Superfície da ferramenta (sonotrode ou horn).
2.2.4. Deformações do metal limitada localmente
A pressão estática é aplicada entre as superfícies de soldagem num ângulo de
90°. A força (pressão estática) é sobreposta com a força de cisalhamento de
alta freqüência de oscilação. Enquanto as forças no interior das peças
estiverem abaixo do limite de elasticidade linear, as peças não deformarão. Se
as forças ultrapassarem um determinado valor limite, deformações locais no
material logo vão ocorrer. Estas forças de cisalhamento, a alta freqüência,
quebram e removem os contaminantes e produzem uma ligação entre as
superfícies dos metais. A oscilação adicional faz a deformação das faces
aumentar até que uma grande área de soldagem tenha sido produzida. Ao
mesmo tempo, há difusão atômica na área de contato e o metal se recristaliza
numa estrutura de grãos finos e com as propriedades de um trabalho a frio
(figura 8).
Figura 8: Mecanismos da soldagem de metais por ultra-som.
2.2.5. Aumento de temperatura na área de soldagem
A soldagem de metais por ultra-som é local e limitada às forças de
cisalhamento e ao deslocamento das camadas intermediárias. Contudo, não
ocorrerá a fusão se a força (pressão), a amplitude e o tempo de soldagem
forem ajustados corretamente. Análises microscópicas, utilizando microscópios
ópticos e eletrônicos, mostram a recristalização, a difusão e outros fenômenos
metalúrgicos. Porém, elas não fornecem nenhuma evidência de fusão entre as
superfícies. O uso de dispositivos sensíveis à variações de temperatura,
instalados nas camadas intermediárias, mostram que, durante o curto período
de tempo de soldagem, há um rápido aumento com uma posterior queda
constante da temperatura.
2.2.6. U niões homogêneas e estáveis
A soldagem de metais por ultra-som não é caracterizado por adesão superficial
ou junções colados. É provado que as junções são sólidas, homogêneas e
estáveis. Por exemplo, se uma folha fina de alumínio é soldada por ultra-som a
uma folha fina de cobre, pode ser facilmente verificado que depois de um certo
período de tempo de solda, partículas de cobre aparecem no outro lado da
folha de alumínio. Ao mesmo tempo, partículas de alumínio aparecem no outro
lado da folha de cobre. Isto mostra que os materiais penetraram uns nos
outros -- um processo que é chamado de difusão. Este processo ocorre dentro
de frações de segundo.
2.2.7. Forças entre 700 e 3000 N
Com um fornecimento de pressão de aproximadamente seis bar, a força
exercida estará na faixa de aproximadamente 700N a 3000N. A pressão
pneumática pode ser regulada, para um determinado valor, com o auxílio de
um manômetro. O movimento vertical da ferramenta deve ser ajustável afim de
evitar uma indesejável deformação das partes a serem soldadas.
2.3. O equipamento
A energia do ultra-som é a energia de vibração mecânica que opera em
freqüências além do som audível, ou seja 18 kHz (18 kHz é o limiar superior da
faixa de audição humana normal). Três freqüências básicas são usadas; 20, 35
e 40 kHz, dependendo da aplicação. A seleção é baseada nos níveis de
potência exigidos, na amplitude de vibração requerida e no tamanho da
ferramenta de ultra-som a ser usado. A freqüência é importante porque atua
diretamente na potência disponível e no tamanho da ferramenta. É fácil de
gerar e controlar altos níveis de potência à baixa freqüência. Além disso, as
ferramentas do ultra-som são membros ressonantes cujo tamanho é
inversamente proporcional à freqüência operacional delas (figura 9).
Figura 9: Ferramenta (Sonotrode ou Horn).
A geração de energia do ultra-som começa com a conversão de 50 ou 60 Hz
da energia elétrica convencional para 20 ou 40 kHz da energia elétrica do
power supply (fornecedor de potência) (figura 10).
O power supply (fornecedor de potência) também controla a amplitude e a
freqüência das vibrações. A alta freqüência da energia elétrica é transmitida a
um conversor eletro-mecânico ou transducer onde a energia elétrica é
convertida em vibrações mecânicas. Estas vibrações são então ampliadas por
um transformador de amplitude (amplificador) (booster) e pela ferramenta do
ultra-som (sonotrode ou horn) antes de serem aplicadas na peça (figura 11). A
amplitude típica de produção da ferramenta de ¼ de superfície de trabalho é
0,0025 polegadas (0,0635mm) a 20 kHz.
Figura 10: Conversão de potência.
Figura 11: Ampliação das vibrações.
2.4. Variáveis do processo
Há somente três variáveis básicas do processo: amplitude da vibração, força
(pressão) e tempo. O resultado final desejado é o valor da energia suficiente
para romper óxidos e trazer superfícies opostas para dentro de distâncias
atômicas. Estas variáveis são combinadas para obter esta energia. Potência é
uma função da amplitude da ferramenta (sonotrode ou horn) e da força
aplicada. A energia é uma função da potência utilizada e do tempo, como
definido pelas fórmulas simplificadas a seguir:
Estas variáveis do processo são aproximadamente demonstradas por
experiências anteriores e ajustadas para satisfazerem as necessidades de
aplicações específicas. Em atual produção, estas variáveis são facilmente e
exatamente controladas. A amplitude é inicialmente determinada pela seleção
do amplificador (booster) e pelo desenho da ferramenta (sonotrode ou horn). A
amplitude é automaticamente controlada e regulada pelo power supply
(fornecedor de potência). Um moderno power supply é capaz de fazer,
eletronicamente, incrementais modificações na produção de amplitudes
visando otimizar a regulagem do setup. A força (pressão) é normalmente
gerada por uma prensa pneumática que é de fácil ajustagem e regulagem. O
tempo é controlado com grande precisão. Dentro de certos limites, as variáveis
do ultra-som podem ser modificadas, em relação umas as outras, para
alcançar o mesmo resultado (figura 12).
Figura 12: Potência x Tempo.
Mudanças em variáveis não ultra-sônicas, inclusive nas condições da
superfície, tamanho ou orientação, normalmente requerem mudanças nas
variáveis do processo para assegurar o valor exato da energia que é
P = FA
E = PT
P = Potência (Watts)
F = Força (Newtons)
A = Amplitude (Microns)
T = Tempo (Segundos)
E = Energia (Joules)
transmitido para o local da solda. Uma vez que o valor da energia exigida para
fazer um solda satisfatória é determinada, excelentes resultados podem ser
obtidos assegurando o mesmo valor da energia a ser aplicado a cada solda.
Um circuito de controle de energia continuamente monitora a potência utilizada
e integra este valor com o tempo para determinar a energia liberada. A variável
tempo é automaticamente ajustada para assegurar que a otimização da
energia seja alcançada, garantindo, desse modo, uma qualidade de solda
constante (figura 13).
Figura 13: Controle dinâmico do processo.
Este gráfico mostra duas curvas típicas para duas condições de solda.
Superfícies sujas (área azul do gráfico) dos metais vibrarão mais livremente,
uma contra as outras, até que a contaminação e os óxidos sejam dispersados
entre as faces. A partir daí, como as partes estão limpas, os metais base
alcançam a distância exigida (atômica) e começam a soldagem. Isto requer
mais tempo e, por essa razão, a curva de potência subirá mais lentamente até
que a quantidade de energia desejada seja alcançada. A soldagem começa
mais cedo na ausência de contaminação (área verde do gráfico)e a curva de
potência sobe rápido e alcança níveis de energia exigidos em um curto período
de tempo. O circuito de controle de energia monitora a potência e o tempo afim
de assegurar que o mesmo valor de energia seja aplicada na solda atual,
indiferente das condições das superfícies a serem soldadas.
Valores como os tempos (T1 - T2) e potências (P1 - P2) podem ser fixadas
como limites. Soldas que excederem os valores (T1;P1) dispararão um alarme
indicando uma solda duvidosa. Intervalos aceitáveis de operação para tempo e
potência dão flexibilidade ao processo para conhecer mudanças introduzidas
por partes sujas ou fora de especificação. Soldas que causam modificações
fora destes intervalos (T2;P2) ativam alarmes que sinalizam possíveis defeitos.
2.5. Explicação do processo
O processo para soldagem de metais que usa a energia do ultra-som é
simples. O principal motivo dos metais não aderirem simultaneamente é
porque eles são cobertos com um óxido, como resultado de sua exposição na
atmosfera. O alumínio, por exemplo, forma um camada de óxido duro dentro
de milésimos de segundo, quando exposto ao oxigênio. Mais adiante veremos
que as complicações no processo de união dos metais são comuns em
superfícies contaminadas com óleo ou outros materiais (figura 14).
Figura 14: Condições típicas de uma superfície.
Se as superfícies dos metais não tivessem óxidos, sujeiras ou óleos
lubrificantes a maioria das máquinas deixariam de funcionar porque superfícies
iguais seriam soldadas. Aplicando vibração, força e tempo um soldador realiza
uma soldagem por ultra-som. Então, o soldador inicia o processo pressionando
e esfregando as peças a serem soldadas, no mesmo ponto, afim de separar e
dispersar os óxidos e contaminantes das superfícies (figura 15).
Figura 15: Configuração típica da ferramenta e das peças.
A conseqüência da limpeza das superfícies dos metais é mante-las firmemente
unidas. Os contornos cri stalinos das duas superfícies são trazidos para dentro
de distâncias atômicas, permitindo uma forte atração dos átomos, criando um
ligação metalúrgica sem atingir a temperatura de fusão dos metais (figura 16a
e 16b). Este processo é caracterizado pela difusão atômica.
Figura 16: a) Antes da soldagem. b) Depois da soldagem.
Considerando que a soldagem por ultra-som não depende de alcançar a fusão
dos metais, as temperaturas de fusão e as condutividades térmicas não são
fatores do processo. O processo de soldagem inteiro é realizado em
aproximadamente 250 milésimos de segundos.
3. Considerações Quanto a Segurança
O que a soldagem de metais por ultra-som faz em uma única operação os
outros processos necessitam de várias etapas para realizar. Além disso elimina
materiais de adição, não requer preparação da solda ou limpeza após a solda,
usa muita pouca energia (1/30 da soldagem por fusão), não usa nenhuma
substância química perigosa, não gera nenhum fumo nocivo e pode ser
precisamente controlado e monitorado para assegurar resultados consistentes
e de alta qualidade. Finalmente, é um processo a baixa temperatura.
Tipicamente, o calor gerado pela fricção não eleva a temperatura das partes
soldadas mais do que, aproximadamente, um terço de suas temperaturas de
fusão. Considerando que um pequena quantia de calor é gerado não é exigida
água de refrigeração para a ferramenta e não há nenhum derretimento ou
amolecimento das partes soldadas. Os operadores podem, freqüentemente,
tocar a peça imediatamente após a solda.
4. Aplicações e Limitações
· Os metais mais adequados para a soldagem por ultra-som são os metais
não ferrosos e algumas de suas ligas. Então, aplicações que envolvem
materiais como cobre, alumínio e latão são muito comuns. Materiais contendo
chumbo, zinco e estanho não são recomendados para serem soldados por
ultra-som. Estes materiais agem como lubrificantes e não permitem a abrasão
exigida para realização da soldagem;
· O material que faz face à ferramenta (sonotrode ou horn) é acelerada e
desacelerada, sob pressão, a altas freqüências. Como a energia disponível
para geradores está limitado a até 4 kW, o tamanho ou a massa do material a
ser soldada tem que ser considerada. Como regra geral partes com até no
máximo 10 g podem ser soldadas. Este valor pode ser excedido se o material
é relativamente macio de modo que a deformação na área da solda seja
absorvida. A parte que faz face a bigorna, isto é, longe da ferramenta, pode ser
de qualquer peso;
· Se as peças a serem soldadas têm uma forma desfavorável, a energia da
oscilação pode gerar um ponto de tensão que pode conduzir a uma distorção
ou até mesmo à quebra. Durante a fase de projeto, a forma das peças tem que
ser estudadas e testadas para evitar inconvenientes;
· Para obter uma qualidade de solda constante é importante ter uma
superfície uniforme. Contaminação leve é normalmente aceitável, mas quando
as partes estão excessivamente contaminadas ou oleosas, suas superfícies
serão limpas pela energia da oscilação antes da realização da solda. O tempo
requerido para este processo depende da quantidade de impurezas e não
pode ser prognosticado. O tempo fixo do processo (tempo de soldagem) reduz,
exatamente, esta quantia de tempo da limpeza e que não está disponível para
o processo de soldagem. Devido a isto, não é alcançado o grau necessário de
compressão, que é indicado pelo dispositivo de controle (figura 17);
Figura 17: Relação entre a taxa de compressão e a resistência à tração.
· Superfícies revestidas serão avaliadas para determinar se são
convenientes para a soldagem por ultra-som. Camadas de níquel, prata, cobre
ou alumínio freqüentemente têm um efeito positivo. Efeitos negativos são
conhecidos para camadas de estanho, zinco e de superfícies cromadas. Então,
materiais que são menos satisfatórios para a soldagem por ultra-som podem
obter uniões de boa qualidade aplicando uma camada adequada nas
superfícies das peças a serem soldadas.
5. Vantagens
5.1. Principais vantagens do processo:
· Uniões de metais não-ferrosos;
· Baixo período de tempo de soldagem (<1 segundo);
· Nenhum calor é gerado para ser dissipado;
· Nenhum consumível é utilizado;
· Soldas consistentes e ligações mais fortes se comparadas a outros tipos
de soldagem;
· Baixo consumo de energia.
5.2. Qualidade da solda:
· Ligação metalúrgica estável;
· União de alta condutividade;
· Corrosão galvânica eliminada;
· Nenhum afrouxamento devido ao ciclo térmico ou a memória do material;
· Não afetado pela vibração;
· Soldagem da maioria das superfície oxidadas e sujas.
5.3. Controle do processo:
· Todas as variáveis do processo são controladas dinamicamente;
· Controle do tempo, potência e energia da soldagem compensam as
variações de limpeza das superfícies, uso da ferramenta e variações da
potência de entrada;
· Medida da altura de montagem pré-estabelecida;
· Assegura que os componentes corretos estão presentes ou que o arame
está preparado adequadamente;
· Qualidade final controlada.
5.4. Desenho dos terminais elétricos (aplicações específicas):
· Um desenho de terminal acomoda vários tamanhos de arame;
· Economiza nas ferramentas/setup de estampagem dos terminais;
· Economiza nos custos de estoque dos terminais;
· Economiza nos jogos de matrizes e manutenção;
· Uso de materiais dos terminais mais finos;
· Baixo custo das chapas.
5.5. Flexível para aplicações mais criativas:
· Soldagem em grupo;
· Eliminação total dos terminais.
5.6. Vida prolongada da ferramenta:
A ferramenta para soldagem por ultra-som é substituível e de baixo custo. É
fabricada de aço-ferramenta de alta qualidade e pode executar mais de um
milhão de soldas sem qualquer necessidade de manutenção. Esta importante
vantagem assegura excelente qualidade e confiabilidade das longas corridas
de produção.
5.7. Controle de qualidade:
Controles computacionais e dispositivos de realimentação regulam,
automaticamente, os parâmetros de soldagem e monitoram todas as funções
da máquina para assegurar uma soldagem precisa e de qualidade.
Microprocessadores monitoram os ciclos de soldagem através da
realimentação do sinal de potência. A potência que é aplicada na solda é
integrada durante o tempo de solda para determinar a energia total aplicada. O
ciclo de solda é ajustado, automaticamente, para produzir uma solda de
perfeita qualidade, indiferente das variações e/ou limpeza das peças. Limites
de controle, como o tempo de solda e a potência, podem ser pré-fixados. Se
alguma solda sair fora dos limites pré-fixados, um sinal alerta o operador para
isolar a montagem suspeita.
O controle final da altura da solda pode ser monitorado por um transducer de
deslocamento linear, disponível na maioria dos equipamentos de soldagem por
ultra-som. Esta característica chama a atenção para peças perdidas ou
carregando impróprio dos fios elétricos. Monitores coloridos de alta resolução,
controles de toque na tela e programas simples fazem do sistema um
equipamento amigável, até mesmo para o pessoal sem qualificação técnica.
Parâmetros pré-fixados de soldagem podem ser armazenados na memória e
chamados imediatamente para facilitar o setup e eliminar os erros do operador.
Gráficos do processo de soldagem e dados estatísticos de controle do
processo podem ser transferidos e enviados para impressoras, computadores
e modems. Isto, não só, assegura a qualidade das peças produzidas, como
também, uma melhor manutenção das máquinas.
5.8. Baixo custo por conexão:
Uma comparação dos processos alternativos que levam em consideração
materiais, trabalho, custo da ferramenta e potência demonstram claramente o
custo da eficiência da soldagem por ultra-som. Um estudo mostrou que a
soldagem por ultra-som era 38% do custo da operação Clip and Solder
(Estanhagem) e 67% do custo de operação da Soldagem à resistência (tabela
1). Um das vantagens mais surpreendentes, dos terminais soldados por ultrasom,
é a habilidade de trabalhar com múltiplos fios simultaneamente.
Ferramentas patenteadas disponíveis habilitam o operador a finalizar um
trabalho de até vinte fios em menos de dois décimos de segundo, com perfeita
qualidade. Este importante desenvolvimento oferece a capacidade de alcançar
níveis mais altos de produtividade, ao mesmo tempo que evidencia uma alta
qualidade do produto final. Tudo isso ao mais baixo custo por conexão.
Material
Clip & Dip
(Estanhage
m)
Soldagem à
resistência
Ultra-som
Solda a $2,62/kg, 522,5kg $3.018,00 – –
Fluxo a $14,00/litro, 870,6litros $3.220,00 – –
Clipes a $0,005 cada $5.000,00 – –
Energia para o pote de solda,
$0,086/kWh
$380,00 – –
Energia para aplicar os clipes $365,00 – –
Energia para a soldagem – $3.500,00 $258,00
Ferramenta $300,00 $20.000,00 $1.135,00
Trabalho a $12,00/h – – –
Solder dip (Mergulhar na solda) a
687,5 peças por hora
$17.450,00 – –
Clipping (Grampear, Prender)
152 peças por hora
$78.950,00 – –
Manipulação do material e
limpeza total do pote de solda,
requer 1/2 pessoa
$12.120,00 – –
Soldagem à resistência de 300
peças por hora
– $40.000,00 –
Soldagem por Ultra-som de 270
peças por hora
– – $44.444,00
Manutenção $500,00 $5.290,00 $40,00
Total $121.303,00 $68.790,00 $45.877,00
Tabela 1: Comparação de custos dos métodos de união de fios elétricos
(Baseado em um milhão de uniões).
5.9. Exemplos:
Esta característica de baixa temperatura é muito importante quando se solda
Cobre em Alumínio. A soldagem por fusão cria um composto intermetálico não
condutor e frágil, que reduz a ductilidade da ligação Cobre - Alumínio. Quando
os metais fundidos se misturam, uma liga é formada com uma característica
muito frágil para a maioria das aplicações. Considerando que o processo de
soldagem por ultra-som não causa fusão, estes intermetálicos e ligas frágeis
não são formadas quando estes materiais são soldados.
Quando aquecido em uma atmosfera redutora, o oxigênio contido no cobre
pode causar fragilidade e, consequentemente, ameaçar a integridade da
conexão. Além disso, o arame de cobre usado em equipamentos profissionais
é muito condutor e correntes elétricas extraordinariamente altas são
necessárias para gerar calor suficiente para efetuar a fusão. Óxidos e
contaminantes dos fios, como também o uso do eletrodo mudará drasticamente
a resistência da solda e a quantidade de calor produzida. Outros materiais
sensíveis a temperatura se beneficiam do mesmo modo. Um bom exemplo é
berílio e cobre, material elástico que pode ser parcialmente recozido durante o
processo de soldagem por fusão, mas retém suas propriedades elásticas
quando soldado por ultra-som.
6. Aplicações - Exemplos:
Figura 18: União de armações de fios elétricos automotivos.
Figura 19: Soldagem em conjunto de fios elétricos para cabos de fita (FFC).
Soldagens simultâneas são possíveis porque não há nenhuma passagem de
corrente elétrica pela área da solda. O processo é insensível a variações de
condutividade de arame para arame.
Figura 20: Terminais de fios de grande bitola [8AWG (8.37mm²)] Fio elétrico
soldado no terminal de uma conexão crítica do automóvel.
Figura 21: Terminal de múltiplos fios. Uma conexão automotiva incorpora
vários fios elétricos.
Figura 22: Juntas de transição, de cobre para alumínio, nas bobinas do motor
de arranque de automóveis.
7. Bibliografia:
[1] http://www.amtechultrasonic.com/theoryarticle.html, Theory of Ultrasonic
Welding.
[2] http://staplaultrasonics.com/book.htm, Ultrasonic Metal Welding.