Soldagem por resistência - Como acontece

A soldagem de pontos por resistência é usada em praticamente todos os

segmentos da indústria metalúrgica, devido à sua facilidade de aplicação, não

exigindo metais de adição e pela sua versatilidade, pois pode em alguns casos vir a unir diferentes materiais.

Os pontos de solda são aplicados para unir chapas metálicas executando um tipo de costura entre elas. Por não acrescentar peso algum ao produto e por proporcionar baixo aporte térmico com relação aos processos de soldagem a arco, o processo de soldagem de pontos por resistência elétrica é o preferido entre os demais na indústria automotiva, linha branca, eletrônica e outras.

Como desvantagem, porém, esse processo não impede que exista infiltração de água ou poeira através das chapas e pelos espaços entre os pontos de solda. Esse problema pode ser corrigido com o uso de colas especiais para metais, que após a respectiva cura, impedem a entrada de água, além de proporcionar isolação acústica e aumentar a resistência estrutural do conjunto soldado.

Historicamente, o processo de soldagem de pontos por resistência tem se

desenvolvido no sentido de se tornar à prova de falhas. No início, basicamente, uma fonte de corrente e um elemento de fixação das peças era suficiente para executá-lo. Posteriormente, as máquinas de solda começaram a ser compostas por controladores automáticos de corrente elétrica, circuitos temporizadores de precisão e válvulas de controle de pressão retro-alimentadas no sentido de torná-las mais eficientes. Entretanto, mesmo assim, ainda existiam algumas variáveis, tais como: alterações nos revestimentos das chapas, desgaste dos elementos consumíveis e os aspectos próprios da operação, que podiam ser percebidas na qualidade final, através da sua influência no resultado do ponto soldado.

Atualmente, com o desenvolvimento de sistemas compensatórios inteligentes,

capazes de absorver variações dos elementos discretos, que fogem ao controle

inicial, foi possível proporcionar que a qualidade do produto final ficasse cada vez menos dependente de fatores externos.

Apesar dessas contribuições, não se pode ainda garantir uma boa soldagem no

caso de montagem de peças amassadas, ou se tratando da seleção de programas errados por parte dos soldadores. Os sistemas compensatórios são impotentes nos casos em que os pontos simplesmente não são executados, sejam por esquecimento ou perda de sequência de produção. Também são ineficazes quando ocorrem falhas no sistema, como falta de refrigeração ou troca de eletrodos por outro tipo não especificado, ou seja, o uso desses sistemas para execução da soldagem não pode garantir a isenção completa de erros.

2.1 DEFINIÇÃO DO PROCESSO DE SOLDAGEM POR RESISTÊNCIA

ELÉTRICA

Denomina-se soldagem, ao processo de união de duas partes, usando fonte de calor, com ou sem aplicação de pressão. A solda é o resultado desse processo.

Segundo a definição da norma DIN 1910 (1997), a soldagem por resistência elétrica é uma classificação do processo de soldagem, e essa mesma norma classifica o processo de soldagem de pontos por resistência elétrica como uma subdivisão do processo de soldagem por resistência.

No caso do processo de soldagem de pontos por resistência elétrica, especificamente, a ligação acontece através do calor gerado por fontes de energia

elétrica devendo existir uma força entre as chapas a serem unidas, de modo que se forme uma região de resistência elétrica para a passagem da corrente.

As diferentes formas de aplicação da soldagem por resistência

As soldas a ponto, por costura, por projeção e topo a topo formam um grupo de soldas nas quais o calor necessário para a soldagem é gerado por resistência elétrica, através de um circuito de baixa

voltagem e alta amperagem, atuando num período de tempo relativamente curto.

As peças a serem soldadas são pressionadas uma contra a outra por meio de dois eletrodos não consumíveis; após isto, faz-se passar uma alta corrente por eles que, devido à resistência existente entre as peças, vai produzir calor através do efeito Joule: Q = KxI2xRxt, onde:

K = constante

I = corrente elétrica

R = resistência elétrica

t = tempo

A máquina para soldagem por resistência é composta basicamente, por: um transformador com um sistema que permita a variação de corrente; dois eletrodos bons condutores de eletricidade entre os quais são colocadas as chapas que serão soldadas. Estes eletrodos devem associar alta condutividade elétrica a boa resistência ao desgaste, o que normalmente é conseguido usando-se uma liga de Cobre-Berilio; um sistema que controle a pressão dos eletrodos sobre as chapas e que determine o tempo de passagem da corrente elétrica e um sistema de refrigeração dos eletrodos.

A corrente de soldagem é estabelecida na máquina pela mudança no transformador (taps de controle

ou controle eletrônico).

O controle de tempo das diversas etapas do processo pode ser mecânico, como mostrado no

esquema acima ou através de "timers" eletrônicos, que são usados nas máquinas mais modernas.

• Instruções para o uso das máquinas:

- O material a soldar deve estar isento de óxido, graxa, óleo, etc., no ponto a ser soldado.

- Os eletrodos da máquina devem estar livres de incrustações; para remover estas, lixá-los quando

necessário.

- O tempo de operação e a intensidade da corrente devem ser estabelecidos de acordo com a

espessura do material a ser soldado, bem como com a sua natureza.

- Eletrodos finos requerem menores pressões

- Chapa galvanizada requer maior tempo ou maior intensidade de corrente.

- O tempo de operação é determinado pela velocidade aplicada ao curso do pedal entre as posições

superior e inferior.

- A intensidade de corrente é determinada pela posição da chave de controle.

7.3 Variáveis do processo

As três variáveis mais importantes do processo são: a resistência, a corrente e o tempo.

Sob controle do operador temos: a pressão dada nos eletrodos, a corrente e o tempo.

• Resistência

Quando os eletrodos comprimem as chapas a serem soldadas, a resistência elétrica entre eles

compreende cinco resistências diferentes.

Das cinco, apenas R3 é básica para o processo. Esta resistência de contato entre as chapas é

que origina o ponto de solda.

Pontos de solda consistentes dependem, portanto, das condições das superfícies na interface.

As resistências R1 e R5 , provocadas pelo contato eletrodo -peça, devem ser minimizadas através de uma boa limpeza das chapas e de uma pressão adequada dos eletrodos, que devem ser ótimos condutores elétricos.

As resistências R2 e R4 dependem da resistividade e espessura das chapas, bem como da

temperatura de trabalho.

• Corrente e tempo

Os efeitos da corrente e do tempo podem ser considerados em conjunto mas, embora ambos afetem a quantidade de calor desenvolvido, é apenas a corrente que determina o grau máximo de calor. Uma parte deste calor é perdida, principalmente, na água de refrigeração dos eletrodos. O tamanho a que o ponto irá chegar, depende da velocidade de geração do calor, portanto, da corrente. O tamanho máximo conseguido é cerca de 10% maior que o diâmetro do eletrodo.

7.4 Ciclos de operação

O processo básico de soldagem por resistência apresenta um ciclo de operação composto de quatro estágios:

• Compressão

É o tempo entre a primeira aplicação da pressão dos eletrodos e a primeira aplicação da corrente de solda.

• Tempo de solda

É o tempo durante o qual a corrente de solda passa.

• Tempo de fixação

É o tempo durante o qual a pressão dos elementos continua a ser aplicada, após a corrente ter sido interrompida.

• Descompressão

É o tempo durante o qual os eletrodos não estão em contato com a peça.

O processo de solda por resistência é automático e todas as variáveis devem ser pré-fixadas e

mantidas constantes.

Isto é necessário porque, uma vez iniciada a solda, não há nenhum modo de controlar seu progresso.

Além disto, os testes não destrutivos são muito difíceis e não completamente satisfatórios. Portanto, é costume estabelecer esquemas para testes destrutivos em algumas amostras e manter, o melhor possível, o controle das variáveis.

Por ponto

Materiais bons condutores de calor são mais difíceis de serem soldados, pois o calor ao invés de ficar concentrado no ponto, se dispersa através da chapa. Assim, usando-se máquinas de 25 KVA de potência, consegue-se soldar duas chapas de alumínio de até 3 mm de espessura e de até 2,5 mm, se as mesmas forem de cobre.

2.3.1 Pinças de Solda

A pinça de solda, como mostra, a seguir, figura 2.1, é o equipamento responsável

pela execução do ponto de solda. Ela normalmente é controlada por um comando de

solda, que através de parâmetros definidos determinará o momento de abertura e

fechamento da pinça. Sua função basicamente é operacional: fechar os braços e

proporcionar a passagem da corrente de solda.

Quando a soldagem é automática, as pinças são manipuladas por robôs, os quais

levam o conjunto de braços, cilindro e transformadores para os locais adequados,

posicionando-os adequadamente para a execução dos pontos de solda.

Quando o processo é manual, o operador posiciona a pinça para a obtenção dos

pontos. Para o correto posicionamento, são colocados suportes na periferia da pinça,

de modo que exista empunhadura adequada para sua sustentação.

Braços

Eletrodos

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De maneira básica, uma pinça é composta por acessórios elétricos e

pneumáticos. A parte pneumática é formada por um cilindro, por conexões, por hastes

e por braços ligados a esse cilindro, além das válvulas de acionamento.

As pinças são classificadas como C ou X. As pinças do tipo C possuem um

cilindro de ação direta em relação ao movimento de fechamento dos braços. As

pinças do tipo X possuem cilindros que fecham os braços através de uma alavanca. A

escolha de um determinado tipo de pinça depende de sua aplicação e devem ser

levados em consideração alguns aspectos, tais como:

• o acesso dessas ao produto a ser soldado;

• a ergonomia, no caso de pinças manuais;

• o comprimento mínimo necessário dos braços;

• o espaço disponível nas estações de trabalho;

• a força entre eletrodos necessária para soldagem.

 Do ponto de vista técnico, a pinça C é mais vantajosa, pois a força entre eletrodos

não varia em função do comprimento dos braços. A forma da pinça possui uma

grande influência sobre os parâmetros de soldagem, pois quanto maior são os braços,

maior será o circuito secundário e conseqüentemente serão também maiores as

perdas por indução. Outro aspecto relevante é que uma pinça “grande” precisa de um

tempo maior para fechamento de seus braços, e isso reflete diretamente no tempo de

pré-pressão.

 Ponteadeiras estacionárias

São também utilizadas em larga escala as ponteadeiras estacionárias tanto pela sua versatilidade, quanto pelas capacidades de transformador (que pode ser AC ou média frequência). Temos hoje em dia equipamentos de excelente tecnologia que permitem a utilização de inúmeros recursos.

Eletrodos

Os eletrodos de solda por resistência (ponto) são dos mais variados tipos, formatos e ligas, cada um para sua respectiva aplicação.

Seguem algumas características das ligas fabricadas comercialmente para confecção de eletrodos de solda por resistência.

CARACTERÍSTICAS DO ELETRODO DE COBRE CROMO

Condutibilidade elétrica (%IACS): 70 a 75

Condutibilidade térmica: Elevada

Dureza: 65 a 75B - proporcionada pelo cromo, que atua como elemento endurecedor da liga

Resistência ao desgaste: Elevada

Temperatura de amolecimento: 500 ºC

CARACTERÍSTICAS DO ELETRODO DE COBRE COBALTO BERÍLIO

Condutibilidade elétrica (%IACS): 48

Dureza: 95 a 100B

Temperatura de amolecimento: 500 ºC

CARACTERÍSTICAS DO ELETRODO DE COBRE ZIRCÔNIO

Condutibilidade elétrica (%IACS): 90

Condutibilidade térmica: Elevada

Resistência ao desgaste: Elevada - quando utilizado para soldar chapas finas de aço com tratamento superficial de zinco

CARACTERÍSTICAS DO PORTA ELETRODO DE COBRE CROMO ZIRCÔNIO

Condutibilidade elétrica (%IACS): 80

Condutibilidade térmica: Elevada 

Resistência ao desgaste: Elevada

Dureza: 70B - proporcionada pelo cromo, que atua como elemento endurecedor da liga

Temperatura de amolecimento: 550 ºC

Temperatura de trabalho: Alcança elevada temperatura em decorrência do zircônio

Desgaste dos eletrodos

Conforme a utilização, os eletrodos são desgastados no processo e suas áreas de contato sofrem aumento, o que por consequência diminui a densidade de corrente. Ocorre também a difusão de átomos do metal de base para o eletrodo, o que implica diretamente na condutividade do material.

Abaixo, segue um estudo de vida útil de um eletrodo de solda ponto.

Dimensionamento de eletrodos

Os eletrodos de solda ponto devem ser dimensionados para que a fusão ocorra entre as duas chapas unidas. Em caso de chapas de igual espessura, utilizam-se diâmetros de contato iguais e onde as chapas são de espessuras diferentes, dimensiona-se os diâmetros de contato de modo que a fusão ocorra entre as duas chapas.

                       (a)                      (b)                  (c)

a – Correto

b – Incorreto

c – Incorreto

  

• Por projeção

Neste processo os pontos são predeterminados, através de puncionamento de uma das chapas. Assim, obtemos uma concentração maior de calor na zona de soldagem.

  

Equipamento:

Em geral, para soldas por projeção, usam-se ponteadeiras estacionárias, tanto pela correta distribuição da pressão quanto pela utilização de transformadores mais potentes.

  

Eletrodos

Eletrodos compostos basicamente por Cobre e suas ligas mais um pino guia isolado para soldagem de porcas ou com revestimento interno de material isolante para soldagem de parafusos.

Porcas e parafusos de projeção

São utilizadas porcas com projeção em projetos que exijam rosca, mas onde trona-se inviável a usinagem de uma rosca.

O mesmo caso ocorre para a escolha da soldagem de um parafuso.

• Por costura

Este processo consiste em usar-se como eletrodos, dois roletes que rolam sobre as chapas fazendo uma solda contínua e não mais por pontos.

Equipamento:

Utilizam-se máquinas estacionárias pela correta aplicação de forças, peso dos eletrodos e potência dos transformadores.

Eletrodos

São discos de Cobre e suas ligas em geral. Possuem furos que servem como flange de fixação nas máquinas de solda por resistência.

Para soldagens intermitentes, em geral não são refrigerados ao passo que na soldagem contínua são refrigerados por ar comprimido.

• Topo a topo

O processo é empregado para soldar topo a topo barras, tubos, arames, etc.

Êle pode ser subdividido em dois tipos:

• Por contato

As peças a unir são presas em mordentes, postas em contato, e faz-se passar uma corrente elétrica.

Devido à resistência de contato, aparece na junta um aquecimento que aumenta até atingir a temperatura de soldarem. Em seguida, as peças são comprimidas firmemente uma contra a outra e assim efetua-se a junção.

Este processo é apropriado para a soldagem de aço até 500 mm² de seção transversal, dos metais leves e do cobre. A pressão de soldagem é de 1,5 kgf/mm² para o aço doce e de 0,6 kgf/mm² para os metais leves. As seções transversais a soldar devem ser iguais. A resistência mecânica da junção é  da ordem de 80% da resistência do metal soldado.

• Por faiscamento (arco elétrico)

A soldagem de topo com arco baseia-se no mesmo princípio, porém é mais versátil, podendo ser soldadas seções transversais bem maiores (até 50.000 mm²), obtendo-se, além disso, resultados melhores.

Neste tipo de soldagem, as peças entram inicialmente em contato. Fecha-se o circuito elétrico e, em seguida, as peças são afastadas ligeiramente. O arco elétrico que se forma, funde as partes salientes. Ao desligar a corrente elétrica, os mordentes são comprimidos repentinamente um contra o outro, efetuando-se a soldagem. A resistência mecânica da união soldada equivale à original.

Podem ser soldados o aço-carbono, quase todos aço liga, o aço fundido e o ferro fundido maleável branco, além de materiais não ferrosos.

Equipamentos:

As máquinas de “solda topo”, são, em geral, robustas para soldagem de grandes bitolas, mas também temos equipamentos mais leves e facilmente transportáveis.