Soldadura Tailor Blanks - TWB

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1 Soldadura Tailor Blanks - TWB Eurico Assunção, Nº49997 Resumo Este paper tem como objectivo apresentar uma tecnologia de soldadura que tem sido cada vez mais utilizada na indústria automóvel., a soldadura Tailor Blanks. Apesar de esta tecnologia já existir a alguns anos ainda existe muito espaço para a investigação e desenvolvimento nesta área. Este trabalho foi elaborado tendo isso em mente, e tendo também como objectivo futuros desenvolvimentos, para tal será necessário primeiro perceber o que trata este novo processo de soldadura. 1. Introdução A soldadura Tailor Blanks consiste em soldar duas ou mais chapas finas de diferentes espessuras, com uma configuração plana, para serem posteriormente enformadas. Fig.1 Esquema dos diferentes passos da soldadura Tailor Blanks A soldadura Tailor Blanks surgiu por volta dos anos oitenta, e em 1992 começou a ser utilizada na indústria automóvel, com o objectivo de obter peças mais sólidas, reduzir tolerâncias, reduzir o peso, etc. Devido às vantagens apresentadas, em 1997, os valores relativos a trabalhos nos Estados Unidos da América em TWB eram superiores a 500 milhões de dólares. A TWB evoluiu bastante através da indústria automóvel, e foi progredindo desde um simples painel de duas peças do Audi 80 até painéis mais complicados utilizados nos carros modernos.

2 Fig.3 e 4 Fotografias do primeiro carro a utilizar tecnologia Tailor Blanks, à esquerda, e um carro que utiliza tecnologia Tailor Blanks actualmente, à direita. Nos anos mais recentes, o uso de Tailor Blanks tem aumentado não só na industria automóvel, mas também em outras industrias de manufactura, tais como a industria electrónica, de construção, entre outras. Apesar desta expansão das TWB continua a ser na industria automóvel que mais se aplica. 2. Processos de Soldadura Utilizados Na soldadura Tailor Blanks, pode-se utilizar várias técnicas de soldadura, tais como: - MIG - TIG - Soldadura a Laser - Soldadura por Fricção Linear - NVEB - nonvacuum electron-beam - Soldadura por resistência ( resistência por roletes ) - Etc. A escolha do processo a utilizar está directamente ligada a que tipo de material se pretende soldar, sendo o Alumínio e o Aço os materiais mais utilizados na soldadura TWB. Apesar da possibilidade de utilização de vários processos de soldadura, o processo MIG, TIG, Soldadura a Laser, Soldadura por Fricção Linear, NVEB e Soldadura por resistência por roletes são as mais utilizadas. Soldadura Mig: A soldadura MIG, Metal Inert Gas, é um processo de soldadura por arco eléctrico no qual se utiliza um fio eléctrodo consumível de alimentação contínua, na ponta do qual se estabelece o arco eléctrico no seio de uma atmosfera de protecção gasosa. Soldadura TIG: A soldadura TIG, Tungsten Inert Gas, trata-se de um processo de soldadura por arco eléctrico no qual o arco se estabelece entre um eléctrodo não consumível de tungsténio e a peça, no seio de uma atmosfera de protecção gasosa (Árgon ou Hélio). Nonvacuum electron-beam (NVEB) ou Feixe de electrões: Trata-se de um processo de soldadura por fusão, no qual, um raio de electrões a elevada velocidade é

3 aplicado aos materiais a soldar. A zona a soldar irá derreter à medida que a energia cinética dos electrões é transformada em calor quando ocorre o impacto. Neste processo pode-se usar material de adição, contudo não é obrigatório. Soldadura a Laser: Trata-se de um processo de soldadura utilizado para soldar múltiplas peças de metal através do uso de um laser. O laser irá fornecer uma fonte concentrada de calor, que irá possibilitar soldar juntas estreitas, fundas e com elevada velocidade. Dai que este processo seja utilizado em aplicações de elevado volume. Soldadura por Fricção Linear: A SFL é um processo de ligação no estado sólido, no qual uma ferramenta, não consumível, de base cilíndrica com um pino roscado, é inserida na linha de junta de duas peças a soldar. O calor é gerado na deformação visco-plástica imposta pela ferramenta nas peças a soldar, as quais estão encostadas uma contra a outra, sobre uma placa de apoio. Soldadura por resistência - variante resistência por roletes : Na soldadura por resistência, os metais são unidos sem material de adição através da aplicação de corrente e pressão na zona a soldar. A quantidade de calor depende, por exemplo, da resistência eléctrica da área a soldar. 3. Processo Tailor Blanks: Os Tailor Blanks são um conceito de construção metálica de painéis construídos a partir de múltiplas chapas, geralmente de diferentes materiais, unidas tipicamente, por um processo de soldadura, e que podem variar na espessura e revestimento, resultando finalmente num único painel soldado, que de seguida é enformado para se obter a forma final pretendida. 3.1 Etapas do processo Tailor Blanks 1. Corte da chapa de espessura, material e revestimento adequado ao componente 2. União das várias chapas por um processo de soldadura de forma a obter um único painel 3. Estampagem e corte de modo a obter o componente final Fig. 5 Esquema das diferentes etapas do processo Tailor Blanks

4 3.2 Aplicações dos Tailor Blanks A maioria das aplicações de Tailor Blanks situam-se na industria automóvel, nomeadamente, na construção mecânica convencional, nos pontos de aplicação de cargas e em estruturas que necessitam de ser reforçadas. Mais recentemente começou-se a usar TWB na construção. Actualmente as aplicações estruturais Tailor Blanks, em veículos automóveis, representam aproximadamente 6 a 8% da estrutura total. Fig. 6 Esquema representativo de algumas das aplicações de TWB em veículos automóveis 3.3 Benefícios da tecnologia da TWB Os potenciais benefícios são impressionantes: Redução de peças Redução do numero de pontos de soldadura Redução do tempo de desenho e desenvolvimento Custos de produção mais reduzidos Menor adição de material Melhor utilização do material (Aço, alumínio..) Redução do peso Exactidão dimensional melhorada Integridade estrutural melhorada Segurança melhorada Redução da quantidade de desperdícios 3.4 Problemas dos Tailor Blanks Um dos problemas que surgem na TWB, prende-se com a escolha do processo de soldadura, de forma a que a junta soldada não afecte o

5 desempenho do componente. Ou seja, quando se escolhe o processo de soldadura a utilizar tem-se que ter em conta qual será a função do componente. 3.5 Tipos de fissuras que ocorrem no TWB Os tipos de fissura que ocorrem no TWB, durante o processo de estampagem, podem ser divididos em dois grupos, fissura transversal no próprio cordão e fissura a iniciar-se na chapa mais fina quando se existe uma solicitação perpendicular ao cordão. Fig. 7 Diagrama dos tipos de fissuras que ocorem no TWB Na figura em baixo encontram-se representadas os dois tipos de fissuras que poderão ocorrer. Fig. 8 - Solicitação longitudinal,fissura transversal que ocorre no cordão de soldadura (figura da esquerda), Solicitação perpendicular ao cordão de soldadura, a fissura inicia-se na chapa mais fina (figura da direita) 3.6 Técnicas de Ligação Outro factor a ter em conta quando se soldam chapas de diferentes espessuras, prende-se com a posição relativa das chapas.

6 Fig. 9 Diagrama das diferentes técnicas de ligação A escolha da técnica depende essencialmente do processo de ligação que se vai utilizar. Fig. 10 Esquema das possíveis posições relativas das chapas a soldar A mais utilizada é a Bottom-Flat devido à sua facilidade de posicionamento das chapas para soldadura. Não esquecendo que tem-se sempre que manter uma interligação entre as três fases principais da tecnologia TWB. Fig. 11 Fotografias dos diferentes passos do processo de Tailor Blanks 3.7 Soldadura TWB em alumínio De modo a melhor perceber-se o TWB, considerei a soldadura TWB em alumínio para discutir quais os processos de soldadura que se podem utilizar, entre outros aspectos. Processos de soldadura utilizados para TWB em alumínio: - Soldadura a laser - Soldadura por Fricção Linear

7 - Soldadura MIG - Soldadura TIG Soldadura por Fricção Linear TWB: Problemas da soldadura das ligas de alumínio: - Baixa viscosidade do alumínio - Tendência à fissuração - Formação de porosidades Ou seja, problemas que irão afectar gravemente as propriedades mecânicas do material. Vantagens da Soldadura por Fricção Linear: - Trata-se de um processo de soldadura no estado sólido: - Permite minimizar ou anular alguns dos problemas referidos - Apresenta uma tensão de rotura e de cedência sempre superior aos processos de fusão, e muito semelhantes aos do material de base Soldadura Laser em TWB: A Soldadura Laser em TWB é o processo de soldadura mais utilizado actualmente na indústria automóvel, um dos factores que influencia essa escolha prende-se com a sua elevada fiabilidade. Contudo, tal como todos os processos, este também apresenta algumas desvantagens. Desvantagens: - Elevada reflectividade - Elevada condutibilidade térmica do alumínio 4. Desenvolvimentos Futuros Este trabalho pode ser considerado como o pronto de partida, para o trabalho a desenvolver no futuro, que irá iniciar-se com a análise dos processos de soldadura para TWB em Aço e em Alumínio. Dos quais se destacam os seguintes: - Tig, Mig e Laser para Aço - Fricção Linear para Alumínio Contudo o estudo relativamente ao processo de Soldadura Tailor Blanks, ainda tem muito espaço para desenvolvimento e investigação. Em baixo encontram-se alguns possíveis tópicos de desenvolvimento e investigação: - Criação de um nível, que defina a qualidade da soldadura Tailor Blanks, de modo a melhor controlar as mesmas. Pois em muitos casos, apesar de se

8 obter uma soldadura relativamente boa, a mesma prova-se de má qualidade para se realizar posteriormente o processo de enformação necessário. - Definição de determinadas regras/tabelas para este tipo de soldadura. De modo a uma melhor aplicação deste processo, num futuro próximo, será necessário desenvolver uma lista, tendo como base actividades experimentais, que englobe todas as variáveis a considerar nesta soldadura (espessura das chapas, materiais, processo de enformação a que será sujeita a chapa, etc.) - Para soldadura por Fricção Linear, deve-se definir qual o ângulo de ataque a utilizar. Fig. 12 Desenho exemplificativo do ângulo de ataque - Para a soldadura por Roletes, deve-se também definir a forma e a inclinação dos roletes, pois com roletes convencionais não é possível efectuar a soldadura devido à diferença entre as espessuras das chapas. - Pesquisa sobre a possibilidade de efectuar TWB entre diferentes materiais. - Desenvolvimento ou adaptação de máquinas de soldadura para a TWB. Fig. 13 Figura de alguns aparelhos que podiam ser adaptados para efectuar TWB

9 5. Conclusões A soldadura Tailor Blanks tornou-se um importante processo para a indústria automóvel, não só pela redução de custos, como também pela poupança de material. Toda a investigação feita deve ter em conta essas duas características, de modo a tornar esta tecnologia num processo competitivo e que possa ser facilmente implementado. Como ponto de partida a investigação deve apontar para a escolha do melhor processo de soldadura para o Aço e para o Alumínio, sendo que estes são os materiais mais utilizados na indústria automóvel. 6. Bibliografia Ana L. Góis, João Pedro R. Santos, Tailor Blanks em Alumínio Soldados por Fricção Linear e Processos de Fusão, 2004 C.H. Chenga, M. Jieb, L.C. Chana, C.L. Chowb,True stress strain analysis on weldment of heterogeneous tailor-weldedblanks a novel approach for forming simulation, 2006 C.J. Bayley, A.K. Pilkey, Influence of welding defects on the localization behaviour of an aluminum alloy tailor-welded blank,2005 H.R. Shakeri, A. Buste, M.J. Worswick, J.A. Clarke, F. Feng, M. Jain, M. Finn,Study of damage initiation and fracture in aluminum tailor welded blanks made via di.erent welding techniques,2002