132 7. Processo de soldagem por resistência elétrica 7.1 Introdução 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 = KxI Rxt, onde: K = constante I = corrente elétrica R = resistência elétrica t = tempo 7.2 Equipamento A figura abaixo mostra o esquema básico de uma máquina de solda a ponto por resistência 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-birilo; 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.
133 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 R 3 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. eletrodos, que devem ser ótimos condutores elétricos. As resistências R 1 e R 5, provocadas pelo contato eletrodo -peça, devem ser minimizadas através de uma boa limpeza das chapas e de uma pressão adequada dos As resistências R 2 e R 4 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. 7.5 O processo 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.
134 7.6 Tipos de solda por resistência A ponto A solda a ponto é a mais conhecida dos processos de solda por resistência e consiste em unir as chapas através de pontos de solda formados no local onde são pressionados os eletrodos. Potências recomendadas para máquinas de solda a ponto Tabela de Gonner para chapas de aço Os valores variam com o grau de limpeza das chapas e com o paralelismo das superfícies de contato. Espessura das Chapas (mm) 0,5 a 1,0 1,5 a 3,0 2,0 a 5,0 2,5 a 7,0 Tempo de soldagem (s) 0,4 a 1,1 1,1 a 2,4 1,5 a 3,6 1,5 a 4,0 Pressão nos eletrodos (kg) 30 a 100 70 a 200 90 a 300 90 a 300 Diâmetro do Ponto 3,7 a 5 6 a 8 6,7 a 10 6,7 a 11 Potência (KVA) 4-6 8-10 13-16 15-25 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. 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.
135 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. N e s t e caso,devido ao tempo de aplicação da força, e a se ter um ciclo de operação abreviado (compressão, solda, fixação e descompressão), a espessura máxima das chapas a serem soldadas é inferior a da solda a ponto (cerca de 50%). A velocidade da solda por costura é de até 12 m/min. 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 eqüivale à original. Podem ser soldados o aço-carbono, quase todos aço liga, o aço fundido e o ferro fundido maleável branco.
136 7.7 Soldagem a resistência com alta freqüência No processo de soldagem topo a topo por contato, o calor gerado vem da resistência interfacial de contato, como numa solda a ponto comum. Mas, se aumentarmos a freqüência de oscilação da corrente para cerca de 450 Kc/s e aumentarmos a tensão, teremos um novo processo conhecido por solda à resistência com alta freqüência. Este tipo de solda usa o chamado efeito de superfície, que estabelece que a corrente tende a concentrar-se na superfície à medida que a freqüência aumenta. Em virtude da concentração de calor ser exatamente na região desejada, consegue- se um excepcional rendimento. Usando-se unidades de potência de 60 KVA e trabalhando-se na confecção de tubos com costura de paredes de 1 mm, pode-se atingir velocidades da ordem de 100 m/min. Além de tubos, vigas T e cantoneiras podem também ser soldadas por este processo. 8. Soldagem por indução eletromagnética 8.1 Introdução Ao descobrir o princípio da indução eletromagnético e, conseqüentemente, o aquecimento indutivo, Faraday julgou o calor assim produzido um efeito indesejável em seus motores elétricos. Somente em 1916, é que o Dr. E. F. Northrup desenvolveu o primeiro forno de indução, dando, assim, início à exploração do extenso campo de aplicações industriais do aquecimento indutivo de metais. O aquecimento indutivo baseia-se no princípio da indução eletromagnética. Um condutor de eletricidade (no caso a peça metálica a ser aquecida), quando colocado sob a ação de um campo eletromagnético, desenvolve uma corrente elétrica induzida. Essa corrente, que circula através da peça, e a resistência que o material oferece à sua passagem, são responsáveis pelo aparecimento do calor. 7.2 Descrição do processo Basicamente, uma unidade para aquecimento indutivo compõe -se de um gerador de alta freqüência e de uma bobina de trabalho. O gerador proporciona a corrente elétrica de alta freqüência que, ao circular através da bobina de trabalho, nela desenvolve um intenso campo eletromagnético. A bobina é feita, usualmente, de tubo fino de cobre, com uma ou mais espiras no formato conveniente de modo a circundar a área da peça que se deseja aquecer. A peça é colocada dentro da bobina, sem tocar nela. Fatores do aquecimento A potência do gerador de alta freqüência, o dimensionamento adequado da bobina de trabalho, a resistividade elétrica do material a ser aquecido e o tempo de aplicação da energia fornecida pelo gerador, são fatores importantes para determinar-se a extensão e profundidade de aquecimento, bem como a temperatura a que se pode atingir. Por outro lado, a freqüência da corrente alternada aplicada à bobina de trabalho exerce influência acentuada na determinação da profundidade do aquecimento. Efetivamente, a corrente induzida e, portanto, o aquecimento tende a circular na camada externa da peça aquecida sendo tanto mais superficial quanto mais elevada for a freqüência. Embora a escolha da freqüência dependa da aplicação específica do aquecimento em cada caso, em princípio, quanto mais elevada a freqüência, tanto mais extensa a variedade de peças que podem ser
137 vantajosamente aquecidas por indução. Na prática, contudo, emprega-se a freqüência de até 450.000 ciclos por segundo (450 khz). 7.3 Equipamento Gerador de radio- freqüência Os geradores de aquecimento indutivo que operam à freqüência de 450 khz, normalmente chamados de geradores de radio- freqüência, são máquinas eletrônicas altamente especializadas, mas de concepção relativamente simples. A partir da rede trifásica de alimentação e com o emprego do transformador adequado, obtém-se uma tensão alternada da ordem de 10.000 a 15.000 V. Essa tensão é retificada e posteriormente aplicada à válvula osciladora, para fornecer-lhe a potência necessária. Da válvula osciladora, a energia é transferida para a bobina de trabalho, a uma freqüência determinada por um circuito oscilador convenientemente dimensionado. 7.4 Aplicações Com o emprego de geradores de radio- freqüência para a solda de metais, é possível aplicar apenas o calor suficiente, exclusivamente na área de junção das peças e, durante o tempo estritamente necessário. A área a ser soldada é aquecida em segundos, sem que o restante da peça se aqueça, o que elimina os refugos devido a distorções e possibilita fazer soldas em pontos vizinhos às já existentes, sem afetá-las. A uniformidade das soldas é assegurada com o ajuste preciso do equipamento a um ciclo de trabalho pré-determinado. Solda de tubos A solda longitudinal contínua de tubos com costura ou a solda helicoidal de tubos de grande diâmetro, é uma das aplicações onde o aquecimento indutivo vem sendo utilizado com relevantes vantagens. Aço, alumínio e outros metais ferrosos e não ferrosos, são soldados com facilidade, sem necessidade de tratamento superficial das chapas antes da solda. Chapas com paredes extremamente finas, polidas ou recobertas, podem ser soldadas com um mínimo de riscos de deformações, devido à reduzida pressão lateral do processo eletrônico. A velocidade da solda é limitada, exclusivamente, pela capacidade da máquina formadora de tubos, podendo atingir até várias dezenas de metros por minuto. Devido a este fato, a introdução da solda eletrônica de tubos acarreta um aumento da capacidade de produção, em relação a outros processos. Os custos operacionais, entretanto, permanecem estáveis, podendo até mesmo sofrer reduções, por ser menor o número de operários necessários a cada unidade soldadora e por não haver contato direto entre a bobina e o tubo, evitando o desgaste por abrasão. 9. Soldagem por raios Laser
138 lâmpada de excitação O Laser é um dispositivo que pode gerar um feixe muito intenso de energia luminosa, obtido através de excitação eletrônica e concentrado através de um sistema ótico. Laser significa "Light Amplification Trough Stimulated Emission of Radiation". O princípio de operação do Laser consiste na oscilação de elétrons de certos átomos através do suprimento de energia. O material que será estimulado pode ser sólido, líquido ou gasoso, podendo variar desde uma vareta menor que um dedo até um tubo de gás de vários metros de comprimento. Os principais tipos de materiais usados são: vareta de rubi sintético, contendo cromo, que produz luz vermelha; vareta a base de neodímio; a base de CO2; a base de hélio e a base de neônio. Os elétrons desses materiais são excitados através da luz de uma lâmpada de gás xenônio, argônio ou criptônio. Essa lâmpada é colocada perto do tubo ou vareta amplificadora, no interior de um cilindro altamente refletivo de modo que, tanto quanto possível, toda a energia seja absorvida pelo material que irá produzir o raio Laser. Quando se produz energia no amplificador a luz produzida é refletida entre um prisma ou espelho refletor e um outro espelho parcialmente refletor. Ocorre então uma amplificação do comprimento de onda da luz, toda vez que esta oscila, tornando-a cada vez mais intensa, até que a mesma passe através do espelho parcialmente refletor, produzindo energia útil. Este feixe de raios luminosos e focalizado num diâmetro pequeno através de lentes. O feixe Laser constitui emissão de alta intensidade energética, atingindo uma superfície muito reduzida, com uma precisão inigualável por outros processos, daí seu interesse para determinados tipos de solda. Pode-se soldar com Laser determinando-se exatamente o ponto de solda, atingindo-se profundidades enormes, sem afetar-se as zonas adjacentes ao ponto de solda. Sua aplicação, devido a problemas de custo, só é competitiva em soldagem de precisão de metais de difícil soldagem como o titânio, o columbio e o molibdênio. Este processo vem sendo muito usado na indústria de componentes eletrônicos e na indústria aeroespacial.