Soldadura por pontos 101: Compreender os princípios básicos

Classificação e características da soldadura por resistência

Classificação dos métodos de soldadura

Classificados por métodos de soldadura, soldadura por pontos é um tipo de soldadura por resistência e insere-se na categoria de soldadura por pressão, como se mostra na Figura 1-1.

Classificação dos métodos de soldadura

Vantagens da soldadura por resistência:

1) O calor é concentrado, o tempo de aquecimento é curto e a deformação da soldadura é pequena.

2) O processo metalúrgico é relativamente simples.

3) Pode adaptar-se à soldadura de vários tipos de materiais semelhantes e dissimilares metais.

4) O processo é simples e fácil de mecanizar e automatizar.

5) A produtividade da soldadura é elevada e os custos são baixos.

6) O ambiente de trabalho é bom, com poluição mínima.

Desvantagens:

1) O investimento inicial em equipamento é elevado, o equipamento é complexo e o pessoal de manutenção necessita de conhecimentos técnicos elevados.

2) Requer uma grande capacidade de energia, frequentemente monofásica, o que pode levar a um desequilíbrio da rede eléctrica.

3) Falta de métodos de ensaio não destrutivos simples e práticos.

Uma visão geral da aplicação da soldadura por resistência na produção automóvel.

Na produção de componentes automóveis, são amplamente utilizados vários processos de soldadura, como a soldadura por pontos, a soldadura por projeção, a soldadura por costura e a soldadura topo a topo rápida. Por exemplo, a soldadura por pontos é utilizada na soldadura por pontos de carroçarias de automóveis, na soldadura por pontos de suportes de montagem de vigas transversais, na soldadura por projeção de peças de equilíbrio de eixos de transmissão, na soldadura por projeção de depósitos de combustível de automóveis e na soldadura topo a topo contínua de jantes de automóveis.

A soldadura por pontos, em particular, é um método de junção económico e de alta velocidade, adequado para juntas sobrepostas e juntas que não requerem estanquidade ao gás, bem como para componentes de paredes finas com uma espessura inferior a 4 mm produzidos por estampagem ou laminagem, exigindo que o metal tenha uma boa plasticidade.

Este livro centrar-se-á na aplicação de robôs de soldadura por pontos e sistemas na produção de automóveis (ver o vídeo do CD que acompanha o projeto - (11) Equipment Performance Display of Robot Manufacturing Enterprises).

O princípio básico da soldadura por pontos

O processo de formação da pepita de solda na soldadura por pontos

A soldadura por pontos por resistência, abreviada como RSW, é um método de soldadura em que as peças de trabalho montadas são unidas em juntas sobrepostas e comprimidas entre dois eléctrodos, utilizando o aquecimento por resistência para fundir o metal de base e formar o ponto de soldadura, como se mostra na Figura 1-2.

Durante a soldadura por pontos, devido à elevada resistência no ponto de contacto entre as duas peças de trabalho, é gerada uma quantidade substancial de calor de resistência no ponto de contacto quando é passada uma corrente eléctrica suficientemente grande através das placas. Isto aquece rapidamente o metal na área central e mais quente até um estado altamente plástico ou fundido, formando uma pepita de solda líquida em forma de lente.

A temperatura da zona fundida diminui gradualmente do interior para o exterior. Depois de a energia ser cortada, a pressão é mantida ou aumentada para permitir que a pepita de solda solidifique e cristalize sob pressão, formando um ponto de solda densamente estruturado, como mostrado na Figura 1-3.

No ponto de contacto entre o elétrodo e a peça de trabalho, o calor gerado é conduzido pela boa condutividade térmica dos eléctrodos de cobre (ou liga de cobre) e pela água de arrefecimento, resultando num aumento limitado da temperatura e evitando a aderência. O processo de formação do ponto de soldadura na soldadura por pontos é ilustrado na Figura 1-4.

Figura 1-3: Diagrama esquemático do crescimento da pepita de soldadura por pontos e da secção transversal

Em resumo, os dois elementos fundamentais da soldadura por pontos são a fonte de calor interna e a pressão externa.

O processo de soldadura por pontos pode ser resumido em quatro fases interligadas: na primeira fase, as peças de trabalho são pré-comprimidas entre os eléctrodos; na segunda fase, a área de soldadura é aquecida a uma determinada temperatura após a aplicação da corrente; na terceira fase, a parte central forma a pepita de solda; e na quarta fase, a solda arrefece e cristaliza sob a pressão dos eléctrodos, formando o ponto de solda.

Durante a soldadura por pontos, devido à pressão aplicada por eléctrodos de um determinado diâmetro, a peça de trabalho deforma-se e forma-se um percurso de corrente apenas na área de soldadura em contacto próximo, resultando numa densidade de corrente extremamente elevada. Por conseguinte, a pressão aplicada está relacionada com a rigidez da peça de trabalho.

De acordo com a direção do fluxo de corrente através da peça de trabalho, a soldadura por pontos é geralmente dividida em duas categorias: soldadura por pontos de dupla face e soldadura por pontos de face única. Na soldadura por pontos de dupla face, os dois eléctrodos estão localizados em ambos os lados da peça de trabalho, e a corrente passa através de ambos os lados da peça de trabalho para formar o ponto de soldadura, que é um método de soldadura comummente utilizado para robôs de soldadura por pontos, como mostrado na Figura 1-5.

A soldadura por pontos de um só lado implica que os dois eléctrodos sejam posicionados num dos lados da peça de trabalho e é utilizada quando é difícil para os eléctrodos aproximarem-se da peça de trabalho de ambos os lados, ou quando é necessária uma indentação pouco profunda num dos lados da peça de trabalho.

Fonte de calor e factores que afectam o aquecimento na soldadura por pontos

(1) Fonte de calor da soldadura por pontos

A fonte de calor na soldadura por pontos por resistência é o calor de resistência, de acordo com a lei de Joule, Q=I²Rt (em que Q é o calor gerado em joules, I é a corrente de soldadura em amperes, R é a resistência em ohms e t é o tempo de soldadura em segundos).

A corrente de soldadura, a resistência entre os dois eléctrodos e o tempo de soldadura são os três principais factores que determinam a geração de calor (fonte de calor interna) na soldadura por pontos, sendo a maior parte do calor utilizada para formar o cordão de soldadura.

A corrente de soldadura necessária e o tempo de soldadura estão relacionados com a formação de uma pepita de solda específica; se o tempo de soldadura for muito curto, a corrente de soldadura necessária durante a soldadura por pontos aumentará, como se mostra na Figura 1-6.

(2) Equilíbrio térmico e dissipação de calor

Durante a soldadura por pontos, apenas uma pequena parte do calor gerado é utilizada para formar o cordão de soldadura, enquanto uma parte maior é perdida por condução e radiação para os materiais adjacentes, como se mostra na Figura 1-7.

Nota: Q₁ é a entrada de calor para formar a poça de fusão na zona de soldadura aquecida; Q₂ é a perda de calor por condução térmica através do elétrodo; Q₃ é a perda de calor por condução térmica no metal circundante da zona de soldadura; Q₄ é a perda de calor por convecção e radiação para o meio de ar circundante.

A equação do balanço térmico é Q (calor total) = Q₁ + Q₂ + Q₃ + Q₄em que o calor efetivo Q₁ depende das propriedades térmicas do metal e da quantidade de metal fundido, independentemente das condições de soldadura, com um valor de referência de Q₁≈10%~30%Q.

Para metais com baixa resistividade e boa condutividade térmica (alumínio, ligas de cobre, etc.), Q₁ é o limite inferior; para metais com elevada resistividade e fraca condutividade térmica (aço inoxidável, ligas de alta temperatura, etc.), Q₁ assume o limite superior.

O calor perdido inclui principalmente o calor conduzido através dos eléctrodos (Q₂≈30%~50%Q), o calor conduzido através da peça de trabalho (Q₃≈20%Q), e o calor irradiado para a atmosfera (Q₄(aproximadamente 5% do calor total). As características da soldadura por pontos reflectem-se principalmente nos três aspectos seguintes:

1) Aquecimento rápido e concentrado.
2) A dissipação eficaz do calor na zona de soldadura é crucial para conseguir uma distribuição razoável da temperatura.
3) O processo de aquecimento está intimamente relacionado com as propriedades térmicas do metal que está a ser soldado.

Fenómeno de desvio de corrente na soldadura por pontos

Durante a soldadura por pontos real, uma pequena parte da corrente flui através dos pontos de soldadura circundantes, formando um percurso de corrente e dissipando-se no metal circundante. O fenómeno de desvio de corrente durante a soldadura por pontos é ilustrado na Figura 1-8.

Nota: Is=Iges-In onde Is é a corrente de soldadura, Iges é a corrente total do elétrodo e In é a corrente de desvio.

Quanto menor for a distância do ponto, quanto mais espessa for a chapa e quanto melhor for a condutividade eléctrica do material, mais grave será o desvio. Um desvio grave pode levar à perda de energia e a dificuldades em garantir a qualidade da soldadura.

Além disso, o estado da superfície da peça de trabalho afecta significativamente o desvio. Quando o tratamento da superfície é deficiente, as manchas de óleo e as películas de óxido aumentam a resistência de contacto, levando a um aumento da resistência total da zona de soldadura e a uma diminuição relativa da resistência de desvio, aumentando assim o desvio.

A formação de resistência de contacto é causada pela micro-rugosidade da superfície de soldadura e pela presença de camadas condutoras pobres. A distribuição das linhas de corrente durante a soldadura por pontos e a situação da corrente que passa através dos pontos de contacto das peças de trabalho são ilustradas na Figura 1-9.

a) Distribuição das linhas de corrente durante a soldadura por pontos
b) Situação da corrente que passa pelos pontos de contacto entre as peças

Durante a soldadura por pontos, existem três tipos de resistência na zona de soldadura, e a resistência R entre os dois eléctrodos varia com diferentes resistências métodos de soldadura, como mostra a Figura 1-10.

Nota: R representa a resistência total da zona de soldadura; R representa a resistência interna da peça de trabalho; R representa a resistência de contacto entre as peças de trabalho; R representa a resistência de contacto entre o elétrodo e a peça de trabalho.

A resistência total R na zona de soldadura por pontos é composta pela resistência interna R_w das duas partes soldadas, a resistência de contacto R_c entre as duas partes soldadas, e a resistência de contacto R_cw entre o elétrodo e a peça de trabalho, ou seja, R=2R_w+R_c+2R_cw. Os métodos de cálculo dos valores de resistência de cada peça são os seguintes

1) Resistência interna das partes soldadas (R_w): A resistência gerada pela corrente que atravessa as peças soldadas está relacionada com a resistência das próprias peças. A fórmula para calcular essa resistência é:

onde:

• ρ = resistividade do metal na zona de soldadura
• δ1, δ2 = espessura das duas partes soldadas (mm)
• S = correspondente à área de contacto do elétrodo (mm)²)
• K₁ = coeficiente devido ao efeito de borda que causa a expansão do campo de corrente, variando de 0,82 a 0,84
• K₂ = coeficiente devido ao efeito de bypass que provoca a expansão do campo de corrente, variando entre 0,8 e 0,9; escolhe-se um valor mais baixo para especificações rígidas e um valor mais alto para especificações suaves.

Uma vez que ρ aumenta geralmente com a temperatura, quanto maior for o tempo de aquecimento, maior será a resistência, resultando numa maior produção de calor e numa maior contribuição para a formação da soldadura.

2) Resistência de contacto (R_c+2R_cw): A resistência de contacto é uma resistência adicional, geralmente referente ao valor da resistência medida na superfície de contacto (superfície de contacto da peça soldada com a peça soldada, superfície de contacto da peça soldada com o elétrodo) sob a pressão do elétrodo de soldadura por pontos.

Os principais factores que afectam a resistência de contacto são o estado da superfície e a pressão do elétrodo. A resistência de contacto a uma temperatura de aquecimento de 600°C para o aço e de 350°C para o alumínio é próxima de zero.

A resistência de contacto entre as partes soldadas (R_c), a resistência de contacto entre o elétrodo e a peça de trabalho (R_cw), a resistência interna das duas partes soldadas (R_w), o desvio de corrente durante a soldadura por pontos, a corrente de soldadura, o tempo de energização e a pressão do elétrodo têm todos um impacto significativo no aquecimento durante a soldadura por pontos.

A curva de variação da resistência interna da peça de trabalho durante o processo de soldadura é mostrada na Figura 1-11.

Nota: R_w representa a resistência inerente da peça de trabalho; Rct representa a resistência de contacto (R_ct=R_c+2R_cw); R representa a resistência total da zona de soldadura (R=R_w+R_ct).

A relação entre a resistência de contacto e a pressão do elétrodo é apresentada na Figura 1-12.

Nota: A espessura da placa é de 1 mm; 1 representa aço de baixo carbono; 2 representa liga de alumínio.

elétrodo de soldadura por pontos

Funções dos eléctrodos de soldadura por pontos

O elétrodo de soldadura por pontos é um componente crucial para garantir a qualidade da soldadura por pontos. As suas principais funções incluem a condução de corrente eléctrica para a peça de trabalho, a transmissão de pressão para a peça de trabalho e a rápida dissipação de calor da zona de soldadura. As formas comuns de eléctrodos de soldadura por pontos são mostradas na Figura 1-13.

a) Elétrodo reto normalizado b) Elétrodo dobrado c) Elétrodo com tampa d) Elétrodo roscado e) Elétrodo composto

Requisitos para materiais de eléctrodos

Com base nas funções do elétrodo acima mencionadas, os materiais utilizados para o fabrico do elétrodo devem possuir uma condutividade eléctrica, uma condutividade térmica e uma dureza a alta temperatura suficientemente elevadas.

A estrutura do elétrodo deve ter resistência e rigidez adequadas, bem como condições de arrefecimento suficientes. Além disso, a resistência de contacto entre o elétrodo e a peça de trabalho deve ser suficientemente baixa para evitar a fusão da superfície da peça de trabalho ou a formação de ligas entre o elétrodo e a superfície da peça de trabalho.

Materiais de eléctrodos comuns

De acordo com as disposições da norma da indústria aeronáutica HB5420 1989 do Ministério da Indústria Aeroespacial da China, os materiais dos eléctrodos são classificados em quatro categorias, sendo três delas normalmente utilizadas.

（1）Os materiais da categoria 1 são ligas de cobre e cobre de alta condutividade eléctrica e dureza média, que atingem os seus requisitos de dureza principalmente através do trabalho a frio. São adequados para o fabrico de eléctrodos para a soldadura de alumínio e ligas de alumínio e também podem ser utilizados para a soldadura por pontos de chapas de aço revestidas, embora o seu desempenho não seja tão bom como o das ligas da Categoria 2.

As ligas da categoria 1 são também normalmente utilizadas para o fabrico de componentes condutores sem tensão ou com baixa tensão. Entre as três categorias de ligas, o cobre crómio-nióbio, o cobre crómio-zircónio-nióbio e o cobre cobalto-crómio-silício apresentam um desempenho superior e têm sido amplamente utilizados. Os seus respectivos graus são referidos como DJ70, DJ85 e DJ100, como se mostra na Tabela 1-1.

Tabela 1-1: Propriedades comuns dos materiais

Além disso, existe um material de sinterização composto de tungsténio-cobre, que é adequado para situações com calor elevado, tempos de soldadura longos, arrefecimento inadequado ou pressão elevada.

É utilizado para eléctrodos complexos para soldadura por pontos de placas de cobre, eléctrodos embutidos para soldadura por projeção ou eléctrodos para soldadura cruzada de fios. Com o aumento do teor de tungsténio, a resistência e a dureza do material aumentam, mas tanto a condutividade eléctrica como a condutividade térmica diminuem.

2) A segunda categoria de materiais tem maior condutividade eléctrica e dureza em comparação com a primeira categoria de ligas. Estas ligas podem atingir os seus requisitos de desempenho através de uma combinação de trabalho a frio e tratamento térmico. Em comparação com a primeira categoria de ligas, têm um desempenho mecânico superior, uma condutividade eléctrica moderada e uma forte resistência à deformação sob pressão moderada.

Por conseguinte, são os materiais de eléctrodos mais utilizados e são amplamente utilizados para soldar por pontos aço de baixo carbono, aço de baixa liga, aço inoxidável, ligas de alta temperatura, ligas de cobre de baixa condutividade e aço revestido. As ligas de categoria 2 também são adequadas para o fabrico de veios, grampos, placas, suportes de eléctrodos e vários componentes condutores em máquinas de soldadura por resistência.

3) A terceira categoria de materiais tem uma condutividade eléctrica inferior à da primeira e segunda categorias e uma dureza superior à das ligas da categoria 2. Estas ligas podem atingir os seus requisitos de desempenho através de tratamento térmico ou de uma combinação de trabalho a frio e tratamento térmico. Têm um desempenho mecânico superior, boa resistência ao desgaste, elevada temperatura de amolecimento e menor condutividade eléctrica.

Por conseguinte, são adequados para materiais de soldadura por pontos com alta resistência e alta temperatura e força, como o cobre de zircónio cromado. Estes metais têm boa condutividade eléctrica, condutividade térmica, elevada dureza, resistência ao desgaste, resistência à fratura e elevada temperatura de amolecimento. Quando soldados, os eléctrodos apresentam um desgaste mínimo, velocidades de soldadura rápidas e baixos custos globais de soldadura.

Com as necessidades da produção industrial, a soldadura por resistência tem colocado maiores exigências aos materiais dos eléctrodos em termos de resistência, ponto de amolecimento e condutividade eléctrica em processos de produção de alta velocidade e ritmo acelerado. Os materiais compostos à base de cobre reforçados com partículas (também conhecidos como cobre reforçado por dispersão) têm recebido atenção como um novo tipo de material de elétrodo e são amplamente utilizados.

Isto envolve a adição ou a utilização de medidas de processo específicas para produzir partículas finas e dispersas de segunda fase numa matriz de cobre com boa estabilidade térmica. Estas partículas podem impedir o movimento de deslocação, melhorando a resistência do material à temperatura ambiente, ao mesmo tempo que inibem a recristalização, aumentando assim a sua resistência a altas temperaturas, tal como o Al₂O₃-Cu e TiB₂-Materiais compósitos de cobre.

A composição e as propriedades dos materiais típicos dos eléctrodos de soldadura por resistência de cobre reforçados por dispersão são apresentadas na Tabela 1-2.

Tabela 1-2 Composição e desempenho de materiais típicos de eléctrodos de soldadura por resistência de cobre reforçados por dispersão

Estrutura dos eléctrodos de soldadura por pontos

A estrutura dos eléctrodos de soldadura por pontos pode ser dividida em cinco tipos: eléctrodos rectos normais, eléctrodos dobrados, eléctrodos com tampa, eléctrodos roscados e eléctrodos compostos.

Os eléctrodos de soldadura por pontos são constituídos por quatro partes: a ponta, o corpo, a cauda e o orifício da água de arrefecimento. O elétrodo reto padrão é o tipo de elétrodo mais utilizado na soldadura por pontos, e os nomes das partes do elétrodo são mostrados na Figura 1-14.

De acordo com as diferentes superfícies de trabalho dos eléctrodos de soldadura por pontos, existem seis tipos de designações e formas para os eléctrodos padrão (isto é, eléctrodos rectos), como mostra a Figura 1-15.

a) Elétrodo pontiagudo (código J)
b) Elétrodo esférico (código H)
c) Elétrodo cónico (código Y)
d) Elétrodo em forma de cunha deslocado (código EF)
e) Elétrodo plano (código M)
f) Elétrodo de tampa esférica (código Q)

A ponta do elétrodo entra em contacto direto com a superfície da peça de trabalho a alta temperatura e suporta repetidamente altas temperaturas e pressões durante a produção de soldadura. Por conseguinte, a adesão, a liga e a deformação são as principais considerações na conceção do elétrodo.

Principais parâmetros dos eléctrodos de soldadura por pontos

1) Principais parâmetros físicos: Dureza superior a 75 HRB, condutividade eléctrica superior a 75% IACS, temperatura de amolecimento de 550°C, conforme indicado na Tabela 1-3.

2) Composição química principal, como indicado no quadro 1-4.

Quadro 1-3: Principais parâmetros físicos

Tabela 1-4: Composição química chave

Requisitos de qualidade para eléctrodos de soldadura por pontos

1) Condutividade eléctrica medida com um medidor de condutividade por correntes de Foucault, sendo a média de três pontos superior ou igual a 44 MS/m.

2) Dureza medida utilizando as normas de dureza Rockwell, sendo a média de três pontos superior ou igual a 78 HRB.

3) Na experiência da temperatura de amolecimento, depois de manter uma temperatura de forno de 550°C durante 2 horas, o arrefecimento em água não deve resultar numa redução da dureza superior a 15%.

Os eléctrodos de soldadura por resistência utilizam geralmente uma combinação de tratamento térmico e trabalho a frio para garantir o seu desempenho. Esta abordagem permite obter propriedades mecânicas e físicas óptimas. O cobre cromo-zircónio é utilizado como elétrodo de soldadura por resistência de uso geral, principalmente para soldadura por pontos ou soldadura por costura de aço com baixo teor de carbono e chapas de aço revestidas.

Também pode ser utilizado como porta-eléctrodos, veios e materiais de revestimento na soldadura de aço de baixo carbono, ou como moldes de grandes dimensões, acessórios para máquinas de soldadura por projeção e eléctrodos para aço inoxidável e aço resistente ao calor.