avaliação das juntas soldadas utilizando o processo de - Crea-PR

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AVALIAÇÃO DAS JUNTAS SOLDADAS UTILIZANDO O PROCESSO
DE SOLDAGEM A PONTO NA INDÚSTRIA AUTOMOBILÍSTICA
Marcos Antonio Pintor Junior
Engenheiro Mecânico (UNITAU); http://lattes.cnpq.br/1307558573404062;
[email protected]
RESUMO
A utilização de chapas zincadas na indústria automobilística melhorou a qualidade das
carrocerias, no entanto a junção destas chapas que é feita através da solda ponto, utiliza
vários fatores e parâmetros que se não estiverem adequados podem resultar em juntas que
não atendam exigências de projeto. Este trabalho tem como objetivo avaliar as soldas em
chapas zincadas que utilizam o processo de soldagem a ponto e também estabelecer
parâmetros adequados à pequena variação na espessura das chapas que são adquiridas na
indústria. Serão feitos testes com chapas de aço de dupla face zincada, de espessura 1mm.
Serão soldados alguns corpos de prova utilizando transformadores de 160kVA. Serão feitos
testes de arrancamento para sabermos se a solda atende os requisitos previamente
estabelecidos. Para obter resultados satisfatórios foi necessário analisar as chapas
adquiridas desde o início do processo, realizando assim alguns ensaios importantes para
analisar as suas características estruturais.
Palavras-chave: Chapas Zincadas, Solda Ponto, Soldagem Automobilística.
ABSTRACT
The plate use zinced in the automobile industry, improved the quality of the cars, however
the junction of these plates that is made through the weld point, uses some factors and
parameters that if they will not be adjusted can result in meetings that do not take care of
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project requirements. This work has as objective to evaluate welds in zinced plates that use
the welding process the point and also to establish adequate parameters to the small
variation in the gauge that is acquired in the industry. Tests with steel plates will be made of
double zinced face, of thickness 1mm. will be welded some bodies of test using transforming
of 160 kVA. Pulling up tests will be made to know if the weld previously takes care of the
established requirements. To get resulted satisfactory it was necessary to analyze plates
acquired since the beginning of the process, being thus carried through some assays
important to analyze its structural characteristics.
Word-key: Zinced Plates, Weld Point, Automobile Welding.
1. INTRODUÇÃO
Na indústria de fabricação de veículos automotores as uniões de duas chapas,
antes da introdução da solda por resistência, eram feitas utilizando parafusos e rebites
como elementos de fixação, o que ocasionava um contratempo de ter que apertá-los
periodicamente, além do que, a partir da década de 80, iniciou-se um processo de
aceitação, em todos os níveis, da aplicação de soldas por pontos feita por robôs, com forte
tendência de substituição dos homens (MAINIER, 1997). Graças aos avanços tecnológicos
e aos estudos de novas técnicas surgiram as uniões soldadas pelo processo de solda por
resistência, que oferecem maior resistência às vibrações mecânicas.
A utilização de chapas zincadas na indústria automobilística, melhorou em muito a
qualidade das carrocerias no referente à corrosão, entretanto, a junção destas chapas,
feita através da solda ponto, utiliza vários fatores e parâmetros que se não estiverem
adequados podem resultar em juntas soldadas que não atendam as exigências de projeto.
1.1. Processos de Soldagem por Resistência Elétrica
A soldagem por resistência compreende um ramo da arte de soldagem feita por um
processo de pressão, produzido a partir da superfície de contato entre duas peças
distintas, por meio do calor gerado por efeito Joule durante a circulação da corrente elétrica
por resistência de junção (KEARNS 1984). As principais características desse processo
são as altas velocidades de execução, onde em média são necessários menos de um
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segundo para a execução de um ponto, além da flexibilidade e elevada capacidade de
automação deste processo. (STOCCO 2010).
Este fato torna este processo diferente dos demais já que nenhum material
externo, como fluidos ou arames é utilizado. Assim, nos ensina Machado (1996), a
metalografia da solda não é complicada de se observar uma vez que não ocorre adição de
material externo. Além disso, o processo de soldagem por resistência difere dos processos
de soldagem por fusão ao utilizar força mecânica para forjar e unir as peças. O efeito da
força é refinar a estrutura dos grãos, produzindo, desta forma, uma solda com
propriedades físicas, na maioria dos casos, iguais ao metal de origem e em alguns outros
casos com qualidade até mesmo superior. No processo de soldagem a ponto ou solda por
projeção é efetuada uma simples aplicação ou um pulso de corrente.
1.2. Princípios Gerais da Solda a Ponto
Soldagem a ponto por resistência elétrica é um processo de soldagem no qual a junção de
metais é produzido em superfícies sobrepostas pelo calor gerado pela resistência do
material à passagem de corrente elétrica. Uma força é sempre aplicada pelos eletrodos,
antes, durante e após a aplicação da corrente para restringir a área de contato da solda nas
superfícies sobrepostas. As superfícies em contato na região de concentração de corrente
são aquecidas por um curto pulso de baixa tensão e alta corrente para formar uma região
fundida de metal de solda, que recebe o nome de lente de solda (PAES, 1989).
Quando o fluxo de corrente cessa, a força de eletrodo é mantida enquanto o metal
de solda rapidamente resfria e solidifica. Os eletrodos se afastam após cada solda, que
usualmente é efetuada numa fração de segundos. A forma e o diâmetro das lentes de solda
formadas são limitados, fundamentalmente, pelo diâmetro e contorno da face do eletrodo.
Com o objetivo de esclarecer a natureza da soldagem por resistência e de como ela é
efetuada, considera-se uma simples solda a ponto.Sobre a geração de calor, uma solda a
ponto é efetuada ao pressionar duas ou mais peças sobrepostas enquanto uma corrente
elétrica passa através de uma área de contato localizado até aquecer o metal formando uma
lente de solda até a temperatura de soldagem (INTERMACHINERY 2000).
Um dos princípios da soldagem por resistência é gerar o calor na região da solda
de forma rápida para que a quantidade mínima de calor seja dissipada através da condução
para o material adjacente mais frio. Para que isto ocorra, é necessária uma alta taxa de
geração de calor e isto é obtido através da passagem de alta corrente pela região de solda
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durante um curto intervalo de tempo. Um outro princípio é gerar muito mais calor na região
de solda do que em qualquer outra região do circuito secundário da máquina de solda. A
teoria e prática para se atingir estes dois princípios podem ser resumidas da seguinte forma:
O calor é gerado sempre que uma corrente elétrica passa por uma resistência elétrica.
A taxa na qual o calor é gerado é dada por:
W  I2 *R
(1)
onde:

W = potência

I = corrente em Ampères

R = resistência em Ohms
Se a corrente for aplicada em um intervalo de tempo t em segundos, a energia
desenvolvida na resistência, segundo a lei de Joule é dada por:
Q  I 2 * Rt
(2)
onde:

Q = energia;

R = resistência elétrica;

I = intensidade de corrente elétrica;

T = tempo de solda
A medição das resistências de contato de uma junta soldada é extremamente
complexa, ora que não podem ser separadas das resistências referentes à espessuras da
peça, sua profundidade não é definida e os valores obtidos possuem grande range de
variação (ROGEON, 2007). Percebe-se que a amplitude da energia gerada pode variar de
acordo com as variáveis de corrente, resistência e tempo de soldagem. Os valores de
corrente elétrica ( I ) e tempo ( t ) podem ser prontamente afetados pelo ajuste do controle
de soldagem enquanto, a resistência das peças que estão sendo soldadas, é mantido fixo.
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Existem dois tipos de resistência elétrica no circuito secundário de uma máquina de
soldagem por resistência, sendo uma a resistência por volume do material no circuito,
incluindo as peças e a outra, a resistência de interface das superfícies de contato. Todos os
metais têm algum grau de resistência à passagem de corrente. Esta resistência, oferecida à
corrente é conhecida como resistividade e é a resistência de um volume padrão medido em
uma determinada temperatura, que é função da composição do material e varia com a
temperatura.
A resistência é maior à passagem de corrente alternada (AC) devido à presença de
correntes parasitas geradas no interior do condutor. Este fato é conhecido como efeito casca
e aumenta à medida que a frequência da corrente e a área da seção do condutor
aumentam. A resistência real é chamada de resistência efetiva e é diretamente proporcional
ao comprimento do condutor e inversamente proporcional à área de sua seção transversal,
considerando efeito casca, caso exista. Levando-se em conta os metais comuns, o cobre
tem o valor mais baixo de resistividade e é usado como base de comparação para outros
materiais.
Para propósitos de comparação, o valor inverso da resistividade, chamado de
condutividade, também pode ser usado. Neste caso, o cobre apresenta-se com o valor de
100%, enquanto que o aço comum, cerca de 10%. Desta forma, para uma dada corrente
passando em áreas de seção e volume igual de cobre e aço, na geração de calor, resultará
aproximadamente 10 vezes maior no aço do que no cobre (WAINER, 1995). A resistência
na interface é a resistência à passagem de corrente pelas superfícies de contato dos dois
metais. O valor varia com a composição do metal, condição superficial, área de contato e
pressão. Em geral, esta resistência segue a resistividade de volume dos metais envolvidos.
Por exemplo, ao se considerar as mesmas áreas de contato na mesma pressão,
tem-se uma resistência muito menor em superfícies sobrepostas de cobre do que de aço.
No entanto, superfícies de contato (cobre/aço) possuem resistência entre os dois casos
citados anteriormente (MARIMAX 2009). É importante observar que a resistência de
interface pode variar enormemente devido à contaminação da superfície e condições físicas,
tais como paralelismo, pontos de corrosão, etc.
Se a máquina de soldagem foi concebida a partir de um projeto de construção
adequado e os eletrodos de soldagem especificados estão sendo utilizados, a resistência da
interface nas superfícies sobrepostas das peças será geralmente maior do que a resistência
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efetiva de qualquer outra seção do circuito secundário e muito maior do que em qualquer
outra superfície de contato existente. Todas as resistências envolvidas no circuito
secundário da máquina estão em série e já que a mesma corrente passa em cada uma
delas, o calor gerado em cada local é proporcional ao valor da resistência naquele ponto.
Desta forma, o calor gerado na superfície de contato das peças é maior do que em qualquer
outro ponto localizado no circuito secundário e, durante a primeira parte do intervalo de
tempo de soldagem, ele é responsável pela entrada de calor na região de solda. O calor
gerado no restante do circuito secundário é perdido e dissipado por radiação, convecção ou
condução sendo auxiliados pela refrigeração à água.
Existem 7 resistências conectadas em série, a saber:
1
Eletrodo superior
2
Contato entre eletrodo superior e chapa superior
3
Chapa superior
4
Contato entre chapas superior e inferior (superfícies sobrepostas)
5
Chapa inferior
6
Contato entre chapa inferior e eletrodo inferior
7
Eletrodo inferior
Observando a figura 1, e tomando-se como base as informações anteriores, o calor
será gerado em cada uma das seções na proporção da resistência de cada uma. Entretanto,
o calor de soldagem é desejado apenas no item 4 e esforços devem ser feitos de forma a
reduzir o máximo possível de calor nos outros pontos. No início de uma solda, a temperatura
em todas as partes é representada por linhas verticais indicadas “temperatura da água”. O
ponto de maior resistência é o 4, portanto, calor é rapidamente desenvolvido nesta região.
Pontos de resistência mais significativos após aquele da região 4, são os da região 2 e 6 e a
temperatura aumenta rapidamente nestes pontos também, mas não tão rápido como no
ponto 4. Após cerca de 20% do tempo de soldagem ter transcorrido, o gradiente térmico é
representado pela curva à esquerda na figura 1 (Metals Handbook 1993). A curva à direita
representa o gradiente térmico no final do tempo de soldagem.
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Figura 1- Pontos de calor nos eletrodos e gradiente de temperatura do tempo de soldagem.
Fonte: Metals Handbook 1983, modificado.
Quando as condições de soldagem são adequadamente controladas, a temperatura
de soldagem é primeiramente alcançada em locais perto de 4, na interface entre as chapas.
Durante o período de aquecimento, a região fundida cresce e se torna contínua para formar
a lente de solda. Os gradientes térmicos mostrados na figura 1 são também afetados pela
condutibilidade térmica relativa da chapa e eletrodos e pelo diâmetro, forma e velocidade de
resfriamento dos eletrodos. Observa-se que o calor gerado nas regiões 4 e 6 são
rapidamente dissipados em direção aos eletrodos de contato refrigerados à água 1 e 7,
enquanto que o calor em 4 é parcialmente capturado e sua dissipação é muita mais lenta.
Portanto, à medida que o tempo de soldagem avança, a taxa de aumento para o
ponto 4 será muito mais alta do que em 2 e 6. A temperatura de soldagem é indicada pela
linha vertical pontilhada. Em um solda perfeitamente controlada, a temperatura de soldagem
seria atingida em uma área insignificante das superfícies sobrepostas e daria origem à lente
de solda com o passar do tempo. A partir das considerações anteriores, é evidente a
importância de controle dos parâmetros de soldagem, a saber: ciclo de soldagem, corrente
de soldagem, força de eletrodo e tempo de soldagem.
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2. EQUIPAMENTOS, MATERIAIS E MÉTODOLOGIA EXPERIMENTAL.
2.1. Equipamentos
Foram utilizados um transformador Fase, com potência de 160kVA / 380V / 60Hz; com
potência permanente 113kVA, para uma tensão secundária em circuito aberto com 20Vmáx,
corrente de circuito máximo de 25kA; dinamômetro sensor development ing. e comando de
solda digital fase.
Ainda, eletrodos com a forma A, conforme figura 2, alicate de solda manual com
capacidade de exercer uma força no eletrodo de até 150kgf e terminal digital de fase.
Figura 2. Eletrodo em forma A.
Fonte: Arquivo pessoal
Para os corpos de prova, chapas de aço de 20mm x 5mm zincada eletroliticamente
com 1mm de espessura, com composição química dada pelo fornecedor:
C (0,005%) Si (0,01%), Mn (0,27%), P (0,018%), S (0,01%), Al (0,053%), Cr (0,03%), N
(0,0065%)
Estas chapas chegam a fábrica em bobinas e em seguida são desenroladas e
cortadas com as medidas necessárias da peça a ser conformada. Após o corte as chapas
são conformadas a frio e se tornam partes a serem soldadas nas carrocerias dos veículos.
Nesta fase do trabalho, foi feito um levantamento das condições as quais a chapa zincada
estava antes de começar o processo de soldagem, inspecionando-se principalmente alguma
impureza que poderia interferir no processo de soldagem. Os testes foram feitos através de
análises das características das chapas e no processo para a avaliação dos itens em
estudo.
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As chapas zincadas provinham da Companhia Siderúrgica Nacional (CSN) e
também da USIMINAS. Através do número de controle de cada chapa conseguimos saber o
fornecedor e lote a qual a chapa pertence. As três chapas ensaiadas estavam atendendo os
requisitos necessários, estando com suas propriedades dentro do padrão de qualidade.
Foram feitos testes com chapas de aço de dupla face zincada eletroliticamente conforme
DIN-EN 10131, com espessura de 0,99mm, para um limite de escoamento entre 160 a
220MPa, com alongamento de 680mm, mínimo 37%, e um limite de resistência entre 270 a
350. Foram soldados 17 corpos de prova utilizando transformadores de 160kVA, variando
corrente e tempo de solda com o objetivo de alcançar os melhores parâmetros no processo
de soldagem que atendessem as condições: diâmetro da lente de solda de no mínimo 4mm,
qualidade visual e vida útil do eletrodo; e após as soldas foram feitos testes de
arrancamento para verificar se a solda atende os requisitos previamente estabelecidos
realizando assim alguns ensaios importantes para analisar as características estruturais das
chapas (AWS C1.3-70).
2.1.1Características do material
Foi selecionada a chapa utilizada no painel externo da tampa dianteira com as seguintes
características:
Norma: DIN-EN 10131; Espessura: 0.99mm; Variação (+ ou – 0.7mm); Peso da chapa:
10.381kg
Características físicas e mecânicas
Norma:DIN-EN 10152
DE + ZE 50/50; Limite de escoamento de 160 a 220MPa;
Alongamento: 680mm (mínimo 37%); Limite de resistência: 270 a 350
Características da rugosidade1
Norma utilizada: SEP-1940; Cut off = 2.5mm; Lt = 15mm; Lm = 12,5mm, RA =0.7A 1.5µ
(microns)
2.2 Metodologia Experimental
1
Dados fornecidos pelo fornecedor do material.
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Com a finalidade de encontrar os melhores valores para variáveis de corrente e ciclo, para
atender a qualidade do processo com redução no consumo de capa de eletrodo, o ensaio
consistiu em soldar as chapas de aço dupla face zincadas eletroliticamente com um
transformador de 160kVA. Após serem soldadas as chapas passaram por teste de
arrancamento, tipo de teste mecânico mais comumente usado em soldas a ponto, usado
para determinar a soldabilidade em todas as especificações automobilísticas. As razões
para o amplo uso de teste destacam-se: facilidade de execução, baixo custo, e utilização em
chão de fábrica como um teste de controle de qualidade.
Assim, após os corpos-de-prova terem sido soldados, eles são levados a um
dispositivo fixador e com auxílio de uma ferramenta apropriada, foram feitos testes de
dobramento, fazendo-se o arrancamento da lente, como pode ser observado na figura 3. Em
seguida mediu-se, com um paquímetro calibrado, o diâmetro do botão de solda em duas
direções perpendiculares. A qualidade da solda é avaliada pelo diâmetro do botão de solda
que ficará aderido a uma das partes após separação e para posterior análise do diâmetro da
lente de solda e aspecto visual (ASME, 1996).
Figura 3. Dimensões exigidas pela ASME para corpos de prova.
Fonte: ASME, 1996
Utilizando um equipamento de solda que já estava em produção, optou-se em fazer
o teste pelo método de manter uma força dn cilindro constante (150kgf), já que alteração
desta variável não é recomendada devido a falta de pressão. Mantida a força do cilindro
constante soldou-se 17 chapas variando o número de ciclos e a corrente. Na tabela 1 temos
os valores utilizados para soldar cada chapa:
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Tabela 1 – Número de ciclos e correntes utilizadas. (1c = 1/60 segundos)
Chapa
1
2
3
4
5
6 7 8
9
10
11
12 13 14 15 16 17
Ciclos
4
4
4
5
5
5 6 6
6
7
7
7
7
8
8
9
9
Corrente
8
7
8.5
5
7.5
8
5
6
7
8.5 7 7.5
6.5 7 8 6 5.5
2.3 Sequência de soldagem:
1º passo: as chapas foram numeradas de 1 até 17;
1/2
2º passo: definição de eletrodo através da fórmula D = 5x(e) , onde D é o diâmetro (Ø) da
face de contato de eletrodo e “e” a espessura da chapa; para espessura de 1mm temos: D =
5mm
3º passo: as chapas foram soldadas utilizando os valores da tabela 1, executando 5 pontos
para cada chapa, para isso, os valores de ciclo e corrente foram alterados com o uso do
terminal digital Fase. Para cada chapa soldada, a capa do eletrodo era substituída para
evitar que o desgaste da capa prejudicasse a solda da próxima chapa;
4º passo: análise visual da solda. A análise visual da solda consiste em verificar se a solda
não apresenta respingos e deformação. Essa análise é válida apenas para efeito de
qualidade visual, não levando em consideração o aspecto estrutural da solda.
5º passo: as chapas passaram por teste de arrancamento. O quesito necessário para a
aprovação da solda neste teste é que a ruptura não ocorra na solda e sim nas proximidades,
e o ideal é que a lente de solda tenha um diâmetro médio (Ømédio) mínimo de 4mm (ASME
1996).
3 – RESULTADOS
Foram selecionadas 3 chapas para o ensaio de tração as quais foram laminadas a frio e
após ensaio foram encontrados os seguintes valores:
Tabela 2 – Valores encontrados nas chapas após ensaio de tração
Esp. da chapa
Limite escoamento Limite Resistência Alongamento
Material
Máximo
Mínimo
Máximo
Mínimo
Máximo
Mínimo
(%)
(%)
1
0.98
0.93
192
187
306
305
42
38
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2
1.00
0.96
172
170
306
305
41
40
3
0.99
0.92
188
179
306
305
40
39
3.1 Qualidade visual dos pontos de solda
A figura 4 abaixo mostra 16 das 17 chapas após serem soldadas, antes de passarem pelo
teste de arrancamento.
Figura 4 – Chapas de 1 até 16
Para melhor visualização e interpretação do resultado do teste de arrancamento,
apresentamos a tabela 3 que mostra o diâmetro médio das lentes de solda obtidas nos
ensaios. Observação importante diz respeito aos pontos que apresentam lente de solda com
valores iguais a zero, pois estes foram os que romperam na solda e não no metal base.
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Tabela 3 - Diâmetro Médio da lente de solda obtida (mm)
CHAPA 1º PONTO 2º PONTO 3º PONTO 4º PONTO 5º PONTO MÉDIA
1
2
3
5
6
7
8
9
10
11
13
14
15
16
17
0
2
0
5
4.2
2.7
4.2
3.7
4
4.2
4.5
2.8
4.8
3.7
3.6
0
4
4.4
4.3
4.2
3.2
4.5
3.5
3.7
4.5
4.5
3
4
3.7
4.3
2.3
3.7
3.8
3.8
4.2
3.2
4.5
3.9
3.9
4.4
4.5
2.8
4.5
3.7
3.9
2.3
4.2
4.1
4.1
4.1
3.2
3.5
4
4.4
4.5
4.5
2.3
4.3
3.7
4.3
2.3
3.8
3.8
4.1
4.2
3.2
3.5
3.3
1.8
4.2
4.5
3.4
4.3
4.6
4.3
1.38
3.54
3.22
4.26
4.18
3.1
4.04
3.68
3.56
4.36
4.5
2.86
4.38
3.88
4.08
A tabela 4 apresenta o aspecto visual dos pontos de solda obtidos:
chapa
1
2
3
4
5
6
7
Qualidade
M
M
M
R
B
B
R
8
R
9
10
11
12
13
14
15
16
17
R
R
B
B
M
M
R
B
B
Onde:
 Qualidade visual boa (B): solda não apresenta deformação e respingos;
 Qualidade visual média (M): solda apresenta poucos respingos e baixa deformação
(redução da espessura da chapa na região da solda);
 Qualidade visual ruim (R): alta incidência de respingos e alta deformação.
4. DISCUSSÕES E CONCLUSÃO
Durante os ensaios verificamos que todas as soldas realizadas com correntes acima de
7,4KA apresentaram alta incidência de fagulhas e maior abrasão dos eletrodos devido à alta
temperatura, que causa a reatividade química (ligação) entre o zinco e os eletrodos de
cobre, formando uma camada isolante na superfície do eletrodo, reduzindo assim a vida útil
do eletrodo.
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É válido lembrar que a vida útil reduzida significa aumento no consumo de eletrodo,
e consequentemente o aumento no custo de produção. Ainda, o acumulo de zinco na capa
do eletrodo ocorre normalmente para qualquer parâmetro de solda adotado, mas para
correntes acima de 7,4KA verificou-se que esse problema se agrava. Após todos os testes
de arrancamento, foram poucos os corpos de prova que atenderam a condição de
apresentarem uma lente de solda com diâmetro mínimo 4mm (ASME 1996). Com 9 ciclos
observamos que a partir de 5,6KA atende a condição, com 6 ciclos a partir de 7,4KA, com 7
ciclos a partir de 7KA. Deste ensaio conclui-se, que o melhor parâmetro para soldagem de
chapas dupla face, zincada eletroliticamente tem como características um tempo de solda
de 9 ciclos; uma corrente: de 5,6 a 6KA; e uma força no eletrodo de 150kgf.
5. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS.
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