NOÇÕES BÁSICAS DE SOLDAGEM ELÉTRICA

Conteúdo:
– Cronologia
– Fundamentos da soldagem elétrica

1º – CRONOLOGIA
a) INÍCIO
No início da década de 60 do século passado, dois processos diferentes de soldagem foram desenvolvidos mais ou menos simultaneamente, sem o fornecimento de liga metálica, para fins comerciais, para unir as bordas laterais dos corpos das latas do tipo “três peças”.
Esse processo de soldagem baseia-se em fornecer às áreas a serem unidas uma certa quantidade de energia em um determinado período de tempo. Essa energia é transformada em calor capaz de fundir as partes metálicas a serem soldadas. A energia é fornecida por meio de uma corrente elétrica e o processo desencadeado é muito bem estudado pelas leis da física.

A Continental Can introduziu a “Conoweld“. Essa técnica foi usada inicialmente para a produção de latas de bebidas de aço cromado eletrolítico (TFS). Para fazer soldas satisfatórias com as primeiras máquinas, era necessário que a superfície do aço estivesse livre de cromagem em uma largura de cerca de 2 mm em cada lado das bordas que formam a costura.

Na mesma época, a Soudronic AG, da Suíça, introduziu máquinas de solda elétrica semiautomáticas para soldagem de folha de Flandres. Essas primeiras máquinas de solda Soudronic foram usadas na fabricação de grandes recipientes de metal para produtos em geral. As costuras laterais se sobrepunham em até 4,5 mm, produzindo o que ficou conhecido como solda “ Butterfly” (veja a figura abaixo). Essa solda “Batterfly” não era adequada para embalagens de alimentos, pois era muito difícil envernizar as bordas afiadas da costura. A espessura desse tipo de solda era tão grande que não podia ser coberta por uma camada de verniz, independentemente da carga de verniz.

b) DESENVOLVIMENTOS DE SOLDAGEM

Em meados da década de 1960, a Soudronic havia introduzido máquinas totalmente automáticas para a produção de corpos de latas médias e grandes. Em 1969, a empresa introduziu máquinas de maior velocidade para a fabricação de latas de aerossol, produzindo 200 unidades por minuto. No entanto, talvez a contribuição mais importante tenha sido feita em 1975, com o sistema de soldagem de massa de arame (WIMA). Essa técnica envolve o uso de um fio de cobre estirado e achatado, de modo que a área de contato na zona de solda é aumentada, produzindo uma solda mais sólida e adequada, com uma sobreposição de apenas 1 mm de largura (veja a figura 1). A Soudronic desenvolveu o uso do fio de cobre como eletrodo intermediário entre a costura da lata e as rodas de solda de cobre para resolver o problema da contaminação da superfície do eletrodo e seu efeito na qualidade da solda. Como o arame não é reutilizado, a contaminação do eletrodo não é mais um problema. Por outro lado, a sucata de arame tem um alto valor econômico. As roldanas foram montadas em um ângulo de 2° para chanfrar levemente a borda da costura, a fim de reduzir o passo e facilitar a re-pulverização da costura.

Essas melhorias permitiram que os fabricantes de latas produzissem pela primeira vez latas com costura lateral sem liga para uso na indústria alimentícia e em outras aplicações exigentes.

Figura 1: Diferentes tipos de solda elétrica de costura lateral

Em 1978, foi introduzido o sistema de soldagem SUPEWIMA. Esse desenvolvimento do processo de soldagem exige uma sobreposição de apenas 0,15-0,3 mm na costura lateral. Além disso, há outras vantagens: redução da zona de solda afetada pelo calor, menor endurecimento e redução da espessura da costura (aprox. 1,2 x espessura da chapa). Além da maior eficiência no processo de soldagem, houve melhorias nas velocidades de operação das máquinas, que passaram a produzir mais de 500 pacotes por minuto.

O sistema básico das máquinas de fabricação de carrocerias da Soudronic compreende um sistema para alimentar as carrocerias planas na máquina, um sistema para cortar as carrocerias, uma unidade de enrolamento e a estação de soldagem. Nessa última, estão os braços que suportam os rolos. O braço inferior incorpora todos os sistemas de tubulação para as várias funções (fio de cobre, resfriamento, nitrogênio, verniz etc.). Veja a figura 2. A máquina de produção de corpos de latas também pode ter uma unidade de corte para corpos de altura dupla ou tripla, um sistema embutido para soldagem em uma atmosfera inerte para evitar a formação de ferrugem e uma unidade de envernizamento da costura lateral tanto para o interior quanto para o exterior do corpo.

Figura 2: Close-up das extremidades dos braços

Após a formação do corpo do contêiner, ele é alimentado mecanicamente na estação de soldagem, onde a sobreposição permanece constante. A técnica usada na soldagem Soudronic é simplesmente um processo de soldagem por descarga contínua.

Nos processos WIMA e SUPERWIMA, a temperatura do corpo excede 900°C para garantir a superação efetiva da fase sólida do metal ao longo da costura. Entretanto, essa temperatura é significativamente mais baixa do que as alcançadas com os modelos anteriores.

O sistema Soudronic usa uma entrada de corrente alternada sinusoidal. Uma máquina de 50 Hertz produz 100 choques (pontos de solda) por segundo, e uma máquina de 500 Hertz produz 1.000 no mesmo tempo.

Como já mencionado, a incorporação de uma unidade de corte na máquina de solda também permite a soldagem de carrocerias de altura dupla. Além disso, isso pode aumentar a produção com frequências de soldagem mais baixas ou possibilitar a produção de corpos mais curtos que, de outra forma, a máquina não seria capaz de manusear. Se o contêiner tiver que ser entalhado ou chanfrado, a soldagem é feita em uma atmosfera de gás inerte, pois a solda precisa ser livre de óxido. A formação de uma película de óxido seria muito negativa, pois ela poderia se soltar em um processo subsequente. A repintura subsequente da área de soldagem é realizada porque o processo não permite a aplicação de verniz de folha plana na área de soldagem, pois isso dificultaria a passagem da corrente. Esse verniz é curado posteriormente na linha de produção.

A Soudronic é líder mundial no processo de soldagem elétrica de costura lateral, com milhares de unidades diferentes operando em todo o mundo.
2º.- FUNDAMENTOS DA SOLDAGEM ELÉTRICA
1º. ESQUEMA BÁSICO DE UM PONTO
Um ponto de solda é criado quando o metal se funde devido à ação do calor desenvolvido pela passagem de uma alta intensidade de corrente em uma baixa diferença de potência.
Embora existam dois tipos de corrente, contínua e alternada, sabemos que a corrente de uso normal é a segunda. A corrente alternada (abreviada como AC em inglês e AC em espanhol) é a corrente elétrica na qual a magnitude e a direção variam ciclicamente. A forma de onda de corrente alternada mais comumente usada é a de uma onda senoidal, pois ela consegue uma transmissão mais eficiente de energia. Para obter um número elevado de pontos de solda por unidade de tempo, a frequência da corrente alternada usada é aumentada. Vamos explicar um pouco mais o processo.

A corrente alternada na frequência normal de alimentação da rede industrial chega à máquina de solda, que a alimenta em um conversor de frequência, aumentando-a em um número significativo de Hertz. Assim, por exemplo, em um caso específico, ela passa de 50 Hertz/segundo – frequência de alimentação – para 500 Hertz/segundo – saída do conversor.

A intensidade da corrente no momento da soldagem está entre 1.500 e 2.000 amperes e a tensão ou diferença de potencial está em torno de 4,5 a 6,5 volts. Portanto, a corrente elétrica, adequadamente transformada para essas condições de frequência, intensidade e tensão, passa pela estação de solda, pelo fio de cobre perfilado e é guiada pelos rolos, atuando sobre a sobreposição da folha de flandres, para gerar um ponto de solda. Veja a figura 3:

Figura 3: Esquema básico de uma solda por pontos

2º – ESQUEMA BÁSICO DE UMA LINHA CONTÍNUA DE SOLDAS POR PONTOS

Cada Hertz produz uma senoide completa no gráfico de frequência, ou seja, dois picos inversos e, portanto, dois pontos de solda. Assim, com uma frequência de saída de 500 Hertz, são gerados 1.000 pontos de solda por segundo. Essa sucessão de pontos resulta em uma solda contínua ao longo da costura lateral da lata. Veja a figura 4:

Figura 4: Esquema básico de uma linha contínua de pontos de solda

A junção é produzida de acordo com as seguintes leis fundamentais:
– Lei de Ohm. I = V/R
I = corrente que flui pelo circuito
V = diferença de potencial
R = resistência do sistema
– Lei de Joule.
Q = energia térmica produzida pela corrente e é medida em calorias
I = intensidade da corrente que flui e é medida em amperes
R = resistência elétrica do condutor e é medida em ohms
t = tempo que é medido em segundos
Para um valor constante de Q, que é adequado para formar um ponto, quanto maior a intensidade, menos tempo é necessário. Em outras palavras, o tempo é inversamente proporcional ao quadrado da intensidade da corrente.

Como a energia térmica usada na soldagem é uma função do quadrado da corrente, é óbvio que os valores da corrente devem ser mantidos altos. É importante manter o valor r.m.s. da corrente constante o tempo todo, para que não haja variação na energia que está sendo usada para a soldagem. As máquinas têm um compensador de tensão que varia automaticamente o ângulo de abertura da corrente alternada para manter o valor r.m.s. constante.

Em contraste com a intensidade, é importante que o tempo de soldagem seja o mais curto possível, pois um tempo prolongado leva a:
– Aumento da temperatura da costura sem atingir o ponto de fusão.
– Aumento das perdas.
– Deterioração dos eletrodos.

O tempo de trabalho de soldagem é menor do que o de uma meia onda da senoide de um ciclo de frequência. Ele é expresso como uma porcentagem da área total da meia onda. Em termos práticos, nas máquinas Soudronic, ele está entre 85 e 95%. A porcentagem restante é o tempo ocioso

Figura 5: Diagramas de tempo

Se, para o mesmo tipo de material, os valores reais da intensidade em três casos diferentes forem representados em alguns eixos de coordenadas para diferentes tempos de soldagem:
1ª.- Sem soldagem
2º.- Quando a soldagem ocorre
3ª.- Quando o ponto queima
obteremos um gráfico como o mostrado na figura 6, no qual é possível distinguir três zonas diferenciadas.

A.- Área de contato sem solda
B.- Área de solda
C.- Área de respingos de solda derretida

3º – RESISTÊNCIAS EM UM PONTO DE SOLDAGEM
No circuito de soldagem há uma série de resistências que vamos enumerar, para isso usaremos a figura 7:

Figura 7: Resistores envolvidos em uma solda por pontos

– Resistência “r”: agrupa todas as resistências internas dos condutores do circuito, rolos de solda, braço de suporte, fio de cobre que atua como eletrodo, etc. Essa resistência dependerá das características elétricas de cada um desses componentes. Como se trata de uma resistência que não contribui em nada para a operação de soldagem por pontos, ela deve ser a mais baixa possível para não consumir energia de forma estéril. Assim, por exemplo, o braço de soldagem é feito de cobre, embora com uma pequena porcentagem de cromo, a fim de lhe conferir maior dureza e consistência para suportar suas exigências mecânicas.
– R1: Resistência de contato entre a polia superior e o fio de cobre perfilado.
– R2: Resistência de contato entre o rolete inferior e o fio de cobre perfilado.
– Re e R’e: resistências de contato entre o fio de cobre e a folha de Flandres a ser soldada.
– Ri e R’i: Resistências internas das duas extremidades de folha de Flandres a serem soldadas.
– Rc: Resistência de contato entre as duas extremidades de folha de Flandres a serem soldadas.

Há vários fatores que influenciam os valores dessas resistências.
Os valores de Rc, Re e R’e são afetados por:
– A configuração da máquina
– A pressão exercida pela haste de solda. Um aumento na pressão reduz seus valores
– Material a ser soldado: natureza e estado de sua superfície e sua dureza
– Condutividade do material. O aumento da temperatura aumenta a resistência.
– As dimensões e o tipo de perfil do fio de cobre.
– Material e qualidade do fio de cobre.

As resistências listadas são classificadas em dois grupos:
⦁ A) Útil ou eficaz: São aquelas que são necessárias e colaboram ativamente para a fusão do material. São elas: Ri, R’i e Rc.
Elas geram uma energia efetiva We.
We = Wi + W’i + Wc
⦁ B) Parasitas e indesejáveis. São aqueles que não contribuem em nada para a referida fusão, mas estão implícitos no sistema e não podem ser eliminados, apenas tentados a serem minimizados. São eles: R1,R2, Re e R’e
Eles geram perdas de energia Wp.
Wp = W1 + W2+ We +W’e

As perdas W1 e W2 podem aumentar devido ao acúmulo de incrustações de estanho na garganta dos rolos, bem como devido ao desgaste das gargantas dos rolos.
A energia total necessária para a soldagem será:
Wt = We + Wp

4º – OXIDAÇÃO
Durante o processo de soldagem, o estanho que preserva a folha de Flandres nessa área derrete e se deposita no fio de cobre. O aço fica, portanto, desprotegido e em uma temperatura elevada. Isso desencadeia, na presença de oxigênio no ar, uma rápida oxidação.
As demandas de energia We e W’e aquecem as superfícies de contato entre o fio de cobre e as superfícies externas da folha de flandres, contribuindo para a oxidação da solda.

A quantidade de óxido gerada é uma função da temperatura atingida e do tempo gasto na mesma temperatura.
Q óxido = Função (temperatura x tempo)
Veja a figura 8:

Figura 8: Gráfico de temperatura de uma solda por pontos
Se a queda de temperatura for mais lenta, o tempo para atingir o limite de oxidação será maior e, portanto, a oxidação será maior.
A presença de ferrugem tem um efeito negativo sobre a solda por vários motivos:
– Quando a costura é revestida novamente, a adesão do verniz sobre a ferrugem é ruim e o verniz pode se soltar. Principalmente se a lata for posteriormente entalhada ou cordonada
– Aparece uma faixa oxidada, o que dá uma aparência estética ruim.
Para evitar a oxidação da solda, um jato de gás neutro (nitrogênio) é projetado no ponto de solda quando a soldagem é realizada. Esse gás desloca a presença de ar, eliminando assim o oxigênio da área.

5º – ENERGIA NECESSÁRIA PARA A SOLDAGEM
Vimos acima que a energia total necessária para a soldagem será:
Wt = We + Wp
O valor dessa energia é dado em função do volume de metal a ser fundido. O volume por segundo a ser derretido (Vm) depende da espessura da chapa metálica (e), da área sobreposta (c) e da velocidade de soldagem (Vs). Veja a figura 9:

Figura 9: Sobreposição ou sobreposição de material

Vm =2e x c x Vs
Outros fatores que também afetam a energia necessária são o calor específico do metal e as perdas de calor do sistema.
Essas perdas de calor são importantes e estão ligadas a vários motivos:
– A.) Perdas pelo fio de cobre:
– Aumento da temperatura do fio de cobre.
– Condutividade do arame
– Tempo de contato entre o arame e o material
– B) Perdas de condutividade dentro do metal a ser soldado
– C) Perdas por radiação
– D) Perdas pelo circuito de água de resfriamento do sistema.
Eles são difíceis de reduzir e o fabricante da máquina os tem muito presentes no projeto da máquina para que seu valor seja o mínimo possível, para isso, ele atua no isolamento do sistema, na qualidade dos materiais, etc.

6º – PRESSÃO DE SOLDAGEM
O rolete externo transmite uma determinada pressão ao ponto de solda que gera um sistema elástico que atua sobre o braço de solda. As funções dessa pressão são várias:
1º.- Manter as duas partes do material sobreposto em contato
2º.- Fornecer resistência uniforme ao longo de toda a costura, eliminando possíveis ondulações e rugosidades do material.
3º – Forçar a passagem da corrente pelo ponto de solda.
4º – Elimine as câmaras de ar entre as peças a serem soldadas.
5º – Achatar o material fundido, reduzindo a espessura da solda.
6º – Evitar a formação de “comas” e poros.
7º – Facilitar o resfriamento, garantindo a recristalização do material.
8º – Evite a expulsão de metal fundido para fora da solda.
9º – Assegure o deslocamento linear do tubo.

Conclusão:
O circuito de soldagem ideal seria aquele que satisfizesse as seguintes condições:
⦁ a) Perdas mínimas.
⦁ b) Quantidade mínima de óxido.
⦁ c) Energia efetiva máxima
⦁ d) Homogeneidade ideal da solda.

7º – CARACTERÍSTICAS DO METAL A SER SOLDADO
O equipamento para soldar as costuras laterais de latas de três peças foi projetado para usar folha de Flandres como material a ser unido. Entre os diferentes tipos, o mais comum é o MR devido às suas boas propriedades anticorrosivas.

A proteção de estanho que cobre o aço melhora as superfícies de contato, pois o metal macio preenche a rugosidade sob pressão. Consequentemente, diminui a resistência na área de sobreposição.

Esse estanho, sob a ação do calor, derrete muito mais cedo do que o aço. Nesse estado, ele deve ser expulso da área a ser soldada para que as duas partes de aço a serem soldadas fiquem em contato íntimo e, assim, se obtenha uma boa mistura dos cristais no ponto de união. A expulsão é obtida pela ação da pressão de soldagem.

Portanto, as folhas-de-flandres com alto revestimento de estanho têm dificuldade para expelir o estanho adequadamente e o baixo revestimento de estanho dificulta a obtenção de uma boa superfície de contato inicial. Um revestimento de estanho intermediário é o ideal.

Por outro lado, o revestimento de estanho suja as gargantas dos rolos de solda, que o captam do fio de cobre.
O cromo e o óxido de cromo se opõem à passagem da corrente. É por isso que é difícil usar material TFS.

8º.- DIMENSÕES DO PONTO DE SOLDAGEM
Um ponto de solda é definido por suas três dimensões.
– Comprimento: depende da velocidade de soldagem
– Largura: está ligada à sobreposição.
– Espessura: é uma função da espessura do metal.
Comprimento (L):
É uma função da velocidade de soldagem, ou seja, da velocidade do fio de cobre e do deslocamento do corpo a ser soldado. Seu cálculo é melhor definido com um exemplo prático:
Temos uma máquina de solda trabalhando a 500 Hertz e uma velocidade de 60 m/min.
Nº de pontos/seg. = 500 Hertz x 2 = 1000
Comprimento de solda/seg. = 60 m. x 1000/ 60 seg. = 1000 mm.
Comprimento do ponto = Comprimento de solda/nº de pontos = 1000 mm/ 1000 pontos = 1 mm
Largura (A):
É uma função da sobreposição teórica e ligeiramente maior do que ela. Na seção seguinte (Sobreposição), estudaremos essa relação.
Espessura (E):
É sempre menor que a soma de duas espessuras de folha de Flandres.
A constante (K) que, multiplicada pela espessura da folha de Flandres (e), nos dá o valor da espessura (E) da solda, é conhecida como “coeficiente de esmagamento” da solda. O valor dessa constante (K) deve estar entre 1,40 e 1,60.
1,40< K < 1,60
1,40 e < E < 1,60 e
Portanto, a espessura da solda é sempre menor que o dobro da espessura do metal, pois o esmagamento é produzido pela ação da pressão do braço externo.

9º – TRASLAPE
É a sobreposição de material necessária para a soldagem. Em máquinas de determinada velocidade, seu valor teórico varia de 0,2 a 0,4 mm. É importante que a quantidade seja mantida uniforme ao longo da costura, para que os pontos de solda também sejam uniformes. Uma variação desse valor significaria uma alteração na quantidade de material a ser soldado e, trabalhando com os mesmos parâmetros, os resultados não seriam uniformes em toda a solda.

A parte que determina a quantidade de sobreposição é a “barra Z”. Ela consiste em uma barra de seção Z, alojada no braço de soldagem, que recebe as bordas do corpo em suas duas ranhuras, que se sobrepõem ao valor teórico da sobreposição.

Com um Z de uma determinada sobreposição teórica, obteremos uma sobreposição real de aproximadamente 0,1 a 0,2 mm a mais. A barra Z deve ser muito bem isolada para evitar o desgaste do EDM, bem como para evitar perdas de energia.
A sobreposição teórica pode ser calculada da seguinte forma:
Supõe-se que a seção transversal S do metal sobreposto permaneça constante antes e depois da soldagem.

Deve-se observar que:
S = C x 2 e (antes da soldagem) e S = A x E (após a soldagem)
de onde: C x 2e = A x E e C (sobreposição teórica) = A x E / 2e
Conhecendo a espessura do metal, basta medir, em uma solda já feita, sua espessura (E) e sua largura (A) para conhecer sua sobreposição teórica.

Para medir E e A, você pode proceder da seguinte forma:
Corte dois pedaços da costura a 10 mm das extremidades. Veja a figura 12.

Prepare um tubo de ensaio com resina de dois componentes, faça o polimento e meça com a ajuda de um microscópio as dimensões da seção de solda (E e A) em ambas as seções. Aplique a fórmula abaixo. Ao fazer essa dupla determinação, verifique se a sobreposição permanece constante. Se esse não for o caso, além dos possíveis problemas na solda, obteremos um corpo cônico.

METALURGIA DA SOLDAGEM
Período de aquecimento:
A passagem da corrente dá origem a um aquecimento localizado, que produz a fusão do metal em ambas as partes a serem unidas, dando origem a um ponto de solda. O núcleo desse ponto é chamado de lentilha porque tem um formato semelhante ao de uma lentilha. Durante o aquecimento, essa área de metal se expande. A pressão do rolo superior deve ser tal que neutralize a tensão de expansão do metal fundido. Se essa pressão for fraca, o metal fundido escapará na forma de projeções. Os respingos são um defeito grave por si só, mas também dão origem a outros problemas internos à solda, como a porosidade.
Estado térmico do ponto quando a corrente de soldagem é interrompida:
Quando a corrente é interrompida, é possível distinguir as seguintes zonas no ponto: Veja a figura 13.
Figura 13: Seção de um ponto de solda

Zona A: Aqui o metal está derretido (aprox. 1500°C)
Zona B: Metal em pasta a aprox. 1000°C
Zona C: Em temperatura crítica
Zona D: Temperatura ambiente
O gradiente de temperatura aumenta de ambiente para 1500°C em uma distância de aprox. 3 mm.
A interrupção da corrente de soldagem marca o início do resfriamento com uma queda acentuada na temperatura.
Fase de resfriamento:
A pepita de metal fundido está no meio de uma grande massa de resfriamento, que consiste em:
– – –         O corpo soldado
–         Os eletrodos que são resfriados
Portanto, as mudanças térmicas são rápidas, dando lugar à cristalização, que ocorre convergindo para o centro do ponto. Na zona D não há mudança de estrutura, mas nas outras zonas há. Em C, o tamanho do grão diminui e, em B e A, essa diminuição é acentuada.
A contração térmica pode causar o surgimento de tensões internas nos pontos. Se o resfriamento sob pressão não for realizado corretamente, pode ocorrer a formação de bolhas (“comas”) na solda.
Sobre esse último assunto, consulte o trabalho: “COMAS EN LA SOLDADURA Y SU CONTROL MICROGRAFICO”, publicado neste site.