ultra som - solda a ponto

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CARACTERIZAO DOS DEFEITOS ENCONTRADOS EM SOLDA A PONTO UTILIZANDO A TCNICA DO ULTRA-SOM, APOIADO EXAMES METALOGRFICOS.Danilo StoccoDaimlerChrysler do Brasil Av. Alfred Jurzykowski , 562 So Bernardo do Campo SP - Brasil [email protected]

Roque GonalvesDaimlerChrysler do Brasil Av. Alfred Jurzykowski , 562 So Bernardo do Campo SP - Brasil [email protected] Resumo: A tcnica de ultra-som em soldas a ponto apresenta uma utilizao cada vez mais frequente na indstria automobilstica, devido sua alta velocidade, capacidade de automatizao, sensvel reduo dos custos e avaliao automtica. Por outro lado, muito importante para os operadores terem a total compreenso no apenas da parte operacional do equipamento, como ligar ou executar o ensaio, mas tambm ter a compreenso dos conceitos metalrgicos envolvidos no equipamento, que determinam a avaliao automtica do ponto de solda, ou seja, o que realmente significam os grficos na tela, e que variveis esto envolvidas naquele sinal .Pensando nisso, o Centro Tecnolgico da Qualidade de Materiais da DaimlerChrysler desenvolveu este trabalho, que consiste em verificar, com o auxlio dos ensaios metalogrficos a traduo dos grficos do equipamento de ultra-som, verificando a total eficincia e confiabilidade do teste, alm de equalizar a regulagem do equipamento de acordo com processo de soldagem da empresa .Dessa forma, foi possvel aos operadores e programadores do equipamento, detectar as provveis causa de falhas no processo, fazendo uso apenas do mtodo no destrutivo, aumentando consideravelmente o grau de confiabilidade do equipamento, para aproximadamente 95% . Palavra-chave: Ultra-som , solda a ponto

1. Introduo Existem diversas formas de se controlar a qualidade de solda a ponto, dependendo muito da aplicao do ponto de solda em questo. Os mtodos mais comuns so os testes de trao ,na Fig (1) e os testes de arrancamento Figs. (2 e 3), que consistem em , aps a realizao da soldagem, utilizar um calo entre as chapas, e, atravs de golpes sucessivos com um martelo, por exemplo, provoca-se o cisalhamento das chapas unidas, analisando-se ento a regio fraturada.

Fig 1

Fig 2

Fig 3

Porm, estudos realizados comprovaram que este mtodo bastante impreciso, pois subtrai uma grande quantidade de informaes a respeito do ponto, como por exemplo a espessura da unio, e defeitos internos da lentilha de solda, termo metalrgico que define a zona fundida das chapas soldadas. Apesar disso, este mtodo ainda utilizado e consagrado no mercado, devido sua velocidade de ensaio, comparado aos ensaios de trao e os ensaios metalogrficos, por exemplo, que so tambm muito mais caros. Pensando minimizar esse problema, comearam os primeiros estudos no sentido de elaborar um sistema de teste que pudesse substituir os ensaios destrutivos, com maior velocidade, confiabilidade e economia. Nessa linha surgiram as primeiras experincias conhecidas, que datam de 1986, na Alemanha. A tcnica escolhida foi a do ultra-som, devido ao fcil manuseio dos equipamentos, e a mobilidade dos mesmos. 2 . Tcnica Solda a Ponto 2.1 Efeito Joule Na soldagem a ponto ,as chapas a serem soldadas so pressionadas entre dois eletrodos no consumveis, cuja rea de contato possui perfil adequado para garantir a presso necessria, o perfeito alinhamento e a conduo sem perdas excessivas da corrente eltrica. A passagem da corrente eltrica elevada provoca o intenso aquecimento na rea de contato das peas, devido a alta resistncia nesta regio, pois, pela lei de Joule,02 a 06 de Junho de 2003 / June 2 to 6 2003 Rio de Janeiro - RJ - Brasil

Q = K x R x I2 x TOnde: Q = Calor gerado K = Constante de proporcionalidade R = Resistncia eltrica I = Intensidade de Corrente T = Tempo de solda 2.2 Resistncias eltricas

Figura 5 .Resistncias Eltricas Observando a figura, temos : R1 e R2 : Resistncia eltrica dos prprios eletrodos R3 e R4 : Resistncia eltrica que se forma nos contatos peas eletrodos R5 : Resistncia eltrica que se forma no contato entre as chapas (peas) R6 e R7 : Resistncia eltrica das prprias chapas (peas). O valor de R5 deve ser o maior de todos, portanto nesta regio que h maior gerao de calor por efeito Joule e consequentemente ocorre a fuso e a formao da lentilha de solda . O valor de R3 e R4 deve ser o mais baixo possvel e fortemente aumentado quando h incrustaes de xidos e tintas. Isto provoca o superaquecimento na regio de contato eletrodo pea produzindo soldas explosivas, fuso do eletrodo e consequentemente introduo deste no ponto de solda, podendo provocar fragilizao e trincas. As referidas incrustaes provocam ainda a aderncia do eletrodo chapa, alm do seu amolecimento e desgaste. 2.3 . Formao da Lentilha de Solda O dimetro ou forma da lentilha feito por esse processo, depende do dimetro da superfcie de contato do eletrodo (superior ou inferior ), do calor desenvolvido durante o tempo de passagem da corrente eltrica e da presso aplicada. De acordo com a espessura das peas a serem soldadas, o dimetro da lentilha e a presso aplicada devem ser maiores, para se obter uma resistncia mecnica proporcional seo do corte. As ilustraes mostram a sequncia de solda em uma pea. Presso Aplicada Aplicao de corrente Incio de Fuso

Fim da corrente de solda e incio do tempo de resfriamento

Fim do tempo de resfriamento

Eletrodos recolhidos e lentilha formada

Figura 4 . Esquema do processo de soldagem 3. Distribuio de temperaturas e Zonas Metalrgicas A gerao de calor conforme descrito no item 2.2 , produz o perfil de temperatura como mostra a fig (6),onde possvel observar uma faixa de temperaturas variando de 200 C a 1490.

Figura 6 .Distribuio de temperaturas A intensidade da corrente gera calor nas superfcies de contato das chapas , devido ao aumento da resistncia passagem da corrente, oferecida pelas superfcies irregulares e oxidadas. O calor desenvolvido retido nesse ponto e so atingidas temperaturas elevadas, causando a fuso das chapas a serem soldadas. Pode ser observado que a temperatura mxima e o calor ocorrem nas interfaces das chapas e que diminuem rapidamente para os materiais e as interfaces dos eletrodos, onde h um ligeiro aumento de temperatura. Com isso ser formada uma lentilha de solda, termo que utilizaremos a partir de agora para definir a regio onde houve fuso entre as chapas. De acordo com os diagramas de resfriamento, perceberemos que ser formada uma estrutura predominantemente baintica, como veremos no item (5). 3. Ultra Som O ultra-som tem larga utilizao em todos os ramos de indstria que necessitam assegurar a qualquer custo a qualidade de seus produtos. Com o ultra-som possvel verificar qualidade de soldas, medir espessuras diversas, controlar vasos de presso, fadiga em asas de aeronaves e centenas de outras aplicaes. Um grande exemplo so as industrias de extrao e refino de petrleo, que necessitam constantemente monitorar seus dutos e reservatrios de armazenamento, para evitar qualquer risco de vazamento. Uma empresa referncia desta tcnica no Brasil, por exemplo a Petrobrs. Como todo processo,a tcnica de ultra-som convencional apresenta algumas limitaes, sendo uma delas a existncia de uma regio de grandes turbulncias na sada do transdutor, conhecida no meio, como zona morta. Com isso, a medio de pequenas espessuras e a deteco de descontinuidades nas proximidades da superfcie so comprometidas, inviabilizando totalmente a medio de pontos de solda, onde na maioria das vezes as espessuras esto na faixa de 1 a 3 mm .

Zona Morta Figura 7. Sonograma caracterstico de transdutor convencional Com esse panorama, o objetivo ento passou a ser estabilizar essa regio de grandes turbulncias, para que os equipamentos pudessem ter estabilidade de medida nessa regio. Para isso, seria necessrio desenvolver um novo transdutor, assim como um software dedicado e exclusivo para esse controle.

Foi desenvolvido, ento, aps uma srie de estudos, um novo transdutor e um software, e os testes comearam a ser realizados. A grande inovao foi a construo desse novo transdutor, que tem como diferencial a colocao de uma coluna dgua entre o cristal piezoeltrico e a pea a ser testada. Alm disso, na face de contato do transdutor foi colocada uma membrana elstica que tem como funo se amoldar a forma cncava do ponto de solda, direcionando o feixe snico de maneira mais uniforme. A funo da coluna dgua basicamente eliminar a regio de grandes turbulncias do som. Com isso, conseguimos efetuar medies de pequenas espessuras a partir da face de contato da membrana elstica.

Figura 8. Transdutor Solda a Ponto 3.1. Interpretao dos Resultados Os resultados grficos indicam o tipo de descontinuidade encontrada no ponto de solda em questo, e fundamental que os operadores do equipamento tenham total compreenso dos grficos, e que variveis esto envolvidas naquele sinal. As figs. (9,10,11,12, e 13) representam exemplos de grficos do equipamento de ultra-som, onde o objetivo ser determinar que tipo de efeito metalrgico causou o sinal.

Figura 09 .Lentilha em ordem

Figura 10 .Ponto colado

Figura 11 .Lentilha pequena

Figura 12 .Ponto solto

Figura 13 . Ponto Queimado Atualmente podemos afirmar com certeza que todos os operadores da DaimlerChrysler, por exemplo, conseguem identificar e segregar os pontos considerados no em ordem, de acordo com o tipo de critrio adotado pela empresa. O grande diferencial est , portanto no fato do operador ter conhecimento do tipo de fenmeno metalrgico que envolveu a criao deste sinal , e para isso foi ento acionado o Laboratrio de Ensaios No Destrutivos, numa parceria com o Laboratrio Metalogrfico do Centro Tecnolgico da Qualidade da DaimlerChrysler, para que ento pudesse ser feito um trabalho de parceria conforme descrevemos abaixo. 4. Materiais e Mtodos No Laboratrio , tanto quanto na prtica so utilizadas chapas estampadas, normalmente ao baixo carbono, soldadas por resistncia ponto, em mquinas de solda microprocessadas, utilizando geralmente eletrodos de ponta cnica, ligas de Cu (mais utilizadas Cu Cr Zr e Cu Cr ). Os materiais de ensaio so o ultra-som UPI 50, fabricante Scanmaster, digital, cabos de fibra ptica e transdutores especiais com coluna dgua, frequncia de 20 MHz, e dimetros variados.

Os pontos de solda foram seccionados transversalmente atravs de corte abrasivo, preparados metalograficamente por procedimentos usuais e atacados com soluo de 98% de volume de lcool e 2% de volume de HNO3 .As amostras foram analisadas metalograficamente em um microscpio ptico, com at 1000 X de aumento. O procedimento utilizado foi a pr- programao do equipamento, utilizando padres internacionais e as informaes das unidades da empresa que j possuam este equipamento. Aps esta programao, os subconjuntos soldados foram ensaiados com o ultra-som, tendo seus relatrios e grficos salvos e, aps devidamente identificados, foram levados ao laboratrio metalogrfico para posterior corte e anlise. Os resultados do ensaio metalogrfico foram preservados para anlise e equalizao dos parmetros de soldagem e do equipamento, processo redundante at que o processo se estabilize. 5. Resultados e Discusso

Conforme fig (14) , a estrutura metalrgica bsica de um ponto de solda em ordem consiste em um ncleo de estrutura banitica, com gros colunares direcionados preferencialmente no sentido vertical, contornado por uma regio termicamente alterada, diminuindo progressivamente para uma estrutura praticamente inalterada junto s superfcies das chapas.

Figura 14 . Seo transversal de em ponto de solda .(1) Material da chapa no afetado pelo calor; (2) Zona de aquecimento acima de 723C, material com incio de alteraes na microestrutura; (3) Recristalizao do metal base encruado; (4) Linha de fuso da lentilha; (5) Zona fundida, cristalizao orientada. Nos items a seguir veremos os resultados metalogrficos de cada ponto testado e sua relao com os grficos mostrados anteriormente. 5.1. Ponto Colado/Ponto Solto Mostrados nas figs (10) e (12) respectivamente, mostram na tela uma longa sequncia de ecos mltiplos. No ponto colado, os ecos mltiplos so de um ponto a princpio em ordem, mas com baixa atenuao do som . j o ponto solto mostra uma longa sequncia de ecos, mas com espessura de apenas uma das chapas a serem soldadas. Este efeito acontece devido s temperaturas no centro das chapas no atingirem a temperatura para a fuso das mesmas, provocada por uma rea de contato do eletrodo com alta resistncia passagem da corrente, ou a falta da mesma. O efeito metalrgico pode ser observado na fig (15).

Figura 15. Ponto Colado 5.2. Lentilha Pequena/Falha no Ponto Da fig (11), mostra na tela uma sequncia de ecos da espessura do ponto, intercalados por pequenos ecos de espessura de uma nica chapa. A disposio dos ecos intermedirios popularmente conhecida como chapu de Napoleo. O efeito metalrgico pode ser observado nas figs (16) e (17) .

Figura 16. Falha no Ponto de Solda

Figura 17. Lentilha pequena 5.3. Ponto Bom Na fig (09) , definido com uma curta sequncia de ecos, com boa atenuao de som. A estrutura mostrada abaixo

Figura 18. Ponto de solda em ordem 5.4 . Ponto de Solda Queimado Da fig (13) , caracteriza-se como um ponto onde h uma grande regio fundida da lentilha de solda, aumentando a capacidade de absoro do som , resultando um grfico com uma curta sequncia de ecos. Uma outra possibilidade a presena de um grfico muito semelhante ao de um ponto bom, porm com uma indentao superior a 20% da soma das espessuras das chapas . Este foi o foco do estudo, na realidade, pois um defeito que usualmente no era detectado nos antigos ensaios de martelo e talhadeira, ou at pelos ensaios de trao, ainda utilizados .Devido a sua excessiva corrente ou indentao, durante a sua formao existe o srio risco de este ponto apresentar trincas superficiais.

Figura 19 .Seco transversal de Ponto de Solda Queimado por excessiva indentao

Figura 20. Superfcie do ponto de solda apresentando microtrincas A anlise mais preocupante destas trincas fica por conta que, apesar de as mesmas serem relevantes se forem consideradas sob a tica do ensaio metalogrfico, no so percebidas nos ensaios de trao, muito menos nos ensaios de martelo e talhadeira. No ultra-som, esta indicao tambm no aparece, pois estas trincas se localizam paralelas ao feixe snico, porm podemos determinar a presena destas trincas de maneira indireta ,utilizando se das informaes que a mquina nos oferece como ponto queimado. Este o grande ponto de evoluo do ultra-som. Existem diversas vertentes que defendem que a utilizao do ponto queimado normalmente, sob a alegao de que existe a fuso do ponto de solda, o que realmente verdade. importante ressaltar que realmente estas trincas no afetariam em um primeiro momento a qualidade do ponto de solda em questo. Por um outro lado, quando estamos falando de um componente veicular, por exemplo, foco do nosso estudo , temos que pensar que estas estruturas soldadas sofrem esforos em mltiplos sentidos, e a o termo fadiga passa a ser fator decisivo durante o projeto, e a posterior fabricao destes componentes. Assim ,o autor realizou um experimento visando comparar o efeito destas trincas no que diz respeito da vida em fadiga dos componentes soldados, chegando concluso que as trincas relativas ao ponto queimado amortecem a vida do componente em cerca de 40%(vide tab. 1), valor preocupante, considerando que muitos dos pontos de solda aplicados na estrutura so considerados pontos de segurana do veculo. Estes pontos passariam desapercebidos se no utilizarmos a tcnica do ultra-som com muito critrio. O experimento foi realizado no Centro de Laboratrios Mecnicos da UNIFEI, utilizando uma mquina MTS de ensaios de trao, adaptada com um software de fadiga, e se encontra em fase final de tabulao de dados, sendo possvel apenas fornecer dados preliminares (dados atualizados at Maro/2002). At 20% indentao (Parmetro A) 25000 N 24663 ciclos Mais de 20% indentao (Parmetro B) 25000 N 14871 ciclos

Limite de resistncia trao Fadiga (0 14 KN at ruptura)

Tabela 1. Resultados experimentais 6. Concluses

Enfim, com este respectivo trabalho podemos chegar as seguintes concluses: - No basta aos operadores ter apenas um conhecimento na tcnica de ultra-som, mas tambm entender e enxergar a metalurgia do ponto de solda , fazendo com que os grficos na tela passem a ter um significado mais amplo do que Bom ou Ruim. Com isso decises mais rpidas possam ser tomadas em campo, diminuindo consideravelmente os custos de refugo e retrabalho , ponto fundamental hoje, se considerarmos a velocidade frentica das linhas de produo. Atravs do Ultra - Som possvel mapear quase todos as descontinuidades existentes em pontos de solda, mesmo indiretamente (dependendo do nvel de treinamento e uniformidade da produo) , onde a confirmao vem sempre de um ensaio metalogrfico, como apoio . Por isso, fundamental na opinio dos autores que, exista, no mnimo na fase de implantao da tcnica, uma estrutura de apoio aos ensaios , que servir tanto como suporte tcnico, quanto treinamento aos operadores. Com isso possvel certificar e atestar a confiabilidade do equipamento. Atravs do Ensaio de Ultra Som possvel detectar uma srie de descontinuidades que s seriam vistas ao microscpio, aumentando o grau de confiabilidade do equipamento e se aproximando muito dos dados tericos fornecidos em tabelas de fabricantes.

Martelo e Talhadeira Custo / Veculo (US$) Deteco de defeitos (%) 5150 20

Metalografia , Trao 7270 99

Ultra-som 1210 95

Tabela 2. Valores Mdios do mercado Norte Americano 1999 AEI set 2001 7. Agradecimentos

DaimlerChrysler do Brasil Ltda, pelo suporte financeiro e autorizao para a divulgao do trabalho, ao Centro Unversitrio UNIFEI pelo apoio tcnico aos ensaios, e em especial aos srs. Rodrigo Magnabosco, Mauro de Souza

Paraso e a toda equipe de Tcnicos e Engenheiros dos Laboratrios de Metalografia e Ensaios No Destrutivos do Centro Tecnolgico da Qualidade de Materiais da DaimlerChrysler. 8. Bibliografia

Alich, F. ; Weber,S ; Wilcke,B ,2000, Ultraschall Prfausicht, Interne Schulungsunterlagen . DaimlerChrysler AG ; MPV Mess und Prftechinik Vogt GmbH Leite, P.,1977, Ensaios No Destrutivos, ABM ,8 Edio Wainer, E. ; Brandi,S.; Mello,F., Soldagem,Princpios e Metalurgia. Tomer, A ; 1990, Structure of metals through optical microscopy .ASM international ASM ; 1972, Metals handbook . Vol. 7 Atlas of Microestrutures. ASM ;1973, Metals handbook .Vol. 8 Metallography , Structures and Phase diagrams.

DEFECTS FOUNDED IN SPOTWELD CHARACTERIZATION USING ULTRASOUND TECHNIQUE, SUPPORTED BY METALOGRAPHY TESTS.Danilo StoccoDaimlerChrysler do Brasil Av. Alfred Jurzykowski , 562 So Bernardo do Campo SP - Brasil [email protected]

Roque GonalvesDaimlerChrysler do Brasil Av. Alfred Jurzykowski , 562 So Bernardo do Campo SP - Brasil [email protected] Abstract: The Spotweld Ultrasound technique presents today a very strong aplication in the automotive industry, due to its highspeed test, automation capability, sensible cost reduction and automatic evaluation. On the other hand, it is very important for the operators possess the total comprehension, not just about the equipment operation, like turn on and execute the test, but also have the comprehension of the metalurgical concepts involved in the test, concepts that establish the automatic evaluation of the spotweld, that is, what really means the graphics that appear on screen, and which kind of variables are involved in these signals. Thinking about this, the Materials Quality Technology Center of DaimlerChrysler had developed this work, that consists in verify, supported by metalography tests, the translation of the graphics from the ultrasonic equipment, certifing the total eficiency and reliability of the test, beyond linearize the equipments setup in agreement with the welding process of the company. This way, it becames possible to the operators and programmers of the equipment detect the probable process imperfection cases, using only nondestructive inspection, increasing considerably the reliability rank of the equipment to approximately 95% Keywords: Ultrasound, spotweld