Projeto e fabrico de um protótipo para soldadura por ultrassons
Abstract
A forte ascensão da mobilidade elétrica resulta numa maior necessidade de fabrico de baterias e componentes associados às mesmas, assim como o aumento da eficiência dos processos industriais que lhes dão origem. A soldadura por ultrassons de materiais metálicos tem vindo a solucionar muitas dificuldades sentidas na união de materiais condutores, para além de contribuir para o cumprimento das métricas relativas à sustentabilidade, uma vez que, comparativamente aos processos de soldadura convencionais, tem um consumo energético muito inferior. Desta forma, a tecnologia em causa tem sido foco de um contínuo desenvolvimento, de modo a acompanhar as necessidades da indústria. Este trabalho expõe o projeto de desenvolvimento e fabrico de um equipamento de soldadura por ultrassons de materiais metálicos, tendo como principal objetivo solucionar algumas das adversidades encontradas em modelos atualmente utilizados e consequentemente melhorar a eficácia do seu funcionamento, assim como comprovar a possibilidade de obtenção de um equipamento totalmente funcional e de estrutura e mecanismo relativamente simples. O tema central do projeto foi antecedido pelo estudo teórico e analítico do processo de soldadura por ultrassons e pela caracterização do seu mecanismo de união dos materiais metálicos. O protótipo partiu do estudo de uma versão anteriormente concebida, mas não validada e com aspetos construtivos por corrigir. Após a caracterização desse equipamento, foram executados testes experimentais com vários parâmetros de soldadura, seguidos de ensaios de tração, de forma a verificar a soldadura efetiva dos materiais e avaliar a resistência da união e o mecanismo de separação. Foram também observadas por microscopia cada uma das configurações de material soldadas com as diferentes condições acima descritas, de modo a apurar a natureza da união e possíveis modificações na microestrutura ao longo da mesma. Os testes experimentais permitiram validar o protótipo original e avançar assim com o processo iterativo de melhoria dos principais aspetos a otimizar, começando pelo apuramento e compreensão das falhas de maior impacto. Em simultâneo com a seleção das soluções mais favoráveis para cada um desses pontos, foi realizado o projeto para o fabrico da configuração final alcançada do equipamento.
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julho de 2024 Daniel Alexandre Leite Costa Projeto e Fabrico de um Protótipo para Soldadura por Ultrassons
julho de 2024 Daniel Alexandre Leite Costa Projeto e Fabrico de um Protótipo para Soldadura por Ultrassons Dissertação de Mestrado Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica Trabalho efetuado sob a orientação do: Professor Hélder Puga
i DIREITOS DE AUTOR E CONDIÇÕES DE UTILIZAÇÃO DO TRABALHO POR TERCEIROS Este é um trabalho académico que pode ser utilizado por terceiros desde que respeitadas as regras e boas práticas internacionalmente aceites, no que concerne aos direitos de autor e direitos conexos. Assim, o presente trabalho pode ser utilizado nos termos previstos na licença abaixo indicada. Caso o utilizador necessite de permissão para poder fazer um uso do trabalho em condições não previstas no licenciamento indicado, deverá contactar o autor, através do RepositóriUM da Universidade do Minho. Licença concedida aos utilizadores deste trabalho Atribuição-NãoComercial CC BY-NC https://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0/
ii AGRADECIMENTOS A realização do presente trabalho não seria possível sem o apoio de todos aqueles que contribuíram direta ou indiretamente no desenrolar do mesmo, assim como de todo o meu percurso académico. Ao Departamento de Engenharia Mecânica da Universidade do Minho, pelos meios e condições necessárias ao desenvolvimento, fabrico e validação experimental do protótipo. Ao Professor orientador Hélder Puga, pela oportunidade conferida e pela partilha de conhecimento nas várias áreas da engenharia mecânica, em especial no que toca à aplicação dos ultrassons na indústria. Ao Engenheiro Paulo Araújo, pela colaboração ao longo de todo o projeto e fabrico do equipamento. À Engenheira Inês Gomes e ao Engenheiro José Grilo pelo auxílio prestado em ambiente laboratorial, quer no manuseamento de equipamentos quer pela partilha das técnicas usuais. Por último, às pessoas que mais me são importantes e que sempre se mostraram presentes nos períodos bons e menos bons desta jornada. Aos meus pais que sempre me apoiaram em todas as decisões e me forneceram os meios para a concretização dos meus sonhos. Pela transmissão dos seus valores e por expressarem o verdadeiro significado de amor paternal. Por último, e não menos importante, por partilharem comigo o gosto pela procura de conhecimento nas mais variadas áreas, que por sua vez me encaminhou até ao final desta etapa. Aos meus amigos Bruno, Alice e Dantas que sempre acreditaram em mim em cada atividade e desafio e me motivaram a querer ser melhor em tudo o que decidi seguir. Por tornarem cada momento que teria tudo para ser insignificante numa ocasião especial, e com razões para ser relembrado, e por me ajudarem a separar a pressão da vida académica da vida pessoal. Ao meu amigo Miguel que esteve presente ao longo destes cinco anos, e com quem tive o prazer de partilhar todo o percurso, de superar as dificuldades e de celebrar as conquistas. Finalmente, a TODOS os meus amigos e parceiros de treino por me entenderem e ajudarem a conciliar a parte desportiva com a académica, sem que nenhuma tivesse de ser posta de lado. Por terem sido o único apoio capaz de me erguer durante o último ano e por serem as pessoas com quem vivi muitos dos momentos mais especiais, que jamais serão esquecidos, e pelas quais me aproximei de forma eterna. A todos os acima mencionados, um Muito Obrigado!
iii DECLARAÇÃO DE INTEGRIDADE Declaro ter atuado com integridade na elaboração do presente trabalho académico e confirmo que não recorri à prática de plágio nem a qualquer forma de utilização indevida ou falsificação de informações ou resultados em nenhuma das etapas conducente à sua elaboração. Mais declaro que conheço e que respeitei o Código de Conduta Ética da Universidade do Minho.
iv RESUMO A forte ascensão da mobilidade elétrica resulta numa maior necessidade de fabrico de baterias e componentes associados às mesmas, assim como o aumento da eficiência dos processos industriais que lhes dão origem. A soldadura por ultrassons de materiais metálicos tem vindo a solucionar muitas dificuldades sentidas na união de materiais condutores, para além de contribuir para o cumprimento das métricas relativas à sustentabilidade, uma vez que, comparativamente aos processos de soldadura convencionais, tem um consumo energético muito inferior. Desta forma, a tecnologia em causa tem sido foco de um contínuo desenvolvimento, de modo a acompanhar as necessidades da indústria. Este trabalho expõe o projeto de desenvolvimento e fabrico de um equipamento de soldadura por ultrassons de materiais metálicos, tendo como principal objetivo solucionar algumas das adversidades encontradas em modelos atualmente utilizados e consequentemente melhorar a eficácia do seu funcionamento, assim como comprovar a possibilidade de obtenção de um equipamento totalmente funcional e de estrutura e mecanismo relativamente simples. O tema central do projeto foi antecedido pelo estudo teórico e analítico do processo de soldadura por ultrassons e pela caracterização do seu mecanismo de união dos materiais metálicos. O protótipo partiu do estudo de uma versão anteriormente concebida, mas não validada e com aspetos construtivos por corrigir. Após a caracterização desse equipamento, foram executados testes experimentais com vários parâmetros de soldadura, seguidos de ensaios de tração, de forma a verificar a soldadura efetiva dos materiais e avaliar a resistência da união e o mecanismo de separação. Foram também observadas por microscopia cada uma das configurações de material soldadas com as diferentes condições acima descritas, de modo a apurar a natureza da união e possíveis modificações na microestrutura ao longo da mesma. Os testes experimentais permitiram validar o protótipo original e avançar assim com o processo iterativo de melhoria dos principais aspetos a otimizar, começando pelo apuramento e compreensão das falhas de maior impacto. Em simultâneo com a seleção das soluções mais favoráveis para cada um desses pontos, foi realizado o projeto para o fabrico da configuração final alcançada do equipamento. PALAVRAS-CHAVE SOLDADURA POR ULTRASSONS; ULTRASSONS; SOLDADURA DE METAIS; SOLDADURA EM ESTADO SÓLIDO; PROJETO MECÂNICO
v ABSTRACT The strong rise of electric mobility outcomes in a greater need to manufacture batteries and components related to them, as well as an increase in the efficiency of industrial processes from which they are produced. Ultrasonic welding of metals has been overtaking some restrictions related with the joining of highly conductive materials and has been helping to fulfill the sustainability goals and rules imposed continuously, since its energy consumption is several times lower than the conventional welding technologies. This way, ultrasonic welding has been the subject of constant development, in order to keep up with the industry demands. This thesis presents the development and manufacturing of an ultrasonic welding equipment to joint metals, with the main goal of solving some of the flaws/obstacles found on currently used machines and thereafter to increase the efficiency and performance of those models. The main topic of this dissertation was preceded by the theoretical and analytical study of the ultrasonic welding process and the characterization of the corresponding metal joining mechanism. The prototype began with the study and analysis of an earlier designed and semi-built equipment that has not been tested or validated and with some structural features to redesign. After the description of the later model, some welding trials have been executed, followed by tensile tests to verify the effectiveness of the joining of the materials and to evaluate its bond strength and the separation mechanism. Each of the material configurations welded under the different conditions described above was also observed by microscopy, in order to determine the nature of the bonding interface and potential modifications in the microstructure along the same. The experimental tests allowed the validation of the original prototype and thus to proceed with the iterative process to improve the main aspects to be optimized, beginning with a review and understanding of the primary defects. Simultaneously with the selection of the most favorable solutions for each of these points, the design for manufacturing of the final achieved configuration of the equipment was carried out. KEYWORDS ULTRASONIC WELDING; ULTRASOUNDS; METAL WELDING; SOLID-STATE WELDING; MECHANICAL DESIGN
vi ÍNDICE Agradecimentos ................................................................................................................................... ii Resumo.............................................................................................................................................. iv Abstract............................................................................................................................................... v Índice ................................................................................................................................................. vi Índice de Figuras ...............................................................................................................................viii Índice de Tabelas .............................................................................................................................. xiii Lista de Símbolos .............................................................................................................................. xiv 1. Introdução .................................................................................................................................. 1 1.1. Contextualização ................................................................................................................ 1 1.2. Objetivos ........................................................................................................................... 2 1.3. Motivação .......................................................................................................................... 2 1.4. Estrutura ........................................................................................................................... 3 2. Tecnologia de ultrassons ............................................................................................................. 5 2.1. Conceito e Antecedentes .................................................................................................... 5 2.2. Do fenómeno físico à sua aplicação efetiva ......................................................................... 7 2.3. Aplicação dos ultrassons na indústria ............................................................................... 10 3. Tecnologia ultrassónica para soldadura de materiais metálicos .................................................. 13 3.1. Conceito .......................................................................................................................... 13 3.2. Soldadura de Metais vs Soldadura de Polímeros ............................................................... 21 3.3. Gama de Materiais e Considerações ................................................................................. 23 4. Análise e proposta do protótipo existente ................................................................................... 27 4.1. Considerações e definição de especificações do equipamento .......................................... 27 4.2. Estudo e validação do protótipo existente ......................................................................... 29 4.2.1. Mecanismo e Design ............................................................................................... 29 4.2.2. Fabrico .................................................................................................................... 35
vii 4.2.3. Sistema elétrico ....................................................................................................... 36 4.2.4. Montagem ............................................................................................................... 39 4.2.5. Modo de funcionamento ......................................................................................... 41 4.2.6. Software de controlo do equipamento ...................................................................... 42 4.2.7. Definição dos valores máximos de força e pressão de soldadura .............................. 43 4.2.8. Análise de Funcionamento e Testes experimentais ................................................... 47 4.2.8.1. Testes de soldadura ................................................................................... 47 4.2.8.2. Análise da união por microscopia ............................................................... 52 4.2.8.3. Ensaios de Avaliação da Resistência da União ............................................ 60 4.2.8.4. Análise da microestrutura e mecanismo de união ....................................... 67 4.3. Problemas do protótipo .................................................................................................... 70 4.4. Soluções conceptuais para os problemas encontrados ..................................................... 77 4.4.1. Flanges ................................................................................................................... 77 4.4.1.1. Tipologias de flanges e solução final ........................................................... 77 4.4.1.2. Análise numérica do comportamento das flanges ....................................... 83 4.4.2. Parte estrutural ....................................................................................................... 90 5. Conclusão e trabalhos futuros ................................................................................................... 98 5.1. Conclusão ....................................................................................................................... 98 5.2. Trabalhos Futuros ............................................................................................................ 99 Anexos ........................................................................................................................................... 101 Anexo A: Modo de funcionamento e procedimento de utilização do protótipo inicial ......................... 103 Anexo B: Interface Gráfica do programa de controlo do equipamento............................................... 105 Anexo C: Condições de soldadura das amostras a utilizar nos ensaios de tração ............................. 106 Anexo D: Condições de soldadura das amostras para análise de microestrutura .............................. 107 Anexo E: Gráficos Força-Extensão dos provetes submetidos aos ensaios de tração ........................... 108 Anexo E: Gráficos Força-Extensão dos provetes submetidos aos ensaios de tração ........................... 109 Anexo F: Atravancamento e Dimensões gerais da Configuração final do equipamento ...................... 110 Referências Bibliográficas ............................................................................................................... 111
xiv LISTA DE SÍMBOLOS Siglas, abreviaturas e acrónimos CAD Computer Aided Design CAE Computer Aided Engineering DfM Design for Manufacturing DfMA Design for Manufacturing and Assembly DfX Design for Excellence EBSD Electron Backscatter Diffraction EDS Energy-dispersive X-ray Spectroscopy FEA Finite Element Analysis FSW Friction Stir Welding ISO International Organization for Standardization LED Light Emitting Diode LFW Linear Friction Welding PCB Printed Circuit Board RFW Rotary Friction Welding SONAR Sound Navigation and Ranging SSW Solid-State Welding UMW Ultrasonic Metal Welding US Ultrasounds
xv Nomenclatura Símbolo Denominação Unidade 𝜸𝒑 Taxa de deformação plástica causada pela penetração da ferramenta s-1 𝜸𝒔 Taxa de deformação plástica causada pelo atrito da ferramenta s-1 𝑨𝒎á𝒙 Área da face maior da ferramenta de soldadura mm2 𝑨𝒎𝒊𝒏 Área da face menor da ferramenta de soldadura mm2 𝑬𝒄𝒆 Intensidade de campo elétrico V/m 𝑭𝑵 Força de soldadura imposta pelo protótipo N 𝑭𝒊 Força de corte N 𝑭𝒔 Força de atrito entre a ferramenta e o material N 𝑰𝒖𝒔 Intensidade das vibrações ultrassónicas - 𝑷𝑨𝒎á𝒙 Pressão de soldadura para a área maior da ferramenta e binário máximo nominal do servo motor MPa 𝑷𝑨𝒎𝒊𝒏 Pressão de soldadura para a área menor da ferramenta e binário máximo nominal do servo motor MPa 𝑷𝒎á𝒙 Pressão de soldadura para a área menor da ferramenta e binário de pico do servo motor MPa 𝑷𝒎𝒊𝒏 Pressão de soldadura para a área maior da ferramenta e binário de pico do servo motor MPa 𝑻𝒑𝒆 Tensão a que o material piezoelétrico está sujeito N/m2 𝒓𝒂 Rugosidade superficial da face de ataque da ferramenta μm 𝜶𝒖𝒔 Amaciamento do material pela ação dos ultrassons -
xvi 𝜼𝒇 Eficiência do fuso de esferas - 𝝈𝑬 Tensão de engenharia MPa 𝝈𝑻 Tensão de cedência à temperatura T MPa 𝝈𝒄𝒆𝒅 Tensão de cedência MPa 𝝈𝒓𝒐𝒕 Tensão de rotura MPa 𝑨 Área mm2 𝑫 Densidade de fluxo elétrico C/m2 𝑬 Energia J 𝑭 Força N 𝑰 Corrente elétrica A 𝑳 Passo do fuso de esferas mm 𝑷 Potência elétrica W 𝑺 Componente da deformação % 𝑻 Binário do servomotor N∙m 𝑼 Tensão elétrica V 𝒂 Aceleração da ferramenta de soldadura m/s2 𝒅 Coeficiente piezoelétrico m/V 𝒇 Frequência Hz 𝒉 Espessura da região soldada mm 𝒍 Espessura da camada de material mm 𝒎 Massa kg
xvii 𝒑 Pressão MPa 𝒔 Complacência mecânica do material m2/N 𝒕 Tempo de soldadura s 𝒗 Velocidade de deslocamento da ferramenta m/s 𝒙 Deslocamento mm 𝜺 Permissividade elétrica F/m 𝝁 Coeficiente de atrito entre a ferramenta e o material a soldar - 𝝃 Amplitude final de vibração do sistema μm 𝝆 Massa volúmica do material kg/m3 𝝈 Tensão MPa
Projeto e Fabrico de um Protótipo para Soldadura por Ultrassons 1 1. INTRODUÇÃO No presente capítulo será feita uma inclusão do tema na situação tecnológica atual e o seu estabelecimento como interesse geral para a contínua evolução. Seguidamente serão indicados os objetivos idealizados e a ser cumpridos com o desenvolvimento da dissertação, as razões e particularidades que motivaram a seleção do respetivo tema e por último será apresentada a estruturação do documento. 1.1. CONTEXTUALIZAÇÃO Com a constante evolução tecnológica, os requisitos a satisfazer aquando do fabrico de componentes e equipamentos são cada vez mais exigentes e o seu cumprimento surge como uma necessidade cada vez mais crucial e impreterível. Os processos têm-se tornado gradualmente mais complexos, assim como os equipamentos que os executam, aumentando a probabilidade de falhas e requerendo manutenção mais frequente. Assim, o papel de um engenheiro deverá focar na simplificação e aumento de eficiência dos produtos e/ou processos, de modo a contribuir tanto em termos económicos como ambientais, uma vez que a sustentabilidade é um tópico bastante presente nos dias que correm. Sobre este tema tão atual, o exemplo que melhor retrata esta crescente preocupação com o ambiente é a mobilidade elétrica e desuso dos combustíveis fósseis. O aumento exponencial das vendas de veículos elétricos implica um aumento similar na cadência de produção por parte das marcas de componentes, principalmente sobre as que produzem o que mais diferencia os novos veículos dos antecessores, isto é, o sistema elétrico e a forma de armazenamento de energia – baterias. Estas são compostas por vários módulos/células construídos e interligados por materiais condutores, tais como o cobre e o alumínio, que necessitam de ser unidos de tal forma que o desempenho elétrico dos componentes e de todo o sistema não seja afetado (Zwicker et al., 2020). É neste aspeto que entra a soldadura por ultrassons, que vem solucionar a falta de flexibilidade que os métodos convencionais de soldadura têm perante materiais com elevada condutividade térmica e/ou elétrica (Das et al., 2018; Schimanek et al., 2023; Stacy, 2020). Contudo, ao longo dos anos, o processo em causa e muitos dos equipamentos que o realizam não atingiram o nível de otimização desejado pela indústria de modo a permitir uma automatização eficiente. Isto acontece pela complexidade do mecanismo de união dos materiais presente no processo de soldadura por ultrassons, que tem sido alvo de contínua investigação e não se apresenta totalmente definido e caracterizado.
Projeto e Fabrico de um Protótipo para Soldadura por Ultrassons 2 1.2. OBJETIVOS O presente trabalho vem ilustrar uma situação de desenvolvimento e otimização de um equipamento a nível construtivo e operacional, em simultâneo com o estudo e compreensão do mecanismo de soldadura por ultrassons, com a finalidade de identificar e tentar resolver dificuldades encontradas atualmente na indústria, relativas à vertente desta tecnologia inerente aos materiais metálicos. Ao longo do processo de idealização, recorrer-se-á a metodologias correntes de desenvolvimento de produto, como é o caso do DfM, DfMA, DfX, entre outros, com o objetivo de aproximar o trabalho em causa ao método comum de projeto utilizado pela indústria nos dias que correm. Determinadas etapas não puderam ser cumpridas exatamente de acordo com os métodos idealizados, tendo sido seguidas alternativas com base nos meios disponibilizados e de forma a respeitar os prazos impostos. O desenvolvimento partirá de um protótipo existente e incompleto, projetado e fabricado durante e para a unidade curricular de introdução à dissertação de mestrado, que será alvo de análise e feita a descrição de toda a parte estrutural/funcional do mesmo, assim como dos processos de fabrico e montagem que deram origem a essa versão. Este passará por testes experimentais de funcionamento e de posterior análise de falhas. Seguirse-á a geração de soluções conceptuais dos pontos a melhorar, auxiliada pelo uso de ferramentas computacionais e ensaios laboratoriais. Após convergir para a solução final de cada um desses aspetos, será feito o projeto detalhado da configuração alcançada e remetida a informação técnica necessária para o fabrico dos vários componentes do protótipo. É de notar que também o sistema elétrico e o programa de controlo da máquina serão alvo análise e otimização. No término do projeto pretende-se alcançar um instrumento economicamente mais viável do que as soluções existentes no mercado e capaz de soldar diferentes configurações de materiais com eficiência e repetibilidade. 1.3. MOTIVAÇÃO O trabalho em questão foi realizado totalmente em regime académico e vem ao encontro do conceito dos ultrassons, que se encontra cada vez mais presente na indústria, sendo o foco desta dissertação a soldadura por ultrassons de metais, que tem tido um forte impacto no setor da mobilidade elétrica. Em termos pessoais, vem permitir a integração do conhecimento adquirido ao longo do ciclo de estudos nas várias áreas da engenharia mecânica, maioritariamente no projeto mecânico e projeto para o fabrico, na vertente acústica e na dinâmica de máquinas e vibrações.
Projeto e Fabrico de um Protótipo para Soldadura por Ultrassons 3 É ainda de referir as seguintes valências aprofundadas durante a realização do projeto, nomeadamente na modelação CAD e noções e aplicação das ferramentas CAE presentes nos softwares Autodesk Fusion 360® e Solidworks®, nas áreas da metalurgia mecânica, automação industrial e órgãos de máquinas e no trabalho em laboratório, que implica o manuseamento de equipamentos e desenvolvimento e aplicação de técnicas de preparação de amostras metalúrgicas, assim como a execução de ensaios mecânicos. 1.4. ESTRUTURA No capítulo 2 é abordado o estado da arte do tema dos ultrassons, começando por uma breve introdução ao conceito, seguido pelos antecedentes históricos e a evolução do conhecimento nesse domínio, assim como os princípios físicos por detrás do mesmo. Posteriormente é enunciado o método de transição do conceito para o contexto real e algumas considerações acerca do funcionamento de sistemas de geração e propagação de oscilações ultrassónicas. Finalmente é feita referência aos vários campos de aplicação dos ultrassons na indústria e as tecnologias atuais onde os mesmos podem ser empregues. O capítulo 3 faz referência às temáticas e aspetos mais importantes que precedem o desenvolvimento do protótipo e que devem ser tidos em conta para a correta compreensão e justificação das metodologias empregues e das decisões tomadas, enunciadas ao longo do documento. O mesmo converge em específico para a soldadura por ultrassons, as diferenças e vantagens desta tecnologia relativamente aos restantes processos de união de materiais metálicos e o mecanismo e natureza da união criada. Seguidamente faz-se alusão ao desenvolvimento e evolução da tecnologia, o princípio funcional da mesma e as variáveis mais cruciais no desempenho do processo. Faz-se ainda a sua comparação com a vertente associada aos polímeros e termina-se com a gama de materiais metálicos passíveis de ser soldados, assim como a limitações associadas aos mesmos. No capítulo 4 reintroduz-se a necessidade que promove a execução do presente trabalho, começando por apresentar algumas das diferentes soluções de equipamentos para soldadura por ultrassons e a caracterização dos seus principais atributos. Segue-se para a definição de especificações que se pretende alcançar aquando do projeto do equipamento e procede-se para a apresentação e caracterização extensiva do protótipo a partir do qual parte o projeto da solução final. Após a análise dos resultados obtidos através dos testes experimentais de verificação da soldadura, que se traduzem na microscopia e ensaios de tração uniaxial, faz-se um apuramento dos problemas conceptuais do protótipo caracterizado. Termina-se esta secção com a procura e desenvolvimento de soluções conceptuais para as falácias encontradas e é feito o projeto para o fabrico do equipamento na sua forma final.
Projeto e Fabrico de um Protótipo para Soldadura por Ultrassons 4 Finalmente, no capítulo 5 são tecidas as conclusões resultantes da elaboração deste projeto e as reflexões sobre trabalhos futuros.
Projeto e Fabrico de um Protótipo para Soldadura por Ultrassons 5 2. TECNOLOGIA DE ULTRASSONS No presente capítulo será introduzido o tema dos ultrassons, desde a sua designação, caracterização, princípio físico e antecedentes históricos, até à elucidação acerca sua utilização efetiva em situações e tecnologias atuais. Nesta última secção serão enunciadas as vantagens dos ultrassons relativamente aos métodos alternativos, de modo a explicar o seu importante papel no desenvolvimento tecnológico. 2.1. CONCEITO E ANTECEDENTES Os ultrassons baseiam-se em sinais sonoros de frequência superior a 20 kHz, valor que corresponde aproximadamente ao limite superior de sensibilidade do ouvido humano, subindo além da faixa dos MHz, sendo que a partir de valores superiores a 1 GHz se entra na região convencionalmente denominada de regime hipersónico ou microssons (Berg, 2023; Bychkov et al., 2016), como ilustrado na Figura 1. As vantagens dos ultrassons relativamente a outros tipos de radiação e que motivaram a investigação e desenvolvimento assentam-se em dois principais aspetos: (i) as ondas ultrassónicas deslocam-se de forma relativamente lenta, cerca de 100000 vezes mais devagar do que as ondas eletromagnéticas, permitindo um maior controlo e exposição da informação em função do tempo; (ii) a possibilidade de penetração de materiais opacos, ao contrário de outos tipos de radiação, conseguindo extrair informação acerca do interior dos mesmos, com sensibilidade, fiabilidade e com custos reduzidos (Cheeke, 2002). Atualmente, os ultrassons são utilizados num variado leque de aplicações, como a medicina, aceleração de processos químicos, processos industriais, comunicação, navegação, etc., sendo o intervalo de frequência variável em função da área de aplicação. O principal antecedente a esta tecnologia foi a descoberta da propriedade piezoelétrica de alguns materiais, em 1880, por parte de dois físicos franceses, Pierre Curie e Paul-Jacques Curie (efeito direto), e por Gabriel Lippmann um ano mais tarde (efeito inverso) (Cheeke, 2002). Esta particularidade resumese na capacidade de um material em converter energia mecânica em energia elétrica – efeito direto; e 20 Hz 20 000 Hz Infrassons Ultrassons Som Audível 1 GHz Hipersons Figura 1 – Espetro de frequências sonoras.
Projeto e Fabrico de um Protótipo para Soldadura por Ultrassons 6 vice-versa – efeito inverso. Desta forma, quando sujeitos a uma determinada corrente elétrica, a sua geometria sofre uma ligeira variação, normalmente abaixo de 4% (Yang et al., 2015), ou, por outro lado, a sua resistividade elétrica altera-se (e consequentemente a corrente que por eles percorre) quando submetidos a situações de stress mecânico ou carregamento. A Figura 2 ilustra este comportamento por parte dos materiais mencionados. Por sua vez, as expressões abaixo resultam nas equações constitutivas que definem os efeitos piezoelétricos direto (equação 1) e inverso (equação 2) dos materiais (Sezer & Koç, 2021). 𝐷=𝑑𝑇𝑝𝑒 + 𝜀𝐸𝑐𝑒 (1) 𝑆=𝑠𝑇𝑝𝑒 + 𝑑𝐸𝑐𝑒 (2) onde 𝐷 é densidade de fluxo elétrico, presente nas equações de Maxwell, 𝑑 é o coeficiente piezoelétrico, 𝑇𝑝𝑒 a tensão a que sujeita determinado material, 𝜀 a permissividade do mesmo, 𝐸𝑐𝑒 o campo elétrico, 𝑆 a deformação e 𝑠 a complacência mecânica do material, ou seja, o inverso da sua rigidez. Seguiram-se algumas décadas de estudo, desenvolvimento e otimização de materiais com essa propriedade, tendo os estudos incidido inicialmente sobre os cristais de quartzo, seguido pelo sal de Rochelle (tartarato de sódio e potássio), que eram os únicos materiais piezoelétricos conhecidos e disponíveis no século XIX. Mais tarde foi descoberto esse mesmo efeito em materiais como o titanato zirconato de chumbo (PZT), titanato de bário (BaTiO₃) e outros cerâmicos. Atualmente são também utilizados materiais compósitos para esse propósito, e a investigação tem recaído principalmente sobre os mesmos (Uchino, 2010). A primeira aplicação em grande escala do efeito piezoelétrico desses materiais foi precisamente no desenvolvimento da tecnologia dos ultrassons para uso militar, durante a Primeira Guerra Mundial. O Força aplicada Deformação gerada Campo elétrico aplicado Carga elétrica gerada b) a) Material piezoelétrico Figura 2 – Representação do efeito piezoelétrico a) direto e b) inverso. Adaptado de ( Basics of Piezoelectricity , n.d.)
Projeto e Fabrico de um Protótipo para Soldadura por Ultrassons 13 3. TECNOLOGIA ULTRASSÓNICA PARA SOLDADURA DE MATERIAIS METÁLICOS No seguinte capítulo será estabelecida a interiorização do tema dos ultrassons no processo de soldadura, as vantagens relativamente aos restantes métodos existentes e a natureza e formação da união de materiais por este meio. Estes últimos tópicos serão apresentados a partir de aspetos teóricos definidos até ao momento, assim como analiticamente e pela observação de casos práticos enunciados em vários trabalhos de investigação. Por fim, apresentar-se-ão as diferenças entre os processos de soldadura por ultrassons de materiais metálicos e poliméricos, a gama de materiais passível de ser unida pela primeira vertente e exemplos de componentes comummente unidos na indústria. 3.1. CONCEITO A soldadura por ultrassons é uma técnica de soldadura aplicada a polímeros e metais, principalmente não ferrosos, bastante eficiente e que não necessita de atmosferas inertes nem recorre a materiais auxiliares tais como solventes, gases raros ou elétrodos, reduzindo assim os custos associados a matériaprima e algumas exigências do processo. Além disso, permite unir materiais num curto espaço de tempo e requer menor consumo de energia do que os processos tradicionais. No caso da vertente associada aos metais, a soldadura considera-se geralmente feita sem qualquer fusão ou sem fusão significativa dos materiais, criando uma união sólida entre os componentes por ação da fricção induzida pela vibração. Desde o início do desenvolvimento desta tecnologia, os trabalhos de investigação têm-se focado na natureza e mecanismo da união entre os materiais, contudo as conclusões tiradas ainda não foram totalmente exploradas e há várias contradições. Um aspeto em concordância em grande parte da literatura é o facto de a temperatura na interface dos componentes envolvidos alcançar a temperatura de recristalização dos materiais e que para combinações de materiais puros, como o Al, Cu, Zn, Ti, Be, Ag e Ni, não foram inicialmente observados compostos intermetálicos ou outras fases presentes na interface. Porém, o conceito de difusão inter-atómica como principal mecanismo de união não se verifica em todos os trabalhos encontrados na bibliografia, sendo que Daniels (1965) corroborou a não existência de fusão ou difusão na ligação de Cu e Ni, observada anteriormente por Okada et al. (1963), nesse mesmo par de materiais. O grau de difusão tende a aumentar à medida que a temperatura na interface aumenta (J. Li et al., 2023), sendo que só a partir de uma certa temperatura (dependente do par de materiais em questão) é que este fenómeno é observado. As observações de Hazlett & Ambekar (1970)
Projeto e Fabrico de um Protótipo para Soldadura por Ultrassons 14 feitas através de microscopia eletrónica de varrimento apoiaram em parte as afirmações de Daniels. Por outro lado H. Kreye (1977), aquando da investigação da união de folhas de cobre e de alumínio através de soldadura por ultrassons e 2 outros métodos de soldadura em estado sólido, testemunhou alterações na microestrutura durante o processo e a formação de novos grãos ao longo da interface. No mesmo estudo observou que a ligação foi feita predominantemente pela fusão de uma camada de reduzida espessura (<1 μm), ocorrência também apoiada por Chen et al. (2012) e Bakavos & Prangnell (2010). Um outro aspeto que se comtemplou foi a penetração de parte do volume de um dos materiais no material oposto em forma de espiral/remoinho, normalmente designado na literatura como “ swirls ”, como ilustrado nas Figura 6 c) e e) e que é mais visível para valores superiores de energia empregues no processo. Figura 6 – Vários mecanismos de união visíveis numa interface de duas ligas de alumínio soldadas por ultrassons, em diferentes condições: zonas de deslizamento e microunião, deformação plástica severa e existência de “swirls” (Bakavos & Prangnell, 2010).
Projeto e Fabrico de um Protótipo para Soldadura por Ultrassons 15 Tal como é referido por Sanga et al. (2018), “há muitos mecanismos por detrás da formação da união ultrassónica, sendo que em alguns casos esta é feita por dois ou mais em simultâneo. Em segundo lugar, diferentes configurações de materiais mostram diferentes possibilidades destes mecanismos. (…) Um tipo específico de difusão causado pelo deslocamento acelerado mostrou ser a principal causa da deformação severa que acontece na interface durante o processo de soldadura por ultrassons. Este fenómeno reduz a temperatura de fusão dos materiais e promove uma soldadura por fusão, que contradiz o princípio associado à soldadura em estado sólido, a que é associado este tipo de processo.” Assim, convergindo para um caso geral, pode dizer-se que a temperatura máxima do processo atinge, normalmente, apenas entre um terço e metade da temperatura base de fusão dos materiais, não havendo, desta forma, alterações químicas dos mesmos (Das et al., 2019; Nong et al., 2018), nem a criação de partículas ou reações que promovam corrosão (Dhara & Das, 2020), para além de não haver a ocorrência de porosidades ou defeitos outrora promovidos pelo arrefecimento e solidificação. Estas particularidades permitem assegurar de forma mais significativa as propriedades térmicas e mecânicas dos materiais. Nos casos da união de materiais dissimilares, em que pode surgir a formação de compostos intermetálicos, e que tende a aumentar com o aumento da temperatura, a fragilidade destes compostos pode levar a uma redução das propriedades mecânicas da união (Dhara & Das, 2020; Haddadi & Abu-Farha, 2015; Sanga et al., 2018). Uma outra vantagem das baixas temperaturas do processo é a reduzida contração ou dilatação do material. Há a acrescentar que a temperatura alcançada é apenas resultado do movimento entre os materiais e não de fontes exteriores e que a natureza da união deve-se ao amaciamento dos materiais, como mencionado anteriormente, que é causado pelo facto de as vibrações induzidas serem exercidas a elevada frequência, normalmente no intervalo dos 20 aos 40 kHz, podendo ser ligeiramente inferior. Convergindo novamente para a soldadura por ultrassons, é possível sustentar que o processo foi desenvolvido por volta da década de 1950, tendo apenas sido patenteado e implementado na indústria na década seguinte, com a finalidade de unir cabos elétricos e vedar tubagens (Cai et al., 2019; Sanga et al., 2018). Atualmente é maioritariamente utilizado no setor automóvel, no que diz respeito à mobilidade elétrica, assim como noutras áreas da eletrónica e equipamentos médicos, sobretudo quando se pretende unir materiais condutores. Nos últimos 25 anos a soldadura por ultrassons tem tido um papel crucial no desenvolvimento de baterias, ao permitir superar algumas das barreiras existentes aquando do seu projeto, e conferiu à indústria uma capacidade de unir materiais dissimilares, frágeis e com propriedades térmicas e/ou elétricas particulares que se tornam impraticáveis aquando dos processos de soldadura comuns, sem afetar o seu desempenho e fiabilidade.
Projeto e Fabrico de um Protótipo para Soldadura por Ultrassons 16 A diminuição da rigidez dos materiais causada pelas vibrações de frequência ultrassónica e um consequente aumento da sua maleabilidade contribui para um aumento da área de contacto entre as várias camadas a unir, quando são aplicadas em simultâneo forças de compressão e fricção entre as mesmas (Nong et al., 2018). A Figura 7 ilustra um caso de soldadura por ultrassons de duas chapas/ layers do mesmo material, evidenciando as várias etapas pelas quais o mesmo atravessa, assim como a formação da união entre ambas as camadas em função do tempo e com a compressão por parte da ferramenta. Para além da frequência de vibração, alguns dos parâmetros mais importantes na eficácia do processo são: a amplitude de vibração, a pressão de contacto ( welding pressure ) e o tempo de atuação ou soldadura ( welding time ), assim como a potência do gerador/transdutor que resulta numa maior ou menor capacidade em exercer vibração em toda a sua extensão de soldadura. Cada uma destas variáveis tem valores considerados ótimos em função do material, características geométricas dos componentes a unir e outras condições do processo em questão. O tempo de soldadura apresenta-se como um parâmetro importante na qualidade da união, uma vez que, em simultâneo com a compressão dada entre os vários materiais, permite à interface formar ligações mais ou menos íntegras. Intervalos demasiado curtos não proporcionam a fricção necessária para formar uma ligação, e valores excessivos comprometem a união já formada. É de notar que o Figura 7 – Evolução do processo de soldadura por ultrassons de um par de folhas de liga Al6111 com 1 mm de espessura. Retirado de (Bakavos & Prangnell, 2010)
Projeto e Fabrico de um Protótipo para Soldadura por Ultrassons 17 intervalo de tempo é um fator determinante na energia induzida ao material, tendo assim influência na temperatura máxima alcançada na interface e consequentemente na natureza da união e na sua resistência. A cada par de materiais e respetiva configuração está associado um valor ótimo de duração do ciclo de soldadura, pelo que a sua definição não é totalmente linear nem conhecida. Normalmente este valor vai de algumas décimas de segundo até poucos segundos, pelo que terá de haver um controlo quase instantâneo dos parâmetros utilizados. Em termos práticos, processo de soldadura por ultrassons de materiais metálicos resume-se em 3 etapas fundamentais: 1 - Um atuador aplica a força de compressão aos componentes a unir, permanecendo estes entre a ferramenta, acoplada ao booster , e um batente/apoio localizado no lado oposto; 2 - O controlador/gerador gera o sinal elétrico com a frequência ultrassónica, que é convertido em oscilações mecânicas pelo transdutor, sendo estas transferidas pelo booster até à ferramenta, causando o movimento alternado de fricção no material; 3 - Após o tempo de atuação definido, a ferramenta afasta-se dos componentes soldados e termina o ciclo. De modo a que a área efetiva de contacto entre metais seja significativa, é necessário remover os óxidos e a contaminação das superfícies assim como eliminar as asperidades das mesmas. Enquanto alguns fatores, como o desgaste da ferramenta de soldadura, têm pouca influência na qualidade da união e podem ser corrigidos facilmente, a contaminação das superfícies por parte de óleo geram grandes variações entre soldaduras sucessivas e o seu efeito não consegue ser previamente contabilizado de forma precisa (Nong et al., 2018). Forças de atuação elevadas e movimento repetitivo de fricção por parte da ferramenta contribuem para a eliminação desses óxidos e contaminantes superficiais, o que manifesta a ideia de que o processo de soldadura por ultrassons tende a omitir a necessidade de limpeza das superfícies que seria necessária em alguns processos de soldadura convencionais, podendo ser facilmente automatizado caso o processo em si esteja bem compreendido e otimizado.
Projeto e Fabrico de um Protótipo para Soldadura por Ultrassons 18 É de notar que forças excessivas nos componentes podem levar à fissuração dos materiais na fronteira da zona de soldadura, como ilustrado na Figura 8, que sucede devido à concentração de tensões na zona das chapas em contacto com a aresta da ferramenta, para as geometrias do sonotrode mais comummente utilizadas. Por outro lado, a diminuição da pressão de atuação abaixo de um determinado valor provoca uma redução da área efetiva de união, sendo o acontecimento apelidado de “ cold weld ” . Sasaki et al. (2014) e Watanabe et al. (2009) investigaram o efeito da geometria de ataque da ferramenta, mostrando que uma superfície curva pode favorecer a união, ao evitar a zona de concentrações de tensões mencionada acima e aumentando a resistência da interface. Komiyama et al. (2016), Du et al. (2020) e D. Lee & Cai (2017) referem também o efeito da geometria das reentrâncias da ferramenta, comparando as formas piramidais e trapezoidais e as dimensões das indentações, no aumento do atrito, geração de calor e deformação dos materiais. De forma resumida, para que a soldadura por ultrassons ocorra, é necessário eliminar tanto os óxidos como os contaminantes das superfícies e haver uma área de contacto de metal exposto (sem películas) entre cada camada material. Ambas as ocorrências só poderão suceder caso haja atrito suficiente, uma vez que, abaixo desse valor, haverá escorregamento entre a ferramenta e o material, assim como entre as várias chapas a soldar. Esta necessidade de aderência da ferramenta e batente com as camadas superior e inferior do material/componentes a unir, respetivamente, justifica a utilização de superfícies de soldadura texturadas na generalidade dos casos. É de notar que, pela análise de ensaios de soldadura, a amplitude do movimento oscilatório tende a diminuir, relativamente ao valor imposto pelo sistema, a partir de um certo valor de força de soldadura, (devido ao aumento da pressão de contacto), resultante do aumento do atrito entre os componentes e da maior área de contacto entre as saliências da ferramenta e o metal (H. Li & Cao, 2019). O estudo da influência do valor amplitude no processo de soldadura por ultrassons é comum em muitos trabalhos de Figura 8 – Representação da zona de maior concentração de tensões nas chapas, causada pela aresta da ferramenta: a) vista de frente e b) vista de topo. a) b)
Projeto e Fabrico de um Protótipo para Soldadura por Ultrassons 19 investigação relativos a esta tecnologia e são vários os autores que se referem a este parâmetro como sendo um dos com maior influência na qualidade da união, como é o caso de Nunes et al. (2022). De acordo com Al-Sarraf & Lucas (2012), uma variação descendente da amplitude ao longo do tempo de soldadura (Figura 9), começando com um valor que permita fricção suficiente para criar a união sólida e reduzindo progressivamente o mesmo de modo a limitar o calor do contacto e consequentemente a maleabilidade da amostra, reduz o deslizamento das várias camadas à medida que se forma a união e minimiza o dano induzido na mesma, mantendo-se assim a integridade da ligação. O trabalho de investigação de Cai et al. (2013) mostra a influência do estado superficial de materiais quando postos em movimento de deslizamento entre si, avaliando o seu efeito na temperatura que se faz sentir na interface e a evolução do coeficiente de atrito com o tempo mencionando, assim como o impacto da força normal de compressão e da frequência de fricção nas variáveis anteriores. Com isso concluiu que, para os 3 estados superficiais estudados, de valores de rugosidade mensurados, o coeficiente de atrito final alcança, para todos eles, valores semelhantes (para o mesmo material ou pares de materiais), sendo que a frequência e força aplicada apenas têm influência no intervalo de tempo necessário para chegar a esse estado final. Convergindo para a caracterização analítica do processo de soldadura, é possível tecer as seguintes considerações: Devido à força de compressão exercida, o sonotrode e a camada de material com a qual está em contacto movem-se em simultâneo e de acordo com a expressão: 𝑥(𝑡)= 𝜉× sin (2𝜋× 𝑓× 𝑡) (3) Figura 9 – Diferentes tipos de variação induzida da amplitude de soldadura ao longo do tempo de ciclo: (i) linear;(ii) exponencial;(iii) escalonada. t, ms A, μm 0 (i) (ii) (iii) Fricção elevada Reduzir o dano da união
Projeto e Fabrico de um Protótipo para Soldadura por Ultrassons 20 em que 𝑥(𝑡) é o deslocamento da extremidade da ferramenta no instante 𝑡 do ciclo de soldadura, 𝜉 a amplitude final do sistema e 𝑓 a frequência de vibração. Da mesma forma, a velocidade e aceleração desses 2 elementos podem ser expressas de acordo com as equações 4 e 5, respetivamente: 𝑣(𝑡)= 2𝜋× 𝜉× 𝑓× cos(2𝜋× 𝑓× 𝑡) (4) 𝑎(𝑡)= −(2𝜋×𝑓)2×𝜉×sin(2𝜋×𝑓×𝑡) (5) Uma vez que existe uma força de cisalhamento 𝐹𝑖 entre ambas as camadas de material em simultâneo com uma força de atrito 𝐹𝑠 entre a ferramenta e a layer superior, a equação do movimento desta última pode ser descrita como: 𝐹𝑠(𝑡)+𝐹𝑖(𝑡)= 𝑚 ×𝑎(𝑡) (6) onde 𝑚 é a massa da camada de material superior. Decompondo 𝐹𝑠 e 𝑚, a equação 6 pode ser reescrita como: 𝜇×𝐹𝑁+𝐹𝑖(𝑡)=−(2𝜋×𝑓×𝑡)2×𝐴×𝑙×𝜌×𝑥(𝑡) (7) em que 𝜇 é o coeficiente de atrito entre a ferramenta e o material superior, 𝐹𝑁 é a força de soldadura imposta ao conjunto, 𝐴 a área de contacto com o sonotrode , 𝑙 a espessura da camada de material e 𝜌 a massa volúmica do metal que a constitui. Fujii et al. (2017) e Bates et al. (2005) estudaram as taxas de deformação plástica 𝛾𝑠 e 𝛾𝑝 causadas pelo atrito da ferramenta e pela sua penetração no material, respetivamente, que resultaram nas expressões seguintes: 𝛾𝑠=[(𝑑(𝑡) 2×𝑟𝑎)2+ 1 ]−1 ×𝑑(𝑡) 2×𝑟𝑎 (8) 𝛾𝑝=2×𝑓×𝜉 ℎ (9) onde 𝑟𝑎 corresponde à rugosidade superficial da ferramenta e ℎ à espessura da região soldada. Como é referido no presente capítulo, o processo de união é maioritariamente devido à redução da rigidez dos materiais por ação dos ultrassons, que contribuem para um aumento do grau de deformação dos mesmos. Assim, este amaciamento estudado por vários autores, nomeadamente por H. Li & Cao (2019)
Projeto e Fabrico de um Protótipo para Soldadura por Ultrassons 21 e Siddiq & Sayed (2011), pode ser enunciado como 𝛼𝑢𝑠 e expresso em função da intensidade das oscilações ultrassónicas 𝐼𝑢𝑠, da forma seguinte: 𝛼𝑢𝑠 =(1−𝑘×𝐼𝑢𝑠)𝑛 (10) sendo 𝑘 e 𝑛 coeficientes não definidos e onde 𝐼𝑢𝑠 pode ser calculado de acordo com a equação 11: 𝐼𝑢𝑠 =𝜌 2×𝑣×(2𝜋×𝑓×𝜉)2 (11) Finalmente, considerando as equações 10 e 11, é possível convergir para a expressão de quantificação da redução da rigidez dos materiais pelo processo de soldadura por ultrassons, como apresentado na equação 12: 𝜎=𝛼𝑢𝑠 ×𝜎𝑇=𝜎𝑇×(1−𝑘×𝐼𝑢𝑠)𝑛 (12) em que 𝜎𝑇 é a tensão de cedência do material base à temperatura 𝑇. Para além da formulação enunciada, os trabalhos de investigação têm também recaído sobre a relação entre a ação da ferramenta/fricção entre materiais e o aumento da temperatura, assim como a relação destes 3 parâmetros com a formação de compostos intermetálicos. Vários métodos numéricos têm sido criados com este intuito, como forma de estudar e prever o processo para cada combinação de materiais e condições de soldadura. 3.2. SOLDADURA DE METAIS VS SOLDADURA DE POLÍMEROS Os processos de soldadura por ultrassons de metais e polímeros (Figura 10) foram criados por volta da mesma década, embora o processo tenha tido uma evolução mais notória no ramo dos materiais poliméricos termoplásticos pela facilidade que apresenta relativamente à sua aplicação em metais. As principais diferenças entre as duas vertentes baseiam-se na definição dos parâmetros do processo, na direção em que a vibração atua nos componentes a unir e na natureza da união. Ao a) b) Figura 10 – Exemplos de componentes metálicos (a) e poliméricos (b) soldados por ultrassons (Retirado de ( Battery - Foil, Sheet and Cylinder Welding | TELSONIC Ultrasonics , n.d.) e (Automatic Mask Ear Loop Welding, n.d.)).
Projeto e Fabrico de um Protótipo para Soldadura por Ultrassons 22 contrário do mencionado anteriormente para a vertente metálica, na soldadura de plásticos há uma fusão do material, contudo a temperaturas inferiores às dos processos comuns de soldadura de metais. A existência da referida fusão implica a necessidade de manter os componentes sob pressão mesmo após a paragem da atuação dos ultrassons com a finalidade de confirmar que solidificam enquanto permanecem coesos. Como referência, este período é, geralmente, de cerca de metade do tempo de soldadura. A nível construtivo, os equipamentos são semelhantes e podem partilhar uma grande parte dos componentes. Contudo, direções diferentes das oscilações resultam também em orientações diferentes do transdutor e dos componentes ligados ao mesmo. Enquanto que na soldadura de metais este elemento é orientado na horizontal (Figura 11 a)), provocando vibrações nessa mesma direção e induzindo fricção entre os componentes, tal como referido anteriormente, no caso dos polímeros, este encontra-se na vertical, exercendo apenas compressão entre os materiais a soldar (Figura 11 b)). Assim, é comum as superfícies dos radiadores acústicos para soldadura de polímeros omitirem as reentrâncias existentes na vertente para metais, que têm a finalidade de criar a fricção longitudinal. No lugar destas podem ser utilizadas superfícies planas ou geometrias específicas de acordo com a área e tipo de forma que se pretende obter na zona de união dos componentes. Todas estas considerações têm em conta a generalidade das aplicações e posição dos componentes a unir, havendo variantes desta tecnologia com as suas especificidades. Considerando as diferentes propriedades mecânicas entre os metais e os polímeros, pode-se afirmar que, de forma geral, a rigidez dos equipamentos de soldadura de metais terá de ser significativamente superior e as especificações dos atuadores responsáveis por exercer a pressão nos componentes são mais elevadas para a vertente metálica.
Projeto e Fabrico de um Protótipo para Soldadura por Ultrassons 29 Numa fase seguinte, e tendo em conta o leque de características dos modelos observados, foram discutidos os principais atributos que o protótipo a desenvolver deverá apresentar. A diversidade de materiais a soldar e a espessura máxima admissível não serão características alvo de melhoria relativamente aos a vários modelos existentes, uma vez que essas limitações dependem, principalmente, da natureza do transdutor e do princípio físico por detrás dos ultrassons e da soldadura. Posto isto, a tentativa de aumento da flexibilidade da tecnologia de soldadura por ultrassons seria um tema para um trabalho futuro. A análise referida contribuiu para a definição das seguintes especificações: ▪ Frequência do transdutor: 20 kHz; limitado pelo transdutor e respetiva fonte; ▪ Amplitude de vibração: dependente do material e geometria a soldar (20-60 μm); ▪ Carga/pressão máxima de soldadura: até 2000 N; ▪ Espessura máxima admissível das chapas: 0,1-1,5 mm por chapa; total = 3 mm ▪ Gama de materiais: essencialmente cobre e alumínio; ▪ Potência: gerador até 2000 W e 400 W do servomotor. É de notar que ao longo do projeto e ensaios de soldadura alguns atributos ambicionados poderão variar em relação às especificações, uma vez que dependerá da forma como o protótipo inicial atua perante as condições a que será sujeito e da disponibilidade de aquisição dos vários componentes que constituirão a versão final do equipamento. Dito isto, entende-se que este último poderá mesmo superar as expectativas em causa. 4.2. ESTUDO E VALIDAÇÃO DO PROTÓTIPO EXISTENTE 4.2.1. MECANISMO E DESIGN O protótipo do qual parte este desenvolvimento (Figura 15) segue os traços principais de grande parte dos equipamentos existentes, pelo facto de a natureza do processo de soldadura se refletir num mecanismo relativamente simples, em que os movimentos e etapas são executados de forma muito idêntica. No entanto, cada modelo tem as suas especificidades, que por muito subtis que possam aparentar, podem resolver problemas existentes em modelos da concorrência.
Projeto e Fabrico de um Protótipo para Soldadura por Ultrassons 30 Tal como foi abordado, o equipamento em causa resultou do trabalho desenvolvido ao longo da unidade curricular Projeto integrador em Engenharia Mecânica do semestre transato do mesmo ciclo de estudos. Assim, os prazos impostos resultaram num protótipo com vários aspetos funcionais por confirmar e numa escolha dos materiais e componentes apoiada no orçamento definido e na disponibilidade da indústria no momento do seu fabrico. Figura 15 – Modelo CAD do Protótipo alvo de estudo.
Projeto e Fabrico de um Protótipo para Soldadura por Ultrassons 31 Em termos estruturais, este é constituído por uma carcaça em aço de perfil quadrangular com 200 mm de lado e 4 mm de espessura e chapas de aço de 10 e 15 mm de espessura. Na zona superior localiza-se um servo motor que atua sobre um fuso de esferas, que por sua vez faz movimentar verticalmente a estrutura móvel que acondiciona o sistema composto pelo transdutor, booster e radiador acústico, sendo este movimento auxiliado por 4 guias lineares, fixos à carcaça. A base do equipamento resume-se a uma chapa de aço de 15 mm de espessura, onde é fixo o batente dos componentes a soldar, composto por uma bloco de aço de face texturada aparafusado a uma célula de carga. Tanto o fuso de esferas como os guias lineares e respetivos patins são do fabricante HIWIN, sendo os modelos R25-05K4-FSCDIN, HGR15R0220C e HGW15CCC, respetivamente. O referido servo motor (Figura 16), por sua vez, consiste no modelo WD60M do fabricante WECON, com potência nominal de 400 W, velocidade de rotação máxima de 3000 rpm e dispõe de travão. O movimento vertical é delimitado por fins de curso físicos (Figura 17 a)) e indutivos (Figura 17 b) e c)) montados em componentes poliméricos, obtidos por manufatura aditiva, que foram aparafusados em vários locais do equipamento. Figura 16 – Servo motor WECON WD60M-04030S-A1G. (WECON PORTUGAL - TECTOMA, n.d.) Figura 17 – Fins de curso: a) físico e b) e c) indutivos. a) b) c)
Projeto e Fabrico de um Protótipo para Soldadura por Ultrassons 32 A transmissão do movimento entre o atuador elétrico e o fuso de esferas é feito através de uma junta de rotação GMT FACCS46 (Figura 18 a)) e o fuso é constrangido verticalmente por uma chumaceira com flange quadrada HIWIN FK17 (Figura 18 b)), por sua vez fixa numa chapa intermédia que se encontra entre a placa superior do equipamento e o sistema móvel. Uma vez que o objetivo aquando do projeto do protótipo antecedente consistia apenas em fabricar um protótipo funcional, não houve a necessidade de projetar a carcaça exterior de modo a ocultar os parafusos visíveis nem implementar o sistema elétrico no próprio equipamento. Desta forma, as soluções apresentadas para a fixação dos componentes apenas foram pensadas com o objetivo de manter toda a estrutura constrangida. A estrutura interna (Figura 19), que se desloca verticalmente e é responsável por assegurar a fixação do sistema de ultrassons, consiste em 5 chapas de 10 mm de espessura que foram desenhadas tendo em conta a necessidade de possíveis ajustes na montagem, ou seja, no lugar de alguns furos de ligação aparafusada foram colocados furos oblongos, prevendo possíveis desvios resultantes da fase de fabrico (Figura 20 a)). O mesmo foi aplicado aos furos de ligação da tampa superior à carcaça lateral (Figura 20 b)). Figura 18 – a) Junta de rotação GMT FACCS46 e b) chumaceira com flange quadrada HIWIN FK17. a) b) Figura 19 – Estrutura Móvel do protótipo inicial.
Projeto e Fabrico de um Protótipo para Soldadura por Ultrassons 33 O órgão responsável pela transformação do sinal elétrico em movimento, isto é, o transdutor, está projetado para atuar a uma frequência 20 kHz, e gera oscilações de amplitude 20 μm, de acordo com o especificado na ficha técnica. O radiador acústico utilizado (Figura 21) consiste num componente não normalizado, fabricado em aço DC03 tratado termicamente para atingir uma dureza de 60-62 HRC, é fixo através de uma zona roscada M53 e tem uma área de soldadura mínima de 7x18 mm em 2 das faces e máxima de 7x38 mm nas duas restantes faces. A largura da base das reentrâncias piramidais presentes nessas faces é de aproximadamente 1 mm e o vértice das mesmas destaca-se cerca de 0,5 mm relativamente ao plano da base. O booster , também não sendo um componente standard , é fabricado na liga Ti6Al4V e tem uma relação de transmissão de 1:1.5, que resulta numa amplitude teórica de 30 μm a ser conduzida à ferramenta. Figura 20 – Detalhes geométricos tidos em conta para a montagem da estrutura do equipamento. Figura 21 – Radiador acústico/ Sonotrode .
Projeto e Fabrico de um Protótipo para Soldadura por Ultrassons 34 A célula de carga de compressão (Figura 22 a)), que é da tipologia “ strain gauge ”, ou seja, mede a partir da deformação elástica imposta aos elementos no seu interior, e tem uma capacidade máxima de 200 kg, um erro percentual teórico de 0,5% e sensibilidade de 1.0-1.5 mV/V. Acima desta encontrase fixo, por ligação aparafusada, o batente em aço AISI 316L, com uma área funcional de 17,2x48 mm, apresentando uma superfície de reentrâncias piramidais de 2 mm de largura da base e 0,8 mm de profundidade (Figura 22 b)). As flanges, que fazem a ligação entre a estrutura do equipamento e o sistema de transmissão dos ultrassons, foram inicialmente projetadas com uma geometria tubular que permitisse distanciar a extremidade da ferramenta ao exterior da carcaça do equipamento, como ilustrado na Figura 23, e que admitisse a aplicação da carga máxima do atuador sem apresentar flexão significativa. Figura 22 – a) célula de carga e b) batente de soldadura em aço AISI 316L, com reentrâncias piramidais. b) a) Figura 23 – Geometria das flanges do protótipo inicial. 104 mm 41 mm 63 mm 35 mm
Projeto e Fabrico de um Protótipo para Soldadura por Ultrassons 35 Tinha sido já posto em causa a elevada rigidez que estes componentes iriam apresentar na direção de vibração durante o funcionamento do protótipo, contudo optou-se por manter a geometria apresentada de entre várias outras opções por facilitar o fabrico e para servir como objeto de estudo nas restantes fases do projeto. 4.2.2. FABRICO Os componentes derivados de chapas metálicas, isto é, a base, a estrutura móvel e a placa superior, foram todos eles obtidos por corte a laser de chapa de 10 e 15 mm de aço inoxidável AISI 304, tendo alguns sido posteriormente maquinados de forma a executar rebaixamentos, furos roscados e outras geometrias. Aquando da escolha do material apenas se teve em conta a possibilidade de ser passível de corte a laser e a capacidade de conferir a rigidez necessária ao equipamento, para além de apresentar boa resistência à corrosão. As flanges inicialmente utilizadas (Figura 25 b)) resultaram do torneamento de perfil redondo em aço AISI 304 e furação e roscagem dos 4 furos de fixação ao sistema, tendo sido posteriormente adicionados outros 4 desfasados 45 graus em relação aos anteriores para aumentar a flexibilidade no posicionamento destes componentes. Figura 24 – Componentes fabricados por corte a laser.
Projeto e Fabrico de um Protótipo para Soldadura por Ultrassons 36 Se possível, seria uma vantagem o novo protótipo reutilizar os guias lineares e patins, o servo motor, fuso de esferas e juntas de rotação entre veios presentes no modelo anterior. É de notar que o sistema responsável pela geração dos ultrassons e transferência dos mesmos para a soldadura, isto é, o transdutor, booster e radiador acústico será também reutilizado no protótipo final, por motivos técnicos e também económicos, uma vez que uma percentagem significativa do custo total do equipamento se fundamenta nesses componentes. 4.2.3. SISTEMA ELÉTRICO Para que o equipamento seja funcional, teve de ser idealizado um sistema elétrico capaz de interligar e controlar todas as partes do protótipo. Sendo que o desenvolvimento e definição deste mesmo sistema não faz parte dos objetivos principais do tema em questão, maioritariamente por não se enquadrar totalmente na área de estudo do percurso curricular, não será feita uma caracterização e elucidação tão pormenorizadas do mesmo. Seguidamente será representada a constituição, assim como uma breve explicação da função de cada um dos principais elementos que integra o sistema elétrico. Gerador de ultrassons (Figura 26 a)): Converte a frequência de 50/60 Hz da corrente elétrica na frequência ultrassónica e fornece o sinal ao transdutor; ▪ Marca/Modelo: MPI Sonoweld 2000; ▪ Potência: 2000 W; ▪ Frequência nominal: 20 kHz; Figura 25 – a) carcaça do equipamento e b) flange maquinada. a) b)
Projeto e Fabrico de um Protótipo para Soldadura por Ultrassons 37 Drive do Servo Motor (Figura 26 b)): tem a função de alimentar o respetivo atuador e de avaliar e regular a diferença entre os dados enviados ao mesmo e o estado atual de funcionamento, adaptando os valores de corrente ou tensão em função dessa diferença. O modelo utilizado é compatível com os servomotores de 400 W e 750 W, tendo em conta uma possível substituição do atuador pela versão de potência superior, numa fase seguinte do projeto. Programa em software Labview (Figura 27): Baseado num programa já existente e modificado para ler e controlar as variáveis do equipamento. Engloba a definição dos parâmetros do ultrassom e da soldadura e serve também de interface gráfica, tendo sido alvo de algumas modificações de modo a ajustar-se mais eficazmente ao sistema desenvolvido. A sua estrutura final encontra-se elucidada no subcapítulo 4.2.6; Figura 26 – a) Gerador de ultrassons Sonoweld 2000. ( SONOWELD Generators | MPI Ultrasonics - Sonic and Ultrasonic Processing Technology , n.d.) e b) Drive do servo motor, marca WECON, modelo VD2-010SA1G. (WECON PORTUGAL - TECTOMA, n.d.) a) b) Figura 27 – Parte da interface gráfica de controlo do equipamento.
Projeto e Fabrico de um Protótipo para Soldadura por Ultrassons 38 Branchboard (Figura 28 b)): componente de interligação de todas as restantes partes do sistema. Permite a comunicação entre o gerador, microcontrolador e o programa Labview presente no computador, permitindo a entrada e saída de informação de/para o equipamento. Este elemento será também ligado ao driver do atuador; Microcontrolador (Figura 28 c)): PCB com a função fundamental de interpretar os dados provenientes do equipamento e software . Transmite: ▪ Dados do programa Labview ao equipamento ▪ Sinais físicos ( Start , Stop ) ao programa; ▪ Informação de/para o gerador de ultrassons; ▪ Sinais para os periféricos físicos, isto é, LED s; ▪ Informações da célula de carga; ▪ Informações do programa para o driver do atuador e vice-versa. Figura 28 – a) Painel Frontal, b) Branchboard e c) Microcontrolador do equipamento . b) c) a)
Projeto e Fabrico de um Protótipo para Soldadura por Ultrassons 45 𝑃𝑚á𝑥 =𝐹 𝐴𝑚𝑖𝑛4309 126 ⁄ ≈ 34,20 𝑁 𝑚𝑚2=34,20 𝑀𝑃𝑎 𝑃𝑚𝑖𝑛 = 𝐹 𝐴𝑚á𝑥 = 4309 266 ⁄≈16,20 𝑁 𝑚𝑚2=16,20 𝑀𝑃𝑎 Uma análise da literatura relativa a ensaios de soldadura por ultrassons de várias configurações de chapas de cobre e alumínio permitiu concluir que os valores máximos de pressão no material e carga vertical conseguidos com o atuador elétrico empregue no equipamento estão no intervalo admissível para que seja possível soldar corretamente com qualquer uma das faces da ferramenta. Al-Sarraf & Lucas (2012) evidenciaram ensaios de soldadura com intervalos de força de soldadura de 50 a 800 N para chapas de 0,1 e 0,5 mm de alumínio e cobre, respetivamente, apresentando resistência máxima à tração para as amostras Cu-Cu soldadas a aproximadamente a 800 N e para as Al-Al a cerca de 600 N. Para o par Al-Cu, a resistência máxima revelou-se para uma força de soldadura de 450 N. Komiyama et al. (2016) enunciaram o processo de soldadura de chapas de alumínio AA1050 de 3 mm de espessura com 3 diferentes cargas, 294 N, 588 N e 882 N, com diferentes geometrias superficiais da face da ferramenta, com um equipamento de 2400 W de potência máxima, a uma frequência de 15 kHz e 3 segundos de tempo total de soldadura. H. Li & Cao (2019) procederam ao estudo da união de chapas de cobre puro e liga de alumínio 6061-T6, ambas com 0,8 mm de espessura, aplicando cargas de soldadura no intervalo de 1375 a 2175 N, para um tempo de soldadura de 0,5 segundos e uma amplitude de 24 μm. Ainda, Cheng et al. (2022) compilaram não só os valores de carga e pressão de soldadura como também os restantes parâmetros utilizados por vários autores para a soldadura de diferentes pares de materiais. Uma vez que à célula de carga está associado um determinado erro e que o limite de carga é de aproximadamente 200 kg, é importante definir um intervalo de funcionamento do atuador, de modo que qualquer valor de carregamento atribuído pelo operador não exceda o valor máximo admissível pela célula. Através das curvas de funcionamento do motor é possível retirar os valores de binário a que o mesmo opera e perceber em que situações excede a capacidade nominal e se aproxima do valor de pico de 3,81 N∙m. De forma a comparar os valores calculados analiticamente com os valores medidos pela célula de carga, foram feitos múltiplos ensaios para cada nível de carga definido no programa de controlo do equipamento, com o gerador de ultrassons desligado, e estabeleceu-se a curva que relaciona a última variável com os níveis definidos. Em simultâneo, recorreu-se ao software de monitorização do servomotor (Figura 33) para registar o valor percentual de binário para cada nível de ensaio, em relação ao seu valor nominal, isto é, 1,27 N∙m, e deduziu-se a segunda curva, pela substituição desses valores na equação 13. Através do gráfico da Figura 34, comprova-se a relação linear entre os níveis de carga tanto com os
Projeto e Fabrico de um Protótipo para Soldadura por Ultrassons 46 valores da célula como com o binário exercido pelo atuador, contudo os declives diferentes refletem uma discordância na medição dos 2 últimos parâmetros, tendo ambos o ponto inicial com coordenadas semelhantes e uma maior discrepância com o aumento da carga. Esta ocorrência sugere a presença de perdas desde o ponto de atuação do servomotor até à zona de contacto da ferramenta com o material, relacionadas também com a distância do ponto de aplicação da força até à zona de soldadura, uma falta de exatidão/sensibilidade de medição da célula, ou consideração de valores diferentes dos reais no cálculo da força exercida pelo atuador na equação 13. 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Intensidade da carga, N Nível de carga Comparação de Valores de carga indicados pela Célula de carga e deduzidos pelo Servomotor Célula de carga Servomotor Figura 34 – Relação entre os valores medidos pela célula de carga e pelo servomotor e os respetivos níveis de carga. Figura 33 – Interface gráfica do software de monitorização do servomotor.
Projeto e Fabrico de um Protótipo para Soldadura por Ultrassons 47 Os valores considerados como referência para especificar as condições de soldadura de amostras devem seguir preferencialmente os resultados experimentais, isto é, os medidos pela célula de carga, mesmo que não sejam próximos dos valores predefinidos no programa de controlo. Assim, a correspondência entre os vários níveis de atuação do servomotor, de 1 a 10, e a sua intensidade em N, aproximando os valores à dezena, foi feita de acordo com o apresentado na Tabela 2. Tabela 2 - Correspondência entre os níveis de carga definidos no programa e a sua intensidade, em N. Nível de carga Intensidade (N) 1 550 2 710 3 850 4 940 5 1050 6 1220 7 1380 8 1550 9 1690 10 1810 4.2.8. ANÁLISE DE FUNCIONAMENTO E TESTES EXPERIMENTAIS Após a observação e análise estrutural do protótipo enunciado, os testes experimentais foram a segunda etapa propriamente dita do presente trabalho, podendo esta ser dividida em duas fases. A primeira resulta na verificação do equipamento em funcionamento, com vários conjuntos de materiais a ser unidos e variando os parâmetros do processo, nomeadamente a pressão de contacto exercida nos materiais e o tempo de atuação. A segunda resume-se na observação das uniões efetuadas através de microscopia, de várias secções dos materiais soldados, assim como na execução de testes de tração, de forma a verificar o grau de eficácia do processo e perceber o efeito da variação dos parâmetros de funcionamento e das características construtivas do equipamento na qualidade na união. Os procedimentos empregues seguiram a metodologia utilizada em alguns trabalhos de investigação, sofrendo algumas variações em função das especificidades do caso em estudo. 4.2.8.1. TESTES DE SOLDADURA O equipamento e o sistema elétrico do qual partirá o novo protótipo foram apenas testados de forma a verificar a execução dos movimentos e a correta ligação dos componentes. Contudo não foi alvo de
Projeto e Fabrico de um Protótipo para Soldadura por Ultrassons 48 validação em termos de repetibilidade e união efetiva dos materiais. Assim, antes de avançar com uma escolha bem definida do procedimento a seguir, foi necessário ganhar sensibilidade em relação ao processo de soldadura e verificar se o mesmo era executado com sucesso. Fazendo múltiplos ensaios com diferentes cargas e configurações de materiais, foi possível concluir que, para o batente inicialmente montado no protótipo (Figura 22 a)), a soldadura não era efetuada devido à interferência provocada pelas reentrâncias de dimensão muito superior às presentes na ferramenta. O resultado foi o rompimento das chapas na zona de contacto com as saliências inferiores (Figura 35). No subcapítulo 3.1 são mencionados estudos sobre o efeito da geometria das ferramentas na qualidade da união (e na influência dos vários parâmetros de soldadura), recaindo principalmente nas dimensões das reentrâncias e na sua morfologia. Contudo, seria preferível se as superfícies do sonotrode não tivessem qualquer efeito danoso na integridade do material e consequentemente levar à redução da eficiência elétrica/térmica na interface de união, que é geralmente o atributo funcional crítico dos componentes soldados por ultrassons. Figura 35 – Folha de cobre com rompimento total nas zonas de contacto com as reentrâncias do batente inicial. 18 mm 7 mm
Projeto e Fabrico de um Protótipo para Soldadura por Ultrassons 49 Assim, até um novo batente ser fabricado, substitui-se o componente por uma chapa de aço de 8 mm de espessura (Figura 36), sem nenhum tratamento de superfície nem rugosidade definida. Este método, apesar de não ser o mais adequado, além de permitir o seguimento dos ensaios, serviu como análise do efeito do atrito das ferramentas na consequente fricção entre os materiais a unir. Para além da folha de cobre de 0,1 mm de espessura foram também implementados outros pares de materiais, nomeadamente 2 layers de folha de alumínio de 0,3 mm de espessura, este mesmo material com o anterior e também uma chapa de 1,5 mm de espessura de alumínio com a folha de cobre (Figura 37). Estes testes apenas serviram para analisar, visualmente e sem quantificar, a viabilidade de soldar diferentes espessuras e materiais dissimilares com o equipamento inalterado e respetivos parâmetros de soldadura não definidos. Após a verificação e compreensão do estado de funcionamento atual do equipamento, o procedimento para executar os testes de soldadura consistiu numa escolha prévia dos conjuntos e combinações de valores a atribuir aos parâmetros de input do equipamento, assim como a escolha e preparação dos materiais a soldar. Os parâmetros tidos como constantes foram a frequência e amplitude de vibração da ferramenta, resultantes das especificações do gerador e transdutor assim como da relação de transmissão do Figura 36 – Setup utilizado para os ensaios iniciais. Figura 37 – Testes de soldadura executados para o par alumínio/cobre.
Projeto e Fabrico de um Protótipo para Soldadura por Ultrassons 50 booster , sendo a variação da pressão exercida nos materiais e do tempo de soldadura o foco do estudo. Contudo, este último parâmetro não foi alterado durante a soldadura das amostras analisadas, de modo a não ser necessário reprogramar o gerador e afinar o sinal em função do mesmo. Na Tabela 3 encontram-se definidos os valores finais das variáveis referidas acima. Tabela 3 – Parâmetros de soldadura mantidos constantes na primeira fase de testes. O tempo de ciclo desta fase de ensaios foi considerada como sendo igual a 0,73 segundos, sendo 0,23 segundos para atingir e ajustar a carga ao valor estabelecido e 0,5 segundos de atuação efetiva dos ultrassons, como é representado a Figura 38. Sendo que o processo de soldadura por ultrassons tem-se focado no fabrico de baterias para veículos elétricos, mais especificamente no barramento elétrico das mesmas, foi considerado que, entre toda a gama de pares de materiais passíveis de ser unidos por esta tecnologia, as principais configurações assentam em ligações cobre/cobre, alumínio/cobre e alumínio/alumínio (Aptiv, 2021; Busbar Welding of EV Batteries | Ultrasonic Welding Technology , n.d.; Sampaio et al., 2022). Apesar das propriedades elétricas superiores do cobre relativamente ao alumínio, o primeiro material tem sido substituído por ligas de alumínio, normalmente da série 1000, considerado como alumínio comercialmente puro, pelo seu custo inferior e rácio condutividade elétrica/massa distinto. Segundo (Das et al., 2019), uma configuração utilizada por vários fabricantes de baterias baseiase em 3 “folhas” de alumínio e uma placa de cobre, com espessuras de 0,3 mm e 1 mm, Frequência (kHz) Amplitude (μm) Tempo de Atuação (s) Total Efetivo de soldadura 20,56 30 0.73 0.5 00.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 0.55 0.6 0.65 0.7 0.75 Posição da ferramenta Tempo, s Home Contacto com o material Soldadura Figura 38 – Fases do ciclo de soldadura.
Projeto e Fabrico de um Protótipo para Soldadura por Ultrassons 51 respetivamente. No entanto, e de acordo com a matéria-prima disponível, também foi estipulado que seria vantajoso avaliar a possibilidade de soldar 2, 3, 4 e 5 folhas de cobre e definir os parâmetros ótimos para cada uma destas configurações. Este processo teve também como foco a análise da fiabilidade dos valores de carga medidos pela célula e correlacioná-los com as características da união, para condições idênticas. No trabalho de investigação de Nunes et al. (2022), as amostras de cobre soldadas que evidenciaram maior resistência à tração foram obtidas apenas com o uso de acetona como meio de limpeza das superfícies a soldar, não sendo necessário outro tipo de preparação dos materiais. Com a finalidade de se averiguar a remoção de óxidos e outros contaminantes por ação dos ultrassons, não se procedeu à limpeza das amostras nos testes preliminares, começando por ensaios em condições “não ideais”. É de notar que na presente fase de testes apenas foi utilizado o sonotrode na posição em que a área de soldadura é menor, de modo a compensar uma possível falta de potência/torque do atuador e manter valores de pressão no material superiores. Assim, foram definidos 4 níveis de força de soldadura, dentro do intervalo de 0 a 10 exibido no controlador (ver Tabela 2), relativos ao torque nominal do atuador e com limite abaixo do valor máximo de medição da célula de carga, tendo como início o nível 4 e aumentando de 2 em 2 níveis até à carga máxima disponível. O material utilizado nesta fase de testes consistiu em folha de cobre C110 (Cu ≥ 99.9%) de 0,1 mm de espessura, cujas propriedades mecânicas estão definidas na Tabela 4, e para cada diferente nível de carga foram unidas as seguintes configurações: ▪ Nível 4: 2 camadas; ▪ Nível 6: 2 ,3 e 4 camadas; ▪ Nível 8: 2, 3, 4 e 5 camadas; ▪ Nível 10: 2, 3, 4 e 5 camadas. Tabela 4 – Propriedades mecânicas do material utilizado nos ensaios de soldadura ( Eagle Brass 110 EPT COPPER, Annealed , n.d.). Material Massa volúmica (g/cm3) Módulo de elasticidade (GPa) Coeficiente de Poisson Tensão de cedência (MPa) Tensão de rotura (MPa) Cu C110 (>99.9%) 8.89 117 0.33 41.4-89.6 179-262 Para cada ensaio, além da contabilização da força de atuação, foram retirados os parâmetros da potência debitada pelo gerador, a energia do processo e o valor manifestado pela célula de carga.
Projeto e Fabrico de um Protótipo para Soldadura por Ultrassons 52 4.2.8.2. ANÁLISE DA UNIÃO POR MICROSCOPIA Depois de concluídos os vários ensaios de soldadura, procedeu-se à observação e análise dos provetes representados na Figura 39. Para a concretização do estudo recorrendo ao microscópio ótico, cada uma das configurações de chapas foi sujeita a um processo de preparação de modo a dar acesso a uma vista seccionada da região soldada, que consistiu nas seguintes etapas: 1 - Corte das chapas paralelamente à aresta limite da zona soldada (aresta da ferramenta) de modo a analisar uma secção equivalente entre todas as amostras e tentar realçar os sulcos provocados pela superfície do sonotrode . Para a validação do método, numa primeira fase as amostras foram cortadas de acordo com a Figura 40, no entanto para as amostras finais optou-se por cortar ao longo da direção perpendicular. Figura 39 – Diferentes configurações de folhas de cobre, soldadas com várias forças de atuação. Figura 40 – Corte de uma amostra para posterior observação da secção soldada.
Projeto e Fabrico de um Protótipo para Soldadura por Ultrassons 53 2 - Preparação da resina (Figura 41) de acordo com o procedimento enunciado: Juntar uma medida de catalisador líquido para duas de resina acrílica KM-U em pó e misturar lentamente durante cerca de 1 minuto até atingir a consistência desejada para não criar bolhas de ar. 3 - Fixação de várias amostras na base do molde, com auxílio de suportes modelados e fabricados por manufatura aditiva (Figura 42), previamente lubrificado com vaselina, enquanto se transfere a resina para o mesmo até envolver totalmente as chapas e o respetivo suporte. 4 - Esperar cerca de 30 minutos pela cura da resina. Este é um processo exotérmico, isto é, liberta calor, e, uma vez terminado, a temperatura estabilizará. Após esta duração procede-se à remoção das amostras do molde (Figura 43). Figura 41 – Setup de preparação da resina acrílica para fixação de amostras. Figura 42 – Posicionamento de amostras no molde de resina. Figura 43 – Amostras após serem removidas do molde.
Projeto e Fabrico de um Protótipo para Soldadura por Ultrassons 54 De modo a remover resina em excesso na face a ser observada e dar acesso à zona de material soldado, utilizou-se uma lixa de granulometria mais grosseira para remover a espessura necessária. Seguiu-se o processo de desbaste/pré-polimento com o uso de 5 lixas de carboneto de silício de diferentes granulometrias (P320, P800, P1200, P2400 e P4000) rodando a amostra 90 graus entre cada uma, de modo a reduzir as estrias resultantes do uso da lixa antecedente. Todas as etapas foram realizadas recorrendo a um equipamento de polimento disponível no laboratório (Figura 44 a)), a uma velocidade de rotação de 150 rpm e com fluxo constante de água. Após o término do processo, dever-se-á verificar ao microscópio que apenas se observam riscos numa única direção, resultantes da utilização da última lixa. A etapa final de preparação da superfície – polimento – que segue a mesma técnica de remoção de material utilizada na etapa anterior, divide-se em duas fases, desta vez recorrendo a dois panos de polir, impregnados com suspensão de diamante de 2 granulometrias diferentes (1 e ¼ μm), dispersas com um lubrificante à base de álcool. O procedimento termina após verificar, através da observação ao microscópio, da omissão das ranhuras provocadas nas etapas precedentes. Finalmente faz-se a limpeza das amostras com água destilada e álcool (uma vez que o lubrificante é à base de álcool) e seca-se a superfície com ar quente. Como forma de analisar e quantificar a variação da espessura ao longo do material para cada ensaio efetuado, foi preparada uma amostra de folha de cobre não soldada seguindo o mesmo procedimento realizado para as restantes, e que serviu como referência do valor de espessura inicial. Desta forma, poder-se-á também observar a uma possível transformação da microestrutura das zonas soldadas por feito dos ultrassons e da fricção induzida. Desta vez, a observação foi feita recorrendo a um Figura 44 – a) equipamento de polimento PRESI MINITECH 250 SP1 e b) superfície de duas amostras após polimento. a) b)
Projeto e Fabrico de um Protótipo para Soldadura por Ultrassons 61 colagem ou outra técnica. Os testes de avaliação da resistência de soldadura, frequentemente designados de “ T-peel” (Figura 61 a)), (normas ISO 11339 e ISO 14270) assim como os ensaios “ LapShear ” (Figura 61 b)) são os métodos mais comuns para qualificar a adesão entre materiais. Após alguma reflexão e avaliação das vantagens e inconvenientes de ambas as configurações apresentadas, convergiu-se para a segunda técnica. Para avaliar a resistência da união de materiais metálicos soldados por fusão, a geometria dos provetes imposta pelas normas ISO 6892-1 e ISO 6892-2 é normalmente aplicável. No entanto, como na soldadura por ultrassons os componentes estão sobrepostos, é comum seguir o procedimento enunciado pela norma ISO 4587, que formula a técnica de avaliação da resistência a esforços de cisalhamento da interface de dois provetes sobrepostos numa determinada área e sujeitos a tração em direções opostas ( Lap-Shear ). Contudo, dois dos parâmetros geométricos explícitos na norma, nomeadamente a espessura e a área de adesão, muitas das vezes não podem ser replicados devido às características do material usado e à área de atuação da ferramenta, respetivamente. Na literatura onde recorrem a testes de tração de folhas soldadas por ultrassons, o procedimento e as dimensões do material não revelam ser sempre os mesmos, no entanto seguir-se-á o enunciado de forma semelhante nos artigos Butt et al., 2016; Das et al., 2019; Dhara & Das, 2020; Shakil et al., 2014 e que mais se aproxima da norma abordada acima. Nestes casos foram utilizados provetes retangulares com 100 mm de comprimento e 25 mm de largura e sobrepostos também 25 mm. Na situação atual, as geometrias consideradas para os provetes sujeitos aos ensaios de tração tiveram em conta as dimensões da ferramenta, a distância da zona de atuação da mesma até à carcaça do equipamento, o material disponível (de modo a preparar o número máximo de amostras e analisar todas as diferentes condições consideradas anteriormente) e o comprimento mínimo de modo a se poder fixar os provetes às amarras do equipamento de tração. Assim, as dimensões finais das amostras convergiram para as ilustradas na Figura 62. Figura 62 – Dimensões finais dos provetes para os ensaios Lap-Shear. 18 mm 7 mm 85 mm
Projeto e Fabrico de um Protótipo para Soldadura por Ultrassons 62 Tendo em consideração matéria-prima disponível para a preparação de amostras e os resultados observados por microscopia, foi estipulado que a nova análise destrutiva convergiria apenas para a avaliação da interface das configurações de 2, 3 e 4 layers , com forças de atuação diferentes das utilizadas na obtenção das primeiras uniões. A seguinte atribuição dos níveis de carga e as respetivas camadas de material tiveram como objetivo reduzir as falhas do gerador durante o processo de aquisição dos provetes. Isto porque o aumento do atrito entre a ferramenta e o material a ser comprimido, e consequentemente o batente, aumenta com o aumento da intensidade da força realizada pelo atuador que, em simultâneo com a rigidez excessiva da estrutura no sentido das vibrações, resulta numa sobrecarga do gerador e no término do ciclo de soldadura antes do tempo predefinido ser atingido. Desta forma, e tendo em conta o valor elevado da força mínima definida para o atuador, apresentado no gráfico da Figura 34, concluiu-se que fazia sentido estudar a eficácia de soldadura dos níveis de carga mais baixos. As novas combinações entre cargas e número de camadas a ser submetidas aos ensaios estão apresentadas na Tabela 5 e as respetivas configurações podem ser consultadas na Figura 63. Tabela 5 – Número de camadas e respetivas cargas de soldadura das amostras a utilizar nos ensaios de tração e análise da microestrutura Nº de Layers Força de atuação Nº de Amostras 2 1 3 2 3 3 3 4 3 3 4 3 6 3 8 3 4 6 3 8 3 10 3 De modo a manter constante a posição das várias camadas de material ao longo da preparação de todas as amostras, foi projetado e fabricado por manufatura aditiva um suporte para alinhamento do material (Figura 64). Este componente foi desenhado para se posicionar na célula de carga a fim de se b) a) c) Figura 63 - Configuração de soldadura das amostras de a) 2 Layers , b) 3 Layers e c) 4 Layers.
Projeto e Fabrico de um Protótipo para Soldadura por Ultrassons 63 confirmar o paralelismo do material com a ferramenta e o alinhamento do mesmo com a face de atuação, uma vez que a largura dos provetes é aproximadamente igual à largura da ferramenta e um possível desvio implicaria a redução da área de soldadura. Este passo levou a substituir a chapa de 8 mm de espessura anteriormente utilizada por uma nova chapa de aço de 3 mm de espessura com as mesmas dimensões do batente ilustrado na Figura 22 b) e uma superfície mais rugosa, resultante do processo de fabrico, com a finalidade de aumentar o atrito com a camada inferior de material. Os ensaios mecânicos foram realizados num equipamento de tração LLOYD LT50K com limite de carga de 50 kN, a uma velocidade de afastamento de 1 mm/min e utilizando 50 mm de ambas as extremidades dos provetes para fixação nos mordentes das pinças. O processo foi realizado também para as configurações de 3 e 4 layers, dispostas de acordo com a Figura 63, seguindo a metodologia abordada por (Dhara & Das, 2020). Kim et al. (2019) seguiram uma configuração com chapas dispostas de forma alternada, que indica uma forma alternativa de agregar as várias layers e de as tracionar. É de notar que uma soldadura ideal consiste numa interface com propriedades mecânicas iguais ou superiores às do material menos resistente envolvido na união, contudo é de esperar que essa condição ótima não seja atingida devido à eficiência atual do equipamento e do processo em si. Uma vez que para os provetes manipulados a utilização de extensómetros não tem a mesma importância que nos casos de provetes contínuos e que a sua colocação seria dificultada pela configuração das amostras, o valor considerado para a deformação do material foi a variação da distância entre os mordentes no decurso dos ensaios. Antes de submeter os provetes aos testes de tração, definiuse uma zona para posterior medição e comparação da largura final de uma das layers a uma determinada distância do local de união e o setup utilizado ao longo dos ensaios consistiu no apresentado na Figura 65. Durante a aplicação da carga, na maioria dos casos verificou-se uma estricção do material que resultou numa redução máxima da largura dos provetes nessa região de cerca de 3% evidenciando atingirse a tensão de cedência do cobre antes da rotura da união. Foi também possível observar o aparecimento de fissuras nas laterais dos provetes com o aumento do esforço de tração (Figura 66 i)). Figura 64 – Suporte de posicionamento e soldadura das amostras, fabricado por manufatura aditiva.
Projeto e Fabrico de um Protótipo para Soldadura por Ultrassons 64 Os mecanismos de rotura das amostras foram divididos em 3 tipos: descolagem na interface (Figura 66 a)), rotura total segundo o limite da área de soldadura (Figura 66 b)) e rotura segundo uma linha irregular diferente da anterior (Figura 66 c)) e as curvas força-deslocamento representativas de cada um desses mecanismos estão representadas na Figura 67. O primeiro tipo indica uma união débil, não havendo adesão efetiva dos 2 materiais. O segundo mecanismo resulta da concentração de tensões provocada pela aresta da ferramenta, que provoca uma rotura prematura antes de se alcançar a tensão de rotura do material. A última tipologia acontece quando parte de uma camada permanece soldada à oposta, havendo um rompimento que começa na extremidade da área delimitada pela compressão precedente da ferramenta e segue para o interior desta por uma linha também afetada pelas reentrâncias do sonotrode . Os 2 últimos mecanismos tendem a Figura 66 – Diferentes mecanismos de falha dos provetes: a) descolagem, b) rotura pelo limite da área de soldadura, c) rotura irregular, i) fissura lateral. a) b) c) i) Figura 65 – Setup utilizado para os ensaios de tração.
Projeto e Fabrico de um Protótipo para Soldadura por Ultrassons 65 desaparecer para provetes de maior espessura, considerando a mesma resistência da união, uma vez que não haverá uma redução de espessura tão severa em relação à espessura inicial do material. Uma percentagem significativa das configurações 2 e 3 layers apresentaram um rompimento não por descolagem, mas por rotura total na zona imediatamente a seguir à área aplicação da ferramenta, segundo um segmento perpendicular à direção de tração e que verifica a importância do fenómeno de concentração de tensões originada no material pelo sonotrode , abordado acima. Por outro lado, o mecanismo de falha das configurações de 4 layers foi a perda de adesão da interface das layers centrais. A evolução dos valores da carga desde o momento de início da tração até à rotura da união estão apresentados nos gráficos do Anexo E: Gráficos Força-Extensão dos provetes submetidos aos ensaios de tração, para cada uma das configurações de materiais sujeitos aos parâmetros de soldadura da Tabela 3 e Tabela 5. Para as configurações de 2 layers de cobre, o aumento da pressão induzida pela ferramenta não se refletiu num aumento da resistência da união, sendo que para os níveis 1 e 4 a resistência máxima obtida entre as 3 amostras efetuadas foi aproximadamente a mesma, dando-se a rotura do material a cerca de 270 N. Para os níveis 2 e 3 os valores foram 30 a 50 N inferiores. O mesmo aconteceu para as amostras de 3 layers , para os níveis 4, 6 e 8, e as uniões apresentaram o rompimento a valores de força de tração semelhantes. Por outro lado, para os ensaios com 4 layers , houve uma grande disparidade não só entre os valores máximos para cada carga como também entre as amostras soldadas perante as mesmas condições. Isto demonstrou-se pelo próprio mecanismo de falha, que indicou um maior número de interfaces descoladas, que perderam a adesão de forma prematura durante a tração. Contudo, 2 das 3 amostras soldadas para o nível de compressão máximo do atuador apresentaram a resistência de Figura 67 – Curvas Força-Deslocamento de 3 provetes representativas dos 3 mecanismos de rotura da figura 64. 0 50 100 150 200 250 300 0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 Força, N Extensão, mm Curvas Força-Extensão Provete 1 (2 Layers - Nível de carga 1) Provete 3 (2 Layers - Nível de carga 1) Provete 6 (2 Layers - Nível de carga 2) b) a) c)
Projeto e Fabrico de um Protótipo para Soldadura por Ultrassons 66 soldadura mais elevada do total dos 30 ensaios realizados, com a rotura a ocorrer a cerca de 400 e 450 N, respetivamente. Considera-se que para esta configuração de material, o aumento da força de soldadura, dentro do intervalo estudado, resulta num aumento da qualidade da união. Além da relação força-deslocamento, foi analisada a variação do valor da tensão cada um dos provetes com o intuito de comparar com os valores tabulados da tensão de cedência e rotura do material utilizado. É de notar que apenas a tensão de engenharia foi calculada, uma vez que não foi possível analisar a variação da área de secção ao longo dos ensaios. Assim, através da equação 14, estimou-se a variação e valor máximo desta variável 𝜎𝐸 = 𝐹 𝐴0 (14) , onde 𝐹 é o valor da força exercida pelo equipamento de tração e 𝐴0 é a área transversal da zona de união dos materiais, obtida através da multiplicação da largura dos provetes pela espessura total de todas as camadas intervenientes na ligação. Com este procedimento deduz-se que a interface é toda ela íntegra e que a resistência à tração é feita ao longo de toda a espessura e largura, o que não acontece efetivamente. Apesar de haver compressão por parte da ferramenta, considerou-se que o escoamento do material nas zonas dos sulcos ocorre para as depressões/vales localizados entre estes, e que há uma conservação da massa da secção transversal antes e depois de se efetuar a soldadura, sendo por isso a espessura considerada equivalente à espessura da folha de cobre medida inicialmente multiplicada pelo número de layers . De acordo com o gráfico da Figura 68, o valor máximo da tensão de engenharia atingido para as configurações de 2, 3 e 4 camadas foi de aproximadamente 75 MPa, 50 MPa e 62 MPa, respetivamente, no caso de se considerar a espessura da secção soldada (desprezando a rotura do cobre). Quando o mecanismo de rotura se baseia no rompimento do material (Figura 66 b) e c)), este acontece apenas numa das extremidades que está a ser tracionada e a área de secção considerada no cálculo da tensão poderá empregar a espessura de material dessa extremidade, ou seja, aproximadamente 0,1 mm no caso das configurações de 2 e 3 layers e 0,2 mm no caso de 4 layers . Desta forma, o valor da tensão evoluirá para uma aproximação do valor da tensão de cedência e rotura do cobre utilizado. Corrigindo o valor da espessura a considerar aquando dos provetes rompidos, ou seja, para todas as amostras de 2 e 3 layers , a tensão efetiva será aproximadamente 2 e 3 vezes superior aos valores referidos, respetivamente, aproximando-se assim da tensão de rotura tabulada. Conforme referido anteriormente, apesar da conservação de material na secção das amostras, a redução da espessura na zona de compressão da ferramenta, nomeadamente nas reentrâncias da mesma, implica um fator de concentração de tensões que poderia ser calculado numa fase posterior e
Projeto e Fabrico de um Protótipo para Soldadura por Ultrassons 67 que convergiria para verificar o comportamento de rotura prematura do material. Também é de apontar que, uma vez que a área de suposta adesão dos materiais é muito superior à área da secção transversal, a tensão axial mostrou-se muito superior à de corte, justificando-se assim a rotura de grande parte dos provetes. Assim sendo, seria de esperar um maior valor da força de tração até à falha para as amostras de 2 e 3 layers caso se utilizasse uma ferramenta com uma superfície de reentrâncias menos salientes e que danificassem o material de forma menos severa. Já para as amostras de espessura superior, esta interpretação não entra em conta, uma vez que a descolagem acontece antes da cedência e consequente rotura do cobre. 4.2.8.4. ANÁLISE DA MICROESTRUTURA E MECANISMO DE UNIÃO Para analisar as alterações a nível da microestrutura das interfaces entre as várias layers das configurações tracionadas, foram novamente preparadas amostras de cobre soldadas de acordo com o novo conjunto de cargas de soldadura apresentadas na Tabela 5. Para isto, após o procedimento de soldadura, repetiu-se o conjunto de etapas de preparação da análise inicial, enunciada no subcapítulo 4.2.8.2, ou seja, fez-se cortes em zonas semelhantes das várias amostras e posicionou-se as mesmas Figura 68 – Curvas Tensão-Deformação dos provetes com melhores propriedades para cada condição de soldadura (Nº de layers e nível de carga de soldadura). (2) (9) (8)
Projeto e Fabrico de um Protótipo para Soldadura por Ultrassons 68 nos moldes de resina de tal forma a analisar secções idênticas (e com a presença da deformação por parte dos sulcos da ferramenta) e realizou-se o polimento. A etapa que difere do que foi feito inicialmente foi a aplicação de um ataque às superfícies do material com um reagente à base de álcool etílico (96 ml), cloreto férrico (5 g) e ácido clorídrico (5 ml). Esta solução permitiu um aumento do contraste das diferentes fases do cobre e potencia a observação da formação de novas fases, e crescimento de novos grãos na interface. Este novo ciclo de preparação de amostras demonstrou uma maior homogeneidade quanto à efetividade da soldadura de todas as secções estudadas, à exceção de duas que não evidenciaram as indentações imposta pelas reentrâncias da ferramenta, o que permite uma análise e comparação mais consistente das várias amostras e respetivas condições com que foram obtidas. Tal como tem vindo a ser observado em vários trabalhos de investigação, e que contradiz conceito inicialmente idealizado acerca do processo de soldadura por ultrassons ser feito em estado sólido, as imagens retiradas exibem zonas com sinais que indicam total fusão, sem ser possível indicar a separação das várias camadas de cobre. Ao longo de grande parte da interface entre as várias camadas de cobre é possível ver uma camada de espessura reduzida e que se distingue do resto do material, que pode sugerir a existência de óxidos ou, mais provável, a separação entre as layers . De modo a analisar a composição da mesma e relacionála com formação de compostos intermetálicos, seria útil recorrer a técnicas ou métodos tais como a microscopia eletrónica de varrimento, difração de eletrões de retrodifusão (EBSD), espectroscopia de raios X por dispersão de energia (EDS ou EDX), entre outros. Uma vez que neste estudo o material utilizado é cobre comercialmente puro, a formação de compostos intermetálicos não será o fenómeno mais presente. Caso a união fosse entre diferentes materiais e ligas, seria de esperar a observação de produtos da reação entre os mesmos e as técnicas abordadas acima permitiriam definir a composição química desses compostos e assim procurar estabelecer o seu possível efeito na resistência da união. Nas Figura 69 a Figura 72 evidencia-se uma penetração parcial entre layers , com zonas de deformação plástica severa, cujo fenómeno é comummente designado de “ interlocking ”(Sanga et al., 2018). Na Figura 70 o detalhe indicado pode sugerir também a separação de parcelas de material, devido ao atrito, que ficaram envolvidas na interface durante o processo de soldadura. Tal como constatado na primeira fase de microscopia enunciada no subcapítulo 4.2.8.2, as configurações de 2 layers de material tiveram uma redução abrupta na sua espessura na zona das reentrâncias e que resultou no aparecimento de fendas, coincidentes com os locais de maior agregação das camadas.
Projeto e Fabrico de um Protótipo para Soldadura por Ultrassons 69 De uma forma geral, conclui-se que os locais comprimidos pelas reentrâncias da ferramenta resultam nos pontos mais afetados térmica e mecanicamente e é neles que se estabelece uma maior adesão dos materiais. Figura 72 – Secção da configuração de 4 layers de cobre, soldadas com o nível 10 de carga, após tratamento de “ etching ”. Ampliação de 10,20 e 50x, evidenciando zonas de aparente fusão e deformação plástica. Figura 69 – 2 diferentes zonas da secção da configuração de 2 layers de cobre, soldadas com o nível 2 de carga, após tratamento de “etching”. Ampliação de 10 e 20x. Figura 70 – 2 diferentes zonas da secção da configuração de 3 layers de cobre, soldadas com o nível 4 de carga, após tratamento de “etching”. Ampliação de 10 e 20x. Figura 71 - Diferentes zonas da secção da configuração de 4 layers de cobre, soldadas com o nível 8 de carga, após tratamento de “etching”. Ampliação de 20x.
Projeto e Fabrico de um Protótipo para Soldadura por Ultrassons 70 4.3. PROBLEMAS DO PROTÓTIPO Aquando do término do projeto do protótipo do qual partiu o estudo em causa foram já tidos em conta possíveis aspetos negativos quer a nível construtivo, quer funcional, que não puderam ser corrigidos de forma a cumprir com o prazo imposto. Posteriormente, ao longo do processo de montagem do equipamento, foram verificados alguns desses aspetos e surgiram novos problemas que teriam de ser repensados. A primeira particularidade que surgiu refletiu-se no facto de o perfil de aço da carcaça exterior apresentar uma geometria com pouco rigor dimensional, dificultando a montagem, posicionamento e respetivo movimento dos elementos que promovem a cinemática do mecanismo, isto é, os patins e guias lineares. Esta deformação do perfil é mais pronunciada no topo do equipamento, na ligação à chapa superior (Figura 73), mas está presente ao longo de toda a geometria. Uma outra dificuldade sentida aquando da montagem e desmontagem do equipamento foi o posicionamento dos guias lineares na carcaça e o posterior encaixe do restante sistema sobre os mesmos. Além disso, surgindo a necessidade de remoção do mecanismo do interior da carcaça, seria necessário proceder à desmontagem de grande parte do equipamento, incluindo a separação dos guias dos respetivos patins, havendo a possibilidade de saída de esferas dos mesmos. Caso se pretendesse manter estes pares de componentes unidos e evitar o último ponto em questão, seria difícil fazê-lo, uma vez que os parafusos de ligação dos guias à carcaça são praticamente inacessíveis, pelo facto de terem sido colocados a partir do interior, num dos primeiros passos da montagem. Já relativamente ao fuso de esferas, este foi maquinado na zona de apoio na chumaceira quadrada de modo a adaptar-se a este componente, resultando numa alteração do comprimento relativamente ao Figura 73 – Vista de topo do equipamento, evidenciando o baixo rigor geométrico do perfil da carcaça.
Projeto e Fabrico de um Protótipo para Soldadura por Ultrassons 77 No desenvolvimento do primeiro protótipo apenas se procurou obter um sistema elétrico funcional e capaz de exercer todas as funções necessárias ao processo de soldadura. Contudo, este apresenta-se bastante volumoso e com componentes relativamente simples que poderão ser substituídos por uma configuração mais otimizada e de manutenção mais facilitada numa fase posterior do projeto. Em acréscimo, poder-se-á refletir sobre a melhor estratégia de disposição da parte elétrica no equipamento, avaliando as vantagens e desvantagens de ser integrada na carcaça principal ou de a manter num módulo externo. Por último, e crucial à futura adaptação do protótipo a um ambiente fabril, a inexistência de um comando bimanual impede o cumprimento de normas de equipamentos industriais, nomeadamente a EN ISO 13851, e aumenta o risco de acidentes, ainda para mais com o facto de o movimento descendente da ferramenta só ser interrompido quando os valores de pressão ou binário são atingidos na célula de carga ou no driver do servomotor, respetivamente. Este problema será corrigido obrigando o operador a utilizar ambas as mãos para iniciar o ciclo. 4.4. SOLUÇÕES CONCEPTUAIS PARA OS PROBLEMAS ENCONTRADOS 4.4.1. FLANGES A primeira preocupação tida em conta em relação ao protótipo analisado recaiu sobre a geometria das flanges, uma vez que que se considera que a eficácia do processo de soldadura está limitada em grande parte pelas características destes componentes. Assim sendo, recuou-se até à análise dos equipamentos existentes e fez-se uma reflexão sobre as vantagens e limitações de alguns tipos de flanges. 4.4.1.1. TIPOLOGIAS DE FLANGES E SOLUÇÃO FINAL Tendo em vista que a função principal destes componentes de ligação entre o booster /radiador acústico e o resto do mecanismo é permitir a vibração longitudinal, enquanto se aplica a carga vertical, será necessário optar por uma geometria moderadamente flexível na direção horizontal e com a rigidez necessária radialmente. Encarregar a rigidez de um único material de permitir uma deformação igual à amplitude desejada enquanto se mantém a flange com uma geometria simples, de secção transversal contínua e rígida como a utilizada mostrou não ser a solução mais eficaz. O mais lógico do ponto de vista económico, e também mais conveniente, seria priorizar a escolha de uma flange já existente na indústria. Contudo, mantendo o interesse inicial de aumentar a distância
Projeto e Fabrico de um Protótipo para Soldadura por Ultrassons 78 entre a zona de soldadura e a carcaça do equipamento vem a necessidade de modificar algumas geometrias correntes. Fazendo uma pesquisa acerca das várias possibilidades existentes, contemplam-se 2 tipologias de flanges, que refletem a natureza dos componentes/materiais que as integram ( Isolation Mounts | Ultrasonic Resonators , n.d.): ▪ Elastóméricas/Flexíveis: Utilizam um ou mais componentes poliméricos elastómeros, normalmente sob a forma de “ o-rings “, para criar a liberdade de movimento segundo a direção de vibração imposta pelo transdutor; ▪ Rígidas: Geralmente construídas totalmente por componentes metálicos e normalmente mais utilizadas para situações de maior precisão e necessidade de rigidez superior perante cargas estáticas. A primeira vertente destes componentes consiste, normalmente, em 2 anéis metálicos separados por uma ou várias camadas poliméricas, em que um é fixo na estrutura do equipamento e o outro movese com o sistema booster/sonotrode . Dentro desta tipologia de flanges, existem várias classes, com particularidades assentes no tipo e número de componente poliméricos, assim como na forma de fixação de ambos os anéis que o envolvem, muitas delas patenteadas há várias décadas. Alguns dos polímeros utilizados no fabrico da camada mencionada acima são os elastómeros de poliuretano, nitrilo, silicone, nylon, entre outros, sendo que a escolha dos mesmos e a sua espessura varia com o tipo de utilização do sistema e intensidades da carga. Alguns exemplos destes conjuntos podem ser observados na Figura 80. Já as flanges rígidas podem assumir várias geometrias muito distintas, desde soluções semelhantes às abordadas acima, com vários anéis metálicos, omitindo apenas a(s) camada(s) polimérica(s), como apresentado na Figura 81, até componentes únicos com rigidez inferior na direção de vibração, possibilitada pela sua configuração geométrica. Figura 80 – Exemplos de flanges com camada polimérica utilizadas em equipamentos de ultrassons (15KUltrasonic-Welding-Generator-Transducer-Flange-for-The-Mask-Welding-Machine, n.d.) ( Https://Www.UltrasonicResonators.Org/Design/Isolation_mounts/Isolation_mounts.Html , n.d.).
Projeto e Fabrico de um Protótipo para Soldadura por Ultrassons 79 Contudo, para a geometria da ferramenta adquirida, as soluções apresentadas nas figuras acima, resultariam numa redução da distância entre a extremidade da mesma e a carcaça exterior do protótipo. A existência de um anel polimérico entre as flanges atuais e a chapas de aço onde estas estão assentes poderia reduzir o número de componentes, ao considerar que as próprias placas de suporte substituem os anéis de fixação mencionados acima. Deste modo, reunir-se-iam as vantagens de ambas as tipologias de flange, a utilizada e as disponíveis no mercado, e simplificar-se-ia o fabrico. Outra geometria já utilizada por um dos principais fabricantes de equipamentos assenta num disco metálico de espessura reduzida com recortes radiais, que têm o propósito de aumentar a flexibilidade do componente segundo o eixo do sistema vibratório, e que era colocado nas zonas de ligação do transdutor/ booster e do booster / sonotrode , semelhante ao apresentado na Figura 82. Os principais problemas desta solução eram o posicionamento das flanges numa zona desfasada do ponto nodal e que não era facilmente alterado devido à tipologia geométrica dos componentes e difícil modificação da forma como poderiam ser acoplados ao booster e ferramenta, o modo como eram acoplados ao sistema de deslocamento vertical, a baixa resistência à fadiga e o facto de deslocar todo o Figura 81 – Flange rígida Cunningham, composta por 2 anéis metálicos. Patente norte americana 5590866 ( Https://Www.UltrasonicResonators.Org/Design/Isolation_mounts/Isolation_mounts. Html , n.d.) Figura 82 – Tipologia de flange rígida previamente utilizada em alguns equipamentos.
Projeto e Fabrico de um Protótipo para Soldadura por Ultrassons 80 sistema para a frente e aumentar a distância da zona de atuação da ferramenta até ao ponto de suporte mais próximo. Uma vez que, tal como mencionado anteriormente, é suposto reutilizar o booster e o sonotrode no projeto do novo protótipo, o desenho das novas flanges deverá ter em conta o encaixe roscado presente em ambos os componentes. Isto leva à rejeição de algumas tipologias de flanges e resulta numa necessidade de modificação de pelo menos um dos anéis das flanges disponíveis para aquisição, o que anula parte da vantagem da utilização de modelos encontrados no mercado. As flanges com geometria de “mola” ( zig-zag ) utilizadas em algumas tecnologias de ultrassons, semelhantes à apresentada na Figura 83 a), para uma determinada espessura das espiras, permitiriam um maior deslocamento do sistema no eixo em que o mesmo oscila, mas tenderia a ser menos rígida na direção radial. Esta característica propicia, por um lado, o amortecimento das vibrações transmitidas à restante estrutura do equipamento, mas implica que, a partir de um certo valor de deformação radial, a ferramenta não atue paralelamente ao material a soldar, como mencionado previamente. A vantagem de isolar o restante sistema das vibrações poderá também ter como consequência a não transmissão total da carga para a ferramenta. Conferindo a rigidez necessária radialmente enquanto se mantém a possibilidade de amortecer longitudinalmente o movimento do sistema, este tipo de geometria remete ainda para uma menor resistência à fadiga do que as restantes soluções, devido à descontinuidade da sua secção transversal. Além disso, e da mesma forma que foi dito para as soluções anteriores, as flanges desta tipologia comummente encontradas na indústria não permitem o deslocamento de todo o sistema para a frente do equipamento de maneira a aumentar a distância da ferramenta ao exterior da carcaça. Assim, para ultrapassar esta dificuldade, teria de ser fabricada uma geometria idêntica, mas com uma extensão da última espira da flange, como ilustrado na Figura 83 b) em que a zona roscada de ligação à ferramenta e booster se encontraria desfasada do plano de ligação à estrutura. Figura 83 – Flanges de mola: a) comuns e b) com extensão da geometria para o caso atual. a) b)
Projeto e Fabrico de um Protótipo para Soldadura por Ultrassons 81 Contudo, esta extensão da geometria implica uma dificuldade acrescida no torneamento das cavidades das “espiras”, pela necessidade de ferramentas específicas ou necessidade de alterar ligeiramente as dimensões e configuração dessa geometria. Assim, tendo em conta as várias tipologias existentes e as particularidades do equipamento em questão, a possibilidade mais vantajosa, quer em termos de fabrico, quer pela efetiva liberdade de oscilação do sistema, convergiu para a tipologia flexível, que recorre a uma ou mais camadas poliméricas, e a primeira geometria considerada ilustra-se na Figura 84. Esta tem em atenção a conservação do posicionamento de todo o sistema, de modo a permitir o afastamento da ferramenta relativamente à carcaça do equipamento, assim como a rigidez necessária para impedir a flexão do conjunto e a existência de uma layer de material polimérico que atribuiu a liberdade apenas na direção longitudinal. Na grande maioria dos casos, as flanges que recorrem a materiais poliméricos têm na sua configuração 2 camadas destes mesmos polímeros, uma em cada superfície de fixação do booster ou da ferramenta, para confirmar que estes componentes contraem e alongam. No caso em questão a fixação do sistema é feita por união roscada e parte da flange terá de oscilar com o booster e ferramenta, sendo que apenas uma camada polimérica não permitirá o movimento na sua totalidade. Como forma de compensar este problema poder-se-ia recorrer a anilhas de mola para permitir que a cabeça dos parafusos se desloque ligeiramente segundo o eixo de vibração, em vez de permanecerem totalmente constrangidas contra o anel traseiro das flanges. No entanto, esta solução não pareceu ser a mais eficaz por ser difícil de quantificar o deslocamento permitido pelo aperto dos componentes. A geometria ilustrada acima também resulta num componente de maior volume, pela forma como ambos os componentes são ligados, para além de dificultar a desmontagem e extração da restante estrutura. Figura 84 – Primeira configuração idealizada para as flanges finais.
Projeto e Fabrico de um Protótipo para Soldadura por Ultrassons 82 Assim, modificando a geometria dos componentes tendo em conta o aspeto mencionado e a disposição atual da estrutura onde são fixos, a configuração resultou na ilustrada na Figura 85. Assim, as flanges seriam compostas por 4 componentes: corpo, anel de bloqueio e 2 anéis poliméricos. Para facilitar a desmontagem do sistema, é importante que as flanges sejam dispostas de forma a que possam ser removidas em direção à parte traseira do equipamento, caso contrário não será possível remover o conjunto transdutor/ booster /ferramenta agregado. Apesar de se ter mencionado as vantagens em termos de fabrico de ambas as flanges apresentarem a mesma geometria e dimensões, os constrangimentos que esse aspeto originam relativamente à montagem e acesso dos componentes resultam nas seguintes diferenças no projeto das duas flanges: comprimento e localização dos furos roscados. A substituição da carcaça de perfil quadrangular de 4 mm de espessura por placas de aço de 15 mm de espessura, em simultâneo com a adição do anel de bloqueio às flanges, implica um aumento do comprimento da flange frontal para não se reduzir significativamente a distância ao exterior do equipamento proporcionada pelas flanges atuais. Desta forma, o comprimento da zona tubular da flange posterior passou de 35 mm para 45 mm e aumentou-se a sua espessura de 4,5 para 6 mm, de modo a manter a rigidez face à flexão, e sem aumentar o diâmetro exterior do componente. Este último aspeto tem como objetivo não prejudicar a limitação previamente ilustrada na Figura 79 e para isto procedeu-se à redução da folga entre o diâmetro interior da flange e a zona não roscada do radiador acústico. Para validar o comportamento da nova geometria perante as condições consideradas, repetiu-se o estudo numérico que se efetuou para as flanges inicialmente fabricadas, enunciado no subcapítulo seguinte. Para se corrigir uma das falhas do projeto inicial, isto é, a dificuldade de acesso aos parafusos de fixação da flange traseira, optou-se por Figura 85 – Configuração final das flanges: a) vista explodida e b) integração na estrutura. corpo Anel de bloqueio Anéis poliméricos
Projeto e Fabrico de um Protótipo para Soldadura por Ultrassons 83 adicionar os furos roscados ao anel de bloqueio para esta flange. Desta forma o corpo da flange poderá ser removido pela retaguarda do equipamento e, em simultâneo, o acesso aos parafusos será pelo mesmo lado, como representado na Figura 86. A espessura necessária das camadas poliméricas dependerá do material utilizado, mas será a menor possível (e advém do leque disponível no mercado), de modo a não aumentar exageradamente a rigidez/estabilidade do sistema. Uma escolha razoável seria o nylon, uma vez que não é excessivamente maleável, facilita a montagem e contribui para o mencionado previamente. A natureza da estrutura móvel inicial foi tida como referência para a montagem destes novos componentes uma vez que se concluiu apresentar como a solução mais simples e eficiente quer no fabrico dos seus elementos, quer na montagem e manutenção. Porém, algumas dimensões e detalhes geométricos sofrerão alterações em concordância com as versões finais de cada componente das flanges e da restante estrutura. 4.4.1.2. ANÁLISE NUMÉRICA DO COMPORTAMENTO DAS FLANGES De modo a poder analisar e caracterizar com mais detalhe o comportamento das flanges inicialmente projetadas perante o carregamento imposto durante a compressão do material alvo de soldadura, fez-se uso das ferramentas computacionais de simulação disponíveis. Desta forma recorreu-se aos softwares Fusion 360 e Solidworks para realizar, por elementos finitos, análises lineares estáticas e de fadiga como forma de determinar se a geometria atual das flanges seria capaz de ser submetida às situações de carregamento mais severas e a um número elevado de ciclos. Esta solução é especialmente útil para o ensaio de fadiga, uma vez que não é possível executar num curto espaço de tempo o número de ciclos de soldadura que se faria na vida útil da máquina. Figura 86 – Disposição dos parafusos de fixação das flanges a) frontal e b) traseira. a) b)
Projeto e Fabrico de um Protótipo para Soldadura por Ultrassons 84 Interpretação/contexto e Simplificação da análise: O sistema primário do equipamento é composto pelos 3 componentes que transmitem os ultrassons (transdutor, booster e sonotrode ) e está interligado ao restante mecanismo por duas flanges. Quando a ferramenta entra em contacto com o material, estes últimos componentes têm a função de manter o transdutor, booster e sonotrode alinhados segundo um eixo horizontal, paralelo à superfície de soldadura. Para retratar numericamente o sistema na sua totalidade, haveria uma maior exigência computacional e o processo seria consequentemente mais demorado, tendo sido, por isso, considerado apenas o radiador acústico e a flange frontal no decorrer da análise. O procedimento torna-se mais conservativo pois permite uma maior flexão/desfasamento do sonotrode , resultante na omissão dos restantes componentes que contribuem para o manter no eixo horizontal esperado. Também de modo a reduzir a complexidade computacional da análise, os detalhes geométricos considerados desnecessários e sem efeito útil nos valores finais das simulações foram suprimidos dos componentes, nomeadamente as reentrâncias das faces de ataque da ferramenta e a zona roscada de ambos. Apesar de o foco principal ser a verificação do comportamento das flanges frente aos esforços impostos, posicionou-se a ferramenta com a face de menor área paralela ao plano de soldadura (Figura 87), de acordo com o que se fez ao longo dos ensaios experimentais, de modo a que o momento de inércia seja maior na direção do carregamento e assim induzir uma menor flexão neste componente. Deste modo não se induzirá uma deformação tão elevada na ferramenta (que na realidade está preparada para cargas muito superiores às utilizadas), o que tenderia a atenuar a deformação e possível cedência da flange. Figura 87 – Opções de posicionamento do conjunto para posterior análise numérica
Projeto e Fabrico de um Protótipo para Soldadura por Ultrassons 85 Condições fronteira: 1Constrangimentos: Considerando os guias lineares a limitar a cinemática do sistema apenas ao movimento vertical do sistema, supôs-se que a face de contacto da flange com a chapa de suporte (Figura 88 a)) permaneceria sempre na vertical durante o seu movimento. ( Frictionless ); Fixação da aresta (Figura 88 b))) da face de ataque da ferramenta mais próxima do equipamento em dois dos eixos, excluindo a direção longitudinal, de modo a permitir a flexão dos componentes e aproximando a uma situação real de atuação da ferramenta no material a soldar. Assim permite-se a deslocação deste componente na direção das oscilações impostas pelo transdutor que, apesar de reduzida, existe e é somada à compensação da posição horizontal provocada pela flexão. 2Carregamento: Carga de 2000 N dividida pelos 4 furos de fixação da flange, com direção vertical e sentido descendente (Figura 89), simulando a reação que se faria sentir por parte do batente e do Figura 89 - Configuração da carga aplicada à flange no estudo numérico. Figura 88 - Constrangimentos aplicados ao sistema: a) face limitada apenas ao movimento vertical e b) movimento da aresta reservado à direção de vibração da ferramenta. a) b)
Projeto e Fabrico de um Protótipo para Soldadura por Ultrassons 86 material quando se aplica a carga máxima admissível pela célula de carga (aproximadamente 200 kg). 3 - Materiais: ▪ Flange: AISI 304; ▪ Radiador acústico: Aço de baixo teor de carbono DC03 ou 1.0347, comummente utilizado para ferramentas de conformação. A composição do material segundo a norma DIN EN 10 130 é apresentada na Tabela 6. Tabela 6 - Composição química do aço DC03 na ferramenta de soldadura. Propriedades mecânicas do aço DC03: ▪ Tensão de cedência/tensão limite de proporcionalidade a 0,2%: 240 MPa; ▪ Tensão de rotura: 270-370 MPa; ▪ Módulo de elasticidade: considerado como sendo 210 GPa. 4 - Contactos: Bonded na zona roscada, considerando não haver qualquer movimento relativo entre ambos os componentes; 5 - Malha: Refinamento local na aresta de transição de diâmetros da flange (Figura 90), e malha mais grosseira no radiador acústico, uma vez que não é o componente alvo de estudo. Elemento C P S Mn Ti % mássica máx. 0,10 0,035 0,035 0,45 - Figura 90 – Configuração da malha utilizada na análise linear estática no Fusion 360, com refinamento local na aresta da flange.
Projeto e Fabrico de um Protótipo para Soldadura por Ultrassons 93 fixos na estrutura anterior, e que poderão ser afinados de forma a aproximar-se ou distanciar-se dos sensores, como ilustrado na Figura 99 b). Em substituição dos suportes poliméricos apresentados na Figura 17, convergiu-se para componentes com uma geometria mais simples, também ilustrada Figura 99 b), a serem posteriormente fabricados em alumínio por maquinagem. Atendendo que se pretende aumentar a versatilidade do equipamento e facilitar possíveis melhorias futuras, considerou-se vantajoso preparar o mesmo para a substituição do servomotor atual pelo da gama acima, também compatível com o servodriver já adquirido. Assim, e após, uma análise das dimensões de ambos os modelos de motores, surgiram 2 possíveis métodos de adaptação do equipamento aos mesmos. Inicialmente, projetou-se uma chapa complementar de ligação do novo motor à estrutura da carcaça (Figura 100 a)), pela sobreposição dos furos de ligação do motor atual com o rebaixamento cilíndrico para o motor de gama superior. Contudo, para evitar o fabrico de componentes suplementares, convergiu-se para a maquinagem do rebaixamento indicado na Figura 100 b). Figura 99 – a) Furos de ajuste vertical dos sensores magnéticos e b) suportes metálicos com ajuste horizontal dos sensores e parafusos de acionamento. a) b) Figura 100 – Possibilidades de adaptação da chapa de topo ao servomotor de dimensão superior através: a) de uma chapa suplementar e b) da fresagem de um rebaixamento. a) b)
Projeto e Fabrico de um Protótipo para Soldadura por Ultrassons 94 A alteração posterior da ferramenta de soldadura e o ajuste das flanges remetem para a necessidade de se ajustar a distância da superfície de soldadura na direção de atuação da vibração. Assim, e de forma idêntica ao que é utilizado em alguns equipamentos semelhantes, foi adicionada uma chapa intermédia (Figura 101) que servirá de base à célula e que apresenta dois furos oblongos paralelos ao eixo da ferramenta e que permitirão posicionar o batente de acordo com as variáveis mencionadas acima. De modo a cumprir a norma relativa ao controlo bimanual de equipamentos acima referida, foram adicionados dois botões laterais à carcaça, que o operador terá de acionar em simultâneo para dar início ao ciclo de soldadura, assim como um botão de paragem de emergência na parte frontal do equipamento para um acesso mais facilitado do que o disposto no painel elétrico. Da mesma forma, no painel de controlo inferior, em simultâneo com o acionador de emergência, acrescentou-se um módulo LCD de 20x4 caracteres com a finalidade de indicar algumas das variáveis do processo em tempo real. Os componentes mencionados foram dispostos como ilustrado na Figura 102 a). De modo a fazer uso da área frontal da carcaça do equipamento, considerou-se útil a adição de uma cavidade para posicionamento de um ecrã HDMI de 4 polegadas (Figura 102 b)), que servirá de controlo de alguns aspetos do ciclo de soldadura, para omitir a necessidade de aceder ao painel exterior Figura 101 – Sistema de ajuste da posição da célula de carga. Figura 102 – a) Botões laterais para comando bimanual (1), botão de emergência (2) e módulo LCD; b) Ecrã HDMI de 4 polegadas na para controlo do equipamento. a) b)
Projeto e Fabrico de um Protótipo para Soldadura por Ultrassons 95 ao equipamento. Em simultâneo, foi tida em atenção a necessidade de um sobre dimensionamento na geometria superior da cavidade de modo a ser possível conectar a cablagem ao ecrã. Tendo em consideração a aparência exterior dos equipamentos já implementados no mercado, é possível concluir que será vantajoso e quase obrigatório projetar uma cobertura externa que, para além de ocultar algumas geometrias e cavidades da estrutura, impedindo a entrada de resíduos em zonas de difícil acesso, também contribui para uma utilização mais segura e para uma apresentação exterior mais apelativa. Este último atributo do equipamento, apesar de não ter um papel fundamental no funcionamento do mesmo, é sempre um fator que influencia a escolha por parte de quem estiver com intenções de adquirir um de vários modelos existentes, com as mesmas características funcionais. Assim, e de acordo com o dito anteriormente acerca da possibilidade de se abrir a parte posterior da estrutura e deslizar o mecanismo para o exterior, conclui-se que o design da carcaça não poderá afetar essa facilidade de manutenção. Dito isto, numa primeira idealização do design , pensou-se numa chapa quinada que apenas envolvesse as laterais e a frente ou retaguarda do equipamento de forma a poder ser colocada e removida sem a necessidade de retirar a parte superior da estrutura. No entanto, para que os parafusos frontais não ficassem visíveis, seria vantajoso reformular a fixação das várias Figura 103 - Evolução da configuração da carcaça exterior de chapa do novo protótipo.
Projeto e Fabrico de um Protótipo para Soldadura por Ultrassons 96 placas de aço da estrutura ou dividir o revestimento da máquina em dois componentes e assim revestir a totalidade a parte principal do equipamento. Na Figura 103 são apresentadas as 2 configurações idealizadas da carcaça de chapa mencionada, tendo na sua geometria final os recortes para acesso aos parafusos laterais. Por fim, e integrando todas as soluções conceptuais mencionadas ao longo do presente capítulo, a configuração da versão final do equipamento resultou no modelo apresentado na Figura 104, sendo que o atravancamento e outras dimensões gerais podem ser consultadas no Anexo F: Atravancamento e Dimensões gerais da Configuração final do equipamento. Figura 104 - Configuração do modelo final do equipamento a fabricar.
Projeto e Fabrico de um Protótipo para Soldadura por Ultrassons 97 O projeto da versão final do protótipo a fabricar resultou num processo iterativo, procurando resolver as “fragilidades” de cada uma das iterações na iteração seguinte. Tal como mencionado no início do documento, uma das metodologias a aplicar aquando da conceção do protótipo é o projeto para o fabrico ( Design for Manufacturing ), que se resume na atenção a dar aos componentes e ao conjunto, tendo em conta a facilidade de conceção e os meios de fabrico disponíveis. Estando perante uma atividade académica, é de elevada importância ter esse princípio presente, uma vez que os meios e os prazos são mais escassos. Diretamente relacionado com o tópico anterior, um ponto crucial no projeto de um equipamento ou produto é o custo de todo o processo de desenvolvimento e do seu fabrico, sendo que este último ocupa a maior percentagem e é nele que se foca a maior procura pela otimização. Uma vez que o protótipo inicial foi especialmente pensado e construído com o custo mínimo de fabrico, é de entender que a nova versão não superará a anterior nesse aspeto. No entanto, considerando que o sistema booster /transdutor/ sonotrode não sofreu alterações, as diferenças de custo assentam apenas na nova estrutura, nos processos de fabrico de cada uma das suas partes que a constituiu, e na aquisição de novos componentes que completam a parte elétrica do equipamento.
Projeto e Fabrico de um Protótipo para Soldadura por Ultrassons 98 5. CONCLUSÃO E TRABALHOS FUTUROS 5.1. CONCLUSÃO A realização da presente dissertação resultou na interiorização pessoal na área dos ultrassons, mais especificamente na soldadura de metais por ultrassons, desde os aspetos teóricos até à sua aplicação experimental. O trabalho de investigação consequente do projeto do equipamento, que recaiu no estudo do mecanismo de união de materiais (cobre) pela tecnologia supra mencionada, não permitiu uma total verificação do efeito de algumas variáveis do processo na qualidade e resistência da ligação, mas contribuiu para um melhor entendimento do método e de alguns dos seus obstáculos aquando da sua aplicação real. Além disso, serviu de exemplo para a efetividade do processo de soldadura por ultrassons, quer através da avaliação da resistência da união, quer a partir da observação por microscopia das interfaces dos materiais. Através da análise realizada aos provetes dos vários ensaios de soldadura realizados, foi possível confirmar e visualizar alguns dos fenómenos mencionados na literatura acerca do mecanismo de união. Corroborou-se a existência de regiões de total fusão do material, contradizendo a natureza atribuída a esta tecnologia por vários autores, e de zonas em que a interface entre camadas consecutivas de cobre se transformaram num volume contínuo. Por outro lado, verificou-se o fenómeno de união por aderência e deformação plástica severa induzida pela vibração, considerado como principal responsável pelo desempenho desta tenologia, de acordo com a grande parte da bibliografia analisada. A fase de avaliação e testagem do protótipo existente permitiu um ganho de sensibilidade no diagnóstico de falhas e resolução das mesmas em contexto semelhante a um ambiente industrial e empregou vários domínios abordados ao longo do percurso académico. A conceção do novo equipamento não seguiu todos os objetivos propostos no início do plano de trabalho por se considerar que as alterações propostas teriam um maior impacto na otimização do mecanismo e estrutura do que na efetividade do processo de soldadura, resultante da reutilização dos componentes principais do sistema de propagação e aplicação dos ultrassons empregues no protótipo primitivo. No entanto, considera-se que a configuração final corrigiu as principais dificuldades encontradas aquando do manuseamento do equipamento, nomeadamente na montagem e manutenção do mesmo, que são tarefas presentes no ciclo de vida de todos instrumentos industriais e, após fabricado, esperar-se-ia que este conduzisse a resultados mais fiáveis e com maior repetibilidade.
Projeto e Fabrico de um Protótipo para Soldadura por Ultrassons 99 5.2. TRABALHOS FUTUROS Em ambiente industrial, o projeto e conceção de um equipamento são tarefas normalmente morosas, que requerem um trabalho conjunto de uma equipa de vários membros com formação especializada em diferentes áreas da engenharia e da ciência. Assim, o presente trabalho, apesar de ter permitido a idealização e desenvolvimento de soluções, beneficiaria do seguimento e aprofundamento da investigação em vários aspetos. Um destes seria a verificação da eficácia de soldadura de uma gama de materiais mais extensa e a definição clara das limitações em termos de espessura dos componentes a unir, com base num dado conjunto especificações de um equipamento, auxiliado por um maior número de fontes de informação e ensaios experimentais. Desta forma, seria possível a criação de perfis de configurações comuns de materiais a soldar, com os parâmetros ótimos já definidos, de modo a que o operador apenas tenha de selecionar o perfil que melhor corresponda aos componentes a unir. Seria também benéfico estudar de forma mais intrínseca o fenómeno/mecanismo da soldadura de materiais metálicos por ultrassons, e conhecer e caracterizar a natureza da união, relativamente à sua microestrutura e fases envolvidas durante o processo. Aquando da fase de projeto e desenho de boosters e ferramentas, faz-se uma análise das várias frequências de ressonância, de forma a que o modo de vibração longitudinal aconteça a uma frequência o mais próxima possível do valor ao qual o gerador e transdutor foram desenvolvidos para funcionar. Assim, para alcançar um patamar de funcionamento mais aprimorado e eficiente, seria benéfico estudar de forma mais exaustiva os aspetos teóricos e práticos por detrás do comportamento acústico de boosters , bem como os aspetos fundamentais da área da análise modal. De modo a conceber um equipamento mais completo e capaz de obter resultados com maior fiabilidade, seria vantajoso investir na otimização do sistema de transmissão de ultrassons e da sua ligação à parte estrutural do equipamento recorrendo a ferramentas computacionais mais moldadas para a análise modal e de fadiga, de modo a convergir para a geometria ótima dos componentes sem a necessidade de testar experimentalmente várias configurações e respeitando assim o objetivo principal da metodologia do projeto para o fabrico. Ainda relativamente a aspetos construtivos do equipamento, seria importante desenvolver um sistema versátil de fixação de componentes a soldar, que permita um ajuste preciso e facilitado da posição dos mesmos e que possibilite o operador de manter ambas as mãos no comando bimanual do equipamento aquando da ativação do ciclo de soldadura. Uma otimização do sistema de quantificação da força exercida na união também aumentaria a precisão e exatidão dos valores medidos e contribuiria para um aumento da repetibilidade do processo. Incluído ainda neste tópico, considerando a célula de carga como um componente sensível a variações
Projeto e Fabrico de um Protótipo para Soldadura por Ultrassons 100 externas e que não deverá sofrer impactos/perturbações, a mesma deveria estar posicionada abaixo da zona acessível do equipamento ou envolvida numa blindagem, sem que a precisão/exatidão de medição da carga fosse afetada e sem prejudicar o posicionamento dos componentes a soldar. Por fim, e aproveitando as capacidades computacionais atuais, poder-se-ia também recorrer a Machine Learning para obter resultados mais fiáveis e com maior repetibilidade, com a alteração dos parâmetros de forma automática em função do comportamento dos materiais (monitorização mais intrínseca) (Mongan et al., 2020; Elangovan, 2012).
Projeto e Fabrico de um Protótipo para Soldadura por Ultrassons 101 ANEXOS
Projeto e Fabrico de um Protótipo para Soldadura por Ultrassons 109 ANEXO E: GRÁFICOS FORÇA-EXTENSÃO DOS PROVETES SUBMETIDOS AOS ENSAIOS DE TRAÇÃO
Projeto e Fabrico de um Protótipo para Soldadura por Ultrassons 110 ANEXO F: ATRAVANCAMENTO E DIMENSÕES GERAIS DA CONFIGURAÇÃO FINAL DO EQUIPAMENTO
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