Soldagem por Ultrassom

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FACULDADE DE TECNOLOGIA DE SÃO PAULO
Soldagem por Ultrassom
Ultrasonic Welding (USW)
Antonio Jovencio Junior		14210814
Disciplina: Tecnologia de União no Estado Sólido
Professor: Waldyr Veg
São Paulo
Março/2018
Introdução
A energia do ultrassom é muito útil para uma grande variedade de aplicações, como ensaios, exames e até a solda.
A soldagem por ultrassom tem como objetivo unir peças por meio de vibrações mecânicas na faixa ultrassônica e com a aplicação de pressão. Este tipo de soldagem serve tanto para soldar metais quanto termoplásticos.
A soldagem por ultrassom produz uma solda limpa, de alta qualidade, não requer material de adição e tem um consumo baixo de energia tipos de soldagem por ultrassom.
Histórico
O primeiro registro de patente do processo de soldagem por ultrassom foi solicitado entre 1952/53, e a primeira máquina de soldagem para o processo Ultrassom foi desenvolvida e patenteada em 1960.
O processo de soldagem de termoplásticos foi patenteado por Robert Soloff e Seymour Linsley em 1965, o senhor Soloff possui patentes em dispositivos na união de metais por ultrassom e no método para solda em terminais de alumínio.
O ultrassom
São ondas que se propagam acima da faixa de som audível (maior do que 20.000 ciclos/segundo).
Figura 1 - Espectro Sonoro
Piezoeletricidade é a capacidade de alguns cristais gerarem tensão elétrica por resposta a uma pressão mecânica. O termo piezoeletricidade provém do grego “piezein”, que significa apertar/pressionar. Referente à geração de corrente elétrica, juntou-se a designação eletricidade, de modo que piezoeletricidade é interpretado como a produção de energia elétrica devido à compressão sobre determinados materiais.
O efeito piezoelétrico é entendido como a interação eletromecânica linear entre a força mecânica e o estado elétrico (forças de Coulomb) em materiais cristalinos (cerâmicos, polímeros).
O efeito piezoelétrico é um processo reversível em que os materiais exibem o efeito piezoelétrico direto (a geração interna de carga elétrica resultante de uma força mecânica aplicada), mas também exibem o efeito piezoelétrico reverso (a geração interna de uma tensão mecânica resultante de um campo elétrico aplicado). Como exemplo, o efeito piezoelétrico inverso é usado na produção de ondas de ultrassom.
Figura 2 - Cristal piezoelétrico
Aplicações
A soldagem por ultrassom é muito utilizada na união de componentes para a indústria de alimentos, eletrodomésticos, cosméticos, eletrônica e indústria automobilística, na união de cabos e terminais e também na costura de tecidos sintéticos.
Equipamento
Figura 3 - Esquema da máquina de solda por ultrassom
O equipamento de soldagem de metal ultrasônico consiste em 3 partes fundamentais:
A parte elétrica
Um gerador, produzindo um sinal elétrico (em geral, uma onda senoidal), sendo o sinal de entrada para o amplificador.
Um circuito temporizador, pelo qual o tempo de soldagem requerido pode ser predefinido.
Um sistema automático de ajuste de freqüência, a fim de manter a condição de ressonância durante a operação de soldagem.
Um amplificador, capaz de fornecer energia elétrica suficiente (para o transdutor piezoelétrico).
O transdutor piezoelétrico
Este transdutor converte a energia elétrica em vibrações mecânicas.
A parte mecânica
Um sistema com um transformador de amplitude. Este sistema orienta a vibração mecânica do transdutor para a peça de trabalho
Uma ferramenta de soldagem ou sonotrodo que é a parte que transmite a energia mecânica para as peças de trabalho. A ferramenta fica situada em uma extremidade do sistema e fica em contato as peças serem unidas.
Uma bigorna em que as peças de trabalho a serem soldadas são apoiadas entre El e o sonotrodo.
Há também um sistema pneumático que dá pressão e o deslocamento das peças.
O sonotrodo
É a parte que entra em contato e transmite a energia mecânica para as peças de trabalho. Os sonotrodos normalmente são confeccionados de duralumínio ou titânio por esses materiais possuírem boas propriedades acústicas e mecânicas, e podem ter diversos formatos como por exemplo:
Cilíndrico;
 Bicilíndrico;
 Curvilíneo;
 Retangular;
 Composto.
Figura 4 - Tipos de sonotrodos
A figura 05 mostra como é fabricada a base do sonotrodo que entra em contato com as peças de trabalho que deve der frisada, estriada ou recartilhada de maneira que não ocorra deslizamentos do sonotrodo em relação as peças. A figura 06 mostra a posição das vibrações em relação ao material a ser soldado, sendo a posição das vibrações no sentido perpendicular ao plano das chapas usado na soldagem de plásticos e a posição das vibrações paralelas ao plano das chapas usado na soldagem de metais.
Figura 5 - Base do Sonotrodo
 Solda de metais
Solda de plásticos
Figura 6 - Posição das vibrações em relação ao material a ser soldado
Tipos de soldagem
A soldagem pode ser realizada manualmente, pode ser mecanizada ou automatizada e podem ter os tipos de soldas/juntas que são: por pontos, linear, anelar ou contínua.
Parâmetros de soldagem
Os parâmetros mais importantes do processo de soldagem são:
A freqüência vibracional, que varia entre 10kHz e I50 kHz. No freqüência de operação do sistema transdutor e sonotrodo devem estar em ressonância.
A amplitude vibracional da ponta de soldagem. Esta amplitude varia entre 0,5 e 30µm. A direção da vibração da ferramenta pode ser paralela ou perpendicular a interface a ser soldada.
A duração da operação de soldagem, o tempo efetivo de soldagem, que varia de 10ms. a alguns segundos.
A pressão de na área de solda, que varia entre 0,1 a 0,3 vezes a dureza Vickers do material a ser soldado. 
Em máquinas com microprocessadores esses parâmetros citados acima podem ser controlados, já nas máquinas convencionais somente o tempo é controlado.
Os valores necessários dos parâmetros de soldagem (amplitude de vibração, tempo de soldagem e pressão de aperto) dependem da espessura da peça de trabalho em contato com o sonotrodo e a dureza Vickers do material.
Soldagem de termoplásticos
A soldagem por ultrassom é muito utilizada em materiais termoplásticos e é plicado na soldagem de componentes para a indústria de alimentos, eletrodomésticos, cosméticos, eletrônica e indústria automobilística. 
Na soldagem de materiais termoplásticos ocorre a fusão dos materiais, isso é o que diferencia a soldagem de materiais plásticos da soldagem de metais. 
Os principais plásticos soldáveis são: ABS, náilon, policarbonato, poliéster, polipropileno, poliestireno e PVC.
A soldagem de plásticos pode ser próxima ou afastada. A soldagem próxima é aquela em que o sonotrodo é colocado muito perto das juntas, ou seja, a peça de menor espessura é a que entra em contato com o sonotrodo, e esse tipo de soldagem permite a soldagem de plásticos mau condutores de energia ultrassonora. A soldagem afastada ocorre quando a peça de maior espessura fica em contato com o sonotrodo.
O processo utiliza como parâmetros a pré e a pós pressão como na soldagem por resistência elétrica.
Quanto maior a freqüência que a união exigir, menor será a máquina, peças de precisão, pequenas e delicadas exigem maiores frequências portanto os equipamentos para soldar esses materiais serão menores. 
Os materiais termoplásticos são de boa soldabilidade, já os termoendurecidos são de má soldabilidade, pois o aquecimento do material termoendurecível acabado promove decomposição do material antes de sua fusão, tornando impossível sua soldagem. 
Diferentes materiais podem ser soldados por ultrassom se as temperaturas de fusão estiverem dentro de 30°F e sua composição for compatível, conforme tabela abaixo.
Tabela 1 - Soldabilidade entre materiais diferentes
Projeto de junta
Para a soldagem de plásticos é necessário um projeto de junta, que deve levar em consideração os seguintes aspectos:
Material a ser soldado.
O uso final do produto, como por exemplo se exigirá estanqueidade.
O custo e facilidade de moldagem.
 A localizaçãoda superfície da junta em relação ao sonotrodo.
A superfície da junta deve ser aproximadamente perpendicular ao eixo vertical do sistema da máquina e paralela à face do sonotrodo.
A superfície da junta deve estar em um plano.
As peças não devem estar extremamente fixas, pois inibe as vibrações.
O tipo mais simples de junta é o triangular (diretor de energia), com ângulo de 60° a 90° e com altura de 0,2 a 1,02mm.
Deve - se usar dispositivos para centralizar as peças.
Para soldar materiais diferentes o diretor de energia é colocado no material menos rígido. 
Peças finas devem ser apoiadas até a junção para não trincar ou romper.
A função do diretor de energia é fornecer uma região para iniciar a rápida plastificação da superfície de união pela concentração da energia. Pode se usar o diretor de energia lado a lado quando a junta for muito larga.
Figura 7 - Tipos de juntas para soldagem de plásticos
Soldagem de metais
Diferente da soldagem de plásticos na soldagem de metais por ultrassom é aquecida somente uma fina camada na zona de ligação com isso, soldagem é feita na fase sólida.
O processo solda chapas, folhas e fios muito finos. Não exibe zona de fusão nem ZTA e há uma variação de 10% do valor de microdureza comparando da zona de ligação até no metal de base. A união apresenta interface com caráter ondulado.
Figura 8 - Macrografia de uma junta soldada por ultrassom
 De acordo com a tabela abaixo, podemos concluir que a variação de temperatura durante a solda ocorre bem abaixo dos valores onde pode-se esperar uma fusão ou recristalização, em que as temperaturas de fusão são: 
Al = 660°C; Cu = 1084°C; Ni = 1453°C 
Tabela 2 - Temperatura da zona de ligação
Variáveis para a soldagem de metais
As principais características que influenciam na formação da união por ultrassom são:
Composição química;
Geometria;
Estado da superfície a ser soldada;
Frequência, amplitude, energia e tempo de ciclo;
Pressão de aperto;
Projeto de fixação e ferramentas.
Propriedades mecânicas na soldagem de metais
A resistência a tração da solda é comparável a do metal de base, a resistência a fadiga é igual ou superior a soldagem por resistência e a soldagem anelar possui boa estanqueidade.
Abaixo temos um gráfico que mostra a relação da área unida pelo processo por ultrassom com sua resistência a tração.
Figura 9- Força de ruptura em função da área soldada
Metalografia
Apresenta uma zona de deformação plástica de aproximadamente 200µm e camada de óxidos de aproximadamente 20µm. Com o aumento da potência e do tempo aumenta a formação de trincas na região da solda e fora dela.
Possui boa soldabilidade em metais dissimilares, em ambas as seções finas ou uma seção fina e uma grossa.
Na soldagem de alumínio, a camada de óxido na alumínio é muito mais dura do que o metal base, portanto, facilmente é rompido e disperso por deformação no metal perto da junta. Já no aço inoxidável a camada de óxido de cromo que tem alta resistência ao desgaste tornando difícil de ser removida por ação mecânica. Pode ser usada uma solução de HCl 2%, para melhorar a soldabilidade do aço inoxidável.
Vantagens
As principais vantagens da soldagem por ultrassom são:
Metais com pontos de fusão muito diferentes podem ser soldados (por exemplo, Al a Cu).
Folhas ou fios finos podem ser soldados em partes muito mais espessas.
A temperatura na zona de ligação está abaixo do ponto de fusão do material soldado.
Não são necessários fluxos ou gases de proteção.
Na microeletrônica fios e fitas de Au, Al e Cu com espessura de 25 até 500µ são soldadas por ultrassom em substratos metalizados.
Não produz arcos elétricos ou faíscas.
Produz uma solda limpa e de alta qualidade;
Não requer material de adição;
Baixo consumo de energia;
Pode ser automatizado;
Elevado ritmo de produção na solda em termoplásticos;
Baixo custo de mão de obra
Ausência de riscos para o operador;
Produz soldas limpas;
Substitui fixações mecânicas para melhorar o design;
Solda chapas pintadas ou oxidadas, sem preparação prévia das superfícies;
Fraca liberação de calor;
A ligação entre metais diferentes é perfeita.
Estudos de casos
Soldagem por ultrassom em ligas de alumínio
Os Estados Unidos junto com a PNGV (Parceria para Nova Geração de Veículos tiveram o objetivo de reduzir sua dependência do petróleo estrangeiro e diminuir seu impacto no meio ambiente global, o objetivo desta iniciativa era fabricar um automóvel que alcance uma melhor economia de combustível e reduzindo o peso do veículo. As reduções no peso do veículo se traduzem em emissões mais baixas e maior economia de combustível. 
Um veículo com a carroceria fabricada de alumínio terá uma redução de 3,7% nas emissões de CO2 comparado com um veículo de aço padrão com o mesmo motor, e afim de obter o uso expandido do alumínio na construção da carroceria automotiva, são necessários métodos robustos de união, a soldagem por ultrassom foi a que mostrou mais vantajosa em relação aos outros processos de união.
Tabela 3 - Comparação de custos entre processos
	 Comparação de custos entre processos
	Método de união
	Custo médios dos Equipamentos
	Consumo relativo de energia
	Variável
custo / junta
	
	
	
	
	RSW (8-mm welding cap)
	$16,000
	6
	5
	SPR (3-mm rivet)
	$60,000
	1
	5
	GMAW (25 mm)
	$12,000
	18
	3
	Adhesive Bonding
(25 x 13mm)
	$85,000
	1
	2
	USW (6mm)
	$28,000
	1
	1
A tabela acima mostra que as principais vantagem de usar USW em relação ao RSW é o consumo de energia reduzido e o custo de preparação da junta que é caracterizada por uma vida útil mais longa do sonotrodo em relação ao eletrodo usado n soldagem RSW.
Outra vantagem é a de que as peças soldadas com máquinas de soldagem por ultrassom não ficam tão quentes quanto as peças soldadas com RSW ou GMAW para que elas possam ser manipuladas mais facilmente e com segurança pelos operadores.
Figura 
10
 - Comparativo de resistência a fadiga com chapas de 0.9 mm
Verificando a figura acima que mostra o comparativo da resistência a fadiga com vários processos de união, em que a soldagem por ultrassom de alumínio se compara favoravelmente com outros processos de união, tanto sob carregamento estático como dinâmico.
Para concluir, a soldagem por ultrassom em metais é um método de união econômico e ambientalmente amigável. As inúmeras vantagens da USW em relação às tecnologias de uniões concorrentes certamente resultarão em seu maior uso em muitas outras indústrias, incluindo as indústrias de aeronaves, aeroespaciais, caminhões, construção naval, bens de consumo e estruturas de alumínio pré-fabricadas. Além disso, prevê-se que as aplicações se expandam rapidamente além do alumínio para o cobre, o magnésio e outros materiais leves.
Soldabilidade e a formação dos pontos de solda em função do tempo
O objetivo central deste estudo é verificar quais parâmetros interferem na formação de uma solda ultrassônica, serve também para entender a influência dos parâmetros do processo e das propriedades do material sobre a qualidade de uma solda por ultrassom. Este conhecimento básico do processo de soldagem é necessário para um melhor controle da qualidade da solda.
Nas literaturas são mencionadas várias propriedades de materiais que podem influenciar a soldabilidade por ultrassom de um material. Vamos considerar a estrutura cristalina, a ductilidade e a dureza na qual poderá ser observado que nenhuma dessas propriedades mostra uma relação clara com a soldabilidade ultrassônica.
Estrutura de cristalina
A estrutura do AI, Cu, Ni e do aço inoxidável é cúbica de face centrada (CFC), já a estrutura do aço doce é ​(​CCC). A partir dos resultados das experiências, concluímos que a estrutura cristalina não tem relação com a soldabilidade por ultrassom dos materiais
Ductilidade
A ductilidade é definida pela quantidade de deformação plástica que um material pode suportar antes da fratura. Como a deformação plástica ocorre na zona interfacial de uma solda por ultrassompode haver uma relação entre a soldabilidade e a ductilidade do material, isto é, quanto maior a ductilidade, melhor a soldabilidade por ultrassom, mas a partir da tabela 04, verificamos que os metais com boa soldabilidade (isto é, AI, Cu e Ni) têm uma ductilidade variando de 4 a 34 já os aços carbono e o co inoxidável mostraram pouca soldabilidade embora a ductilidade esteja na mesma faixa. Portanto, uma alta ductilidade não é suficiente para explicar a soldabilidade por ultrassom. Uma baixa ductilidade pode ser suficiente para reduzir a soldabilidade na soldagem por ultrassom.
Dureza
O experimento realizado neste estudo de caso junto com a tabela 04 mostra certamente que não há um relacionamento unívoco entre dureza e soldabilidade. Isso é demonstrado pelo fato de que o níquel tem uma dureza maior do que o aço inoxidável e o aço carbono, contudo o Níquel possui maior soldbilidade comparado com os dois tipos de aço.
Tabela 4 - Propriedades dos materiais
Para acompanhar o desenvolvimento de uma solda realizada pelo processo de ultrassom, foram realizados vários pontos de solda (microsoldas) em materiais diferentes e estas foram submetidas ao ensaio de tração. Os pontos brilhantes nas fotografias são as áreas onde a soldagem ocorreu e o fundo escuro está sem solda.
O crescimento ou alongamento dessas microsoldas em função do tempo eram diferentes para diferentes materiais.
Soldagem em Alumínio média dureza, com força de aperto Fc = 375N, e amplitude vibracional ξ = 23µm.
Soldagem em Alumínio de alta dureza, com força de aperto Fc = 675N, e amplitude vibracional ξ = 25µm.
Soldagem em Cobre, com força de aperto Fc = 375N, e amplitude vibracional ξ = 21µm.
Soldagem em Níquel, com força de aperto Fc = 1000N, e amplitude vibracional ξ = 22µm.
Soldagem em Aço inoxidável, com força de aperto Fc = 1000N, e amplitude vibracional ξ = 20µm.
Soldagem em Aço carbono, com força de aperto Fc = 1000N, e amplitude vibracional ξ = 17µm.
As conclusões das observações sobre as soldas das figuras cima são as seguintes:
Uma solda por ultrasom é construída por pequenas áreas soldadas (microsoldas).
O número de microsoldas aumenta com o aumento do tempo de soldagem. A soldagem é completada quando toda a área é coberta com microsoldas.
Na maioria dos casos, as microsoldas são distribuídas aleatoriamente sobre a área da junta.
As microsoldas são alongadas paralelas à direção de vibração, isto indica que as microsoldas crescem nesta direção pela movimento relativo oscilatório das superfícies de contato.
Diferentes tipos de metais de base mostram diferentes níveis na formação d solda em função do tempo.
Referências
Ultrasonic Metal Welding; Johannes Leendert Harthoorn; 1978.
Soldagem, Coleção Senai, 1ª edição, 1997.
Welding handbook; 9° edição; Vol. 3 – Welding Processes; Part 2.
http://www.infosolda.com.br/ 
http://www.twi-global.com/ 
http://www.ksonic.com.tw/ 
https://www.sonics.com/ 
Welding Journal, Junho de 2007.
Welding Journal, Julho de 2005.
Welding Journal, Fevereiro de 2005.