Os novos equipamentos de soldagem da CRH Umformtechnik GmbH & Co. KG – uma subsidiária da Johnson Controls (JCI) – em Solingen, Alemanha, entraram em operação a partir de julho de 2011. Por meio deles, são produzidos diariamente 6.000 encostos para assentos, trabalhando cinco dias por semana em três turnos (figura 1). Entre os requisitos tecnológicos básicos encontra-se, além da confecção de uniões resistentes e duradouras, um processo de soldagem com aporte mínimo de calor e menor geração possível de salpicos. Esses fatores influenciam significativamente os custos de fabricação da peça: um menor aporte de calor promove a redução do grau de distorção, enquanto a ausência de salpicos reduz a necessidade de operações posteriores de acabamento. O grau máximo permissível de distorção nos pontos de controle nos encostos para assentos, definido pela Johnson Controls, é igual a ±0,8 mm.

Fig. 1 – Assento automotivo pronto: o usuário raramente tem conhecimento das complexas estruturas de suporte e ajuste que compõem o encosto.

 

Do componente ao encosto dos assentos

O encosto para assento em questão é constituído por quatro componentes, ou seja, dois componentes laterais, direito e esquerdo, e duas travessas, superior e inferior (figuras 2 e 3). Esses componentes são feitos com chapas finas de aço HC 380LA ou HC 420LA com espessura de 0,8 a 1,2 mm. Eles são retirados de um suporte de armazenamento por um robô e posicionados sobre o dispositivo de soldagem. Numa primeira etapa são realizadas uniões por soldagem a ponto por resistência elétrica nas posições de acesso fácil. Em seguida a peça passa por quatro estações, cada uma dispondo de um robô para efetuar a soldagem a arco sob gás ativo (MAG, Metal Active Gas). Esses robôs confeccionam oito cordões de solda que possibilitam ao encosto de assento obter a resistência mecânica necessária (figuras 4 e 5, pág. 36). Esses cordões unem chapas que apresentam espessura de 0,8 a 0,9 mm.

Fig. 2 – Cordão de solda confeccionado pelo processo “microMIG”: praticamente isento de salpicos, une componentes do encosto de assentos automotivos feitos com chapas finas sob aporte de calor reduzido.

Fig. 3 – Estrutura de aço de um encosto para assento automotivo unida por soldagem a ponto por resistência elétrica e por soldagem a arco “microMIG”

Desde o início da produção em série os sistemas de soldagem MAG funcionaram sem problemas utilizando a tecnologia microMIG, que estava sendo usada pela primeira vez na empresa. Os resultados obtidos ultrapassaram significativamente as expectativas. O uso desse processo foi recomendado pela divisão de tecnologia de soldagem da empresa, a qual já o havia utilizado para a soldagem de chapas finas.

Fig. 4 – Layout da célula do equipamento de soldagem para a fabricação de encostos para assentos automotivos

Fig. 5 – Célula de soldagem da Johnson Controls instalada em Solingen, Alemanha. É possível observar, em primeiro plano, o equipamento automatizado para a manipulação dos componentes por robôs para carregamento.

Na fase inicial do projeto os especialistas testaram intensivamente as tecnologias alternativas e compararam as soluções propostas por diversos fabricantes de sistemas de soldagem. Os requisitos básicos foram cumpridos da melhor forma pelo uso de soldagem MAG com eletrodo em fio reversível denominado “microMIG”, realizado por meio de equipamentos fornecidos pela SKS Welding Systems GmbH, localizada em Kaiserslautern, na Alemanha. Esse processo apresentou a melhor relação custo-benefício durante as avaliações feitas pela Johnson Controls. A análise dos resultados obtidos por ensaios efetuados com juntas soldadas em corpos de prova no laboratório de tecnologia possibilitou que os especialistas da SKS estabelecessem uma base segura para que os clientes em potencial tomem suas decisões. Amostras de peças foram submetidas a ensaios realizados pela Johnson Controls para a avaliação da presença de salpicos, precisão dimensional e outros critérios de qualidade (figuras 6 e 7).

Fig. 6 – Junta de sobreposição entre duas chapas de aço cromo-níquel com espessura de 0,8 mm, soldadas sob energia específica de aproximadamente 60 J/min.

Fig. 7 – Micrografia de uma junta de sobreposição entre duas chapas de aço cromo-níquel com espessura de 0,8 mm, soldada sob velocidade de 100 cm/min e usando material de adição 1.4370, além de gás de proteção constituído de 98% de argônio e 2% de gás carbônico.

A decisão tomada foi confirmada na prática industrial: o processo microMIG gera menos salpicos em comparação com outros processos MAG, tendo em vista que não foram constatadas contaminações provenientes de gotas aspergidas da poça de fusão sobre os bocais da tocha. Dessa forma é possível suprimir as operações de limpeza da tocha, bem como das estações de soldagem. Além da redução do valor investido para a implantação das estações de limpeza de tochas e dos respectivos custos de operação, ocorreu uma redução dos tempos de parada. O tempo de ciclo da linha de soldagem para um encosto de assento, atualmente, é de aproximadamente 10 a 11,5 s. Outro fator que reforçou e confirmou a decisão da Johnson Controls em escolher a SKS foi a boa cooperação pessoal. Todas as dificuldades típicas relacionadas à introdução de uma nova tecnologia foram resolvidas antes do início da operação em série da nova linha. Esse padrão de suporte foi mantido, por exemplo, pela otimização dos programas computacionais.

 

Desde o início até a situação atual

Os requisitos necessários para a construção de estruturas leves, criados a partir da necessidade de redução do consumo de energia e da emissão de gás carbônico, surgiram originalmente na indústria automotiva. Eles abrangem o desenvolvimento de componentes metálicos que apresentem parede de menor espessura, confeccionados com materiais com maior capacidade de suportar solicitações mecânicas. Isso apresenta implicações diretas em relação às tecnologias utilizadas para a união de componentes. Quanto mais finas as chapas a serem unidas por soldagem, maior será o risco de ocorrência de passagem total do arco através da espessura da chapa, podendo não ocorrer um grau suficientemente adequado de queima e/ou haver o empenamento dos componentes acabados. Uma solução para esses problemas consiste em reduzir o aporte de energia específica durante a soldagem, mantendo a velocidade do processo constante. Acrescente a isso a pior soldabilidade dos aços com maior resistência mecânica. Um fator decisivo para o sucesso de um processo a ser executado rotineiramente é a sua consistência, ou capabilidade a longo prazo. Esses requisitos são atendidos pelo uso do equipamento da SKS para a união de chapas finas com espessura a partir de 0,5 mm.

Essa variante de processo foi patenteada pelo desenvolvedor da tecnologia digital de soldagem, Volker Leipol, em 1997. Nesse mesmo segmento os parceiros da SKS desenvolveram, entre outras tecnologias, o primeiro controlador digital para processos de soldagem “Q8” e, posteriormente, a Tecnologia para Controle Direto (Direct Control Technology) para a fonte de corrente de soldagem “LSQ”. Nesse tipo de fonte o controle direto dos transistores de comutação não possui frequência de temporização constante. Isso significa que o controle da frequência e, portanto, da fonte de corrente ocorre diretamente em função dos requisitos do processo de soldagem. Isso implica ainda que o processo microMIG é uma variante específica dos processos digitais de soldagem desenvolvidos pelas empresas Leipold e SKS, o qual foi implantado usando componentes padronizados fornecidos pela SKS, tais como fonte de corrente e sistema de controle do processo de soldagem. Uma característica desse processo é o sistema mecânico para reversão do eletrodo em fio, bem como o gotejamento de metal líquido adicional por meio de sequências de impulsos com comutação intermediária. Esse tipo de processo é principalmente aplicado em soldagem e brasagem de chapas com espessura de 0,5 a 1,5 mm. Diferentemente do uso de arcos denominados “quentes”, esse processo, corretamente designado como sendo de energia reduzida, proporciona vantagens aos usuários.

Uma vez que esse processo é parte da gama tecnológica digital de soldagem oferecida pela SKS, os seus clientes se beneficiam da variedade de equipamentos de soldagem, os quais apresentam baixo custo. Isso proporciona uma considerável economia no investimento a ser feito: o usuário apenas troca as tochas; mesmo os componentes que sofrem desgaste como, por exemplo, o tubo de contato e os bocais de gás, são idênticos. Apenas um motor diretamente instalado na tocha controla o deslocamento do eletrodo e a sua movimentação para frente e para trás, conforme requerido pelo processo. Dessa forma, não é necessário instalar unidades para a compensação mecânica.

A tocha “Frontpull 7” para robôs, que conta com cabos dispostos em seu interior, dispõe desse motor controlado eletronicamente. Os componentes típicos de um sistema de soldagem são idênticos aos incluídos no “pacote para soldagem” oferecido pela SKS para a soldagem a arco (figura 8).

Fig. 8 – Visão geral da estrutura e dos componentes de um sistema “microMIG” – apenas a tocha de soldagem e o programa computacional são específicos para esse processo. Todos os outros componentes são padronizados. Imagens fornecidas pela Johnson Controls (1 a 5) e SKS (6 a 8).

Dessa forma, o usuário pode aproveitar os equipamentos que possui, trocando apenas a sua tocha, ou, se optar pela instalação de uma unidade microMIG em sua planta, poderá adquirir um equipamento padronizado reconfigurável de baixo custo. Contudo, esse equipamento também poderá ser utilizado para executar outros processos de soldagem como, por exemplo, os mais adequados para a união de componentes mais espessos.

A variante de processo da SKS atua com avanço pulsante do eletrodo em fio. O reduzido aporte de calor almejado, bem como um nível adequado de queima, proporciona um processo de soldagem praticamente isento de salpicos. O método aqui descrito possui uma diferença essencial em comparação com outras variantes que também apresentam avanço pulsante do eletrodo em fio: neste caso, a maior capacidade de fusão ocorre sob menores valores de frequência do pulso aplicado ao eletrodo em fio, ao contrário do que é verificado normalmente. Quanto mais alta for a capacidade de fusão, mais longa deverá ser a sequência de pulsos. O deslocamento do eletrodo em fio sob menor número de pulsos faz com que os componentes submetidos ao desgaste no sistema da tocha incorporado ao equipamento sejam menos solicitados. A maior vida útil dos componentes é uma das vantagens proporcionadas por esse tipo de configuração. Uma característica que também pode proporcionar vantagens é a ampla variedade de parâmetros que podem ser selecionados. Ao invés de alterar apenas a frequência dos impulsos como variável a ser controlada, o usuário pode selecionar diversos parâmetros adicionais durante o processo. Entre eles se encontram:

• Corrente de base; 
• Velocidade de avanço do eletrodo em fio;
• Sequência de pulsos;
• Tempo de recuo do eletrodo em fio.

 

A modularidade como vantagem para o investimento

Normalmente, a introdução de novos processos implica altos investimentos financeiros no que tange à aquisição de novos equipamentos. Ocorre o contrário com a variante de processo aqui descrita. A respeito do equipamento, são usados apenas sistemas de soldagem padronizados da SKS. Só o sistema de tocha “Frontpull” é específico para o novo processo. Dessa forma, o fornecedor define uma configuração modular para o sistema de soldagem. Fonte de corrente, controle do processo de soldagem, interface para robôs e avanço do eletrodo em fio, combinados com um sistema de tocha específico para o processo, constituem o sistema de soldagem completo. A fonte de corrente e o sistema de controle do processo de soldagem podem ser selecionados em função de poucos parâmetros diferentes modificados; por exemplo, fontes de corrente para dois valores de potência e com quatro dispositivos de controle para operar até quatro máquinas de soldagem. Os tipos de interface para robôs se diferenciam apenas pelo tipo de comunicação usado.

Os critérios para a seleção dos sistemas de tocha abrangem a capacidade de rotação parcial ou contínua, proteção integrada contra colisão e a compatibilidade com robôs com punho oco (em que o cabeamento do sistema de controle se encontra no interior dos braços, aumentando a segurança do equipamento), bem como sistema integrado para o avanço do eletrodo em fio para operação com um ou dois fios. Dessa forma, o usuário, se necessário, pode trocar posteriormente uma tocha sem avanço de eletrodo em fio por outra dotada desse recurso, ou por um modelo de tocha adequado para a soldagem de componentes mais espessos. Caso haja a necessidade de instalar novos programas computacionais para a operação de sistemas antigos, a SKS os disponibiliza gratuitamente mediante solicitação.

 

microMIG

O sistema microMIG, uma tecnologia de soldagem específica para a fabricação de estruturas leves, é adequado para a soldagem de chapas finas e para a união de componentes finos e grossos – por exemplo, uniões entre chapas e peças fundidas –, bem como para união por brasagem. Uma vez que essa variante de processo se baseia na tecnologia digital de soldagem consolidada e disponível, ela também pode ser operada com equipamentos padronizados. A única diferença é a tocha de soldagem “Frontpull 7” que precisa ser utilizada nesse caso específico. O software de controle do processo é específico para esse modelo de tocha de soldagem, e é fornecido gratuitamente. Isso reduz os investimentos a serem feitos e proporciona segurança: os aperfeiçoamentos pósteros serão baseados em tecnologias básicas consolidadas. Dessa forma, o equipamento será basicamente o mesmo, as atualizações dos programas computacionais serão gratuitas e o conhecimento e prática adquiridos pelo usuário serão preservados.