Novas tecnologias prometem avançar técnicas de soldagem e reduzir o consumo de energia
Com até 5.000 pontos de solda em um carro de médio porte típico, os OEMs estão investindo nas mais recentes tecnologias de soldagem com poupança de energia para reduzir custos. O consumo de energia reduzido mostrou que este tema está sujeito a um crescente escrutínio em instituições acadêmicas em todo o mundo. Engenheiros da Universidade Estadual de Ohio, EUA, por exemplo, estão entre aqueles que reivindicam um avanço, o desenvolvimento de uma nova técnica de soldagem que parece consumir 80% menos energia do que um método comum, mas cria ligações que são 50% mais fortes.
O novo método pode ter um efeito significativo sobre a indústria automobilística, que tem tendência para carros que combinam peças de aço tradicionais com metais leves, alternativas para reduzir o peso do veículo. No entanto, apesar dos recentes avanços na concepção de materiais, metais alternativos ainda representam um desafio prático para os fabricantes.
Soldagem de filme vaporizado do atuador
"Muitos são considerados impossíveis de soldar por meios tradicionais, em parte porque o calor elevado e re-solidificação, leva-os a se enfraquecer", diz Glenn Daehn, professor de ciência dos materiais e engenharia na Universidade Estadual de Ohio, que ajudou a desenvolver a nova técnica. "Materiais tornaram-se mais fortes, mas as soldas não. Nós podemos projetar metais com microestruturas complexas, mas a microestrutura é destruída quando soldada. Com o nosso método, os materiais são formados e colados entre si, ao mesmo tempo, e na verdade ficam mais fortes."
Na soldadura de ponto, os fabricantes passam uma corrente elétrica alta através de pedaços de metal, de modo que a sua resistência elétrica natural gera calor que parcialmente forma uma piscina de fusão e cria uma solda. No entanto, as altas correntes consomem muita energia, e as porções fundidas de metais não são tão fortes como eram antes. Nos últimos anos, Daehn e sua equipe tentou encontrar maneiras de contornar estes problemas, acumulando mais de meia dúzia de patentes de um sistema de soldagem chamado Soldagem de filme vaporizado do atuador (VFA).
Com o VFA, um banco de capacitores de alta tensão cria um pulso elétrico muito curto dentro de um pequeno pedaço de papel de alumínio. Dentro de alguns milionésimos de segundo, o filme vaporiza, e uma explosão de gás quente empurra duas peças de metal que ficam unidas em velocidades próximas a milhares de milhas por hora. As peças de metal não derretem, então não há nenhuma emenda em metal enfraquecida entre elas. Em vez disso, o impacto liga diretamente os átomos de um metal aos átomos do outro. Fundamentalmente, o consumo de energia é reduzido porque o impulso elétrico é curto, e a energia necessária para vaporizar o filme é menor do que o que seria necessário para fundir as peças de metal.
"Materiais tornaram-se mais fortes, mas as soldas não. Nós podemos projetar metais com microestruturas complexas, mas a microestrutura é destruída quando soldada... "- - Glenn Daehn, Ohio State University
Até agora, a equipe criou fortes laços entre ligas de aço e alumínio comerciais, e aço de alta resistência e alumínio com regiões de solda que são mais forte do que os metais básicos. A técnica também pode ser usada para moldar peças de metal, ao mesmo tempo que são soldados em conjunto, diz que a universidade. Daehn e sua equipe agora querem se juntar com os fabricantes para desenvolver ainda mais a tecnologia.
O ponto de solda ainda é um foco importante para os desenvolvedores de tecnologias para poupança de energia. No entanto, a soldagem de ponto convencional, especialmente de componentes de alumínio, é caracterizada pelo consumo eléctrico elevado e níveis elevados de desgaste dos elétrodos. O resultado são paradas frequentes, enquanto os elétrodos são alterados, bem como elevados custos.
Um recente desenvolvimento DeltaSpot é mais uma evolução da pistola de pinçaSistema de solda de ponto DeltaSpotPara superar esses problemas, o sistema de solda de ponto DeltaSpot da Fronius dispõe de uma fita de processo contínuo que corre entre os elétrodos e os filmes de metal. Isso protege os elétrodos, torna-os material limpo, fresco para os pontos de contato antes de cada solda, e reduz o consumo total de energia.
O processo flexível e totalmente controlável, permite a soldadura de ponto contínua de uma forma consistente com a alta qualidade, diz Fronius, independentemente do material a ser soldado ser alumínio, diferentes tipos de aço ou galvanizado ou filmes organicamente revestidos. Segundo a empresa, o aumento demonstrável na qualidade do produto e sistema de produtividade, juntamente com o consumo de energia reduzido e material, se reúnem para fornecer um processo de produção mais eficiente e estável. Georg Fischer está entre os fornecedores automotivos que têm trabalhado com a Fronius para desenvolver uma solução DeltaSpot, nomeadamente para ajudar a fabricar o quadro da porta de alumínio do mais recente Porsche Panamera.
O desenvolvimento mais recente DeltaSpot é mais uma evolução da pistola de pinça, que segundo relatos, melhora tanto a facilidade de manutenção como a tecnologia do sistema, levando à menos tempo ocioso de produção e menores custos operacionais. O transformador e os retificadores também foram movidos para mais perto dos elétrodos de modo a reduzir as perdas de transmissão.
E a soldagem a laser? Bem, na exposição Mundial "Laser of Photonics" em Munique, Alemanha, a Audi foi levada ao palco para descrever como uma série de processos de soldagem à base de laser estão tendo um efeito positivo sobre a produção. Por exemplo, algumas peças leves A8 estão agora sendo soldadas duas vezes mais rápido.
Soldadura remota a laserJan-Philipp Weberpals da fábrica Neckarsulm da Audi, disse que a soldagem a laser remota de alumínio pendura as peças usando uma fonte de diodo direta de 4kW de Laserline que foi capaz de completar nove soldas de costura em apenas 12 segundos - metade do tempo gasto pela soldagem a laser tátil convencional. Além de aumentar a velocidade de soldadura, o laser remoto é considerado 25% mais eficiente em termos de energia.
GKN DriveLine na Alemanha está usando o laser guiado por fibra Trumpf TruDisk 5302Entre os principais desenvolvedores de tecnologia de soldagem a laser, Trumpf, assim como OEMs que fornecem agora estão implantando a sua tecnologia na cadeia de fornecimento conforme a empresa lançou recentemente o TruLaser Robot 5020 Basic Edition. Pavimentando o caminho para a soldagem a laser automatizada, o sistema robótico compacto tem seis eixos e solda de aço carbono, aço inoxidável e alumínio a espessuras de chapa de até 4 mm. É importante salientar, que o laser de diodo TruDiode direto do sistema, com a sua eficiência de 40%, significa que os usuários também se beneficiam com baixos custos operacionais.
Estes custos são cortados ainda mais se a empresa já possui uma máquina de corte a laser que incorpora um laser de estado sólido TruDisk. Isto é porque o laser pode ser usado para alimentar uma unidade adicional integrada na sua rede, por exemplo, o robô TruLaser 5020 Basic Edition. Isso reduz em até 50% os custos de investimento e maximiza a utilização da fonte do feixe.
Os usuários de tecnologia a laser Trumpf TruDisk é a fábrica Zwickau da GKN Driveline na Alemanha, que há dois anos passou de CO₂ a um laser 5302 guiado por fibra TruDisk.
"O sistema de soldagem a laser de estado sólido nos permitiu reduzir consideravelmente os custos de produção", relata Zoran Bubic, que está a cargo de processos centrais e planejamento operacional na unidade de Zwickau. "Com uma taxa de eficiência de cerca de 30%, que é muito melhor do que o nosso sistema de CO2 anterior, o sistema utiliza menos energia."
Outra vantagem do laser de estado sólido é que opera em um comprimento de onda no qual o material pode absorver de forma mais eficiente, o que requer muito menos energia de laser. Outras fábricas GKN Driveline no México e Xangai, China em breve terão sistemas similares.
Soldagem híbrida a laserUm outro processo ganhando popularidade em aplicações automotivas é o laser de soldagem híbrida, onde solda elétrica e solda a laser são realizadas simultaneamente, na mesma operação de soldagem. Entre os OEMs que se aproveitaram está a Mercedes-Benz.
Em comparação com os processos MIG ou laser convencionais que utilizam uma alimentação de arame frio, a soldagem híbrida a laser alcança três vezes a velocidade de soldagem e, graças a redução do consumo de energia, consome muito menos energia elétrica, reduzindo simultaneamente a distorção térmica. Além disso, consumíveis de soldadura de arco (e misturas de gás) podem ser utilizadas, dando um grau de controle sobre a qualidade das soldaduras e propriedades maiores do que é possível com soldadura a laser autógeno.
Operações de soldagem na maioria das fábricas de OEMs são automatizadas, no entanto, os robôs equipados com sistemas de soldagem MIG ou MAG convencionais devem parar com frequência para limpar respingos de solda dos bicos. Isto oferece muita margem para poupança de tempo, material e energia. Como resultado, uma série de fabricantes de automóveis, nomeadamente Hyundai Motor, mudaram-se para o processo CMT (transferência a metal frio). CMT resulta não apenas em muito menos salpicos de soldadura, mas também consideravelmente mais transferência de metal estável e uma redução significativa no ângulo de inclinação do elétrodo. Isto reduz o tempo de paragem das células robô de soldadura em mais de 60% e aumenta a eficiência de energia.
Fronius está entre aqueles que oferecem tecnologia especial CMT. Em CMT, o movimento do fio é incorporado no controle do processo, pelo qual o calor é apenas inserido muito brevemente. Como resultado, a transferência de material acontece sem quase nenhum fluxo de corrente.
Para aqueles que querem saber sobre a soldagem por fricção, a energia necessária para a solda por FSW situa-se entre a soldagem a laser (que requer menos energia) e soldagem MIG (que normalmente precisa de mais), diz o Instituto de Soldadura (TWI). No entanto, uma parceria entre a General Motors, TWB Company, Alcoa e Pacific Northwest National Laboratory (PNNL), tem visto um processo FSW desenvolvido que reduz o tempo de produção e custos ao entregar peças fortes e leves.
Soldagem por fricçãoUsando alumínio, a parceria diz que o novo processo pode entregar uma porta de carro de painel interno que é 62% mais leve e 25% mais barata do que a produzida com métodos de fabricação de hoje, mantendo a velocidade, escala, qualidade e consistência desejada pela indústria automotiva. A equipe de pesquisa decidiu que melhorar FSW permitiria às empresas a fabricação de peças em branco de alumínio soldado sob medida (TWBs) que tinha potencial muito bom para expandir o uso deste material leve em veículos. Com este novo processo, uma única máquina FSW pode juntar-se a mais de 250.000 componentes automotivos por ano.
De acordo com a TWB Company, mais de 100 alumínios em branco foram independentemente soldados, formados e analisados em estreita coordenação com a GM. Desde então, a TWB diz que se tornou a primeira no mundo a instalar e operar equipamentos de alumínio para TWBs com capacidade de produção de alto volume.
Em última análise, é claro, não há duas linhas de soldadura iguais. Por sua vez, há duas linhas de comando com o mesmo nível de consumo de energia. A avaliação cuidadosa das necessidades de uma linha de soldagem e uso de energia é sempre o primeiro passo na geração de poupança. Desse ponto em diante, as instalações podem decidir atualizar, aperfeiçoar e monitorar equipamentos de solda da forma que melhor se adapte às necessidades da fábrica e metas globais de poupança.
Aluminium TWBs são 25% mais baratos para produzir usando o prcesso FSW
Statcon e Dynacomp fornecem compensação de energia reativa dinâmica rápida e suave, e resolve uma variedade de problemas de qualidade de energia da rede industrial associados com cargas rápidas e variáveis, tais como o baixo fator de potência, afundamentos de tensão, flicker e níveis elevados.
Statcon é uma tecnologia baseada em IGBT (IGBT - uma comutação rápida de semicondutores de energia altamente eficiente) que a ABB diz fornecer compensação de energia reativa rápida e dinâmica, com um tempo de resposta de apenas 20 a 30 milissegundos. Ela oferece uma compensação suave através da geração de energia indutiva ou capacitiva e é adequada para melhorar a qualidade da energia em redes fracas.
A última geração da Statcon, que foi desenvolvida pela ABB Índia, possui controle, operacional, otimização, diagnósticos de proteção e melhorias na interface do usuário que atendem às necessidades crescentes do mercado para funcionalidades avançadas.
Dynacomp é uma tecnologia de capacitor de comutação de tiristores que proporciona uma compensação de fator de potência rápida e transitória- para redes de baixa tensão. Um total de 23 painéis Dynacomp de várias potências foram instalados em subestações que alimentam o motor e transmissão, carroceria-em-branco, oficina de pintura e de montagem, bem como instalação de P&D e sistemas de serviços públicos.
O resultado da solução ABB teve estabilização da rede elétrica local, uma diminuição significativa no consumo de energia, evitando penalidades do operador de rede para consumir quantidades excessivas de energia reativa, melhorias na consistência de solda e produtividade, e menos manutenção na oficina de soldagem. Além do mais, o modo de economia de energia reinicia automaticamente quando as cargas são detectadas, economizando em energia auxiliar e eliminando partida manual.
