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Caracterização e Desenvolvimento da Soldabilidade por Ultra-Sons

de Cablagens Multifilares de Secção Fina

João Hugo Gaspar Dias Valente

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em

Engenharia Mecânica

Júri

Presidente: Professor Doutor Rui Manuel dos Santos Baptista

Orientador: Professor Doutor Pedro Miguel dos Santos Vilaça da Silva

Orientador Externo: Engenheiro Filipe Fernandes da Anunciação

Vogal: Professora Doutora Maria Luísa Coutinho Gomes de Almeida

Outubro 2011

iii

Agradecimentos

O meu profundo agradecimento a todos aqueles que, de alguma forma, contribuíram para a

realização deste trabalho, em especial:

Ao Professor Pedro Vilaça, meu orientador científico, pela confiança em mim depositada, por

todo o seu empenho, colaboração, constante incentivo e apoio prestados desde o primeiro

instante. Agradeço de modo especial o acolhimento no seu grupo de trabalho, as condições

proporcionadas, a amizade, a confiança e o encorajamento sempre revelados.

À empresa DELPHI, pela forma empenhada como apoiou e contribuiu para o desenvolvimento

deste projecto, disponibilizando pessoas e meios para a evolução do mesmo. Este

agradecimento abrange todas as pessoas envolvidas neste projecto, com especial ênfase para

as contribuições do Eng.º Filipe Anunciação, do Eng.º Sérgio Bento, da Eng.ª Sandra Matos, do

Sr. Garcia, da Sr.ª Ilda, do Sr. Veloso, do Sr. Sérgio, do Sr. António e do Sr. Carlos, sem os

quais não me teria sido possível desenvolver a componente laboratorial e experimental deste

trabalho.

Ao Eng. Alexandre Fernandes, pelo seu apoio, encorajamento, amizade e vital disponibilidade

na execução do trabalho, pois o seu conhecimento profundo nesta área guiou-me na realização

do relatório.

À Professora Virgínia Infante, pela disponibilidade e apoio transmitidos na realização de

ensaios laboratoriais e pelo atento e exigente acompanhamento prestado, determinante para a

qualidade e rigor do trabalho produzido.

Aos membros do grupo de trabalho iSTIR, pelo apoio demonstrado, solidariedade e valiosa

ajuda.

Aos meus pais, irmãos e namorada agradeço o mais importante de todos os apoios, o amor

que sempre me deram.

A todas as pessoas, que embora não tendo sido mencionadas, tenham contribuído para a

realização deste trabalho, o meu muito obrigado.

v

Resumo

O trabalho executado enquadra-se numa estratégia de cooperação em investigação e

desenvolvimento (I&D) entre o IDMEC, pólo IST e o Manufacturing Excellence Center da

DELPHI-Automotive Systems em Portugal. As tarefas desenvolvidas têm por objectivo a

caracterização e desenvolvimento da soldabilidade de cablagens multifilares, de liga de cobre

de secção fina, avaliando a potencialidade de utilização de distintos equipamentos de

soldadura por ultra-sons (SUS), existentes no mercado.

Uma das tendências tecnológicas para dar resposta à elevada competitividade na indústria

automóvel, passa pelo aumento do controlo e accionamento eléctrico e electrónico dos

múltiplos sistemas de engenharia que compõem os veículos. Assim, a extensão total do

sistema de cablagens é cada vez maior e a sua fiabilidade assume uma importância chave. Em

resposta a esta tendência, minimizando o impacto ambiental, surgiram cabos multifilares de liga

de cobre de secção fina, que viram comprometida a sua soldabilidade por SUS.

No presente trabalho realiza-se a caracterização das propriedades mecânicas e eléctricas dos

mais relevantes equipamentos de SUS e de diferentes cabos multifilares de liga de cobre de

secção fina, representando o espectro de soluções disponíveis no mercado. As ligações por

SUS são caracterizadas através de um novo critério de avaliação da qualidade das ligações

soldadas, considerando aspectos de produtividade e propriedades mecânicas, sob diferentes

tipos de esforços. A caracterização geométrica e metalúrgica, veio permitir avanços no

conhecimento sobre os mecanismos de ligação no domínio da presente aplicação. Foi ainda

estabelecida a influência dos diferentes revestimentos dos cabos, na composição química

superficial dos multifilares.

Palavras-Chave

Cablagens Multifilares de Liga de Cobre de Secção Fina

Soldadura por Ultra-Sons

Soldabilidade

Resistência Mecânica

Análise Metalúrgica

vii

Abstract

The work performed is part of a cooperative strategy in research and development (R&D)

between IDMEC, IST technological pole and Manufacturing Excellence Center-DELPHI

Automotive Systems in Portugal. The tasks developed have as main objective the

characterization and development of weldability in thin section (low gauge) multiwire cables of

copper alloy evaluating the potential use of different ultrasonic metal welding (USMW)

equipment on the market.

One of the technological trends, in response to high competitiveness in the automobile industry,

is described by the increase in the control and actuation of multiple electrical and electronic

equipment of many engineering systems that make up the vehicles. Thus, the total length of the

cabling system is increasing and its reliability is of vital importance. In response to this, while

minimizing the environmental impact, thin section multiwire cable of copper alloy emerged,

whose weldability had seen compromised by USMW.

The present work carries out the characterization of the mechanical and electrical properties of

the most relevant USMW equipment and different thin section multiwire cable of copper alloy

representing the spectrum of solutions available in the market.

The joints by USMW are characterized by a new criterion for evaluating the quality of welded

splices, considering aspects of productivity and mechanical properties under different types of

efforts. The geometric and metallurgical characterization has allowed advances in knowledge

concerning the connection mechanisms in the area of this application. It was further established

the influence of different cable coating in the chemical composition of multiwire surface.

Key words

Thin section (low gauge) multiwire cable of copper alloy

Ultrasonic welding

Weldability

Mechanical resistance properties

Metallographic analysis

ix

Índice Geral

Agradecimentos .............................................................................................. iii

Resumo ............................................................................................................. v

Abstract ........................................................................................................... vii

Índice Geral ...................................................................................................... ix

Lista de Figuras ............................................................................................... xi

Lista de Tabelas ............................................................................................. xv

Nomenclatura ................................................................................................ xix

1 Introdução .................................................................................................. 1

1.1 Enquadramento e objectivos .......................................................................... 1

1.2 Estrutura do relatório ...................................................................................... 2

2 Estado da Arte ........................................................................................... 5

2.1 Introdução ...................................................................................................... 5

2.2 Potencialidades da redução de secção das cablagens ................................... 5

2.3 Soldadura por ultra-sons................................................................................. 6

3 Caracterização dos Equipamento de SUS ............................................. 29

3.1 Introdução .................................................................................................... 29

3.2 Equipamento Telsonic .................................................................................. 30

3.3 Equipamento Schunk Minic PC..................................................................... 31

3.4 Equipamento Schunk Minic IV ...................................................................... 31

3.5 Curvas de funcionamento dos equipamentos ............................................... 32

4 Caracterização Experimental das Ligas de Cobre em Estudo ............. 35

4.1 Introdução .................................................................................................... 35

4.2 Ensaios de tracção ....................................................................................... 35

4.3 Análise química por EDS .............................................................................. 38

5 Estabelecimento de Critérios em Ensaios Destrutivos ........................ 43

5.1 Introdução .................................................................................................... 43

x

5.2 Critérios de qualidade ................................................................................... 43

5.3 Análise mecânica.......................................................................................... 46

6 Desenvolvimento da Soldabilidade por SUS das Cablagens

Multifilares em Estudo ................................................................................... 47

6.1 Introdução .................................................................................................... 47

6.2 Procedimento experimental .......................................................................... 47

6.3 Equipamento Telsonic .................................................................................. 48

6.4 Equipamento Schunk Minic PC..................................................................... 58

6.5 Equipamento Schunk Minic IV ...................................................................... 62

7 Análise Metalúrgica das Uniões Realizadas .......................................... 67

7.1 Introdução .................................................................................................... 67

7.2 Procedimento experimental .......................................................................... 67

7.3 Resultados experimentais ............................................................................. 68

8 Conclusões e Proposta de Trabalho Futuro ......................................... 85

8.1 Conclusões ................................................................................................... 85

8.1 Trabalho futuro ............................................................................................. 87

9 Referências Bibliográficas ...................................................................... 88

10 Anexos ........................................................................................................ 1

10.1 Nomenclatura de secções .............................................................................. 1

10.2 Critérios de aceitação e validação .................................................................. 2

10.3 Possíveis combinações de secções num splice .............................................. 7

10.4 Desenvolvimento da soldabilidade por SUS do cabo laranja .......................... 8

xi

Lista de Figuras

Figura 1. Disposição de sistemas eléctricos e electrónicos [2][8] ................................................. 5

Figura 2. Vantagens da redução de secção de 0,35mm2 para 0,13mm

2 [9] ................................ 6

Figura 3. SUS em cabos multifilares de secção fina ..................................................................... 8

Figura 4. Ligação metálica (por adesão e difusão) na SUS de cobre .......................................... 9

Figura 5. Sistema lateral-drive [19] ............................................................................................. 11

Figura 6. Sistema lateral drive da Schunk Minic PC ................................................................... 12

Figura 7. Ferramentas que constituem o tooling ......................................................................... 13

Figura 8. Sonótrodo do equipamento Schunk Minic PC e Schunk Minic IV ............................... 14

Figura 9. Perspectivas da bigorna dos equipamentos: Telsonic, Schunk Minic PC e Schunk

Minic IV ........................................................................................................................................ 15

Figura 10. Placa de retoque do equipamento Telsonic e Schunk Minic PC ............................... 15

Figura 11. Perspectivas de uma garra deslizante do equipamento Schunk Minic PC ............... 16

Figura 12. Gráfico resistência mecânica versus tempo de soldadura para diferentes valores de

amplitude ..................................................................................................................................... 17

Figura 13. Relação entre energia e espessura para os vários metais e várias durezas [28] ..... 18

Figura 14. Combinações possíveis entre metais para SUS [28] ................................................ 19

Figura 15.Diferentes fases da execução de um ciclo de SUS e sua variação da pressão e

energia. ........................................................................................................................................ 21

Figura 16. Situação inicial da SUS, sequência de movimentação do tooling e fase 1

(Compactação) ............................................................................................................................ 21

Figura 17. Ancoragem dos multifilares pelas ondas do sonótrodo ............................................. 22

Figura 18. Formação de ilhas de soldadura entre multifilares .................................................... 22

Figura 19. Crescimentos do número e do tamanho das ilhas de soldadura .............................. 22

Figura 20. Extrusão de material devido a excesso de parâmetros ............................................. 23

Figura 21.Arrefecimento .............................................................................................................. 23

Figura 22. Evolução da temperatura ao longo do tempo [35] ..................................................... 24

Figura 23. Ensaio Pull e Peel ...................................................................................................... 25

Figura 24. Disposição dos cabos na alimentação....................................................................... 26

Figura 25. Esquema com disposição correcta dos cabos .......................................................... 27

Figura 26. Clip CC3xCC2 com geometria cruzada ..................................................................... 28

Figura 27. Clip CC3 com geometria cega ................................................................................... 28

Figura 28. Equipamento de SUS: Telsonic ................................................................................. 30

Figura 29. Equipamento de SUS: Schunk Minic PC ................................................................... 31

Figura 30. Equipamento de SUS: Schunk Minic IV ..................................................................... 31

Figura 31. Gráfico Energia Vs Secção Total para os distintos equipamentos ............................ 32

Figura 32. Gráfico Amplitude Vs Secção Total para os distintos equipamentos ........................ 33

Figura 33. Gráfico Pressão Vs Secção Total para os distintos equipamentos ........................... 34

xii

Figura 34. Gráfico Largura Vs Secção Total para os distintos equipamentos ............................ 34

Figura 35.Equipamento para ensaios de tracção INSTRON 5566 ............................................. 36

Figura 36. Dispositivo de fixação para o cabo ............................................................................ 36

Figura 37. Gráfico de Força Vs Alongamento para cabo não descarnado ................................. 37

Figura 38. Gráfico de Força Vs Alongamento para cabo descarnado ........................................ 37

Figura 39. Microscópio utilizado no MicroLab: JEOL 7001F ...................................................... 38

Figura 40. Amostras contendo os diferentes cabos multifilares de secção fina para EDS ........ 39

Figura 41. Cadeia polimérica e unidade de repetição do PPE ................................................... 42

Figura 42. Cadeia polimérica e unidade de repetição do PVC ................................................... 42

Figura 43. Desidrocloração do PVC [6] ....................................................................................... 42

Figura 44. Funcionamento do primeiro termo do Factor de Qualidade ...................................... 44

Figura 45. Funcionamento do segundo termo do Factor de Qualidade ..................................... 45

Figura 46. Máquina de ensaios peel e pull ................................................................................. 46

Figura 47. Efeito da amplitude para parâmetros ideais de soldabilidade de QFINTEGRADO (cabo

laranja) ......................................................................................................................................... 54

Figura 48. Efeito da amplitude para parâmetros ideais de soldabilidade de QFPEEL (cabo laranja)

..................................................................................................................................................... 55

Figura 49. Efeito da amplitude para parâmetros ideais de soldabilidade de QFINTEGRADO ≡ QFPEEL

(cabo verde) ................................................................................................................................ 56

Figura 50. Análise metalúrgica em melhor QFPULL obtido na soldabilidade do cabo laranja, com

o equipamento Telsonic .............................................................................................................. 68

Figura 51. Análise metalúrgica em melhor QFPEEL obtido na soldabilidade de cabos laranja, com


Figura 52. Análise metalúrgica em melhor QFINTEGRADO obtido na soldabilidade de cabos laranja,

com o equipamento Telsonic ...................................................................................................... 70

Figura 53. Análise metalúrgica em parâmetros ideais de soldabilidade de QFINTEGRADO obtidos,

mas com amplitude de 90%, de cabos laranja com o equipamento Telsonic ............................ 71

Figura 54. Análise metalúrgica em parâmetros ideais de soldabilidade de QFINTEGRADO obtidos,

mas com amplitude de 100%, de cabos laranja com o equipamento Telsonic .......................... 72

Figura 55. Análise metalúrgica em parâmetros ideais de soldabilidade de QFPEEL obtidos, mas

com amplitude de 90%, de cabos laranja com o equipamento Telsonic .................................... 73

Figura 56. Análise metalúrgica em parâmetros ideais de soldabilidade de QFPEEL obtidos, mas

com amplitude de 100%, de cabos laranja com o equipamento Telsonic .................................. 74

Figura 57. Análise metalúrgica em melhor QFPULL obtido na soldabilidade de cabos verde, com


Figura 58. Análise metalúrgica em melhor QFPEEL≡ melhor QFINTEGRADO obtido na soldabilidade

de cabos verde com o equipamento Telsonic ............................................................................. 76

Figura 59. Análise metalúrgica em parâmetros ideais de soldabilidade de melhor QFPEEL≡

melhor QFINTEGRADO obtidos, mas com amplitude de 100%, para cabo laranja com o

equipamento Telsonic ................................................................................................................. 77

xiii

Figura 60. Análise metalúrgica em melhor QFPULL obtido para cabo laranja, com o equipamento

Schunk Minic IV e largura de referência ..................................................................................... 80

Figura 61. Análise metalúrgica em melhor QFPEEL≡ melhor QFINTEGRADO obtido para cabo laranja,

com o equipamento Schunk Minic IV e largura de referência .................................................... 81

Figura 62. Análise metalúrgica em melhor QFPULL obtido para cabo laranja, com o equipamento

Schunk Minic IV e largura de 0,88 mm ....................................................................................... 82

Figura 63. Análise metalúrgica em melhor QFPEEL≡ melhor QFINTEGRADO obtido para cabo laranja

com o equipamento Schunk Minic IV e largura de 0,88 mm ...................................................... 83

Figura 64. Esquema da folha Excel utilizada pela Delphi para proceder à validação de um

splice………………………………………………………………………………………………….…. 2

Figura 65. Esquematização da geometria a soldar e respectivos parâmetros de ensaio ............ 3

Figura 66. Esquema do gráfico potência versus tempo ................................................................ 4

Figura 67. Modo setup para o equipamento Telsonic ................................................................... 6

Figura 68. Modo de produção para equipamento Telsonic .......................................................... 6

xv

Lista de Tabelas

Tabela 3-1. Parâmetros do equipamento de SUS: Telsonic …………………………………… 30

Tabela 3-2. Parâmetros do equipamento de SUS: Schunk Minic PC…………………………. 31

Tabela 3-3. Parâmetros do equipamento de SUS: Schunk Minic IV…………………………... 31

Tabela 4-1. Parâmetros de todas os cabos disponibilizados, com secção de 0,13mm2……. 35

Tabela 4-2. Caracterização das diferentes ligas de cobre para cabo não descarnado….…. 37

Tabela 4-3. Caracterização das diferentes ligas de cobre para cabo descarnado…………... 37

Tabela 4-4. Resultados de ensaios de tracção em cabo descarnado…………………………. 38

Tabela 4-5. Composição química do metal em condição não contaminada dos cabos

ensaiados.……………………………………………………………………………………………. 40

Tabela 4-6. Composição química do revestimento dos cabos ensaiados…………………….. 40

Tabela 4-7. Análise de composição química a filamento

contaminado………………………………………………………………………………………….. 41

Tabela 5-1. Critérios de aceitação para a secção de 0,13mm2, no caso do ensaio

Pull…………………………………………………………………………………………………….. 43

Tabela 5-2. Critérios de aceitação para a secção de 0,13mm2, no caso do ensaio

Peel……………………………………………………………………………………………………. 43

Tabela 6-1. Tabela de soldabilidade………………………………………………………………. 47

Tabela 6-2. Parâmetros de referência e variações a aplicar à combinação pressão-energia

do equipamento Telsonic, para a secção total de 0,65mm2…………………….…………...….

48

Tabela 6-3. Caracterização da soldabilidade do cabo violeta com o equipamento Telsonic.. 49

Tabela 6-4. Caracterização da soldabilidade do cabo laranja com o equipamento Telsonic.. 50

Tabela 6-5. Caracterização da soldabilidade do cabo verde com o equipamento Telsonic… 51

Tabela 6-6. Tabela de avaliação de cabos multifilares de secção fina, com o equipamento

Telsonic……………………………………………………………………………………………….. 52

Tabela 6-7. Melhores factores de qualidade obtidos e parâmetros ideais de soldabilidade

US, para cabo laranja com o equipamento Telsonic…………………………………………….. 53

Tabela 6-8. Melhores factores de qualidade obtidos e parâmetros ideais de soldabilidade

US, para cabo verde com o equipamento Telsonic……………………………………………… 54

Tabela 6-9. Comparação, para a amplitude de referência do equipamento, entre QF´s

obtidos em função do número de elementos, em cabos laranja e verde……………………… 55

Tabela 6-10. Melhores QF’s obtidos com o efeito do aumento da amplitude proporcionado

nos parâmetros ideais de soldabilidade (Peel e Integrado), em cabo laranja com o

equipamento Telsonic……………………………………………………………………………….

55

Tabela 6-11. Melhores QF´s obtidos com o efeito do aumento da amplitude proporcionado

nos parâmetros ideais de soldabilidade Peel≡Integrado, em cabo verde com o

equipamento Telsonic……………………………………………………………………………….

57

xvi

Tabela 6-12. Parâmetros de referência e variações a aplicar à combinação pressão-

-energia do equipamento Schunk Minic PC, para a secção total de

0,65mm2………………………………………………………………………………………...…….

58

Tabela 6-13. Caracterização da soldabilidade do cabo laranja com o equipamento Schunk

Minic PC………………………………………………………………………………………………. 58

Tabela 6-14. Caracterização da soldabilidade do cabo verde com o equipamento Schunk

Minic PC………………………………………………………………………………………………. 59

Tabela 6-15. Tabela de avaliação de cabos com o equipamento Schunk Minic PC………… 60


-energia do equipamento Schunk Minic IV, para a secção total de

0,65mm2….…………………………………………………………………………………………...

62


Minic IV……………………………………………………………………………………………….. 62


-energia do equipamento Schunk Minic IV, para a secção total de 0,65mm2, exceptuando

a largura……………………………………………………………………………………………….

63


Minic IV para largura de 0,88mm…………………………………………………………………. 63

Tabela 10-1. Quadro com a nomenclatura de secções [34]……………………………………. 1

Tabela 10-2. Possíveis combinações de secções num splice, que inclua cabo CC,

segundo normas DIN………………………………………………………………………………... 7

Tabela 10-3. Caracterização da soldabilidade do cabo laranja, para nível energético

abaixo2 (Pull)………………………………………………………………………………………… 8


abaixo1 (Pull)………………………………………………………………………………………… 8

Tabela 10-5. Caracterização da soldabilidade do cabo laranja, para nível energético de

referência (Pull)……………………………………………………………………………………… 8


acima1 (Pull)…………………………………………………………………………………………. 9


acima2 (Pull)…………………………………………………………………………………………. 9


abaixo2 (Peel) ……………………………………………………………………………………….. 9


abaixo1 (Peel) ……………………………………………………………………………………….. 10

Tabela 10-10. Caracterização da soldabilidade do cabo laranja, para nível energético de

referência (Peel) ……………………………………………………………………………………..

10

xvii


acima1 (Peel) ………………………………………………………………………………………... 10


acima2 (Peel) ………………………………………………………………………………………... 10

xix

Nomenclatura

Amplitude – Distância, pico a pico, percorrida pelo sonótrodo (%)

Cabo – Constituído pelos multifilares metálicos e isolante polimérico

Clip – Concretização de um splice através de soldadura por ultra-sons

Fretting – Mecanismo de desgaste que ocorre entre duas superfícies, as quais praticam

movimentos oscilatórios de pequena amplitude

Kissing Bond – Zona de material em contacto mas onde não existe soldadura.

Multifilares – Conjunto de filamentos/fios que compõem o interior metálico

Peel – Ensaio mecânico que coloca incrementos da área soldada, em diferentes instantes em

carga (N)

Pull – Ensaio mecânico que coloca toda a área de soldadura em carga (N)

Secção do cabo ensaiado – Secção do cabo que é sujeito a um ensaio mecânico (mm2)

Secção total – Corresponde à área de um clip soldado e que pode ser obtido pela soma das

secções de cada cabo (mm2)

Seizure/Gripagem – Impedimento ao movimento relativo devido ao atrito interfacial, o qual pode

ser acompanhado por soldadura das superfícies

Splice – Identifica a configuração de cabos a soldar, a disposição que estes apresentam e a

secção total

Staking – Empilhamento dos filamentos

Sticking – Adesão dos multifilares ao tooling devido a parâmetros de soldadura excessivos

Tooling – Qualquer elemento mecânico do equipamento de ultra-sons responsável pela

soldadura e que contacta os multifilares durante toda a fase de soldadura.

σ – Tensão de rotura máxima do material base (MPa)

PULLPKP – Factor de qualidade interno em ensaio destrutivo Pull

PEELPKP – Factor de qualidade interno em ensaio destrutivo Peel

- Média da amostra a ensaios Pull/Peel iP

xx

LSL – Limite inferior especificado

- Desvio padrão da média da amostra em ensaios Pull/Peel

- Média de tempos de soldadura

- Desvio padrão da média de tempos de soldadura

- Mínimo da amostra em tempo de soldadura

- Mínimo da amostra em ensaio Pull/Peel

itmin

i

it

iPmin

it

1

1 Introdução

1.1 Enquadramento e objectivos

O trabalho técnico-científico executado tem um vasto suporte experimental e enquadra-se

numa estratégia de apoio e transferência de conhecimento tecnológico do Instituto Superior

Técnico (IST) para a indústria, com base em estratégias de investigação e desenvolvimento

(ID) aplicados a casos reais, realizado em cooperação entre o IDMEC, pólo IST e o

Manufacturing Excellence Center (MEC) da DELPHI-Automotive Systems em Portugal. Este

trabalho representa a continuação da colaboração em investigação e desenvolvimento

tecnológico entre o IST e a Delphi, a qual gera resultados de valor acrescentado para ambas

as instituições.

A indústria automóvel é paradigma de uma área industrial de elevada competitividade, onde

existe necessidade de apresentar contínuas inovações, incorporando resposta a permanentes

desafios postos pelo mercado e nova regulamentação. Muitas das soluções implementadas

passam pelo desenvolvimento da actuação e controlo eléctrico e electrónico dos múltiplos

sistemas de engenharia que compõem o veículo, nomeadamente, motorização, segurança e

conforto. Esta tendência leva a que a extensão total do sistema de cablagens seja cada vez

maior e que a sua fiabilidade assuma uma importância vital.

Uma das soluções encontradas para redução de peso e volume do sistema de cablagens, foi a

redução da secção dos cabos multifilares de cobre, sem comprometer a sua resistência

mecânica. Esta exigência levou ao desenvolvimento de novos cabos multifilares em diversas

ligas de cobre, com novos tipos de revestimento, que apresentam propriedades mecânicas e

eléctricas equivalentes aos cabos originais de cobre. No entanto, verificou-se que a

soldabilidade destes novos cabos ficou comprometida, utilizando as mesmas condições

tecnológicas de fabrico. O principal processo tecnológico de soldadura aplicado na soldadura

das cablagens multifilares é a Soldadura por Ultra-Sons (SUS).

Assim, o presente trabalho pretende realizar a caracterização e desenvolvimento da

soldabilidade de cablagens multifilares, de liga de cobre de secção fina, avaliando distintos

equipamentos de SUS existentes no mercado. Um dos requisitos é a obtenção de ligações com

propriedades mecânicas equivalentes às obtidas nas cablagens multifilares de cobre originais,

garantindo que os mesmos critérios de qualidade são cumpridos. De uma forma mais geral, a

tecnologia de SUS de metais representa um desafio técnico e científico relevante, com elevado

potencial de impacto na indústria.

Os principais objectivos deste trabalho são:

Caracterizar as propriedades mecânicas e eléctricas de diferentes

equipamentos de SUS, aplicáveis a cablagens multifilares de secção fina;

2

Avaliar as propriedades mecânicas de diferentes cabos multifilares de liga de

cobre de secção fina;

Caracterizar a composição química (interna) das ligas de cobre utilizadas;

Estabelecer a influência dos diferentes revestimentos dos cabos na

composição química superficial dos multifilares;

Caracterizar a soldabilidade por ultra-sons, para diferentes equipamentos

aplicados na ligação de diferentes cablagens multifilares, de liga de cobre de

secção fina;

Caracterizar as ligações realizadas em termos de aspectos geométricos,

propriedades mecânicas e metalúrgicas;

Desenvolver o conhecimento sobre os mecanismos de ligação durante o

processo de SUS, de cabos multifilares de liga de cobre de secção fina;

Desenvolver um novo critério de avaliação da qualidade das ligações soldadas,

considerando de forma integrada: i) aspectos de produtividade, ii) força de

resistência máxima sob esforços de corte (pull), iii) força de resistência máxima

sob esforços de arrancamento (peel).

1.2 Estrutura do relatório

O relatório encontra-se estruturado em nove capítulos e anexos, do seguinte modo:

Capitulo 1 – apresentação do enquadramento do trabalho, bem como dos objectivos a realizar

e definição da estrutura do relatório

Capítulo 2 - levantamento do estado de arte, dividido em duas partes: potencialidades da

redução da secção das cablagens, comportando os prós e os contras da sua utilização;

soldadura de cablagens por ultra-sons, que abrange tópicos como: os mecanismos de ligação

presentes e as possíveis operações de soldadura inerentes, os diversos componentes do

equipamento bem como os parâmetros do processo, a metalurgia da soldadura e as

propriedades dos materiais a soldar, as diversas fases do ciclo de soldadura, o

desenvolvimento da temperatura na soldadura, o controlo da qualidade dos cabos, os factores

com influência na soldadura e a designação dos clips soldados.

Capítulo 3 – descrição dos equipamentos e seus intervalos de funcionamento, efectuando-se a

representação das diversas curvas de funcionamento dos equipamentos, para os vários

parâmetros do processo.

Capítulo 4 – efectua a caracterização, através de ensaios de tracção, dos diferentes cabos

multifilares de secção fina em liga de cobre, tanto em cabo descarnado como não descarnado,

sendo descritos os seus procedimentos e conceitos. Engloba também uma análise química aos

constituintes de um filamento limpo e outro com contaminantes, implicações que influenciam a

soldabilidade dos cabos.

3

Capítulo 5 – descrição de critérios estabelecidos para ensaios destrutivos e funcionamento dos

novos factores de qualidade. Explica critérios técnicos de aceitação e de realização de

soldadura e especifica o equipamento para a realização de ensaios destrutivos.

Capítulo 6 – engloba a caracterização da soldabilidade dos diferentes cabos, mediante a

utilização de diversos equipamentos e parâmetros. Analisa o efeito do aumento da amplitude e

o efeito da redução da largura, para equipamentos distintos, assim como verifica a

sensibilidade a parâmetros definidos pelas várias combinações pressão-energia. São avaliados

os vários factores de qualidade obtidos, as várias resistências mecânicas da soldadura, bem

como os diversos tempos de soldadura para os distintos equipamentos e cabos.

Capítulo 7 – analisa a metalurgia da soldadura dos melhores resultados de índices de

qualidade, efectuados pela caracterização da soldabilidade, mediante a aplicação das

diferentes combinações pressão-energia. Verifica a análise metalúrgica a diversos clips,

efectuados com distintos equipamentos e com diferentes parâmetros, com o intuito de

compreender o funcionamento dos mecanismos de ligação inerentes. E ainda analisa o

impacto que, diferentes parâmetros têm na soldadura.

Capítulo 8 – apresenta as conclusões do relatório e propostas para trabalho futuro a realizar.

Anexos – englobam a nomenclatura de secções, os critérios de aceitação e validação, as

possíveis combinações num splice que inclua cabos CC, o desenvolvimento da soldabilidade

por SUS do cabo laranja, a análise do efeito de amplitude e a análise metalúrgica ao

balizamento de parâmetros.

5

2 Estado da Arte

2.1 Introdução

A indústria automóvel passa por uma revolução tecnológica e os veículos de hoje necessitam

de ser mais do que um mero transporte; têm de entreter, informar, conectar e proteger os seus

passageiros e um dos cenários competitivos depara-se com todos os recursos e

funcionalidades disponíveis, constatando-se que o verdadeiro desafio para os fabricantes de

automóveis é incorporar recursos e funcionalidades, sem um substancial aumento de peso e

custo [2].

2.2 Potencialidades da redução de secção das cablagens

Desenvolver a arquitectura eléctrica e electrónica (E/E) é um trabalho rigoroso e envolve todo o

sistema eléctrico e electrónico bem como o design do subsistema, dos compartimentos físicos

e funcionais e do layout físico dos subsistemas dentro do veículo [8], conforme se representa

na Figura 1. Trata-se de um campo em rápida evolução e impulsionado pelas necessidades

dos consumidores, pela regulamentação governamental e pelo aumento da utilização de

conteúdos eléctricos e electrónicos [10]. Esta arquitectura E/E é de importância vital, cruzando

todos os sistemas do veículo em diversos elementos, que se incluem em categorias como

redes de dados, diagnósticos, tolerância a falhas de energia, gestão de energia e redes de

sinal, entre outros [2][8].

Figura 1. Disposição de sistemas eléctricos e electrónicos [2][8]

Nos últimos vinte anos a quantidade de cablagens nos veículos mais do que duplicou, mas o

espaçamento necessário para o seu acomodamento/acoplamento não aumentou e, de facto,

na maioria dos casos até reduziu, constatando-se uma optimização dos blocos funcionais

elementares, onde se verifica a diminuição da secção das cablagens [8]. Por exemplo, o

tamanho de um cabo de distribuição de sinal mudou radicalmente nas últimas três décadas: em

1979 o cabo tinha uma secção de 0,75mm2, em 1998 passou a uma secção de 0,5mm

2, em

2006 a uma secção de 0,35mm2 e em 2010 a uma secção de 0,13mm

2 [7][10].

6

Figura 2. Vantagens da redução de secção de 0,35mm2 para 0,13mm

2 [9]

Existem boas razões para salientar a importância da redução da secção das cablagens,

conforme a Figura 2, pois componentes menores ocupam menos espaço, pesam menos e

necessitam de menos material, originando uma poupança energética, uma redução das

emissões de gases com efeito de estufa, menor consumo de matéria-prima, custos inferiores,

melhoria de qualidade, menor complexidade de fabricação, entre outras [9].

Os avanços na tecnologia de produção, tais como processos de montagem automatizada, para

permitir que continue a tendência de miniaturização, para reduzir tamanho e peso num veículo,

implicam a utilização de cablagens de secção fina. Estas apresentam benefícios e avanços

únicos e serão essenciais aos processos de produção no futuro.

As propriedades mecânicas dos cabos multifilares de secção fina, no caso em estudo de

0,13mm2 de secção, foram significativamente melhoradas através da introdução de novos

materiais poliméricos de revestimento e adição de elementos de liga [1]. As novas condições

proporcionam alta resistência sem sacrificar o desempenho mecânico do equipamento [7][8],

comparando-se as propriedades mecânicas dos cabos multifilares de secção fina aos cabos

multifilares de 0,35mm2 de secção, tendo apenas metade do tamanho [9].

Para a maioria dos produtos inovadores se tornarem realidade e concederem benefícios, os

processos avançados de fabrico necessitam também de ser desenvolvidos [10]. É o caso das

cablagens multifilares de secção fina, onde é importante garantir a manufactura, o

manuseamento das cablagens na aplicação ao veículo e simultaneamente garantir fiabilidade,

segurança e consistência, ao serem incorporadas [9] num veículo, surgindo a necessidade de

desenvolver a sua soldabilidade por SUS.

2.3 Soldadura por ultra-sons

2.3.1 Enquadramento e princípios de funcionamento

A soldadura por ultra-sons (SUS), de metais, surgiu na década de quarenta do século XX,

quando se tentou aplicar ultra-sons à soldadura por resistência [11] e onde se percebeu que

seria uma técnica suficiente para unir metais [3][11][12][13].

7

A SUS é um processo de soldadura no estado sólido na qual os metais, similares ou

dissimilares a unir, são colocados em contacto sob pressão moderada, enquanto se aplica

vibração ultra-sónica, sendo a direcção das vibrações paralela à interface de contacto entre

peças e de elevada frequência, durante um curto período de tempo e sem utilização de

adesivos ou fluxos [3][11][12][14][15][16][17]. O movimento relativo entre peças a frequência

ultra-sónica, acima de 20kHz, promove o aparecimento duma soldadura por distorção e

deformação plástica progressiva das asperidades nas superfícies das peças, que constituem a

interface de contacto. A deformação plástica fractura e dispersa os óxidos e contaminantes

superficiais, ficando subsequentemente superfícies de metal puro em contacto entre si, o que

culmina com a formação de uma ligação metalúrgica [12]. A utilização deste processo de

soldadura aplica-se principalmente na união de polímeros e metais macios, como cobre e

alumínio, estando presente em aplicações da indústria automóvel, aeroespacial, bem como na

indústria de energia solar [18].

Actualmente a compreensão total dos fundamentos mecânicos do processo ainda não está

completa [3]. A ausência de conhecimento é particularmente relevante no que concerne à

dinâmica da soldadura e a relação desta com a dinâmica do equipamento de SUS [12]. Na

mecânica da soldadura é de referir a falta de conhecimento da relação existente entre os

diversos parâmetros que caracterizam o processo e a consequente deformação plástica

inerente na ligação. Além disto, tempos de soldadura pequenos (inferiores a 1 segundo) e uma

pequena zona de ligação (menor que 10µm) limitam a aplicabilidade de muitas técnicas de

caracterização da ligação em tempo real, como a medição de temperaturas, a caracterização

das peças finais através de metalografia, microdureza e difracção de raios-X [23].

Monitorizar a SUS contabilizando qualquer alteração dos parâmetros de soldadura, durante a

execução de um ciclo de soldadura, tem sido o alvo de investigadores, como Edgar Vries, Jahn

e Cooper, entre outros, mas até agora isto ainda não foi alcançado. Variadíssimas alterações

aos parâmetros já foram efectuadas, mas nenhuma clarificou a relação da qualidade da

soldadura (isto é resistência mecânica da soldadura) [19].

Este processo de ligação, quando comparado com processos concorrentes, nomeadamente a

soldadura por resistência, dispende menos energia e não altera de forma tão significativa as

propriedades originais do material a soldar. Na SUS todas as questões relevantes como a

fusão, resolidificação de material base e o resultante impacto nas características e

propriedades deste, não se encontram presentes, contrariamente à soldadura por resistência,

onde o ponto de soldadura funde e resolidifica, ficando as áreas adjacentes fortemente

influenciadas pelas altas temperaturas atingidas durante a soldadura. Isto significa que a

soldadura equivalente por ultra-sons é superior à soldadura por resistência [17]. A SUS é

simples, eficiente, segura e permite a ligação no estado sólido [3][14], com baixa geração de

calor [3].

8

2.3.2 Mecanismos de ligação e possíveis operações de soldadura

A soldadura de metais pode-se classificar em três tipos: i) soldadura por fusão, ii) soldadura por

brasagem e iii) soldadura no estado sólido. A soldadura no estado sólido pode decorrer acima

ou abaixo da temperatura de recristalização dos metais envolvidos. A soldadura por ultra-sons

cai no último caso, envolvendo a recristalização parcial das zonas de ligação, por aplicação de

energia mecânica e desenvolvimento de calor resultante da deformação plástica localizada.

Apesar dos mecanismos de ligação da SUS não serem claros, existem três factos inegáveis:

não ocorre fusão durante a soldadura por ultra-sons, como sugerido por Devine [20], uma vez

que a temperatura máxima atingida representa apenas 35 a 50% do ponto de fusão [17],

embora outras referências indiquem temperaturas entre os 60 a 80% do ponto de fusão [19]; na

interface de ligação existe uma camada severamente deformada [17]; e, por fim, as camadas

de óxidos e contaminantes entram em rotura durante este tipo de soldadura [12][17][19][20].

A SUS é um processo de união entre duas ou mais peças, normalmente metálicas, por

coalescência localizada ou união através da interface, conforme a Error! Not a valid

bookmark self-reference., significando que os átomos das peças soldadas são colocados em

contacto e que a distância entre dois átomos, pertencentes a

diferentes peças, é aproximadamente igual à distância

interatómica do material base. Além disso, os átomos das duas

ou mais peças soldadas devem exibir forças de atracção mútua

(adesão) comparáveis às forças de ligação entre dois átomos

que não participem na ligação e se encontrem no interior do

metal. Esta coalescência deve ocorrer numa área da interface

(área macroscópica), a qual é de maior ordem de grandeza,

comparativamente com às distâncias interatómicas [19].

A partir disto, é claro que o processo de SUS tem de promover a soldadura das peças em

contacto atómico mútuo, ao longo da área macroscópica, a fim de alcançar a adesão. Quando

as superfícies das peças a soldar são colocadas em contacto sobre a actuação de pressão

normal e a temperatura da interface é aumentada para 50 a 80% da temperatura de fusão da

peça a soldar, com valor mais baixo de ponto de fusão, a soldadura ocorre sem desenvolver

fusão [19]. A temperatura elevada, os átomos de contacto atómico mútuo ao longo da área

macroscópica, podem difundir-se no material das peças a soldar e os átomos do material na

interface podem reorganizar-se de tal forma que o contacto atómico limpo é criado na área

macroscópica [19], desenvolvendo-se uma soldadura por ultra sons caracterizado por

mecanismos de ligação de origem difusiva. Este é apenas um dos mecanismos de ligação

presente nos processos de soldadura em estado sólido e o mecanismo de ligação a aderir as

peças é realizado sem a necessidade de uma interface líquida ou a criação de fusão e

resolidificação [17].

Figura 3. SUS em cabos

multifilares de secção fina

9

Assim, a soldadura por difusão, conforme a Figura 4, facilita a união de materiais para produzir

componentes com nenhuma descontinuidade abrupta na microestrutura e com um mínimo de

deformação [17].

Em qualquer mecanismo de ligação no estado sólido por aplicação de pressão, existe duas

áreas principais de preocupação: qual será o mecanismo de ligação material e qual a

resistência da ligação?

Este trabalho irá incidir na quantificação de adesão, união e caracterização interfacial bem

como na estabilidade para a execução do processo de soldadura e seus mecanismos de

ligação, após a realização de um conjunto sucessivo de soldaduras com o que aparenta ser

uma aplicação igual dos parâmetros de soldadura [3].

O contacto atómico entre duas superfícies também pode ser

criado apenas através da aplicação de pressão mecânica

[19]. Um contacto atómico limpo pode ser alcançado ao

longo da área macroscópica, mas culmina numa ligação por

forças de atracção mútua (adesão) fraca, quando

comparada com uma soldadura por difusão. Isso pode

acontecer quando a superfície de contacto com a interface é

esticada, devido à deformação das peças a soldar. Esta

operação é chamada de soldadura a frio [19].

Quando se querem ligar metais através da SUS, deve ocorrer deslizamento entre as

superfícies metálicas, sob uma pressão normal, sem a presença de camadas de óxidos [13].

Assim, com a posterior aplicação de vibração, os multifilares em contacto com o sonótrodo irão

deslizar relativamente à interface de soldadura, resultando em deformação plástica [12].

Simultaneamente, pequenas ilhas de soldadura começam a formar-se, ligando os vários

multifilares. À medida que o processo avança no tempo, mais ilhas se formam e crescem,

ligando todos os multifilares, até que a potência fornecida é insuficiente para continuar o

processo de deformação plástica [12].

O mecanismo de seizure (gripagem) só ocorre para pressões muito elevadas e descreve um

mecanismo de adesão ou soldadura de dois corpos, devido ao crescimento catastrófico de

asperezas em contacto por deformação plástica, para acomodar a tensão aplicada [21][22]. A

deformação plástica é suficiente para gerar calor, extremamente localizado na interface [38].

Este calor, que depende das propriedades térmicas do material, pode ser suficiente para

causar uma série de fenómenos e alguns autores verificaram a ocorrência de recristalização,

difusão e mesmo fusão localizada, em pequenos pontos da interface [12].

Os maiores contributos para o atrito por deslizamento, verificado na ocorrência da soldadura e

proporcionado pela aplicação de energia vibratória, advêm das interacções mecânicas entre

Figura 4. Ligação metálica (por

adesão e difusão) na SUS de cobre

10

asperezas. Quando ocorre atrito por deslizamento são identificadas duas forças que é

necessário vencer para continuar o deslizamento: força de adesão desenvolvida nas áreas de

real contacto entre superfícies (junções) e força de deformação necessária para lavrar as

asperezas mais macias, pelas asperezas de maior dureza. O termo de adesão surge devido às

forças atractivas entre superfícies e que se fazem sentir entre asperezas em contacto. Esta

adesão só se faz sentir se as superfícies estiverem limpas, ou seja, livres de contaminantes,

filmes de óxidos e de gases absorvidos. As vibrações ultra-sónicas rompem e dispersam os

filmes de óxidos superficiais, permitindo contacto metálico, assim, as duas superfícies formam

ilhas de soldadura, com cerca de 10 a 100µm de comprimento, através de um mecanismo em

tudo semelhante ao fretting. Neste mecanismo de desgaste, óxidos são removidos e

dispersados e o número de micro-soldaduras e a sua dimensão cresce. A área de contacto real

cresce devido à pressão normal e à acção das forças tangenciais ou de corte [19].

O aquecimento localizado, devido ao atrito e a deformação plástica nas asperezas em

contacto, estão na base da formação de pequenas ilhas de soldadura ou micro-soldaduras [15].

Estudos realizados com microscópio electrónico de transmissão (TEM), por Vries [12], mostram

que duas superfícies em contacto formam uma interface semelhante a um limite de grão, sem

qualquer tipo de filme a separar e sem evidência de zona fundida, quando se aplica a SUS.

Podem existir partículas que se acumulam na interface, partículas provenientes da camada de

óxidos, devido aos mecanismos de desgaste [3].

No mesmo estudo com TEM, zonas de kissing bond apresentam uma estrutura pouco

deformada, quando comparada com a zona de ligação. Na zona de ligação, a microestrutura é

típica de uma amostra que foi severamente deformada e, seguidamente, sofreu recuperação

e/ou recristalização parcial, o que explica o aparente amaciamento. Sob deformação ocorre

encruamento, tornando a deformação cada vez mais difícil. Se ocorrer recuperação durante o

processo de união (devido à aplicação de energia vibratória e consequente aumento de

temperatura), a deformação adicional não requer aumento de força [3].

Alguns autores reportaram o aparecimento de grãos muito pequenos na zona de contacto,

atribuindo este fenómeno à recristalização e negando o efeito de fusão [16].

2.3.3 Componentes do equipamento de SUS

Os componentes essenciais de um equipamento de SUS são:

Um mecanismo para segurar e colocar as peças em contacto através de

pressão, para posterior soldadura,

Um mecanismo para aplicar energia vibratória, a uma(s) das peças a

soldar,

Uma fonte de energia vibratória,

Um circuito de controlo de tempo de aplicação de pressão e de energia

vibratória [13] [38].

11

O projecto específico ou o tipo de componentes requeridos para efectuar um equipamento de

US, depende do tipo de soldadura desejada [13] [38] e do material a soldar.

Os equipamentos de SUS convencionais distinguem-se em dois grupos: sistemas de wedge-

-reed ou sistemas de lateral-drive. O sistema de wedge-reed contém um fornecedor de

potência que converte potência eléctrica de 50 a 60 Hz em energia eléctrica de elevada

frequência, aproximadamente 20000 ciclos [17][21]; enquanto o sistema lateral-drive contém

um transdutor que converte energia eléctrica em energia mecânica, com a mesma frequência,

aplicando-a às peças a serem soldadas, normalmente acima dos 15 kHz [17][21].

Os sistemas apresentam diferenças pois a disposição do sonótrodo e da bigorna é distinta; no

sistema lateral-drive a bigorna encontra-se em cima, enquanto o sonótrodo abaixo do plano de

soldadura [12] e o oposto é verificado no sistema wedge-reed.

Outra das diferenças é que o sistema lateral-drive permite que a amplitude seja escolhida pelo

operador [24], contrariamente ao sistema wedge-reed. O sistema wedge-reed é normalmente

aplicado a equipamentos de média e elevada potência [3], contrariamente ao sistema lateral-

-drive. Assim, constata-se que os equipamentos de SUS para cablagens apresentam um

sistema lateral-drive, que se encontra representado na Figura 5:

1. Fonte de potência;

2. Transdutor;

3. Amplificador;

4. Força normal;

5. Bigorna;

6. Peças a soldar;

7. Direcção de vibração;

8. Sonótrodo.

Figura 5. Sistema lateral-drive [19]

A vibração é transmitida através do sonótrodo para a peça de trabalho, com este a vibrar

paralelamente ao plano da interface [25]. Apenas algumas das peças a ligar estão em contacto

com o sonótrodo, enquanto outras estão em contacto com a bigorna [25]. Uma força estática é

aplicada perpendicularmente ao plano da interface, de modo a apertar as peças a soldar entre

o sonótrodo e a bigorna. A acção do atrito entre as superfícies das peças de trabalho em

conjunto com a pressão estática aplicada, dispersam os filmes de óxidos e os contaminantes à

superfície, levando ao contacto e à ligação metálica [12][13].

12

2.3.3.1 Conversores de frequência

O conversor de frequência é uma peça que usualmente se encontra separada do conjunto

transdutor/sonótrodo, estando ligado a estes por meio de um cabo coaxial. Tal como o conjunto

referido, o conversor está concebido para trabalhar a uma frequência específica e tem uma

variação admissível muito estreita, aproximadamente 1 a 2% de variação, acima ou abaixo

desta frequência. É essencial para uma soldadura bem sucedida que o conversor esteja

afinado, para trabalhar precisamente à frequência que o transdutor e o sonótrodo estão

definidos. As frequências típicas de funcionamento encontram-se no intervalo de 15 a 60kHz e

a potência disponível é de apenas alguns Watt até 16kW [3][17].

A frequência de vibração para a maioria das tecnologias de USW é tipicamente 20kHz ou

acima [15][29][38].

2.3.3.2 Transdutores

Os transdutores recebem sinais eléctricos a altas frequências e convertem-nas em vibração

mecânica à mesma frequência [26]. Os transdutores podem ser piezoeléctricos ou

magnetoestrictivos, elementos que alteram a sua dimensão física em resposta a um campo

eléctrico ou magnético, respectivamente [13][25]. Os magnetoestrictivos são constituídos por

uma estrutura empilhada de chapas de níquel ou liga de níquel, que varia de comprimento

consoante a densidade de fluxo magnético que a atravessa. Esta estrutura é bastante robusta,

conseguindo trabalhar continuamente durante longos períodos de tempo, embora possua baixa

eficiência de conversão de energia eléctrica, na ordem dos 25 a 35% [3][17].

Os piezoeléctricos compostos por materiais cerâmicos, como titanato zirconato de chumbo [26],

variam de dimensões com a aplicação de um campo eléctrico variável. A eficiência dos

piezoeléctricos é cerca do dobro da eficiência dos magnetoestrictivos [3][17].

Para que não sofram qualquer perda de eficiência ou alteração de características durante o

ciclo de trabalho, tanto os magnetoestrictivos como os piezoeléctricos são equipados com

sistemas de arrefecimento, para mantê-los a temperaturas baixas [3][11][17].

2.3.3.3 Amplificador

Um amplificador ligado a um transdutor aumenta, diminui ou faz

simplesmente a ponte entre o transdutor e o sonótrodo [25].

O amplificador, representado na Figura 6 com um anel de

fixação, amplifica a vibração longitudinal gerada pelo transdutor

e serve também de apoio fixo, pois ao solicitar todo o conjunto a

uma torção ou força descendente, o sonótrodo comprime o

amplificador [13].

Figura 6. Sistema lateral drive

da Schunk Minic PC

13

2.3.3.4 Tooling

O tooling é composto por todos os componentes do sistema de fixação,

conforme a Figura 7, que estão em contacto com os cabos a soldar:

sonótrodo, bigorna, placa de retoque e garra deslizante. Depois da

aplicação da pressão de aperto, a energia dos ultra-sons é aplicada

através do(s) cabo(s) que está(o) em contacto com o sonótrodo. A

bigorna mantém o(s) cabo(s) superior(es) estático(s), e sob aplicação de

pressão, de modo que a energia seja concentrada na interface entre os

dois ou mais cabos a soldar [18].

O tooling deve ter dureza elevada para suportar inúmeras soldaduras,

boa tenacidade para evitar a fractura e boa resistência a temperaturas

elevadas [18], diferindo a sua geometria de equipamento para

equipamento e consoante as propriedades do material a soldar.

A condutividade térmica do tooling, conforme sugere Antonevich, também deve ser baixa, pois

a temperatura parece ser um factor importante na qualidade da soldadura [13].

Sonótrodo

O sonótrodo é uma peça ou ferramenta que está exposta a vibração ultra-sónica e a transmite

aos cabos a soldar [17], estando concebido para trabalhar e entrar em ressonância a uma

frequência nominal específica [11].

Seguindo a banda de frequência standard utilizada para vibração ultra sónica (de 20kHz a

70kHz), o sonótrodo vibra na frequência como "contracção" e "expansão" x vezes por segundo

(x é a frequência). A amplitude é de 12-25μm para os equipamentos disponibilizados para SUS.

Essa ressonância acústica de meio comprimento de onda, segue as características do módulo

de elasticidade E do material (módulo de Young), a sua densidade ρ, a velocidade de

propagação do som através do material e a sua frequência [27].

Os materiais utilizados no seu fabrico são aço inox ou uma liga de titânio, sendo especialmente

seleccionados para minimizar as perdas de energia, conferir elevada resistência à fadiga e

aumentar o tempo de vida da peça. Assim, é assegurado o máximo de transmissão de energia

e o máximo de durabilidade sob os esforços estáticos e vibratórios aplicados durante o

processo [3][17].

Importa salientar que para minimizar o escorregamento relativo entre o(s) componente(s) que

está(o) em contacto com o sonótrodo, este apresenta uma superfície com múltiplas pirâmides

ou ondas, paralelas umas às outras, conforme a Figura 8, que identam os multifilares,

obrigando-os a vibrar conjuntamente com o sonótrodo [17].

Figura 7. Ferramentas que

constituem o tooling

Bigorna

Garra Deslizante

Sonótrodo

Placa de Retoque

14

Devido ao desgaste superficial, o sonótrodo deve ser permutado quando se achar conveniente,

normalmente ao fim de milhares de soldaduras [11]. Além disso, deve ser alvo de limpeza

constante, pois durante um ciclo de soldadura, metal proveniente dos cabos a soldar pode ficar

entre as pirâmides, impedindo a identação e introduzindo impurezas, sendo crucial uma

escolha correcta dos parâmetros de soldadura [17].

A B A B

Figura 8. Sonótrodo do equipamento Schunk Minic PC e Schunk Minic IV

A – face que contacta os multifilares, B – perspectiva sobre as ondas

O sonótrodo do equipamento Telsonic não se encontra representado, por implicar a

descalibração do tooling de um equipamento, que se encontra em fase de testes.

Bigorna

A bigorna é a componente mecânica que aplica pressão aos multifilares a soldar, através de

um sistema que pode ser: hidráulico, para equipamentos de potência elevada ou pneumático,

para dispositivos de potência intermédia e baixa [17].

Como descrito anteriormente, o sonótrodo é concebido para ser um elemento ressonante do

equipamento, a bigorna, por seu turno, é o elemento contra-ressonante, estando estática e em

aplicação de pressão, no decorrer do ciclo de soldadura, amortecendo a transmissão de

energia, de modo a concentrá-la nos materiais a soldar. Tal como no caso do sonótrodo, a

superfície deste elemento apresenta ondas paralelas, como apresentado na Figura 9, com o

mesmo objectivo de impedir o escorregamento, mantendo os multifilares que se encontram em

contacto com a bigorna, estáticos, enquanto os que se encontram em contacto com o

sonótrodo escorregam no decorrer da formação da soldadura [3][11][17]. Este componente do

tooling também é submetido a desgaste, pelo que a sua ligação mecânica ao sistema permite

removê-la quando apresentar desgaste [14].

Importa também referir que a bigorna apresenta um número diferente de ondas paralelas

consoante o equipamento utilizado, conforme a Figura 9; o equipamento Telsonic apresenta 9

ondas, bem como o equipamento Schunk Minic PC, já o equipamento Schunk Minic IV

apresenta 11 ondas. Este componente dos equipamentos Telsonic e Schunk Minic PC

apresenta uma onda central de maior altura e em todos os equipamentos a primeira e última

onda têm menor altura que as restantes. O comprimento da bigorna também difere consoante

15

o equipamento, sendo de 12,5mm para o equipamento Telsonic, 13,0mm para o equipamento

Schunk Minic PC e 9,0mm para o equipamento Schunk Minic IV. Diminuir o comprimento da

bigorna proporciona melhorias nos ensaios de torção e flexão ao clip, expressos pelo campo 6

de §10.2.

Figura 9. Perspectivas da bigorna dos equipamentos: Telsonic, Schunk Minic PC e Schunk Minic IV A – face que contacta os multifilares, B – morfologia das ondas

As ondas do equipamento Schunk Minic IV possuem raio de curvatura, para aumento da área

em contacto com os multifilares. Bloss, no trabalho de investigação, concluiu que a bigorna

com maior área em contacto com os multifilares, produziu as resistências mais elevadas,

enquanto a bigorna com a área mais pequena produziu as resistências mais baixas [18].

Placa de retoque

Foi concebida a placa de retoque, para constringir lateralmente os cabos a soldar, conforme a

Figura 10. O espaço entre este componente do tooling e o sonótrodo deve ser o menor

possível, para que não haja fuga de material. Define a largura do splice e move-se

verticalmente com a bigorna [11].

Figura 10. Placa de retoque do equipamento Telsonic e Schunk Minic PC

A placa de retoque dos equipamentos Telsonic e Schunk Minic IV não apresenta ranhuras, já o

equipamento Schunk Minic PC tem ranhuras superficiais para homogeneizar a compactação do

material, melhorando a qualidade do clip soldado.

A B A B A B

16

Garra deslizante

Conjuntamente com a placa de retoque, a garra deslizante, que se move horizontalmente,

define a largura do splice. A sua base apresenta ondas, conforme a Figura 11, de modo a

poder deslizar sobre o sonótrodo, sem que haja contacto, embora a distância entre ambos

deva ser a mais reduzida possível, impedindo que haja espaço para fuga de material durante a

soldadura [11].

Figura 11. Perspectivas de uma garra deslizante do equipamento Schunk Minic PC

A- face que contacta os multifilares; B- base da garra deslizante [11]

2.3.4 Parâmetros da SUS

Os parâmetros mais importantes a ter em consideração na SUS são parâmetros de sistema e

parâmetros de material [12]. Os parâmetros de sistema presentes no processo incluem

variáveis como o tempo de soldadura, a amplitude de vibração, a pressão aplicada ao splice a

soldar, a energia eléctrica – produto da potência e do tempo de soldadura, e a frequência.

Alguns destes parâmetros dependem uns dos outros e a relação entre eles depende do

equipamento de SUS utilizado [18].

Os parâmetros de material são: a condição superficial dos multifilares, a estrutura cristalina, a

dureza e as dimensões exteriores das peças [12].

A resistência da soldadura é proporcional à pressão estática aplicada ao splice a soldar, ao

tempo de soldadura, à amplitude de vibração, à energia eléctrica fornecida, à temperatura e ao

desgaste das ferramentas. Existem limites aplicáveis a estas variáveis, observando-se um

enfraquecimento da resistência da soldadura, quando excedidos [13].

2.3.4.1 Tempo de soldadura

O intervalo de tempo durante o qual a potência ultra-sónica é entregue ao splice a soldar

encontra-se, normalmente, entre 10ms (milissegundos), para secções pequenas, e 1000ms

para secções maiores [11][16][17], dependendo também dos materiais a soldar.

Potências elevadas e tempos curtos de soldadura proporcionam, normalmente, melhores

índices de resistência da soldadura, do que o inverso. Tempos de soldadura muito elevados

tendem a provocar um aquecimento interno da peça, mau acabamento superficial e fissuras

internas na interface de soldadura [3][28].

A B

17

Um intervalo de tempo de soldadura ideal resulta numa interface mais contínua, elevadas

resistências, elevadas tenacidades e resistência à fadiga [11][28], devido ao crescimento da

área real de soldadura.

2.3.4.2 Amplitude de vibração

A amplitude está directamente relacionada

com a potência entregue à secção a soldar

[17]. Logo, como a frequência do sistema é

fixa, apenas se pode aumentar a amplitude

de vibração do sistema, aumentando a

entrega energética, originando uma maior

distância percorrida pelo sonótrodo no

mesmo intervalo de tempo.

Amplitudes baixas implicam um aumento do

tempo de soldadura e podem levar a que não

ocorra adesão na interface, devido ao

amortecimento natural das vibrações que

ocorre dentro do material que constitui o

splice a soldar. Contrariamente, amplitudes altas provocam deformações plásticas elevadas e

elevada geração de calor na interface [3][19]. A amplitude facilita os processos difusivos e a

coalescência dos pontos de soldadura e reduz o tempo de soldadura para o desenvolvimento

de uma boa união.

Depreende-se que a resistência da soldadura evolui para um patamar constante à medida que

se entrega energia ao longo do tempo e que o aumento de amplitude tem um papel importante

no aumento de resistência mecânica dos clips [19], conforme a Figura 12.

2.3.4.3 Pressão

Esta variável dos parâmetros de sistema influência a deformação plástica que ocorre na

interface, promovendo a compactação inicial do material e aproximando as superfícies

metálicas na interface, de modo a que se gerem fenómenos de adesão e difusão metálica [28].

A pressão aplicada ao clip, é directamente proporcional à pressão pneumática aplicada, no

interior do cilindro actuador do equipamento, que difere de equipamento para equipamento e é

inversamente proporcional à área a soldar, que difere com a geometria do tooling. A pressão a

aplicar depende também das propriedades dos materiais, do seu estado superficial, da

geometria de soldadura e da potência ultra-sonora [17].

Existe uma pressão mínima necessária para destruir os filmes de óxidos [21] e atingir contacto

íntimo através da interface. Pressões insuficientes conduzem ao deslizamento entre o

sonótrodo e os multifilares com os quais estão em contacto, resultando em desgaste do

Figura 12. Gráfico resistência mecânica versus tempo

de soldadura para diferentes valores de amplitude

18

sonótrodo [3][11] e aquecimento excessivo junto à área de soldadura [16][21]. Pressões

elevadas provocam excessiva deformação plástica no material existente entre a bigorna e o

sonótrodo, resultando numa diminuição de resistência da soldadura por redução de secção e

formação de rebarba. Origina um aumento da potência necessária para a realização da

soldadura, embora diminua a temperatura máxima alcançada dentro desta [3].

2.3.4.4 Energia

A energia a aplicar ao splice depende da dureza do material e da secção total dos cabos a

soldar. Materiais com maior dureza necessitam de mais energia do que materiais macios, para

a mesma secção e secções maiores requerem mais energia que secções menores [17],

conforme a Figura 13.

Figura 13. Relação entre energia e espessura para os vários metais e várias durezas [28]

A energia aplicada influência a resistência da soldadura, uma vez que a energia tem como

função aumentar e levar à coalescência as áreas micro-soldadas na interface, através de

deformação plástica severa entre asperezas em contacto [11][15]. Assim, três casos distintos

são apontados, no caso do ensaio pull:

Défice energético conduz a kissing bonds [11], ou seja, fraca adesão do material base

das peças [3];

Excesso de entrega energética provoca redução de secção transversal do splice,

extrusão de material, rebarba, distorção da soldadura e por vezes sticking, com

consequente perda de resistência mecânica [11][15];

Se não ocorrer extrusão de material e redução de secção transversal, constata-se que

a resistência de uma soldadura atinge um patamar limite [3], a partir do qual com o

posterior aumento de energia, não verifica aumento da resistência [19].

Além disso, para energias baixas, a falha da soldadura durante o ensaio pull, ocorre na zona

de ligação [11] e por estiramento da ligação adesiva [3]. Quando se alcança o patamar limite de

19

resistência, energia ideal, a falha de soldadura deixa de ocorrer por estiramento da ligação

adesiva, passando a ocorrer por descoesão dos pontos de contacto [15], constatando-se uma

rotura frágil, quebrando a ligação difusiva na zona de ligação. Isto significa que o clip evidencia

tanta ou mais resistência que o cobre do cabo traccionado [3].

Por outro lado, para energias mais elevadas, a fractura ocorre na proximidade do clip, fora da

zona de ligação [11], devido à intensa deformação plástica sofrida e à forte resistência da

ligação, evidenciada pelo patamar limite de resistência, na interface de soldadura.

2.3.4.5 Frequência

A frequência de vibração é fixa e gerada na fonte de alimentação, sendo uma característica do

equipamento utilizado, que depende da frequência de ressonância para a qual o sonótrodo foi

afinado [3][11][18]. No intervalo de 0.1 a 300kHz é possível realizar soldaduras por ultra-sons,

embora as frequências de 15 a 75kHz sejam aplicadas nas máquinas comerciais [3][11][18].

Frequências elevadas têm capacidade de soldar num menor espaço de tempo e as dimensões

e materiais são seleccionados de modo a permitir que o sistema entre em ressonância à

frequência de trabalho. Uma pequena alteração da frequência de trabalho, irá causar uma

diminuição significativa na amplitude de vibração [11].

Aplicações de micro soldaduras utilizam, normalmente, as frequências mais elevadas para

reduzir a amplitude necessária para a soldadura, são máquinas de baixa potência, de 40 a

1000W [3]. Máquinas de média a alta potência, 1200 a 8000W, utilizam frequências de 10 a

20kHz.

2.3.5 Metalurgia da soldadura e propriedades dos materiais a soldar

Existem estudos prévios relativos à metalurgia da soldadura

e à soldabilidade de diversas combinações de metais. Na

Figura 14 estão identificadas as combinações possíveis

entre metais que podem ser soldados por US [28].

Exames metalográficos de SUS mostram que ocorrem

fenómenos interfaciais (resultantes da introdução de energia

vibratória), como interpenetração e disrupção das camadas

de óxidos superficiais; efeitos mecânicos, como fluxo

plástico, distorção de grão e extrusão de material;

fenómenos térmicos, como a recristalização, difusão,

precipitação e mudanças de fase (as duas últimas apenas em alguns metais) [3][4][28].

A interface numa SUS é extremamente fina (apenas alguns μm) de material deformado. Esta

fina camada é caracterizada por uma estrutura de grão extremamente pequena, recristalizada

dinamicamente, devido às elevadas deformações plásticas sofridas na interface [3].

Figura 14. Combinações possíveis

entre metais para SUS [28]

20

As deformações plásticas sofridas na interface dependem das propriedades dos materiais em

questão, como a dureza, a tensão de cedência, a estrutura cristalina, a tensão de corte crítica e

a camada de óxidos.

Por norma, à medida que a dureza aumenta, a soldabilidade do material diminui, ou seja, a

soldabilidade depende da capacidade do material para se deformar - ductilidade [18][26]. A

resistência de um metal depende da estrutura cristalina, da energia de ligação atómica entre os

átomos da estrutura, dos defeitos e dos elementos de liga adicionados. A capacidade que um

cristal metálico tem de se deformar plasticamente depende do número de planos e direcções

de escorregamento. O escorregamento ocorre nos sistemas mais propícios ao fenómeno e

quando a tensão de corte atinge um nível crítico. A estrutura cúbica de fases centradas (CFC)

tem um número relativamente elevado de sistemas de escorregamento (doze). Assim, metais

como o cobre, alumínio, prata e platina evidenciam maiores soldabilidades e menores

intervalos de tempo de soldadura, devido à disposição dos átomos [11]. Os metais com

estrutura hexagonal compacta (HC) têm apenas três sistemas de escorregamento activos [11],

logo estes metais apresentam menor ductilidade, pois a deformação plástica é muito reduzida

[18]. Assim, metais como o magnésio, titânio, zinco e zircónio, apresentam soldabilidade

limitada e tempos de soldadura mais alargados [12][18], pois apresentam um menor número de

sistemas de escorregamento [21]. Metais com estrutura cúbica de corpo centrado (CCC), como

o crómio, ferro, molibdénio e tungsténio, apresentam uma soldabilidade entre a CFC e HC, pois

embora possuam doze sistemas de escorregamento [11][18], a CCC não é uma estrutura

compacta como a CFC, portanto, para causar escorregamento de metais CCC são necessárias

tensões de corte mais elevadas [11].

O estado da superfície é também um parâmetro de soldadura. Os óxidos, os lubrificantes, os

plastificantes, os revestimentos e os contaminantes condicionam o processo de ligação

[12][17]. A necessidade de eliminação de qualquer condição superficial, limpeza e/ou

polimento, dos componentes a soldar, antes e após a soldadura, é dispensável [17], uma vez

que parte da energia dos ultra-sons é consumida para remover os diferentes tipos de camadas,

de modo a estabelecer contacto metálico. As diferenças de dureza e as propriedades dos

óxidos influenciam a capacidade de ligar metais dissimilares [12]. Metais em que os óxidos

apresentem dureza semelhante ao material base, como o cobre, são por vezes, mais difíceis

de soldar do que metais com camadas de óxidos superficiais de maior dureza que o material

base, como o alumínio [11].

Além das propriedades, as dimensões dos materiais a soldar também são importantes, como a

sua secção [4][19]. A energia ultra-sonora gerada tem que ser transferida através de toda a

secção total, para que se formem pontos de soldadura em todos os multifilares. A secção total

máxima depende do material, da geometria do tooling e da potência do equipamento [17]. Se

os metais apresentarem secções diferentes, o que tiver menor secção deve ser colocada perto

da bigorna, longe da fonte de energia, de modo a impedir deformação excessiva [26].

21

A secção total a soldar pode ser formada por cabos com diferente número de multifilares e

diferentes secções, mas no máximo apenas podem ser soldados doze cabos para um clip de

geometria cruzada, conforme a Figura 26, ou sete cabos para um clip de geometria cega,

conforme a Figura 27, dependendo das diferentes configurações. Importa também referir que

cabos com secção de 0,13mm2 apenas permitem combinações no splice com cabos de secção

até 1mm2 (§ 10.3).

2.3.6 Fases do ciclo de soldadura por US

Tal como outros processos de soldadura no estado sólido, a SUS pode ser dividida por fases,

ocorrendo a formação de união em três fases de vibração activa, existindo ainda uma primeira

fase de acção meramente de compactação por aplicação de pressão mecânica e uma quinta

fase, a de arrefecimento, onde já não existe qualquer aplicação de energia mecânica, estando

apenas a ocorrer fenómenos de natureza térmica à medida que as ligações evoluem para o

seu estado final [3][12], conforme a Figura 15.

Figura 15.Diferentes fases da execução de um ciclo de SUS e sua variação da pressão e energia.

Fase 1 – Compactação

A compactação, representada na Figura 16, é a única fase sem aplicação de vibração, serve

para promover a aglomeração e o alinhamento das superfícies dos cabos a soldar, por

compressão mecânica dos multifilares e para definição da forma da secção do splice; promove

ainda a redução dos espaços intersticiais entre multifilares [12]. Após a compactação, a secção

está pronta a receber vibração ultra-sónica, terminando esta fase exactamente no momento em

que tal acontece.

Figura 16. Situação inicial da SUS, sequência de movimentação do tooling e fase 1 (Compactação)

Pre

ssão

/En

erg

ia

Tempo

Pressão

Energia

Formação de Soldadura

Excesso Compactação e Ancoragem

Arrefecimento

22

Fase 2 – Ancoragem

A ancoragem, representada na Figura 17, é o início da

aplicação de vibração ultra-sónica pelo sonótrodo,

representando a fase temporal, muito curta, em que as ondas

do sonótrodo penetram na superfície dos cabos multifilares,

promovendo a ancoragem do sonótrodo no clip [3].

A bigorna deixa de se mover com controlo de posição, para

passar a ser por controlo de pressão, mantendo-se esta

constante nas restantes fases de vibração activa do ciclo de

soldadura. A fase termina com o movimento conjunto, sem

deslizamento, entre o sonótrodo e os multifilares em contacto

com a sua superfície.

Fase 3A – Formação da soldadura

Na fase de formação da soldadura ocorre movimento

relativo entre os multifilares que constituem o splice, com

aplicação de pressão constante pela bigorna. Durante esta

fase ocorre a ruptura das camadas de óxidos, lubrificantes e

contaminantes, que impedem a ligação entre os multifilares,

começando assim a funcionar os mecanismos de adesão

[19] (formação das primeiras soldaduras pontuais

microscópicas), conforme a Figura 18. Seguidamente

ocorre deformação plástica resultante do ciclo de histerese,

com geração de deslocações na estrutura cristalina dos

metais [3]. É uma fase de intenso aumento de temperatura, embora em domínio sólido, nas

interfaces e de mudança de propriedades termo-físicas dos materiais, iniciando-se a formação

de ilhas de soldadura nas interfaces de contacto [12].

Fase 3B – Activação dos mecanismos de ligação

Nesta fase constata-se o desenvolvimento e evolução das

ligações, quando ocorre activação dos mecanismos de

ligação metálica (por adesão e difusão) e quando existe

coalescência dos pontos de soldadura, consolidando a

ligação, de acordo com a Figura 19. O movimento relativo

de elevada frequência entre os multifilares a soldar, forma

uma ligação no estado sólido, devido às tensões de corte

que provocam deformação plástica entre as asperezas da

interface, permitindo ligação metal/metal, crescendo as ilhas

Figura 17. Ancoragem dos

multifilares pelas ondas do

sonótrodo

Figura 18. Formação de ilhas de

soldadura entre multifilares

Figura 19. Crescimentos do

número e do tamanho das ilhas de

soldadura

23

de soldadura tanto em tamanho como em número [12]. Assim, se a área de uma junção cresce,

a ligação torna-se mais forte e impede que os multifilares que, anteriormente se movimentavam

relativamente uns aos outros, passem a deslocar-se em conjunto, até ao limite em que todos

os multifilares estão ligados [11].

A evolução da temperatura no decorrer desta fase, é aproximadamente constante ao longo de

toda a secção transversal, devido à geração de calor, proporcionada pelas deformações

plásticas, que ocorrem nas interfaces entre multifilares [3].

A geometria final dos multifilares após o ciclo de soldadura depende das propriedades do

material a soldar e dos parâmetros de soldadura.

Fase 4 – Excesso

Esta fase deve ser evitada. Pode ocorrer degradação do clip

e, em alguns casos extremos, há adesão entre o clip e o

sonótrodo - sticking [11]. É uma fase de excesso de entrega

energética, que acontece se os parâmetros de soldadura

estiverem em demasia e desadequados ao splice em

questão. Quando todos os multifilares se encontram

soldados uns aos outros, a força que o sonótrodo aplica,

devido ao seu movimento, é inferior à força necessária para

deformar plasticamente os pontos de soldadura [3].

Inevitavelmente, a energia fornecida é dissipada na

deformação plástica de todo o clip. Por outras palavras, o escorregamento do sonótrodo e a

pressão aplicada provocam extrusão de material, conforme a Figura 20, podendo ocorrer

adesão entre este e o clip.

É uma fase geradora de instabilidade no processo produtivo e que exige um controlo correcto

sobre os parâmetros de soldadura [11].

Fase 5 – Arrefecimento

Esta fase é de consolidação final das ligações realizadas e de

arrefecimento do clip (Figura 21) e tem início quando se termina a

vibração do sonótrodo, prolongando-se durante a extracção do clip.

O arrefecimento dá-se por condução com todas as ferramentas

constituintes do tooling e ao longo dos multifilares no interior dos

cabos. Após a extracção, o arrefecimento faz-se por condução ao

longo dos multifilares no interior dos cabos e por radiação e

convecção com o exterior.

Figura 20. Extrusão de material

devido a excesso de parâmetros

Figura 21.Arrefecimento

24

2.3.7 A temperatura na soldadura

Durante a soldadura, a deformação

plástica, histerese elástica e fricção, geram

calor nas interfaces entre cabos. Na fase

inicial da soldadura a temperatura sobe

devido à fricção e deformação plástica das

asperidades entre as superfícies de

interface. O aumento significativo da

temperatura dá-se na fase subsequente

quando começam a ocorrer grandes

deformações plásticas nas zonas onde

ocorreu adesão [3][12][35].

Posteriormente a temperatura pode subir, descer ou manter-se constante, dependendo dos

parâmetros aplicados à máquina e o material a soldar [12]. Numa soldadura com parâmetros

bem escolhidos, a temperatura alcançável na interface deve encontrar-se dentro da gama de

35 a 50% do valor de temperatura de fusão do metal base [17]. Este aumento de temperatura

localizado na interface deve-se ao efeito combinado de histerese elástica, escorregamento

interfacial localizado e deformação plástica e é também responsável por recristalização,

mudanças de fase e difusão na interface, apesar de a difusão estar severamente limitada,

devido ao curto espaço de tempo da soldadura [3]. Na Figura 22 podemos observar a evolução

temporal da temperatura ao longo do ciclo de soldadura, para diversos pontos sucessivamente

mais distantes da soldadura, cada um representado por uma curva distinta.

2.3.8 Controlo da qualidade da soldadura por ensaios destrutivos

Para o controlo de qualidade do processo de SUS, a resistência dos cabos soldados deve ser

considerada e testada, em termos mecânicos [15]. As soldaduras realizadas são testadas

através de dois tipos de ensaios destrutivos: peel e pull e os ensaios consistem basicamente

num ensaio de tracção uniaxial mas que, devido à disposição final dos multifilares do clip, após

a soldadura, apresentam diferentes denominações.

Assim o ensaio pull permite testar a resistência da totalidade da área de soldadura a forças de

corte, enquanto o ensaio peel permite testar a resistência à tracção dos pontos de ligação por

unidade de largura [11][30], conforme representado na Figura 23. Ou seja, num ensaio peel os

pontos de ligação são colocados em tracção localizada e ao longo das diversas fibras que

constituem a área de soldadura e que têm direcção paralela às ondas do sonótrodo.

Figura 22. Evolução da temperatura ao longo do

tempo [35]

25

Em ambos os ensaios a escolha do cabo a traccionar, recai sempre para o cabo de menor

secção, pois é o menos resistente e o cabo que menor energia vibratória recebeu, fruto de ser

o cabo colocado em maior proximidade da bigorna e consequentemente o último a receber

energia para soldar.

As forças envolvidas na realização de um ensaio pull têm um valor superior às de um ensaio

peel, verificando-se o aumento da sua intensidade com o aumento da área a traccionar [18] em

ambos os ensaios. As forças aplicadas num ensaio pull não são somente forças tangenciais ou

de corte à interface de soldadura, existe também tracção localizada em alguns pontos de

soldadura, proporcionando torção do clip, isto é, o comportamento do clip durante o ensaio não

é caracterizado por uma aplicação de força exclusivamente tangencial ou de corte.

Um dos pontos a ter em atenção neste tipo de ensaios é o facto de que, devido ao

posicionamento das diferentes camadas de cabos que constituem o clip, vai existir no ensaio

de tracção o aparecimento de um fenómeno denominado de clivagem (escorregamento entre

planos cristalográficos), que acontece com a ruptura das ligações atómicas. A clivagem é um

tipo característico de ruptura, que resulta da quebra das ligações de um conjunto de átomos

que pertencem a um plano cristalográfico particular [3], podendo introduzir nos ensaios

destrutivos flutuações, que poderão afectar de algum modo os valores dos parâmetros

avaliados pelos distintos equipamentos.

2.3.9 Factores com influência na SUS

Além da necessidade da correcta escolha de parâmetros de soldadura, para garantir a

qualidade dos clips soldados, surgem factores no decorrer do processo de SUS, que podem

degradar a qualidade e influenciar desse modo o processo produtivo. Assim, na SUS existem

cinco factores que podem influenciar directamente a qualidade do clips: o operador, o método,

o equipamento, as propriedades mecânicas dos cabos e a sua condição superficial.

O operador deve ser qualificado e o seu trabalho deve ser avaliado. A influência que o método

tem no equipamento pode ser melhorada, ao longo do tempo, com aprendizagem constante,

experiência e cooperação [11].

Relativamente ao equipamento, verifica-se que para a utilização de cablagens multifilares de

secção fina, é necessária calibração regular, visto que os multifilares apresentam um diâmetro

reduzido. O desgaste do tooling deve ser controlado [25].

Figura 23. Ensaio Pull e Peel

26

Em relação aos cabos utilizados, o fornecedor de matéria-prima terá que proporcionar um

produto de elevada qualidade, onde é necessário garantir que não existe contaminação

superficial, pois esta condição para além de aumentar o tempo de soldadura, põe em causa a

resistência da soldadura quando realizados ensaios destrutivos.

Assim, para assegurar que a produção obtém clips de elevada qualidade, algumas regras

devem ser seguidas de modo a minimizar/eliminar o efeito dos factores referidos anteriormente.

2.3.9.1 Operador

Todos os operadores envolvidos na configuração, utilização e manutenção devem ser

qualificados [3], de modo que a produção seja realizada conforme os procedimentos.

Devem ser rigorosamente treinados;

Devem lavar as mãos antes de utilizarem a tecnologia de US;

Não devem usar creme para as mãos, antes de iniciaram a monitorização de um splice;

Devem usar luvas e trocá-las ou lavá-las regularmente;

Não podem tocar nos multifilares com os dedos ou com qualquer objecto que possa

introduzir contaminantes.

2.3.9.2 Método

Quando se efectua a alimentação de cabos no equipamento, a

disposição dos cabos deve ser de acordo com a Figura 24.

O número e posição dos cabos com diferentes secções numa SUS

afectam os resultados tanto do ensaio peel como do pull. Assim, a

técnica de união é levada a cabo do seguinte modo: o cabo de

menor secção, ou seja, o que será ensaiado, é aquele que está

mais afastado do sonótrodo, pois este recebe menos energia

vibratória [30]. Os cabos devem ser empilhados uns sob os outros e

cabos de maior secção são colocados na proximidade do sonótrodo [30].

Além de cumprirem os requisitos acima descritos, que comportam as direcções x e y, existe

uma terceira, a dos zz, que tem de ser analisada. O isolamento polimérico de um cabo não

pode estar em contacto com o metal de um cabo adjacente [11]. Esta situação deve ser

evitada, pois corre-se o risco do isolamento receber energia em demasia e fundir, perdendo as

características protectoras, danificando o sonótrodo e pondo em causa a resistência mecânica

do clip.

A distância entre os multifilares e o revestimento polimérico de um cabo que se encontre

colocado na posição contrária, não deve ser elevada, caso contrário formar-se-ia um volume de

metal soldado pequeno, colocando em causa a resistência mecânica. Assim a disposição

correcta dos cabos deve efectuar-se, como está representado na Figura 25.

Figura 24. Disposição dos

cabos na alimentação

27

Figura 25. Esquema com disposição correcta dos cabos

No caso de splices com geometria cruzada, o lado que tiver menor número de cabos é

colocado na proximidade da bigorna e o lado que maior número de cabos é colocado junto ao

sonótrodo [30].

2.3.9.3 Equipamento

Os equipamentos de SUS devem ser calibrados pelo menos duas vezes por ano. Como ocorre

atrito entre todos os componentes do tooling, devido ao movimento dos multifilares, estes

devem ser analisados periodicamente e permutados por novos, sempre que o tooling

apresentar desgaste excessivo.

A utilização no equipamento, de cabos multifilares de maior secção, anteriormente à utilização

de cabos multifilares de secção fina, pode proporcionar a necessidade da sua calibração, pois

os multifilares dos cabos de secção fina apresentam um diâmetro reduzido e escoam-se

facilmente entre as ferramentas do tooling, pondo em causa a qualidade dos clips.

Relativamente a anomalias no equipamento, o fornecedor é contactado para a sua

reparação/calibração, pois qualquer desvio detectado pode por em causa a estabilidade do

processo produtivo.

2.3.10 Designação dos clips soldados

A DELPHI utiliza um código interno de identificação de splices. A cada secção de cabo utilizado

corresponde uma letra, sendo a ordem alfabética correspondente a uma ordem crescente de

secções. Os possíveis splices a efectuar diferem assim a sua designação, consoante as letras

que o incorporem, bem como o número associado a cada uma destas letras. Em §10.1

encontra-se a nomenclatura de secções, identificando cada secção.

Para perceber a denominação dada a cada splice são dados três exemplos:

Se o splice for CC3xCC2, significa que do lado esquerdo do sonótrodo estão três

cabos cuja secção é dada pelas letras CC (neste caso 0,13 ) e do lado direito do

sonótrodo estão dois cabos com secção dada pelas letras CC (0,13 ), conforme

28

mostra a Figura 26. Neste exemplo, temos uma geometria cruzada, uma vez que

existem cabos dos dois lados do volume soldado.

Figura 26. Clip CC3xCC2 com geometria cruzada

Se o splice inclui diversas letras e números, como no caso da denominação CCxB2C,

significa que existe do lado esquerdo um cabo com secção de 0,13 e do lado

direito três cabos, dois cabos B de secção 0,35 e um cabo C de secção 0,5 .

Num splice CC3 só existem cabos de um lado; a letra x da denominação deixa de

existir, pois esta letra separa as secções que ficam do lado esquerdo das que se

encontram do lado direito. Este é um exemplo de uma geometria cega, conforme

mostra a Figura 27, onde as letras CC identificam a secção de todos os cabos a

soldar.

Figura 27. Clip CC3 com geometria cega

O ensaio destrutivo peel é realizado em clips de geometria cruzada e cega, excepto no caso

em que existem apenas dois cabos numa geometria cruzada, o que não permite realizar o

ensaio destrutivo peel. Se a geometria for cega e englobar apenas dois cabos, não é permitida

a realização do ensaio destrutivo pull, sendo neste caso realizado apenas o ensaio destrutivo

peel.

Os critérios de aceitação e validação de splices são apresentados no § 10.2.

29

3 Caracterização dos Equipamento de SUS

3.1 Introdução

Com o intuito de especificar mecânica e electricamente as características dos equipamentos de

SUS, foram efectuados testes para determinar quais os intervalos de funcionamento possível e

aplicável de cada um dos parâmetros nos distintos equipamentos. Os equipamentos

seleccionados para avaliação foram os seguintes:

Telsonic

Schunk Minic PC

Schunk Minic IV

O equipamento de SUS Minic PC da Schunk é o standard utilizado pela DELPHI, em todas as

suas fábricas a nível europeu e africano, estando equiparado em número total ao equipamento

fornecido pela Amtech, que equipa as fábricas a nível americano e asiático. Os equipamentos

Telsonic e Schunk Minic IV são equipamentos recentes, disponibilizados por se encontrarem

em fase de testes para soldar cabos de secção fina e visando uma possível futura aquisição.

Compreender a forma como os parâmetros evoluem em ambos os equipamentos, possibilita

um estabelecimento de critérios a aplicar quanto à soldabilidade, bem como permite a

representação das curvas de funcionamento de ambos os equipamentos, cujo conhecimento é

fundamental.

Salienta-se que os equipamentos de SUS debitam diferentes parâmetros, consoante a secção

total a soldar e que estes parâmetros fornecidos pelo equipamento (parâmetros de referência),

são definidos para o cobre tecnicamente puro e distintos em ambos os equipamentos, mesmo

quando se trata da mesma secção total a soldar.

Em todos os ensaios foi utilizado cabo em liga de cobre (cablagens com 0,13mm2 de secção) e

os parâmetros debitados pelos equipamentos foram desenvolvidos para cobre tecnicamente

puro, Cu-ETP (Electrolytic-Tough-Pitch), não correspondendo aos parâmetros mais adequados

a soldar liga de cobre.

Os parâmetros de soldadura são definidos para a secção total a soldar e embora possam ser

ajustados e alterados, o software está programado para calculá-los de modo a optimizar a

soldadura de um clip de cobre tecnicamente puro. Além destes, existem também parâmetros

que não podem ser ajustados pelo operador, caso do tempo de soldadura, dimensão da

soldadura (altura do clip) e potência debitada; embora sejam parâmetros do sistema são

apenas calculados pelo software e guardados, em virtude de futuras consultas estatísticas,

bem como estudos mais elaborados que se pretendam realizar.

30

Os equipamentos apresentam dois modos possíveis de funcionamento: o de setup e o de

produção. Quando se efectuam ajustamentos e se pretende optimizar os diversos parâmetros,

a fim de garantir qualidade nas ligações, é utilizado o modo de funcionamento setup. O modo

de funcionamento de produção serve para produção em série e não permite o ajustamento de

parâmetros.

Para realizar a validação de um splice utiliza-se o equipamento em modo de produção, o que

implica uma escolha prévia de parâmetros e tolerâncias de qualidade, a aplicar ao splice em

questão, em modo setup, a fim de se observarem variações e erros ocorridos.

3.2 Equipamento Telsonic

Um dos equipamentos para a realização de SUS concedido é o equipamento Telsonic,

conforme a Figura 28.

Figura 28. Equipamento de SUS: Telsonic

Os intervalos de funcionamento possíveis e aplicáveis dos distintos parâmetros diferem de

equipamento para equipamento, pelo que importa perceber quais os mínimos e máximos

aplicados a cada um dos parâmetros, controlados pelo operador.

Os intervalos de funcionamento possíveis e aplicáveis dos distintos parâmetros para o

equipamento Telsonic encontram-se na tabela 3-1.

As principais diferenças entre equipamentos são as diferentes geometrias das ferramentas que

constituem o tooling, assim como diferentes diâmetros nos cilindros actuadores de pressão na

bigorna. A frequência de funcionamento é idêntica entre os três equipamentos disponibilizados.

Tabela 3-1. Parâmetros do equipamento de SUS: Telsonic

Parâmetros Mínimo Máximo

Energia [Ws] 0 5000

Pressão [bar] 0,0 8,0

Amplitude [% - mm] 50 – 0,012 100 – 0,025

Largura [mm] 0,00 10,30

Frequência [kHz] 20

31

3.3 Equipamento Schunk Minic PC

Outro equipamento para a realização de SUS concedido é o equipamento Schunk Minic PC,

representado na Figura 29.

Figura 29. Equipamento de SUS: Schunk Minic PC


equipamento Schunk Minic PC encontram-se na tabela 3-2.

Tabela 3-2. Parâmetros do equipamento de SUS: Schunk Minic PC


Energia [Ws] 0 9999


Amplitude [% - mm] 50 – 0,012 100 – 0,023

Largura [mm] 0,00 8,25


3.4 Equipamento Schunk Minic IV

Por último, foi disponibilizado o equipamento de SUS Schunk Minic IV, que se encontra

representado na Figura 30.

Figura 30. Equipamento de SUS: Schunk Minic IV


equipamento Schunk Minic IV encontram-se na tabela 3-3.

Tabela 3-3. Parâmetros do equipamento de SUS: Schunk Minic IV


Energia [Ws] 0 9999


Amplitude [% - mm] 50 – 0,012 100 – 0,023

Largura [mm] 0,00 8,25


32

3.5 Curvas de funcionamento dos equipamentos

As curvas de funcionamento dos equipamentos destinam-se a compreender quais os

parâmetros de máquina estabelecidos, consoante as diferentes secções totais a soldar e

permitem uma comparação entre os diversos equipamentos. Agregou-se ainda às curvas de

funcionamento, a opinião relativamente aos parâmetros considerados adequados em algumas

secções, para validações realizadas no MEC, validações estas requeridas pelos clientes da

DELPHI, consoante os modelos automóveis a disponibilizar no mercado. Cada validação

representa uma combinação específica de cabos a soldar, com parâmetros a definir, de acordo

com a qualidade que se está a conseguir obter nas soldaduras e podemos ter validações

distintas com igual secção total, diferindo os parâmetros aplicados, verificando-se uma

flutuação de parâmetros aplicados nas várias validações para a mesma secção.

Ao definir as curvas de funcionamento dos diferentes equipamentos, para os distintos

parâmetros, foi necessário fazer passar linhas de tendência pelos pontos obtidos nas diferentes

secções totais a soldar.

Se as curvas de funcionamento forem definidas por diferentes patamares, consoante as

diferentes secções totais, despreza-se a respectiva linha de tendência, pois não seria

representada com exactidão.

Assim, as curvas de tendência aplicadas a um histórico de validações, têm sempre uma

margem de divergência, ao contrário do que acontece com as linhas de tendência aplicadas às

curvas de funcionamento dos parâmetros de máquina, estas são cegas a outros factores e

guiam-se, única e exclusivamente, pela secção total a realizar.

Figura 31. Gráfico Energia Vs Secção Total para os distintos equipamentos

Da análise gráfica da Figura 31 efectuada ao parâmetro energia, denotam-se duas zonas

distintas: a primeira, em que a secção total a soldar se encontra entre 0 e 1 mm2 e onde as

curvas de funcionamento dos equipamentos se apresentam de forma distinta, estando apenas

definidas para o equipamento Schunk Minic PC, até secções totais a soldar de 0,8 mm2 e

y = -78.809x3 + 378.35x2 - 493.08x + 319.05 R² = 0.8114

y = -69.93x3 + 336.36x2 - 439.96x + 302.97 R² = 0.9983

y = 18.543x3 - 95.271x2 + 273x - 76.757 R² = 0.9997

y = -3.168x3 + 59.455x2 - 14.593x + 48.89 R² = 0.9937

0

50

100

150

200

250

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2 2.1 2.2

En

erg

ia (

Ws)

Secção Total (mm2)

Energia Validação Energia Schunk Minic PCEnergia Telsonic Energia Schunk Minic IVPoly. (Energia Validação) Poly. (Energia Schunk Minic PC)Poly. (Energia Telsonic) Poly. (Energia Schunk Minic IV)

33

respectivamente para os equipamentos Telsonic e Schunk Minic IV até 0,5 e 0,1mm2. Caso se

pretenda soldar em secções totais inferiores aos mínimos estabelecidos pelos equipamentos,

os respectivos equipamentos debitarão os mesmos parâmetros estabelecidos para os mínimos,

como por exemplo, no caso de se pretender soldar com o equipamento Schunk Minic PC uma

secção total de 0,65 mm2 ou de 0,4mm

2, onde o equipamento debitará os mesmos parâmetros

definidos para o mínimo de 0,8mm2. Na segunda zona, onde a secção total a soldar se

encontra entre 1 e 2 mm2, as curvas de funcionamento convergem, seguindo a tendência de

aumento de energia, com o aumento da secção total a soldar.

Figura 32. Gráfico Amplitude Vs Secção Total para os distintos equipamentos

Quanto ao parâmetro amplitude, analisado na Figura 32, constata-se que para equipamentos

Schunk (tanto Minic IV como Minic PC) este é definido por diversos patamares consoante a

secção total a soldar, enquanto que para o equipamento Telsonic o parâmetro amplitude tem

um ganho gradual consoante a secção total a soldar, diferenciando-se assim dos

equipamentos da Schunk. Verifica-se também que o equipamento Schunk Minic IV, adequado

a soldar principalmente secções baixas, aplica amplitudes superiores, independentemente das

secções consideradas.

y = 13.751ln(x) + 58.48 R² = 0.4065

y = -0.6152x3 + 1.7819x2 + 6.928x + 45.744 R² = 0.9944

50

55

60

65

70

75

80

85

90

95

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2 2.1 2.2

Am

pli

tud

e [

%]


Amplitude Validação Amplitude Schunk Minic PCAmplitude Telsonic Amplitude Schunk Minic IVLog. (Amplitude Validação) Poly. (Amplitude Telsonic)

34

Figura 33. Gráfico Pressão Vs Secção Total para os distintos equipamentos

Efectuando uma análise gráfica à Figura 33, onde é observado o parâmetro pressão, denotou-

-se que as curvas de funcionamento são distintas nos diversos equipamentos e este

comportamento deve-se ao facto dos cilindros actuadores e responsáveis pela aplicação de

pressão, terem diferentes diâmetros, o que leva a que a força aplicada pela bigorna sobre o

splice a soldar seja igualmente distinta.

A pressão aplicada ao clip, é directamente proporcional à pressão pneumática aplicada no

interior do cilindro actuador do equipamento, que difere de equipamento para equipamento e é

inversamente proporcional à área a soldar, que difere com a geometria do tooling.

Figura 34. Gráfico Largura Vs Secção Total para os distintos equipamentos

Por último e relativamente ao parâmetro largura, constata-se bastante semelhança entre os

equipamentos Schunk Minic PC e Telsonic; o equipamento Schunk Minic IV é sempre definido

com uma largura superior à dos equipamentos Schunk Minic PC e Telsonic, para as mesmas

secções totais a soldar, embora todos os equipamentos evidenciem uma tendência para o

aumento de largura, com o aumento da secção total a soldar, conforme a Figura 34.

As curvas de funcionamento apenas são validas no intervalo de secções totais de ]0;2[.

y = -0.3333x3 + 1.4359x2 - 1.5374x + 1.7883 R² = 0.9138 y = -0.3059x3 + 1.3399x2 - 1.5422x + 1.9255

R² = 0.9969

y = 0.2775x3 - 1.4101x2 + 2.5555x + 1.0266 R² = 0.9854

y = 0.0002x3 - 0.0229x2 + 0.7679x + 1.2703 R² = 1

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2 2.1 2.2

Pre

ssão

(b

ar)


Pressao validação Pressao Schunk Minic PCPressao Telsonic Pressão Schunk Minic IVPoly. (Pressao validação) Poly. (Pressao Schunk Minic PC)Poly. (Pressao Telsonic) Poly. (Pressão Schunk Minic IV)

y = 1.1679x0.5701 R² = 0.9264

y = 0.0408x3 - 0.3147x2 + 1.3272x + 0.0214 R² = 0.9998

y = 0.0813x3 - 0.3977x2 + 1.1841x + 0.2605 R² = 0.9998

y = 0.1276x3 - 0.5927x2 + 1.4391x + 0.3016 R² = 0.9995

0

0.5

1

1.5

2

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2 2.1 2.2

La

rgu

ra (

mm

)

Secção Total(mm2)

Largura Validação Largura Schunk Minic PCLargura Telsonic Largura Schunk Minic IVPower (Largura Validação) Poly. (Largura Schunk Minic PC)Poly. (Largura Telsonic) Poly. (Largura Schunk Minic IV)

35

4 Caracterização Experimental das Ligas de Cobre em

Estudo

4.1 Introdução

Para realizar a caracterização experimental das diferentes ligas de cobre, foram efectuados

ensaios de tracção, permitindo calcular propriedades mecânicas como o alongamento, a força

máxima e a tensão máxima de rotura suportada pelos cabos, tanto descarnados como não

descarnados. Foram também efectuadas análises químicas por EDS, que consistem na

determinação da composição química dos cabos multifilares de secção fina, tanto ao nível do

revestimento como ao nível da liga de cobre. Pretende-se também determinar a influência

proporcionada pelos diferentes revestimentos na superfície dos multifilares (efeito de

contaminação).

4.2 Ensaios de tracção

Para realizar a caracterização experimental das diferentes ligas de cobre foram efectuados

ensaios de tracção, que consistem na tracção uniaxial de um cabo, fixado num dispositivo

próprio para o efeito, até à ruptura e utilizando o equipamento descrito no procedimento

experimental. O dispositivo é fixado no equipamento, que aplica esforços crescentes na sua

direcção axial, sendo medidas as deformações correspondentes e permitindo calcular o

alongamento percentual de cada cabo, bem como determinar a força máxima a que este pode

ser submetido, tanto em cabo descarnado como em cabo não descarnado.

Os ensaios incidem sobre os cabos multifilares de secção fina de liga de cobre disponibilizados

para a caracterização da soldabilidade por SUS e encontram-se descritos na tabela 4-1:

Tabela 4-1. Parâmetros de todos os cabos disponibilizados, com secção de 0,13mm2

Cor Número de filamentos

Secção de um filamento

[ ]

Revestimento Fornecedor Material SAE

Violeta 7 0,01942 PVC Coficab Liga

de CuSn CC

Laranja 7 0,01956 PVC Erbakir Liga

de CuMg CC

Verde 7 0,01926 PPE Erbakir Liga

de CuMg CC

As diversas informações dos cabos multifilares de liga de cobre com secção de 0,13mm2,

incluem a secção de um filamento cujo diâmetro é medido, para os vários cabos, com o auxílio

de um micrómetro. Quando os ensaios de tracção foram realizados com o cabo descarnado,

teve-se em consideração que o descarne poderia identar um ou vários multifilares e poderia

mesmo cortar multifilares, o que contribuiria para uma afectação dos valores de força máxima,

assim como de alongamento percentual. Assim, o descarne foi cuidadosamente efectuado,

cortando o revestimento, não identando os multifilares.

36

alongadoamostra CmmDC 2,227

4.2.1 Procedimento experimental

A caracterização experimental dos distintos cabos multifilares de secção fina de liga de cobre

foi executada com o equipamento INSTRON 5566, conforme a Figura 35, que tinha

disponibilizada uma célula de carga de 10kN.

O ensaio é considerado válido quando a fractura ocorre a meio do comprimento alongado e

não válido quando a fractura ocorre nas amarrações ou no comprimento não alongado.

Com esse tipo de ensaio pode-se afirmar que, praticamente, as

deformações promovidas no material são uniformemente

distribuídas em todo o seu corpo, pelo menos até ser atingida uma

carga máxima próxima do final do ensaio e, como é possível fazer

com que a carga suba a uma velocidade razoavelmente lenta,

durante todo o teste, o ensaio de tracção permite medir

satisfatoriamente a resistência do material. A uniformidade da

deformação permite ainda obter medições para a variação dessa

deformação, em função da tensão aplicada [4].

Figura 35.Equipamento para ensaios de tracção INSTRON 5566

O comprimento alongado, descrito com a cor amarela na Figura 36,

corresponde à diferença entre o comprimento da amostra (400mm) e

um perímetro dos fixadores (roldanas) do dispositivo de fixação do

cabo. O diâmetro (D) correspondente dos fixadores é de 55mm.

Figura 36. Dispositivo de fixação para o cabo

4.2.2 Resultados experimentais

A realização dos ensaios de tracção foi repetida três vezes para cada cabo, de forma a

minimizar erros na sua medição, como tal os resultados apresentados representam o ensaio

que mais se aproxima à média dos ensaios para cada cabo.

Importa referir que se pretende um cabo com a máxima força possível, bem como o maior

alongamento percentual, pois quando ocorrem a montagem das cablagens num veículo, estas

poderão ser sujeitas a tensões, por parte do operador destinado a esse serviço. Para minimizar

os efeitos destas tensões pretende-se então maximizar a forca máxima, bem como o

alongamento percentual.

Os resultados dos ensaios de tracção são apresentados na Figura 37 e 38, para cabo não

descarnado e cabo descarnado, respectivamente.

37

Figura 37. Gráfico de Força Vs Alongamento para cabo não descarnado

Tabela 4-2.Caracterização das diferentes ligas de cobre para cabo não descarnado

Força Máx.[N] Alongamento percentual[%]

Violeta - Coficab - Liga CuSn - Revest. PVC 107 4,43

Laranja - Erbakir - Liga CuMg - Revest. PVC 117 3,87

Verde - Erbakir - Liga CuMg - Revest. PPE 125 4,86

Figura 38. Gráfico de Força Vs Alongamento para cabo descarnado

Tabela 4-3. Caracterização das diferentes ligas de cobre para cabo descarnado

Força Máx.[N] Alongamento percentual[%]

Violeta - Coficab - Liga CuSn - Revest. PVC 96 4,37

Laranja - Erbakir - Liga CuMg - Revest. PVC 111 3,68

Verde - Erbakir - Liga CuMg - Revest. PPE 109 3,35

4.2.3 Análise de resultados

Com a caracterização das diferentes ligas de cobre através de ensaios de tracção, constatou-

-se que o alongamento percentual que era típico neste cabo (0,13 mm2 de secção) e que foi

definido com sendo de aproximadamente 5%, se verifica, conforme as tabelas 4-2 e 4-3.

Denota-se que o alongamento percentual máximo e a força máxima se verificam para os cabos

não descarnados e que o cabo verde é o que tem maior alongamento percentual, bem como

força máxima nesta condição. O revestimento PPE (éter de polifenileno) confere maior

resistência e ductilidade que o revestimento de PVC (policloreto de vínilo), como se constata

através dos ensaios de tracção aos cabos não descarnados da Figura 37.

0

20

40

60

80

100

120

140

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Cabo Violetanãodescarnado

Cabo Laranjanãodescarnado

Cabo Verdenãodescarnado

0

20

40

60

80

100

120

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Cabo Laranjadescarnado

Cabo Verdedescarnado

Cabo Violetadescarnado

Alongamento [mm]

Força [N]

Alongamento [mm]

Força [N]

38

Por outro lado observa-se que, com a realização de ensaios de tracção a cabos descarnados,

o cabo que mais alongava (verde) perde agora essa capacidade e surge no mesmo patamar do

cabo laranja, onde se denotam forças máximas e alongamentos percentuais bastante idênticos,

conforme a Figura 38. Quanto ao cabo violeta, verifica-se que a sua capacidade de

alongamento percentual pouco varia com os ensaios de tracção, em cabo descarnado como

em cabo não descarnado, verificando-se uma boa ductilidade em ambos os casos, mas

relativamente a forças máximas suportadas, verifica-se um desnível acentuado quando

comparado com os outros dois cabos em estudo.

As tensões máximas suportadas pelas cablagens de secção fina em estudo, com 0,13 mm2 de

secção, encontram-se próximas dos 800 MPa, conforme a tabela 4-4.

Tabela 4-4: Resultados de ensaios de tracção em cabo descarnado

Cabo

Secção [ ] Força [N]

[MPa]

Violeta - CC 0,13 96 N 738,46

Laranja - CC 0,13 111 N 853,85

Verde - CC 0,13 109 N 838,46

4.3 Análise química por EDS

O intuito desta análise consiste na determinação da composição química dos cabos multifilares

de secção fina, tanto ao nível do revestimento como ao nível da liga de cobre. Pretende-se

também determinar a influência que os revestimentos têm na superfície dos multifilares (efeito

de contaminação). Esta análise incidiu na quantificação percentual de todos os elementos

constituintes dos cabos de liga de cobre de secção fina, tais como elementos leves, elementos

de transição e elementos representativos da tabela periódica.

A técnica de análise utilizada foi o EDS (Energy

Dispersive X-ray Analysis), servindo para

identificar a composição química elementar de

uma amostra ou de uma pequena área,

considerada de interesse da mesma,

consistindo numa análise semi-quantitativa. A

análise é realizada dentro de um microscópio

de varrimento electrónico SEM (Scanning

Electron Microscopy), onde a amostra é exposta

a um feixe de electrões incidentes, que colidem

com os electrões de valência dos átomos

constituintes da amostra. Alguns destes electrões são projectados das suas orbitais, libertando

raios X no processo. Este fenómeno é característico de cada elemento existente, pelo que,

com a análise dos raios X emitidos, se pode saber com exactidão, qual o elemento que o

emitiu.

Figura 39. Microscópio utilizado no

MicroLab: JEOL 7001F

39

4.3.1 Procedimento experimental

Existem dois modos de identificar os elementos na amostra: o primeiro consiste em pedir a

identificação dos elementos observados no histograma, isto é, constatar quais os picos

relevantes e pedir ao computador que os identifique; o segundo consiste em analisar a

presença de elementos da tabela periódica, o que por norma apresenta um erro superior na

medição. Importa também salientar que, através dos diferentes modos de identificar os

elementos na amostra, se depreende sempre um erro associado.

As medições foram realizadas no MicroLab (laboratório de microscopia electrónica) do ICEMS

(Instituto de Ciência e Engenharia de Materiais e Superfícies) cujas instalações se encontram

no Instituto Superior Técnico.

As análises de composição elementar EDS, foram realizadas num microscópio de marca JEOL,

modelo JSM- 7001F, conforme a Figura 39, com detector EDS para elementos leves da Oxford,

e as amostras realizadas em resina epoxídica, utilizando uma parte de cada um dos diferentes

cabos multifilares de secção fina em estudo.

A porção de cabo utilizado nas amostras,

apresentadas na Figura 40, nunca foi soldada

nem contrastada, de modo a evitar inclusões de

elementos provenientes de resíduos existentes no

equipamento de SUS e para evitar que

ocorressem inclusões de elementos químicos

provenientes dos reagentes, que pudessem

comprometer os resultados do EDS.

É importante referir que a cada elemento da tabela periódica é atribuída uma energia em keV,

e é este valor de energia que indica ao computador, o elemento de que se trata.

4.3.2 Resultados experimentais

As cablagens que percorrem o interior de um veículo são formadas por cabos de diferentes

secções, das quais algumas são soldadas por SUS e os resultados obtidos pelas resistências

mecânicas das soldaduras na soldabilidade dos cabos, em modo de produção, são afectados

única e exclusivamente devido à contaminação por parte do revestimento em PVC; assim

sendo, com as análises efectuadas pretende-se observar a presença de elementos que provêm

do revestimento e que originam o efeito de contaminação.

Na tabela 4-5 está a análise a cabo limpo e sem presença de contaminação, que afere

exclusivamente os constituintes que o fornecedor de matéria-prima indica, podendo-se ter a

noção da percentagem e erro associado na medição de cada um dos elementos constituintes

da liga de cobre.

Figura 40. Amostras contendo os diferentes

cabos multifilares de secção fina para EDS

40

Tabela 4-5. Composição química do metal em condição não contaminada dos cabos ensaiados

Cabos VIOLETA (PVC) VERDE (PPE) LARANJA (PVC)

Elemento Peso [%] Peso [%] Peso [%] Peso [%] Peso [%] Peso [%]

Cu 99,83 0,22 99,86 0,23 99,68 0,26 Mg - - 0,14 0,23 0,32 0,26

Sn 0,17 0,22 - - - -

O peso representa percentualmente a quantidade do elemento evidenciado na área analisada,

enquanto o peso representa percentualmente o erro evidenciado inerente da medição.

Tabela 4-6. Composição química do revestimento dos cabos ensaiados

Revestimento VIOLETA (PVC) VERDE (PPE) LARANJA (PVC)

Elemento Peso [%] Peso [%] Peso [%] Peso [%] Peso [%] Peso [%] P - - 0,29 0,04 - -

Mg 0,6 0,18 - - 0,73 0,19

Si - - 0,08 0,03 - - O 19,66 3,89 16,34 1,03 21,42 3,20 K - - 0,06 0,03 - - C 47,30 8,86 82,72 1,05 44,96 7,20 Cl 30,78 5,19 0,14 0,03 30,08 3,96 Ca 0,98 0,19 0,12 0,04 2,16 0,32 Al 0,4 0,13 - - 0,65 0,14 Ti 0,28 0,14 - - - - Na - - 0,26 0,07 - -

A caracterização do revestimento, apresentada na tabela 4-6, é executada com o intuito de

diferenciar e quantificar percentualmente os diferentes elementos constituintes de cada

revestimento, sabendo que deve estar presente a noção de que o revestimento de PVC,

quando exposto à temperatura ambiente e superiores, se deteriora e infere no metal elementos

que dificultam a sua soldabilidade, aumentando o tempo de soldadura e diminuindo os

resultados de resistência mecânica da soldadura nos ensaios destrutivos (ED) em Pull e Peel.

O revestimento de PPE, não infere elementos no metal quando exposto tanto à temperatura

ambiente, bem como em exposição prolongada a temperaturas inferiores a 100ºC,

constatando-se sempre, independentemente da temperatura e período de exposição, o mesmo

o tempo de soldadura assim como a mesma resistência mecânica da soldadura aos ED.

A passagem de revestimento de PPE a revestimento de PVC, deve-se principalmente a

factores financeiros, pois tendo em conta a necessidade de minimizar custos, não perdendo

qualidade e garantindo que a contaminação que advém da utilização do PVC, ainda não se

encontra presente quando a soldadura ocorrer (ao existir infere um aumento do tempo de

soldadura em 20%), torna-se possível a sua utilização.

O PVC quando exposto a temperaturas elevadas (70ºC), durante uma exposição prolongada

(três semanas) constata deterioração, aumentando o tempo de soldadura em 53% e

evidenciando a presença de elementos provenientes do revestimento, que além de

aumentarem o tempo de soldadura induzem uma redução na resistência mecânica da

soldadura, nos ensaios pull e peel. A colocação do cabo numa estufa a 70ºC, durante um

período de três semanas, corresponde a um envelhecimento equivalente a 5 anos num veículo

e é precisamente sobre este efeito verificado de contaminação que o estudo irá incidir.

41

Tabela 4-7. Análise de composição química a filamento contaminado

Tipo de Cabo

Laranja Contaminado 1 em inclusão

Laranja Contaminado 2 em inclusão

Laranja Contaminado 2 em Metal limpo

Foto

Elemento Peso [%] Peso [%] Peso [%] Peso [%] Peso [%] Peso [%] Cu 10,19 0,31 31,13 1,29 83,05 2,76

Mg - - - - 0,46 0,19

Sn - - - - - -

O 17,45 0,75 9,12 0,57 3,02 0,39

Zn 1,35 0,14 - - - -

C 69,65 0,88 58,90 1,71 13,26 2,86

Cl 1,36 0,07 0,31 0,04 0,21 0,09

Ca - - 0,12 0,03 - -

K - - 0,19 0,03 - -

S - - 0,12 0,03 - -

Si - - 0,12 0,03 - -

A análise da composição química de um multifilar contaminado é executada com o intuito de

saber quais os elementos que estão inferidos no metal, devido à deterioração do revestimento,

onde se observa que o multifilar contaminado apresenta inclusões e uma cor baça,

relativamente ao multifilar não contaminado. Nas inclusões apenas evidenciadas nos

filamentos contaminados (laranja contaminado 1 e 2 da tabela 4-7), verifica-se uma presença

elevada de cloro, que provém única e exclusivamente da degradação do revestimento, estando

também evidenciada, mas apenas no laranja contaminado 1, a presença de zinco, que reduz a

capacidade condutora [3] dos cabos e ligações formadas, bem como altera o comportamento

mecânico dos multifilares.

A análise da composição química de um multifilar contaminado, em metal limpo, verificou

novamente a presença de cloro, deixando antever que o principal elemento responsável pela

contaminação é o cloro, sendo também o responsável pela falta de brilho (cor baça),

presenciada no multifilar contaminado. Quanto à presença de elementos leves, tais como o

carbono e o oxigénio, no multifilar contaminado, deixa antever que estes também são

elementos inferidos no metal por parte do revestimento, perspectivando daí também

contaminação (óxidos de cobre).


Os polímeros de éter de polifenileno são termoplásticos de alta temperatura e separam-se em

duas classes químicas: éteres polifenileno (PPEs) e óxidos de polifenileno (PPOs). A estrutura

química de um PPE é fornecida na Figura 41.

42

Figura 41. Cadeia polimérica e unidade de repetição do PPE

Os seus atributos importantes incluem a sua estabilidade térmica e oxidativa, bem como a sua

estabilidade na presença de radiação ionizante, apresentam ainda uma temperatura de fusão a

situar-se entre os 550 e 595ºC [5]. São compatíveis com a maioria dos metais e são

normalmente usados em aplicações de alta temperatura, pois a sua temperatura de

decomposição térmica está entre 440 e 465°C.

Os polímeros de PVC permitem alterar as suas características dentro de um amplo espectro de

propriedades, em função da aplicação final, variando desde o rígido ao extremamente flexível

[6]. A presença do átomo de cloro na estrutura molecular do PVC, torna-o num polímero

resistente à propagação de chamas, contribuindo para aplicações nas quais a baixa

inflamabilidade é item obrigatório, principalmente em aplicações como cabos eléctricos.

A cadeia polimérica e a unidade de repetição do PVC são representadas na Figura 42.

Nestas aplicações o PVC é competitivo do ponto de vista da relação custo-benefício, quando

comparado com os polímeros concorrentes, apresentando vantagens facilmente perceptíveis

como comportamento anti-chama, resistência química a intempéries, isolamento térmico e

acústico, facilidade de instalação, baixa necessidade de manutenção e excelente acabamento.

A exposição do polímero PVC sem a adição de estabilizantes, ao calor,

radiação ultravioleta ou à radiação gama pode, dependendo da

intensidade e tempo de exposição, causar a liberação de cloreto de

hidrogénio (HCl). Disso resulta a formação de ligações cruzadas na

cadeia, levando a um rápido processo de degradação. Esse processo

denomina-se de desidrocloração e representa-se na Figura 43 [6].

A desidrocloração envolve uma reacção progressiva entre átomos de cloro

e hidrogénio vizinhos, ao longo da cadeia, sendo formada uma ligação

dupla entre os átomos de carbono nas posições em que os dois átomos

estavam originalmente ligados; formando-se uma estrutura de cloro alílico

com o próximo átomo de cloro da cadeia polimérica, átomo de cloro este

altamente activado dando prosseguimento ao processo de degradação [6].

A reacção desenvolve-se com deterioração geral das propriedades do PVC, em decorrência da

redução progressiva da massa molar [6]. Os polímeros de PVC têm uma flutuação inerente no

seu ponto de fusão que varia entre os 100 e os 260ºC.

Figura 43.

Desidrocloração do

PVC [6]

Figura 42. Cadeia polimérica e unidade de repetição do PVC

43

5 Estabelecimento de Critérios em Ensaios

Destrutivos

5.1 Introdução

O objectivo dos ensaios destrutivos é estabelecer a forma correcta de validar as ligações

efectuadas pelo processo de US, onde actualmente a validação de uma amostra incide na

análise destrutiva de clips efectuados mediante intervalos, estabelecidos e lógicos, de níveis de

pressão e de energia, onde se sublinha a necessidade de aplicação de factores de qualidade,

que diagnostiquem a qualidade obtida.

5.2 Critérios de qualidade

Cada splice é constituído por diversos cabos multifilares e o ensaio destrutivo irá incidir

sempre, sobre o cabo de menor secção e que menor energia recebeu, ou seja, o que se

encontra mais próximo da bigorna.

Para cada cabo a traccionar estão definidos, em tabelas de valores para os ensaios peel e pull,

os valores de força a superar no ensaio, consoante a secção do cabo ensaiado. Estes servem

para se efectuar o cálculo do índice de desempenho do processo, designado por PPK, o que

consequentemente leva à obtenção de um nível de qualidade estatístico da amostra efectuada.

As tabelas 5-1 e 5-2 apresentam, para as cablagens de secção fina utilizadas, os valores de

aceitação para os ensaios destrutivos pull e peel. As diferentes categorias das tabelas

representam valores que são tidos em conta por: i) Cliente – mínimo; ii) Fábrica – pré-controlo;

iii) Manufacturing Excellence Center (DELPHI) – preferido.

Tabela 5-1. Critérios de aceitação para a secção de 0,13mm2, no caso do ensaio Pull

Secção do cabo ensaiado [ ] 0,13

Força Pull Mínima [N] 34

Força Pull de Pré-Controlo [N] 42

Força Pull Preferido [N] 50

Tabela 5-2. Critérios de aceitação para a secção de 0,13mm2, no caso do ensaio Peel

Secção do cabo ensaiado [ ] 0,13

Força Peel Mínima [N] 10

Força Peel de Pré-Controlo [N] 12

Força Peel Preferido [N] 25

No caso em estudo, o cabo a testar é o de 0,13mm2

de secção; este factor de qualidade

estatístico, mediante os distintos ensaios destrutivos, reduz-se às seguintes equações:

50;3

LSLLSLP

Pi

i

PKPULL (1)

44

10;3

LSLLSLP

Pi

i

PKPEEL (2)

A aprovação de uma amostra constituída por um determinado número de clips, depende da

aprovação de um factor de qualidade estatístico PPK e geometrias cruzadas apenas devem

cumprir um PPK pull superior a 5/3 e 10 validações superiores ao mínimo em peel, enquanto

geometrias cegas devem cumprir um PPK peel superior a 5/3 e que é, garantidamente, de mais

difícil obtenção.

Para garantir maior consistência na validação das ligações efectuadas, decidiu-se implementar

factores de qualidade (QF) que justificam a sua aplicação, pois garantem um índice de

qualidade mais conservador e têm em consideração um maior número de factores, tais como o

desvio padrão da média de ensaio peel/pull i , média de tempos de soldadura it , desvio

padrão da média de tempos de soldadura it

, média da amostra em ensaio peel/pull iP ,

limite inferior especificado (LSL), mínimos de tempo de soldadura itmin e mínimos de

ensaios peel/pull iPmin ; salientando-se assim como factores mais consistentes e que têm

em conta uma maior diversidade de termos, que estão inerentes no processo de US.

10;

min3

11

3

53

LSLLSLP

LSLPeQF

i

iLSLP

Peeli

i

(3)

50;min

31

13

53

LSLLSLP

LSLPeQF

i

iLSLP

Pulli

i

(4)

PeelPullW T QFQFQFQF

96

92

91

Integrado (5)

Os factores de qualidade (QF) apresentam dois termos distintos: uma exponencial e uma

fracção elevada a um expoente. O funcionamento do primeiro termo e do segundo termo

encontra-se descrito na Figura 44 e na 45, respectivamente.

Figura 44. Funcionamento do primeiro termo do Factor de Qualidade

x

45

Relativamente ao primeiro termo, salientam-se duas zonas distintas de funcionamento: a

primeira, onde o factor de qualidade estatístico PPK é inferior a 5/3 e representa uma zona onde

a qualidade pretendida não é satisfatória. A segunda zona, na qual o factor de qualidade

interno PPK é superior a 5/3, é uma zona onde se garante índices de qualidade satisfatórios.

Assim, o primeiro termo contribuirá para o factor de qualidade global QFPULL/PEEL com um valor

superior a 1, para zonas onde a qualidade está salvaguardada e inferior a 1, para zonas menos

estáveis e de menor qualidade.

O ideal da amostra será ter desvio padrão nulo e factor de qualidade estatístico PPK superior a

5/3 e para esta condição (de desvio padrão nulo), o primeiro termo do factor de qualidade

contribuirá para o factor de qualidade global QFPULL/PEEL, com o valor do número de nepper,

correspondendo à situação teoricamente perfeita, mas que não é exequível na realidade.

Sempre que a média da amostra iP for inferior ao LSL, o primeiro termo do factor de

qualidade exibirá o valor de zero, descrevendo uma situação onde a qualidade não se encontra

inerente.

Figura 45. Funcionamento do segundo termo do Factor de Qualidade

Quanto ao funcionamento do segundo termo do factor de qualidade, ele apresenta valor

positivo sempre que não exista na amostra nenhum elemento com mínimo inferior ao LSL e

quando positivo, varia entre 0 e 1, mediante o mínimo da amostra ser afastado ou não do LSL.

Ou seja, para valores onde o mínimo da amostra iPmin se aproxima da média da amostra

iP, o segundo termo do factor de qualidade contribuirá para o factor de qualidade global

(QFPULL/PEEL) com um valor próximo de 1, enquanto para valores onde o mínimo da amostra

iPmin se aproxima do LSL, o segundo termo do factor de qualidade contribuirá para o

factor de qualidade global (QFPULL/PEEL) com um valor próximo de 0.

Importa referir que este segundo termo do factor de qualidade deve apenas servir para medir

níveis de qualidade, quando as médias das amostras iP são superiores ao LSL.

46

(6)

O factor de qualidade de tempo de soldadura W TQF , tem em consideração que importam

médias de tempos de soldadura it baixas, desvios padrão de tempos de soldadura it

baixos e mínimos de tempos de soldadura itmin o mais próximo da média de tempos de

soldadura it possível; inserindo-se o seu funcionamento no intervalo de ] 0;1 [.

O cálculo do QFINTEGRADO engloba os diversos factores de qualidade, multiplicados por uma

constante, definida em função da importância dada a cada um dos distintos factores de

qualidade, onde o preponderante é o QFPEEL, pois é o de maior dificuldade de obtenção e

essencialmente o que leva à criação de tabelas de soldabilidade.

Sempre que se observar um QFINTEGRADO superior a um verifica-se que os critérios de avaliação

da qualidade das ligações efectuadas se encontram em cumprimentos com as exigências do

processo de SUS.

5.3 Análise mecânica

Para testar mecanicamente as soldaduras, recorreu-se a um dinamómetro electrónico com

controlo de velocidade, Mar Prüftechnik GMBH, conforme a Figura 46. A velocidade dos

ensaios foi mantida a 50 mm/min, de acordo com a norma DIN aplicada.

A execução deste tipo de teste é simples e o tempo médio de

ensaio não vai além de 30 segundos. Este equipamento

permite obter apenas o valor máximo de força, que

corresponde à força necessária para separar um cabo de um

clip, tanto por ensaio peel como por ensaio pull, e não um

gráfico força versus distância ou tempo.

Para minimizar flutuações existentes na medição da força

máxima, devido ao possível escorregamento do cabo nas

maxilas do equipamento de ensaios destrutivos, sempre que

se realizaram ensaios destrutivos foi efectuado um nó no cabo

ensaiado e fixados os restantes cabos do clip.

i

it

W Tt

teQF i

it

min

Figura 46. Máquina de ensaios

peel e pull

47

6 Desenvolvimento da Soldabilidade por SUS das

Cablagens Multifilares em Estudo

6.1 Introdução

O desenvolvimento da soldabilidade por SUS, das cablagens multifilares de secção fina, em

liga de cobre, surge com o objectivo de determinar os parâmetros ideais de soldabilidade de

cada equipamento, para cada tipo de cabo, mediante a aplicação de uma combinação de

valores de pressão e energia, adequada a cada equipamento, tendo por base validar as

ligações efectuadas pelo processo de SUS, onde se constata a necessidade de aplicação de

factores de qualidade que diagnostiquem a qualidade obtida.

6.2 Procedimento experimental

O desenvolvimento da soldabilidade irá incidir numa secção total de 0,65mm2, considerada

como a típica e sobre todos os cabos multifilares de secção fina de lega de cobre

disponibilizados, incidindo a análise destrutiva sobre o cabo de menor secção e que menor

energia recebeu.

Para definir os intervalos de aplicação da combinação pressão-energia, recorreu-se aos

parâmetros de referência dos diversos equipamentos, que são definidos pelo software para a

secção total de 0,65mm2 e para as várias secções totais. Foram criados diversos níveis de

energia e pressão consoante os distintos equipamentos, com o objectivo de permitir a obtenção

de parâmetros ideais à soldabilidade dos diferentes tipos de cabos multifilares de secção fina

em liga de cobre.

Recorreu-se então a tabelas de soldabilidade para a recolha de todos os dados que englobam

o processo de SUS e que a título exemplificativo é aqui apresentada na tabela 6-1.

Tabela 6-1. Tabela de soldabilidade Tipo de Cabo / Equipamento

# Tipo de Ensaio: Pull/Peel

Welding Time

1

2

3

4

5

Std DEV

Average

Pressure

Energy

Ppk

QFIntegrado

QFPull

QFWT

QFPeel

48

Através da elaboração de tabelas para as diferentes combinações pressão-energia é possível a

obtenção de diversos dados, tais como os desvios padrões dos cinco elementos que compõem

as amostras, as médias das amostras, os tempos de soldadura e os seus desvios padrões, os

diversos factores de qualidade e os vários factores de qualidade estatística (PPK) das amostras.

Posteriormente procedeu-se à montagem de gráficos 3D, referentes às forças dos diferentes

ensaios destrutivos obtidos (Pull e Peel), aos factores de qualidade (Pull, Peel e Integrado), aos

tempos de soldadura e respectivos factores de qualidade, mediante as diferentes combinações

pressão-energia, permitindo a comparação entre os valores obtidos para os diferentes

equipamentos e cabos. A aplicação dos factores de qualidade parece mais adequada, pois

contempla todos os factores inerentes no processo de SUS, levando à obtenção de um nível de

qualidade superior. A montagem em gráficos 3D justifica-se, pois permite uma comparação dos

resultados obtidos nos diversos ensaios, pelos diferentes tipos de cabo, assim como pelos

distintos equipamentos. Importa referir que os máximos registados apresentam um círculo

branco sendo apresentado o seu valor.

Os parâmetros de referência dos equipamentos para a secção de 0,65 mm2, são expressos

nas tabelas 6-2, 6-6, 6-9 e 6-11, consoante os diversos equipamentos, e os intervalos de

funcionamento das várias combinações pressão-energia a aplicar na caracterização e

desenvolvimento da soldabilidade foram definidos mediante estes parâmetros de referências

dos distintos equipamentos. No caso dos equipamentos Telsonic e Schunk Minic PC, irão

incidir em cinco níveis de energia bem como de pressão; já no equipamento Schunk Minic IV

incidirá em cinco níveis de energia e três de pressão.

As variações a aplicar às diferentes combinações pressão-energia diferem consoante o

equipamento considerado, baseando-se a variação imposta nas curvas de funcionamento dos

diferentes equipamentos.

A caracterização da soldabilidade tida em conta com o equipamento Schunk Minic IV engloba a

aplicação de duas diferentes combinações pressão-energia, que se distinguem devido à

largura utilizada, pretendendo-se assim analisar o efeito de diminuição de largura, pois nesta

análise é considerada a largura de referência do equipamento Schunk Minic IV e a largura de

referência dos equipamentos Telsonic e Schunk Minic PC.

6.3 Equipamento Telsonic

Tabela 6-2. Parâmetros de referência e variações a aplicar à combinação pressão-energia do equipamento Telsonic, para a secção total de 0,65 mm

2

Configuração: CC2XCC3 Ref. Min. Máx. Variação

Energia [Ws] 64 44 84 10

Amplitude [%] 51

Pressão [bar] 2,1 1,7 2,5 0,2

Largura [mm] 0,88

49

6.3.1 Resultados da soldabilidade do cabo violeta com amplitude de 51%

Tabela 6-3. Caracterização da soldabilidade do cabo violeta com o equipamento Telsonic

1,7 1,9 2,1 2,3 2,5

44

54

64

74

84

70-80

60-70

50-60

40-50

Energ

ia [

J]

Pressão [bar]

Força Pull [N]

44

54

64

74

841.7 1.9 2.1 2.3 2.5

1.5-2.0

1.0-1.5

0.5-1.0

0.0-0.5

-0.5-0.0

QFPull

Energ

ia [

J]

Pressão [bar]

1,7 1,9 2,1 2,3 2,5

44

54

64

74

84

18.0-21.0

15.0-18.0

12.0-15.0

9.0-12.0

Pressão [bar]

Energ

ia [

J]

Força Peel [N]

44

54

64

74

841.7 1.9 2.1 2.3 2.5

0.33-0.67

0.00-0.33

-0.33-0.00

QFPeel

Pressão [bar]

Energ

ia [

J]

1,7

1,9

2,1

2,3

2,5

150200250300350

400

450

4454

6474

84

400-450350-400300-350250-300200-250150-200

Welding Time [ms] 44

54

64

74

841.7 1.9 2.1 2.3 2.5

0.95-1.00

0.90-0.95

0.85-0.90

QFWT

Pressão [bar] E

nerg

ia [

J]

44

54

64

74

841.7 1.9 2.1 2.3 2.5

0.600-0.800

0.400-0.600

0.200-0.400

0.000-0.200

QFIntegrado

Pressão [bar]

Energ

ia [

J]

- Pi=78,8N

- Pi=21,0N

- QFPULL=1,863

- QFPEEL=0,629

- QFWT=0,964

- QFIntegrado=0,707

50

6.3.2 Resultados da soldabilidade do cabo laranja com amplitude de 51%

Tabela 6-4. Caracterização da soldabilidade do cabo laranja com o equipamento Telsonic

1,7 1,9 2,1 2,3 2,5

44

54

64

74

84

90-100

80-90

70-80

60-70

Energ

ia [

J]

Pressão [bar]

Força Pull [N]

44

54

64

74

84

1.7 1.9 2.1 2.3 2.5

1.5-2.0

1.0-1.5

0.5-1.0

0.0-0.5

QFPull

Energ

ia [

J]

Pressão [bar]

1,7 1,9 2,1 2,3 2,5

44

54

64

74

84

18.0-21.015.0-18.012.0-15.09.0-12.0

Pressão [bar]

Energ

ia [

J]

Força Peel [N]

44

54

64

74

841.7 1.9 2.1 2.3 2.5

1.00-1.34

0.67-1.00

0.34-0.67

0.00-0.34-0.33-0.00

QFPeel

Energ

ia [

J]

Pressão [bar]

1,7

1,9

2,1

2,3

2,5

050100150200250300

4454

6474

84

250-300200-250150-200100-150


54

64

74

841.7 1.9 2.1 2.3 2.5

0.95-1.000.90-0.950.85-0.90

Energ

ia [

J]

Pressão [bar]

QFWT

44

54

64

74

841.7 1.9 2.1 2.3 2.5

1.000-1.200

0.800-1.000

0.600-0.800

0.400-0.600

0.200-0.400

0.000-0.200

Energ

ia [

J]

Pressão [bar]

QFIntegrado

- QFPULL=1,917 - Pi=88N

- Pi=20,8N

- QFIntegrado=1,185

- QFPEEL=1,192

- QFWT=0,972

51

6.3.3 Resultados da soldabilidade do cabo verde com amplitude de 51%

Tabela 6-5. Caracterização da soldabilidade do cabo verde com o equipamento Telsonic

1,7 1,9 2,1 2,3 2,5

44

54

64

74

84

90-100

80-90

70-80

60-70

Energ

ia [

J]

Pressão [bar]

Força Pull [N]

44

54

64

74

841.7 1.9 2.1 2.3 2.5

1.5-2.0

1.0-1.5

0.5-1.0

0.0-0.5

QFPull

Energ

ia [

J]

Pressão [bar]

1,7 1,9 2,1 2,3 2,5

44

54

64

74

84

18.0-21.015.0-18.012.0-15.09.0-12.0

Pressão [bar]

Energ

ia [

J]

Força Peel [N]

44

54

64

74

841.7 1.9 2.1 2.3 2.5

1.00-1.34

0.67-1.00

0.34-0.67

0.00-0.34

-0.33-0.00

QFPeel

Energ

ia [

J]

Pressão [bar]

1,71,9

2,1

2,3

2,5

100

150

200

250

4454

6474

84

200-250

150-200

100-150


54

64

74

841.7 1.9 2.1 2.3 2.5

0.95-1.00

0.90-0.95

0.85-0.90

QFWT

Energ

ia [

J]

Pressão [bar]

44

54

64

74

841.7 1.9 2.1 2.3 2.5

1.000-1.2000.800-1.0000.600-0.8000.400-0.6000.200-0.4000.000-0.200

QFIntegrado

Energ

ia [

J]

Pressão [bar]

- Pi=92,2N

- Pi=19,6N

- QFPULL=1,793

- QFPEEL=1,173

- QFWT=0,988

- QFintegrado=1,129

52

6.3.4 Análise de resultados com amplitude de 51%

O desenvolvimento da soldabilidade por SUS das cablagens no equipamento Telsonic,

caracterizado pelas tabelas 6-3, 6-4 e 6-5; evidência a obtenção de distintos patamares de

resistência mecânica da soldadura, bem como distintos patamares de factores de qualidade,

tanto em ensaio pull como em ensaio peel, consoante a cablagem considerada. Destaca-se a

aplicação da mesma combinação pressão-energia a todas as cablagens, permitindo uma

comparação directa entre os patamares de resistência mecânica da soldadura obtidos e os

patamares de factores de qualidade evidenciados.

Na tabela 6-6 são apresentados os melhores patamares de resistência mecânica da soldadura

verificados e os melhores patamares de factores de qualidade obtidos da combinação pressão-

energia, em função do cabo considerado. São também contabilizadas as frequências relativas,

evidenciadas por cada um destes melhores patamares, relativamente às 25 combinações de

pressão-energia realizadas, e apresentada a área estável evidenciada por cada factor de

qualidade (pull, peel e integrado).

Tabela 6-6. Tabela de avaliação de cabos multifilares de secção fina, com o equipamento Telsonic Equipamento TELSONIC Violeta Laranja Verde

Fo

rça

Pu

ll [

N]

Patamar máximo evidenciado [70-80] [80-90] [90-100]

Frequência relativa do patamar máximo 52%

[13/25] 80%

[20/25] 8%

[2/25]

Média máxima da amostra (5 elementos)

78,8 88,0 92,2

QF

PU

LL

Patamar máximo evidenciado [1,5-2,0] [1,5-2,0] [1,5-2,0]


[2/25] 36% [9/25]

4% [1/25]

% de área estável [1;+∞[ 32% [8/25]

72% [18/25]

60% [15/25]

Fo

rça

Peel

[N] Patamar máximo evidenciado [18-21] [18-21] [18-21]

Frequência relativa do patamar máximo 32% [8/25]

48% [12/25]

16% [4/25]


21,0 20,8 19,6

QF

PE

EL

Patamar máximo evidenciado [0,33-0,67] [1,00-1,34] [1,00-1,34]


[2/25] 8%

[2/25] 4%

[1/25]

% de área estável [1;+∞[ 0%

[0/25] 8%

[2/25] 4%

[1/25]

QFWT Valor máximo evidenciado 0,964 0,972 0,988

QF

INT

EG

RA

DO Patamar máximo evidenciado [0,600-0,800] [1,000-1,200] [1,000-1,200]


[2/25] 8%

[2/25] 4%

[1/25]

% de área estável [1;+∞[ 0% 8%

[2/25] 4%

[1/25]

Quando analisados os patamares máximos de resistência mecânica da soldadura,

evidenciados pelos cabos em ensaios destrutivos pull (tabela 6-6) constata-se que o cabo

violeta, verifica comparativamente aos cabos verde e laranja, inferiores patamares máximos de

resistência mecânica da soldadura alcançados, assim como uma área de estabilidade reduzida

(32%), evidenciada pelo QFPULL. A frequência relativa do patamar máximo do QFPULL é maior no

cabo laranja (36%), sendo também o cabo que apresenta, percentualmente, a maior área de

estabilidade (72%).

53

Relativamente aos patamares máximos de resistência mecânica da soldadura em ensaios

destrutivos peel, denotam-se idênticos patamares máximos de resistência obtidos ([18-21])

pelos diferentes cabos, verificando-se que o cabo laranja exibe a maior frequência relativa no

patamar de resistência máxima (48%). Quanto ao QFPEEL, revela-se estável apenas para os

cabos laranja e verde verificando-se que as frequências relativas evidenciadas por este

patamar máximo de estabilidade são bastante reduzidas (8% e 4% respectivamente).

Pela apreciação das tabelas 6-3, 6-4 e 6-5 pode-se constatar que a resistência mecânica da

soldadura ao ensaio destrutivo peel é menos estável perante as variações de parâmetros que a

respectiva resistência ao ensaio destrutivo pull, independentemente do cabo ensaiado.

O QFWT é similar em todos os cabos, porque as diferenças entre desvio padrão, média e

mínimo observado de tempos de soldadura para os cabos são pequenas. Assim não são

identificáveis diferenças significativas, entre cabos, no que respeita a QFWT.

Avaliando o tempo de soldadura evidenciado pelos diferentes cabos, nas tabelas 6-3, 6-4 e 6-5,

denota-se que decresce com o aumento da pressão e aumenta com a subida de energia e que

os cabos, verde e laranja, apresentam tempos de soldadura relativamente próximos e

reduzidos, comparativamente ao cabo violeta, que apresenta tempos de soldadura mais

alargados, limitando a sua soldabilidade.

Por fim, o QFINTEGRADO, que engloba todos os factores de qualidade com o seu respectivo peso

e que permite caracterizar a soldabilidade, verifica que apenas os cabos laranja e verde são

próprios e adequados às exigências do processo de SUS, apresentando percentualmente

áreas de estabilidade reduzidas (8% e 4% respectivamente) devido à dificuldade de obtenção

de factores de qualidade peel estáveis.

Com a caracterização da soldabilidade das diferentes cablagens salienta-se que o cabo violeta

não apresenta parâmetros ideais de funcionamento pois a sua soldabilidade não apresenta

estabilidade no processo de SUS, deixando de englobar o lote de cabos a caracterizar a

soldabilidade. Os cabos laranja e verde, apresentam parâmetros ideais de soldabilidade, visto

terem registado QFINTEGRADO superiores a 1, justificando-se a sua incorporação no processo de

SUS. Os melhores factores de qualidade obtidos e os respectivos parâmetros de

funcionamento (equivalem aos parâmetros ideais de soldabilidade), estão apresentados nas

tabelas 6-7 e 6-8, para os cabos laranja e verde.

Tabela 6-7. Melhores factores de qualidade obtidos e parâmetros ideais de soldabilidade US, para cabo laranja com o equipamento Telsonic

Cabo laranja / Equipamento TELSONIC

Amostras de 5 elementos Parâmetros ideais de soldabilidade

Melhores Factores de Qualidade

Energia [Ws] Pressão [bar] Largura [mm] Amplitude [%]

QFINTEGRADO 1,185 84 1,9

0,88 51 QFPEEL 1,192 74 1,9

QFPULL 1,917 54 2,3

QFWT 0,972 44 2,5

54

Tabela 6-8. Melhores factores de qualidade e parâmetros ideais de soldabilidade US, para cabo verde com o equipamento Telsonic

Cabo verde / Equipamento TELSONIC





0,88 51 QFPEEL 1,173 84 2,1

QFPULL 1,793 84 1,9

QFWT 0,988 74 2,3

6.3.5 Análise do efeito da amplitude

A análise do efeito de amplitude incidiu sobre os parâmetros ideais de soldabilidade (Peel e

Integrado) e que consequentemente levaram à obtenção dos melhores QF´s neste tipo de

ensaio, conforme as tabelas 6-7 e 6-8. Nesta análise são testadas amplitudes superiores a fim

de observar se existem melhorias significativas, comparativamente à amplitude de 51%

(amplitude referência para esta secção) e incidiu sobre os cabos laranja e verde, visto terem

sido os únicos capazes de serem utilizados no processo de SUS.

Da análise, destaca-se o aumento do número da amostra de cinco para dez elementos na

realização de ensaios destrutivos peel. Caracterizar uma amostra de dez elementos na

realização de ensaios destrutivos representa melhor o universo do processo tecnológico em

estudo, pois as tendências de variação estatística deste são definidas com maior clareza.

6.3.5.1 Em parâmetros ideais de soldabilidade de melhor QFINTEGRADO (cabo

laranja)

Figura 47. Efeito da amplitude para parâmetros ideais de soldabilidade de QFINTEGRADO (cabo laranja)

0.00

0.33

0.67

1.00

1.33

1.67

2.00

2.33

2.67

3.00

3.33

3.67

4.00

4.33

4.67

5.00

51 60 70 80 90 100

QF pull

QF integrado

QF Peel

Ppk Pull

Ppk Peel

Amplitude [%]

55

6.3.5.2 Em parâmetros ideais de soldabilidade de melhor QFPEEL (cabo laranja)

Figura 48. Efeito da amplitude para parâmetros ideais de soldabilidade de QFPEEL (cabo laranja)

O aumento para dez elementos presentes numa amostra em ensaios destrutivos peel a 51%

de amplitude, quando comparado com o resultado de cinco elementos presentes numa

amostra para a mesma amplitude, evidencia uma diminuição do QFPEEL, bem como do

QFINTEGRADO, pois o desvio padrão do resultado dos ensaios destrutivos aumentou, verificando-

se agora que os índices de qualidade não são cumpridos, contrariamente ao verificado numa

amostra de cinco elementos, conforme a tabela 6-9.

Tabela 6-9. Comparação, para a amplitude de referência do equipamento, entre QF´s obtidos em função do número de elementos, em cabos laranja e verde

Cabo Laranja Cabo verde

Parâmetros ideais de

QFPEEL Parâmetros ideais de

QFINTEGRADO Parâmetros ideais de QFPEEL≡ QFINTEGRADO

Amplitude [%] 51 51 51

Nº de elementos

5 10 5 10 5 10

QFPEEL 1,192 0,752 1,100 0,695 1,173 0,691

QFINTEGRADO 1,156 0,863 1,185 0,915 1,129 0,813

Na tabela 6-10 são expressos os melhores resultados obtidos de QF´s proporcionados pelo

aumento de amplitude nos parâmetros ideais de soldabilidade (Peel e Integrado)

Tabela 6-10. Melhores QF´s obtidos com o efeito do aumento da amplitude proporcionado nos parâmetros ideais de soldabilidade (Peel e Integrado), em cabo laranja com o equipamento Telsonic

Cabo Laranja / Equipamento Telsonic

Amostras de 10 elementos Parâmetros ideais de soldabilidade com amplitude alterada



QFINTEGRADO 1,014

84 1,9 0,88* 90 QFPEEL 0,958

QFPULL 1,210

QFINTEGRADO 1,158

84 1,9 0,88* 100 QFPEEL 0,977

QFPULL 1,794

QFINTEGRADO 1,091

74 1,9 0,88* 90 QFPEEL 0,903

QFPULL 1,730

QFINTEGRADO 1,006

74 1,9 0,88* 100 QFPEEL 0,956427

QFPULL 1,182

*- Largura de referência para CS=0,65mm2

0.000.330.671.001.331.672.002.332.663.003.333.664.004.33

51 60 70 80 90 100

QF pull

QF integrado

QF Peel

Ppk Pull

Ppk Peel

Amplitude [%]

56

O aumento de amplitude em parâmetros ideais de soldabilidade, para a cablagem laranja

(conforme as Figura 47 e 48) até 90% e 100%, proporcionou um aumento da média dos

resultados dos ensaios destrutivos e estabilizou o desvio padrão das amostras, culminando

numa subida do índice de qualidade, garantindo parâmetros ideais de soldabilidade (QFPEEL e

QFINTEGRADO) em cumprimento com as exigências do processo (tabela 6-10). Destaca-se a

redução, significativa, do tempo de soldadura em aproximadamente 60% (quando comparada a

amplitude de 51% com a de 90% e 100% em ambos os parâmetros ideais de soldabilidade)

representando um contributo em altas taxas de produção (§10.5).

Os resultados obtidos pelos QF´s em amostras de 10 elementos demonstram que o aumento

da amplitude de referência (51%) para amplitudes superiores (90% e 100%), em todos os

casos em estudo, melhorou sempre o QFPEEL e o QFINTEGRADO, constatando-se aumentos nos

respectivos índices de qualidade relativamente à amplitude de referência, em ambas as

cablagens verde, conforme a Figura 49, e laranja, conforme a Figura 47 e 48,

independentemente de quais os parâmetros ideais de soldabilidade utilizados.

Comparando, para os parâmetros ideais de QFINTEGRADO, os resultados dos QF’s com amplitude

de 90% com os resultados dos QF’s com amplitude de 100%, verifica-se um aumento de

QFINTEGRADO, QFPULL e de QFPEEL (§10.5). Relativamente à incidência nos parâmetros ideais de

QFPEEL, ao comparar os resultados dos QF´s com amplitude de 90% com os resultados dos

QF´s com amplitude de 100%, verifica-se uma diminuição de QFINTEGRADO e QFPULL, e um

aumento de QFPEEL. Neste caso o aumento de 90% para 100% já degrada a estabilidade

evidenciada.

6.3.5.3 Em parâmetros ideais de soldabilidade de melhor QFINTEGRADO≡QFPEEL

(cabo verde)

Figura 49. Efeito da amplitude para parâmetros ideais de soldabilidade de QFINTEGRADO ≡ QFPEEL (cabo verde)

0.000.330.671.001.331.672.002.332.663.003.333.664.004.334.665.005.335.665.99

51 60 70 80 90 100

QF pull

QF integrado

QF Peel

Ppk Pull

Ppk Peel

Amplitude [%]

57

Relativamente à cablagem verde, que presencia parâmetros ideais de funcionamento e

melhores factores de qualidade em Peel e Integrado na mesma combinação pressão e energia,

verifica-se que os factores de qualidade apenas cumprem as exigências do processo de SUS,

para a amplitude de 90%, conforme a Figura 49.

Na tabela 6-11 são expressos os melhores resultados obtidos de QF’s proporcionados pelo

aumento de amplitude em parâmetros ideais de soldabilidade (Peel≡Integrado).

Tabela 6-11. Melhores QF´s obtidos com o efeito do aumento da amplitude proporcionado nos parâmetros ideais de soldabilidade Peel≡Integrado, em cabo verde com o equipamento Telsonic

Cabo Verde / Equipamento Telsonic

Amostras de 10 elementos Parâmetros ideais de soldabilidade com amplitude alterada



QFINTEGRADO 1,056

84 2,1 0,88* 90 QFPEEL 0,932

QFPULL 1,480


Comparando os resultados obtidos pelos QF´s em amostras de 10 elementos (tabela 6-9 e

6-11), observa-se que o aumento da amplitude de referência (51%) para a amplitude superior

de 90%, melhorou o QFPEEL e o QFINTEGRADO.

Após a análise do efeito de amplitude com o equipamento Telsonic, demonstra-se que este

parâmetro neste equipamento foi fundamental para soldar as cablagens multifilares de secção

fina de liga de cobre, como se verifica através da análise das Figura 47, 48 e 49; estando

garantida maior estabilidade no processo SUS, com o aumento de amplitude em relação à

amplitude de referência.

Zhang e Leijin, comprovaram que o aumento do atrito por deslizamento, promovido pelo

aumento de amplitude, estabiliza o processo após um determinado número de ciclos de

soldadura [32], garantindo maior estabilidade no processo SUS.

Uma das questões mais debatidas no processo de US insere-se nas propriedades da

deformação plástica de metais, onde se verificam fenómenos de amolecimento (US) e

endurecimento (UH). O endurecimento ultrasónico, relatou Rusinko [33] no seu trabalho,

manifesta-se através do aumento da tensão de cedência do material, devido aos defeitos da

estrutura cristalina nucleada e é desenvolvido pela energia US. Os seus estudos, realizados

em TEM, revelam que o número de defeitos (deslocações e vagas, etc.) aumenta

dramaticamente durante as fases de vibração US activa. Estas deslocações acumulam-se,

interagem e servem de obstáculo, impedindo significativamente o seu movimento e mais

deslocações são impedidas de nucleação (a resistência a deslocações desenvolve-se). A

magnitude de endurecimento aumenta a tensão de cedência estática, do material que

experimentou energia US e é proporcional à amplitude de vibração.

58

6.4 Equipamento Schunk Minic PC

Tabela 6-12. Parâmetros de referência e variações a aplicar à combinação pressão-energia do equipamento Schunk Minic PC, para a secção total de 0,65 mm

2

Configuração: C2XCC3 Ref. Min Max Variação

Energia [Ws] 125 115 135 5

Amplitude [%] 50

Pressão [bar] 1,35 1,25 1,45 0,5

Largura [mm] 0,88

6.4.1 Resultados da soldabilidade do cabo laranja

Tabela 6-13. Caracterização da soldabilidade do cabo laranja com o equipamento Schunk Minic PC

1,25 1,3 1,35 1,4 1,45

115

120

125

130

135

90-100

80-90E

ne

rgia

[J]

Pressão [bar]

Força Pull [N]

115

120

125

130

1351.25 1.3 1.35 1.4 1.45

1.5-2.0

1.0-1.5

0.5-1.0

0.0-0.5

QFPull

En

erg

ia [J]

Pressão [bar]

1,25 1,3 1,35 1,4 1,45

115

120

125

130

135

21.0-24.018.0-21.015.0-18.0

Pressão [bar]

En

erg

ia [J]

Força Peel [N]

115

120

125

130

1351.25 1.3 1.35 1.4 1.45

0.67-1.00

0.33-0.67

0.00-0.33

QFPeel

En

erg

ia [J]

Pressão [bar]

1,251,3

1,35

1,4

1,45

200

250

300

115120

125

130

135

250-300

200-250


120

125

130

135

0.95-1.00

0.90-0.95

0.85-0.90

QFWT

Pressão [bar]

En

erg

ia [J]

115

120

125

130

135

1.000-1.2000.800-1.0000.600-0.8000.400-0.6000.200-0.4000.000-0.200

QFIntegrado

En

erg

ia [J]

Pressão [bar]

Pressão [bar]

- Pi=94,4N

- Pi=22,2N

- QFPULL=1,966

- QFPEEL=0,934

- QFWT=0,995

- QFiNTEGRADO=1,169

59

6.4.2 Resultados da soldabilidade do cabo verde

Tabela 6-14. Caracterização da soldabilidade do cabo verde com o equipamento Schunk Minic PC

1,25 1,3 1,35 1,4 1,45

115

120

125

130

135

90-100

80-90

70-80

60-70

En

erg

ia [J]

Pressão [bar]

Força Pull [N]

115

120

125

130

1351.25 1.3 1.35 1.4 1.45

2.0-2.51.5-2.01.0-1.50.5-1.00.0-0.5

QFPull

En

erg

ia [J]

Pressão [bar]

1,25 1,3 1,35 1,4 1,45

115

120

125

130

135

18.0-21.015.0-18.012.0-15.09.0-12.0

En

erg

ia [J]

Pressão [bar]

Força Peel [N]

115

120

125

130

1351.25 1.3 1.35 1.4 1.45

0.67-1.00

0.33-0.67

0.00-0.33

QFPeel

En

erg

ia [J]

Pressão [bar]

1,251,31,35

1,4

1,45

150

200

250

115120125

130135

200-250

150-200


120

125

130

1351.25 1.3 1.35 1.4 1.45

0.95-1.00

0.90-0.95

0.85-0.90

QFWT

En

erg

ia [J]

Pressão [bar]

115

120

125

130

1351.25 1.3 1.35 1.4 1.45

0.60-0.80

0.40-0.60

0.20-0.40

0.00-0.20

QFIntegrado

En

erg

ia [J]

Pressão [bar]

- Pi=90,8N

- Pi=20,8N - QFPEEL=0,780

- QFPULL=2,272

- QFWT=0,995

- QFINTEGRADO=0,791

60


O desenvolvimento da soldabilidade por SUS das cablagens no equipamento Schunk Minic PC,

caracterizado nas tabelas 6-13 e 6-14, evidência a obtenção de distintos patamares de

resistência mecânica da soldadura, bem como distintos patamares de factores de qualidade,

tanto em ensaio pull como em ensaio peel, consoante a cabo considerado. Destaca-se a

aplicação da mesma combinação pressão-energia a ambos os cabos (verde e laranja),

permitindo uma comparação directa entre os patamares de resistência mecânica da soldadura

obtidos e os patamares de factores de qualidade evidenciados.

Na tabela 6-15 são apresentados os melhores patamares de resistência mecânica da

soldadura verificados e os melhores patamares de factores de qualidade obtidos da

combinação pressão-energia, consoante o cabo considerado. São também contabilizadas as

frequências relativas, evidenciadas por cada um destes melhores patamares, relativamente às

25 combinações de pressão-energia realizadas, e apresentada a área estável evidenciada por

cada factor de qualidade (pull, peel e integrado).

Tabela 6-15. Tabela de avaliação de cabos com o equipamento Schunk Minic PC

SCHUNK MINIC PC Laranja Verde

Fo

rça P

ull

[N]

Patamar máximo evidenciado [90-100] [90-100]


[14/25] 12% [3/25]


94,4 90,8

QF

PU

LL

Patamar máximo evidenciado [1,5-2,0] [2,0-2,5]


[11/25] 8%

[2/25]


[17/25] 56%

[14/25]

Fo

rça

Peel

[N] Patamar máximo evidenciado [21-24] [18-21]


28% [7/25]


22,2 20,8

QF

PE

EL



8% [2/25]


[0/25] 0%

[0/25]

QFWT Valor máximo evidenciado 0,995 0,995

QF

INT

EG

RA

DO Patamar máximo evidenciado [1,000-1,200] [0,600-0,800]


36% [9/25]

% de área estável [1;+∞[ 16% [4/25]

0% [0/25]

Quando analisados os patamares máximos de resistência mecânica da soldadura evidenciados

por ambos os cabos, em ensaios destrutivos pull, constatam-se que são idênticos, verificando-

se que o cabo laranja evidencia uma frequência relativa superior (56%) relativamente ao cabo

verde (12%), para este patamar máximo.

Os patamares máximos evidenciados pelo QFPULL, verificam que o cabo verde apresenta um

patamar superior comparativamente ao cabo laranja, observando-se baixa incidência sobre

61

este patamar por parte do cabo verde (8%). Relativamente à área de estabilidade presenciada

por este QF, denota-se superioridade por parte do cabo laranja (68%) comparativamente ao

cabo verde (56%).

Relativamente aos patamares máximos de resistência mecânica da soldadura obtidos em

ensaios destrutivos peel, denota-se a presença de um patamar máximo superior de resistência

obtido ([21-24]) por parte do cabo laranja, verificando-se que o cabo laranja exibe uma

frequência relativa no patamar de resistência máxima de 16%, já o cabo verde exibe uma

frequência relativa superior (28%), mas apenas para o patamar máximo de resistência de

([18-21]). O QFPEEL revela-se instável para os cabos laranja e verde pois o patamar máximo

obtido por ambos é de [0,67-1,00], verificando-se uma frequência relativa incidente sobre este

patamar superior por parte do cabo laranja (32%), quando comparado com o cabo verde (8%).

Os tempos de soldadura apresentados pelas cablagens são semelhantes e destacam-se

pequenas alterações sofridas mediante as variações tidas em conta pela combinação pressão-

energia.

Por último, o QFINTEGRADO, verifica que apenas a cablagem laranja apresenta um patamar

máximo ([1,00-1,200]) em cumprimento com as exigências do processo, com uma frequência

relativa de 16%; mas deve-se salientar que o QFPEEL se apresenta instável, pelo que a

aprovação da cablagem laranja pelo QFINTEGRADO, apenas deve ser viável para geometrias

cruzadas.

O equipamento não deve ser utilizado para soldar cablagens multifilares finas e secções

inferiores a 0,8mm2, principalmente geometrias cegas que exigem rigorosos critérios de

aceitação e validação. (§10.2).

62

6.5 Equipamento Schunk Minic IV

Tabela 6-16. Parâmetros de referência e variações a aplicar à combinação pressão-energia do equipamento Schunk Minic IV, para a secção total de 0,65 mm

2

Configuração: CC2XCC3 Ref. Min Max Variação

Energia [Ws] 67 47 87 10

Amplitude [%] 60

Pressão [bar] 1,76 1,5 2,1 0,3

Largura [mm] 1,02

6.5.1 Resultados da soldabilidade do cabo laranja (largura de referência)

Tabela 6-17. Caracterização da soldabilidade do cabo laranja com o equipamento Schunk Minic IV

1,5 1,8 2,1

47

57

67

77

87

95-10090-9585-90

En

erg

ia [J]

Pressão [bar]

Força Pull [N]

47

57

67

77

871.5 1.8 2.1

2.0-2.5

1.5-2.0

1.0-1.5

0.5-1.0

0.0-0.5

QFPull

En

erg

ia [J]

Pressão [bar]

1,5 1,8 2,1

47

57

67

77

87

24.0-27.021.0-24.018.0-21.015.0-18.0

En

erg

ia [J]

Pressão [bar]

Força Peel [N]

47

57

67

77

871.5 1.8 2.1

1.00-1.330.67-1.000.33-0.670.00-0.33

QFPeel

En

erg

ia [J]

Pressão [bar]

1,5

1,8

2,1

100150200250300350

4757

6777

87

300-350250-300200-250150-200100-150


57

67

77

871.5 1.8 2.1

0.95-1.00

0.90-0.95

En

erg

ia [J]

Pressão [bar]

QFWT

47

57

67

77

871.5 1.8 2.1

1.20-1.401.00-1.200.80-1.000.60-0.800.40-0.60

En

erg

ia [J]

Pressão [bar]

QFIntegrado

- Pi=99,3N

- Pi=24,8N

- QFPULL=2,329

- QFPEEL=1,034

- QFWT=0,982

- QFIntegrado=1,259

63

6.5.2 Resultados da soldabilidade do cabo laranja (largura reduzida)

Tabela 6-18. Parâmetros de referência e variações a aplicar à combinação pressão-energia do equipamento Schunk Minic IV, para a secção total de 0,65 mm

2, exceptuando a largura

Parâmetro Ref. Min. Máx. Variação

Energia [Ws] 67 47 87 10

Amplitude [%] 60

Pressão [bar] 1,76 1,5 2,1 0,3

Largura [mm] 0,88

Tabela 6-19. Caracterização da soldabilidade do cabo laranja com o equipamento Schunk Minic IV, para largura de 0,88 mm

1,5 1,8 2,1

47

57

67

77

87

95-10090-9585-90

En

erg

ia [J]

Pressão [bar]

Força Pull [N]

47

57

67

77

871.5 1.8 2.1

2.0-2.51.5-2.01.0-1.50.5-1.00.0-0.5

QFPull

En

erg

ia [J]

Pressão [bar]

1,5 1,8 2,1

47

57

67

77

87

24.0-27.021.0-24.018.0-21.015.0-18.012.0-15.0

Força Peel [N]

En

erg

ia [J]

Pressão [bar]

47

57

67

77

871.5 1.8 2.1

0.67-1.000.33-0.670.00-0.33-0.33-0.00

QFPeel

En

erg

ia [J]

Pressão [bar]

1,5

1,8

2,1

100150200250300350

4757

67

77

87

300-350250-300200-250150-200100-150


57

67

77

871.5 1.8 2.1

0.95-1.00

0.90-0.95

En

erg

ia [J]

Pressão [bar]

QFWT

47

57

67

77

871.5 1.8 2.1

1.00-1.200.80-1.000.60-0.800.40-0.600.20-0.40 E

ne

rgia

[J]

Pressão [bar]

QFIntegrado

- Pi=98,4N

- Pi=25,1N

- QFPULL=2,195

- QFPEEL=0,96

- QFWT=0,979

- QFIntegrado=1,149

64

6.5.3 Análise de resultados para largura de referência e largura reduzida

O desenvolvimento da soldabilidade por SUS da cablagem laranja no equipamento Schunk

Minic IV, caracterizado pelas tabelas 6-17 e 6-19; evidência a obtenção de distintos patamares

de resistência mecânica da soldadura, bem como distintos patamares de factores de qualidade,

tanto em ensaio pull como em ensaio peel. Destaca-se a aplicação da mesma combinação

pressão-energia ao cabo laranja em ambas as tabelas 6-17 e 6-19, mas a diferença reside na

largura utilizada, pois o equipamento define uma largura de referência superior (L=1,02mm)

para a secção total de 0,65mm2, relativamente à largura de referência dos outros equipamentos

(L=0,88mm). É avaliado o efeito proporcionado pela redução de largura e permite uma

comparação directa entre os patamares de resistência mecânica da soldadura obtidos e os

patamares de factores de qualidade evidenciados, por cada um dos equipamentos para

idêntica largura utilizada.

Na tabela 6-20 são apresentados os melhores patamares de resistência mecânica da

soldadura verificados e os melhores patamares de factores de qualidade obtidos, consoante o

tipo de ensaio destrutivo realizado e largura considerada. São também contabilizadas as

frequências relativas evidenciadas por cada um destes melhores patamares, relativamente às

15 combinações de pressão e energia realizadas e apresentada a área estável evidenciada por

cada factor de qualidade (Pull, Peel e Integrado).

Tabela 6-20. Tabela de avaliação de diferentes larguras no equipamento Schunk Minic IV (cabo laranja)

Equipamento SCHUNK MINIC IV Laranja [L=0,88 mm]

Laranja [L=1,02 mm]

(Largura de referência)

Fo

rça

Pu

ll [

N]


Frequência relativa do patamar máximo 53,33% [8/15]

66,67% [10/15]


98,4 99,3

QF

PU

LL



33,33% [5/15]

% de área estável [1;+∞[ 86,67% [13/15]

100% [15/15]

Fo

rça

Peel

[N]



13,33% [2/15]


25,1 24,8

QF

PE

EL



6,67% [1/15]


[0/15] 6,67% [1/15]

QFWT Valor máximo evidenciado 0,979 0,982

QF

INT

EG

RA

DO Patamar máximo evidenciado [1,000-1,200] [1,200-1,400]


6,67% [1/15]

% de área estável [1;+∞[ 6,67% [1/15]

33,33% [5/15]

65

Quando analisados os patamares máximos de resistência mecânica da soldadura evidenciados

pelos cabo laranja em ED pull (tabela 6-20) constata-se que ambas as larguras verificam

idênticos patamares máximos de resistência mecânica da soldadura alcançados, assim como

uma área de estabilidade elevada (86,67% e 100%), evidenciada pelo QFPULL.

Relativamente aos patamares máximos de resistência mecânica da soldadura em ensaios

destrutivos peel, denotam-se idênticos e elevados patamares máximos de resistência obtidos

([24-27]) pelas diferentes larguras, caracterizados com uma frequência relativa no patamar de

resistência máxima de 13,33%. Quanto ao QFPEEL, revela-se estável apenas para a largura de

referência do equipamento verificando-se que a frequência relativa evidenciada por este

patamar máximo de estabilidade é reduzida (6,67%).

Pela apreciação das tabelas 6-17 e 6-19 pode-se constatar que a resistência mecânica da

soldadura ao ensaio destrutivo peel é menos estável perante as variações de parâmetros que a

respectiva resistência ao ensaio destrutivo pull.

O QFWT é similar em ambas as larguras. Isto acontece porque as diferenças entre desvio

padrão, média e mínimo observado de tempos de soldadura são pequenas. Assim não são

identificáveis diferenças significativas no que respeita a QFWT. Avaliando o tempo de soldadura

evidenciado pelas diferentes larguras, nas tabelas 6-17 e 6-19, denota-se que decresce com o

aumento da pressão e aumenta com a subida de energia.

Por último, o QFINTEGRADO, que permite caracterizar a soldabilidade, verifica que ambas as

larguras apresentam patamares máximos em cumprimento com as exigências do processo de

SUS, mas relativamente à largura inferior (largura de referência dos equipamentos Telsonic e

Schunk Minic PC) há que salientar que o QFPEEL não se apresenta estável, pelo que a

aprovação da largura inferior pelo QFINTEGRADO, apenas deve ser viável para geometrias

cruzadas. Denota-se ainda a elevada estabilidade evidenciada pelo QFINTEGRADO (33,33%) para

a largura de referência do equipamento, facto que ainda não tinha sido presenciado

anteriormente.

Os melhores factores de qualidade obtidos e os respectivos parâmetros de funcionamento,

estão apresentados nas tabelas 6-21 e 6-22, consoante a largura considerada.

Tabela 6-21. Melhores factores de qualidade e parâmetros ideais de soldabilidade US, para cabo laranja com o equipamento Schunk Minic IV, para largura de referência(L=1,02mm)

Cabo Laranja / Equipamento Schunk Minic IV





1,02* 60 QFPeel 1,034 87 1,5

QFPull 2,329 57 1,8

QFWT 0,982 77 2,1


66

Tabela 6-22. Melhores factores de qualidade e parâmetros ideais de soldabilidade US, para cabo laranja com o equipamento Schunk Minic IV e sem largura de referência

Cabo Laranja / Equipamento Schunk Minic IV





0,88* 60 QFPeel 0,960 57 1,8

QFPull 2,195 57 2,1

QFWT 0,979 87 2,1

*- Largura de referência do equipamento Telsonic e Schunk Minic PC para CS=0,65mm2

As ondas do equipamento Schunk Minic IV possuem raio de curvatura, para aumento da área

em contacto com os multifilares. Bigorna com maior área em contacto com os multifilares,

produziu as resistências mais elevadas, enquanto a bigorna com a área mais pequena em

contacto com os multifilares produziu as resistências mais baixas [18].

67

7 Análise Metalúrgica das Uniões Realizadas

7.1 Introdução

A realização de análise metalúrgica nas uniões desenvolvidas por diferentes equipamentos,

surge com o intuito de caracterizar a metalurgia da soldadura, bem como os mecanismos de

ligação inerentes no processo. Permite caracterizar e identificar as fases presentes, assim

como definir a sua extensão e distribuição; permite identificar heterogeneidades tais, como

inclusões não metálicas, segregações, fissuras internas, entre outros [36]. É também possível

verificar a homogeneidade da compactação e observar zonas de kissing bond.

Engloba uma necessária identificação e disposição dos clips em resina, um procedimento

associado de montagem seguido de tempo de cura, um procedimento de corte, desbaste e

polimento, e ainda uma sequência de contraste.

7.2 Procedimento experimental

Os clips são rigorosamente identificados e montados em resina epoxídica, salientando-se a

importância de identificação da área onde os multifilares contactam o sonótrodo e a bigorna. A

montagem é efectuada numa amostra de 25 mm de diâmetro, que exige um tempo de cura de

aproximadamente 8 horas.

O procedimento de corte é efectuado com um equipamento destinado ao efeito, sensivelmente

a meio da secção longitudinal soldada, pois é onde a compactação proporcionada pela bigorna

é maior. O desbaste consiste na aplicação de uma sequência de lixas, que apresentam a

seguinte rugosidade: 360, 400, 600, 1000, 2400; importando referir que o desbaste dura 20

minutos por lixa e executa-se com adição de água. O polimento final é efectuado com camurça,

sem água, onde se coloca lubrificante com pasta de diamante Buehler, durante 20 minutos.

Por último, a sequência de contraste é efectuada com recurso a ácido de ferramentaria, sendo

este composto por ácido clorídrico, ácido sulfúrico e água. O tempo necessário para a

sequência de contraste depende da concentração do ácido de ferramentaria e no caso em

estudo, foi de quatro minutos. Após a sequência de contraste destaca-se a necessidade de

paragem da reacção química, que é efectuada pela introdução da amostra em água.

Na base posterior da amostra analisada surgiu a necessidade de expor os multifilares, para

depositar uma fina camada (espessura de 15nm) de ouro, a fim de obter uma perfeita

visualização da área soldada por SEM (Scanning Electron Microscopy).

Os clips alvo de análise metalúrgica estão identificados com uma tabela auxiliar (da figura 50 à

63), que possibilita a identificação do equipamento utilizado, o tipo de cabo envolvido e os

parâmetros ideais de soldabilidade aplicados aos melhores factores de qualidade obtidos.

Importa também referir que nas imagens de conjunto apresentadas, a bigorna contactou os

multifilares que se apresentam na face superior da secção transversal e o sonótrodo contactou

com os multifilares que se apresentam na face inferior da secção transversal.

68

- Local incidente do estudo

Equipamento de SUS:

7.3 Resultados experimentais

7.3.1 Em equipamento Telsonic com cabo laranja

Tipo de PRESSÃO [bar] CABO 1,7 1,9 2,1 2,3 2,5

EN

ER

GIA

[W

s] 44

54

QF

PULL 64

74

QF

PEEL

84

QF

INTG

Observações:

Figura 50. Análise metalúrgica em melhor QFPULL obtido na soldabilidade do cabo laranja, com o equipamento Telsonic

Amostra de 5

elementos

69


Equipamento de SUS:


EN

ER

GIA

[W

s] 44

54

QF

PULL

64

74

QF

PEEL

84

QF

INTG

Observações:

Figura 51. Análise metalúrgica em melhor QFPEEL obtido na soldabilidade de cabos laranja, com o equipamento Telsonic

Amostra de 5

elementos

70


Equipamento de SUS:


EN

ER

GIA

[W

s] 44

54

QF

PULL

64

74

QF

PEEL

84

QF

INTG

Observações:

Figura 52. Análise metalúrgica em melhor QFINTEGRADO obtido na soldabilidade de cabos laranja, com o equipamento Telsonic

Amostra de 5

elementos

71


Equipamento de SUS:


EN

ER

GIA

[W

s] 44

54

QF

PULL

64

74

QF

PEEL

84

QF

INTG

Observações:

PEELPKP=1,757

QFINTEGRADO= 1,014

Figura 53. Análise metalúrgica em parâmetros ideais de soldabilidade de QFINTEGRADO obtidos, mas com

amplitude de 90%, de cabos laranja com o equipamento Telsonic

A=90%

Amostra de

10 elementos

72


Equipamento de SUS:


EN

ER

GIA

[W

s] 44

54

QF

PULL

64

74

QF

PEEL

84

QF

INTG

Observações:

PEELPKP =1,811

QFINTEGRADO= 1,210

Figura 54. Análise metalúrgica em parâmetros ideais de soldabilidade de QFINTEGRADO obtidos, mas com


A=100%

Amostra de

10 elementos

73


Equipamento de SUS:


EN

ER

GIA

[W

s] 44

54

QF

PULL

64

74

QF

PEEL

84

QF

INTG

Observações:

PEELPKP =1,796

QFINTEGRADO= 1,090

Figura 55. Análise metalúrgica em parâmetros ideais de soldabilidade de QFPEEL obtidos, mas com


A=90%

Amostra de

10 elementos

74


Equipamento de SUS:


EN

ER

GIA

[W

s] 44

54

QF

PULL

64

74

QF

PEEL

84

QF

INTG

Observações:

PEELPKP =1,877

QFINTEGRADO= 1,006

Figura 56. Análise metalúrgica em parâmetros ideais de soldabilidade de QFPEEL obtidos, mas com


A=100%

Amostra de

10 elementos

75


Equipamento de SUS:

7.3.2 Em equipamento Telsonic com cabo verde


EN

ER

GIA

[W

s]

44

54

64

74

84

QF

PULL QF

PEEL

Observações:

Figura 57. Análise metalúrgica em melhor QFPULL obtido na soldabilidade de cabos verde, com o equipamento Telsonic

QFPEEL≡QFINTEGRADO

Amostra de 5

elementos

76


Equipamento de SUS:


EN

ER

GIA

[W

s]

44

54

64

74

84

QF

PULL QF

PEEL

Observações:

Figura 58. Análise metalúrgica em melhor QFPEEL≡ melhor QFINTEGRADO obtido na soldabilidade de cabos

verde com o equipamento Telsonic


Amostra de 5

elementos

77


Equipamento de SUS:

Tipo de PRESSÃO [bar] CABO 1,7 1,9 2,1 2, 2,5

EN

ER

GIA

[W

s]

44

54

64

74

84

QF

PULL QF

PEEL

Observações:

PEELPKP =1,678

QFINTEGRADO=1,056

Figura 59. Análise metalúrgica em parâmetros ideais de soldabilidade de melhor QFPEEL≡ melhor QFINTEGRADO obtidos, mas com amplitude de 100%, para cabo laranja com o equipamento Telsonic


A=90%

Amostra de

10 elementos

78

7.3.2.1 Análise de resultados com equipamento Telsonic

A análise de resultados divide-se em caracterizar a metalurgia da soldadura de splices

constituídos por cabos:

soldados com a amplitude de referência do equipamento Telsonic;

soldados com os parâmetros ideais de soldabilidade evidenciados pelo melhor QFPEEL

e pelo melhor QFINTEGRADO obtidos, juntamente com amplitudes superiores à de

referência do equipamento Telsonic.

Salienta-se que o cabo a ensaiar é o cabo que menor energia recebeu e que se encontra na

proximidade da bigorna sendo que a disposição dos multifilares na secção transversal deve

apresentar-se conforme representado na figura 16.

Na análise metalúrgica de splices utilizando a amplitude de referência do equipamento

Telsonic, verifica-se que para o melhor QFPULL, melhor QFPEEL e para o melhor QFINTEGRADO

registados com o cabo laranja (Figura 50, 51 e 52), se apresenta um grau de compactação

baixo, observando-se diversos interstícios, uniformemente distribuídos, em toda a secção

transversal, comportamento analogamente verificado com o melhor QFPEEL obtido com o cabo

verde (Figura 58). As ilhas de soldadura formadas nos multifilares a ensaiar, da Figura 50, 51,

52 e 58, quase não se evidenciam, localizando-se os multifilares a ensaiar com zonas em

kissing bond ou estabelecendo ligações adesivas com comprimento máximo aproximadamente

de 30μm. Nestes casos os que utilizam energia superior (QFPEEL e QFINTEGRADO), em ambos os

cabos, presenciam de uma zona severamente deformada na face em contacto com o

sonótrodo e observa-se um fenómeno de deformação dos multifilares em forma de escama de

peixe, ocorrendo devido à orientação dos estados de tensão aplicados entre multifilares (zona

com menor número de interstícios). Verifica-se também que energias mais elevadas (74J e

84J) potenciam o empilhamento de filamentos (stacking), gerando ilhas de soldadura

superiores tanto em número como em comprimento.

Analisando a metalurgia da soldadura do melhor QFPULL obtido, para o cabo verde à amplitude

de referência do equipamento Telsonic (Figura 57), denota-se a redução de secção dos

multifilares em contacto com a bigorna, proporcionando um decréscimo na resistência original

dos multifilares que sofreram deste efeito.

Na análise metalúrgica de splices, utilizando os parâmetros ideais de soldabilidade

evidenciados pelo melhor QFPEEL e pelo melhor QFINTEGRADO obtidos juntamente com

amplitudes superiores à de referência do equipamento Telsonic, verifica-se um grau de

compactação mais elevado comparativamente ao evidenciado pela amplitude de referência do

equipamento, conforme a Figura 53, 54, 55, 56 e 59; mas salienta-se que a localização dos

interstícios não é uniformemente distribuída ao longo da secção transversal, pois existe uma

zona severamente deformada na proximidade do sonótrodo que quase não apresenta

79

interstícios. Amplitudes como 90% e 100% provocaram o aumento da potência consumida pelo

equipamento de SUS provocando maior deformação plástica e geração de calor, facilitando

ligações difusivas e originando coalescência de um maior número de pontos de soldadura ao

longo da secção transversal. Alcançou-se uma secção quadrangular, representando uma mais-

valia na realização dos ensaios de torção e flexão expressos no campo 6 da Figura 64,

observou-se também elevado factor de empilhamento de filamentos (stacking) e o fenómeno

de escama de peixe na proximidade dos multifilares que entraram em contacto com o

sonótrodo. Contudo, os multifilares a ensaiar apresentam, para amplitudes superiores

(comparativamente à amplitude de referência) maior número e tamanho de ilhas de soldadura

estabelecendo ligações essencialmente adesivas com comprimento máximo de

aproximadamente 60μm.

80


Equipamento de SUS:

7.3.3 Em equipamento Schunk Minic IV com cabo laranja e largura de

referência (1,02mm)

Tipo de PRESSÃO

[bar] CABO 1,5 1,8 2,1

EN

ER

GIA

[W

s] 47

57

QF

PULL 67

77

87 QF

PEEL

Observações:

Figura 60. Análise metalúrgica em melhor QFPULL obtido para cabo laranja, com o equipamento Schunk Minic IV e largura de referência


L=1,02mm

Amostra de 5

elementos

81


Equipamento de SUS:

Tipo de PRESSÃO

[bar] CABO 1,5 1,8 2,1

EN

ER

GIA

[W

s] 47

57

QF

PULL

67

77

87 QF

PEEL

Observações:

Figura 61. Análise metalúrgica em melhor QFPEEL≡ melhor QFINTEGRADO obtido para cabo laranja, com o

equipamento Schunk Minic IV e largura de referência


L=1,02mm

Amostra de 5

elementos

82


Equipamento de SUS:

7.3.4 Em equipamento Schunk Minic IV com cabo laranja e largura

reduzida (0,88mm)

Tipo de PRESSÃO

[bar] CABO 1,5 1,8 2,1

EN

ER

GIA

[Ws]

47

57

QF

PEEL QF

PULL 67

77

87

Observações:

Figura 62. Análise metalúrgica em melhor QFPULL obtido para cabo laranja, com o equipamento Schunk

Minic IV e largura de 0,88 mm


L=0,88mm

Amostra de 5

elementos

83


Equipamento de SUS:

Tipo de PRESSÃO

[bar] CABO 1,5 1,8 2,1

EN

ER

GIA

[Ws]

47

57

QF

PEEL QF

PULL

67

77

87

Observações:

Figura 63. Análise metalúrgica em melhor QFPEEL≡ melhor QFINTEGRADO obtido para cabo laranja com o

equipamento Schunk Minic IV e largura de 0,88 mm


L=0,88mm

Amostra de 5

elementos

84

7.3.4.1 Análise de resultados com o equipamento Schunk Minic IV

Na análise metalúrgica de splices utilizando a largura de referência do equipamento Schunk

Minic IV, verifica-se que para o melhor QFPULL obtido com cabo laranja (Figura 60), se

apresenta um grau de compactação homogéneo mas pouco intenso, pois observam-se

interstícios, uniformemente distribuídos, em toda a secção transversal. As ilhas de soldadura

formadas, nos multifilares a ensaiar, estabelecem ligações essencialmente difusivas, como se

pode observar pelo desaparecimento da interface entre multifilares (sem nenhuma

descontinuidade, característica de ligações difusivas), com o comprimento máximo de

aproximadamente 45μm, observando-se dois destes multifilares sem exercer ligação na secção

transversal analisada. Observa-se baixa deformação plástica sofrida pelos multifilares que

compõem a secção transversal, não sendo observado o fenómeno de escama de peixe. Os

multifilares formam empilhamento apresentando ilhas de soldadura ao longo da secção

transversal.

Na análise metalúrgica do melhor QFPEEL ≡ melhor QFINTEGRADO obtido com cabo laranja (Figura

61), apresenta-se uma compactação homogénea, com interstícios de reduzidas dimensões e

uniformemente distribuídos, ao longo da secção transversal. As ilhas de soldadura formadas

nos multifilares a ensaiar estabelecem ligações essencialmente difusivas, como se pode

observar pelo desaparecimento da interface entre multifilares, com o comprimento máximo de

aproximadamente 55μm e apenas se observam dois destes multifilares com zonas em kissing

bond. Observa-se baixa deformação plástica sofrida pelos multifilares que compõem a secção

transversal, verifica-se empilhamento vertical e o inicio de tendência para a hexagonalidade

(favo de mel) dos multifilares com minimização dos espaços intersticiais.

Na análise metalúrgica de splices realizados com o equipamento Schunk Minic IV, utilizando a

largura de referência dos equipamentos Telsonic e Schunk Minic PC (Figura 62 e 63),

constatou-se um grau de compactação baixo, observando-se diversos interstícios

essencialmente na zona dos multifilares a ensaiar mas também ao longo toda a secção

transversal. As ilhas de soldadura formadas nos multifilares a ensaiar estabelecem um menor

número de ligações difusivas, originando ligações adesivas em detrimento destas e

apresentando multifilares com zonas em kissing bond. A obtenção do melhor QFPEEL e do

melhor QFPULL verifica-se em energias mais baixas, comparativamente aos resultados obtidos

com a largura de referência do equipamento, constatando-se menor energia absorvida pelo

splice, o que gera menor deformação plástica sofrida nos multifilares a ensaiar, provocando

uma diminuição de ligações difusivas e originando coalescência de um menor número de

pontos de soldadura ao longo da secção transversal.

85

8 Conclusões e Proposta de Trabalho Futuro

8.1 Conclusões

As cablagens multifilares de secção fina soldadas pelo processo de SUS, permitem uma

evolução na indústria automóvel, reduzindo peso, espaço para o seu acoplamento e sobretudo

custo. Assim, tornou-se essencial desenvolver a capacidade de processar estes cabos

garantindo a qualidade das soldaduras realizadas, repetidamente e em escala industrial, para

comercialização.

As diversas combinações de pressão e energia, em torno dos parâmetros de referência dos

equipamentos de SUS, permitiram identificar parâmetros ideais de soldabilidade para os

diferentes cabos multifilares de secção fina, em liga de cobre, possibilitando a correcta

validação das ligações efectuadas pelo processo. Actualmente, a aprovação do índice de

desempenho, Ppk, que efectua a avaliação na validação das ligações, não engloba factores

estatísticos, inerentes ao processo.

Desenvolveram-se factores de qualidade, que garantem maior consistência na validação das

ligações, pois obtêm um índice de qualidade que considera um maior número de factores

inerentes no processo de SUS, constatando-se ser mais conservador que o índice Ppk.

A caracterização experimental dos cabos multifilares de secção fina, de liga de cobre, através

de ensaios de tracção, confirmou que o alongamento destes cabos é de aproximadamente 5%

e que suportam uma tensão de rotura de aproximadamente 850MPa. As cablagens em liga de

cobre são muito menos dúcteis que as cablagens de cobre ETP convencionais, que

apresentam um alongamento de 35% e que suportam uma tensão de rotura de

aproximadamente 240MPa, e por consequência, mais difícil de processar controladamente por

SUS, que envolve deformação plástica no estado sólido.

Os isolantes poliméricos de PVC degradam-se à temperatura ambiente e mais rapidamente

com temperaturas superiores, assim como em exposição à luz ultravioleta. Esta degradação

provoca libertação de resíduos, que aumentam o tempo de soldadura e diminuem a resistência

mecânica dos clips. A análise química por EDS, efectuada com o intuito de determinar que

elementos provenientes da deterioração do revestimento polimérico em PVC contaminam a

superfície dos multifilares, determinou uma presença elevada de cloro, zinco e elementos leves

como carbono e oxigénio. A existência de cloro nos multifilares contaminados deve-se à

reacção de desidrocloração, que é evidenciada desde o inicio da degradação, pelo que se deve

considerar o cabo com revestimento polimérico em PVC como sendo um consumível de baixo

tempo de ciclo em fábrica, minimizando assim este fenómeno.

A caracterização da soldabilidade para a obtenção dos parâmetros ideais de funcionamento a

soldar a liga de cobre, através da aplicação da combinação pressão-energia adequada a cada

86

equipamento, nos diversos cabos, permitiu a obtenção dos melhores patamares de resistência

mecânica da soldadura verificados e dos melhores patamares de factores de qualidade

obtidos, contabilizando as suas frequências relativas e a área estável, evidenciada por cada um

dos factores de qualidade (pull, peel e integrado).

O aumento do número da amostra de cinco para dez elementos, na realização de ensaios

destrutivos peel, proporcionou um decréscimo dos factores de qualidade obtidos, evidenciando

que caracterizar uma amostra de dez elementos, representa melhor o universo do processo

tecnológico em estudo, pois as tendências de variação estatística deste são melhor definidas.

O aumento de amplitude até 90% e 100% nos parâmetros ideais de soldabilidade, registados

pelo melhor QFPEEL e QFINTEGRADO, com o equipamento Telsonic, proporcionou um aumento da

média dos resultados de resistência mecânica da soldadura, aos ensaios destrutivos, e

estabilizou o desvio padrão das amostras, culminando numa subida do índice de qualidade,

garantindo o cumprimento com as exigências industriais do processo e destacando a redução

significativa do tempo de soldadura.

A geometria da superfície do sonótrodo e da bigorna demonstraram ser importantes na

resistência mecânica final obtida nas soldaduras, pelo que os equipamentos definidos para

soldar pequenas secções não devem ser os mesmos que soldam secções superiores. O

equipamento Schunk Minic IV, concebido para ser um equipamento dedicado a baixas

secções, é o mais adequado dos testados a realizar esta tarefa.

Na análise metalúrgica de splices, utilizando a amplitude de referência do equipamento

Telsonic, apresenta-se um grau de compactação baixo, observando-se diversos interstícios,

uniformemente distribuídos em toda a secção transversal. As ilhas de soldadura formadas nos

multifilares do cabo a ensaiar quase não se evidenciam nas secções transversais analisadas,

localizando-se os filamentos com zonas em kissing bond ou estabelecendo ligações adesivas

com comprimento transversal máximo de aproximadamente 30μm. As energias mais elevadas,

utilizadas na combinação pressão-energia, proporcionaram nos filamentos em contacto com o

sonótrodo uma zona severamente deformada, observando-se um fenómeno de deformação

dos multifilares em forma de escama de peixe, proporcionando uma redução dos interstícios

nesta zona; energias mais elevadas potenciam o empilhamento de filamentos, stacking,

gerando ilhas de soldadura superiores, tanto em número como em comprimento.

Utilizando um equipamento com tooling não desenhado especificamente para pequenas

secções, como o equipamento Telsonic, constatou-se que o aumento de amplitude provocou

um grau de compactação mais elevado, comparativamente ao evidenciado pela amplitude de

referência do equipamento, mas salienta-se que a localização dos interstícios não é

uniformemente distribuída ao longo da secção transversal, pois existe uma zona severamente

deformada na proximidade do sonótrodo, que quase não apresenta interstícios e que denota o

fenómeno de deformação dos filamentos em forma de escama de peixe. O aumento de

87

amplitude provoca uma maior deformação plástica e geração de calor nas ligações, facilitando

o aparecimento de ligações difusivas.

Em todos os equipamentos a utilização de energias mais elevadas, por parte da combinação

pressão-energia, potenciou o aparecimento do fenómeno de empilhamento, sobretudo em

secções soldadas com largura reduzida (0,88mm). A proporção entre a dimensão de cada

filamento e a largura do splice é fundamental para a arrumação final dos filamentos. A largura

adequada promove uma arrumação espacial correcta dos filamentos, com minimização dos

interstícios e com os filamentos a apresentarem uma geometria hexagonal (favo de mel).

É importante referir que em nenhuma das análises metalúrgicas realizadas às secções

transversais dos clips, executadas com o equipamento Schunk Minic IV, se observaram

grandes variações de secção de cada filamento, o que demonstra que a energia absorvida pelo

splice é, essencialmente, utilizada no desenvolvimento de pontos de soldadura entre

filamentos. Isto deve-se à geometria mais adequada, das ondas do sonótrodo e da bigorna que

constituem o tooling deste equipamento.

8.1 Trabalho futuro

Aumentar a dimensão amostral das várias combinações de parâmetros testados para

cada splice;

Aumentar o número de níveis aplicados às combinações pressão-energia, nos

diferentes equipamentos, com distintas cablagens e utilizando diversos splices e configurações,

com o intuito de caracterizar todas as zonas estáveis aos diferentes tipos de ensaios

destrutivos, fazendo-as variar também em amplitude e largura;

Verificar o efeito de aumento de largura, em parâmetros ideais de soldabilidade

utilizando amplitudes superiores, para a secção de 0,65mm2, no equipamento Telsonic;

Realizar possíveis melhoramentos na resistência mecânica da soldadura através do

aumento de amplitude pelo equipamento Schunk Minic IV com a cablagem laranja;

Analisar as diferenças verificadas nos ensaios de torção e flexão, em soldaduras que

cumpram os critérios de aceitação e validação, com o equipamento Schunk Minic IV, devido à

diminuição do comprimento do tooling.

88

9 Referências Bibliográficas

[1] – Robert B. Ross, Metallic Materials Specification Handbook, E. & F. N. Spon, 3ª edição,

Londres, 1980;

[2] – www.delphi.com;

[3] – Alexandre Fernandes, Desenvolvimento de Software de Controlo Estatístico de Qualidade

e Análise Experimental das Ligações Realizadas por Cravamento e Soldadura por Ultra-

Sons, Instituto Superior Técnico, 2007;

[4] – http://pt.wikipedia.org/wiki/Ensaio_de_tra%C3%A7%C3%A3o;

[5] – http://en.wikipedia.org/wiki/Polyphenyl_ether;

[6] – António Rodolfo Jr., Nanocompósitos de PVC, argila organicamente modificada e óxidos

metálicos: estudo do processo de preparação e propriedades de combustão, Universidade

Estatal de Campinas, 2010;

[7] – http://delphi.com/manufacturers/auto/ee/cables/013mm_pvc_tw_cab/;

[8] – Delphi.com/eea;

[9] – http://delphi.com/news/featureStories/fs_2010_08_26_001/;

[10] – http://delphi.com/news/featureStories/fs_2010_07_29_001/;

[11] – Ruben Santos, Caracterização e desenvolvimento da soldabilidade de cablagens

multifilares de alumínio por ultra-sons, Instituto Superior Técnico, 2010;

[12] – Edgar Vries, Mechanics and Mechanisms of Ultrasonic Metal Welding, The Ohio State

University; p 1-4/9-12/14-33/23-45, 2004;

[13] – John N. Antonevich, Ultrasonic Welding Equipment, IRE Transactions of Ultrasonic

Engineering; February, 1960, p 26-32;

[14] – C. Doumanidis, Y. Gao, Mechanical Modeling of Ultrasonic Welding, University of Cyprus,

Abril 2004, p 140-146;

[15] – R. Jahn, R. Cooper, D. Wilkosz, The Effect of Anvil Geometry and Welding Energy on

Microstructures in Ultrasonic Spot Welds of AA6111-T4, Metallurgical and Materials

Transactions A, Vol. 38, Março 2007, p 570-583;

[16] – Hisashi Imai, Sin-ichi Matsuoka, Direct Welding of Metals and Ceramics by Ultrasonic

Vibration, JSME International Journal, Vol. 49, 2006, p 444-450;

[17] – ASM Handbook Committee, Metals Handbook Volume 6: Welding, Brazing and

Soldering, vol. 6, 9ª edição, Ohio, 1983;

http://delphi.com/news/featureStories/fs_2010_08_26_001/

http://delphi.com/news/featureStories/fs_2010_07_29_001/

89

[18] – Matthew Carlton Bloss, Ultrasonic Metal Welding: The Weldability of Stainless Steel,

Titanium, and Nickel-Based Superalloys, The Ohio State University, 2008;

[19] – Harthoorn, J.L., Ultrasonic Metal Welding, Technische Hogeschool Eindhoven,1978;

[20] – Janet Devine, New Release, Sonobond Ultrasonics, Inc.;

[21] – I. M. Hutchings; Friction and Wear of Engineering Materials, St Edmundsbury Press Ltd,

1ª edição, Londres,1992;

[22] – ASM Handbook Committee, Metals Handbook Volume 18 – Friction, Lubrication,and

Wear Technology, ASM International, 9ª edição, 1985;

[23] – A Brodyanski, C. Born, M. Kopnarski, Nm-scale resolution studies of the bond interface

between ultrasonically welded Al-alloys by an analytical TEM: a path to comprehend

bonding phenomena, Elsevier – applied surface science, Vol. 252, 2005, p 94-97;

[24] – Cottrell, Alan, Introdução à Metalurgia, Fundação Calouste Gulbenkian, 2ª Edição,

Lisboa, 1975;

[25] – Sabic Innovative Plastics, Ultrasonic Welding; http://www.sabic.com/, 29-05-2010;

[26] – H. P. C. Daniels, Ultrasonic Welding, Ultrasonics, December 1965, p 190-196;

[27] - http://en.wikipedia.org/wiki/Sonotrode;

[28] – Welding Handbook 8th

Edition vol.2, Welding Processes, American Welding Society, cap.

25, pp.784-812;

[29] – T. Kuprys, J. Januteniene, R. Didziokas, Strength of copper wire connections welded by

ultrasonic, Mechanika, vol. 3, 2007, p 30-33;

[30] – Procedimento Delphi: Lessons Learned: Ultrasonic Welding Quality Problem Solving,

Delphi;

[31] – Procedimento Delphi: Work Steps for: Product Validation (Ultrasonic Splicing) – Ground

Terminal Welding Splice, Delphi;

[32] – Chunbo Zhang, Leijin Li, Effect of substrate dimensions on dynamics of ultrasonic

consolidation, Utah State University, 2010;

[33] – A. Rusinko, Analytical description of ultrasonic hardening and softening, Óbuda

University, Fevereiro 2011;

[34] – Procedimento Delphi: Product Specifications;

90

[35] – Cheng, X., Li, X., “Investigation of Heat Generation in Ultrasonic Metal Welding using

micro sensor arrays”, Journal of Micromechanics and Microengineering vol.17(2007),

273-282, IOP Publishing, January 2007;

[36] – E. M. Dias Lopes, R. M. Miranda, Metalurgia da Soldadura, Edições Técnicas do Instituto

de Soldadura e Qualidade, p 279-287, 2008;

[37] – ASM Handbook Committee, Metals Handbook Volume 9 – Metallography and

Microstructures, ASM International, 9ª edição, 1985;

[38] – Kuttruff, Heinrich, Ultrasonics Fundamentals and Applications, Elsevier Science

Publishers, p 406-417, 1991.

1

10 Anexos

10.1 Nomenclatura de secções

A nomenclatura do splice foi desenvolvida para facilitar a comunicação com fornecedores,

clientes, operadores da mesma fábrica e de fábricas da mesma família [34]. Os clips são

obtidos normalmente com diversas secções de cabos e cada secção tem uma letra associada,

conforme a tabela 10-1. A tabela contém os códigos referentes a cada secção de cabos, de

acordo com as normas alemã (DIN), japonesa (JIS) e norte-americana (SAE).

Tabela 10-1. Quadro com nomenclatura de secções [34].

SAE/DIN CABLE

SPLICE CODIFICATION TABLE

SAE DIN JIS Secção

LETTER "block" LETTER "italic" LETTER "underlin" AWG [mm2]

CC CC CC __ 0,13

A A A 24 0,22

B B B 22 0,35

C C C 20 0,50

D D D ----- 0,60

E E E 18 0,75

F F F ----- 0,80

G G G 16 1,00

BB BB BB ----- 1,25

H H H ----- 1,40

I I I 15 1,50

J J J 14 2,00

K K K 13 2,50

L L L 12 3,00

M M M ----- 4,00

N N N 10 5,00

O O O ----- 6,00

P P P ----- 7,00

Q Q Q 8 8,00

x - Divide os dois lados do splice.

2

10.2 Critérios de aceitação e validação

O objectivo do procedimento seguinte prende-se com a correcta validação dos splices [31].

Para proceder à validação, recorre-se a uma folha de Excel onde são introduzidas todas as

informações necessárias, conforme a Figura 64. A folha Excel é dividida por campos de 1 a 13

que são devidamente limitados, para facilitar a descrição.

Figura 64. Esquema da folha Excel utilizada pela Delphi para proceder à validação de um splice

3 4 5 6

7

8

11

12

13

1 2

9 10

3

No campo 1 é introduzida a configuração de cabos a soldar (splice) e o equipamento utilizado.

A folha Excel calcula automaticamente a secção total a soldar, representada no campo 2.

Indica também qual o cabo que deve ser ensaiado, quais os valores mínimo, de pré-controlo e

preferido, tanto para peel como para pull, conforme campo 7.

Sabendo o splice a validar, o operador introduz no equipamento Schunk Minic PC a geometria,

conforme a Figura 65. Esta figura apresenta o modo setup, onde todas as alterações ao nível

de parâmetros e de janelas de qualidade devem ser efectuadas. O software devolve os valores

de soldadura que o operador deve utilizar para soldar cabos de cobre (energia, pressão,

largura e amplitude). Os valores tempo, altura inicial e final, são obtidos através da realização

de um clip de soldadura e são usados como referência para controlo de qualidade de

soldaduras. Todos os valores referidos devem ser introduzidos no campo 3, representado na

Figura 64.

Figura 65. Esquematização da geometria a soldar e respectivos parâmetros de ensaio

Legenda da Figura 65:

L – gráfico potência, em watts, versus tempo, em milissegundos, conforme a Figura 66;

F2 – secção total;

F3 – pressão em bar;

F4 – largura em milímetros;

F5 – amplitude em percentagem de distância máxima possível;

F6 – energia em watts segundo (equivalente a Joule);

F7 – altura de compactação e altura de soldadura em milímetros.

4

Figura 66. Esquema do gráfico potência versus tempo

O operador deve introduzir, no campo 8 e na coluna val. (pre-height), a diferença máxima

permitida entre a altura de compactação de referência e a obtida, dada pela obtenção de um

clip no modo setup e a diferença máxima entre a altura de soldadura de referência e a obtida.

Quando todos os parâmetros estão definidos para o splice em questão, o operador deve

trabalhar em modo de produção.

No campo 9 introduz-se o valor da largura e altura medida com auxílio de um micrómetro,

quando efectuado um clip.

Seguidamente, o operador inicia uma bateria de testes, em modo de produção. Caso se trate

duma geometria cega, são efectuados 10 ensaios peel e nenhum ensaio pull. Caso a

geometria seja cruzada, são realizados 10 ensaios pull e 5 ensaios peel, conforme os campos

4 e 5. Na Figura 64, a folha está ajustada para validar um clip com geometria cega, portanto, a

folha indica que são necessários dez ensaios peel.

Geometria Cruzada

o Caso exista algum valor pull abaixo do valor preferido - campo7 - a validação

não pode prosseguir.

o Caso exista algum valor peel abaixo do valor mínimo - campo7 - a validação


Geometria Cega

o Caso exista algum valor peel abaixo do valor preferido - campo 7 - a validação


5

Para finalizar a bateria de testes, são efectuados dois ensaios de torção, cinco de flexão e

inspecção visual, de acordo com o campo 6. O ensaio de torção consiste na aplicação de uma

força de modo que a área de soldadura experiencie torção no sentido dos ponteiros do relógio,

até se atingir 90º, seguido de torção no sentido contrário aos ponteiros do relógio, até se atingir

180º. No caso do ensaio de flexão, é aplicada uma força de flexão na face que está em

contacto com a bigorna ou com o sonótrodo, até se atingir um ângulo de 90º, seguido de

inversão do sentido da força, até se atingir 180º [31].

O grau de compressão, campo 10, é calculado multiplicando a altura pela largura do clip e deve

pertencer ao intervalo ]0,85 ; 0,95[. Este factor está relacionado com os interstícios vazios entre

os multifilares.

O campo 11 é preenchido apenas no caso de splices com geometria cruzada, onde devem ser

inseridos os resultados de dez ensaios pull.

Nos campos 12 e 13 são efectuados outros tipos de estudos. No primeiro caso, as soldaduras

são realizadas removendo um determinado número de multifilares à secção total, sinalizado a

vermelho, no mesmo campo. Este estudo é realizado duas vezes, mas o número de multifilares

removido é diferente do primeiro para o segundo caso. Se porventura algum erro for sinalizado

pelo software, uma mensagem será apresentada no monitor que indica o tipo de erro. O erro é

anotado, assim como o valor de diferença entre a altura inicial ou final desejada, relativamente

à altura de compactação ou de soldadura.

Tipos de erro:

Erro de compactação: a altura inicial não foi atingida – o software compara o valor da

altura inicial obtida na soldadura em questão, com o valor de referência, para a altura

inicial, que é dado pela primeira soldadura realizada no modo setup. Este erro ocorre

quando a pressão na primeira etapa de soldadura não foi suficiente, ou foi excessiva

na compactação inicial dos multifilares.

Erro de soldadura: a altura final não foi atingida - o software compara o valor da altura

final, com o valor de referência para a altura final, que é dado pela primeira soldadura

realizada no modo setup. Neste caso, a pressão e energia são insuficientes ou

excessivas na consolidação da soldadura.

Tempo de soldadura demasiado longo: o tempo de soldadura excedeu o tempo de

soldadura de referência, dado pela soldadura realizada no modo setup. Pode

representar a existência de contaminação superficial nas cablagens a soldar.

No campo 13 faz-se variar o valor de energia, pressão, amplitude e largura com mais (plus) e

menos (minus) 5% do seu valor, para obtenção de vinte soldaduras em ambos os casos. Caso

se trate de uma geometria cega, todas as soldaduras são testadas em peel, caso contrário são

testadas em pull.

6

O manuseamento do equipamento Telsonic é distinto, estando representado na o seu modo

setup, onde todas as alterações ao nível de parâmetros e de janelas de qualidade devem ser

efectuadas.

Figura 67. Modo setup para o equipamento Telsonic

Consoante o splice a soldar, o software devolve os valores de soldadura que o operador deve

utilizar para soldar cabos de cobre tecnicamente puro (energia, pressão, largura e amplitude).

Os valores tempo, altura inicial, altura final e potência fornecida pelo equipamento, são obtidos

através da realização de um clip de soldadura e são usados como referência para controlo de

qualidade de soldaduras. Caso o equipamento a utilizar fosse este, todos os parâmetros de

soldadura e respectivas janelas de qualidade devem ser introduzidos no campo 3, da Figura

64.

Quando utilizado outro equipamento de SUS, a validação dos clips segue rigorosamente os

mesmos critérios de aceitação e validação, e ao preencher devidamente os campos 1,2,3,7,8,9

da Figura 64, todos os parâmetros estão definidos para o splice em questão, logo, o operador

deve então trabalhar em modo de produção, garantindo o cumprimento das tolerâncias

definidas, conforme representado na Figura 68. º

Figura 68. Modo de produção para equipamento Telsonic

7

10.3 Possíveis combinações de secções num splice

Os splices podem ser constituídos por cablagens com a mesma secção, mas diferente número

de multifilares, bem como por cablagens com diferentes secções, conforme a tabela 10-2, mas

cabos com secção superior a 1,0 mm2 são rejeitadas, para soldar cabos multifilares de secção

fina como as de 0,13 mm2 de secção. Assim, splices que integrem cabos de secção fina

(0,13 mm2), podem apresentar até 12 cabos para uma geometria cruzada ou até 7 cabos para

uma geometria cega, podendo diferir, a secção das cablagens constituintes até um máximo de

1 mm2 de secção, e o número de multifilares apresentados pelos cabos com a mesma secção.

Tabela 10-2. Possíveis combinações de secções num splice, que inclua cabo CC, segundo normas DIN 7

,00

--- R

6,0

0

84-1

89

R

5,0

0

70

R

4,0

0

56-1

18

R

3,0

0

45

R

2,5

0

19-5

0

R

2,0

0

37

R

1,5

0

19-3

0

R

1,4

0

19-2

7

R

1,0

0

19-3

2

G

0,8

0

--- G

0,7

5

19-2

4

G

0,6

0

12

G

0,5

0

16-1

9

G

0,5

0

7

G

0,3

5

12-1

9

G

0,3

5

7

G

0,1

3

7

G

Cab

o [

mm

2]

Nú

me

ro d

e

mu

ltif

ila

res

0,1

3

7

G Bom

G Suficiente

R Rejeitado

8

10.4 Desenvolvimento da soldabilidade por SUS do cabo

laranja

Tabela 10-3. Caracterização da soldabilidade do cabo laranja, para nível energético abaixo2 (Pull)

# PULL [N] / equip. TELSONIC

Welding Time [ms]

Welding Time

1 82 85 88 84 72 179 163 150 144 143 2 82 87 78 82 74 170 161 162 149 141 3 70 77 82 87 81 163 153 152 149 145 4 80 81 85 84 80 173 167 154 149 140 5 86 75 74 78 76 168 161 153 142 141

Std DEV 6,000 5,099 5,550 3,317 3,847 5,941 5,099 4,604 3,362 2,000 Average 80 81 81,4 83 76,6 170,6 161 154,2 146,6 142 Pressure 1,7 1,9 2,1 2,3 2,5 1,7 1,9 2,1 2,3 2,5 Energy 44 44 44 44 44 44 44 44 44 44 Ppk 1,667 2,027 1,886 3,317 2,305 0,297 0,349 0,333 0,424 0,383 QFinteg

rado

0,874 1,112 1,027 1,557 1,238 QFPull

0,923 0,921 0,944 0,947 0,972 QFWT

-5,8E-5 0,00000 -1,5E-7 -4,1E-3 -4,9E-4 QFPeel

Tabela 10-4. Caracterização da soldabilidade do cabo laranja, para nível energético abaixo1 (Pull)

#

PULL [N] / equip. TELSONIC

Welding Time [ms]

Welding Time

1 76 81 76 81 72 213 178 175 171 163 2 80 83 79 82 67 194 186 177 162 162 3 87 79 86 86 69 192 187 171 174 165 4 76 80 75 84 74 198 183 175 173 157 5 89 85 76 81 81 204 196 172 165 162

Std DEV 6,107 2,408 4,506 2,168 5,413 8,497 6,595 2,449 5,244 2,950 Average 81,6 81,6 78,4 82,8 72,6 200,2 186 174 169 161,8 Pressure 1,7 1,9 2,1 2,3 2,5 1,7 1,9 2,1 2,3 2,5 Energy 54 54 54 54 54 54 54 54 54 54 Ppk 1,725 4,374 2,101 5,043 1,392 0,317 0,602 0,671 0,545 0,332 QFinteg

rado

0,969 1,805 1,179 1,917 0,746 QFPull

0,919 0,924 0,969 0,929 0,953 QFWT

0,000000

0,148274

0,452386

0,022941

0,090603

QFPeel

Tabela 10-5. Caracterização da soldabilidade do cabo laranja, para nível energético de referência (Pull)

#


Welding Time [ms]

Welding Time

1 83 77 87 70 85 224 214 204 197 190 2 92 74 79 77 89 228 217 198 197 185 3 77 94 85 87 87 219 209 203 192 185 4 77 76 80 77 87 230 216 205 189 188 5 83 83 80 77 82 209 206 198 197 182

Std DEV 6,148 8,106 3,564 6,066 2,646 8,396 4,722 3,362 3,715 3,082 Average 82,4 80,8 82,2 77,6 86 222 212,4 201,6 194,4 186 Pressure 1,7 1,9 2,1 2,3 2,5 1,7 1,9 2,1 2,3 2,5 Energy 64 64 64 64 64 64 64 64 64 64 Ppk 1,757 1,267 3,012 1,517 4,536 0,403 0,415 0,592 0,389 0,623 QFinteg

rado

0,990 0,671 1,509 0,814 1,810 QFPull

0,906 0,949 0,966 0,954 0,962 QFWT

0,123662

0,240024

0,223979

0,153218

0,171456

QFPeel

9

Tabela 10-6. Caracterização da soldabilidade do cabo laranja, para nível energético acima1 (Pull)

# PULL [N] / equip. TELSONIC

Welding Time [ms]

Welding Time

1 80 81 80 84 80 248 246 242 218 211 2 83 94 87 86 82 245 249 244 225 212 3 86 92 86 82 77 258 241 241 219 214 4 92 83 89 84 75 265 240 228 213 204 5 84 83 86 76 81 253 243 240 216 208

Std DEV 4,472 5,941 3,362 3,847 2,915 7,981 3,701 6,325 4,438 3,899 Average 85 86,6 85,6 82,4 79 253,8 243,8 239 218,2 209,8 Pressure 1,7 1,9 2,1 2,3 2,5 1,7 1,9 2,1 2,3 2,5 Energy 74 74 74 74 74 74 74 74 74 74 Ppk 2,609 2,053 3,530 2,807 3,316 0,778 1,156 0,949 0,468 0,759 QFinteg

rado

1,363 1,142 1,601 1,395 1,565 QFPull

0,935 0,970 0,929 0,957 0,954 QFWT

0,556307

1,19196 0,734864

0,077944

0,458246

QFPeel

Tabela 10-7. Caracterização da soldabilidade do cabo laranja, para nível energético acima2 (Pull)

#


Welding Time [ms]

Welding Time

1 77 87 78 86 96 272 265 238 232 230 2 86 85 85 86 80 275 272 237 245 233 3 91 93 88 86 84 277 267 266 239 228 4 87 89 89 94 82 287 274 257 240 227 5 87 83 83 88 79 288 259 252 246 222

Std DEV 5,177 3,847 4,393 3,464 6,870 7,259 5,941 12,470 5,595 4,062 Average 85,6 87,4 84,6 88 84,2 279,8 267,4 250 240,4 228 Pressure 1,7 1,9 2,1 2,3 2,5 1,7 1,9 2,1 2,3 2,5 Energy 84 84 84 84 84 84 84 84 84 84 Ppk 2,292 3,241 2,625 3,657 1,659 0,499 1,185 0,460 0,603 0,350 QFinteg

rado

1,198 1,559 1,343 1,692 0,942 QFPull

0,947 0,947 0,902 0,943 0,956 QFWT

0,191957

1,099708

0,091739

0,183001

0,051776

QFPeel

Tabela 10-8. Caracterização da soldabilidade do cabo laranja, para nível energético abaixo2 (Peel)

#

PEEL [N] / equip. TELSONIC

Welding Time[ms]

1 11 13 11 9 6 177 157 150 144 141

2 8 10 7 20 7 164 154 153 147 136

3 16 22 12 17 27 177 155 155 147 139

4 8 19 11 22 16 186 162 151 149 145

5 17 16 12 17 20 173 154 150 143 136

Std DEV 4,301 4,743 2,074 4,950 8,871 7,956 3,362 2,168 2,449 3,782

Average 12 16 10,6 17 15,2 175,4 156,4 151,8 146 139,4

Pressure 1,7 1,9 2,1 2,3 2,5 1,7 1,9 2,1 2,3 2,5

Energy 44 44 44 44 44 44 44 44 44 44

Ppk 0,155 0,422 0,096 0,471 0,195

10

Tabela 10-9. Caracterização da soldabilidade do cabo laranja, para nível energético abaixo1 (Peel)

# PEEL [N] / equip. TELSONIC Welding Time [ms]

1 21 17 13 11 13 201 191 188 185 166

2 10 21 16 15 14 201 184 178 170 167

3 24 13 18 22 15 214 183 179 167 165

4 25 21 17 12 21 194 187 178 174 172

5 17 14 17 22 13 200 184 176 174 164

Std DEV 6,107 3,768 1,924 5,320 3,347 7,314 3,271 4,712 6,819 3,114

Average 19,4 17,2 16,2 16,4 15,2 202 185,8 179,8 174 166,8

Pressure 1,7 1,9 2,1 2,3 2,5 1,7 1,9 2,1 2,3 2,5

Energy 54 54 54 54 54 54 54 54 54 54

Ppk 0,513 0,637 1,074 0,401 0,518

Tabela 10-10. Caracterização da soldabilidade do cabo laranja, para nível energético de referência (Peel)

#


Welding Time [ms]

1 16 19 23 22 18 236 217 207 195 195

2 12 13 16 25 24 227 217 197 201 187

3 22 21 21 19 16 219 213 199 195 184

4 19 23 14 13 28 227 219 212 200 179

5 16 21 17 17 16 238 226 208 192 186

Std DEV 3,742 3,847 3,701 4,604 5,367 7,701 4,775 6,348 3,782 5,805

Average 17 19,4 18,2 19,2 20,4 229,4 218,4 204,6 196,6 186,2

Pressure 1,7 1,9 2,1 2,3 2,5 1,7 1,9 2,1 2,3 2,5

Energy 64 64 64 64 64 64 64 64 64 64

Ppk 0,624 0,814 0,738 0,666 0,646

Tabela 10-11. Caracterização da soldabilidade do cabo laranja, para nível energético acima1 (Peel)

#


Welding Time [ms]

1 24 20 18 20 19 261 233 225 221 208

2 17 22 17 12 24 270 242 231 221 214

3 19 18 17 22 19 264 241 237 216 217

4 20 19 22 13 16 262 252 226 227 207

5 24 20 20 21 23 252 244 242 219 208

Std DEV 3,114 1,483 2,168 4,722 3,271 6,496 6,804 7,259 4,025 4,438

Average 20,8 19,8 18,8 17,6 20,2 261,8 242,4 232,2 220,8 210,8

Pressure 1,7 1,9 2,1 2,3 2,5 1,7 1,9 2,1 2,3 2,5

Energy 74 74 74 74 74 74 74 74 74 74

Ppk 1,156 2,202 1,353 0,536 1,039

Tabela 10-12. Caracterização da soldabilidade do cabo laranja, para nível energético acima2 (Peel)

# PEEL [N] / equip. TELSONIC

Welding Time [ms]

1 22 20 24 13 22 293 283 251 242 226

2 14 20 13 15 14 290 263 268 243 233

3 18 21 19 21 19 287 275 267 254 230

4 15 19 21 15 11 287 274 265 240 231

5 23 17 13 18 16 298 264 263 243 227

Std DEV 4,037 1,517 4,899 3,130 4,278 4,637 8,349 6,870 5,505 2,881

Average 18,4 19,4 18 16,4 16,4 291 271,8 262,8 244,4 229,4

Pressure 1,7 1,9 2,1 2,3 2,5 1,7 1,9 2,1 2,3 2,5

Energy 84 84 84 84 84 84 84 84 84 84

Ppk 0,694 2,066 0,544 0,681 0,499

João Hugo Gaspar Dias Valente - fenix.tecnico.ulisboa.pt · Figura 57. Análise metalúrgica em...

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