Projeto e desenvolvimento de uma fonte de soldagem com controle de corrente para união e tratamento térmico de fios diamantados.

Abstract

A usinagem de materiais duros e frágeis com fio diamantado é um processo de grande importância para as indústrias de semicondutores e fotovoltaica. Isso tem impulsionado uma crescente demanda por pesquisas a fim de investigar os efeitos dos parâmetros de corte sobre a qualidade da superfície gerada. Para tanto, uma das abordagens envolve a confecção de um laço contínuo de fio diamantado com intuito de reproduzir o processo de corte industrial, demandando o desenvolvimento de máquina-ferramenta e equipamento para fabricação dos fios diamantados contínuos. O Laboratório de Mecânica de Precisão da Universidade Federal de Santa Catarina (LMP ? UFSC) já contava com uma fonte para soldagem de fios diamantados pelo processo de soldagem por resistência elétrica, entretanto, devido à ausência de um sistema de controle da corrente elétrica em malha fechada, somado às flutuações na resistência elétrica e na tensão da rede elétrica, era impossível garantir que as soldagens ocorressem sempre em condições semelhantes, o que ocasionava variação de qualidade das soldas e falhas durante o processo. Dessa maneira, esse trabalho objetivou o desenvolvimento de uma nova fonte para soldagem de fios diamantados, com foco na obtenção de repetibilidade nas características mecânicas das soldas e redução das falhas. O equipamento desenvolvido trata-se de um conversor chaveado do tipo Ponte Completa, projetado para operar com frequência de 50 kHz e fornecer corrente contínua e controlada de até 50 A. A compensação da corrente é realizada por um controlador do tipo proporcional-integral, implementado digitalmente por microcontrolador. O sistema mecânico utilizado para fixação das extremidades do fio emprega o conceito upset welding para garantir o alinhamento e induzir a força de soldagem. A ferramenta de corte é fabricada a partir da união por soldagem de um segmento de fio diamantado eletrodepositado, com diâmetro de 350 µm. A alma do fio diamantado é um aço A228/A228M, de alta resistência, obtida pelo processo de trefilação a frio, portanto, a inserção de calor durante a soldagem provoca a recristalização dos grãos encruados, causando a fragilização e perda de resistência mecânica. Para aumentar a tenacidade na região da solda, é necessário efetuar um tratamento térmico semelhante à austêmpera, que consiste em aplicar uma corrente elétrica inferior à corrente de soldagem, por um determinado tempo e depois reduzir a zero na forma de rampa, de modo que se obtenha um resfriamento controlado na junta de solda. Os atuais parâmetros do tratamento térmico foram determinados a partir de ensaios de metalografia, ensaios de dureza Vickers e ensaios de rotação em vazio, utilizando fios diamantados contínuos fabricados a partir de diferentes parâmetros. Após o tratamento térmico, a solda obteve resistência mecânica suficiente para resistir aos esforços sofridos durante o corte. Além disso, devido ao controle da corrente em malha fechada, as eventuais falhas durante o processo de soldagem e quebra prematura do fio foram solucionadas. De modo geral, a fonte de soldagem desenvolvida neste trabalho atendeu as expectativas do projeto.

Abstract: Machining hard and brittle materials with diamond wire is a process of great importance for the semiconductor and photovoltaic industries. This has driven a growing demand for re-search in order to investigate the effects of cutting parameters on the quality of the generat-ed surface. For this purpose, one of the approaches involves making a continuous loop of diamond wire in order to reproduce the industrial cutting process, requiring the development of machine tools and equipment for the manufacture of continuous diamond wires. The Pre-cision Mechanics Laboratory of the Federal University of Santa Catarina (LMP ? UFSC) already had a source for welding diamond wires using the electrical resistance welding pro-cess, however, due to the absence of a control system for the electrical current in closed cir-cuit, added to the fluctuations in the electrical resistance and in the voltage of the power line, it was impossible to guarantee that the welds always occurred under similar conditions, which caused variation in the quality of the welds and failures during the process. Thus, this work aimed to develop a new source for welding diamond wires, focusing on obtaining re-peatability in the mechanical characteristics of welds and reducing failures. The developed equipment is a Full-Bridge type switched converter, designed to operate with a frequency of 50 kHz and supply continuous and controlled current of up to 50 A. The current compensa-tion is performed by a Proportional-Integral type controller, implemented digitally by mi-crocontroller. The mechanical system used to fix the ends of the wire employs the upset welding concept to ensure alignment and induce welding force. The cutting tool is manufac-tured by welding a segment of electrodeposited diamond wire, with a diameter of 350 µm. The core of the diamond wire is A228/A228M steel, of high resistance, obtained by the cold drawing process, therefore, the insertion of heat during welding causes the recrystallization of hardened grains, causing embrittlement and loss of mechanical strength. To increase the toughness in the weld region, it is necessary perform a heat treatment similar to austempering, which consists of applying an electric current lower than the welding current, for a certain time and then reducing to zero in the form of a ramp, so that the achieve controlled cooling at the weld joint. Current heat treatment parameters were determined from metallography tests, Vickers hardness tests and rotation tests in empty, using continuous diamond wires manufactured from different parameters. After heat treatment, the weld obtained sufficient mechanical strength to resist the efforts suffered during cutting. In addition, due to the closed-loop current control, any failures during the welding process and premature wire breakage were resolved. In addition, due to the closed-loop current control, any failures during the welding process and premature wire break were solved. In general, the source of welding developed in this work met the expectations of the project.