Processo Stud Welding: caracterização e experimentação

Abstract

O processo de Soldagem de Pinos por Arco Retraído (Drawn-Arc Stud Welding) consiste na fixação de um pino metálico à superfície de uma peça por meio de uma pistola de soldagem, onde um arco elétrico é gerado para fundir os materiais e promover a união por coalescência. Após a fusão, o pino é pressionado contra a peça, formando a junta em tempos inferiores a um segundo. A qualidade da solda depende de variáveis técnicas essenciais, como corrente elétrica, tempo de arco, parâmetros de movimento do pino e métodos de proteção (gás ou anel cerâmico), que influenciam diretamente a integridade da junta. Este trabalho tem como objetivo consolidar uma base técnica nacional para a Soldagem de Pinos fornecendo subsídios para a continuidade das pesquisas e aplicações industriais. Foram testadas e caracterizadas tecnologias de controle de corrente, demonstrando que fontes transistorizadas oferecem maior estabilidade dos sinais elétricos em comparação às fontes tiristorizadas. Além disso, verificou-se que a tensão de soldagem aumenta com o parâmetro de recuo do pino, especialmente com o uso do anel cerâmico, destacando a necessidade de ajustes adequados nesses parâmetros. A geometria das pontas dos pinos teve influência significativa na ignição do arco e na formação do colar de fusão. A ponta esférica de alumínio mostrou-se mais eficiente, facilitando a ignição e proporcionando colares uniformes. A ponta cônica exigiu maior energia devido ao volume de fusão maior, enquanto um pino sem ponta alguma (superfície plana) se mostrou inadequada, gerando instabilidade e curtos-circuitos. Nos testes com meios de proteção distintos, o argônio garantiu maior estabilidade, enquanto o CO2 favoreceu a penetração, mas com instabilidade. O anel cerâmico revelou-se uma alternativa eficaz para proteção da poça de fusão, mas resultou em tensões de arco mais elevadas. A soldagem assistida por campo magnético demonstrou potencial para controle térmico, resultando em menor temperatura no verso da chapa, mas em correntes elevadas na bobina do bocal, a rotação do arco induzida pelo campo magnético comprometeu a estabilidade da solda. A análise dos sistemas de movimentação do pino indicou que os sistemas eletromecânicos com mola e eletroímã apresentaram maior estabilidade no sinal do movimento, enquanto os motorizados foram mais suscetíveis a oscilações no controle PID, impactando a potência média do processo. Embora tenham sido alcançados avanços significativos na compreensão das variáveis do Stud Welding, este estudo tem caráter exploratório. Os resultados obtidos fornecem um ponto de partida para futuras pesquisas, incentivando o desenvolvimento de novas metodologias e aprimoramentos no processo, visando sua melhoria e aumentando sua relevância na indústria.

Abstract: The Drawn-Arc Stud Welding process consists of attaching a metallic stud to the surface of a workpiece using a welding gun, where an electric arc is generated to melt the materials and promote fusion by coalescence. After melting, the stud is pressed against the workpiece, forming the joint in less than one second. The weld quality depends on essential technical variables, such as electric current, arc time, stud movement parameters, and protection methods (gas or ceramic ferrule), which directly influence the integrity of the joint. This study aims to develop a national technical framework for Stud Welding, providing support for continued research and industrial applications. Current control technologies were tested and characterized, demonstrating that transistorized power sources offer greater stability in electrical signals compared to thyristor-based sources. Additionally, it was observed that welding voltage increases with the stud lift parameter, especially when using a ceramic ferrule, highlighting the importance of proper parameter adjustments. The geometry of the stud tip significantly influenced arc ignition and weld collar formation. The spherical aluminum tip proved to be the most efficient, facilitating arc ignition and ensuring uniform weld collars. The conical tip required more energy due to the larger melting volume, while a flat-tip stud (without an ignition tip) was inadequate, causing instability and short circuits. Regarding different shielding methods, argon provided greater stability, while CO2 enhanced penetration but introduced instability. The ceramic ferrule was an effective alternative for protecting the molten pool but resulted in higher arc voltage. Magnetically assisted stud welding showed potential for thermal control, leading to lower temperatures on the backside of the plate. However, at high coil currents in the welding nozzle, the arc rotation induced by the magnetic field compromised weld stability. The analysis of stud movement systems indicated that electromechanical systems with springs and electromagnets provided greater movement stability, whereas motorized systems were more susceptible to oscillations in PID control, impacting the process's average power. Although significant progress has been made in understanding the Stud Welding variables, this study remains exploratory. The results serve as a starting point for future research, encouraging the development of new methodologies and process improvements, aiming to enhance its performance and increase its industrial relevance.