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ADRIANO RIBOLLA ESTUDO DE EMISSÃO DE RESPINGOS E PARTICULADO EM COMPONENTE DE PROTEÇÃO UTILIZADO EM EQUIPAMENTO DE APLICAÇÃO DE SOLDA A LASER EM PROCESSOS DE SOLDA DE CARROCERIA AUTOMOTIVA. Trabalho de conclusão de curso apresentado à Escola Politécnica da Universidade de São Paulo para obtenção do Título de Mestre em Engenharia. SÃO PAULO 2006

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ADRIANO RIBOLLA

ESTUDO DE EMISSÃO DE RESPINGOS E PARTICULADO EM COMPONENTE DE PROTEÇÃO UTILIZADO EM EQUIPAMENTO DE APLICAÇÃO DE SOLDA A LASER EM PROCESSOS DE SOLDA DE

CARROCERIA AUTOMOTIVA.

Trabalho de conclusão de curso apresentado à Escola Politécnica da Universidade de São Paulo para obtenção do Título de Mestre em Engenharia.

SÃO PAULO 2006

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ADRIANO RIBOLLA

ESTUDO DE EMISSÃO DE RESPINGOS E PARTICULADO EM COMPONENTE DE PROTEÇÃO UTILIZADO EM EQUIPAMENTO DE APLICAÇÃO DE SOLDA A LASER EM PROCESSOS DE SOLDA DE

CARROCERIA AUTOMOTIVA. Trabalho de conclusão de curso

apresentado à Escola Politécnica da Universidade de São Paulo para obtenção do Título de Mestre em Engenharia.

Orientador: Prof. Dr. Gilmar Ferreira Batalha

Área de Concentração: Engenharia Automotiva

SÃO PAULO 2006

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Este trabalho é dedicado às pessoas que são a razão da minha existência: Minha esposa Paula, minha filha Sophia e meus pais Marta e Claudinê.

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Agradeço ao Professor Gilmar, que acolheu não somente a idéia de desenvolver este trabalho, mas também trouxe a este a sua razão acadêmica. Agradeço aos meus amigos e parentes queridos a paciência pelos momentos de ausência.

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RESUMO

O objetivo deste trabalho foi determinar uma periodicidade de troca para um

determinado componente de proteção utilizado nos processos de solda a LASER em

carrocerias automotivas de forma a não comprometer a qualidade do produto e evitar

gastos com a substituição excessiva deste componente. Os objetivos foram atingidos

por meio de um estudo comparativo entre degradação superficial e quantidade de

carrocerias soldadas com base nos princípios da estereologia utilizando para isto a

digitalização da imagem superficial dos componentes. Ao decorrer dos experimentos

do trabalho foi encontrada uma coerência em relação às diversas áreas médias

degradadas de componentes danificados mesmo não existindo uma referência para

que tal substituição devesse ocorrer sendo esta informação de grande importância

para o desenvolvimento do trabalho. O estudo realizado foi limitado somente para

equipamentos que aplicam o feixe de LASER na posição horizontal e para processos

de caldeamento onde não existe a adição de material. Para o caso de equipamentos

que fazem o uso de feixe de LASER em outras posições e para o caso de brasagem,

estudos futuros deverão ser realizados. Após a obtenção dos resultados, foi

implantada na área uma gestão de controle com contagem automática de carrocerias

para cada posto de trabalho que contém o componente estudado. Este trabalho é de

caráter inovador, pois trouxe uma proposta para se reduzir os custos com a aquisição

deste componente bem como obteve informações referentes ao perfil de degradação

de sua superfície.

Palavras-chave: Solda, LASER, Nd:YAG, fumos, janela de proteção, respingo.

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ABSTRACT

STUDY OF EMISSION OF SPATTER AND DROPLET IN A PROTECTION

COMPONENT USED IN LASER APPLICATION EQUIPMENTS IN WELDING

PROCESSES OF AN AUTOMOTIVE BODY-IN-WHITE.

The aim of this work was to determine a replacement periodicity for a certain

protection component used in LASER welding processes for automotive body-in-

white in order to keep the quality of the product and to avoid expenses with the

excessive substitution of this component. The objectives were reached through a

comparative study between superficial degradation and the amount of welded bodies

with stereology bases using for this the digitization of the superficial image of these

components. During the experiments contained in this work, coherence was found

regarding the several damaged mean areas of spoiled components. Nowadays a

reference for this substitution to take place does not exist, being this information of

great importance for the development of the work. The accomplished study was

limited only for equipments that apply the LASER beam in the horizontal position

and for processes of lap joints where added material doesn't exist. For the case of

equipments that make use of a LASER beam in other positions than the horizontal

and for the case of brazing, further studies should be accomplished. After results

have been obtained, a controlled administration with automatic counting was

implanted in the geometry station for each workstation that contains the studied

component. This work is of innovative nature because a proposal to reduce costs

with the acquisition of this component as well as important information regarding the

degradation profile of its surface was obtained.

Keywords: Welding, LASER, Nd:YAG, droplet, protective window, spatter.

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SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO E OBJETIVOS 1

1.1 O estado da arte da tecnologia LASER na indústria automobilística 1

1.2 Objetivos 4

1.2.1 Objetivo Geral 4

1.2.2 Objetivo Específico 5

1.3 Organização da Dissertação 5

2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 7

2.1 Princípio de Funcionamento do equipamento gerador LASER

empregado nos processos de solda.

7

2.2 Princípio de Funcionamento da solda a LASER 11

2.3 Vantagens da utilização do processo de solda a LASER 12

2.4 Produtos e Processos 14

2.5 Variáveis de processo controláveis e não controláveis 15

2.5.1 Variáveis de processo controláveis 16

2.5.1.1 Potência do feixe de LASER 16

2.5.1.2 Comprimento total dos cordões e velocidade do robô de aplicação 16

2.5.1.3 Distância focal 16

2.5.2 Variáveis de processo não controláveis 17

2.5.2.1 Intensidade da cortina de ar comprimido 17

2.5.2.2 Quantidade de óleo depositado sobre as chapas de aço 17

2.5.2.3 Variação dimensional das peças a serem unidas 17

2.5.2.4 Variação da camada de zinco aplicada 18

3 CARACTERÍSTICAS DO FEIXE 19

3.1 A Soldagem a LASER 19

3.2 Influências no rendimento do processo de solda a LASER 20

3.3 Modo do Feixe 20

3.4 Parametrização do processo de solda 22

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4 INTERAÇÃO DA ENERGIA COM A MATÉRIA 26

4.1 Influência da Refletividade 26

4.2 O LASER empregado em diversos processos 36

4.2.1 O processo de Soldagem 36

4.2.2 Soldagem contínua utilizando baixas potências 37

4.2.3 Soldagem contínua sem adição de material 39

4.3 Respingo: Um desequilíbrio termodinâmico 41

4.3.1 Efeito da cobertura anticorrosiva no processo de soldagem do aço 44

4.4 Condições para uma boa soldagem contínua sem adição de material 43

5 QUALIDADE DO AÇO E DE SEU REVESTIMENTO 48

5.1 Composição dos respingos de solda 48

5.2 A microestrutura das ligas de Aço-Zinco 48

5.3 O efeito do processo de galvanização por imersão a quente no metal de

base

49

5.4 Chapas de aço revestido 50

6 JANELAS DE PROTEÇÃO 58

6.1 Tipos de janelas de proteção mais comumente utilizadas (CVI LASER

OPTICS AND COATINGS, 2004).

58

6.1.1 Vidro BK7 58

6.1.2 CaF2 58

6.1.3 Cristal de Quartzo 58

6.1.4 Sílica Fundida 59

6.1.5 MgF2 59

6.1.6 Safira 59

6.2 Coberturas para as janelas de proteção 60

7 MATERIAIS E MÉTODOS 62

7.1 Considerações específicas do Processo 62

7.2 Efeitos dos respingos de solda no cabeçote óptico 63

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7.3 Material utilizado na VW 66

7.4 Aplicação de método de análise de falha para compreensão de

respingos

68

7.5 A busca por soluções de economia para as janelas de proteção 69

7.5.1 Ensaios realizados com emprego de outros materiais e resultados

obtidos

70

7.5.2 Ensaios realizados com emprego de janelas de proteção

recondicionadas

73

7.6 Escolha do melhor universo de amostras 74

7.7 Procedimento empregado na análise de imagem 75

7.8 Resultados 80

8 CONCLUSÕES 88

9 TRABALHOS FUTUROS 89

10 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 90

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LISTA DE FIGURAS Figura 2.1 - Cavidade geradora LASER (TRUMPF GmbH, 2001). 7

Figura 2.2 - Conjunto de cavidades que compõe a região do ressonador e a

região do amplificador (TRUMPF GmbH, 2001).

8

Figura 2.3 - Mesa óptica composta pelos componentes cuja função é

distribuir o feixe de LASER gerado para um dos canais a ser

utilizado (TRUMPF GmbH, 2001).

9

Figura 2.4 - Conjunto de entrega de feixe de LASER formado pela fibra-

óptica e pelo cabeçote óptico (TRUMPF GmbH, 2001).

10

Figura 2.5 - Dois tipos de cabeçotes ópticos utilizados (RIBOLLA, A. et al,

2005).

10

Figura 2.6 - Curva de absorção do LASER de Nd:YAG para diversos tipos

de materiais (TRUMPF GmbH, 2001).

11

Figura 2.7 - Componentes de um sistema de solda a LASER (TRUMPF

GmbH, 2001).

12

Figura 2.8 - Comparação dimensional entre uma pinça elétrica e um

cabeçote óptico .

13

Figura 2.9 - Comparação da ZTA entre o processo de brasagem LASER e

MIG .

14

Figura 2.10 - Configuração das estações de geometria a LASER utilizada . 15

Figura 3.1 - Característica do Modo do Feixe – O modo de ordem mais

baixa possível em forma de sino (distribuição na curva

Gaussiana) de luz através de um feixe de LASER (GIMENES,

Jr. L. et al, 2006).

21

Figura 3.2 - Visualização do Modo Transversal TEM00 (GIMENES, Jr. L.

et al, 2006).

21

Figura 3.3 - Modos básicos de feixe produzidos por diferentes feixes de

LASER. Alguns feixes de LASER possuem combinação destes

modos (DAWES, C., 1992).

22

Figura 3.4 - Potências de aplicação de LASER x penetração para três

diferentes velocidades de soldagem com Nd:YAG (TRUMPF

GmbH, 2001).

24

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Figura 4.1 - Refletividade de vários metais em função do comprimento de

onda com indicação da posição de várias faixas de trabalho de

feixes de LASER correntes (J. K. CONSULTING, 2006).

27

Figura 4.2 - Percentuais de absorção e rendimento total para diversos tipos

de feixes de LASER e materiais (TRUMPF GmbH, 2001).

29

Figura 4.3 - Potências LASER relativas para atingir o campo das

temperaturas compreendidas entre as temperaturas de fusão e de

vaporização, em metais como o cobre, titânio, platina, ferro,

alumínio (apud comunicação interna).

30

Figura 4.4 - Absorção de energia LASER, em função da densidade de

potência I0 no centro da zona focal, para o aço inoxidável 304.

Estão indicados os limiares correspondentes às temperaturas de

fusão e de vaporização (apud comunicação interna).

31

Figura 4.5 - Diagrama dos regimes de funcionamento dos diversos tipos de

geradores de LASER e dos diferentes grupos de aplicações

(TRUMPF GmbH, 2001).

35

Figura 4.6 - Medidas a serem respeitadas por ocasião do processo de

brasagem entre teto e lateral (BRYSCH, P. , 2003).

39

Figura 4.7 - Soldagem de chapas de aço doce sem liga com LASER

Nd:YAG. Espessura soldada em função da velocidade de

trabalho, para diferentes potências do LASER (TRUMPF

GmbH, 2001).

40

Figura 4.8 - Esquema do cordão de soldagem por penetração obtida com

um LASER (TRUMPF GmbH, 2001).

41

Figura 4.9 – Corte de uma junção com chapas de aço de 0,7mm recobertas

com Zinco em ambos os lados com 8 µm (a) e 12 µm (b). Isto

ilustra o aumento do aparecimento de porosidades com o

aumento da camada de Zinco (DAWES, C., 1992).

43

Figura 4.10 - Macrografias de linhas por penetração, em quatro diferentes

velocidades de trabalhos, em uma chapa de alumínio com

0,3mm de espessura, por meio de um LASER com 200W de

potência (SEEFELD, T., 2005).

44

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Figura 4.11 - Soldagem por penetração no aço mole, em três diferentes

velocidades de trabalho. Potências LASER Nd:YAG situados

entre 1 kW e 4 kW (TRUMPF GmbH, 2001).

46

Figura 5.1 - Imagem microscópica das camadas intermetálicas após a

conclusão do processo de galvanização por imersão a quente

(ALVAREZ, L.F.M., 2005).

49

Figura 6.1 - Transmitância em função do comprimento de onda para

materiais mais comumente utilizados (CVI LASER OPTICS

AND COATINGS, 2004).

61

Figura 7.1 - Tipo de cordão de solda efetuado pelo robô E (apud

comunicação interna).

62

Figura 7.2 - Cabeçote óptico (TRUMPF GmbH, 2001). 64

Figura 7.3 - Análise do comportamento de um feixe de LASER feita por

meio de uma câmera CCD em 3 condições diferentes de

trabalho (apud HOFFMANN et al., 2004).

64

Figura 7.4 - Matriz de classificação de forma segundo fator Elongação e

Irregularidade (FERNANDES, C.P., 2004).

65

Figura 7.5 - Padrões de degradação comumente encontrados em janelas de

proteção .

66

Figura 7.6 - Diversos tipos de janelas de proteção utilizadas . 67

Figura 7.7 - Aplicação do diagrama de Ishikawa para o sistema proposto . 68

Figura 7.8 - Efeito da dilatação térmica no comportamento de amostras de

vidro .

70

Figura 7.9 - Distribuição das amostras das janelas de proteção . 75

Figura 7.10 - Processamento de imagem da Janela de Proteção.

Digitalização com 1200dpi .

76

Figura 7.11 - Processamento de imagem da Janela de Proteção. Obtenção de

contornos .

76

Figura 7.12 - Processamento de imagem da Janela de Proteção. Aplicação de

máscara .

77

Figura 7.13 - Processamento de imagem da Janela de Proteção. Conversão

imagem binária .

77

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Figura 7.14 - Processamento de imagem da Janela de Proteção. Análise de

partículas .

78

Figura 7.15 - Parametrização da escala de imagem no software ImageJ . 79

Figura 7.16 - Parametrização de itens a serem processados pelo software

ImageJ .

79

Figura 7.17 - Parametrização do analisador de partículas do software ImageJ

.

80

Figura 7.18 - Distribuição de pontos de degradação segundo Ic e a relação

de perímetro e diâmetro de Feret para amostra 010 do robô E .

83

Figura 7.19 - Distribuição de pontos de degradação segundo Ic e a relação

de perímetro e diâmetro de Feret para amostra 200 do robô E .

83

Figura 7.20 - Distribuição de pontos de degradação segundo Ic e a relação

de perímetro e diâmetro de Feret para amostra 271 do robô E .

84

Figura 7.21 - Relação entre geometria bidimensional de uma partícula,

perímetro e diâmetro de Feret .

84

Figura 7.22 - Distribuição contemplando as 50 maiores e as 50 menores

áreas degradadas .

85

Figura 7.23 - Localização de algumas formas bidimensionais de partículas

na distribuição de pontos de degradação segundo Ic e a relação

de perímetro e diâmetro de Feret .

86

Figura 7.24 - Curva de referência para o robô E da quantidade de veículos

produzidos em função da área degradada .

86

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LISTA DE TABELAS Tabela 5.1 - Limite de aços com liga e sem liga (análise de fusão) 50

Tabela 5.2 - Tolerâncias limítrofes da espessura para os produtos planos

modificados com fusão por imersão de aços maleáveis para

moldagem a frio (p.ex. conforme EN 10142) assim como de

aços de construção com valores mínimos para o alongamento <

280 N/mm² - (inclusive qualidades de aço FeE 550G S550GD)

(medidas em mm)

52

Tabela 5.3 - Tolerâncias limítrofes da espessura para os produtos planos

modificados com fusão por imersão de aços de construção com

valores mínimos para o alongamento ≥ 280 N/mm² (medidas em

mm)

53

Tabela 5.4 - Tolerâncias limítrofes da largura em produtos planos

modificados com fusão por imersão em larguras nominais ≥

600mm (tiras largas e barras) (medidas em mm)

53

Tabela 5.5 - Tolerâncias limítrofes da largura em produtos planos

modificados com fusão por imersão em larguras nominais <

600mm (tiras largas e barras divididas longitudinalmente)

(medidas em mm)

54

Tabela 5.6 - Tolerâncias limítrofes do comprimento (em chapas e barras)

(medidas em mm)

54

Tabela 5.7 - Tolerâncias de precisão para chapa modificada com fusão por

imersão de aços maleáveis para moldagem a frio (p.ex. conforme

EN 10142) assim como aços para construção com os valores

mínimos para o alongamento < 280 N/mm2 (medidas em mm)

55

Tabela 5.8 - Tolerâncias de precisão para chapa modificada com fusão por

imersão de aços para construção com os valores mínimos para o

alongamento ≥ 280 < 360 N/mm2 (medidas em mm).

55

Tabela 5.9 - Depósitos disponíveis. 56

Tabela 6.1 - Dados característicos comparativos entre materiais mais

comumente utilizados.

60

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Tabela 7.1 - Características das janelas de proteção validadas para

utilização.

67

Tabela 7.2 Características de materiais para o primeiro ensaio com BK7,

Sílica Fundida e amostra de quartzo recuperado.

70

Tabela 7.3 - Resultados do primeiro ensaio com BK7, Sílica Fundida e

amostra de quartzo recuperado.

71

Tabela 7.4 - Resultados do terceiro ensaio com amostras de quartzo

recuperadas.

74

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LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS LASER - Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation

VW - Volkswagen do Brasil LTDA

Nd:YAG - Cristal de Ytrium, Alluminium e Garnet dopado com

Neodímium.

ZTA - Zona Termicamente Afetada

TEM - Transverse Electromagnetic Mode

TIG - Tungsten Inert Gas

MIG - Metal Inert Gas

dpi - Pontos por polegada (dots per inch)

LISTA DE SÍMBOLOS Є - Emissividade [%]

R - Refletividade [%]

λ - Comprimento de onda [nm]

I0 - Densidade de potência [W/mm2]

Rf - Raio focal [mm]

Tf - Temperatura de fusão [K]

Tv - Temperatura de vaporização [K]

T - Temperatura [K]

K - Coeficiente de condutividade térmica [W.m-1.K-1 ]

E - Energia [J]

h - Constante de Planck [6,62.10-34 J.s]

mdz - Massa dos depósitos de zinco [g/m2]

ecz - Espessura da camada de zinco [µm]

dz - Densidade do zinco [g/cm3]

υ - Freqüência [Hz]

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1

1 INTRODUÇÃO E OBJETIVOS

1.1 O estado da arte da tecnologia LASER na indústria automobilística

É possível obter alguma compreensão em aplicações de LASER na indústria

automotiva considerando os desenvolvimentos recentes na Volkswagen-Alemanha.

Desde 1993, a companhia vem integrando geradores de LASER dentro da área de

manufatura em armações de carroceria.

São utilizados geradores de LASER de estado sólido de 4000W que soldam

carrocerias em seis plantas da Volkswagen ao redor do mundo: 4 na Europa, 1 na

América do Norte e 1 na África.

Na unidade Anchieta em São Bernardo do Campo são efetuadas soldas com

sobreposição de peças e soldas com adição de material unindo bordas, tais como as

que unem o teto às laterais e a que une duas partes da folha externa da tampa do

porta-malas. Os materiais são aços automotivos com cobertura de zinco galvanizados

ou aplicados a fogo.

Do ponto de vista do produto, a tecnologia LASER produz um veículo de melhor

manuseio como resultado de uma carroceria mais rígida e da redução do peso total

veículo, permite também a redução do consumo de combustível.

A Tecnologia LASER possui muitas vantagens adicionais em relação às tecnologias

de união de metais tradicionais, tais como linhas de manufatura mais compactas.

Obtém-se assim redução de utilização de espaço físico, redução do peso total do

veículo, aumento da velocidade do processo (resultando em uma produtividade

maior), tempos de ciclos mais curtos, distorções por calor minimizadas das partes

unidas, melhoria na rigidez das uniões comparada com a maioria dos processos

alternativos de solda contínua e alta flexibilidade de ferramental, pois o mesmo

LASER pode soldar com ou sem adição de material e ainda cortar.

Adicionalmente, um gerador LASER pode entregar um feixe de LASER para

múltiplas células de trabalho por meio de cabos de fibra óptica.

A solda a LASER oferece aos projetistas uma flexibilidade total na localização e

geometria das soldas sem sofrer deméritos em termos de velocidade. Os projetistas

podem colocar uniões com geometrias em locais de melhor encaixe para acomodar

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2

os resultados de escolha de programas de cálculo e simulação. Os projetistas também

podem minimizar a quantidade de solda requerida, otimizar a rigidez de segurança do

veículo e minimizar custos de manufatura.

O LASER é gerado em 7 geradores com 6 canais de saída em cada um e que

distribuem os feixes de LASER através de cabos de fibra óptica até os cabeçotes

ópticos que tem a finalidade de focalizar o feixe de LASER no processo.

Quando o feixe de LASER incide sobre a chapa de aço, a radiação é inicialmente

absorvida superficialmente.

Em metais, por exemplo, com coeficientes de absorção da ordem de 2%, a energia é

depositada sobre frações de mícron da espessura da chapa. Desta forma, a

emissividade do material torna-se principalmente importante nos primeiros instantes

da interação e não desempenha nenhuma função importante na fase da formação da

poça de fusão.

Grandes quantidades do elemento zinco evaporam-se do banho e podem produzir

irregularidades na soldagem, bem como respingos. Freqüentemente, observa-se um

cordão com estrutura porosa causada pela passagem do vapor do zinco por entre o

metal (geralmente uma liga de cobre e silício) ainda em fusão.

O metal em fusão é levantado pela pressão do vapor na cavidade. O metal tem a

tendência de ser mantido na poça de fusão graças a uma combinação das forças de

gravidade, viscosidade e de tensão superficial. No próprio interior da cavidade, os

altos gradientes de temperatura e de pressão transmitem energia dinâmica de auto

grau à matéria fluída, acompanhada de suas particulares transferências térmicas.

Quando a quantidade de energia na poça de fusão for suficiente para expulsar

matéria, esta gerará os respingos de solda que acabam atingindo as janelas de

proteção.

Os resultados destes altos gradientes de temperatura são as reações de excitação e de

ionização dos átomos de vapor cujos calores latentes são muito maiores que aqueles

ligados às mudanças de fase que ocorrem nas zonas de soldagens utilizando outros

processos genéricos de soldagem.

A maior parte do problema respingo advém do item matéria-prima. Esta informação

é proveniente da experiência própria adquirida após alguns anos de trabalho com

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3

estações de geometria a LASER. Em segundo lugar, está o sub-item de variação em

sistema de fixação.

A partir do momento em que se mantém corretamente as instalações e equipamentos

de um sistema de solda LASER, com um programa de manutenção adequado e

direcionado a atender especificações e recomendações dos fabricantes, pode-se dizer

que os equipamentos em sua totalidade não sofrem com variações capazes de impor

ao sistema grandes incrementos temporários de respingo.

Os respingos e emissão de particulado de forma geral são os causadores da

degradação do sistema óptico e conseqüentemente do componente estudado neste

trabalho.

O sistema óptico de aplicação, composto basicamente de uma fibra óptica para o

transporte do feixe de LASER e de um cabeçote óptico, destinado a focalizar o feixe

de LASER no processo, é o mais atingido pelos respingos de solda. As partes

principais de um cabeçote óptico de aplicação de feixe de LASER são as lentes de re-

colimação e focalização juntamente com a janela de proteção.

A função da janela de proteção, que é o último componente óptico do cabeçote e o

objeto de atenção do estudo proposto, é a de proteger a lente de focalização contra

poeira, fumos e respingos durante o processo de solda.

Entre o ponto focal e a janela de proteção, um soprador é responsável por gerar uma

cortina de ar comprimido que tem a finalidade de reduzir ou não permitir que

respingos de solda sejam depositados sobre a superfície da janela de proteção.

O efeito do depósito de respingos sobre a janela de proteção causa distúrbios ao feixe

LASER, pois nestas áreas o LASER é absorvido gerando acúmulo de calor em altas

temperaturas, o que promove uma aceleração da degradação deste componente e

conseqüentemente aumenta o risco de danos à lente de focalização. Outra parcela

deste fixe é novamente refletida ao sistema em forma de luz difusa.

As variáveis que interferem diretamente na taxa de degradação das janelas de

proteção, levando em consideração um processo estável, são várias destacando-se o

posicionamento e ângulo de trabalho do cabeçote óptico, a quantidade de solda

realizada, a pressão do ar comprimido usado na cortina de proteção, a potência

LASER utilizada e a quantidade de impurezas sobre as chapas.

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4

As janelas de proteção utilizadas em processos de soldagem de carrocerias são

componentes feitos de Quartzo.

1.2 Objetivos

1.2.1 Objetivo Geral

O componente em estudo, denominado por janela de proteção, faz parte de um

sistema de soldagem a LASER empregado em carrocerias automotivas e tem por

finalidade proteger outros componentes ópticos de alto valor de aquisição contra

respingos de solda.

A janela de proteção é o último componente ótico atravessado pelo feixe de LASER

antes que este atinja o processo. Ela deve possuir propriedades de alta transmitância

e baixa refletividade para determinados comprimentos de onda e ao mesmo tempo

deve possuir propriedades físicas que impeçam a sua ruptura por efeito de dilatação

térmica quando do trabalho com altas densidades de potência I0 do feixe de LASER.

A preocupação referente à otimização de sua utilização reside no fato de ser um

componente de alto valor e utilizado em vários postos de trabalho. Se sua troca,

mediante seu índice de degradação, não for bem definida poderá acarretar prejuízo ao

processo causando demérito à qualidade do produto, ou aumentar o custo final do

produto à medida que for excessivamente trocado.

Na literatura de componentes ópticos, não existem trabalhos que ofereçam soluções

para economia nos gastos com tais componentes. Obviamente, com o aumento da

oferta de alguns itens, seus custos tendem a ser reduzidos, porém, apesar do aumento

constante do emprego de componentes, tais como as janelas de proteção estudadas

neste trabalho, a produção em larga escala com fornecimento por múltiplos

fabricantes ainda é um fato distante. Seu fornecimento continua sendo feito por

poucas empresas especializadas ao redor do mundo, o que impede que o custo

unitário tenha uma redução significativa.

A importância deste trabalho torna-se evidente neste caso, pois além de demonstrar a

viabilidade no reaproveitamento das janelas de proteção, também define um caminho

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5

para se determinar a maximização da utilização de tal componente sem afetar a

qualidade do produto final.

1.2.2 Objetivo Específico

Este trabalho tem por objetivo propor uma forma de avaliar quantitativamente o

índice de degradação de janelas de proteção utilizadas em processos de soldagem a

LASER por meio da análise de imagens. Para isto, foram utilizadas amostras de

componentes reais em uma instalação cuja necessidade de se conhecer os limites

máximos e mínimos de utilização fazem a diferença entre possuir um processo mais

econômico com a manutenção da qualidade e um processo fadado ao

desaparecimento por sua ineficiência ou alto custo e que será facilmente vencido por

processos mais eficientes.

Quando grandes volumes produtivos são implementados em um parque industrial,

grande quantidade de materiais de consumo vinculada a este processo é necessária,

portanto, qualquer redução de custo é sempre bem vinda, especialmente quando esta

economia se torna segura por estar cerceada por parâmetros de processo.

1.3 Organização da Dissertação

Este trabalho está dividido em nove capítulos. O primeiro capítulo tem a finalidade

de expor o estado da arte referente à utilização e às vantagens dos processos de solda

a LASER na indústria automobilística. Neste capítulo também será demonstrada a

importância dos objetivos traçados com a finalidade de economia e otimização de

utilização de um componente consumível gerando ganhos no processo de solda

LASER.

O capítulo 2 tem por finalidade expor características práticas referentes ao princípio

de funcionamento dos equipamentos envolvidos no processo de solda a LASER e a

necessidade de se encontrar parâmetros que forneçam a melhor relação custo versus

benefício na utilização do objeto de estudo deste trabalho.

O capítulo 3 expõe as características do feixe de LASER e também os parâmetros e

condições que influenciam diretamente em um processo de solda a LASER

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6

mostrando que a quantidade de variáveis que podem exercer influência no

surgimento de respingos de solda é grande e seu controle contínuo é tarefa árdua.

A importância do efeito obtido na interação matéria versus energia LASER

considerando diversos materiais é explicada no capítulo 4. As características dos

geradores utilizados e do processo são os influenciadores do aumento ou da redução

dos respingos de solda, que são os principais responsáveis pela degradação das

janelas de proteção, objeto de estudo deste trabalho.

Pelo fato do material a ser soldado ter influência na emissão de respingos de solda, o

capítulo 5 expõe as características de chapas de aço com revestimento de zinco,

segundo as normas atualmente vigentes de sua fabricação. Estas chapas são

empregadas nos processos de montagem de carrocerias automotivas que, após a

conformação a frio, são soldadas em estações de geometria a LASER.

O capítulo 6 faz uma descrição dos diversos tipos de janelas de proteção atualmente

utilizadas no mercado e suas respectivas características.

O capítulo 7 promove a análise estruturada da compreensão da causa do aumento de

incidência de respingos de solda em janelas de proteção e expõe os resultados dos

trabalhos anteriormente realizados na tentativa de reduzir os custos de utilização do

material em questão.

Também é neste capítulo que é exposto o estudo prático por meio da análise de

imagem de algumas amostras de forma a determinar uma coerência entre as trocas

efetuadas em postos de trabalhos específicos e o índice de degradação das amostras

em questão.

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7

2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

2.1 Princípio de Funcionamento do equipamento gerador LASER empregado

nos processos de solda.

Um gerador LASER utilizado em processos de solda deve gerar altas densidades de

potência I0 com a propriedade de ser absorvida. O primeiro passo é conseguir uma

fonte geradora LASER capaz de gerar LASER da ordem de milhares de Watts. Hoje

é possível conseguir em uma cavidade geradora potência nominal da ordem de

centenas de Watt. Cavidade é a denominação de uma unidade geradora que compõe

um gerador LASER. Cavidades, associadas em série, são capazes de amplificar o

feixe com uma estabilidade em controle que torna possível a sua aplicação em um

processo em larga escala.

As cavidades utilizadas para se atingir esta ordem de potência são compostas por

duas lâmpadas de arco de aproximadamente 800W cada (DAVIS, C.C., 2000)

posicionadas paralelamente com um cristal que será excitado posicionado também

paralelamente entre as duas lâmpadas. Para que grande parte de toda energia das

lâmpadas seja destinada à excitação do cristal, um refletor envolve todo o conjunto.

A superfície do refletor é feita em ouro para que não haja índices de oxidação que

comprometam a absorção de radiação pelo cristal conforme Figura 2.1.

Figura 2.1 – Cavidade geradora LASER (TRUMPF GmbH, 2001).

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No caso dos geradores utilizados, a excitação utiliza-se de três cavidades, ou seja,

entre o espelho de reflexão total e o espelho de acoplamento de saída existem três

cristais de excitação alinhados e seis lâmpadas de arco, como pode ser observado na

Figura 2.2.

Figura 2.2 – Conjunto de cavidades que compõe a região do ressonador e a região

do amplificador (TRUMPF GmbH, 2001).

Após deixar as cavidades, o feixe de LASER é direcionado para o obturador central,

que é o componente responsável por liberar o feixe para o processo ou enviá-lo para

um absorvedor (Figura 2.3), que é o componente necessário para consumir a potência

gerada no modo de espera (geralmente 10% do valor empregado no processo), pois

as lâmpadas não podem, em regime operacional, operarem com desligamento total e

religamento total.

A tecnologia atual, levando em consideração o tamanho dos cristais de Nd:YAG e a

potência das lâmpadas consegue produzir até 500W de potência LASER por

cavidade. O conjunto destas três primeiras cavidades é denominado por ressonador.

As demais cavidades têm a função de amplificação. Para se conseguir a potência

nominal dos geradores utilizados HL4006D de 4000W, faz-se necessário o emprego

de oito cavidades em cada gerador sendo que as primeiras três trabalham como

cavidades osciladoras e as cinco cavidades restantes têm o papel de amplificar o

feixe (TRUMPF GmbH, 2001).

Após o último estágio de geração do feixe, este é desviado a um conjunto medidor,

cujos valores são informados ao sistema de controle com a finalidade de garantir a

estabilidade de potência de geração do feixe de LASER.

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Figura 2.3 – Mesa óptica composta pelos componentes cuja função é distribuir o

feixe de LASER gerado para um dos canais a ser utilizado (TRUMPF GmbH, 2001).

Posteriormente, o feixe deve ser liberado por um componente denominado obturador

central. Após deixar o obturador central, o feixe é direcionado por meio de espelhos

e corretores de colimação de feixe até um segundo nível de chaveadores que são os

responsáveis por fazer a entrega do feixe de LASER a uma entre seis diferentes

saídas conectadas a cabos de fibra óptica (Figura 2.4).

Cada um destes cabos de fibra óptica têm a finalidade de propagar o feixe LASER

até diferentes cabeçotes ópticos (Figura 2.5) que recebem o feixe LASER divergente,

torna-o colimado e posteriormente focalizando-o no produto. Os cabeçotes ópticos

são manipulados por robôs, que o operam com segurança e precisão.

Um tipo de LASER muito empregado para soldas em chapas de aço de carrocerias

automotivas é o Nd:YAG devido à alta absorção do comprimento de onda de

1064nm, emitido por este tipo de LASER (Figura 2.6) em regime, ou seja, após a

formação da poça de fusão.

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Figura 2.4 – Conjunto de entrega de feixe de LASER formado pela fibra-óptica e

pelo cabeçote óptico (TRUMPF GmbH, 2001).

Figura 2.5 – Dois tipos de cabeçotes ópticos utilizados (RIBOLLA, A. et al, 2005).

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Figura 2.6 – Curva de absorção de Nd:YAG para diversos tipos de materiais

(TRUMPF GmbH, 2001).

2.2 Princípio de Funcionamento da solda a LASER

Ainda que sejam utilizados exemplos referentes a outros tipos de meios excitadores

na geração de LASER e materiais, este trabalho abordará as características dos

equipamentos referentes a uma instalação específica que é formada por sete

geradores LASER.

Os geradores utilizados são compostos por oito cavidades geradoras, controle

eletrônico, um equipamento para refrigeração, um cabo de fibra óptica para cada uma

das seis saídas do gerador que for utilizada, cabeçotes ópticos de colimação e

focalização para a aplicação LASER no processo, um microcomputador para ajuste

dos parâmetros de solda bem como diagnóstico de falhas e uma interface de controle

remoto (Figura 2.7).

O LASER de Nd:YAG é gerado a partir do bombeamento de luz em um cristal

artificial de Ítrio, Alumínio e Granada dopado com Neodímio. O Ítrio é um metal

leve de coloração branco-prateada e facilmente moldável (densidade 4,47 g/cm³). Foi

descoberto por J. Gadolin em 1794 sendo denominado Ytterby. O ítrio tem um ponto

de fusão de 1526ºC e se inflama em chama vermelha acima de 500ºC. É também

utilizado como componente de liga em linhas condutoras de aquecimento, na

produção de aço níquel-cromo, no fósforo do tubo de raios catódicos da televisão

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para produzir a cor vermelha, em velas de ignição para motores a gasolina de forma a

aumentar sua vida útil, em filtros de raios-X em superligas e também como

constituinte de supercondutores (VITA ZAHNFABRIK, 2002).

Figura 2.7 – Componentes de um sistema de solda a LASER (TRUMPF GmbH,

2001).

A luz necessária para excitar os cristais, como já foi mencionado anteriormente,

provém de duas lâmpadas de arco, que juntamente com o cristal de Nd:YAG são

confinadas dentro de uma cavidade refletora de luz e refrigerada com água a baixas

temperaturas.

2.3 Vantagens da utilização do processo de solda a LASER

Dentro da indústria automobilística, especificamente na área de armação de

carrocerias, responsável pela geometria e estrutura de um veículo, a tecnologia de

solda LASER vem sendo empregada com a finalidade de reduzir a quantidade de

pontos de solda-resistência por meio do emprego de cordões de solda

estrategicamente posicionados. Tais soldas, na maioria das vezes, não podem ser

feitas por dispositivos de solda-resistência, pois estes possuem dimensões que não

permitem alcançar regiões de difícil acesso (Figura 2.8).

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Figura 2.8 – Comparação dimensional entre uma pinça elétrica e um cabeçote

óptico .

Outra vantagem de empregar-se o LASER em processos de solda, é que é possível

reduzir drasticamente a deformação de chapas de aço que ocorre com a degradação

térmica do material na região afetada pelo calor (Figura 2.9) aplicado ao processo,

haja vista que é possível conseguir altas densidades de potência I0 com um feixe de

LASER.

Por fim, utilizando-se este tipo de LASER é possível fazer a entrega do feixe de

LASER ao processo através de cabos de fibra óptica flexíveis, o que também

contribui para o acesso fácil a determinadas regiões da carroceria com manipulação

por meio de robôs.

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Figura 2.9 – Comparação da ZTA entre o processo de Brasagem LASER e MIG .

2.4 Produtos e Processos

A instalação utilizada para estudo é uma estação de geometria de carrocerias

automotivas composta por duas cabines de solda a LASER. Atualmente em uma

delas são soldadas as carrocerias dos modelos VW240 e VW241 (Polo Hatch-back e

Polo Sedan respectivamente) e na outra cabine é soldada a carroceria do modelo

VW249 (Fox) (Figura 2.10). Até há alguns meses atrás, o modelo VW249 não era

produzido nestas instalações. Ambas as cabines são providas por LASER que é

gerado em sete geradores com seis canais de saída em cada um e que distribuem os

feixes de LASER por meio de cabos de fibra óptica até os cabeçotes ópticos que têm

a finalidade de focalizar o feixe de LASER no processo. Assim, o LASER é

empregado para realização de solda de duas formas distintas: a primeira é o processo

de solda por união de chapas, onde duas ou três chapas são unidas mecanicamente e

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são bombardeadas perpendicularmente por um feixe de LASER de forma a

concatenar as chapas por fusão. A segunda é o processo de brasagem, aplicado

somente na região do teto das carrocerias quando duas chapas são posicionadas e um

feixe de LASER percorre a extremidade das chapas fazendo com que um arame de

CuSi3 seja fundido e depositado nas extremidades dobradas de ambas as chapas.

Figura 2.10 - Configuração das estações de geometria a LASER utilizadas .

2.5 Variáveis de processo controláveis e não controláveis

Considerando as variáveis de um processo de união a LASER que interferem na

emissão de particulado, pode-se efetuar uma separação em dois grupos relevantes. O

primeiro grupo, que denominaremos variáveis controláveis, são as variáveis impostas

pelo processo de soldagem por meio da estrutura de equipamentos que o influenciam

diretamente. O segundo grupo, que será denominado variáveis não controláveis, são

as variáveis que processos anteriores ou adjacentes empregam ao processo sem que

um controle efetivo possa ser feito. Esta separação em grupos serve para determinar

quais variáveis serão consideradas neste estudo e quais não poderão ser consideradas.

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As variáveis não controláveis, por não serem de domínio do processo em questão,

serão desconsideradas.

2.5.1 Variáveis de processo controláveis

2.5.1.1 Potência do feixe de LASER

Em relação às variáveis controláveis, é possível determinar com precisão a potência

do feixe de LASER que é aplicada ao processo e esta variável tem uma implicação

direta na quantidade de respingos emitidos. Na saída dos geradores LASER existe

um sensor que faz a medida da potência do feixe e reporta a um circuito responsável

pelo controle automático de ganho, que mantém a intensidade de geração do feixe de

LASER sempre constante. Os componentes que conduzem o feixe de LASER após o

controle de ganho possuem sensores óticos e de temperatura que indicam se existem

perdas no sistema. Desta forma, esta variável será considerada controlável.

2.5.1.2 Comprimento total dos cordões e velocidade do robô de aplicação

O comprimento total dos cordões e a velocidade do cabeçote óptico manipulado

pelos robôs de cada estação de trabalho caracterizam o tempo de exposição ao

processo do cabeçote óptico e, conseqüentemente, o tempo de exposição da janela de

proteção. Tal variável controlável também tem influência direta na quantidade de

respingos que serão depositados na superfície da janela de proteção.

2.5.1.3 Distância focal

No caso da distância focal, ela é considerada uma variável controlável, pois possui

seu valor fixado e não sofre variações, pois a tolerância da região focal é muito

pequena e qualquer variação comprometeria as condições estruturais da solda. Seu

valor é de 200mm para o processo em estudo.

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17

2.5.2 Variáveis de processo não controláveis

2.5.2.1 Intensidade da cortina de ar comprimido

A cortina de ar comprimido gerada para reduzir a quantidade de respingos na

superfície da janela de proteção é aplicada através de um bico padrão e idêntico em

todos os postos de trabalho com orifícios alinhados e o ar é soprado a uma distância

de 50mm do ponto focal do feixe de LASER, paralelo à janela de proteção com

pressão de uma linha de 6 bar. Se for considerado que uma manutenção constante é

aplicada aos bicos sopradores, pode-se dizer que respingos que poderiam aderir à

saída de ar dos bicos não influirão significativamente no processo.

2.5.2.2 Quantidade de óleo depositado sobre as chapas de aço

Por vezes a quantidade de óleo, necessária aos processos de conformação a frio,

excede os limites. Quando tal problema é identificado, uma limpeza manual é

efetuada em cada carroceria antes da estação de solda, pois o problema gerado pode

tornar-se mais complexo do que somente um aumento da emissão de particulados.

Uma quantidade excessiva de óleo pode gerar problemas na qualidade do cordão de

solda, tanto do ponto de vista de acabamento superficial, quanto do ponto de vista

estrutural. Esta variável é levada a níveis onde a qualidade do produto é possível de

ser praticada, porém não pode ser denominada como uma variável controlável.

2.5.2.3 Variação dimensional das peças a serem unidas

A variação dimensional, assim como o excesso de depósitos de óleo, exerce uma

influência muito forte na qualidade do produto, portanto, toda vez que uma variação

dimensional acontece, ela é automaticamente corrigida para níveis de trabalho

exigidos pela qualidade do processo. Isto torna esta variável aparentemente estável,

porém também não pode ser denominada como uma variável controlável.

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2.5.2.4 Variação da camada de zinco aplicada

No caso dos depósitos de camadas de zinco das chapas de aço utilizadas no processo,

admitir-se-á que o fabricante está fornecendo os depósitos dentro da norma DIN EN

10327.

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3 CARACTERÍSTICAS DO FEIXE

3.1 A Soldagem a LASER

Uma vez que um feixe LASER seja utilizado, a soldagem ocorre primeiramente por

meio da interação da radiação do feixe com a matéria que é parte absorvido e parte

refletido. A parte absorvida é de tal ordem de intensidade que aquece o material

levando-o à fusão ou vaporização dependendo do índice de densidade de energia.

Na fase de vaporização do material, forma-se uma coluna de vapores metálicos

partindo do ponto de interação do feixe com o material e avançando em direção ao

interior da peça. Esta coluna de material irregularmente derretido, denominada como

poça de fusão, absorverá tanta radiação incidente na peça quanto o seu perfil

irregular permitir, distribuindo a radiação em seu interior.

A aplicação do feixe de LASER é notoriamente dinâmica sendo que, o deslocamento

da peça garantirá a sustentação da poça de fusão, porém existirá uma velocidade de

avanço mínima e máxima para que o processo se sustente. Com o deslocamento da

poça de fusão, a massa de material líquido vai se solidificando ocorrendo assim a

soldagem.

Em um segundo caso, quando a densidade de energia não for suficiente para a

derreter completamente o material, ocorrerá a soldagem por condução, que terá um

mecanismo extremamente semelhante aos processos de soldagem convencionais,

com o calor sendo dissipado lateralmente (aumento da ZTA) (DAWES, C., 1992).

A fim de fazer com que a potência seja incrementada levando ao conseqüente

aumento da penetração, um recurso usado é a utilização do LASER de modo

pulsado. Neste modo, o equipamento fornece a potência em dois diferentes

patamares, em um mecanismo semelhante ao MIG pulsado. Este princípio é bastante

útil na soldagem de materiais como alumínio e cobre por serem extremamente

reflexivos para algumas freqüências irradiadas e difíceis de soldar com este processo.

Porém, em nosso caso prático de estudo, é utilizado somente o LASER contínuo

(DAWES, C., 1992).

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3.2 Influências no rendimento do processo de solda a LASER

Uma vez que o processo tenha sido definido e o comprimento de onda determinado,

a potência do feixe é o fator mais importante a ser considerado no grupo de

parâmetros a serem definidos, uma vez que está diretamente ligada com a espessura

máxima a ser soldada. O modo do feixe é a forma como a potência é distribuída ao

longo da secção do feixe e é um fator importante a se considerar, pois influencia na

potência máxima utilizada e na simetria do feixe. A qualidade dos componentes do

sistema óptico é o que determinará a diferença entre a potência gerada e a que

efetivamente vai atingir a peça, ou em outras palavras o rendimento, uma vez que o

feixe perde potência em cada componente refletor ou condutor utilizado. Além disso,

o sistema óptico atua também na determinação do diâmetro do feixe na zona de

interação.

3.3 Modo de Feixe

Por ocasião da determinação do material a ser soldado e do tipo de equipamento

usado para a solda, é necessário conhecer as características e estrutura do modo de

feixe para melhor determinar o diâmetro do feixe incidente. Este estudo é geralmente

realizado pelo fabricante do equipamento e o usuário geralmente desconhece suas

características. A densidade de potência através do diâmetro de saída de um feixe de

LASER não é uniforme e é dependente do meio ativo que é utilizado para gerar o

LASER, de suas dimensões internas, do projeto de realimentação óptica e do sistema

de excitação empregado (DAWES, C., 1992). A característica da secção transversa

de um feixe de LASER, que mostra a sua distribuição de potência, é chamada de

Modo Eletromagnético Transverso (Transverse Electromagnetic Mode – TEM)

seguida por um índice de dois dígitos “m” e “n” sendo representada na forma

TEMmn. Outro autor já identifica o modo TEMmn como a distribuição de campo

elétrico que está associada com qualquer raio que percorra uma trajetória fechada

(YOUNG, M., 1998). Muitos modos podem ser projetados e cada tipo é denominado

segundo o seu número. Em geral, quanto maior o número, maior é a dificuldade de se

focalizar o feixe de LASER para um ponto mais estreito de forma a se atingir uma

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densidade maior de potência. Feixes de LASER com TEM00, TEM01, TEM10, TEM11

e TEM20 e combinações destes modos são geralmente utilizados. Na Figura 3.1 se

tem como exemplo o TEM00, com uma distribuição gaussiana, com a melhor

qualidade de raio.

Figura 3.1 - Característica do Modo do Feixe – O modo de ordem mais baixa

possível em forma de sino (distribuição na curva Gaussiana) de luz através de um

feixe de LASER (GIMENES, Jr. L. et al, 2006).

O TEM00 designa o modo transverso mais simples de um LASER com uma

distribuição de energia Gaussiana através do feixe (Figura 3.2). Ao longo deste

capítulo, consideremos uma distribuição gaussiana do feixe (modo TEM00). Para

uma determinação precisa, fazem-se medições experimentais (ALBRIGHT, C.,

1985) (DAWES, C., 1992).

Figura 3.2 – Visualização do Modo Transversal TEM00 (GIMENES, Jr. L. et al,

2006).

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A Figura 3.3 mostra os tipos de formatos básicos das características de modo de

feixe. Alguns feixes de LASER produzem muitos modos diferentes e estes são

geralmente referenciados por possuírem um tipo de operação multímodo.

Figura 3.3 - Modos básicos de feixe produzidos por diferentes feixes de LASER.

Alguns feixes de LASER possuem combinação destes modos (DAWES, C., 1992).

3.4 Parametrização do processo de solda

Para realizar a parametrização do sistema, é necessário conhecer bem as variáveis

envolvidas. Com este intuito, elas serão divididas em dois grupos: primárias

(referentes ao equipamento) e secundárias (referentes ao produto) (ALBRIGHT, C.,

1985).

As principais variáveis primárias também dependem do tipo de LASER e são

classificados em potência do feixe de LASER, diâmetros do raio incidente, absorção

do material para o comprimento de onda utilizado, velocidade de soldagem, proteção

gasosa, distância focal, pulso, geometria e espaçamento entre peças a serem soldadas.

As variáveis secundárias são classificadas em profundidade de penetração e

propriedades físicas e metalúrgicas.

O material a ser soldado apresenta diferentes propriedades e entre elas a

absortividade do material para determinados comprimentos de onda intrínsecos a

cada tipo de LASER é extremamente importante, pois dará uma indicação para

determinar quanto de radiação será refletido ou absorvido pelo material e, com isto,

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qual a potência de feixe necessária e ainda se será do tipo pulsado ou contínuo. Tais

definições são feitas ainda em fase de projeto.

A penetração é diretamente relacionada com a densidade de potência, a qual está

relacionada com a potência e o diâmetro do feixe. Para se medir a energia de saída

das cavidades ressonantes e conseqüentemente dos geradores, utilizam-se medidores

de potência refrigerados a água. Se a potência a ser medida não atingir um valor tão

grande, pode ser utilizado o próprio absorvedor interno contido dentro de cada um

dos geradores LASER para que a medida possa ser feita.

O diâmetro do raio incidente é um dos parâmetros mais importantes, pois determina

a densidade de energia. Quando são empregadas altas potências de LASER, seu

ajuste focal e de posição para emprego em processo é feito utilizando um outro

LASER, de potência muito inferior e de comprimento de onda dentro do espectro

visível.

O fator absorção é o que determina a eficiência do feixe de luz incidente na peça.

Qualquer cálculo de energia transferida por um processo de soldagem utilizando

LASER é baseada na energia absorvida pela peça. Outros fatores também

influenciam, como a qualidade da superfície e o gás de proteção (caso seja utilizado).

Para uma dada potência, um decréscimo na velocidade de soldagem, origina um

aumento da penetração. Elevadas velocidades podem originar penetrações

insuficientes, enquanto baixas velocidades conduzem a fusões excessivas do metal

provocando vaporização e perda de material com a conseqüente formação de

defeitos, na Figura 3.4 é exposta a influência da velocidade para diferentes potências

de LASER.

Quando utilizado, o gás de proteção serve para remover o plasma formado na fusão

(ou vaporização) do material. Caso não seja feita esta remoção, o plasma tende a

absorver e desviar o feixe de LASER causando demérito de qualidade em alguns

tipos de processos. O tipo de gás utilizado e seus diferentes potenciais de ionização

proporcionarão diferenças na interação entre feixe e matéria alterando a transferência

da energia. Outro fator influenciado pelo gás é a composição química da atmosfera

criada nas proximidades do local aonde a solda é realizada. Se esta atmosfera for

criada com um gás inerte, este terá a propriedade de remover o oxigênio da região

reduzindo assim a susceptibilidade à corrosão. Porém, um ponto negativo criado pela

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aplicação de gás é que, dependendo de como for aplicado, pode gerar redução de

temperatura na região de solda. Dependendo do nível da qualidade de solda exigida,

não é vantajosa a utilização de aplicação de gás, pois desta forma gastos extras com

energia elétrica, manutenção e com o próprio consumo de gás deverão ser previstos

como custos fixos para a instalação (BRYSCH, P. , 2003).

Figura 3.4 - Potências de aplicação de LASER x penetração para três diferentes

velocidades de soldagem com Nd:YAG (TRUMPF GmbH, 2001).

O ponto focal é considerado como o máximo ponto de convergência do feixe. Seu

posicionamento é crítico para determinar um bom rendimento do processo de

soldagem e para determinar a qualidade do processo. No caso da brasagem, ou solda

com adição de material, o ponto focal é aplicado de tal forma que seu centro atinja o

material a ser aplicado e suas bordas atinjam as duas chapas que serão unidas pelo

material de fusão (BRYSCH, P. , 2003).

O LASER pulsado, também empregado em processos de solda, é usado

principalmente quando o objetivo é aumentar a penetração. Os parâmetros de pulso

são a duração, ou largura de pulso e a freqüência. No caso das instalações onde

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foram feitos os ensaios que serão mostrados adiante, não é utilizado este recurso,

sendo que os geradores de LASER utilizados são de feixes contínuos.

Um dos principais problemas enfrentados nos processos de solda LASER é referente

ao assentamento de peças. A localização da peça a soldar na direção perpendicular ao

feixe é fundamental, pois a focalização do feixe faz com que este tenha sua

densidade ótima em uma determinada distância. Fora dela, o feixe já não é tão

concentrado e, para a mesma potência apresentará maior dimensão de ponto focal

com redução de densidade de potência e conseqüentemente menor penetração.

A garantia da correta conformação das peças a serem soldadas e o respeito às

tolerâncias dimensionais referentes ao projeto, se forem devidamente certificadas,

garantirão a qualidade do produto e o rendimento do processo. 90% dos problemas

de qualidade e rendimento das instalações nos processos de solda a LASER advém

de variações no fornecimento do produto a ser soldado. As variações são as mais

abrangentes possíveis. Elas vão desde a própria variação dimensional, passando pela

qualidade ou pelo tipo do revestimento de zinco e chegam até os elementos

contaminantes, tais como o adesivo utilizado com finalidades estruturais e os

lubrificantes, às vezes, utilizados para o processo de conformação a frio (BRYSCH,

P. , 2003).

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26

4 INTERAÇÃO DA ENERGIA COM A MATÉRIA

4.1 Influência da Refletividade

Para conhecer as possibilidades e os limites das operações realizadas com LASER,

faz-se necessário compreender os processos de interação entre feixe incidente e

materiais a serem processados.

A apresentação das características físicas dessa interação terá como centro os

materiais metálicos, mas as propriedades essenciais de tal interação LASER-matéria

são aplicáveis a todos os outros tipos de meios sólidos. A partir do momento que

uma radiação incide sobre uma peça, uma fração dessa radiação atravessa esta peça,

outra fração é absorvida e uma terceira é refletida. A energia absorvida aquece o

material começando por sua superfície.

Existem vários regimes a serem examinados, conforme a duração da irradiação e

conforme a densidade de potência depositada. Se o modo de operação do LASER é

pulsado, o que não é o caso das fontes onde acontecem os nossos estudos, as perdas

por condução térmica na matéria são desprezíveis para períodos pequenos de pulsos,

porém, elas devem ser consideradas em geradores de LASER de pulsos longos e em

geradores de LASER de emissão contínua.

Levando em consideração a questão da refletividade, em um sólido opaco, para um

dado comprimento de onda, a fração absorvida da radiação incidente é dada por:

Є = 1 - R (4.1)

O parâmetro Є é a emissividade e R é a refletividade que é a relação entre a potência

refletida e a potência incidente normal. Estes parâmetros podem ser medidos ou

calculados a partir do conhecimento das constantes ópticas do material.

A Figura 4.1 apresenta a refletividade de alguns metais em função do comprimento

de onda λ. Constata-se que, exceto para o alumínio, a refletividade sofre variações

muito acentuadas em uma banda espectral até os 600 nanômetros, favorecendo o

emprego de LASER para esta faixa de comprimento de onda. No infravermelho, a

refletividade atinge rapidamente um valor constante acima de 90%, o que

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27

desqualifica os geradores de LASER que trabalham na região do infravermelho para

a maioria destes materiais.

Todos os valores indicados nas curvas da Figura 4.1 aplicam-se apenas a superfícies

metálicas limpas. Na prática, quando da aplicação com LASER, é preciso considerar

o estado de oxidação ou de contaminação da superfície, o que altera profundamente

os dados anteriores. Sendo assim, a Figura 4.1 apresenta informações de caráter

qualitativo (J. K. CONSULTING, 2006).

Figura 4.1 - Refletividade de vários metais em função do comprimento de onda com

indicação da posição de várias faixas de trabalho de feixes de LASER correntes (J.

K. CONSULTING, 2006).

A 10,6µm, no comprimento de onda emitido pelo LASER de CO2, considerações

referentes à refletividade são decisivas. A absorção do cobre, como a da prata, é

cerca de 1,5%, enquanto a absorção do aço é da ordem de 4%. Portanto, apesar do

baixo rendimento do processo, o aço absorve uma fração 2,5 vezes maior da radiação

do que o cobre e a prata. Sendo assim, para o LASER de CO2, os aços têm sua

propriedade de soldabilidade superior à do cobre ou da prata. Essa refletividade

elevada chegou a ser, durante muito tempo, uma barreira para a aplicação do LASER

de CO2 na soldagem de metais como o ouro nas quais a influência do comprimento

de onda também é muito acentuada. No aço, a emissividade a 1064nm é cerca de

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28

40%, ou seja, 10 vezes o valor anterior. Isso significa que, ao menos na fase inicial,

um LASER Nd:YAG com intensidade igual à de um LASER de CO2 terá sua

radiação 10 vezes mais absorvida, para as mesmas condições de feixe. Esta

observação demonstra o quanto é vantajoso dispor de feixes de LASER de neodímio

com alta potência e emissão contínua.

Embora um valor exato de Є desempenhe um papel destacado na decisão da

definição do índice de absorção e no aquecimento inicial consecutivos à irradiação

de um metal, verificou-se que esse parâmetro começa a variar desde os primeiros

instantes de sua aplicação para potências incidentes consideradas suficientes para a

operação em regime.

Com efeito, a partir do momento em que o metal começou a sofrer uma

transformação estrutural ou mecânica nas proximidades do ponto de fusão, ele se

comporta, mais ou menos, como um absorvedor de alto rendimento, com uma

emissividade tendendo a 1 (ALBRIGHT, C., 1985). O aumento da absorção da

radiação incidente pode ser considerado muito rápido. Esta propriedade é que faculta

aos geradores de LASER de CO2 e de Nd:YAG um papel tão importante no trabalho

de metais, apesar de seu comprimento de onda a princípio desfavorável (Figura 4.2).

Pode-se avaliar qualitativamente a temperatura média atingida em regime

estacionário no centro de um feixe de perfil gaussiano focalizado sobre um

determinado material (RYKALIN, N. et al, 1978). Para isso, basta considerar que a

densidade de potência absorvida (Є.I0) é igual ao fluxo de calor dissipado

(MONTOYA, J. W. R. , 2005). Este fluxo é proporcional ao gradiente de

temperatura (SCHMIDT, R. et al, 1998) que se avalia impondo que a temperatura T

reduz-se à metade em uma distância da ordem do raio Rf da zona focal. Com efeito,

conforme já ficou implícito anteriormente, quando a quantidade de energia absorvida

pelo material é suficiente para ultrapassar a energia de ligação dos átomos e

moléculas que asseguram a estrutura do meio, à medida que a temperatura se eleva,

efetuam-se transformações termodinâmicas no interior desse meio.

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29

Figuras 4.2 - Percentuais de absorção e rendimento total para diversos tipos de

feixes de LASER e materiais (TRUMPF GmbH, 2001).

Com feixes de LASER de potência corretamente focalizados, a superfície atinge

rapidamente sua temperatura de fusão. Evidentemente, essa fusão induzida por

LASER está na base das técnicas de soldagem e é indicada por três autores distintos

(RYKALIN, N. et al, 1978) (ALBRIGHT, C., 1985) (DAWES, C., 1992). Nesse

caso, deseja-se uma penetração máxima sem que se atinja a temperatura de

vaporização, o que só é obtido em condições bem específicas de densidade de

potência e de duração de irradiação. Já em outras aplicações, tais como a perfuração

ou o corte, deseja-se atingir e ultrapassar esse ponto de vaporização.

Portanto, formulando a hipótese de que os efeitos térmicos úteis são produzidos

somente quando a temperatura T atinge o valor da temperatura de fusão Tf ou então a

temperatura de vaporização Tv pode-se, consultando as tabelas especializadas,

comparar os méritos dos geradores de LASER no trabalho desses materiais. A Figura

4.3 estabelece essa comparação.

Baseado na relação E = h.υ onde E é igual à energia dada em Joules, h é a constante

de Planck (6,62.10-34 J.s) e υ é a freqüência (COHEN-TANNOUDJI, C et al, 1977), a

Figura 4.3 apresenta as potências relativas necessárias para atingir a temperaturas Tf

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30

e Tv de cinco metais: cobre, titânio, platina, ferro, alumínio. Dessa forma, é possível

avaliar as dificuldades para se atingir diversos gradientes de temperatura com

diferentes tipos de geradores de LASER (Ar, rubi, Nd:YAG, CO2). Para os geradores

de LASER de argônio, rubi ou neodímio, qualquer que seja o material considerado,

as potências relativas a serem utilizadas são muito próximas com um sutil efeito de

escala devido aos comprimentos de onda. No LASER de CO2, o efeito de

comprimento de onda é bastante evidente.

Figura 4.3 – Potências LASER relativas para atingir o campo das temperaturas

compreendidas entre as temperaturas de fusão e de vaporização, em metais como o

cobre, titânio, platina, ferro, alumínio (apud comunicação interna).

Pode ser também percebido que as dificuldades de aplicação de LASER, por

exemplo, a soldagem de metais como o ferro e, sobretudo o cobre, explicam-se pelos

elevados valores de seu coeficiente (K.Tf), que no cobre atinge 5400 W / cm, ou seja,

3,5 vezes mais que no ferro (RYKALIN, N. et al, 1978).

Para um LASER como o CO2, essas observações sobre a absorção permitem a

elaboração de um gabarito explicando as capacidades dos diferentes grupos de

materiais a serem trabalhados.

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31

Utilizando-se um modelo da absorção da energia LASER para um determinado

material (LANDAU, L. et al, 19-?), ainda simplificado e um pouco mais exato e,

levando-se em consideração a variação da emissividade com a temperatura, é

possível produzir os resultados da Figura 4.4 utilizando como material o aço

inoxidável 304. Tal curva representa a absorção da energia LASER em função da

densidade de potência ou da temperatura de superfície para dois comprimentos de

onda muito utilizados. Os resultados demonstram claramente que, quando é atingida

a temperatura Tf, ocorre uma brusca variação de fração de potência absorvida. Por

último, efetuando-se a determinação da densidade de potência para a temperatura Tv

sobre a curva, é possível delimitar três zonas de potências específicas,

correspondentes a três níveis de temperatura para trabalho, respectivamente o

tratamento térmico, a soldagem e o corte, porém é importante lembrar que somente

nas últimas duas existe a emissão de respingos.

Figura 4.4 – Absorção de energia LASER, em função da densidade de potência I0 no

centro da zona focal, para o aço inoxidável 304. Estão indicados os limiares

correspondentes às temperaturas de fusão e de vaporização (apud comunicação

interna).

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Ainda em relação à propriedade de refletividade, é importante mencionar o efeito da

polarização. Neste caso, o valor da refletividade varia conforme a orientação relativa

do campo elétrico da onda LASER e do plano de incidência. Para um feixe cuja

polarização do campo elétrico é perpendicular ao plano de incidência, a refletividade

é sempre elevada, qualquer que seja o ângulo de incidência.

Para uma polarização do campo elétrico paralelo em relação ao plano de incidência,

a refletividade decresce à medida que aumenta o ângulo de incidência e, nessas

condições, o acoplamento entre o feixe e o material a ser processado é maior, o que

significa que a absorção aumenta. Esse efeito tem conseqüências importantes para

certas operações com LASER, pois a eficácia depende da orientação relativa da

direção de polarização e da direção de translação do produto. Essa propriedade

importante é explorada no corte de materiais (metais, plásticos, madeiras) em que o

emprego de um feixe de polarização paralelo à direção de corte aumenta a velocidade

de trabalho, bem como a qualidade do traço de corte.

É importante lembrar que o trabalho em diversos materiais consiste em controlar o

estabelecimento de um equilíbrio térmico em resposta à súbita aplicação de uma

fonte de energia térmica. Por exemplo, a manutenção controlada de uma zona de

matéria fundida sob irradiação LASER depende basicamente da difusão do calor no

material.

A esse respeito, o parâmetro crítico desse regime não estacionário é a difusividade

térmica do material que é medida pela razão entre unidade de área e tempo

(RYKALIN, N. et al, 1978). Esse parâmetro é diretamente proporcional à

condutibilidade térmica, e inversamente proporcional à densidade do material, bem

como ao seu calor específico. A difusividade determina a rapidez com que um

material aceita e conduz a energia térmica.

Com a aplicação do feixe, produz-se no interior da matéria o fenômeno de cavidade

que se estabelece no banho de fusão, de forma que a energia do LASER penetre

profundamente e seja depositada no interior do metal. O escoamento do metal em

fusão, consecutivo à passagem do feixe, solidifica-se atrás da zona focal e torna a

fechar a poça de fusão. Peças de aço inoxidável com 10mm de espessura são

habitualmente soldadas dessa maneira.

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33

Considerando a mesma faixa de densidade de potência, se o material a ser

processado for varrido rapidamente, ou seja, em alguns microssegundos, a fusão do

metal fica confinada superficialmente em espessuras muito pequenas, compreendidas

entre 1 e 10 micrômetros. Nesse processo, ocorrem gradientes muito elevados de

temperatura, que acarretam gradientes de tempo de redução de temperatura

consideráveis. Produzem-se assim novas microestruturas metalúrgicas muito

homogêneas, ou ainda ligas amorfas. Tais técnicas podem ser aplicadas nos

processos de vitrificação e também onde o efeito desejado é a abrasão por

vaporização de uma substância sólida, como no corte ou na perfuração.

Convém notar que temperaturas de fusão para o aço são atingidas com densidades de

potência LASER situadas entre 103 W/mm² e 104 W/mm². Em contrapartida, é

necessário dispor de uma potência específica pelo menos dez vezes mais elevada

para atingir a temperatura de vaporização, ou seja, aproximadamente 104 a 106

W/mm² em feixes de LASER visíveis ou próximos do infravermelho, e 104 a 3.105

W/mm² em feixes de LASER de CO2. Na realidade, quando um feixe LASER de

grande densidade de potência (aproximadamente 104 W/mm²) é irradiado em um

determinado material, a superfície deve primeiramente entrar em fusão antes de se

evaporar, porém, devido à rapidez com que é atingida a temperatura Tv de

vaporização, pouca matéria tem tempo de se fundir, e predomina o processo de

evaporação do metal e conseqüente emissão de particulado.

Após ser atingida a temperatura Tv, o LASER continua a depositar energia na

superfície que fornece o calor latente de vaporização e que garante a forma de vapor.

O resultado é o surgimento de um orifício no material processado. Os geradores de

LASER mais eficazes para a perfuração são os pulsados, que libertam

aproximadamente 104 W/mm² na zona focal com durações de pulso ajustadas em

função da difusividade térmica do material processado.

Do ponto de vista do mérito em perfuração ou em corte, os materiais classificam-se

segundo seus respectivos coeficientes K.Tv. Poder-se-ia supor que, para aumentar a

abrasão de matéria, seria preferível utilizar geradores de LASER que fornecessem

uma grande potência de pico, como por exemplo geradores de LASER

desencadeados ou destravados, (Q-switched). Paradoxalmente, não é o que acontece.

Com efeito, já nos primeiros nanosegundos do pulso as camadas superficiais dos

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materiais a serem processados são vaporizadas, a radiação incidente interage com

esse vapor, conduzindo-o a uma alta temperatura (superior a 10000°C). Uma fração

importante dos átomos do vapor metálico superaquecido vê-se então excitada ou

ionizada. Tais átomos combinam-se com os gases circundantes, principalmente o

oxigênio e o nitrogênio, para formar um plasma, isto é, um gás ionizado que absorve,

reflete ou difunde muito fortemente essa radiação incidente, formando assim uma

blindagem contra a penetração do LASER no material a ser processado.

Algumas experiências efetuadas com alumínio, utilizando um LASER de CO2

liberando pulsos de 2.104 W/mm² durante 5ms, demonstraram, com a ajuda de uma

câmera de alta velocidade, a formação em aproximadamente 1ms de uma nuvem

incandescente estendendo-se acima da superfície do material em processo a uma

altura de aproximadamente 10mm, propagando-se dentro do feixe de LASER em

direção de uma zona com menor densidade de potência. Tal nuvem incandescente

promove uma blindagem e quando isso ocorre, o material a ser processado já não

fornece mais partículas incandescentes e a nuvem dissipa-se (DAWES, C., 1992).

Tal propriedade de processo gerou o termo LASER Supported Absorption Wave

(LSAW) para as ondas de absorção induzidas por LASER (SCHWICKERT, M. et al,

2004).

A natureza do material irradiado influi bastante na criação dessa onda LSAW que se

forma sobretudo com metais, mas não ocorre com materiais como a grafite ou os

compostos fibrosos. Para evitar a aparição desse efeito de blindagem de plasma,

substitui-se o ar ambiente por um gás inerte como o argônio, o hélio ou uma mistura

de ambos, que é mais difícil de ser excitada ou ionizada, porém deve ser lembrado

que a aplicação de gás no processo exerce influências na temperatura, pois ele é

diretamente aplicado na região de solda, o que pode comprometer a qualidade do

processo e gerar trincas (STOUT, R. D. et al, 1997).

No caso das estações de geometria utilizadas na VW, o gás inerte de proteção não foi

utilizado levando-se em consideração principalmente que, apesar do conhecido

ganho na qualidade do processo, o custo de sua aplicação é elevado e, além disso,

seu emprego insere mais uma variável no processo, pois altera a temperatura da

região.

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35

Outra técnica onde o LASER é empregado é a perfuração, que explora a criação de

ondas de choque na matéria por meio da "explosão assistida por LASER". Tal

processo é factível quando da evaporação superficial de matéria com transferência de

quantidade de movimento e recuo do material superaquecido contra a superfície

(SCHIFF, L. I., 1968). Desta forma, gerando-se as ondas de choque e de pressão, é

possível remover da cavidade perfurada os líquidos, os detritos sólidos e os óxidos e

nitretos. Tal processo utiliza feixes de LASER de Nd:YAG ou o de rubi empregando

para isso densidades de potência muito elevadas, da ordem de 107 W/mm².

Por meio dos diferentes processos físicos que ocorrem durante a irradiação de um

material por um LASER é possível concluir que estes podem ser distinguidos

segundo as características termomecânicas do material, mas, sobretudo, segundo o

período de irradiação e a sua intensidade superficial. Baseando-se nesta conclusão, é

possível separar as diferentes famílias de transformação e determinar os seus

respectivos campos de aplicação. O diagrama apresentado na Figura 4.5 pode ilustrar

tal situação (TRUMPF GmbH, 2001).

Figura 4.5 – Diagrama dos regimes de funcionamento dos diversos tipos de

geradores de LASER e dos diferentes grupos de aplicações (TRUMPF GmbH, 2001).

É muito importante ressaltar que a radiação é inicialmente absorvida

superficialmente. Em metais, por exemplo, com coeficientes de absorção da ordem

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de 2%, a energia é depositada sobre frações de mícron da espessura da chapa. Desta

forma, a emissividade do material só é importante nos primeiros instantes da

interação, e não desempenha na fase seguinte nenhuma função importante, fase esta

que corresponde à penetração da energia absorvida por meio da condução térmica no

material.

Transformações estruturais da matéria correspondentes a um tratamento de superfície

são produzidas com densidades de potência da ordem de 102 W/mm² e tempos de

interação de 10ms a 100ms. Utilizando-se de densidades de potência superiores,

entre 103 e 104 W/mm² e tempos de interação mais curtos, situados entre 1ms e

10ms, atinge-se a fusão da superfície irradiada, e uma interface líquida pode se

propagar no material. Utilizando-se de períodos de irradiação semelhantes e

densidades de fluxo 10 vezes superiores (104 a 105 W/mm²), a superfície externa

pode vaporizar-se e a matéria será assim eliminada. Tal fenômeno caracteriza o

campo das aplicações de corte dos materiais.

Considerando as mesmas energias específicas, ou seja, 10 a 100 J/mm², porém

utilizando feixes de LASER pulsados que produzem pulsos com duração da ordem

de 10ms, podem ser realizadas as operações de perfurações. Acima disso, para

energias específicas próximas de 1000 J/mm², a absorção da radiação pela matéria

ejetada pode conduzir à formação da blindagem de plasma em alta temperatura,

sobretudo com materiais metálicos, conforme mencionado anteriormente.

A Figura 4.5 apresenta também as zonas características de transformação por choque

(Shock hardening), como a perfuração por explosão assistida por LASER, ou a

têmpera por choque (104KW/mm², 100ns). A Figura 4.5 também situa as aplicações

de congelamento e de vitrificação sendo que estas últimas são geralmente

empregadas em superfícies metálicas ou cerâmicas (ALBRIGHT, C., 1985).

4.2 O LASER empregado em diversos processos

4.2.1 O Processo de Soldagem

A soldagem é um dos principais processos dentro da área de manufatura na indústria

automobilística, pois é largamente utilizada na área de fabricação de carrocerias e

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37

onde encontrou um ativo campo de aplicação onde a solda resistência não consegue

alcançar (RIBOLLA, A. et al, 2005). Além dos metais unidos, também mais

recentemente alguns compostos termoplásticos têm sido soldados por LASER, para

aplicações em embalagem, devido à boa absorção que os polímeros oferecem à

radiação infravermelha.

Utilizando potências médias (inferiores ao quilowatt), a energia do LASER é

absorvida na superfície da peça a ser trabalhada e a penetração é limitada pela

condução térmica. A uma potência de vários quilowatts, os mecanismos de interação

são novos e as profundidades de penetração bem mais elevadas.

4.2.2 Soldagem contínua utilizando baixas potências

A soldagem por junção contínua em baixas potências sem a adição de material

efetua-se tanto com feixes de LASER de emissão contínua como com feixes de

LASER pulsados sendo que os feixes de LASER de CO2 e Nd:YAG de algumas

unidades de quilowatts são especialmente bem adaptados para este processo. Para as

mesmas espessuras de lâmina, as performances são totalmente comparáveis às

permitidas pelos feixes de LASER de CO2. Assim, as diferenças de refletividade a

1,06mm e a 10,6mm não parecem muito grandes no aço, o que significa que, em

ambos os casos, a energia difunde-se corretamente na placa. Entretanto em metais de

alta condutividade elétrica, como o cobre e o alumínio, as diferenças de refletividade

são mais acentuadas e o LASER Nd:YAG pode mostrar-se mais apropriado

(DAWES, C., 1992).

No caso do LASER pulsado, o ritmo obrigatoriamente alto garante a cobertura dos

pontos de impacto e possibilita formação do cordão; a potência média raramente

excede 100 watts, e a potência de pico é que permite transpor a barreira da

refletividade.

No processo de união de chapas sem a adição de material e em regime, a fonte deve

irradiar energia de forma que a peça tenha a temperatura superficial excedendo a

temperatura de fusão, porém mantendo-se inferior à temperatura de vaporização a

fim de evitar uma perda de matéria, o que enfraqueceria a junção.

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As espessuras atualmente praticadas podem envolver até três chapas totalizando uma

espessura de até 2,5mm e utilizando uma potência de 4kW. Se fosse utilizada uma

potência inferior a atualmente empregada, isto teria o efeito de diminuir as

velocidades de trabalho e criar zonas afetadas termicamente excessivamente largas,

isto é, zonas onde a difusão de calor na massa ocuparia um volume excessivamente

grande. Observa-se que em aços de carbono, cuja difusividade é aproximadamente

quatro vezes superior à do aço inoxidável, as mesmas velocidades de trabalho

permitem soldar espessuras duas vezes maiores.

Pode-se considerar que a difusão térmica é máxima quando a temperatura de

superfície é imediatamente inferior à temperatura de vaporização, porém as

diferenças entre as propriedades térmicas dos metais soldados, sobretudo quando não

são feitos dos mesmos materiais, influenciam acentuadamente as profundidades das

poças de fusão que são formadas. Como as ligas à base de magnésio, ou à base de

materiais semelhantes, possuem uma temperatura de fusão baixa, elas tendem a ter

quantidades excessivas de matéria removidas de sua superfície, especialmente

quando a sua difusividade é baixa. As ligas com apreciável porcentagem de zinco

apresentam uma “superfusão” no momento da soldagem (SPEIGHT, F. Y. et al,

1979) (DAWES, C., 1992).

Grandes quantidades do elemento zinco evaporam-se do banho e produzem uma

soldagem desigual, freqüentemente um cordão com estrutura porosa causada pela

passagem do vapor do zinco por entre o metal (geralmente uma liga de cobre e

silício) ainda em fusão (STOUT, R. D. et al, 1997). Se a espessura de chapa a soldar

for pequena, a largura do cordão pode tornar-se muito pequena também. Em

soldagem com adição de material (brasagem), a relação utilizada para as diversas

variáveis é mostrada na Figura 4.6 (BRYSCH, P., 2003).

Enaltece-se também como boa característica a espessura extremamente pequena da

zona afetada termicamente (ZAT) que constitui uma das características interessantes

da técnica de soldagem a LASER. Por esse processo, são produzidas junções muito

estreitas, o que permite soldas bem localizadas, sem prejuízos a estrutura do material.

Em contrapartida, a energia total consumida em soldagem a LASER representa

apenas uma pequena fração (aproximadamente 2%) da energia elétrica consumida

(TRUMPF GmbH, 2001).

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39

Em geral, os processos de soldagem realizados com feixes de LASER contínuos ou

pulsados utilizando Nd:YAG ou CO2 e potência média de algumas centenas de Watt

correspondem aos processos de união de placas ou chapas delgadas, de tubos ou de

peças prontas, tais como uma carroceria automotiva.

Figura 4.6 – Medidas a serem respeitadas por ocasião do processo de brasagem

entre teto e lateral (BRYSCH, P. , 2003).

4.2.3 Soldagem contínua sem adição de material

Utilizando-se feixes de LASER de CO2 contínuos da ordem de 10³ Watt, efetuam-se

penetrações estreitas, profundas e sem distorções em peças de aço com espessura da

ordem de milímetros e velocidades da ordem de metros por minuto conforme

mostrado na Figura 4.7 (TRUMPF GmbH, 2001).

A vantagem básica do LASER está na elevada velocidade de soldagem atingida em

atmosfera livre para altas densidades de potência. Pode-se demonstrar que os

processos iniciais de penetração dependem do comprimento de onda do feixe, de sua

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40

potência específica e do estado de superfície do metal a soldar, ao passo que a

propagação do cordão de soldagem depende principalmente da potência total da

radiação incidente.

Deslocando-se o foco do feixe LASER e, portanto, a zona de máxima densidade de

potência ao longo da junção a soldar obtém-se o efeito de penetração. Em tais

densidades de potências utilizadas surgem novos fenômenos termodinâmicos e

hidrodinâmicos que apresentam grande eficácia térmica.

Figura 4.7 – Soldagem de chapas de aço doce sem liga com LASER Nd:YAG.

Espessura soldada em função da velocidade de trabalho, para diferentes potências

do LASER (TRUMPF GmbH, 2001).

Quando o foco do feixe de LASER está situado profundamente no interior da peça a

soldar, forma-se no material uma “cavidade” cheia de vapor superaquecido e cercada

de material fundido. A pressão de vapor no interior dessa cavidade, também

denominada de núcleo, mantém o equilíbrio com a pressão hidrodinâmica do metal

em fusão no banho que cerca a cavidade. Em uma linha de fusão com penetração

total, esse núcleo ocupa uma zona muito pequena margeada por uma camada

cilíndrica que se estende através de toda a espessura da peça (BERGSTRÖM, D.,

2005).

Em condições corretas do movimento relativo entre a peça e o foco do feixe, a

cavidade em penetração profunda mantém-se em equilíbrio dinâmico no interior do

metal deslocando uma zona de fusão para cima, para baixo, e na periferia do ponto

de impacto e uma zona de solidificação do banho no rastro conforme a Figura 4.8.

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Figura 4.8 – Esquema do cordão de soldagem por penetração obtido com um

LASER Nd:YAG (TRUMPF GmbH, 2001).

4.3 Respingo: Um desequilíbrio termodinâmico

O metal fundido é levantado pela pressão do vapor na cavidade. O metal tem a

tendência de ser mantido na poça de fusão graças a uma combinação das forças de

gravidade, viscosidade e de tensão superficial. No próprio interior da cavidade, os

altos gradientes de temperatura e de pressão transmitem à matéria fluida energia

dinâmica de auto grau, acompanhados de suas particulares transferências térmicas.

Quando a quantidade de energia na poça de fusão for suficiente para expulsar

matéria, esta gerará os respingos de solda que acabam atingindo as janelas de

proteção. Os resultados destes altos gradientes de temperatura são as reações de

excitação e de ionização dos átomos de vapor cujos calores latentes são muito

maiores que aqueles ligados às mudanças de fase que ocorrem nas zonas de

soldagens utilizando outros processos genéricos de soldagem.

Para o processo de solda a LASER, a combinação do equilíbrio de tensões

superficiais da poça de fusão com as intensas variações de temperatura em distâncias

muito pequenas provoca a formação de um cordão estreito e delgado, com

profundidade e largura estreitamente relacionados, e possui a vantagem adicional de

limitar a zona termicamente afetada (ZTA). De outro lado, a rapidez dessas reações,

associada a velocidades de resfriamento muito elevadas, gera no plano metalográfico

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42

estruturas novas formadas de microestruturas com grãos extremamente finos,

homogêneos e contendo poucas impurezas. Em tais processos de soldagem, as

propriedades mecânicas, como dureza e resistência à tensão, são comparáveis às dos

metais antes da soldagem (NOWAKOWSKI, K. A., 2005).

4.3.1 Efeito da cobertura anticorrosiva no processo de soldagem do aço

A união de chapas por sobreposição com aplicação de zinco em um único lado

(quando este se encontra do lado externo das chapas unidas) possui similaridade às

uniões de bordas de chapa. Porém, quando a cobertura se situa nas faces unidas,

surgem sérios problemas que afetam a formação da solda.

O ponto de ebulição do Zinco ocorre aos 900ºC e o ponto de fusão do aço ocorre

próximo aos 1500ºC, conseqüentemente, em uniões deste tipo muito justas, o zinco

já terá evaporado e estará criando pressões na junção mesmo antes da poça de fusão

ter se formado.

Uma vez que a poça de fusão se forma, bolhas de zinco vaporizado tentam escapar

através do material derretido. Se ambas coberturas de zinco na região a ser soldada

for inferior a 15µm e a espessura das chapas for superior a 0,8mm (o que mantém

baixo o índice de zinco sobre a chapa), as bolhas de gás geralmente escaparão antes

da solidificação da poça de fusão. Neste caso qualquer bolha que fique presa será

muito pequena e estará bem dispersa ao longo da solda realizada.

A espessura da cobertura superior a 15µm entre as faces que serão unidas por

sobreposição produzirá uma grande quantidade de vapor de zinco que não poderá

escapar antes que a poça de fusão se solidifique. Na realidade, a pressão criada com

as bolhas de gás causa explosões do metal derretido antes que este se solidifique.

A Figura 4.9 mostra um corte transversal da união de chapas de aço com cobertura

de zinco em ambos os lados da chapa com diferentes espessuras de coberturas (8 µm

e 12 µm) o que torna evidente a diferença na formação da solda.

Reduzir tão somente a velocidade do processo não resolve o problema da

vaporização do Zinco, pois assim mais calor é conduzido no processo o que acaba

por vaporizar mais Zinco de uma área maior. Se for necessário o emprego da redução

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43

de velocidade, tal redução deve vir acompanhada também de uma redução de valor

de potência de LASER aplicada ao processo.

Figura 4.9 – Corte de uma junção com chapas de aço de 0,7mm recobertas com

Zinco em ambos os lados com 8 µm (a) e 12 µm (b). Isto ilustra o aumento do

aparecimento de porosidades com o aumento da camada de Zinco (DAWES, C.,

1992).

Algum sucesso em processos de soldagem onde a cobertura de Zinco ultrapassa os

15µm na superfície de união pôde ser atingido mantendo-se uma pequena distância

entre chapas da ordem de 0,1mm entre as chapas sobrepostas que serão soldadas

(DAWES, C., 1992) permitindo, assim, a saída do vapor de Zinco. Sob condições de

ensaio de laboratório, onde um cuidado maior pode ser tomado para manter as

dimensões corretas do distanciamento entre chapas, esta metodologia provou ter

bastante sucesso, porém, sob condições de produção, envolvendo grandes peças de

aço soldado onde as chapas a serem soldadas encontram inclusive condições de

superfície em curva, o controle do distanciamento torna-se extremamente difícil. Por

este motivo, este método foi patenteado (EUROPEAN PATENT APPLICATION,

1989).

4.4 Condições para uma boa soldagem contínua sem adição de material

A notável eficácia térmica e as boas qualidades mecânicas da soldagem a LASER

por penetração foram demonstradas no item 2.3, entretanto, este processo de

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44

soldagem não limita o enfraquecimento das peças a frio, sobretudo dos aços com alto

conteúdo de carbono que tendem a ser mais frágeis a fraturas.

A Figura 4.10 mostra a macrografia de testes de linhas de fusão efetuadas com um

LASER de 200W sobre uma chapa de alumínio com espessura de 3mm (SEEFELD,

T., 2005). Quando a velocidade de soldagem passa de 30m/min para 15m/min,

constata-se na secção da chapa um nítido aumento da espessura do cordão de

penetração. Quanto à profundidade, esta foi limitada pela espessura da chapa. Pode-

se observar também que o perfil da zona fundida depende de diferentes fatores. Neste

caso o fator que desempenha um papel crítico é a posição do ponto de focalização

enquanto é mantida a velocidade de trabalho em valor constante.

Figura 4.10 – Macrografia de linhas por penetração, em quatro diferentes

velocidades de trabalhos, em uma chapa de alumínio com 0,3mm de espessura, por

meio de um LASER com 200W de potência (SEEFELD, T., 2005).

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45

Considerando um feixe focalizado profundamente na peça, a zona de fusão

acompanha a distribuição da densidade de potência e toma uma forma cônica. No

caso de um feixe focalizado em superfície, a penetração torna-se menor, porém, por

outro lado, o cordão apresenta uma forma de rolo superficial. Assim, para se obter

uma penetração máxima e ao mesmo tempo uma zona de fusão regular, a posição

ótima do foco deve situar-se imediatamente abaixo da superfície (DAWES, C.,

1992).

Portanto, para que se obtenha cordões com excelentes qualidades metalúrgicas, é

necessário o perfeito controle da relação existente entre a posição do ponto de

focalização e a velocidade de soldagem em potência constante. Entretanto isto não é

o suficiente, pois as propriedades térmicas e hidrodinâmicas do metal em fusão

desempenham um papel primordial na qualidade do cordão.

A Figura 4.11 resume graficamente os resultados que podem ser obtidos com um

LASER de Nd:YAG para penetração em aço mole, com diferentes velocidades de

soldagem, para valores de potência compreendidos entre 1 kW e 4 kW (TRUMPF

GmbH, 2001). Para uma velocidade típica de soldagem de 4m/min, é preciso dispor

de uma potência de 4 kW para soldar uma chapa com quase 4mm de espessura. Pode

ser constatado assim que as profundidades de penetração são suficientemente

grandes para oferecer numerosas aplicações práticas. Em relação ao alumínio, cabe a

observação de que a soldagem por meio de LASER de chapas deste material ou de

suas ligas é muito mais difícil devido às propriedades físicas do metal fundido

(baixas tensões de vapor e viscosidade). Para estes casos, muitas vezes torna-se

necessário um pré-aquecimento do metal.

No atual estágio tecnológico, as maiores espessuras que na prática podem ser

soldadas a velocidades razoáveis em ambiente industrial e considerando o custo de

processo, são de aproximadamente 15 mm, entretanto, pesquisas experimentais com

numerosos metais têm sido realizadas com objetivo de determinar a profundidade

máxima de penetração de um feixe LASER executável em uma única passagem.

Outro objetivo deste tipo de pesquisa é determinar as possibilidades extremas de

soldagem por LASER.

Um ponto fundamental quando se emprega a soldagem com LASER é o ajuste das

peças, pois este é muito mais rigoroso que nas técnicas tradicionais (soldagem com

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46

TIG ou plasma) (ALBRIGHT, C., 1985) (DAWES, C., 1992). As tolerâncias não se

assemelham àquelas exigidas por outros processos. As peças devem ser posicionadas

com muita precisão e as tolerâncias de ajuste para uma chapa de aço estão

empiricamente fixadas entre 0,1mm e 0,2mm para uma peça com 0,6mm de

espessura para o processo sem adição de material e o processo de brasagem.

Figura 4.11 – Soldagem por penetração no aço mole, em três diferentes velocidades

de trabalho. Potências LASER Nd:YAG situados entre 1 kW e 4 kW (TRUMPF

GmbH, 2001).

Hoje, é conhecido que não se consegue atingir boa qualidade de um cordão de solda

com adição de material em processo contínuo e estável sem que os ajustes

dimensionais das peças a serem soldadas estejam constantes e estáveis. Tal fato pode

ser explicado por meio da variação do volume a ser preenchido quando existe a

variação da distância entre componentes soldados, também pela variação do

aquecimento das extremidades dos metais que serão soldados e, por fim, pela criação

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47

da impossibilidade de fuga do vapor de zinco, o que gera um grande aumento no

número de poros (STOUT, R. D. et al, 1997).

Ainda em relação à qualidade do cordão, podemos acrescentar que, para proteger a

zona de fusão contra a oxidação que pode provocar má qualidade mecânica ao

cordão, freqüentemente é necessário proteger essa zona por meio de uma atmosfera

localizada de gás inerte: argônio, hélio ou nitrogênio, conforme o metal tratado. Tal

processo é diretamente derivado daquele empregado pelas técnicas de fusão a arco e

não elimina poros, mantendo somente as características anticorrosivas.

Com um feixe de 4kW, atinge-se em produção velocidades de soldagem de 50mm/s,

correspondentes a uma penetração de 2mm aceitável na maioria dos processos de

soldagem de carrocerias com duas chapas de 0,6mm cada.

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48

5 QUALIDADE DO AÇO E DE SEU REVESTIMENTO

5.1 Composição dos respingos de solda

Para entender um pouco melhor a característica dos componentes envolvidos na

cadeia de degradação das janelas de proteção, faz-se necessário um estudo da

composição dos materiais que compõe o processo. Os respingos originários da fusão

entre chapas denotam sua composição quando são avaliados sob a óptica de seus dois

principais componentes: a chapa de aço e sua respectiva camada anticorrosiva. A

camada anticorrosiva do produto que faz parte do estudo em questão, é composta por

Zinco, material de melhor relação custo x benefício e empregado pela maioria das

industrias automobilísticas ao redor do globo.

5.2 A microestrutura das ligas de Aço-Zinco

Como conseqüência da ação ocorrida com a liga do Aço e do Zinco, a cobertura

produzida pela galvanização por imersão a quente está longe de ser simplesmente

uma camada de Zinco espalhada por uma superfície de aço. Quatro fases distintas

são geralmente formadas em recobrimentos galvanizados (Figura 5.1). Adjacente à

superfície do aço, existe usualmente uma camada de liga Gama contendo entre 21%

e 28 % de ferro. A camada seguinte conhecida por camada de liga Delta é formada

basicamente de FeZn7. Sobre a camada de liga Delta existe a camada de liga Zeta

formada por FeZn13 que tende a separar-se e manter-se em suspensão em relação à

base dentro do banho de Zinco. Ambos compostos destas camadas intermetálicas são

muito frágeis. A camada de Zinco que se forma na superfície exterior da cobertura

(camada Eta) contém uma solução saturada de ferro no Zinco. Tal solução não

ultrapassa os 0,0028% (BURNS et al, 1967). As proporções das camadas Gama,

Delta e Zeta em recobrimentos galvanizados dependem da temperatura, tempo de

imersão, espessura do metal a ser recoberto e composição do banho.

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49

5.3 O efeito do processo de galvanização por imersão a quente no metal de base

Os efeitos causados no metal de base em detrimento à galvanização por imersão a

quente são, na grande maioria das vezes, atribuídos a incidentes no próprio processo

se comparado aos efeitos causados no processo de derretimento do Zinco (BURNS et

al, 1967).

É um fato muito bem estabelecido e conhecido que a fragilidade no aço pode ser

induzida pela formação de ácido com as mudanças estruturais que, em geral, também

são de natureza temporária. A maior parte de hidrogênio no aço para a qual a

fragilidade é geralmente atribuída acontece a temperaturas muito baixas, a

aproximadamente 200°C. Assim, é extremamente improvável que, em temperaturas

empregadas no processo de galvanização por imersão a quente, uma quantidade

grande o suficiente de hidrogênio, necessária para afetar as propriedades mecânicas

do metal, permaneceriam no aço.

Figura 5.1 - Imagem microscópica das camadas intermetálicas após a conclusão do

processo de galvanização por imersão a quente (ALVAREZ, L.F.M., 2005).

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50

5.4 Chapas de aço revestido

O tipo de aço utilizado na fabricação de veículos está em sua totalidade situado na

classe de aços sem liga, pois nenhum dos valores limites, de acordo com a Tabela

5.1, é ultrapassado (DIN EN 10020, 2000).

Tabela 5.1 – Limite de aços com liga e sem liga (análise de fusão) (DIN EN 10020,

2000).

Elemento determinado Valor limite

Proporção da massa em %

Al - alumínio 0.3 B - boro 0.0008 Bi - bismuto 0.1 Co - cobalto 0.3 Cr - cromo 0.3 Cu - cobre 0.4 La - lantanídeos (valorizados individualmente) 0.1 Mn - manganês 1.65* Mo - molibdêmio 0.08 Nb - nióbio 0.06 Ni - níquel 0.3 Pb - chumbo 0.4 Se - selênio 0.1 Si - silício 0.6 Te - telúrio 0.1 Ti - titânio 0.05 V - vanádio 0.1 W - tungstênio 0.3 Zr - zircônio 0.05 Outros (com exceção de carbono, fósforo, enxofre, nitrogênio) 0.1 * Caso seja determinado para o manganês somente um valor máximo, o

valor-limite será 1,80% e a regra dos 70% não valerá.

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51

Tais componentes totalizam (5,39%) da composição da chapa sem revestimento.

Outros 2% (valor máximo) referem-se ao elemento Carbono e o complemento é

composto do elemento Ferro (92,61%).

Os tipos de chapa que sofrem o processo de solda sem adição de material passam por

um processo de revestimento de Zinco aplicado a fogo. Tal processo é realizado

mediante a imersão da chapa ou da fita em um banho de fusão e o peso total de seu

revestimento é indicado em g/m2. As chapas ou as fitas com depósito de Zinco têm a

espessura de suas camadas situadas entre um valor mínimo possível admitido, que

garanta proteção à corrosão e um valor máximo de 700g/m2 em ambos os lados.

As variáveis controladas e garantidas na fabricação de chapas são as medidas

limítrofes e tolerâncias de forma compostas por espessura, largura, comprimento,

planificação, perpendicularidade e retilinidade (DIN EN 10143, 1993).

No caso do parâmetro espessura, os valores para os produtos planos modificados

com fusão por imersão são definidos conforme a pressão utilizada no processo de

moldagem a frio sendo o valor de 280N/mm² o determinante para a escolha de tabela

de parâmetros a ser utilizada. As tabelas 5.2 e 5.3 indicam os valores que devem ser

respeitados em cada caso.

Para o parâmetro largura, os valores para os produtos planos modificados com fusão

por imersão são definidos conforme os valores inferiores e superiores a 600mm de

largura. As tabelas 5.4 e 5.5 indicam os valores que devem ser respeitados em cada

caso.

A tabela 5.6 indica os valores de tolerância a serem respeitados em função do

comprimento.

Em relação ao parâmetro planificação, os valores para os produtos planos

modificados com fusão por imersão também são definidos conforme a pressão

utilizada no processo de moldagem a frio sendo, para o primeiro conjunto de

parâmetros, adotados os valores inferiores a 280N/mm² e, para o segundo conjunto

de parâmetros, adotados os valores entre 280N/mm² e 360N/mm². As tabelas 5.7 e

5.8 indicam os valores que devem ser respeitados em cada caso.

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52

Tabela 5.2 - Tolerâncias limítrofes da espessura para os produtos planos

modificados com fusão por imersão de aços maleáveis para moldagem a frio (p.ex.

conforme EN 10142) assim como de aços de construção com valores mínimos para o

alongamento < 280 N/mm² - (inclusive qualidades de aço FeE 550G S550GD)

(medidas em mm) (DIN EN 10143, 1993).

Tolerâncias Limítrofes normais *, ** para larguras nominais

Tolerâncias limítrofes reduzidas (S) para larguras nominais *, ** Espessura

nominal ≤ 1200 > 1200

≤ 1500 > 1500 ≤ 1200 > 1200 ≤ 1500 > 1500

≤ 0.4 ± 0.06 ± 0.06 - ± 0.03 ± 0.04 - > 0.4 ≤ 0.6 ± 0.06 ± 0.07 ± 0.08 ± 0.04 ± 0.05 ± 0.06 > 0.6 ≤ 0.8 ± 0.07 ± 0.08 ± 0.09 ± 0.05 ± 0.06 ± 0.06 > 0.8 ≤ 1.0 ± 0.08 ± 0.09 ± 0.10 ± 0.06 ± 0.07 ± 0.07 > 1.0 ≤ 1.2 ± 0.09 ± 0.10 ± 0.11 ± 0.07 ± 0.08 ± 0.08 > 1.2 ≤ 1.6 ± 0.11 ± 0.12 ± 0.12 ± 0.08 ± 0.09 ± 0.09 > 1.6 ≤ 2.0 ± 0.13 ± 0.14 ± 0.14 ± 0.09 ± 0.10 ± 0.10 > 2.0 ≤ 2.5 ± 0.15 ± 0.16 ± 0.16 ± 0.11 ± 0.12 ± 0.12 > 2.5 ≤ 3.0 ± 0.17 ± 0.18 ± 0.18 ± 0.12 ± 0.13 ± 0.13

* Na região de soldas nas laminagens a frio um comprimento de 15m em tiras largas divididas longitudinalmente as tolerâncias limítrofes da espessura são maiores em 60%. ** Para as camadas de zinco Z 450 e Z 600 as tolerâncias limítrofes da espessura aumentam em 0,02mm.

O fator perpendicularidade define o quanto o corte feito na largura da chapa mantém-

se perpendicular em relação ao comprimento. Este desvio deve ser de no máximo

1%. No caso da retilinidade, ou na propriedade de sua aresta no comprimento ser

reta, sua divergência pode ter uma diferença de, no máximo, 6mm em 2000mm. Para

comprimentos abaixo de 2000mm, a tolerância da retilinidade pode ter no máximo

0,3% do comprimento efetivo. Para tira larga dividida longitudinalmente em larguras

nominais inferior a 600mm, pode ser exigida uma tolerância de retilinidade reduzida

de 2mm em comprimentos de 2000mm, porém esta tolerância reduzida não é válida

para tira de aço larga dividida longitudinalmente com um alongamento mínimo

superior ou igual a 280N/mm².

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53

Tabela 5.3 - Tolerâncias limítrofes da espessura para os produtos planos

modificados com fusão por imersão de aços de construção com valores mínimos

para o alongamento ≥ 280 N/mm² (medidas em mm) (DIN EN 10143, 1993).

Tolerâncias Limítrofes normais *, ** para larguras nominais

Tolerâncias limítrofes reduzidas (S) para larguras nominais *, ** Espessura

nominal ≤ 1200 > 1200

≤ 1500 > 1500 ≤ 1200 > 1200 ≤ 1500 > 1500

≤ 0.4 ± 0.06 ± 0.07 - ± 0.04 ± 0.05 - > 0.4 ≤ 0.6 ± 0.07 ± 0.08 ± 0.09 ± 0.05 ± 0.06 ± 0.07 > 0.6 ≤ 0.8 ± 0.08 ± 0.09 ± 0.11 ± 0.06 ± 0.07 ± 0.07 > 0.8 ≤ 1.0 ± 0.09 ± 0.11 ± 0.12 ± 0.07 ± 0.08 ± 0.08 > 1.0 ≤ 1.2 ± 0.11 ± 0.12 ± 0.13 ± 0.08 ± 0.09 ± 0.09 > 1.2 ≤ 1.6 ± 0.13 ± 0.14 ± 0.14 ± 0.09 ± 0.11 ± 0.11 > 1.6 ≤ 2.0 ± 0.15 ± 0.17 ± 0.17 ± 0.11 ± 0.12 ± 0.12 > 2.0 ≤ 2.5 ± 0.18 ± 0.19 ± 0.19 ± 0.13 ± 0.14 ± 0.14 > 2.5 ≤ 3.0 ± 0.20 ± 0.21 ± 0.21 ± 0.14 ± 0.15 ± 0.15

* Na região de soldas nas laminagens a frio um comprimento de 15m em tiras largas divididas longitudinalmente as tolerâncias limítrofes da espessura são maiores em 60%. ** Para as camadas de zinco Z 450 e Z 600 as tolerâncias limítrofes da espessura aumentam em 0,02mm.

Tabela 5.4 - Tolerâncias limítrofes da largura em produtos planos modificados com

fusão por imersão em larguras nominais ≥ 600mm (tiras largas e barras) (medidas

em mm) (DIN EN 10143, 1993).

Tolerâncias limítrofes normais

Tolerâncias limítrofes reduzidas (S) Largura

nominal tolerância inferior

tolerância superior

tolerância inferior

tolerância superior

≥ 600 ≤ 1200 0 + 5 0 + 2 > 1200 ≤ 1500 0 + 6 0 + 2

> 1500 0 + 7 0 + 3

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Tabela 5.5 - Tolerâncias limítrofes da largura em produtos planos modificados com

fusão por imersão em larguras nominais < 600mm (tiras largas e barras divididas

longitudinalmente) (medidas em mm) (DIN EN 10143, 1993).

Largura Nominal

< 125 ≥ 125 < 250

≥ 250 < 400

≥ 400 < 600 Classe de

Tolerância Espessura nominal

Tol. inf.

Tol. sup.

Tol. inf.

Tol. sup.

Tol. inf.

Tol. sup.

Tol. inf.

Tol. sup.

< 0.6 0 + 0.4 0 + 0.5 0 + 0.7 0 + 1.0≥ 0.6 < 1.0 0 + 0.5 0 + 0.6 0 + 0.9 0 + 1.2≥ 1.0 < 2.0 0 + 0.6 0 + 0.8 0 + 1.1 0 + 1.4

Normal

≥ 2.0 ≤ 3.0 0 + 0.7 0 + 1.0 0 + 1.3 0 + 1.6< 0.6 0 + 0.2 0 + 0.2 0 + 0.3 0 + 0.5

≥ 0.6 < 1.0 0 + 0.2 0 + 0.3 0 + 0.4 0 + 0.6≥ 1.0 < 2.0 0 + 0.3 0 + 0.4 0 + 0.5 0 + 0.7

Reduzida (S)

≥ 2.0 ≤ 3.0 0 + 0.4 0 + 0.5 0 + 0.6 0 + 0.8

Tabela 5.6 - Tolerâncias limítrofes do comprimento (em chapas e barras) (medidas

em mm) (DIN EN 10143, 1993).

Tolerâncias limítrofes do comprimento

normal reduzida (S) Comprimento

nominal (l)

Tol. inferior Tol. superior Tol. inferior Tol. superior

< 2000 0 6 0 3 ≥ 2000 0 0.003 x l 0 0.015 x l

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Tabela 5.7 - Tolerâncias de precisão para chapa modificada com fusão por imersão

de aços maleáveis para moldagem a frio (p.ex. conforme EN 10142) assim como

aços para construção com os valores mínimos para o alongamento < 280 N/mm2

(medidas em mm) (DIN EN 10143, 1993).

Espessura Nominal Classe de

Tolerância Largura nominal

< 0.7 ≥ 0.7 < 1.2 ≥ 1.2

≥ 600 < 1200 12 10 8 ≥ 1200 < 1500 15 12 10 Normal

≥ 1500 19 17 15 ≥ 600 < 1200 5 4 3 ≥ 1200 < 1500 6 5 4

Reduzida (FS)

≥ 1500 8 7 6

Tabela 5.8 - Tolerâncias de precisão para chapa modificada com fusão por imersão

de aços para construção com os valores mínimos para o alongamento ≥ 280 < 360

N/mm2 (medidas em mm) (DIN EN 10143, 1993).

Espessura Nominal Classe de

Tolerância Largura nominal

< 0.7 ≥ 0.7 < 1.2 ≥ 1.2

≥ 600 < 1200 15 13 10 ≥ 1200 < 1500 18 15 13 Normal

≥ 1500 22 20 19 ≥ 600 < 1200 8 6 5 ≥ 1200 < 1500 9 8 6

Reduzida (FS)

≥ 1500 12 10 9

A aplicação de Zinco por imersão a quente deve possuir um teor de Zinco superior a

99% (DIN EN 10327, 2004). As massas dos depósitos de revestimentos de maior

espessura poderão limitar a capacidade de moldagem e soldabilidade do produto.

Dependendo das condições do refinamento por imersão a quente, serão originados

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56

óxidos e cristais com tamanhos e brilhos diferentes, porém a qualidade do

revestimento não é influenciada por este fato. Nos casos em que for desejada uma

redução de óxido de zinco, é necessário realizar uma alteração específica no processo

de solidificação.

A tabela 5.9 abaixo mostra os depósitos disponíveis considerando a massa mínima de

depósito em ambos os lados e os valores das espessuras da camada de zinco por lado.

Tabela 5.9 – Depósitos disponíveis (DIN EN 10327, 2004).

Massa mínima dos depósitos em g/m², ambos os lados

Valor de referência teórico para espessuras de camada por lado em corpo de prova de superfície única em µm Código

dos depósitos

Corpo de prova com três

superfícies

Corpo de prova de superfície

única Valor típico Esfera

Densidade[g/cm³]

Massa dos depósitos de zinco (Z) Z100 100 85 7 5 a 12 Z140 140 120 10 7 a 15 Z200 200 170 14 10 a 20 Z225 225 195 16 11 a 22 Z275 275 235 20 15 a 27 Z350 350 300 25 19 a 33 Z450 450 385 32 24 a 42 Z600 600 510 42 32 a 55

7,1

A massa dos depósitos deve corresponder aos dados contidos na tabela acima. Os

valores valem para a massa total do revestimento em ambos os lados nos corpos de

prova de três superfícies e nos corpos de prova de superfície única. A massa dos

depósitos é determinada por meio da remoção química do revestimento. Neste caso é

utilizado ácido clorídrico diluído em água totalmente dessalinizada ou destilada na

proporção de 1:1 (solução de 50%). Sob mistura, a esta solução são adicionados 3,5g

de hexametilenotetramina por litro.

A partir desta massa dos depósitos de zinco (mdz) em ambos os lados de uma mesma

chapa em gramas por metro quadrado, é possível calcular a espessura da camada de

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57

zinco (ecz) (em µm) utilizando-se também da densidade do zinco 7,1 g/cm3 (dz) da

seguinte maneira (Equação 5.1):

dzmdzecz×

=2

(5.1)

É importante ressaltar que os depósitos não são sempre distribuídos igualmente em

ambos os lados do produto. No entanto, é possível pressupor que em cada lado existe

um depósito correspondendo a, no mínimo, 40% do valor mencionado na tabela 5.9

para o corpo de prova de superfície única.

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58

6 JANELAS DE PROTEÇÃO

6.1 Tipos de janelas de proteção mais comumente utilizadas (CVI LASER

OPTICS AND COATINGS, 2004).

Diversos tipos de materiais ópticos com suas respectivas propriedades são

encontrados no mercado, porém quando se atinge certas características de processo,

tais como altos gradientes de temperatura aliados a uma atmosfera de trabalho hostil

e a determinados comprimentos de onda, restringem-se as opções. Os próximos itens

demonstram os tipos de materiais mais comumente utilizados em aplicações com

LASER e a Tabela 6.1 expõe a comparação entre suas diversas características.

6.1.1 Vidro BK7

O BK7 é um vidro óptico borossilicato com alta homogeneidade e baixo índice de

bolhas. Suas boas propriedades físico-químicas fazem com que ele seja muito

empregado em aplicações onde o espectro utilizado varia da faixa visível até

próximo à faixa do infravermelho. A maioria das janelas de proteção, lentes e

prismas utilizados em LASER, sistemas ópticos e comunicação óptica são feitos de

vidro BK7.

6.1.2 CaF2

CaF2 é um cristal com boa transmissão entre 170 nm a 7800 nm. Ele é levemente

solúvel em água e suscetível a choque térmico. CaF2 é comumente utilizado em

componentes que operam na faixa do infravermelho, tais como janelas de proteção,

lentes e prismas.

6.1.3 Cristal de Quartzo

O Cristal de Quartzo é um cristal unitário bi-refringente uniaxial positivo formado

por meio de um processo hidrotérmico. Para sua utilização, ainda é necessário

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59

efetuar uma avaliação do ponto de vista de inclusões e índice refringente com o

intuito de reduzi-los.

Cristais de quartzo também são muito comumente utilizados com feixes de LASER

de argônio.

6.1.4 Sílica Fundida

Sílica fundida é formada por uma combinação química de silício e oxigênio. A Sílica

fundida é um material óptico muito bom devido aos seus índices de transmissão UV

e IR e baixo coeficiente de expansão térmico. Ele possui alta estabilidade e

resistência a choque térmico em incursões a temperaturas extremas, ampla faixa de

temperatura operacional e um bom limiar de degradação trabalhando com LASER.

6.1.5 MgF2

MgF2 é um cristal de material bi-refringente com propriedades físico-químicas

excelentes. Ele fornece amplo espectro de transparência e alta transmissibilidade.

MgF2 é um material robusto resistente à corrosão química e choques térmicos e

mecânicos. A transmissão de UV em alto vácuo e resistência a degradação por

LASER fazem do MgF2 uma escolha popular para janelas de proteção para feixes de

LASER UV e excimer, polarizadores e lentes.

6.1.6 Safira

A Safira é um cristal de óxido alumínio (Al2O3). É um dos materiais de maior dureza.

A Safira tem boas características de transmissão além do espectro visível e próximo

ao infravermelho. Ele exibe alta resistência mecânica, alta resistência química, alta

condutividade e estabilidade térmica. Ele é comumente utilizado como janela de

proteção em campos específicos, tais como a tecnologia aeroespacial onde a

resistência a altas temperaturas e a riscos é necessária.

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60

Tabela 6.1 – Dados característicos comparativos entre materiais mais comumente

utilizados (RED OPTRONICS, 2005).

6.2 Coberturas para as janelas de proteção

As aplicações industriais requerem janelas de proteção mais robustas para

executarem a função de proteger as lentes de focalização. Tais janelas possuem

coberturas anti-reflexivas que favorecem a transmissão de energia em até 99%

(Figura 6.1). Quando a cobertura se danifica, existe uma redução da potência do

feixe resultando em aquecimento do sistema e levando a eventuais falhas. Por causa

da impregnação de respingos de solda, estas janelas devem ter seus ciclos de vida

conhecidos e devem ter suas trocas programadas.

As composições dos filmes metálicos aplicados são mantidas em sigilo.

Basicamente, as coberturas utilizadas são divididas em dois tipos sendo um dos tipos

uma cobertura anti-reflexiva e o segundo tipo uma cobertura de proteção contra

particulado.

A cobertura anti-reflexiva tem a função de reduzir a refletância do LASER gerado,

pois os geradores têm como dispositivo de proteção sensores de radiação dispersa

que são acionados quando existe sobre a superfície de algum componente óptico

(lente, espelho, etc...) alguma partícula depositada. Esta impureza será uma barreira

refletiva e fará com que parte da radiação gerada seja espalhada dentro do gerador,

sendo detectada pelos sensores.

As barreiras anti-reflexivas podem ser, dependendo da aplicação, confeccionadas

com uma banda passante simples ou dupla. Os índices de refletância podem chegar a

0,2% em 1064nm e 0,4% para sua primeira harmônica em 532nm. Os limites para

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61

início de degradação iniciam-se acima de 7GW/cm² com LASER pulsado com

largura de 10ns e taxa de repetição de 10Hz (CASIX, 2004).

Figura 6.1 – Transmitância em função do comprimento de onda para materiais mais

comumente utilizados (CVI LASER OPTICS AND COATINGS, 2004).

A cobertura de proteção tem a função paralela de prevenir a janela contra exposição

à umidade. As faces polidas de uma janela de proteção são relativamente fáceis de

serem embaçadas em alta umidade por causa de sua baixa susceptibilidade

higroscópica. A cobertura de proteção possui as seguintes propriedades:

a) Alta durabilidade, chegando a durar, segundo alguns fabricantes, até seis meses

com 95% de umidade ambiente;

b) Limiar de degradação alto, acima de 7GW/cm² com LASER pulsado de largura de

30ps em 1064nm;

c) Transmitância superior se comparadas a janelas sem cobertura de proteção sendo

que o comprimento de onda de trabalho inicia em 200nm e vai até 3500nm.

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62

7 MATERIAIS E MÉTODOS

7.1 Considerações específicas do Processo

Devem ser considerados os aspectos de qualidade de materiais e processos utilizados

efetivamente neste estudo. Apesar de diversos exemplos terem sido mencionados nos

capítulos anteriores, tais como chapas de alumínio e geradores LASER de CO2, para

este capítulo, faz-se necessário conhecer as reais condições do processo estudado.

No caso da estrutura dos veículos, todas as chapas utilizadas são de aço com

aplicação de zinco a fogo, conformadas a frio com depósito de camadas em ambos os

lados da chapa respeitando os limites de depósitos, conforme norma informados no

capítulo 5. A espessura das chapas varia entre 0,6mm e 1,0mm e a sobreposição de

chapas na região da solda pode compreender duas ou três chapas de aço. A análise da

emissão de respingos efetuada neste estudo não utiliza a adição de materiais, sendo

considerando para este estudo, somente as condições onde duas ou três chapas são

sobrepostas e é aplicado um feixe de LASER (Figura 7.1).

Figura 7.1 – Tipo de cordão de solda efetuado pelo robô E (apud comunicação

interna).

Para o caso de brasagem, o procedimento proposto também é válido, porém outras

variáveis deverão ser consideradas, por exemplo, o material que está sendo

adicionado e parâmetros de processo, tais como velocidade de avanço de arame e

corrente de pré-aquecimento utilizada para o arame. Os geradores LASER utilizados

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63

são compostos de oito cavidades geradoras de Nd:YAG com potência média

suficiente para fornecer ao processo um total de 4000W de potência por gerador. As

janelas de proteção utilizadas são de Quartzo recobertas com uma camada anti-

reflexiva para trabalhar no comprimento de onda de 1064nm. Os robôs entregam o

feixe focalizado ao processo a uma distância de 200mm a partir da lente de

focalização, o que faz com que a distância das janelas de proteção ao processo

estejam a uma distância fixa de 190mm. Todos os robôs empregam a utilização de

cortinas de ar comprimido entre ponto focal e o cabeçote óptico de forma a reduzir a

quantidade de respingos de solda que atingiriam a superfície das janelas de proteção.

Apesar de, atualmente, a instalação em estudo produzir três modelos, na época em

que o estudo foi feito, existiam somente os modelos 240 e 241, portanto, os

resultados que serão apresentados serão referentes somente aos modelos 240 e 241.

7.2 Efeitos dos respingos de solda no cabeçote óptico

As partes principais de um cabeçote óptico de aplicação de feixe de LASER são as

lentes de re-colimação e focalização juntamente com a janela de proteção (Figura

7.2).

A função da janela de proteção, que é o último componente óptico do cabeçote e o

objeto de estudo deste trabalho, é a de proteger a lente de focalização contra poeira,

fumos e respingos durante o processo de solda. A, aproximadamente, 50mm de

distância do ponto focal, um soprador é responsável por gerar uma cortina de ar

comprimido que tem a finalidade de não permitir que respingos de solda sejam

depositados sobre a superfície da janela de proteção. Cabem, aqui, duas observações

referentes à utilização destas cortinas de ar comprimido: a primeira é referente ao

custo da geração de ar comprimido e a segunda é referente ao cuidado necessário

para que a cortina de ar não interfira diretamente no processo resfriando a região de

solda.

O efeito do depósito de respingos sobre a janela de proteção causa distúrbios ao feixe

LASER (Figura 7.3), pois, nestas áreas, o LASER é absorvido, gerando acúmulo de

calor em altas temperaturas, o que promove uma aceleração da degradação deste

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64

componente e, conseqüentemente, aumenta o risco de danos à lente de focalização.

Além disso, o feixe de LASER é refletido ao sistema em forma de luz difusa.

Figura 7.2 – Cabeçote óptico (TRUMPF GmbH, 2001).

Figura 7.3 – Análise do comportamento de um feixe de LASER feita por meio de uma

câmera CCD em 3 condições diferentes de trabalho (apud HOFFMANN et al.,

2004).

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65

Os respingos causam na superfície das janelas de proteção formas geométricas que

poderiam ser classificadas em uma matriz de correlação de irregularidade e

elongação (Figura 7.4).

Figura 7.4 – Matriz de classificação de forma segundo fator Elongação e

Irregularidade (FERNANDES, C.P., 2004).

Os padrões de degradação encontrados são os mais diversos como pode ser visto na

Figura 7.5.

As variáveis que interferem diretamente na taxa de degradação das janelas de

proteção levando em consideração um processo estável são:

- posicionamento e ângulo de trabalho do cabeçote óptico;

- quantidade de solda realizada;

- pressão do ar comprimido usado na cortina de proteção;

- potência LASER utilizada e

- quantidade de impurezas sobre as chapas.

Não foram consideradas nesta lista as variáveis: distância entre cabeçote óptico e

produto e distância focal, pois estas permanecem constantes ao longo de todo o

processo e também não têm alteração em nenhum dos postos de aplicação do feixe

de LASER.

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66

Figura 7.5 – Padrões de degradação comumente encontrados em janelas de

proteção .

Considerando a deposição de respingos sobre outros componentes, é importante

ressaltar que o acréscimo de seu acúmulo leva a outros problemas, tais como o

entupimento do bocal por onde passa o ar comprimido que protege a janela de

proteção. Não existe limpeza automática para respingos, sendo que sua remoção

implica em paradas freqüentes ao longo de um dia de trabalho. No caso das janelas

de proteção, não existe processo de limpeza, pois tal processo não conseguiria

remover as partículas metálicas incrustadas na superfície externa e mesmo que

conseguisse retirá-las, a cobertura anti-reflexiva sobre a superfície teria sido

removida tornando a janela de proteção inutilizável.

7.3 Material utilizado na VW

As janelas de proteção utilizadas na VW são componentes feitos de Quartzo. São

também utilizadas no campo da microscopia, como visores em operações sensíveis

de instrumentação, em opto-eletrônicos e na confecção de componentes para controle

de processos e equipamentos sensores.

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67

No caso das janelas de proteção utilizadas em LASER, toma-se um cuidado especial

com seu tratamento superficial, pois seu polimento deve garantir que os planos

superficiais sejam precisamente paralelos. As superfícies são polidas com abrasivos

muito finos de forma a reduzir o número de micro fraturas superficiais. Também se

toma um cuidado especial com a velocidade de polimento, pois deve ser efetuada

vagarosamente por grandes períodos de tempo e somente no final do processo é

aplicado o polimento padrão óptico. Isto é essencial na fabricação de material a ser

processado para atingir alto padrão de regularidade superficial, paralelismo e

acabamento.

As janelas de proteção utilizadas nas instalações que passaram por nossos estudos

têm suas características mostradas na Tabela 7.1 e podem ser visualizadas na Figura

7.6. Elas são divididas em três tipos diferentes, de acordo com o cabeçote óptico

empregado e também o fabricante.

Figura 7.6 – Todos os tipos de janelas de proteção utilizadas .

Tabela 7.1 – Características das janelas de proteção validadas para utilização .

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68

7.4 Aplicação de método de análise de falha para compreensão de respingos

Avaliação realizada pelo grupo de trabalho da estação de geometria (Figura 7.7).

Figura 7.7 – Aplicação do diagrama de Ishikawa para o sistema proposto .

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69

Apesar da função das janelas de proteção ser o componente que sofre o desgaste do

sistema óptico, cabe aqui uma avaliação da natureza da origem dos respingos e das

variáveis que influenciam na intensificação ou atenuação de sua incidência a fim de

considerar todos os prováveis motivos que promovem tal efeito.

É importante lembrar que, apesar de todos os fatores indicados no diagrama de

Ishikawa apresentado na Figura 7.7 terem o poder de influenciar tanto na qualidade

da solda como na quantidade de respingos, a maior parte do problema advém do item

matéria-prima (assim denominada no diagrama de Ishikawa, porém refere-se ao

material de base e material de adição utilizados no processo). Esta informação é

proveniente da experiência própria adquirida após alguns anos de trabalho com

estações de geometria a LASER.

Em segundo lugar está o subitem de variação em sistema de fixação. A partir do

momento em que se mantém corretamente a instalação e equipamentos de um

sistema de solda LASER, com um programa de manutenção adequado e direcionado

a atender especificações e recomendações dos fabricantes, pode-se dizer que os

equipamentos em sua totalidade não sofrem com variações capazes de impor ao

sistema grandes incrementos temporários de respingo. Tal fato deve-se a variações

dimensionais geralmente ocorridas no produto, o que leva a desvios do material em

relação ao ponto focal de trabalho do feixe de LASER mudando, assim, as condições

com as quais o processo termodinâmico expulsa a matéria da poça de fusão.

7.5 A busca por soluções de economia para as janelas de proteção

Para tentar reduzir custos com janelas de proteção um primeiro trabalho realizado foi

a experiência de substituir o quartzo por materiais menos nobres e,

conseqüentemente, mais baratos (RIBOLLA, A., 2003). Para a maior parte das

amostras utilizando materiais alternativos (seis entre nove amostras), um problema

característico encontrado durante os testes foi a presença de trincas devido ao alto

coeficiente de dilatação das amostras de janela de proteção utilizadas (Figura 7.8). A

trinca é uma característica inaceitável para um componente cuja função é proteger

um outro componente óptico, pois ao ser manipulada juntamente com o cabeçote

óptico pelo robô, poderia facilmente cair e deixar desprotegida a lente de focalização.

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70

Pelo motivo do insucesso deste primeiro trabalho, um segundo ensaio para tentar

reduzir os custos com janelas de proteção foi realizado com amostras recuperadas de

janelas de proteção já utilizadas (RIBOLLA, A., 2004), sendo que somente este

último apontou um caminho favorável em relação à redução de custos.

Figura 7.8 – Efeito da dilatação térmica no comportamento de amostras de vidro .

7.5.1 Ensaios realizados com emprego de outros materiais e resultados obtidos

Com as janelas de proteção compostas de materiais menos nobres, os ensaios foram

realizados com dez amostras, cujas características são descritas na Tabela 7.2.

Tabela 7.2 – Características de materiais para o primeiro ensaio com BK7, Sílica

Fundida e amostra de quartzo recuperado .

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71

A primeira etapa foi uma comparação pelo robô de espelho, ou seja, o robô que faz a

mesma solda, porém do outro lado da carroceria. Esta foi a forma de se garantir uma

comparação de duas amostras diferentes realizando exatamente a mesma operação

nas mesmas condições e para o mesmo número de carrocerias. A segunda etapa do

ensaio foi utilizar o mesmo robô que operou a amostra para repetir a operação para as

mesmas quantidades de carrocerias com o material já conhecido e sem ter sido

recondicionado. Os resultados obtidos podem ser vistos na Tabela 7.3.

Tabela 7.3 – Resultados do primeiro ensaio com BK7, Sílica Fundida e amostra de

quartzo recuperado .

O material BK7 é também conhecido popularmente como PIREX. O material

denominado por Sílica Fundida é popularmente conhecido como o vidro empregado

comumente em janelas residenciais. Apesar das designações e de possuírem como

base a mesma composição, estes não são vidros ordinários, pois apresentam

qualidade óptica. Os vidros ópticos têm qualidade superior em todos os aspectos,

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72

pois são isentos de bolhas e particulados os quais agem como agentes contaminantes.

Além disso, possuem controle de cor, transparência, matéria-prima e

homogeneidade.

Os testes foram executados comparando-se as amostras recebidas com o material já

conhecido, utilizado e validado em processo. A comparação era feita sempre

utilizando-se quantidades iguais de veículos soldados.

Ainda em relação a este teste, algumas outras considerações devem ser feitas em

relação às amostras S1, S5, S8 e S10.

A amostra S1, que é igual às amostras S2 e S3, mesmo tendo realizado a solda de

890 carrocerias foi considerada igualmente perigosa, pois foi encontrada fora de sua

posição original, caída ao chão, quebrada e sem a possibilidade de avaliação com

relação a trincas por dilatação térmica.

Durante a utilização da amostra S5, percebeu-se que esta retinha mais intensamente

os respingos de solda que eram projetados em sua direção, pois tais respingos

geravam grandes aprofundamentos na superfície do vidro por alta temperatura

quando projetados. Optou-se por removê-lo antecipadamente, pois com o grande

acúmulo de partículas, esta amostra logo poderia sofrer degradação térmica e

romper-se.

A amostra S8 não pôde ser testada, pois não foi possível encaixá-la em seu

receptáculo, portanto foi descartada do teste.

A amostra S10 foi a única amostra aprovada, porém esta amostra, diferente das

demais, não era feita de material menos nobre. Tratava-se de uma janela de proteção

de quartzo reutilizada e que passou por um processo de recuperação, conseguindo

perfazer um grande número de soldas sem apresentar nenhum comportamento

diferente.

É importante ressaltar que as pessoas que executaram os testes não conheciam os

tipos de amostras que estavam sendo analisadas e tinham como única atividade fazer

notas dos dados do procedimento proposto.

Após o resultado apresentado por este teste (Tabela 7.3), optou-se por prosseguir

com os testes empregando a janela de proteção recondicionada.

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73

7.5.2 Ensaios realizados com emprego de janelas de proteção recondicionadas

A recuperação destas amostras consta da remoção de uma camada superficial do lado

exposto ao processo com o intuito da remoção de todas as impurezas depositadas

sem afetar as qualidades originais do componente, tais como a regularidade

superficial e o paralelismo entre as faces. Após a remoção da camada de quartzo, é

novamente aplicada a camada anti-reflexiva.

Utilizando como base o resultado do ensaio anterior, optou-se por utilizar 10

amostras de janelas de proteção recondicionadas realizando procedimento descrito a

seguir.

Todas as amostras foram instaladas no robô “N” e, concomitantemente, foram

instaladas janelas de proteção comuns no robô “O”, seu robô de espelho. As soldas

foram executadas e o acompanhamento das amostras até a sua completa degradação

(caracterizado pela quebra de qualidade do processo de solda) foi realizado,

anotando-se os dias, hora de início, hora de término e quantas carrocerias foram

soldadas. O teste foi realizado ininterruptamente e procedimentos para uma

identificação correta das amostras foi empregado. Como o comportamento das

janelas de proteção em relação à redução de suas espessuras ainda era desconhecido,

tomou-se o cuidado de fazer uma verificação mais constante, principalmente, no

início da utilização de cada uma das amostras.

A espessura das amostras recuperadas variou entre 1,32mm e 1,4mm e seu índice de

transmitância variou de 99,5% a 99,9% para o comprimento de onda de 1064nm.

Com estes valores, nenhuma amostra demonstrou ruptura de sua estrutura e também

não apresentou retenção de quantidades anormais de respingos (RIBOLLA, A.,

2005).

Todas as amostras foram consideradas aprovadas e os resultados obtidos foram muito

satisfatórios, como mostra a Tabela 7.4.

Os ganhos em redução de custo com o procedimento de recuperação são bons se

comparados ao custo de um componente novo considerando que o serviço de

recuperação será realizado em lotes com quantidades mínimas pré-estabelecidas.

Vale ressaltar que não é para todo tipo de janela de proteção que o processo de

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74

recuperação é economicamente viável, pois, dependendo do tipo, o custo de

aquisição torna-se inferior ao custo de recuperação.

Tabela 7.4 - Resultados do terceiro ensaio com amostras de quartzo recuperados.

7.6 Escolha do melhor universo de amostras

Para o ensaio realizado foram separadas as amostras no período de 17/04/2003 a

15/12/2004 referentes à soldagem autógena, ou seja, aquela onde não ocorre adição

de metal à poça de fusão.

Algumas amostras não puderam ser identificadas e outras amostras se perderam

durante o procedimento de troca realizado pelos operadores da estação de geometria.

Além da boa integridade física das amostras (sem apresentar furos ou trincas), três

informações foram consideradas para validar todo o material para que fosse possível

realizar o estudo superficial através da análise de imagens: a identificação da estação

de geometria, a identificação do robô que utilizou a janela de proteção e a data de

remoção da amostra. Nestas condições, 331 janelas de proteção foram segregadas e a

distribuição encontrada é demonstrada pela Figura 7.9.

A diferença no volume de amostras obtidas entre as estações de geometria pode ser

explicada com base na proporcionalidade existente referente à média do volume de

veículos fabricados para cada um dos modelos em suas respectivas estações de

geometria.

Com base nas informações da Figura 7.9, optou-se por verificar se as amostras

obtidas do robô E da estação de geometria do modelo 241 pertenciam a um período

exclusivo de tempo ou se estavam distribuídas de forma uniforme ao longo de todo o

período compreendido entre a obtenção da primeira e da última amostra.

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75

Figura 7.9 – Distribuição das amostras das janelas de proteção .

Comprovou-se a uniformidade de distribuição, com exceção de um pequeno período

compreendido entre Outubro de 2003 e Abril de 2004 onde as amostras foram

obtidas com uma freqüência menor (APÊNDICE E). Tal fato pode ser explicado

devido a uma redução no volume de produção do período devido a uma série de

paralisações da estação que deveria passar por reestruturações.

Apesar da quantidade das amostras do robô E da estação de geometria do modelo

241 ter apresentado um aumento do período de troca por sete meses, optou-se por

efetuar a análise de imagem com estas amostras devido à quantidade total de janelas

de proteção obtida ser maior do que a de qualquer outro robô.

7.7 Procedimento empregado na análise de imagem

O procedimento empregado utiliza um software denominado ImageJ versão 1.33u

para quantificar a área degradada de um lote de janelas de proteção. O procedimento

utilizado previu, inicialmente, a digitalização da imagem superficial do componente

com a resolução de 1200dpi e 24bits de cor (Figura 7.10). Após a digitalização,

empregou-se um processo de tratamento de imagem para obtenção de contornos

(Figura 7.11) com a finalidade de determinar os limites atingidos por cada uma das

partículas. Com os contornos delineados, foi empregada uma máscara (Figura 7.12) a

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76

fim de excluir a região por onde o feixe de luz não atravessa a janela de proteção

reduzindo-se, assim, a região total da amostra para a região útil e automaticamente

melhorando os resultados obtidos. A área total de uma janela de proteção é de

2375,83 mm², porém a área útil média utilizada e considerada foi de 1877,67 mm², o

que caracteriza uma densidade de potência de 2,13W/mm² para a potência nominal

do gerador empregado. Após a aplicação da máscara, fez-se a conversão da imagem

colorida para uma imagem binária (Black & White) (Figura 7.13), necessária para

que o analisador de partículas pudesse ser aplicado.

Figura 7.10 – Processamento de imagem da Janela de Proteção. Digitalização com

1200dpi .

Figura 7.11 – Processamento de imagem da Janela de Proteção. Obtenção de

contornos .

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77

Figura 7.12 – Processamento de imagem da Janela de Proteção. Aplicação de

máscara .

Figura 7.13 – Processamento de imagem da Janela de Proteção. Conversão imagem

binária .

Após finalizado o tratamento de imagem, inicia-se a análise de área degradada

utilizando-se o módulo analisador de partículas do software ImageJ para realizar a

contagem de partículas e de suas respectivas áreas bem como de suas características

fazendo uso dos contornos obtidos na última etapa deste tratamento de imagem

(Figura 7.14).

Este procedimento foi empregado para 48 das 49 amostras haja vista que uma das

amostras encontrava-se trincada e este fato criaria ruídos desnecessários à análise,

por isso ela foi desconsiderada.

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78

Antes do início da análise de partículas, para que uma maior exatidão e precisão nos

resultados fosse obtida, foram desconsiderados os pontos cuja área era inferior a 10

pontos (4,48µm²). Tal medida foi necessária para não mascarar os valores reais de

quantidades de pontos de áreas degradadas. Após a conversão da imagem colorida

para imagem binária, foram criadas automaticamente pequenas regiões indesejadas

que puderam ser eliminadas com esta medida. Além disso, também pôde ser

diagnosticada uma quantidade mais precisa de pontos reais de respingo de solda haja

vista que, se fossem considerados todos os pontos, esta contagem seria prejudicada

pela grande quantidade de ruído obtida tanto no tratamento de imagem quanto na

análise de partículas.

Figura 7.14 – Processamento de imagem da Janela de Proteção. Análise de

partículas .

Dentro da análise realizada, foram obtidos dados de perímetro, área, localização,

altura, largura, centro de gravidade e diâmetro de Feret que define a maior distância

entre dois pontos de um perímetro selecionado.

No item de menu “Analyze / Set Scale” foi empregada a configuração conforme a

Figura 7.15 respeitando as dimensões com as quais as janelas de proteção tiveram

suas imagens capturadas pelo scanner.

No item de menu “Analyze / Set Measurements” foi empregada a configuração

conforme a Figura 7.16 sendo excluídos somente os itens referentes à dados que

envolviam contagens em escala de cinza. Uma vez que transformamos a imagem em

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79

binária, os itens que envolviam processamento em imagens com escala de cinza só

tomariam mais tempo de processamento. Finalmente, antes da análise propriamente

dita, no item de menu “Analyze / Analyze Particles...” foi empregada a configuração

conforme a Figura 7.17.

Figura 7.15 – Parametrização da escala de imagem no software ImageJ .

Figura 7.16 – Parametrização de itens a serem processados pelo software ImageJ .

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80

Figura 7.17 – Parametrização do analisador de partículas do software ImageJ .

7.8 Resultados

Um fenômeno interessante que pôde ser constatado nas amostras, porém com maior

intensidade nas que apresentaram maior degradação foi observado: na região central

de todas as amostras, os respingos que haviam inicialmente aderido à superfície

desprenderam-se, tornando a região central da janela de proteção um pouco menos

resistente à passagem do feixe LASER se comparada às suas bordas. Tal fato talvez

possa ser explicado levando em consideração a alta densidade de potência nesta

região e a diferença nos valores dos coeficientes de dilatação linear do aço (12.10-6

K-1) e do quartzo (7,1.10-6 K-1), o que poderia levar ao cisalhamento da união na

região entre o respingo, cuja composição é predominantemente de aço, e o quartzo da

janela de proteção.

Nesta mesma região central, a cor superficial predominante tende ao marrom devido

à forte calcinação de impurezas depositadas sobre a janela de proteção neste local,

diferentemente das bordas que se mantêm em tonalidades de cinza. Este fenômeno,

ao mesmo tempo em que leva a um atraso do momento de troca da janela de

proteção, também aumenta a probabilidade de expor a lente de focalização a danos

considerando que o centro ainda pode permitir uma solda com relativa qualidade e a

borda, por possuir uma resistência maior à passagem da luz e conseqüentemente por

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81

permitir um acúmulo maior de temperatura, pode permitir a entrada de impurezas na

câmara da lente de focalização por um possível orifício.

Já no âmbito da análise de partículas, o resultado encontrado em uma primeira

análise da área degradada demonstrou um padrão em relação à troca do componente

(APÊNDICE D), pois dentre todas as 48 amostras houve uma degradação com média

de 15% (285mm²) e desvio médio de 4% (78,69mm²) (APÊNDICE E) em relação à

área total considerada (1877,67 mm²), o que demonstra uma coerência prática em

relação à necessidade de troca da janela de proteção próxima a este valor

considerando ainda que tais componentes foram substituídos em horários diferentes e

por profissionais diferentes. É importante ressaltar que o critério utilizado por estes

profissionais para se efetuar a substituição é tão somente o da observação do

decréscimo da qualidade do processo de solda por meios visuais ou por eventuais

problemas ocorridos no processo e que poderiam ser mascarados por uma janela de

proteção em condições de uso não próprias.

As amostras com maior índice de degradação demonstram muitas marcas de respingo

em forma de lua crescente, confirmando que existe um desprendimento muito grande

de material, especialmente na região central da janela de proteção. Tal caracterização

pôde ser feita com a ajuda da estereologia, definida como o conjunto de relações e

procedimentos que permite inferir as propriedades geométricas de uma

microestrutura tridimensional a partir de medidas e observações realizadas em

imagens representativas bidimensionais obtidas de tais estruturas (RUSS, J.C. et al,

1999).

Utilizando-se do software ImageJ, pôde-se chegar a alguns parâmetros básicos de

classificação de forma segundo a sua elongação e sua irregularidade (Figura 7.4).

Nas amostras analisadas, basicamente o fator forma pode ser classificado em três

categorias: circular, suavemente alongada ou irregularmente alongada. A primeira

categoria é descrita pela marca deixada por um respingo em forma circular.

Geralmente, para deixar esta marca, o respingo continua aderido à superfície da

janela de proteção. A segunda categoria é caracterizada por formas pouco alongadas

e pouco irregulares ou disformes, geralmente criada por aglomerados de respingos e

manchas deixadas por respingos desprendidos da estrutura do quartzo. A terceira

categoria é descrita por pequenas marcas semicirculares ou em forma de lua

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crescente e que foram deixadas por respingos que, após aderirem à superfície da

janela de proteção, foram expulsos de sua superfície. São padrões de forma

geralmente bem alongada.

Para determinar valores, foi empregada uma fórmula para se determinar o índice de

circularidade Ic (Equação 7.2) (FERNANDES, C.P., 2004):

2

4L

AIcπ

= (7.2)

Onde A é a área e L é o perímetro da partícula. Um valor igual a 1 indica um círculo

perfeito e um valor tendendo a 0 indica uma forma irregular de alongamento

crescente. No caso da utilização do ImageJ, duas considerações devem ser feitas:

a) os valores podem ter uma convergência ruim para partículas muito pequenas.

b) os arredondamentos realizados pelo software podem levar a valores de Ic errôneos

e superiores a 1 mesmo não sendo a partícula analisada uma circunferência perfeita.

Isto acontece devido à resolução empregada e às partículas muito pequenas

encontradas. Neste caso, tais partículas foram removidas do universo amostral de

forma que os resultados não fossem comprometidos. O limite determinado para esta

exclusão foi baseado no Ic.

Para compreender um pouco melhor a relação das proporções dimensionais e formas

das partículas, foram segregadas três amostras de janelas em função do número de

partículas encontradas em cada uma para poder verificar se o comportamento era

estável para seus diversos valores. A estabilidade mostrou-se consistente conforme

pode ser visto na Figura 7.18, onde se adotou a amostra global 010 com 4345 pontos

de degradação, na Figura 7.19, onde se adotou a amostra global 200 com 2184

pontos de degradação e na Figura 7.20, onde se adotou a amostra global 271 com 815

pontos de degradação.

Considerando que o diâmetro de Feret é a maior distância medida em linha reta entre

os perímetros de uma figura plana, estima-se que, no caso de uma partícula, a melhor

condição para a passagem de luz é onde o perímetro possui duas vezes o valor do

diâmetro de Feret. Na prática isto não acontece, mesmo que a partícula seja tão fina

quanto a uma linha reta muito fina, pois mesmo utilizando uma resolução de imagem

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muito alta, o contorno delimitado pelo software nunca estará sobre a mesma linha

onde é medido o diâmetro, o que pode ser confirmado pela Figura 7.18, Figura 7.19 e

Figura 7.20. Quando a razão do perímetro pelo diâmetro de Feret é apresentada, o

valor chega próximo a 2, mas não é encontrada nenhuma leitura no exato valor de 2.

Isto pode ser explicado pelo fato de que para as partículas mais alongadas, o

perímetro da partícula vai se aproximando do dobro do valor do diâmetro, como

pode ser percebido na Figura 7.21.

Figura 7.18 – Distribuição de pontos de degradação segundo Ic e a relação de

perímetro e diâmetro de Feret para amostra 010 do robô E .

Figura 7.19 – Distribuição de pontos de degradação segundo Ic e a relação de

perímetro e diâmetro de Feret para amostra 200 do robô E .

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Figura 7.20 – Distribuição de pontos de degradação segundo Ic e a relação de

perímetro e diâmetro de Feret para amostra 271 do robô E .

Figura 7.21 – Relação entre geometria bidimensional de uma partícula, perímetro e

diâmetro de Feret .

Considerando que o espalhamento de uma única partícula sobre a superfície de uma

janela de proteção, atualmente, não é algo tão comum e que as maiores áreas

degradadas não são formadas por um único ponto, mas sim por um aglomerado de

pontos, o que em operação com uma freqüência de troca coerente não deveria

acontecer, podemos dizer que a pior condição (Figura 7.22) para o impedimento da

passagem do feixe de LASER ocorre para os pontos de maior extensão em área onde

são encontradas razões de perímetro e diâmetro de Feret próximos ao valor de π.

Isto caracteriza uma área com perímetro circular, conseqüentemente uma área com

maior poder de absorção de radiação do que uma razão no valor próximo a 2 para o

mesmo valor de diâmetro de Feret.

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85

A Figura 7.23 mostra a localização de algumas formas de partículas na distribuição

proposta que relaciona o índice de circularidade e a relação do perímetro e diâmetro

de Feret.

Acima do valor de π para a relação de perímetro e diâmetro de Feret, começamos a

encontrar as regiões degradadas formadas por aglomeração de pontos. Em condições

normais de operação, estas aglomerações não deveriam ocorrer.

Figura 7.22 – Distribuição contemplando as 50 maiores e as 50 menores áreas

degradadas .

Em uma primeira etapa formalizou-se uma metodologia para garantir uma troca

coerente das janelas de proteção com a determinação de um índice prático de troca.

Será considerado o índice inicial encontrado na análise das 48 amostras (15%).

A segunda parte será determinar para o mesmo robô E ensaiado, quais são os índices

de degradação para vários volumes de carrocerias soldadas de forma a se conhecer o

perfil deste efeito. Foram produzidas soldas em uma faixa de carrocerias de 200 a

3000 veículos para quatorze amostras e, para cada uma delas, foi efetuada análise de

imagens obtendo-se a área de degradação.

Para outras quatro amostras foram pré-determinadas as quantidades de carrocerias

com baixos valores para se estabelecer uma parte desconhecida do perfil a ser

determinado para baixos volumes de produção, haja vista que na prática esta

condição não ocorre (APÊNDICE C). O resultado foi a obtenção de uma curva com

perfil logarítmico e, a partir de uma curva de tendência obteve-se uma função para

reger este perfil como pode ser visto na Figura 7.24.

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Figura 7.23 – Localização de algumas formas bidimensionais de partículas na

distribuição de pontos de degradação segundo Ic e a relação de perímetro e

diâmetro de Feret .

Com base neste resultado e substituindo-se o valor do índice de degradação adotado,

obtém-se a quantidade de 412 carrocerias, porém deve ser lembrado que as condições

para cada operação de robô são únicas e estas dependem basicamente de quatro

fatores: potência utilizada, velocidade do robô, comprimento total dos cordões de

solda e ângulo de inclinação de aplicação do feixe de LASER.

Figura 7.24 – Curva de referência para o robô E da quantidade de veículos

produzidos em função da área degradada .

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Ainda em relação aos resultados encontrados na Figura 7.24, foi efetuado o teste de

correlação de Pearson com o software estatístico Minitab para verificar o quanto os

valores encontrados diferiam ou se aproximavam da curva de ajuste. Foi encontrado

o valor 0,945, o que indica que a curva de ajuste tem uma boa aderência aos dados

reais. Quando os mesmos dados foram submetidos à análise de variância para se

determinar a influência de uma variável sobre a outra, ele apresentou um número de

Fisher no valor de 7,9443 para 1 grau de liberdade no numerador e 17 no

denominador na relação F-Fisher. Quando comparado aos valores tabelados da

relação, este apresentou uma probabilidade de influência de uma variável sobre a

dentro da faixa de 90%, indicando também uma boa associação entre as variáveis

(DIETER, G.E., 2000) (MONTGOMERY D.C. et al, 2004).

Como a grande maioria dos cordões de solda é realizada com o feixe LASER sendo

aplicado na posição horizontal, esta variável será desconsiderada neste estudo.

Utilizando-se os valores de velocidade e comprimento dos cordões é possível

calcular o tempo de exposição das janelas de proteção à fonte emissora de respingos.

O produto do tempo de disparo do feixe de LASER pela potência deste mesmo feixe

aplicado em regime constante pode fornecer um índice de mérito equivalente e

proporcional a esta degradação ou, em outras palavras, a energia do processo pode

ser considerada diretamente proporcional à degradação das janelas de proteção.

Sendo assim, utilizando os parâmetros conhecidos no processo segundo o plano de

pontos que descreve as regiões que receberão os cordões de solda (APÊNDICE A) é

possível determinar para todos os robôs que trabalham com a entrega de feixe de

LASER na posição horizontal o valor de carrocerias que podem ser processadas para

cada robô sem que haja uma troca excessiva ou tardia das janelas de proteção

(APÊNDICE B). Tais valores deverão ser ajustados ao processo prático e, para isso,

deverá ocorrer um acompanhamento mais assíduo durante a implantação dos

períodos de troca adotados com este estudo.

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8 CONCLUSÕES

- O procedimento proposto para se determinar um índice de degradação por meio da

análise de imagens é possível e eficaz.

- É possível estabelecer uma relação, por meio de um índice quantitativo, entre área

degradada das janelas de proteção e quantidades de carrocerias soldadas utilizando-

se do estudo da análise de imagens e de referências operacionais de cada estação de

trabalho.

- O índice médio de degradação encontrado experimentalmente na superfície das

janelas de proteção e que pode ser utilizado como base inicial para outros estudos é

de 15%.

- A degradação superficial em uma janela de proteção em função do número de

veículos produzidos é representada por meio de uma curva de perfil logarítmico.

- A utilização de janelas de proteção até níveis coerentes de degradação, além de

permitir a redução de gastos excessivos com trocas freqüentes e de garantir a

qualidade da solda e conseqüentemente do produto, também permite que os níveis de

degradação das janelas de proteção possibilitem a sua posterior recuperação.

- A recuperação superficial das janelas de proteção é possível e pode gerar economia

desde que seja realizada com volumes da ordem de centenas de unidades.

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9 TRABALHOS FUTUROS

Como sugestão de trabalhos que poderão complementar este estudo, pode-se

correlacionar a adesão de respingos e outros fumos na superfície das janelas de

proteção com o ângulo de aplicação do feixe no processo, também pode-se

correlacionar este com a pressão e formatos de bicos utilizados na cortina de ar

comprimido.

Outro fator que pode influenciar significativamente é a quantidade de zinco no

processo que pode sofrer a influência de diversas camadas (para 2 ou 3 chapas) na

emissão de respingos.

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I

APÊNDICE A

Plano de pontos com solda LASER nos modelos 240 e 241.

Modelo 240 – Lateral Direita:

Modelo 240 – Lateral Esquerda:

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II

Modelo 240 – Vista superior:

Modelo 240 – Vista traseira:

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III

Modelo 241 – Lateral Direita:

Modelo 241 – Lateral Esquerda:

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IV

Modelo 241 – Vista superior:

Modelo 241 – Vista traseira:

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V

Tabela com dados de processo para o modelo 240:

Pto. Robô L

(mm)vR

(mm/s) P(W) Pto. RobôL

(mm)vR

(mm/s) P(W) Pto. RobôL

(mm) vR

(mm/s) P(W)001 D 20 33 3950 058 R 20 42 4000 115 N 20 50 3300002 D 20 33 3950 059 R 20 42 4000 116 N 20 50 3300003 D 20 33 3950 060 R 20 42 4000 117 N 20 50 3300004 D 20 33 3950 061 R 20 42 4000 118 N 20 50 3300005 D 20 50 3950 062 R 20 35 4000 119 N 20 50 3300006 D 20 50 3950 063 R 20 25 4000 120 N 20 50 3300007 D 20 50 3950 064 R 20 25 4000 121 N 20 50 3300008 D 20 50 3950 065 R 20 25 4000 122 N 20 50 3300009 D 20 50 3950 066 R 20 25 4000 123 N 20 50 3300010 D 20 30 3950 067 R 20 25 4000 124 N 30 30 4000011 D 20 30 3950 068 R 20 25 4000 125 N 30 30 4000012 F 20 42 4000 069 H 20 40 4000 126 N 30 30 4000013 F 20 42 4000 070 C 20 33 3950 127 P 20 42 4000014 F 20 42 4000 071 C 20 33 3950 128 P 20 42 4000015 F 20 42 4000 072 C 20 33 3950 129 P 20 42 4000016 F 20 42 4000 073 C 20 33 3950 130 P 20 42 4000017 F 20 42 4000 074 C 20 50 3950 131 P 20 35 4000018 F 20 42 4000 075 C 20 50 3950 132 P 20 25 4000019 F 20 42 4000 076 C 20 50 3950 133 P 20 25 4000020 F 20 42 4000 077 C 20 50 3950 134 P 20 25 4000021 F 30 42 4000 078 C 20 50 3950 135 P 20 25 4000022 F 20 42 4000 079 C 20 30 3950 136 P 20 25 4000023 F 20 42 4000 080 C 20 30 3950 137 P 20 25 4000024 F 20 42 4000 081 E 20 42 4000 138 G 20 40 4000025 F 20 42 4000 082 E 20 42 4000 139 S 20 54 4000026 F 20 42 4000 083 E 20 42 4000 140 S 20 54 4000027 F 20 42 4000 084 E 20 42 4000 141 I 20 70 3100028 F 20 42 4000 085 E 20 42 4000 142 I 20 70 3100029 F 20 42 4000 086 E 20 42 4000 143 I 20 70 3100030 F 20 42 4000 087 E 20 42 4000 144 I 20 70 3100031 F 20 42 4000 088 E 20 42 4000 145 T 20 54 4000032 H 20 42 4000 089 E 20 42 4000 146 T 20 54 4000033 H 20 42 4000 090 E 30 42 4000 147 K 20 70 3050034 H 20 42 4000 091 E 20 42 4000 148 K 20 70 3050035 H 20 42 4000 092 E 20 42 4000 149 K 20 70 3050036 H 20 42 4000 093 E 20 42 4000 150 K 20 70 3050037 H 20 42 4000 094 E 20 42 4000 151 I 20 56 4000038 H 20 42 4000 095 E 20 42 4000 152 I 20 56 4000039 H 50 42 4000 096 E 20 42 4000 153 I 20 56 4000040 O 20 30 4000 097 E 20 42 4000 154 I 20 56 4000041 O 20 30 4000 098 E 20 42 4000 155 I 20 56 4000042 O 20 30 4000 099 E 20 42 4000 156 I 20 56 4000043 O 20 30 4000 100 E 20 42 4000 157 I 20 56 4000044 O 20 30 3300 101 G 20 42 4000 158 I 20 56 4000045 O 20 50 3300 102 G 20 42 4000 159 K 20 70 3600046 O 20 50 3300 103 G 20 42 4000 160 K 20 70 3600047 O 20 50 3300 104 G 20 42 4000 161 K 20 70 3600048 O 20 50 3300 105 G 20 42 4000 162 K 20 70 3600049 O 20 50 3300 106 G 20 42 4000 163 K 20 70 3600050 O 20 50 3300 107 G 20 42 4000 164 K 20 70 3600051 O 20 50 3300 108 G 50 42 4000 165 K 20 70 3800052 O 20 50 3300 109 N 20 30 4000 166 K 20 70 3800053 O 20 50 3300 110 N 20 30 4000 167 G 20 50 4000054 O 20 50 3300 111 N 20 30 4000 168 H 20 50 4000055 O 30 30 4000 112 N 20 30 4000 169 I 20 60 3000056 O 30 30 4000 113 N 20 30 3300 170 I 20 60 3000057 O 30 30 4000 114 N 20 50 3300

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VI

Tabela com dados de processo para o modelo 241:

Pto. Rb. L

(mm) vR

(mm/s) P(W) Pto. Rb.L

(mm)vR

(mm/s) P(W) Pto. Rb.L

(mm)vR

(mm/s) P(W) 171 D 20 50 4000 229 O 20 42 4000 287 N 20 70 4000 172 D 20 50 4000 230 O 20 42 4000 288 N 20 70 4000 173 D 20 33 4000 231 O 20 35 4000 289 N 20 70 4000 174 D 20 33 4000 232 O 20 25 4000 290 N 20 70 4000 175 D 20 50 4000 233 O 20 25 4000 291 N 20 70 4000 176 D 20 50 4000 234 O 20 25 4000 292 N 20 70 4000 177 D 20 50 4000 235 O 20 25 4000 293 N 20 30 4000 178 D 20 50 4000 236 O 20 35 4000 294 N 20 30 4000 179 D 20 50 4000 237 O 20 35 4000 295 N 20 30 4000 180 D 20 30 4000 238 O 20 35 4000 296 N 30 30 4000 181 D 20 30 4000 239 K 20 70 3000 297 N 30 42 4000 182 F 20 40 4000 240 K 20 70 3000 298 N 30 42 4000 183 F 20 40 4000 241 K 20 70 3000 299 N 20 42 4000 184 F 20 40 4000 242 C 20 50 4000 300 N 20 42 4000 185 F 20 40 4000 243 C 20 50 4000 301 N 20 42 4000 186 F 20 40 4000 244 C 20 33 4000 302 N 20 35 4000 187 F 20 40 4000 245 C 20 33 4000 303 N 20 25 4000 188 F 20 40 4000 246 C 20 50 4000 304 N 20 25 4000 189 F 20 40 4000 247 C 20 50 4000 305 N 20 25 4000 190 F 20 40 4000 248 C 20 50 4000 306 N 20 25 4000 191 F 30 40 4000 249 C 20 50 4000 307 N 20 35 4000 192 F 20 40 4000 250 C 20 50 4000 308 N 20 35 4000 193 F 20 40 4000 251 C 20 30 4000 309 N 20 35 4000 194 F 20 40 4000 252 C 20 30 4000 310 I 20 70 3000 195 F 20 40 4000 253 E 20 40 4000 311 I 20 70 3000 196 F 20 40 4000 254 E 20 40 4000 312 I 20 70 3000 197 F 20 40 4000 255 E 20 40 4000 313 E 20 40 3800 198 F 20 40 4000 256 E 20 40 4000 314 E 20 40 3800 199 F 20 40 4000 257 E 20 40 4000 315 G 20 105 2800 200 F 20 40 4000 258 E 20 40 4000 316 G 20 105 2800 201 F 20 40 4000 259 E 20 40 4000 317 F 20 40 3800 202 H 20 40 4000 260 E 20 40 4000 318 F 20 40 3800 203 H 20 40 4000 261 E 20 40 4000 319 H 20 105 2800 204 H 20 40 4000 262 E 30 40 4000 320 H 20 105 2800 205 H 20 40 4000 263 E 20 40 4000 321 I 20 70 4000 206 H 20 40 4000 264 E 20 40 4000 322 I 20 70 4000 207 H 20 40 4000 265 E 20 40 4000 323 I 20 70 4000 208 H 20 62 4000 266 E 20 40 4000 324 I 20 80 4000 209 H 50 62 4000 267 E 20 40 4000 325 I 20 90 4000 210 O 20 30 4000 268 E 20 40 4000 326 I 20 95 4000 211 O 20 30 4000 269 E 20 40 4000 327 I 20 95 4000 212 O 20 30 4000 270 E 20 40 4000 328 I 20 95 4000 213 O 20 48 4000 271 E 20 40 4000 329 G 20 90 3800 214 O 20 70 4000 272 E 20 40 4000 330 G 20 90 3800 215 O 20 70 4000 273 G 20 40 4000 331 G 20 90 3800 216 O 20 70 4000 274 G 20 40 4000 332 K 20 70 4000 217 O 20 70 4000 275 G 20 40 4000 333 K 20 70 4000 218 O 20 70 4000 276 G 20 40 4000 334 K 20 70 4000 219 O 20 70 4000 277 G 20 40 4000 335 K 20 80 4000 220 O 20 70 4000 278 G 20 40 4000 336 K 20 90 4000 221 O 20 70 4000 279 G 20 62 4000 337 K 20 95 4000 222 O 20 30 4000 280 G 50 62 4000 338 K 20 95 4000 223 O 20 30 4000 281 N 20 30 4000 339 K 20 95 4000 224 O 20 30 4000 282 N 20 30 4000 340 I 20 90 3800 225 O 30 30 4000 283 N 20 30 4000 341 I 20 90 3800 226 O 30 42 4000 284 N 20 48 4000 342 I 20 90 3800 227 O 30 42 4000 285 N 20 70 4000 343 I 20 95 3800 228 O 20 42 4000 286 N 20 70 4000 344 I 20 95 3800

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VII

APÊNDICE B

Tabela de resultados com estimativa de vida útil proposta de carrocerias para cada

um dos robôs de aplicação de LASER :

Estação Robô Ltotal [mm]

Tempo [s] P.t [W.s]

Previsão de carrocerias soldadas

240 C 220 5.76 22742 812 240 D 220 5.76 22742 812 240 E 410 9.76 39048 473 240 F 410 9.76 39048 473 240 G 230 5.42 21695 851 240 H 230 5.42 21695 851 240 I 280 4.67 16971 1088 240 K 240 3.43 11829 1560 240 N 390 10.33 38067 485 240 O 390 10.33 38067 485 240 P 220 7.28 29105 634 240 R 220 7.28 29105 634 240 S 40 0.74 2963 - * 240 T 40 0.74 2963 - * 241 C 220 5.35 21382 863 241 D 220 5.35 21382 863 241 E 450 11.25 44800 412 241 F 450 11.25 44800 412 241 G 290 5.18 20116 918 241 H 230 4.51 17583 1050 241 I 320 3.91 14549 1269 241 K 220 2.82 10415 1772 241 N 610 16.05 64181 288 241 O 610 16.05 64181 288

* = Aplicação do feixe LASER não horizontal

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VIII

APÊNDICE C

Tabela com resultados dos ensaios de degradação realizados em 18 amostras para

diversas quantidades de carrocerias soldadas:

Nome da Amostra Veículos Produzidos Área degradada [mm2]

1 215 200.6156 2 301 218.9386 3 372 263.9878 4 542 321.7283 5 1698 391.0109 6 1315 404.9271 7 574 308.8695 8 1338 387.4764 9 361 293.8708 10 890 351.3922 11 1235 399.9199 12 1741 509.1285 13 2960 632.6381 14 2901 601.1552 50 50 2.4122

100 100 20.9986 120 120 145.3778 150 150 290.3395

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IX

APÊNDICE D Número da Amostra do

Robô E

Número Geral da Amostra

Contagem de

Partículas

Área Total [mm2]

Área Média [mm2]

Fração Total de Área [%]

Fração Total de Área no caminho do Feixe

[%]

1 10 4345 537,4290 0,1237 21,90% 28,62% 2 11 2105 236,8243 0,1125 9,70% 12,61% 3 14 2272 288,9604 0,1272 11,80% 15,39% 4 16 2607 314,9747 0,1208 12,80% 16,77% 5 18 3179 346,9164 0,1091 14,10% 18,48% 6 29 2297 237,6940 0,1035 9,70% 12,66% 7 38 1484 266,7884 0,1798 10,90% 14,21% 8 39 2475 366,6301 0,1481 14,90% 19,53% 9 45 4360 434,9803 0,0998 17,70% 23,17%

10 54 2754 410,0095 0,1489 16,70% 21,84% 11 56 2888 212,9373 0,0737 8,70% 11,34% 12 72 4693 381,8379 0,0814 15,60% 20,34% 13 73 1506 154,5064 0,1026 6,30% 8,23% 14 76 2643 346,9155 0,1313 14,10% 18,48% 15 92 1636 145,3873 0,0889 5,90% 7,74% 16 97 2421 220,2177 0,0910 9,00% 11,73% 17 110 2921 362,2300 0,1240 14,80% 19,29% 18 111 2362 177,3168 0,0751 7,20% 9,44% 19 126 1662 237,6680 0,1430 9,70% 12,66% 20 136 2721 236,0054 0,0867 9,60% 12,57% 21 139 2822 320,5132 0,1136 13,10% 17,07% 22 145 2704 242,7002 0,0898 9,90% 12,93% 23 153 2823 383,0924 0,1357 15,60% 20,40% 24 165 2165 223,7536 0,1034 9,10% 11,92% 25 172 3432 336,9859 0,0982 13,70% 17,95% 26 174 2752 374,8039 0,1362 15,30% 19,96% 27 176 2097 287,0138 0,1369 11,70% 15,29% 28 182 3583 366,8666 0,1024 15,00% 19,54% 29 190 4120 407,8961 0,0990 16,60% 21,72% 30 198 3025 330,9218 0,1094 13,50% 17,62% 31 200 2184 210,0538 0,0962 8,60% 11,19% 32 201 1524 131,1597 0,0861 5,30% 6,99% 33 207 2926 351,0540 0,1200 14,30% 18,70% 34 210 3129 345,3282 0,1104 14,10% 18,39% 35 222 2394 219,6331 0,0917 9,00% 11,70% 36 233 1925 186,8849 0,0971 7,60% 9,95% 37 235 1931 203,6394 0,1055 8,30% 10,85% 38 237 2388 265,3776 0,1111 10,80% 14,13% 39 240 2669 398,3966 0,1493 16,20% 21,22% 40 249 2394 286,8717 0,1198 11,70% 15,28% 41 270 2055 204,7294 0,0996 8,30% 10,90% 42 271 815 67,7060 0,0831 2,80% 3,61% 43 276 2686 387,0790 0,1441 15,80% 20,61% 44 300 3342 356,3676 0,1066 14,50% 18,98% 45 302 2589 269,9766 0,1043 11,00% 14,38% 46 303 2404 237,5752 0,0988 9,70% 12,65% 47 324 2907 289,3000 0,0995 11,80% 15,41% 48 325 904 77,8533 0,0861 3,20% 4,15%

284,9951 Média percentual: 15% 78,68742 Desvio médio: 4%

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X

APÊNDICE E

Diferença de dias entre a substituição de cada uma das 49 amostras do robô E-241 na

linha do tempo:

Índice percentual de degradação de área de 48 janelas de proteção utilizadas no robô

E entre Outubro de 2003 e Abril de 2004: