Explicação do programa que controla o processo de soldagem

O projeto da maquina de soldagem por fricção é controlado pelo microcontrolador Arduino UNO juntamente com o CNC Shield para controlar o motor de passo.

Todo o funcionamento do projeto é feito através de um software feito no Visual Studio em C#.

O firmware do programa foi feito de forma simples, com o comando switch atuando como um grande menu, e cada case representa a leitura de cada botão do programa.

O software conta com algumas travas de segurança para possibilitar que qualquer usuário consiga utilizá-lo de forma simples. O programa se conecta ao arduino através de um cabo USB via porta Serial, e após a conexão estabelecida, o botão envia um dado para a leitura no arduino, que será analisado por cada case do switch, que neste caso, através do botão conectar, faz com que o LED de ligado se acenda, e com ele, o primeiro groupbox do software passa a ser habilitado.

Neste groupbox, há duas opções: Manual e Automático.

A primeira o operador controla o avanço e o recuo do mandril instantaneamente, bem como a ligação do spindle.

Já no modo automático, todos os outros groupbox se tornam habilitados, para que o usuário faça a soldagem de várias peças, apenas pela programação.

Para evitar que neste modo haja algum problema, o botão iniciar só funciona assim que todos os valores estejam “setados”.

No programa existe uma trackbar, cuja função é de enviar a potência do spindle para o arduino, e o arduino envia para o controlador do spindle valor entre 0 e 255, através do PWM.

O usuário escolhe a potência do spindle, o avanço do mandril, e o tempo que de processo de soldagem. Essas escolhas passam para o arduino via serial, que nele se tornam variáveis.

Outras informações necessárias para o funcionamento do processo é o tempo entre processos, quantidade de peças, e a segurança do tempo para retirar a peça do mandril. Essas informações ficam no próprio software mesmo, pois elas bloqueiam os botões do programa, sendo assim, evitando que algo saia do esperado.

Após pressionar o botão iniciar, o mesmo se desabilita e envia para o arduino ligar o rele do spindle. Durante o processo, uma progress bar começa a se encher para indicar o procedimento. Após a barra encher, o programa faz a contagem para retirar a peça do mandril, e envia uma MessageBox para lembrar ao usuário que retire a peça, evitando que haja qualquer problema. Assim que a MessageBox for confirmada, o botão recuar se habilita, fazendo com que, ao ser pressionado, o mesmo envia para o arduino recuar o mandril.

Além disto, o botão subtrai 1 na quantidade de peças a serem feitas, caso o valor dessa subtração der 0, o programa desabilita o botão ligar, e limpa todas as informações necessárias para iniciar o processo.

Caso o valor da subtração der maior que 0, o programa inicia outra progress bar, para que dê um tempo do mandril recuar, e após isto, habilita o Botão iniciar para recomeçar toda a etapa.

Além disto, o programa caso seja enviada alguma informação ao arduino, bloqueia o botão de desconectar, sendo assim, evita problemas de comunicação entre o PC e o arduino.

Outras funções secundárias estão incluídas no programa, como formulário de login, e personalização de cores da janela, tudo isso com intuito de facilitar a vida de quem utilizar o software. 

Aparência da janela de comando do processo

Teste do processo de soldagem por fricção

No primeiro vídeo mostra o mandril se deslocando em direção ao spindle e realizando a soldagem por fricção, já no segundo vídeo mostra a peça sendo liberada do mandril e o mesmo recuando.

Vídeo 1

Vídeo 2

Na figura abaixo vemos o resultado do processo de soldagem por fricção

Teste do deslocamento do Mandril

No vídeo abaixo vemos o teste do deslocamento do mandril, onde o motor de passo faz girar o Fuso Trapezoidal fazendo com ele movimente o mandril linearmente em direção ao spindle.

Teste do motor de passo

Historia da soldagem por fricção

O processo de soldagem por fricção, também conhecido como soldagem por atrito, tem o seu desenvolvimento reivindicado por diversos países.

Em 1929 foi registrada a primeira patente alemã; de 1939 a 1944 foi registrada uma serie de patentes sobre esse processo na Inglaterra.

Ele foi introduzido na Rússia em 1956, e depois foram feitas diversas inovações nos Estados Unidos da America, sendo modificado e patenteado em 1966.

Devido a essas patentes existem duas variante no processo, cujas diferenças estão no modo de geração de energia: a soldagem por atrito convencional (Russa) e a soldagem por atrito inercial (Americana).

Vantagens e desvantagens da soldagem por fricção

           VANTAGENS

• Atenção Especial com a limpeza da superfície não é necessária, uma vez que a soldagem por fricção tem de rompê-la, deslocar, e finalmente remover os filmes de superfície no flash ("colar") da solda.
• Metal de enchimento, fluxo, e gás protetor não são requeridos.
• Defeitos associados a fenômenos de solidificação, como porosidade e segregação, não estão presentes!
• É possível de se fazer juntas de metais dissimilares que são difíceis ou até impossíveis de serem soldadas por outros processos
• Baixos custos, simplicidade de operação, instalações simples, baixo consumo de energia, e um curto ciclo de soldagem.
• O processo é facilmente automatizado para reproduzir soldas de alta qualidade
• O equipamento atual pode ser operado a até 4 quilômetros, sendo adequado para aplicações distante sem ambientes perigosos.
• Estreita zona termicamente afetada associada ao processo

           DESVANTAGENS

• A área de pelo menos uma peça deve ser simétrica, deforma que a parte poça girar sobre o eixo do plano de rotação.
• As geometrias típicas que podem soldadas por fricção são: barra com barra, barra com tubo, barra com chapa, tubo com tubo e tubo com chapa.
• O processo é normalmente limitado a fazer juntas de topo planas e angulares (ou cônicas)
• O material de pelo menos um componente deve ser plasticamente deformável sob as dadas condições de soldagem
• Preparação e alinhamento das peças podem ser críticas para o desenvolvimento uniforme do atrito e aquecimento
• Capital de equipamento e custos com ferramentas são altos
• Ligas usinadas são difíceis de serem soldadas

Autores do Projeto

Líder - Ednaldo Alves Junior - 004201200288

Vice-líder - Matheus Nunes de Barcellos Almeida - 004201200281

Integrante 1 - William Vinicius Mendes Silveira - 004201200114

Ednaldo Alves, William Vinicius e Matheus Nunes (ordem da esquerda para direita)

O que é soldagem por fricção?

A soldagem por fricção, também conhecida como soldagem por atrito, utiliza algo muito comum para todos nós, o atrito, presente em todas as situações.

A soldagem por fricção é um processo de soldagem no estado sólido, que visa unir partes metálicas através de caldeamento, obtidas pelo calor gerado, através do atrito provocado por movimento das superfícies em contato, e aplicação de pressão. Devido ao atrito entre as partes, a energia cinética é convertida em calor, sendo absorvido pela região imediatamente próxima às superfícies em contato, coalescendo as superfícies, uma pressão é aplicada e a ação da força centrífuga faz fluir o metal para fora dos limites da peça na forma de rebarba, arrastando os óxidos superficiais existentes.

Figura 1- Sequencia de Soldagem por Fricção

A - Rotação

B - Atrito

C - Material Coalescido

D – Forjamento

Objetivo do Projeto

O objetivo do projeto é criar uma maquete ou protótipo de pequeno porte como visto na figura abaixo micro-controlada pelo arduino e componentes eletroeletrônicos para demonstrar e exemplificar o processo de soldagem por fricção em materiais poliméricos. Em que uma das peças é fixada no mandril que se movimentara linearmente pelo fuso trapezoidal com o auxilio do motor de passo e a outra recebe um movimento giratório de um motor elétrico (Spindle) esta gira a uma velocidade pré-determinada e constante durante todo o processo. Assim, as peças são aproximadas e quando as superfícies chegam a uma temperatura esperada o movimento de rotação é interrompido e uma determinada pressão é aplicada.

The objective of the project is to create a model or prototype of small businesses as seen in the figure below for the arduino and micro-controlled electronics components to demonstrate and illustrate the process of friction welding in polymeric materials. In that one of the pieces is fixed into the Chuck that moves linearly by trapezoidal spindle with the aid of the stepper motor and the other receives a rotary movement of an electric motor (Spindle) this turns to a predetermined speed and constant throughout the process. Thus, the pieces are approximate and reach surfaces an expected temperature the motion of rotation is interrupted and a certain pressure is applied.

Imagens do Projeto de Soldagem por Fricção

Esboço do projeto feito em solid edge (software CAD)

Esboço do projeto feito em solid edge (software CAD)

Lista de Materiais Utilizados no Projeto

Itens Mecânicos 

• Spindle + Pinça ER11 (7mm)
• Motor de Passo Nema 23
• Mandril (3/8")
• Fuso Trapezoidal TR11 x2mm 
• Bucha com rosca trapezoidal interna TR11 x2mm
• Rolamento Linear (8mm)(pilowblock)
• Guia Linear (Diâmetro = 8mm)
• 2 Suportes para guia linear
• Suportes diversos usinados/estampados
• Base em MDF
• Itens diversos de fixação
• Acoplamentos

Itens Eletroeletrônicos

• Botoes/chaves diversas
• Sensor infravermelho
• Sensor fim de cursor
• Fonte
• Fonte de alimentação
• Arduíno UNO
• Componentes Diversos
• Driver motor de passo
• Display

Introdução ao Projeto

Sejam todos Bem-vindos ao nosso Blog!!

Atualmente vivemos em um mundo tecnológico, no qual existe muitos objetos, máquinas, eletroeletrônicos e muitos outros aparatos que fazem com que nossas atividades sejam desenvolvidas da melhor maneira possível e que nos dê mais segurança no nosso dia-a-dia.

Em uma tarefa simples do cotidiano, usamos bastante nossos celulares, computadores para realizar nosso trabalho e também nosso lazer.

Ao sair de casa nos deparamos com nosso portão, ao andar para a faculdade e passar por playgrounds (e ver o balanço, gangorra, gira-gira), ao dirigirmos nosso carro, e etc., o que nos gera uma pergunta:

Podemos ver algo em comum nessas atividades tão rotineira de nossas vidas?

Se você respondeu não, temos uma péssima notícia para você!

Pois bem, sim!

Essas atividades têm algo em comum, pois nesses objetos citados acima, podemos identificar que eles em algum momento passaram por um processo de soldagem!

O processo de soldagem nada mais é do que a união permanente localizada de materiais. Ou seja, um exemplo visível a todos, os portões ou o parapeito da sacada, não foram feitos de uma única peça. Primeiramente foi fabricado os perfis e após o corte, uma barra foi unida à outra através da solda.

Nos componentes eletrônicos a solda também está presente, seja para unir fios, ou também para ligar terminais a placas, como por exemplo, placas de computador e celulares.

O processo de soldagem é divido em dois tipos: Soldagem por fusão e fricção.

• Na Soldagem por fusão, o metal de ligação é aquecido até sua temperatura de fusão (ou seja, derretido a ponto de deixar de ser sólido), e com ele derretido se faz a ligação dos materiais a serem unidos. Após isso, o metal esfria e solidifica, tornando assim um só objeto.

• Na Soldagem por fricção, o material é unido através do atrito entre as partes que necessitam ser unidas entre si, o atrito provoca o aquecimento destas partes fazendo chegarem a temperatura de forjamento e assim se unem.

A soldagem por fusão é bem mais popular, para se ter ideia, dentro desta classe de soldagem, ela ainda pode ser dividida em diversos subgrupos.

Enquanto a soldagem por fricção está começando a se difundir no meio industrial pela sua versatilidade, imagine poder realizar a união de dois materiais dissimilares... com a soldagem por fricção isto é possível.

A proposta do grupo é criar uma maquete micro-controlada para demonstrar e exemplificar o processo de soldagem por fricção em materiais poliméricos.

E qual a razão para se fazer uma máquina dessas?

A resposta é bem simples, e está em nosso cotidiano.

Todos nós sabemos que o grande vilão das contas de energia que recebemos é o chuveiro elétrico. Existem outros tipos de aparelhos que também contribuem bastante para o alto custo da conta de luz. Como podemos verificar na tabela abaixo retirada do site

http://www.eflul.com.br/consumidores/tabela-de-consumo

Tabela 01: Consumo de energia dos aparelhos domésticos.

O que os itens de maior consumo têm em comum?

Se você respondeu que todos eles utilizam energia elétrica para gerar calor, você acertou!

Os aparelhos que servem de aquecedor, eles gastam mais energia, visto que necessitam de uma grande potência para transformar energia elétrica em calor, e é isso que os processos de soldagem por fusão fazem, eles usam energia elétrica para se aquecerem e assim derreter o material.

Sendo assim, nosso projeto além de explorar uma área não muito explorada que é a soldagem por fricção, também tem a finalidade da redução do consumo de energia!