OtimizaçÃo experimental da soldagem por resistência elétrica de compósito pps/fibra de carbono



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OTIMIZAÇÃO EXPERIMENTAL DA SOLDAGEM POR RESISTÊNCIA ELÉTRICA DE COMPÓSITO PPS/FIBRA DE CARBONO

Souza, S.D.B.1; Abrahão, A.B.R.M.1; Bravim Junior, J.C.1;

Botelho, E.C.1; Hein, L.R.O.1; Costa, M.L.1

samiadanuta@hotmail.com



1 Departamento de Materiais e Tecnologia/ FEG-UNESP

RESUMO
Um dos principais problemas da utilização de compósitos poliméricos em aplicações estruturais consiste em sua união efetiva para a integração de componentes. A soldagem por resistência elétrica vem sendo considerada como uma das mais promissoras técnicas para a união de compósitos, pois se trata de um processo rápido e com pouca preparação de superfície. Para otimizar o processo foi utilizado um planejamento experimental fatorial completo (23), pois com um número menor de experimentos, consegue-se explorar todo o espaço experimental de interesse. Foram avaliadas as melhores condições para a soldagem através dos fatores pressão, corrente e tempo. As amostras foram soldadas em um total de 45 experimentos, variando-se os parâmetros de operação do processo de soldagem, de acordo com o planejamento, sendo que a melhor condição foi encontrada através do ensaio de Lap Shear, seguindo-se a norma ASTM D1002-10.
Palavras-chave: compósito, fibra de carbono, lap shear, PPS, soldagem, resistência.

INTRODUÇÃO
Compósitos poliméricos avançados incluem a combinação de polímeros de alto desempenho mecânico, e as fibras de reforço, que visa satisfazer as exigências da indústria aeronáutica, principalmente relacionados com a força mecânica elevada e de baixa densidade (3). No entanto, um dos problemas envolvidos no uso desses compósitos poliméricos para aplicações estruturais, consiste na sua união para a integração efetiva dos componentes (1).

A utilização de resistência elétrica tem sido considerada como uma das mais promissoras entre os processos de soldagem disponíveis, pois é considerado rápido (1 a 5 minutos), as amostras requerem pequena preparação de superfície e utilizado na reparação devido à sua simplicidade (2). O princípio da soldagem por resistência elétrica é causar um aquecimento localizado na região da interface entre as duas partes, e desse modo promover a fusão entre elas.

Para que essa fusão ocorresse era necessário considerar alguns fatores, sendo que as principais variáveis dos processos de soldagem por resistência elétrica são a corrente elétrica, a resistência elétrica, o tempo e a força dos eletrodos (4). Para o propósito deste trabalho, foi adotado um planejamento fatorial completo (23) utilizando como variáveis a pressão, o tempo e a corrente (foram considerados como os fatores mais relevantes para este processo). Foram então estipuladas faixas de valores para cada parâmetro, e desse modo, foi feita a combinação dos fatores para estes valores, através de um modelo estatístico (método de Taguchi).

Pelo método de Taguchi é possível determinar o melhor resultado, oriundo de uma informação analítica finita, e os fatores dominantes envolvidos na otimização do processo (5).

Este método é utilizado para a resolução de um problema que apresenta muitas variáveis, e deseja-se saber com elas interagem. Assim, para solução de um projeto experimental, é utilizado um planejamento experimental fatorial, que com poucos ensaios consegue-se explorar todo o espaço experimental de interesse. Com esta ferramenta estatística ainda é possível a elaboração de um modelo matemático que validado estatisticamente pode ser usado para obtenção de superfície de resposta e assim poder determinar as condições otimizadas, conhecendo-se as significâncias estatística das respostas (7).

Para verificar qual seria a melhor combinação foi adotado como variável resposta o teste de Lap Shear baseado na Norma ASTM D1002-10 (6). Foram obtidas as regiões com valores ótimos de soldagem e verificou-se que os resultados experimentais estão ajustados no modelo estatístico proposto.


MATERIAIS E MÉTODOS
Foram utilizados compósitos com matriz termoplástica de poli(sulfeto de fenileno) reforçada com fibra de vidro, fornecida pela TenCate Advanced Materials.
Sistema de Soldagem
O sistema de soldagem utilizado consta de uma máquina que fornece calor e pressão durante o processo de soldagem por pontos de compressão e conectores elétricos integrados a elementos resistivos (aço inoxidável de 200 mesh). A partir deste sistema, é possível controlar a intensidade da corrente elétrica, o tempo de alimentação, a temperatura (termopar conectado na amostra) e a pressão.
Planejamento Experimental
Para determinação dos melhores parâmetros para o processo de soldagem pelo processo de corrente elétrica, foi utilizado o planejamento experimental fatorial completo 23, do tipo composto central rotacional com 5 replicatas no ponto central. Os níveis reais e codificados das variáveis em estudo estão apresentados na Tab. I. Os resultados obtidos foram analisados com auxílio dos softwares Statistica versão 5 (StatSoft Inc., USA) e Design-Expert 6.0 (Stat-Ease Corporation, USA).

Tabela I: Níveis reais e codificados para as variáveis temperatura e pH avaliadas segundo planejamento experimental composto central
Variáveis
Níveis
Reais
Codificadas
-1
0
+1
Tempo (s)
X1
50
175
300
Corrente (A)
X2
29
29,5
30
Pressão (MPa)
X3
0,7
1,85
3



Variável resposta: Lap Shear
Amostras retangulares nas dimensões de 100x25mm foram obtidas cortando-se as placas de laminados. Duas amostras retangulares soldadas pelo processo de resistência elétrica foram submetidas ao teste de lap shear de acordo com a norma ASTM D 1002. A área soldada foi de 25x25mm.
RESULTADOS E DISCUSSÃO
Os resultados obtidos foram avaliados utilizando-se o programa Design-Expert 6.0 (StatEase Corporation, USA). Este último software foi também empregado para determinação dos valores máximos de tensão de ruptura (MPa) das juntas soldadas, possíveis de serem obtidos dentro da faixa de valores estudados.

O valor de R2 obtido (0,9866), indica mais que mais de 98% da variabilidade experimental pode ser explicada pelo modelo linear relativo a variável resposta. Desta forma, considerou-se que o modelo estatístico obtido foi adequado para descrever a variável resposta em valores de ensaio de Lap Shear em função das variáveis estudadas: tempo, corrente e pressão do processo de soldagem em estudo.

Empregando-se o programa Design-Expert, procedeu-se a busca dos valores máximos de valores de Lap Shear dentro das faixas de valores para as variáveis estudadas. A partir destes valores otimizados, utilizando o programa Statistica foi construído o gráfico de superfície de resposta referentes aos valores de variáveis que foram os maiores valores preditos pelo modelo do ensaio de lap shear. Os resultados obtidos da otimização estão apresentados na Tab.II e a superfície de resposta com as regiões de otimização são ilustrados pela Fig. 1.
Tab.II. Valores das variáveis estudadas otimizadas proposto pelo modelo estatístico para valores máximos da variável resposta.


Lap Shear (MPa)

Tempo (s)

Corrente (A)

Pressão (MPa)

17,41

300

30

0,7

A Fig. 1 apresenta o gráfico em 3D da superfície de resposta com relação aos parâmetros utilizados, sendo que a pressão é de 0,7 MPa.


Fig. 1 – Superfície de resposta e curva de nível para o Lap Shear com pressão de 0,7 MPa.


A superfície de resposta referente ao modelo estatístico apresentou um o ápice (topo) da curva do valor da variável resposta o valor de 17,41 MPa, o que indicou o emprego das variáveis estudadas em valores máximos da faixas estipuladas. As curvas de nível evidencia a faixa ótima de valores de corrente e tempo para valores máximos de lap shear utilizando-se uma pressão de soldagem de 0,7 MPa.
CONCLUSÃO
Com resultados obtidos com o planejamento experimental completo para a soldagem do compósito PPS-Carbono, pode-se concluir que a melhor combinação de parâmetros para o processo foi de 0,7 MPa, 30 A e 300 s, considerando a variável resposta o máximo valor obtido de tensão de ruptura.
REFERÊNCIAS

1. Ageorges, C.; Ye, L.; Hou, M. Advances in fusion bonding techniques for joining thermoplastic matrix composites: a review. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, Sidney, Australia, v. 32, p. 839-857, 2001.


2. Bates, P. J.; Tan, S.; Zak, G.; McLeod, M. Shear strength and meltdown behavior of reinforced polypropylene assemblies. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, Kingston, Canada, v. 40, p. 28-35, 2009.
3. Costa, G. G. Avaliação da Influência dos Ciclos Térmicos nas Propriedades dos Compósitos Termoplásticos de PPS e PEI com Fibras de Carbono e Vidro Conformados por Prensagem a Quente. 2006. Tese (Mestrado em Física e Química dos Materiais Aeroespaciais) – Instituto Tecnológico de Aeronáutica., ITA, São José dos Campos.
4. Marques, P.V.; Modenesi, P.J.; Bracarense, A.Q. Soldagem Fundamentos e Tecnologia. Editora UFMG: Belo Horizonte, 2009.
5. Panneerselvam, K.; Aravindan, S.; Noorul Haq, A. Study on resistance welding of glass fiber reinforced thermoplastic composites. Materials and Design, Tamilnadu, India, v. 41, p. 4453-459, 2012.
6. American Society for Testing and Materials. D1002-10: Standard Test Method for

Apparent Shear Strength of Single-Lap-Joint Adhesively Bonded Metal Specimens by Tension Loading (Metal-to-Metal). Pennsylvania.
7. Rodrigues, M.I; Iemma A.F. Planejamento de experimentos e Otimização de processos uma estratégia sequencial de planejamentos. Editora Casa do Pão: Campinas, 2005.
EXPERIMENTAL OPTIMIZATION OF ELECTRICAL RESISTANCE WELDING OF COMPOSITE PPS / CARBON FIBER

ABSTRACT
A major problem in the use of polymer composites in structural applications consists in its union to the effective integration of components. The electrical resistance welding has been considered as one of the most promising techniques for bonding composites, because it is a quick process with little surface preparation. To optimize the process, we used a full factorial experimental design (23), because with a smaller number of experiments, it is possible to explore the entire space of experimental interest. We evaluated the best conditions for welding through pressure, current and time factors. The samples were welded into a total of 45 experiments, varying the operating parameters of the welding process, according to the planning, and the best condition was found by testing Lap Shear, following ASTM D1002.


Keywords: composite, carbon fiber, lap shear, PPS, welding, resistance.

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