BR112016020872B1 - solda entre duas extremidades de cabo de aço, método de produção de uma solda entre extremidades de cabo de aço e aparelho de solda topo a topo por resistência - Google Patents

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Abstract

SOLDA ENTRE EXTREMIDADES DE CABO AÇO, MÉTODO E APARELHO PARA IMPLEMENTAR TAL SOLDA. A presente invenção refere-se a um aparelho de solda que permite uma soldagem controlada de extremidades de cabo de aço. O aparelho de solda permite uma trajetória de soldagem controlada a partir de um período de soldagem ao longo de um período pós-soldagem para um completo resfriamento. No aparelho de solda, uma fonte de corrente contínua é controlada ao longo do tempo por meio de um controlador programável. Ao detectar a tensão ao longo das pinças do aparelho de solda e ao usar esta detecção como uma entrada adicional para o controlador programável, uma dissipação de potência constante entre as pinças poderá ser obtida no período pós-solda. Um método associado para a produção de solda é descrito no qual, durante o período pós-soldagem, a energia elétrica dissipada entre as pinças se mantém constante. As soldas obtidas por meio deste procedimento têm uma estrutura metalográfica favorável no sentido de que a zona afetada pelo calor tem mais de 50 % de perlita e/ou bainita ao longo da área total daquela zona.

Description

DESCRIÇÃO CAMPO DA TÉCNICA
[0001] A presente invenção refere-se ao campo da soldagem de cabos de aço, por exemplo, usados no reforço de materiais elastoméricos, tais como pneus, mangueiras, correias transportadoras, correias dentadas, e similares.
TÉCNICA ANTECEDENTE
[0002] Ao produzir ou processar cabos de aço, em um momento, o cabo chega ao fim. Existe, portanto, a necessidade de se conectar as extremidades dos cabos de aço uma à outra a fim de continuar o processamento. A conexão deve ser fácil de se fazer e ter propriedades próximas ou iguais às do cabo de aço, de modo que a conexão passe despercebida no processo.
[0003] A prática conhecida é conectar as extremidades do cabo de aço por meio de solda. As extremidades de um cabo de aço são cortadas niveladas e montadas nas pinças móveis de um aparelho de solda. À medida que as extremidades do cabo de aço são pressionadas uma contra a outra, uma corrente elétrica alternada é aplicada através das pinças, e as extremidades do cabo se aquecem até o ponto em que o aço amolece e se funde. As extremidades são empurradas uma em direção à outra ao longo de uma distância definida e, assim que essa distância é atingida, a corrente é cortada. A solda se resfria rapidamente no ar ambiente. Este procedimento é conhecido como "recalque de solda" ou "solda topo a topo por resistência".
[0004] Os cabos de aço são feitos de filamentos de aço carbono lisos e finos (mais finos que 0,50 mm) que são estirados a frio a uma alta resistência à tração (superior a 3000 N/mm2). Dois ou mais filamentos são torcidos juntos em um cabo de aço. A estrutura metalográfica dos filamentos é uma estrutura de aço perlítico trefilado de alta tração. Na solda, o aumento de resistência devido à formação a frio é completamente perdido. Devido à elevada taxa de resfriamento após a feitura da solda, a estrutura metalográfica se torna martensítica, que é mais frágil do que a estrutura perlítica trefilada. No âmbito do processo de soldagem em questão, não é possível impedir a formação da estrutura martensítica, uma vez que o resfriamento da solda é muito rápido, e de qualquer maneira, muito mais rapidamente do que quando comparado com a soldagem de fios mais grossos.
[0005] A fim de atenuar a fragilidade do aço martensítico na solda, uma operação de recozimento - também chamada de processo térmico de alívio de tensão - é em seguida realizada ao se colocar a solda entre duas pinças de recozimento. Ao se direcionar uma pequena corrente alternada através da solda, a solda é recozida. Uma estrutura martensítica recozida tem mais ductilidade. A Patente GB1251928 descreve tal procedimento.
[0006] Quando um material extra é adicionado à zona de solda, a dimensão transversal da solda se torna maior do que a do cabo de aço e a rebarba deverá ser desbastada ou martelada de modo que o diâmetro do cabo de aço não aumente apreciavelmente na solda. Em geral, um aumento de diâmetro de não mais de 3 % é permitido.
[0007] O procedimento é difícil de repetir de uma forma consistente uma vez que: • uma fonte de corrente alternada é usada, sendo que uma alta tensão de linha de 380 a 400 VCA é convertida para uma baixa tensão, e corrente elevada por meio de um transformador. As variações de tensão de linha influenciam diretamente a energia emitida na solda. Essas flutuações podem ser consideráveis ao longo do tempo, dependendo da qualidade da rede elétrica em uma fábrica de arame. • os cabos de aço têm uma superfície irregular, em função do que fica difícil fazer um contato elétrico consistente e repetível. O problema se torna particularmente grave ao se soldar um tipo de cabo aberto de construções com poucos filamentos de, por exemplo, 2x1, sendo que filamentos de aço podem se deslocar uns sobre os outros e são difíceis de serem alinhados face a face nas pinças. A resistência elétrica, portanto, poderá variar muito de evento de pinça para evento de pinça, ainda no mesmo cabo de aço. Ao se soldar fios individuais, esse problema não se torna um problema, uma vez que a superfície lisa do fio oferece um contato consistente e repetível e as faces de extremidade do fio podem ser facilmente alinhadas.
[0008] O procedimento implica em uma solda com menos propriedades desejáveis: uma menor ductilidade da solda recozida, uma menor resistência da solda, e a presença de uma rebarba de solda tornam tal solda um ponto fraco. As soldas são, por conseguinte, submetidas a um teste de tração, a uma checagem de diâmetro e, por vezes, a uma verificação de ductilidade. Quando a solda falha, ela precisará ser refeita, o que é uma perda de tempo.
[0009] Na técnica existente, na maioria das vezes é feita referência à soldagem de fios individuais ou de filamentos de uma bitola relativamente grossa (superior a 0,5 mm), tais como os fios para uma malha soldada.
[0010] A Patente dos Estados Unidos 3.818.173 descreve um método para soldar fios de aço de alto carbono (de mais de 0,45 por cento em peso de C) patenteado com chumbo (ou seja, o fio não pode ser estirado a frio) de extremidade a extremidade, nos quais é feito primeiramente uma solda martensítica recozida. Em uma etapa seguinte e separada, a solda é submetida a uma "etapa de homogeneização" acima de uma temperatura crítica (1065° C, ou seja, acima da temperatura de austenitização) por vários minutos e, em seguida, a solda é resfriada com uma taxa de resfriamento controlada. Sugere-se direcionar uma explosão de fluido de resfriamento sobre as juntas de modo a resfriar rapidamente o aço a uma temperatura subcrítica na qual o carbono do aço se transforma diretamente em perlita em um tempo mínimo. Durante esta etapa, a temperatura é medida por um pirômetro através do qual a leitura de temperatura é usada no sentido de controlar a corrente através da solda. O procedimento compreende várias etapas, sendo, portanto, demorado (leva vários minutos) além de não ser prático, uma vez que um pirômetro tem de ser treinado no próprio fio. Da mesma forma, o mesmo se refere a fios individuais e não a cabos de aço.
[0011] A Patente da China No 102328148 descreve um método para uma soldagem de malha (ou seja, a soldagem transversal) dos fios de aço de baixo ou médio carbono, nos quais, após a formação da solda, uma primeira etapa de resfriamento natural é seguida de uma etapa de aquecimento separada. Depois de uma segunda etapa de resfriamento natural, um tratamento final de têmpera é aplicado. O método só é aplicável para a soldagem transversal de fios individuais em uma malha. Nessa configuração, a resistência de contato entre pinças e arame é muito bem repetível.
[0012] A Patente da China No 101596643A descreve um método para solda topo a topo de fios de aço inoxidável. O método descreve a maneira como a temperatura pode ser controlada por meio de um trem de pulsos de corrente CC. Apenas a magnitude da corrente e a duração do pulso são controladas.
[0013] A Patente DE2658332 descreve um método para soldar por contato filamentos ou fios, sendo que pinças de solda são providas com recessos a fim de receber um glóbulo de solda. Na soldagem por contato, um arco elétrico é estirado entre o filamento e as extremidades de fio a fim de aquecer essas extremidades para cima. A soldagem por contato não é usada em cabos de aço, uma vez que as extremidades são demasiadamente irregulares para garantir uma formação de arco repetível.
[0014] A Publicação WO 2008/116469 descreve um método de soldagem e um aparelho de solda correspondente para soldar tiras de aço inoxidável dúplex, nas quais o resfriamento da seção de interface soldada é controlado por meio de um computador programado no sentido de aplicar uma corrente durante pelo menos uma parte do ciclo de resfriamento.
[0015] O documento U.S. 6169263 descreve um aparelho de solda topo a topo elétrico que tem uma chapa móvel para prender uma parte a ser soldada em uma junta. O aparelho soldador topo a topo elétrico tem um sensor para medir a queda de tensão entre a junta e um controlador de força para exercer uma força à junta por meio de uma servo-válvula. A saída de um processador altera a força exercida na junta através do controlador de força em resposta à entrada para o controlador da queda de tensão na junta.
[0016] As técnicas seguintes são identificadas, as quais se concentram particularmente na soldagem de cabos de aço:
[0017] A Publicação WO 03/100164 descreve na Figura 5, páginas 9 e 10, um conhecido processo de soldagem e recozimento de um fio em um cabo de aço de múltiplos filamentos, compreendendo ainda a etapa de reduzir o comprimento do assentamento do fio antes da soldagem. Apenas um fio soldado se encontra presente em um ponto específico do cabo de múltiplos fios.
[0018] A Publicação WO 2007/020148 descreve uma conexão de extremidades de cabo de aço particularmente adequada na conexão de um tipo de cabo aberto de cabos de aço. A conexão compreende uma seção de junta, tal como, por exemplo, uma solda e uma seção de fixação, distante da seção de junta a fim de imobilizar os filamentos uns com relação aos outros.
[0019] Embora esses dois últimos procedimentos resultem em soldas aceitáveis para o seu propósito específico, as mesmas não são universalmente aplicáveis ou precisam de materiais extras e trabalho.
[0020] Os inventores, por conseguinte, buscam melhorar os tipos de solda existentes, além dos procedimentos de solda e o aparelho de solda existentes, tal como será explicado a seguir.
DESCRIÇÃO DA INVENÇÃO
[0021] O objeto principal da presente invenção é prover excelentes soldas que sejam consistentemente repetíveis independentemente do tipo de cabo de aço soldado. Mais em particular, a solda e o processo de solda providos são adequados para cabos de aço com diâmetros de filamento abaixo de 0,50 mm e que compreendem dois ou mais filamentos. O método e o aparelho descritos resultam em uma solda que não quebra nos processos subsequentes durante uma produção de cabos de aço ou no processamento a jusante de aparelhos de reforço de borracha. Além disso, o método e o aparelho superam o problema de resistência elétrica irregular entre pinças, que ocorre particularmente ao se soldar cabos abertos ou cabos com alguns filamentos.
[0022] De acordo com um primeiro aspecto da presente invenção, é reivindicada uma solda entre duas extremidades de cabos de aço. Os cabos de aço compreendem uma pluralidade de filamentos de aço, ou seja, dois ou mais filamentos. De modo geral, o número de filamentos de aço está compreendido entre 2 e inferior a 50, contudo, em sua maioria, é inferior a 27. Os cabos de aço cujas extremidades são soldadas são de preferência de um tipo igual, embora a presente invenção seja também aplicável à solda de diferentes tipos de cabos de aço uns aos outros. Os filamentos de aço são torcidos em conjunto nas maneiras conhecidas na técnica de fabricação de cabos de aço.
[0023] Os cabos de aço podem ser do tipo simples ‘n x d’, sendo que os filamentos ‘n’ de diâmetro ‘d’ são torcidos em conjunto. Por exemplo, o cabo só pode compreender dois filamentos (n = 2). Esse cabo simples poderá também ser feito em uma versão aberta, na qual os filamentos são pré-formados de modo que uma borracha possa entrar entre os filamentos durante a realização de um outro processamento adicional. Por outro lado, os cabos de aço podem ser do tipo ‘U + T’, no qual um fio torcido de filamentos ‘T’ e um feixe não torcido de filamentos ‘U’ é torcido um em torno do outro. Estes tipos são particularmente difíceis de soldar, uma vez que a sua folga (no caso de um cabo aberto) ou a sua superfície irregular (no que diz respeito ao tipo ‘U + T’) faz com que seja difícil fazer um contato elétrico repetível.
[0024] Ou os cabos de aço podem ser do tipo em camadas, por exemplo, os do tipo ‘n + m’, no qual um fio de núcleo de filamentos ‘n’ torcidos em conjunto com um primeiro passo de cabeamento é torcido e coberto por uma camada de filamentos ‘m’ em torno desse fio de núcleo com um segundo passo de cabeamento diferente. Esse procedimento pode ser seguido da adição de uma outra camada de filamentos l: do tipo ‘n + m + l’. Os cabos de aço podem ainda ser de um tipo "cabo compacto", no qual um feixe de filamentos de igual diâmetro é torcido em conjunto com o mesmo cabeamento. Esses cabos são, de modo geral, adaptados de modo a permitir a entrada de uma borracha, o que torna a sua superfície irregular ou aberta, deste modo fazendo com que se torne difícil de produzir com confiabilidade o contato elétrico entre o cabo e as pinças de solda.
[0025] Da mesma forma, os cabos de aço de múltiplos fios do tipo N x M podem ser considerados, por exemplo, do tipo 7 x 7, no qual 7 fios, cada qual compreendendo 7 filamentos torcidos em conjunto, são, por sua vez, torcidos em conjunto. Esses tipos de cabos são difíceis de soldar, uma vez que a superfície externa disponível para o contato elétrico do cabo de aço é pequena em comparação à massa que tem de ser soldada entre as pinças de solda. As densidades de corrente local podem, portanto, se tornarem muito altas, resultando em um aquecimento irregular ao longo da solda.
[0026] De modo nenhum a lista de tipos de cabo de aço acima é limitativa, permitindo que uma pessoa versada possa facilmente acrescentar ou especificar outros cabos de aço que se enquadrem dentro do âmbito de aplicação da presente invenção, muito embora possam não ter sido enumerados no presente documento.
[0027] Os filamentos de aço são feitos de aço carbono, mais preferivelmente um aço alto carbono liso. Uma composição de cabo de aço típica tem um teor mínimo de carbono de 0,65 %, um teor de manganês que varia de 0,40 % a 0,70 %, um teor de silício na faixa de 0,15 % a 0,30 %, um teor máximo de enxofre de 0,03 %, um teor máximo de fósforo de 0,30 %, sendo que todos os presentes percentuais são em peso. Existem apenas traços de cobre, níquel e/ou cromo. Uma típica composição de cabo de aço para pneus para um cabo de aço de alta tração tem um teor mínimo de carbono de cerca de 0,80 % em peso, por exemplo, de 0,78 a 0,82 % em peso.
[0028] Os filamentos de aço são estirados, ou seja, são submetidos a um processo de deformação a frio, no qual o diâmetro do fio é progressivamente reduzido ao se puxar os mesmos através de orifícios ou moldes sucessivamente menores. A resultante redução percentual na área dos filamentos de cabo de aço é de pelo menos 86 % e, de modo geral, de cerca de 95 % a 97 %, apesar de ser na prática possível uma redução total na área de 98,2 %. Os filamentos de aço trefilados apresentam uma maior resistência à tração em comparação com o fio de aço patenteado do qual os mesmos são trefilados. A resistência à tração de um fio trefilado aumenta de acordo com a quantidade de redução da área e/ou de acordo com o teor de carbono do aço. Tipicamente, a resistência à tração dos filamentos usados em um cabo de aço é de uma resistência à tração acima de 3000 N/mm2 nos filamentos mais finos que 0,30 mm, enquanto que, para os fios de 0,12 mm, uma resistência à tração de 4000 N/mm2 é possível na prática.
[0029] O fio de aço patenteado antes do estiramento tem uma estrutura perlítica fina. Depois do estiramento, a estrutura ainda é perlítica, mas os grãos são alongados. Um metalúrgico qualificado poderá facilmente reconhecer esses tipos de estruturas metalográficas.
[0030] Tipicamente, os fios são revestidos com um revestimento que promove adesão entre os filamentos e a borracha na qual o cabo de aço é usado. Normalmente, um revestimento de latão ou zinco é usado para este fim. O revestimento mais usado é de latão, com uma composição de 63,5 % de cobre em peso, sendo o restante zinco.
[0031] Os filamentos de cabo de aço têm de ser relativamente finos para que possam ser facilmente dobráveis durante o uso dos mesmos em um pneu. A área em seção transversal de filamentos individuais, por conseguinte, é inferior a 0,2 mm2, o que corresponde - para um fio com seção transversal redonda - a um diâmetro de 0,5 mm. Em geral, a área em seção transversal é menor, por exemplo, inferior a 0,1 mm2 (por exemplo, 0,30 mm) ou inferior a 0,05 mm2 (por exemplo, 0,25 mm de diâmetro). As seções transversais mais baixas dos filamentos nos quais cabos de aço ainda se encontram disponíveis são de 0,005 mm2.
[0032] O diâmetro ou área em seção transversal dos filamentos de aço e o número de filamentos em um cabo de aço são particularmente importantes na medida em que os mesmos influenciam significativamente o comportamento de resfriamento da solda quando a mesma é resfriada ou aquecida, tal como será explicado na descrição do método de soldagem.
[0033] A solda de acordo com a presente invenção é caracterizada por uma favorável estrutura metalográfica. Quando uma seção transversal metalográfica da solda de acordo com a presente invenção é feita, cerca de 50 % da área da zona afetada pelo calor da solda terá uma estrutura metalográfica de perlita e/ou bainita. Em uma modalidade preferida, a estrutura metalográfica de perlita e/ou bainita se estende por mais de 60 %, possivelmente por mais de 70 % da zona afetada pelo calor. Em uma outra modalidade preferida, pelo menos 50 % da área da zona afetada pelo calor mostra uma estrutura metalográfica perlítica.
[0034] Em uma seção transversal, a zona afetada pelo calor pode ser facilmente identificada, uma vez que a mesma é a zona de solda entre a estrutura anisotrópica trefilada e os filamentos de aço não afetados.
[0035] A estrutura metalográfica de perlita do aço carbono na solda pode ser facilmente determinada em uma seção transversal polida e gravada metalográfica. Ao contrário da perlita trefilada no filamento de aço, a perlita na zona afetada pelo calor mostra limites de grão e é isotrópica. Essa perlita tem um aspecto de madrepérola, daí seu nome, devido às camadas alternadas de ferrita e cementita. A mesma é formada - sob as condições adequadas de resfriamento desde a fase de austenita - em torno de 550° C a 700° C. A perlita é forte e também resistente e corresponde à estrutura do fio patenteado do qual o filamento de aço é estirado.
[0036] A estrutura metalográfica de bainita é igualmente bem conhecida pelos metalúrgicos de aço. A mesma se forma em temperaturas um pouco mais baixas (de 400° C a 550° C) do que a perlita e é caracterizada pela presença de feixes de placas de ferrita, separadas por austenita, martensita ou cementita retidas.
[0037] A resistência à tração das fases de perlita e/ou bainita é acima de 1000 N/mm2 para os aços com pelo menos 0,55 % em peso de carbono. Estas fases mostram uma ductilidade melhor do que a fase de martensita temperada.
[0038] Uma outra característica da solda é que, na transição da solda para os filamentos não afetados nas extremidades de um cabo de aço, uma martensita não temperada poderá ser observada. No entanto, por meio de uma seleção apropriada das condições de resfriamento, esta martensita não temperada poderá ser feita mais fina que 600 μm, ou ainda mais fina que 400 μm ou ainda abaixo de 100 μm. Em termos ideais, a martensita não temperada é apenas observável.
[0039] A solda acima definida é obtida através do método tal como descrito a seguir.
[0040] De acordo com este segundo aspecto da invenção, é apresentado um método de produção de uma solda entre as extremidades de cabos de aço. Os cabos de aço compreendem uma pluralidade de (dois ou mais) filamentos de aço carbono perlítico trefilado com uma área em seção transversal de menos de 0,2 mm2. O método se inicia por meio da provisão de duas extremidades de cabo de aço que são cortadas niveladas. A expressão "cortadas niveladas" significa que nenhum dos filamentos de nenhuma das extremidades se projeta mais do que os outros filamentos: as extremidades de filamento ficam substancialmente no mesmo plano.
[0041] As extremidades dos cabos de aço são montadas nas pinças de solda axialmente móveis de um aparelho de solda, mais preferivelmente um aparelho de solda de acordo com o terceiro aspecto da presente invenção.
[0042] As pinças de solda empurram as extremidades do cabo de aço uma contra a outra com uma força de solda controlada. Quando as extremidades do cabo de aço em seguida fazem contato elétrico, uma corrente elétrica poderá ser alimentada através do ponto de contato. A corrente elétrica é uma corrente elétrica contínua, ou seja, não altera a sua polaridade. A corrente contínua é de um nível, o nível de corrente de solda, que o aço dos filamentos se funde (os aços carbono de interesse para o presente pedido se fundem acima de 1400° C). À medida que o aço se amacia, um glóbulo de aço fundido forma a coalescência das extremidades do filamento de aço em um único esferoide no mesmo momento em que as pinças de montagem se movimentam em direção uma com relação à outra.
[0043] Ao atingir uma trajetória de pinça prevista, a corrente contínua é ininterruptamente baixada de um nível de corrente de soldagem para uma corrente contínua controlada pós-soldagem por um intervalo de tempo pós-soldagem previsto. Após esse período previsto, a corrente pós-soldagem é desligada e a solda obtida é deixada resfriar.
[0044] Uma característica do método é que na presente invenção a corrente pós-soldagem é controlada de tal modo que a energia elétrica dissipada entre as pinças seja direcionada para um nível constante durante o período pós-soldagem. A energia elétrica dissipada é o produto da tensão sobre as pinças multiplicado pela corrente ao longo das pinças. É importante notar que esta força elétrica é independente da resistência elétrica entre as pinças. O nível constante é atingido depois de um certo tempo de transição. Após esse tempo, o nível é mantido constante.
[0045] A resistência elétrica entre as pinças é a soma da resistência de contato RL entre a pinça esquerda e o cabo de aço, da resistência da solda por si só RW e da resistência RR entre o cabo de aço e a pinça direita. A resistência da solda RW dependerá da forma como os filamentos se encaixam exatamente na solda. Isto poderá variar de solda para solda devido à orientação irregular das extremidades de filamento que ficam de frente uma para a outra antes da soldagem. As resistências das pinças de solda RL e RR podem também variar de pinça para pinça dependendo de como exatamente os filamentos individuais são dispostos nas pinças à medida que os filamentos se reorganizam nas pinças.
[0046] Quando no momento de a corrente pós-soldagem lpw ser suprida em um modo de corrente constante, a potência dissipada se torna: P = lpw2^ (RL + RW + RR)
[0047] Essa energia elétrica depende das resistências de contato de pinça e da resistência de soldagem que podem variar de evento de pinça para evento de pinça, mesmo no mesmo cabo. Isto introduz uma variabilidade sobre a potência pós-solda injetada.
[0048] No momento de se detectar a tensão U sobre a pinça, a corrente pós-soldagem é direcionada de tal modo que o produto da tensão e da corrente permaneça constante: P = U • lpw
[0049] A variabilidade das resistências de contato de pinça e da resistência de solda desaparece e cada solda é nesse momento feita exatamente com a mesma potência pós-soldagem.
[0050] A potência pós-soldagem é ajustada de modo a manter a solda em uma temperatura entre 300° C a 700° C, de preferência entre 400 a 650° C, ou mais preferivelmente entre 500° C a 600° C durante um tempo suficiente para induzir as transformações metalográficas no glóbulo de solda. A potência necessária para manter a solda em uma certa temperatura diminui com a diminuição do diâmetro e com a diminuição do número de filamentos, uma vez que essas diminuições determinam a massa do glóbulo de solda. Dependendo do tipo de construção (mais especificamente, o número de filamentos) e do diâmetro dos filamentos do cabo de aço, esta potência poderá variar entre 5 watts (para poucos filamentos e/ou filamentos finos) a 100 watts (para muitos filamentos e/ou filamentos mais espessos).
[0051] Pequenas variações absolutas na resistência de contato e/ou na resistência de soldagem resultam em altas diferenças relativas de potência dissipada ao se trabalhar com correntes pós-soldagem constantes. O método da presente invenção elimina completamente esta variabilidade. Desta maneira, o nível de controle de potência se torna muito importante ao se soldar cabos de aço com filamentos finos. A maior parte do calor é perdida através da condução de calor para as pinças de solda, ao mesmo tempo que a perda de calor para o ar ambiente ou por radiação não influencia esta potência necessária para um nível apreciável.
[0052] A potência necessária pode ser selecionada da seguinte maneira: • quando a potência pós-soldagem é demasiadamente baixa, a solda irá se resfriar para uma temperatura muito baixa (inferior a 300° C) e o glóbulo de aço fundido irá se condensar em uma estrutura martensítica. • quando a potência pós-soldagem é demasiadamente elevada, a solda permanece acima de 700° C e depois de a potência pós-soldagem ser desligada, mais uma vez uma estrutura martensítica se forma, resultando em uma solda frágil.
[0053] A corrente pós-soldagem é direcionada para o nível de potência constante durante um intervalo de tempo pós-soldagem dentre 5 a 50 segundos, mais uma vez dependendo do tipo de construção. Quando o intervalo de tempo pós-soldagem fica abaixo de 5 segundos, a solda se torna martensítica, uma vez que a transformação para perlita e/ou bainita não se completa. Quando o intervalo de tempo pós-soldagem é maior que 50 segundos, grãos de martensita não temperados tendem a se formar também no interior da solda. Tipicamente, os tempos pós-soldagem irão se situar entre 5 a 30 segundos.
[0054] Um aspecto importante do método é que a comutação ou transição da corrente contínua de um nível de corrente de soldagem para um nível de corrente pós-soldagem é feita sem interrupção. Uma interrupção mais suave poderá resultar na formação de uma fase martensítica que, mais tarde, deve ser recozida. Isto é importante, uma vez que a massa no glóbulo de solda é tão pequena que todo o calor é perdido para as pinças dentro de milissegundos.
[0055] Depois da soldagem, a rebarba de solda é removida - se necessário - por meio de martelamento ou fricção com papel de esmeril, tal como é comum no campo da técnica.
[0056] Em uma outra modalidade preferida do método, o tempo de transição do nível de corrente de soldagem para a corrente pós- soldagem controlada pode ser definido. Na metalografia do aço, são de importância não só os níveis de temperatura, mas também a velocidade de resfriamento. Uma vez que a massa do glóbulo de solda é muito pequena (na ordem de miligramas), o resfriamento do glóbulo poderá ocorrer com taxas de resfriamento superiores a 1000 K/s.
[0057] A taxa de resfriamento aumenta de acordo com a diminuição do diâmetro de filamento. Deste modo, quando se solda finos fios de aço, por exemplo, em um cabo de aço de acordo com a presente invenção, é importante resfriar a solda de uma maneira controlada através da regulagem da potência de aquecimento alimentada para a solda no momento de pós-soldagem, uma vez que o resfriamento supera o aquecimento. Nesse caso, o tempo de transição controlada se torna importante. Para a soldagem de fios espessos, a situação é inversa: a fim de obter um resfriamento suficientemente rápido depois da soldagem, a corrente é completamente desligada e um resfriamento forçado é ainda aplicado, uma vez que a drenagem do calor através das pinças não é suficiente para resfriar a solda de maneira suficientemente rápida.
[0058] A fim de não ir muito rápido para um nível de potência controlada correspondente a uma temperatura pós-soldagem, o tempo de transição ou a constante de tempo desde o momento do nível de corrente de soldagem até o momento do nível de corrente pós- soldagem é de preferência controlável dentre 10 a 1000 ms. Tempos mais curtos que 10 ms não são necessários, uma vez que o tempo de resfriamento é de qualquer modo mais lento do que isso. Tempos maiores que 1000 ms faz com que a soldagem se torne um processo muito demorado. Este tempo de transição tem uma influência sobre a largura da fase martensítica não temperada na solda: uma transição muito rápida resulta em uma martensita não temperada na borda entre a pinça de solda e a própria solda. Uma vez que a pinça de solda atua como um dissipador de calor, o resfriamento é mais rápido nesse ponto.
[0059] Possivelmente, pode-se considerar uma etapa de recozimento adicional caso a região martensítica não temperada ainda não esteja presente. A etapa de recozimento é de preferência realizada sem a necessidade de se remover a solda das pinças de solda.
[0060] De acordo com um terceiro aspecto da presente invenção, é reivindicado um aparelho de solda topo a topo por resistência. O mesmo compreende pinças de solda que são relativamente móveis uma com relação à outra ao longo de um eixo comum, uma fonte de corrente controlável para a alimentação de corrente para as pinças, e um controlador programável.
[0061] Diferentemente do que acontece nos aparelhos de solda atualmente conhecidos para cabos de aço, a fonte de corrente controlável é uma fonte de corrente contínua. A corrente contínua é, para os fins do presente pedido, uma corrente que não inverte a direção duas vezes dentro de um período inferior a 15 ms. Em alternativa, a corrente contínua não tem componentes de frequência maiores entre 45 e 65 Hz. Além disso, esta saída de corrente contínua pode ser controlada no tempo pelo controlador programável. Desta forma, os níveis de corrente em diferentes intervalos de tempo e/ou em momentos de aceleração ou de desaceleração, ou seja, em tempos de transição, podem ser ajustados à vontade para um melhor controle da solda, tal como descrito no aspecto do método da presente invenção.
[0062] O aparelho de solda tem ainda um sensor de tensão que detecta a tensão entre as pinças, cuja tensão detectada é uma entrada para o controlador programável.
[0063] O sensor de tensão permite controlar o produto da tensão e corrente detectadas - ou seja, a potência - alimentada para a solda. Este produto é, ao longo de intervalos de tempo programáveis, direcionado para um nível definido. Esse direcionamento é feito ao se ajustar a corrente, ao mesmo tempo em que se detecta a tensão.
[0064] Uma outra característica vantajosa do aparelho de solda é que o modo de detecção pode ser comutado dentro de um tempo muito curto entre: • um modo de saída de corrente controlada no qual o controlador direciona a corrente emitida de acordo com um perfil de tempo de corrente pré-programado ou; • um modo de tensão controlada no qual o controlador direciona a tensão detectada de acordo com um perfil de tempo de tensão pré-programada ou; • um modo de potência de saída controlada no qual o controlador direciona a potência emitida de acordo com uma potência pré-programada versus um perfil de tempo, e no qual a potência é a tensão detectada multiplicada pela corrente emitida.
[0065] O aparelho de solda pode ser mudado de um modo de operação para quaisquer outros modos de operação dentro de 10 ms. Por exemplo, durante a soldagem, a corrente de soldagem seguirá um traço pré-programado, no entanto, assim que as pinças de solda atingem a sua trajetória prevista, o aparelho muda para um modo de potência de saída controlada entre as pinças.
[0066] Como uma outra característica vantajosa do aparelho de solda, o tempo de transição, tal como, por exemplo, a constante de tempo no caso de uma curva exponencial, ou o aumento ou a diminuição do tempo no caso de uma curva linear a fim de comutar de uma corrente, tensão ou nível de potência para outra corrente, tensão ou nível de potência, poderá ser controlado entre 10 ms e 1000 ms.
BREVE DESCRIÇÃO DAS FIGURAS NOS DESENHOS
[0067] A Figura 1 descreve um procedimento de soldagem da técnica anterior.
[0068] A Figura 2a e a Figura 2b ilustram as dependências de tempo da corrente (2a) e da potência (2b) de acordo com uma primeira modalidade do método em modo de corrente controlada.
[0069] A Figura 3a e a Figura 3b ilustram as dependências de tempo da potência (3a) e da corrente (3b) de acordo com uma segunda modalidade do método no qual o nível de potência pós- soldagem é controlado.
[0070] A Figura 4 ilustra o problema da resistência de pinça.
[0071] A Figura 5a e a Figura 5b mostram uma vista macroscópica e uma vista microscópica da solda com as diferentes características metalográficas.
[0072] A Figura 6 é uma representação esquemática do aparelho de solda de acordo com o terceiro aspecto da presente invenção.
MODO(S) DE REALIZAÇÃO DA INVENÇÃO
[0073] A Figura 1 descreve o ciclo de solda de acordo com o procedimento conhecido. Nesse processo, as extremidades de um cabo de aço são cortadas niveladas e montadas entre as pinças de solda móveis. As pinças de solda pressionam ligeiramente as extremidades do cabo de aço uma contra a outra. Ao suprir uma corrente AC, a área de contato começa a se fundir e se forma um glóbulo de aço fundido. As extremidades do cabo de aço são pressionadas uma à outra e quando as pinças atingem a uma posição fechada, a corrente é automaticamente cortada depois de um tempo de soldagem Δtw. O glóbulo se condensa em uma estrutura martensítica não temperada. Uma vez que esta estrutura é forte, porém muito quebradiça, a mesma deve ser temperada. Por conseguinte, a solda fresca é removida das pinças de solda e colocada entre duas pinças de recozimento. A corrente alternada das pinças de recozimento é limitada de tal modo que o glóbulo não se aqueça demasiadamente. Ao se fazer soldas com o procedimento acima, em um cabo de aço aberto Betru® de 5 x 0.22 da empresa Bekaert, apenas 7 das 10 soldas passam no teste de tração de 40 % vezes a carga de ruptura mínima do cabo (630 N).
[0074] A Figura 6 mostra uma vista geral esquemática do aparelho de solda topo a topo 600 de acordo com o terceiro aspecto da presente invenção. O mesmo compreende pinças de solda 610, 610' montadas sobre um trilho comum 614 que também inclui um codificador de posição, tal como um sensor de proximidade indutivo ou um sensor de distância a laser ou um sensor de posição similar ao detectar a distância entre as pinças 610, 610' ao longo do trilho 614. As pinças de solda 610, 610' são empurradas uma contra a outra por meio de um sistema acionado a mola 606, 606' ou sistema similar, tal como, por exemplo, um êmbolo pneumático, por peso ou por força magnética.
[0075] O aparelho de solda 600 compreende ainda uma fonte de corrente CC controlável 620 que pode prover até 300 A. O aparelho compreende ainda um Controlador Lógico Programável (PLC) 618 a fim de orientar o processo de soldagem. O programador PLC 618 permite o desenho livre de perfis de suprimento de corrente particulares l(t) às pinças por meio do direcionamento da fonte de corrente controlável 620. Por exemplo, esse desenho permite ir de um nível de corrente para outro nível de corrente dentro de limitações de tempo adaptáveis.
[0076] O programador PLC é alimentado com duas entradas: há a entrada da trajetória de pinça 616 que sinaliza ao programador PLC quando as pinças de solda se aproximam suficientemente uma da outra durante uma soldagem, deste modo, sinalizando o término da etapa de soldagem. Ao mesmo tempo, através de um medidor de tensão 624, a tensão U(t) detectada nas pinças 610, 610' é seguida ao longo do tempo e alimentada para a unidade de programador PLC 618 através da entrada 626. Uma vez que o programador PLC conhece a corrente de saída l(t) e a tensão de entrada U(t), a multiplicação de ambas resulta na potência P emitida entre as pinças (P = U • I). A potência P pode ser direcionada para um valor especificado ao longo dos intervalos de tempo previstos conforme programados no programador PLC. A potência é direcionada através da variação da corrente através da fonte de corrente controlável 620.
[0077] Por conseguinte, o aparelho de solda permite comutação de um modo de saída de corrente controlada para um modo de saída de potência controlada. É importante que a transição do regime de controle seja rápida e que o tempo de comutação fique dentro de 10 ms. Isto pode ser obtido por meio da seleção de uma fonte de corrente apropriada e do ciclo de relógio do programador PLC. É ainda possível um modo detectado de tensão controlada, sendo que a tensão detectada ao longo da solda é controlada para um certo nível ao se direcionar a corrente ao longo da solda.
[0078] Em uma outra versão aperfeiçoada do aparelho de solda, o tempo de transição necessário para ir de um nível de corrente para outro nível de corrente dentro do modo de saída de corrente controlada pode ser controlado entre 10 e 1000 milissegundos (ms). De maneira alternativa, no modo de saída de potência controlada, o tempo de transição necessário para comutar de um nível de potência para outro nível pode ser direcionado dentro de 10 a 1000 ms. O modo detectado de tensão controlada é o menos usado, mas também, nesse caso, os mesmos tempos de transição poderão ser alcançados. A transição de um nível de corrente para um outro nível de corrente ou de um nível de potência para outro nível de potência pode ser programada ao longo de uma curva linear com relação ao tempo. A transição mais preferida é quando a transição segue uma curva de decaimento ou de crescimento exponencial, uma vez que a mesma fica alinhada com as curvas de decaimento natural do aparelho.
[0079] O valor de potência de pós-soldagem Ppw (em watts) é dependente do tipo de construção de cabos de aço e é, em grande parte, dependente do número de filamentos e diâmetros. O mesmo deve ser estabelecido em uma série de tentativas preliminares, porém, uma vez conhecido, o programador PLC poderá ser programado para o valor ideal com relação a cada construção de cabo de aço.
[0080] Na Figura 2a, é apresentado um perfil de corrente prático 100 para soldagem, de acordo com a presente invenção. O perfil compreende uma curva de crescimento exponencial para o nível de corrente de solda lw por um intervalo de tempo de soldagem Δtw, imediatamente seguido por um decaimento para um nível de corrente pós-soldagem lpw. O nível de corrente pós-soldagem pw é mantido por um intervalo de tempo pré-programado Δtpw. A transição do nível de corrente de solda para o nível de corrente pós-soldagem é acionada pelo sensor de posição 616 do aparelho de solda. Quando as pinças ficam suficientemente próximas uma da outra, esta aproximadamente será uma indicação de que o glóbulo de aço fundido se formou. Em contrapartida à prática estabelecida, a pós-soldagem ocorre imediatamente após a fase de solda, e a solda não é deixada resfriar. Somente depois da fase pós-soldagem é que a solda se resfria à temperatura ambiente. Nesse caso, a rebarba de solda é também removida por meio de uma operação de martelamento ou de fricção com uma lixa de papel (se necessário).
[0081] No regime pós-soldagem, a corrente através da solda se nivela a um nível de corrente contínua pós-soldagem lpw. A transição se completa dentro de um tempo de transição de 3 • T, no qual T é a constante de decaimento exponencial da corrente, ou seja, o tempo necessário para decair para 1 % e/ou 37 % da diferença entre a corrente de solda e a corrente pós-soldagem. O tempo de transição 3 • t pode ser ajustado entre 10 a 1000 ms.
[0082] Durante os experimentos com esta configuração, os inventores descobriram que algumas soldas parecem ter um brilho vermelho escuro, enquanto que outras soldas não brilham, embora o perfil de corrente suprido permanecesse inalterado e a construção fosse exatamente a mesma. As soldas que brilham vermelho escuro, mais tarde se revelaram mais frágeis do que as soldas então não brilhantes. Os inventores atribuem esse aspecto, sem, no entanto, ficar limitados a nenhuma teoria em particular, à resistência de solda variável ou à resistência de contato variável entre as pinças de solda e o cabo de aço.
[0083] Com efeito, tal como ilustrado na Figura 4, a área de contato de uma pinça 410 com os filamentos 402, 402', 402" de um cabo de aço irá depender da posição dos diferentes filamentos. Uma vez que os filamentos são torcidos em torno um do outro, os pontos de contato elétrico interno 406 (as elipses cheias) entre os filamentos de aço e os pontos de contato a partir dos filamentos de aço para as pinças 404 (as elipses vazias) ocorrerão de uma forma errática de evento de contato para evento de contato. Deste modo, as resistências de pinça RL e RR diferem de evento de pinça para evento de pinça. Alem do que também haverá uma variação sobre como os filamentos do cabo de aço irão se contatar um com o outro durante a soldagem, resultando em uma variação na resistência de solda, uma vez que este contato ocorre de uma forma não repetitiva.
[0084] Como resultado, a potência suprida entre as pinças irá também variar, tal como é ilustrado na Figura 2b. Na figura, é mostrada a potência suprida P = I2 • R para uma resistência total R = RL + Rw + RR. Uma diminuição na resistência de 90 % de R (bom contato elétrico) resulta em uma curva inferior 108, enquanto um aumento na resistência de 110 % de R (mau contato elétrico) resulta em um aumento da potência suprida (112) ao longo de todo o ciclo de soldagem.
[0085] Para agravar ainda mais a situação: é uma regra de ouro na física que um bom contato elétrico é também um bom contato condutor de calor e vice-versa. O aumento da potência que é suprida para a solda e que é convertida em calor quando uma alta resistência elétrica se encontra presente também não poderá escapar da solda. Como consequência, a solda se aquece ainda mais do que o esperado.
[0086] Embora esta questão não seja tanto um problema durante o intervalo de tempo de solda Δtw, uma vez que o objetivo é trazer o aço para acima da sua temperatura de fusão ou de preferência para uma temperatura um pouco mais elevada, este aspecto tem uma influência profunda sobre a metalografia da solda no regime pós-soldagem. Uma alta resistência de contato demasiadamente elevada poderá, por conseguinte, elevar a temperatura da solda no regime pós-soldagem bem acima da faixa de temperatura desejável de 300 a 700° C. Por outro lado, uma resistência de contato muito baixa poderá resultar em temperaturas muito baixas. Ambas as situações poderão conduzir à formação de fases martensíticas não temperadas ou até mesmo a fases misturadas não controladas, que não deveriam ocorrer em uma boa solda.
[0087] A fim de superar esta situação desfavorável, o aparelho de solda de acordo com a presente invenção foi adaptado de modo a comutar para um modo de potência constante assim que a solda seja estabelecida. Isto é ilustrado na Figura 3a, na qual a energia elétrica dissipada entre as pinças é mostrada, e a corrente elétrica que passa com a mesma é mostrada na Figura 3b. Durante a solda, ou seja, durante o intervalo de tempo Δtw, o programador PLC é programado em um modo de corrente constante. Por conseguinte, a potência dissipada durante a soldagem irá variar de acordo com a resistência total entre as pinças, tal como ilustrado pelas linhas 302 e 304 da Figura 3a. A linha 302 corresponde a um aumento para 1,1 x R na resistência, enquanto que a curva 304 corresponde a uma diminuição na resistência para 0.9 x R. A curva 300 é o traço de potência obtido com a resistência R. Para colocar as coisas em perspectiva: R é de cerca de 25 mQ para um cabo aberto Betru® de 5 x 0,22. A Figura 3b ilustra que no regime pós-soldagem, a corrente pode cair para diferentes níveis a fim de obter a mesma saída de potência. Nesse caso, a curva 314 irá corresponder a uma resistência de baixo nível (0,9 x R), enquanto que a curva 312 irá corresponder a uma resistência de alto nível (1,1 x R). Tal como durante a fase de solda, a corrente é controlada, as três curvas se coalescem nessa situação.
[0088] Uma vez que a potência suprida entre as pinças de solda é idêntica de solda para solda (ou seja, de evento de pinça para evento de pinça), durante a fase pós-soldagem a temperatura é mais bem controlada. Como resultado, a metalurgia é mais bem controlada e fases perlíticas e/ou bainíticas favoráveis se formam na solda durante a pós-soldagem. Isso ficou claro também durante os testes nos quais 10 soldas foram feitas em um cabo Betru® de 5 x 0.22 e todas as 10 soldas passaram sem problemas no teste de soldagem.
[0089] Isto é ainda ilustrado nas Figuras 5a e 5b, nas quais a metalurgia de uma solda favorável é mostrada. A solda foi obtida em um cabo Betru® de 5 x 0,22, com uma corrente de soldagem de 110 A que permaneceu por cerca de 122 ms (trajetória de pinça determinada). A potência pós-soldagem foi ajustada para 13 W. O tempo de decaimento de corrente pós-soldagem (3 • T) ou o tempo de transição foi ajustado para 130 ms, ou seja, após 130 ms, a potência se mostrou estável. O intervalo de tempo pós-soldagem foi ajustado para 8000 ms.
[0090] A Figura 5a mostra a solda em sua totalidade. Zonas martensíticas não temperadas 504, 504' se encontram ainda presentes, porém as mesmas têm menos de 300 μm de largura. Na zona intermediária 502, uma fase misturada de perlita e bainita se encontra presente, a mesma ocupando 53 % do total da zona afetada pelo calor. A fase misturada de perlita e bainita é exemplificada na Figura 5b.

Claims (12)

1. Solda entre duas extremidades de cabos de aço, os ditos cabos de aço compreendendo uma pluralidade de filamentos de aço carbono perlítico trefilado, cada um dos ditos filamentos possuindo uma área em seção transversal de menos de 0,2 mm2 caracterizada pelo fato de que uma seção transversal metalográfica da zona afetada pelo calor da dita solda compreende estruturas metalográficas de perlita e bainita em uma quantidade em que a fração de área ocupada pela perlita e bainita é maior do que 50 % da área total da zona afetada pelo calor.
2. Solda, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que a dita seção transversal metalográfica da zona afetada pelo calor da dita solda ainda compreende estruturas metalográficas de martensita não temperada na transição da dita solda para os ditos filamentos.
3. Solda, de acordo com a reivindicação 2, caracterizada pelo fato de que a dita estrutura metalográfica de martensita não temperada na transição da dita solda para os ditos filamentos é mais fina que 600 μm.
4. Método de produção de uma solda entre extremidades de cabos de aço (602,602’), os ditos cabos de aço compreendendo uma pluralidade de filamentos de aço carbono perlítico trefilado, cada um dos ditos filamentos possuindo uma área em seção transversal de menos de 0,2 mm2, compreendendo as seguintes etapas: proporcionar duas extremidades do cabo de aço que são cortadas niveladas; montar as ditas extremidades de cabo de aço axialmente alinhadas nas pinças de solda axialmente móveis (610, 610’) de um aparelho de solda (600); pressionar de maneira controlada as ditas extremidades de cabo de aço uma contra a outra, e ao mesmo tempo alimentar uma corrente contínua em um nível de corrente de soldagem para as ditas pinças (610, 610’), formando, desse modo, um glóbulo de aço fundido; ao atingir uma trajetória de pinça prevista, baixar a dita corrente contínua para uma corrente contínua controlada pós- soldagem, que é controlada em um intervalo de tempo pós-soldagem previsto; resfriar a solda obtida após comutação da dita corrente contínua pós-soldagem; caracterizado pelo fato de que a dita corrente pós-soldagem é controlada de tal modo que a energia elétrica dissipada entre as pinças seja direcionada para um nível de potência constante durante o dito intervalo de tempo pós- soldagem.
5. Método, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que a transição da dita corrente contínua do dito nível de corrente de soldagem para a dita corrente controlada pós-soldagem é sem interrupção.
6. Método, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que a dita transição da corrente contínua do nível de corrente de soldagem para a dita corrente controlada pós-soldagem é controlada dentro de um tempo de transição entre 10 a 1000 milissegundos.
7. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 4 a 6, caracterizado pelo fato de que a dita corrente pós-soldagem é tal que a potência dissipada esteja entre 5 e 100 watts por um período entre 5 a 50 segundos.
8. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 4 a 7, caracterizado pelo fato de que é ainda seguido pela etapa separada de recozer a dita solda com uma potência de recozimento controlada ajustada para um nível de potência previsto por um determinado período de tempo.
9. Método, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que a dita solda não é removida das ditas pinças de solda axialmente móveis antes da e durante a dita etapa de recozimento.
10. Aparelho de solda topo a topo por resistência (600) compreendendo pinças de solda (610, 610’) relativamente móveis uma com relação à outra ao longo de um eixo comum, um controlador programável (618), uma fonte de corrente contínua controlável (620) para a alimentação de corrente para as ditas pinças (610, 610’) a partir da qual a corrente, como uma função de tempo, é controlada pelo dito controlador programável (618) e um sensor de tensão (624) para detecção da tensão entre as ditas pinças de solda (610, 610’), em que a dita tensão detectada é uma entrada para o dito controlador programável (618), caracterizado pelo fato de que, durante intervalos de tempo programáveis, o produto da corrente emitida e da tensão detectada, isto é, a saída de potência, é controlado para um nível definido pelo dito controlador programável (618).
11. Aparelho de solda topo a topo por resistência (600), de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que o dito controlador programável (618) pode ser comutado dentro de 10 milissegundos entre um modo de saída de corrente controlada e um modo de saída de potência controlada ou entre um modo detectado de tensão controlada e um modo de saída de potência controlada ao longo de intervalos de tempo especificados.
12. Aparelho de solda topo a topo por resistência (600), de acordo com a reivindicação 10 ou 11, caracterizado pelo fato de que o tempo de transição para comutar de qualquer um dentre nível de corrente, de tensão ou de potência para qualquer outro nível de corrente, de tensão ou de potência pode ser controlado entre 10 e 1.000 milissegundos.
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