PT1849552E - Dispositivo para unir pelo menos dois componentes de materiais diferentes a um pino que apresente pelo menos um elemento moldado constituído como gume - Google Patents

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1 DESCRIÇÃO "DISPOSITIVO PARA UNIR PELO MENOS DOIS COMPONENTES DE MATERIAIS DIFERENTES A UM PINO QUE APRESENTE PELO MENOS UM ELEMENTO MOLDADO CONSTITUÍDO COMO GUME" A presente invenção refere-se a um dispositivo para unir pelo menos dois componentes de materiais diferentes, principalmente componentes metálicos de diferentes materiais, com diferentes pontos de fusão por meio de soldagem por fricção e agitação conforme o termo genérico da reivindicação 1 (ver, sobretudo, WO 01/28732 A). A soldagem por fricção e agitação apresenta, relativamente a outros processos de união, uma série de vantagens. Por exemplo, é necessário utilizar um elemento de união auxiliar na muito utilizada rebitagem de perfurar, o que produz um peso adicional, assim como, custos adicionais. Outro processo Standard é a união mecânica, o que porém não permite frequentemente obter uma suficiente consistência da união produzida.

Na soldagem por fusão ou brasagem de diferentes materiais, sobretudo de materiais em alumínio e aço, ocorrem na prática, durante a mistura dos materiais, fases intermetálicas, que causam uma fragilidade indesejável da costura de solda.

Um outro processo de união conhecido é a soldagem por fricção, na qual uma das peças a unir é colocada em rotação e é pressionada sob pressão axial, com o seu lado frontal sobre a superfície de contacto de uma segunda parte de união imobilizada. Ocorre, assim, na área das superfícies de contacto uma união das peças (Lexikon Produktionstechnik 2

Verfahrenstechnik, Edição: Heinz M. Hiersig, VDI-Verlag

Dusseldorf, 1995). Uma desvantagem na soldagem por fricção é poder ligar apenas peças umas às outras que sejam simetricamente rotativas ou, pelo menos, que sejam rotativas. 0 Instituto de Pesquisa de Material do Centro Alemão Aerospacial (DLR) já deu a conhecer um processo para a soldagem por fricção e agitação de componentes reciprocamente dispostos numa junta soldada topo a topo (publicação na Internet do DLR: http://www.dlr.de/wf/forschung/fsw). No conhecido processo, um pino rotativo que sobressai de um ombro cilíndrico, é pressionado com muita força dentro da junta soldada topo a topo de duas chapas, e é deslocado ao longo da linha de união. 0 material é aquecido pela fricção entre o ombro e a peça de trabalho e é agitado pela rotação do pino, de modo a unir as duas chapas num processo de deformação a quente. Como é conhecido, pode tratar-se aqui nas partes a unir de componentes em alumínio e aço. Neste caso, o alumínio é amolecido pela ferramenta de fricção e agitação ao longo da linha de união, ficando num estado pastoso. 0 bordo de união do lado do aço permanece no estado sólido e é mecanicamente tratado pela ferramenta.

Uma desvantagem do conhecido processo é que a ferramenta de fricção e agitação quebra facilmente na prática, uma vez que durante o avanço ao longo da linha de união é exercida uma forte carga transversal sobre o pino. Este perigo é particularmente elevado no momento de iniciar a soldagem, quando a ferramenta de união ainda não chegou à sua temperatura de funcionamento e, por conseguinte, apresenta uma fragilidade ainda maior. Outra desvantagem é que, devido ao processo de união e ao tipo de costura de solda, é necessário um constrangimento maciço dos componentes e um apoio, principalmente do lado de trás do componente oposto à 3 ferramenta de união, para evitar que os componentes possam sair da sua posição prevista devido às elevadas forças exercidas durante o processo de união. Por isso é que o processo só pode ser utilizado de forma limitada em determinadas aplicações, sobretudo aplicações no ramo automóvel, como a construção de carroçaria. Por fim, ainda não foi possível detectar completamente a raiz de soldadura no conhecido processo. Já se realizaram na prática soldagens por sobreposição ao longo de uma linha de união entre o aço e o alumínio. Porém, ainda não se observaram resultados de soldagem satisfatórios.

Por fim, conhece-se da prática um processo para unir ponto a ponto componentes de alumínio sobrepostos, através da soldagem por fricção e agitação, que possa ser aplicado sobretudo na produção de portas para automóveis. No conhecido processo, um ombro de ferramenta e um pino que sobressai do ombro de uma ferramenta de união são colocados em rotação à volta do eixo longitudinal do pino. Um movimento da ferramenta de união na direcção do eixo longitudinal do pino permite que este seja colocado, na área da sobreposição dos componentes, essencialmente na vertical sobre a superfície do primeiro dos componentes por unir e que seja introduzido no primeiro componente por unir, em parte no segundo componente. Ocorre, assim, uma fusão e agitação dos materiais dos componentes na área do pino introduzido. Na introdução do pino, o ombro da ferramenta em rotação entra em contacto com a superfície do primeiro componente, obtendo-se outro aquecimento e amolecendo-se os componentes. Para apoiar o processo de enchimento do orifício provocado pelo pino nos componentes com material dos componentes, pode-se introduzir parcialmente o ombro no primeiro dos componentes. De seguida, 4 o pino é recolhido no ombro. Depois de recolher completamente o pino no ombro, a ferramenta de união é afastada dos componentes e o material fundido solidifica. Na área, onde o pino foi introduzido nos componentes, forma-se assim uma junta soldada por pontos entre os componentes. Este processo pode ser repetido em outros pontos dos componentes para produzir uma junta soldada por pontos. Com o conhecido processo é possivel produzir em série juntas soldadas por pontos de peças alumínio iguais por meio de soldagem por fricção e agitação, onde o desgaste da ferramenta é reduzido, pois não é exercida uma elevada carga transversal sobre a ferramenta de união.

Porém, sobretudo na indústria automóvel é desejável produzir juntas de uniões entre diferentes materiais, como por exemplo entre componentes de alumínio e de aço, e assim adaptar de forma optimizada os componentes aos esforços que surgem no funcionamento e, simultaneamente, poupar o maior peso possível.

Os documentos das patentes US 5.893.507 A, US 5.697.544 A, US 6.676.008 Bl, bem como, o documento JP 2002-079383 anunciam um dispositivo para soldar por fricção e agitação com um ombro e um pino, podendo este último possuir uma rosca, prega ou entalhe. Estas constituições do pino permitem guiar e misturar o material amolecido pela soldagem por fricção e agitação. A invenção pretendia disponibilizar um dispositivo do tipo inicialmente mencionado, com o qual se consegue produzir, com elevada produtividade, juntas soldadas de elevada qualidade entre componentes de diferentes materiais. O dispositivo pretende ser particularmente adequado a aplicações no ramo automóvel. 5 0 objectivo é resolvido por um dispositivo para unir pelo menos dois componentes de materiais diferentes, principalmente componentes metálicos de diferentes materiais, com diferentes pontos de fusão por meio de soldagem por fricção e agitação conforme a reivindicação 1. 0 dispositivo é adequado a um processo para unir pelo menos dois componentes de diferentes materiais, sobretudo componentes metálicos de diferentes materiais, através da soldagem por fricção e agitação, no qual os componentes são, pelo menos parcialmente, sobrepostos uns nos outros, no qual um ombro de um dispositivo de união e um pino do dispositivo de união deslocável entre uma posição que sobressai do ombro na direcção do seu eixo longitudinal e uma posição recolhida no ombro, podem ser colocados em rotação à volta do eixo longitudinal do pino, em que o pino rotativo é introduzido, na área de sobreposição dos componentes na direcção do seu eixo longitudinal, num primeiro componente que forma a sobreposição, pelo menos até chegar à superfície de um segundo componente que forma a sobreposição, em que o pino é depois removido dos componentes por unir e em que, por exemplo, passa uma corrente eléctrica pelos componentes por unir. A invenção tem por base o conhecimento surpreendente que é possível unir reciprocamente diferentes materiais ao dispositivo em conformidade com a invenção para a soldagem por fricção e agitação, de modo a obter uma junta soldada que cumpre elevados requisitos. Devido à carga transversal quase nula sobre o dispositivo de união, há um menor desgaste da ferramenta e, consequentemente, uma elevada produtividade. Surpreendentemente, é em especial possível unir satisfatoriamente materiais com por ex. pontos de fusão e/ou consistências substancialmente diferentes, como é por ex. o 6 caso nos materiais em alumínio por um lado, e em materiais de aço por outro lado.

Verificou-se particularmente que para uma união suficientemente firme entre componentes de diferentes materiais basta que o pino seja introduzido essencialmente apenas até à superfície do segundo componente. Não é forçosamente necessário fundir o segundo componente nem introduzir o pino no segundo componente para obter uma união satisfatória. 0 termo diferente neste contexto da invenção significa que os componentes se distinguem substancialmente em pelo menos uma das suas características para o processo de união. As diferenças dos componentes podem, por exemplo, residir nas suas características mecânicas (por ex. consistência, etc.), características químicas e físicas (por ex. ponto de fusão, densidade, etc.), características de campo (por ex. características magnéticas/eléctricas, etc.) ou características de processamento técnico. Um exemplo para materiais diferentes no sentido da invenção é, por um lado, materiais em alumínio e, por outro lado, materiais de aço. Mas é óbvio que também se podem considerar outras combinações de materiais, por exemplo utilizando materiais de magnésio.

Normalmente, o pino é introduzido na área de sobreposição dos componentes essencialmente na vertical em relação à superfície do primeiro componente. Tanto o pino como o ombro podem apresentar, de um modo muito simples, uma forma essencialmente cilíndrica. Neste sentido, o ombro pode ser constituído em forma de um cilindro oco, em que o diâmetro da cavidade corresponde essencialmente ao diâmetro do pino, e o comprimento da cavidade corresponde essencialmente ao comprimento do pino, de modo a poder recolhê-lo facilmente no ombro. 7 0 primeiro componente que entra em contacto com o pino rotativo é aquecido pela fricção que se cria entre o pino rotativo e o componente, de modo a causar localmente um amolecimento, ou seja, uma transição do material para um estado pastoso, principalmente porém uma fusão. Deste modo, o pino pode ser introduzido no primeiro componente, através de uma força axial na direcção do seu eixo longitudinal. Neste caso, o material do primeiro componente é empurrado pelo pino. Isto por ocorrer, por um lado, por uma compactação do material nas áreas do primeiro componente envolvidas pelo pino. Por outro lado, uma parte do material pode ser empurrada para a superfície do componente. 0 pino rotativo é introduzido no primeiro componente, pelo menos até chegar à superfície do segundo componente. 0 pino penetra, portanto, completamente o primeiro componente na área de sobreposição. Consegue-se, assim, ligar os materiais dos componentes na área de contacto dos componentes. Isso não requer forçosamente um amolecimento ou fusão do segundo componente. Podemos aliás também dizer que o amolecimento ou fusão apenas do material do primeiro componente e a agitação deste material, causada pelo pino rotativo, permite obter uma união suficientemente firme dos componentes na área de sobreposição, pelo facto do material do primeiro componente aderir ao material do segundo componente. Numa fusão adicional do segundo componente ocorre uma mistura dos materiais fundidos, obtendo-se deste modo uma união entre os componentes.

Em princípio é óbvio que é possível considerar o pino ser introduzido de modo a penetrar também o segundo componente, pelo menos parcialmente.

Ao recolher o pino dos componentes obtém-se, através do material amolecido, sobretudo fundido, pelo menos do primeiro componente, um enchimento abrangente do orifício deixado pelo pino com material amolecido ou fundido.

De seguida, o material solidifica na área de introdução do pino, obtendo-se uma junta soldada por pontos dos componentes.

As juntas soldadas assim obtidas, sobretudo entre componentes metálicos de diferentes materiais, como por exemplo materiais de alumínio e de aço, distinguem-se por zonas muito estreitas de fases intermetálicas entre os componentes. As juntas soldadas são, por isso, menos frágeis e resistem assim a maiores esforços, como ocorrem sobretudo no ramo automóvel.

Obtém-se ainda um maior período de funcionamento dos dispositivos de união utilizados, uma vez que não requer nenhum avanço do pino pelos componentes ao longo de uma linha de união, sendo antes realizada uma soldagem por pontos dos componentes. Não se verifica assim um esforço transversal do pino. Reduzem-se, assim, fortemente os esforços do pino e aumenta-se o período de funcionamento e a produtividade. Por fim, reduz-se também substancialmente, devido à não necessidade de avanço do pino pelos componentes, os requisitos ao constrangimento e apoio de componentes, de modo a poder utilizar, sem qualquer problema, o processo no ramo automóvel, principalmente na construção de carroçarias. Nos componentes pode tratar-se, por exemplo, de chapas metálicas para a construção de carroçarias.

De acordo com o dispositivo em conformidade com a invenção, estão previstos meios para deslocar o pino entre uma posição que sobressai do ombro na direcção do seu eixo longitudinal e uma posição recolhida no ombro. 0 pino pode, assim, assumir sobretudo também posições intermédias à escolha entre as mencionadas posições máximas. 9

Principalmente, estão previstos correspondentes meios de fixação, através dos quais o pino pode ser fixado em qualquer posição possível.

Com o dispositivo em conformidade com a invenção pode realizar-se o processo de união. Melhora-se ainda mais a qualidade da junta soldada obtida, na medida em que segundo o dispositivo em conformidade com a invenção se prevê no pino, sobretudo no seu lado da cabeça, pelo menos um elemento moldado constituído como gume. Pode estar previsto, complementarmente ou em alternativa a um ou vários elementos moldados no lado da cabeça do pino, também nas suas superfícies laterais pelo menos um elemento moldado constituído como gume. Com o pino dotado de pelo menos um elemento moldado constituído como gume, consegue-se amolecer ou fundir melhor e agitar o material amolecido ou fundido. A introdução de, por exemplo, elevações no pino, sobretudo na cabeça do pino, aumenta a pressão exercida pelo pino nestas posições durante o processo de união, devido a uma concentração na área das elevações. Deste modo, obtêm-se amolecimentos ou fusões locais e concretos dos componentes, através da constituição concreta de uma topografia no pino. Pode, assim, igualmente influenciar concretamente a agitação do material amolecido ou fundido. Deste modo, pode influenciar ainda mais concretamente o processo de união e melhorar a qualidade da união obtida.

Sobretudo quando os componentes são unidos com diferentes pontos de fusão, a provisão concreta de elementos moldados permite incorporar mecanicamente o componente amolecido ou fundido com o menor ponto de fusão na parte de união com o maior ponto de fusão ou revesti-lo por placagem.

Uma possibilidade para formar os elementos moldados consiste em constituí-los em forma de elevações, por exemplo 10 protuberâncias ou saliências. As elevações podem ser, por exemplo, constituídas de forma radial, em raio, círculo ou em espiral à superfície do pino. Com estas constituições é possível comandar ainda mais concretamente o processo de união.

De acordo com a invenção (ver reivindicação 1) está aplicado ou incorporado no pino pelo menos um elemento moldado constituído como gume. Este tipo de gumes faz com que o pino possa tratar mecanicamente os componentes por unir. Deste modo, o pino pode tratar mecanicamente sobretudo o segundo componente na área da sua superfície. O tratamento mecânico pode verificar-se pela penetração do primeiro componente através do pino. Se pretender, por exemplo, unir componentes com diferentes pontos de fusão, pode obter-se com um gume, através de um tratamento mecânico no componente com maior ponto de fusão, uma superfície optimizada maciça, ou seja nova, para a união que se segue. Neste sentido, o material com maior fusão não tem de ser necessariamente fundido. A superfície é, em vez disso, tratada de modo que o material amolecido ou fundido do componente de menor fusão possa aderir excelentemente ao componente de maior fusão.

Além disso, podem estar previstos meios para conduzir uma corrente eléctrica pelos componentes a unir. Pode-se, assim, conduzir uma corrente eléctrica pelos componentes a unir. A corrente pode ser conduzida pelos componentes, sobretudo na área de sobreposição dos componentes. É, em princípio, possível, tanto no lado por onde o pino é introduzido no componente, como no lado oposto dos componentes a unir, prever respectivos eléctrodos para introduzir e fazer sair corrente. Em alternativa, é viável introduzir nos componentes, de um modo particularmente simples, a corrente eléctrica através do próprio dispositivo 11 de união, por exemplo, através do pino. Neste caso, basta providenciar no lado dos componentes oposto ao dispositivo de união, um eléctrodo para fazer sair a corrente dos componentes. A corrente eléctrica pode, em principio, ser introduzida nos componentes como corrente continua ou corrente alterna, sobretudo também pulsada. Os meios para conduzir a corrente pelos componentes apresentam um correspondente dispositivo de produção de corrente. A corrente pode ser introduzida nos componentes tanto antes, como durante ou também depois do processo de união. A corrente conduzida pelos componentes pode ser utilizada para diferentes fins. Pode-se, assim, remover através da corrente, por exemplo, impurezas entre os componentes a unir, como camadas de óleo, zinco, óxido ou de cola antes do processo de união, evaporando-as pelo aquecimento produzido pela corrente eléctrica. Doutro modo, este tipo de impurezas pode influenciar negativamente o resultado de união. Os componentes a unir pela corrente podem também ser aquecidos antes, durante e depois do processo de união, influenciando assim vantajosamente o processo de união.

Além disso, é possível utilizar a corrente como corrente de medição para uma corrente de resistência ou, no caso de uma corrente alterna, para uma medição de impedância. Para isso, podem estar previstos meios para medir a resistência eléctrica, que a corrente eléctrica experimenta ao passar pelos componentes a unir. A medição de impedância pode, relativamente à medição da resistência óhmica, ser realizada com maior precisão. Nesta inscrição as medições de impedância são também designadas de medição de resistência. A medição de resistência pode muito facilmente ser executada, por exemplo, 12 através de uma medição do resíduo de tensão que produz a corrente eléctrica. A resistência eléctrica dos componentes é influenciada por impurezas nas superfícies dos componentes. Com a ajuda de uma medição de resistência, podem por isso, por exemplo, tirar-se conclusões sobre a existência de impurezas nos componentes, ou a remoção dessas impurezas por meio de uma corrente eléctrica pode ser controlada por uma medição de resistência, que é sobretudo repetidamente realizada durante a remoção. Pois a resistência dos componentes altera-se com a contínua remoção das impurezas.

Ocorre ainda uma resistência de medição quando é produzida uma junta soldada entre os componentes a unir. Deste modo, é também possível vigiar o próprio processo de união antes, durante e/ou depois da união, através de uma medição de resistência. É também possível, no caso de a corrente ser introduzida nos componentes pelo pino do dispositivo de união, controlar a profundidade de inserção do pino nos componentes através de uma medição de resistência. Pois a resistência, que a corrente eléctrica experimenta ao passar pelos componentes, altera-se neste caso com a crescente profundidade de inserção do pino nos componentes.

Pode estar previsto uma regulação de processo, que considerando as informações recebidas pela medição de resistência, comande de forma optimizada o processo para a união dos componentes, como por exemplo a introdução do pino nos componentes. Pode-se, assim, comandar por exemplo a velocidade de rotação, a velocidade de avanço ou também o caminho de inserção do ombro e do pino nos componentes. Porém, pode-se em princípio também reqular todos os outros 13 parâmetros relevantes para o processo de união no âmbito de um comando destes.

Para outras aplicações e vantagens resultantes da introdução de uma corrente eléctrica nos componentes ou de uma medição de resistência, remete-se para as aplicações e vantagens (incluídas na inscrição de patente alemã com a referência 10 2004 054 856.0, que também é da requerente) da introdução de uma corrente eléctrica em componentes ou para uma respectiva medição de resistência.

De acordo com uma versão privilegiada, o ombro rotativo pode, pelo menos temporariamente, entrar em contacto com a superfície do primeiro componente oposta ao segundo componente na área de sobreposição. Deste modo, obtém-se, pela fricção entre o ombro rotativo e a superfície do componente, outro aquecimento e, consequentemente, o amolecimento ou fusão pelo menos do primeiro componente. Melhora-se, assim, a junta soldada entre os componentes e a união pode ser realizada com mais rapidez. Além disso, o ombro em contacto com o primeiro componente impede que grandes quantidades de material do primeiro componente sejam empurradas pelo pino para a superfície do componente. Pode, naturalmente, também existir um contacto entre o ombro e a superfície do primeiro componente, antes e depois da introdução ou recolha do pino. Um contacto entre o ombro e a superfície do primeiro componente contém também, por exemplo, uma introdução menor do ombro no componente. O pino pode ser introduzido, de um modo prático e particularmente fácil, no primeiro componente numa posição sobressaída, pelo menos parcialmente, do ombro através de um movimento no sentido do eixo longitudinal do pino. Neste caso, o pino sobressai mesmo antes do contacto com o primeiro componente, pelo menos parcialmente do ombro, ou seja 14 sobretudo possivelmente também completo, e fixa fixado nesta posição sobressaída. 0 pino é introduzido no primeiro componente através de um movimento do ombro no sentido do eixo longitudinal do pino. 0 pino também pode ser introduzido no primeiro componente através da deslocação no sentido do seu eixo longitudinal, a partir de uma posição recolhida (pelo menos parcialmente) do ombro. Neste caso, pode obter-se por exemplo um aquecimento do primeiro componente, primeiramente através do ombro rotativo, colocando-o em contacto com o primeiro componente. De seguida, o pino que roda igualmente para fora do ombro, pode ser introduzido no primeiro componente. A introdução do pino é simples devido ao pré-aquecimento do componente pelo ombro. É possível que o pino seja primeiramente introduzido numa peça de trabalho numa posição fixada parcialmente recolhida no ombro por um movimento axial do ombro e, de seguida, por exemplo quando o ombro chegar ao primeiro componente, continue a ser guiado para fora do ombro, sendo assim mais introduzido no componente. Em alternativa, o pino pode estar completamente recolhido no ombro antes da introdução no componente. É também possível combinar os dois tipos de introdução do pino. A recolha do pino dos componentes por unir pode, por sua vez, ser realizada de um modo particularmente simples, numa posição pelo menos parcialmente sobressaída do ombro através de um movimento do ombro na direcção do eixo longitudinal do pino. 0 pino é, neste caso, recolhido para fora do componente juntamente com o ombro. É também possível que o pino seja recolhido dos componentes por unir, através de uma recolha para o ombro a partir de uma posição pelo menos parcialmente sobressaída do 15 ombro. Neste caso, o ombro pode por ex. ficar em contacto com o primeiro componente, enquanto o pino é retirado dos componentes através de uma recolha para o ombro. 0 contacto do ombro com o componente durante a recolha do pino, pode melhorar o preenchimento do orifício causado pelo pino.

Mais uma vez, é também possível combinar os dois tipos de recolha do pino.

Em princípio, é pois possível comandar os movimentos do pino e do ombro separadamente um do outro. Aumenta-se, assim, a flexibilidade. 0 primeiro componente que forma a sobreposição pode possuir, em especial, um ponto de fusão mais baixo do que o segundo componente que forma a sobreposição. 0 pino é, pois, primeiramente introduzido no componente com um ponto de fusão mais baixo. Este componente pode ser amolecido e penetrado pelo pino, com menor rotação e menor força axial exercida do que o segundo componente.

Neste sentido, o primeiro componente pode ser amolecido, e sobretudo fundido, na área de acção do dispositivo de união, enquanto o segundo componente se mantém essencialmente no estado sólido. Mesmo quando ao chegar ao segundo componente, este não for essencialmente amolecido, obtém-se com o amolecimento do primeiro componente uma junta soldada satisfatória entre os componentes na área do pino introduzido. Neste sentido, o material amolecido ou fundido do primeiro componente pode aderir ao material do segundo componente. Uma união destas requer apenas uma correspondente baixa rotação e força axial do pino. A área de acção do dispositivo de união é, em primeira linha, a área do componente onde o pino é introduzido e a área do componente adjacente a esta. Em caso de contacto do ombro com a 16 superfície do primeiro componente, verifica-se porém também naturalmente nesta área uma acção.

Mas também é possível que o primeiro componente seja amolecido, sobretudo fundido, na área de acção do dispositivo de união, e que o segundo componente seja amolecido, sobretudo fundido, pelo menos localmente na área abaixo do pino introduzido. 0 segundo componente é normalmente amolecido localmente na área onde entra em contacto com o pino rotativo. Um amolecimento ou fusão local deste tipo do segundo componente melhora a união entre os dois componentes, pois verifica-se uma mistura dos materiais dos componentes amolecidos ou fundidos.

De acordo com outro ensinamento, o ombro pode se removido do primeiro componente no sentido oposto do pino, pelo menos temporariamente durante a introdução do pino. Deste modo, existe entre o primeiro componente e o ombro um espaço livre, onde pode entrar o material do componente empurrado pelo pino que penetra no componente.

Segundo outra versão, o ombro pode ser, pelo menos parcialmente, introduzido no primeiro componente, pelo menos temporariamente durante a recolha do pino. Deste modo, o ombro rotativo permite continuar a aquecer o primeiro componente e, por conseguinte, continuar a amolecer ou fundir. Na área de introdução do ombro é ainda empurrado material do componente pelo ombro, que depois chega por exemplo ao orifício causado pelo pino nos componentes. Isto contribui para o preenchimento do orifício causado pelo pino ao recolher para fora dos componentes, de modo a melhorar a união entre os componentes e o aspecto.

Para optimizar a união entre os componentes, pode prever-se um apoio de banho no lado dos componentes sobrepostos oposto ao dispositivo de união. Como apoio de 17 banho pode, por exemplo, ser aplicada uma peça metálica na área da união a estabelecer no lado do segundo componente oposto ao primeiro componente. Um apoio de banho deste tipo impede uma deformação indesejável do lado inferior atribuído ao apoio de banho da união e melhora, assim, a formação da união.

No caso de passar corrente eléctrica nos componentes a unir, é muito fácil aplicar o apoio de banho para a saída ou entrada da corrente dos ou para os componentes.

De um modo prático e particularmente adequado, o apoio de banho pode ser formado por um próprio componente a unir. Prescinde-se, assim, de um apoio de banho à parte. É pois, por exemplo, possível que o segundo componente no seu lado oposto ao primeiro componente apresente uma deformação que pode servir de apoio de banho.

Para reduzir ainda mais o desgaste da ferramenta, pode-se aquecer previamente o pino e/ou o ombro antes da união. Deste modo, estes ficam com uma suficiente ductibilidade, mesmo antes do contacto com o componente, para impedir eficazmente que a ferramenta quebra. 0 pré-aquecimento pode, por exemplo, ocorrer passando corrente eléctrica pelo ombro e pelo pino. Mas também se podem ponderar muitos outros processos para pré-aquecer o pino e o ombro.

De acordo com uma versão privilegiada, a colocação do pino e/ou do ombro sobre o primeiro componente que forma a sobreposição pode ser detectada através de uma medição de força/caminho e/ou uma medição do binário. Na colocação do pino ou do ombro sobre um componente, estes experimentam uma resistência mecânica que faz aumentar as forças necessárias ao avanço. Esta subida pode ser detectada no âmbito de uma medição de força ou de força/caminho e pode ser vista como indício para a chegada à superfície do componente. Deste 18 modo, o momento da colocação pode ser detectado com elevada precisão. Claro que também é possível aproveitar como critério, complementarmente ou em alternativa, a subida do binário necessário para manter a rotação aquando da colocação sobre uma superfície do componente. É igualmente possível, de acordo com a invenção, determinar a posição do pino durante a introdução, sobretudo a colocação do pino sobre o segundo componente que forma a sobreposição, através de uma medição de força/caminho e/ou uma medição de binário. Devido à diferença dos materiais, estes têm normalmente diferentes características mecânicas e físicas, como por exemplo uma diferente consistência. Devido a estas diferenças, ao chegar ao segundo componente, altera-se a força necessária à preservação do avanço do pino. Altera-se também o binário necessário à preservação da rotação do pino. Consegue-se, assim, detectar com muita precisão - por meio de uma medição de força ou de força/caminho e/ou uma medição de binário - a posição do pino, que de outro modo é difícil de determinar, principalmente a chegada ao segundo componente. 0 processo de união pode continuar a ser, assim, optimizado. É muito fácil de detectar a colocação do pino sobre o segundo componente, quando o ombro da ferramenta é primeiramente colocado sobre o primeiro componente e o pino é depois deslocado do ombro para o componente a partir de uma posição pelo menos parcialmente recolhida no ombro. A colocação do pino sobre o segundo componente é, porém, também detectável, quando a saída do pino para fora do ombro da ferramenta para o componente for sobreposta por um movimento do ombro para o primeiro componente ou para longe deste. É possível que entre o primeiro componente e o segundo componente seja disposto pelo menos um terceiro componente, 19 pelo menos na área de sobreposição. Neste caso, pode prever-se uma série e componentes entre o primeiro e o segundo componente. É também possível efectuar uniões de várias camadas, sobretudo uniões de várias chapas, em que pelo menos dois componentes são diferentes. 0 terceiro componente pode ser diferente dos outros dois componentes. Mas o terceiro componente pode também não ser diferente de um dos outros dois componentes. 0 primeiro componente pode, pois, ser por exemplo uma chapa de alumínio, e o segundo componente pode ser uma chapa de aço, enquanto o terceiro componente, entre e a primeira e a segunda chapa, é uma chapa em alumínio. Neste caso, o pino penetra, para unir as chapas, a primeira e a terceira chapa em alumínio até à superfície da segunda chapa de aço. Mas também se pode considerar a terceira chapa ser feita em aço, de modo que o pino para unir as chapas também tenha de penetrar a terceira chapa em aço até pelo menos à superfície da segunda chapa.

Em alternativa ou complementarmente, pode prever-se pelo menos um terceiro componente no lado do segundo componente oposto ao primeiro componente, pelo menos na área de sobreposição. Mais uma vez, pode-se dispor naturalmente uma série de componentes adjacentes ao segundo componente. 0 primeiro e o terceiro componentes podem não ser de materiais diferentes, enquanto o segundo componente entre o primeiro e o terceiro componente é feito de um material diferente do primeiro e terceiro componente. Por exemplo, o primeiro e o terceiro componentes podem ser em chapa de alumínio, enquanto o segundo componente entre o primeiro e o terceiro componente é uma chapa de aço.

Nas ligações com mais de dois componentes, é possível introduzir um pino rotativo de um segundo dispositivo de 20 união na área de sobreposição dos componentes na direcção do seu eixo longitudinal, dentro do componente exterior oposto ao primeiro componente exterior, pelo menos até chegar à superfície de pelo menos um componente entre os componentes exteriores. Neste caso, está também previsto um segundo dispositivo de união, sendo o pino do segundo dispositivo de união introduzido pelo lado oposto ao pino do primeiro dispositivo de união, dentro dos componentes sobrepostos na área de sobreposição. Deste modo, a união dos componentes pode ser simultaneamente efectuada de dois lados. Neste caso, os pinos podem ser introduzidos apenas até à superfície do componente médio que lhes foi respectivamente atribuída. Mas também se pode introduzir um ou os dois pinos no componente médio. Os pinos são normalmente introduzidos nos componentes em posições opostas. Em princípio, é possível introduzir os pinos até se encontrarem. A utilização de um segundo dispositivo de união permite realizar muito rapidamente uma junta soldada por pontos satisfatória entre mais do que dois componentes. Pode-se, neste caso, prescindir de um apoio de banho, pois esta tarefa é resolvida pelo segundo dispositivo de união. É ainda viável que pelo menos um dos componentes possua um revestimento. Este tipo de revestimento pode, por exemplo, ser uma galvanização ou aluminização. O revestimento também pode ser uma placagem. Este tipo de revestimento facilita a união entre os componentes. Se utilizar como segundo componente que forma a sobreposição, por exemplo, uma chapa de aço placada com alumínio, é possível que o pino seja deslocado pelo primeiro componente apenas até à camada placada de alumínio, mas não até à própria chapa de aço. 21

Para poupar custos de produção também se podem aplicar na união componentes não limpos, que apresentam por exemplo uma camada de óleo. 0 dispositivo pode ainda ser utilizado juntamente com outros processos ou dispositivos, como por exemplo processos e dispositivos para colar ou rebitar ou processos térmicos.

Pode também encontrar-se entre os componentes uma cola endurecida ou ainda não endurecida, sendo a junta soldada realizada pela cola dentro. Esta cola pode melhorar a união dos componentes.

Passamos a explicar em pormenor um dispositivo de união por meio de um desenho representativo de um exemplo de execução. Temos esquematicamente: a Fig. la)-g) mostra um dispositivo em diferentes posições de funcionamento numa vista de corte, a Fig. 2 mostra o pino de um dispositivo numa vista ampliada, e a Fig. 3 mostra um diagrama criado com uma medição de força/caminho de acordo com a invenção.

As Figuras de la) a lg) apresentam um dispositivo de união V em conformidade com a invenção esquematicamente representado em diferentes posições de funcionamentos. 0 dispositivo V possui um accionamento rotativo 1, que suporta um ombro 2 essencialmente constituído como um cilindro oco. A Figura la) apresenta um pino 3 essencialmente cilíndrico numa posição parcialmente sobressaída do ombro 2. A cavidade cilíndrica do ombro 2 é constituída de modo que o pino 3 possa ser completamente recolhido nela ou possa ser retirado do ombro 3 na direcção do seu eixo longitudinal. Para o movimento do pino 3 estão previstos correspondentes meios de deslocação que não são apresentados em pormenor. 0 pino 3 pode ser fixado em quaisquer posições entre uma remoção completa para fora do ombro 2 e uma recolha completa para dentro dele. Tanto o ombro 2 como o pino 3 podem ser 22 colocados em rotação à volta do eixo rotativo 4 através do accionamento rotativo 1, como é indicada pela seta circundante nas Figuras de la) a lg) . 0 eixo rotativo 4 fica paralelo ao eixo longitudinal do pino 3 e do ombro 2. 0 pino 3 e o ombro 2 podem, por exemplo, ser compostos por um aço de ferramenta de elevada resistência.

No lado superior do dispositivo de união V oposto ao pino 3 está esquematicamente prevista uma ligação 5 para uma corrente alterna eléctrica. A ligação 5 está conectada a um dispositivo de produção de corrente alterna não ilustrado.

No lado atribuído ao pino 3 foram parcialmente sobrepostos, por baixo do dispositivo V, um primeiro componente 6 e um segundo componente 7. Nos componentes 6, 7 trata-se no presente exemplo de chapas metálicas para a construção de carroçarias em automóveis. 0 primeiro componente 6 que forma a sobreposição é composto por um material de alumínio, enquanto o segundo componente 7 que forma a sobreposição é composto por um material em aço. 0 segundo componente 7 apresenta um maior ponto de fusão e uma maior consistência do que o primeiro componente 6.

No lado do segundo componente 7 oposto ao dispositivo V está previsto um apoio de banho 8, que pode ser por exemplo constituído por uma peça de trabalho em aço de ferramenta. No apoio de banho 8 está igualmente previsto, esquematicamente, uma ligação 9 para uma corrente alterna eléctrica. A ligação 9 está igualmente conectada a um dispositivo de produção de corrente alterna não ilustrado. 0 dispositivo V apresenta ainda meios (não ilustrados em pormenor) para deslocar o ombro 2 na direcção do eixo longitudinal do pino 3. Estes meios de deslocação permitem deslocar para cá e para lá o ombro 2, juntamente com o pino 3, na direcção do eixo longitudinal do pino 3. 23

Independentemente deste movimento, o pino 3 pode ser deslocado para dentro e para fora do ombro 2, e ser respectivamente fixado ou ser fixado em cada posição intermédia.

Passamos a explicar o modo de funcionamento do dispositivo V através das posições de funcionamento apresentadas nas Figuras de la) a lg).

Na Figura la) o dispositivo V está, conforme o exemplo apresentado, na sua posição inicial antes do processo de união. 0 pino 3 sobressai parcialmente do ombro 2 e está fixo nesta posição. 0 ombro 2 e o pino 3 são colocados em rotação à volta do eixo rotativo 4 pelo accionamento rotativo 1. 0 ombro 2 e o pino 3 foram previamente aquecidos para a temperatura de serviço através de uma instalação de aquecimento não representada. Os movimentos do dispositivo V na direcção do pino do eixo longitudinal do pino podem ser vistos na Figura 1 pela seta 10 representada no accionamento rotativo 1. A Figura lb) apresenta o dispositivo V numa posição descida no sentido dos componentes 6, 7 na direcção do eixo longitudinal do pino 2, onde o pino 3 entra em contacto com a superfície do primeiro componente 6. A velocidade de rotação do pino 3 e a força axial exercida pelo dispositivo V sobre o primeiro componente 6 são suficientemente altas para provocar uma fusão do primeiro componente 6 na área de contacto com o pino 3.

No caso de contacto do pino 2 com o componente 6, é por exemplo possível passar corrente eléctrica pelos componentes 6, 7 através das ligações 5, 9 pelo pino 3 e o apoio de banho 8 e, evaporar assim por exemplo impurezas às superfícies dos componentes. A corrente pode, porém, também provocar um aquecimento concreto dos componentes 6, 7. Além disso, pode 24 determinar-se, através de um dispositivo de medição (não representado em pormenor), a resistência eléctrica ou a impedância que a corrente eléctrica experimenta ao passar pelos componentes 6, 7. Deste modo, podem tirar-se conclusões sobre o processo e regular, se necessário, o processo. A Figura lc)apresenta o dispositivo V numa posição mais descida na direcção dos componentes 6, 7. Neste caso, o pino 3 é parcialmente introduzido no primeiro componente 6. A penetração é alcançada pela rotação do pino, bem como, pela força axial exercida pelo dispositivo V na direcção dos componentes 6, 7. 0 material do primeiro componente 6 é fundido pelo pino 3 e é empurrado ao entrar no componente 6t. Simultaneamente, o ombro rotativo 2 está em contacto com a superfície do componente 6 e aquece-a adicionalmente. Neste caso, reduz-se a força axial exercida pelo ombro 2 sobre o componente 6 e, consequentemente, o movimento axial do dispositivo na posição apresentada na Figura lc) , como é indicado pela seta reduzida relativamente às Figuras la) e lb) . 0 aquecimento do componente 6 pelo ombro 2 facilita a penetração do pino 3 no componente 6, bem como, a fundição parcial do componente 6. 0 pino 3 mistura o material fundido do componente 6.

Na posição de funcionamento apresentada na Figura ld), o pino 3 saiu mais do ombro 2. 0 ombro 2 mantém-se em contacto com a superfície do componente 6 e continua a exercer uma reduzida força axial. Os movimentos do pino 3 são indicados por uma seta 10 correspondentemente representada no pino 3. É, em princípio, possível que o ombro 3 durante a introdução do pino 2 no componente 6, seja pelo menos temporariamente recolhido para fora do componente 6, para formar um espaço livre para receber o material do componente 6 empurrado pelo 25 pino 3 eventualmente no sentido da superfície do componente 6.

Durante a saída do pino 3 para fora do ombro 2, este encontra na superfície o segundo componente 7. 0 pino 3 é apenas ligeiramente introduzido no segundo componente 7. 0 segundo componente 7 possui um ponto de fusão mais elevado e uma maior consistência do que o primeiro componente 6 e não é fundido pelo pino rotativo 3 à mesma medida do primeiro componente 6. Unicamente na área local abaixo da cabeça do pino é que se dá uma fusão local do segundo componente 7. Devido à maior consistência, a introdução do pino 3 no segundo componente 7 implica a utilização de mais força do que a introdução no primeiro componente 6. 0 movimento rotativo do pino 3 permite misturar o material fundido do primeiro componente 6 com o material fundido do segundo componente 7. Observa-se na área de acção do pino 3 uma mistura dos materiais dos componentes 6, 7.

As Figuras le) e lf) apresentam a recolha do pino 3 no ombro 2. Neste sentido, o pino 3 causa um orifício essencialmente correspondente ao seu diâmetro 12, que e estende completamente pelo primeiro componente 6 e ligeiramente no segundo componente 7. Ao recolher o pino 3, o orifício 12 enche-se de material fundido principalmente do primeiro componente 6. A seta 10 na Figura lf) indica que o ombro 2, durante a recolha do pino 3, é ligeiramente introduzido na superfície do primeiro componente 6. Deste modo, apoia-se o processo de enchimento do orifício 12 com material do componente 6.

Na Figura lg) o pino 3 está completamente recolhido no ombro 2 e o dispositivo V é afastado dos componentes 6, 7 na direcção do eixo longitudinal do pino 3, como mais uma vez é esquematicamente indicado pela seta 10. Na Figura lg) está 26 esquematicamente representado um recesso 13 no componente 6, que foi causada pela ligeira introdução do ombro 2 no componente 6. Na área do orifício 12 obtém· -se, por fim, uma solidificação dos materiais misturados dos componentes 6 , 7 e, consequentemente, uma junta soldada por pontos entre os componentes 6, 7. 0 processo de união pode ser repetido, de modo correspondente, em outros pontos onde os componentes 6, 7 se sobrepõem. A Figura 2 representa esquematicamente uma vista parcial ampliada do pino 3. Reconhece-se aqui no lado da cabeça 14 do pino 3 elementos moldados 15, que são constituídos como saliências radialmente dispostas. Além disso, as superfícies laterais do pino 3 apresentam outros elementos moldados 16. Os elementos moldados 16 apresentados na Figura 2, unicamente de forma esquemática, com um corte transversal triangular percorrem a periferia do pino 3 como uma rosca. Com a ajuda dos elementos moldados 15, 16 obtém-se uma fundição ou amolecimento melhorado e concreto dos componentes 6, 7, influenciando assim o processo de união de forma objectiva e vantajosa. A agitação dos materiais amolecidos ou fundidos também sofre melhoramentos. Naturalmente que se podem também considerar outras constituições dos elementos moldados 15, 16. Estão, assim, previstos gumes em conformidade com a invenção (não ilustrados), que provocam, aquando da introdução do pino 3 nos componentes 6, 7, um tratamento mecânico do segundo componente 7. A Figura 3 representa, unicamente de forma esquemática, um diagrama de uma medição de força/caminho de acordo com a invenção, que por exemplo foi realizada para um processo correspondente ao processo de orifício que foi apresentado na 27

Figura 1. Os caminhos percorridos pelo processo de união na direcção do eixo longitudinal do pino 3 e do ombro 2 na direcção dos componentes 6, 7, são esquematicamente representados ao longo do tempo pelas curvas St e Sc até a um momento t3. A representação do caminho começa num momento pouco antes de aparecer o pino 3 no primeiro componente 6. É ainda apresentada a força axial na direcção do eixo longitudinal do pino, que durante o processo de união é exercida pelo dispositivo de união V. A fora exercida pelo dispositivo de união V para o avanço durante o processo de união engloba tanto a força para o movimento axial do ombro 2 com o pino 3, como também a força axial necessária pelo pino 3 para sair do ombro 2.

No eixo temporal, são designados os seguintes momentos caracteristicos, que são também essencialmente representados nas Figuras de la) a lg) : tO: 0 pino 3 chega ao primeiro componente 6 (Fig. lb)), tl: o ombro 2 chega ao primeiro componente 6 (Fig. lc) ) , t2: começa a saída do pino 3 para fora do ombro 2 (Fig. Ic)),t3: o pino 3 chega ao segundo componente 7 (Fig. ld)).

Nos diagramas de caminhos do pino 3 e do ombro 2, as curvas St e Sc representam os caminhos do pino 3 e do ombro 2 durante o processo de união desde pouco antes do aparecimento do pino 3 no primeiro componente 6 até à saída completa do pino 3 nos componentes 6, 7. As curvas desenvolvem-se do mesmo modo até a momento t2 representado na Figura lc) . Até ao momento t2, o ombro 2 e o pino 3 deslocam-se em conjunto na direcção dos componentes 6, 7. A partir do momento t2, em que começa a saída do pino 3 para fora do ombro 2, o pino 3 percorre um caminho maior, uma vez que o pino 3 executa, adicionalmente a um ligeiro movimento axial em conjunto com o ombro 2, um movimento através da saída para fora do ombro 2 . 28 A partir do momento t3, em que o pino 3 aparece no segundo componente mais consistente 7, o ombro 2 e o pino 3 praticamente mal se deslocam na direcção dos componentes 6, 1.

No diagrama mais acima na Figura 3 é temporalmente representada a força exercida pelo dispositivo de união durante a introdução do pino na direcção do eixo longitudinal do pino. Até ao momento tO, a força possui um valor inicial constante Ka, que é necessário para deslocar o ombro 2 juntamente com o pino 3 na direcção do componente 6. Nos momentos tO e tl aparecem máximos KO, Kl da força, em que a força é reduzida directamente segundo os máximos KO, Kl respectivamente para um valor constante KOc, Klc. 0 valor KOc situa-se acima do valor de força inicialmente necessário Ka, e o valor Klc situa-se acima do valor KOc. 0 máximo KO e o posterior valor de força constante KOc são causados pelo aparecimento do pino 3 no primeiro componente 6. A introdução do pino 3 no primeiro componente 6 requer uma força maior relativamente ao avanço, sem contacto com o componente 6. O máximo Kl e o valor de força constante que se segue Klc são causados pela maior força dispendida, que ocorre quando o ombro 2 chega ao primeiro componente 6.

Detecta-se ainda no diagrama de forças uma subida da força no momento t2 para o valor constante K2c. No momento t3, a força volta a subir fortemente. Estas subidas de força têm origem, por um lado, no facto de ser requerida uma maior força (K2c) para extrair o pino 3 para fora do ombro 2 para dentro do componente 6, que começa no momento t2. Por outro lado, a força necessária ao avanço do pino 3 aumenta fortemente, quando o pino chega, no momento t3, ao segundo componente mais consistente 7. 29

Através da medição de força/caminho representada na Figura 3 de acordo com a invenção, é possível determinar com elevada precisão os momentos característicos de tO a t3, por meio do percurso temporal da força necessária ao avanço do dispositivo V durante o processo de união. Os dados assim adquiridos podem ser utilizados numa regulação de processo, de modo a poder continuar a optimizar o processo de união e a união correspondentemente obtida entre os componentes 6, 7.

Claims (1)

1 REIVINDICAÇÕES 1. Dispositivo para unir pelo menos dois componentes (6, 7) de materiais diferentes, principalmente componentes metálicos de diferentes materiais, com diferentes pontos de fusão, por meio de soldagem por fricção e agitação, - com um ombro (2) e um pino (3), - com meios para deslocar o pino (3) entre uma posição sobressaída do ombro (2) na direcção do seu eixo longitudinal e uma posição recolhida no ombro (2), - com meios para rodar o ombro (2) e o pino (3) à volta do eixo longitudinal do pino (3), - com meios para deslocar o ombro (2) na direcção do eixo longitudinal do pino (3), - em que no lado da cabeça (14) do pino (3) está previsto pelo menos um elemento moldado (15, 16), caracterizado pelo facto de estar colocado no pino (3) ou incorporado nele pelo menos um elemento moldado (15, 16) constituído como gume, sendo o gume adequado a um tratamento mecânico dos componentes por unir, e pelo facto de estarem previstos meios para determinar a posição do pino através de uma medição de força/caminho e/ou uma medição de binário. Lisboa, 10/11/2010