Como projetar um dispositivo de soldagem para reduzir a deformação da corrente de rolos?

Como projetar um dispositivo de soldagem para reduzir a deformação da corrente de rolos?

Na fabricação de correntes de rolos, a soldagem é um processo crítico para conectar os elos e garantir a resistência da corrente. No entanto, a deformação térmica durante a soldagem frequentemente se torna um problema persistente, afetando a precisão e o desempenho do produto.correntes de rolosPodem ocorrer problemas como deflexão dos elos, passo irregular e tensão inconsistente da corrente. Esses problemas não apenas reduzem a eficiência da transmissão, mas também aumentam o desgaste, diminuem a vida útil e podem até causar falhas no equipamento. Como ferramenta fundamental para o controle da deformação, o projeto dos dispositivos de soldagem determina diretamente a qualidade da soldagem da corrente de rolos. Este artigo examinará as causas principais da deformação na soldagem da corrente de rolos e explicará sistematicamente como alcançar o controle da deformação por meio de um projeto científico de dispositivos de soldagem, fornecendo soluções técnicas práticas para profissionais da área de manufatura.

Primeiramente, é preciso entender: qual é a causa principal da deformação na soldagem da corrente de rolos?

Antes de projetar um dispositivo de fixação, devemos primeiro entender a causa fundamental da deformação na soldagem de correntes de rolos: a liberação de tensão causada pela entrada de calor desigual e pela restrição insuficiente. Os elos da corrente de rolos normalmente consistem em placas externas e internas, pinos e buchas. Durante a soldagem, o aquecimento localizado é aplicado principalmente à conexão entre as placas, os pinos e as buchas. As principais causas de deformação durante esse processo podem ser resumidas da seguinte forma:

Distribuição desequilibrada de tensões térmicas: A alta temperatura gerada pelo arco de soldagem causa uma rápida expansão localizada do metal, enquanto as áreas circundantes não aquecidas, devido à sua temperatura mais baixa e maior rigidez, atuam como uma restrição, impedindo que o metal aquecido se expanda livremente e gerando tensão de compressão. Durante o resfriamento, o metal aquecido se contrai, o que é dificultado pelas áreas circundantes, resultando em tensão de tração. Quando a tensão excede o limite de elasticidade do material, ocorre deformação permanente, como elos tortos e pinos desalinhados.

Precisão inadequada no posicionamento dos componentes: O passo da corrente de rolos e o paralelismo dos elos são indicadores-chave de precisão. Se a referência de posicionamento dos componentes na fixação não estiver clara antes da soldagem e a força de fixação for instável, os componentes ficam propensos a desalinhamento lateral ou longitudinal sob a ação do estresse térmico durante a soldagem, resultando em desvios de passo e distorção dos elos. Má compatibilidade entre a sequência de soldagem e a fixação: Uma sequência de soldagem inadequada pode causar acúmulo de calor na peça, exacerbando a deformação localizada. Se a fixação não fornecer restrições dinâmicas com base na sequência de soldagem, a deformação será ainda mais agravada.

Em segundo lugar, os princípios fundamentais do projeto de dispositivos de soldagem são: posicionamento preciso, fixação estável e dissipação de calor flexível.

Dadas as características estruturais das correntes de rolos (múltiplos componentes e placas de corrente finas e facilmente deformáveis) e os requisitos de soldagem, o projeto de fixação deve seguir três princípios fundamentais para controlar a deformação na origem:

1. Princípio do Datum Unificado: Utilizando Indicadores de Precisão de Núcleo como Datum de Posicionamento

A precisão fundamental das correntes de rolos reside na precisão do passo e no paralelismo da placa da corrente; portanto, o projeto de posicionamento do dispositivo de fixação deve priorizar esses dois indicadores. Recomenda-se o método clássico de posicionamento "um plano, dois pinos": a superfície plana da placa da corrente serve como superfície de posicionamento principal (restringindo três graus de liberdade), e dois pinos de localização, encaixados em furos para pinos (restringindo dois e um grau de liberdade, respectivamente), garantem o posicionamento completo. Os pinos de localização devem ser fabricados em aço-liga resistente ao desgaste (como Cr12MoV) e temperados (dureza ≥ HRC58) para assegurar que a precisão do posicionamento se mantenha mesmo após uso prolongado. A folga entre os pinos de localização e os furos para pinos na placa da corrente deve ser mantida entre 0,02 e 0,05 mm para facilitar a fixação e evitar o movimento do componente durante a soldagem.

2. Princípio de adaptação da força de aperto: “Suficiente e não prejudicial”

O dimensionamento da força de aperto é crucial para equilibrar a prevenção de deformações e danos. Uma força de aperto excessiva pode causar deformação plástica na placa da corrente, enquanto uma força insuficiente pode comprometer a tensão de soldagem. As seguintes considerações de projeto devem ser levadas em conta:

O ponto de fixação deve ser posicionado adequadamente: próximo à área de solda (≤20 mm da solda) e localizado em uma área rígida da placa da corrente (como próximo à borda do furo do pino) para evitar a flexão causada pela força de fixação atuando no meio da placa da corrente. Força de Fixação Ajustável: Selecione o método de fixação apropriado com base na espessura da corrente (normalmente de 3 a 8 mm) e no material (principalmente aços estruturais de liga, como 20Mn e 40MnB). Esses métodos incluem fixação pneumática (adequada para produção em massa, com força de fixação ajustável por meio de um regulador de pressão, variando de 5 a 15 N) ou fixação por parafuso (adequada para personalização em pequenos lotes, com força de fixação estável).
Contato de Fixação Flexível: Uma junta de poliuretano (2-3 mm de espessura) é aplicada na área de contato entre o bloco de fixação e a corrente. Isso aumenta o atrito, evitando que o bloco de fixação marque ou risque a superfície da corrente.

3. Princípio da Sinergia de Dissipação de Calor: Compatibilização Térmica entre a Grampo e o Processo de Soldagem

A deformação por soldagem é essencialmente causada pela distribuição desigual de calor. Portanto, a braçadeira deve proporcionar dissipação de calor auxiliar, reduzindo a tensão térmica por meio de uma abordagem dupla de “dissipação de calor ativa e condução de calor passiva”. Para a condução de calor passiva, o corpo da braçadeira deve ser feito de um material com alta condutividade térmica, como liga de alumínio (condutividade térmica de 202 W/(m・K)) ou liga de cobre (condutividade térmica de 380 W/(m・K)), substituindo o ferro fundido tradicional (condutividade térmica de 45 W/(m・K)). Isso acelera a condução de calor na área de soldagem. Para a dissipação de calor ativa, canais de água de resfriamento podem ser projetados próximos à solda da braçadeira, e água de resfriamento circulante (com temperatura controlada entre 20 e 25 °C) pode ser introduzida para remover o calor local por meio de troca térmica, tornando o resfriamento da peça mais uniforme.

Terceiro, estratégias e detalhes essenciais no projeto de braçadeiras para reduzir a deformação da corrente de rolos.

Com base nos princípios acima, precisamos concentrar nosso projeto em estruturas e funções específicas. As quatro estratégias a seguir podem ser aplicadas diretamente na produção real:

1. Estrutura de posicionamento modular: adaptável a múltiplas especificações de corrente de rolos, garantindo consistência no posicionamento.

As correntes de rolos estão disponíveis em diversas especificações (por exemplo, 08A, 10A, 12A, etc., com passos que variam de 12,7 mm a 19,05 mm). Projetar um dispositivo de fixação separado para cada especificação aumentaria os custos e o tempo de troca. Recomendamos o uso de componentes de posicionamento modulares: os pinos e blocos de posicionamento são projetados para serem substituíveis e conectados à base do dispositivo de fixação por meio de parafusos. Ao alterar as especificações, basta remover o componente de posicionamento antigo e instalar um novo com o passo correspondente, reduzindo o tempo de troca para menos de 5 minutos. Além disso, os pontos de referência de posicionamento de todos os componentes modulares devem estar alinhados com a superfície de referência da base do dispositivo de fixação para garantir uma precisão de posicionamento consistente para correntes de rolos de diferentes especificações.

2. Projeto de Restrição Simétrica: Compensando a “Interação” da Tensão de Soldagem

A soldagem de correntes de rolos frequentemente envolve estruturas simétricas (por exemplo, soldar um pino a uma placa dupla simultaneamente). Portanto, o dispositivo de fixação deve empregar um projeto de restrição simétrica para minimizar a deformação, compensando as tensões. Por exemplo, durante o processo de soldagem de uma placa dupla e um pino, o dispositivo de fixação deve ser posicionado simetricamente com blocos de posicionamento e dispositivos de fixação em ambos os lados da corrente para garantir uma entrada de calor de soldagem e uma força de restrição consistentes. Além disso, um bloco de suporte auxiliar pode ser colocado no meio da corrente, alinhado com o plano das placas, para mitigar a tensão de flexão no centro durante a soldagem. Dados práticos mostram que um projeto de restrição simétrica pode reduzir o desvio de passo em correntes de rolos em 30% a 40%.

3. Fixação dinâmica de acompanhamento: adaptação à deformação térmica durante a soldagem

Durante a soldagem, a peça sofre deslocamentos mínimos devido à expansão e contração térmica. Um método de fixação fixa pode levar à concentração de tensões. Portanto, o dispositivo de fixação pode ser projetado com um mecanismo de fixação dinâmico: um sensor de deslocamento (como um sensor de deslocamento a laser com precisão de 0,001 mm) monitora a deformação da placa da corrente em tempo real, transmitindo o sinal para o sistema de controle PLC. Um servomotor aciona o bloco de fixação para microajustes (com uma faixa de ajuste de 0 a 0,5 mm) para manter a força de fixação adequada. Este projeto é particularmente adequado para a soldagem de correntes de rolos de chapa grossa (espessura ≥ 6 mm), prevenindo eficazmente o trincamento da corrente causado pela deformação térmica.

4. Projeto de prevenção e direcionamento de solda: Garante um caminho de soldagem preciso e reduz a zona afetada pelo calor.
Durante a soldagem, a precisão do movimento da pistola de solda afeta diretamente a qualidade da solda e a entrada de calor. O dispositivo de fixação precisa ser equipado com uma ranhura de desvio da linha de solda e um guia para a pistola. Uma ranhura de desvio em forma de U (2-3 mm mais larga que a linha de solda e 5-8 mm de profundidade) deve ser criada próxima à linha de solda para evitar interferências entre o dispositivo de fixação e a pistola. Além disso, um trilho guia deve ser instalado acima do dispositivo de fixação para garantir o movimento uniforme da pistola ao longo de uma trajetória predefinida (recomenda-se uma velocidade de soldagem de 80-120 mm/min), assegurando a retidão da solda e a distribuição uniforme do calor. Material isolante cerâmico também pode ser colocado na ranhura de desvio para evitar que respingos de solda danifiquem o dispositivo de fixação.

Quarto, Otimização e Verificação de Dispositivos de Fixação: Controle em Malha Fechada do Projeto à Implementação

Um bom projeto requer otimização e verificação antes de ser implementado de fato. Os três passos a seguir podem garantir a praticidade e a confiabilidade do dispositivo:

1. Análise de Simulação por Elementos Finitos: Previsão de Deformação e Otimização da Estrutura

Antes da fabricação do dispositivo de fixação, simulações de acoplamento térmico-estrutural são realizadas utilizando softwares de elementos finitos como ANSYS e ABAQUS. A inserção de parâmetros do material da corrente de rolos (como coeficiente de expansão térmica e módulo de elasticidade) e parâmetros do processo de soldagem (como corrente de soldagem de 180-220A e tensão de 22-26V) simula a distribuição de temperatura e tensão no dispositivo de fixação e na peça durante a soldagem, prevendo áreas com potencial de deformação. Por exemplo, se a simulação mostrar deformação excessiva por flexão no meio da placa da corrente, um suporte adicional pode ser adicionado ao local correspondente no dispositivo de fixação. Se ocorrer concentração de tensão no pino de localização, o raio de concordância do pino pode ser otimizado (recomenda-se R2-R3). A otimização por simulação pode reduzir os custos de tentativa e erro no desenvolvimento do dispositivo de fixação e encurtar o ciclo de desenvolvimento.

2. Verificação de Soldagem Experimental: Testes em Pequenos Lotes e Ajustes Iterativos

Após a fabricação do dispositivo de fixação, realize um teste de soldagem em pequeno lote (recomendado: 50 a 100 peças). Concentre-se nos seguintes indicadores:

Precisão: Utilize um microscópio universal para medir o desvio do passo (deve ser ≤0,1 mm) e o paralelismo da placa da corrente (deve ser ≤0,05 mm);

Deformação: Utilize uma máquina de medição por coordenadas para verificar a planicidade da placa da corrente e compare a deformação antes e depois da soldagem;

Estabilidade: Após soldar 20 peças consecutivamente, verifique se os pinos de localização e os blocos de fixação do dispositivo apresentam desgaste e assegure-se de que a força de fixação esteja estável.

Com base nos resultados dos testes de soldagem, são feitos ajustes iterativos no dispositivo de fixação, como o ajuste da força de aperto e a otimização da localização do canal de resfriamento, até que ele atenda aos requisitos de produção em massa.

3. Manutenção e Calibração Diárias: Garantindo a Precisão a Longo Prazo

Após a entrada em funcionamento do equipamento, deve ser estabelecido um sistema regular de manutenção e calibração:

Manutenção diária: Limpe os respingos de solda e manchas de óleo da superfície da peça fixada e verifique se há vazamentos nos sistemas pneumáticos/hidráulicos do dispositivo de fixação.

Calibração semanal: Utilize blocos padrão e relógios comparadores para calibrar a precisão de posicionamento dos pinos de localização. Se o desvio exceder 0,03 mm, ajuste-os ou substitua-os imediatamente.

Inspeção mensal: Verificar se há obstruções nos canais de água de refrigeração e substituir juntas de poliuretano desgastadas e componentes de fixação.

Por meio de manutenção padronizada, a vida útil do dispositivo pode ser prolongada (normalmente até 3-5 anos), garantindo um controle eficaz da deformação durante a produção a longo prazo.

Quinto, Estudo de Caso: Práticas de Melhoria de Equipamentos em uma Empresa de Máquinas Pesadas

Um fabricante de correntes de rolos para serviço pesado (usadas em máquinas de mineração) enfrentava problemas com distorção excessiva (≥0,3 mm) nos elos da corrente após a soldagem, resultando em uma taxa de qualificação do produto de apenas 75%. Com as seguintes melhorias no dispositivo de fixação, a taxa de aprovação aumentou para 98%:

Melhoria no posicionamento: O pino de localização único original foi substituído por um sistema de posicionamento com "pino duplo + superfície plana", reduzindo a folga para 0,03 mm e resolvendo o problema de deslocamento da peça;

Otimização da dissipação de calor: O corpo do dispositivo de fixação é feito de liga de cobre e possui canais de refrigeração, aumentando a taxa de resfriamento na área de soldagem em 40%;

Fixação dinâmica: Um sensor de deslocamento e um sistema de fixação servo são instalados para ajustar a força de fixação em tempo real, evitando a concentração de tensão;

Restrições simétricas: Blocos de fixação e blocos de suporte simétricos são instalados em ambos os lados da corrente para compensar a tensão de soldagem.

Após as melhorias, o desvio de passo da corrente de rolos é controlado em até 0,05 mm e a distorção é ≤0,1 mm, atendendo plenamente aos requisitos de alta precisão do cliente.

Conclusão: O projeto do dispositivo de fixação é a “primeira linha de defesa” para a qualidade da soldagem de correntes de rolos.

Reduzir a deformação na soldagem por corrente de rolos não se resume à otimização de uma única etapa, mas sim a um processo sistemático que engloba posicionamento, fixação, dissipação de calor, processamento e manutenção, sendo o projeto do dispositivo de soldagem o componente central. Da estrutura de posicionamento unificada ao controle adaptativo da força de fixação e ao projeto flexível de acompanhamento dinâmico, cada detalhe afeta diretamente o efeito da deformação.