Application of the Response Surface Methodology for Optimization of the Resistance Spot Welding Process in AISI 1006 Galvanized Steel

Soldagem & Inspeção. 2018;23(2):129-142 https://doi.org/10.1590/0104-9224/SI2302.02 ISSN 1980-6973 (Online) ISSN 0104-9224 (Print) Artigos Técnicos Aplicação da Metodologia de Superfície de Resposta para Otimização do Processo de Solda a Ponto no Aço Galvanizado AISI 1006 Fernando Ferraz Amaral1, Fabrício Alves de Almeida1, Sebastião Carlos Costa1, Rafael Coradi Leme1, Anderson Paulo de Paiva1 1 Universidade Federal de Itajubá – UNIFEI, Instituto de Engenharia de Produção e Gestão, Itajubá, MG, Brasil. Recebido: 08 Mar., 2018 Aceito: 16 Maio, 2018 E-mail: (FFA) Resumo: A soldagem a ponto por resistência elétrica possui um papel importante na fabricação de diversos produtos da indústria. Apesar de sua ampla aplicabilidade, este processo está sujeito a apresentar certa inconsistência na qualidade devido a variáveis controláveis e não controláveis. Desta forma, este estudo busca aplicar a metodologia de superfície de resposta para a obtenção de valores otimizados de fatores controláveis do processo, tais como corrente de soldagem, tempo de soldagem e força do eletrodo. Verificou-se o comportamento das curvas do deslocamento do eletrodo, a fim de observar o efeito da queima do revestimento das chapas de aço carbono galvanizadas. Avaliou-se também o teste de cisalhamento para verificar a deformação na força máxima de ruptura dos corpos de prova. Os resultados da aplicação mostraram que parâmetros elevados de corrente e parâmetros reduzidos dos tempos de ciclo proporcionaram maiores níveis de força e valores desejáveis de indentação. Além disso, foi possível verificar através dos experimentos que os critérios de qualidade do ponto de solda apresentam correlação com as características das curvas de deslocamento do eletrodo, proporcionando uma maneira eficaz para avaliar a qualidade do processo de solda a ponto a partir de testes não destrutivos. Palavras-chave: Solda a ponto por resistência elétrica; Metodologia de superfície de resposta; Otimização; Aço galvanizado; Deslocamento do eletrodo. Application of the Response Surface Methodology for Optimization of the Resistance Spot Welding Process in AISI 1006 Galvanized Steel Abstract: The resistance spot welding has a great importance in the manufacture of several industrial products. Despite its wide applicability, this process is subject to certain quality inconsistency due to controllable and non-controllable variables. Thus, this study seeks to apply the response surface methodology to obtain optimized values of controllable process factors, such as welding current, welding time and electrode strength. The behavior of the electrode displacement curves has been verified in order to observe the burning effect of the coating of the galvanized carbon steel plates. It was also evaluated the shear test to verify the tensile-shear strength of the specimens. The results of the application showed that high current parameters and reduced cycle time parameters provided higher levels of strength and desirable indentation values. In addition, it was possible to verify through the experiments that the quality criteria of the weld point correlate with the characteristics of the displacement curves of the electrode, providing an efficient way to evaluate the quality of the process of welding to point from nondestructive tests. Key-words: Resistance spot welding; Response surface methodology; Optimization; Galvanized steels; Electrode displacement. 1. Introdução Este é um artigo publicado em acesso aberto (Open Access) sob a licença Creative Commons Attribution Non-Commercial, que permite uso, distribuição e reprodução em qualquer meio, sem restrições desde que sem fins comerciais e que o trabalho original seja corretamente citado. A soldagem a ponto por resistência elétrica (RSW– Resistance Spot Welding) possui grande importância na fabricação de diversos produtos da indústria, sendo um dos processos mais utilizados em produções seriadas e abrangendo muitos segmentos industriais como automobilísticas, eletrônicas, nucleares, tubulações, equipamentos ferroviários, aeroespacial, entre outras [1,2]. A facilidade de operação e de automação, rapidez, realização de vários pontos de solda sem que sejam necessários grandes ajustes dos parâmetros, e o baixo investimento, são os principais fatores que levam a grande utilização deste processo abrindo possibilidades para a obtenção de produtos de alta qualidade [3]. Amaral et al. Os aços galvanizados são materiais largamente usados no setor automobilístico entre outros, e sua soldabilidade através do processo RSW é alvo de constantes pesquisas. A presença nestes materiais de uma fina camada superficial de zinco, faz com que, para que a soldagem efetivamente se concretize, haja a necessidade da sua remoção durante o processo de soldagem no intuito de obter uma ligação adequada, garantindo a qualidade final do ponto soldado. Entretanto, é necessário entender os aspectos do comportamento do processo, além da relação com o ajuste dos parâmetros do processo de soldagem a ponto. Para isto, deve-se utilizar sensores de deslocamento para avaliar a movimentação dos eletrodos durante a aplicação de calor sobre as peças [4-6]. Considerando o fato de que o processo RSW apresenta como característica principal a sua rapidez de execução, conhecer a influência dos parâmetros do processo é condição inicial para melhorar os ajustes e objetivos pré-definidos. Deste modo, para que se tenha um ajuste preciso destes parâmetros, se faz necessário conhecer modelagens matemáticas que associem as influências em determinadas características desejáveis da solda, garantindo a versatilidade do processo em ambientes industriais. Para minimizar os custos experimentais é necessário utilizar estratégias como o delineamento de experimentos (DOE – Design of Experiments), que, segundo Almeida et al. [7], é uma técnica estatística capaz de modelar e otimizar experimentos. Segundo Naves et al. [8], metodologia de superfície de resposta (RSM – Response Surface Methodology) é um tipo de DOE amplamente utilizado em vários seguimentos, como nos trabalhos de Tak et al. [9], Pi et al. [10], Sheydaei et al. [11], Anouzla et al. [12]. Entre todos os projetos de RSM, existe um arranjo específico conhecido como o arranjo composto central (CCD - Central Composite Design). O CCD é o projeto mais utilizado para experimentos, apresentando maiores vantagens que outros tipos de design, sendo capaz de gerar modelos quadráticos completos [7,13]. Desta maneira, tem-se que determinar as condições ótimas de operação para um sistema ou o conhecer a região do espaço amostral, torna-se possível fornecer informações relevantes para aplicação dos métodos estatísticos de análises que são amplamente utilizadas em estudos envolvendo o processo RSW [14-19]. Um estudo experimental foi realizado para modelar as respostas de interesse (relativas ao processo RSW) onde um arranjo do tipo composto central, derivado da RSM, foi criado para modelar as quatro vari (...truncated)