Estudo do processo de solda ponto por resistência utilizado na fabricação de capacitores eletrolíticos de alumínio

Abstract

Este estudo contribui significativamente para a área de soldagem, focando na microsoldagem por resistência em materiais com propriedades distintas, como alumínio, estanho, cobre e aço, com ênfase na aplicação em capacitores eletrolíticos de alumínio. Esses componentes eletrônicos são cruciais para o armazenamento e liberação rápida de carga elétrica, frequentemente utilizados como filtros para atenuar oscilações de tensão e corrente (ripple) em circuitos eletrônicos. O estudo envolveu a soldagem da liga de alumínio AW3003 e de uma chapa de aço de baixo carbono revestida por camadas de cobre e estanho, obtidas por eletrodeposição. Para otimizar a resistência mecânica das juntas de soldagem, minimizar a variabilidade nos resultados e assegurar um acabamento estético adequado, foi desenvolvido um planejamento de experimentos (Design of Experiments - DOE). Nesse planejamento, foram analisadas diversas combinações de corrente elétrica (variando entre 12 kA e 20 kA), tempo de solda (variando entre 8 ms e 12 ms) e força dos eletrodos (entre 94 N e 125 N). O objetivo era não apenas melhorar a resistência mecânica das juntas, mas também evitar a exposição do aço ao ambiente, o que poderia resultar em corrosão. Os resultados obtidos indicaram que a corrente elétrica é o fator mais determinante na resistência mecânica da junta, sendo diretamente proporcional à área da zona de solda. Além disso, o aumento da corrente provoca o escoamento das camadas de estanho e cobre para as regiões periféricas da soldagem. A análise estatística, realizada com o software Minitab, revelou que a combinação ideal de parâmetros para maximizar a carga para ruptura e a estabilidade da solda inclui uma corrente de 18 kA, um tempo de solda de 8 ms e uma força de 125 N nos eletrodos. Sob esses parâmetros, 150 amostras testadas suportaram uma força média de 1083 N para o arrancamento das juntas de solda, com um desvio padrão de 105 N, sem comprometer o padrão estético do componente. Além disso, a resistência das juntas a tensões residuais geradas por contração e expansão foi avaliada através de ensaios de choque térmico, nos quais os parâmetros recomendados demonstraram resultados satisfatórios. As análises microestruturais realizadas com microscopia eletrônica de varredura (MEV), espectroscopia de dispersão de energia (EDS) e microscopia óptica revelaram que as interfaces das soldas realizadas sob altas correntes e curto tempo apresentaram ligações em estado sólido, nas quais não houve fusão suficiente para permitir uma difusão atômica significativa e a formação de intermetálicos, contrastando com as soldas realizadas com intervalos de tempo mais longos.

This study makes significant contributions to the field of welding, focusing on resistance micro welding of materials with distinct properties, such as aluminum, tin, copper, and steel, with an emphasis on aluminum electrolytic capacitors. These electronic components are crucial for storing and rapidly releasing electrical charge, commonly used as filters to attenuate voltage and current fluctuations (ripple) in electronic circuits. The study involved welding the AW3003 aluminum alloy and a low-carbon steel sheet coated with copper and tin layers through electrodeposition. To optimize the mechanical strength of the welded joints, minimize variability in results, and ensure an adequate aesthetic finish, a Design of Experiments (DOE) approach was developed. Various combinations of electrical current (ranging from 12 kA to 20 kA), welding time (ranging from 8 ms to 12 ms), and electrode force (ranging from 94 N to 125 N) were analyzed. The goal was not only to improve the mechanical strength of the joints but also to prevent exposure of the steel to the environment, which could lead to corrosion. The results indicated that electrical current is the most significant factor influencing the mechanical strength of the joint, being directly proportional to the area of the weld zone. Moreover, increasing the current causes the tin and copper layers to flow into the peripheral regions of the weld. Statistical analysis, performed using the Minitab software, revealed that the optimal combination of parameters for maximizing pull-out strength and weld stability includes a current of 18 kA, a welding time of 8 ms, and an electrode force of 125 N. Under these parameters, 150 samples tested withstood an average breaking force of 1083 N for joint removal, with a standard deviation of 105 N, without compromising the component's aesthetic standard. Furthermore, the resistance of the joints to residual stresses caused by contraction and expansion was evaluated through thermal shock testing, in which the recommended parameters showed satisfactory results. Microstructural analyses performed using scanning electron microscopy (SEM), energy dispersive spectroscopy (EDS), and optical microscopy revealed that the interfaces of the welds performed under high currents and short welding times exhibited solid-state bonding, where insufficient fusion occurred to allow significant atomic diffusion and the formation of intermetallics, contrasting with the welds made with longer time intervals.