FUNDAÇÃO OSWALDO ARANHACENTRO UNIVERSITARIO DE VOLTA REDONDA

UniFOACurso de Engenharia Mecânica

ESTUDO COMPARATIVO ENTRE PROCESSOS DE SOLDAGEM POR RESISTÊNCIA E PRESSÃO E

ELECTRON BEAN

Por:Johnny Pedro de Freitas Duarte – 201211225

Luiz Claudio Ventura dos Reis Sampaio – 201210482Luiz Otavio Ibrahim – 201210484

Thalis Amorim Penido – 201210500Michael Lins de Oliveira – 201311538

Volta Redonda2015

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FUNDAÇÃO OSWALDO ARANHACENTRO UNIVERSITARIO DE VOLTA REDONDA

UniFOACurso de Engenharia Mecânica

ESTUDO COMPARATIVO ENTRE PROCESSOS DE SOLDAGEM POR RESISTÊNCIA E PRESSÃO E

ELECTRON BEAN

Por:Johnny Pedro de Freitas Duarte – 201211225

Luiz Claudio Ventura dos Reis Sampaio – 201210482Luiz Otavio Ibrahim – 201210484

Thalis Amorim Penido – 201210500Michael Lins de Oliveira – 201311538

Trabalho apresentado como avaliação parcial da disciplina de Pesquisa Aplicada na Áreas Metalúrgica e Materiais, do curso superior de Engenharia Mecânica, ministrado pelo Prof. Josue Ribeiro da Silva.

Volta Redonda2015

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AGRADECIMENTOS

Agradecemos primeiro a Deus que nos deu a vida.A nossas famílias pela paciência e compreensão, ao UniFOA pela

excelência na pratica do ensino através do seu corpo Docente.Ao nosso mestre Josué Ribeiro pelo apoio e dedicação.E a todos que, direta ou indiretamente, nos apoiou e nos incentivou, o nosso

muito obrigado.

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RESUMO

O objetivo deste Trabalho é apresentar um estudo comparativo de forma sucinta entre dois métodos de soldagem, amplamente utilizados na Indústria: Soldagem por Resistência e soldagem por Feixe de elétrons (Electron Bean). Demonstrar onde são mais indicados, como se subdividem, como é desenvolvido os seus processos e as diferenças entre si.

Palavras-Chave:Soldagem; Unir peças metálicas; Soldagem por resistência; Soldagem por superposição; Soldagem por pontos; Soldagem por costura; Soldagem de topo; Soldagem por descarga elétrica; Soldagem de topo por fluência; Soldagem por Feixe de elétrons.

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ABSTRACT

The objective of this work is to present a comparative study briefly between two welding methods, widely used in industry: Resistance Welding and welding beam of electrons (Electron Bean). Demonstrate where they are most suitable, as are divided, is developed its processes and the differences between them.

Key words:welding; Joining metal parts; Resistance welding; Welding overlay; Spot welding; Welding seam; Top welding; Welding by electric discharge; Top welding influence,; Welding beam of electrons.

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LISTA DE ILUSTRAÇÕESFigura 1: Soldagem por pontos.................................................................Figura 2: Soldagem por costura................................................................Figura 3: Soldagem a topo por descarga elétrica (flash butt welding)........................................................................................................Figura 4: Soldagem a topo por fluência (upset butt welding).................Figura 5: Princípio de funcionamento do processo de soldagem por feixe de elétrons.................................................................

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SUMARIO1. INTRODUÇÃO....................................................................................

2. REVISÃO BIBLIOGRAFICA..............................................................

2.1. Soldagem Por Resistência........................................................

2.1.1. Soldagem por superposição..................................................

2.1.2. Soldagem de Topo................................................................

2.2. Soldagem Electron Bean (Feixe de Elétrons)........................

3. APLICAÇÕES..................................................................................

3.1. Soldagem por resistência e pressão......................................

3.2. Soldagem eléctron bean (feixe de elétrons)..........................

4. RESULTADO E COMPARAÇÕES...................................................

5. DISCUSSÃO.....................................................................................

6. CONCLUSÃO...................................................................................

7. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS................................................

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1. INTRODUÇÃO

Soldagem é o processo de juntar peças metálicas, colocando-as em contato íntimo, e aquecer as superfícies de contato de modo a leva-las a um estado de fusão ou plasticidade[1].

A soldagem representa uma das operações de extrema importância no processamento dos metais. Atualmente, é impossível dispensar o seu uso na construção de qualquer tipo de estrutura metálica. Uma enorme quantidade de processos foi desenvolvida para otimizar os processos de construção envolvendo diversos materiais metálicos[2]. Geralmente são classificados de acordo com a fonte de energia empregada para aquecer os metais e a condição do metal nas superfícies em contato[1].

Neste trabalho, falaremos apenas de dois processos: o processo de soldagem por resistência e o processo de soldagem por feixe de elétrons (Electron Bean), onde será realizado um estudo comparativo entre ambos.

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2. REVISÃO BIBLIOGRAFICA

2.1.Soldagem Por ResistênciaA soldagem por resistência é um processo no qual as peças a serem

unidas são ligadas pelo calor gerado por efeito de resistência elétrica, quando se passa uma corrente através de um circuito elétrico do qual fazem parte as peças em referência, onde são mantidas sob pressão[2].

A quantidade de calor desenvolvida na região de contato dos elementos é determinada através da lei de Joule, mostrada pela Eq.01[1]:

Q=K . I 2 . R .t (Eq.01)

ondeI = Corrente, em ampères [A]R = Resistência do circuito na área de contato, em ohm [Ω]t = tempo durante o qual a corrente flui, em segundos [s]K = constante, em função das perdas de calor e que varia com as diferentes condições de soldagem e de acordo com metais diversos

O processo é dividido em dois grandes grupos: a soldagem por superposição e soldagem de topo[2].

2.1.1. Soldagem por superposiçãoA soldagem por superposição é bastante utilizada em chapas finas e

folhas, sendo ainda subdividida em dois métodos: a soldagem por pontos e a soldagem por costura[2].

2.1.1.1. Soldagem por PontosO princípio de funcionamento da soldagem por pontos é apresentado na

Figura 1. Nela, confere-se que as chapas sobrepostas são mantidas em contato por meio de dois eletrodos de cobre, e uma corrente muito intensa percorre o circuito elétrico, durante um curto período de tempo. A passagem dessa corrente causa a liberação de calor na interface de contato das duas chapas, por efeito da resistência elétrica. As superfícies são então fundidas e a pressão mantida entre as chapas é suficiente para formar o ponto de solda. A liberação de calor também acontece no ponto de contato entre a chapa e o eletrodo, mas este é resfriado internamente, razão pela qual não provoca a sua própria fusão nem a da chapa com qual está em contato[2].

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Figura 1: Soldagem por pontos.

As etapas da soldagem por ponto são as seguintes[1]: pressão é aplicada nas peças (90 a 1.450 kgf); corrente elétrica é ligada, utilizando-se voltagem de 1 a 10

volts e amperagem de 1.000 a 50.000 ampères. O tempo de passagem da corrente varia de meio a quatro segundos, o mais comum sendo menos do que um segundo. A solda está feita;

a corrente elétrica é desligada, mantendo-se, porém, a pressão por algum tempo, de modo a resfriar a solda;

os eletrodos são afastados e a peça é removida.Nos métodos de soldagem por resistência por pontos, o equipamento

básico é constituído de eletrodos que colocam em contato as peças, um transformador para fornecer corrente elevada aos eletrodos, meios de controlar a quantidade e a duração de aplicação da corrente e dispositivos que permitam aplicar pressão aos eletrodos[1].

2.1.1.2. Soldagem por costuraO método de soldagem por costura está esquematizado na Figura 2 e nela

verifica que a união é efetuada de maneira parecida à soldagem por pontos. Neste caso, porém, usa-se um par de discos que rolam sobre as chapas e, mediante descargas elétricas intermitentes, executa-se a costura desejada. Como no processo de soldagem por pontos, a pressão também é aplicada para manter o contato entre as chapas[2].

Figura 2: Soldagem por costura.

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Geralmente, as costuras são executadas de modo contínuo, embora, embora possuam ser interrompidas e equiespaçadas (próximos uns aos outros que eles praticamente se sobrepõem, de modo a produzir uma solda contínua[1]). Este método é muito utilizado, quando se deseja uma estanqueidade efetiva da união. A corrente de soldagem é cerca de 1,5 a 2,0 vezes maior, e a força aplicada é de 1,2 a 1,6 vezes mais intensa do que utilizadas na soldagem por pontos. Por exemplo, para unir 2 chapas de 0,8 milímetros de espessura, trabalha-se com uma corrente de aproximadamente 1.500 ampères e uma força de 300 kgf[2].

As dimensões dos discos de eletrodos variam de aproximadamente 5 a 60 cm[1].

2.1.2. Soldagem de TopoA soldagem por resistência a topo é um método através do qual é possível

soldar barras, tubos, ou mesmo chapas, igualmente por efeito de resistência elétrica, após alinhá-los na direção de seu eixo longitudinal e mantê-los sob pressão durante a passagem da corrente elétrica. Este grupo também é subdividido em dois outros métodos: a soldagem a topo por descarga elétrica (flash butt welding) e a soldagem a topo por fluência (upset welding)[2].

2.1.2.1. Soldagem por descarga elétricaNa soldagem por descarga elétrica, representada na Figura 3, é gerado um

arco elétrico entre as extremidades das peças a serem soldadas e, quando elas estiverem suficientemente aquecidas, é aplicada uma força intensa e momentânea para concluir a operação de soldagem. O processo de aquecimento da junta é progressivo e deve-se à formação de pequenas descargas elétricas entre as partes metálicas em contato, quando extremidades são aproximadas. Esta operação é repetida até que se atinja a temperatura de soldagem, ocasião em que a pressão mais intensa é aplicada[2].

Figura 3: Soldagem a topo por descarga elétrica (flash butt welding).

2.1.2.2. Soldagem de topo por fluênciaNo método de soldagem topo por fluência, os materiais a serem unidos são

inicialmente aquecidos por resistência, pela passagem de uma corrente muito intensa. Após isso, ocorre a aplicação de força na direção axial, conforme representada na Figura 4. A preparação da soldagem exige que as extremidades das peças em contato sejam usinadas e desengraxadas, pois a presença de substâncias como óxidos podem prejudicar a soldagem. A velocidade de aquecimento, neste método, é muito lenta e, portanto, a soldagem é mais

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demorada, o que pode levar a criação de uma larga zona termicamente afetada, prejudicando a qualidade da soldagem[2].

Figura 4: Soldagem a topo por fluência (upset butt welding).

2.2.Soldagem Electron Bean (Feixe de Elétrons)Nos últimos anos, foi dada muita ênfase a processos de soldagem,

utilizando fontes de calor que proporcionassem altos níveis de energia, como a soldagem de feixe de elétrons (Electron Bean), a plasma e por laser. Estes novos processos têm sido aplicados em alguns campos específicos, porém muitos deles ainda se encontram em estágio experimental. Deles, o mais empregado até agora é o processo por feixe de elétrons, utilizado na soldagem de metais ativos (metais que oxidam mais facilmente), metais com alto ponto de fusão e metais dissimilares[2].

Neste processo, os elétrons são acelerados e bombardeiam as faces da junta, em uma atmosfera de alto vácuo. O calor gerado, resultante da colisão das partículas atômicas com o metal-base, promove a soldagem instantânea das partes metálicas em contato[2].

A geração de elétrons é efetuada através de um filamento de tungstênio, imerso no vácuo de aproximadamente 10-5 mm de Hg. Os elétrons são então acelerados em um campo de voltagem muito intenso e colimados por meio de uma lente eletromagnética, em um feixe com alguns mícrons de diâmetro. O feixe assim obtido é dirigido para a junta a ser soldada, conforme mostra a Figura 5, e, devido à alta concentração de energia, promove uma penetração extremamente profunda. Dessa forma, materiais muito espessos podem ser soldados de uma só vez, assim como metais de elevado ponto de fusão. Devido ao vácuo, o processo também pode ser estendido à soldagem de metais ativos[2].

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Figura 5: Princípio de funcionamento do processo de soldagem por feixe de elétrons.

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3. APLICAÇÕES

Para todo processo é necessário saber qual são as suas utilizações, no processo de soldagem por resistência e pressão ou o processo de soldagem por feixe de elétrons é o mesmo, algumas de suas características permitem o uso em certos casos e aplicações diferentes.

3.1.Soldagem por resistência e pressãoA soldagem por resistência é um dos métodos mais utilizados para unir

metais, pois serve para variadas espessuras, formas e tipo de material, além de que o equipamento, com pequenas modificações, pode ser adaptado para soldar várias peças diferentes.

Utiliza-se a soldagem por resistência nas indústrias de automóveis, de eletroeletrônicos, na fabricação de eletrodomésticos, de tubulações, de equipamento ferroviário, esportivo, entre outras.

3.2.Soldagem eléctron bean (feixe de elétrons)A baixa energia de soldagem resultante, minimiza problemas de distorção e

contração da junta e permite trabalhar com peças já usinadas. Permite também soldar mais facilmente metais dissimilares de condutividade térmica diferente desde que estes tenham compatibilidade metalúrgica. O feixe de elétrons pode atravessar uma junta de menor espessura, soldando-a e, ainda, atingir uma outra junta abaixo da primeira, permitindo, assim, a soldagem de juntas não acessíveis por outros processos.

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4. RESULTADO E COMPARAÇÕES

Comparações Resistência Feixe de Elétrons

Propriedades Mecânicas

Velocidade da soldagem: 0,1 s por ponto e 10 cm/s (costura);

Tipo de operação: automática;

Posições de soldagem: a princípio todas, porém, depende da geometria da peça e da flexibilidade do equipamento.

Alta velocidade de soldagem.

Distorção mínima. O processo a vácuo

proporciona um ambiente limpo e reproduzível.

Propriedades Químicas

Consumíveis: não se aplica;

Diluição: 100%; fonte de energia e

eletrodos de liga de cobre;

A quantidade de calor desenvolvida na região de contato dos elementos é determinada através da lei de Joule, mostrada pela equação.

Q=K . I 2 . R .t

Soldagem de todos os metais, mesmo com alta condutividade térmica.

Soldagem de materiais com pontos de fusão diferentes.

Processo de soldagem natural para materiais sedentos por oxigênio, como titânio, zircônio e nióbio.

Baixo fornecimento de calor para as peças soldadas.

Custo

Custo do equipamento: de 10 a 30 vezes o custo do equipamento de soldagem com eletrodo revestido.

Processo de soldagem de alto custo-benefício para a produção de larga escala em modo automático.

Disponibilidade

Posições de soldagem: a princípio todas, porém, depende da geometria da peça e da flexibilidade do equipamento.

Soldagem de todos os metais, mesmo com alta condutividade térmica.

Soldagem de materiais com pontos de fusão diferentes.

Usinabilidade

Algumas subdivisões necessitam que a peça seja previamente usinada.

A maioria das peças pode ser utilizadas na condição de soldadas - nenhumasub-usinagem é necessária.

Soldabilidade Espessuras soldáveis: Profunda penetração da

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de 1,0 mm a 3,0 mm.soldagem de 0,05 mm a 200 mm (0,002” a 8”) em passo único.

5. DISCUSSÃO

Como pôde ser visto no tópico de comparações o processo de feixe de elétrons permite um maior detalhamento nas peças e também a soldagem de alguns metais que não são possíveis por outros métodos, tendo um mercado ascendente e seu custo benefício aumentando este destaque, por outro lado o processo de soldagem por resistência e pressão já possui uma certa história assim por dizer pelo fato de ser um dos métodos mais utilizados hoje em dia, e tendo uma abrangência bem alta de utilizações, mesmo tendo um alto custo em seu maquinário, e algumas periculosidades devido ao uso de corrente elétrica para geração do efeito Joule. Em contra partida, a soldagem por feixe de elétron gera uma baixa geração de calor para as peças. Ambos podem ter uma produção automática como já citado, criando esta maior velocidade de produção e podem ser utilizados em peças de grande abrangência de tamanho de chapas, tornando essencial o estudo prévio para saber qual o processo mais indicado.

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6. CONCLUSÃO

Neste trabalho abordamos o estudo comparativo entre a soldagem por resistência e pressão e processo de soldagem por Electron Bean(Feixe de Elétrons), e concluímos que para a sua certa implementação, não são necessários apenas o conhecimento do material, porém para o maior proveito é essencial suas especificações de; aonde será implementado; ligas, mão de obra, profundidade, entre outros, não tendo o método melhor ou pior e sim, o melhor e pior para uma situação em específica.

Cumprimos todos os objetivos propostos, uma vez que todos os integrantes do grupo participaram vividamente aos encontros e o gosto pelo assunto foi motivo de grande motivação a todos. Este trabalho foi muito importante para o nosso conhecimento, compreensão e aprofundamento deste assunto, porque permitiu-nos compreender melhor a aplicação da soldagem, além de ter-nos permitido desenvolver e aperfeiçoar competências de investigação, seleção e organização.

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7. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

[1] CHIAVERINI, Vicente. Tecnologia Mecânica: Processos de Fabricação e Tratamento Volume II. 2ª Ed. São Paulo: McGraw-Hill, 1986. p.176-185.

[2] OKOMURA, Toshie; TANIGUCHI, Célio. Engenharia de Soldagem e Aplicações. Rio de Janeiro: LTC – Livros Técnicos e Científicos Editora S.A.: Tóquio: The Association for International Thechnical Promotion, 1982. p.7-46.

[3] GIMENES JR., Luiz; RAMALHO, José Pinto. Soldagem a Feixe de Elétrons. São Paulo. p. 12-16Disponível em: http://www.infosolda.com.br/images/Downloads/Artigos/processos_solda/feixe-de-eletrons.pdf Acessado em: 12/03/2015.

[4] http://demet.eng.ufmg.br/wp-content/uploads/2012/10/processo.pdfAcessado em: 16/03/2015.

[5] http://mmborges.com/processos/Uniao/uniao%20termica%20-%20soldagem.htmAcessado em: 16/03/2015

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