O processo de soldagem a ponto por resistência elétrica é o método mais comum usado na união de estruturas e chapas entre diferentes materiais. Isso decorre da possibilidade de se dispor de várias configurações possíveis de união. Outra vantagem é a facilidade de automatizar os equipamentos usados nesse processo. Dessa maneira, essas juntas apresentam níveis adequados de confiabilidade. Ainda assim, atualmente, são necessários estudos adicionais para investigar os materiais envolvidos, a soldabilidade e confiabilidade dessas juntas sob diferentes condições de carregamento.

Por exemplo, o aço-carbono número 1.8902 é usado em vários setores industriais, principalmente no automotivo, mas sua soldabilidade foi pouco investigada até o momento. Diferentes trabalhos mostraram a facilidade em se confeccionar juntas soldadas a ponto que apresentam comportamento adequado quando submetidas a ensaios convencionais de tração (1-6). Foram investigadas a resistência mecânica e a área do “botão” da junta, as quais estão relacionadas com variáveis do processo de soldagem a ponto. Na maioria dos casos, uma boa prática para esse processo requer o controle de três parâmetros, a saber: intensidade de corrente elétrica e tempo de soldagem, bem como pressão do eletrodo (3).

A corrente de soldagem passa através da interface da junta e proporciona o calor requerido para a fusão em decorrência da resistência elétrica da folga. O aumento do valor da corrente, limitado a um valor crítico, eleva rapidamente a resistência mecânica no botão de solda em aços de baixo carbono devido ao aumento de sua área (7). O efeito da atmosfera, o qual melhora a resistência ao cisalhamento decorrente de tensões de tração, foi investigado no caso específico da soldagem a ponto por resistência elétrica em chapas de titânio (5). A resposta da resistência mecânica à elevação da corrente é normal no caso de ligas de alumínio submetidas à soldagem a ponto (7). O tempo de soldagem é a segunda variável mais importante, a qual define o período em que a corrente elétrica flui pela junta. No caso do processo de soldagem a ponto por resistência elétrica, essa variável é definida pelo número de ciclos registrados por um osciloscópio. Também podem ser usados temporizadores eletrônicos convencionais, os quais convertem o tempo em ciclos (sendo 1 segundo igual a 60 ciclos). A referência (4) investigou apenas o tempo otimizado de soldagem para uma junta sujeita a descascamento e cisalhamento decorrente de tensões de tração em chapas de aço galvanizado e revestido com cromato apresentando 1,2 mm de espessura. O valor da resistência elétrica (R) é influenciado pela força aplicada (ou seja, pela pressão exercida pelo eletrodo) por meio de seu efeito na resistência de contato ( 8,9 ) . O aumento da resistência de contato elevará a taxa de geração de calor.

Portanto, a pressão do eletrodo influencia o aquecimento da junta, a princípio, pelo efeito que exerce na resistência de contato (7) . Caso o valor da pressão não possa ser alterado automaticamente, o diâmetro do eletrodo pode exercer o mesmo efeito.

Neste trabalho foi executada uma série sistêmica de ensaios para estudar a soldabilidade a ponto do aço-carbono de baixa liga 1.8902. Esse material tem sido soldado de forma bem sucedida usando-se o processo a ponto envolvendo fusão. Não foram efetuadas caracterizações metalográficas, pois o objetivo foi apenas descrever a soldabilidade do material. Portanto, o desempenho estrutural da junta foi caracterizado sob cargas de tração e cisalhamento.

Programa experimental

Os corpos de prova com junta de sobreposição ou junta sujeita a descascamento foram submetidos a ensaios de tração. As juntas foram confeccionadas por soldagem a ponto com ponta de eletrodo apresentando diâmetro de 4 mm. Os efeitos das variáveis de soldagem sobre a resistência mecânica e a área das juntas soldadas do aço-carbono 1.8902 foram categorizados para ambos os tipos de corpos de prova (10) . O programa de testes incluiu ensaios de tração para determinar a soldabilidade do aço-carbono para esse processo específico sob dois diferentes estados de tensão. O procedimento experimental consistiu nas seguintes etapas:

  1. corpos de prova com juntas de sobreposição e juntas sujeitas a descascamento foram soldados sob diferentes condições de processo (tempo e corrente de soldagem). A ponta do eletrodo tinha 4 mm de diâmetro;
  2. foram efetuados ensaios está ticos de tração para determinar a resistência mecânica da junta. A carga máxima é uma propriedade fundamental do ponto de vista do projeto. Foi medida a área do botão de solda. Devido à espessura da chapa, observou se expulsão quando se aplicou corrente máxima de soldagem de 7,2 kA. As chapas unidas sob valores de corrente inferiores a 3,7 kA não apresentaram juntas soldadas com tamanho suficiente devido ao menor aporte térmico.

Materiais

O material empregado nesses ensaios consistiu em uma única chapa de aço-carbono 16 GS/1.8902 laminado a frio, com espessura nominal de 0,8 mm, sem revestimento superficial. As tabelas 1 e 2 mostram, respectivamente, a composição química e propriedades mecânicas desse material.

Equipamento para soldagem

Foi usado um equipamento padronizado para soldagem a ponto por resistência elétrica, acionado por pedal e dotado de balancim (marca Bay Kay), dotado de transformador monofásico de 220 V e capacidade de 15 kVA. O eletrodo era constituído de cobre puro, classe 1 conforme a Resistance Welding Manufacturing Alliance – RWMA*NT (Aliança da Manufatura por meio de Soldagem a Ponto), o qual apresenta alta condutividade térmica e elétrica. As dimensões dos eletrodos foram controladas por processos de usinagem. Originalmente, os eletrodos foram usinados de forma a apresentar ponta plana com diâmetro de 4 mm e corpo com diâmetro de 16 mm, sendo a ponta configurada em um tronco de cone com ângulo de 30°.

O valor da ponta do eletrodo foi selecionado de acordo com a fórmula proposta pela American Welding Society – AWS (Associação Americana de Soldagem) (11):

onde del é o diâmetro da ponta do eletrodo (em milímetros) e t é a espessura da chapa (em milímetros). Essa relação é válida para chapas mais finas, com espessura entre 0,131 e 0,51 mm, e mais espessas, com espessura na faixa entre 3,18 e 12,7 mm (11).

Processo de soldagem

O processo de soldagem foi executado em corpos de prova apresentando dimensões específicas, conforme mostrado na figura 1. Os conjuntos de corpos de prova foram soldados sob diferentes parâmetros de processo, de acordo com o listado na tabela 3. Primeiramente, foram mantidos constantes o tempo de soldagem e a força do eletrodo, sendo então variada a corrente de soldagem. O valor do diâmetro da ponta do eletrodo foi mantido constante. Portanto, foram obtidas juntas soldadas com diferentes proprie-

Fig. 1 – (a) Corpo de prova com junta soldada de sobreposição para ensaio de cisalhamento promovido por tensões de tração; (b) corpos de prova com junta soldada para ensaio de descascamento promovido por tensões de tração.

 

dades. Foram aplicados quatro valores de tempo e corrente de soldagem, sendo confeccionados 16 conjuntos de corpos de prova. Cada conjunto era constituído por três corpos de prova para cada valor de tempo e de corrente de soldagem selecionado. Portanto, cada ponto nas curvas representa a média de três valores determinados experimentalmente. A força do eletrodo foi mantida constante em 1.617 N. Portanto, no caso de eletrodo com diâmetro de 4 mm, o valor previsto da pressão exercida por ele foi igual a 129 MPa.

Ensaios de tração e cisalhamento

A resistência mecânica estática foi determinada por meio de corpos de prova convencionais, com junta soldada de sobreposição, nos quais ocorria cisalhamento decorrente de tensões de tração, e de corpos de prova para ensaios de descascamento. Os detalhes sobre os corpos de prova e métodos de ensaio seguem as recomendações

 

e normas propostas pela AWS (12). Todas as juntas soldadas foram testadas sob cisalhamento decorrente de tensões de tração usando uma máquina de tração convencional hidráulica (marca Adamel Lhomrgy Dy. 25, modelo EG04). Esse equipamento era dotado de um sistema de leitura digital para carga e alongamento. A função da máquina era determinar tanto o pico de carga como a resistência mecânica da junta soldada (7,13) .

O corpo de prova com junta de sobreposição para o ensaio de cisalhamento era constituído por duas chapas planas com 0,8 mm de espessura e apresentava distância de sobreposição igual a 25 mm, conforme mostra a figura 1(a). Essa geometria foi configurada, tanto quanto possível, de forma a aplicar cisalhamento puro sobre a junta.

O corpo de prova para ensaio de descascamento foi sujeito a um estado combinado de tensões que foi criado pelo posicionamento da junta presente no corpo de prova a distâncias variáveis a partir do plano de carregamento, conforme mostrado na figura 1(b). O estado de tensões foi constituído de uma tensão de tração combinada com um momento ao redor do ponto soldado. Esse comportamento era bem próximo do observado sob tração pura. As dimensões do corpo de prova foram as mesmas propostas pelos procedimentos práticos da AWS (11).

Determinação da soldabilidade

A soldabilidade a ponto para uma chapa de aço-carbono com 0,8 mm de espessura foi determinada neste trabalho na forma de curvas de lóbulo (lobe curves). Esse tipo de curva corresponde a um gráfico que correlaciona tempo de soldagem versus corrente de soldagem para uma forma específica de carregamento mecânico. Ela indica a faixa de condições sob as quais se pode conseguir juntas soldadas satisfatórias. A curva de lóbulo foi obtida por meio da execução de ensaios de tração usando-se corpos de prova que foram soldados sob várias condições em termos de tempo e corrente de soldagem, pela variação dos tempos de soldagem para um valor especificado de corrente. Os limites então são determinados, estabelecendo se a curva (7). Os corpos de prova que apresentarem maior ou menor valor de resistência ao cisalhamento decorrente de tensões de tração estão associados à aplicação de diferentes intensidades de aporte térmico, conforme as constatações listadas abaixo:

 

  1. geralmente, o valor mínimo de corrente que causa expulsão é considerado como sendo o limite superior da faixa de corrente de soldagem;
  2. o limite inferior pode ser estabelecido determinando-se 2/3 Pmax a cada ensaio. Em cada teste, a evolução da resistência máxima à ruptura do botão da junta soldada é prolongada até cruzar com o eixo “x” do gráfico que relaciona carga versus corrente, o qual foi determinado a partir dos ensaios feitos com as juntas de sobreposição e as juntas submetidas a descascamento. A seguir, esse valor é projetado de forma a se obter o valor mínimo da corrente a partir do eixo “x” para cada condição testada;
  3. o primeiro ponto da curva à esquerda (limite inferior) indica a junta com resistência mecânica igual a 2/3 Pmax. O segundo ponto da curva à direita (limite superior) indica o caso em que ocorre expulsão no final da zona de soldagem;
  4. a expulsão acontece quando a soldagem é feita sob valores de corrente e /ou de tempo que superam o valor superior definido pela curva de lóbulo, tornando a junta soldada inaceitável. Por sua vez, as juntas soldadas confeccionadas sob valores de corrente ou tempo abaixo do limite inferior apresentam botões de solda com tamanho insuficiente. Dessa forma, elas serão frágeis e são igualmente inaceitáveis.

Uma vez que a soldabilidade também descreve a resistência mecânica da junta, e que a área do botão de solda determina essa propriedade (14), a AWS, o American National Standards Institute – ANSI (Instituto Nacional Americano de Normas) e a Society of Automotive Engineers – SAE (Associação dos Engenheiros Automotivos) recomendam (2) que a área do botão de solda (dn ) seja estimada em função do diâmetro do eletrodo, conforme segue:

Contudo, de acordo com outro autor (12) , a área em que ocorreu fusão deve ser no mínimo igual a:

onde ‘t’ é o menor valor de espessura entre as duas chapas unidas. Dessa forma, é possível estimar o valor otimizado da área do botão para um determinado diâmetro de eletrodo.

Resultados e discussão

Resultados dos ensaios feitos com juntas de sobreposição

Neste ensaio, um corpo de prova contendo uma junta soldada a ponto foi submetido a uma combinação de tensões de cisalhamento e a um certo grau de tensões de tração aplicadas ao longo da espessura. Os resultados experimentais estão focados nos efeitos decorrentes da corrente e do tempo de soldagem.

Efeito da corrente e do tempo de soldagem

A corrente de soldagem exerce influência fundamental sobre a resistência à tração e ao cisalhamento, vindo então, em seguida, o tempo de soldagem e o diâmetro do eletrodo como fatores adicionais de influência. A tensão máxima foi medida, indicando assim a resistência mecânica da junta. A figura 2 (pág. 38) mostra como esse último parâmetro e a área do botão de solda se elevam à medida que aumenta a corrente de soldagem, até que seja atingido um valor máximo. Os resultados obtidos estão em concordância com os mostrados em outro trabalho (6) . O mesmo comportamento foi verificado ao aumentar o tempo de soldagem, conforme mostrado na figura 3 (pág. 38). O resultado visto em outro projeto (5) mostrou que o aumento do tempo de soldagem e da força do eletrodo elevou a resistência ao cisalhamento decorrente de tensões de tração, ou seja, a área da junta soldada. A mesma referência (5) também investigou o efeito da atmosfera de argônio sobre a resistência ao cisalhamento decorrente de tensões de tração.

Uma relação direta entre corrente, resistência mecânica da junta e área soldada apresentou concordância com as tendências apresentadas pela curva proposta pela AWS (14). A área da junta soldada se eleva rapidamente com o aumento da corrente de soldagem, desde baixos valores desse parâmetro até o caso em que ocorre expulsão sob altos níveis de corrente elétrica. Um comportamento similar também foi verificado no caso da resistência mecânica da junta soldada. O aumento da resistência mecânica da junta decorreu da elevação da corrente de soldagem e da área da junta soldada. Já a expulsão reduziu a quantidade de metal fundido. Portanto, a elevação da resistência ao cisalhamento promovido por tensões de tração da junta soldada em pontos foi atribuído à expansão da área da junta. Esse resultado também apresenta boa concordância com outras referências da literatura (3,4,6).

As figuras 2(b) e 3(b) mostram a comparação com outras referências (2,3). Foi mostrado que a relação proposta pela AWS proporcionou melhor concordância com os resultados experimentais. Contudo, essas relações lineares não consideram o aumento da área devido à geração de calor.

Fig. 2 – Efeito da corrente da soldagem sobre as juntas de sobreposição. Diâmetro da ponta do eletrodo (del) igual a 4 mm, espessura de chapa igual a 0,8 mm. (a) Limite de resistência; (b) área do botão de solda.

 

Fig. 3 – Efeito do tempo de soldagem sobre as juntas de sobreposição. Diâmetro da ponta do eletrodo (d el) igual a 4 mm, espessura de chapa igual a 0,8 mm. (a) Limite de resistência; (b) área do botão de solda.

 

Fig. 4 – Efeito da corrente da soldagem sobre as juntas sujeitas a descascamento. Diâmetro da ponta do eletrodo (d ) igual a el4 mm, espessura de chapa igual a 0,8 mm. (a) Limite de resistência; (b) área do botão de solda.

 

 

A soldagem com eletrodo apresentando diâmetro de 4 mm e baixa corrente de soldagem (abaixo de 3,7 kA) resultaram em uma área menor de junta soldada. Uma vez que, nesse caso, ocorreram menores valores de profundidade de endentação, bem como menores diâmetros, a junta soldada assim produzida suportou menores valores de carga. Contudo, a área e a resistência mecânica da junta soldada aumentaram rapidamente quando se aplicou corrente acima de 5,8 kA. Normalmente, os valores máximo e mínimo dos parâmetros do processo de soldagem são influenciados pela geometria do produto, o tipo e o projeto do equipamento, os materiais e a configuração dos eletrodos. Portanto, a investigação sobre a soldabilidade de um determinado material em uma dada linha de produção precisará considerar globalmente todos esses fatores. Contudo, aqui os autores optaram por selecionar alguns pares de parâmetros para estuda-la.

Resultados dos ensaios de descascamento

Devido à configuração do corpo de prova usado neste ensaio, ocorreu elevação no valor de tensão de tração sobre a solda a ponto. Surgiu então um valor significativo de torque, dependendo da posição do ponto de soldagem em relação ao plano da carga aplicada. Portanto, os resultados do ensaio de tração efetuados com esse tipo de corpo de prova mostraram baixos valores de resistência mecânica associados com grande deslocamento. Esse resultado apresenta boa concordância com os apresentados em outras referências (4,9,14). O botão de solda não suportou a carga aplicada. Portanto, a fratura ocorreu sob menores valores de carga em comparação com a junta de sobreposição, na qual o botão é submetido a tensão de cisalhamento associada com baixo nível de torque ao redor do botão.

Efeito da corrente e do tempo de soldagem

Novamente, a área e a resistência mecânica da junta aumentam com a corrente de soldagem. Mas foram obtidos menores valores de resistência mecânica na junta sujeita a descascamento em comparação com a junta de sobreposição, fato também verificado em outro trabalho (12) – veja figura 4. Contudo, a área do botão de solda no corpo de prova feito com a junta sujeita a descascamento é um pouco maior que os valores constatados nas juntas de sobreposição (14).

O aumento do tempo de soldagem a partir dos valores iniciais provocou um aumento da área do botão de solda, o que levou a um

Fig. 5 – Efeito do tempo de soldagem sobre as juntas sujeitas a descascamento. Diâmetro da ponta do eletrodo (d ) igual a el4 mm, espessura de chapa igual a 0,8 mm. (a) Limite de resistência; (b) área do botão de solda.

 

aumento da resistência mecânica da junta – veja figura 5.

Outras referências (2,3) informam menores valores para o diâmetro do botão de solda e para a espessura da chapa. Deve-se enfatizar que esses valores representam apenas o tamanho mínimo previsto que pode suportar a carga mecânica para uma espessura específica.

Curva de lóbulo para soldabilidade

Vários estudos já analisaram os diversos parâmetros que afetam a soldagem a ponto (2-8,15). Contudo, seus objetivos se limitaram a investigar a soldabilidade em si, não tendo sido feita a determinação das curvas de lóbulo. A figura 6 mostra a curva específica de lóbulo para uma chapa de aço-carbono com espessura de 0,8 mm sem revestimento superficial. São mostrados os limites de fratura frágil e de expulsão. A largura das juntas soldadas aceitáveis pode ser alterada de acordo com a espessura da chapa, tipo de material, tratamentos térmicos e condições superficiais.

A área e a resistência mecânica obtidas nas juntas soldadas apresentam uma relação polinomial com os parâmetros do processo de soldagem no caso das juntas de sobreposição e das juntas sujeitas a descascamento, conforme mostra a figura 7 e já constatado em outra pesquisa (4). A soldabilidade foi estimada de uma nova forma, de acordo com os limites superior e inferior mostrados na figura 7. Assim sendo, os valores situados entre esses dois limites representam, de forma geral, a soldabilidade e confiabilidade previstas sob diferentes tipos de carregamento mecânico:

Conclusões

A maioria dos estudos já publicados teve como foco o caso de chapas com espessuras superiores a 1 mm. Neste trabalho foram soldadas chapas de aço-carbono com 0,8 mm de espessura.

Tradicionalmente a corrente de soldagem possui um efeito preponderante sobre a área e resistência mecânica da junta soldada, o qual é superior aos efeitos do tempo de soldagem e pressão do eletrodo. Se a corrente for baixa, a junta soldada apresentará resistência

Fig. 6 – Curva do lóbulo: diâmetro da ponta do eletrodo (d el) igual a 4 mm, espessura de chapa igual a 0,8 mm, junta de sobreposição.

 

mecânica insuficiente devido à natureza frágil do botão de solda assim produzido.

A resistência mecânica das juntas soldadas depende da configuração da junta. Portanto, as juntas em curva, sujeitas a solicitações de descascamento, apresentam menor resistência mecânica em comparação com a junta de sobreposição; contudo, as áreas soldadas para as juntas sujeitas ao descascamento são maiores que as observadas para as juntas de sobreposição.

Foi obtida boa correlação entre a resistência ao cisalhamento provocado por tensões de tração e a área do botão de solda. A partir daí foi constatado que a resistência mecânica da junta é proporcional ao diâmetro da zona de fusão

Fig. 7 – Relação entre área e resistência mecânica da união soldada para juntas de sobreposição e as sujeitas a descascamento.

 

(ou seja, do botão de solda). A configuração da junta em pontos influencia a dissipação de calor. Portanto, os corpos de prova com juntas sujeitas ao descascamento apresentaram maior área de botão de solda devido à menor dissipação de calor (maior acúmulo de calor) nas regiões do botão.

Os parâmetros desfavoráveis para a confiabilidade da junta soldada em pontos foram determinados pela curva de lóbulo. A soldabilidade em pontos foi avaliada neste trabalho assumindo-se diferentes condições de carregamento mecânico. Portanto, pode-se determinar melhor confiabilidade para materiais específicos. Foi feita uma comparação entre o valor mínimo de área da junta soldada necessária para uma espessura específica e os resultados obtidos em experimentos, bem como com a relação proposta pela AWS.

Agradecimentos

A . M. Al-Mukhtar agradece pelo apoio recebido da Faculdade de Geociências e Geoengenharia do Instituto de Hidrologia da Universidade Técnica e Academia de Mineração de Freiberg (Technische Universität Bergakademie Freiberg). Os autores também são gratos pelo apoio proporcionado pelo Instituto de Educação Internacional (Institute of International Education, IIE), situado nos EUA.

 

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