Aula 9 –Uniões soldadas: Definições e...

SEM 0326 - Elementos de Máquinas II

Aula 9 – Uniões soldadas: Definições e processos

SEM 0326 –Elementos de Máquinas II

Profa. Zilda de C. Silveira

São Carlos, novembro de 2011

1- Considerações

- Processo que envolve a fusão local de superfícies de peças a seremunidas (alteram as propriedades: mecânicas, químicas emetalurgicas, das áreas afetadas)

Calor e ciclo térmico: voltagem, corrente, depósito e tempo.


- Na indústria metal-mecânica: alternativa aos processos deconformação mecânica.

- Grande parte das soldas industriais são realizadas por fusão, com omaterial das peças a serem unidas fundindo em suas superfíciescomuns.

- A resistência de uniões soldadas depende de diversos fatores, quedevem ser controlados, para se obter uma solda mais homogênea ede alta qualidade;

- Calor: provoca alterações metalúrgicas na estrutura do material, bemcomo nas vizinhanças da solda;

- Gradientes térmicos: tensões residuais (e eventuais empenamentos

1- Considerações


- Gradientes térmicos: tensões residuais (e eventuais empenamentosdo componente) introduzem expansões e contrações diferenciais,variações nas forças de fixação e alterações na resistência aoescoamento, com a temperatura.

Aquecimento das partes a uma temperatura uniforme, antes do processo de soldagem ; alívio de tensões com recozimento e shot-peening +

“boas práticas de soldagem”

1- Considerações


1- Considerações

- Solda de responsabilidade: protótipos/normas.

- Especificação das propriedades das “varetas”/eletrodos de solda(material de preenchimento) adequada, para cada tipo de materialdo componente a ser soldado;

- Análise de tensões e resistência: peça única.


Materiais mais utilizados, para processo de soldagem*

- Aços-carbono, fundido, inoxidável.

- Ferro fundido, aluminio*

-Ligas de Al, Cu, Mg

- Ligas cobre, prata e níquel.

- Termoplásticos


Cotagem de soldas: ISO 2553:1992

1- Considerações

O processo de soldagem pode ser utilizado para reparos*, como:

- Enchimentos, Trincas, Vedação

a) Menor peso

Até 20% mais leve que uniões por meio de rebitesAté 50% mais leve que peças fundidas

1.1 Vantagens


Até 50% mais leve que peças fundidas

b) Menor perda de resistência

Solda : 70% a 90%Rebite : 60% a 87% (da resistência da chapa)

c) Menor tempo de entrega

Pequenos lotes (comparado com peças fundidas)

1.2 Desvantagens

- Necessita de mão de obra especializada*;

- Deformações significativas;

- Alteração local de propriedades mecânicas (oxidação,descarbonetação, variação de dureza, etc.)

1- Considerações


1.3 Segurança de soldagem

- Arranjo do cordão de solda e fluxo de forças;- Tipo de soldagem; - Propriedades mecânicas dos materiais;- Estado de deformação e tensões residuais.

1.4 Aplicações das uniões soldadas

� Reservatório de pressão;� Estruturas de pontes;� Sistemas de escape – complexidade dos dutos;� Componentes de sistemas de transmissão automotiva.

1- Considerações


2 – Processos de soldagem

2.1 Soldagem por chama (a gás)

- É o mais antigo processo de soldagem.

- Vários processos de usinagem, de uso generalizado estão baseados emfenômenos físicos distintos.

- A aplicação prática de cada um desses processos, resulta em uma enormequantidade de variantes de processo de soldagem.


- É o mais antigo processo de soldagem.

- O desenvolvimento de uma “chama” de queima conjunta de acetileno eoxigênio (oxiacetileno) - início do século XX, demostrou o potencial desseprocesso e transformou-se em um processo de manufatura generalizada;

- Apesar das novas tecnologias, é ainda o processo com menor custo.

A solda a gás pode ser realizada em diversas temperaturas como segue abaixo :

Baixas : 1800 °CMédias : 2500 °CAltas : > 3000 °C




• Para as altas temperaturas usa-se a solda deoxiacetileno (3100°C), para qualquer trabalho quefunde diretamente o material (paredes delgadas), oupara fundir um arame de solda.



Processo: Consiste noaquecimento das peças, queserão unidas, através deuma chama de acetileno +oxigênio, até a sua fusão(com ou sem material de


(com ou sem material deadição).

Figura 1 – Esquema do processo por soldagem à gás.


2.2 Soldagem por arco elétrico

- Processo que teve grande impulso, com o desenvolvimento eaproveitamento comercial da eletricidade.

- Final do século 19: percebeu-se que um arco elétrico era uma fonteinesgotável de calor concentrado, podendo atingir rapidamente 3900°C.

- Neste período foram feitas, várias tentativas de fundir e soldar metais,com arco elétrico.


- Inicialmente foram utilizados eletrodos de carbono, numa extremidadedo arco elétrico, sendo o própria peça a ser soldada, que se fundia como outro eletrodo.

- O metal de adição, quando necessário era adicionado, através de umavareta que era “empurrada” progressivamente para o metal em fusão,tal como no processo de soldagem por chama.



- O processo se desenvolveu conduzindo a substituição do eletrodo decarbono, por um eletrodo consumível de metal atuando simultâneamentecomo metal de adição e eletrodo.

- Problema: Contaminação do metal em fusão devido à exposição aooxigênio (oxidação) – que era uma limitação tecnológica da época.

- Com o final da 1a. Guerra Mundial a soldagem por arco elétrico começou


- Com o final da 1a. Guerra Mundial a soldagem por arco elétrico começoua ser feita com eletrodos revestidos (com alguma proteção do metal emfusão) evitando a contaminação pelo contato com a atmosfera, eproporcionando maior estabilidade do próprio arco elétrico.

- Grande variedade de soldagem por arco elétrico, com característicasespecíficas.



A) Eletrodo consumível: serve como material de adição, sendo consumidodurante o processo de soldagem;

B) Eletrodo permanente: tungstênio – para pequenas espessuras, nãohavendo necessidade de adição de material. -

Quanto ao tipo de eletrodo, a solda por arco elétrico pode ser:


Figura 2 – Esquema do processo por soldagem com arco elétrico (elet. Revestido)



Dentre os eletrodos revestidos tem-se os seguintes processos:

- Soldagem a arco com metal protegido (vareta): processo manual, comumpara reparos e na soldagem de grandes estruturas.

- O soldador alimenta com um eletrodo consumível a área de trabalho .- O fluxo de cobertura do eletrodo libera um gás de proteção e formaescória no entorno do metal de solda. Uso em aços.


escória no entorno do metal de solda. Uso em aços.

- MIG (Metal Inert Gas): processo automático que produz soldas de altaqualidade a altas velocidades, utilizando diversos metais.

- O eletrodo consumível não é revestido, projetando-se de um bocalque libera gás de proteção (argônio para alumínio e outros metaisnão-ferrosos e dióxido de carbono de baixo custo), para aços.





-TIG (Tungsten Inert Gas): Bocal circundando o eletrodo de tungstêniolibera gás hélio ou argônio como proteção;

- Processo mais lento do que a solda MIG, mas pode serutilizado em metais nobres (ferrosos e não-ferrosos), com altaqualidade e pode ser automatizado.



2.3 Soldagem por resistência

A soldagem por resistência utiliza o efeito Joule e a pressão para efetuar a uniãode duas peças por coalescência;

- A pressão é aplicada externamente;- Resistência elétrica fornece o calor;- Processo rápido, com soldagem por coalescência em poucos segundos;- Econômica e adequada para processos de fabricação automatizados.


- Não utiliza material de adição, nem revestimentos ou gases de proteção

Fatores que auxiliam em sua automatização

A soldagem por pontos é um tipo de soldagem por resistência.

Força

2.3 Soldagem por resistência

Figura 4 – Fabricação de um tubo metálico, com



Figura 3 – Esquema do processo por soldagem por resistência elétrica.

Figura 4 – Fabricação de um tubo metálico, com costura: soldagem por resistência.

2.4 Soldagem em estado sólido


- Esse processo requer altas tensões de compressão, a quente ou a frio,para promover a união dos componentes.

- Não envolve a fusão dos componentes, sendo a solda efetuada porcoalescência das superfícies.

- Variações do processo: Forjamento (à quente), deformação plásticaà frio de duas peças em contato, soldagem por atrito.


Consiste em comprimir as peças, a serem unidas e promover alta temperatura através do atrito

entre as peças.

Figura 5 – Soldagem por atrito.


2.4 Soldagem em estado sólido


2.5 Outros processos de soldagem


2.5.1 Soldagem a laser: fonte de calor = feixe de laser de grandeintensidade gera uma coluna muito fina de metal vaporizado, que promovea soldagem da união.

- As uniões devem ser bem preparadas com espaçamento muitopequeno ou nulo: Menor zona termicamente afetadas (menor distorçãotérmica); cordão de solda mais estreito (menor tempo de acabamento) epossibilidade de automação do trabalho de soldagem.


2.5.2 Soldagem de polímeros: semelhante à soldagem de metais, mas comtemperatura muito inferiores:

Termoplásticos (fundem com temperatura mais elevada)

Termorígidos: degradam ou queima com altas temperaturas.

1) Movimento relativo e atrito geram calor necessário para fusão;

2) Fusão Fonte de calor externa (chama).

2.5 Outros processos de soldagem


2.5.3 Brasagem:

Processo que usa temperatura mais baixa do que no processo de soldagem, sendo fundido somente o material de adição (“adesivo metálico).

Materiais utilizados:


Abaixo de 450°C – chumbo e estanho;Acima de 450°C - ligas de níquel, cobre, alumínio, metais preciosos.

2.5.4 Colagem (Juntas adesivas):

Material de adição não-metálico. União de materiais distintos.


2.5.3 Brasagem


3 – Simbologia e especificações

- Norma - ISO 2553: 1992

- AWS (American Welding Society) -

- NBR 7165: Símbologia de solda para construção naval e ferroviária.



* Especificações de resistência eductibilidade do material do eletrodo desolda: padrão AWS e ASTM.

• Exemplo: série de eletrodos e varetasde soldagem E 60 ou E 70,•Representam as resistências min. 60ou 70 kpsi (aplicados ao material,quando soldado).


quando soldado).


Soldas de topo


- Soldas de topo (ou filetes) são classificadas de acordo com a direção docarregamento: carga paralela ou transversal.

- Dimensões da solda:

- Altura (h), que podem ser diferentes em uma mesma peça;

- Espessura (t) menor distância, a partir da intersecção das placas(Solda convexa: t = 0,707h).

- Área do cordão, para cálculo das tensões: Acordão = t x L, sendo L =comprimento da solda.

3.1 – Dimensões da solda (AWS)


-A dimensão h, da solda deve serproporcional com a espessurasdas placas:

- Dimensão h deve ser no min.3mm, para placas com espessurainferior a 6 mm e no min. 15mm,para placas > 150mm.

4 – Tipos de Uniões

Até 4 mm sem chanfro

De 5 mm até 15 mm V

4.1 Uniões de topo: apresentam boa resistência mecânica (condições:estática e dinâmica)


De 10 mm até 30 mm X

Maiores que 30 mm duplo U

4 – Tipos de Uniões

4.2 Uniões em “T”: suportam cargas inferiores do que as uniões de topo;

permitem cordões angulares;

para cargas dinâmicas pode-se utilizar cordões angulares côncavos.

4.3 Uniões angulares na extremidade: suportam cargas menores, do que a


4.3 Uniões angulares na extremidade: suportam cargas menores, do que aunião em “T”.

a sx

y

z

l

b

N

Qy

Qy

N

Mfx Mfx

z

y

x

z

QxMt

5 – Esforços atuantes nos cordões de solda


y

MfyMt

z

xQx

Mfy

y

z

as

Mfx

M N

N

Qy

Qy

x

x

z

Mt

Mfy

Mfy

Qx

Qx

y

5 – Esforços atuantes nos cordões de solda


MfxN

cordão

convexo

cordão

côncavocordão

planol

x

y

zb

Mt

Mfy

5.1.1 Cordão único

• Decompõe-se os esforços atuantes sobre a peça em forças e momentos aplicadosao centro do cordão.

xt

lc1

a1CG

1

y

5.1 – Distribuição dos esforços atuantes nos cordões de solda

5.1.2 Cordões múltiplos


x1 x2

lc2

a2

CG

2

C

G

x

yt

y2

y1

Para que a posição indicada seja o CG (centro de gravidade) é necessárioque:

a1 . lc1 . x1 = a2 . lc2 . x2a1 . lc1 . y1 = a2 . lc2 . y2

- Os esforços aplicados no CG da união por meio de solda são distribuídos acada um dos cordões.

5.1 – Distribuição dos esforços atuantes nos cordões de solda


- O cálculo exato depende em alguns casos da compatibilidade dedeformações das peças sendo soldadas e dos próprios cordões (balanço derigidez).

Exemplo 1

- As placas da Figura abaixo possuem 12 mm de espessura e são de aço comSy = 350 MPa. Elas são unidas através de um cordão de solda convexo aolongo dos lados AB e CD, cada um dos quais com 50 mm de comprimento. Aresistência ao escoamento do metal de solda é 350 MPa. Qual a carga estáticaF, que pode ser suportada por um cordão de solda com dimensão h = 6mm,considerando um fator de segurança de 3 (baseado na resistência aoescoamento)?

- Considere que as placas entre


- Considere que as placas entresi não falham, e a falha porcisalhamento ocorre na áreaútil da solda.

- Pela energia de distorção(aços):

Ssy = 0,554Sy

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