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U N I V E R S I D A D E E S TA D U A L D E C A M P I N A S
FA C U L D A D E D E E N G E N H A R I A M E C ¬ N I C A
E L E M E N T O S D E M ¡ Q U I N A S I
A P O S T I L A PA R A O C U R S O 2 o^ Semestre de 2001
UNI√O DE COMPONENTES MET¡LICOS POR SOLDAGEM
A U T O R :
P R O F. D R. A U T E L I A N O A N T U N E S D O S S A N T O S J ⁄ N I O R
D E P A R T A M E N T O D E P R O J E T O M E C ¬ N I C O - F E M - UNICAMP
Resumo:
Essa apostila trata da uni„o por soldagem de elementos mec‚nicos, abordada na
Disciplina EM 718 - Elementos de M·quinas I. Descreve os tipos principais de uniıes
por soldagem encontrados na pr·tica e os esforÁos que sofrem. A partir da estimativa
da resistÍncia, seja para o carregamento est·tico ou din‚mico, demonstra como
projetar a uni„o, permitindo o c·lculo das dimensıes das soldas ou da seguranÁa em
utilizar soldas prÈviamente dimensionadas. Trata-se de um resumo, sendo necess·ria a
consulta a textos especializados para aprofundamento.
1. IntroduÁ„o
A uni„o de elementos met·licos È desej·vel na montagem de estruturas que transmitam ou suportem os esforÁos que surgem na execuÁ„o do trabalho mec‚nico pela m·quinas. A seleÁ„o da forma adequada de transmitir esses esforÁos entre as disponÌveis est· relacionada a possibilidade tÈcnica de aplicaÁ„o, a possibilidade construtiva, ao custo, a disponibilidade de materiais e ao conhecimento, entre outros aspectos de menor peso. Assim, um cubo poderia ser preso a um eixo por um pino passante, mas isso concentraria tensıes; o mesmo cubo poderia ser preso por soldagem, mas causaria problemas na estrutura do material, impediria que o mesmo fosse retirado sem destruiÁ„o e reduziria a flexibilidade do conjunto; o mesmo poderia ser preso ainda por interferÍncia, n„o concentraria tensıes mas n„o poderia ser retirado e montado novamente; tambÈm poderia ser preso por chaveta, o que tambÈm introduziria o concentrador de tensıes. A an·lise econÙmica mostra que o custo da montagem, observado somente como o custo para a instalaÁ„o do cubo no eixo, seria bem menor para a soldagem do que para as demais soluÁıes, e que a chaveta poderia ser a soluÁ„o de maior custo, j· que inclui usinagem do eixo, do cubo e a confecÁ„o da chaveta. Essa apostila È sobre soldagem. Em particular, descreve o projeto de uniıes soldadas, j· que os tipos e caracterÌsticas das soldas foram vistos em disciplinas anteriores a Elementos de M·quinas. No decorrer do texto s„o descritas as principais formas de unir elementos met·licos encontradas na construÁ„o de m·quinas e o projeto para os casos de carregamento est·tico e din‚mico. Ao engenheiro compete analisar cada um dos tipos de uni„o soldada apresentados e classificar sua uni„o em algum deles. Com isso poder· dimensionar suas uniıes com os conceitos apresentados nessa apostila. Os conceitos aqui expostos est„o baseados em livros tradicionais de Elementos de M·quinas e Projeto de Sistemas Mec‚nicos.
2.1. Fatores que Influenciam a Qualidade da Uni„o Soldada Quando duas peÁas s„o soldadas, n„o se deseja que a uni„o resultante represente um ponto crÌtico do conjunto montado. Assim, a uni„o soldada deve ter resistÍncia t„o grande como a dos materiais antes da soldagem, para evitar que a junÁ„o seja um ponto de menor resistÍncia, mas n„o t„o grande que leve a um custo de soldagem (material e processo) muito elevado, j· que a uni„o sÛ seria t„o resistente quanto o mais fraco dos seus constituintes, no caso um dos materiais originais. O processo de soldagem requer o aquecimento das peÁas que ser„o unidas. Esse aquecimento gera uma regi„o chamada de "zona tÈrmicamente afetada", que È a regi„o prÛxima da solda onde o calor adicionado tem influencia significativa. A influÍncia pode se dar pela mudanÁa de estrutura dos materiais originais, devido ao aquecimento, e tambÈm pela mistura entre o material da solda e os materiais originais. Essas alteraÁıes metal˙rgicas podem enfraquecer a junÁ„o, fazendo com que a resistÍncia desta seja menor do que a esperada. O processo de aquecimento localizado tambÈm gera um gradiente de tensıes no interior das peÁas. A regi„o prÛxima a solda, estando mais aquecida, tende a se expandir de forma diferente das regiıes mais afastadas. Essa expans„o diferencial pode gerar o escoamento de porÁıes localizadas do material, causando tensıes residuais quando a junÁ„o È resfriada. O fato de que as tensıes s„o localizadas faz com que algumas regiıes se deformem de forma diferente das demais, causando a distorÁ„o da junÁ„o. Isso È muito comum em grandes estruturas soldadas, onde as partes soldadas raramente ficam na forma originalmente desejada. Afim de evitar os problemas citados, algumas providÍncias podem ser tomadas. Para o problema de tensıes, em especial o de tensıes de traÁ„o, o jateamento superficial com granalhas pode ser utilizado. Esse processo induz tensıes superficiais compressivas e melhora o acabamento da superfÌcie, providÍncias que levam a uma menor efetividade das tensıes na propagaÁ„o de eventuais trincas de fadiga.
O aquecimento prÈvio das peÁas que ser„o soldadas tambÈm permite uma sensÌvel reduÁ„o na criaÁ„o das tensıes residuais, j· que o diferencial de temperaturas ser· menor. O processo tambÈm reduz a distorÁ„o decorrente das tensıes. AlÌvio de tensıes apÛs a soldagem tambÈm È bastante empregado com a mesma finalidade. Para a maior seguranÁa do projetista e, obviamente, dos usu·rios de seu projeto, È recomendado que sejam construÌdos protÛtipos das junÁıes soldadas para testes, quando o risco de uma eventual falha puder levar a situaÁıes catastrÛficas. Muitas s„o as vari·veis de projeto que precisam ser controladas no projeto de junÁıes soldadas e todo o cuidado È pouco em situaÁıes de risco. O fator humano tambÈm È muito importante, j· que o soldador influi decisivamente na qualidade da solda. N„o h· como prever todos os aspectos psicolÛgicos envolvidos na execuÁ„o adequada do trabalho de soldagem, nem por valores elevados de coeficiente de seguranÁa. A construÁ„o de protÛtipos, se possÌvel com os mesmos profissionais que executar„o o trabalho final, È a melhor prevenÁ„o para evitar danos maiores. Seguir cÛdigos e normas È imprescindÌvel para o correto desenvolvimento do projeto. Fazer uso de projetos que n„o envolvam a consulta a procedimentos normalizados e recomendaÁıes È um risco que o bom senso necess·rio ao exercÌcio da engenharia recomenda evitar. AlÈm de toda a informaÁ„o baseada em conhecimento prÈvio contida nesses documentos, o aspecto legal envolvido no projeto seguro n„o deve ser minimizado. Um projeto bem feito, alÈm de pautar-se pelo bom senso e a aplicaÁ„o de conhecimento atualizado, deve prever o indesej·vel, isto È, a falha e suas consequÍncias. Caso normas e cÛdigos sejam seguidos, o engenheiro estar· respaldado nos procedimentos adotados para provar que n„o houve m· fÈ ou m· engenharia de sua parte.
soldagem em peÁas em um sÛ dos lados. O arranjo em (c) mostra a melhor configuraÁ„o e È utilizado quando os passes de solda podem ser dados de ambos os lados, o que uniformiza a solda quanto a flex„o e permite uma distribuiÁ„o melhor da rigidez do conjunto. O arranjo em (d) È uma variaÁ„o econÙmica do arranjo em (b).
O projeto da solda de topo consiste na comparaÁ„o da tens„o normal a qual as peÁas est„o sujeitas com a resistÍncia ao escoamento ou ‡ ruptura do material da solda ou do material mais fraco entre os soldados. Caso haja variaÁ„o no carregamento ao longo do tempo, os conceitos de fadiga dever„o ser aplicados, conforme j· visto na disciplina em curso.
3.2. Soldas Paralela e Tranversal As figuras 2 e 3 mostram filetes de solda em dois arranjos diferentes: paralelo e transversal, respectivamente. Na figura 2, os filetes de solda tÍm seu eixo axial na mesma direÁ„o da aplicaÁ„o da forÁa. J· na figura 3, o eixo das soldas È perpendicular a direÁ„o de aplicaÁ„o da forÁa. DaÌ vÍm os nomes de filetes paralelos e filetes transversais. Em ambos os tipos de arranjo mostrados nas figuras 2 e 3, os filetes suportam a carga F e tÍm a mesma largura (50 mm). No entanto, a carga nos filete transversais BC È de traÁ„o na parte da solda em contato com a chapa superior, o mesmo acontecento com a solda AD, na parte do filete em contato com a chapa inferior. J· no contato da solda AD com a chapa superior e no
Figura 1 Arranjo para Soldas de Topo
contato da solda BC com a chapa inferior, as tensıes s„o de cisalhamento. No caso dos filetes paralelos, as tensıes s„o sempre de cisalhamento. Arranjos como estes dificult„o a definiÁ„o da forma de projetar a uni„o soldada. Para resolver isso, os Ûrg„os de normalizaÁ„o propıem um procedimento padr„o para o projeto de soldas.
A figura 4 mostra um filete de solda em uma viga soldada tipo T invertido. Nessa figura, o filete È mostrado em destaque, ‡ direita. A forma correta de soldar est· mostrada nesse
Figura 2 Filetes de Solda Paralelos para a Uni„o de Chapas
Figura 3 Filetes de Solda Transversais para a Uni„o de Chapas
A resistÍncia ao cisalhamento de aÁos pode ser dada pela Teoria da Energia de DistorÁ„o, para o caso de projeto contra falha por escoamento, ou pela tens„o de ruptura ao cisalhamento. A resistÍncia ao escoamento por cisalhamento È calculada por SSy = (0,577.Sy), conforme visto anteriormente. A resistÍncia a ruptura por cisalhamento em aÁos pode ser estimada por S (^) Su = 0, Su.
3.3. JunÁıes Especiais - TorÁ„o nas Soldas As normas para c·lculo de soldas trazem recomendaÁıes para diversos tipos de arranjos de soldagem. Dois tipos se destacam por serem gerais, ou seja, por permitir que os demais arranjos sejam obtidos a partir deles. S„o chamados de soldas a torÁ„o e soldas a flex„o, devido a suas caracterÌsticas geomÈtricas. O arranjo de soldagem a torÁ„o È mostrado na figura 5. Neste arranjo as tensıes em pontos extremos dos filetes de solda (em vermelho) podem ser calculadas por uma combinaÁ„o das tensıes de cisalhamento devidas ‡ forÁa cortante com as tensıes de cisalhamento devido ‡ torÁ„o que as soldas sofrem quando resistem ‡ flex„o da chapa em balanÁo.
Figura 5 Filetes de Solda submetidos a EsforÁos de Cisalhamento devido a TorÁ„o e ForÁa Cortante
O mesmo tipo de solicitaÁ„o È mostrado na figura 6. Nessa figura, o ponto G representa o centro de gravidade das soldas. Em torno desse centro os filetes sofrer„o o torque causado pela forÁa de 20 kN. Em outras palavras, a forÁa de flex„o na chapa tende a girar o conjunto de filetes em torno do centro G. O centro funciona como o local onde poderia ser aplicada uma carga e um torque, iguais e opostos aos esforÁos causados pela carga, para equilibrar a chapa. Os pontos A, B e C s„o os pontos mais distantes do centro G. Supondo que a tens„o de cisalhamento devida a forÁa cortante seja uniformemente distribuÌda, os pontos mais distantes dever„o ser os principais candidatos a suportar as maiores tensıes combinadas, j· que a tens„o de cisalhamento devida ao torque depende da dist‚ncia do ponto ao centro G. As tensıes devidas ao torque tÍm a direÁ„o perpendicular ao raio do ponto onde est„o sendo calculadas, ou seja, perpendicular a reta que liga o ponto e o centro de gravidade. O ponto B, embora n„o esteja no extremo dos filetes como os pontos A e C, tambÈm È um possÌvel ponto de m·ximo porque a tens„o m·xima depende da combinaÁ„o das tensıes e, nesse ponto, essas poderiam se somar, dependendo da direÁ„o das tensıes.
Figura 6 Filetes de Solda submetidos a EsforÁos de Cisalhamento devido a TorÁ„o e ForÁa Cortante
3.4. JunÁıes Especiais - Flex„o nas Soldas O arranjo mostrado na figura 8 representa o tipo de soldagem no qual a solda sofre uma composiÁ„o entre a tens„o de flex„o e a de cisalhamento devido ‡ forÁa cortante. Da mesma forma que para o caso discutido no item 3.3, a tens„o resultante È uma combinaÁ„o dessas tensıes, agora conforme a equaÁ„o 3.
Embora a tens„o de flex„o seja um tipo de tens„o normal, que deveria ser comparada ‡ tens„o de escoamento ou ao limite de resistÍncia ‡ traÁ„o, o procedimento requer que ambas sejam combinadas e a resultante seja considerada como tens„o de cisalhamento agindo na seÁ„o definida pela espessura t e pelo comprimento do filete. Novamente, o cisalhamento È suposto uniformemente distribuido na solda e deve ser combinado com a tens„o de flex„o m·xima.
Figura 8 Filetes de Solda submetidos ‡ Tens„o Normal de Flex„o e a Tens„o de Cisalhamento devida a ForÁa Cortante
A
F I
τ = M^. c +
3.5. C·lculo dos Momentos de InÈrcia A figura 9 mostra um filete de solda e os eixos X' Y' , que passam por seu centro de gravidade, e os eixos X Y, que est„o deslocados do CG. Para calcular os momentos de inÈrcia em relaÁ„o ao sistema de coordenadas XY È necess·rio utilizar o teorema dos eixos paralelos. Note-se que a espessura utilizada para o filete È t, o que È coerente com o procedimento normalizado, e o comprimento do filete È L.
Os valores dos momentos de inÈrcia de ·rea em relaÁ„o aos novos eixos podem ser calculados pelas seguintes equaÁıes:
(4.a)
(4.b)
G
a
b
t
L/
L/
X`
G`
y
Y
X
Y `
Figura 9 Filete de Solda, seus Eixos Principais e um Sistema de Eixos Paralelo
IY ' = 0
2 0
2 2 3
L X
I y dA y tdy L t
5. Conclusıes
O processo de soldagem em estruturas requer a utilizaÁ„o de cuidados que outros processos de uni„o de peÁas n„o necessitam. Em especial, devido ao aquecimento necess·rio para que a soldagem se processe, È muito importante o cuidado com a execuÁ„o dos passes, controle de temperatura e da zona afetada pelo calor. Devido ‡s incertezas presentes, maiores coeficientes de seguranÁa devem ser utilizados do que outras aplicaÁıes mais comuns. O dimensionamento das soldas È feito levando-se em conta a tens„o de cisalhamento e a ·rea definida pela espessura t, que pode ser calculada como sendo cerca de 70% da medida da perna da solda em filetes comuns. Essa tens„o deve ser comparada com o limite de resistÍncia ao escoamento ou a traÁ„o, dependendo do tipo de falha que se deseja evitar. Para carregamentos vari·veis, fatores de intensificaÁ„o de tens„o e conceitos de dimensionamento ‡ fadiga devem ser levados em conta. Nesse caso, coeficientes de seguranÁa ainda maiores deveriam ser empregados. A soldagem È um mÈtodo de uni„o de baixo custo, simples, extremamente vers·til, mas que requer cuidados e pode causar distorÁ„o da estrutura. Tensıes residuais tambÈm podem surgir devido ao processo e um alÌvio de tensıes pode ser necess·rio. Quando os cuidados necess·rios no processo s„o tomados e os conceitos adequados de projeto s„o levados em conta, a soldagem apresenta-se como uma alternativa vi·vel e segura para a conex„o de elementos estruturais met·licos.
6. ReferÍncia Bibliogr·fica
A maioria dos conceitos aqui descritos, bem como parte das figuras, foram extraÌdos do livro a seguir, embora estejam presentes na maioria dos textos de Elementos de M·quinas.
JUVINALL, R. C. & MARSHEK, K. M. Fundamentals of Machine Component Design. Ed. John Wiley & Sons. New York, 1991. 2 a^ ed.
